誘發(fā)云南麻栗坡特大山洪泥石流的暴雨成因分析

董興欣 王酈 馮德花

（云南省文山州氣象局，文山 663000）

0 引言

泥石流是一種由泥沙、石塊等松散碎屑物質(zhì)和水組成的流體，它暴發(fā)時(shí)，往往在頃刻之間給人類造成巨大的災(zāi)難。我國(guó)是一個(gè)地勢(shì)西高東低的國(guó)家，并且山地面積占大多數(shù)，是一個(gè)泥石流災(zāi)害常發(fā)的國(guó)家，而且也是受泥石流危害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，每年由泥石流造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)20億元，死亡300～600人。影響泥石流形成的因素很多且很復(fù)雜，包括巖性構(gòu)造、地形地貌、土層植被、水文條件、氣候降雨以及近些年人類的活動(dòng)等，諸多文章對(duì)泥石流災(zāi)害與降雨量的關(guān)系進(jìn)行了深入研究。近年來，對(duì)泥石流的研究不僅局限于災(zāi)害特征、成因分析和防治措施，學(xué)者們?cè)谀嗍鞯谋O(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)、起動(dòng)的臨界條件和雨量、定量分析等方面也做了深入研究。

云南泥石流災(zāi)害自古有之，80%的泥石流災(zāi)害在夜間發(fā)生，而暴雨類泥石流是云南泥石流的最主要類型，因而對(duì)暴雨成因的研究十分重要。云南的氣象工作者也對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行了大量的災(zāi)害時(shí)空分布特征和氣象成因分析。文山州位于云南東南部，屬低緯高原季風(fēng)氣候區(qū)，干雨季節(jié)分明，雨季降水集中，多大雨、暴雨，是絕大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的誘發(fā)因素。 2018年9月2日凌晨，云南省文山壯族苗族自治州麻栗坡縣發(fā)生了特大山洪泥石流災(zāi)害，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，由于事發(fā)在凌晨，又局地性較強(qiáng)，使得難以提前預(yù)測(cè)和防范。本文對(duì)這次泥石流災(zāi)害從天氣學(xué)角度進(jìn)行分析，剖析災(zāi)害性天氣發(fā)生的水汽來源、動(dòng)力、熱力學(xué)條件，以期找出重大災(zāi)害性天氣事件的天氣學(xué)特征，為以后類似天氣的預(yù)報(bào)提供借鑒。

1 降水實(shí)況和災(zāi)情

2018年9月1日20時(shí)—2日20時(shí)（北京時(shí)，下同），云南省文山州出現(xiàn)了一次區(qū)域性暴雨、局部大暴雨天氣過程，其中大暴雨4站，暴雨16站，大雨44站，強(qiáng)降水雨帶呈東北—西南走向（圖1），主要涉及麻栗坡、西疇、廣南、馬關(guān)等縣，此次過程單點(diǎn)性短時(shí)強(qiáng)降水特征明顯，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在2日02時(shí)—2日上午10時(shí)，致使麻栗坡、西疇、廣南等地出現(xiàn)了洪澇災(zāi)害。據(jù)民政局統(tǒng)計(jì)，暴雨造成了道路交通、水利及電力設(shè)施、農(nóng)作物、房屋不同程度損毀，三縣共受災(zāi)83220人，轉(zhuǎn)移安置1769人，房屋倒塌360間，共造成經(jīng)濟(jì)損失14002.13萬元；其中麻栗坡縣受災(zāi)最為嚴(yán)重，猛硐鄉(xiāng)因?yàn)樘赜械牡匦我蛩兀畲笮r(shí)雨強(qiáng)和24小時(shí)雨量均出現(xiàn)在猛硐，2日03—04時(shí)雨量達(dá)97.4 mm，極為罕見，24 h雨量達(dá)212.2 mm，強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在02—06時(shí)（圖2），產(chǎn)生了較大范圍的山洪泥石流災(zāi)害，造成10人死亡、7人受傷、11人失蹤，成為受災(zāi)區(qū)的重中之重。

