一次西南低渦引發(fā)南充持續(xù)大暴雨的診斷分析

劉書慧，劉 佳，李曉容，羅 勤

(1．四川省南充市氣象臺(tái)，四川南充 637000；2.四川省江油市氣象局，四川江油 621700；3.解放軍95437部隊(duì)氣象臺(tái)，四川南充 637000)

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一次西南低渦引發(fā)南充持續(xù)大暴雨的診斷分析

劉書慧1，劉 佳2，李曉容1，羅 勤3

(1．四川省南充市氣象臺(tái)，四川南充 637000；2.四川省江油市氣象局，四川江油 621700；3.解放軍95437部隊(duì)氣象臺(tái)，四川南充 637000)

西南低渦是在青藏高原特殊地形和一定環(huán)流條件下的產(chǎn)物，它發(fā)生于我國西南地區(qū)700 hPa或850 hPa等壓面上的氣旋性環(huán)流或有閉合等高線的低渦，是一個(gè)尺度約為300～500 km的中尺度系統(tǒng)，屬α中尺度渦旋。西南低渦是影響我國降水的主要天氣系統(tǒng)之一，有學(xué)者分析指出西南低渦是我國最強(qiáng)烈的暴雨系統(tǒng)之一，就它所造成的暴雨天氣的強(qiáng)度、頻數(shù)和范圍而言，可以說是僅次于臺(tái)風(fēng)及殘余低壓，重要性位居第二的暴雨系統(tǒng)[1-3]。西南低渦是全年各月都會(huì)出現(xiàn)的，陳忠明等[4]研究發(fā)現(xiàn)西南低渦最多出現(xiàn)在夏季，春秋季其次，冬季最少；7月份出現(xiàn)最多，2月份最少；低渦在夜間生成的幾率比白天高1倍多。

夏季是四川地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)期，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。四川的暴雨多與西南低渦密不可分。2015年8月16～19日，四川遭遇2015年入汛以來范圍最廣、強(qiáng)度最大的一次區(qū)域性暴雨過程。受強(qiáng)降雨影響，四川多地出現(xiàn)不同程度的洪澇災(zāi)情，6市16縣(市)162個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)。暴雨天氣過程使得南充出現(xiàn)了較大范圍的城市內(nèi)澇、鐵路交通受阻，有近200個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)26 450人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積1 878.14 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失4 806.52萬元。此次南充高坪站(國家基本氣象觀測站)24 h降水量創(chuàng)有氣象觀測資料以來極值(192.7 mm)。在整個(gè)暴雨過程中無論是降水密集時(shí)間還是降水分布均為南多北少，全市一半以上自動(dòng)觀測站點(diǎn)累計(jì)降水量達(dá)100 mm，此次過程中發(fā)現(xiàn)有西南低渦生成。筆者利用NCEP 1°×1°再分析資料、風(fēng)云衛(wèi)星資料以及地面常規(guī)氣象觀測資料，對發(fā)生在南充的這次區(qū)域性大暴雨進(jìn)行分析，探討西南低渦如何作用于此次暴雨過程以及此次強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，以期在以后預(yù)報(bào)工作中更加準(zhǔn)確地把握西南低渦引發(fā)暴雨的預(yù)報(bào)。

1天氣實(shí)況

2015年8月16日16：00～18日16：00南充出現(xiàn)了一次區(qū)域大暴雨天氣過程，其中最大過程累計(jì)降水量在順慶區(qū)荊溪鎮(zhèn)，為362.7 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在順慶區(qū)搬罾鎮(zhèn)，為60.3 mm/h，高坪站16日20：00～17日20：00降水量為192.7 mm，刷新了該站有氣象記錄以來的歷史極值。全市213個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)中，累計(jì)雨量≥300 mm的站點(diǎn)1個(gè)、≥200 mm的站點(diǎn)39個(gè)、≥100 mm的站點(diǎn)167個(gè)，≥50 mm的站點(diǎn)201個(gè)。從降水落區(qū)可以看出，此次降水過程大值區(qū)位于南充市南部地區(qū)(圖1)，大值區(qū)降水分布較為集中，高坪站(106.1°N、30.8°E)剛好處在降水大值區(qū)內(nèi)，16日16：00～18日16：00逐小時(shí)氣象觀測降水實(shí)況統(tǒng)計(jì)(圖2)顯示，強(qiáng)降水主要集中在16日16：00～21：00、17日16：00～20：00。

