涼山“8·31”致洪暴雨過程的中尺度診斷分析

2013-01-05 06:46:24陳文龍諶貴王旬李文杰

成都信息工程大學學報 2013年3期

陳文龍, 諶貴王旬, 李文杰

(1.涼山州氣象臺,四川西昌615000;2.四川省氣象臺,四川成都610072;3.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225)

0 引言

暴雨是雨季川西南山地和低緯高原的重要天氣,也是最受關注的災害性天氣之一。對暴雨的研究表明[1-3],在有利的天氣尺度環流背景下,需要不同尺度天氣系統的有利配合,才能產生暴雨,而中尺度天氣系統是造成暴雨的直接天氣系統。近年來,通過天氣學中尺度分析以及運用氣象衛星、天氣雷達等探測手段,對暴雨的中尺度研究已取得大量成果[4-8]。

涼山州地處四川省西南部、低緯高原北部,其西北部緊臨青藏高原,全州地形以山地為主,地貌類型多樣,眾多南北走向的山脈造就了涼山州地形的主體框架[9-10]。特殊的地形和地理位置在很大程度上決定了涼山州暴雨落區分散和局地性強的特點,使預報的難度增大。雖然暴雨過程雨量不及四川盆地的暴雨過程,但在特殊的地理和氣候背景下,加上地形、植被、水土等方面的原因,暴雨常會帶來山洪、泥石流等次生災害。利用常規氣象觀測資料、NCEP每6h一次的1°×1°格點再分析資料、風云2E衛星云圖資料對發生在涼山州北部的一次局地大暴雨過程進行了中尺度特征的診斷分析,以求找到更適合本地的暴雨預報著眼點,提高對局地大暴雨的預報能力。

1 暴雨過程概況

2012年8月30～31日,涼山北部出現了一次暴雨天氣過程,暴雨落區主要在喜德、雷波、昭覺3縣,縣城的降水量分別為71.9mm、66.9mm、56mm,位于孫水河上游的喜德縣熱柯依達、依滋覺、兩河口、且拖4個鄉的降水量分別達到149.2mm、63.4mm、60.1mm、58.8mm,由于通訊中斷,8月31日16時以后熱柯依達以及孫水河上游其余區域自動站數據缺失,實際的暴雨站數可能更多,實際的雨量還可能更大。這次局地大暴雨過程引起孫水河水位暴漲,攜帶著大量泥沙的河水沖毀河堤、橋梁,造成了喜德縣多個鄉鎮以及下游冕寧縣瀘沽鎮的大量房屋、農田被淹,交通、供電、供水、通訊、水利等基礎設施受到嚴重破壞。

此次暴雨的主要降水時段為31日5～16時,從暴雨中心熱柯依達的小時降水量變化(圖1)可以清楚地看到:小時雨量有兩個波鋒,分別出現在31日6時和10時,其小時雨量分別達到32.5mm、31.0mm;喜德縣城在31日0時和16時分別出現20.2mm、9.2mm的較大雨量。雷波、昭覺、依滋覺、且拖4站的主要降水也都出現在31日5～16時(圖略)。

圖1 2012年8月30日21時～31日20時逐時降水量分布圖(單位:mm)

2 環流背景及影響系統

在200hPa圖上(圖略),中國西南地區一直處于南亞高壓的控制之下,其中心位于川、滇、藏3省之間,涼山處于高壓中心附近的輻散區內,對流層高層的輻散有利于中低層的輻合產生和發展。而500hPa圖上,亞洲中緯度為兩脊一槽(圖2),貝加爾湖到新疆哈密有一低槽,低槽底部有短波槽分裂經青藏高原東移影響四川,副高西伸后斷裂,在華東到華南一帶形成一個孤立的高壓環流,同時在孟加拉灣以北殘存有一個反氣旋環流,涼山正好位于兩高之間并存在一弱切變,兩高之間的弱切變是這次涼山致洪暴雨主要影響系統。700hPa圖上(圖略),涼山處于西南急流的左側,西昌風速和比濕分別達到了10m/s和12g/kg。因此,涼山處于對流層高層的南亞高壓中心附近的輻散區內,在兩高之間切變和較強的西南暖濕氣流作用下產生了局地大暴雨天氣。

