綿陽“9.22～27”持續暴雨過程特征及成因分析

龍美希, 胡 欣, 肖天貴, 陳偉斌

（1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都 610225;2.綿陽市氣象局,四川綿陽 621000;3.中國氣象局公共氣象服務中心,北京 100081;4.廣西自治區氣象臺,廣西南寧 530022）

1 引言

2008年9月22-27日,綿陽地區出現了歷史同期罕見的特大暴雨天氣過程,其過程持續時間、單日降雨量、過程總雨量皆達到了歷史之最。過程的降水主要集中在“5.12”四川大地震的重災區及附近區域,包括江油市全境、北川縣大部、平武縣南部、安縣東部和北部,以及梓潼縣、綿陽城區的部分地方,其中北川地區連續5天出現了暴雨。此次暴雨過程造成21人死亡,40余人失蹤,綿陽地區直接經濟損失達18億元,不僅給人民的生命財產安全帶來了巨大的損失,更在一定程度上對地震災區造成了再次破壞。因此,分析、研究此類極端天氣的過程特征、發生原因以及預報著眼點,將對災區重建工作產生巨大的影響,對于做好災區重建的氣象服務保障工作具有重要意義。利用實測資料、NCEP/NCAR再分析資料、T213分析資料（海平面K指數、相對濕度）,對此次過程的降水特征、環流形勢、影響系統以及物理量場特征進行分析,并計劃在下一步工作中利用新資料（雷達、衛星）對綿陽市2008年9月22-27日的持續性暴雨過程進行再分析。

2 綿陽“9.22-9.27”持續性暴雨概況及階段性特征

根據22日08時到27日08時連續5天的過程累計降雨量統計:北川599.6mm、唐家山堰塞湖582.7mm,江油316.9mm、馬角491.6mm、重華404.0mm、雁門357.7mm等,均創綿陽地區9月下旬過程降雨總量的歷史最大記錄。

根據綿陽各縣逐日降雨量直方圖（圖1a）可以看出,9月22日至27日的過程降水中先后出現了兩次區域降水集中時段:第一降水時段為22日08時到24日中午,綿陽北部地區（北川、平武、江油、安縣圖1b）降雨量較多,雨強大,并且局地出現了強烈的雷暴;第二降水時段是從25日至27日08時,全市各縣降水量接近,雨強小但持續時間長,綿陽中部（綿陽）、南部地區（梓潼、三臺、鹽亭）的過程降雨量主要集中在這個時段當中。在整個降水過程中,從23日08時到24日08時,北川和江油兩地的日降雨量皆大于100mm（分別為195.3mm和208.46mm）,為過程日降水量之最。在降水過程初期,也即第一降水時段,綿陽地區南部的三臺、鹽亭等地幾乎無降水。此外,在兩個降水時段之間將近一天的時間內（24日下午至晚上）,全區雨勢減弱、停止,僅有個別地區降水維持,為降水最弱期。故此,以后的分析中將著重對兩個降水集中時段的特征進行討論。

圖1 “9.22-27”過程綿陽地區氣象地理分區及主要代表站降水演變

3 降水過程環流特征分析

500hPa形勢圖（略）上,從9月18日開始隨著西太平洋副高西進,四川處于584線控制當中,天氣晴好,氣溫緩慢上升。20日,副高588線開始控制四川大部地區,高原到盆地天氣晴好,是一個明顯的暖區,其中500hPa高度上區域氣溫始終大于0℃,并且暖區范圍還在不斷地擴大。到21日,副高東退至盆地邊緣,東南氣流沿著副高588線從南海向盆地輸送水汽,同時高原西南季風也將孟灣水汽向盆地輸送,形成了兩條明顯的水汽通道,中低層,盆地為偏南暖濕氣流控制,濕度較大。暴雨前期,整個四川地區是一個明顯的高溫高濕區域,具有巨大的不穩定能量。與此同時,500hPa從20日開始高緯新西伯利亞冷槽明顯分裂小槽東移,攜帶冷空氣南下。到21日08時（圖2a）,新西伯利亞冷槽前的分裂小槽已東移南壓至貝加爾湖地區,形成貝湖低槽,冷鋒已到達內蒙古拐子湖至甘肅烏梢嶺一線。此外,從鄂霍次克海西部至日本海地區也存在一冷低槽,其中心位于俄羅斯的恰格達附近。