2環(huán)流形勢

暴雨系統(tǒng)屬于中小尺度系統(tǒng)，而它又處于大尺度環(huán)流背景中，大尺度環(huán)流背景為暴雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽供應(yīng)、層結(jié)不穩(wěn)定等條件，兩者通常有著密切的關(guān)系[5]。暴雨發(fā)生前，8月16日14：00 500 hPa亞歐大陸為兩槽一脊環(huán)流形勢，巴爾喀什湖冷槽東移至貝加爾湖以南，青藏高原中部到川西高原上空有一低渦切變，四川北部地區(qū)上空受貝加爾湖冷渦帶來的下滑槽影響；同時(shí)在中低緯地區(qū)，西太平洋副熱帶高壓受位于西太平洋15°N雙臺(tái)風(fēng)持續(xù)擠壓影響而發(fā)生變形，使副高的西脊點(diǎn)向孟加拉灣附近西伸，暖濕氣流受副高西側(cè)西南氣流引導(dǎo)，流入四川盆地(圖3)。16日20：00 500 hPa青藏高原短波槽東移影響盆地；700 hPa(圖4a)，在川西高原有明顯切變，在德陽—成都一線也有切變，南充西北側(cè)有較強(qiáng)的風(fēng)速輻合，受東南風(fēng)控制；850 hPa(圖4b)，南充處在風(fēng)速輻合區(qū)，此時(shí)西南低渦還未明顯生成影響該地區(qū)，強(qiáng)降水主要受切變線影響。

圖3　2015年8月16日14：00亞歐500 hPa形勢場及風(fēng)場Fig.3　The situation field and wind field on the 500 hPa on 14：00 in August 16，2015

3西南低渦北上及加強(qiáng)發(fā)展

3.1低渦發(fā)生及移動(dòng)17日02：00 700 hPa有較強(qiáng)氣旋性切變，但未見閉合環(huán)流(圖5a)；而同一時(shí)刻在500 hPa切變線南側(cè)下層的850 hPa出現(xiàn)西南低渦(圖5b)，6 h后西南低渦才垂直發(fā)展到700 hPa高度，位于盆地南部樂山附近，南充位于低渦東北部，有明顯的風(fēng)速輻合。17日08：00 850 hPa流場上西南渦中心位于自貢內(nèi)江地區(qū)，與700 hPa配合較為一致，低層較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)帶來正渦度的垂直輸送，在一定程度上有利于西南低渦向?qū)α髦袑影l(fā)展，也使得低渦中尺度系統(tǒng)維持影響時(shí)間較長。17日08：00南充在850 hPa同樣有明顯的風(fēng)速輻合且受東南風(fēng)控制，700、850 hPa存在明顯的西南急流。從圖6可以看出，700 hPa西南低渦中心在自貢內(nèi)江附近穩(wěn)定少動(dòng)，至少持續(xù)維持18 h，恰在此時(shí)段暴雨出現(xiàn)了第2次強(qiáng)降水密集時(shí)段；隨后，西南低渦中心向東向北移動(dòng)，在18日08：00位于南充，之后低渦中心緩慢北移減弱，在18日20：00低渦中心移出南充境內(nèi)，此次降水過程也隨之結(jié)束。綜上分析，此次西南低渦生成屬于高原切變類，降水的持續(xù)與西南低渦少動(dòng)密切相關(guān)。

圖4　2015年8月16日20：00 700 hPa(a)和850 hPa(b)流線圖Fig.4　The 700 hPa streamline and 850 hPa streamline on 20：00 in August 16，2015

