2011 年“0731”遼源局地暴雨過(guò)程分析

杜平萍 劉姝妹 姜紅霞

(1.成都信息工程學(xué)院 大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225；2.遼源市氣象局，吉林 遼源136200)

0 引言

暴雨是吉林省夏季主要的災(zāi)害性天氣之一，因此暴雨預(yù)報(bào)一直也是我省預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。吉林省氣象專家對(duì)暴雨也做了很多研究， 如1984 年吉林省氣象局編制的預(yù)報(bào)員手冊(cè)對(duì)吉林省的大到暴雨天氣進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，給出了很多經(jīng)驗(yàn)性的預(yù)報(bào)指標(biāo)，包括環(huán)流型、急流特征等[1]。產(chǎn)生暴雨的系統(tǒng)不同，形成機(jī)制也不同，同時(shí)地形作用不容忽視。 暴雨有區(qū)域性和局地性之分，其中局地暴雨由于形成的復(fù)雜性和不確定性，其預(yù)報(bào)難度更大。 局地暴雨一般具有降水時(shí)間短、雨強(qiáng)大、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，易導(dǎo)致城市內(nèi)澇、農(nóng)田漬澇和山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)對(duì)人民的生產(chǎn)、生活乃至生命造成嚴(yán)重的影響和威脅。 因此，局地暴雨的預(yù)報(bào)服務(wù)現(xiàn)已成為各級(jí)氣象部門對(duì)政府及公眾服務(wù)的一個(gè)重點(diǎn)。 許多專家學(xué)者也從不同層面針對(duì)局地暴雨進(jìn)行了研究，如毛冬艷[2]、郭虎[3]、孫繼松[4]分別從中尺度系統(tǒng)、波動(dòng)、城市邊界層過(guò)程等不同方面對(duì)2004 年7 月發(fā)生在北京的一次局地暴雨進(jìn)行了分析；黃兵[5]等進(jìn)行了衛(wèi)星資料變分同化在中尺度強(qiáng)暴雨模擬中的應(yīng)用研究；等等。但相對(duì)于區(qū)域性暴雨而言，對(duì)局地暴雨特征、形成機(jī)制等的認(rèn)識(shí)還很有限， 因此對(duì)局地暴雨個(gè)例的深入研究很有必要。 筆者針對(duì)遼源2011 年7 月31 日局地暴雨天氣過(guò)程，從形成暴雨的三個(gè)條件及地形作用入手，結(jié)合衛(wèi)星云圖進(jìn)行綜合分析，找出了一些影響暴雨的物理因子及非常規(guī)資料對(duì)強(qiáng)降水的反映，旨為今后此類強(qiáng)降水天氣的預(yù)報(bào)及短時(shí)預(yù)警提供一些參考。

1 降水概況

2011 年7 月30 日20 時(shí)—31 日02 時(shí)，吉林省遼源地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷電和局地暴雨天氣。30 日17 時(shí)，遼源地區(qū)及周邊開始出現(xiàn)小量級(jí)穩(wěn)定性降水， 維持到21 時(shí)30 分結(jié)束。22 時(shí)后開始出現(xiàn)雷電并伴有強(qiáng)降水發(fā)生，至31 日01 時(shí)起降水明顯減小，02 時(shí)后降水基本結(jié)束。 此次強(qiáng)降水歷時(shí)短，雨強(qiáng)大，突發(fā)性明顯。 遼源全區(qū)有3 個(gè)自動(dòng)雨量站降水超過(guò)50mm，降水時(shí)段主要集中在22～00 時(shí)，特別是遼源市站出現(xiàn)了1 小時(shí)32.8mm 的強(qiáng)降水。 過(guò)程雨量分布不均，暴雨區(qū)主要集中在市區(qū)和西北部。 由于前期高溫少雨，且降水出現(xiàn)在夜間，沒有對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。

