（气象学专业论文）台风“海棠”造成河南大暴雨过程的机理研究及数值模拟.pdf

台风。海棠”造成河南大暴雨过程的机理研究及数值模拟 摘要 本文首先采用常规气象观测资料、郑州7 1 4 c 0 雷达资料和1 。1 。n c e p 再 分析格点资料，对2 0 0 5 年7 月2 0 2 3 日台风“海棠”影响河南所造成的暴雨 过程进行初步诊断分析。发现副热带高压西南侧与台风低压外围之间的东南风 急流、台风低压倒槽以及冷空气的共同作用是这场暴雨的直接影响系统；地面 中尺度辐合线附近强降水回波的持续影响造成大暴雨；较强的东南暖湿气流为 暴雨的发生提供了充沛的水汽和不稳定能量，低层辐合、高层辐散的“抽吸作 用”是降水加强的动力条件。等熵位涡分析揭示了此次台风暴雨产生的机制：台 风呈现为高位涡结构，其东北部的东南急流南侧能够产生强降雨，而台风到达 较高纬度后，若有高位涡冷空气入侵，则降水强度明显加大；同时，高空西风 急流的南移有利于高位涡的向南输送，对于暴雨的增幅具有促进作用。对湿q 矢量的诊断研究表明，9 0 0 h p a 湿q 矢量散度- 2 0 1 0 1 5h p a - 1 s 。3 的辐合区对 未来暴雨落区有较好的指示意义，低层强辐合中层强辐散区未来的降水强度将 明显减弱，长时间维持对流稳定层结将推迟强降水的开始时间。 利用m m 5 v 3 6 中尺度非静力模式对2 0 0 5 年7 月2 2 日的大暴雨天气进行2 4 小时 数值模拟，结果表明：模式能够很好地模拟中尺度系统的整个发展过程，对降 水的模拟与实况接近；强降水发生前大暴雨区上空深厚湿层和不稳定层结已经 形成；在高低层同时出现的正负涡度柱、散度柱耦合结构及其互耦配置和剧烈 的上升运动，导致不稳定能量快速释放，产生大暴雨。 关键词：台风海棠弱冷空气位涡湿q 矢量耦合结构 t h em e c h a n i s ms t u d ya n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f h e a v yr a i n f a l lp r o c e s si nh e n a nc a u s e db yt y p h o o n “h a i t a n g ” a b s t r a c t b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lm e t e a r o l o g i c a lo b s e r v a t i o nd a t a , t h e7 1 4 c i n r a dd o p p l e rr a d a rd a t ai nz h e n z h o ua n d1 0 x l 。n c e pr e a n a l y s i s g r i d e dd a t a , t h eh e a v yr a i n f a l l ，w h i c hw a sc a u s e db yt h et y p h o o n h a l t a n gi nh e n a nf r o m2 0 t o2 3j u l y2 0 0 5 ，i sd i a g n o s t i ca n a l y z e d p r e l i m i n a r u l y i ti sf o u n dt h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es o u t h e a s t e r l y j e tb e t w e e nt h es o u t ho fs u b t r o p i c a lh i g ha n d t h ep e r i p h e r a lt y p h o o nl o w p r e s s u r e ，t y p h o o ni n v e r s i o nt r o u g ha n dc o o la i ri st h e d i r e c ti n f l u e n c i n g s y s t e m ，p e r s i s tf l u e n c e i n go fp r e c i p i t a t i o ne c h on e x ts u r f a c em e s o s c a l e c o n v e r g e n c el i n em a d ei m p o r t a n te f f e c to nt h eh e a r yr a i n s t o r mf o r m i n g ， s t r o n gs o u t h e a s t e r l yw a r m - w e ta i rc u r r e n t a f f o r d e da b u n d a n c ew a t e r v a p o u ra n di n s t a b i l i t ye n e r g y , a n dt h ep u m p i n gc a u s e db yc o n v e r g e n c e i nl o wl e v e la n dd i r v e r g e n c ei nh i g hl