一次典型的致災(zāi)暴雨成因分析

李柯星

(河南省商丘市氣象局，河南商丘 476000)

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一次典型的致災(zāi)暴雨成因分析

李柯星

(河南省商丘市氣象局，河南商丘 476000)

利用自動氣象站資料、Micaps常規(guī)資料、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等氣象資料，采用天氣學(xué)和天氣動力診斷分析方法，對2012年7月7～8日商丘暴雨過程進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定少動，高空配合西風(fēng)槽和冷空氣的侵入，中低層切變線的動力抬升，西南低空急流強(qiáng)盛的水汽輸送，地面冷暖氣團(tuán)的交匯，共同影響造成了商丘連續(xù)性暴雨；大面積的K指數(shù)高值區(qū)具備暴雨不穩(wěn)定能量。

暴雨；成因分析；天氣學(xué)；天氣動力

夏季冷暖氣團(tuán)經(jīng)常相遇于黃淮地區(qū)，給商丘帶來暴雨等災(zāi)害性天氣，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。許多專家已對暴雨進(jìn)行了研究[1-4]，但商丘暴雨個(gè)例分析較少，筆者針對2012年7月7～8日商丘致災(zāi)暴雨成因進(jìn)行分析，研究此次暴雨發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律和機(jī)理，積累一些預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。

1 資料和方法

利用商丘境內(nèi)自動氣象站資料、Micaps常規(guī)資料、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等氣象資料，采用天氣學(xué)及天氣動力診斷分析方法，對此次暴雨大尺度環(huán)流形勢、主要影響系統(tǒng)、水汽條件、動力條件和高低空急流配置等進(jìn)行分析。

2 雨情與災(zāi)情

2012年7月7～8日商丘出現(xiàn)區(qū)域性暴雨、大暴雨天氣過程。7 月7～8 日過程雨量均超過80 mm，有 5個(gè)縣超過 100 mm，平均降雨量139.5 mm。其中7日暴雨3個(gè)站，大暴雨1個(gè)站；8日暴雨2個(gè)站，大暴雨2個(gè)站。商丘站7～8 日連續(xù)2 d出現(xiàn)暴雨、大暴雨，雨量分別為76.1、110.9 mm，虞城雨量最大累計(jì)為254.4 mm，8日降水量為221.4 mm，達(dá)到極端事件標(biāo)準(zhǔn)，突破歷史極值(表1)。

表1 2012年7月7～8日商丘各縣市降雨量 mm

從商丘和虞城逐小時(shí)自動站雨量資料(圖1)可以看出，降水持續(xù)時(shí)間較長，強(qiáng)降水主要集中在7日19：00～8日07：00，商丘19：00～20：00和20：00～21：00降雨強(qiáng)度最大，1 h最大降水量分別為41.0、37.8 mm，19：00～22：00最大降水量88.6 mm；虞城20：00～21：00和22：00～23：00降雨強(qiáng)度最大，1 h最大降水量分別為59.6、54.0 mm，20：00～23：00最大降水量131.3 mm。

圖1 2012年7月7日11：00～8日10：00商丘/虞城自動站逐小時(shí)雨量

綜上所述，此次暴雨過程的特點(diǎn)是強(qiáng)度大、范圍廣、強(qiáng)降水時(shí)段集中和持續(xù)時(shí)間較長等，屬歷史罕見，造成了嚴(yán)重影響。據(jù)商丘市民政局統(tǒng)計(jì)，截至8日14：00，此次災(zāi)害共造成梁園區(qū)、睢陽區(qū)、寧陵縣、虞城縣、民權(quán)縣、柘城縣36 291.79 hm2農(nóng)田受災(zāi)，受災(zāi)人口達(dá)401 840人，因?yàn)?zāi)死亡1人，重傷1人；緊急轉(zhuǎn)移安置702人，倒損房屋254戶、569間，其中倒塌房屋244間，嚴(yán)重?fù)p壞25間，一般損壞300間；直接經(jīng)濟(jì)損失2 386萬元，其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失2 075萬元。

