歐陽也能,佘高杰,田澤蕓,何炳文,張業(yè)珍

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

常德市 2010年6月19日暴雨過程分析

歐陽也能,佘高杰,田澤蕓,何炳文,張業(yè)珍

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

利用常規(guī)天氣圖資料、NCEP1°×1°FNL分析場資料和衛(wèi)星 TBB資料等,分析了 2010年6月19日發(fā)生在常德地區(qū)的一次區(qū)域性暴雨天氣過程。分析發(fā)現(xiàn),高空低槽及中低層低渦切變是造成該過程的主要影響系統(tǒng);高低空風(fēng)場的配置和通氣管指數(shù)可判斷垂直風(fēng)切變的大小;而高空風(fēng)的垂直切變又能判斷不穩(wěn)定能量聚集的多少,高空急流高度下降,加速了低層擾動(dòng),從而增強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動(dòng),使得對(duì)流發(fā)展旺盛,云頂亮溫 TBB最低值中心及強(qiáng)度指示了強(qiáng)降水的落區(qū)和移動(dòng)方向,濕Q矢量鋒生函數(shù)與暴雨落區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,南北向山脈走向?qū)|風(fēng)氣流的阻擋有利于氣流的抬升和輻合,使得強(qiáng)降水云團(tuán)在同一地區(qū)得以維持。

暴雨;垂直切變;深對(duì)流;濕Q矢量鋒生函數(shù)

1 引言

暴雨是在有利的大尺度背景下,誘發(fā)中尺度系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展造成的。初夏副熱帶高壓開始季節(jié)性擺動(dòng),其北側(cè)邊緣的西南暖濕氣流與南下冷空氣常相遇于長江流域,往往給這一帶地區(qū)帶來暴雨洪澇等災(zāi)害性天氣,而且冷暖氣流交匯產(chǎn)生中小尺度對(duì)流云團(tuán)會(huì)造成短時(shí)強(qiáng)降水,往往造成城市漬澇、山體滑坡等,給當(dāng)?shù)貛砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。

1975年河南大暴雨之后,關(guān)于暴雨的研究,國內(nèi)將重點(diǎn)由大尺度環(huán)流和天氣尺度降水系統(tǒng)轉(zhuǎn)向中尺度系統(tǒng),在此期間我國組織過多次野外試驗(yàn)并建立了 4個(gè)中小尺度觀測基地,陶詩言等[1]、丁一匯等[2,3]從氣候、天氣系統(tǒng)、環(huán)流形勢和形成機(jī)理方面將研究成果進(jìn)行了匯編。從此以后中國的暴雨研究特別是對(duì)暴雨中尺度特征和產(chǎn)生暴雨的中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究有了長足發(fā)展[4,5]。趙思雄等[6]分析了 2007年淮河流域致洪暴雨及其中尺度特征,發(fā)現(xiàn)在暴雨期間有中尺度低壓擾動(dòng)的發(fā)生發(fā)展,并有與之相關(guān)的中尺度云團(tuán)、雨團(tuán)甚至更小的中尺度對(duì)流系統(tǒng)出現(xiàn),導(dǎo)致了強(qiáng)降水出現(xiàn)。本文對(duì) 2010年6月19日常德地區(qū)的區(qū)域性暴雨成因進(jìn)行分析,探究此次區(qū)域性暴雨產(chǎn)生機(jī)理,試圖尋找有關(guān)對(duì)暴雨云團(tuán)移動(dòng)、雨強(qiáng)加大有指示意義的指標(biāo),為今后暴雨精細(xì)化預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

2 過程概況

6月19日,常德市迎來了 2010年入汛以來范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)的暴雨天氣過程。強(qiáng)降水主要集中在 19日 08-20時(shí)的 12h內(nèi),全市 7個(gè)氣象站點(diǎn)有 5個(gè)站點(diǎn)降雨量 ≥70mm,其中石門最大達(dá)106.1mm。在此期間全市區(qū)域自動(dòng)氣象站監(jiān)測資料顯示,74個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨,31個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)大暴雨,強(qiáng)降水中心主要位于西部、南部鄉(xiāng)鎮(zhèn),其中桃源縣西南部的牯牛山鄉(xiāng)雨量最大達(dá) 216.4mm,13～15時(shí) 3h雨量 117.1mm,位于石門西北部的易家渡鄉(xiāng)則出現(xiàn)了1h 90.6mm的最大雨強(qiáng),如圖 1a。