e v e li st h ed y n a m i cc o n d i t i o no f t h e r a i n f a l l e n h a n c i n g b yi s e n t r o p i cp o t e n t i a lv o r t i c i t ya n a l y s i s ，t h e m e c h a n i s mo ft h i st y p h o o nr a i n s t r o mi sr e v e a l e dt h a tt y p h o o nh a dah i g h p o t e n t i a lv o a i c i t ys t r u c t u r ea n dh e a v yr a i n f a l lo c u r r e di nt h es o u t ho f s o u t h e a s t e r l yj e ti ni t sn o r t h e a s t w h e nt y p h o o na r r i v e da tt h ea r e ai n h i g hl a t i t u d e ，p r e c i p i t a t i o ni n e n s i t ye n h a n c e do b v i o u s l yi fc o o la i rw i t h h i g hp o t e n t i a lv o r t i c i t yi n v a d e d a n dt h es o u t h w a r dm o v i n go fw e s t e r l y j e ti i lh i g hl e v e lb e n e f i t e dt h es o u t h w a r d 舰n s p o r t a i o no fh i g hp o t e n t i a l v o r t i c i t ya r e aw h i c ha d v a n c e di n t e n s i f i c a t i o no fh e a v yr a i n f a l l b a s e d0 1 1 m o i s t r u eq - v e c t o ra n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tc o n v e r g e n c ea r e a ，w h e r e m o i s t r u eq v e c t o ra n a l y s i sd i v e r g e n c ew a sn o tg r e a t e rt h a n 2 0 x1 0 。1 5 h p d l s 一，h a dag o o dd e s i g n a t i n gs i n g i f i c a t i o nf o rt o r r e n t i a l r a i na r e ai n f l l r t h e r t h ef u r t h e rr a i n f a l lw o u l dr e m a r k l yr e d u c ei nt h ea r e aw i t h s t r o n gc o n v e r g e n c ei nl o wl e v e la n ds t r o n gd i r v e r g e n c ei nm i d d l el e v e l a n dt h el o n gl a s t i n go fc o n v e c t i o n a ls t a b i l i t ys t r a t i f i c a t i o nc o u l dd e l a y t h eb e g i n n i n gt i m eo f t h eh e a v yr a i n f a l l t h e h e a v yr a i n s t r o mp r o c e s so n2 2j u l2 0 0 5w a ss i m u l a t e du s i n g n o n h y d r o s t a s t i cm e s o s c a l e n u m e r i c a lm o d e lm m 5 ( v 3 6 ) ，a n dt h er e s u l t s s h o w e dt h a t ，t h em o d e lh a dag o o dc a p a b i l i t yt os i m u l a t i n gt h ew h o l e p r o c e s so ft h e m e s o c a l es y s t e mf o r m i n ga n dd e v e l o p i n g ，a n dt h e s i m u l a t i v ep r e c i p i t a t i o nw a sc l o s et ot h eo b s e r v a t i o n d e e ph u m i dl e v e l a n du n s t a b l es