2011年“6.12”闽西局地大暴雨过程的中尺度特征

2011年“6.12”闽西局地大暴雨过程的中尺度特征
蔡菁;冯晋勤;刘瑞;姚建岩
【摘要】By using the conventional observation data,NCEP 1°× 1° reanalysis data,satellite pictures,CINRAD/SA data and automatic weather station data,the mesoscale characteristic of the rainstorm occurred in the west of Fujian on June 12,2011 is analyzed.The results showed that this process was caused by the interaction of the weak cold air guided by the upper though moving eastward and the southwestward warm wet airflow.The heavy rainfall area was located at the unstable southwestward warm wet airflow（θse≥ 76 ℃）,and the water vapor bands from the Bay of Bengal and South China Sea brought plenty of moisture for this storm.The main rainfall period appeared at the moment when strong ascending motion below the 200 hPa and positive vorticity at low level happened obviously.The analyses on the satellite images,radar echo and data from regional automatic stations indicate that the local heavy rainfall process was mainly caused by three different scales of mesoscale convective systems.The production of the first-β-scale convective system was triggered by the development of the near-ground small-scale vortex.The strengthening of the southwestward wet warm air,the wind speed convergence,the bell-mouthed terrain and the windward slopes uplift provided the favorable occurence and maintenance conditions for both of the second meso-βscale convective system and the third-γ-scale convective system.%利用常规资料、NCEP 1°×1°再分析资料、卫星云图、新一
代天气雷达以及区域自动站资料,分析2011年6月12日福建省龙岩市一次局地大暴雨过程中尺度对流系统特征。

结果表明：此次降水过程是在高空槽东移引导弱冷空气与西南暖湿气流相互作用下产生的;暴雨落区位于层结不稳定的西南暖湿气流中（θse≥76℃）,来自孟加拉湾和南海的两条水汽带为此次暴雨过程带来了充足的水汽。

暴雨区主要降水时段中低层正涡度和200 hPa以下上升运动明显。

通过卫星云图、雷达回波和区域自动站资料分析表明,这次局地大暴雨过程主要是由三个不同尺度的中尺度对流系统造成的,地面小尺度涡旋发展引发了第一个中-β尺度对流系统的产生,西南暖湿气流的加强、风速辐合以及有利的喇叭口地形、山脉迎风坡抬升作用为第二个中-β尺度对流系统和第三个中-γ尺度对流系统的产生和维持创造了有利的条件。

【期刊名称】《暴雨灾害》
【年(卷),期】2011(030)004
【总页数】9页(P349-357)
【关键词】局地大暴雨;中尺度对流系统;小涡旋;西南暖湿气流;喇叭口地形
【作者】蔡菁;冯晋勤;刘瑞;姚建岩
【作者单位】福建省龙岩市气象局,龙岩364000;福建省龙岩市气象局,龙岩364000;福建省龙岩市气象局,龙岩364000;福建省龙岩市气象局,龙岩364000【正文语种】中文
【中图分类】P458.121.1
暴雨的产生是在有利的大尺度环境条件下，由中小尺度天气系统直接造成的，近年来，由于全球气候变化影响，一些突发性、局地性暴雨呈现多发和频发的态势，对
人民生命财产安全构成了较大威胁。

此类暴雨与中尺度对流系统（MCS）的活动密切相关，特别是对流旺盛的β中尺度对流系统和γ中尺度对流系统往往是产生暴雨的主要原因。

由于常规气象资料往往难以满足中尺度对流系统的分析要求，目前主要依赖中尺度数值模拟、雷达、卫星、自动站等高密度的监测资料进行分析。

近年来，国内外学者对中尺度对流系统进行了大量的研究[1-12]，得出了许多有意义的结果。

如何立富等[3]对2004年7月10日北京突发性暴雨过程β-中尺度对流系统的发生发展、结构与成因进行综合分析，认为此过程的β-中尺度对流系统发生在强对流不稳定层结条件下,近地面层偏南风与偏东风两支气流的辐合及冷空气的侵入,导致行星边界层内能量锋区的加强,从而有利于β-中尺度对流系统发生发展。