此次過程雨量集中、強(qiáng)度大、范圍廣、突發(fā)性強(qiáng),具有典型的中尺度特征。暴雨導(dǎo)致西部桃源、石門等地山洪暴發(fā),多處山體滑坡、道路被毀、交通中斷,石門縣城出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)漬,共造成全市 52.2萬人受災(zāi)。

3 天氣形勢

此次暴雨期間,500hPa中高緯維持“兩脊一槽”形勢,西伯利亞西部和亞洲東部中高緯為脊區(qū),貝加爾湖地區(qū)為低槽區(qū)。貝加爾湖西部高壓脊前不斷有冷空氣南下。此時(shí),西太平洋副熱帶高壓脊線位于 20°N附近,南支槽前和副熱帶高壓邊緣的大量暖濕空氣輸送至長江流域,與南下冷空氣相遇,為此次暴雨過程提供了有利的環(huán)流形勢。從高空形勢演變圖可知,中低層急流早在 18日就先于暴雨區(qū)建立并逐漸北抬 (圖略),19日 08時(shí)已北抬至長沙—宜昌一線的暖切變附近 (如圖 1b),19日 08時(shí)700hPa重慶南部有一低渦及由其延伸出的切變線, 500hPa陜西東部—重慶中部一線為低槽,三者形成階梯槽;對(duì)流層高層 200hPa 40°N附近為一支平均風(fēng)速 36m/s的西北風(fēng)急流。湘北地區(qū)則位于此急流的出口區(qū)。19日 20時(shí),500hPa貝加爾湖東部低壓南落,引導(dǎo) 700hPa切變線和 850hPa低渦東移南壓,暴雨云團(tuán)移出常德地區(qū)。由此可見,此次暴雨正位于 200hPa西風(fēng)急流出口區(qū)與對(duì)流層中低層低渦切變的耦合區(qū)。

圖 1 6月19日 08-20時(shí)降水實(shí)況 (a/單位:mm)和 19日 08時(shí)綜合環(huán)流形勢 (b/陰影為 850hPa急流核,實(shí)線為 500hPa高度,虛線為 850高度,箭矢為 700hPa流線)

4 環(huán)境場特征分析

4.1 高空風(fēng)的垂直切變與不穩(wěn)定能量的聚集

統(tǒng)計(jì)分析表明,環(huán)境水平風(fēng)向、風(fēng)速的垂直切變大小往往和風(fēng)暴的強(qiáng)弱密切相關(guān)。垂直風(fēng)廓線分析表明:此次過程存在環(huán)境風(fēng)的垂直切變,19日08時(shí)湘北低層為 SE氣流,950hPa以下風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn),常德上空有弱的風(fēng)向切變,在此層內(nèi)風(fēng)速切變也十分清晰,但在 950hPa以上一直為 S W氣流,最大風(fēng)速出現(xiàn)在 400hPa達(dá) 20m/s;另外通氣管指數(shù) = (v300-v850)2+(u300-u850)2可以反映垂直風(fēng)切變的強(qiáng)度,指數(shù)越大則垂直切變越強(qiáng)。分析此次過程的通氣管指數(shù)水平分布特征 (如圖 2)發(fā)現(xiàn),強(qiáng)降水發(fā)生前,即 18日 14時(shí) -18日 20時(shí),湘北地區(qū)通氣管指數(shù)急劇增大,18日 20時(shí) -19日 02時(shí),通氣管指數(shù)達(dá)始終維持在 400J/Kg以上,而當(dāng)對(duì)流開始觸發(fā)產(chǎn)生降水之時(shí),通氣管指數(shù)開始減小,19日 02—14時(shí)維持在 200J/Kg左右。20時(shí)通氣管指數(shù)在湘東北地區(qū)又急劇增大至 400～500J/Kg,其大值呈舌狀由湘東北向湘西南伸展,20日 02時(shí)通氣管指數(shù)又降至 200J/Kg左右,隨后強(qiáng)降水也由湘東北向湘西南發(fā)展。由此可見,垂直切變在強(qiáng)降水來臨之前急劇增大,而當(dāng)垂直切變開始減小,其值處于 200J/Kg大小時(shí),強(qiáng)降水正好在此階段發(fā)展,這與Shi和 Scofield研究結(jié)果相一致,即向前傳播中尺度對(duì)流系統(tǒng),其MCS形成于從中等到強(qiáng)勁的上層風(fēng)環(huán)境中,在中等強(qiáng)度風(fēng)切變中發(fā)展。

