豫西突发性暴雨成因

豫西突发性暴雨成因
王新敏;张霞;范学峰;何立富
【摘要】利用常规观测、FY-2C气象卫星资料及NCEP/NCAR再分析资料,对2007年7月28～30日豫西卢氏县引发历史罕见山洪暴雨的进行了天气动力学和中尺度分析.结果表明:西太平洋副热带高压增强与贝加尔湖高压叠加形成阻塞形势,其西侧低空急流携带大量水汽与较强的锋生场交汇在豫西,导致了这次极端暴雨事件的发生;大尺度强斜升运动区中,低层存在一个条件性对称不稳定机制,引发中β云团生成、合并、发展,从而造成暴雨.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2010(038)001
【总页数】7页(P15-20,插1)
【关键词】暴雨山洪;湿位涡;湿Q矢量锋生函数;条件性对称不稳定;中β云团【作者】王新敏;张霞;范学峰;何立富
【作者单位】河南省气象台,郑州,450003;河南省气象台,郑州,450003;河南省气象局,郑州,450003;国家气象中心,北京,100081
【正文语种】中文
引言
陶诗言等[1]指出,大尺度环流条件不但制约了暴雨和强对流天气及其演变过程,而且还可影响对流系统内部的结构、强度、运动和组织。

中尺度对流系统的发生、发展
与气象环境场有密切的关系。

丁一汇[2]等研究中尺度环流的动力机制时认为条件性对称不稳定是产生许多中尺度雨带的直接原因,可能是锋面附近暴雨和强对流发展的重要物理机制。

毕宝贵等[3～4]对2002年6月的陕南大暴雨的结构及成因分析表明,在大尺度上升运动区中低层存在一个条件性对称不稳定建立的机制,使得在暴雨区既存在深厚的热力不稳定机制,又存在水汽输入机制和热力不稳定的触发机制,从而形成强暴雨。

近年来,湿位涡在暴雨分析中得到重视并广泛应用于江淮流域、华南地区的暴雨过程中,对湿位涡的中尺度时空特征、倾斜位涡的发展、螺旋度的作用研究较多[5～6]。

同时对局地突发性暴雨的中尺度分析和研究也有很大进展。

毛冬艳等[7～9]从中尺度系统、波动、城市边界层过程等不同方面对2004年7月发生在北京的一次局地暴雨进行了分析。

王莉萍等[10～13]从云顶亮温与天气系统的配合着手,追踪暴雨中尺度对流云团的演变,研究中尺度对流系统结构特征,指出中β对流云团是造成暴雨的直接系统。

豫西山区是河南省年暴雨日数最少的地带,雨强较省内其他地区也明显偏小,其“八山一水一分田”的地形特点导致该地成为大风冰雹等强对流天气的多发区,以往对于这一地区短时强降水尤其是突发性暴雨的预报研究甚少,该地区一旦出现突发性暴雨,极易引发山洪、泥石流、山体滑坡等地质灾害。

因此,本文利用常规观测、FY-2C气象卫星资料及 NCEP/NCAR再分析资料(1°×1°),分析研究2007年7月28～30日豫西卢氏县发生的罕见暴雨山洪事件中中尺度对流系统的发生发展与热力-动力环境场的关系,揭示此次突发性暴雨天气系统的结构特征及其成因,为豫西的暴雨预报提供一些参考依据。

