貴州一次大暴雨物理量場診斷分析

黃天福 林小杰 陳昌文 劉鵬

摘要 根據(jù)FY-2C衛(wèi)星逐時紅外云圖、云頂亮溫（TBB）資料（分辨率0.05?×0.05?）、探空資料、NCEP/NCAR（分辨率1?×1?）。對發(fā)生于2012年5月21日夜間到22日凌晨的貴州西南部大暴雨天氣過程進(jìn)行物理量診斷分析：（1）此次大暴雨天氣過程是發(fā)生在大尺度環(huán)流背景下，貝加爾湖低槽后部偏北氣流引導(dǎo)冷空氣南下與槽前的西南暖濕氣流在貴州上空交匯的結(jié)果;（2）西南急流帶來的孟加拉灣水汽和東南氣流帶來的南海水汽在暴雨區(qū)匯聚，為強(qiáng)降雨發(fā)生提供充足的水汽條件;（3）此次強(qiáng)降水主要由MCS發(fā)展演變過程產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞 大暴雨;物理量場;診斷分析

中圖分類號：S161.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）04-0-03

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.04.054

貴州省位于中國西部地區(qū)，境內(nèi)屬于高原山地，貴州省西南部是來自孟加拉灣水汽向北輸送的主要通道，而南部則是南海水汽向北輸送的主要通道[1]。貴州北部常受冷空氣南下或冷空氣回流影響，來自南部或西南部暖濕氣流和來自北部的冷空氣在貴州上空交匯，暖濕氣流抬升凝固降落，在貴州省境內(nèi)常出現(xiàn)頻率高的強(qiáng)降水天氣[2]。由于貴州特有的喀斯特地貌，水土流失和暴雨災(zāi)害十分嚴(yán)重。本文借助一次典型的貴州西南部暴雨中心的一次大暴雨的發(fā)生、發(fā)展研究揭露貴州暴雨的特點(diǎn)。

1 過程降水實況

2012年5月21日20∶00～22日20∶00貴州省境內(nèi)出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨天氣過程。降雨天氣涵蓋全省，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在貴州省的西南部暴雨區(qū)（圖1）。全省共計85個縣站、1 690個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)降雨天氣，大暴雨發(fā)生主要區(qū)域在貴州西南部的六盤水、安順、黔西南州大部、畢節(jié)東南部、黔南西北部和貴陽西部等地區(qū)，北部邊緣和省中部以東降水量級較小，省東部和東南部個別站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨。此次強(qiáng)降水天氣過程有降水時間短（集中在21日22∶00～22日04∶00）、降雨強(qiáng)度大（最大小時雨量在79.8 mm）、降水范圍廣（覆蓋全?。┑忍攸c(diǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，此次暴雨造成西南部大部分公路與農(nóng)田被沖毀，農(nóng)作物受災(zāi)面積大，房屋損壞多且嚴(yán)重。

2 水汽條件分析

2.1 水汽通量

水汽通量又稱為水汽流量，是指單位時間內(nèi)通過單位面積的水汽量，表示水汽輸送的方向和大小[3]。從整層積分水汽通量矢量來看，來自孟加拉灣的西南水汽帶和來自南海的東南水汽帶源源不斷經(jīng)貴州向北輸送，水汽匯集于貴州西南部，兩個水汽帶為此次強(qiáng)降水的發(fā)生提供了充足的水汽條件（圖2）。

從水汽通量上也可以看出，21日20時700 hPa上，強(qiáng)勁的西南氣流源源不斷地將孟加拉灣的水汽輸送到貴州暴雨區(qū)上空，建立一條西南水汽通道，貴州西南部位于水汽通量出口左側(cè)，有利于水汽在此輻合。850 hPa上，在東南氣流的帶動下南海水汽向北輸送，建立一條東南水汽通道，貴州西南部位于水汽通量出口的左側(cè)，在貴州北部也有一條弱水汽通道，自川東北向黔西北輸送（圖3）。700 hPa西南水汽輸送通道與850 hPa東南水汽輸送通道交匯于貴州西部，兩條水汽通道帶來大量水汽與能量。