2 環(huán)流背景

圖1 云南省2018年9月1日20時(shí)—2日20時(shí)雨量分布，（單位：mm，圖中“○”為猛硐所在地）Fig. 1 Rainfall distribution map of Yunnan Province from 20：00 on September 1 to 20：00 BT on 2 September 2018 (unit: mm), in which“○”is the location of Mengdong

圖2 2018年9月2日麻栗坡縣猛硐鄉(xiāng)逐時(shí)雨量演變Fig. 2 Hourly rainfall evolution on 2 September 2018 in Mengdong, Malipo

本次暴雨主要發(fā)生在1日夜間至2日凌晨，在9月1日08時(shí)暴雨發(fā)生前（以下簡(jiǎn)稱醞釀階段）100 hPa圖上，南亞高壓主要高壓中心在90°E以東，高壓南側(cè)熱帶東風(fēng)急流開始建立，暴雨開始時(shí)2日02時(shí)（以下簡(jiǎn)稱爆發(fā)階段），熱帶東風(fēng)急流有所加強(qiáng)，云南大部位于南亞高壓南側(cè)，猛硐受其南側(cè)的熱帶東風(fēng)急流控制且位于急流入口區(qū)右側(cè)，具有較強(qiáng)的高層輻散和潮濕不穩(wěn)定特征（圖3a）；2日20時(shí)，南亞高壓東移至100°E附近，猛硐位于急流軸上，動(dòng)力抽吸作用有所減弱。醞釀階段500 hPa高度場(chǎng)（圖3b）上，亞洲中高緯為“兩槽一脊”環(huán)流形勢(shì)，副熱帶高壓位置明顯偏東，其西伸脊點(diǎn)位于145°E附近，脊點(diǎn)附近是2018年第21號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)飛燕（22.2°N，136.1°E），受副熱帶高壓西側(cè)偏北氣流影響，“飛燕”向偏北方向移動(dòng)，對(duì)云南無明顯影響，長(zhǎng)江中下游、中南半島至南海一帶分別為兩個(gè)高壓控制；爆發(fā)階段，上述兩個(gè)高壓均向西發(fā)展移動(dòng)，分別控制云南以北和以南的區(qū)域，在云南形成兩高間的風(fēng)向切變，在印度半島至孟加拉灣一帶生成一個(gè)低壓系統(tǒng)，云南受西部低壓和南部高壓外圍的兩股西南氣流影響，并且與北邊高壓南部的東北氣流產(chǎn)生交匯，有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展；2日08時(shí)滇中以南大部轉(zhuǎn)為低壓控制。醞釀階段700 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖3c）上，曲靖北部到臨滄一帶存在一條貫穿滇中的東北—西南向切變線；20時(shí)在切變東側(cè)文山以東以北形成一個(gè)閉合性低壓環(huán)流；爆發(fā)階段文山為偏西氣流控制，以東轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，存在風(fēng)向輻合切變；2日白天文山轉(zhuǎn)為偏東氣流控制。高低層系統(tǒng)配置加上猛硐特殊地形抬升作用，為此次大暴雨的產(chǎn)生提供了非常有利的環(huán)流條件。

圖3 2018年9月2日02時(shí)環(huán)流背景（a）100 hPa熱帶東風(fēng)急流（陰影）和高層輻散的配置（流線）（單位：m/s）；（b）500 hPa高度場(chǎng)（單位：dagpm）；（c）700hPa風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）Fig. 3 Circulation background at 02:00 BT on 2 September 2018(a) configuration of 100 hPa tropical easterly jet (shadow)and high-level divergence (streamline) (unit: m/s); (b)500h Pa height field (unit: dagpm); (c) 700 hPa wind field(unit: m/s)

