绵阳“9.22～27”持续暴雨过程特征及成因分析

龙美希, 胡 欣, 肖天贵, 陈伟斌

（1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都 610225;2.绵阳市气象局,四川绵阳 621000;3.中国气象局公共气象服务中心,北京 100081;4.广西自治区气象台,广西南宁 530022）

1 引言

2008年9月22-27日,绵阳地区出现了历史同期罕见的特大暴雨天气过程,其过程持续时间、单日降雨量、过程总雨量皆达到了历史之最。过程的降水主要集中在“5.12”四川大地震的重灾区及附近区域,包括江油市全境、北川县大部、平武县南部、安县东部和北部,以及梓潼县、绵阳城区的部分地方,其中北川地区连续5天出现了暴雨。此次暴雨过程造成21人死亡,40余人失踪,绵阳地区直接经济损失达18亿元,不仅给人民的生命财产安全带来了巨大的损失,更在一定程度上对地震灾区造成了再次破坏。因此,分析、研究此类极端天气的过程特征、发生原因以及预报着眼点,将对灾区重建工作产生巨大的影响,对于做好灾区重建的气象服务保障工作具有重要意义。利用实测资料、NCEP/NCAR再分析资料、T213分析资料（海平面K指数、相对湿度）,对此次过程的降水特征、环流形势、影响系统以及物理量场特征进行分析,并计划在下一步工作中利用新资料（雷达、卫星）对绵阳市2008年9月22-27日的持续性暴雨过程进行再分析。

2 绵阳“9.22-9.27”持续性暴雨概况及阶段性特征

根据22日08时到27日08时连续5天的过程累计降雨量统计:北川599.6mm、唐家山堰塞湖582.7mm,江油316.9mm、马角491.6mm、重华404.0mm、雁门357.7mm等,均创绵阳地区9月下旬过程降雨总量的历史最大记录。

根据绵阳各县逐日降雨量直方图（图1a）可以看出,9月22日至27日的过程降水中先后出现了两次区域降水集中时段:第一降水时段为22日08时到24日中午,绵阳北部地区（北川、平武、江油、安县图1b）降雨量较多,雨强大,并且局地出现了强烈的雷暴;第二降水时段是从25日至27日08时,全市各县降水量接近,雨强小但持续时间长,绵阳中部（绵阳）、南部地区（梓潼、三台、盐亭）的过程降雨量主要集中在这个时段当中。在整个降水过程中,从23日08时到24日08时,北川和江油两地的日降雨量皆大于100mm（分别为195.3mm和208.46mm）,为过程日降水量之最。在降水过程初期,也即第一降水时段,绵阳地区南部的三台、盐亭等地几乎无降水。此外,在两个降水时段之间将近一天的时间内（24日下午至晚上）,全区雨势减弱、停止,仅有个别地区降水维持,为降水最弱期。故此,以后的分析中将着重对两个降水集中时段的特征进行讨论。

图1 “9.22-27”过程绵阳地区气象地理分区及主要代表站降水演变

3 降水过程环流特征分析

500hPa形势图（略）上,从9月18日开始随着西太平洋副高西进,四川处于584线控制当中,天气晴好,气温缓慢上升。20日,副高588线开始控制四川大部地区,高原到盆地天气晴好,是一个明显的暖区,其中500hPa高度上区域气温始终大于0℃,并且暖区范围还在不断地扩大。到21日,副高东退至盆地边缘,东南气流沿着副高588线从南海向盆地输送水汽,同时高原西南季风也将孟湾水汽向盆地输送,形成了两条明显的水汽通道,中低层,盆地为偏南暖湿气流控制,湿度较大。暴雨前期,整个四川地区是一个明显的高温高湿区域,具有巨大的不稳定能量。与此同时,500hPa从20日开始高纬新西伯利亚冷槽明显分裂小槽东移,携带冷空气南下。到21日08时（图2a）,新西伯利亚冷槽前的分裂小槽已东移南压至贝加尔湖地区,形成贝湖低槽,冷锋已到达内蒙古拐子湖至甘肃乌梢岭一线。此外,从鄂霍次克海西部至日本海地区也存在一冷低槽,其中心位于俄罗斯的恰格达附近。

