诱发云南麻栗坡特大山洪泥石流的暴雨成因分析

董兴欣 王郦 冯德花

（云南省文山州气象局，文山 663000）

0 引言

泥石流是一种由泥沙、石块等松散碎屑物质和水组成的流体，它暴发时，往往在顷刻之间给人类造成巨大的灾难。我国是一个地势西高东低的国家，并且山地面积占大多数，是一个泥石流灾害常发的国家，而且也是受泥石流危害最为严重的国家之一，每年由泥石流造成的直接经济损失达20亿元，死亡300～600人。影响泥石流形成的因素很多且很复杂，包括岩性构造、地形地貌、土层植被、水文条件、气候降雨以及近些年人类的活动等，诸多文章对泥石流灾害与降雨量的关系进行了深入研究。近年来，对泥石流的研究不仅局限于灾害特征、成因分析和防治措施，学者们在泥石流的监测预警预报、起动的临界条件和雨量、定量分析等方面也做了深入研究。

云南泥石流灾害自古有之，80%的泥石流灾害在夜间发生，而暴雨类泥石流是云南泥石流的最主要类型，因而对暴雨成因的研究十分重要。云南的气象工作者也对泥石流灾害进行了大量的灾害时空分布特征和气象成因分析。文山州位于云南东南部，属低纬高原季风气候区，干雨季节分明，雨季降水集中，多大雨、暴雨，是绝大多数地质灾害产生的诱发因素。 2018年9月2日凌晨，云南省文山壮族苗族自治州麻栗坡县发生了特大山洪泥石流灾害，造成了重大经济损失和人员伤亡，由于事发在凌晨，又局地性较强，使得难以提前预测和防范。本文对这次泥石流灾害从天气学角度进行分析，剖析灾害性天气发生的水汽来源、动力、热力学条件，以期找出重大灾害性天气事件的天气学特征，为以后类似天气的预报提供借鉴。

1 降水实况和灾情

2018年9月1日20时—2日20时（北京时，下同），云南省文山州出现了一次区域性暴雨、局部大暴雨天气过程，其中大暴雨4站，暴雨16站，大雨44站，强降水雨带呈东北—西南走向（图1），主要涉及麻栗坡、西畴、广南、马关等县，此次过程单点性短时强降水特征明显，强降水主要出现在2日02时—2日上午10时，致使麻栗坡、西畴、广南等地出现了洪涝灾害。据民政局统计，暴雨造成了道路交通、水利及电力设施、农作物、房屋不同程度损毁，三县共受灾83220人，转移安置1769人，房屋倒塌360间，共造成经济损失14002.13万元；其中麻栗坡县受灾最为严重，猛硐乡因为特有的地形因素，最大小时雨强和24小时雨量均出现在猛硐，2日03—04时雨量达97.4 mm，极为罕见，24 h雨量达212.2 mm，强降水时段出现在02—06时（图2），产生了较大范围的山洪泥石流灾害，造成10人死亡、7人受伤、11人失踪，成为受灾区的重中之重。

2 环流背景

图1 云南省2018年9月1日20时—2日20时雨量分布，（单位：mm，图中“○”为猛硐所在地）Fig. 1 Rainfall distribution map of Yunnan Province from 20：00 on September 1 to 20：00 BT on 2 September 2018 (unit: mm), in which“○”is the location of Mengdong

图2 2018年9月2日麻栗坡县猛硐乡逐时雨量演变Fig. 2 Hourly rainfall evolution on 2 September 2018 in Mengdong, Malipo

