貴州舟溪2012年6月10日泥石流災(zāi)害的氣象成因

羅喜平，楊秀莊，楊 靜，吳古會

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

1 引言

貴州省地處青藏高原東側(cè)下坡地帶，由于復(fù)雜的地形地貌，暴雨在貴州時有發(fā)生，針對貴州的暴雨也有不少研究［1－6］，對貴州夏季降水的氣候特征的研究表明［1－3］，夏季降水呈上升趨勢，洪澇災(zāi)害明顯增多。李登文等［4］的研究表明，強降水受河套冷空氣快速南下影響并在貴州中部中尺度輻合線鋒生，誘發(fā)中尺度對流云團發(fā)生、發(fā)展，強降水區(qū)與低層輻合帶密切相關(guān)。楊靜等［5］利用中尺度WRF模式對貴州南部的一次大暴雨過程進行了數(shù)值模擬，以期揭示復(fù)雜地形下，中尺度系統(tǒng)的生成、發(fā)展過程，并且試圖尋找地形對貴州暴雨的影響。池再香等［6］對黔東南州1996—2005年夏季局地暴雨的主要影響系統(tǒng)、各種物理量場以及西太平洋副熱帶高壓位置變化、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)。然而對歷時短、強度大的局地暴雨及其中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和成因則研究得較少。短時強降水是泥石流災(zāi)害最重要的觸發(fā)因子［7－8］，由于貴州對自然災(zāi)害的防御能力較低，短時強降水常誘發(fā)山洪、泥石流等次生災(zāi)害，造成的災(zāi)害損失巨大。因此，加強可誘發(fā)泥石流的局地暴雨的研究顯得非常重要。

2012年6月9日夜間到10日凌晨，貴州省黔東南州舟溪鎮(zhèn)遭受了一場特大暴雨襲擊，10日01時(北京時，下同)左右，暴雨引發(fā)了泥石流、山體滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。這次暴雨局地性強、歷時短、強度大，造成了人員傷亡和嚴(yán)重經(jīng)濟損失。本文利用加密地面自動氣象站、常規(guī)MICAPS資料、每6 h一次的1°×1°NCEP再分析資料、FY－2E氣象衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達回波等多源實測資料，對這次突發(fā)性大暴雨過程進行綜合分析研究，以揭示此類泥石流災(zāi)害的氣象成因，為今后做好暴雨災(zāi)害的防范和預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)保障。

2 泥石流降水特征和災(zāi)情

2012年6月9日20時—10日20時貴州出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過程，并伴隨強雷電天氣。據(jù)氣象資料統(tǒng)計，全省七要素自動氣象站共出現(xiàn)大雨13站、暴雨4站，兩要素站共出現(xiàn)大雨170站、暴雨46站、大暴雨11站、特大暴雨2站。暴雨主要集中在銅仁市東南部、黔東南州、貴陽市南部、黔西南州北部等地，強降水呈帶狀分布，較為分散，局地特征明顯。

此次過程中，日最大降水出現(xiàn)在災(zāi)情發(fā)生地—黔東南州凱里市的舟溪鎮(zhèn)(26.5°N、107.9°E)，日降水量達286.3 mm。從舟溪鎮(zhèn)逐小時降水量演變來看，強降水主要集中在9日23時—10日04時，雨強均超過了20 mm/h，均達到短時強降水標(biāo)準(zhǔn)［9］。其中23—01時最為集中，雨強超過50 mm./h，而00—01時達115.3 mm/h，強度之大實屬罕見。10日01時左右，舟溪鎮(zhèn)因短時強降水引發(fā)了泥石流、山體滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，造成3人死亡、7人受傷，19個村4 736戶1.9萬人受災(zāi)，多條道路、飲水管網(wǎng)、水渠等受損。

