凉山“8·31”致洪暴雨过程的中尺度诊断分析

2013-01-05陈文龙谌贵王旬李文杰

成都信息工程大学学报 2013年3期

陈文龙, 谌贵王旬, 李文杰

(1.凉山州气象台,四川西昌615000;2.四川省气象台,四川成都610072;3.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225)

0 引言

暴雨是雨季川西南山地和低纬高原的重要天气,也是最受关注的灾害性天气之一。对暴雨的研究表明[1-3],在有利的天气尺度环流背景下,需要不同尺度天气系统的有利配合,才能产生暴雨,而中尺度天气系统是造成暴雨的直接天气系统。近年来,通过天气学中尺度分析以及运用气象卫星、天气雷达等探测手段,对暴雨的中尺度研究已取得大量成果[4-8]。

凉山州地处四川省西南部、低纬高原北部,其西北部紧临青藏高原,全州地形以山地为主,地貌类型多样,众多南北走向的山脉造就了凉山州地形的主体框架[9-10]。特殊的地形和地理位置在很大程度上决定了凉山州暴雨落区分散和局地性强的特点,使预报的难度增大。虽然暴雨过程雨量不及四川盆地的暴雨过程,但在特殊的地理和气候背景下,加上地形、植被、水土等方面的原因,暴雨常会带来山洪、泥石流等次生灾害。利用常规气象观测资料、NCEP每6h一次的1°×1°格点再分析资料、风云2E卫星云图资料对发生在凉山州北部的一次局地大暴雨过程进行了中尺度特征的诊断分析,以求找到更适合本地的暴雨预报着眼点,提高对局地大暴雨的预报能力。

1 暴雨过程概况

2012年8月30～31日,凉山北部出现了一次暴雨天气过程,暴雨落区主要在喜德、雷波、昭觉3县,县城的降水量分别为71.9mm、66.9mm、56mm,位于孙水河上游的喜德县热柯依达、依滋觉、两河口、且拖4个乡的降水量分别达到149.2mm、63.4mm、60.1mm、58.8mm,由于通讯中断,8月31日16时以后热柯依达以及孙水河上游其余区域自动站数据缺失,实际的暴雨站数可能更多,实际的雨量还可能更大。这次局地大暴雨过程引起孙水河水位暴涨,携带着大量泥沙的河水冲毁河堤、桥梁,造成了喜德县多个乡镇以及下游冕宁县泸沽镇的大量房屋、农田被淹,交通、供电、供水、通讯、水利等基础设施受到严重破坏。

此次暴雨的主要降水时段为31日5～16时,从暴雨中心热柯依达的小时降水量变化(图1)可以清楚地看到:小时雨量有两个波锋,分别出现在31日6时和10时,其小时雨量分别达到32.5mm、31.0mm;喜德县城在31日0时和16时分别出现20.2mm、9.2mm的较大雨量。雷波、昭觉、依滋觉、且拖4站的主要降水也都出现在31日5～16时(图略)。

图1 2012年8月30日21时～31日20时逐时降水量分布图(单位:mm)

2 环流背景及影响系统

在200hPa图上(图略),中国西南地区一直处于南亚高压的控制之下,其中心位于川、滇、藏3省之间,凉山处于高压中心附近的辐散区内,对流层高层的辐散有利于中低层的辐合产生和发展。而500hPa图上,亚洲中纬度为两脊一槽(图2),贝加尔湖到新疆哈密有一低槽,低槽底部有短波槽分裂经青藏高原东移影响四川,副高西伸后断裂,在华东到华南一带形成一个孤立的高压环流,同时在孟加拉湾以北残存有一个反气旋环流,凉山正好位于两高之间并存在一弱切变,两高之间的弱切变是这次凉山致洪暴雨主要影响系统。700hPa图上(图略),凉山处于西南急流的左侧,西昌风速和比湿分别达到了10m/s和12g/kg。因此,凉山处于对流层高层的南亚高压中心附近的辐散区内,在两高之间切变和较强的西南暖湿气流作用下产生了局地大暴雨天气。

3 物理量诊断分析

3.1 热力条件

层结稳定度参数和特征高度可以很直观地反应出大气环境是否有利于强对流的发生[11]。沙氏指数(SI)是一个重要的层结稳定度参数,其值愈小,愈有利于大气层结不稳定;对流有效位能(CAPE)直接反映了局地不稳定能量的多少;对流抑制有效位能(CIN)表示要发生对流需克服的能量;自由对流高度(LFC)的高低决定了对流所需抬升力的强弱。