3.1 第一時段降水的環流特征（9月22-24日）

22日08時,500hPa圖上高緯為兩槽一脊型,隨著貝湖低槽東移,新西伯利亞斜槽南壓至巴湖地區（圖2b）,地面冷空氣繼續向南侵襲,已經控制了青海及甘陜大部地區。盆地為副高邊緣偏南氣流控制,兩條水汽通道維持,孟灣向盆地的水汽輸送有所增強。中低層,四川地區仍是一個明顯的低壓暖中心。22日20時左右隨著弱冷空氣入川,盆地西北部的局部地區出現了-1℃到-5℃的負變溫,冷暖氣流在此交匯,產生明顯的對流抬升運動,致使綿陽北部地區開始出現降水。

23日,隨著“黑格比”臺風的北抬登陸（圖2c）,副高脊線移至北緯25°,東經103°附近。從南海到四川的暖濕氣流受到這兩個系統的擠壓,風力明顯加大,源源不斷地向盆地輸送水汽。同時,孟灣向高原輸送的水汽也明顯加強,盆地水汽條件良好。盆地西北部地區在500hPa高度上表現為強輻散,中低層則為輻合,有良好的垂直對流運動,層結極不穩定。隨著冷空氣進一步南下與暖濕氣流匯合,盆地西北地區發生了強烈的中尺度對流運動。由于臺風和副高的北抬維持,在盆地西北地區形成了堵塞降水,很多地方出現暴雨甚至大暴雨天氣。同時,盆地不穩定能量觸發釋放,發生劇烈雷暴。之后,臺風減弱西移,地面冷空氣加強南下,副高開始東退,降水輻合區向川東北地區移動。24日下午,冷空氣主要控制川東地區。在850hPa上有一支偏南氣流沿著臺風外圍向川西高原輸送水汽,與孟灣的水汽輸送在高原東北邊緣交匯,因此盆地西北部部分地方濕度較大,局地仍有小擾動而維持小到中等強度的降水,包括綿陽的北川。盆地其它地方由于無明顯影響機制降水減小或停止。

3.2 第二時段降水的環流特征（9月25-27日）

25日的500hPa圖上,巴湖和咸海之間的冷低壓中心開始分裂多波動槽補充冷空氣南下。臺風西移減弱,副高東退到了北緯32°,東經111°附近。南海水汽沿著臺風邊緣向四川輸送。東北大槽向南加深,中低層有明顯冷空氣向四川東部回流（圖2d）。

26日,補充冷空氣翻越秦嶺大舉入川,與回流冷空氣匯合,在川中、東部地區與暖濕氣流發生對流抬升運動,從而形成降水。由于輻合區主要位于四川中部和川東北的地區,因此比起上一次降水時段,25-26日的降水區域要偏東一些。綿陽中、南部地區在此次過程中的主要降水就集中在這一時段。

圖2 天氣形勢圖

27日,冷空氣基本控制盆地,東南向水汽通道隨著臺風的消亡、副高的東退而消失,盆地降水自西到東逐漸減小結束。

4 降水主要影響系統分析

通過上述的環流特征分析,可以提出此次暴雨天氣過程形成和持續的主要影響系統是西太平洋副高、冷空氣、兩條水汽通道以及臺風。

4.1 西太平洋副高

此次過程中,副高主要發揮的作用:前期,副高控制四川地區,盆地天氣晴好、氣溫較高,持續的高溫使其成為一個明顯的暖區,累積了巨大的不穩定能量;后期,沿副高邊緣的西南氣流源源不斷地將水汽從南海向盆地輸送（兩條水汽通道中重要的一條）,為暴雨降水提供了充足的水汽;此外,副高對降水系統有一定的阻塞作用,延長了降水時間,有利于形成暴雨。

