貴州西部2011年6月暴雨天氣過(guò)程特征分析

貴州西部2011年6月暴雨天氣過(guò)程特征分析

1有效適應(yīng)低值環(huán)流形勢(shì),適應(yīng)暴雨天氣的需要夏季雨是不同規(guī)模的天氣系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜非線性問(wèn)題。為揭示暴雨發(fā)生發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制和外部條件,許多氣象專家對(duì)以往發(fā)生在我國(guó)不同地區(qū)的暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷和數(shù)值模擬分析,孫建華等還對(duì)2002年中國(guó)暴雨試驗(yàn)期間一次低渦切變上發(fā)生的中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在不同尺度影響系統(tǒng)中,暴雨產(chǎn)生要有一定的大尺度環(huán)流背景,以提供中尺度天氣系統(tǒng)形成的條件及環(huán)境場(chǎng)。陶詩(shī)言等、馬艷等、朱官忠的研究表明,中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)才是直接造成暴雨的影響系統(tǒng)。在有利大尺度環(huán)流背景下,只有滿足一定的物理?xiàng)l件,才能激發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。陳忠明等、池再香等研究指出,西南低渦東部低空急流活動(dòng)影響低渦的維持與發(fā)展,切變線、低渦、輻合線、西風(fēng)槽等也是西南地區(qū)降水天氣的常見(jiàn)低值系統(tǒng)。2011年6月17日20時(shí)—18日20時(shí)(簡(jiǎn)稱18日)和22日20時(shí)—23日20時(shí)(簡(jiǎn)稱23日),貴州西部地區(qū)(104°31′~106°21′E,24°37′~27°47′N)出現(xiàn)暴雨或大暴雨天氣過(guò)程。兩次暴雨過(guò)程給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失,僅六盤(pán)水一市,受災(zāi)人口達(dá)13.3053萬(wàn),農(nóng)作物受災(zāi)面積4153.27hm2,其中絕收726.16hm2;因其降水強(qiáng)度大,誘發(fā)山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,導(dǎo)致民房倒塌、損毀共733間;因山體滑坡和山洪,致使3人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失約2533.55萬(wàn)元。發(fā)生在貴州西部地區(qū)的上述兩場(chǎng)罕見(jiàn)區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程,其特點(diǎn)是雨量多、強(qiáng)度大、間隔時(shí)間短,不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,也給貴州西部地區(qū)氣象業(yè)務(wù)帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)和極大挑戰(zhàn)。實(shí)際業(yè)務(wù)中,暴雨天氣一直是預(yù)報(bào)中的難點(diǎn),上述兩場(chǎng)暴雨預(yù)報(bào)難度更大。為此,本文利用ECWMF數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料、逐日客觀分析資料、常規(guī)觀測(cè)資料以及高密度區(qū)域自動(dòng)站降水資料和物理量資料,對(duì)2011年6月18日、23日發(fā)生在貴州西部地區(qū)的連續(xù)兩場(chǎng)暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行分析,以期更深入地認(rèn)識(shí)本地區(qū)連場(chǎng)暴雨成因,為預(yù)報(bào)服務(wù)提供參考依據(jù)。