陳紅專,王 強(qiáng),歐小鋒,肖 敏,楊開(kāi)順

(1.湖南省懷化市氣象局,湖南 懷化 418000;2.湖南省會(huì)同縣氣象局,湖南 會(huì)同 418300)

懷化 2010年 6月 19日大暴雨天氣過(guò)程分析

陳紅專1,王 強(qiáng)1,歐小鋒1,肖 敏1,楊開(kāi)順2

(1.湖南省懷化市氣象局,湖南 懷化 418000;2.湖南省會(huì)同縣氣象局,湖南 會(huì)同 418300)

應(yīng)用常規(guī)觀測(cè)資料,中小尺度雨量站資料、NCEP分析資料、衛(wèi)星資料和雷達(dá)資料綜合分析了 2010年入汛以來(lái)懷化最強(qiáng)的一次降水天氣過(guò)程。結(jié)果表明：這次大暴雨天氣過(guò)程是由于高空低槽東移,在槽后西北氣流的引導(dǎo)下,地面弱冷空氣入侵,中低層切變線和地面倒槽觸發(fā)而引起的。暴雨發(fā)生時(shí)充足的水汽輸送和水汽輻合對(duì)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展非常有利,對(duì)暴雨的形成和維持發(fā)展有著重要的作用。暴雨出現(xiàn)在非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度激發(fā)的次有環(huán)流的上升氣流區(qū)附近,垂直上升運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的必要條件。產(chǎn)生大暴雨的MαCS發(fā)展強(qiáng)烈,呈橢圓形結(jié)構(gòu)特征,在暴雨區(qū)維持時(shí)間長(zhǎng),移動(dòng)緩慢,造成了連續(xù)的強(qiáng)降雨,且強(qiáng)降雨出現(xiàn)在 TBB梯度的大值區(qū)。在降水加強(qiáng)的過(guò)程中,伴有中氣旋生成和發(fā)展,中氣旋對(duì)暴雨的增幅作用明顯。視熱源Q1和視水汽匯Q2的變化與暴雨發(fā)生發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在暴雨的發(fā)展增強(qiáng)階段,Q1和Q2的垂直輸送項(xiàng)起決定性的作用,積云對(duì)流釋放的凝結(jié)潛熱對(duì)暴雨的加強(qiáng)和進(jìn)一步發(fā)展起了很好的促進(jìn)作用。

大暴雨;非地轉(zhuǎn)濕 Q矢量;視熱源;視水汽匯

1 引言

夏季,我國(guó)頻繁遭受暴雨洪澇災(zāi)害的襲擊,每年因暴雨洪澇災(zāi)害造成的損失數(shù)以億計(jì)。對(duì)暴雨災(zāi)害的預(yù)報(bào)一直是汛期業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵,但是,由于對(duì)暴雨成因的認(rèn)識(shí)不夠,加之探測(cè)信息時(shí)空密度的限制,我們目前的暴雨預(yù)報(bào)水平還比較低,不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。因此,深入了解暴雨的形成機(jī)理和開(kāi)展對(duì)暴雨監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)理論和方法的研究一直是我國(guó)科學(xué)家極為關(guān)注的重要研究方向,也是提高我國(guó)減災(zāi)防災(zāi)能力的重大需求。早在 20世紀(jì) 70年代,陶詩(shī)言[1]就全面總結(jié)了各種天氣尺度系統(tǒng)與暴雨的關(guān)系以及我國(guó)暴雨的分析和預(yù)報(bào)方法。丁一匯[2]也曾研究指出,暴雨的產(chǎn)生與中尺度系統(tǒng)有著直接的關(guān)系。多年來(lái),氣象工作者對(duì)暴雨中尺度特征進(jìn)行了大量的診斷分析[3-7]和數(shù)值模擬[8-10]。本文應(yīng)用常規(guī)觀測(cè)資料、中小尺度雨量站資料、NCEP分析資料、衛(wèi)星資料和雷達(dá)資料綜合分析了 2010年 6月發(fā)生在懷化的一次大暴雨天氣過(guò)程,以探討產(chǎn)生大暴雨的中尺度系統(tǒng)的演變和動(dòng)力機(jī)制,尋求有預(yù)報(bào)指示意義的物理量場(chǎng),以期提高對(duì)暴雨的預(yù)報(bào)和服務(wù)能力。