2.2 水汽通量散度

水汽通量僅表示水汽來源，至于暴雨的發(fā)生、降水的多少則與水汽通量散度有關(guān)。水汽通量散度是描述水汽水平集中的物理量，它表示單位時間單位面積水汽的凈流失量。分析暴雨區(qū)（108°E，26°N）水汽通量時間演變圖（圖4a），從21日20∶00開始到22日02∶00在中低層700 hPa到900 hPa水汽通量都急劇上升，降水開始時暴雨區(qū)上空有較強(qiáng)的水汽輸送匯集，隨著降水的開始，水汽通量逐漸加大，降水量也隨之加大，在降水最強(qiáng)的時（22日02∶00）中低層的水汽通量達(dá)到最高值。22日08∶00，水汽通量逐漸減少，降水也隨之減弱停止。分析水汽通量散度演變圖（圖4b）同樣可以看出，從21日17∶00，整個暴雨區(qū)中低層水汽通量散度由正值向負(fù)值轉(zhuǎn)變，說明此時暴雨區(qū)上空有水汽輻合。從21日20∶00開始到22日02∶00，水汽通量散度迅速降低，水汽通量輻合也逐漸加強(qiáng)，在22日02∶00水汽通量散度最小值位于850 hPa，中心強(qiáng)度值達(dá)（-100×10-8·g·cm-2·hPa-1·s-1），說明此時輻合最強(qiáng)與地面降水強(qiáng)度相對應(yīng)，水汽通量散度逐漸減弱，地面降水也逐漸減小。

3 動力條件分析

造成強(qiáng)降水必要條件之一就是強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，強(qiáng)烈的上升使得水汽不斷爬升、凝結(jié)成云、云滴增長成雨滴降落，暴雨產(chǎn)生[4]。本節(jié)將從散度、渦度、垂直速度分析來了解此次暴雨天氣過程中的動力機(jī)制。

3.1 散度分析

散度是衡量速度場輻合、輻散的物理量，輻合為正、輻散為負(fù)[5]。沿105°E對散度作時間經(jīng)向剖面圖，21日14∶00雖然底層有輻合中高層有輻散，但整個暴雨區(qū)的垂直運(yùn)動并不強(qiáng)烈。隨著時間的推移，底層輻合與高層輻散加強(qiáng)，在21日20∶00 600 hPa以下都為輻合區(qū)，600 hPa以上為輻散，垂直運(yùn)動比較強(qiáng)烈，此時地面出現(xiàn)明顯的強(qiáng)降水天氣。到22日02∶00低層輻合繼續(xù)加強(qiáng)，輻合高度在500 hPa，并且在800 hPa附近有強(qiáng)輻合中心（負(fù)值中心值為-7×10-6·s-1），高層輻散也在繼續(xù)加強(qiáng)，在200 hPa附近有一強(qiáng)輻散中心，說明暴雨發(fā)生時垂直運(yùn)動劇烈。高層強(qiáng)輻散有利于上升運(yùn)動，使對流發(fā)展更加強(qiáng)盛，輻散的抽吸作用能夠很好加強(qiáng)中層對流的上升運(yùn)動，對流的上升運(yùn)動則加強(qiáng)低層輻合，從而促使對流循環(huán)發(fā)展，有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。這種低層輻合、高層輻散使得整個對流層產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，低層水汽源源不斷向上輸送、凝結(jié)產(chǎn)生大量雨滴降落形成暴雨天氣。低層輻合、高層輻散的深厚垂直運(yùn)動為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了十分有利的動力條件。

3.2 渦度分析

沿105°E對渦度作時間經(jīng)向剖面圖，在強(qiáng)降水開始前，中低層以下為正渦度區(qū)，中高層為負(fù)渦度區(qū)。隨著降水開始，雨區(qū)中低層渦度區(qū)的值逐漸加強(qiáng)擴(kuò)大。22日02∶00地面降水最強(qiáng)時在700 hPa有一明顯正渦度中心，中心強(qiáng)度為（12×10-6·s-1），正渦度延升到200 hPa。底層為強(qiáng)的正渦度區(qū)高層為弱渦度或負(fù)渦度區(qū)，有利大氣的上升運(yùn)動，源源不斷的水汽的抬升降落形成暴雨。從500 hPa渦度平流演變圖分析，降水發(fā)生前，西風(fēng)槽前對應(yīng)的是一個較強(qiáng)的正渦度平流，暴雨產(chǎn)生在正渦度平流右前方，對判斷西風(fēng)槽未來是否加深發(fā)展和產(chǎn)生暴雨都有一定的指示作用。

3.3 垂直速度分析

垂直速度是速度在垂直方向的分量，它直接反映暴雨垂直運(yùn)動的分布強(qiáng)度[6]。為了更好了解暴雨發(fā)生時高空垂直速度，將分析暴雨區(qū)垂直速度的時間剖面圖（圖5）。在21日20∶00前整層大氣都比較平穩(wěn)，從21日20∶00開始，整層大氣都開始處于上升運(yùn)動中，此時地面降水也全面開始。在22日02∶00 850 hPa和400 hPa有一高值中心，中心強(qiáng)度為（-2.1×），垂直上升運(yùn)動到200 hPa，說明上升運(yùn)動強(qiáng)烈并且層次深厚，此時地面雨強(qiáng)也是最大的時候。在22日08∶00逐漸減小，部分層次向相反方向轉(zhuǎn)向，此時地面雨強(qiáng)減弱或停止。結(jié)合散度、渦度、垂直速度圖分析，各要素之間配置好，在上升運(yùn)動區(qū)（w<0）時，有正渦度（>0），負(fù)散度與之對應(yīng)，各物理量在最大值時段與強(qiáng)降水區(qū)時段也相符。