3 天氣形勢和影響系統(tǒng)分析

3.1 500 hPa環(huán)流形勢6日20：00，西太平洋副熱帶高壓呈塊狀，588 dagpm線西伸至115°E，其北緣已經(jīng)北抬至沿江地區(qū)；7日08：00(圖2a)，副高略微減弱，東北地區(qū)為高壓壩，貝加爾湖至河套南部有一低槽，溫度槽落后于高度槽，槽后冷空氣東移南下；7日20：00低槽移至呼和浩特至鄭州一線，商丘地區(qū)處于副高西北側(cè)584 dagpm線附近，受西南氣流影響；8日08：00(圖2b)，副高穩(wěn)定，584 dagpm線位于宜昌、南京、上海一線，商丘受東移低槽影響；8日20：00低槽收縮東北移，降水逐漸停止。7月7～8日，中高緯度環(huán)流為兩槽一脊型，貝加爾湖東部為一高壓脊，日本海及高原分別為2個(gè)槽區(qū)，副熱帶高壓脊線維持在23°N附近，588 dagpm線北緣穩(wěn)定在28°～30°N，冷暖空氣長時(shí)間交匯在商丘地區(qū)，強(qiáng)降水相對集中且持續(xù)時(shí)間較長。

圖2 2012年7月7日08：00(a)和8日08：00(b)500 hPa天氣形勢

3.2 700和850 hPa環(huán)流形勢700 hPa圖上，7月7日08：00，槽線位于河套到四川南部，商丘處于槽前西南氣流里；7日20：00低槽東移至呼和浩特、太原、西安一線，西南風(fēng)速增大，風(fēng)速輻合加強(qiáng)；8日08：00由于副高的阻擋作用，由南北向槽線轉(zhuǎn)為東北-西南向切變線，切變線位于天津、西安、馬爾康，同時(shí)在馬爾康生成304 hPa的低壓中心，切變線南側(cè)為一致的西南氣流，風(fēng)速較大，徐州風(fēng)速為16 m/s。850 hPa圖上，7日08：00，重慶有一低渦中心，偏南風(fēng)速增大；7日20：00，低空急流軸位于長沙、武漢、阜陽，商丘處于急流軸左前方，暖濕空氣不斷向北輸送；8日08：00切變線位于濟(jì)南到商丘一線，商丘處于切變線南側(cè)西南氣流里。

3.3 地面形勢地面圖上(圖3)，7月7日08：00，蘭州為一高壓中心，呼和浩特至西安有一冷鋒，7日20：00，冷鋒東移至天津到鄭州，商丘處于鋒前暖氣團(tuán)中，8日08：00冷鋒位于濟(jì)南到商丘，受其影響，商丘有雷暴生成。

圖3 2012年7月6～8日地面圖和冷鋒演變

4 物理量分析

4.1 水汽條件

4.1.1水汽通量。決定雨強(qiáng)的因子主要有水汽含量和上升速度的大小，水汽含量主要集中在低空700 hPa以下，產(chǎn)生大暴雨的條件是大氣中必須具備充分的水汽通量和充足的水汽供應(yīng)[5]。水汽通量的水平分布能揭示暴雨的水汽來源和主要水汽通道[6]。由7日08：00～8日08：00水汽通量圖可知(圖4)，850 hPa有一支水汽輸送帶，為來自南海的西南氣流；西南—東北向的水汽通量值區(qū)從廣東一直延伸至山東，商丘地區(qū)處于高值區(qū)，7日08：00水汽通量值為15 g/(cm·hPa·s)，20：00水汽通量值為18 g/(cm·hPa·s)，大值中心為20 g/(cm·hPa·s)，至8日02：00增大至28 g/(cm·hPa·s)，大值中心位于商丘地區(qū)，中心值為32 g/(cm·hPa·s)，08：00減小為16 g/(cm·hPa·s)。700 hPa與其類似。從各層水汽通量看，水汽通量主要在700 hPa以下，大值中心集中在900～950 hPa，即來自南海北上的暖濕氣流是此次暴雨最主要的水汽輸送帶。由于這個(gè)水汽通量大值是向東北方向輸送，使商丘上空的水汽通量不斷加大，為強(qiáng)降雨提供了充沛的水汽。