本次暴雨主要发生在1日夜间至2日凌晨，在9月1日08时暴雨发生前（以下简称酝酿阶段）100 hPa图上，南亚高压主要高压中心在90°E以东，高压南侧热带东风急流开始建立，暴雨开始时2日02时（以下简称爆发阶段），热带东风急流有所加强，云南大部位于南亚高压南侧，猛硐受其南侧的热带东风急流控制且位于急流入口区右侧，具有较强的高层辐散和潮湿不稳定特征（图3a）；2日20时，南亚高压东移至100°E附近，猛硐位于急流轴上，动力抽吸作用有所减弱。酝酿阶段500 hPa高度场（图3b）上，亚洲中高纬为“两槽一脊”环流形势，副热带高压位置明显偏东，其西伸脊点位于145°E附近，脊点附近是2018年第21号超强台风飞燕（22.2°N，136.1°E），受副热带高压西侧偏北气流影响，“飞燕”向偏北方向移动，对云南无明显影响，长江中下游、中南半岛至南海一带分别为两个高压控制；爆发阶段，上述两个高压均向西发展移动，分别控制云南以北和以南的区域，在云南形成两高间的风向切变，在印度半岛至孟加拉湾一带生成一个低压系统，云南受西部低压和南部高压外围的两股西南气流影响，并且与北边高压南部的东北气流产生交汇，有利于暴雨的发生发展；2日08时滇中以南大部转为低压控制。酝酿阶段700 hPa风场（图3c）上，曲靖北部到临沧一带存在一条贯穿滇中的东北—西南向切变线；20时在切变东侧文山以东以北形成一个闭合性低压环流；爆发阶段文山为偏西气流控制，以东转为偏南风，存在风向辐合切变；2日白天文山转为偏东气流控制。高低层系统配置加上猛硐特殊地形抬升作用，为此次大暴雨的产生提供了非常有利的环流条件。

图3 2018年9月2日02时环流背景（a）100 hPa热带东风急流（阴影）和高层辐散的配置（流线）（单位：m/s）；（b）500 hPa高度场（单位：dagpm）；（c）700hPa风场（单位：m/s）Fig. 3 Circulation background at 02:00 BT on 2 September 2018(a) configuration of 100 hPa tropical easterly jet (shadow)and high-level divergence (streamline) (unit: m/s); (b)500h Pa height field (unit: dagpm); (c) 700 hPa wind field(unit: m/s)

3 物理量场分析

3.1 水汽条件

水汽是产生降水的必要条件，而暴雨则要求有充分的水汽供应，从700 hPa水汽通量分布来看，从酝酿阶段开始猛硐附近就存在水汽通量的辐合流入（图略），一直维持到爆发阶段水汽来源以孟加拉湾西南气流为主（图4a）。2日白天开始孟加拉湾西南气流水汽输送明显南移到越南一带，猛硐水汽输送明显减弱，降水减小；从700 hPa水汽通量散度分布来看，酝酿阶段文山大部为水汽通量散度的辐散区，1日20时开始转为辐合区，爆发阶段云南南部大部为水汽通量散度的辐合区，文山范围水汽辐合均大于5×10g·s·cm·hPa，猛硐附近辐合中心值约达10×10g·s·cm·hPa，表明有大量水汽流入并形成降水（图4b）。2日08时水汽辐合开始减弱，降水减弱，2日20时文山区域辐合区基本分析不出，猛硐附近水汽辐合减弱到＜5×10g·s·cm·hPa。

从此次过程的相对湿度（RH）垂直分布来看（沿猛硐（22.87°N，104.71°E）所在纬度做剖面），在酝酿阶段，猛硐上空整层大气RH均小于90%，20时中高层500 hPa以上湿度有所增加（图略），这与500 hPa上的西南气流带来的水汽对应较好，到爆发阶段，整层大气RH均较高，从750 hPa到200 hPa是一个递增的趋势，且中高层相对湿度维持在98%左右，湿层深厚（图4c），2日白天RH开始降低，降水减弱。