孙靖等[7]对北京地区一次引发强降水的中尺度对流系统的组织发展特征及成因进行分析，得出大范围降水发生后近地层所形成的冷性西北水平出流与其前部偏东环境风场构成明显风切变，从而激发对流的产生和组织化，易笑园等[8]对渤海西岸暴雨中尺度对流系统的结构和成因进行分析后认为突发性暴雨的制造者是α-中尺度系统西端不断新生的β-中尺度对流系统，其发生、发展、维持与边界层内负温度扰动、对流层低层侵入的西北气流与西南气流形成的辐合线或交汇线有密切关系。

蓝秋萍等[9]对2009年6月3—4日出现在福建中部沿海地区的局部大暴雨进行了中尺度分析后指出有利的大尺度环流为中尺度系统的发生发展提供了有利的动力条件，王珏等[10]利用WRF中尺度模式对2006年6月5—7日福建地区出现的一次大暴雨过程进行了数值模拟,并通过地形敏感性试验讨论福建地形对此次暴雨的影响，冯晋勤等[11]对闽西2010年6月15日的大暴雨过程进行分析，得出此次暴雨、大暴雨天气正是中尺度雨团频繁活动造成。

闽西地区地形复杂，对自然灾害的抗御能力较为脆弱，一旦发生暴雨，极易形成洪涝灾害和其他次生灾害，且该地区暴雨多数生命史短、强度大、突发性强，所造成的危害特别大。

然而，目前对于闽西地区局地暴雨的分析并不多见，特别是对于闽西地区局地暴雨的中尺度
特征的分析研究仍有待于继续和深入。

文章利用常规资料、卫星云图、新一代天气雷达、区域自动站资料及NCEP再分
析资料对2011年6月11—12日福建省龙岩市一次局地大暴雨过程进行中尺度对流系统特征分析，希望得到闽西局地大暴雨的一些中尺度对流特征，为今后此类暴雨的预报提供一定的参考依据。

2011年6月11 日20时500 hPa(图1a)高空欧亚中高纬为两槽一脊，副高脊线
维持在22°N左右，西脊点在119°E附近，东北地区是一低涡，低涡底部伸展的
槽呈现阶梯槽的形式，低涡中心到山东半岛附近有横槽发展，中纬槽从山东半岛延伸到江淮流域附近，南支槽在湖南、广西一带；副高维持在福建沿海，龙岩市处在副高边缘的槽前西南气流中。

12日02时500 hPa(图1b)龙岩市西侧有南支槽东
移影响，副高的西脊点东退到125°E附近，相比11日20时东退了约5个经度，12日08时(图1c)588线略有西伸北抬，北段横槽转竖，中纬槽进一步东移。

2011年6月11日20时低层850 hPa（图略）上有一东北西南向切变位于安徽、江西及两广一带，12日08时切变东移过程分为两段，北段北缩减弱，南段位于
广东中部，龙岩市处于切变南侧西南气流内。

此次过程，中纬槽与南支槽波动位相不同，使得东北冷涡西南侧的西北气流引导中低层弱冷空气南下与低层的西南暖湿气流交汇形成的。

2011年6月11 日傍晚开始到12日龙岩市普降中到大雨，中南部部分地区出现
暴雨、局部大暴雨。

从11日18时到12日18时全市有6个县（市、区）的61
个乡镇出现暴雨，24个乡镇出现大暴雨，暴雨和大暴雨主要集中在武平部分乡镇、永定、新罗区和漳平的南部地区(图2a)，短时强降水出现的主要时段为11日22
时到12日10时，新罗区本站出现大暴雨，24 h雨量达到150.7 mm(图2b)，过程累计最大降水量出现在永定的坎市镇，达到226 mm，坎市镇短时强降水分别
集中在6月11日21时至12日01时和6月12日06—11时(图2c)，坎市镇1
h最大雨量出现在11日22—23时，达到36 mm。

