2014年5月10－11日柳州強(qiáng)降水過(guò)程診斷分析

李宜爽，劉 蕾，李家文

（柳州市氣象局，廣西 柳州 545001）

1 引言

暴雨屬災(zāi)害性天氣，常造成洪澇、山體滑坡、泥石流等，對(duì)人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)極大的危害。華南地區(qū)暴雨影響系統(tǒng)復(fù)雜，既受西風(fēng)帶系統(tǒng)的影響，又受到熱帶地區(qū)天氣系統(tǒng)的影響，加之復(fù)雜地形、下墊面以及海陸熱力差異等作用，中小尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)頻繁，預(yù)報(bào)難度非常大［1］，因此大氣科學(xué)界歷來(lái)對(duì)華南地區(qū)暴雨極為關(guān)注。孫興池［2］等指出冷區(qū)暴雨具有明顯后傾結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)斜壓鋒區(qū)，暴雨出現(xiàn)在850hPaθse暖濕舌后部密集區(qū)，其垂直運(yùn)動(dòng)沿鋒面大范圍抬升，動(dòng)力條件更強(qiáng)。方翀等［3］研究表明，低層切變線(xiàn)與地面輻合線(xiàn)相交的地區(qū)，是對(duì)流單體初生和強(qiáng)烈發(fā)展的區(qū)域；根據(jù)中層風(fēng)的風(fēng)向風(fēng)速及地面輻合線(xiàn)的位置和走向，可以大致判斷對(duì)流單體的移動(dòng)方向及是否存在列車(chē)效應(yīng)。劉國(guó)忠［4］等指出，低渦切變?cè)斐傻谋┯晏鞖鈨H次于熱帶氣旋。趙玉春［5］指出鋒面暴雨視熱源和視水汽匯皆呈單峰分布，但是加熱中心并不在同一高度，因而除連續(xù)性降水外，也存在一定的對(duì)流性降水。近年來(lái)不少對(duì)華南暴雨的個(gè)例研究［6－12］，深入分析了暴雨形成的環(huán)境條件及其動(dòng)力、熱力條件，加深了對(duì)華南暴雨尤其是鋒面暴雨的認(rèn)識(shí)。

2014年5月10—11日柳州市出現(xiàn)的一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在柳城縣、融水縣南部、融安縣南部以及鹿寨縣北部。降水時(shí)段主要集中在5月11日凌晨02時(shí)至05時(shí)，最強(qiáng)降水182．2mm出現(xiàn)在融水縣的和睦鎮(zhèn)。本文試基于此個(gè)例，利用Micaps資料、地面加密自動(dòng)觀測(cè)資料、NCEP／NCAR的1°×1°每6h再分析資料等對(duì)這次強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行診斷分析，為提高柳州汛期暴雨預(yù)報(bào)水平積累經(jīng)驗(yàn)，為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)流背景分析

2．1 大尺度環(huán)流背景

10日08時(shí)，亞洲中高緯呈“兩槽一脊”型，在西伯利亞西部及亞洲東亞的中高緯度地區(qū)為高壓脊，貝加爾湖為低槽，烏拉爾山以東的高壓脊前不斷有冷空氣自北冰洋南下，使貝加爾湖出現(xiàn)切斷低壓。我國(guó)大部分地區(qū)受冷渦底部階梯槽影響，廣西上空有短波槽東移，副高脊線(xiàn)位于我國(guó)南海，柳州市受584線(xiàn)外圍偏西氣流控制；700hPa上在我國(guó)四川與重慶交界一帶有低渦生成，渦底有南北向切變線(xiàn)壓在廣西上空，渦底偏西風(fēng)較強(qiáng)，最大 22m．s－1，達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)；850hPa西南渦位于貴州上空，柳州市位于冷切和暖切之間的西南急流中；925hPa上，從中南半島北上的西南風(fēng)與從南海北上的東南風(fēng)兩股氣流正好在廣西的中北部匯合，且兩股氣流都達(dá)到急流的強(qiáng)度，而強(qiáng)降水正好發(fā)生在850hPa與925hPa急流交匯區(qū)；地面圖上在廣西、貴州、云南三省交界處有暖低壓生成，低壓倒槽從貴州延伸到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，且等壓線(xiàn)向西折形成東高西低、北高南低的形勢(shì)，廣西位于低壓系統(tǒng)的前部。