4.2 冷空氣

此次過程中,不斷南下的冷空氣與西南暖濕氣流相遇,產生強烈的對流抬升運動,使盆地不穩定能量釋放,是暴雨、雷暴的重要觸發機制。但在兩個降水時段中,冷空氣的組成及其對盆地的影響形式卻不盡相同:第一個降水時段中,主要是通過新西伯利亞斜槽東移南壓攜帶冷空氣南下,冷空氣從西北方向經高原南下影響盆地,冷暖氣流輻合區偏西偏北,降水主要集中在綿陽北部地區;第二個降水時段,新西伯利亞冷低中心補充冷空氣南下,其與東北低壓冷槽回流的冷空氣合并,共同影響四川中部和東北部地區（與暖溫氣流的輻合區較上一時段偏東）,由于冷空氣的持續南下,綿陽全區都出現降水,南部幾縣的降水就主要集中在這一時段。

4.3 水汽

暴雨形成的第一個重要條件就是充分的水汽供應,在此次過程中存在兩條明顯的水汽通道:一條從孟加拉灣地區經高原向盆地輸送（圖3a）。高原西南季風的存在,使得孟灣水汽向盆地的輸送變得可能。另一條重要通道是從南海向盆地的水汽輸送（圖3b）。其中,22-24日的南海水汽通道主要是由副高邊緣的偏南氣流形成的;25-26日,“黑格比”臺風邊緣的偏南氣流形成南海水汽通道。孟灣、南海兩條水汽通道為暴雨降水提供了充足的水汽,其持續不斷地水汽輸送保證了降水的持續。

圖3 水汽通量圖

4.4 臺風

在此次過程中,臺風主要發揮了兩個作用:堵塞、水汽輸送。23日20時,臺風“黑格比”登陸福建并逐漸北上西移,其與西太平洋副高形成了明顯擠壓,一方面加強了南海水汽的輸送,另一方面則形成了明顯的阻塞,使降水系統穩定持續。24日隨著臺風西移減弱,偏南氣流沿臺風云系邊緣自南海向盆地輸送水汽,形成了四川地區東南方向新的水汽通道。

5 物理要素場分析

5.1 不穩定能量

從能量學的角度考慮,強對流天氣的發生、消散,實際上是大氣中能量聚積和消散過程。不穩定能量越大,對流天氣越強烈。在此主要運用以下兩個指數對不穩定度進行判斷:

5.1.1 沙氏指數（SI）

據研究[1],沙氏指數與對流性天氣的對應關系（標準）有:SI＞+3℃,發生雷暴的可能性很小或沒有;0℃＜SI＜+3℃,有發生陣雨的可能;-3℃＜SI＜0℃,有發生雷暴的可能性;-6℃＜SI＜-3℃,有發生強雷暴的可能性;SI＜-6℃,有發生嚴重對流性天氣（如龍卷風）的危險。

為了解綿陽地區在此次暴雨天氣過程中不穩定能量的變化情況,又由于探空站個數的有限性,在此選取了5個探空站的沙氏指數進行比較（表1）。表中的紅原、溫江、達州、武都、漢中5站分別代表了川西、川中、川東北、甘南、陜南的沙氏指數水平,從而形成一個以綿陽為中心、可供評估的能量區域。

從表1可以看到:23日到25日,是過程不穩定能量最大的時期,并且能量主要集中在盆地西北部地區,與實況降水、雷暴的區域相對應。22-23日,各站不穩定能量不斷增大,到23日20時溫江站沙氏指數達到-3.1℃,表明四川中、北部地區的層結處于極不穩定處態,具備發生強對流天氣的條件。當晚,盆地西北部出現強烈雷暴、暴雨天氣,實際情況與沙氏指數標準所標示的對流天氣程度相符合,說明該標準在四川地區有一定的可用性。24日08時,溫江、達州、武都站沙氏值仍小于零,四川中、北部強對流天氣持續。24日20時,盆地中部地區由于長時間的劇烈雷暴損耗了大量能量,因而溫江站的沙氏指數值較昨日同一時刻小,但其余各站的不穩定度都大于昨天同一時次,四川北部仍具有明顯不穩定能量。25日,只在溫江和達州地區有 SI＜0℃的不穩定能量,盆地東部地區開始出現降水,說明不穩定能量有東移南壓的趨勢,川中、北地區降水持續,但強度較之前減弱。需要指出的是,25日20時溫江站的沙氏指數值達到-3.2℃,川中地區層結不穩度仍然較大,但是由于天氣系統的不配合,對流強度明顯減小。26-27日,各站沙氏指數值不斷增大,并始終＞3℃（除紅原站外）,盆地層結趨于穩定,降水過程逐漸結束。

