成都边界层风场演变天气意义的检验

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 16 卷 第 3 期 1 9 9 7 年　8 月 高　　原　　气　　象 PLA T EAU M ET EOROLO GY V o l. 16　 N o. 3 A ug. , 1 9 9 7 ·研·究·简·报 成都边界层风场演变 天气意义的检验① 李跃清1②　　彭　虎1　　张　波2 ( 1 成都高原气象研究所, 四川省成都市 610072) ( 2 成都气象局, 四川省成都市 610041) 　　摘　要　应用 1993 年 4 月 25 日～ 5 月 4 日四川盆地加密观测探空资料, 了四川盆地 边界层风场变化规律及其与 4 月 30 日～ 5 月 1 日盆地初夏少见的大范围大风、冰雹、暴雨天气 过程的关系。通过分析进一步证实: 西邻青藏高原的成都是四川盆地天气变化的关键信息点; 在 高原盆地特定地形的影响下, 成都边界层风场呈规律性变化, 其全息图像是: 当成都边界层为东 北风时, 四川盆地边界层维持气旋式偏东流场, 处于辐合、正涡度、上升运动区中, 盆地未来产生 暴雨等强对流天气; 当为其它风向 (多为西南风)时, 盆地边界层维持反气旋式偏南流场, 处于辐 散、负涡度、下沉运动区中, 盆地未来是无降水晴好天气。 　　关键词　四川盆地　信息点　边界层风场 　　中图法分类号　P44 暴雨等强对流天气是四川盆地夏半年最主要的灾害性天气。近年来, 随着天气预报理 论研究和业务技术的发展, 对四川盆地暴雨等强对流天气发生的物理有了更全面、深 入的认识。其中李跃清〔1, 2〕应用 1982～ 1986 年四川盆地大气边界层 0, 300, 600 和 900m 风场资料, 逐日对比分析了四川盆地大气边界层的物理特征及其与暴雨等强对流天气的 关系, 得到了一些新的结果。发现成都边界层风场主要现为东北风与西南风的交替变 化, 这种规律性是高原大地形与环流相互作用的结果。指出夏半年 5～ 9 月, 当成都边界层 为东北风时, 四川盆地将产生暴雨等强对流天气; 当为西南风时, 四川盆地是无降水天气。 提出了成都是四川盆地天气变化关键信息点的观点。 1993 年 4 月 25 日～ 5 月 4 日“四川盆地环境边界层大气输送规律的研究”课组在 四川省探空观测站组织开展了 10 天加密观测, 利用探空观测站日常业务使用的常规探空 设备, 每 30s 读数一次, 得到了成都、重庆、宜宾、达县、西昌、甘孜、红原等站边界层内 ① ② 第一作者简介: 李跃清, 男, 1960 年 2 月出生, 硕士, 副研究员, 主要从事青藏高原对天气气候 　　影响的研究 收稿日期: 1996- 08- 21; 改回日期: 1997- 05- 05 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 0, 50, 100, 200, ⋯, 1400和 1500m 高度及其以上高度的气象资料。需要指出的是, 正好在 加密观测阶段, 4 月 30 日～ 5 月 1 日四川盆地发生了一次大范围历史上少见的大风、冰雹 和暴雨天气过程。因此, 我们应用四川盆地边界层加密风场资料, 通过风矢量分解, 分析这 次强对流天气过程前后四川盆地边界层风场变化及其流场特征, 进一步证实和检验成都 是四川盆地天气变化关键信息点的观点。 1　天气过程概况 1993 年 4 月 30 日午后到 5 月 2 日早晨, 四川盆地发生了一次大范围大风、冰雹、暴 雨天气过程, 从影响范围、强度来看, 是近十年来罕见的一次强对流天气过程。四川盆地内 有 10 多个地、市受到了 7 级以上大风的袭击, 40 多个县、市瞬时风速达到或超过了 17m ös, 其中不少县、市超过了 20m ös; 并有 20 多个县、市受到冰雹的袭击, 且有 20 多个 县、市出现了暴雨天气, 其中宜宾、南充、内江、达县、重庆等地、市出现了区域性大风, 雅 安、绵阳、南充、达川、重庆等地、市出现了区域性冰雹, 雅安、乐山、万县、涪陵、重庆等地、 市出现了区域性暴雨。 大尺度环流特征表明: 过程前期, 乌山地区为一高脊, 新西伯利亚到里海为一横槽, 中 亚为一宽广高脊, 脊线位于 80°E 附近, 东亚大槽位于 135°E 附近。29 日 08: 00 开始, 由于 上游不稳定小槽的发展和东南移, 导致乌山高脊南垮, 横槽转竖, 中亚脊减弱, 部分东移。5 月 1 日 20: 00, 中亚脊再次建立, 强对流天气正好发生在这一过程中。需要指出的是, 在前 期中亚脊的控制下, 四川盆地气温迅速上升, 形成了异常高温的条件, 由于新西伯利亚到 里海横槽转竖, 东移到巴尔喀什湖一带, 其南部不断分裂低槽东南移。