桂東北一次典型暴雨過程分析

陳劉鳳，葉駿菲，林開平，孫紅梅，覃月鳳

（1.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧　530001；2.賓陽縣氣象局，南寧　530023；3.廣西氣象臺，南寧　530022）

桂東北一次典型暴雨過程分析

陳劉鳳1，葉駿菲2，林開平3*，孫紅梅3，覃月鳳3

（1.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧530001；2.賓陽縣氣象局，南寧530023；3.廣西氣象臺，南寧530022）

利用常規(guī)觀測資料、廣西自動站雨量資料以及雷達(dá)探測資料等，對2015年5月18～20日桂東北一次典型暴雨過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）高空槽東移、低層低渦切變和地面冷空氣南下是此次強(qiáng)降水過程的主要影響系統(tǒng)。（2）桂東北較為深厚的濕層和弱風(fēng)切的局地環(huán)境，適當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定條件等，提供了重要的上干下濕的層結(jié)條件。（3）桂東北北高南低的迎風(fēng)坡地形也是引發(fā)此次暴雨的另一個因素，氣流的有效輻合更是有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

暴雨；環(huán)流形勢；地形；桂東北

1　引言

廣西地處我國南疆，降水主要集中于4～9月，受西南暖濕氣流、熱帶氣旋甚至北方變性冷氣團(tuán)的影響，暴雨洪澇災(zāi)害常見，幾乎每年都有大暴雨甚至特大暴雨的出現(xiàn)。因此，加強(qiáng)對暴雨災(zāi)害性天氣的監(jiān)測、預(yù)報與評估是氣象工作的重要課題。陶詩言［1］對華南前汛期暴雨的特征及成因進(jìn)行了論述。黃明策［2］分析了廣西暴雨的時空分布特征。覃衛(wèi)堅［3-4］等采用蒙特卡羅檢驗法，計算和分析廣西暴雨非均勻性分布及其變化，又使用相關(guān)分析方法研究廣西暴雨的區(qū)域性和連續(xù)性。廖雪萍［5］使用Morlet小波分析方法分析了廣西近50年暴雨和大暴雨日數(shù)的年際變化。李菁［6］等對1971～2001年發(fā)生在廣西的特大暴雨分析得出廣西特大暴雨的月際分布具有明顯的“單峰型”特征。基于數(shù)值模擬對廣西前汛期暴雨形成機(jī)制的分析也有大量研究［7-9］。祁麗燕［10］等2009年7月2～4日廣西暴雨過程的中尺度特征進(jìn)行探討，劉國忠［11］等2010年6月28日廣西極端特大暴雨過程成因進(jìn)行分析。林開平［12-13］等通過對廣西致洪暴雨過程中暴雨區(qū)附近高空和地面要素場的演變特征分析，以及對與暴雨降水密切相關(guān)的物理量進(jìn)行診斷分析，從而了解致洪暴雨的形成機(jī)制，并將廣西大范圍致洪暴雨天氣模型分為三種類型。陳業(yè)國［14］等利用WRF模式對廣西2008年6月一次持續(xù)性暴雨過程進(jìn)行了診斷分析指出山區(qū)地形的非地轉(zhuǎn)性導(dǎo)致天氣系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展以及出現(xiàn)中尺度波動，為暴雨提供了很好的觸發(fā)機(jī)制。劉蕾［15］等基于WRF模式設(shè)計敏感性試驗，證實(shí)了柳州豁口地形對暴雨的增幅效應(yīng)。席慕科［16］等通過對桂東北一次暖區(qū)暴雨分析指出高原南側(cè)低值系統(tǒng)與地形摩擦有關(guān)，黃遠(yuǎn)盼［17-18］等診斷分析了暖區(qū)暴雨向鋒面暴雨演變。本文利用常規(guī)觀測資料、廣西自動站雨量資料以及雷達(dá)探測資料等，對2015年5月18～20日桂東北一次典型暴雨過程進(jìn)行分析。