圖5　2015年8月17日02：00 700 hPa(a)和850 hPa(b)流線圖Fig.5　The 700 hPa streamline and 850 hPa streamline on 02：00 in August 17，2015

圖6　2015年8月17～18日700 hPa西南低渦生成后移動(dòng)路徑Fig.6　Moving path of 700 hPa southwest vortex

3.2中尺度云團(tuán)分析風(fēng)云Ⅱ衛(wèi)星紅外云圖資料(圖7)顯示，西南低渦北上加強(qiáng)發(fā)展的過程伴隨有中尺度對流系統(tǒng)(MSC)云團(tuán)不斷加強(qiáng)發(fā)展的過程。在此利用南充市各自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料，再結(jié)合風(fēng)云Ⅱ衛(wèi)星紅外云圖資料，對8月16～18日出現(xiàn)在南充上空的MCS云團(tuán)進(jìn)行分析。由表1可知，8月16～18日降水過程中絕大多數(shù)降水云團(tuán)移動(dòng)緩慢，有利于該區(qū)域內(nèi)強(qiáng)降水的發(fā)生；MCS云團(tuán)在南充境外生成并快速移動(dòng)到南充，但在南充境內(nèi)發(fā)展移動(dòng)緩慢，同時(shí)合并到原有云團(tuán)中，強(qiáng)降水過程得以持續(xù)；通過地理信息與云圖的疊加，最大中心雨強(qiáng)的站點(diǎn)多位于對流云團(tuán)旺盛區(qū)，雨強(qiáng)多為30～40 mm/h，具有明顯的中尺度特征；從云團(tuán)的覆蓋面來看，南充市轄三區(qū)(順慶區(qū)、嘉陵區(qū)、高坪區(qū))受云團(tuán)影響時(shí)間最長，也合理解釋降水主要集中在南充南部地區(qū)；17日02：00前后西南低渦生成，在衛(wèi)星云圖上云團(tuán)表現(xiàn)出移動(dòng)緩慢，并有新云團(tuán)生成合并使得降水再一次增強(qiáng)。

從衛(wèi)星云圖特質(zhì)揭示出中尺度對流系統(tǒng)云團(tuán)與此次暴雨天氣過程密切相關(guān)，并多作用在南充市南部，使得降水出現(xiàn)南多北少的局面。在西南低渦出現(xiàn)后，MCS云團(tuán)出現(xiàn)在低渦的東北部，恰好是低渦的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域，因此在西南低渦維持下的中尺度對流系統(tǒng)云團(tuán)是此次區(qū)域性大暴雨產(chǎn)生的重要影響系統(tǒng)。

4西南低渦誘發(fā)暴雨的機(jī)制

4.1動(dòng)力抬升作用從高坪站相對渦度的高度-時(shí)間剖面(圖8a)可看出，渦度具有“上負(fù)下正”的結(jié)構(gòu)，在此次暴雨過程中，對流層中低層(500 hPa及以下)均為正渦度、高層為負(fù)渦度，有利于低渦發(fā)展[6-7]。在16日14：00前后和17日08：00～18日02：00，正渦度中心延伸至400 hPa以上，呈自下而上的近垂直結(jié)構(gòu)。16日14：00前后對應(yīng)切變線帶來降水，而后一時(shí)段恰好是西南低渦加強(qiáng)發(fā)展影響南充時(shí)段，正渦度柱明顯加強(qiáng)，其中渦度中心位于850 hPa附近，正渦度值達(dá)10×10-4s-1。說明850 hPa附近氣旋性渦旋環(huán)流最強(qiáng)，輻合上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)，環(huán)境場輻合越強(qiáng)低渦的發(fā)展越快。2次對流層中低層正渦度柱伸展時(shí)段與高坪站強(qiáng)降水時(shí)段吻合，強(qiáng)烈的抬升運(yùn)動(dòng)有利于降水的發(fā)生[6-7]。