2 過(guò)程概述和形勢(shì)背景分析

2.1 暴雨過(guò)程概述

2010年 6月 18日夜間至 19日白天,受高空低槽,中低層低渦切變和地面倒槽的共同影響,我市出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過(guò)程。全市大部分縣 (市、區(qū))均出現(xiàn)暴雨。區(qū)域氣象站觀測(cè)資料顯示,全市共有 41個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨,大暴雨 20站,3個(gè)雨量站降雨量超過(guò) 200mm,沅陵烏宿最大 1h降雨量達(dá)88.3mm,最大 3h降雨達(dá) 168.1mm。這次大暴雨是今年汛期以來(lái)懷化發(fā)生的最強(qiáng)的一次過(guò)程。

強(qiáng)降雨使我市多個(gè)縣共 35個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn) 33.39萬(wàn)人不同程度受災(zāi),全市共倒塌損壞房屋 275間,臨時(shí)轉(zhuǎn)移安置人口 28 611人,直接經(jīng)濟(jì)損失 1.72億元。其中農(nóng)作物受災(zāi)面積 12.75千 hm2,成災(zāi)面積 5.11千 hm2,絕收面積 1.47千 hm2,農(nóng)業(yè)損失 0.14億元;停產(chǎn)企業(yè) 5個(gè),公路中斷 95條次,供電中斷 28條次,沅陵縣大部分受災(zāi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)斷電,工交損失 0.24億元;損壞堤防 108處,護(hù)岸 322處,塘壩 186座,其他灌溉設(shè)施 905處,水利設(shè)施損失 0.69億元。

2.2 大尺度環(huán)流

6月 18日 08時(shí) 500hPa中高緯為二槽一脊型,湖南處于弱脊控制下,中低空西南急流位于江南,850hPa重慶附近有低渦形成,地面江南倒槽發(fā)展,對(duì)流層低層增溫增濕明顯;18日 20時(shí) 850hPa有一東西向的弱切變從貴州北部經(jīng)重慶延伸至湖北南部 (懷化本地為 4 m/s的南風(fēng));700hPa有一橫穿四川中部、重慶南部以及湘北的切變線;500hPa為平直的西風(fēng)氣流。19日 08時(shí) 500hPa貴州中部低槽加深發(fā)展東移,我市為槽前西南氣流,副熱帶高壓北抬到華南,比較穩(wěn)定,對(duì)系統(tǒng)的南壓起到阻擋作用。850hPa切變線壓至湘中以北,川貴渝三省交界處有一低渦強(qiáng)烈發(fā)展,在黔東南、桂北、湘西南處西南急流建立 (懷化為 16 m/s的西南風(fēng));700hPa低層低渦延伸至該層,且形成一“人”字型切變,一條是湘中以北的東西向切變,一條是縱貫渝西黔中南北向切變;而地面西路弱冷空氣結(jié)合到湘中倒槽中。19日 20時(shí) 500hPa低槽已東移至湘西地區(qū),850hPa切變線南壓到湘北,低渦沿著切變東移至浙閩贛三省交界處;懷化北部的降雨也停了下來(lái)。