2 環(huán)流背景和天氣形勢(shì)特征

暴雨發(fā)生前期，在500hpa 亞歐大陸一直維持兩脊一槽形勢(shì)，亞洲中高緯為一廣闊槽區(qū)；貝加爾湖以南中緯地區(qū)小槽活動(dòng)頻繁；烏拉爾山和鄂霍茨克海地區(qū)分別為穩(wěn)定維持的高壓脊區(qū)。 副高勢(shì)力強(qiáng)盛，不斷西伸北抬；從底層延伸到500hpa 華北至東北地區(qū)均為暖脊區(qū)，西南氣流向北輸送暖濕空氣，帶來(lái)的暖平流使遼源上空從下到上整層先后升溫增濕；28 日08 時(shí)副高西伸與大陸高壓合并，呈東西向帶狀分布，584 線北抬到42.5°N、125°E；副高東部與鄂海高壓相連，使東部阻塞形勢(shì)加強(qiáng)。 西西伯利亞有一冷堆，不斷有小股冷空氣分裂沿烏山脊前下滑，使高空槽在貝加爾湖南部不斷加深。在鄂海阻高的阻擋下，該槽東移緩慢，并分裂為南北兩支；至30 日08 時(shí)副高南落(584 線退至38°N附近)，南北槽合并成一深槽；北支少動(dòng)成渦以北抽為主，南支北上影響遼源，中低層(700～850hpa)形勢(shì)比500hpa 更為明顯；20 時(shí)遼源開始處于該槽區(qū)控制。 700hPa 山東半島-遼寧至我省中西部有一NE-SW向切變跨越8 個(gè)緯距，在切邊線右側(cè)，西南風(fēng)分量不斷增大，西南急流形成，陸續(xù)向我省中部輸送水汽(圖1a)。 850hPa 沒有明顯西南急流形成，30 日20 時(shí)沈陽(yáng)實(shí)時(shí)風(fēng)速22m/s、遼源4m/s，顯然在遼源上空存在明顯的風(fēng)速輻合。 對(duì)應(yīng)地面上華北氣旋在副高西伸北抬作用下，沿西南氣流緩慢向東北方向移動(dòng)，30 日08 時(shí)移至渤海， 加強(qiáng)并維持至17時(shí)，中心強(qiáng)度由1002.5hpa 加深到1000.0hpa。遼源受其外圍云系影響，降水開始。至30 日20 時(shí)，華北氣旋頭部已進(jìn)入遼源地區(qū)，此時(shí)遼源恰處于低壓東南偏東象限的西南氣流和東南氣流的交匯處，風(fēng)向、風(fēng)速以及水汽輻合均明顯加強(qiáng)。 又因東部阻高阻擋和地形作用，該氣旋維持并發(fā)展，地面出現(xiàn)明顯的氣旋性風(fēng)的輻合場(chǎng)(圖1b)。 20 時(shí)的700hPa溫度實(shí)況顯示，整個(gè)吉林省都處在負(fù)變溫區(qū)，遼源降溫-2℃，說(shuō)明高空槽帶來(lái)的冷空氣已經(jīng)到達(dá)遼源。 22 時(shí)后華北氣旋攜帶充足的水汽與東移高空槽所攜帶的冷空氣在遼源地區(qū)相遇，冷暖空氣交匯，水汽與能量急劇匯集，大氣層結(jié)變得非常不穩(wěn)定，加上局地地形的抬升作用，能量得以釋放，觸發(fā)遼源暴雨發(fā)生。

圖1 2011 年7 月30 日20 時(shí)700hPa 高度場(chǎng)(a)與30 日23 時(shí)地面場(chǎng)(b)

3 “0731“暴雨的診斷分析

3.1 熱力及穩(wěn)定度條件分析

3.1.1 假相當(dāng)位溫特征

大氣的溫濕條件是產(chǎn)生中尺度對(duì)流系統(tǒng)造成暴雨的首要前提。假相當(dāng)位溫θse 反映了大氣的溫濕狀況，應(yīng)用它的水平和垂直分布可以分析大氣中的能量分布、垂直穩(wěn)定度狀況和大氣濕斜壓性[6-7]。 在暴雨發(fā)生前24 小時(shí)，700～850hpa 假相當(dāng)位溫θse 圖上， 從南海至黃海、渤海沿岸的廣東、福建、山東等沿海地區(qū)有一個(gè)NE-SW 向的高能區(qū)，遼源處于能量較低的區(qū)域；30 日20 時(shí)高能舌東擴(kuò)通過(guò)我省通化、 白山延伸至吉林和長(zhǎng)春東部地區(qū)，遼源位于θse≥68℃的高能舌內(nèi)。 可見，從暴雨發(fā)生前24 小時(shí)到30 日20 時(shí)， 大氣由對(duì)流穩(wěn)定逐漸變?yōu)閷?duì)流不穩(wěn)定；至30 日23 時(shí)高能舌進(jìn)一步擴(kuò)大，遼源處于高能舌頭部中心區(qū)θse 為69.9℃，低層大氣強(qiáng)烈增暖增濕，垂直方向上具有較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定，對(duì)流不穩(wěn)定發(fā)展到最強(qiáng)，隨著降水的發(fā)生，不穩(wěn)定能量開始釋放。