表1　 2015年8月16日16：00～17日19：00降水云團(tuán)分布特征

圖7　2015年8月16日16：00(a)和17日12：00(b)衛(wèi)星云團(tuán)Fig. 7　Satellite clouds on 16::00 in August 16 and 12:00 in August 17, 2015

從散度高度-時(shí)間剖面(圖8b)可以看出，散度場基本具有“上正下負(fù)”的結(jié)構(gòu)，700 hPa以下基本為負(fù)值輻合，在低渦生成發(fā)展時(shí)(17日08：00左右)南充處在輻合大值區(qū)，低層的輻合中心值達(dá)-6×10-4s-1，此時(shí)高空200 hPa附近又為最大輻散中心，其值為4×10-4s-1。結(jié)合700、850 hPa風(fēng)場矢量及散度場(圖9)可以看出，700及850 hPa低層有輻合中心與之對應(yīng)，高層輻散大于低層輻合。低層輻合高層輻散這種抽吸作用有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持，為對流的發(fā)展提供了條件，是暴雨形成的重要?jiǎng)恿σ蜃?。由高坪站垂直速度的高?時(shí)間剖面(圖8c)可見，17日02：00開始南充存在較強(qiáng)的上升氣流，恰好與低渦在850 hPa生成時(shí)間相對應(yīng)；并在17日08：00左右南充上空為深厚的上升氣流(一直上升發(fā)展至200 hPa)。在暴雨過程中，上升運(yùn)動(dòng)的最大值出現(xiàn)在700 hPa。

綜上所述，暴雨過程中，南充低層輻合高層輻散，加之低層輻合中心與西南低渦伴隨的低空急流耦合發(fā)展，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持，為暴雨提供了有利的動(dòng)力作用。

圖8　2015年8月16～18日高坪站相對渦度(a)、散度(b)、垂直速度(c)和比濕(d)的高度-時(shí)間剖面Fig.8　Altitude-time profile of relative vorticity(a)，divergence(b)，vertical speed(c)and specific humidity(d)in Gaoping Station from August 16 to August 18，2015

注：散度場單位為10-4s-1，陰影區(qū)為負(fù)散度。Note：Unit of divergency field was 10-4s-1；shadow region was negative divergence.圖9　2015年8月17日08：00 700 hPa(a)和850 hPa(b)風(fēng)場矢量及散度場Fig.9　Vector of wind field and divergency field on 700 hPa(a)and 850 hPa(b)on 08：00 in August 17，2015

4.2水汽條件在暴雨發(fā)生時(shí)，南充700和850 hPa相對濕度分別為80%和90%。從高坪站的比濕高度-時(shí)間垂直剖面(圖8d)可以看出，在整個(gè)暴雨過程期間，700和850 hPa的比濕分別一直保持在12和14 g/kg以上，處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)；中低層的比濕在過程中也存在峰值和低值，大值出現(xiàn)在16日20：00、17日20：00前后，恰好與此次暴雨的強(qiáng)降水時(shí)間段一致。

分析環(huán)流形勢及水汽通量矢量和水汽通量散度(圖10)表明，此次暴雨的主要水汽來源于孟加拉灣。16日16：00～18日16：00，南充700和850 hPa均為負(fù)水汽通量散度，同時(shí)在西南低渦出現(xiàn)后南充700及850 hPa水汽輻合區(qū)域一致，其中17日08：00南充西南部為輻合極大值區(qū)，達(dá)-40×10-6g/(cm2·hPa·s)。降水過程中，西太平洋副高受位于西太平洋15°N雙臺(tái)風(fēng)西伸持續(xù)擠壓影響，打通了孟加拉灣向盆地輸送水汽的通道。南充受副高西側(cè)持續(xù)的西南低空急流水汽輸送，高濕的氣流流入南充，且700和850 hPa南充一直處在水汽輻合上升區(qū)域，有利于水汽的垂直輸送，是連續(xù)降水的重要條件。