t r a t i f i c a t i o nh a df o r m e db e f o r et h eh e a v yr a i n f a l lt o o k p l a c e p o s i t i v ea n dn e g a t i v ev o r t i c i t yc o l u m n sa l la p p e a r i n gi nh i 曲a n d l o wl e v e l ，c o u p l i n gs t r u c t u r eo fd i v e r g e n c ec o l u m n s ，a l l o c a t i o no f c o u p l i n gs t r u c t u r ea n ds t r e n u o u sa s c e n d i n gm o t i o n ，l e a d e dt of a s tr e l e a s e o fi n s t a b i l i t ye n e r g ya n dr a i n s t o r mu l t i m a t e l y k e yw o r d s ：t y p h o o nh a i t a n g ；w e a k c o o la i r ；p o t e n t i a lv o t i c i t y ；m o i s t u r e q v e c t o r ；c o u p l i n gs t r u c t u r e 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以。求实、创新。的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 3 ，本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真 实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它 机构已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并 表示了谢意 作者签名：壹妻 = 拯 日期：域越l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留，使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名；童要邀 日期：望型和沮 1 台风暴雨研究的意义 刖昌 台风是发生在热带海洋上一种具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，它引发的 灾害位列全球十大自然灾害之首。李江南等0 1 指出，台风是最强的暴雨天气系 统，台风灾害的主要部分往往是由台风引发的暴雨造成的。 国内外不少极端暴雨记录都与台风活动有关，台风引发的暴雨会造成洪涝 爆发、农田受淹、耕地流失、城市内涝和路毁车阻等灾害，给国家经济和人民 生命财产造成严重的损失。中国历史上3 次破记录的特大暴雨都是台风造成的。 河南虽地处内陆，但历史上著名的6 3 8 、7 5 8 、8 2 8 、9 6 8 等台风暴雨过程均 对河南产生了深重影响。其中1 9 7 5 年8 月7 5 0 3 号台风在福建登陆后移入河南 境内，并停滞较长时间，造成l 天最大降水量1 0 0 5 毫米，6 小时最大降水量6 8 5 毫米，1 小时最大降水量1 8 9 5 毫米。1 小时和6 小时雨强均为我国历史上最高 记录乜1 。陈瑞闪口1 指出台风暴雨是台风业务预报最重要、最复杂、难度最大之 点，因为形成台风暴雨的原因十分复杂，每一次台风暴雨都有不同的产生原因 及不同的特点。对台风暴雨的研究和预报一直受到气象工作者的高度重视。 2 台风暴雨的研究进展 为了减轻台风暴雨造成的灾害，过去十几年国内外不断开展了台风的研究工 作。如：1 9 9 1 1 9 9 6 年间组织了国家科技攻关项目8 5 - 9 0 6 “台风科学、业务试 验和天气动力学理论的研究”。1 9 9 3 1 9 9 4 两年夏季开展了代号为“c a t e x ( c h i n a a b n o r m a lt y p h o o ne x p e r i m e n t ) ”的国内台风科学试验，取得了大量的加密观 测资料。美国和前苏联1 9 9 0 年在西太平洋发起了代号分别为t c m - 9 0 和 t y p h o o n - 9 0 的外场试验。联合国亚太经社理事会和世界气象组织( e s c a p w m 0 ) 台风委员会响应这一国家科学活动，也组织了代号为s p e c t r u m 一9 0 的外场台风科 学试验。这三个实验的科学目的在于采集台风内部高低空和热带气旋周围环境 以及海面和深海的加密观测资料，以研究台风的异常运动。通过这些研究，对 台风运动突变、结构和强度突变、台风暴雨的突然增幅和台风路径预报的方法 等方面取得了新的进展”。 韩晖哺1 通过分析1 9 5 1 2 0 0 1 年间对中国产生影响的台风及相应的降水情况， 总结出近5 0 年中国台风暴雨的时空特征：中国台风暴雨的地理分布存在很大的 空间差异，暴雨发生频次的总体特征是由东南沿海向西北内陆逐渐减少，在同 一纬度沿海地区的频次最高；中国台风暴雨的雨季是5 至1 0 月，其中7 至9 月是高 峰期。