涼山“8·31”致洪暴雨過程的中尺度診斷分析

陳文龍, 諶貴王旬, 李文杰

(1.涼山州氣象臺(tái),四川西昌615000;2.四川省氣象臺(tái),四川 成都610072;3.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225)

0 引言

暴雨是雨季川西南山地和低緯高原的重要天氣,也是最受關(guān)注的災(zāi)害性天氣之一。對(duì)暴雨的研究表明[1-3],在有利的天氣尺度環(huán)流背景下,需要不同尺度天氣系統(tǒng)的有利配合,才能產(chǎn)生暴雨,而中尺度天氣系統(tǒng)是造成暴雨的直接天氣系統(tǒng)。近年來,通過天氣學(xué)中尺度分析以及運(yùn)用氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)等探測手段,對(duì)暴雨的中尺度研究已取得大量成果[4-8]。

涼山州地處四川省西南部、低緯高原北部,其西北部緊臨青藏高原,全州地形以山地為主,地貌類型多樣,眾多南北走向的山脈造就了涼山州地形的主體框架[9-10]。特殊的地形和地理位置在很大程度上決定了涼山州暴雨落區(qū)分散和局地性強(qiáng)的特點(diǎn),使預(yù)報(bào)的難度增大。雖然暴雨過程雨量不及四川盆地的暴雨過程,但在特殊的地理和氣候背景下,加上地形、植被、水土等方面的原因,暴雨常會(huì)帶來山洪、泥石流等次生災(zāi)害。利用常規(guī)氣象觀測資料、NCEP每6h一次的1°×1°格點(diǎn)再分析資料、風(fēng)云2E衛(wèi)星云圖資料對(duì)發(fā)生在涼山州北部的一次局地大暴雨過程進(jìn)行了中尺度特征的診斷分析,以求找到更適合本地的暴雨預(yù)報(bào)著眼點(diǎn),提高對(duì)局地大暴雨的預(yù)報(bào)能力。

1 暴雨過程概況

2012年8月30～31日,涼山北部出現(xiàn)了一次暴雨天氣過程,暴雨落區(qū)主要在喜德、雷波、昭覺3縣,縣城的降水量分別為71.9mm、66.9mm、56mm,位于孫水河上游的喜德縣熱柯依達(dá)、依滋覺、兩河口、且拖4個(gè)鄉(xiāng)的降水量分別達(dá)到149.2mm、63.4mm、60.1mm、58.8mm,由于通訊中斷,8月31日16時(shí)以后熱柯依達(dá)以及孫水河上游其余區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)缺失,實(shí)際的暴雨站數(shù)可能更多,實(shí)際的雨量還可能更大。這次局地大暴雨過程引起孫水河水位暴漲,攜帶著大量泥沙的河水沖毀河堤、橋梁,造成了喜德縣多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及下游冕寧縣瀘沽鎮(zhèn)的大量房屋、農(nóng)田被淹,交通、供電、供水、通訊、水利等基礎(chǔ)設(shè)施受到嚴(yán)重破壞。

此次暴雨的主要降水時(shí)段為31日5～16時(shí),從暴雨中心熱柯依達(dá)的小時(shí)降水量變化(圖1)可以清楚地看到:小時(shí)雨量有兩個(gè)波鋒,分別出現(xiàn)在31日6時(shí)和10時(shí),其小時(shí)雨量分別達(dá)到32.5mm、31.0mm;喜德縣城在31日0時(shí)和16時(shí)分別出現(xiàn)20.2mm、9.2mm的較大雨量。雷波、昭覺、依滋覺、且拖4站的主要降水也都出現(xiàn)在31日5～16時(shí)(圖略)。

圖1 2012年8月30日21時(shí)～31日20時(shí)逐時(shí)降水量分布圖(單位:mm)

2 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

在200hPa圖上(圖略),中國西南地區(qū)一直處于南亞高壓的控制之下,其中心位于川、滇、藏3省之間,涼山處于高壓中心附近的輻散區(qū)內(nèi),對(duì)流層高層的輻散有利于中低層的輻合產(chǎn)生和發(fā)展。而500hPa圖上,亞洲中緯度為兩脊一槽(圖2),貝加爾湖到新疆哈密有一低槽,低槽底部有短波槽分裂經(jīng)青藏高原東移影響四川,副高西伸后斷裂,在華東到華南一帶形成一個(gè)孤立的高壓環(huán)流,同時(shí)在孟加拉灣以北殘存有一個(gè)反氣旋環(huán)流,涼山正好位于兩高之間并存在一弱切變,兩高之間的弱切變是這次涼山致洪暴雨主要影響系統(tǒng)。700hPa圖上(圖略),涼山處于西南急流的左側(cè),西昌風(fēng)速和比濕分別達(dá)到了10m/s和12g/kg。因此,涼山處于對(duì)流層高層的南亞高壓中心附近的輻散區(qū)內(nèi),在兩高之間切變和較強(qiáng)的西南暖濕氣流作用下產(chǎn)生了局地大暴雨天氣。