10日20時(shí)，蒙古國(guó)上空的冷渦東移北上，廣西上空的高空槽東移至湖南到廣東上空，副高依然維持在我國(guó)南海；中低層西南渦向東北方向移動(dòng)，渦底不斷有弱冷空氣隨引導(dǎo)氣流劃過(guò)廣西上空，且西南急流略有加強(qiáng)；700hPa上切變線(xiàn)維持；850hPa的切變線(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，從華北一直延伸到云南東部，呈東北西南向；地面圖上有江淮氣旋生成，地面倒槽中可分析出一條從江淮氣旋伸出的冷鋒，一直延伸到柳州上空。10日白天地面氣溫回升明顯，暖低壓有所發(fā)展，暖濕氣流明顯加強(qiáng)，西南倒槽也較寬較強(qiáng)，隨著鋒面逐漸進(jìn)入倒槽后，輻合區(qū)集中在廣西，對(duì)廣西的中北部地區(qū)暴雨更有利，且倒槽氣旋性彎曲位于桂北地區(qū)。綜合分析，柳州市降水主要是受高空槽和中低層切變線(xiàn)的影響，地面上的低壓系統(tǒng)和鋒面提供了良好的觸發(fā)機(jī)制，配合強(qiáng)盛的西南急流為柳州市的降水提供了良好的水汽條件，因此10日夜間柳州市出現(xiàn)了大范圍的強(qiáng)降水。

圖1 850hPa中尺度分析(a）10日08時(shí),（b）10日20時(shí)

2．2 衛(wèi)星云圖分析

紅外云圖是最能直觀反應(yīng)暴雨云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展，我們選取10日17時(shí)至11日08時(shí)的紅外云圖（圖2，見(jiàn)彩頁(yè)）分析發(fā)現(xiàn)，10日17時(shí)柳州市上空開(kāi)始有較小尺度的對(duì)流云團(tuán)A生成，對(duì)應(yīng)此時(shí)部分地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)降水，在其西南側(cè)和西北側(cè)分別有對(duì)流云B、C生成，且在桂林上空還有一塊較大的對(duì)流云D存在；18時(shí)四塊對(duì)流云都有所加強(qiáng)，A和B有融合的趨勢(shì)，另外在C、D之間有對(duì)流云E生成；21時(shí)A、B、C都有所南壓，其中C發(fā)展旺盛，形成西北東南向的條形結(jié)構(gòu)，對(duì)流E則逐漸向東移動(dòng)和對(duì)流云D合并加強(qiáng)；22時(shí)對(duì)流云A、B合并減弱消失，對(duì)流云C也開(kāi)始減弱斷裂，只有尾部還在影響柳州市，對(duì)應(yīng)此時(shí)的降水也出現(xiàn)了減弱，另外在C的后部則有新的對(duì)流云F生成，桂林上空的對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)；23時(shí)，對(duì)流云C的前部已經(jīng)斷裂消失，尾部以及新生對(duì)流云F開(kāi)始與桂林上空的對(duì)流云團(tuán)D、E合并，形成了較大尺度的對(duì)流云團(tuán)；隨后這個(gè)對(duì)流云團(tuán)不斷發(fā)展壯大，且不斷向南移動(dòng)影響柳州市，11日0時(shí)已經(jīng)壓在了柳州市上空，03時(shí)對(duì)流云團(tuán)已經(jīng)發(fā)展成為較大尺度的MCS，且云頂溫度只有197K，說(shuō)明這塊對(duì)流云團(tuán)云頂很高，上升氣流很強(qiáng)，發(fā)展很旺盛，這段時(shí)間正好也是我市降水最強(qiáng)的時(shí)間段。隨后對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)向南移動(dòng)，形狀開(kāi)始變的不規(guī)則，云頂高度降低，到了07時(shí)云頂溫度已經(jīng)升到202K以上，說(shuō)明此時(shí)對(duì)流云團(tuán)里下沉氣流開(kāi)始加強(qiáng)，強(qiáng)度開(kāi)始減弱，而此時(shí)我市的南部地區(qū)還是受對(duì)流云的尾部影響，但是降水強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱；08時(shí)對(duì)流云已經(jīng)完全移出柳州市，降水也趨于結(jié)束。