4.3熱力不穩(wěn)定對比2015年8月16～18日達(dá)州探空站K指數(shù)、SI指數(shù)和CAPE值(表2)發(fā)現(xiàn)，16日08：00～17日20：00K指數(shù)不斷增大，而SI指數(shù)是不斷減小，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)[8-9]；到18日后K指數(shù)<35 ℃，SI指數(shù)為正，降水也趨于結(jié)束。16日08：00～20：00CAPE值是不斷增大，特別在16日14：00暴雨發(fā)生前期數(shù)值突然增大，能量明顯積聚，而在17日08：00以后CAPE減小，說明能量釋放明顯。在低渦生成后(17日08：00～20：00)，K指數(shù)維持為41 ℃，SI指數(shù)也均為負(fù)值，表明大氣仍處在極不穩(wěn)定狀態(tài)[8-9]。

注：陰影區(qū)為負(fù)水汽通量散度。Note：Unit was 10-6g/(cm2·hPa·s)；shadow region was negative water-vapor flux.圖10　2015年8月17日08：00 700 hPa(a)和850 hPa(b)水汽通量矢量和水汽通量散度疊加圖Fig.10　Vector and divergence of water-vapor flux on 700 hPa(a)and 850 hPa(b)on 08：00 in August 17，2015

結(jié)合形勢場分析，低渦發(fā)生前期的強(qiáng)對流天氣得益于切變線及不穩(wěn)定能量的釋放；低渦發(fā)生后，大氣仍處在不穩(wěn)定狀態(tài)，為動(dòng)力抬升提供條件，有利于暴雨的發(fā)生。

表22015年8月16～18日達(dá)州探空站K指數(shù)、SI指數(shù)和CAPE值分布情況

Table 2Distribution situation ofKandSIindexes andCAPEvalue in Dazhou rawinsonde station from August 16 to August 18，2015

時(shí)間TimeK指數(shù)Kindex∥℃SI指數(shù)SIindex∥℃CAPEJ/kg16日08:00351.82166.116日14:00380.901088.016日20:0038-1.421202.717日08:0041-0.54100.217日20:0041-0.65018日08:00333.450

5結(jié)論

利用常規(guī)觀測資料及NCEP資料，對2015年8月16～18日西南低渦引發(fā)的南充一次區(qū)域性大暴雨過程進(jìn)行診斷分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)此次暴雨過程受高原低值系統(tǒng)東移、臺(tái)風(fēng)擠壓副高及西南暖濕氣流的共同作用，使得南充處于東高西低的阻塞形勢，致使短波槽移動(dòng)緩慢長期停留在盆地東部；但降水主要分為2個(gè)階段，第1階段為中低層切變線及前期不穩(wěn)定能量釋放引發(fā)強(qiáng)對流天氣；第2階段為西南低渦在盆地南部穩(wěn)定少動(dòng)并長時(shí)間維持(18 h)，南充處在低渦輻合上升區(qū)，是引發(fā)連續(xù)暴雨主要原因之一。

(2)此次西南低渦生成屬于高原切變類，低渦首先出現(xiàn)在500 hPa切變線南側(cè)下層的850 hPa出現(xiàn)(8月17日02：00)，6 h后垂直發(fā)展至700 hPa，之后西南低渦氣旋式環(huán)流主要位于700 hPa以下的對流層，深厚階段正渦度柱伸展至400 hPa，呈自下而上的近垂直結(jié)構(gòu)。

(3)中尺度對流系統(tǒng)云團(tuán)多作用在南充市南部，使得降水出現(xiàn)南多北少的局面。在西南低渦出現(xiàn)后，MCS云團(tuán)出現(xiàn)區(qū)域恰好為低渦的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域，因此在西南低渦維持下的中尺度對流系統(tǒng)云團(tuán)是此次暴雨產(chǎn)生的直接影響系統(tǒng)。

(4)南充低層輻合高層輻散，加之低層輻合中心與西南低渦伴隨的低空急流耦合發(fā)展，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持，為暴雨提供了有利的動(dòng)力作用。

