2014年8月19日广岛极端降水过程中 大气河流和切断低涡的作用外文翻译资料

 2022-12-26 19:58:07

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2014年8月19日广岛极端降水过程中

大气河流和切断低涡的作用

NAGIO HIROTA

National Institute of Polar Research, and Atmosphere and Ocean Research Institute, University of Tokyo, Tokyo, Japan

YUKARI N. TAKAYABU

Atmosphere and Ocean Research Institute, University of Tokyo, Tokyo, Japan

MASAYA KATO

Hydrospheric Atmospheric Research Center, Nagoya University, Aichi, Japan

SHO ARAKANE

Geosphere Environmental Technology Corporation, Tokyo, Japan

(Manuscript received 25 August 2015, in final form 2 December 2015)

摘要

2014年8月19日，日本广岛降水量超过100，引发的洪水造成75人死亡，330所房屋被毁。本文研究了此次重大洪涝的天气学背景。在这次事件中，从中南半岛到日本岛有大量的水汽输送，形成所谓的大气河流（AR）。AR有较深厚的结构，其自由对流层与边界层的水汽含量相当。此外，一个切断低涡（COL）从太平洋中部副热带急流中分离出来向西北方向移动，到达日本岛。伴随着冷中心的COL及其前部的上升运动诱发的不稳定能量，与AR自由对流层的水汽共同作用下造成广岛强降水。本文应用云—分辨模式的敏感性实验分别对这些因素进行分析。

  1. 简介

2014年8月19日世界时18点左右，日本广岛发生了极端降水事件，降水量超过100。总的来说，这次降水造成了日本三十年来最大的一次洪涝灾害，其中75人丧生，330所房屋被毁。在第三部分描述到，在这次事件中有两个大尺度的大气特征起着至关重要的作用：大气河流（AR）和切断低涡（COL）。

大气河流是一条横穿中纬地区的巨大的瞬变的狭长的水汽带（Zhu and Newell 1998；Ralph et al. 2004;Gimeno et al. 2014）。它们一般有300-500km宽，长度可达几千公里，通常发生在温带气旋的暖输送带。AR的自由对流层和边界层都有充沛的水汽（Ralph et al. 2004;Neiman et al. 2008）。这种深层的结构是由温带气旋冷锋边缘的局部辐合和一定程度上来自低纬的平流输送形成的（Baoet al. 2006;Dacre et al. 2015）。最近的一些研究指出，自由对流层的水汽含量与组织有序的降水系统中的降水量有重要的联系（e.g.,Takayabu et al. 2006;Hirota et al. 2014; Hamada et al. 2015）。

大气河流一般位于中纬度西太平洋、东太平洋、大西洋和南印度洋上空（Waliser et al. 2012;Knippertz et al. 2013）。虽然它们相对狭窄，大约只有地球周长的10%，但是它们在北纬35度经向输送的水汽量中占据了高达90%的比例，在水汽循环中起着重要的作用（Zhu and Newell 1998）。AR在一些极端降水和洪涝灾害中提供的水汽有着重要作用（e.g.,Dettinger et al. 2011），因此受到越来越多的关注。例如，大气河流引发的强降水和洪涝事件的地区有美国西部地区（Ralph et al. 2006; Neiman et al.2008,2011;Rutz et al. 2014），英国的江河流域（Lavers et al.2011），欧洲西部（Lavers and Villarini 2013），伊比利亚半岛（Ramos et al.2015），安第斯山脉（Viale and Nunez 2011）。它们水汽充足，在地形的抬升作用或大气扰动的影响下产生的强降水（Ralph et al.2006; Neiman et al. 2008, 2011; Lavers et al. 2011; Viale and Nunez 2011; Ralph et al. 2011; Lavers and Villarini2013; Rutz et al. 2014; Ramos et al. 2015）。同时了解到AR也会受到大尺度的大气环流的影响，例如北大西洋涛动（Lavers and Villarini 2013）。