这种阶梯槽引导地 面冷空气影响是这次过程产生的主要外在条件。另外, 中、低层西南暖湿气流的建立, 保证 了四川盆地水汽供应及其不稳定层结的形成, 也是一个重要因素。 与上述大尺度形势演变相对应, 四川盆地边界层也表现出明显的变化特征。 2　边界层动力特征 2. 1　成都边界层风场 我们主要分析了成都边界层内风场垂直分布及其时间演变和四川盆地边界层流场的 特征。 分析表明, 在这次大风、冰雹和暴雨天气过程中, 成都边界层 1500m 以下平均风场变 化 (见图 1)具有明显的指示意义。过程前期, 1993 年 4 月 26 日 07: 00 到 29 日 19: 00, 成都 边界层平均风场 u , v 分量很小, 并且不是东北风, 但 4 月 30 日 07: 00 成都边界层平均风 场转为东北风 (u , v 分量都小于 0) , 五六小时后, 四川盆地开始出现大风、冰雹和暴雨天 气, 整个过程对应于东北风的增强和持续, 5 月 2 日 07: 00 成都边界层风场转为西南风 (u , v 分量都大于 0) , 这次天气过程也随之结束。 图 2 给出了成都边界层风场的垂直分布情况。由图可以看到, 4 月 28 日成都边界层 内 0～ 1500m 高度, 07: 00 风速 u 分量基本为正值, v 分量随高度呈正负交替变化, 表现为 西南风、西北风分布, 19: 00v 分量整层为正值, u 分量 500m 以下为正值, 以上为负值, 即 233　 高　　原　　气　　象 16 卷　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 1　1993 年 4 月 26 日～ 5 月 3 日成都边界层平均风速变化 (单位: m ös) 实线为 u 分量, 虚线为 v 分量, 图上的线段代表大风、冰雹、暴雨天气过程 F ig. 1　T he varia t ion of the PBL ′s m ean w ind speed at Chengdu in Sichuan Basin on A p ril 26～ M ay 3, 1993 (un it: m ös). So lid and dashed lines are u and v componen t, respectively, line segm ents rep resen t h igh w ind, hail and heavy rain p rocesses. 图 2　1993 年 4 月 29 日～ 5 月 2 日成都边界层风速随高度的分布 (a) 4 月 29 日, (b) 4 月 30 日, (c) 5 月 1 日, (d) 5 月 2 日; 实线为 u 分量, 虚线为 v 分量 F ig. 2　T he distribu tion of the PBL ′s w ind speed w ith heigh ts at Chengdu in Sichuan Basin on A p ril 29～M ay 2, 1993. (a) A p ril 29, (b) A p ril 30, (c) M ay 1, (d) M ay 2. So lid and dashed lines are u and v componen t, respectively. 500m 以下为西南风, 以上为东南风分布。4 月 29 日 07: 00 成都边界层内风速 u , v 分量主 要为正值, 表现为深厚的西南风, 19: 00 边界层内 u , v 分量仍然主要为正值, 表现为西南 风占优势。但是 4 月 30 日 07: 00 成都边界层内整个风场发生了急剧变化, 除 300～ 600m 333　3 期 李跃清等: 成都边界层风场演变天气意义的检验 　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 外, 其余层次 u , v 分量都由正值转为负值, 表现为东北风占主导风向, 而且风速明显增大, 相应地 4 月 30 日午后四川盆地开始出现大风、冰雹和暴雨天气, 19: 00 成都整个边界层 内 u , v 分量仍然为负值, 保持较强的东北风。5 月 1 日 07: 00 成都边界层内 0～ 1500m 高 度 u , v 分量仍然为负值, 强度进一步增大, 东北风控制着边界层, 19: 00 成都边界层内 u , v 分量仍然主要为负值, 东北风占主导风向。上述成都边界层东北风时段, 对应着四川盆地 大风、冰雹、暴雨天气的稳定持续。5 月 2 日 07: 00 成都边界层风场又一次急剧变化, 除 1200～ 1500m 外, 其余层次 u , v 分量转为正值, 边界层内以较强的西南风占主导风向, 相 应地四川盆地的大风、冰雹、暴雨天气结束。