3 大尺度環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

圖1 2012年6月9日08時500 hPa高度場(單位:dagpm)及風(fēng)場

本次強降水天氣過程主要發(fā)生在9日20時－10日凌晨。在暴雨發(fā)生前(9日08時)500 hPa高空天氣圖上(圖2)，歐亞地區(qū)中高緯為“兩槽一脊”形勢，在巴爾喀什湖北側(cè)及貝加爾湖東南側(cè)分別為低槽中心，兩槽區(qū)之間在我國新疆地區(qū)為一脊區(qū)，中低緯西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)呈帶狀分布，588位勢什米(dagpm)線在我國南海中北部，貴州受副高西北側(cè)西南氣流控制，584 dagpm線位于滇黔湘北部;到20時(圖略)，在貝加爾湖東南側(cè)的低渦向東南移到內(nèi)蒙古呼倫湖，帶動北支鋒區(qū)南移到35°N附近，副高也隨之南撤，584 dagpm線南壓到昆明—貴陽—福州一線。

700 hPa上，在暴雨發(fā)生前后(9日08時—10日08時，圖略)貴州省均受切變線南側(cè)的強西南氣流控制，只是在暴雨發(fā)生后南風(fēng)分量迅速減小，西南氣流給貴州上空輸送大量的水汽，可見本次暴雨過程水汽主要來自于中低層(500～700 hPa);9日08時850 hPa(圖略)上，在兩湖盆地—貴州省的東北部—貴州省的南部有一切變線，切變南側(cè)的西南氣流風(fēng)速為6～8 m/s，20時(圖略)切變線東段維持，西段南側(cè)的西南氣流減弱;北側(cè)貴陽探空站從08時2 m/s的東南風(fēng)轉(zhuǎn)為6 m/s的東北風(fēng)，表明此切變線由暖式轉(zhuǎn)為冷式切變;同時08時在四川北部的冷中心20時南移到貴州省北部，表明低層有冷空氣侵入;地面輻合線(圖略)08時位于貴州省的北部，14時南移到黔東南州北部—黔南州北部—六盤水市北部，20時維持少動，強降水帶與地面輻合線基本重合。

綜上所述，西太副高西北側(cè)的西南氣流給這次暴雨過程提供了充足的水汽條件，近地層切變線及地面輻合線則是這次暴雨天氣過程的主要影響系統(tǒng)。

4 中尺度天氣系統(tǒng)分析

4.1 FY－2E衛(wèi)星紅外云圖TBB特征

泥石流災(zāi)害點的具體位置與中尺度天氣系統(tǒng)密切相關(guān)。利用FY－2E靜止氣象衛(wèi)星1 h平均相當(dāng)黑體亮溫(TBB)和紅外云圖資料，相當(dāng)黑體亮溫資料的水平分辨率為0.1°，時間分辨率為1 h。如圖2可見，6月10日00時，舟溪附近有弱的中β尺度(水平尺度約為50 km)對流云團生成，降水也出現(xiàn)，舟溪位于對流云團的西北側(cè)邊緣，小時降水量就達到61.2 mm;10日01時該對流云團迅速發(fā)展，水平尺度達110 km，面積增大，云頂亮溫降低，云團邊界光滑，最低云溫為－60℃，舟溪處在對流云團的北部邊緣，亮溫梯度較大，此時舟溪小時降水量達到最大為115.3 mm;02時該對流云團進一步加強，范圍擴大，并與其西側(cè)的另一個中β尺度對流云團合并，云頂亮溫低于 －52℃和 －60℃的云團面積擴大，邊界仍然平滑，舟溪仍處在該對流云團的北部邊緣，云頂亮溫在－40℃左右，舟溪的小時降水量較前一時刻有所減弱，但仍達到42.6 mm;03時對流云團開始向東南方向移動，云團邊界仍然保持光滑，舟溪仍處在對流云團的北部邊緣，舟溪的小時降水量減小至23.4 mm;到04時，對流云團中心云頂亮溫開始減弱，最低亮溫僅為－55℃，云團范圍縮小，呈西北—東南走向類似橢圓狀，云邊界光滑，舟溪位于云團的西北部邊緣，云頂亮溫有所下降，該時刻小時降水量有所增強，達36.5 mm;05時降水云團東移，舟溪降水量明顯減弱，僅為3.4 mm，之后隨著降水云團的進一步東移，舟溪上空不再有對流云團覆蓋，降水過程基本結(jié)束。