圖4 2012年7月7日08：00～8日08：00 850 hPa水汽通量演變

4.1.2水汽通量散度。分析7日08：00～8日08：00 850 hPa水汽通量散度變化情況發(fā)現(xiàn)，7日08：00商丘至安徽西部為水汽輻合區(qū)，輻合中心在阜陽，中心數(shù)值為-120 g/(cm2·hPa·s)；7日20：00駐馬店至山東為水汽輻合區(qū)，商丘處于輻合中心，中心值為-48 g/(cm2·hPa·s)；對強(qiáng)降水有利；8日08：00水汽輻合區(qū)東北移至山東，河南為輻散區(qū)，降水減弱。在此次過程中商丘地區(qū)位于負(fù)的水汽通量散度區(qū)，水汽輻合較好，對降水比較有利。

4.2 動力條件

4.2.1強(qiáng)盛的上升運(yùn)動。上升運(yùn)動是形成暴雨的關(guān)鍵因子，上升運(yùn)動強(qiáng)弱決定水汽凝結(jié)速度[7]，分析沿34.5°N大氣垂直速度剖面圖(圖5)發(fā)現(xiàn)，7日08：00，在115°～116.5°E范圍內(nèi)，700 hPa至地面垂直速度為正值，商丘上空有下沉運(yùn)動，此時(shí)沒有降水；20：00，115°～117°E范圍內(nèi)，地面至200 hPa垂直速度均為負(fù)值，有上升運(yùn)動，大值中心在115°～116°E，高度在700～850 hPa，中心最大上升速度<-28×10-3hPa/s，此時(shí)對流層強(qiáng)上升運(yùn)動中心正好位于商丘地區(qū)上空，降雨強(qiáng)度最大，商丘19：00～20：00降雨量達(dá)41.0 mm，20:00～21:00降雨量37.8 mm，虞城20:00～21:00降雨量59.6 mm；8日08:00，負(fù)大值中心東移，商丘地區(qū)上空垂直速度變?yōu)檎?，有下沉運(yùn)動，商丘降水逐漸停止。由此說明，上升運(yùn)動為暴雨提供動力條件，單站上空要有強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動，才有利于強(qiáng)降水的發(fā)生[8]。

圖5 2012年7月7日20:00(a)和8日08:00(b)沿34.5°N垂直速度剖面(單位：10-3 hPa/s)

4.2.2渦度場和散度場。從高空各層渦度場和散度場可以看出，7日08：00，商丘地區(qū)上空500 hPa以下為正渦度區(qū)，500 hPa以上為負(fù)渦度區(qū)，850 hPa以下為輻散層，850 hPa以上為輻合層，此時(shí)不利于降水；7日20：00，正渦度值上升至300 hPa高度，且量值增大，500 hPa為正渦度中心區(qū)，最大渦度值>4×10-5s-1，輻合層在700 hPa以下，最強(qiáng)輻合在925 hPa 層，量值為-30×10-5s-1，700～200 hPa為輻散層，強(qiáng)輻散中心在600 hPa，中心值>15×10-5s-1，有利于上升氣流的發(fā)展；8日08:00，正渦度區(qū)降至850 hPa以下，量值減小，850 hPa以上為負(fù)渦度區(qū)，輻散層在700 hPa以下，輻合層在700 hPa以上。可見高層大氣的輻散是維持和加強(qiáng)低層輻合上升運(yùn)動不可缺少的條件，這次強(qiáng)降水過程是出現(xiàn)在低空輻合、高空輻散的深厚上升運(yùn)動區(qū)中。