另外分析可見(jiàn)光云圖（圖略）可以發(fā)現(xiàn)，10日20時(shí)對(duì)流云都比較白亮，云頂呈凸起狀，且云頂?shù)谋彻庖粋?cè)都有不同程度的暗影區(qū)，說(shuō)明對(duì)流云比較厚，以Cb為主，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，比較有利于暴雨的發(fā)生。從10日20時(shí)的水汽云圖（圖略）上也可以分析出四塊對(duì)流云，且比較白亮，同樣說(shuō)明云頂比較高，對(duì)流云比較深厚；在對(duì)流云的南側(cè)灰白色的示蹤物移動(dòng)，說(shuō)明西南急流攜帶的水汽在移動(dòng)，為暴雨的持續(xù)發(fā)展提供了良好的水汽輸送條件。

3 強(qiáng)降水發(fā)生原因分析

3．1 動(dòng)力條件

較好的動(dòng)力抬升是暴雨的發(fā)生發(fā)展必要條件，圖 3（a）是沿北緯 24．5°作散度的垂直剖面，可以看出，氣流輻合主要集中在800hPa以下，輻合中心強(qiáng)度最大可達(dá) 6×10－5s－1，氣流輻合中心上方 200hPa 附近始終有一個(gè)氣流輻散中心與之對(duì)應(yīng)，其中心強(qiáng)度最大可達(dá) 8×10－5s－1。 從渦度場(chǎng)的分析可知，強(qiáng)降水集中時(shí)段的渦度場(chǎng)有明顯增強(qiáng) （圖3b），從近地面到300hPa均為正渦度，形成明顯的垂直渦柱，300hPa和850hPa附近各有一大值中心，強(qiáng)度均為6×10－5s－1。正是因?yàn)檫@種深厚的渦旋為水汽層提供了強(qiáng)勁的抬升動(dòng)力。垂直速度反映大氣上升或下沉運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)對(duì)流、暴雨產(chǎn)生的必要的動(dòng)力條件。沿東經(jīng)109．5℃作垂直速度的垂直剖面圖，可以看出，10日20時(shí)（圖略），柳州為垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，高度可達(dá)200hPa附近，中心位于700hPa附近，強(qiáng)度達(dá)－1．8Pa／s。 11 日 02 時(shí)（圖 3c），在柳州市中南部形成強(qiáng)的上升中心，中心位于600hPa附近，強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到了－2．1Pa／s，強(qiáng)勁而持久的上升運(yùn)動(dòng)將低層大量的水汽攜帶到高空。這種低層輻合高層輻散的配置形成強(qiáng)烈的抽吸作用，并長(zhǎng)時(shí)間維持，使得水汽源源不斷地輻合抬升，最終凝結(jié)形成強(qiáng)降水。11日08時(shí)（圖略）正渦度大值中心逐漸向南壓，因此降水大值區(qū)也逐漸南壓，柳州市降雨趨于減弱。

3．2 水汽條件

形成暴雨的必要條件之一，是要有足夠多的水汽，單靠當(dāng)?shù)匾延械乃质遣豢赡苄纬杀┯甑?，必須要有水汽源源不斷地輸入暴雨區(qū)。水汽通量可表示水汽輸送的強(qiáng)度和方向。圖4（a，見(jiàn)彩頁(yè)）是850hPa9日20時(shí)－11日20時(shí)水汽通量平均與風(fēng)場(chǎng)合成圖，從圖中可以看出，850hPa切變線(xiàn)位于北緯27°附近，水汽通量大值區(qū)位于華南沿海到南海一帶，中心值達(dá)到 18×10－2g·hPa－1·cm－1·s－1。 切變線(xiàn)與其南側(cè)水汽通量大值區(qū)之間均有一等值線(xiàn)密集區(qū)，說(shuō)明水汽通量梯度大，水汽在此區(qū)域強(qiáng)烈輻合。通過(guò)分析水汽的垂直分布發(fā)現(xiàn)，這次強(qiáng)降水過(guò)程水汽輻合主要集中在850hPa附近。圖4（b，見(jiàn)彩頁(yè)）是 11日02時(shí)850hPa水汽通量散度圖，從圖中可以看出，水汽的輻合帶集中在廣西北部到湖南南部一帶，中心強(qiáng)度達(dá)到－12×10－8g·hPa－1cm－2s－1，柳州中南部位于水汽輻合帶內(nèi)，850hPa切變線(xiàn)南壓到柳州中南部，此時(shí)降水開(kāi)始明顯增強(qiáng)。由此上述分析可見(jiàn)，來(lái)自孟灣的水汽源源不斷地向北輸送，并且在柳州一帶強(qiáng)烈輻合，造成柳州地區(qū)的強(qiáng)降水。隨著切變線(xiàn)的逐漸南壓，柳州的降雨也趨于減弱。