分析災(zāi)害點(舟溪)的云頂亮溫和小時降水量(圖3)，發(fā)現(xiàn)降水量具有明顯的短歷時特征，強降水集中在5 h以內(nèi)，小時降水量均超過20 mm/h，其中00時－02時小時雨量均超過40 mm/h。但舟溪云頂亮溫并非很低，開始出現(xiàn)降水時，舟溪處在對流云團北部邊緣，云團處在發(fā)展中，云頂亮溫不斷下降，02時降至最低為－43℃，最大雨強并非出現(xiàn)在云頂亮溫最低時，而是發(fā)生在云頂亮溫降低過程中，即對流云團發(fā)展過程中，03時云頂亮溫有所上升，降水也即較02時減弱，而04時云頂亮溫再次降低，降水量又有所增大。

圖2 6月10日01時－06時TBB 分布

圖3 6月10日01時－08時舟溪小時降水量(柱狀)與云頂亮溫(折線)的演變

可見，造成舟溪強降水的對流云團是一個中β尺度對流云團，舟溪位于對流云團的北部邊緣云頂亮溫梯度較大處，但云頂亮溫強度并非很低，最強小時降水出現(xiàn)在對流云團的發(fā)展過程中、TBB梯度的大值區(qū)內(nèi)。

4.2 多普勒天氣雷達回波特征

利用都勻多普勒天氣雷達(其波長為5 cm，C波段)三維體掃基數(shù)據(jù)分析此次強降水開始前后的雷達回波特征，組合反射率和剖面產(chǎn)品根據(jù)體掃基數(shù)據(jù)計算而得。

由舟溪9日23時－10日04時降水時段雷達組合反射率分布圖(圖略)可以看出，9日23時03分，麻江東部有2個雷暴單體出現(xiàn)，其中舟溪附近的雷暴單體命名為雷暴單體A，其面積不大，屬于中γ尺度系統(tǒng)，強度較強，最大回波強度為55 dBz，從剖面圖上看，此時回波未接地，降水還未開始，自動站也未監(jiān)測到降水;舟溪西面的雷暴單體稱為雷暴單體B，也屬于中γ尺度系統(tǒng)，強度比雷暴單體A稍弱，最大回波強度為52 dBz。9日23時38分，雷暴單體B東移迅速，而雷暴單體A移動緩慢，二者合并為一個單體，其面積明顯增大，最大回波強度維持在50 dBz以上，此時合并的雷暴單體剛好在舟溪上空，舟溪開始出現(xiàn)強降水。到10日00時13分，合并后的雷暴單體移動緩慢，強度雷暴單體明顯減弱，最大回波強度由50 dBz降到40 dBz，面積也明顯減小，影響范圍和強度都在減弱，同時在麻江南部又有新的雷暴單體出現(xiàn)，空間尺度為幾十公里，屬于中β尺度系統(tǒng)，定義為MCS1，其最大回波強度為55 dBz，40 dBz以上的回波面積較大，影響區(qū)域較廣。MCS1受西南偏西氣流影響，其移動為東北偏東方向，至10日00時33分達到最強，影響區(qū)域主要在舟溪附近及以西地區(qū)。之后MCS1開始減弱，到00時43分，MCS1 40 dBz以上的回波面積有所減小，同時可以看到在其西南偏西方向又有新的雷暴單體出現(xiàn)，強度和范圍都與MCS1相當(dāng)，空間尺度也達幾十公里，定義為MCS2，MCS2最大回波強度為55 dBz，從MCS2的移動演變情況來看，MCS2也主要向東北方向移動，但移動很緩慢，至01時03分，MCS2移動到舟溪以西、麻江縣城以東的位置，位于舟溪上空的MCS1繼續(xù)減弱，最大回波強度已在40 dBz以下，空間尺度也縮小為幾公里，受MCS1及MCS2的共同影響，舟溪鎮(zhèn)小時降水量達115.3 mm/h。01時38分，MCS1減弱消亡，MCS2仍位于舟溪以西、麻江縣城以東的位置。之后MCS2向東北方向移動明顯，02時49分，MCS2移動到舟溪上空，其強度和范圍維持，最強回波強度仍在50 dBz以上，由于MCS2移動緩慢，導(dǎo)致MCS2長時間停滯在舟溪上空，造成了舟溪02－04時的持續(xù)短時強降水，MCS2一直到04時才減弱消亡。至此，影響舟溪強降水的雷暴單體完全移出。從雷達反射率因子的演變過程來看，舟溪先后受到4個雷暴單體的影響，造成了一波又一波的強降水，類似“列車效應(yīng)”［14］。