4.3 高低空急流的耦合作用高空急流對暴雨的貢獻(xiàn)主要是其輻散作用[9]。從200 hPa高空急流的時(shí)間和空間分布看，7月7日08：00，華北至東海有≥30 m/s的大風(fēng)速區(qū)域，大值中心在渤海，商丘地區(qū)處于大風(fēng)核的右后側(cè)；7日20：00(圖6)，從新疆經(jīng)河套到朝鮮有一東西向≥30 m/s的大風(fēng)速區(qū)域，中心最大風(fēng)速46 m/s，商丘和華北之間的水平風(fēng)速差值達(dá)14 m/s，商丘處于200 hPa急流大風(fēng)核的右后側(cè)，高空為輻散區(qū)；8日08：00急流強(qiáng)度減弱。

圖6 2012年7月7日20：00高低空急流耦合圖

低空急流出現(xiàn)在對流層下部，以850和700 hPa最明顯。這次降水過程700 hPa沒有出現(xiàn)急流，在此對850 hPa的急流進(jìn)行了分析。7月7日08：00，850 hPa急流軸位于湖南南部至河南南部，中心風(fēng)速值>14 m/s，急流的最北端伸至安徽阜陽；7日20：00(圖6)，偏南分速增大，風(fēng)速輻合增強(qiáng)，水汽向北輸送有利；8日08：00，急流最北端已經(jīng)進(jìn)入山東，最大風(fēng)速在湖南境內(nèi)，>16 m/s，商丘地區(qū)處于急流軸的左前方和水平風(fēng)速的輻合區(qū)中。

4.4 K指數(shù)從T639K指數(shù)圖(圖7)可以看出，7日08：00K指數(shù)的大值區(qū)位于安徽，商丘地區(qū)的K值為36～38 ℃；7日14：00，大值區(qū)北移，商丘地區(qū)的K值增大為39～40 ℃；7日20：00維持37～39 ℃，8日02：00，大值中心移至商丘地區(qū)，其值>40 ℃，8日08:00～20:00，大值中心東移，商丘K值仍為38～40 ℃。由此7月7日08：00～8日20：00商丘地區(qū)始終處于K指數(shù)>36 ℃ 的高值區(qū)內(nèi)，K指數(shù)穩(wěn)定維持較高的狀態(tài)，大面積的K指數(shù)高值區(qū)表明商丘地區(qū)具備發(fā)生暴雨、強(qiáng)對流天氣所需的大量的、持續(xù)的不穩(wěn)定能量，相應(yīng)地，K指數(shù)大值區(qū)與暴雨落區(qū)也基本一致。

5 小結(jié)

(1)西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定少動，高空配合西風(fēng)槽和冷空氣的侵入，中低層切變線的動力抬升，西南低空急流強(qiáng)盛的水汽輸送，形成水汽和能量的持續(xù)聚集，地面冷暖氣團(tuán)的交匯，共同影響造成了商丘這次連續(xù)性暴雨過程。

(2)通過分析水汽通量和水汽通量散度變化可知，商丘上空存在大的水汽通量，水汽通量散度為負(fù)值，且水汽輻合中心在商丘地區(qū)，對強(qiáng)降水較為有利。因此，一個(gè)地區(qū)上空有大的水汽通量且有強(qiáng)的水汽輻合，才能預(yù)示有強(qiáng)降水天氣的發(fā)生，在天氣預(yù)報(bào)分析中要加強(qiáng)對低層水汽輻合條件的分析及對當(dāng)?shù)靥鞖獾挠绊憽?/p>

(3)深厚的濕層和較強(qiáng)的水汽輻合為此次暴雨提供了充足的水汽條件；單站上空要有強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動，才有利于強(qiáng)降水的發(fā)生，高層大氣輻散是維持和加強(qiáng)低層輻合上升運(yùn)動不可缺少的條件。

(4)高低空急流在7日夜間增強(qiáng)，商丘處于高空急流大風(fēng)區(qū)的右后側(cè)、低空急流的左前方，這種高低空急流的耦合，激發(fā)了次級環(huán)流的產(chǎn)生和加強(qiáng)，為這場暴雨的產(chǎn)生提供了有利的水汽和上升運(yùn)動條件。

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河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目 [商(20103007)]。

李柯星(1963- )，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，從事氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象、大氣環(huán)境、綜合氣象管理等工作。

2014-12-18

S 161.6

A

0517-6611(2015)04-202-04