3.1.2 K 指數(shù)分析

K 指數(shù)是反映穩(wěn)定度和濕度條件的綜合指標(biāo)。 30 日08 時(shí)K 指數(shù)場(chǎng)，遼源K 指數(shù)達(dá)到29℃；11 時(shí)后K 指數(shù)逐漸增大，17 時(shí)K 指數(shù)達(dá)到34℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定；到20 時(shí)，遼源的K 指數(shù)已經(jīng)達(dá)到了37.5℃，大氣層結(jié)處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)。31 日02 時(shí)，遼源K 指數(shù)降到35℃，說(shuō)明不穩(wěn)定能量得以釋放。

3.2 動(dòng)力條件分析

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是水汽垂直輸送的手段， 也是產(chǎn)生強(qiáng)降水的關(guān)鍵。 700hpa(T639)垂直速度場(chǎng)上，30 日14 時(shí)遼源仍為下沉氣流，上升速度中心在遼寧省南部；17 時(shí)遼源在上升速度中心-45hpa/h 處，20 時(shí)上升區(qū)擴(kuò)大，近似南北向，有兩個(gè)上升速度中心，一個(gè)在丹東附近，一個(gè)在吉林磐石附近 (中心值-84hpa/h)， 遼源在該上升區(qū)中心左側(cè)-53hpa/h 處。30 日23 時(shí)，兩上升中心合并并向北擴(kuò)大，中心在沈陽(yáng)達(dá)到-214hpa/h,遼源于輻合區(qū)中心南北向軸線上(值-152hpa/h)直至31日02 時(shí)。 該南北向上升速度區(qū)的東西兩側(cè)，均為下沉氣流，這種分布形成的反饋機(jī)制加強(qiáng)和維持了垂直上升運(yùn)動(dòng)，為水汽的垂直輸送提供了有利條件。

3.3 水汽條件分析

本次暴雨過(guò)程的水汽積累從30 日開始。 30 日08 時(shí)在遼源的西南方自孟加拉灣經(jīng)南海、 黃海到渤海就已形成一條東北～西南向的水汽通道；17 時(shí)水汽通道東端直達(dá)吉林省， 遼源為水汽輻合-36×10-7g-1.hPa-1.cm-2.s-1，遼源降水開始；20 時(shí)，受東部鄂海阻高影響，水汽通道由東北～西南向略微豎轉(zhuǎn)(圖2a)；23 時(shí)水汽通道向東擴(kuò)大，在遼寧本溪至撫順附近有個(gè)32g.cm-1.hpa-1.s-1水汽通量大值中心， 有中空急流與低壓中心配合，遼源位于該水汽通道的頭部，水汽通量值16g.cm-1.hpa-1.s-1，水汽集中匯集， 遼源雨強(qiáng)加大繼而出現(xiàn)暴雨。 實(shí)際上遼源上空30 日20 時(shí)中低層的相對(duì)濕度達(dá)到90%以上， 濕層的厚度從地面伸展到600hPa(圖2b)。 一般當(dāng)濕層達(dá)到700hpa 時(shí)，就有利于暴雨的發(fā)生，造成暴雨區(qū)的水汽集中[8]。 30 日23 時(shí)遼源水汽輻合增大到-96×10-7g-1.hPa-1.cm-2.s-1，濕度層的厚度達(dá)到500hPa。 良好的水汽輸送和輻合，厚濕度氣層的形成，為遼源暴雨的發(fā)生提供了足夠的水汽條件。

