利用FY-2E衛(wèi)星資料對川西一次強(qiáng)降水過程成因分析

徐 誠， 肖天貴

(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

四川盆地是強(qiáng)降水的多發(fā)區(qū)，每年直接的強(qiáng)降水災(zāi)害和間接的衍生地質(zhì)災(zāi)害給當(dāng)?shù)卦斐芍卮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡，因此，四川強(qiáng)降水變化規(guī)律的研究一直受到關(guān)注。郁淑華等［1］將1959～1982年四川盆地大范圍強(qiáng)降水過程按區(qū)域位置分為川西、川東以及全川移動3種類型，每類強(qiáng)降水合成形勢背景主要由副高和西風(fēng)帶低槽的相對位置決定。王成鑫等［2］分析了地形作用下四川盆地的持續(xù)性強(qiáng)降水過程，指出強(qiáng)降水過程是在高低層系統(tǒng)相互配置的條件下發(fā)生的，并通過數(shù)值模擬進(jìn)行證實(shí)。肖洪郁等［3］利用1980～1998年的副高特征量資料，分析了影響四川強(qiáng)降水的副高有不連續(xù)西伸北抬和突然加強(qiáng)西伸或北抬與突然東撤3種方式。許多專家還對四川盆地內(nèi)強(qiáng)降水過程的形成機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為西南渦的強(qiáng)烈發(fā)展對四川盆地強(qiáng)降水的產(chǎn)生非常重要［4-8］。同時，許多專家通過衛(wèi)星云圖等資料研究了強(qiáng)降水的云團(tuán)和中尺度特征，如陸爾等［9-13］研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水與TBB相當(dāng)黑體亮溫有很好的相關(guān)性，TBB溫度越低，云頂越高，對流越旺盛;云與強(qiáng)降水的關(guān)系比天氣尺度環(huán)流形勢的關(guān)系更密切，因而可以根據(jù)TBB的演變推斷天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度變化。陳永仁等［14］利用FY-2D衛(wèi)星云頂亮溫資料、雷達(dá)回波產(chǎn)品和氣象常規(guī)資料等分析了四川強(qiáng)降水的MCS特征及對短時強(qiáng)降雨的影響，結(jié)果表明短時強(qiáng)降雨通常由MCS中的深對流造成，同時中尺度系統(tǒng)多為β中尺度或γ中尺度并具有相當(dāng)黑體亮溫低、雷達(dá)反射率因子強(qiáng)和垂直積累液態(tài)水含量高等特點(diǎn)。當(dāng)前，已有研究多利用高度場、風(fēng)場、位渦、螺旋度、Q矢量、雷達(dá)資料和云頂亮溫TBB資料對四川強(qiáng)降水進(jìn)行診斷分析，揭示強(qiáng)降水形成的一些特征［15-19］。

2013年7月7日至12日，四川西部地區(qū)出現(xiàn)了一次罕見的強(qiáng)降水過程，有16個站的過程累計降水量大于100 mm，其中都江堰24小時累計降水量達(dá)到292 mm，是自1954年以來近60年最強(qiáng)降水量，達(dá)到特大強(qiáng)降水量級，打破了當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠砣陠稳战涤炅康臍v史記錄。文中主要利用相當(dāng)黑體亮溫、FY-2E云區(qū)濕度廓線、大氣運(yùn)動矢量等衛(wèi)星新資料以及逐小時常規(guī)加密降水量和歐洲中心ERA-Interim資料中的1000～200 hPa位勢高度場、風(fēng)場、比濕和垂直速度等對此次強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷，研究此次強(qiáng)降水過程的特征和成因。

1 資料

選用資料的時間為2013年7月7日20時至12日20時，共3部分資料:(1)四川西部加密觀測站逐小時常規(guī)降水量資料，包括川西49個國家基本氣象觀測站(馬爾康、金川、小金、阿壩、若爾蓋、紅原、壤塘、汶川、理縣等)逐小時降水資料。(2)FY-2E相當(dāng)黑體亮溫、云區(qū)濕度廓線和大氣運(yùn)動矢量資料。(3)歐洲中心ERA-Interim資料中1000～200 hPa的高度場、風(fēng)場、比濕和垂直速度，分辨率為1°×1°。利用以上3種資料從影響系統(tǒng)、中尺度云團(tuán)、云區(qū)廓線及動力等方面對此次強(qiáng)降水過程的特征和成因進(jìn)行分析。