2資料與模擬結(jié)果本文所用資料包括常規(guī)氣象資料、實(shí)況降水量、區(qū)域自動(dòng)站加密資料、ECWMF(簡(jiǎn)稱為EC,下同)數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品資料、物理量場(chǎng)資料以及NCEP/NCAR資料。另外,本文采用的數(shù)值模式為WRFV3.2,模擬診斷分析資料包括1°×1°NCEP/NCAR再分析資料和貴州西部18日、23日降水實(shí)況觀測(cè)資料。模式運(yùn)行的主模式區(qū)域和嵌套域中心點(diǎn)為105.5°E、26.5°N,粗網(wǎng)格區(qū)域格距90km,格點(diǎn)數(shù)90×90;中網(wǎng)格區(qū)域格距30km,格點(diǎn)數(shù)121×124;細(xì)網(wǎng)格區(qū)域格距10km,格點(diǎn)數(shù)105×110。模式區(qū)域垂直方向從950~10hPa共27層。微物理過(guò)程采用WSM3方案,積云對(duì)流參數(shù)化采用Kain-Fritsch方案,網(wǎng)格尺度降水采用顯示云雨方案,邊界層采用YSU方案,長(zhǎng)波和短波輻射采用RRTM方案。主模式域的模式積分時(shí)間分別為17日08時(shí)—19日08時(shí)和22日08時(shí)—24日08時(shí),嵌套域積分時(shí)間分別為17日20時(shí)—18日20時(shí)和22日20時(shí)—23日20時(shí)。模擬結(jié)果1h輸出1次。為突出與暴雨相關(guān)的在四川或四川與重慶之間上空(700hPa)低渦(統(tǒng)稱西南渦,下同)和切變線,在計(jì)算域內(nèi)特別選取一足以描述該西南渦和切變線發(fā)展、移動(dòng)和減弱過(guò)程的內(nèi)域:104°~107°E,23.5°~30.5°N。3比較分析的重要表現(xiàn)與模擬對(duì)2011年6月18日、23日貴州西部?jī)蓤?chǎng)區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程,以下分別簡(jiǎn)稱第1場(chǎng)和第2場(chǎng)暴雨過(guò)程。3.1過(guò)程降水量特征6月17日20時(shí)—18日20時(shí)貴州西部地區(qū)出現(xiàn)暴雨,強(qiáng)降水主要集中在貴州中部以南地區(qū)。根據(jù)24h(20時(shí)—20時(shí))降水量(R24)劃分降水等級(jí)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,貴州西部地區(qū)25個(gè)縣市氣象觀測(cè)站中,有7站達(dá)為暴雨量級(jí),9站為大雨,中雨及以下量級(jí)僅9站(圖1a)。貴州西部地區(qū)692個(gè)區(qū)域自動(dòng)站降水資料顯示(圖略),特大暴雨18站,大暴雨149站,暴雨266站,過(guò)程降水量最大出現(xiàn)在織金縣后寨站,為214.6mm,其次是黔西縣素樸站196.7mm,再次是晴隆縣雞場(chǎng)站182.1mm。用WRF模式對(duì)第1場(chǎng)暴雨進(jìn)行模擬得到貴州西部地區(qū)17日20時(shí)—18日20時(shí)中尺度數(shù)值模式積分24h累積降水量(圖1b)。對(duì)比區(qū)域自動(dòng)站實(shí)際降水與模擬降水看出,模擬強(qiáng)降水范圍比實(shí)際略偏大,模擬強(qiáng)降水中心與實(shí)況基本吻合;模式模擬的24h特大暴雨中心為235mm,較區(qū)域自動(dòng)站實(shí)際降水偏多20.4mm,其出現(xiàn)位置基本一致。