3 物理量診斷分析

3.1 熱力條件

層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)和特征高度可以很直觀地反應(yīng)出大氣環(huán)境是否有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生[11]。沙氏指數(shù)(SI)是一個(gè)重要的層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù),其值愈小,愈有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定;對(duì)流有效位能(CAPE)直接反映了局地不穩(wěn)定能量的多少;對(duì)流抑制有效位能(CIN)表示要發(fā)生對(duì)流需克服的能量;自由對(duì)流高度(LFC)的高低決定了對(duì)流所需抬升力的強(qiáng)弱。

發(fā)生暴雨的孫水河上游區(qū)域在(102.4°E～102.6°E,28.0°N ～ 28.4°N),故選取 25°N ～ 31°N 沿 102.5°E 做假相當(dāng)位溫(θse)的經(jīng)向剖面圖(圖3)。

30日20時(shí)(圖3a),28°N～30°N存在明顯的能量鋒,暴雨區(qū)及其以南處于 θ se≥88℃的高能區(qū)內(nèi),高能舌從近地層伸到450hPa附近,θse800-500=9℃。從距離暴雨區(qū)僅30km的西昌站的部分層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)和特征高度看(表1),此時(shí)SI=-1.59℃,CAPE=1211.7J·kg-1,潛在的對(duì)流能量相當(dāng)豐富,而 N=48J·g-1,LFC=69.54hPa,使弱對(duì)流不易發(fā)生,能量在低層累積,大氣層結(jié)處于條件不穩(wěn)定狀態(tài)。31日02時(shí),在近地層輻合線的觸發(fā)下,不穩(wěn)定能量釋放,對(duì)流迅速發(fā)展,降雨在05時(shí)后明顯增強(qiáng)。31日08時(shí)(圖3b),伴隨著強(qiáng)降水持續(xù),能量鋒減弱,暴雨區(qū)低層的θse減小到80℃,而 θse800-500僅為2℃,CAPE和SI的顯著變化也表明大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定。

圖2 8月31日08時(shí)500hPa高空環(huán)流形勢

表1 西昌探空站(海拔1592m)部分層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)和特征高度隨時(shí)間的變化

圖3 沿 102.5°E假相當(dāng)位溫(θse)的經(jīng)向剖面(單位:℃)

3.2 動(dòng)力條件

圖4分別給出暴雨中心熱柯依達(dá)(102.5°E,28.1°N)上空的相對(duì)渦度、散度和垂直速度的時(shí)間剖面圖。

相對(duì)渦度場上(圖4a),隨著強(qiáng)降水的開始中低層的正相對(duì)渦度顯著增大并向高層擴(kuò)展,31日08時(shí),500hPa附近出現(xiàn)了一個(gè)6×10-5·s-1的正渦度中心,正渦度區(qū)一直延伸到200hPa附近,200hPa以上則為明顯的負(fù)渦度區(qū);31日16時(shí)降水減弱,中低層的正渦度也明顯減弱,500hPa的正渦度中心消失。從散度場看(圖4b),600hPa以下為主要輻合區(qū),隨著降水增強(qiáng),低層的輻合加強(qiáng),在31日02～10時(shí),750hPa附近形成了一個(gè)-4×10-5·s-1的輻合中心;與低層輻合相對(duì)應(yīng)的是300hPa以上的高層為主要的輻散區(qū),31日08時(shí)180hPa附近出現(xiàn)了一個(gè)5×10-5·s-1的輻合中心。高層輻散強(qiáng)于低層輻合,有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持,同時(shí)也使暴雨維持和發(fā)展[12],暴雨期間上升運(yùn)動(dòng)顯著增強(qiáng)。

圖4 熱柯依達(dá)上空渦度、散度以及垂直速度的時(shí)間剖面(橫軸時(shí)間為世界時(shí))