3.2 动力条件

强烈的上升运动是暴雨的动力条件要求，从高低层散度场的配置可以发现，酝酿阶段除滇西部分地区外，其余地区低层700 hPa为辐散，1日20时转为明显辐合区，爆发阶段猛硐附近为-8×10s（图5a），低层存在明显辐合，一直到高层300 hPa才转为辐散场，值为8×10s（图5b），说明低层辐合上升作用很强，上升气流强大且深厚，为暴雨提供了非常有利的动力条件，之后2日08时700 hPa散度场转为辐散，上升运动减弱，降水趋于减弱结束。

以猛硐（22.87°N，104.71°E）所在纬度沿高度做垂直速度剖面，分析大暴雨开始前9月1日08—20时，猛硐上空无明显上升运动，值在±0.1 Pa/s（图略），爆发阶段从850～250 hPa均为强大的上升气流控制，且越往上，上升速度越强，400 hPa附近存在两个上升速度大值中心，最大上升速度为0.7 Pa/s（图5c），之后上升运动明显减弱，2日20时已表现为弱的下沉运动。

图4 2018年9月2日02时水汽条件（a）700 hPa水汽通量分布（单位：g·s-1·cm-1·hPa-1）；（b）700 hPa水汽通量散度分布（单位：10-6 g·s-1·cm-2·hPa-1）；（c）猛硐上空相对湿度垂直剖面（单位：%）Fig. 4 Water vapor conditions at 02:00 BT on 2 September 2018(a) distribution map of 700 hPa water vapor flux (unit:g·s-1·cm-1·hPa-1); (b) dispersion distribution map of 700 hPa water vapor flux (unit: 10-6 g·s-1·cm-2·hPa-1);(c) vertical profile of relative humidity over Mengtong (unit: %)

图5 2018年9月2日02时动力条件（a）700 hPa散度场；（b）300 hPa散度场 （单位：10-6s-1 )；（c）猛硐上空垂直速度剖面（单位：Pa/s ）Fig. 5 Dynamic conditions at 02:00 BT on 2 September 2018(a) 700 hPa divergence field; (b) 300 hPa divergence field(unit: 10-6s-1 ); (c) vertical velocity profile over Mengdong(unit: Pa/s)

3.3 不稳定层结分析

通过对毗邻文山州西部的蒙自站探空图（图6a）进行分析，可以看到，在9月1日08时，中低层大气存在深厚湿层，在降水开始前期存在一定不稳定能量，CAPE值为661.6 J/kg， K指数为42 ℃，SI指数为-2.65 ℃，容易产生强对流天气，低层850～700 hPa存在明显的偏南风和偏西风切变，扰动产生上升运动，高层300 hPa以上为偏东气流控制，性质干冷，与中层偏西风形成“对吹”形势，整层大气“上干冷、下暖湿”，潜在不稳定条件较强，极易引起暴雨的发生和发展。

图6 文山西部蒙自站探空图（a）2018年9月1日08时 ；（b）2018年9月1 日20时Fig. 6 Sounding map of mengzi station in western Wenshan(a) 08:00 BT on 1 September 2018; (b) 20:00 BT on 1 September 2018

在1日20时，低层仍然存在垂直风切变，700 hPa附近存在弱逆温层，起到“锅盖”的作用，积蓄不稳定能量，且中低层风向随高度顺时针转动，有暖平流，高层无明显垂直风切变，CAPE值为2067.1 J/kg，K指数为44 ℃，SI指数为-2.71 ℃，午后增温，不稳定能量显著增加，K指数和SI指数均有所加强，整层大气不稳定度增强，极易产生强对流天气，但不利条件是湿层变得浅薄，由于此探空站位于文山州西侧，这与上面分析的水汽来源为偏南风相对应（图6b）。

4 卫星云图和雷达资料

通过分析从国家卫星气象中心下载的2018年9月2日03—08时（01—02时资料缺测）的TBB（相当黑体亮温）（图略）可以发现，猛硐上空03—05时的TBB值均较高，为123 K（－150 ℃）左右，03—04时猛硐以东北、西南分别存在两块强大对流云团的TBB低值区，最低温度达-170 ℃以下，而产生最大小时雨强97.4 mm的猛硐并不在TBB最低处，强降水并不在TBB最低处，分析其可能的原因是位于其东北、西南两个云团的结合处，较强的辐合配合地形作用导致的局地强降水，06—08时整体降水减弱，TBB值明显回升。