COL是位于对流层中上层300hPa层面上的孤立涡旋，是从西风急流中分离出来的（Gimeno et al.2007）。由于云层和降水产生的非绝热加热，切断低涡在消退前几天会不规则的移动（Nieto et al. 2005, 2008）。其结构特点，对流层顶附近为正位涡区（PV），在对流层顶下面有一个冷中心（e.g.,Sakamoto and Takahashi 2005）。位涡(PV)与从对流层上层穿透到对流层下层的涡旋有关。低压系统前，气块沿等熵面移动诱发垂直上升运动（(Thorpe 1985;Hoskins et al. 1985）。在伊比利亚半岛（Nieto et al. 2007），西非（Knippertz and Martin 2005），东亚（Hu et al. 2010），南非（Molekwa et al. 2014），当对流层中下层有充足的水汽时，切断低涡是引发极端降水的一个重要因素。动力抬升和与冷中心相关的不稳定性触发或加强了降水事件有关（Tsuboki and Ogura 1999; Sato et al. 2005; Horinouchi 2014）。COL通常夏季在中北太平洋发生频繁（Nieto et al. 2008）。

本研究调查了2014年8月19日广岛极端降水事件中AR和COL的作用。我们使用云分辨模式进行了数值实验，定量评估分析了这些因素对这次降水的影响，特别关注的是对极端降水量有影响的水汽垂直分布情况。在第二部分讲述研究使用的模式和数据，第三部分为实验结果，第四部分为讨论和结论。

  1. 数据和模式

我们使用了全球降水卫星映射的每小时降水数据集（GSMaP; Aonashi et al. 2009），版本6。这个数据集的水平分辨率经纬度为。也使用了日本气象局（JMA）提供的广岛每小时降水数据。大气变量例如水平风速、温度、比湿和地面气压是由中尺度模式（MSM）和日本55年再分析项目(JRA-55;Kobayashi et al. 2015)客观分析得到的，这些数据集都由JMA提供。MSM分析数据集基于JMA预报模式，应用于他们的天气预报业务。MSM每3小时数据集是从2006年开始的，水平分辨率为，仅适用于东亚地区。JRA-55是每6小时分辨率为覆盖整个地球的网格数据集，从1958年开始的。还使用了JMA编制的逐日全球海平面温度数据（MGDSST）。

在本次研究中，气候平均定义为逐日的每30天滑动平均的2006-14平均，异常定义为气候平均的偏差。也许用2006-14周期来定义气候太短，但MSM数据仅从2006年开始。我们已经证实了2006-14平均和1958-2014平均对事件影响差异不大（文中未显示）。因此，用2006-14平均来定义“气候”并不影响研究结果。

数值实验中使用的非静力，可压缩的方程模式称为云-分辨风暴模拟器（CReSS;Tsuboki and Sakakibara 2002; Tsuboki 2008），水平分辨率为2.5km，垂直方向上有36个层次。云物理过程是由水汽、雨、云、冰、雪、霰等一类冷性雨混合组成（Murakami et al.1994）。涡旋运动的次网格尺度参数化是基于1.5阶闭合的湍流动能。

3．结果

a．数据分析

首先，描述本次降水事件概况及其相关的大尺度的大气场形式（图1）。以广岛为观测站的降水时序图（图1.a，红色柱状），世界时8月19日18点（日本时8月20时3点）降水达到最大，降水量超过100。而GSMaP数据显示，世界时17时降水达最大，最大降水量为70（图1.a，黑色虚线）。这两组数据之间的差异来源于不同的空间代表性。

因为这次分析目的是讨论大尺度的影响因素，所以在图1.a（黑色实线）中也显示了更大区域的（1.5°times;0.8°框，在图1.b中以粉色框表示）的降水时序图。世界时8月19日06时开始降水，17时强度达最大，最大降水量为5.5。框中区域一天的累计降水量大约为30mm。标准差定义为日降水量与气候平均降水量的均方根，所用的数据时间为2006年-2014年间的8月15日-24日，得出标准差约为9mm。因此，30mm的日降水量大约为气候日降水量标准差的3倍。这次降水事件中，JMA的预报系统未能预报出如此大的降水强

