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2018年7月19日合作市局地暴雨天气过程分析

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  摘要    本文利用MICAPS常规气象观测资料、自动站加密降水量资料以及新一代天气雷达回波资料,对2018年7月19日合作市出现的一次局地暴雨天气过程的发生成因进行诊断分析。结果表明,此次降水过程是一次副高边缘型中尺度环境配置,500 hPa本地处于高原槽前、588 dagpm外围的西南气流中,700 hPa有切变线影响本地,地面存在辐合线。中层水汽一般,低层水汽非常充沛。CAPE值为1 748 J/kg,沙式指数SI为-2.88,具有高层低能舌叠加在低层高能舌之上的能量配置,有利于对流不稳定建立。雷达反射率因子呈块状到带状的演变,强回波在45~55 dBZ之间,强回波的高度低于-20 ℃等温线的高度。此次降水过程是对流单体较强发展,维持在合作市上空造成的局地暴雨天气过程,降水具有强度大、持续时间短、雨量集中的特点。
  关键词    暴雨;环流背景;物理特征量;甘肅合作;2018年7月19日
  中图分类号    P458.121.1        文献标识码    A        文章编号   1007-5739(2019)06-0162-04
  局地暴雨和大暴雨是常见的中小尺度强对流天气,一般具有历时短和强度大的特点,引发的气象灾害及次生灾害非常严重[1]。甘肃省甘南藏族自治州地处青藏高原东北部边缘,地形复杂、天气多变,灾害性天气种类多、易发生,由短时强降水引发的局地暴雨尤为常见。强降水引发的山洪、泥石流等灾害,给全市农牧业生产、经济社会发展和人民生命财产造成严重的影响和损失[2]。因此,对于暴雨发生机制的探讨及预报技术的总结与改进始终是预报技术人员的重点工作之一[3]。本文利用MICAPS常规气象观测资料、自动站加密降水量资料以及新一代天气雷达回波资料,对2018年7月19日合作市出现的一次局地暴雨天气过程的发生成因进行诊断分析。
  1    降水实况
  2018年7月19日17:30开始,合作市大部普降雷阵雨,局部地方出现大到暴雨,其中有1个区域站出现暴雨,最大降水量出现在早子(合作),降水量为98.0 mm;降水量较大的站点有南木娄(合作)48.0 mm、上加拉(合作)40.1 mm、绍玛(合作)34.3 mm(图1)。此次降水过程主要集中在19日17:00—22:00,2个区域站出现短时强降水,最大小时雨强为早子55.0 mm。此次降水过程强度大、持续时间短、降水量集中。
  由于累积雨量较大,对当地居民房屋、公共设施、基础设施、农作物造成了严重损害,累计直接经济损失62.16万元,受灾人数996人,倒塌房屋2间,未造成人员伤亡。
  2    环流背景特征分析
  2.1    高空图分析
  分析图2(a)、(b)、(c)可知,7月19日8:00,东亚中高纬地区为两槽一脊的环流形式,巴尔喀什湖一带为一长波槽,贝加尔湖一带有长波脊,低纬地区副热带高压呈东西带状分布,副高西伸脊点位于东经110°以西,本地处于副高西北侧的西南气流中,并受甘肃中部切变线影响。19日20:00,巴尔喀什湖大槽东移南压,分裂小槽移入我国新疆,冷空气从新疆下滑侵入本地,长波脊继续发展与南面的副热带高压脊同相叠加稳定维持。本地处于槽前、副高西北侧的西南气流交汇中。20日8:00,高原槽东移至本地,副高稳定维持,略有东退,本地仍处于西南气流中。
  由图2(d)、(e)、(f)可知,7月19日8:00,本地受切变影响,副热带高压西北侧边缘有西南风急流形成,在提供暴雨区水汽的过程中,低空急流起着很重要的作用,它是水汽主要的输送者,它可以造成明显的湿舌和水汽集中,有利于暴雨区低空高湿区的形成。19日20:00,在四川西部有一低涡形成,本地处于低涡右侧和副热带高压西北侧边缘的西南气流中。20日8:00,低涡强度减弱,移至本地,本地处于弱的偏南气流中。
  2.2    地面图及综合图分析
  由图3(a)可知,7月19日20:00地面图分析,本地处于高压环流区,地面存在辐合线。中尺度综合图分析:本地处于500 hPa高原槽前、588 dagpm外围的西南气流中,700 hPa在副高西北侧有切变线存在,地面有辐合线见图3(b)。700 hPa全州各地相对湿度≥80%,比湿≥12 g/kg,合作上空比湿 ≥14 g/kg,最大可达16 g/kg,低层水汽非常充沛,并受北部冷空气侵入,700 hPa有暖温度脊,这种上层干冷、下层暖湿的配置有利于不稳定能量的累积,有利于强对流天气的发生,特别是短时强降水发生。
  3    物理特征量分析
  3.1    动力特征
  3.1.1    涡度和垂直速度。涡度是表征流体质块的旋转程度和旋转方向,涡度的正负中心分别对应气旋流场和反气旋流场地区,脊区对应负涡度中心,槽区对应正涡度中心。由图4(a)、(b)可知,合作市处于一个负涡度区;700 hPa下合作市处于一个正涡度中心区,这种高层负涡度与底层正涡度相配置,产生较强的垂直上升运动,有利于水汽的输送。