从雷达0.5°仰角回波分布来看，猛硐9月2日02时开始出现较强回波（图略），03—05时一直存在回波强度在40 dBz以上的回波，且03时最强，之后逐渐减弱（图7），这与猛硐逐小时降水分布对应较好。

从ET（回波顶高）来看，03时猛硐附近存在两团回波顶高在11 km左右的对流云团，猛硐位于两对流云团的结合处，较强的辐合可能是导致局地强降水发生的原因之一，04时对流减弱，回波顶高降低，降水变弱（图8）。

5 地形抬升作用

沿猛硐乡（22.87°N，104.71°E）所在纬度做流场垂直剖面（图9a），可以发现，在猛硐附近存在明显地形抬升作用，往上至高空200 hPa均为强大深厚的上升气流控制，且存在一定气流辐合（图中椭圆圈出位置）。

从猛硐地形图（图9b）也可以看出，猛硐以南香草棚附近为一条南北走向和东北—西南走向的山脉交汇处，暖湿的偏南气流来到这里后，特有的地形不仅起到抬升气流成云致雨的作用，还会形成气流的交汇、辐合，加强上升运动，加上猛硐位置比较偏南，偏南气流带来的充沛的水汽条件，再由于猛硐乡位于山脚，地势较低，容易造成局地短时强降水，实况也证明文山州多次降水过程的强降水区域大多有猛硐乡；虽然猛硐前期降水量并不是特别多，但是其境内有猛硐河，配合地形影响和比较疏松的地质条件，降水落到地面渗透条件较差，造成了此次山洪、泥石流、农田内涝等灾害。

6 结论

1）通过分析高低层环流背景，发现从酝酿阶段到爆发阶段，100 hPa南亚高压南侧热带东风急流开始建立并加强，猛硐位于高空急流入口区右侧，具有较强的高层辐散和潮湿不稳定特征；同时，500 hPa形成两高间的相对低压区并控制云南大部，西南气流与东北气流在此交汇；在700 hPa风场上，猛硐附近形成偏西风和偏南风的辐合切变，整层大气水汽和动力条件都非常有利。高低层系统的配置为此次大暴雨提供了非常有利的环流条件。

图9 （a）2018年9月2日02时暴雨开始时段流场沿22.87°N的垂直剖面；（b）猛硐地形图Fig. 9 (a) The vertical section of the flow field along 22.87°N at the beginning of rainstorm at 02:00 on 2 September 2018,(b) Topographic map of Mengdong

2）分析其水汽、动力和不稳定层结条件，发现整层水汽条件较好，存在大量水汽辐合流入，湿层深厚，水汽来源以孟加拉湾西南气流为主；低层辐合、高层辐散特征明显，上升气流强大且深厚；整层大气“上干冷、下暖湿”，且低层存在垂直风切变，大气层结对流不稳定，极易引起暴雨的发生和发展。

3）从雷达回波分析来看，猛硐强降水时段一直存在回波强度在40 dBz以上的回波，且03时最强，之后逐渐减弱，这与猛硐逐小时降水分布对应较好；雷达回波顶高ET和卫星TBB资料都显示猛硐并不位于ET高值区和TBB低值区，而是位于其东北、西南两个对流云团的结合处，分析其可能原因是受较强的辐合配合有利的地形抬升作用从而导致的局地强降水。

4）分析其地形影响发现，猛硐上空存在上升气流的辐合，加强了上升运动，虽然猛硐前期降水量并不是特别多，但是其境内有猛硐河，山高沟深以及土质疏松的地形地貌特点，也是导致本次特大泥石流的原因之一。