4 熱力條件分析

4.1 大氣層結(jié)穩(wěn)定度分析

對流有效位能是一個與環(huán)境聯(lián)系最為密切的熱力學(xué)變量，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外強(qiáng)對流天氣的診斷分析，它表征大氣對流的不穩(wěn)定能量。研究結(jié)果表明，當(dāng)CAPE>1 000/kg時，發(fā)生強(qiáng)對流可能性很大。而在暴雨預(yù)報中，K指數(shù)是一個可供參考指標(biāo)，對未來暴雨強(qiáng)度和落區(qū)都有很好的指導(dǎo)性。一般K指數(shù)≥35℃是表示大氣層結(jié)的不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，K指數(shù)越大說明層結(jié)越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生強(qiáng)對流天氣。暴雨預(yù)報中，一般認(rèn)為，SI≥0為層結(jié)穩(wěn)定，SI≤0表示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，越小越容易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。下面將分析此次暴雨發(fā)生前后的大氣穩(wěn)定度的各物理量。

對暴雨發(fā)生前后CAPE值、K指數(shù)和SI指數(shù)的變化進(jìn)行分析，在暴雨發(fā)生前（21日08∶00），CAPE=330（J.kg）、K=41、SI=-2.90，表明此時大氣層結(jié)已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但還沒發(fā)生強(qiáng)對流天氣，通過白天位于云南東部熱低壓中心的作用，不穩(wěn)定能量得到高度積聚，為傍晚到夜間大暴雨發(fā)生聚集大量能量。即將發(fā)生時（21日20∶00），CAPE=6 002.3（J.kg）、K=43、SI=-3.25，說明暴雨區(qū)附近具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，大氣層結(jié)十分不穩(wěn)定，強(qiáng)對流天氣即將發(fā)生，隨后的12小時內(nèi)貴州全境出現(xiàn)降雨天氣，貴州西南部大部出現(xiàn)大暴雨天氣。在暴雨結(jié)束時（22日08∶00）CAPE=135.6（J.kg）、K=29、SI=4.78，不穩(wěn)定能量得到釋放，大氣層結(jié)不穩(wěn)定度降低，沙氏指數(shù)升高，大氣層結(jié)穩(wěn)定（表1）。

5 結(jié)論

（1）此次貴州西南部大暴雨天氣過程是發(fā)生在大尺度環(huán)流背景下，貝加爾湖低槽后部偏北氣流引導(dǎo)冷空氣南下與槽前的西南暖濕氣流在貴州省上空交匯的結(jié)果。中、低層低渦與地面輻合線產(chǎn)生的上升運(yùn)動是本次暴雨發(fā)生的動力機(jī)制。

（2）西南急流源源不斷帶來孟加拉灣水汽和東南氣流帶來南海水汽在暴雨區(qū)匯聚，為強(qiáng)降雨發(fā)生提供充足水汽條件。高層輻散、低層輻合的抽吸垂直配置更加有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。

（3）此次強(qiáng)降水主要由MCS發(fā)展演變過程產(chǎn)生的，隨著MCS生成、發(fā)展逐步成熟，強(qiáng)降水區(qū)也隨MCS發(fā)展而發(fā)展、移動而移動。此次大暴雨天氣過程受中尺度天氣系統(tǒng)影響。

（4）暴雨發(fā)生在對流不穩(wěn)定層結(jié)條件下，整層強(qiáng)烈的上升運(yùn)動使得中低層水汽更好向上輸送，為此次暴雨發(fā)生提供良好的水汽條件和動力條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧瑞荊.貴州暴雨洪澇的氣候特征分析[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2010.

[2] 李剛，牟克林，萬雪麗.2012年5月21日貴州西南部大暴雨診斷分析[J].貴州氣象，2013，37（2）：10-16.

[3] 林毅，劉銘，劉愛鳴.高低空急流在閩西北大暴雨過程中的作用及數(shù)值模擬[J].氣象科學(xué)，2006，26（4）：449-455.

[4] 李云川，張迎新，崔粉娥.兩次東北冷渦天氣異同的成因分析[J].氣象，2008，34（12）：54-62.

[5] 王暉.寧夏一次大暴雨天氣過程的數(shù)值模擬研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2014.

[6] 郁珍艷，何立富，范廣洲，等.華北冷渦背景下強(qiáng)對流天氣的基本特征分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2011，27（1）：89-94.

責(zé)任編輯：黃艷飛