0 引言暴雨是影响四川省的主要灾害性天气,暴雨预报作为当今世界气象科学的难题之一,也是国内气象学者攻克的主要目标。陶诗言[1-3]暴雨与低空急流的配置关系进行了深入研究:众多气象专家的大量研究表明,暴雨的发生与水汽的辐合、大气不稳定层结、位势不稳定释放机制和高低空急流等密切相关,大气环流形式的演变以及各个层结的不同配置决定着暴雨过程的降水强度[4-15]。而气象卫星、多普勒雷达的不断进步也为暴雨特别是暴雨的短时临近预报提供了更好的技术支撑。文中利用实况观测值以及卫星云图等资料,对2012年8月16～19日成都市出现的入汛以来局地最强降水的形势背景、低空急流、水汽输送、垂直运动、中小尺度系统和强对流云团进行了分析,为今后的暴雨预报提供一些参考或借鉴。
1 暴雨过程及形势分析
1.1 降水实况
2012年8月16～19日成都地区西部出现强降雨天气,雨量达暴雨到大暴雨(图1)。降雨主要落区在成都地区西部(都江堰、彭州、崇州、大邑、邛崃、蒲江、郫县等)最强降雨在都江堰、彭州。据自动观测站的资料显示,16日20时到19日20时有9个自动站累计雨量超过200mm,31个自动站累计雨量超过100mm,过程最大雨量为281.6mm。最大雨强85.5mm/h。主降水时段分3段,第一阶段:17日02时～09时,6小时最大降雨量为88.2mm;第二阶段:17日20时～18日02时,6小时最大降雨量为195.8mm;第3阶段:17日20时～18日02时,6小时最大降雨量为195.8mm。
1.2 常规观测资料
以都江堰站为例分析此次暴雨过程前后各气象要素的变化情况,由图2可以看到,本站气压从16日到19日呈现出逐步增加的过程,在增加的同时出现了相对有规律的短时降压,分别在17日08时、18日08时、19日02时气压出现下降后又再度上升的情况,与气压相对应在上述3个时段均出现了强度较大的强降水,而露点和温度的变化均较为平稳,地面的温度露点差均在1℃以下。
1.3 环流背景分析
16日到17日亚洲中高纬地区为“一槽一脊”的形势,乌拉尔山为一高脊,巴尔克什湖到贝加尔湖为一宽广的低槽(图略),槽前不断有分裂的小槽携带弱冷空气东移南下。而西太平洋副热带高压控制中国92°E以东,25°N～35°N的地区,但相对较为稳定。成都地区处于西太平洋副热带高压控制范围,南海北部到中南半岛北部为东风带系统控制;18日受热带风暴“启德”的西进影响,广西-贵州到四川盆地东南水汽畅通,700hPa切变已南压至四川地区北部,成都主要受其东侧偏南气流控制,850hPa西南低空急流强度明显增强,成都地区西部位于副热带高压外围,有利的形势加之山区地形抬升作用,利于出现强降水。19日西太平洋副热带高压缓慢东撤,河西走廊偏北风携带弱冷空气再次回流进入四川盆地至使19日晚成都地区局部地方仍出现了强降水。
综上所述,成都地区受西太平洋副热带高压控制,成都地区西北部沿山一带位于西太平洋副热带高压边缘的西南气流中,青藏高原不断有小波动生成与小槽相结合携带弱冷空气南下进入四川盆地,中低层700hPa、850hPa有切变存在且西南低空急流较强,加之本地不稳定能量积聚较高,与地面要素变化相对应分析,这种形势的配置对成都地区西北部产生暴雨非常有利。
2 中尺度云团。
16日20时高原上大片对流云团生成,成都地区南部以及北部分别有对流云团生成,17日07时在四川中部形成东北西南向的对流云带,成都地区西部位于云带中,出现了局地强降水天气(图3)。随着切变的北抬东西,对流云系逐渐减弱。到17时高原对流云团开始生成,位于低槽底部,副高西侧,并加强东移北抬,受高原切变的触发,成都地区位于暖湿区易形成对流发展,20时前后成都地区中部有对流云团生成,此后几个时次,对流云团沿着700hPa的冷式切变线形成了一条东北西南向的对流云带,在成都地区西部沿山一带维持并加强,18日00时～04时对流达到旺盛时期,造成了成都地区西部沿山的降水强度大的集中性降水(图4)。
此次过程主要是由于受台风影响副热带高压相对较为稳定,台风外围西南暖湿气流较强,中高纬度低槽不断分裂小槽携带冷空气与高原小波动相结合并增强北抬,而成都地区西部沿山处于副高外围形成的冷暖气流交汇处,易产生暖区对流性短时强降水。
3 中尺度对流系统发生、发展的物理量特征