2 強(qiáng)降水的階段性特征

2013年7月7日20時以前，四川盆地西北部部分地方開始有陣性降水，但持續(xù)時間不長且雨量很小。因此，將此次川西持續(xù)性強(qiáng)降水過程時間定于7月7日20時至7月12日20時。從圖1(a)可以看出此次降水過程覆蓋了整個四川盆地西部地區(qū)，降水量大值區(qū)位于川西高原東南部，其中都江堰、雅安、茂縣、名山、滎經(jīng)、天全、蘆山、洪雅、蒲江、邛崍、什邡、崇州、彭州、溫江、郫縣、大邑16站過程降水量均超過100 mm，寶興、汶川、丹棱3站過程降水量接近100 mm，降水量大值中心位于都江堰，過程累計降水量達(dá)到748.4 mm。

圖1 2013年7月7日20:00～12日20:00川西降水

由于此次持續(xù)性的強(qiáng)降水過程是由不同時段的階段性降水過程相接而成，因此選取16個降水大于100 mm站點(diǎn)計算過程累計降水量(圖1b)，據(jù)此將強(qiáng)降水過程分為4個階段:第一階段為7日20時至8日19時，為降水開始的初始階段，降水量較少，并多為陣性降水;第二階段為8日20時至9日19時，此次強(qiáng)降水過程的極大值出現(xiàn)在這個階段;第三階段為9日20時至11日04時，各站點(diǎn)降水量逐漸減少;第四階段為11日05時至12日20時，本次強(qiáng)降水過程趨于結(jié)束，降水量明顯減少。第一階段平均時段降水量為18.9 mm，第二階段平均時段降水量為79.0 mm，第三階段平均時段降水量為55.3 mm，第四階段平均時段降水量為3.7 mm。

3 強(qiáng)降水的影響系統(tǒng)及物理量診斷

3．1 強(qiáng)降水的影響系統(tǒng)

強(qiáng)降水往往是由不同高度、不同尺度的環(huán)流系統(tǒng)配合、相互作用產(chǎn)生，而連續(xù)性的強(qiáng)降水應(yīng)該產(chǎn)生于比較穩(wěn)定的大尺度環(huán)流形勢和有利的高低空系統(tǒng)配置之下，圖2給出7日20時、8日20時500 hPa和700 hPa位勢高度場與風(fēng)場配置形勢。

圖2(a)可以看出，7日20時500 hPa圖上亞洲中高緯度地區(qū)為兩槽一脊型，貝加爾湖西部為一高壓脊，巴爾喀什湖至青藏高原為寬廣的低槽區(qū)，貝加爾湖東部為一較弱的低槽。強(qiáng)降水過程第一階段，巴爾喀什湖的低槽向南分裂2個短波槽，一個位于青藏高原西部，另一個位于四川西部高原地區(qū)，槽前上升運(yùn)動較強(qiáng)，形成四川西部地區(qū)強(qiáng)降水的有利條件。第二階段8日20時(圖2b)，巴爾喀什湖低槽東移并南壓加深，強(qiáng)度加強(qiáng)，其分裂的短波槽東移在四川西部高原上空合并，造成強(qiáng)降水。第三階段9日20時，巴爾喀什湖低槽繼續(xù)加深形成閉合的中心并南壓，但強(qiáng)度有所減弱，其分裂的短波槽已移出四川西部地區(qū)，此時降水由巴爾喀什湖低槽前部的西南氣流所致。至第四階段11日08時，巴爾喀什湖低槽北縮，降水明顯減小。可見，這此強(qiáng)降水過程主要是受巴爾喀什湖的低槽及其分裂短波槽影響。