5 月 3 日 07: 00 和 19: 00 成都边界层平均风 场均为非东北风控制, 四川盆地为无降水天气。 需要强调的是, 四川盆地其它探空观测站边界层风场并没有表现出成都站上述的变 化特征。 图 3　1993 年 4 月 29 日～ 5 月 2 日四川盆地边界层平均风速变化 测站旁数值分别为 07: 00 (左边)和 19: 00 (右边)平均风速大小 (m ös) , 实线为 07: 00, 虚线为 19: 00 F ig. 3　T he varia t ion of the PBL ′s m ean flow field in Sichuan Basin on A p ril 29～M ay 2, 1993. T he num bers beside sta t ions are m ean w ind speed at 07: 00 (the left) and 19: 00 (the righ t). So lid and dashed lines are at 07: 00 and at 19: 00, respectively. 2. 2　四川盆地边界层流场特征 由图 3 看到, 与成都边界层平均风场变化相对应, 四川盆地大风、冰雹、暴雨天气过程 前后, 四川盆地边界层平均流场变化也表现出明显的规律性。在大风、冰雹、暴雨天气时 433　 高　　原　　气　　象 16 卷　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 段, 4 月 30 日 07: 00 到 5 月 1 日 19: 00, 四川盆地边界层平均流场表现为由盆地东部指向 盆地西部的偏东气流, 在盆地西侧沿地形走向气旋式向南弯曲, 而且风速增大, 流场强度 明显加强。在大风、冰雹、暴雨天气过程中, 这种气旋式偏东流场分布形势不变。流场的建 立和破坏, 与这次强对流天气过程的发生和结束相对应。4 月 30 日 07: 00, 四川盆地边界 层处于气旋式偏东流场控制下, 五六小时后, 四川盆地出现大风、冰雹、暴雨天气, 5 月 2 日 07: 00 四川盆地边界层气旋式偏东流场遭到破坏, 大风、冰雹、暴雨天气过程结束。 3　分析讨论 由上述分析看到, 在 1993 年 4 月 30 日～ 5 月 1 日四川盆地的大风、冰雹、暴雨天气 过程及其前后各测站边界层风场的变化中, 西邻青藏高原的成都其边界层风场变化表现 出鲜明的特性, u< 0, v < 0 的东北风位相对应强对流天气过程, 其他风向 (多为西南风) 为 无降水天气, 而其他测站边界层风场则不存在这种性质。预报实践表明: 成都单站 850hPa 以上自由大气中的风场变化对四川盆地强降水预报有重要指示意义, 一定强度的偏南风 是暴雨预报中的基本因子〔3〕。研究表明, 成都边界层风场变化具有同样重要的作用〔1, 2〕。本 文再次证明, 成都确实是四川盆地天气变化的关键信息点。对应于成都边界层风场变化, 四川盆地边界层流场也表现出明显的规律性。过程前期, 四川盆地边界层为反气旋式偏南 气流控制, 当边界层流场调整为气旋式偏东流场时, 四川盆地未来将产生强对流天气, 当 边界层流场再次调整为反气旋式偏南流场时, 过程结束。这是因为四川盆地边界层这种气 旋式偏东流场, 有利于强对流天气的发生、发展〔4〕, 在这种有利流场条件下, 四川盆地边界 层维持明显的正涡度、显著辐合、强烈上升运动的有利动力配置 (图略) , 促使低值系统的 发生发展, 加剧了边界层内热量、水汽等不断输向自由大气, 维持着强对流天气。另外, 四 川盆地这种气旋式偏东流场的建立、维持、消亡与成都边界层东北风的建立、持续、结束密 切相关。上述这些特征与应用 1982～ 1986 年的资料分析结论〔1, 2〕一致。因此, 成都作为四 川盆地天气变化的关键信息点所代表的全息图像是: 在青藏高原和四川盆地特定的地形 环境下, 西邻高原山地的成都边界层风场呈规律性变化。当成都边界层为东北风时, 预示 着未来四川盆地为气旋式偏东流场控制, 四川盆地边界层为辐合、正涡度、上升运动区, 造 成四川盆地大风、冰雹、暴雨等强对流天气; 当为其他风向时, 四川盆地边界层为反气旋式 偏南流场控制, 为不利的动力场配置, 盆地将为无降水晴好天气。这就是成都边界层风场 变化的物理特征和天气意义, 它再次证明成都是四川盆地天气变化的关键信息点〔1, 2〕。 4　结　　论 (1) 　1993 年 4 月 30 日～ 5 月 1 日四川盆地的大风、冰雹、暴雨天气过程, 发生在成 都边界层处于东北风位相、四川盆地偏东气旋式流场控制的条件下, 并且成都边界层风场 变化具有一定的超前性。 (2)　成都边界层东北风的建立、持续、中断, 对应四川盆地气旋式偏东流场和边界层 正涡度、辐合、上升运动的形成、维持、消亡, 预示着四川盆地暴雨等强对流天气的发生、发 展和结束。 