2012年5月22日貴州西部大暴雨成因分析

王興菊，吳哲紅，白 慧，陳貞宏，楊忠明

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

貴州地處烏蒙山脈南端，云貴高原北部，地形復(fù)雜，由于其特殊的地理位置和大氣環(huán)流等因素影響，形成了貴州獨(dú)有的天氣特征，由持續(xù)性暴雨引發(fā)的洪澇和由突發(fā)性局地暴雨引發(fā)的泥石流等山地災(zāi)害常有發(fā)生。張潤瓊等［1］對貴州2002年6月一次暴雨天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬后指出，暴雨中心位于最大垂直速度中心附近，南北兩支閉合經(jīng)向垂直環(huán)流對暴雨區(qū)低空入流和高空出流具有非常重要的作用。吳哲紅等［2］利用MM5 V3.6模式模擬了貴州2004年5月的一次暴雨過程，并用模擬結(jié)果對強(qiáng)降水流場以及不穩(wěn)定機(jī)制等進(jìn)行診斷分析，認(rèn)為降水是由多種尺度系統(tǒng)相互作用，高、低層環(huán)流配置以及高空急流位置變化等共同作用產(chǎn)生的。伍紅雨［3］對2005年5月31日至6月1日貴州省一次大暴雨天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬表明，西南渦是造成大暴雨的主要影響系統(tǒng)。張艷梅等［4］利用貴州52個(gè)測站1961—2006年歷年夏季(6—8月)逐日降水資料分析了貴州夏季暴雨的時(shí)空分布特征，認(rèn)為貴州夏季暴雨呈增加趨勢，并存在明顯的年際、年代際變化特征。池再香等［5］對黔東南州1996—2005年夏季局地暴雨的主要影響系統(tǒng)、各種物理量場特征、地形等的綜合分析表明，有9次局地暴雨與西太平洋副熱帶高壓位置變化密切相關(guān)。然而，貴州地區(qū)對自然災(zāi)害的抗御能力較為脆弱，一旦發(fā)生暴雨，極易形成洪澇災(zāi)害和其他次生災(zāi)害，且該地區(qū)暴雨多數(shù)生命史短、強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng)，所造成的危害特別大。因此，對貴州局地暴雨的研究仍有待于繼續(xù)和深入［6］。2012年5月21日貴州西部出現(xiàn)了一次區(qū)域性的大暴雨過程，本文利用地面觀測資料、NCEP再分析資料(水平分辨率2.5°×2.5°)，TBB等資料，對此次大暴雨過程進(jìn)行分析，為暴雨天氣的診斷和實(shí)際預(yù)報(bào)提供了一種思路。

2 降雨實(shí)況

2012年5月21日貴州省出現(xiàn)了一次區(qū)域性的大暴雨過程，5月21日08時(shí)至22日08時(shí)，貴州省85縣、1 690鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降水，2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到了特大暴雨(織金桂果212.3 mm、盤縣板橋208 mm)，2縣(清鎮(zhèn)127.7 mm、長順101.1 mm)、69鄉(xiāng)鎮(zhèn)大暴雨，16縣、303鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨。強(qiáng)降水主要集中在畢節(jié)市東部南部、六盤水市、黔西南州大部、安順市、貴陽市、黔南州西部地區(qū)。

3 天氣形勢分析

21日08時(shí)500hPa歐亞中高緯為“兩槽一脊”環(huán)流形勢，兩長波槽分別位于我國巴爾喀什湖以南和東亞沿海地區(qū)，高壓脊位于我國的內(nèi)蒙古一帶，低緯呈兩高切變形勢，貴州主要受南支孟加拉灣槽前西南氣流影響。14時(shí)，高空槽加深，孟加拉灣出現(xiàn)一個(gè)徑向度為10個(gè)緯距的槽，高空仍然呈“兩槽一脊”環(huán)流形勢，此時(shí)貴州處于槽前西南氣流影響，暴雨中心處于槽前西南氣流中。

21日08時(shí)700hPa上，西南渦在四川中西部活動(dòng)，低渦中心處于四川中部，中心位勢達(dá)3 080 gpm，低渦切變位于川東到云南東部，貴州受低渦切變東側(cè)的西南氣流影響。來自北方的冷空氣與來自孟加拉灣的西南急流交匯于貴州西部邊緣地區(qū)。到14時(shí)，700 hPa上西南渦范圍明顯擴(kuò)大，中國西南大部地區(qū)都受低渦控制，低渦中心強(qiáng)度維持，貴州受低渦外圍的西南氣流影響，風(fēng)速增強(qiáng)，來自孟加拉灣的水汽輸送也明顯增強(qiáng)［7］。