影响河南的台风暴雨分为两种情况，一种是由深入内陆的台风低压直接 造成，多数是由减弱后的台风低压倒槽与西风带低值系统、冷空气共同作用形 成的远距离台风暴雨。鉴于远距离台风暴雨对北方产生的严重灾害及其难预报 性，多年来很多学者对此类台风暴雨进行过研究。已有的研究结果表明，当台 风登陆之后若与西风带低值系统相结合，则降雨强度会大大加强。李玉兰啊在 7 9 0 7 号台风分析中发现：最强降水出现在倒槽与西风槽结合处东侧。朱洪岩等口1 数值研究表明，台风可通过水汽和能量输送直接影响台风远距离降水的分布。 西风槽可为远距离降水提供低层辐合、高层辐散以及槽前正涡度平流的大尺度 背景，这将有利于垂直运动的发展和降雨的维持。台风东侧的水汽向中纬度槽 前输送可直接影响槽前降水的强度。刘爱鸣等在对0 2 1 2 号台风“北冕”后部 暴雨的分析和数值试验中指出，低空急流对台风暴雨的形成具有很重要的作用。 钮学新等咖的研究指出，适量的冷空气侵入台风倒槽和外围，可以加剧动力和 热力不稳定，使冷空气影响到的附近地区降水量增加1 2 倍，甚至更大。励申 申等“町利用合成分析方法讨论了中纬度台风倒槽结构及倒槽暴雨形成的动力学 特征得出：台风倒槽暴雨既有热带系统丰富水汽又有中纬度系统的斜压性，因 而能产生比台风环流本身大得多的降水。 暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物，而中尺度天气系统是直接造成暴 雨的天气系统。无论从理论上还是从实际情况来说，用实况观测资料来对理论 2 结果进行验证都是最合理的。但是，由于实况观测资料时间间隔和空间间隔的 限制，特别是探空站一般的空间间距都在3 0 0 k m 左右，时间间隔上每1 2 d , 时才有 一次高空探测资料，通常难以捕捉中小尺度系统，进行时空插值的效果又与插 值方法有很大的关系，因而难免存在一定的局限性，所以运用中尺度数值模式 的试验结果对动力学理论的分析结果进行验证是必要的。以往的研究和应用结 果表明，m m 5 模式具有较好的稳定性和较成功的模拟能力，它的高分辨率数值模 拟结果将有助于我们认识复杂的中尺度系统的结构及其发生和发展的物理机 制。因此，非静力中尺度数值模式是在目前中尺度观测网尚未完善的情况下， 揭示暴雨的中尺度特征，探寻暴雨形成和发展机制的有效方法。李江南等n 1 利 用m m 5 对2 0 0 1 年台风f i t o w 的登陆进行了2 4 h 的预报试验，预报的降水落区和降水 强度与实况比较一致，特别是对台风暴雨中心的位置和降雨量的预报与实况相 当吻合。刘伟等n q 应用m m 5 成功地模拟出1 9 9 6 年h e r b 台风登陆后，发生在河北 及周边地区台风低压暴雨中心的两个连续发展的中a 尺度系统对流系统的演变 和结构，它们与降水量实况有很好的对应，由此模式输出结果分析了这两个中 尺度对流系统的结构和特点，得出一些有意义的结论。 上述工作无论是数值研究还是诊断分析，大多是针对台风个例而言，通过个 例研究得到的观点还需要大量的工作去证实。 3 本文的研究目的、方法和主要结论 3 1 研究目的和方法 2 0 0 5 年7 月2 0 2 3 日，受台风“海棠”低压倒槽和弱冷空气等因素的共同 影响，河南出现了一次时空分布极其不均的暴雨天气过程并造成严重灾害，这 次过程影响时间长，暴雨落区和强度预报难度大。为增强对台风暴雨的认识， 提高预报准确率，进一步发挥好气象服务在防灾减灾中的作用，很有必要对其 成因进行比较全面、深入的分析诊断。本文主要从以下四方面进行研究： ( 1 ) 运用常规气象观测资料、郑州7 1 4 c d 雷达资料和l 。x1 。n c e p 格点资料， 3 对这次台风暴雨发生的环境场进行初步分析。 ( 2 ) 对三个阶段的区域性暴雨进行位涡分析，揭示了此次台风暴雨产生的机 制。 ( 3 ) 对三个阶段的区域性暴雨进行湿q 矢量分析，探讨低层非地转湿q 矢量散 度强辐合区与强降水落区的对应关系，从而为暴雨的预报提供依据。 ( 4 ) 利用中尺度非静力数值预报模式m m 5 v 3 6 对降水强度最大，成灾最重，最 难预报的河南2 0 0 5 7 2 2 大暴雨进行数值模拟，在其模拟的大范围降水区的范 围、强度和暴雨中心位置接近实况的情况下，用中尺度输出和计算的基本物理 量，从暴雨形成的基本条件入手，对水汽场、不稳定度和动力场等进行诊断分 析，进一步认识台风暴雨的成因。 3 2 主要结论 通过本文分析研究，可得出如下结论： ( 1 ) 副热带高压西南侧和台风低压外围之间的东南风急流首先在位于台风低 压倒槽北端的河南省东南部产生暴雨；台风低压倒槽、弱冷空气和地面中尺度 风场辐合线的共同作用，造成河南省中西北部和东北部先后出现大暴雨。东南 风水汽输送带为暴雨的产生提供充沛的水汽供应和不稳定能量；低层辐合、高 层辐散形成的“抽吸作用”是降水加强的动力条件。弱冷空气在中低层入侵有 利于台风内部暖湿气流的抬升，对降水产生增幅作用。 ( 2 ) 位涡分析表明，“海棠”在河南所造成的暴雨，分别是由东南急流和台 风低压环流内部的高位涡( 第一阶段) 以及冷空气从高纬度对流层顶输送高位涡 与台风倒槽北侧的高位涡气流相结合( 第二、三阶段) 而产生。