常德市 2010年6月19日暴雨過程分析

2010-09-07 09:13:36歐陽也能佘高杰田澤蕓何炳文張業珍

中低緯山地氣象 2010年2期

歐陽也能,佘高杰,田澤蕓,何炳文,張業珍

(湖南省常德市氣象局,湖南常德 415000)

歐陽也能,佘高杰,田澤蕓,何炳文,張業珍

(湖南省常德市氣象局,湖南常德 415000)

利用常規天氣圖資料、NCEP1°×1°FNL分析場資料和衛星 TBB資料等,分析了 2010年6月19日發生在常德地區的一次區域性暴雨天氣過程。分析發現,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;高低空風場的配置和通氣管指數可判斷垂直風切變的大小;而高空風的垂直切變又能判斷不穩定能量聚集的多少,高空急流高度下降,加速了低層擾動,從而增強了垂直上升運動,使得對流發展旺盛,云頂亮溫 TBB最低值中心及強度指示了強降水的落區和移動方向,濕Q矢量鋒生函數與暴雨落區的對應關系較好,南北向山脈走向對東風氣流的阻擋有利于氣流的抬升和輻合,使得強降水云團在同一地區得以維持。

暴雨;垂直切變;深對流;濕Q矢量鋒生函數

1 引言

暴雨是在有利的大尺度背景下,誘發中尺度系統強烈發展造成的。初夏副熱帶高壓開始季節性擺動,其北側邊緣的西南暖濕氣流與南下冷空氣常相遇于長江流域,往往給這一帶地區帶來暴雨洪澇等災害性天氣,而且冷暖氣流交匯產生中小尺度對流云團會造成短時強降水,往往造成城市漬澇、山體滑坡等,給當地帶來巨大的經濟損失。

1975年河南大暴雨之后,關于暴雨的研究,國內將重點由大尺度環流和天氣尺度降水系統轉向中尺度系統,在此期間我國組織過多次野外試驗并建立了 4個中小尺度觀測基地,陶詩言等[1]、丁一匯等[2,3]從氣候、天氣系統、環流形勢和形成機理方面將研究成果進行了匯編。從此以后中國的暴雨研究特別是對暴雨中尺度特征和產生暴雨的中尺度系統結構的研究有了長足發展[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,發現在暴雨期間有中尺度低壓擾動的發生發展,并有與之相關的中尺度云團、雨團甚至更小的中尺度對流系統出現,導致了強降水出現。本文對 2010年6月19日常德地區的區域性暴雨成因進行分析,探究此次區域性暴雨產生機理,試圖尋找有關對暴雨云團移動、雨強加大有指示意義的指標,為今后暴雨精細化預報積累經驗。

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、強度最強的暴雨天氣過程。強降水主要集中在 19日 08-20時的 12h內,全市 7個氣象站點有 5個站點降雨量 ≥70mm,其中石門最大達106.1mm。在此期間全市區域自動氣象站監測資料顯示,74個鄉鎮出現暴雨,31個鄉鎮大暴雨,強降水中心主要位于西部、南部鄉鎮,其中桃源縣西南部的牯牛山鄉雨量最大達 216.4mm,13～15時 3h雨量 117.1mm,位于石門西北部的易家渡鄉則出現了1h 90.6mm的最大雨強,如圖 1a。

此次過程雨量集中、強度大、范圍廣、突發性強,具有典型的中尺度特征。暴雨導致西部桃源、石門等地山洪暴發,多處山體滑坡、道路被毀、交通中斷,石門縣城出現嚴重內漬,共造成全市 52.2萬人受災。

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,貝加爾湖地區為低槽區。貝加爾湖西部高壓脊前不斷有冷空氣南下。此時,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日就先于暴雨區建立并逐漸北抬 (圖略),19日 08時已北抬至長沙—宜昌一線的暖切變附近 (如圖 1b),19日 08時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;對流層高層 200hPa 40°N附近為一支平均風速 36m/s的西北風急流。湘北地區則位于此急流的出口區。19日 20時,500hPa貝加爾湖東部低壓南落,引導 700hPa切變線和 850hPa低渦東移南壓,暴雨云團移出常德地區。由此可見,此次暴雨正位于 200hPa西風急流出口區與對流層中低層低渦切變的耦合區。

