太行山脉对华北暴雨影响的研究
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摘要
本文基于中国台站逐日降水观测资料及再分析资料,对华北地区夏季降水的时空分布及平均环流特征进行了分析,对比了太行山脉两侧暴雨量级、频次及水汽收支等的差异。根据太行山暴雨落区、强度及移动等特征,结合暴雨天气预报经验,对太行山影响下华北地区暴雨过程进行了分型和典型个例挑选。对分型典型暴雨个例进行了诊断,分析了不同型态下暴雨过程中环流形势及演变特征,找出了主要的影响天气系统,建立了不同分型暴雨的天气学模型,为不同分型暴雨预报提供了预报着眼点。利用中尺度模式(wRF)和区域气候模式(RegCM3),对不同分型下典型暴雨个例进行了数值模拟,设计了多种地形敏感性试验方案,分析了地形变化后天气系统物理量场的变化以及降水强度、落区、移动等特征。得到的主要结论如下：
(1)华北地区夏季降水经历了相对湿润期、过渡期和干旱期,太行山脉以西地区降水量明显小于山脉以东地区,暴雨发生频次也明显低于山脉以东。
(2)根据太行山暴雨落区、强度及移动等特征,将华北夏季暴雨分为太行山以东暴雨型、太行山以西暴雨型、太行山区暴雨型、太行山两侧暴雨型、暴雨过山时减弱型五种型态。典型个例排查表明,太行山以东暴雨型出现概率最高。
(3)不同暴雨分型下天气形势配置各不相同：太行山以东暴雨型A类一般发生在副热带高压偏东偏南,西北地区有冷槽或低涡东移的背景下,且低层切变线、急流等系统在过太行山后明显增强,由于偏东气流向西流动的过程中受太行山的阻挡,在地面形成中尺度辐合线或切变线；太行山以东暴雨型B类暴雨发生在块状副高控制华北东部的背景下,副高脊线位置偏北,副高底部的中低层有东南急流向华北输送水汽并沿太行山东坡强迫抬升而形成暴雨；太行山以西型暴雨发生在副高位置偏西偏北,而西风槽东移受阻的背景下,山西大部分地区不稳定能量大,受地面中尺度系统和地形的强迫抬升而产生暴雨天气；太行山区型暴雨发生在副高非常强大,我国西北到东南均受高压控制,华北处于高压北侧,西风带有槽东移的情况下,以山区局地对流性暴雨为主；太行山两侧型暴雨过程一般发生在东西带状的副高较强,中高纬西风槽多波动,中低层西南或东南急流强盛且太行山东坡对东南急流强迫抬升的背景下；过山时减弱型暴雨发生在副高位置偏强、偏西,并且不断向西向北移动,而西风槽在东移时减弱北收的背景下。
(4)数值试验表明,太行山等地形在暴雨天气过程中起着非常重要作用,改变了
天气系统中各种物理量场,从而影响暴雨的落区、强度和移动等。对于不同型态暴雨过程,地形的作用有不同的体现,在太行山以东型A型和B型暴雨过程中,山脉的抬升
作用导致垂直环流发生变化,上升运动及低层辐合的强度发生变化,从而影响了降水的强度,山脉的阻挡作用减慢了降水系统的移动速度,从而改变了暴雨中心的落区。太行山地形是山区型暴雨形成的主要原因。
Using daily precipitation observations and their reanalysis data from weather stations around China, this paper analyzes the spatial-temporal distribution and average circulation of the summer precipitation from1951to2007in North China, comparing the differences of rainstorms on the two sides of the Taihang Mountains in magnitude, frequency and water vapor budget. Taking into account the location, intensity and movement of heavy rains in the Taihang Mountains as well as forecasters' experience with such weather, the rainstorm processes subject to the Taihang Mountains in North China have been classified with cases selected. A diagnoses and analysis of these cases has led to the identification of patterns of evolving circulations in rainstorm processes of different types, the identification of synoptically driven systems and the development of synoptic models for different types of torrential rains, providing a focus for type based rainstorm forecasting. In addition, the mesoscale model WRF and regional climate model RegCM3were employed to numerically simulate selected rainstorm cases of different types, design programs on terrain sensitivity experiments and analyze the changing physical field of a synoptic system over a changed terrain as well as the precipitation in terms of intensity, location and movement of precipitation. The findings are as follows:
(1) Summer precipitation in North China experiences relatively wet, transitional and dry periods, with the rainfall in areas to the west of the Mountains being significantly less than that in areas to the east of the Mountains, and the frequency of torrential rains being significantly lower.