圖2 a、b 分別為30 日20 時(shí)850hpa 水汽通量和600hpa 相對(duì)濕度

4 衛(wèi)星云圖特征

從逐時(shí)的衛(wèi)星云圖上(圖略)，可以清晰的看出華北氣旋云系與北部低渦云系合并加強(qiáng)的過(guò)程。 30 日17 時(shí)，云圖上明顯反映出在內(nèi)蒙東部與我省西北部地區(qū)有渦旋云雨區(qū)，此渦旋云系穩(wěn)定少動(dòng)；另外在高空槽前輻合產(chǎn)生的位于朝鮮半島到遼寧省東北部有一片大小不等的層狀云組成的白亮云雨區(qū)。 遼源處于兩者之間的云區(qū)中。 21 時(shí)30分，華北氣旋云系在遼吉兩省邊界維持發(fā)展，其北界與北部渦旋云系連通。 22 時(shí)南北兩云雨帶完全合并，云層不斷加厚，水平范圍增大，高空槽帶來(lái)的弱冷空氣侵入，在地面輻合中心的遼源附近觸發(fā)出中尺度對(duì)流云團(tuán)。 22 時(shí)30 分對(duì)流云團(tuán)強(qiáng)烈發(fā)展，移動(dòng)也變緩慢，云頂溫度均-45℃以下，并一直持續(xù)，因此造成遼源1 小時(shí)32.8mm 的強(qiáng)降水和雷電天氣。 31 日02 時(shí)華北氣旋北上，對(duì)流云系移出遼源，降水結(jié)束。

5 地形作用分析

由研究表明，在一定條件下，由低空急流引發(fā)的重力波不穩(wěn)定，越接近邊界層，擾動(dòng)的振幅增長(zhǎng)就越大，且迎風(fēng)地帶高于平原地區(qū)[9-10]。遼源屬丘陵地貌為半山區(qū)，地處東部長(zhǎng)白山區(qū)向西部松遼平原的過(guò)渡迎風(fēng)地帶，這種地形本身就是中小尺度系統(tǒng)的多發(fā)區(qū)。 高空槽和華北低壓的東移過(guò)程中，在遼源產(chǎn)生了小范圍的劇烈天氣，是地形的作用與系統(tǒng)發(fā)展相配合的結(jié)果。 高空槽后的弱冷空氣南下遇到迎風(fēng)坡，原來(lái)的偏西氣流一方面被強(qiáng)迫抬升，使遼源西北部上升氣流增強(qiáng)，另一方面轉(zhuǎn)向與坡地近于平行的偏北方向； 華北氣旋攜帶暖濕空氣北上，其頭部東南風(fēng)分量加大，與遼源山地走向呈正相交，存在強(qiáng)烈的局地性地形輻合抬升。由雨量分布看，暴雨出現(xiàn)在遼源市區(qū)和西北部，為哈達(dá)嶺山系迎風(fēng)地帶水汽輻合最好區(qū)域，可見地形增幅作用明顯。

6 小結(jié)

（1）對(duì)遼源地區(qū)來(lái)講,此次為局地暴雨，是由于西風(fēng)帶高空槽的弱冷空氣與北上華北氣旋攜帶南方暖濕空氣結(jié)合形成。前期的高溫高濕能量?jī)?chǔ)存為暴雨的產(chǎn)生起到重要作用。

（2）明顯的中尺度地面風(fēng)向、風(fēng)速以及水汽輻合；半山區(qū)迎風(fēng)坡的局地地形抬升作用，為暴雨和強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力抬升條件。

（3）紅外云圖連續(xù)演變的監(jiān)測(cè)應(yīng)用能更好的幫助訂正降水預(yù)報(bào)的起止時(shí)間、降水強(qiáng)度和落區(qū)。

（4）T639 數(shù)值預(yù)報(bào)物理量場(chǎng)及降水格點(diǎn)預(yù)報(bào)對(duì)本次降雨過(guò)程具有良好的指示作用。 T639 降水產(chǎn)品預(yù)報(bào)降水時(shí)段內(nèi)有暴雨區(qū)域，說(shuō)明將有中尺度系統(tǒng)出現(xiàn)的可能， 如果該區(qū)域存在中尺度系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制，則該區(qū)域可能是局地暴雨的落區(qū)[2]。 “0731”遼源暴雨即出現(xiàn)在各中心大值疊加區(qū)域， 即850hpa 負(fù)水汽通量散度中心附近，700～850hpa 高能高濕舌的頭部和700hpa 上升速度主軸附近。

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