3 物理量場(chǎng)分析

3.1 水汽條件

水汽是產(chǎn)生降水的必要條件，而暴雨則要求有充分的水汽供應(yīng)，從700 hPa水汽通量分布來看，從醞釀階段開始猛硐附近就存在水汽通量的輻合流入（圖略），一直維持到爆發(fā)階段水汽來源以孟加拉灣西南氣流為主（圖4a）。2日白天開始孟加拉灣西南氣流水汽輸送明顯南移到越南一帶，猛硐水汽輸送明顯減弱，降水減??；從700 hPa水汽通量散度分布來看，醞釀階段文山大部為水汽通量散度的輻散區(qū)，1日20時(shí)開始轉(zhuǎn)為輻合區(qū)，爆發(fā)階段云南南部大部為水汽通量散度的輻合區(qū)，文山范圍水汽輻合均大于5×10g·s·cm·hPa，猛硐附近輻合中心值約達(dá)10×10g·s·cm·hPa，表明有大量水汽流入并形成降水（圖4b）。2日08時(shí)水汽輻合開始減弱，降水減弱，2日20時(shí)文山區(qū)域輻合區(qū)基本分析不出，猛硐附近水汽輻合減弱到＜5×10g·s·cm·hPa。

從此次過程的相對(duì)濕度（RH）垂直分布來看（沿猛硐（22.87°N，104.71°E）所在緯度做剖面），在醞釀階段，猛硐上空整層大氣RH均小于90%，20時(shí)中高層500 hPa以上濕度有所增加（圖略），這與500 hPa上的西南氣流帶來的水汽對(duì)應(yīng)較好，到爆發(fā)階段，整層大氣RH均較高，從750 hPa到200 hPa是一個(gè)遞增的趨勢(shì)，且中高層相對(duì)濕度維持在98%左右，濕層深厚（圖4c），2日白天RH開始降低，降水減弱。

3.2 動(dòng)力條件

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是暴雨的動(dòng)力條件要求，從高低層散度場(chǎng)的配置可以發(fā)現(xiàn)，醞釀階段除滇西部分地區(qū)外，其余地區(qū)低層700 hPa為輻散，1日20時(shí)轉(zhuǎn)為明顯輻合區(qū)，爆發(fā)階段猛硐附近為-8×10s（圖5a），低層存在明顯輻合，一直到高層300 hPa才轉(zhuǎn)為輻散場(chǎng)，值為8×10s（圖5b），說明低層輻合上升作用很強(qiáng)，上升氣流強(qiáng)大且深厚，為暴雨提供了非常有利的動(dòng)力條件，之后2日08時(shí)700 hPa散度場(chǎng)轉(zhuǎn)為輻散，上升運(yùn)動(dòng)減弱，降水趨于減弱結(jié)束。

以猛硐（22.87°N，104.71°E）所在緯度沿高度做垂直速度剖面，分析大暴雨開始前9月1日08—20時(shí)，猛硐上空無明顯上升運(yùn)動(dòng)，值在±0.1 Pa/s（圖略），爆發(fā)階段從850～250 hPa均為強(qiáng)大的上升氣流控制，且越往上，上升速度越強(qiáng)，400 hPa附近存在兩個(gè)上升速度大值中心，最大上升速度為0.7 Pa/s（圖5c），之后上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱，2日20時(shí)已表現(xiàn)為弱的下沉運(yùn)動(dòng)。

圖4 2018年9月2日02時(shí)水汽條件（a）700 hPa水汽通量分布（單位：g·s-1·cm-1·hPa-1）；（b）700 hPa水汽通量散度分布（單位：10-6 g·s-1·cm-2·hPa-1）；（c）猛硐上空相對(duì)濕度垂直剖面（單位：%）Fig. 4 Water vapor conditions at 02:00 BT on 2 September 2018(a) distribution map of 700 hPa water vapor flux (unit:g·s-1·cm-1·hPa-1); (b) dispersion distribution map of 700 hPa water vapor flux (unit: 10-6 g·s-1·cm-2·hPa-1);(c) vertical profile of relative humidity over Mengtong (unit: %)

圖5 2018年9月2日02時(shí)動(dòng)力條件（a）700 hPa散度場(chǎng)；（b）300 hPa散度場(chǎng) （單位：10-6s-1 )；（c）猛硐上空垂直速度剖面（單位：Pa/s ）Fig. 5 Dynamic conditions at 02:00 BT on 2 September 2018(a) 700 hPa divergence field; (b) 300 hPa divergence field(unit: 10-6s-1 ); (c) vertical velocity profile over Mengdong(unit: Pa/s)