高空西风急流南 移过程中，从高层及高纬度地区向低层和低纬度输送的尚位涡，对暴雨的加强 具有重要的作用。 ( 3 ) 9 0 0 h p a 湿q 矢量散度- 2 0 x1 0 5h p a s - 3 的辐合区对6 小时后的暴雨落 区有较好的指示意义。湿q 矢量散度低层强辐合、中层强辐散不利于出现明显降 4 水，对流稳定层结将推迟强降水的开始时间。 ( 4 ) m m 5 v 3 6 版中尺度非静力数值模式能够很好地模拟中尺度系统的整个发 展过程，对降水的模拟与实况接近。7 月2 2 日强降水发生前，大暴雨区上空已 经积累了深厚湿层，对流层中低层的不稳定层结已经形成，同一地区的高低层 出现的正负涡度柱、散度柱耦合结构及其互耦配置，强降水中心附近剧烈上升 气流柱的南北两侧出现的下沉区，对降水的增强作用不可忽视。 由于台风暴雨成因的复杂性和条件限制，本文的工作仅仅是初步的，针对 个例分析所得到的结论有待今后大量工作去验证。 第一章过程概况 1 1 。海棠。( h a i t a n g ) 概况 0 5 0 5 号台风“海棠”( h a i t a n g ) 于2 0 0 5 年7 月1 2 日在西北太平洋上生成，在 不断吸收洋面和赤道辐合带的能量后，台风加强很快，中心气压从生成之初的 1 0 0 0 h p a 增强到1 7 日的9 1 0 h p a ，仅次于自1 9 9 0 年以来的9 8 0 9 号台风的9 0 5 h p a ，与 9 0 2 5 号台风及9 1 2 8 号台风同为9 1 0 h p a 。台风近中心最大风力为6 5m s 一，仅次 于9 0 2 5 号台风的7 5m s 一，与9 8 0 9 号台风近中心最大风速同为6 5m s 一。“海棠” 台风范围也很大，云区范围南北直径达2 4 2 8 纬距，东西达1 8 2 0 经距。台风 最强时7 级风圈半径为5 5 0 k m ，1 0 级风圈半径为2 5 0 k m 。 “海棠”于1 8 日1 4 时5 0 分( 北京时，下同) 在台湾省宜兰县东澳登陆，虽然经 过台湾时强度减弱很多，但1 9 日1 7 时1 0 分在福建省连江的黄岐镇再次登陆时中 心气压仍有9 7 5 h p a ，近中心最大风力1 2 级，外围螺旋云带覆盖整个浙江省。台 风“海棠”1 9 日在福建省连江市黄歧登陆后，迅速减弱成为热带风暴，风暴中 心以每小时1 5 公里左右的速度继续向西北方向移动，于2 0 日1 5 时离开福建进入 江西，2 0 时减弱为热带低压，强度继续减弱，最后在湖南省境内消亡。 2 0 日下午减弱后的台风低压倒槽外围云系开始影响到河南省南部地区，于 2 0 时前后在河南东南部首先产生降水，随后2 0 2 4 日在河南大部地区造成强降 雨；其中暴雨、大暴雨，局部特大暴雨天气主要集中在2 0 日夜到2 3 日。 1 2 雨强时空分布特征 由台风“海棠”造成的河南强降水天气过程主要分三个时段，含一个暴雨日 和两个大暴雨日。 根据河南省的2 4 d , 时雨量图：7 月2 0 日1 7 时2 1 日1 7 时，强降水中心主要在 信阳、驻马店两地区和周口地区东南部，7 站降水量在5 0 毫米以上，潢川最大为 8 5 毫米。7 月2 1 日1 7 时2 2 日1 7 时，强降水中心主要在郑州、焦作、济源、平顶 6 山四地市及开封、新乡、鹤壁、安阳四地区的西部一带，全省4 9 个站出现大雨 及以上降水，其中1 5 个站达到暴雨，6 个站出现大暴雨( 新密1 6 9 m m 、博爱1 6 7 r a m 、 沁阳1 6 2 r a m 、焦作1 2 1 m m 、郑州1 0 6 m m 、原阳1 0 9 ) ，特大暴雨出现在荥阳，降水量 达n 2 8 2 毫米，比本站历史日雨量极值( 1 4 2 毫米) 将近翻了一倍。荥阳、新密、 博爱、沁阳四站日雨量均突破各站有气象记录以来的历史日雨量极值。从河南 省乡镇雨量站资料看：郑州北邙站7 月2 2 日1 2 时1 2 时1 0 分，1 0 分钟降水量1 1 i 1 毫米；1 2 时1 2 时2 0 分，2 0 分钟降水量1 5 2 5 毫米。短时强降水特征明显。7 月 2 2 日1 7 时2 3 日1 7 时，强降水中心主要在濮阳一带。全省4 5 个站出现大雨及以 上降水，1 2 个站出现暴雨，5 个站出现大暴雨，分别为：南乐2 0 9 m m 、濮阳1 8 4 m m 、 清丰1 8 0 m m 、范县1 1 8 m m 、内黄1 1 6 。河南省乡镇雨量站资料显示：濮阳7 月2 2 日 2 0 时2 3 日2 0 时2 4 t , 时臼最大降水量杨村为4 1 1 3 毫米，为全省之最。7 月2 2 日 2 0 时2 3 b o b 时1 2 1 , 时最大降水量柳屯为3 4 2 5 毫米；i d 时最大降水量1 4 4 6 毫 米于在7 月2 2 日2 3 2 4 时出现在千口。 考虑到目前预报业务的有关规定，我们把此次暴雨过程分为三个阶段，第一 阶段：7 月2 0 日2 0 时2 1 日2 0 时；第二阶段：2 1 日2 0 时2 2 日2 0 时；第三阶段： 2 2e 2 0 时2 3 日2 0 时。