533　3 期 李跃清等: 成都边界层风场演变天气意义的检验 　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (3)　本文的讨论再次证明, 处于特殊地理环境下的成都是四川盆地天气变化的关键 信息点, 其风场变化是地形与环流相互作用的反映, 包含着丰富的天气信息和清晰的物理 图像。 另外, 成都边界层风场变化的天气意义是一个重要的观测事实, 具有理论和应用价 值, 值得深入研究。 参考文献 1　李跃清. 夏半年成都边界层风场与四川盆地暴雨的关系. 高原气象, 1995, 14 (2) : 232～ 236 2　李跃清. 长江上游暴雨的边界层动力诊断研究. 大气科学, 1996, 20 (1) : 73～ 78 3　刘富明, 芮良生, 魏淑华等. 四川的暴雨及其预报. 四川省短期天气预报手册 (下册). 四川省气象局, 1986. 28～ 197 4　杨大升. 行星边界层对低涡降水过程的作用. 暴雨文集. 长春: 吉林人民出版社, 1978. 47～ 57 A VER IF ICAT ION OF W EATHER SIGN IF ICANCE OF PBL W IND F IELD EVOL UT ION AT CHENGD U L i Yueqing1　　Peng H u1　　Zhang Bo 2 ( 1 Cheng d u Institu te of P la teau M eteorology , Cheng d u, S ichuan 610072) ( 2 Cheng d u M eteorolog ica l B u reau, Cheng d u, S ichuan 610041) Abstract　By u sing the enhanced ob servat ion radio sonde data du ring the period from A p ril 25 to M ay 4, 1993 in Sichuan Basin (SB ) , the rela t ion sh ip betw een w ind field evo lu t ion in p lanetary boundary layer (PBL ) at Chengdu and the w idesp read h igh w ind, hail and heavy ra in p rocesses in SB on A p ril 30～M ay 1, 1993 are analyzed. It is fu rther confirm ed that Chengdu sta t ion near the Q inghai- X izang P la teau is a info rm at ion po in t fo r the w eather varia t ion in SB. It show s the impo rtan t ob servat ion fact tha t under the effect of specif ic topography of the P la teau- Basin, the w ind field in PBL over SB is reg2 u lar varia t ion. Its ho lograph ic im age is that w hen it is b low ing no rtheast w ind, the PBL over SB m ain ta in s easterly cyclon ic flow field w ith convergence, po sit ive vo rt icity and as2 cending mo tion, and it w ill be st rong convect ion w eather such as heavy ra in. W hen b low ing non - no rtheast w ind, especia lly sou thw est w ind, the PBL over SB m ain ta in s sou therly an t icyclon ic flow field w ith divergence, negat ive vo rt icity and descending mo2 t ion, and it w ill be ra in less w eather. Key words　Sichuan Basin　 Info rm at ion po in t　W ind field in PBL 633　 高　　原　　气　　象 16 卷