從舟溪逐小時雨量分布最大雨強達115.3 mm/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出短時強降水標(biāo)準(zhǔn)，實屬罕見，因此很有必要對雷暴單體降水性質(zhì)做進一步分析。分析雷暴單體A和雷暴單體B合并后的新雷暴單體最強時刻回波剖面圖，MCS1、MCS2最強時刻回波剖面圖，可知(圖略)最強回波強度都在50 dBz以上，40 dBz以上的回波截面積也較大，但是40 dBz以上的回波伸展高度都不高，9日23時38分的回波伸展高度為5 km，10日00時43分的回波伸展高度僅為4 km，10日02時49分的回波伸展高度為7 km，而9日20時0度層高度為5.5 km，－20度層高度為9 km，說明以上時刻雷暴單體降水粒子相態(tài)主要為水滴，特別是在01時以前降水粒子相態(tài)都是水滴，之后小部分為過冷水滴和冰晶的混合物?？梢?，此次強降水性質(zhì)為暖云降水，即常說的“熱帶性降水”或“暖區(qū)降水”，而暖云降水的主要特點為雨強大，降水效率高。

5 暴雨形成的物理條件

5.1 水汽輸送

強降水的形成必須要有源源不斷的水汽輸送(近年來國外稱之為大氣河，Atmospheric River)，并在強降水區(qū)輻合。分析暴雨發(fā)生前各層的水汽通量，低層850 hPa以下水汽輸送偏東偏南，來自孟加拉灣的水汽主要向華南及江南一帶輸送。貴州的水汽輸送主要通過500 hPa、700 hPa西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的西南氣流從孟加拉灣向貴州輸送(圖略)。9日08時，500 hPa水汽通量高值區(qū)在川南及貴州省西北部，中心值為7 g·(cm·hPa·s)－1，20時水汽通量大值區(qū)南移東擴，從貴州北部延伸到湖南北部;9日08時，700 hPa水汽通量在云南東部及貴州省中部偏北偏東地區(qū)均大于8 g·(cm·hPa·s)－1，高值中心位于貴州北部，中心值為13 g·(cm·hPa·s)－1，20時水汽通量大值區(qū)南移，暴雨中心的水汽通量也迅速增大。

水汽通量散度的計算分析表明，在低層有明顯的水汽輻合，850 hPa水汽輻合中心08時在貴州省的西北部黔西一帶，暴雨發(fā)生期間10日02時，全省水汽通量散度均為負(fù)值，輻合中心東移到貴陽北部的開陽附近，中心極小值達到－84 g·cm－2·hPa－1·s－1，災(zāi)害點(舟溪)的水汽通量散度也明顯減小。

5.2 動力抬升

垂直運動不僅與降雨相聯(lián)系，而且其分布和變化對天氣系統(tǒng)的發(fā)展也有重要的影響。由圖4可知，08—20時，貴州區(qū)域從地面到300 hPa并沒有明顯的整層抬升，還處于發(fā)展階段;但到10日02時105～108°E范圍處于整層抬升區(qū)，產(chǎn)生了很強的氣流“抽吸”作用，有利于形成強降水，災(zāi)害點的西側(cè)(26.5°N、106.3°E)上升運動達到最強，中心值為 －65 ×10－2·hPa·s－1，強中心位于 600 hPa，較白肇?zé)睿?1］、陳添宇［12］研究西北暴雨的最大上升速度層在500 hPa以上明顯偏低。