圖3 2014年5月11日02時(shí)沿24．5°N 作散度（單位：10－5s－1）的垂直剖面圖（a），沿109．5°E作渦度（單位：10－5s－1）的垂直剖面圖（b），垂直速度（單位：Pa／s）的垂直剖面圖（c）

圖6 （a）5月10日20時(shí)河池探空T－lnp圖，（b）5月10日20時(shí)桂林探空T－lnp圖

3．3 熱力條件及不穩(wěn)定層結(jié)分析

3．3．1 假相當(dāng)位溫

假相當(dāng)位溫θse是反映大氣穩(wěn)定度和濕度條件的綜合指標(biāo)，可以用來(lái)分析大氣的能量分布狀況和鋒區(qū)的位置。圖5（見(jiàn)彩頁(yè)）分別是10日20時(shí)和11日02時(shí)假相當(dāng)位溫θse、垂直速度及V（陰影）風(fēng)量的經(jīng)向剖面圖，由圖5a可以看到，假相當(dāng)位溫密θse密集區(qū)位于 27°N－28°N、31°N－32°N 這兩個(gè)區(qū)域，南北風(fēng)交匯于26．5°N附近，冷鋒的前鋒已到達(dá)柳州北部；鋒區(qū)前部23°N－26°N區(qū)域出現(xiàn)了型的不穩(wěn)定能量區(qū)，θse高能舌隨高度向北侵斜，950hPa到700hPa之間有較大的南風(fēng)分量，有利于暖濕氣流向柳州上空輸送；鋒區(qū)前部有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)伸展到 200hPa，中心值為－1．8pa／s，這種強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)配合高能高濕的環(huán)境，非常有利于柳州出現(xiàn)強(qiáng)降水。11日02時(shí)θse密集區(qū)南壓至25°N附近，結(jié)合V風(fēng)量可以看到，近地層有冷空氣的滲透，由于淺薄冷空氣從邊界層南下時(shí)并不改變邊界層上部的暖濕空氣的環(huán)境條件，反而更有利的暖濕空氣的抬升，觸發(fā)對(duì)流的發(fā)展，增加降水量［15］，垂直速度也較10日20時(shí)有所增強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)一直伸展到150hPa，強(qiáng)上升中心位于650hPa附近，中心值達(dá)到了－2．1pa／s，隨著冷鋒的不斷南壓以及降水對(duì)能量的損耗，原先的高能舌消失。11日14時(shí)（圖略），切變線(xiàn)及鋒面壓過(guò)柳州，柳州上空為一致北風(fēng)控制，降水停止。

圖 7 2014年 5月 11日 02時(shí)（a），11日 08時(shí)（b）地面 10m流場(chǎng)

3．3．2 K 指數(shù)

K 指數(shù)（K＝（T850－T500）＋Td850－（T－Td）700）反映大氣的層結(jié)穩(wěn)定情況，K指數(shù)越大層結(jié)越不穩(wěn)定。從K指數(shù)的演變分析，10日有不穩(wěn)定區(qū)從湖南向廣西南壓的過(guò)程，柳州市K指數(shù)一直大于36℃，10日20時(shí)在柳州市附近出現(xiàn)了40℃的中心，表明具有很好的層結(jié)不穩(wěn)定條件，降水開(kāi)始前大氣不穩(wěn)定能量一直比較高，低層有較強(qiáng)的暖濕空氣；11日08時(shí)，K指數(shù)略有下降，處在32～36℃之間，說(shuō)明10日夜間有一定能量的釋放。