如图i 2 所示，第一阶段的暴雨主要产生在河南东南部地 区，第二阶段的暴雨落区为河南的中西北部，第三阶段暴雨区移至河南东北部。 按上述两种标准划分的三个阶段暴雨的落区与强度基本一致。 图1 27 月2 0 日2 0 时2 3 日2 0 时降水量( 单位：m m ) ( a ) 2 0 日2 0 时4 2 1 日2 0 时( b ) 2 1 日2 0 时2 2 日2 0 时 ( c ) 2 2e 1 2 0 时2 3 日2 0 时 1 3 灾情概述 由于降水强度过于集中，7 月2 2 日下午1 3 时4 7 分陇海铁路河南荥阳段5 9 6 公里 处出现护锥坍塌，坍塌地方悬空1 5 米，长2 0 米。与此同时，陇海铁路5 9 3 和6 0 3 公里处也出现险情，便缛陇海铁路上下行线路全部中断，约2 0 0 0 名乘客滞留郑 7 州，数十列火车中断行驶1 9 个小时。强降雨造成荥阳市一窑洞和一房屋坍( 倒) 塌，致2 人死亡，2 人重伤；另外暴雨使农作物受淹，交通、通信和输电设施受 损。7 , 9 2 3 日下午，郑州市上游河王水库开闸放水，造成索须河河道水位暴涨。 1 0 7 国道附近，索须河北侧河道出现3 0 多米的决口，致使附近农田大面积被淹， 变电站门口出现大面积积水。暴雨使郑州城南路上商代城墙遗址长达1 5 米坍塌。 这次台风暴雨天气共造成河南省2 0 2 4 1 4 万人受灾，死亡6 人，失踪1 人，受 伤2 人，被困1 1 3 人，转移安置6 2 5 3 2 人；农作物受灾面积1 5 7 3 3 1 7 4 公顷， 成灾2 9 1 7 6 公顷，绝收2 4 8 5 4 7 公顷：损坏房屋2 4 3 3 2 间，倒塌9 0 8 4 闻。造 成农业经济损失4 9 5 6 2 5 万元，直接经济损失达1 1 7 1 2 6 0 4 万元。 3 第二章影响系统和物理量场分析 2 1 主要影响系统 2 i i 副热带高压的活动特征 7 月1 7 - 1 9 日，西太平洋副热带高压稳定加强西伸北抬，河南省受副热带高 压控制。1 9 日0 8 时5 0 0 h p a 高空图上，副热带高压较为强大，北界在黑龙江南 部和内蒙古东北部，西面到甘肃南部和四川东北部地区，在河南省上空基本上 呈东西走向，副热带高压西南侧风速较小，为4 6m s 一。1 9 日2 0 时，随着 台风低压的西北上，副热带高压开始转为西北一东南向，并且其西南侧的风速也 开始加大。随后，虽然副热带高压强度有变化，但环流形势比较稳定，黄海上 一直维持稳定的商压环流。同时，西风带低槽偏北东移，除了低槽携带的弱冷 空气影响到河南外，西风带低值系统对这次暴雨过程没有明显影响。2 4 日2 0 时，副热带高压减弱东退，西风带低槽东移，河南处于低槽后部的西北气流中， 降水过程结束。7 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 的形势演变特征与5 0 0 h p a 相似。 2 1 2 东南风急流造成第一阶段的暴雨 有关台风外围暴雨的一些研究1 ”1 指出：台风外围的气旋性环流往往在低 空形成宽广的偏东风急流带，并成为暴雨区的主要水汽通道和能量通道。分析 为此次暴雨过程提供水汽条件的东南气流，分别沿三个阶段的暴雨中心做8 5 0 h p a 、7 0 0h p a 的经向剖面全风速图( 图2 1 2 ) 。 第一阶段暴雨中心位于1 1 5 。e 、3 2 2 。n ，分析8 5 0h p a 、7 0 0h p a 沿1 1 5 。e 的经向剖面全风速图，可以看到在过程开始之前( 2 0 日0 8 时2 0 时) ，低空 已有强东南风急流向降水区输送大量水汽，8 5 0 h p a 急流核风速达2 2m s ， 7 0 0 h p a 急流核风速达2 0 m s ，从8 5 0 h p a 到7 0 0 h p a 急流核位于3 2 。n 附近， 1 6m s 1 低空急流带位于3 0 。n 3 3 。n 之间。2 0 日2 0 时8 5 0 h p a 最大风速 仍有2 21 1 1 s 一，7 0 0 h p a 最大风速为1 8m s 一。在第一阶段降雨持续期间，8 5 0 h p a 、 9 7 0 0 h p a 一直维持1 2 1 6m s 1 的东南风急流，且急流带北抬至3 4 。n 附近。在 天气尺度低空急流的左前方，一方面引起暴雨区水汽的输送和辐合，同时也促 成不稳定能量的再生嘲。2 0 日傍晚到夜里，位于台风低压倒槽北侧的河南省东 南部地区处于副热带高压西南侧和台风低压外围之间的东南风急流里，在台风 低压倒槽东北侧部分地区首先产生暴雨。 第二阶段、第三阶段的大暴雨中心分别位于荥阳( 11 3 4 。e 、3 4 8 。n ) 和南 乐( 1 1 5 2 。e 、3 6 1 。n ) 。分别沿1 1 3 4 。e 、1 1 5 。e 做8 5 0h p a 、7 0 0h p a 的经向 剖面全风速图，发现在这两阶段强降水开始之前，低空均存在一支东南风急流， 其中第二阶段3 3 。n 附近8 5 0h p a 、7 0 0 h p a 东南风最大风速分别为1 2m s 一、 1 4 m s ，第三阶段3 8 4n 附近7 0 0 h p a 东南风最大风速为1 4 m s 一，此后，低空东 南气流一直存在但强度明显减弱。 