3.1 第一时段降水的环流特征（9月22-24日）

22日08时,500hPa图上高纬为两槽一脊型,随着贝湖低槽东移,新西伯利亚斜槽南压至巴湖地区（图2b）,地面冷空气继续向南侵袭,已经控制了青海及甘陕大部地区。盆地为副高边缘偏南气流控制,两条水汽通道维持,孟湾向盆地的水汽输送有所增强。中低层,四川地区仍是一个明显的低压暖中心。22日20时左右随着弱冷空气入川,盆地西北部的局部地区出现了-1℃到-5℃的负变温,冷暖气流在此交汇,产生明显的对流抬升运动,致使绵阳北部地区开始出现降水。

23日,随着“黑格比”台风的北抬登陆（图2c）,副高脊线移至北纬25°,东经103°附近。从南海到四川的暖湿气流受到这两个系统的挤压,风力明显加大,源源不断地向盆地输送水汽。同时,孟湾向高原输送的水汽也明显加强,盆地水汽条件良好。盆地西北部地区在500hPa高度上表现为强辐散,中低层则为辐合,有良好的垂直对流运动,层结极不稳定。随着冷空气进一步南下与暖湿气流汇合,盆地西北地区发生了强烈的中尺度对流运动。由于台风和副高的北抬维持,在盆地西北地区形成了堵塞降水,很多地方出现暴雨甚至大暴雨天气。同时,盆地不稳定能量触发释放,发生剧烈雷暴。之后,台风减弱西移,地面冷空气加强南下,副高开始东退,降水辐合区向川东北地区移动。24日下午,冷空气主要控制川东地区。在850hPa上有一支偏南气流沿着台风外围向川西高原输送水汽,与孟湾的水汽输送在高原东北边缘交汇,因此盆地西北部部分地方湿度较大,局地仍有小扰动而维持小到中等强度的降水,包括绵阳的北川。盆地其它地方由于无明显影响机制降水减小或停止。

3.2 第二时段降水的环流特征（9月25-27日）

25日的500hPa图上,巴湖和咸海之间的冷低压中心开始分裂多波动槽补充冷空气南下。台风西移减弱,副高东退到了北纬32°,东经111°附近。南海水汽沿着台风边缘向四川输送。东北大槽向南加深,中低层有明显冷空气向四川东部回流（图2d）。

26日,补充冷空气翻越秦岭大举入川,与回流冷空气汇合,在川中、东部地区与暖湿气流发生对流抬升运动,从而形成降水。由于辐合区主要位于四川中部和川东北的地区,因此比起上一次降水时段,25-26日的降水区域要偏东一些。绵阳中、南部地区在此次过程中的主要降水就集中在这一时段。

图2 天气形势图

27日,冷空气基本控制盆地,东南向水汽通道随着台风的消亡、副高的东退而消失,盆地降水自西到东逐渐减小结束。

4 降水主要影响系统分析

通过上述的环流特征分析,可以提出此次暴雨天气过程形成和持续的主要影响系统是西太平洋副高、冷空气、两条水汽通道以及台风。

4.1 西太平洋副高

此次过程中,副高主要发挥的作用:前期,副高控制四川地区,盆地天气晴好、气温较高,持续的高温使其成为一个明显的暖区,累积了巨大的不稳定能量;后期,沿副高边缘的西南气流源源不断地将水汽从南海向盆地输送（两条水汽通道中重要的一条）,为暴雨降水提供了充足的水汽;此外,副高对降水系统有一定的阻塞作用,延长了降水时间,有利于形成暴雨。

