陇东南地区一次区域性大暴雨发生机制分析

2017-04-06刘洪任余龙张锦泉

现代农业科技 2016年23期

刘洪+任余龙+张锦泉

摘要采用地面、高空实况观测和卫星云图资料，对2013年6月19日甘肃陇东南区域性大暴雨的大尺度环流背景和中尺度对流系统的机制进行了分析，然后利用湿位涡理论对此次大暴雨发生的机制进行了研究。结果表明：此次大暴雨过程中，甘肃陇东南处于副热带高压系统西侧偏南暖湿气流中，700 hPa有16 m/s低空急流，在陇东南与东移南压的西北冷空气形成切变线，是造成陇东南这次区域性大暴雨的主要影响系统。低层的正涡度中心范围内产生了-30.9×10-3 hPa/s强上升运动，与之对应的强降水落区有-20.6×10-5 g/（cm2·hPa·s）的水汽通量散度的大值区，在暴雨区上空形成充沛水汽辐合和深厚的湿度层结，700 hPa比湿达10 g/kg以上，以及层结不稳定等因素为此次大暴雨提供了动力、水汽和能量条件。此次暴雨的触发机制是低层中尺度切变线的发展、偏南急流的增强以及低层辐合高层辐散的大气抽吸作用[1-4]。19日20：00至20日2：00，多个中尺度对流云团沿700 hPa切变线发展北移，最终与高原上冷锋云系合并成大范围降水云系，表明此次区域性大暴雨过程中存在着明显的中小系统，是此次大雨过程中降水强度大、雨量大的原因。

关键词辐合区；大暴雨；位涡；发生机制；陇东南地区

中图分类号 P458.1+21.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）23-0194-05

甘肃省年平均降水量分布，大致是从东南向西北递减，东南多，西北少，陇东南的康县为全省各县降水之最，全省暴雨分布也是由东南向西北递减。暴雨主要出现在4—10月，集中在7—8月，2个月出现暴雨日数占全年的64%，站数占全年的68%[1-4]。7月暴雨出現次数多，影响范围大，8月次之，是大暴雨相对集中的时期，也是这一时期主要的自然灾害之一。近年来，暴雨过程屡破极值，呈现频次高、损失巨大的特点，如2010年8月8日强降水引发的舟曲特大山洪泥石流灾害、2010年8月17日陇南天水暴雨、2012年5月10日岷县特大冰雹暴雨等，每次暴雨灾害都导致重大人员伤亡和巨大财产损失。许多学者针对西北地区暴雨个例进行了深入分析，并取得了许多成果[5-8]。此次陇东南区域性大暴雨按甘肃暴雨环流分型为副高西北侧西南气流型，而此类型暴雨多出现在副热带高压发展强盛的7月下旬至8月上旬间，此次在6月中旬出现雨强大、范围广、成灾重的大暴雨在陇东南也属少见。受大暴雨影响，陇南、平凉、天水和庆阳均出现山洪、泥石流等严重灾害，经济损失巨大。但西北地区地形崎岖，降水机制复杂。本文通过分析甘肃陇东南一次区域性暴雨来剖析区域性暴雨形成机制，为西北地区进行暴雨研究提供一定的参考。

1 天气实况

2013年6月19日夜间开始至20日白天，天水、平凉、陇南、庆阳出现一次区域性暴雨，其中天水、陇南为特大暴雨。由图1可知，此次特大暴雨主要出现在陇东南，此次大暴雨过程的特点是雨量大，226个自动站中达到暴雨（50 mm）的有118个站，占52.2%；降雨量达到100 mm的站有63个，占27.9%；降雨量达到200 mm的站有5个，占2.2%。雨强大，最大小时降水量达到56.6 mm，其中武都裕河和徽县上坝村降水分别为221.3、216.5 mm，以上2个站中最强小时降水量为武都裕河56.6 mm。

由陇南2个暴雨中心逐小时降水量分析表明（图2），降水过程中有多个降水量大值段，如武都裕河在6月20日0：00、3：00—5：00、16：00出现3个降水峰值，小时降水量分别为26.2、56.6、14.5 mm；徽县上坝村在6月19日21：00、6月20日2：00、5：00、12：00、15：00出现5个降水峰值，小时降水量分别为19.8、31.7、27.1、29.3、16.9 mm。由此表明，此次降水过程中，中小尺度系统作用比较明显。