表1 2008年9月22-27日紅原等5個探空站點的沙氏指數值

5.1.2 海平面K指數

K指數又稱為氣團指標,對氣團的潮濕度、穩定度有一定判別能力,即低空水汽愈充沛,層結愈不穩定。并且當K＞35℃時,具備大片雷雨的條件[2]。

20日08時到26日08時,四川盆地的K指數值始終＞36℃,具備較好的降水條件。其中,從23日08時開始盆地大部地區（包括廣元-綿陽-成都-樂山-宜賓一線）K指數值陡升,普遍增大到40℃以上,成都地區更大于48℃,具有極大的不穩定能量,低空水汽條件良好。23日20時,綿-德-成-樂-宜地區海平面K指數值普遍大于44℃,此時盆地西部不穩定能量達到過程最大值,一觸即發。24日08時,盆地西北部地區仍處于大于40℃的K指數區,成都大于44℃,這說明盆地水汽條件良好,層結仍處于極不穩定狀態,此時雷暴、暴雨天氣持續且強烈,K指數與實況對應良好。26日20時,36℃區南退,綿陽被28℃線控制,已不具備出現大范圍降水的條件。

5.2 水汽條件

5.2.1 相對濕度

22日08時,四川大部分地方的中高層都處于80%相對濕度區控制,是一個明顯濕區;而高原濕度更大一些（90%）,這與孟灣的水汽輸送是密不可分的。此時,綿陽地區天氣晴朗,氣溫較高,是一個相對的低濕度中心（70%-80%）。20時,高原濕區東移,成都地區到綿陽西北部都逐漸轉為90%的相對濕度,整層水汽含量較高。23日08時到24時08時,500hPa上四川地區始終處于大于80%的相對濕度大值區控制,其中四川中、北部地區（成都、綿陽、德陽等）相對濕度一直為90%,為暴雨過程提供了良好的水汽條件（圖略）。26日20時,500hPa高度上四川地區的水汽含量明顯減少,只有綿陽東南部至盆地東南部還處于相對濕潤區中（80%）,四川的其余地方相對濕度皆為60%左右。700hPa高度上四川為80%相對濕度區控制,無明顯的大值或小值區。在這次過程中,850hPa高度上盆地始終被相對濕度大值區（80%）所控制,低層水汽條件較好。

5.2.2 水汽通量散度

充足的水汽是暴雨形成的重要條件之一。暴雨的發生不但要求有很好的局地水汽條件,還要有源源不斷的水汽補充。只有大量的水汽在降水區輻合（水汽在當地集中起來）,暴雨才有可能發生。表示這種輸送來的水汽集中程度的物理量就是水汽通量散度A,當 A＞0則水汽通量是輻散的（水汽因輸送出去而減少）,若 A＜0則水汽通量是輻合的（水汽因輸送進來而增加）[1]。

綿陽地區各時刻水汽通量散度圖如圖4所示。從圖4可看出:降水期間,低層為明顯的水汽輻合,高層則對應著明顯的水汽輻散,整層水汽的配置條件良好,有利于降水的產生及維持。此次過程當中,低層水汽輻合主要集中在850hPa左右的高度上,而高層輻散則在650hPa左右。此外,降水量與高、低空水汽的輻合強度及深度相對應,強的水汽低空輻合及高空輻散有利于產生強烈降水。過程最強降水時刻（24日02時圖4a）對應著過程中最強的低層水汽匯入（其水汽通量散度為-7×10-5g/（s?cm2?hPa））和高空水汽輻散（4×10-5g/（s?cm2?hPa））;隨著低層水汽輻合和高層水汽輻散值的逐漸減小,水汽條件減弱,降水也相應地逐漸減小結束。值得提出的是,在降水后期低層水汽輻合高度會降低,地面水汽含量大大增強（圖4b）。