4.2 冷空气

此次过程中,不断南下的冷空气与西南暖湿气流相遇,产生强烈的对流抬升运动,使盆地不稳定能量释放,是暴雨、雷暴的重要触发机制。但在两个降水时段中,冷空气的组成及其对盆地的影响形式却不尽相同:第一个降水时段中,主要是通过新西伯利亚斜槽东移南压携带冷空气南下,冷空气从西北方向经高原南下影响盆地,冷暖气流辐合区偏西偏北,降水主要集中在绵阳北部地区;第二个降水时段,新西伯利亚冷低中心补充冷空气南下,其与东北低压冷槽回流的冷空气合并,共同影响四川中部和东北部地区（与暖温气流的辐合区较上一时段偏东）,由于冷空气的持续南下,绵阳全区都出现降水,南部几县的降水就主要集中在这一时段。

4.3 水汽

暴雨形成的第一个重要条件就是充分的水汽供应,在此次过程中存在两条明显的水汽通道:一条从孟加拉湾地区经高原向盆地输送（图3a）。高原西南季风的存在,使得孟湾水汽向盆地的输送变得可能。另一条重要通道是从南海向盆地的水汽输送（图3b）。其中,22-24日的南海水汽通道主要是由副高边缘的偏南气流形成的;25-26日,“黑格比”台风边缘的偏南气流形成南海水汽通道。孟湾、南海两条水汽通道为暴雨降水提供了充足的水汽,其持续不断地水汽输送保证了降水的持续。

图3 水汽通量图

4.4 台风

在此次过程中,台风主要发挥了两个作用:堵塞、水汽输送。23日20时,台风“黑格比”登陆福建并逐渐北上西移,其与西太平洋副高形成了明显挤压,一方面加强了南海水汽的输送,另一方面则形成了明显的阻塞,使降水系统稳定持续。24日随着台风西移减弱,偏南气流沿台风云系边缘自南海向盆地输送水汽,形成了四川地区东南方向新的水汽通道。

5 物理要素场分析

5.1 不稳定能量

从能量学的角度考虑,强对流天气的发生、消散,实际上是大气中能量聚积和消散过程。不稳定能量越大,对流天气越强烈。在此主要运用以下两个指数对不稳定度进行判断:

5.1.1 沙氏指数（SI）

据研究[1],沙氏指数与对流性天气的对应关系（标准）有:SI＞+3℃,发生雷暴的可能性很小或没有;0℃＜SI＜+3℃,有发生阵雨的可能;-3℃＜SI＜0℃,有发生雷暴的可能性;-6℃＜SI＜-3℃,有发生强雷暴的可能性;SI＜-6℃,有发生严重对流性天气（如龙卷风）的危险。

为了解绵阳地区在此次暴雨天气过程中不稳定能量的变化情况,又由于探空站个数的有限性,在此选取了5个探空站的沙氏指数进行比较（表1）。表中的红原、温江、达州、武都、汉中5站分别代表了川西、川中、川东北、甘南、陕南的沙氏指数水平,从而形成一个以绵阳为中心、可供评估的能量区域。

从表1可以看到:23日到25日,是过程不稳定能量最大的时期,并且能量主要集中在盆地西北部地区,与实况降水、雷暴的区域相对应。22-23日,各站不稳定能量不断增大,到23日20时温江站沙氏指数达到-3.1℃,表明四川中、北部地区的层结处于极不稳定处态,具备发生强对流天气的条件。当晚,盆地西北部出现强烈雷暴、暴雨天气,实际情况与沙氏指数标准所标示的对流天气程度相符合,说明该标准在四川地区有一定的可用性。24日08时,温江、达州、武都站沙氏值仍小于零,四川中、北部强对流天气持续。24日20时,盆地中部地区由于长时间的剧烈雷暴损耗了大量能量,因而温江站的沙氏指数值较昨日同一时刻小,但其余各站的不稳定度都大于昨天同一时次,四川北部仍具有明显不稳定能量。25日,只在温江和达州地区有 SI＜0℃的不稳定能量,盆地东部地区开始出现降水,说明不稳定能量有东移南压的趋势,川中、北地区降水持续,但强度较之前减弱。需要指出的是,25日20时温江站的沙氏指数值达到-3.2℃,川中地区层结不稳度仍然较大,但是由于天气系统的不配合,对流强度明显减小。26-27日,各站沙氏指数值不断增大,并始终＞3℃（除红原站外）,盆地层结趋于稳定,降水过程逐渐结束。

