陳紅專,王 強,歐小鋒,肖 敏,楊開順

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

懷化 2010年 6月 19日大暴雨天氣過程分析

陳紅專1,王 強1,歐小鋒1,肖 敏1,楊開順2

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

應用常規(guī)觀測資料,中小尺度雨量站資料、NCEP分析資料、衛(wèi)星資料和雷達資料綜合分析了 2010年入汛以來懷化最強的一次降水天氣過程。結果表明：這次大暴雨天氣過程是由于高空低槽東移,在槽后西北氣流的引導下,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)生時充足的水汽輸送和水汽輻合對強對流的發(fā)展非常有利,對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,垂直上升運動是強對流發(fā)展的必要條件。產生大暴雨的MαCS發(fā)展強烈,呈橢圓形結構特征,在暴雨區(qū)維持時間長,移動緩慢,造成了連續(xù)的強降雨,且強降雨出現(xiàn)在 TBB梯度的大值區(qū)。在降水加強的過程中,伴有中氣旋生成和發(fā)展,中氣旋對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)展有很好的對應關系,在暴雨的發(fā)展增強階段,Q1和Q2的垂直輸送項起決定性的作用,積云對流釋放的凝結潛熱對暴雨的加強和進一步發(fā)展起了很好的促進作用。

大暴雨;非地轉濕 Q矢量;視熱源;視水汽匯

1 引言

夏季,我國頻繁遭受暴雨洪澇災害的襲擊,每年因暴雨洪澇災害造成的損失數(shù)以億計。對暴雨災害的預報一直是汛期業(yè)務預報的關鍵,但是,由于對暴雨成因的認識不夠,加之探測信息時空密度的限制,我們目前的暴雨預報水平還比較低,不能滿足社會經濟發(fā)展的需求。因此,深入了解暴雨的形成機理和開展對暴雨監(jiān)測、預測理論和方法的研究一直是我國科學家極為關注的重要研究方向,也是提高我國減災防災能力的重大需求。早在 20世紀 70年代,陶詩言[1]就全面總結了各種天氣尺度系統(tǒng)與暴雨的關系以及我國暴雨的分析和預報方法。丁一匯[2]也曾研究指出,暴雨的產生與中尺度系統(tǒng)有著直接的關系。多年來,氣象工作者對暴雨中尺度特征進行了大量的診斷分析[3-7]和數(shù)值模擬[8-10]。本文應用常規(guī)觀測資料、中小尺度雨量站資料、NCEP分析資料、衛(wèi)星資料和雷達資料綜合分析了 2010年 6月發(fā)生在懷化的一次大暴雨天氣過程,以探討產生大暴雨的中尺度系統(tǒng)的演變和動力機制,尋求有預報指示意義的物理量場,以期提高對暴雨的預報和服務能力。

2 過程概述和形勢背景分析

2.1 暴雨過程概述

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程。全市大部分縣 (市、區(qū))均出現(xiàn)暴雨。區(qū)域氣象站觀測資料顯示,全市共有 41個站點出現(xiàn)暴雨,大暴雨 20站,3個雨量站降雨量超過 200mm,沅陵烏宿最大 1h降雨量達88.3mm,最大 3h降雨達 168.1mm。這次大暴雨是今年汛期以來懷化發(fā)生的最強的一次過程。

強降雨使我市多個縣共 35個鄉(xiāng)鎮(zhèn) 33.39萬人不同程度受災,全市共倒塌損壞房屋 275間,臨時轉移安置人口 28 611人,直接經濟損失 1.72億元。其中農作物受災面積 12.75千 hm2,成災面積 5.11千 hm2,絕收面積 1.47千 hm2,農業(yè)損失 0.14億元;停產企業(yè) 5個,公路中斷 95條次,供電中斷 28條次,沅陵縣大部分受災鄉(xiāng)鎮(zhèn)斷電,工交損失 0.24億元;損壞堤防 108處,護岸 322處,塘壩 186座,其他灌溉設施 905處,水利設施損失 0.69億元。

2.2 大尺度環(huán)流

6月 18日 08時 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,對流層低層增溫增濕明顯;18日 20時 850hPa有一東西向的弱切變從貴州北部經重慶延伸至湖北南部 (懷化本地為 4 m/s的南風);700hPa有一橫穿四川中部、重慶南部以及湘北的切變線;500hPa為平直的西風氣流。19日 08時 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);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合到湘中倒槽中。19日 20時 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。