1 暴雨概况
2007年7月28日夜间到30日白天,豫西山区出现了一次突发性暴雨过程。

卢氏观象台2日内累计降水达145.4 mm(29日87.9 mm、30日57.5 mm),是1953
年建站以来历史同期有完整气象记录最大的一次。

图1是卢氏县监测的逐小时雨量变化曲线。

从图中可看出,这次卢氏的降水分为2个集中时段且均在夜间:第1时段为29日00:00～14:00,第2时段为29日20:00至30日05:00。

1 h、3 h、6 h最大雨强分别为 38.3 mm、59.6 mm、100.3 mm,出现在29日04:00～10:00卢氏县官道口。

卢氏山洪发生在第2个时段。

由于降水量大,时间相对集中,局地性、突发性强又具有夜雨特征,暴雨诱发卢氏县历史罕见的暴雨山洪灾害,造成重大经济损失,致78人死亡。

全县约6700 hm2农作物受灾,6000多间民房倒塌,多条道路毁坏断行,交通、电力、通信、生态遭到严重破坏。

图1 2007年7月29日00:00至30日21:00卢氏县逐小时降水变化
2 环流形势演变特征和影响天气系统
28日20:00环流形势表现为西太平洋副热带高压呈季节性北跳,与贝加尔湖高压脊叠加形成稳定的西北—东南向的高压坝,使得500 hPa河套地区低槽(图略)稳定少动;中低层西南气流自四川经湖北伸向河南省西部,伴随暴雨发生29日08:00(图2)西南急流加强,卢氏上游南阳站西南风风速加大到16 m/s,直到30日08:00,这支急流一直自西南向东北穿过河南省,为暴雨区源源不断带来水汽和不稳定能量。

中低层与陕南低涡配合的暖切变线伸至河南西部,为强的西南风和弱的偏东风辐合,是暴雨的主要影响天气系统,该切变线有明显的气旋性弯曲且两侧风速水平切变很大,29日凌晨卢氏处于气旋性弯曲最大处。

在地面图上(图略),河南省西部、北部有一偏东风和偏南风的辐合线,呈西南—东北走向,卢氏处于辐合线西端,自动站资料显示,从28日夜间到30日该西南—东北向的辐合线一直维持。

30日08:00,随着高空西风槽东移收缩,中低层切变线和急流北抬到华北地区,卢氏暴雨结束。

图2 2007年7月29日08:00 500 hPa位势高度(单位:dagpm)和850 hPa风矢量(单位:m/s)(图中D7为700 hPa低涡位置,●为卢氏位置)
图3 2007年7月28日20:00(a)和29日20:00(b)沿111°E垂直水汽通量纬度-高度剖面图(单位:10-8 g·cm-2·s-1,◆处为卢氏)
3 物理量场诊断分析
3.1 水汽条件分析
讨论暴雨过程的水汽收支和水汽输送问题时,往往需要讨论湿层的厚度和垂直水汽输送。

分析本次过程的垂直水汽通量[14],28日08:00过程开始前,雨区的垂直水汽通量基本为0,14:00有明显的水汽通量垂直输送,高度达600 hPa,中心位于800～900 hPa间(图略);20:00水汽垂直输送达500 hPa高度层,且中心强度为20×10-8 g·cm-2·s-1(图3a),第1时段的暴雨是29日02:00开始增强,29日10:00减弱,垂直水汽通量峰值较1 h雨强峰值提前了6 h。

第2降雨时段,垂直水汽通量最强时是29日 20:00(图 3b),中心强度达35×10-8 g·cm-2·s-1,大于第1时段,与30日05:00后开始的强降水有着很好的对应且有9 h的提前量。

由此看来,不仅850 hPa上垂直水汽通量的大值中心与暴雨中心相吻合,而且垂直水汽通量的增大较暴雨的增强有着6 h或9 h的提前量,这对于暴雨强度和落区的预报有较好的指示意义。

3.2 涡度和垂直速度分析
暴雨开始前,28日20:00(图略),雨区上空低层为正涡度,辐合中心位于900 hPa附近,中心值为5×10-5 s-1,对流层中上层为辐散区,在500 hPa和200 hPa高度分别有一辐散中心,200 hPa的辐散中心强度大于 500 hPa;到 29日 02:00(图 4a,见图版),雨区上空正涡度区迅速向上伸展至400 hPa,辐合中心有两个,一个位于低层850 hPa,另一个位于400 hPa附近与垂直速度最大值中心(-8×10-3 hPa·s-1)所在高度一致,辐散层位于200～300 hPa的高层。

雨区上空对流层自低层至中高层均为一致的上升运动区与之相配合。

在第2个暴雨时段中(图4b,见图版),上升运动场特征与第1降雨时段相似,最大上升运动中心位于500 hPa,涡度场表现为对流层中
下层是明显的正涡度,辐合中心位于900 hPa,400 hPa以上的高层为辐散层,辐散中心位于300 hPa附近。

两个强降雨时段暴雨中心所在地卢氏均位于最大上升速度中心前方梯度最大处,低层辐合高层辐散的抽吸作用加强了雨区的上升运动,增强了雨势,同时中低层强辐合上升运动将低层水汽向上输送,补充降雨所消耗的水汽,使得强降水得以持续。