表1 2008年9月22-27日红原等5个探空站点的沙氏指数值

5.1.2 海平面K指数

K指数又称为气团指标,对气团的潮湿度、稳定度有一定判别能力,即低空水汽愈充沛,层结愈不稳定。并且当K＞35℃时,具备大片雷雨的条件[2]。

20日08时到26日08时,四川盆地的K指数值始终＞36℃,具备较好的降水条件。其中,从23日08时开始盆地大部地区（包括广元-绵阳-成都-乐山-宜宾一线）K指数值陡升,普遍增大到40℃以上,成都地区更大于48℃,具有极大的不稳定能量,低空水汽条件良好。23日20时,绵-德-成-乐-宜地区海平面K指数值普遍大于44℃,此时盆地西部不稳定能量达到过程最大值,一触即发。24日08时,盆地西北部地区仍处于大于40℃的K指数区,成都大于44℃,这说明盆地水汽条件良好,层结仍处于极不稳定状态,此时雷暴、暴雨天气持续且强烈,K指数与实况对应良好。26日20时,36℃区南退,绵阳被28℃线控制,已不具备出现大范围降水的条件。

5.2 水汽条件

5.2.1 相对湿度

22日08时,四川大部分地方的中高层都处于80%相对湿度区控制,是一个明显湿区;而高原湿度更大一些（90%）,这与孟湾的水汽输送是密不可分的。此时,绵阳地区天气晴朗,气温较高,是一个相对的低湿度中心（70%-80%）。20时,高原湿区东移,成都地区到绵阳西北部都逐渐转为90%的相对湿度,整层水汽含量较高。23日08时到24时08时,500hPa上四川地区始终处于大于80%的相对湿度大值区控制,其中四川中、北部地区（成都、绵阳、德阳等）相对湿度一直为90%,为暴雨过程提供了良好的水汽条件（图略）。26日20时,500hPa高度上四川地区的水汽含量明显减少,只有绵阳东南部至盆地东南部还处于相对湿润区中（80%）,四川的其余地方相对湿度皆为60%左右。700hPa高度上四川为80%相对湿度区控制,无明显的大值或小值区。在这次过程中,850hPa高度上盆地始终被相对湿度大值区（80%）所控制,低层水汽条件较好。

5.2.2 水汽通量散度

充足的水汽是暴雨形成的重要条件之一。暴雨的发生不但要求有很好的局地水汽条件,还要有源源不断的水汽补充。只有大量的水汽在降水区辐合（水汽在当地集中起来）,暴雨才有可能发生。表示这种输送来的水汽集中程度的物理量就是水汽通量散度A,当 A＞0则水汽通量是辐散的（水汽因输送出去而减少）,若 A＜0则水汽通量是辐合的（水汽因输送进来而增加）[1]。

绵阳地区各时刻水汽通量散度图如图4所示。从图4可看出:降水期间,低层为明显的水汽辐合,高层则对应着明显的水汽辐散,整层水汽的配置条件良好,有利于降水的产生及维持。此次过程当中,低层水汽辐合主要集中在850hPa左右的高度上,而高层辐散则在650hPa左右。此外,降水量与高、低空水汽的辐合强度及深度相对应,强的水汽低空辐合及高空辐散有利于产生强烈降水。过程最强降水时刻（24日02时图4a）对应着过程中最强的低层水汽汇入（其水汽通量散度为-7×10-5g/（s◦cm2◦hPa））和高空水汽辐散（4×10-5g/（s◦cm2◦hPa））;随着低层水汽辐合和高层水汽辐散值的逐渐减小,水汽条件减弱,降水也相应地逐渐减小结束。值得提出的是,在降水后期低层水汽辐合高度会降低,地面水汽含量大大增强（图4b）。