圖 1 2010年 6月 19日 08時(shí)和 14時(shí) 850hPa水汽通量及其散度圖

3 物理量場(chǎng)分析

3.1 水汽條件分析

通過(guò)對(duì) 850hPa水汽通量和水汽通量散度的分析發(fā)現(xiàn),18日 08時(shí)以后,隨著中低層西南氣流的增強(qiáng),水汽輸送通道已經(jīng)建立,向我國(guó)南方地區(qū)輸送了充足的水汽。2010年 6月 19日 08時(shí) (圖 1),湘中以南處在水汽輸送的大值中心,最大水汽輸送達(dá)30g·cm-1hPa-1·s-1以上。同時(shí)刻的水汽輻合區(qū)呈帶狀分布在湘中以北一線,最大水汽輻合中心位于懷化的北部,中心極值達(dá)到-10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1,與特大暴雨區(qū)的分布相一致。到 19日 14時(shí),水汽輸送中心進(jìn)一步北抬到湘中以北,水汽輸送強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),而水汽輻合中心雖略有東移,但仍然位于懷化北部的特大暴雨區(qū),強(qiáng)度也沒(méi)有減弱。充足的水汽輸送和水汽輻合對(duì)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展非常有利,對(duì)暴雨的形成和維持發(fā)展有著重要的作用。

3.2 垂直速度分析

為了考察此次懷化北部特大暴雨區(qū)垂直速度的時(shí)空變化情況,分別作特大暴雨區(qū) (110°E、28N°)垂直速度 (圖 3)和濕Q矢量散度的垂直剖面圖 (圖 4)。

從圖 2可以看出,6月 19日 02時(shí)以前,對(duì)流層基本上是正值區(qū),說(shuō)明此時(shí)對(duì)流層盛行下沉氣流,不利于降水的形成和發(fā)展的。02時(shí)以后,對(duì)流層迅速轉(zhuǎn)為負(fù)值區(qū),其垂直上升運(yùn)動(dòng)從低層一直伸展到100 hPa以上,且不斷發(fā)展增強(qiáng),到 08時(shí),在暴雨區(qū)對(duì)流層形成 2個(gè)垂直上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)中心區(qū),一個(gè)位于 850 hPa附近,強(qiáng)度達(dá)-6×10-2hPa·s-1,另一個(gè)位于 400 hPa附近,強(qiáng)度達(dá)-8×10-2hPa·s-1,這種強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到 19日 14時(shí),此時(shí)段是特大暴雨發(fā)展的最強(qiáng)時(shí)間段。14時(shí)以后,雖然對(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)為垂直下沉區(qū),不利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展和維持,因此懷化北部的強(qiáng)降雨也慚慚停了下來(lái)。

非地轉(zhuǎn)濕Q矢量考慮了大氣非絕熱效應(yīng),能較好地對(duì)應(yīng)降水落區(qū),其物理機(jī)制源于次級(jí)環(huán)流的發(fā)展[11]。下面我們用濕Q矢量來(lái)診斷這次暴雨過(guò)程

圖 3是 2010年 6月 19日 08時(shí)沿 111°E濕Q矢量散度的經(jīng)向—高度剖面圖,暴雨區(qū) (28～29°N)上空 200hPa以下對(duì)流層濕Q矢量散度均 ＜0,2個(gè)濕Q矢量輻合中心分別位于 450hPa和 700hPa,這是濕Q矢量所激發(fā)的次級(jí)環(huán)流的上升支,表明此時(shí)暴雨區(qū)有深厚地系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)。上升區(qū)的南北兩側(cè)濕Q矢量散度均 ＞0,這里是由濕Q矢量所激發(fā)的次級(jí)環(huán)流的下沉補(bǔ)償氣流,次級(jí)環(huán)流是疊加在基本環(huán)流之上的二級(jí)環(huán)流,在暴雨發(fā)生發(fā)展中起了重要作用,其強(qiáng)弱與暴雨強(qiáng)度有直接關(guān)系,次級(jí)環(huán)流增強(qiáng)能激發(fā)暴雨增幅。

4 衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波分析

4.1 TBB分析

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[12],為便于在云圖中確認(rèn)中尺度對(duì)流系統(tǒng),將MαCS和MβCS定義為紅外云圖上具有圓形或橢圓形冷云蓋的對(duì)流系統(tǒng),其-32℃冷云蓋的短軸的長(zhǎng)度在 1.5～3.0緯距之間的為MβCS,超過(guò) 3.0緯距的為MαCS,為了找出這次特大暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng),本文應(yīng)用 FY2E衛(wèi)星的 TBB資料,詳細(xì)分析了此次過(guò)程。