(2) In accordance with the location, intensity and movement of rainstorms in the Taihang Mountains, the summer torrential rains in North China are divided into five types:rainstorm to the east of Taihang, rainstorm to the west of Taihang, rainstorm over Taihang, rainstorm on the two sides of Taihang, and rainstorm weakening when crossing Taihang. The case review shows that the 'rainstorm to the east of Taihang' occurs most frequently.
(3) Weather patterns differ under different rainstorm types:Class A under the 'rainstorm to the east of Tainhang' usually occurs when the subtropical high is found to the south and the east, and the cold trough or low vortex moves eastward in the northwestern region. Moreover, low-level shear lines and jet streams get strengthened obviously after crossing the Taihang Mountains. The easterly airstream flowing westward and being blocked by Taihang makes a mesoscale convergence line or shear line on the ground surface. Class B under the 'rainstorm to the east of Taihang' occurs when the eastern North China is controlled by a tuberous subtropical high. The subtropical high ridge line lies to the north. The southeast jet stream in the middle-low level of the subtropical high, which conveys moisture to North China, is lifted along the east slope of Taihang, developing into torrential rains. The'rainstorm to the west of Taihang' occurs when the subtropical high is found to the west and the north, the westerly trough moving eastward being blocked. The massive energy built up by the instability in most of the west of Taihang is lifted by the surface mesoscale system and the terrain, creating extremely heavy rains. The 'rainstorm over Taihang' occurs when the subtropical high is very intense, the Northwest to Southeast China is under the high, the North China is to the north of the high, and a trough in the westerly belt moves eastward. This type features mountainous local convective rainstorms. The'rainstorm on the two sides of Taihang'occurs when the west-east ribbon-shaped subtropical high is intense, the westerly trough over middle-high latitudes fluctuates, the south-west or south-east jet streams in the middle and low levels are strong, and the east slope of Taihang contributes to the rising east-south jet stream. The'rainstorm weakening when crossing Taihang'occurs when the subtropical high is intense and found to the west, continuously moving westward and northward, and the westerly trough moving eastward is weakened.
(4) Numerical simulations indicate that the topography of Taihang, which is of great importance to rainstorm processes, alters physical fields of a synoptic system, making a difference to the location, intensity and movement of a rainstorm. A terrain affects different types of heavy rain processes differently. In the processes of Classes A and B under the'rainstorm to the east of Taihang', the uplift of a mountain leads to the changing vertical circulation, the changing ascension and the changing intensity of low-level convergence and finally precipitation. A mountain blocks and slows down the movement of a precipitation system, thus relocating a storm centre. The topography of the Taihang Mountains accounts for the formation of the'rainstorm over Taihang'.
(1)华北地区夏季降水经历了相对湿润期、过渡期和干旱期,太行山脉以西地区降水量明显小于山脉以东地区,暴雨发生频次也明显低于山脉以东。
(2)根据太行山暴雨落区、强度及移动等特征,将华北夏季暴雨分为太行山以东暴雨型、太行山以西暴雨型、太行山区暴雨型、太行山两侧暴雨型、暴雨过山时减弱型五种型态。典型个例排查表明,太行山以东暴雨型出现概率最高。
(3)不同暴雨分型下天气形势配置各不相同：太行山以东暴雨型A类一般发生在副热带高压偏东偏南,西北地区有冷槽或低涡东移的背景下,且低层切变线、急流等系统在过太行山后明显增强,由于偏东气流向西流动的过程中受太行山的阻挡,在地面形成中尺度辐合线或切变线；太行山以东暴雨型B类暴雨发生在块状副高控制华北东部的背景下,副高脊线位置偏北,副高底部的中低层有东南急流向华北输送水汽并沿太行山东坡强迫抬升而形成暴雨；太行山以西型暴雨发生在副高位置偏西偏北,而西风槽东移受阻的背景下,山西大部分地区不稳定能量大,受地面中尺度系统和地形的强迫抬升而产生暴雨天气；太行山区型暴雨发生在副高非常强大,我国西北到东南均受高压控制,华北处于高压北侧,西风带有槽东移的情况下,以山区局地对流性暴雨为主；太行山两侧型暴雨过程一般发生在东西带状的副高较强,中高纬西风槽多波动,中低层西南或东南急流强盛且太行山东坡对东南急流强迫抬升的背景下；过山时减弱型暴雨发生在副高位置偏强、偏西,并且不断向西向北移动,而西风槽在东移时减弱北收的背景下。
(4)数值试验表明,太行山等地形在暴雨天气过程中起着非常重要作用,改变了
天气系统中各种物理量场,从而影响暴雨的落区、强度和移动等。对于不同型态暴雨过程,地形的作用有不同的体现,在太行山以东型A型和B型暴雨过程中,山脉的抬升
作用导致垂直环流发生变化,上升运动及低层辐合的强度发生变化,从而影响了降水的强度,山脉的阻挡作用减慢了降水系统的移动速度,从而改变了暴雨中心的落区。太行山地形是山区型暴雨形成的主要原因。