2 环流背景

通过利用大尺度流场形势来分析分析这次暴雨形成机制发现，该次暴雨是在南下冷空气进行不断分裂和副热带高压西侧强盛的西南气流的天气形势下形成的，是属于典型的副高西侧西南气流型。西太平洋副热带高压自6月13日抬升后，584位势千米等高线中部从14日20：00至21日20：00均在庆阳市到陕南一带振荡，副高外围的暖湿输送不仅为这次暴雨提供了充足的水汽条件，这种摆动也为这次暴雨提供了大气层结不稳定的环境场条件。在发生暴雨的时候，有冷空气不断入侵到西北区的东部，其入侵的冷空气与西南温湿气流不断地碰撞，形成较大的降雨。从19日20：00开始，冷空气和暖湿气流在陇东南地区形成了明显的辐合区。副热带高压气流和新疆低压的冷空气在33°～38°N之间共同建立一个强辐合区域，这一过程发生在低层700 hPa风场上，这一强辐合区域的大小和分布于降水带重合，并且随着这一强辐合区域向西北东部扩展，那一区域也同时出现数个暴雨中心，由此可以推断，辐合区是造成西北区东部大降水的主因。

从低层700 hPa水汽平流图上可以看出，这次大范围降水过程有2股水汽输送通道，主要水汽通道位于副热带高压边缘偏南侧，由副热带高压南侧偏南气流输送至西北区东部，产生陇东南大暴雨；另一部分较弱的水汽来源于孟加拉湾，靠西南风输送至暴雨区，对形成大的降水起了加强作用。水汽通量散度场（图3）中，700 hPa图中从19日20：00在青海东部至甘肃陇东南有大范围的水汽通量散度大值区，其中最大值位于四川北部至甘肃甘南、陇南一带，最达值达 -20.9×10-5 g/（cm2·hPa·s），至20日8：00，有2个大值区，分别位于内蒙中部和四川北部至甘肃陇东南，最大值分别达到 -25.3×10-5、-20.6×10-5 g/（cm2·hPa·s），表明在此次暴雨过程中，存在较强的水汽辐合。

从FY2红外云图分析，此次暴雨过程主要从高原东移的冷锋云系和偏南气流中的对流云团共同作用下形成的。19日20：00高原东部为大范围冷锋云系，在强上升气流作用下，在甘肃陇东南有多个对流云团发展，多个对流云团呈带状排列，在南风的引导下向北发展，形成了“列车效应”，至20日2：00多个对流云团合并呈南北向带状分布，同时冷锋云系东移，与带状对流云系合并加强。对流云团在甘肃陇东南一带发展、加强、合并，最终与冷锋云系合并，参照19日20：00—20日8：00 700 hPa高度场与风场可以看出，云带主要分布在河套低涡东侧、切边线西侧的范围内，20日8：00陇东南切变线仍维持，合并后的云系位于切变东侧，致使甘肃一直处于降水云系的影响下，中尺度系统都以切变线的方向发生，而切变线的稳定维持也上此次降水时间较长的原因，以徽县上坝村为例，24 h总降水达216.5 mm，在此期间出现了5个时次，小时降水量20 mm以上的强降水峰值，表明在此期间有多个中尺度系统过境。

在切变线稳定维持下，多个对流云团沿切变线向北发展所形成的“列车效应”和多个天气系统的共同作用是此次暴雨过程雨量大、持续时间长的主要原因之一。

暴雨发生时，一般具备底层强烈辐合、高层辐散的特点，底层气流的强烈辐合有利于天气系统的发展和增强。7月19日20：00散度图上，在700 hPa图上甘肃中东部为正涡度辐合区，对应500 hPa图上，陇东南地区上空为辐散区，到20日8：00，底层辐合、高层辐散的形势一直维持，说明从19日20：00至20日8：00，高原东部至甘肃陇东南地区底层气旋性环流和高层反气旋性环流持续维持，形成较强的上升运动。另外，这次稳定度条件也有利于形成大的降水过程，19日20：00至20日8：00武都站K指数均在40以上，其中19日20：00至20日8：00最大达到45，随着副热带高压外围的暖湿气流北上，陇东南地区的不稳定能量在逐渐增加，已经达到不稳定的状态，为暴雨发生提供了能量条件。

3 MPV诊断分析

3.1 对流层MPV演变分析

通过分析2013年6月19—20日2 d的8：00之间500 hPa等压面MPV1演变情况（图4），发现6月19日8：00有2个MPV1高值中心分别在38°N，93°E和41°N，97°E，其与冷空气相关。而与暖空气相关的低MPV1值区域位于西北区东部，具体见图5（a）。冷空气和暖空气交锋地区是与MPV1等值线密集带相关，位于甘肃河西西部到青海西北部这一区域。等值线密集帶[9]代表了2种性质不同空气的过渡带。因此，高低值中心和密集带的演变指示了冷暖空气的运动和相互作用。由图5（b）可知，6月19日14：00，MPV1密集区的长度拉长，位于酒泉的高中心向东发展，强度增加至2.7 PVU，在青海湖和四川北部出现2个高中心，同时由于北支冷空气发展东移，20：00在43°～40°N，77°～87°E形成一MPV1值为3.3 PVU的高值中心，而原来在青海湖和四川北部的高中心分别纬向伸展至青海和甘肃交界处和甘肃陇东南一线，具体见图5（c）；到6月20日2：00，这2个大值中心趋于合并，甘肃南部至陇东南均处于大值范围，到20日8：00青海东南出现一个MPV1高值中心和等值线密集区，见图5（d），而降水区基本出现在密集区以东的MPV1低值区所显示的暖区中。