3.2暴雨過(guò)程降水量特征6月23日貴州西部地區(qū)出現(xiàn)大暴雨天氣過(guò)程,強(qiáng)降水主要集中在貴州中部以北地區(qū)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,貴州西部地區(qū)25個(gè)縣市氣象觀測(cè)站中,有1站達(dá)大暴雨量級(jí),6站為暴雨,8站為大雨,中雨及以下量級(jí)為9站(圖2a)。貴州西部地區(qū)692個(gè)區(qū)域自動(dòng)站降水資料顯示(圖略),特大暴雨19站,大暴雨138站,暴雨233站,過(guò)程降水量最大出現(xiàn)在盤(pán)縣盤(pán)江站,為224.6mm,其次是盤(pán)縣斷江站209.5mm,再次是盤(pán)縣沿塘站197.9mm。用WRF模式對(duì)第2場(chǎng)暴雨進(jìn)行模擬得到貴州西部地區(qū)22日20時(shí)—23日20時(shí)中尺度數(shù)值模式積分24h累積降水量(圖2b)。對(duì)比區(qū)域自動(dòng)站實(shí)際降水與模擬降水表明,模擬強(qiáng)降水范圍比實(shí)際偏大,模擬強(qiáng)降水中心與實(shí)況基本吻合;模式模擬的24h特大暴雨中心為250mm,較區(qū)域自動(dòng)站實(shí)況降水偏多25.4mm,其出現(xiàn)的位置基本一致。綜上分析可知,兩場(chǎng)暴雨的模擬降水量均比實(shí)際降水略偏多,這是由于貴州西部地形地貌復(fù)雜,地勢(shì)落差大,即境內(nèi)最高處位于北部的赫章縣與水城縣交界處(韭菜坪)2901m,最低處位于南部的望謨縣紅水河出縣界處275m,大部分相對(duì)高度差達(dá)500m以上。由于貴州西部特殊地形促使該區(qū)上空對(duì)流發(fā)展,可能導(dǎo)致模擬結(jié)果誤差較大,但對(duì)兩場(chǎng)暴雨過(guò)程強(qiáng)降水中心位置的模擬較為準(zhǔn)確,可供下文暴雨成因診斷分析之用。4雨的形成分析4.1穩(wěn)定長(zhǎng)波系統(tǒng)控制下的貴州環(huán)流特征2011年6月18日、23日貴州西部?jī)蓤?chǎng)暴雨發(fā)生在一穩(wěn)定長(zhǎng)波系統(tǒng)控制下,并具有典型的貴州西部汛期連續(xù)暴雨“兩槽一脊”平均環(huán)流的特點(diǎn)(圖3),從日本到我國(guó)東北地區(qū)為橫槽區(qū),中低緯短波槽活躍,頻繁影響貴州。4.1.1天氣形勢(shì)分析分析6月16—18日EC中500hPa平均場(chǎng),在暴雨過(guò)程前的16日20時(shí),副高西伸點(diǎn)位于117°E,有利于西南暖濕氣流向貴州上空輸送,低槽位于甘肅南部—四川西北部;隨副高西伸北抬到廣東東部,低槽東移到陜西南部—四川西南部,貴州處于副高與低槽之間,使其上空西南暖濕氣流增強(qiáng),有利于暴雨產(chǎn)生;隨副高東退到124°E,低槽移出貴州,貴州上空西南氣流減弱,暴雨天氣結(jié)束(圖略)。EC中700hPa和850hPa環(huán)流形勢(shì)相似,在暴雨發(fā)生前,高原東部均有切變線,貴州上空西南暖濕氣流較強(qiáng),基本維持6~10m·s-1(圖略)。分析17日08—20時(shí)天氣實(shí)況圖可見(jiàn),副高位于117°E,500hPa低槽位于甘肅—四川南部—云南東北部一帶(圖4a);隨副高東退、低槽東移,其南段自北向南影響貴州西部地區(qū)(圖4b)。而700hPa上有西南渦和切變線,貴州為8~16m·s-1的西南氣流(圖4c);隨西南渦沿切變線東南移,其自西北向東南緩慢影響貴州西部地區(qū),西南氣流減弱為4~8m·s-1(圖4d),貴州西部地區(qū)暴雨隨西南渦沿切變線自西北向東南移動(dòng)漸次發(fā)生。850hPa上同樣有西南渦和切變線(圖4e、4f),隨西南渦沿切變線南段自北向南影響貴州西部地區(qū),貴州西部地區(qū)暴雨也隨其自北向南漸次發(fā)生?？傊?