圖 1 6月19日 08-20時降水實況 (a/單位:mm)和 19日 08時綜合環流形勢 (b/陰影為 850hPa急流核,實線為 500hPa高度,虛線為 850高度,箭矢為 700hPa流線)

4 環境場特征分析

4.1 高空風的垂直切變與不穩定能量的聚集

統計分析表明,環境水平風向、風速的垂直切變大小往往和風暴的強弱密切相關。垂直風廓線分析表明:此次過程存在環境風的垂直切變,19日08時湘北低層為 SE氣流,950hPa以下風隨高度逆轉,常德上空有弱的風向切變,在此層內風速切變也十分清晰,但在 950hPa以上一直為 S W氣流,最大風速出現在 400hPa達 20m/s;另外通氣管指數 = (v300-v850)2+(u300-u850)2可以反映垂直風切變的強度,指數越大則垂直切變越強。分析此次過程的通氣管指數水平分布特征 (如圖 2)發現,強降水發生前,即 18日 14時 -18日 20時,湘北地區通氣管指數急劇增大,18日 20時 -19日 02時,通氣管指數達始終維持在 400J/Kg以上,而當對流開始觸發產生降水之時,通氣管指數開始減小,19日 02—14時維持在 200J/Kg左右。20時通氣管指數在湘東北地區又急劇增大至 400～500J/Kg,其大值呈舌狀由湘東北向湘西南伸展,20日 02時通氣管指數又降至 200J/Kg左右,隨后強降水也由湘東北向湘西南發展。由此可見,垂直切變在強降水來臨之前急劇增大,而當垂直切變開始減小,其值處于 200J/Kg大小時,強降水正好在此階段發展,這與Shi和 Scofield研究結果相一致,即向前傳播中尺度對流系統,其MCS形成于從中等到強勁的上層風環境中,在中等強度風切變中發展。

4.2 低空急流與水汽積聚

分析水汽通量散度演變過程發現,19日 02時伴隨低空急流軸向北推進,水汽輻合帶也隨之向北伸展。19日 08時,貴州北部—湘西北一帶出現水汽通量散度輻合,中心值達到 -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時位于湘北地區,中心達 65kg·m2。低空西南急流一方面源源不斷地向北輸送水汽,另一方面與對流層高層西風急流形成低層輻合、高層輻散的配置,加速了邊界層內的上升“抽吸”運動,使得邊界層暖濕氣流向上輸送,從而使得暴雨區上空濕層深厚。

4.3 垂直上升運動與深對流

4.3.1 垂直上升速度柱與暴雨區相對應考察暴雨區垂直速度的時空變化發現,暴雨來臨前湖南省對流層及以下均為下沉氣流,而 19日 02時以后,湘西北對流層垂直速度轉為負值區,負值區從低層一直伸展至 100hPa,表明對流層均為上升運動且伸展厚度較厚,05時對流發展旺盛,08時湘西北出現成片暴雨區,此時暴雨區對流層形成了一個強大的垂直上升運動柱 (圖 3c),柱上強中心位于 400～200hPa之間,強度達 -80×10-3hPa/s,700hPa達 -60～80×10-3hPa/s,這種強的上升運動一直持續到19日 14時,與之對應湘北地區此時段內出現了暴雨。14時后強垂直上升運動區東移南壓,湘北地區對流層低層的垂直上升運動進一步增強,但對流層中上層已轉為下沉運動,不穩定能量得以大量釋放,強對流在湘北地區難以發展和維持,此時強降雨也隨之轉至湘東南。

圖 2 通氣管指數隨時間變化圖

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

4.3.2 低空急流振蕩與垂直上升運動同位相暴雨過程中,低空西南急流的振蕩與垂直上升運動同步。18日 12時 12m/s的西南急流位于河池—桂林—郴州一線,此時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,不利于對流的發展,19日 08時急流軸向北挺進至河池—懷化—長沙一線,而且急流軸上出現了 16m/s的急流核,此時湘中以北暴雨區整層均為負速度,湘中以南均為正速度區,19日 20時急流軸南退至桂林—郴州—贛州一線,對應 700hPa垂直上升速度負值大值區也隨之東移南壓至湘東中部,暴雨區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的強西風急流和攜帶的冷空氣與振蕩的低空急流相耦合的大氣結構,在加強層結不穩定和低層擾動的同時,使氣流上升運動也得以迅速加強,進而觸發了不穩定能量的釋放,導致此次暴雨的發生。