图4 绵阳地区水汽通量散度图

通过绵阳地区水汽通量散度的时间序列图可以看出:第一降水时段的低层水汽汇入量明显大于第二降水时段,其中,24日凌晨和26日凌晨分别为两个时段的水汽最丰富期（图4c）,同时对应着较强的高空辐散（3.8×10-5g/（s◦cm2◦hPa）、3.7×10-5g/（s◦cm2◦hPa））（图 4d）,对应实况,这两个时次分别出现了过程最大、次大降水期。降水发生前,当地低层水汽有一个明显的汇聚上升过程,到达顶峰后降水发生,其峰值影响着降水强度及降水量。降水发生后,从最强阶段到降水结束,区域的水汽含量呈明显的下降趋势,降水结束后区域的水汽辐合量达到最小。此外,第一降水时段绵阳北部各县的水汽辐合量较大,第二降水时段南部各县水汽辐合量则有明显提高（图略）,水汽辐合大值区表现出自北向南移的趋势。

5.3 垂直运动

由于垂直运动可以引起水汽、热量、动量、涡度的垂直输送,并使大气层结不稳定能量释放,因此其对天气系统的发生、发展影响极大[1]。首先,通过垂直速度的层结剖面图,可对此次过程中主要降水时次进行比较:24日凌晨为过程最强降水时期,与之相对应,24日02时（图5a）,绵阳地区整层都为明显的对流上升运动,最大上升速度（-0.8Pa/s）区位于750hPa高度上。到24日08时,暴雨、雷暴天气持续,此时整层仍为垂直上升气流,但最大上升速度减小（-0.5Pa/s）并下降到850hPa;同时,地面上升速度由02时的接近于0 Pa/s增长到-0.2～-0.15 Pa/s（图5b）。在过程第二降水时段中,气流的垂直输送明显减弱,对应着以层状云为主的持续降水。其中,26日02时（图5c）为本时段最强降水时刻,其上升气流从900hPa维续到 550hPa,最大上升速度达-0.75Pa/s（700hPa）,最大下沉速度达到0.2 Pa/s（400hPa）。根据以上比较可得出:此次过程当中,最大垂直上升速度区基本都集中在700hPa高度上下;降水强度与垂直上升速度值以及上升气流深度成正比,强降水时段对应着整层的强上升气流;第一降水时段垂直上升气流明显强于第二时段,这与实况降水相对应;从降水鼎盛时期到衰弱期,垂直上升速度值、对流上升高度逐渐减小,同时低层风力加大、高空下沉气流加强。

图5 绵阳地区垂直速度层结剖面图

其次,比较两个降水时段（以两个代表时刻的最大上升速度所在层结进行比较））:24日02时（第一降水时段）,四川东北部地区为垂直上升气流区（其中心在广元附近）,暴雨降水区域（包括绵阳）位于上升区的西北侧（图6a）。26日02时（第二降水时段）,上升区域移到四川中部地区,以都江堰为中心,此时绵阳南部（三台、盐亭等地）接近速度密集区（图6b）,有利于对流运动。此时段的降水区位于上升区的东北方,应该与回流冷空气在川东北辐合有关,同理,第一时段冷空气从盆地西北部入侵辐合而触发了上升区西北侧的降水区域,这也印证了前面的分析。