此次暴雨過(guò)程,是在江淮梅雨的背景下,與副高進(jìn)退、高原槽以及西南渦沿切變線由西北向東南移動(dòng)密切相關(guān),高低空天氣系統(tǒng)有效配置為暴雨發(fā)生提供了充足的能量和水汽條件。4.1.2天氣形勢(shì)分析分析6月21—23日EC中500hPa平均場(chǎng),暴雨過(guò)程前,副高主體位于福建東部,低槽位于陜西—四川東部—貴州西南部,有利于西南暖濕氣流向貴州上空輸送;隨副高西伸到江西中部—廣東中部,低槽擺動(dòng)分裂,受南海北部強(qiáng)熱帶風(fēng)暴西行阻擋,其南段滯留在貴州西部,貴州西部地區(qū)暴雨天氣即將發(fā)生;副高繼續(xù)西伸至湖南中部—廣西東部,隨影響貴州西部地區(qū)低槽的減弱、消失,貴州西部地區(qū)暴雨天氣結(jié)束(圖略)。EC中700hPa和850hPa環(huán)流形勢(shì)相似,暴雨發(fā)生前,高原東部均有切變線,貴州上空均維持6~12m·s-1的偏南暖濕氣流(圖略)。分析22日08—20時(shí)天氣實(shí)況圖可見(jiàn),高原槽位于青海東部,南支槽位于四川東南部,受南海北部強(qiáng)熱帶風(fēng)暴西行阻擋,南支槽緩慢向貴州西部上空移動(dòng),有利于西南暖濕氣流加強(qiáng)并輸送到貴州上空(圖5a);隨高原槽與南支槽合并,沿低渦東移,自西向東影響貴州,貴州西部地區(qū)暴雨隨之發(fā)生(圖5b)。700hPa上巴塘附近有西南渦和切變線,有利于貴州上空西南氣流增強(qiáng)(圖5c);隨西南渦引導(dǎo)切變線東南移,自西北向東南影響貴州,貴州西部地區(qū)暴雨隨之發(fā)生(圖5d)。850hPa上西南渦位于四川東南部—重慶西南部,切變線位于四川東南部—貴州西北部,有利于西南氣流帶來(lái)的水汽向貴州上空輸送(圖5e);隨西南渦沿切變線緩慢自北向南影響貴州,貴州西部地區(qū)暴雨隨之發(fā)生(圖5f)。總之,此次暴雨過(guò)程與南海北部強(qiáng)熱帶風(fēng)暴向西行阻擋高原槽和南支槽以及西南渦沿切變線南下密切相關(guān)。4.1.3暴雨天氣系統(tǒng)從以上天氣形勢(shì)分析可知,盡管貴州西部?jī)蓤?chǎng)暴雨均出現(xiàn)在6月份,且降水集中在夜間,但其形勢(shì)特征和影響系統(tǒng)存在差異。對(duì)其不同環(huán)流形勢(shì)特征分析如下:圖6給出兩場(chǎng)暴雨過(guò)程天氣形勢(shì)配置。第1場(chǎng)暴雨是在江淮梅雨背景下,主要受500hPa高原槽、700hPa及850hPa西南渦沿切變線自西北向東南方向移動(dòng)影響,故強(qiáng)降水區(qū)自西北向東南方向移動(dòng),其主要分布在貴州西部地區(qū)的赫章—六盤(pán)水—織金—普定—安順一帶(圖6a)。第2場(chǎng)暴雨在受南海北部強(qiáng)熱帶風(fēng)暴阻擋的背景下,500hPa南支槽沿低渦自西向東和700hPa西南渦沿切變線自北向南緩慢移動(dòng)影響,因此此次暴雨過(guò)程范圍廣、降水強(qiáng),強(qiáng)降水自北向南經(jīng)歷了強(qiáng)、弱、強(qiáng)、弱的變化過(guò)程(圖6b)。總體上,影響第1場(chǎng)暴雨的天氣系統(tǒng)主要是高原槽、中低層西南渦沿切變線自西北向東南移動(dòng);影響第2場(chǎng)暴雨的天氣系統(tǒng)主要是南支槽沿低渦自西向東及700hPa西南渦沿切變線自北向南緩慢移動(dòng)。這些條件比較符合典型的貴州西部主汛期暴雨特征。4.2場(chǎng)暴雨過(guò)程前后貴州西部采用WRF模式,對(duì)兩場(chǎng)暴雨發(fā)生時(shí)其上空700hPa西南渦移動(dòng)進(jìn)行模擬,以期探明西南渦、切變線是沿長(zhǎng)江流域移動(dòng)還是南下影響貴州。