图5 2007年7月29日02:00和30日02:00湿位涡(单位 :PVU,1 PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1)
3.3 湿位涡分析
湿位涡是表征大气动力、热力和水汽性质的综合物理量。

研究表明[3～4]:对流层低层M PV 1小于0,同时M PV 2大于0,有利于湿斜压涡度发展,可作为暴雨判别指标,这一区域可作为暴雨落区的判据。

分析28日20:00至30日08:00对流层低层850 hPa M PV的结构演变(图5)发现,湿位涡的变化可分为两个阶段,第1阶段是28日20:00至29日08:00;第2阶段是29日20:00至30日08:00,对应卢氏的2个降水时段。

2个时段M PV 1小于0,同时M PV 2大于0的区域基本位于河南西部、西北部以及山西南部,与暴雨区对应。

29日08:00至29日14:00,M PV 1小于0,同时M PV 2大于0的结构破坏,梯度减小,降雨减弱,直到29日20:00又重新建立。

降雨开始前和降雨最强时,M PV 1和M PV 2正负中心结构明显,梯度大,卢氏暴雨发生在M PV等值线密集区附近。

2个时段降雨开始前M PV 1中心值分别为-0.7和-1.0(PVU),M PV 2中心值皆为0.1(PVU);2个时段降雨最强时M PV 1中心值皆减小到-0.6(PVU),M PV 2中心值则分别增加为0.15和0.20(PVU)。

M PV 1与 M PV 2的结构变化,反映出在大尺度上升运动区中低层存在一个条件对称不稳定建立的机制[2],它较暴雨提前,因此可以预报中尺度系统的加强和减弱。

3.4 锋生场作用
分析这次暴雨过程的湿Q矢量锋生函数发现,28日14:00前,卢氏的锋生函数 F值
小于0,处于锋消阶段(图略),而自28日20:00开始,F值增大为 7.93(10-17 K·hPa-1·s-3),29 日 08:00,卢氏处于较强的锋生区中(图6a),低层的锋生作用持续到29日14:00达到最强(图6b),卢氏的 F值为45.98(10-17 K·hPa-1·s-3),锋生持续阶段与降水增强时段相对应,29日14:00以后锋生函数值明显减小(图6c),对应了第1时段降水减弱停止阶段。

当锋生作用再次影响卢氏时(图6d),正是卢氏第2个降水时段。

低层的锋生作用先于降水出现,锋生作用的产生说明低层θse梯度开始加大,不稳定开始增强,在一定的触发机制下会导致强降水的发生。

而降水的产生释放了一定的不稳定能量,从而使θse梯度减小,相应的锋生函数值降低。

图6 2007年7月29～30日850 hPa湿Q矢量锋生函数分布:(a)29日
08:00,(b)29日14:00,(c)29日20:00,(d)30日08:00(图中◆处为卢氏 ,单位:10-17 K·hPa-1·s-3)
4 中尺度云团分析
图7(见图版)是29日2个降水集中时段FY-2C红外云图,由于高空槽、中低空切变线及中尺度低压的影响,河南西北部到山西、河北南部维持着一条对流云带,卢氏暴雨是由该对流云带上中β尺度对流云团(图7中绿色圆圈所示)发展造成的。

以下结合自动站1 h雨量资料及云顶黑体亮温TBB资料 (表1),分析影响卢氏的中尺度云团的生消、演变特征和对应的降水强度。

表1 2007年7月29日00:00至30日05:00中尺度雨团TBB及对应1 h降水量29日00:00木桐3.9时间雨团中心位置云团中心T1 h最大水量/mm01:00 木桐4.4 02:00 官坡部) -55 19.2 03:00 木桐 -55 17.1 04:00 官坡 -53 21.8 05:00 官道口(卢氏境内北部) -52 38.3 06:00 卢氏 -50 23.9 07:00 卢氏 -52 16.3 08:00 卢氏 -27 9.4 09:00 卢氏 -44 11.4 29日20:00栾川(卢氏境外东南部) -59
23.021:00 栾川 -60 3.0 22:00 双槐树(卢氏境内南部) -59 18.2 23:00 双槐树 -62
11.1 30日00:00双槐树 -62 17.9 01:00 双槐树 -60 25.3 02:00 卢氏 -59 11.6 03:00 卢氏 -57 10.1 04:00 卢氏 -42 8.0 05:00 卢氏 -7 5.5
28日20:00,在卢氏西部陕西的丹凤县和南部西峡分别有2个中β尺度云团发展,中心 TBB值分别为为-50℃、-30℃,西峡的中尺度雨团1 h降雨量为24 mm,卢氏处于2个中尺度云团之间,此时卢氏境内无降水产生,21:00后,丹凤县云团向卢氏方向移动,使卢氏开始受对流云团覆盖,而在卢氏南部陕西的商南县22:00有一中心 TBB 为-46℃的中β云团生成并逐渐发展,当地出现降水,29日00:00商南县云团向东北移动并入卢氏云团,使卢氏处云团 TBB加强为-55℃,此时位于卢氏县西部的木桐和南部的官坡出现降水,两雨量站1 h降水量分别为3.9 mm和3.6 mm。