从以上分析可以发现，持续稳定的低空东南风气流为此次强降水的发生、 发展提供了源源不断的水汽条件和能量通道，但对后两阶段大暴雨的产生不起 关键作用。 图2 1 2经向剖面全风速图( 单位：m s ) ( a ) 1 1 5 。e8 5 0 h p a( b ) 1 1 5 4e7 0 0 h p a ( c ) 1 1 3 4 。e8 5 0 h p a ( d ) 1 1 3 4 。e7 0 0 h p a ( e ) 1 1 5 。e8 5 0 h p a( f ) 1 1 5 。e7 0 0 h p a 2 1 - 3 台风低压倒槽和冷空气共同作用造成第二阶段的太暴雨 冷空气对台风暴雨的作用表现在三个方面：一是造成暴雨初始上升运动；二 是造成边界层内的水汽集中并向上输送，形成大暴雨；三是对于辐合线上的中 尺度扰动及其所伴随的强雨团也起到触发作用。 2 0 0 5 年7 月1 9 日2 0 时地面图上，一股西路冷空气到达宁夏、甘肃东南部和青 海东部一线，由于受地面台风低压倒槽的阻挡，冷空气主体偏北东移。2 1 日2 0 时，冷锋的南段移到陕西到山西南部，此后大约在此处停滞了1 2 个小时。2 2 日 0 8 时，冷空气开始从西北部扩散影响河南，2 2 日1 4 时的地面图上在安阳西部到 1 0 郑州西部仍可以分析出一条弱冷锋。 2 1 日2 0 时8 5 0 h p a 图上，台风低压倒槽位于武汉、信阳、开封至安阳东部一线 ( 图略) 。2 2 日0 8 时，台风低压倒槽略向西移，位于长沙、南阳到安阳西部之间， 到2 2 日2 0 时，倒槽的位置没有大的变化( 图2 1 3 ) 。由于2 2 日0 8 2 0 时之间台 风低压倒槽一直稳定少动，这段时间内倒槽右侧的暖湿东南气流刚好和同期到 达这里的弱冷空气交绥，冷空气的激发使得降水在台风低压减弱以后继续加大， 荥阳1 2 小时雨量达至u 2 5 0 毫米，创下了历史之最。这期间在7 0 0 h p a 高空图上，台 风低压倒槽的位置和8 5 0 h p a 基本一致，5 0 0 h p a 高空图上台风低压倒槽的位置较 低层偏西，暴雨区刚好落在暴雨区落在8 5 0 h p a 和5 0 0 h p a 倒槽组成的扇形区域内 冷空气影响到的附近地区。 i 图2 1 37 月2 2 日0 8 时和2 0 时8 5 0 h p a 高空图 2 i 4 台风低压倒槽东退形成第三阶段的暴雨 虽然2 2 日2 0 时2 3 日2 0 时的大暴雨仍是台风低压倒槽和冷空气共同作用造 成的但它与第二阶段的暴雨相比却有不同之处。 2 2 日白天，在郑州、焦作一带出现强降水以后，按常规推算，台风低压倒槽 将继续减弱西移或者原地消失，可是这次台风低压倒槽不仅强度没有减弱，北 段还出现了东退现象。分析2 2 日0 8 时和2 0 时的7 0 0 h p a 高空图( 图略) 可知，台 风低压倒槽的大致位置虽然没变，但从倒槽附近各站的要素变化，仍可以看出 倒槽东退的迹象。如：南阳站的风向由0 8 时的偏东风转为2 0 时的东北风，郑州 站的风向也由东南风转为偏东风等。分析其原因，主要是由于在2 2 h 0 8 时5 0 0 h p a 高空图上，位于河套地区的低槽偏北东移后，在河套地区出现了大陆高压，受 其阻挡，台风低压倒槽难以继续西移，甚至北段出现东退的现象。2 2 h 2 0 时， 5 0 0 h p a 高空图上台风低压倒槽变成了两高之间的辐合线，同时冷空气主体东移 以后从河北扩散南下，冷空气和辐合线右侧及副热带高压之间的东南气流在河 南省东北部交汇，产生了第三阶段大暴雨。 2 2 水汽来源分析 水汽通量和水汽通量散度反映了暴雨期水汽的输送和集中能力。边界层内的 水汽供应主要是边界层内的水汽通量辐合造成的咖。丁一汇啕通过对影响河南 的台风低压的水汽供应进行分析，提出这些水汽是通过偏东气流由大气低层输 送而来的。 对7 月2 0 2 3 日水汽通量进行计算，从地面到7 0 0 h p a 进行积分，并分析中低层 水汽通量散度图( 图2 。2 ) ，可以看出在此次暴雨过程中，在台风低压倒槽东部始 终维持着一条明显的东南风水汽输送带。暴雨降水前期在江浙一带存在一个西 北东南走向的高水汽通量带，水汽通量中心极大值为7 0 0 9 c m - 1 h p a $ - 1 ；与 此同时，在河南省南部存在一个水汽通量散度辐合区，辐合中心极大值为一5 0 x 1 0 4 9 c 矿h p a l s 一。随后水汽通量辐合带与东南风水汽输送带向北移动，强 降水天气也由河南的东南部向西北方向推进。 东南风水汽输送带的稳定存在有利于台风低压倒槽的维持，并在倒槽北部形 成强烈的水汽辐合，为暴雨的产生提供充沛的水汽条件。东南风水汽输送带从 西太平洋地区带来的水汽成为此次暴雨主要的水汽来源。 图2 2 从地面积分到7 0 0 h p a 的永汽通量( a ，b ，c 单位：g c f f l - 1 h p a 1 s - i ) 和8 5 0 h p a 水汽通量散度( d ，e 。f 单位：1 0 g c 。h p a - 1 $ - 1 ) ( a ) 2 0 0 5 年7 月2 0 日1 4 时( d ) 2 0 0 5 年7 月z 0 日1 4 时 ( b ) 2 0 0 5 年7 月2 2 日0 8 时 ( e ) 2 0 0 5 年7 月2 2 日0 8 时 ( c ) 2 0 0 5 年7 月2 3 日0 2 时( f )2 0 0 5 年7 月2 3b 0 8 时 2 3 散度场的诊断 暴雨区低层有充分的水汽辐合，它的维持需要高层有较强的辐散。