图6 不同时间不同等压面垂直速度（Pa/s）分布（图中黑点处为绵阳各县位置）

5.4 散度

对流云与低空辐合区有密切关系,强的高空辐散更对风暴的发生和维持有重要作用[3],因此散度分析常是暴雨分析中不可少的一部分。本次过程当中,绵阳地区的水平速度辐合基本都集中在850hPa高度。其中,24日02时为过程暴雨、雷暴天气最强烈时期,850hPa图上（图7a）四川东北部为以广元为中心的明显辐合区,绵阳地区位于其西北侧的速度密集区,其散度介于-2×10-5～-5×10-5s-1之间;500hPa绵阳地区为水平速度辐散区（0～1.5×10-5s-1）,其与低空辐合区对应并向东北方向倾斜;300hPa高空绵阳地区辐散强度增加到1×10-5～2×10-5s-1（图7b）,辐散强度随高度的增加使得高层气流加快流出,对流得以维持和增强。24日08时,暴雨、雷暴过程仍在持续,此时绵阳地区低层辐合已明显减小（-1×10-5～-2×10-5s-1图7c）,高空辐散介于0～+1×10-5s-1之间,整层对流减弱。26日02时,随着低层弱冷空气回流,出现新一轮降水,低层绵阳南部为速度辐合中心（图7d）,辐合强度最大达-3×10-5s-1。但与第一降水阶段不同的是高层辐散并不是呈逐层增大的形式,高层辐散主要集中在500hPa,300hPa高度上辐散极弱,其实况降水明显小于第一时段。在本次过程中,气流的辐散高度除在23日晚至24日早上（此次暴雨过程的最大降水时段）到达300hPa层次以上外,其余降水时段基本上都仅到500hPa以上。这说明辐合对流深度以及高空辐散强度与暴雨降水强度有较好地相关性。此外,辐合辐散区域对降水落区也有一定的指示作用。

图7 散度图（10-5s-1）（图中黑点处为绵阳各县）

6 结论及讨论

（1）此次过程根据降水特征可以分为两个降水集中时段:22日到24日中午,绵阳北部降水时段,雨强较大并伴随着强烈的雷暴;25日至27日08时,全区降水,雨强较小、各县雨量接近,绵阳中、南部的降水主要集中在这个时段。

（2）降水影响系统主要来自四个方面:西太平洋副高、冷空气、两条水汽通道以及台风。其中,西太平洋副高和台风在第一降水时段中充当了明显的暴雨堵塞系统;过程中两条水汽通道始终存在,除了副高、台风边缘形成的南海水汽通道外,孟湾的水汽输送也是在此类暴雨过程中需要注意的;冷空气是暴雨、雷暴的重要触发机制,冷空气路径及其与暖湿气流辐合区的位置影响了两个时段的降水落区。

（3）从沙氏指数分析可以看出,本次过程中不稳定能量有自西北朝东南向逐渐南移减小的趋势,第一时段的不稳定能量明显大于第二时段。沙氏指数和海平面K指数值在过程中有一定的指示作用,当 SI＜-3℃且 K指数＞35℃时,具备暴雨、雷暴所需的巨大不稳定能量及强不稳定层结。这两个指数对暴雨、雷暴过程能量支撑大小的指示作用,可以尝试作为暴雨、雷暴的强度预报着眼点之一。

（4）低层持续强的水汽辐合为暴雨持续发生提供了充足的水汽,降水量与高、低空水汽的辐合强度及深度相对应,强的低空水汽辐合及高空辐散配置有利于产生强烈降水。第一降水时段的低层水汽汇入量明显大于第二时段,水汽辐合大值区在过程中有自北向南部的移动趋势。

（5）过程第一降水时段的辐合上升强度明显大于第二时段。气流辐合、辐散区的分布及上升下沉气流的位置和强度与雨势和雨强的对应关系较好,对暴雨的落区和强度预报有一定指示意义。

[1] 朱乾根,林锦瑞,寿绍文.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,2000.

[2] 陆汉城.中尺度天气原理和预报[M].北京:气象出版社,2004.

[3] 丁一汇.高等天气学[M].北京:气象出版社,2005.