圖4 綿陽地區水汽通量散度圖

通過綿陽地區水汽通量散度的時間序列圖可以看出:第一降水時段的低層水汽匯入量明顯大于第二降水時段,其中,24日凌晨和26日凌晨分別為兩個時段的水汽最豐富期（圖4c）,同時對應著較強的高空輻散（3.8×10-5g/（s?cm2?hPa）、3.7×10-5g/（s?cm2?hPa））（圖 4d）,對應實況,這兩個時次分別出現了過程最大、次大降水期。降水發生前,當地低層水汽有一個明顯的匯聚上升過程,到達頂峰后降水發生,其峰值影響著降水強度及降水量。降水發生后,從最強階段到降水結束,區域的水汽含量呈明顯的下降趨勢,降水結束后區域的水汽輻合量達到最小。此外,第一降水時段綿陽北部各縣的水汽輻合量較大,第二降水時段南部各縣水汽輻合量則有明顯提高（圖略）,水汽輻合大值區表現出自北向南移的趨勢。

5.3 垂直運動

由于垂直運動可以引起水汽、熱量、動量、渦度的垂直輸送,并使大氣層結不穩定能量釋放,因此其對天氣系統的發生、發展影響極大[1]。首先,通過垂直速度的層結剖面圖,可對此次過程中主要降水時次進行比較:24日凌晨為過程最強降水時期,與之相對應,24日02時（圖5a）,綿陽地區整層都為明顯的對流上升運動,最大上升速度（-0.8Pa/s）區位于750hPa高度上。到24日08時,暴雨、雷暴天氣持續,此時整層仍為垂直上升氣流,但最大上升速度減小（-0.5Pa/s）并下降到850hPa;同時,地面上升速度由02時的接近于0 Pa/s增長到-0.2～-0.15 Pa/s（圖5b）。在過程第二降水時段中,氣流的垂直輸送明顯減弱,對應著以層狀云為主的持續降水。其中,26日02時（圖5c）為本時段最強降水時刻,其上升氣流從900hPa維續到 550hPa,最大上升速度達-0.75Pa/s（700hPa）,最大下沉速度達到0.2 Pa/s（400hPa）。根據以上比較可得出:此次過程當中,最大垂直上升速度區基本都集中在700hPa高度上下;降水強度與垂直上升速度值以及上升氣流深度成正比,強降水時段對應著整層的強上升氣流;第一降水時段垂直上升氣流明顯強于第二時段,這與實況降水相對應;從降水鼎盛時期到衰弱期,垂直上升速度值、對流上升高度逐漸減小,同時低層風力加大、高空下沉氣流加強。

圖5 綿陽地區垂直速度層結剖面圖

其次,比較兩個降水時段（以兩個代表時刻的最大上升速度所在層結進行比較））:24日02時（第一降水時段）,四川東北部地區為垂直上升氣流區（其中心在廣元附近）,暴雨降水區域（包括綿陽）位于上升區的西北側（圖6a）。26日02時（第二降水時段）,上升區域移到四川中部地區,以都江堰為中心,此時綿陽南部（三臺、鹽亭等地）接近速度密集區（圖6b）,有利于對流運動。此時段的降水區位于上升區的東北方,應該與回流冷空氣在川東北輻合有關,同理,第一時段冷空氣從盆地西北部入侵輻合而觸發了上升區西北側的降水區域,這也印證了前面的分析。