700 hPa上，強(qiáng)降水過程第一階段的7日20時(圖2c)，川西地區(qū)上空存在一切變線，正好與500 hPa高空槽配合，切變線附近存在著較強(qiáng)的風(fēng)場輻合區(qū)。從圖2(c)風(fēng)場可以看到，切變線南側(cè)存在著從孟加拉灣的西南氣流和南海的東南氣流，在切變線附近匯合并形成輻合中心，給四川西部帶來了源源不斷的水汽，為本次強(qiáng)降水提供了有利的水汽條件。第二階段的8日20時(圖2d)切變線東移到達(dá)川西地區(qū)都江堰附近，輻合加強(qiáng)，上升運(yùn)動加強(qiáng)，對應(yīng)的降水量增大。第三階段9日20時，切變線持續(xù)存在川西地區(qū)，至第四階段11日08時切變線強(qiáng)度減弱并東移出川西地區(qū)，降水減小。

圖2 位勢高度場與風(fēng)場(短桿為2 m/s，長桿為4 m/s)

3．2 垂直速度、假相當(dāng)位溫與水汽場

為了解此次強(qiáng)降水過程中各物理量場特征，圖3給出7日20時、8日20時假相當(dāng)位溫與環(huán)流速度、水汽輸送圖。

從圖3(a)可以看到，強(qiáng)降水過程第一階段7日20時，川西低層有明顯風(fēng)輻合，從低層到高層有一個明顯的垂直環(huán)流圈，上升支位于106°E～108°E，下沉支位于103°E～105°E，恰好位于川西高原上空，有利于降水形成。從假相當(dāng)位溫中可以看出，103°E～105°E，700 hPa～400 hPa有明顯的密集區(qū)，此為能量風(fēng)的位置，儲存了大量不穩(wěn)定能量，為大量降水提供了足夠的能量。從圖中還可以看到，在105°E附近有一片?θse/?z＜0不穩(wěn)定區(qū)，有利于強(qiáng)對流發(fā)生，對四川西部強(qiáng)降水的出現(xiàn)具有重要意義。第二階段8日20時(圖3b)，川西低層風(fēng)輻合增強(qiáng)，垂直環(huán)流圈仍然存在，假相當(dāng)位溫的密集區(qū)范圍有所擴(kuò)大。第三階段9日20時，低層風(fēng)輻合減弱，但垂直環(huán)流圈仍然存在，假相當(dāng)位溫的密集區(qū)范圍減小并東移。至第四階段11日08時，低層風(fēng)輻合與垂直環(huán)流圈均消失，假相當(dāng)位溫的密集區(qū)東移出四川西部地區(qū)。

分析水汽條件發(fā)現(xiàn)，此次強(qiáng)降水過程的水汽來源主要有3個地區(qū)(圖3c):一條來自于孟加拉灣地區(qū)帶來的西南氣流，另一條南海南風(fēng)帶來的水汽，第三條為西太平洋東南風(fēng)帶來的水汽。強(qiáng)降水過程第一階段7日20時(圖3c)，3條攜帶水汽氣流匯合后向川西地區(qū)輸送，在30°N ～35°N，103°E ～105°E 處輻合，為此次降水提供水汽條件。第二階段8日20時(圖3d)，孟加拉灣西南風(fēng)與西太平洋東南風(fēng)水汽輸送均加強(qiáng)，在四川西部地區(qū)形成的水汽輻合也加強(qiáng)。第三階段9日20時，孟加拉灣西南風(fēng)與西太平洋東南風(fēng)水汽輸送持續(xù)存在，但強(qiáng)度有所減弱。至第四階段11日08時，3條水汽通道輸送的水汽明顯減弱，降水也明顯減小。