发生暴雨的孙水河上游区域在(102.4°E～102.6°E,28.0°N ～ 28.4°N),故选取 25°N ～ 31°N 沿 102.5°E 做假相当位温(θse)的经向剖面图(图3)。

30日20时(图3a),28°N～30°N存在明显的能量锋,暴雨区及其以南处于 θ se≥88℃的高能区内,高能舌从近地层伸到450hPa附近,θse800-500=9℃。从距离暴雨区仅30km的西昌站的部分层结稳定度参数和特征高度看(表1),此时SI=-1.59℃,CAPE=1211.7J·kg-1,潜在的对流能量相当丰富,而 N=48J·g-1,LFC=69.54hPa,使弱对流不易发生,能量在低层累积,大气层结处于条件不稳定状态。31日02时,在近地层辐合线的触发下,不稳定能量释放,对流迅速发展,降雨在05时后明显增强。31日08时(图3b),伴随着强降水持续,能量锋减弱,暴雨区低层的θse减小到80℃,而 θse800-500仅为2℃,CAPE和SI的显著变化也表明大气层结趋于稳定。

图2 8月31日08时500hPa高空环流形势

表1 西昌探空站(海拔1592m)部分层结稳定度参数和特征高度随时间的变化

图3 沿 102.5°E假相当位温(θse)的经向剖面(单位:℃)

3.2 动力条件

图4分别给出暴雨中心热柯依达(102.5°E,28.1°N)上空的相对涡度、散度和垂直速度的时间剖面图。

相对涡度场上(图4a),随着强降水的开始中低层的正相对涡度显著增大并向高层扩展,31日08时,500hPa附近出现了一个6×10-5·s-1的正涡度中心,正涡度区一直延伸到200hPa附近,200hPa以上则为明显的负涡度区;31日16时降水减弱,中低层的正涡度也明显减弱,500hPa的正涡度中心消失。从散度场看(图4b),600hPa以下为主要辐合区,随着降水增强,低层的辐合加强,在31日02～10时,750hPa附近形成了一个-4×10-5·s-1的辐合中心;与低层辐合相对应的是300hPa以上的高层为主要的辐散区,31日08时180hPa附近出现了一个5×10-5·s-1的辐合中心。高层辐散强于低层辐合,有利于上升运动的维持,同时也使暴雨维持和发展[12],暴雨期间上升运动显著增强。

图4 热柯依达上空涡度、散度以及垂直速度的时间剖面(横轴时间为世界时)

3.3 水汽条件

图5分别给出整层水汽通量、整层水汽通量散度的分布图,以及大暴雨中心的水汽通量和水汽通量散度的时间剖面图。

凉山海拔相对较高,其水汽输送主要在800hPa层以上。从30日20时到31日08时,来自孟加拉湾不断地向降水区输送(图5a、5b),凉山州的整层水汽通量虽然明显小于贵州到四川盆地东部一带,但有显著增量,从100kg·m-1·s-1增大到了 200kg·m-1·s-1,增加了 1倍。大暴雨中心热柯依达的水汽通量的大值区在 800～600hPa层,到31日08时左右水汽输送大值区向高空扩展,同时还在700hPa附近水汽通量达到7.5g·cm-2·hPa-1·s-1的极大值(如图5e),充足的水汽输送保证强了降雨的持续。

整层水汽通量散度在30日20时后同样是迅速增大(图5c、5d),到31日08时,凉山州暴雨区附近形成了一个-6×10-4·kg·m-2·s-1的水汽辐合中心,水汽辐合的强度并不亚于贵州和四川盆地(图5d),强烈的水汽辐合使强降雨维持。从暴雨中心热柯依达水汽通量散度的时间剖面图上(图5f)可以看到,31日02时以后,水汽辐合的增量在700hPa层以下尤其明显,水汽辐合区扩展到了400hPa以上;31日08时左右在750hPa以下出现了一个大于-4×10-4·kg·m-2·s-1的水汽辐合中心。