4 物理量診斷

4.1 水汽通量及水汽通量散度

從暴雨發(fā)生前21日08時(shí)850 hPa的水汽通量和水汽通量散度圖可以看出(圖略)，暴雨發(fā)生前，貴州一直維持一條顯著的水汽通量輸送帶，強(qiáng)勁的西南風(fēng)將孟加拉灣的水汽輸送到貴州一帶(25°～30°N，100°～110°E)另外，還有來自南海的水汽輸送到貴州南部，貴州處于水汽輸送中心，中心值為14 g·s－1·cm－2，為暴雨的發(fā)生準(zhǔn)備了很好的水汽條件。整個(gè)貴州水汽通量散度為負(fù)值，最大值為－2×10－6g·s－1·hPa－1·cm－2，負(fù)值中心位于四川中部，表明貴州—四川一帶有明顯的水汽輻合。

暴雨發(fā)生過程中，21日20時(shí)水汽通量散度的負(fù)值中心南壓，貴州西部出現(xiàn) －3×10－6g·s－1·hPa－1·cm－2的負(fù)值中心，貴州范圍內(nèi)的水汽通量增大為16 g·s－1·cm－2。到22日02時(shí)，貴州西部的負(fù)值中心進(jìn)一步加強(qiáng)，為 －3.5×10－6g·s－1·hPa－1·cm－2，水汽通量中心值增大為 18 g·s－1·cm－2。說明在整個(gè)暴雨過程中，貴州都有良好的水汽輸送，并一直處于水汽輻合區(qū)中?？梢姳┯甑男纬伞⒓訌?qiáng)與暴雨上空水汽通量輻合區(qū)的演變關(guān)系密切。

4.2 溫度平流、渦度平流分布

21日14時(shí)(圖1b)沿26°N做溫度平流、渦度平流的緯向剖面圖，在貴州西部102°E以東，高原上有強(qiáng)的冷平流，貴州西部邊緣處于冷暖平流交界處，貴州處于強(qiáng)暖平流區(qū)，暴雨發(fā)生在暖區(qū)里，暖中心值達(dá)到5×10－4K·s－1，一直到400 hPa為同一量級的暖中心，高原上的冷中心達(dá)到了10×10－4k·s－1，冷中心也一直上升到400 hPa。冷暖平流垂直分布，從850 hPa一直上升到300 hPa。21日20時(shí)(圖1c)，貴州仍然處于槽前暖區(qū)中。一直到22日08時(shí)(圖1d)，冷暖平流交匯區(qū)維持少動(dòng)，貴州仍然處于槽后暖區(qū)中。

渦度場是低渦系統(tǒng)的一個(gè)重要特征，正渦度平流有利于槽加深，負(fù)渦度平流有利于槽減弱。沿26°N渦度平流的緯向剖面圖可見，21日08時(shí)(圖1a)，貴州850～600 hPa出現(xiàn)正渦度區(qū)，正渦度最大值中心位于 850 hPa ，達(dá)到30 ×10－5s－1，600 hPa以上為負(fù)渦度區(qū)，最大值為 －20 ×10－5s－1，位于350 hPa附近。21日20時(shí)(圖略)，中低層的正渦度仍然維持，中心值為 20 ×10－5s－1，600 hPa 以上仍然為負(fù)渦度區(qū)。22日02時(shí)(圖略)，正渦度中心仍然在貴州中部105°E附近，正渦度顯著增強(qiáng)，中心值增至40 ×10－5s－1，22 日08 時(shí)(圖略)，正渦度中心值維持在30×10－5s－1，與貴州中低層一直處于強(qiáng)暖中心相對應(yīng)。

從溫度平流和渦度平流的分析看出，由于21日貴州中低層都一致處于暖平流和正渦度平流的控制，二者皆對上升運(yùn)動(dòng)有貢獻(xiàn)，強(qiáng)盛而持久的上升運(yùn)動(dòng)，為此次暴雨過程提供了很好的動(dòng)力條件。