通过 对7 月2 0 2 3 日8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 散度场分析( 图2 3 ) 可知，在强降水来临之前和 持续期间，暴雨区上空的散度场多次出现8 5 0 h p a 辐合、2 0 0 h p a 辐散的现象。低 层辐合、高层辐散形成的“抽吸作用”有利于上升运动的强烈发展，从而保证 较大的降雨强度，为暴雨的形成提供了有利的条件。 图2 38 5 0 h p a b 。c ) 和2 0 0 h p a ( d ，e ，f ) 散度场( 单位：s 1 ) ( a ) 7 月2 0 日1 4 时( d )7 月2 0 日1 4 时 ( b ) 7 月2 2 日0 8 时( e ) 7 , 9 2 2 8 0 8 时 ( c ) 7 月2 3 日0 8 时( f )7 月2 3e 0 8 时 2 4 不稳定能量分析 各种天气的发生、发展和消亡都伴随着大气能量的转换过程，能量分析有 助于揭示大气运动的内在规律。我国夏季的暴雨，多数出现在强对流的活动时 期，强对流的出现要求有大量不稳定能量的释放。强对流的发生需要有不稳定 的层结，一旦强对流发生后，大气中的不稳定能量就迅速释放，层结趋于中性， 使对流不能进一步发展，要使暴雨持久，就要求在暴雨区有位势不稳定层结的 不断重建机制嘲。o 。是个同时表征温度和湿度的参数，强对流天气出现在高温 商湿区域，对暴雨来说，还要求湿层很厚。分析8 5 0 h p a 、7 0 0 h p a 和5 0 0 h p a 的0 。 和( 0 。6 0 0 - - 0 一) 分布图，可以了解不稳定能量的变化和位势层结稳定度。如 果( 0 。o - 0 一) 的负值区与0 一、o 。、0 一的高值区重合，这就是高温、 高湿位势不稳定的区域，这个区域对暴雨生成最为有利。1 。 分析此次过程0 。演变情况发现，5 0 0 h p a2 0 e 1 0 8 时在河南东南部等0 。线很 密集，3 4 4 k 已进入河南境内，随后0 。高值区向西北方向推进。2 0 日1 4 时( 图 2 4 a ) ，即第一阶段暴雨开始前后，信阳、驻马店的o 。值已达3 4 4 k 。2 1 日2 0 时 ( 图2 4 b ) 3 4 4 k 线已控制河南除三门峡西北部外的所有地区，直至暴雨结束。 2 1e 1 2 0 时河南西北部等0 。线密集，中西北部地区被3 4 8 k 线所包围，当天夜里到 次日，在这一高值区附近就出现了暴雨，局部大暴雨天气。2 2 日夜间，河南东 北部0 。达3 4 8 k ( 图2 4 c ) ，强降水也移到该地。7 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 的o 。变化情况 与5 0 0 h p a 相似。 从0 。的2 4 d , 时变化场看，2 1e 0 8 时8 5 0 h p a 河南东南部0m 。最大增值为 + 1 2 k ( 图2 4d ) ，河南中西部地区为负值区，豫西洛阳附近0 。为- 8 k ，此后 2 4 d , 时最大正值区自东南向西北推进。2 2 日0 2 时( 图2 4e ) ，河南除西j e 角和 东南角之外的其他地区ao 。均为正值，当日出现特大暴雨的荥阳附近0 。 1 0 k ；0 8 1 4 时，河南西北至东北的绝大部分地区0 。 8 k ，增值中心在河 南中西北部，高达1 2 k ( 图略) 。持续增大的0 。表明，在河南西北到东北部地区 积累了大量不稳定能量。随着强降水的产生，大部分能量得到释放，到2 2 日2 0 时河南中南部地区出现e 。 0 8 p v u 的区 域范围更广，覆盖了河南省的东部及东南部地区，对比图1 2 ( a ) 可知，此区 域基本上与2 0 日2 0 时2 i 日2 0 时河南的强降雨区相吻合，尤其是大到暴雨落区 与此区域中i p v 1 p v u 的区域对应较好。说明台风低压环流中的高位涡对于暴雨 的产生具有重要作用。 另外，从图3 3 ( a ) 还可以看到，在1 0 5 。e 以东，由于副热带系统的北进， 高位涡区的北界逐渐向北推移，在1 2 0 1 2 5 。e 附近到达最北端。而与北方( 中 高纬) 冷空气相对应的高位涡区在1 0 5 。e 以西，3 5 。n 以北地区，1 0 0 1 0 5 。e 之间有高位涡带南伸，表明此处有冷空气向南扩展，温度场上在河套以西有一 相应的温度槽存在。在台风低压的高位涡区与中高纬度高位涡区之间存在有位 涡低值带，而且直n 2 1 日2 0 时，此位涡低值带仍然存在( 图略) ，说明这期间中 高纬冷空气并未作用于台风低压环流，对于第一个阶段暴雨的产生没有贡献。 1 9 图3 33 3 0 k 等熵位涡( 实线) 和温度( 虚线) 分布图 ( 图a 、b 标出了台风低压的位置) ( a ) 2 1 日0 2 时，图中阴影为2 0 日2 0 时2 1 日2 0 时河南强降水区 ( b ) 2 2 日1 4 时，图中阴影为2 1 日2 0 时2 2 日