对上述区域对流层低层700 hPa，6月19日8：00至6月20日8：00 MPV1的分析发现（图2），MPV1正值区和负值区分布或相对大值和小值的分布与500 hPa相似，并与6 h降水分布比较可以发现，降水区出现在MPV1零等值线以南以东的暖湿空气中，同时在甘肃东部有一狭长的MPV1大值区域被MPV1小值区所包围，由风场分析得知，这一区域为辐合区。因此，MPV1正值区演变和辐合区相联系，而MPV1暴雨出现在正负值交界的等值线密集区中。

由MPV1的演变和雨区的对应关系可以得出，对流层高低层MPV1的分布可以确定冷暖空气的活动和雨区的走向、范围，局地MPV1正值或负值中心区域常和辐合等强对流系统联系，而强对流系统是造成暴雨的主要天气系统。

3.2 等熵面的形态变化

图6为2013年6月19日0：00至20日0：00 300～700 hPa沿106°E θse剖面。可以看出，6月19日0：00强降水出现时，来自高的冷空气所形成的低值θse区域和同时来自低纬的暖湿气流所形成的高值位温在29°N附近形成对峙，同时325 K等熵面十分陡峭，高度从450 hPa附近一直降到600 hPa以下，由此可知，暴雨发生期间冷暖空气对立十分明显和等θse面非常陡峭，这就为低层垂直涡度的发展创造了条件。由前面的天气系统分析可知，高纬度的冷空气穿越陡峭的等熵面向南运动，同时低纬度的暖湿气流也穿越陡峭的等熵面向北运动，这样在不稳定存在的情况下，将促使低层的垂直涡度急剧增大，气旋发展，导致暴雨的发生；到6月20日0：00，325 K等熵面基本位于500 hPa，并且等熵面坡度变小，冷暖空气穿越等熵面时对底层的涡度发展不太有利[10]，对应此时降水强度减弱。

3.3 325 K等熵面位涡分析

因为θ=325 K等熵面非常陡峭，并且暴雨开始和结束后其坡度变化明显，因此本文分析该等熵面的位涡系统[11-13]。由图7可知，2013年6月19日0：00，高值位涡共有3个中心值分别到达2.7和2.4，中心值达到2.7的高值位涡中心处在39°N，120°E，2个中心值达到2.4的高值位涡中心分别处在甘肃酒泉和青海东部2个地区，其余部分为大范围的低值区域。通过与500 hPa环流形势进行对比，可以看出低压槽的分布区域与高低位涡中心的分布基本重合，而低值位涡区域和暖湿气团分别基本一致。由此可知，导致这场暴雨发生的主要因素是冷空气移动到青海东部及甘肃中部所致的。6月19日6：00，有一个中心值为2.7的高值位涡中心在41°N，109°E形成，同时冷空气完全控制了甘肃陇东南地区，并且冷空气还在继续向南移动。6月19日14：00，在该区域形成了1.2～1.5的高中心，同时对应0.9等值线也明显地向东南移，表明副热带高压边缘的暖湿气流重新加强向北输送，为下一次的降水过程准备条件。

4 结论

（1）副高外围西南气流型是此次大暴雨的环流分型，此次过程主要由西风槽和西南暖湿气流、地形和山脉阻挡抬升、低空切变线扰动等作用造成的，是一次典型的西南气流型暴雨天气过程。特点是降水的空间分布不均匀、突发性强、降水时间短、局地降水强等特征易引发山洪、泥石流，造成严重自然灾害。

（2）导致此次暴雨发生的西北冷槽在气压场上表现不是很明显，仅在暴雨区附近形成弱风切变。而325 K等熵面位涡对此次暴雨的发生系统具有明显的指示意义，高值位涡沿着陡峭的等熵面下滑到底层，由于位涡的守恒，从而促使低层垂直涡度急剧增大，从而导致了此次暴雨的发生。

（3）夏季随着副高北抬，是大暴雨相对集中的时期，也是这一时期主要的自然灾害之一，甘肃陇东南处于副高外围584线控制范围，中层较强的西南气流发展，低层偏南气流强盛，突发性大暴雨主要出现在有利的天气尺度背景下，中小尺度天气系统入侵本地区后产生的。特别是低空急流与高空暖湿气流的迭加、近地面切变线强度、范围及地形影响由于特殊的地形阻挡作用等，突发性大（暴）雨分布特征和灾害强度与当地地形、地势有着密切的关系。

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