19日 04時(shí) (圖 4a),在貴州東北部和重慶南部有一個(gè)強(qiáng)烈發(fā)展的α中尺度對(duì)流系統(tǒng)MαCS,但湖南境內(nèi)并沒(méi)有對(duì)流單體發(fā)展,全省降雨不明顯,以陣性降水為主。MαCS于 19日 05時(shí) (圖 4b)左右開(kāi)始影響湖南西部,中心位于貴州北部,中心強(qiáng)度達(dá)到-90℃以上。同時(shí)在MαCS的東部 (懷化沅陵?yáng)|部)有一個(gè)近似橢圓形對(duì)流單體發(fā)展,其-32℃冷云蓋的短軸的長(zhǎng)度 ＜1個(gè)緯距,屬于γ中尺度對(duì)流系統(tǒng),這個(gè)γ中尺度對(duì)流系統(tǒng)逐漸加強(qiáng),與東移的MαCS合并,造成了懷化北部連續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降雨,沅陵縣杜家坪出現(xiàn) 3h 100.5mm的特大暴雨。19日 08時(shí) (圖 4c),MαCS的中心進(jìn)入湖南并逐漸影響懷化北部,其緩慢東移過(guò)程中在懷化北部造成強(qiáng)降水,其中沅陵烏宿 3h降雨量達(dá) 168.1mm。11時(shí) (圖4d),湘北的MαCS中心 (TBB＜-80℃)分裂為東西2個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體,東側(cè)的云團(tuán)迅速向湘東北移動(dòng),西側(cè)的云團(tuán)逐漸拉伸呈帶狀分布,并逐漸分裂出多個(gè)小中心。14時(shí) (圖 4e),位于懷化北部的MαCS中心向南發(fā)展加強(qiáng),控制了懷化的大部分地區(qū),強(qiáng)降雨帶也往南發(fā)展,懷化北部的強(qiáng)降雨有所減弱。14時(shí)以后,MαCS位于懷化地區(qū)的強(qiáng)中心不斷加強(qiáng)南壓,東端北抬,MαCS的形狀也逐漸由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)閹?19時(shí) (圖 4f)這個(gè) MαCS已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北—西南向的強(qiáng)對(duì)流云帶,形成了東北—西南向的強(qiáng)雨帶,懷化北部的降雨明顯減弱。

從上面的分析得知,產(chǎn)生懷化北部特大暴雨的MαCS云團(tuán)發(fā)展強(qiáng)烈,具有橢圓形結(jié)構(gòu)特征,維持時(shí)間長(zhǎng),且在暴雨最強(qiáng)階段維持在懷化北部穩(wěn)定少動(dòng),造成了該地的特大暴雨,強(qiáng)降雨出現(xiàn)在 TBB梯度的大值區(qū)。

4.2 雷達(dá)回波分析

19日 04：18時(shí),沅陵、辰溪交界處開(kāi)始出現(xiàn)分散性降水回波,6：43時(shí)開(kāi)始,速度圖上中低層開(kāi)始由西南氣流轉(zhuǎn)為西北氣流,說(shuō)明有弱冷空氣從西北方向入侵。結(jié)合天氣圖,地面有弱冷空氣侵入倒槽中,懷化北部開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)降水。而基本反射率圖上反射率因子不斷加強(qiáng),逐漸形成東北西南向的降水回波帶,強(qiáng)回波中心位于懷化北部,與強(qiáng)降雨中心相對(duì)應(yīng),回波強(qiáng)度超過(guò) 55dBz。而且,強(qiáng)回波中心在懷化北部緩慢移動(dòng)過(guò)程中,在后方不斷有新的強(qiáng)回波發(fā)展東移到懷化北部的強(qiáng)降雨區(qū)。09時(shí)以后,速度圖上在懷化北部有明顯的正負(fù)速度對(duì)的存在,說(shuō)明在懷化北部有中氣旋形成,實(shí)況在 09-10時(shí)懷化北部有 3個(gè)中小尺度自動(dòng)站降雨量超過(guò) 50mm,其中烏宿達(dá) 88.3mm。中氣旋的形成和發(fā)展對(duì)暴雨有明顯的增幅作用。