Using daily precipitation observations and their reanalysis data from weather stations around China, this paper analyzes the spatial-temporal distribution and average circulation of the summer precipitation from1951to2007in North China, comparing the differences of rainstorms on the two sides of the Taihang Mountains in magnitude, frequency and water vapor budget. Taking into account the location, intensity and movement of heavy rains in the Taihang Mountains as well as forecasters' experience with such weather, the rainstorm processes subject to the Taihang Mountains in North China have been classified with cases selected. A diagnoses and analysis of these cases has led to the identification of patterns of evolving circulations in rainstorm processes of different types, the identification of synoptically driven systems and the development of synoptic models for different types of torrential rains, providing a focus for type based rainstorm forecasting. In addition, the mesoscale model WRF and regional climate model RegCM3were employed to numerically simulate selected rainstorm cases of different types, design programs on terrain sensitivity experiments and analyze the changing physical field of a synoptic system over a changed terrain as well as the precipitation in terms of intensity, location and movement of precipitation. The findings are as follows:
(1) Summer precipitation in North China experiences relatively wet, transitional and dry periods, with the rainfall in areas to the west of the Mountains being significantly less than that in areas to the east of the Mountains, and the frequency of torrential rains being significantly lower.
(2) In accordance with the location, intensity and movement of rainstorms in the Taihang Mountains, the summer torrential rains in North China are divided into five types:rainstorm to the east of Taihang, rainstorm to the west of Taihang, rainstorm over Taihang, rainstorm on the two sides of Taihang, and rainstorm weakening when crossing Taihang. The case review shows that the 'rainstorm to the east of Taihang' occurs most frequently.
(3) Weather patterns differ under different rainstorm types:Class A under the 'rainstorm to the east of Tainhang' usually occurs when the subtropical high is found to the south and the east, and the cold trough or low vortex moves eastward in the northwestern region. Moreover, low-level shear lines and jet streams get strengthened obviously after crossing the Taihang Mountains. The easterly airstream flowing westward and being blocked by Taihang makes a mesoscale convergence line or shear line on the ground surface. Class B under the 'rainstorm to the east of Taihang' occurs when the eastern North China is controlled by a tuberous subtropical high. The subtropical high ridge line lies to the north. The southeast jet stream in the middle-low level of the subtropical high, which conveys moisture to North China, is lifted along the east slope of Taihang, developing into torrential rains. The'rainstorm to the west of Taihang' occurs when the subtropical high is found to the west and the north, the westerly trough moving eastward being blocked. The massive energy built up by the instability in most of the west of Taihang is lifted by the surface mesoscale system and the terrain, creating extremely heavy rains. The 'rainstorm over Taihang' occurs when the subtropical high is very intense, the Northwest to Southeast China is under the high, the North China is to the north of the high, and a trough in the westerly belt moves eastward. This type features mountainous local convective rainstorms. The'rainstorm on the two sides of Taihang'occurs when the west-east ribbon-shaped subtropical high is intense, the westerly trough over middle-high latitudes fluctuates, the south-west or south-east jet streams in the middle and low levels are strong, and the east slope of Taihang contributes to the rising east-south jet stream. The'rainstorm weakening when crossing Taihang'occurs when the subtropical high is intense and found to the west, continuously moving westward and northward, and the westerly trough moving eastward is weakened.
(4) Numerical simulations indicate that the topography of Taihang, which is of great importance to rainstorm processes, alters physical fields of a synoptic system, making a difference to the location, intensity and movement of a rainstorm. A terrain affects different types of heavy rain processes differently. In the processes of Classes A and B under the'rainstorm to the east of Taihang', the uplift of a mountain leads to the changing vertical circulation, the changing ascension and the changing intensity of low-level convergence and finally precipitation. A mountain blocks and slows down the movement of a precipitation system, thus relocating a storm centre. The topography of the Taihang Mountains accounts for the formation of the'rainstorm over Taihang'.
引文
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