此次局地大暴雨过程引起龙
岩市部分地区山洪暴发，并导致局部洪涝和塌方、山体滑坡等地质灾害。

统计结果显示，全市受灾人口3.47万人，因灾死亡7人，因洪涝灾害造成的直接经济损失达1.1 896亿元。

θse的分布反映了大气中能量的分布及层结稳定度。

分析850 hPaθse的分布，
11日20时龙岩市处在θse值≥76 ℃的暖湿区中，02时达到最强(图3a)，θse超过77℃，至13日02时明显减弱，在高温高湿的能量场中，进一步分析层结的稳定性，通过计算此次过程的θse500-850得到11日20、12日02、08、14、20时暴雨区均处于负值区(图略)，最强时θse500-850达到-6℃，表现为层结不稳定，图3b为2011年6月12日02时沿117°E经暴雨中心的θse经向剖面图，从中
可见，新罗站正好处在高能舌中心，近地层的θse达到82～84℃，高能舌从近地层伸展到600 hPa附近，此时新罗站降水强度增强(图2c)。

暴雨区上空存在较大
能量，且高能舌到达对流层中层，不稳定能量如此之强，十分有利于对流系统强烈发展。

有关研究表明[13]，华南地区降水的水汽来源及水汽输送主要来自孟加拉湾和南海。

朱乾根等[14]分析华南前汛期降水的水汽输送轨迹后认为，最集中的水汽主要来自南海北部，由摩擦层倾斜向上直达暴雨区。

此次过程，对300—1 000 hPa的水
汽通量做垂直积分，可以看出，2011年6月11日20时从孟加拉湾和南海有两
条明显的水汽输送带(图4)，一条是来自孟加拉湾的水汽输送带，它把孟湾充沛的
水汽输送到长江流域，另一条来自南海的水汽输送带北界也到达长江流域，两条水汽输送带在福建、江西、浙江一带交汇，为这次暴雨过程提供了充沛的水汽条件，12日02—20时南海这支水汽输送带有所加强(图略)，在广东东北与江西南部交
界处出现400 kg·m-1·s-1的中心，为此次过程带来了充足的水汽。

从850 hPa的水汽通量散度图上(图5)可以看出，从11日20时开始在赣南到闽
西上空有负的水汽通量散度中心，强度达到-6×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，12日02时水汽辐合中心逐渐移入移至永定、新罗区的南部，强度增强到-7×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，该地区降水明显增强，从02时雷达回波图上（图略）可发现，此
时850 hPa上存在西南风与东南风的弱切变，并且有明显的风速辐合，从而导致
水汽在该地区强烈辐合，20时负水汽辐合中心开始减弱并北抬，降水也开始减弱，直到13日02时龙岩市转为正值区控制，由此看出强的水汽辐合中心与暴雨中心
的位置基本吻合。

2.3.1 散度
此次过程散度场分析来看,高层200 hPa处在南亚高压脊线附近，11日20时(图略)200 hPa的强辐散中心位于赣南，850 hPa有-2×10-5s-1辐合中心位于赣南
到龙岩市西部上空，12日02时(图6a)200 hPa辐散达到最强，龙岩市的东南部
处在南亚高压脊线喇叭口辐散区，中心值达12×10-5s-1，对应很强的高空辐散，850 hPa散度(图6b)分布上，暴雨区上空存在明显的辐合，中心值达(-2～-
4)×10-5s-1，12日08时(图略)850 hPa辐合区范围进一步扩展，此时200 hPa
辐散中心移至漳平、新罗区上空，强度基本维持，在高层辐散与低层辐合区配合较好的区域对应该时段强的降水落区，14时850 hPa辐合中心略有减弱，并移到长汀、武平上空，200 hPa辐散区强度有所减弱，位置维持在漳平、新罗区上空，
由于此时强辐合中心与辐散中心对应的并不是很好，14时之后，降水强度开始明
显减弱，以上分析表明暴雨落区与高层辐散中心和低层辐合中心耦合作用强的地区基本吻合，高层强辐散的抽吸作用，促进了低层辐合的发展，有利于水汽和能量向暴雨区的输送，从而造成地面中小尺度系统的强烈发展。