2　天氣過程及災(zāi)情概況

2015年5月18～20日，受高空槽東移、低層低渦切變和地面冷空氣的共同影響，廣西北部出現(xiàn)了一次暴雨過程，其中桂林、柳州、河池出現(xiàn)了大暴雨到特大暴雨天氣。據(jù)廣西國家氣象觀測站資料統(tǒng)計，17日20時至20日20時，廣西共出現(xiàn)大雨43站次，暴雨34站次，大暴雨10站次，特大暴雨1站。全區(qū)有27站（次）出現(xiàn)雷雨大風(fēng)，119個站（次）有雷暴。據(jù)民政部門統(tǒng)計，暴雨災(zāi)害已造成40.03萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡3人，緊急轉(zhuǎn)移安置3.28萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積39.34千公頃，倒塌房屋804戶1756間，直接經(jīng)濟(jì)損失8.24億元。

3　環(huán)流形勢分析

在19日08時，東北冷渦向低緯地區(qū)伸出階梯槽，我區(qū)處于階梯槽底，副高控制華南沿海一帶，向西擴(kuò)展直至印度半島，我區(qū)處于副高邊緣；在未來的12小時內(nèi)，副高東退，而高空槽東移北收（圖1）。到19日20時，高空槽減弱北收，東移入海，其對我區(qū)的影響趨于結(jié)束，但南支系統(tǒng)東移，我區(qū)處于南支槽前的上升區(qū)，同時副高東退，西脊點(diǎn)在（110°E）附近，西南通道打開，暖濕氣流上來（圖2）。

圖1　500百帕形勢場（19日08時）

圖2　500百帕形勢場（19日20時）

隨著高空階梯槽東移，19日20時，850百帕有低渦切變南壓，其暖切在桂北一帶，低渦中心在桂東北和湖南交界。同時切變線北抬減弱，我區(qū)上空的西南氣流達(dá)到了12-14m/s強(qiáng)度，為急流強(qiáng)度。

高層的高空槽東移，引導(dǎo)地面冷空氣南下，在海平面氣壓場上，表現(xiàn)為冷鋒從江南一帶逐漸南壓逼近華南。在20日05時，冷鋒已經(jīng)跨過長江，西南暖低壓控制著云貴一帶（圖3），低壓倒槽呈東北西南走向，桂東北到湖南交界為冷暖空氣交匯區(qū)，此形勢有利于觸發(fā)對流性天氣。同時，此形勢到20日08時也還在維持（圖4）。

高空槽底和南支槽前上升氣流，低層的切變輻合，以及冷暖空氣交匯的觸發(fā)作用，為此次暴雨和短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣提供了天氣尺度的環(huán)流背景。

4　物理量場診斷

4.1水汽條件診斷

暴雨三要素里，最重要的是充分的水汽供應(yīng)。分析850hPa比濕場演變得出，整個暴雨過程期間，廣西的比濕一直維持在12g/kg以上，最大比濕超過了14g/kg，水汽充沛，且比濕線密集區(qū)在桂北一帶，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生（圖5）。

圖3　海平面氣壓場（20日05時）

圖4　海平面氣壓場（20日08時）

圖5　850百帕比濕分布圖（19日20時；20日08時）

4.2散度場和垂直速度場特征

第二重要條件是強(qiáng)烈的上升運(yùn)動。理論上講，除了在低層要產(chǎn)生足夠的輻合外，在高空也要具備很好的輻散環(huán)境，而且高空輻散大于低層的輻合，當(dāng)兩條件充分具備時，對流將會旺盛發(fā)展。

利用實(shí)況物理量資料，選取強(qiáng)降水發(fā)生時（20日08時）500hPa垂直上升速度場（圖6）和850hPa散度場（圖7）的特征，進(jìn)一步分析暴雨過程發(fā)展演變的過程。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水發(fā)生時，廣西低層為輻合區(qū)，強(qiáng)輻合中心位于桂東北一帶，中心值超過了-50×10-5s-1；從500hPa垂直上升速度分布可以看出上升運(yùn)動主要集中在桂北桂東地區(qū)。中層的上升運(yùn)動和低層的輻合，為暴雨的發(fā)生提供了良好的動力條件。

圖6　20日08時500百帕垂直上升速度場

圖7　20日08時850百帕散度場

4.3其他不穩(wěn)定因素

此次暴雨過程主要表現(xiàn)為短時強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣，所以再重點(diǎn)分析雷暴發(fā)生的不穩(wěn)定條件。