圖5為上升運動最強處(即災(zāi)害點)西側(cè)(26.5°N、106.3°E)的時間—垂直速度垂直剖面圖?？梢?，隨著降水的開始，上升速度的伸展高度逐步升高，到10日02時(最強降水出現(xiàn)前后)達到最高，最強中心也同時出現(xiàn);之后，上升速度的伸展高度逐漸降低，降水也逐步減弱。上升速度的伸展高度走勢及強度與小時降水的強弱演變一致，對短時強降水出現(xiàn)時間的預(yù)報有很好的指示意義。因此，強烈而深厚的上升運動給強降水提供了有利的動力條件。

圖4 沿26.5°N的經(jīng)向－垂直速度垂直剖面圖9日08時(a)、20時(b)及10日02時(c)

圖5 6月09日08時—10日20時災(zāi)害點左側(cè)(26.5°N、106.3°E)的時間—垂直速度垂直剖面圖

5.3 大氣不穩(wěn)定性

利用自動氣象站逐小時資料可分析2012年6月9日06—16時地面空氣溫度的變化。從水平分布(圖略)來看，貴州東南部測站的地面氣溫在10 h的增溫幅度達到10°C以上。舟溪地面氣溫的時間演變圖(圖6)上，07－11時氣溫迅速升溫，11－13時升溫略有停息，13－16時繼續(xù)增溫，到16時氣溫達到最高(34°C)，06 －16 時舟溪 10 h 增溫幅度達到 12°C;另一方面，9日08時，500 hPa在陜南到四川盆地北部有一明顯的西風(fēng)槽，槽后有溫度槽配合，高空受到西風(fēng)槽影響，9日20時貴州大部有－1°C的24 h降溫。這種近地層增溫、高層降溫的配置增強了大氣的條件不穩(wěn)定性，有利于對流天氣的產(chǎn)生。

圖6 舟溪地面氣溫的時間演變

θse是溫度、氣壓、水汽含量的函數(shù)，是一個表示溫度、氣壓和濕度的綜合物理量，θse越大表示空氣越暖濕。分析9日08時、20時暴雨發(fā)生前850 hPa假相當(dāng)位溫分布(圖略)。08時貴州中部以南地區(qū)處于高能、高濕區(qū)，假相當(dāng)位溫在76～80°C之間。到20時，高能、高濕區(qū)進一步發(fā)展，貴州大部假相當(dāng)位溫增加到80°C以上，災(zāi)害點(舟溪)的接近82°C;沿災(zāi)害點所處緯度(26.5°N)制作9日20時經(jīng)向—假相當(dāng)位溫垂直剖面(圖略)，發(fā)現(xiàn)假相當(dāng)位溫隨高度呈現(xiàn)明顯的遞減，表明大氣層結(jié)極其不穩(wěn)定。

6 結(jié)論

本研究利用多源氣象觀測資料，綜合分析了2012年6月10日凌晨引發(fā)貴州舟溪泥石流災(zāi)害的強降雨特征，特別是與災(zāi)害點關(guān)系密切的中尺度系統(tǒng)的特征以及暴雨形成的物理條件等，得到以下幾點認(rèn)識:

①本次強降水過程具有突發(fā)性和局地性，強度之大實屬歷史罕見，強降水集中，主要出現(xiàn)在5 h之內(nèi)。

②西北太平洋副高西北側(cè)的西南氣流給這次暴雨過程提供了充足的水汽條件，低空切變線及地面輻合線是暴雨天氣的主要影響系統(tǒng)。

③直接造成舟溪強降水的是一個中β尺度對流云團，災(zāi)害點位于對流云團北部邊緣云頂亮溫梯度較大處，最大雨強出現(xiàn)在對流云團發(fā)展階段及云頂量溫梯度的大值區(qū)內(nèi)。

④舟溪先后受到4個雷暴單體的影響，造成了類似“列車效應(yīng)”的一波又一波強降水，且降水性質(zhì)為暖云降水;

⑤豐富的水汽輸送及強烈的輻合有利于對流云團及降水的發(fā)展，大氣不穩(wěn)定是對流產(chǎn)生的關(guān)鍵，氣層抬升的伸展高度趨勢及強度與雨強的演變一致，對預(yù)報短時強降水的出現(xiàn)時間具有指示意義。

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