2.3.2 涡度与垂直环流结构
图7给出2011年6月11日20—12日20时涡度和垂直速度场的时间垂直剖面
图(沿117°E、25°N，即暴雨中心附近)，从图中可见，正涡度和上升运动区在12
日08时左右达到最强。

正涡度区在500 hPa以下，上升运动区在200 hPa以下。

地面实况资料显示，培丰镇(116.94°E 、24.91°N)在09—11时出现39.1 mm的
强降水(图2b)，06—08时新罗站(117.03°E、25.10°N)出现60.7 mm的强降水(图2c)，与强的上升速度时段对应较好。

图8给出沿117°E经暴雨中心的流场经向剖面图，图8a上在暴雨区南侧200
hPa附近有一个反热力环流圈，暴雨区北侧25°N上空500 hPa附近有一个正热
力环流圈，26°N上空700—800 hPa附近存在一个反热力环流圈，暴雨区处在正反环流圈交替出现的的上升支中，垂直上升运动伸展到200 hPa附近，上升运动
大值区从近地面伸展到500 hPa，上下有两个中心，其一在近地面层到750 hPa，中心强度在-1 Pa·s-1，其二在600—400 hPa，中心强度在-1.2 Pa·s-1；12日
02时(图8b)，强上升中心移至25°N，上升运动大值区从近地面伸展到100 hPa，其中心值在800—300 hPa层为-2 Pa·s-1，相比前一时次明显增强，12日08时(图8c)，强上升运动区又再次南落到24°N，上升运动大值区从近地面延展到300 hPa附近，其中心值在700—400 hPa层为-2 Pa·s-1，垂直上升运动如此深厚，
这表明强降水出现和加强时(11日20时到12日08时)，对流运动强烈发展，并
且强的上升运动区始终维持在24—25°N上空，与暴雨落区基本吻合，到12日
14时(图 8d)，强上升运动区维持在24°N，但在 900—800 hPa层出现垂直速度
正值区，表明这一高度间已转为弱的下沉运动，因此，在14时以后，对流运动减弱，降水随之减弱。

此次局地大暴雨过程主要是由一系列的中尺度对流系统造成的。

为分析其特征，首先从卫星云图分析中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS）的
活动特征，中-β尺度对流系统的识别按照费增坪等[15]的定义为标准，即：（1）由对流云组成；（2）TBB≤-32℃的冷云面积≥10 000 km2；（3）TBB≤-52℃的冷云面积≥6 400 km2；（4）持续时间为1 h以上；（5）冷云区的形状呈圆形或
椭圆形，最大尺度时的椭圆率≥0.5。

11日18时在上杭与武平交界处出现一个水平尺度20 km左右，TBB值小于-55℃的中-γ尺度对流云团，11日19—20时云团和广东东北部的云系合并发展成东北西南向椭圆状的第一个中-β尺度对流系统(后面简称β1)，20时该系统TBB≤-52℃的冷云面积发展到最大，云团中心TBB值小于-82℃(图9a)，等温线密集区在云团的东侧，19—21时长汀、上杭的7个站次雨量大于30 mm/h，以上杭湖洋最大，达52.9 mm/h。

21—22时β1向等温线密集区即云团东侧移动，TBB面积和强度有所减小，但TBB值仍维持在-80℃;22—23时移至永定上空，TBB再次加强到-82℃(图9b、c)，但TBB≤-52℃的冷云面积与前时次相比有所减小，系统近似呈
圆形，永定的5个乡镇出现一小时30 mm以上的短时强降水；之后β1减弱东移南压。