图1.(a)降水时序图，来自于广岛的JMA计量器（红色柱状图）、广岛0.1°times;0.1°GSMaP网格（黑色虚线）、在（b）图中广岛1.5°times;0.8°粉色框区域GSMaP平均值（黑实线），1.5°times;0.8°粉色框区域JMA预测平均值（橘黄色线）、1.5°times;0.8°粉色框区域Ctl实验平均值（蓝色线）。图右边为计量器和1.5°times;0.8°区域的GSMaP网格标注，左边为1.5°times;0.8°区域的GSMaP网格、JMA预报、Ctl实验的标注。（b）世界时2014年8月19日13时到24时GSMaP平均水平降水量分布图。（c）世界时2014年8月19日13时到24时的可降水量（阴影；mm）和250hPa上的水平风（向量；）。（c）250hPa上世界时8月17日18时（浅蓝色）、8月18日18时（蓝色）、8月19日18时（深蓝色）位势高度为10970m的等高线。（c）中大尺度大气场变量来源于JRA-55数据集。

度。图1.a中橙色线表示预测的框区域的降水量，起报时间分别为世界时8月19日09时，12时，18时和20时。预报的降水量远小于监测到的降水量（全球JRA-55系统预测的降水量也相对较小；文中未显示）。

图1.b为世界时8月19日13时到24时的平均降水量的空间分布图（此后，除非另有指定，所有的数字都代表为世界时8月19日13时-24时）。除了广岛为雨带峰值区域外，九州岛北部海岸有一条雨带，另外日本岛与朝鲜半岛之间有一个更宽广的东北西南向的降水区。

图1.c为大尺度的大气场形势。临近降水期间，250hPa（Z250）上，中国区域上空有一加深发展的槽，从太平洋中部亚热带急流中分离出来的COL移动到日本岛上空。伴随着槽

图2.（a），（b）西北到东南向的横截面[图（c）-(f)红色虚线]的相对湿度（阴影；%）和环流形势（向量；）。（c）-（f）湿度（阴影；mm）和（c）、（d）为800hPa以下的垂直积分的湿度（向量；），（e）、（f）为800hPa以上的垂直积分的湿度。垂直积分按800hPa以下用最下面7层，800hPa以上用上面9层计算。（a）、（c）、（e）为世界时8月19日13时到24时的平均值，（b）、（d）、（f）为气候平均值。（c）、（e）阴影部分为可降水量的区域。变量来源于MSM分析。

的发展，从中南半岛到日本岛有一强大的西南气流，这条狭长潮湿区域可降水量[对地面到大气层顶的水汽进行垂直方向的积分，超过了50mm，形成一条持续了很多天的大气河流。

图2主要展示AR的垂直结构与气候场的比较。这个季节里，除了AR所在的区域，一般边界层相对较湿，而自由对流层相对较干。（图2.a）西北东南向的横截面（图2.c-f，粉色虚线）表明与AR相关的湿区，湿层延伸超过300hPa。为了对边界层与自由对流层水汽含量的比较，我们分别垂直积分了800hPa以下及800hPa以上的水汽含量，在图2c-f中显示。其中将800hPa以下分成7个层次，800hPa以上分成9个层次。沿着AR区域，边界层到自由对流层的积分水汽含量均为30mm，韩国和日本之间边界层的气候水汽量值约为27mm，而自由对流层的气候平均水汽量值约为20mm。因此，AR对自由对流层水汽含量的作用还是相对明显的，对边界层水汽含量无多大影响。

图2c和图2e为水平方向的水汽通量，显示了AR区域边界层和自由对流层的水汽都是沿东北方向运输的，伴随着强烈的上升运动（图2a，向量），可造成强降水（图2c和2e，阴影）。（2006年）Bao指出，AR区域自由对流层的水汽来源于低纬地区的水平输送和垂直输送的共同作用。注意到，AR附近表层水汽蒸发量很少（无显示），不利于AR的可降水量。

接下来，研究大尺度的影响因子COL，（1991年）Pavis和Emanuel利用分段反演法推算PV方程。Eavis将PV定义为：

， （1）

其中为位温，为等熵面上的相对涡度，其它符号都为标准定义。假设静力平衡且无旋转风远小于无辐散风，则PV可定义为：

， （2）

其中为位势，为流函数，为艾克纳函数。（1995年）Charney将小的无旋转风应用于散度方程中，得到的平衡方程为：

， （3）

这个方程表明了水平速度与位势的平衡关系。注意，如果忽略f 的纬度依赖和非线性项，则地转平衡。（1991年）Pavis和Emanuel用气候场对方程（2）和（3）中的非线性项进行线性化，得出基本状态方程:

（4）

（5）

其中为气候变量，为异常场变量，。解决线性化问题得以诊断PV异常

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