圖6 不同時間不同等壓面垂直速度（Pa/s）分布（圖中黑點處為綿陽各縣位置）

5.4 散度

對流云與低空輻合區有密切關系,強的高空輻散更對風暴的發生和維持有重要作用[3],因此散度分析常是暴雨分析中不可少的一部分。本次過程當中,綿陽地區的水平速度輻合基本都集中在850hPa高度。其中,24日02時為過程暴雨、雷暴天氣最強烈時期,850hPa圖上（圖7a）四川東北部為以廣元為中心的明顯輻合區,綿陽地區位于其西北側的速度密集區,其散度介于-2×10-5～-5×10-5s-1之間;500hPa綿陽地區為水平速度輻散區（0～1.5×10-5s-1）,其與低空輻合區對應并向東北方向傾斜;300hPa高空綿陽地區輻散強度增加到1×10-5～2×10-5s-1（圖7b）,輻散強度隨高度的增加使得高層氣流加快流出,對流得以維持和增強。24日08時,暴雨、雷暴過程仍在持續,此時綿陽地區低層輻合已明顯減小（-1×10-5～-2×10-5s-1圖7c）,高空輻散介于0～+1×10-5s-1之間,整層對流減弱。26日02時,隨著低層弱冷空氣回流,出現新一輪降水,低層綿陽南部為速度輻合中心（圖7d）,輻合強度最大達-3×10-5s-1。但與第一降水階段不同的是高層輻散并不是呈逐層增大的形式,高層輻散主要集中在500hPa,300hPa高度上輻散極弱,其實況降水明顯小于第一時段。在本次過程中,氣流的輻散高度除在23日晚至24日早上（此次暴雨過程的最大降水時段）到達300hPa層次以上外,其余降水時段基本上都僅到500hPa以上。這說明輻合對流深度以及高空輻散強度與暴雨降水強度有較好地相關性。此外,輻合輻散區域對降水落區也有一定的指示作用。

圖7 散度圖（10-5s-1）（圖中黑點處為綿陽各縣）

6 結論及討論

（1）此次過程根據降水特征可以分為兩個降水集中時段:22日到24日中午,綿陽北部降水時段,雨強較大并伴隨著強烈的雷暴;25日至27日08時,全區降水,雨強較小、各縣雨量接近,綿陽中、南部的降水主要集中在這個時段。

（2）降水影響系統主要來自四個方面:西太平洋副高、冷空氣、兩條水汽通道以及臺風。其中,西太平洋副高和臺風在第一降水時段中充當了明顯的暴雨堵塞系統;過程中兩條水汽通道始終存在,除了副高、臺風邊緣形成的南海水汽通道外,孟灣的水汽輸送也是在此類暴雨過程中需要注意的;冷空氣是暴雨、雷暴的重要觸發機制,冷空氣路徑及其與暖濕氣流輻合區的位置影響了兩個時段的降水落區。

（3）從沙氏指數分析可以看出,本次過程中不穩定能量有自西北朝東南向逐漸南移減小的趨勢,第一時段的不穩定能量明顯大于第二時段。沙氏指數和海平面K指數值在過程中有一定的指示作用,當 SI＜-3℃且 K指數＞35℃時,具備暴雨、雷暴所需的巨大不穩定能量及強不穩定層結。這兩個指數對暴雨、雷暴過程能量支撐大小的指示作用,可以嘗試作為暴雨、雷暴的強度預報著眼點之一。

（4）低層持續強的水汽輻合為暴雨持續發生提供了充足的水汽,降水量與高、低空水汽的輻合強度及深度相對應,強的低空水汽輻合及高空輻散配置有利于產生強烈降水。第一降水時段的低層水汽匯入量明顯大于第二時段,水汽輻合大值區在過程中有自北向南部的移動趨勢。

（5）過程第一降水時段的輻合上升強度明顯大于第二時段。氣流輻合、輻散區的分布及上升下沉氣流的位置和強度與雨勢和雨強的對應關系較好,對暴雨的落區和強度預報有一定指示意義。

[1] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文.天氣學原理和方法[M].北京:氣象出版社,2000.

[2] 陸漢城.中尺度天氣原理和預報[M].北京:氣象出版社,2004.

[3] 丁一匯.高等天氣學[M].北京:氣象出版社,2005.