4 強(qiáng)降水過程FY-2E云圖特征

4．1 紅外云圖

從紅外云圖可以看到(圖略)，7日10時開始有明顯的對流云帶分別從孟加拉灣、中國南海地區(qū)及西太平洋地區(qū)北上，在四川盆地匯合并發(fā)展。第一階段8日10時(圖4a)，對流云帶于四川西部名山-大邑-都江堰-什邡一帶加強(qiáng)發(fā)展成旺盛的對流云團(tuán)。第二階段9日10時(圖4b)，四川西部對流云團(tuán)范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，云團(tuán)覆蓋整個川西地區(qū)，該區(qū)域?qū)?yīng)的紅外云圖上云頂亮溫很低，說明云頂很高，對流發(fā)展非常旺盛，形成四川西部強(qiáng)降水天氣。第三階段10日10時(圖4c)，盡管降水云團(tuán)仍然位于四川西部，但是強(qiáng)度開始減弱，范圍減小，川西強(qiáng)降水天氣也逐漸減弱。第四階段11日10時(圖4d)，川西云團(tuán)明顯減弱，本次強(qiáng)降水天氣趨于結(jié)束。同時，從紅外云圖還可以清晰地看到這次強(qiáng)降水過程有孟加拉灣、中國南海地區(qū)及西太平洋地區(qū)的3條水汽輸送路徑，與前面的分析一致。

圖4 FY-2E(IR1)紅外云圖

4．2 相當(dāng)黑體亮溫TBB

從FY-2E紅外衛(wèi)星云圖分析可知，7日10時開始四川西部地區(qū)就不斷有空間尺度大小不一且持續(xù)時間不同的強(qiáng)對流積雨云團(tuán)在盆地內(nèi)不斷生成、發(fā)展、消散和再生，因此選取強(qiáng)降水4個階段中各2個時次相當(dāng)黑體亮溫資料來分析此次過程中積雨云團(tuán)的演變情況。

從圖5(a)可以看到，此次強(qiáng)降水過程第一階段7日23時，川西地區(qū)TBB值基本都達(dá)到-30℃，部分地區(qū)達(dá)到-60℃，說明云頂很高，對流很旺盛，在川西地區(qū)形成強(qiáng)對流云帶，到8日04時(圖5b)，四川西部東南部TBB值有所降低，川西北部TBB值有所增大，對應(yīng)這段時間川西東南部降水增強(qiáng)，北部減弱。同時，川西北部TBB值高于東南部，對應(yīng)著若爾蓋、紅原等地降水量小于名山、都江堰等地，說明TBB低值區(qū)與降水大值區(qū)是對應(yīng)的，并且TBB值減小過程與雨強(qiáng)增強(qiáng)過程一致。

第二階段(圖5c、5d)為本次強(qiáng)降水過程降水最大的階段，降水時間為8日20時至9日19時。在這期間，大邑、都江堰、什邡等站均達(dá)到小時降水量最大值，降水量超過50 mm/h。8日18時(圖略)四川西部地區(qū)就有強(qiáng)對流積雨云團(tuán)生成，TBB值普遍在-30℃以下，部分地區(qū)達(dá)到了-60℃。從8日21時到23時對流云團(tuán)不斷發(fā)展，TBB值不斷降低，川西東南部TBB值明顯小于北部地區(qū)TBB值，都江堰站TBB值達(dá)到-58℃，若爾蓋地區(qū)TBB值為-42℃，這與東南部降水量大于北部降水量相對應(yīng)。從圖5(e)～5(h)中可以看出，3、4階段四川西部TBB值較前兩個階段有所增大，第四階段TBB值比第三階段值大，對應(yīng)的第四階段的降水量最少，本次降水過程趨于結(jié)束。在此次強(qiáng)降水過程中，TBB值減小過程與雨強(qiáng)增強(qiáng)的過程比較一致，這與陳曉紅等［11］指出的TBB值減小過程與雨強(qiáng)增強(qiáng)過程比較一致的結(jié)論對應(yīng)。

為了更清楚地表示強(qiáng)降水過程期間站點(diǎn)TBB值的變化，選取川西東南部的名山、都江堰和川西北部的紅原站為代表，統(tǒng)計4個階段中各2個時次的TBB值，結(jié)果見表1。