3 物理量診斷分析

3.1 熱力條件

層結穩定度參數和特征高度可以很直觀地反應出大氣環境是否有利于強對流的發生[11]。沙氏指數(SI)是一個重要的層結穩定度參數,其值愈小,愈有利于大氣層結不穩定;對流有效位能(CAPE)直接反映了局地不穩定能量的多少;對流抑制有效位能(CIN)表示要發生對流需克服的能量;自由對流高度(LFC)的高低決定了對流所需抬升力的強弱。

發生暴雨的孫水河上游區域在(102.4°E～102.6°E,28.0°N ～ 28.4°N),故選取 25°N ～ 31°N 沿 102.5°E 做假相當位溫(θse)的經向剖面圖(圖3)。

30日20時(圖3a),28°N～30°N存在明顯的能量鋒,暴雨區及其以南處于 θ se≥88℃的高能區內,高能舌從近地層伸到450hPa附近,θse800-500=9℃。從距離暴雨區僅30km的西昌站的部分層結穩定度參數和特征高度看(表1),此時SI=-1.59℃,CAPE=1211.7J·kg-1,潛在的對流能量相當豐富,而 N=48J·g-1,LFC=69.54hPa,使弱對流不易發生,能量在低層累積,大氣層結處于條件不穩定狀態。31日02時,在近地層輻合線的觸發下,不穩定能量釋放,對流迅速發展,降雨在05時后明顯增強。31日08時(圖3b),伴隨著強降水持續,能量鋒減弱,暴雨區低層的θse減小到80℃,而 θse800-500僅為2℃,CAPE和SI的顯著變化也表明大氣層結趨于穩定。

圖2 8月31日08時500hPa高空環流形勢

表1 西昌探空站(海拔1592m)部分層結穩定度參數和特征高度隨時間的變化

圖3 沿 102.5°E假相當位溫(θse)的經向剖面(單位:℃)

3.2 動力條件

圖4分別給出暴雨中心熱柯依達(102.5°E,28.1°N)上空的相對渦度、散度和垂直速度的時間剖面圖。

相對渦度場上(圖4a),隨著強降水的開始中低層的正相對渦度顯著增大并向高層擴展,31日08時,500hPa附近出現了一個6×10-5·s-1的正渦度中心,正渦度區一直延伸到200hPa附近,200hPa以上則為明顯的負渦度區;31日16時降水減弱,中低層的正渦度也明顯減弱,500hPa的正渦度中心消失。從散度場看(圖4b),600hPa以下為主要輻合區,隨著降水增強,低層的輻合加強,在31日02～10時,750hPa附近形成了一個-4×10-5·s-1的輻合中心;與低層輻合相對應的是300hPa以上的高層為主要的輻散區,31日08時180hPa附近出現了一個5×10-5·s-1的輻合中心。高層輻散強于低層輻合,有利于上升運動的維持,同時也使暴雨維持和發展[12],暴雨期間上升運動顯著增強。

圖4 熱柯依達上空渦度、散度以及垂直速度的時間剖面(橫軸時間為世界時)

3.3 水汽條件

圖5分別給出整層水汽通量、整層水汽通量散度的分布圖,以及大暴雨中心的水汽通量和水汽通量散度的時間剖面圖。

涼山海拔相對較高,其水汽輸送主要在800hPa層以上。從30日20時到31日08時,來自孟加拉灣不斷地向降水區輸送(圖5a、5b),涼山州的整層水汽通量雖然明顯小于貴州到四川盆地東部一帶,但有顯著增量,從100kg·m-1·s-1增大到了 200kg·m-1·s-1,增加了 1倍。大暴雨中心熱柯依達的水汽通量的大值區在 800～600hPa層,到31日08時左右水汽輸送大值區向高空擴展,同時還在700hPa附近水汽通量達到7.5g·cm-2·hPa-1·s-1的極大值(如圖5e),充足的水汽輸送保證強了降雨的持續。

整層水汽通量散度在30日20時后同樣是迅速增大(圖5c、5d),到31日08時,涼山州暴雨區附近形成了一個-6×10-4·kg·m-2·s-1的水汽輻合中心,水汽輻合的強度并不亞于貴州和四川盆地(圖5d),強烈的水汽輻合使強降雨維持。從暴雨中心熱柯依達水汽通量散度的時間剖面圖上(圖5f)可以看到,31日02時以后,水汽輻合的增量在700hPa層以下尤其明顯,水汽輻合區擴展到了400hPa以上;31日08時左右在750hPa以下出現了一個大于-4×10-4·kg·m-2·s-1的水汽輻合中心。