第1場(chǎng)暴雨過(guò)程前的17日20時(shí),700hPa在山東、湖北至昭通有東北—西南向切變線,位于四川西南部和四川東南部與重慶西南部之間的氣旋開(kāi)始發(fā)展,四川西南部低渦向東南移,四川東南部與重慶西南部之間的低渦向南移(圖7a),與此同時(shí)切變線南下到貴州西部地區(qū),在輻合線上貴州西部地區(qū)發(fā)展出西北—東南向排列的1個(gè)中β尺度氣旋和3個(gè)γ尺度氣旋,且106°E、26.5°N附近的γ尺度氣旋位置與強(qiáng)降水中心有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著氣旋合并南下減弱、消失,強(qiáng)降水隨之減弱、結(jié)束。第2場(chǎng)暴雨過(guò)程前的22日20時(shí),700hPa上空在陜西—四川東部—云南西北部有切變線向東南移動(dòng)影響貴州,切變線在東南移動(dòng)過(guò)程中,在105°E、28.5°N附近有γ尺度氣旋生成,表示氣流匯合;另一個(gè)在105.8°E、26.8°N附近生成為閉合氣旋(圖7b),貴州西部主要是受該閉合氣旋自北向南緩慢移動(dòng)影響,有利于強(qiáng)降水維持,且該閉合氣旋移動(dòng)方向與強(qiáng)降水變化趨勢(shì)基本一致。由此可知,兩場(chǎng)暴雨發(fā)生前,700hPa上切變線南下影響貴州西部地區(qū)時(shí),受地形阻擋和磨擦作用,在貴州西部上空形成β或γ中尺度小渦旋,且氣旋式渦旋中心與強(qiáng)降水位置基本一致,對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)有很好的指示意義。4.3暴雨發(fā)生的條件圖8給出第1場(chǎng)暴雨不同時(shí)次、不同高度垂直速度分布。從圖中可見(jiàn),從16日20時(shí)(圖8a、8c)開(kāi)始,貴州西部中、低層均為強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng),為暴雨產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件;到17日08時(shí),中、低層垂直上升運(yùn)動(dòng)均迅速減弱(圖8b、8d),有利水汽在該區(qū)上空聚集,且該區(qū)700hPa上空比濕維持11g·kg-1,水汽通量維持在12g·cm-1·hPa-1·s-1以上,總能量由74℃降至70℃(圖略),說(shuō)明貴州西部上空有充足的水汽和能量條件,具備暴雨產(chǎn)生的條件。圖9給出第2場(chǎng)暴雨不同時(shí)次、不同高度垂直速度分布。從圖中可見(jiàn),從21日20時(shí)開(kāi)始,貴州西部中、低層均為較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)(圖9a、9c),為暴雨產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件;到22日08時(shí),中層垂直上升運(yùn)動(dòng)緩慢減弱(圖9b),而低層垂直上升運(yùn)動(dòng)迅速減弱(圖9d),有利于水汽在該區(qū)上空堆積。同時(shí),該區(qū)700hPa上空22日08時(shí)比濕由12g·kg-1降低為11g·kg-1,水汽通量由11g·cm-1·hPa-1·s-1降至10g·cm-1·hPa-1·s-1,總能量由76℃降為72℃(圖略)。說(shuō)明貴州西部上空有充足的水汽和能量,具備暴雨產(chǎn)生的條件。5場(chǎng)暴雨是天氣形勢(shì)演變的重要指標(biāo)利用ECWMF數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料、逐日客觀分析資料、常規(guī)觀測(cè)資料以及區(qū)域氣象自動(dòng)站降水資料和物理量資料,對(duì)2011年6月18日、23日貴州西部連續(xù)兩場(chǎng)區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析及數(shù)值摸擬,得到如下結(jié)論:①WRF模式較準(zhǔn)確地模擬出降水落區(qū)、強(qiáng)度及演變,對(duì)實(shí)際預(yù)報(bào)有很好的指導(dǎo)作用。