表1 4個降水階段TBB值/℃

綜合強(qiáng)降水4個階段TBB值變化特征，從表1可以看到第二階段TBB值最低，第四階段TBB值最高，結(jié)合降水量發(fā)現(xiàn)TBB低值區(qū)與川西強(qiáng)降水雨落區(qū)有明顯的對應(yīng)關(guān)系，但是降水最大值與TBB低值中心位置有一定偏差，降水最大值中心較TBB最大值中心略偏東偏北，這與王小蘭等［20］指出相當(dāng)黑體亮溫的最低值并不對應(yīng)冰晶和含雪量最高值，與降水強(qiáng)度的最大區(qū)域在位置上有一定偏差結(jié)論一致。

圖5 相當(dāng)黑體亮溫圖

4．3 云區(qū)濕度廓線

圖6 第一階段云區(qū)濕度廓線圖

強(qiáng)降水過程的第一階段從7日20時到8日19時，四川西部大部分地區(qū)低層到高層的云區(qū)濕度均隨時間呈現(xiàn)增大趨勢。300 hPa上8日02時(圖6a)云區(qū)濕度多為40%，08時(圖6b)云區(qū)濕度大值區(qū)增大到50%。從中層500 hPa(圖6c，圖6d)上看，幾乎整個四川盆地的云區(qū)濕度達(dá)到40%以上，川西高原東南側(cè)較北側(cè)更大，大部分區(qū)域云區(qū)濕度達(dá)到50%。從低層850 hPa上看(圖6e、圖6f)，四川西部云區(qū)濕度均在50%以上。對比02時和08時云區(qū)濕度廓線圖可以看出，云區(qū)濕度大值區(qū)從西南方向不斷往東北方向移動，到達(dá)四川西部地區(qū)，并且川西北部的云區(qū)濕度小于東南部的云區(qū)濕度。這與川西降水從02時到08時不斷增強(qiáng)以及本次降水大值區(qū)位于川西西南是吻合的。

圖7 第二階段云區(qū)濕度廓線圖

第二階段為本次強(qiáng)降水過程降水最旺盛階段，四川西部降水量達(dá)到極大值。從云區(qū)濕度來看(圖7)，四川西部各層云區(qū)濕度在垂直方向上依然是低層大、高層小，從低層到高層濕度減少。與第一階段相比有明顯增大，較大的云區(qū)濕度給強(qiáng)降水提供了有利條件。8日21時300 hPa(圖7a)，四川西部上空云區(qū)濕度多在50%以上，川西高原濕度比東南部小，濕度最大值區(qū)位于川西東南部什邡附近，云區(qū)濕度達(dá)到60%以上。8日23時300 hPa(圖7b)四川西部整體云區(qū)濕度持續(xù)為高值覆蓋，濕度中心有向東北方向移動趨勢。中層500 hPa云區(qū)濕度(圖7c、圖7d)8日21時，整個川西濕度很大，均達(dá)到40%以上。川西東南部比川西西北部大，這與西南部降水大于西北部降水是對應(yīng)的。與300 hPa類似，23時云區(qū)濕度大值區(qū)有向東北方向移動趨勢。低層850 hPa云區(qū)濕度廓線(圖7e、圖7f)，川西云區(qū)濕度大于60%的區(qū)域較第一階段范圍明顯擴(kuò)大，同樣川西東南部的濕度大于西北部。8日23時，川西東南部地區(qū)依然處于云區(qū)濕度大值區(qū)，這可能是造成大邑、都江堰等地持續(xù)每小時降水超過20mm的原因。

圖8 第三階段云區(qū)濕度廓線圖

與第二階段各層濕度相比，第三階段10日07時各層云區(qū)濕度明顯減小，但從低層到高層云區(qū)濕度大小依然呈現(xiàn)出減小趨勢。300 hPa(圖8a)和500 hPa(圖8b)上云區(qū)濕度大值區(qū)南移，300 hPa上川西高原北部云區(qū)濕度下降到30%，都江堰、大邑等地云區(qū)濕度下降到50%，500 hPa上川西高原大部分地區(qū)云區(qū)濕度也下降到30%，都江堰、大邑等地依然處于云區(qū)濕度50% ～60%的大值區(qū)內(nèi)。850 hPa(圖8c)上的云區(qū)濕度大值區(qū)范圍明顯縮小，川西大部分地區(qū)云區(qū)濕度下降到了50%，都江堰、大邑等地位于云區(qū)濕度的大值區(qū)域。