5 非絕熱加熱分析

利用對(duì)流層收支方案[13]來(lái)計(jì)算大氣視熱源(Q1)和視水汽匯 (Q2),分析沿暴雨區(qū)點(diǎn) (111°E,28°N)視熱源和視水汽匯的局地變化項(xiàng)、水平平流項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)的垂直廊線圖 (圖 5、圖 6)可以看出,暴雨發(fā)生前,19日 02時(shí),視熱源的各項(xiàng)均較弱,對(duì)流層整層的水汽平流項(xiàng) ＜0,表現(xiàn)為暖平流。此時(shí)垂直輸送引起的對(duì)流加熱作用也十分弱。視水汽匯的分布與視熱源類似,局地變化項(xiàng)、水平平流項(xiàng)以及垂直輸送項(xiàng)都較弱,此時(shí)段是暴雨的醞釀階段,低層由于受西南暖濕氣流控制是熱源和水汽匯,而高層受槽后干冷空氣影響是熱匯和水汽源。該時(shí)段的降雨主要以大尺度平流性降雨為主,對(duì)流性不強(qiáng)。19日 08時(shí)是暴雨發(fā)展的最強(qiáng)階段,此時(shí)段視熱源的局地變化項(xiàng)和水平平流項(xiàng)雖有所增強(qiáng),但依然較弱,而垂直輸送項(xiàng)明顯增強(qiáng),對(duì)Q1起決定性的作用,垂直分布呈雙峰結(jié)構(gòu),2個(gè)峰值強(qiáng)度達(dá)到16 K·(6h)-1和 12 K·(6h)-1,分別出現(xiàn)在300hPa和 550hPa,與垂直速度的分布類似。視水汽匯則明顯不同,在近地層,Q2的局地變化項(xiàng)和水平平流項(xiàng)均有明顯的增強(qiáng),隨后迅速減小,由于他們反位相,其作用相互抵消。Q2的垂直輸送項(xiàng)增幅也十會(huì)明顯,在 650hPa出現(xiàn)接近 20 K·(6h)-1的峰值,其對(duì)Q2的貢獻(xiàn)也占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),這反映了上升氣流造成的水汽垂直輸送是積云對(duì)流活動(dòng)的主要水汽源[12]。這一階段由于垂直速度的增加,積云對(duì)流活動(dòng)發(fā)展旺盛,低層的暖濕空氣向上傳輸,加熱中層大氣,維持和促進(jìn)垂直上升運(yùn)動(dòng)和次級(jí)環(huán)流,對(duì)暴雨的加強(qiáng)和進(jìn)一步發(fā)展起了很好的促進(jìn)作用。19日 20時(shí),雖然Q1和Q2的垂直輸送項(xiàng)在對(duì)流層低層仍然較大,但在中高層較小,與垂直速度的分布類似,說(shuō)明此時(shí)段的對(duì)流活動(dòng)主要發(fā)生在對(duì)流層低層,積云對(duì)流的凝結(jié)潛熱也主要加熱對(duì)流層低層大氣,無(wú)法形成深對(duì)流活動(dòng),因此此時(shí)段懷化北部的降雨明顯減弱。

6 結(jié)論

①這次大暴雨天氣過(guò)程的主要影響天氣系統(tǒng)是高空低槽,中低層切變線和地面倒槽,由于高空低槽東移,在槽后西北氣流的引導(dǎo)下,地面弱冷空氣入侵,由中低層切變線和地面倒槽觸發(fā)而引起的。