总之低层的显著增大的水汽通量与强烈的水汽辐合成为次局地大暴雨天气重要的水汽条件。

图5 整层水汽通量(阴影和等值线为整层水汽通量值,单位:kg·m-1·s-1,▲为强降水中心热柯依达)

4 中尺度特征分析

4.1 卫星云图

通过红外云图TBB的特征分析可以很直观的监视暴雨云团(特别是中尺度暴雨云团)的移动和演变以及降水量与TBB之间的关系。采用了费增坪等[12]对MCS的定义,即由对流云组成;TBB≤-32℃的冷云区面积≥105km2;TBB≤-52℃的冷云区面积≥6400km2;持续时间为1h以上;冷云区的形状呈圆形或椭圆形,最大尺度的椭圆率≥0.5。通过分析发现直接产生此次局地大暴雨天气的是一个典型的MCS。

从30日20时到31日2时(图略),凉山州西部有对流云活动,产生了喜德县20.2mm/h的短时强降水,31日1时后该对流云团的结构变得松散,范围减小,TBB值升高。31日3时后对活动加强,逐渐形成一个MCS,下是该MCS生命史的五个阶段。

初生阶段(31日3～4时,见图7a),对流云的范围继续减小,TBB≤-32℃的边界仍较为散乱,TBB≤-52℃的冷云区向云团中心收缩,云团中心的TBB值降低,这一时段内的降水强度不大,仅有个别站超过了5mm/h。

发展阶段(31日5～7时,见图7b),TBB≤-32℃的边界进一步向中心收缩,云团四周的TBB梯度增大,云团结构变得紧密,TBB≤-52℃的冷云区面积扩大至18000km2左右,云团中心有小范围的强对流发展,TBB低至-75℃,位于云团北侧TBB梯度最大处的热柯依达和两河口分别出现了32.5、9.9mm/h的雨强。

成熟阶段(31日8～11时,图c、d),MCS发展到成熟阶段,云团边界光滑,整体呈椭圆形,TBB≤-32℃和TBB≤-52℃的冷云区面积分别达到了36000km2和28000km2,MCS中心的TBB低至-69℃。在MCS北侧TBB梯度大值区附近,热柯依达分别出现了31.0mm/h、26.6mm/h、15.8mm/h的短时强降雨,雷波县城和美姑县拉木阿觉的小时雨量也都超过了10mm。

消散阶段(31日12～16时,图e、f),MCS的结构逐渐变得松散,边界变得不光滑,云团中心TBB升高,冷云区面积缩小。低层的辐合及上升运动明显减弱,对应的降雨量也明显减小。16时后(图略)云团分裂为几块小的弱对流云,TBB升高到-50℃,MCS特征消失。

在对流云团生消演变中,在有利的环境条件配合下,一个持续时间较长且稳定少动的MCS是暴雨产生的直接原因,短时强降水和暴雨区集中在MCS北侧TBB梯度最大的地方。

图6 风云2E卫星T BB分布图(▲为强降水中心热柯依达)

通过高精度可见光云图,可以MCS更加直观地分析MCS的演变特征。31日7时(图8a),处于展阶段的MCS,内部对流的旺盛使其顶部凹凸不平,对流云上冲云顶西侧有明显的暗阴;31日08时(图8b),MCS进入成熟阶段,具有椭圆形的紧密结构,在对流层高层东北风的作用下,云团西南侧形成了丝羽状的卷云;31日11时(图8c),MCS北部两个圆形的对流上冲云顶尤其引人注目,MCS南侧和西侧仍有絮状的卷云,可见此时云团内部仍有对流发展。

图7 风云2E卫星1km分辨率可见光云图

4.2 中尺辐合线的触发作用

近地层的中尺度辐合线对触发强对流并产生暴雨具有重要意义,为此分析了31日2时、8时近地层800hPa的流场变化情况。

在31日02时(图8a),凉山州暴雨区的中尺度辐合线已经出现,但此时暴雨区对流较弱,MCS还未形成,随着辐合逐渐加强,触发较大范围的深厚对流,促进了MSC发展。到31日8时(图8b),暴雨区的风速虽没有增大,但辐合显著加强,形成了一条呈西北-东南向的中尺度辐合线,其位置与暴雨区的位置大体一致。800hPa流场的辐合线直接触发了低层大气能量的释放,引导水汽辐合,促使上升运动加强并维持,MCS的发展得到加强。