4.3 假相當(dāng)位溫

分析5月21日08時(shí)(圖2a)和14時(shí)(圖2b)沿26°N 的 θse垂直剖面圖發(fā)現(xiàn)，可以看到 100°～110°E對流層低層θ隨高度降低，即＞0，反映了該處se大氣處于不穩(wěn)定，而中層為中性層結(jié)，這種大氣層結(jié)有利于產(chǎn)生強(qiáng)對流性降水。并且14時(shí)假相當(dāng)位溫梯度較08時(shí)的梯度有所增強(qiáng)，大值中心也由80℃增大為90℃。表明此次暴雨發(fā)生中心的貴州的假相當(dāng)位溫隨高度的變化達(dá)到最大值，極易釋放不穩(wěn)定能量，有利于暴雨產(chǎn)生。21日貴州出現(xiàn)的強(qiáng)降水范圍與不穩(wěn)定區(qū)域較吻合，表明強(qiáng)降水區(qū)域在強(qiáng)降水開始前維持高能。

5 濕位渦(MPV)分析

濕位渦是能同時(shí)表征大氣動(dòng)力、熱力和水汽性質(zhì)的綜合物理量。近年來，其概念和理論得到了深入的研究和廣泛應(yīng)用。田珍富等［9］利用一個(gè)考慮了陡峭地形的16層η坐標(biāo)模式，對1990年一次發(fā)生在湖北遠(yuǎn)安縣的局地特大暴雨進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出濕相對位渦的變化與暴雨過程的演變有較好的對應(yīng)關(guān)系，即MPV(濕位渦)的變率的正負(fù)對暴雨的發(fā)生及演變起到很好的指示作用。

5.1 濕位渦正壓項(xiàng)(MPV1)的分布

從沿暴雨中心沿26°N處MPV1的經(jīng)向垂直剖面圖中看到:21日08時(shí)(圖3a)600 hPa以下負(fù)值區(qū)，在102～105°E之間有一個(gè)－60 PVU的中心，位于850～900 hPa之間，為對流不穩(wěn)定區(qū)，負(fù)值區(qū)一直上升到600 hPa。與負(fù)值區(qū)相對應(yīng)，在105°E附近以東和以西的地區(qū)，650 hPa開始出現(xiàn)正值區(qū)，中心強(qiáng)度值為40 PVU。到20時(shí)(圖3b)負(fù)值中心強(qiáng)度增強(qiáng)，范圍擴(kuò)大，在貴州范圍內(nèi)形成了一個(gè)－90 PVU的強(qiáng)中心，在貴州西部700 hPa以上開始出現(xiàn)正值區(qū)，在90～99°E上的正值中心達(dá)到40 PVU。在600 hPa附近有一個(gè)“漏斗”形高濕位渦區(qū)伸展，表明對流層高層為對流穩(wěn)定區(qū)，冷空氣向下入侵。這種MPV1“正負(fù)值區(qū)垂直迭加”的配置是暴雨發(fā)生發(fā)展的有利形式。這次暴雨過程發(fā)生在對流層中低層MPV1負(fù)值區(qū)內(nèi)。暴雨產(chǎn)生前中低層850 hPa和700 hPa貴州為負(fù)值控制，表明大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有冷空氣觸發(fā)潛在不穩(wěn)定能量釋放，將產(chǎn)生對流性強(qiáng)降水天氣。在MPV1等值線相對密集的零線附近，正是冷暖空氣交匯的地帶，有利于水汽輻合，垂直渦度劇烈發(fā)展。

5.2 等壓面上濕位渦斜壓項(xiàng)(MPV2)分布

圖3 21日MPV1沿26°N處的經(jīng)向垂直剖面圖(單位:pvu)

濕位渦斜壓項(xiàng)的大小決定于水平風(fēng)的垂直切變和相當(dāng)位溫的水平梯度，所以負(fù)值越大表明大氣的斜壓性越強(qiáng)。從沿暴雨中心26°N處MPV2的經(jīng)向垂直剖面圖中看出:21日08時(shí)(圖4a)，貴州西部106°E以西的地區(qū)，從650 hPa開始出現(xiàn)正值區(qū)，正值中心為4 PVU，106°E以東的地區(qū)為負(fù)值區(qū)，貴州中部位于零線，梯度大，有利于產(chǎn)生降水。到14時(shí)(圖4b)，850 hPa以下貴州西部地區(qū)基本上都為正值區(qū)，貴州東部地區(qū)有一個(gè)中心值為－8 PVU負(fù)值中心，等值線密集，梯度進(jìn)一步加強(qiáng)。一直到22日08時(shí)(圖略)，在650 hPa以上整個(gè)貴州都為正值區(qū)，低層為負(fù)值區(qū)。高低層之間存在正負(fù)值的過渡，有利于降水，由于MPV2正值區(qū)在貴州的長期維持，導(dǎo)致垂直位渦的發(fā)展，有利于降水的加強(qiáng)。