3.3 不穩(wěn)定層結(jié)分析

通過對(duì)毗鄰文山州西部的蒙自站探空?qǐng)D（圖6a）進(jìn)行分析，可以看到，在9月1日08時(shí)，中低層大氣存在深厚濕層，在降水開始前期存在一定不穩(wěn)定能量，CAPE值為661.6 J/kg， K指數(shù)為42 ℃，SI指數(shù)為-2.65 ℃，容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，低層850～700 hPa存在明顯的偏南風(fēng)和偏西風(fēng)切變，擾動(dòng)產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，高層300 hPa以上為偏東氣流控制，性質(zhì)干冷，與中層偏西風(fēng)形成“對(duì)吹”形勢(shì)，整層大氣“上干冷、下暖濕”，潛在不穩(wěn)定條件較強(qiáng)，極易引起暴雨的發(fā)生和發(fā)展。

圖6 文山西部蒙自站探空?qǐng)D（a）2018年9月1日08時(shí) ；（b）2018年9月1 日20時(shí)Fig. 6 Sounding map of mengzi station in western Wenshan(a) 08:00 BT on 1 September 2018; (b) 20:00 BT on 1 September 2018

在1日20時(shí)，低層仍然存在垂直風(fēng)切變，700 hPa附近存在弱逆溫層，起到“鍋蓋”的作用，積蓄不穩(wěn)定能量，且中低層風(fēng)向隨高度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，有暖平流，高層無明顯垂直風(fēng)切變，CAPE值為2067.1 J/kg，K指數(shù)為44 ℃，SI指數(shù)為-2.71 ℃，午后增溫，不穩(wěn)定能量顯著增加，K指數(shù)和SI指數(shù)均有所加強(qiáng)，整層大氣不穩(wěn)定度增強(qiáng)，極易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，但不利條件是濕層變得淺薄，由于此探空站位于文山州西側(cè)，這與上面分析的水汽來源為偏南風(fēng)相對(duì)應(yīng)（圖6b）。

4 衛(wèi)星云圖和雷達(dá)資料

通過分析從國(guó)家衛(wèi)星氣象中心下載的2018年9月2日03—08時(shí)（01—02時(shí)資料缺測(cè)）的TBB（相當(dāng)黑體亮溫）（圖略）可以發(fā)現(xiàn)，猛硐上空03—05時(shí)的TBB值均較高，為123 K（－150 ℃）左右，03—04時(shí)猛硐以東北、西南分別存在兩塊強(qiáng)大對(duì)流云團(tuán)的TBB低值區(qū)，最低溫度達(dá)-170 ℃以下，而產(chǎn)生最大小時(shí)雨強(qiáng)97.4 mm的猛硐并不在TBB最低處，強(qiáng)降水并不在TBB最低處，分析其可能的原因是位于其東北、西南兩個(gè)云團(tuán)的結(jié)合處，較強(qiáng)的輻合配合地形作用導(dǎo)致的局地強(qiáng)降水，06—08時(shí)整體降水減弱，TBB值明顯回升。

從雷達(dá)0.5°仰角回波分布來看，猛硐9月2日02時(shí)開始出現(xiàn)較強(qiáng)回波（圖略），03—05時(shí)一直存在回波強(qiáng)度在40 dBz以上的回波，且03時(shí)最強(qiáng)，之后逐漸減弱（圖7），這與猛硐逐小時(shí)降水分布對(duì)應(yīng)較好。

從ET（回波頂高）來看，03時(shí)猛硐附近存在兩團(tuán)回波頂高在11 km左右的對(duì)流云團(tuán)，猛硐位于兩對(duì)流云團(tuán)的結(jié)合處，較強(qiáng)的輻合可能是導(dǎo)致局地強(qiáng)降水發(fā)生的原因之一，04時(shí)對(duì)流減弱，回波頂高降低，降水變?nèi)酰▓D8）。