4.2 低空急流與水汽積聚

分析水汽通量散度演變過程發(fā)現(xiàn),19日 02時(shí)伴隨低空急流軸向北推進(jìn),水汽輻合帶也隨之向北伸展。19日 08時(shí),貴州北部—湘西北一帶出現(xiàn)水汽通量散度輻合,中心值達(dá)到 -60×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。分析 NCEP汽柱可降水量,大值中心 19日 08時(shí)位于湘北地區(qū),中心達(dá) 65kg·m2。低空西南急流一方面源源不斷地向北輸送水汽,另一方面與對(duì)流層高層西風(fēng)急流形成低層輻合、高層輻散的配置,加速了邊界層內(nèi)的上升“抽吸”運(yùn)動(dòng),使得邊界層暖濕氣流向上輸送,從而使得暴雨區(qū)上空濕層深厚。

4.3 垂直上升運(yùn)動(dòng)與深對(duì)流

4.3.1 垂直上升速度柱與暴雨區(qū)相對(duì)應(yīng) 考察暴雨區(qū)垂直速度的時(shí)空變化發(fā)現(xiàn),暴雨來臨前湖南省對(duì)流層及以下均為下沉氣流,而 19日 02時(shí)以后,湘西北對(duì)流層垂直速度轉(zhuǎn)為負(fù)值區(qū),負(fù)值區(qū)從低層一直伸展至 100hPa,表明對(duì)流層均為上升運(yùn)動(dòng)且伸展厚度較厚,05時(shí)對(duì)流發(fā)展旺盛,08時(shí)湘西北出現(xiàn)成片暴雨區(qū),此時(shí)暴雨區(qū)對(duì)流層形成了一個(gè)強(qiáng)大的垂直上升運(yùn)動(dòng)柱 (圖 3c),柱上強(qiáng)中心位于 400～200hPa之間,強(qiáng)度達(dá) -80×10-3hPa/s,700hPa達(dá) -60～80×10-3hPa/s,這種強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到19日 14時(shí),與之對(duì)應(yīng)湘北地區(qū)此時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了暴雨。14時(shí)后強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)東移南壓,湘北地區(qū)對(duì)流層低層的垂直上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng),但對(duì)流層中上層已轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng),不穩(wěn)定能量得以大量釋放,強(qiáng)對(duì)流在湘北地區(qū)難以發(fā)展和維持,此時(shí)強(qiáng)降雨也隨之轉(zhuǎn)至湘東南。

圖 2 通氣管指數(shù)隨時(shí)間變化圖

圖 3 19日 08時(shí) (a)與 20時(shí)(b)垂直上升速度及沿 110°E,28°N垂直速度時(shí)間 -高度剖面圖(c)

4.3.2 低空急流振蕩與垂直上升運(yùn)動(dòng)同位相 暴雨過程中,低空西南急流的振蕩與垂直上升運(yùn)動(dòng)同步。18日 12時(shí) 12m/s的西南急流位于河池—桂林—郴州一線,此時(shí)湖南省垂直上升速度均為正值,表明處于下沉氣流控制之下,不利于對(duì)流的發(fā)展,19日 08時(shí)急流軸向北挺進(jìn)至河池—懷化—長沙一線,而且急流軸上出現(xiàn)了 16m/s的急流核,此時(shí)湘中以北暴雨區(qū)整層均為負(fù)速度,湘中以南均為正速度區(qū),19日 20時(shí)急流軸南退至桂林—郴州—贛州一線,對(duì)應(yīng) 700hPa垂直上升速度負(fù)值大值區(qū)也隨之東移南壓至湘東中部,暴雨區(qū)也隨之移至湘東中部的汩羅—湘陰—平江一帶。正是這種在北緯30°N以北 200hPa的強(qiáng)西風(fēng)急流和攜帶的冷空氣與振蕩的低空急流相耦合的大氣結(jié)構(gòu),在加強(qiáng)層結(jié)不穩(wěn)定和低層擾動(dòng)的同時(shí),使氣流上升運(yùn)動(dòng)也得以迅速加強(qiáng),進(jìn)而觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放,導(dǎo)致此次暴雨的發(fā)生。