12日00时在β1的后部广东蕉岭和福建上杭交界处有水平尺度约10 km，TBB
值小于-75℃的中-γ尺度对流系统向东北方向移动，进入上杭永定后并入减弱的
β1迅速发展成近似圆形的第二个中-β尺度对流系统(后面简称β2)，与β1相比，
β2的 TBB 值较小、TBB≤-52℃的冷云面积也较小(表1)，02时TBB达到-
80 ℃(图9d），02—10时TBB减弱至-75 ℃(图9e），02—08时β2位置稳定
少动，09—10时东移减弱。

在02—10时造成新罗区、永定的16个站次30
mm/h以上的短时强降水。

12日11时永定的北部以及广东梅州和永定交界处各有一水平尺度约20 km，TBB值小于-40℃的小块对流云团生成，12—13时迅速合并发展成TBB值小于-
60 ℃的中-γ尺度对流系统(后面简称γ1)(图9f)，从持续时间及发展强度来看γ1
达不到中-β的标准，因此我们将其定义为中-γ尺度对流系统，之后该云团向东北
方向移动，12—13时共4站次出现20 mm/h以上的强降水，13时之后γ1对流系统减弱东移。

上述分析表明，此次龙岩东南部地区的暴雨—大暴雨主要由三个中尺度对流系统造成，对流系统的边缘TBB等值线密集的对流体未来都是发展的,而且密集处都是未来冷云盖的扩展方向，这与石定朴等[16]在分析中尺度对流系统红外云图云顶黑体温度时得到的结论一致。

在这三个中尺度对流系统影响期间，20 mm/h以上的短时强降水大部分出现在最低云顶亮温发展到最大之前或TBB≤-52℃的冷云面积迅速扩展，云团迅速发展的过程中。

从11日17时到12日16时，共有96站次自动站雨量≥20 mm/h，最大54.9 mm/h，产生强降水期间，强回波中心强度在45～55dBz。

经统计，若回波强中心大于45dBz，维持时间大于10min，雨强可达5～15 mm·(10min)-1，从11日20时及12日08时探空资料可以计算出当天CAPE值及暖云厚度分别为：370.9 J·kg-1，4.6 km和628.6 J·kg-1、3.9 km，此次强降水过程属于局地对流性暖云降水造成的短时强降水。

为进一步分析产生强降水中小尺度系统，下面分别通过区域自动站资料、新一代天气雷达反射率产品、基本速度产品、风暴单体识别的结果、回波移向、移速等对产生强降水的第一、二个中尺度对流系统进行分析。

此次过程的第一和第二个中尺度对流系统的加强和减弱与闽西特有的地形有密切关系。

首先位于汀江河谷下游的武平境内有朝南开口的嗽叭口地形(图10)，它由武夷山脉和七峰山脉构成，这两个山脉的海拔高度都大于1 000 m。

龙岩、永定河谷均为NE—SW走向的喇叭口地形，有利于西南或偏南气流输送。

3.2.1第一个中尺度对流系统
11日16时开始，在武平、长汀等地有局地块状对流回波在发展，在武平境内的局地块状对流回波于18时加强发展，来自西南面回波进入朝南开口的嗽叭口地形后加强发展(图10)，移速减慢，在回波前沿不断有新的对流单体生成合并形成东北—西南向的回波带，回波带上强中心在45～55 dBz。

19时后与来自西面的回
波在城区附近呈现合并趋势(图11a)。

分析此时地面区域自动站可以看出，19时16分在武平县城北部有小涡旋(图11b)发展并向偏东方向移动，回波移入涡旋后加强发展，应用基本速度图进行分析可以看出，对流回波发展初期存在零散的逆风区，随着回波加强合并，在强回波处风速切变增强，19时37分在1.5°仰角约4.6 km的高度上城区东侧出现12 m/s的气旋性辐合(图11c)，并向低仰角发展，气旋性辐合与地面小涡旋位置一致（图11d），造成19—20时十方、湖洋和中赤一带30 mm/h以上的强降水。