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

3 物理量場分析

3.1 水汽條件分析

通過對 850hPa水汽通量和水汽通量散度的分析發(fā)現(xiàn),18日 08時以后,隨著中低層西南氣流的增強,水汽輸送通道已經建立,向我國南方地區(qū)輸送了充足的水汽。2010年 6月 19日 08時 (圖 1),湘中以南處在水汽輸送的大值中心,最大水汽輸送達30g·cm-1hPa-1·s-1以上。同時刻的水汽輻合區(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,水汽輸送中心進一步北抬到湘中以北,水汽輸送強度進一步增強,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),強度也沒有減弱。充足的水汽輸送和水汽輻合對強對流的發(fā)展非常有利,對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時以前,對流層基本上是正值區(qū),說明此時對流層盛行下沉氣流,不利于降水的形成和發(fā)展的。02時以后,對流層迅速轉為負值區(qū),其垂直上升運動從低層一直伸展到100 hPa以上,且不斷發(fā)展增強,到 08時,在暴雨區(qū)對流層形成 2個垂直上升運動的強中心區(qū),一個位于 850 hPa附近,強度達-6×10-2hPa·s-1,另一個位于 400 hPa附近,強度達-8×10-2hPa·s-1,這種強上升運動一直持續(xù)到 19日 14時,此時段是特大暴雨發(fā)展的最強時間段。14時以后,雖然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垂直下沉區(qū),不利于強對流的發(fā)展和維持,因此懷化北部的強降雨也慚慚停了下來。

非地轉濕Q矢量考慮了大氣非絕熱效應,能較好地對應降水落區(qū),其物理機制源于次級環(huán)流的發(fā)展[11]。下面我們用濕Q矢量來診斷這次暴雨過程

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

4 衛(wèi)星云圖和雷達回波分析

4.1 TBB分析

根據有關文獻[12],為便于在云圖中確認中尺度對流系統(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流系統(tǒng),其-32℃冷云蓋的短軸的長度在 1.5～3.0緯距之間的為MβCS,超過 3.0緯距的為MαCS,為了找出這次特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng),本文應用 FY2E衛(wèi)星的 TBB資料,詳細分析了此次過程。

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

從上面的分析得知,產生懷化北部特大暴雨的MαCS云團發(fā)展強烈,具有橢圓形結構特征,維持時間長,且在暴雨最強階段維持在懷化北部穩(wěn)定少動,造成了該地的特大暴雨,強降雨出現(xiàn)在 TBB梯度的大值區(qū)。

4.2 雷達回波分析

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

5 非絕熱加熱分析

利用對流層收支方案[13]來計算大氣視熱源(Q1)和視水汽匯 (Q2),分析沿暴雨區(qū)點 (111°E,28°N)視熱源和視水汽匯的局地變化項、水平平流項和垂直輸送項的垂直廊線圖 (圖 5、圖 6)可以看出,暴雨發(fā)生前,19日 02時,視熱源的各項均較弱,對流層整層的水汽平流項 ＜0,表現(xiàn)為暖平流。此時垂直輸送引起的對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、水平平流項以及垂直輸送項都較弱,此時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。該時段的降雨主要以大尺度平流性降雨為主,對流性不強。19日 08時是暴雨發(fā)展的最強階段,此時段視熱源的局地變化項和水平平流項雖有所增強,但依然較弱,而垂直輸送項明顯增強,對Q1起決定性的作用,垂直分布呈雙峰結構,2個峰值強度達到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的局地變化項和水平平流項均有明顯的增強,隨后迅速減小,由于他們反位相,其作用相互抵消。Q2的垂直輸送項增幅也十會明顯,在 650hPa出現(xiàn)接近 20 K·(6h)-1的峰值,其對Q2的貢獻也占絕對優(yōu)勢,這反映了上升氣流造成的水汽垂直輸送是積云對流活動的主要水汽源[12]。這一階段由于垂直速度的增加,積云對流活動發(fā)展旺盛,低層的暖濕空氣向上傳輸,加熱中層大氣,維持和促進垂直上升運動和次級環(huán)流,對暴雨的加強和進一步發(fā)展起了很好的促進作用。19日 20時,雖然Q1和Q2的垂直輸送項在對流層低層仍然較大,但在中高層較小,與垂直速度的分布類似,說明此時段的對流活動主要發(fā)生在對流層低層,積云對流的凝結潛熱也主要加熱對流層低層大氣,無法形成深對流活動,因此此時段懷化北部的降雨明顯減弱。

6 結論

①這次大暴雨天氣過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)生時充足的水汽輸送和水汽輻合對強對流的發(fā)展非常有利,對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,垂直上升運動是強對流發(fā)展的必要條件。

③這次大暴雨過程具有明顯的中尺度特征,產生大暴雨的MαCS發(fā)展強烈,呈橢圓形結構特征,在暴雨區(qū)的維持時間長,移動緩慢,造成了懷化北部的連續(xù)強降雨,且強降雨出現(xiàn)在 TBB梯度的大值區(qū)。在降水加強的過程中,伴有中氣旋生成和發(fā)展的過程,中氣旋對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)展有很好的對應關系,Q1和Q2的增大對應降雨的增強;在暴雨的發(fā)展增強階段,Q1和Q2的垂直輸送項起決定性的作用,積云對流釋放的凝結潛熱對暴雨的加強和進一步發(fā)展起了很好的促進作用。

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1003-6598(2010)增刊-0031-05

2010-09-10

陳紅專 (1972-),男,高工,主要從事天氣預報業(yè)務及相關研究工作。