恩施州一次連續大暴雨天氣過程成因分析

郭奕濤,羅菊英,吳全省,閆永才

(湖北省恩施自治州氣象局,湖北 恩施 445000)

恩施州一次連續大暴雨天氣過程成因分析

郭奕濤,羅菊英,吳全省,閆永才

(湖北省恩施自治州氣象局,湖北 恩施 445000)

利用常規的地面、探空、雷達、衛星資料以及加密自動站點等監測資料,對 2010年7月8—11日發生在恩施大部的一次大范圍穩定緯向型強降水天氣過程的成因進行了分析。結果表明:高緯“單阻”梅雨形勢的建立,中緯緯向環流的維持,以及副高的穩定少動,江淮梅雨鋒的停滯及中低層切變的穩定,是形成此次大范圍穩定緯向型暴雨的大尺度天氣背景。有利的大環流背景下,活躍的西南暖濕氣流,南支槽的頻繁波動,以及南北槽的合并加強,更進一步的促進了地面中氣旋的發展和中低層低渦、急流的形成,有利的中尺度復合系統,以及山區特殊地形條件下的輻合作用,是形成此次大范圍強降水,局部出現特大暴雨的原因。

梅雨鋒;低渦;暴雨

1 引言

2010年7月8—11日,恩施州出現了2010年入汛后范圍最廣、強度最大的一次強降水過程,州內大部暴雨,局部大暴雨和特大暴雨。統計 110個加密自動雨量站資料分析,從 8日 08時—11日 08時,有 60站累積雨量超過 100mm,其中 9站超過200mm,3站超過 300mm,最強降水中心鶴峰走馬鎮達到 460.6mm,9日 20時—10日 20時 24h累積量達到 311mm。

該次連續較強降水過程,主要特點是:強降水時空分布極不均勻,有 2個最強降水時段,即 7月8日 20時—9日 08時,強降水中心在恩施東北巴東局部,巴東稅家 7月8日 20時—9日 00時 4h降水量 173.4mm,1h雨強 66.1mm。9日 20時—11日00時,強降水中心在恩施東南部的鶴峰局部,鶴峰走馬 10日 02時—08時,6h降水量 178.1mm,1h雨強41.4mm。

這次強降水影響范圍之廣、強度之大比較少見,據當地民政部門統計,因災死亡 2人,造成農業經濟損失 21 446萬元,直接經濟損失 34 754萬元。本文旨在通過對形成此次大范圍穩定緯向型暴雨過程的大尺度天氣形勢背景場、中尺度天氣系統、雷達回波等進行分析,為以后的暴雨預報提供思路,具有一定的實用價值。

2 成因分析

2.1 大環流背景

2.1.1 高緯環流形勢 7月8日 20時,500hPa亞歐中高緯環流維持著兩槽一脊型,為典型梅雨形勢場的單阻型[1],高壓脊位于貝加爾湖西北方,即 50～70°N,90～110°E地區,有兩股冷空氣影響長江流域,一股是從貝加爾湖以東沿著東北低壓后部南下,一股從巴爾喀什湖沿青藏高原東側南下影響長江流域 (見圖 1a)。7月9日 08時,大環流形勢少變,但阻塞高壓形狀由 20時的南—北向變為西北—東南向,貝湖西部冷空氣略有加強。9日 20時 (見圖 1b),500hPa單阻的大環流形勢場仍然沒有改變,阻高中心的位置也沒有改變,但不同的是,隨著冷空氣的南下,阻高長軸斷裂,阻高加強,中心值由8日 20時的 574hPa加強為 576hPa,在其中心 (貝湖)南部有一個冷渦生成。10日 08時,大環流形勢場仍然少變,阻高南部的低渦范圍擴大,東北低渦生成,冷平流沿著東北低渦后部南下影響長江流域。2.1.2 中低緯環流形勢 在中緯度,阻塞高壓 30～50°N地區,基本由緯向環流控制,南支波動頻繁,槽線位置隨著副高、冷空氣的強弱在長江流域南北擺動。8日 20時,南支槽位于江南,恩施處于槽后冷平流中,9日 20時,隨著副高的加強,北支槽與南支槽均合并加強并明顯北抬,恩施州處于槽前偏南氣流中。

圖 1 2010年2月8—10日天氣形勢場

在低緯度,8—11日,副高均呈東西帶狀分布, 120°E脊線穩定在 22°N附近,副高西伸脊點在 105° E附近(見圖 2),副高的穩定少動,導致江淮梅雨鋒停滯,850～700hPa切變線也穩定維持在長江流域沿江一線。