3.3 水汽條件

圖5分別給出整層水汽通量、整層水汽通量散度的分布圖,以及大暴雨中心的水汽通量和水汽通量散度的時(shí)間剖面圖。

涼山海拔相對(duì)較高,其水汽輸送主要在800hPa層以上。從30日20時(shí)到31日08時(shí),來自孟加拉灣不斷地向降水區(qū)輸送(圖5a、5b),涼山州的整層水汽通量雖然明顯小于貴州到四川盆地東部一帶,但有顯著增量,從100kg·m-1·s-1增大到了 200kg·m-1·s-1,增加了 1倍。大暴雨中心熱柯依達(dá)的水汽通量的大值區(qū)在 800～600hPa層,到31日08時(shí)左右水汽輸送大值區(qū)向高空擴(kuò)展,同時(shí)還在700hPa附近水汽通量達(dá)到7.5g·cm-2·hPa-1·s-1的極大值(如圖5e),充足的水汽輸送保證強(qiáng)了降雨的持續(xù)。

整層水汽通量散度在30日20時(shí)后同樣是迅速增大(圖5c、5d),到31日08時(shí),涼山州暴雨區(qū)附近形成了一個(gè)-6×10-4·kg·m-2·s-1的水汽輻合中心,水汽輻合的強(qiáng)度并不亞于貴州和四川盆地(圖5d),強(qiáng)烈的水汽輻合使強(qiáng)降雨維持。從暴雨中心熱柯依達(dá)水汽通量散度的時(shí)間剖面圖上(圖5f)可以看到,31日02時(shí)以后,水汽輻合的增量在700hPa層以下尤其明顯,水汽輻合區(qū)擴(kuò)展到了400hPa以上;31日08時(shí)左右在750hPa以下出現(xiàn)了一個(gè)大于-4×10-4·kg·m-2·s-1的水汽輻合中心。

總之低層的顯著增大的水汽通量與強(qiáng)烈的水汽輻合成為次局地大暴雨天氣重要的水汽條件。

圖5 整層水汽通量(陰影和等值線為整層水汽通量值,單位:kg·m-1·s-1,▲為強(qiáng)降水中心熱柯依達(dá))

4 中尺度特征分析

4.1 衛(wèi)星云圖

通過紅外云圖TBB的特征分析可以很直觀的監(jiān)視暴雨云團(tuán)(特別是中尺度暴雨云團(tuán))的移動(dòng)和演變以及降水量與TBB之間的關(guān)系。采用了費(fèi)增坪等[12]對(duì)MCS的定義,即由對(duì)流云組成;TBB≤-32℃的冷云區(qū)面積≥105km2;TBB≤-52℃的冷云區(qū)面積≥6400km2;持續(xù)時(shí)間為1h以上;冷云區(qū)的形狀呈圓形或橢圓形,最大尺度的橢圓率≥0.5。通過分析發(fā)現(xiàn)直接產(chǎn)生此次局地大暴雨天氣的是一個(gè)典型的MCS。

從30日20時(shí)到31日2時(shí)(圖略),涼山州西部有對(duì)流云活動(dòng),產(chǎn)生了喜德縣20.2mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水,31日1時(shí)后該對(duì)流云團(tuán)的結(jié)構(gòu)變得松散,范圍減小,TBB值升高。31日3時(shí)后對(duì)活動(dòng)加強(qiáng),逐漸形成一個(gè)MCS,下是該MCS生命史的五個(gè)階段。

初生階段(31日3～4時(shí),見圖7a),對(duì)流云的范圍繼續(xù)減小,TBB≤-32℃的邊界仍較為散亂,TBB≤-52℃的冷云區(qū)向云團(tuán)中心收縮,云團(tuán)中心的TBB值降低,這一時(shí)段內(nèi)的降水強(qiáng)度不大,僅有個(gè)別站超過了5mm/h。

發(fā)展階段(31日5～7時(shí),見圖7b),TBB≤-32℃的邊界進(jìn)一步向中心收縮,云團(tuán)四周的TBB梯度增大,云團(tuán)結(jié)構(gòu)變得緊密,TBB≤-52℃的冷云區(qū)面積擴(kuò)大至18000km2左右,云團(tuán)中心有小范圍的強(qiáng)對(duì)流發(fā)展,TBB低至-75℃,位于云團(tuán)北側(cè)TBB梯度最大處的熱柯依達(dá)和兩河口分別出現(xiàn)了32.5、9.9mm/h的雨強(qiáng)。

成熟階段(31日8～11時(shí),圖c、d),MCS發(fā)展到成熟階段,云團(tuán)邊界光滑,整體呈橢圓形,TBB≤-32℃和TBB≤-52℃的冷云區(qū)面積分別達(dá)到了36000km2和28000km2,MCS中心的TBB低至-69℃。在MCS北側(cè)TBB梯度大值區(qū)附近,熱柯依達(dá)分別出現(xiàn)了31.0mm/h、26.6mm/h、15.8mm/h的短時(shí)強(qiáng)降雨,雷波縣城和美姑縣拉木阿覺的小時(shí)雨量也都超過了10mm。