  3.1.2    垂直上升速度。由图5(a)可知,500 hPa合作市处于正速度区,最大值是4×10-2 m/s;由图5(b)可知,700 hPa合作市处于负速度区,最大值是-6×10-2 m/s。综合分析,本地处于垂直上升运动区,垂直上升运动将水平输送来的水汽向上输送,同时使空气绝热冷却达到饱和,进而凝结水滴降落下来,上升速度越大,降水量越大。   3.2    水汽条件
  暴雨的发生、发展和维持,必须要有丰富的水汽供应。能够表征水汽条件的物理量主要有比湿、相对湿度、水汽通量、水汽通量散度[4]。由于此次过程维持时间短,700 hPa水汽通量散度变化不是很明显,选择了700 hPa相对湿度和比湿进行了分析。由图6可知,全州各地相对湿度≥80%,合作市处在高湿区;全州各地比湿≥12 g/kg,其中合作上空比湿 ≥14 g/kg,最大可达16 g/kg。暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成的,大多数暴雨出现在比湿≥8 g/kg的条件下。这次合作市局地暴雨发生时,低层水汽非常充沛。
  3.3    热力学特征与稳定度
  一次暴雨过程,往往都存在不穩定能量的聚积—释放—再聚积—再释放过程,表征大气热力学特征的物理量较多,在暴雨的诊断分析中比较常用的是假相当位温和对流有效位能[5]。本文主要对19日20:00合作市探空资料进行订正(用该日最高气温订正得出暴雨发生前探空曲线图),作出探空曲线图,见图7(a)。可以看出,合作市上空CAPE值为1 748 J/kg,沙式指数SI为-2.88,不稳定能量聚积,有利于不稳定的层结。假相当位温是湿度、温度、气压的函数,它是描写能量的物理量,θse的垂直分布反映了大气层结对流不稳定度的状况。由图7(b)可以看出,是将700 hPa上θse等值线分布与500 hPa θse等值线分布相叠加(阴影,θse≥80 ℃)。在500 hPa上出现低能舌,其下部的700 hPa是高能舌,表明具有高层低能舌叠加在低层高能舌之上的能量配置,有利于对流不稳定建立。
  4    雷达回波特征分析
  合作市雷达为CINRAD/CD 714CDN型新一代天气雷达,天线馈源海拔高度为3 373 m,采集数据时用VCP21降水模式进行体扫,每隔6 min获得一次体扫数据。产生暴雨的雷达回波发射率因子特征大致可分为2种类型:积层混合云降水回波和对流云降水回波。对流性降水回波的主要特点是基本反射率因子为带状或块状,强回波高度不会太高,一般不高于-20 ℃等温线高度。然后对本次过程的反射率因子、反射率因子剖面图进行分析。
  由图8可知,17:32合作市上空有块状的回波开始发展,回波中心最大强度为42.5 dBZ;17:43合作上空回波演变为带状,回波中心最大强度为52.5 dBZ;18:11强回波宽度增加,继续维持在合作上空,回波中心最大强度为46.5 dBZ;18:50强回波继续发展,回波中心最大强度为49.5 dBZ;19:57以后回波强度开始减弱,强回波中心在30~35 dBZ,此时区域站小时雨强开始减弱。
  分析17:43及18:50反射率因子垂直剖面可知,50 dBZ以上强度的回波向上扩展的高度低于4 km(强回波高度低于-20 ℃等温线高度)。此次降水过程回波具有对流性降水回波的特征,反射率因子由块状演变为带状,雨带呈东北—西南移动(图9)。
  5    结论
  综合高低层环流形式分析得出,19日20:00巴尔喀什湖大槽东移南压,分裂小槽移入我国新疆,冷空气从新疆下滑进侵入本地,长波脊继续发展与南面的副热带高压脊同相叠加稳定维持。本地处于500 hPa高原槽前、588 dagpm外围的西南气流中,700 hPa在副高西北侧有切变线存在,地面有辐合线。
  由数值预报物理特征量分析得出,高层负涡度与低层正涡度相配置,有较强的垂直上升运动。700 hPa相对湿度≥80%,比湿≥12 g/kg,最大可达16 g/kg,低层水汽非常充沛;受北部冷空气侵入,具有高层低能舌叠加在低层高能舌之上的能量配置,有利于对流不稳定建立,有利于强对流天气的发生,特别是短时强降水发生。
  分析雷达反射率因子呈块状到带状的演变特征,可发现强回波在45~55 dBZ之间,强回波的高度低于-20℃等温线的高度。此次降水过程是对流单体较强发展,持续维持在合作上空造成的局地暴雨天气过程。降水具有强度大、持续时间短、雨量集中的特点。
  6    参考文献
  [1] 陶诗言.中国之暴雨[M].北京:科学出版社,1980:196-199.
  [2] 李栋梁,刘德祥.甘肃气候[M].北京:气象出版社,2000:1-9.
  [3] 何光碧,陈忠明.“8·8”四川盆地西北部大暴雨的数值模拟[J].高原气象,2004(增刊1):15-22.
  [4] 孟伟光,王安宁.华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析[J].大气科学,2004(3):330-341.
  [5] 江晓燕,倪允琪.一次梅雨锋暴雨过程的β中尺度对流系统发展机理的数值研究[J].气象学报,2005(1):77-92.
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