圖 2 2010年7月8—11日副高動態圖

上述系統的穩定,大范圍緯向型強降水得以穩定維持在長江流域。

2.2 對暴雨有直接影響的中尺度天氣系統

2.2.1 地面 (見圖 1c、1d) 8—11日連續暴雨過程中,江淮流域穩定為梅雨鋒控制,梅雨鋒隨著副高的強弱南北擺動,梅雨鋒上有氣旋波生成。7月10日 08時,氣旋中心位于恩施南部到武漢東部沿江偏南地區,受其影響,9日夜間到 10日凌晨,恩施州出現入汛以來最強、范圍最廣的大范圍降水,強降水呈東西帶狀位于恩施州中南部,東南部為最強中心。

2.2.2 高空 7月8日 20時,500hPa哈爾濱附近有一個冷渦中心,北支槽位于哈爾濱—沈陽—南京一線,南支槽位于武漢—貴陽—昆明一線,恩施處于槽后偏北冷平流控制中;700hPa沿江一線切變線維持,重慶附近有一個低渦,850hPa重慶附近也有一低渦,切變位于沿江略偏南,我州北部巴東剛好處于 700hPa與 850hPa切變之間與冷鋒前沿交界,受上述系統綜合影響,州北大部 8日夜間到 9日凌晨出現暴雨,局部大暴雨。

9日 20時,500hPa北支槽與南支槽合并,并整體北抬,槽線位于太原—延安—成都西一線,恩施處于槽前偏南氣流中。700hPa切變線也有所北抬,低渦中心位于四川東北部萬源附近,在我州中南部出現南風風速達到 12m/s的急流。影響我州降水的850hPa切變線位于沿江偏南,低渦中心位于重慶南部、貴州西部。

圖 3 30°N偏南代表站點空間部面(實線為等風速線;虛線為溫度露點差等值線)

10日 08時,500hPa槽線有所南壓,我州轉為偏北冷平流影響,700hPa切變線也有所東移南壓,低渦中心位于重慶東部到我州北部,江南到華南為一致的 S W風,江南寬廣的 S W急流軸建立。850hPa切變線穩定少動,但 S W風速也明顯加強,我州剛好處于 700～850hPa切變之間。

2.2.3 中尺度雷達回波特征

①反射率因子分析 (CR 37)。7月9日強降水: 7月8日 11時在我州北部地區生成了一條東西向帶狀回波,呈塊狀分布,較分散,強度較弱,回波受西風引導氣流作用,整體向東移動,在移動過程中強度增強,15時帶狀回波進入恩施州隨著山勢抬升,強度進一步發展,面積增大,轉為積層混合云降水回波,結構也變得密實,東端回波已移至巴東境內,此時北部又有新生回波不斷南壓并入東端回波,21時帶狀回波斷為兩節,東端回波范圍擴大與南壓后的北部回波在巴東中部稅家一帶合并成一塊強對流回波,強中心強度 60dBz,結構密實,尺度約50×30Km,此時回波變為準靜止狀態,北部有不斷的新生回波補充進來,使對流回波不斷有能量補充,造成局部的強降水在巴東稅家一帶維持達 4h左右,到 9日 00時回波強度減弱,變為向西南方向移動,移出巴東稅家,強降水基本結束。

7月10日強降水:7月9日 19時 23分西南部有新生回波不斷生成發展,向東北方移動,移動過程中強度不斷增強,強度在 59dBz,21時帶狀回波形成,呈西南東北走向,在帶狀回波中有無數個對流單體在移動中此消彼長,23時尺度不斷增大,結構變的密實,7月10日 01時帶狀回波處在我州南部來鳳到鶴峰走馬鎮一線,03時降水最強時,在走馬鎮和走馬鎮的西部回波為強對流回波塊構成,強度為 57dBz,回波面積大,結構密實。

由于上風方不斷有回波生成,下風方減弱、衰亡,回波有組織地排列,從而形成“列車效應”。可見這條長時間維持的中尺度回波帶是由有組織的中γ尺度多單體風暴組成。帶狀回波一直持續到10日 08時,02至 08時降水雨強最強,因而有組織的多單體風暴活動形成的“列車效應”是走馬鎮這一特大暴雨中心形成的主要原因[2]。

②徑向速度分析 (V 27)。7月9日強降水:多普勒徑向速度產品上,7月9日 15時 12分,恩施州處于鋒線上,地面南部是西南風,北部是西北風,19時東部處在中尺度輻合區,在負速度區中混雜有塊狀正速度,10日 00時零速度線呈西北東南走向,說明高層是一致的東北風,回波移向轉向西南方移出巴東,強降水結束。速度產品說明這次過程由于回波先受鋒前西南氣流影響,后受鋒后東北氣流推動,所以對流發展旺盛。