(5)南充受西太平洋副高西側(cè)持續(xù)的西南低空急流水汽影響，副高受位于西太平洋15°N雙臺(tái)風(fēng)西伸持續(xù)擠壓影響，使得孟加拉灣水汽源源不斷向盆地供應(yīng)；且中低層南充一直處在水汽輻合上升區(qū)域，有利于水汽的垂直輸送，是連續(xù)暴雨的主要原因。

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摘要利用NCEP 1°×1°再分析資料、風(fēng)云衛(wèi)星資料以及地面常規(guī)氣象觀測資料，對2015年8月16～18日發(fā)生在南充的一次區(qū)域性大暴雨進(jìn)行分析，探討強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的機(jī)制。結(jié)果表明，此次暴雨過程主要分為2個(gè)階段：第1階段為低空切變線及前期不穩(wěn)定能量釋放引發(fā)強(qiáng)對流天氣；第2階段為西南低渦影響，影響時(shí)間較長。此次西南低渦生成屬于高原切變類，低渦首先出現(xiàn)在500 hPa切變線南側(cè)下層的850 hPa，后垂直發(fā)展到700 hPa，深厚階段正渦度柱伸展至400 hPa，呈自下而上的近垂直結(jié)構(gòu)。在西南低渦維持下的中尺度對流系統(tǒng)云團(tuán)是這次暴雨產(chǎn)生的重要系統(tǒng)。南充低層輻合高層輻散，加之低層輻合中心與西南低渦伴隨的低空急流耦合發(fā)展，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持，為暴雨提供了有利的動(dòng)力作用。南充受西太平洋副高西側(cè)持續(xù)的西南低空急流帶來孟加拉灣的充沛水汽，且中低層南充一直處在水汽輻合上升區(qū)域，有利于水汽的垂直輸送。

關(guān)鍵詞西南低渦；暴雨；診斷分析

Diagnostic Analysis of a Heavy Rainfall in Nanchong City Caused by Southwest Vortex

LIU Shu-hui1, LIU Jia2, LI Xiao-rong1et al(1.Nanchong Meteorogical Observatory，Nanchong, Sichuan 637000; 2. Jiangyou Meteorogical Bureau, Jiangyou, Sichuan 621700)

AbstractA heavy rainfall in Nanchong City was analyzed from August 16 to August 18, 2015 by using NCEP 1° × 1° reanalysis data, FY satellite data and ground conventional meteorological observation data. The mechanism of heavy rainfall was discussed. Research results showed that this heavy rainfall could be divided into two stages: the first stage was severe convection weather caused by previous unstable energy release and low level shear line; the second stage was the influence of southwest vortex in a long period of time. This southwest vortex belonged to the plateau shear. Low vortex firstly generated on the 850 hPa under the south site of 500 hPa shear line. Then, the southwest vortex developed to 700 hPa vertically. The deep stage of positive vorticity stretched to 400 hPa, showing nearly vertical bottom-up structure. The mesoscale cloud cluster maintained by southwest vortex was an important system for this rainfall. There were low level convergence and high level divergence in Nanchong City, coupled with low-level convergence center and the low-level jet of southwest vortex. The dynamic condition was helpful to the development and maintenance of the vertical motion. Low-level convergence in convection and relatively strong upward motion provided favorable dynamics for rainstorm. Abundant water vapor from the Bay of Bengal was brought to Nanchong City by southwest low-level jet in the west site of the western pacific subtropical high. The middle and lower atmosphere on Nanchong was in the region of water vapor convergence, which was conducive to the vertical transport of water vapor.

Key wordsSouthwest vortex; Rainstorm; Diagnostic analysis

收稿日期2015-11-30

作者簡介劉書慧(1992-)，女，四川儀隴人，助理工程師，從事短期短臨天氣預(yù)報(bào)研究。

基金項(xiàng)目南充市氣象局重大氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究項(xiàng)目(2016002)。

中圖分類號(hào)S 165

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)01-275-06