消散階段(31日12～16時(shí),圖e、f),MCS的結(jié)構(gòu)逐漸變得松散,邊界變得不光滑,云團(tuán)中心TBB升高,冷云區(qū)面積縮小。低層的輻合及上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱,對(duì)應(yīng)的降雨量也明顯減小。16時(shí)后(圖略)云團(tuán)分裂為幾塊小的弱對(duì)流云,TBB升高到-50℃,MCS特征消失。

在對(duì)流云團(tuán)生消演變中,在有利的環(huán)境條件配合下,一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長且穩(wěn)定少動(dòng)的MCS是暴雨產(chǎn)生的直接原因,短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨區(qū)集中在MCS北側(cè)TBB梯度最大的地方。

圖6 風(fēng)云2E衛(wèi)星T BB分布圖(▲為強(qiáng)降水中心熱柯依達(dá))

通過高精度可見光云圖,可以MCS更加直觀地分析MCS的演變特征。31日7時(shí)(圖8a),處于展階段的MCS,內(nèi)部對(duì)流的旺盛使其頂部凹凸不平,對(duì)流云上沖云頂西側(cè)有明顯的暗陰;31日08時(shí)(圖8b),MCS進(jìn)入成熟階段,具有橢圓形的緊密結(jié)構(gòu),在對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)的作用下,云團(tuán)西南側(cè)形成了絲羽狀的卷云;31日11時(shí)(圖8c),MCS北部兩個(gè)圓形的對(duì)流上沖云頂尤其引人注目,MCS南側(cè)和西側(cè)仍有絮狀的卷云,可見此時(shí)云團(tuán)內(nèi)部仍有對(duì)流發(fā)展。

圖7 風(fēng)云2E衛(wèi)星1km分辨率可見光云圖

4.2 中尺輻合線的觸發(fā)作用

近地層的中尺度輻合線對(duì)觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流并產(chǎn)生暴雨具有重要意義,為此分析了31日2時(shí)、8時(shí)近地層800hPa的流場變化情況。

在31日02時(shí)(圖8a),涼山州暴雨區(qū)的中尺度輻合線已經(jīng)出現(xiàn),但此時(shí)暴雨區(qū)對(duì)流較弱,MCS還未形成,隨著輻合逐漸加強(qiáng),觸發(fā)較大范圍的深厚對(duì)流,促進(jìn)了MSC發(fā)展。到31日8時(shí)(圖8b),暴雨區(qū)的風(fēng)速雖沒有增大,但輻合顯著加強(qiáng),形成了一條呈西北-東南向的中尺度輻合線,其位置與暴雨區(qū)的位置大體一致。800hPa流場的輻合線直接觸發(fā)了低層大氣能量的釋放,引導(dǎo)水汽輻合,促使上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)并維持,MCS的發(fā)展得到加強(qiáng)。

圖8.近地層800hPa流場(陰影為風(fēng)速,單位m/s,▲為強(qiáng)降水中心熱柯依達(dá))

5 結(jié)論

通過對(duì)涼山“8·31”致洪暴雨過程的分析,得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)涼山局地大暴雨是在有利的環(huán)流背景下,由兩高之間的切變和較強(qiáng)的西南低空急流共同作用產(chǎn)生的。

(2)暴雨區(qū)位于能量鋒南側(cè)并有高能舌配合,中低層的不穩(wěn)定能量相當(dāng)豐富,暴雨的發(fā)生伴隨著大量不穩(wěn)定能量的釋放。垂直方向上相對(duì)渦度顯著增大,低層輻合、高層輻散并伴隨強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)成為暴雨發(fā)生重要的動(dòng)力條件。

(3)暴雨區(qū)有顯著的水汽通量增量和強(qiáng)水汽輻合中心。在剖面圖上,大暴雨中心的強(qiáng)水汽輸和水汽輻合擴(kuò)展到了中層。

(4)一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長且穩(wěn)定少動(dòng)的MCS直接導(dǎo)致暴雨的發(fā)生,短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨區(qū)集中在MCS北側(cè)TBB梯度最大的地方?？梢姽庠茍D上,MCS的橢圓形輪廓、密實(shí)的云體及旺盛的上沖云頂清晰可見。

(5)近地層的中尺度輻合線的加強(qiáng)觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生,促進(jìn)了MCS發(fā)展,是產(chǎn)生此次大暴雨天氣不可缺少的條件之一。

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