7月10日強降水:10日 02時至 08時各層速度回波特征。各層速度圖上都表現出中尺度輻合區,在東南部有明顯的負速度區深入正速度區,正是強降水區域,且持續的時間較長。

③剖面分析 (RCS 50)。7月9日強降水:強回波以強對流單體為主,強中心回波頂高約達到13Km,最強回波區域高度約達 8Km,對流發展旺盛,并有超級單體特征,在剖面回波的右邊出現懸掛狀弱回波,因主體回波高度不高,以強降水為主。

7月10日強降水:是由強對流組成的回波帶,在帶上明顯看出,由多個對流單體回波組成,頂高高度不一,回波帶由多個中γ尺度風暴單體組成,移動方向前方單體處于新生階段,中間 3個單體處于成熟階段,而后方 2個單體正處于減弱、衰亡階段。

④3h累積降水分析 (THP 79)。7月9日強降水:7月8日 21—9日 00時 4個時次回波顯示以巴東稅家為中心有 3h最大累積降水顯示達177.8mm,回波顯示降水量與實際降水量相比較,準確性還是非常高。

7月10日強降水:7月10日 00—08時 6個時次回波顯示以鶴峰走馬為中心有最大累積降水顯示達 88.9mm,從強降水時段分析與降水實況也是基本相符。

圖 4 恩施站(57477)2010年7月9日到 10日單站高空分析

3 診斷分析

3.1 水汽條件診斷

從相對濕度垂直分布分析,9日 20時、10日 08時,從地面到高空 500hPa,相對濕度均在 90%以上或附近,我州處于高濕中心。從相應時次的高空 T -Td值分布也可以看出,從近地面到高空 500hPa,長江流域為一東西帶狀濕舌,我州位于 T-Td<2的高濕中心。

選取 30°N附近及以南代表站點 (貴陽 57816、懷化 57749、恩施 57447、宜昌 57461、長沙 57679),作空間剖面圖(見圖 3)。從水汽水平輸送條件及其水平輔合情況看,在 9日 20時,長江流域及以南700hPa及以下均處于 T-Td<4的濕區,500hPa及以下為一致的偏南風。10日 08時,沿江及偏南一線 T-Td<4的濕舌已伸展到 500hPa高空,700hPa急流軸建立,恩施州剛好處于急流軸的左側。

3.2 穩定度及垂直運動條件診斷

分析探空對數壓力圖 (見圖 4),9日 20時、10日 08時,K指數分別為 41℃、40℃,SI分別為-2.4℃、-1.2℃,說明本地的大氣層結處于不穩定狀態。同時,從 T-lnP圖還可以發現,在 10日 08時,500hPa及以上恩施站已轉為偏西 (或北)風,冷空氣已開始影響我州,冷平流的入侵,更進一步觸發了不穩定能量的釋放,降水加強。

4 地形輻合對強降水的影響

此次降水,恩施南部為一東西帶狀大值區,在大雨帶中出現極值中心,即鶴峰走馬鎮附近出現日降水超過 300mm的特大暴雨。從地形圖上看,走馬鎮東、西、北三面環山,南部、西南部為谷地,特別是西北部均為海拔 1 500m左右的山脊,喇叭口的地形輻合是該地出現特大暴雨的重要原因[3]。

5 結論

①高緯“單阻”梅雨形勢的建立,中緯緯向環流的維持,以及副高的穩定少動,江淮梅雨鋒的停滯及中低層切變的穩定,是形成此次大范圍穩定緯向型暴雨的大尺度天氣背景。

②有利的大環流背景下,活躍的西南暖濕氣流,南支槽的頻繁波動,以及南北槽的合并加強,更進一步的促進了地面中氣旋的發展和中低層低渦、急流的形成,為此次暴雨提供了有利的中尺度復合系統。

③多個對流云團單體的復合、新生回波不斷移入補充,中β和中γ尺度相互作用下,促使強對流發展旺盛,加上地形的輻合、阻礙和抬升,下墊面對降水的增幅作用明顯,使降水得以加強,是造成此次強降水過程的直接原因。

④寬廣的低空急流建立為此次暴雨提供了直接的水汽來源,并為水汽的輸送、積累和上升運動創造了良好的條件。

[1] 壽紹文,等 .天氣學分析 [M].北京:氣象出版社,2002.

[2] 黃小玉,等 .梅雨鋒引發的“03.7"特大暴雨雷達回波分析[J].氣象,2008.

[3] 朱乾根,等 .天氣學原理與方法 [M].北京:氣象出版社,1990.

P458

B

2010-09-10

郭奕濤 (1965-),男,工程師,主要從事短期天氣預報工作。

1003-6598(2010)增刊 -0027-04