20时后回波东移过程中受到七峰山脉的阻挡明显减弱，但21时30分后回波移入永定进入有利的喇叭口地形后再次加强发展，回波整体增强明显大于45 dBz的强回波面积范围再次扩大(图11e)，在径向速度图上出现径向速度辐合，强回波区出现逆风区(图11f)。

22时30分，回波移出永定后受博平岭山脉的阻挡，其整体有所减弱。

通过对强降水期间SCIT识别出来的风暴的结构进行分析可以看出，这些风暴均为低质心对流单体，垂直积分液态含水量大部分在15～25 kg/m2之间，个别时次在30～40 kg/m2之间，且其移速缓慢，基本上在18～30 km/h。

3.2.2 第二个中尺度对流系统
从12日00时开始，VWP产品低层1.5 km处西南气流加强到10 m/s，到01时38分后增强到12 m/s的西南急流（图12a）。

12日02时NCEP再分析资料可以看出，850 hPa存在明显的西南风风速辐合(图12b)，随着西南气流的加强，12日00时在广东北部不断有小回波块生成，在东北移的过程中，移入上杭和永定南部有利的喇叭口地形后辐合抬升作用明显，回波加强发展，与上杭东部、永定北部对流回波合并成带状回波(图12c)，在径向速度图上强回波中心对应着10～15
m/s的径向速度相对大值区(图12d)，即存在相应的风速辐合，给永定和上杭东南部造成强降水。

02时16分在上杭东部有小块回波向东北移进入新罗区时，在西北面采眉岭迎风坡一侧加强发展与来自于西南面的回波带合并，形成东北西南向回
波带持续不断移入新罗城区附近，回波带走向与回波移向一致形成列车效应造成新罗城区附近持续近4 h的强降水。

07时30分后随着低层西南风速辐合的减弱和
高空小槽东移，回波整体向偏东方向移动并减弱。

这一阶段的降水与第一个中尺度对流系统造成的降水相比，对流相对较弱，垂直积分液态含水量大部分在10～20 kg/m2，回波顶高也相对较低。

（1）此次降水过程是在高空槽东移引导中低层弱冷空气南下与来自孟加拉湾、南海的西南暖湿气流交汇形成的。

来自孟加拉湾和南海的两条水汽带为此次暴雨过程带来了充足的水汽，且强的水汽辐合中心与暴雨中心位置基本吻合。

暴雨区主要降水时段低层正涡度和200 hPa以下上升运动明显。

降水落区位于层结不稳定的暖
湿气流区中（θse≥76℃），并且低层辐合、高层辐散明显。

（2）通过卫星云图的TBB≤-32℃和TBB≤-52℃的冷云面积以及维持时间和形状
分析，此次局地强降水主要由两个中-β尺度对流系统和一个中-γ尺度对流系统造成的，对流系统的云顶温度梯度对MCS的发展有很好的指示意义，边缘红外亮温等值线密集的对流体未来都是发展的，而且密集处都是未来冷云盖的扩展方向；
20 mm/h以上的短时强降水大部分出现在最低云顶亮温发展到最大之前或TBB≤-52℃的冷云面积迅速扩展，云团迅速发展的过程中。

（3）第一个中-β尺度对流系统是由地面小尺度涡旋发展东移以及有利的喇叭口地形形成的；第二个中-β尺度对流系统则是由于西南暖湿气流加强，形成风速辐合，再加上有利的喇叭口地形和山脉迎风坡抬升作用以及列车效应形成的；第三个中-γ尺度对流系统是由局地对流回波加上有利的地形形成的。

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