②暴雨發(fā)生時(shí)充足的水汽輸送和水汽輻合對(duì)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展非常有利,對(duì)暴雨的形成和維持發(fā)展有著重要的作用。暴雨出現(xiàn)在濕Q矢量散度激發(fā)的次有環(huán)流的上升氣流區(qū)附近,垂直上升運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的必要條件。

③這次大暴雨過(guò)程具有明顯的中尺度特征,產(chǎn)生大暴雨的MαCS發(fā)展強(qiáng)烈,呈橢圓形結(jié)構(gòu)特征,在暴雨區(qū)的維持時(shí)間長(zhǎng),移動(dòng)緩慢,造成了懷化北部的連續(xù)強(qiáng)降雨,且強(qiáng)降雨出現(xiàn)在 TBB梯度的大值區(qū)。在降水加強(qiáng)的過(guò)程中,伴有中氣旋生成和發(fā)展的過(guò)程,中氣旋對(duì)暴雨的增幅作用明顯。

④視熱源Q1和視水汽匯Q2的分析表明,Q1和Q2的變化與暴雨發(fā)生發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,Q1和Q2的增大對(duì)應(yīng)降雨的增強(qiáng);在暴雨的發(fā)展增強(qiáng)階段,Q1和Q2的垂直輸送項(xiàng)起決定性的作用,積云對(duì)流釋放的凝結(jié)潛熱對(duì)暴雨的加強(qiáng)和進(jìn)一步發(fā)展起了很好的促進(jìn)作用。

[1] 陶詩(shī)言,等 .中國(guó)之暴雨[M].北京：氣象出版社,1980：1-225.

[2] 丁一匯 .暴雨和中尺度氣象學(xué)問(wèn)題[J].氣象學(xué)報(bào),1994,52(3)：274-283.

[3] 貝耐芳,趙思雄 .1998年“二度梅”期間突發(fā)強(qiáng)暴雨系統(tǒng)和中尺度分析[J].大氣科學(xué),2002,26(4)：526-540.

[4] 陳紅專,湯劍平 .一次突發(fā)性特大暴雨的中尺度分析和診斷[J].氣象科學(xué),2009,29(6)：797-803.

[5] 毛冬艷,周雨華,張芳華,等 .2005年初夏湖南致洪大暴雨中尺度分析[J].氣象,2006,32(3)：63-70.

[6] 畢寶貴,劉月巍,李澤椿 .2002年 6月 8-9日陜西大暴雨系統(tǒng)的中尺度分析[J].大氣科學(xué),2004,28(5)：747-761.

[7] 毛冬艷,喬林,陳濤,等 .2004年 7月 10日北京暴雨的中尺度分析[J].氣象,2005,31(5)：42-46.

[8] 李峰,楊克明,毛冬艷,等 .2005年“5.31”湖南大暴雨中尺度模擬和發(fā)生機(jī)制[J].高原氣象,2007,26(3)：442-452.

[9] 王智,翟國(guó)慶,高坤 .長(zhǎng)江中游一次β中尺度低渦的數(shù)值模擬[J].氣象學(xué)報(bào),2003,61(1)：66-77.

[10] 林永輝,布和朝魯 .2001年 8月初上海強(qiáng)暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究[J].氣象學(xué)報(bào),2003,61(2)：508-514.

[11] 張興旺 .濕Q矢量表達(dá)式及其應(yīng)用[J].氣象,1998,24(8)：3-7.

[12] 馬禹,王旭,陶祖鈺 .中國(guó)及臨近地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的普查和時(shí)空分布特征[J].北京：自然科學(xué)進(jìn)展,1997,7(6)：701-706.

[13] 馮伍虎,程麟生 .“98.7”特大暴雨中尺度系統(tǒng)發(fā)展的熱量和水汽收支診斷[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2001,12(4)：419-432.

P458

B

1003-6598(2010)增刊-0031-05

2010-09-10

陳紅專 (1972-),男,高工,主要從事天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)及相關(guān)研究工作。