4.3.1條件性不穩(wěn)定

K指數(shù)和SI指數(shù)是最常用的大氣穩(wěn)定度的判斷指數(shù)。是能較好地反應(yīng)大氣穩(wěn)定度的物理量。K值越大，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，一般當(dāng)K≥35時易出現(xiàn)暴雨；SI越小越不穩(wěn)定，通常SI＜1.0時有暴雨出現(xiàn)。暴雨來臨前這些指數(shù)的急劇變化反映了大氣層結(jié)的穩(wěn)定性和降水的變化趨勢［19］。

19日20時，桂北強(qiáng)降水發(fā)生，分析其探空，發(fā)現(xiàn)明顯的上干下濕的層結(jié)，同時河池和桂林兩市表現(xiàn)為弱的垂直風(fēng)切和較為深厚的濕層（高度可達(dá)500hPa），CAPE值較小（比百色的?。?，其環(huán)境溫度直減率曲線也較為接近干絕熱線，說明其有一定的不穩(wěn)定能量，是產(chǎn)生以短時強(qiáng)降水為主的有利環(huán)境條件。對于強(qiáng)對流天氣，環(huán)境風(fēng)垂直切變是一個非常重要的影響因素，桂林上空，從低層到高層為西南風(fēng)到偏西風(fēng)，0-6km垂直風(fēng)切為14m·s-1，500hPa風(fēng)速為14m·s-1，200hPa風(fēng)速為25m·s-1，500-200hPa的風(fēng)切變?yōu)?3m·s-1，要大于百色的低層（7m·s-1）和中高層（9m·s-1），有利于濕對流的發(fā)展和強(qiáng)降水的發(fā)生。桂東北的河池、柳州、桂林的短時強(qiáng)降水就是弱風(fēng)切下的強(qiáng)對流表現(xiàn)。

從廣西5個探空站物理量數(shù)值（表1）發(fā)現(xiàn)，在19日20時，廣西6個探空站都探測到大于40℃的K值，說明大氣層結(jié)及其不穩(wěn)定，且均在35以上，極易出現(xiàn)暴雨。階梯槽東移，地面冷鋒和西南暖低壓在桂北一帶對峙都極易激發(fā)出對流性天氣。在20日08時，雷暴天氣發(fā)生后，桂林的K值已降到30℃以下，桂林、河池的SI指數(shù)表現(xiàn)為正值，CAPE值釋放后降低明顯，兩市的對流性降水趨于結(jié)束。

4.3.2對流不穩(wěn)定

從5月19日08時-20日08時的850hPa假相當(dāng)位溫場上（圖略）也可以看到，云南西部到南海北部為相對高能區(qū)，θse維持在75以上，而從長江流域有低能、干冷舌向湖南伸展，19日20時，華南北部至云貴交界處等假相當(dāng)位溫線較密集，即鋒區(qū)很強(qiáng)，冷暖空氣對峙有利于強(qiáng)降水的觸發(fā)。

表1　5月19日20時和20日08時廣西5個探空站物理量數(shù)值對比

圖8　地面輻合線

圖9　20日05時云圖（等值線為TBB）

5　衛(wèi)星云圖和雷達(dá)資料分析

5.1衛(wèi)星云圖分析

從19日20時開始，滇黔桂對流云團(tuán)生成發(fā)展移入我區(qū)，與在桂北局地生成發(fā)展的對流云團(tuán)合并發(fā)展，是此次桂東北強(qiáng)降雨能發(fā)生的重要原因。此過程的對流云團(tuán)呈密實(shí)的球狀，邊緣整齊、清晰可辨，TBB梯度非常大，云頂中心亮溫很低，尺度在100km左右，是較為典型的MCC。在此期間，廣西處于低層切變線南側(cè)的偏南氣流中，滇黔桂為暖切影響相繼有對流云團(tuán)A和B生成、東移發(fā)展，桂西南在偏南急流里也在19日23時有云團(tuán)C的發(fā)展，此時降水不強(qiáng)。到20日02時，云團(tuán)A進(jìn)一步發(fā)展，B移出我區(qū)，此時桂東北的強(qiáng)降水發(fā)生，小時雨強(qiáng)達(dá)到了25mm以上（圖略）。