足夠的上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致了深對(duì)流的發(fā)展。分析FY-2E衛(wèi)星反演的 TBB資料發(fā)現(xiàn),19日 09時(shí),貴州北部至湘西北一帶云頂亮溫普遍低于 -60℃,亮溫中心最大值位于常德西部,達(dá) -90℃,對(duì)應(yīng)常德站08—09時(shí)1h最大降水達(dá)21.8mm,10時(shí)云頂亮溫大值區(qū)東移北擴(kuò)至整個(gè)湘中以北地區(qū),強(qiáng)中心仍位于湘西北一帶,對(duì)應(yīng)石門站 09—10時(shí) 1h降水達(dá)19.1mm,10—11時(shí) 1h降水達(dá)至 40.6mm。

沿 111.5°E制作 TBB時(shí)間—經(jīng)向剖面圖 (如圖4a),19日 08時(shí)開始,29°N附近云頂亮溫低于 -60℃維持了近 10h。據(jù)統(tǒng)計(jì),87.3%以上的暴雨發(fā)生在 -63～-80℃的云頂亮溫區(qū)域[7],對(duì)應(yīng)的實(shí)況19日 08-20時(shí)常德、石門均出現(xiàn)了 ≥70mm的暴雨。

另外,此次暴雨的開始、結(jié)束時(shí)間以及強(qiáng)降水集中時(shí)段與 TBB資料對(duì)應(yīng)關(guān)系均較好。6月19日05時(shí),29°N附近云頂亮溫在 -10℃以上,對(duì)應(yīng)常德站無降水;06時(shí),云頂亮溫逐漸增至 -32℃左右,對(duì)流開始發(fā)展,此時(shí)常德站降水開始,但量級(jí)很小;08時(shí)前后,29°N附近云頂亮溫已超過 -52℃,09時(shí)(如圖 4b)出現(xiàn)了 -84℃的亮溫極大值中心,深對(duì)流發(fā)展,而對(duì)應(yīng)時(shí)段和地區(qū)也產(chǎn)生了強(qiáng)降水;一直到19日 18時(shí),29°N附近云頂亮溫一直維持在 -60℃以下;此后亮溫大值區(qū)逐漸南壓,20時(shí)亮溫強(qiáng)中心南壓至 28°N以南地區(qū),29°N附近亮溫逐漸減小至-32℃以上,對(duì)應(yīng)常德地區(qū)降水逐漸停止。

圖 4 6月19日沿 111.5°E的 TBB時(shí)間—經(jīng)向剖面圖(a,單位:℃)及 19日 09時(shí)云頂量溫場(b,單位:℃)

5 濕Q矢量鋒生函數(shù)

濕Q矢量鋒生函數(shù) F是反映鋒區(qū)加強(qiáng)或減弱的物理量,F>0,則氣團(tuán)鋒生,反之則鋒消,且 |F|越大,鋒生 (消)作用越強(qiáng)。文獻(xiàn)[8]指出,在 F場的正值區(qū)上升運(yùn)動(dòng)很強(qiáng),水汽條件有利,且層結(jié)不穩(wěn)定,是產(chǎn)生強(qiáng)降水的必要條件。圖 5為沿 111°E19日02時(shí)到 19日 20時(shí) 4個(gè)時(shí)次的垂直剖面圖。19日02時(shí)濕Q矢量鋒生函數(shù)表現(xiàn)出在 28°N有一鋒生柱,中心強(qiáng)度為 4.5×10-14K·hPa-1·s-3,此時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在 28°N附近的貴州境內(nèi),我市還沒產(chǎn)生明顯降水,19日 08時(shí)強(qiáng)鋒生中心北抬到 29°N,高度從 850hPa向上伸展到 600hPa,且由低層到高層向東北傾斜,強(qiáng)度加強(qiáng),此時(shí)我市降水加強(qiáng),19日 14時(shí)強(qiáng)鋒生中心緩慢北抬到 30°N,中心強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)16.2×10-14K·hPa-1·s-3,高度從 850hPa伸展到550hPa,石門易家渡鄉(xiāng) 1h90.6mm的最強(qiáng)降水正好出現(xiàn)在 15-16時(shí),19日 20時(shí)強(qiáng)鋒生中心南壓至26°N,強(qiáng)降水隨之南壓,常德地區(qū)的暴雨隨之結(jié)束。說明暴雨區(qū)基本位于 600～850hPa的鋒生柱大值區(qū)內(nèi),鋒生函數(shù)與同時(shí)次暴雨的落區(qū)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