足夠的上升運動,導致了深對流的發展。分析FY-2E衛星反演的 TBB資料發現,19日 09時,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 -90℃,對應常德站08—09時1h最大降水達21.8mm,10時云頂亮溫大值區東移北擴至整個湘中以北地區,強中心仍位于湘西北一帶,對應石門站 09—10時 1h降水達19.1mm,10—11時 1h降水達至 40.6mm。

沿 111.5°E制作 TBB時間—經向剖面圖 (如圖4a),19日 08時開始,29°N附近云頂亮溫低于 -60℃維持了近 10h。據統計,87.3%以上的暴雨發生在 -63～-80℃的云頂亮溫區域[7],對應的實況19日 08-20時常德、石門均出現了 ≥70mm的暴雨。

另外,此次暴雨的開始、結束時間以及強降水集中時段與 TBB資料對應關系均較好。6月19日05時,29°N附近云頂亮溫在 -10℃以上,對應常德站無降水;06時,云頂亮溫逐漸增至 -32℃左右,對流開始發展,此時常德站降水開始,但量級很小;08時前后,29°N附近云頂亮溫已超過 -52℃,09時(如圖 4b)出現了 -84℃的亮溫極大值中心,深對流發展,而對應時段和地區也產生了強降水;一直到19日 18時,29°N附近云頂亮溫一直維持在 -60℃以下;此后亮溫大值區逐漸南壓,20時亮溫強中心南壓至 28°N以南地區,29°N附近亮溫逐漸減小至-32℃以上,對應常德地區降水逐漸停止。

圖 4 6月19日沿 111.5°E的 TBB時間—經向剖面圖(a,單位:℃)及 19日 09時云頂量溫場(b,單位:℃)

5 濕Q矢量鋒生函數

濕Q矢量鋒生函數 F是反映鋒區加強或減弱的物理量,F>0,則氣團鋒生,反之則鋒消,且 |F|越大,鋒生 (消)作用越強。文獻[8]指出,在 F場的正值區上升運動很強,水汽條件有利,且層結不穩定,是產生強降水的必要條件。圖 5為沿 111°E19日02時到 19日 20時 4個時次的垂直剖面圖。19日02時濕Q矢量鋒生函數表現出在 28°N有一鋒生柱,中心強度為 4.5×10-14K·hPa-1·s-3,此時強降水發生在 28°N附近的貴州境內,我市還沒產生明顯降水,19日 08時強鋒生中心北抬到 29°N,高度從 850hPa向上伸展到 600hPa,且由低層到高層向東北傾斜,強度加強,此時我市降水加強,19日 14時強鋒生中心緩慢北抬到 30°N,中心強度達到最強16.2×10-14K·hPa-1·s-3,高度從 850hPa伸展到550hPa,石門易家渡鄉 1h90.6mm的最強降水正好出現在 15-16時,19日 20時強鋒生中心南壓至26°N,強降水隨之南壓,常德地區的暴雨隨之結束。說明暴雨區基本位于 600～850hPa的鋒生柱大值區內,鋒生函數與同時次暴雨的落區具有較好的對應關系。

6 地形的作用

此次過程范圍較廣,但強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、安鄉一帶相對較小,為大雨量級。丑紀范指出:地球上各種不同地形對于大氣中從行星尺度到次天氣尺度的各種不同系統的運動都有著重要作用。地形對降水的影響主要有兩種作用,即動力作用和熱力作用。當大氣在地表上空運動時,必然會受到地形動力作用的影響。地形動力作用所引起的大氣垂直運動一是由于地形強迫抬升而引起的垂直運動,二是由于摩擦作用引起的垂直運動,當氣流過山時,在迎風坡有強迫抬升和摩擦作用產生氣流上升運動。國內外的研究也證明雖然抬升引起的垂直運動伸展高度較小,但當大氣低層濕度較大時,也可造成較大降水。

分析WRF數值模式細網格 9×9Km輸出資料—1 000hPa流場與地形等高線發現 (圖略),19日08時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,該形勢一直持續至 19日14時。由此可見,由于地形逐步抬升及武陵山脈屏障阻擋作用,暖濕氣流流經該地區時得以匯合加強,降水得以增大。