圖9 第四階段云區(qū)濕度廓線圖

第四階段為本次強(qiáng)降水過程的結(jié)束階段，從各層的云區(qū)濕度圖上可以看到，與前3個階段的各層配置相同，云區(qū)濕度值從低層到高層呈現(xiàn)出減小趨勢。降水主要受低層850 hPa云區(qū)濕度(圖9c)影響，川西地區(qū)整層云區(qū)濕度有所減小，降水量明顯減少，預(yù)示著川西地區(qū)此次強(qiáng)降水過程的結(jié)束。

為了更清楚地表示強(qiáng)降水過程期間各站點(diǎn)云區(qū)濕度廓線的變化，選取川西東南部的名山、都江堰和川西北部的紅原站為代表，統(tǒng)計了降水中不同時次從高層到低層的云區(qū)濕度廓線值，結(jié)果見表2。

表2 4個降水階段云區(qū)濕度廓線值/%

從表2可以看到，各站云區(qū)濕度廓線值與云區(qū)濕度廓線圖上有同樣的特點(diǎn)，同一時次降水期間從低層(925 hPa)到高層(300 hPa)云區(qū)相對濕度逐漸減小，說明降水主要受低層云區(qū)濕度影響;第二階段的云區(qū)濕度明顯大于第一階段，對應(yīng)第二階段的降水量大于第一階段，說明較大的云區(qū)濕度為大的降水量提供了有利的水汽條件;第三階段云區(qū)濕度較第二階段有所減小，對應(yīng)的降水量也逐漸減小;第四階段云區(qū)濕度值與第三階段相差不大，略微有減小趨勢，對應(yīng)著此次強(qiáng)降水過程趨于結(jié)束。

4．4 大氣運(yùn)動矢量AMV

大氣運(yùn)動矢量又稱為云導(dǎo)風(fēng)，主要揭示云的移動規(guī)律和大氣的運(yùn)動趨勢。從圖10可以看到，大氣運(yùn)動矢量圖反映出川西地區(qū)此次強(qiáng)降水過程中水汽的主要是由來自孟加拉灣對流云攜帶的，其從南向北形成一個水汽通道，進(jìn)入到四川地區(qū)，此外還有伴隨南風(fēng)從南海帶來的水汽，兩股水汽在川西地區(qū)匯合，造成川西地區(qū)強(qiáng)降水天氣。這與TBB所反映的此次強(qiáng)降水過程云的運(yùn)動方向和規(guī)律是一致的。

圖10 大氣運(yùn)動矢量圖

5 結(jié)論

(1)本次強(qiáng)降水過程降水量南多北少，分為4個階段，第一階段為7日20時至8日19時，降水量較少;第二階段為8日20時至9日19時，降水主要集中在這個階段，并且出現(xiàn)降水量極大值;第三階段為9日20時至11日04時，各站點(diǎn)降水量逐漸減少;第四階段為11日05時至12日20時，降水量明顯減少，強(qiáng)降水過程趨于結(jié)束。

(2)本次強(qiáng)降水過程主要受500 hPa高空槽和700 hPa低空切變線高低空相互配置影響;水汽主要有3個來源:孟加拉灣地區(qū)的西南氣流、南海的偏南氣流和西太平洋東南氣流。

(3)本次強(qiáng)降水與對流積雨云團(tuán)發(fā)展的強(qiáng)烈程度有密切關(guān)系，強(qiáng)降水持續(xù)時間與對流云團(tuán)生命期有關(guān)。強(qiáng)降水過程中，云區(qū)濕度從低層到高層大小有所減小，降水主要受低層云區(qū)濕度影響。川西強(qiáng)降水雨落區(qū)域?qū)?yīng)TBB低值區(qū)，但是TBB低值中心與降水最大值中心在位置上有一定的偏差，降水最大值中心較TBB最大值中心略偏東偏北;TBB值減小過程與雨強(qiáng)增強(qiáng)的過程一致。FY-2E大氣運(yùn)動矢量能基本反映強(qiáng)降水過程水汽來源。

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