地面輻合線有西北東南向的東移（圖8），這也和對流云的生成和移動一致。同時，在柳州短時強(qiáng)降水達(dá)到最強(qiáng)的時刻（20日05時），MCC也發(fā)展到最強(qiáng)盛，其TBB達(dá)到了195（圖9）。隨著時間的推移，在低層的偏南氣流里，新對流在原有中尺度對流云團(tuán)的下風(fēng)方生成，且云罩中云頂溫度梯度最陡的地方也是位于云罩的南部和西南部，這都推動著對流云團(tuán)的向前運(yùn)動（東移）。

5.2雷達(dá)資料分析

在19日19：05時，新生雷暴單體在柳州、鹿寨生成，此時雷達(dá)回波強(qiáng)度較弱，單體分散。到22：04時，雷達(dá)回波強(qiáng)度已明顯加強(qiáng)，回波呈片狀，范圍擴(kuò)大，永福等地回波達(dá)最強(qiáng)56dBz。隨后雷達(dá)回波自西南至東北不斷經(jīng)過永福、桂林等地形成列車效應(yīng)，到20日05：05時，雷達(dá)強(qiáng)回波幾乎覆蓋整個雷達(dá)回波探測范圍，列車效應(yīng)更加明顯，使永福、桂林、臨桂等地不斷受強(qiáng)回波影響（桂林雷達(dá)組合反射率因子圖圖略）。由此可見，雷達(dá)回波從柳州附近生成移向永福、桂林等地時由于西南暖濕氣流與地形相互作用，不斷激發(fā)出新的對流單體使得雷達(dá)回波不斷增強(qiáng)，降水回波面積增大，加之地形的阻擋作用使得回波移動緩慢，列車效應(yīng)明顯，有利于增強(qiáng)降水強(qiáng)度和延長強(qiáng)降水持續(xù)時間。

6　小結(jié)

（1）高空槽東移、低層低渦切變和地面冷空氣南下是此次強(qiáng)降水過程的主要影響系統(tǒng)，中低層強(qiáng)上升運(yùn)動提供重要的動力條件，地面冷暖空氣對峙為之提供重要的出發(fā)條件。

（2）桂東北較為深厚的濕層和弱風(fēng)切的局地環(huán)境，適當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定條件等，為此次強(qiáng)降水提供了重要的層結(jié)條件。

（3）廣西的北高南低的迎風(fēng)坡地形也是此次強(qiáng)降水的一個重要原因，特別是柳州一帶的喇叭口地形，氣流輻合更是有利于降水的發(fā)生。

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Analysis on a Typical Rainstorm Process in Northeast of Guangxi

CHEN Liu-feng1，YE Jun-fei2，LIN Kai-ping3*，SUN Hong-mei3，Qin Yuefeng3
（1.School of Geography&Planning，Guangxi Teachers Education University，Nanning，Guangxi 530001；2.Binyang County Meteorological Service，Nanning，Guangxi，530023；3.Guangxi Meteorological Observatory，Nanning，Guangxi，530022）

Based on the conventional observation，rainfall data of regional automatic station and Radar data，a typical rainstorm process on 18 to 20 May 2015 in northeast of Guangxi was analyzed.The results show:（1）moving eastward of upper trough，the low-level vortex shear and invading southward of cold air made up the main effective system of this heavy rain process；（2）relatively deep wet layer，weak wind shear and appropriate unstable conditions in northeast of Guangxi provide an important stacking conditions that is upper-dry-and-low-wet.（3）The north-high-and-south-low terrain of windward slope is another reason that led to this rainstorm，effective convergence of airflow is conducive to the occurrence of heavy rain.

Rainstorm；Circulation pattern；Terrain；Northeast of Guangxi

P458.1+21.1

A

1673-8411（2016）02-0025-05

2016-02-15

國家自然科學(xué)基金（41575051），廣西自然科學(xué)基金北部灣重大專項項目（2011GXNSFE018006）

陳劉鳳（1990-），男，碩士研究生，研究方向：應(yīng)用氣象，E-mail：clf19900523@163.com