圖4 21日MPV2沿26°N處的經(jīng)向垂直剖面圖(單位:pvu)

6 暴雨的中尺度云團(tuán)分析

［10－11］取衛(wèi)星云圖上云頂亮溫 TBB≤－32℃云團(tuán)為MCS(中尺度對流系統(tǒng))，滿足－32℃以下云罩面積在10萬km2，且－53℃以下云罩面積在5萬km2以上，維持6h以上的暴雨云團(tuán)為MCC(中尺度對流復(fù)合體)。

從衛(wèi)星云圖TBB逐小時(shí)演變分析，22日00時(shí)開始(圖5a)，我省西部出現(xiàn)中尺度對流云團(tuán)，TBB≤－32℃的冷云罩面積達(dá)到10.5萬 km2，TBB≤－53℃的冷云罩面積達(dá)到8萬km2以上，云團(tuán)呈圓形，已經(jīng)開始具備MCC特征，MCC內(nèi)部生成TBB≤－77℃的中β尺度的冷云核心區(qū)。一直到03時(shí)(圖5b)我省西部中尺度對流云團(tuán)仍然維持，面積擴(kuò)大，TBB≤－32℃的冷云罩面積達(dá)到19.9萬km2，TBB≤－53℃的冷云罩面積達(dá)到12萬km2以上，云團(tuán)呈橢圓形。MCC內(nèi)部≤－77℃的中β尺度的冷云核心區(qū)仍然存在。從22日00時(shí)—03時(shí)全省降雨量圖(圖5d)上，有83個(gè)點(diǎn)降雨量＞25 mm，18個(gè)點(diǎn)降雨量＞50 mm，2個(gè)點(diǎn)降雨量＞100 mm。到08時(shí)(圖5c)，MCC進(jìn)入鼎盛期，TBB≤－32℃的冷云罩面積達(dá)到23萬km2。與云圖相對應(yīng)，22日08時(shí)，貴州西部仍然維持強(qiáng)降水。到22日08時(shí)，貴州前12 h的鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)了16個(gè)大暴雨、102個(gè)暴雨、170個(gè)大雨。

圖5 TBB圖 (a)22日00:00時(shí)，(b)22日03:00時(shí)，(c)22日08:00時(shí);(d)22日00－03時(shí)全省降雨量圖

由以上衛(wèi)星云圖的觀測事實(shí)可以看出，21－22日的云團(tuán)具有很強(qiáng)的MCC特征，22日貴州西部的區(qū)域性暴雨和局地大暴雨，是由MCC在貴州的生成并發(fā)展維持造成的，對應(yīng)MCC是一個(gè)逐步加強(qiáng)擴(kuò)大的過程，MCC云區(qū)內(nèi)的降水最強(qiáng)。從21日的日平均TBB圖上(圖略)，貴州西部有大面積的TBB≤－32℃的冷云罩存在，造成了貴州西部22日的強(qiáng)降水，降雨強(qiáng)度的時(shí)間分布與MCC的強(qiáng)度范圍有很好的對應(yīng)關(guān)系。

7 小結(jié)

①2012年5月22日貴州強(qiáng)降水主要是由于南支槽前的西南暖濕氣流配合北方南下的冷空氣，冷暖平流和正負(fù)渦度的交匯共同影響造成的。整個(gè)暴雨過程中，貴州都有良好的水汽輸送，并一直處于水汽輻合區(qū)中。這說明暴雨的形成、加強(qiáng)與暴雨上空水汽通量輻合區(qū)的演變關(guān)系密切。

②此次暴雨過程發(fā)生在對流層中低層MPV1負(fù)值區(qū)和MPV2的正值區(qū)以及的高能區(qū)內(nèi)。濕位渦的正壓項(xiàng)與斜壓項(xiàng)綜合反映了暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定狀況。這一判據(jù)將大氣中的對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定很好地聯(lián)系在一起，為暴雨天氣的診斷和實(shí)際預(yù)報(bào)提供了一種思路。

③22日貴州西部的區(qū)域性暴雨和局地大暴雨，是由MCC在貴州的生成并發(fā)展維持造成的。云團(tuán)具有很強(qiáng)的MCC特征，降雨強(qiáng)度的時(shí)間分布與MCC的強(qiáng)度范圍有很好的對應(yīng)關(guān)系。

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