6 地形的作用

此次過程范圍較廣,但強(qiáng)降水卻降落在澧陽平原向海拔高度約 1 000～2 000m武陵山脈余脈過渡的石門、桃源、臨澧等丘崗地帶,而洞庭湖庭平原地帶的澧縣、安鄉(xiāng)一帶相對(duì)較小,為大雨量級(jí)。丑紀(jì)范指出:地球上各種不同地形對(duì)于大氣中從行星尺度到次天氣尺度的各種不同系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)都有著重要作用。地形對(duì)降水的影響主要有兩種作用,即動(dòng)力作用和熱力作用。當(dāng)大氣在地表上空運(yùn)動(dòng)時(shí),必然會(huì)受到地形動(dòng)力作用的影響。地形動(dòng)力作用所引起的大氣垂直運(yùn)動(dòng)一是由于地形強(qiáng)迫抬升而引起的垂直運(yùn)動(dòng),二是由于摩擦作用引起的垂直運(yùn)動(dòng),當(dāng)氣流過山時(shí),在迎風(fēng)坡有強(qiáng)迫抬升和摩擦作用產(chǎn)生氣流上升運(yùn)動(dòng)。國內(nèi)外的研究也證明雖然抬升引起的垂直運(yùn)動(dòng)伸展高度較小,但當(dāng)大氣低層濕度較大時(shí),也可造成較大降水。

分析WRF數(shù)值模式細(xì)網(wǎng)格 9×9Km輸出資料—1 000hPa流場與地形等高線發(fā)現(xiàn) (圖略),19日08時(shí)在武陵山脈與雪峰山脈交匯的峽谷地帶形成一支由 SE與NE形成的輻合氣流,而這一狹谷地段正好是桃源、石門所在地,該形勢一直持續(xù)至 19日14時(shí)。由此可見,由于地形逐步抬升及武陵山脈屏障阻擋作用,暖濕氣流流經(jīng)該地區(qū)時(shí)得以匯合加強(qiáng),降水得以增大。

7 小結(jié)

①此次區(qū)域性暴雨是西伯利亞西部高壓脊前不斷有冷空氣南下,使貝加爾湖切斷低壓發(fā)生替換過程中衍生出許多短波槽攜帶冷空氣南下,與南支槽前、副熱帶高壓外圍大量向北輸送的西南暖濕氣流匯合產(chǎn)生的。

圖 5 a～d分別為 19日 02—20時(shí)逐 6h濕Q矢量鋒生函數(shù)沿 111°E的垂直剖面圖(單位:K·hPa-1·s-3)

②暴雨過程中維持在湘北地區(qū)的中尺度對(duì)流云團(tuán)生命史約為 10h,其中強(qiáng)中尺度云團(tuán)持續(xù)影響18h,導(dǎo)致對(duì)流云團(tuán)長時(shí)間維持的動(dòng)力條件是由700hPa西南急流與 200hPa西風(fēng)急流耦合產(chǎn)生的急流次級(jí)環(huán)流提供的持久、深厚的上升運(yùn)動(dòng),強(qiáng)勁的中低空西南急流為暴雨區(qū)水汽的聚集提供了條件。

③通過通氣管指數(shù)定量判斷高低空垂直風(fēng)切變的大小和推斷是否伴隨有不穩(wěn)定能量聚集,對(duì)暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)有較好的指示作用。

④高空急流高度下降,加速了低層擾動(dòng),從而增強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動(dòng),使得對(duì)流發(fā)展旺盛,云頂亮溫最低值中心及強(qiáng)度可指示強(qiáng)降水的落區(qū)和移動(dòng)方向。

⑤南北向的山脈地形對(duì)東風(fēng)氣流的阻擋有利于氣流的抬升和輻合,使得降水云團(tuán)在同一地區(qū)維持,但這一結(jié)論還需要數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證。

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B

2010-09-10

歐陽也能 (1978-),女,工程師,主要從事中短期天氣預(yù)報(bào)工作。

1003-6598(2010)增刊 -0059-05