3．3．3 探空分析

分析河池站和桂林站的探空?qǐng)D6可以發(fā)現(xiàn)，在10日20時(shí)兩站的不穩(wěn)定能量都比較強(qiáng)，河池站的K 指數(shù)為 43℃，沙氏指數(shù)為－3．88，CAPE 為 1122．1J／kg；桂林站的 K指數(shù)為41℃，沙氏指數(shù)為－2．18，CAPE 達(dá)到 1266．1J／kg，說(shuō)明降水開(kāi)始前，柳州上空大氣不穩(wěn)定能量較強(qiáng)，為對(duì)流的觸發(fā)提供了很好的條件。從濕層來(lái)看，河池站的濕層達(dá)到了600hPa左右，而桂林站則是整層大氣濕度都比較大，較厚的濕層為暴雨的發(fā)生提供了良好的水汽條件。另外分析風(fēng)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，兩站700hPa和850hPa的風(fēng)速都比較大，基本上都達(dá)到了 12m．s－1，說(shuō)明中低層西南急流較強(qiáng)，且兩站的風(fēng)向隨高度都有明顯的順轉(zhuǎn)，說(shuō)明中低層有暖平流，暖濕空氣勢(shì)力較強(qiáng)。11日08時(shí)（圖略），兩站的不穩(wěn)定能量都有大幅度的下降，說(shuō)明10日夜間不穩(wěn)定能量得到了釋放，河池站的濕層達(dá)到了500hPa，說(shuō)明10日夜間有對(duì)流性降水產(chǎn)生；另外兩站的高層風(fēng)速加大，且濕度減小，說(shuō)明有干冷空氣卷入。

3．4 近地面層觸發(fā)條件

孫靖［16］等研究表明中尺度切變線(xiàn)觸發(fā)對(duì)流，使對(duì)流單體組織化發(fā)展，而中尺度輻合可能在對(duì)流系統(tǒng)的連續(xù)發(fā)展過(guò)程中有更加直接的觸發(fā)作用。分析地面10m流場(chǎng)（圖7）可以看出，11日02時(shí)，在河池到桂林一帶出現(xiàn)了一條由東北風(fēng)和東南風(fēng)組成的東西向的中尺度輻合線(xiàn)，同時(shí)從雷達(dá)回波拼圖上看到，在羅城—柳城—平樂(lè)一線(xiàn)出現(xiàn)了一條強(qiáng)回波帶，05時(shí)輻合線(xiàn)南壓到都安—忻城—象州一帶，強(qiáng)回波也隨之南壓到上述地區(qū)，08時(shí)桂東南出現(xiàn)了強(qiáng)降雨天氣。分析發(fā)現(xiàn)地面輻合線(xiàn)和強(qiáng)回波區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明地面風(fēng)場(chǎng)輻合明顯，有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的進(jìn)一步加強(qiáng)和維持。

4 結(jié)論

本文利用Micaps資料、地面加密自動(dòng)觀測(cè)資料 、NCEP／NCAR 的 1°×1°每 6h 再 分 析 資 料 ，對(duì)2014年5月10－11日發(fā)生在柳州的一次強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，得到以下結(jié)論：

（1）此次暴雨過(guò)程是典型的鋒面暴雨，500hPa南支槽、850hPa低渦切變線(xiàn)及低空急流、地面冷鋒提供了有利的天氣尺度背景場(chǎng)。

（2）近地層冷空氣入侵是本次過(guò)程的觸發(fā)機(jī)制，高層強(qiáng)輻散以及低層輻合的有利配置為此次強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了較好的動(dòng)力條件；強(qiáng)盛的西南急流提供了較好的水汽條件；低層暖平流、高層冷平流的上下層配置，使不穩(wěn)定能量得以聚集，為對(duì)流發(fā)展提供必要的能量條件。

（3）水汽通量散度、渦度中心值的強(qiáng)弱變化及移動(dòng)均與強(qiáng)降水中心有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，很好的反應(yīng)了冷暖系統(tǒng)的交匯、850hPa低渦切變是此次強(qiáng)降水過(guò)程主導(dǎo)系統(tǒng)。

（4）500hPa南支槽東移引導(dǎo)低層切變線(xiàn)的快速東移南壓，以及地面較大的鋒區(qū)梯度是造成此次降水強(qiáng)度大且持續(xù)時(shí)間短的主要原因。

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