5 地形抬升作用

沿猛硐鄉(xiāng)（22.87°N，104.71°E）所在緯度做流場(chǎng)垂直剖面（圖9a），可以發(fā)現(xiàn)，在猛硐附近存在明顯地形抬升作用，往上至高空200 hPa均為強(qiáng)大深厚的上升氣流控制，且存在一定氣流輻合（圖中橢圓圈出位置）。

從猛硐地形圖（圖9b）也可以看出，猛硐以南香草棚附近為一條南北走向和東北—西南走向的山脈交匯處，暖濕的偏南氣流來到這里后，特有的地形不僅起到抬升氣流成云致雨的作用，還會(huì)形成氣流的交匯、輻合，加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，加上猛硐位置比較偏南，偏南氣流帶來的充沛的水汽條件，再由于猛硐鄉(xiāng)位于山腳，地勢(shì)較低，容易造成局地短時(shí)強(qiáng)降水，實(shí)況也證明文山州多次降水過程的強(qiáng)降水區(qū)域大多有猛硐鄉(xiāng)；雖然猛硐前期降水量并不是特別多，但是其境內(nèi)有猛硐河，配合地形影響和比較疏松的地質(zhì)條件，降水落到地面滲透條件較差，造成了此次山洪、泥石流、農(nóng)田內(nèi)澇等災(zāi)害。

6 結(jié)論

1）通過分析高低層環(huán)流背景，發(fā)現(xiàn)從醞釀階段到爆發(fā)階段，100 hPa南亞高壓南側(cè)熱帶東風(fēng)急流開始建立并加強(qiáng)，猛硐位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，具有較強(qiáng)的高層輻散和潮濕不穩(wěn)定特征；同時(shí)，500 hPa形成兩高間的相對(duì)低壓區(qū)并控制云南大部，西南氣流與東北氣流在此交匯；在700 hPa風(fēng)場(chǎng)上，猛硐附近形成偏西風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合切變，整層大氣水汽和動(dòng)力條件都非常有利。高低層系統(tǒng)的配置為此次大暴雨提供了非常有利的環(huán)流條件。

圖9 （a）2018年9月2日02時(shí)暴雨開始時(shí)段流場(chǎng)沿22.87°N的垂直剖面；（b）猛硐地形圖Fig. 9 (a) The vertical section of the flow field along 22.87°N at the beginning of rainstorm at 02:00 on 2 September 2018,(b) Topographic map of Mengdong

2）分析其水汽、動(dòng)力和不穩(wěn)定層結(jié)條件，發(fā)現(xiàn)整層水汽條件較好，存在大量水汽輻合流入，濕層深厚，水汽來源以孟加拉灣西南氣流為主；低層輻合、高層輻散特征明顯，上升氣流強(qiáng)大且深厚；整層大氣“上干冷、下暖濕”，且低層存在垂直風(fēng)切變，大氣層結(jié)對(duì)流不穩(wěn)定，極易引起暴雨的發(fā)生和發(fā)展。

3）從雷達(dá)回波分析來看，猛硐強(qiáng)降水時(shí)段一直存在回波強(qiáng)度在40 dBz以上的回波，且03時(shí)最強(qiáng)，之后逐漸減弱，這與猛硐逐小時(shí)降水分布對(duì)應(yīng)較好；雷達(dá)回波頂高ET和衛(wèi)星TBB資料都顯示猛硐并不位于ET高值區(qū)和TBB低值區(qū)，而是位于其東北、西南兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)的結(jié)合處，分析其可能原因是受較強(qiáng)的輻合配合有利的地形抬升作用從而導(dǎo)致的局地強(qiáng)降水。

4）分析其地形影響發(fā)現(xiàn)，猛硐上空存在上升氣流的輻合，加強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)，雖然猛硐前期降水量并不是特別多，但是其境內(nèi)有猛硐河，山高溝深以及土質(zhì)疏松的地形地貌特點(diǎn)，也是導(dǎo)致本次特大泥石流的原因之一。