此后直到07:00,卢氏上空中β尺度对流云团稳定少动,中心 TBB维持在-50～-55℃,给卢氏境内造成了强降水,00:00～07:00时段内卢氏站降雨量为58.6 mm(表1)。

08:00后,-50℃的 TBB冷云中心东北移,卢氏上空的对流云团开始减弱,雨势减小。

位于卢氏北部的官道口站由于继续受-50℃的 TBB冷云中心影响,降水持续到了14:00,总降水量达149.8 mm。

第2个强降雨时段(29日 20:00至 30日05:00),云顶亮温 TBB同样反映了对流云团的发展、维持和减弱过程。

29日20:00,在卢氏东南部的栾川处有中β尺度对流云团生成,中心 TBB为-59℃,该对流云团在发展增强的同时向西部的卢氏移近,移动过程中给栾川带来26 mm的降水,29日23:00该云团中心移至卢氏上空,栾川的TBB值降低到-43℃,而卢氏的 TBB由20:00的-17℃增强至23:00的-62 ℃,卢氏1 h(22:00～23:00)降水量为12 mm,该云团在卢氏上空维持到30日04:00,中心TBB值03:00前维持-57～-62 ℃,04:00减弱为-42℃,共造成卢氏站54.3 mm的降水,05:00后,云团向东北移动,卢氏 TBB减弱为-7.2℃,该地降水基本结束。

上述分析表明,中β尺度对流云团不断生成、合并且在卢氏上空维持,是造成卢氏暴雨的主要原因。

2个时段暴雨发生在 TBB值为-50～-62℃的区域内,暴雨落在
TBB值的最大梯度靠近负中心一侧,TBB值的增大和减小能基本反映出降水强度的变化。

TBB低值中心的移向能指示强降水的未来移向。

5 结论
(1)西太平洋副热带高压季节性增强与贝加尔湖高压脊叠加形成阻塞形势,其西侧低空急流携带大量水汽与冷空气交汇在豫西,导致了这次突发性暴雨的发生。

(2)垂直水汽通量对于暴雨强度和落区的预报有较好的指示意义。

垂直水汽通量的增大与暴雨的增强有着6 h或9 h的提前量,且850 hPa的大值中心与暴雨中心相吻合。

(3)2个强降雨时段暴雨中心所在地卢氏均位于最大上升速度中心前方梯度最大处,低层辐合高层辐散的抽吸作用加强了雨区的上升运动。

(4)湿位涡在对流层低层存在M PV 1小于0,同时M PV 2大于0的结构可作为暴雨判别指标,卢氏暴雨发生在M PV等值线密集区附近。

M PV 1与M PV 2的结构变化较暴雨提前,因此可以预报强降水的加强和减弱。

湿位涡演变与2个强降水时段对应,对卢氏暴雨具有较好的预报性。

(5)大尺度强斜升运动区中低层存在一个条件对称不稳定机制,引发中β云团生成、合并、发展,从而形成暴雨。

从云顶亮温的变化反映出降水的主要集中时段正是对流云团在暴雨区上空发展、维持之时。

暴雨发生在 TBB值为-40～-60℃的区域内,落区与 TBB值的最大梯度位置基本一致。

TBB值的增大和减小能基本反映出降水强度的变化。

TBB低值中心的移向能指示强降水的未来移向。

致谢:本文得到国家气象中心ZK2007 1406课题组的支持和帮助,特致感谢!
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