總之低層的顯著增大的水汽通量與強烈的水汽輻合成為次局地大暴雨天氣重要的水汽條件。

圖5 整層水汽通量(陰影和等值線為整層水汽通量值,單位:kg·m-1·s-1,▲為強降水中心熱柯依達)

4 中尺度特征分析

4.1 衛星云圖

通過紅外云圖TBB的特征分析可以很直觀的監視暴雨云團(特別是中尺度暴雨云團)的移動和演變以及降水量與TBB之間的關系。采用了費增坪等[12]對MCS的定義,即由對流云組成;TBB≤-32℃的冷云區面積≥105km2;TBB≤-52℃的冷云區面積≥6400km2;持續時間為1h以上;冷云區的形狀呈圓形或橢圓形,最大尺度的橢圓率≥0.5。通過分析發現直接產生此次局地大暴雨天氣的是一個典型的MCS。

從30日20時到31日2時(圖略),涼山州西部有對流云活動,產生了喜德縣20.2mm/h的短時強降水,31日1時后該對流云團的結構變得松散,范圍減小,TBB值升高。31日3時后對活動加強,逐漸形成一個MCS,下是該MCS生命史的五個階段。

初生階段(31日3～4時,見圖7a),對流云的范圍繼續減小,TBB≤-32℃的邊界仍較為散亂,TBB≤-52℃的冷云區向云團中心收縮,云團中心的TBB值降低,這一時段內的降水強度不大,僅有個別站超過了5mm/h。

發展階段(31日5～7時,見圖7b),TBB≤-32℃的邊界進一步向中心收縮,云團四周的TBB梯度增大,云團結構變得緊密,TBB≤-52℃的冷云區面積擴大至18000km2左右,云團中心有小范圍的強對流發展,TBB低至-75℃,位于云團北側TBB梯度最大處的熱柯依達和兩河口分別出現了32.5、9.9mm/h的雨強。

成熟階段(31日8～11時,圖c、d),MCS發展到成熟階段,云團邊界光滑,整體呈橢圓形,TBB≤-32℃和TBB≤-52℃的冷云區面積分別達到了36000km2和28000km2,MCS中心的TBB低至-69℃。在MCS北側TBB梯度大值區附近,熱柯依達分別出現了31.0mm/h、26.6mm/h、15.8mm/h的短時強降雨,雷波縣城和美姑縣拉木阿覺的小時雨量也都超過了10mm。

消散階段(31日12～16時,圖e、f),MCS的結構逐漸變得松散,邊界變得不光滑,云團中心TBB升高,冷云區面積縮小。低層的輻合及上升運動明顯減弱,對應的降雨量也明顯減小。16時后(圖略)云團分裂為幾塊小的弱對流云,TBB升高到-50℃,MCS特征消失。

在對流云團生消演變中,在有利的環境條件配合下,一個持續時間較長且穩定少動的MCS是暴雨產生的直接原因,短時強降水和暴雨區集中在MCS北側TBB梯度最大的地方。

圖6 風云2E衛星T BB分布圖(▲為強降水中心熱柯依達)

通過高精度可見光云圖,可以MCS更加直觀地分析MCS的演變特征。31日7時(圖8a),處于展階段的MCS,內部對流的旺盛使其頂部凹凸不平,對流云上沖云頂西側有明顯的暗陰;31日08時(圖8b),MCS進入成熟階段,具有橢圓形的緊密結構,在對流層高層東北風的作用下,云團西南側形成了絲羽狀的卷云;31日11時(圖8c),MCS北部兩個圓形的對流上沖云頂尤其引人注目,MCS南側和西側仍有絮狀的卷云,可見此時云團內部仍有對流發展。

圖7 風云2E衛星1km分辨率可見光云圖

4.2 中尺輻合線的觸發作用

近地層的中尺度輻合線對觸發強對流并產生暴雨具有重要意義,為此分析了31日2時、8時近地層800hPa的流場變化情況。

在31日02時(圖8a),涼山州暴雨區的中尺度輻合線已經出現,但此時暴雨區對流較弱,MCS還未形成,隨著輻合逐漸加強,觸發較大范圍的深厚對流,促進了MSC發展。到31日8時(圖8b),暴雨區的風速雖沒有增大,但輻合顯著加強,形成了一條呈西北-東南向的中尺度輻合線,其位置與暴雨區的位置大體一致。800hPa流場的輻合線直接觸發了低層大氣能量的釋放,引導水汽輻合,促使上升運動加強并維持,MCS的發展得到加強。