强降水天气直接与对流层低层的气流辐合与垂直上升运动相联系,为此,分析了以下物理量场。
3.1 散度
从图5看出,17日02时200hPa川西高原上空有一条明显的辐散带,成都地区西北面则为明显的辐合区,与之对应的是700hPa上川西高原则为一条明显的辐合带,成都地区西北部为明显的辐散区,这样的高低空次级环流配置对于成都地区西北部中小尺度对流系统的发展和维持是十分有利的。而从18日02时及19日02时的散度场分析可以看到,高空与低层的配置情况与17日02时具有相似的结构特征。
3.2 涡度
从3个主降水时段的涡度场分布看(图6),在川西高原上为负涡度区即气流的下沉区,而在成都地区的西北部则为正涡度区即气流的上升区,因此从涡度场也能反应出与散度场相似的高低空次级环流系统。
3.3 垂直速度
从3次强降水过程的垂直速度场(图7)看同样具有相似的结构特征,川西高原上空为明显的下沉气流区(速度为负值),成都地区西北部位上升区(速度值为正值)。从强对流的结构分析而言,较大的强降雨区是出现在上升速度的高值区向下沉气流的过渡带,成都地区都江堰、彭州地区刚好处于这一带。
以上分析可见,在这3个主降水时段开始时,从川西高原到盆地存在一个明显的高低空次级环流系统,该系统在高原上为气流下沉区,在成都地区西北部为气流上升区,该系统的存在有利于造成3次强降水过程的中小尺度对流系统的维持和发展,正因为气流的上升区处于成都地区西北部,是造成主要强将水区位于都江堰、彭州的主要原因。
4 对流系统发展的能量条件
4.1 稳定度分析
表1可见,16日～18日3天成都地区均处于高能高湿的大气层结状态,有利于对流性天气的发生发展。
K指数是描述大气稳定度和暖湿程度的一个综合性指标,K值越大表示大气越暖湿,层结越不稳定。16日～18日四川盆地一直处于K指数>40℃的高能区中,大气层结相当不稳定,16日20时K指数的中心由青藏高原东部伸至广西一带,17日到18日高能区有所东移南压,19日后不稳定能量得到释放。
对流有效位能(CAPE)是一个同时包含低层、高层空气特性的参数,被认为能较真实地描述探空资料所代表站点上空的大气不稳定度,对强对流天气的发生有较好的指示作用,并能恰当地表示出对流发展的强度。此次对流性降水过程中,温江站的CAPE值一直处于较高水平,说明大气层结极其不稳定,易于对流的发展。
4.2 温度场分析
从图8可以看出冷空气主体位于贝湖东南部,16日20时新疆地区东部到甘肃中部一带有-50×10-6℃·s-1到-100×10-6℃·s-6的冷平流区,高空横槽逐渐引导冷空气南下,虽然冷空气主体偏北,但随着低槽的东移南压,偏北风携带部分弱冷空气进入成都地区,结合中低层的切变对成都地区西部沿山降水有利。由于台风影响副热带高压东撤缓慢,成都地区一直处于副热带高压外围偏南风场中,弱冷空气于17日晚东移南压进入四川地区,而此时,成都地区仍处于弱的暖平流中,700hPa冷空气的渗透南下,将高层的暖空气抬升,“上冷下暖”的不稳定层结非常有利于对流的发展。
4.3 水汽条件分析
水汽的来源和输送是影响降水强度的关键。暴雨的发生需要天气系统有源源不断的水汽输送,同时水汽还要迅速向暴雨区集中以补充暴雨区中的水源。
图9是3次降水过程前水汽通量散度的分布。受副热带高压以及台风的影响,盆地的水汽主要由南海地区向西南地区一带输送,可以看到的是在川东北地区出现了一条NE-SW向的强水汽辐合带,另外成都地区都江堰、彭州地区恰好位于水汽辐合带边缘,从对流系统的发展机制来看,说明成都地区西北部刚好位于干湿空气的交汇区,利于中小尺度的强对流系统的发生发展。
5 结论
(1)此次降水过程主要为3个时段:第一阶段17日02～09时;第二阶段出现在17日20～18日02时;第三阶段17日20～18日02时。分别是副热带高压摆动产生的暖区降水、高空弱冷空气渗透导致冷暖空气交汇产生的对流降水以及副热带高压东撤,低层弱冷空气回流导致的对流性降水。
(2)从物理量场分析得出,此次过程3个不同的降水时段具有相似的高低空次级环流结构,川西高原上空为气流下沉区,成都地区西北部为气流上升区,这种高低空次级环流结构造成了成都地区西北部较强的降水。
(3)强降水出现前期,成都地区不稳定层结较大,连续3天均处于高能高湿的环境中,有利于对流降水系统的发生发展。
(4)此次局部暴雨过程具有较好的水汽输送条件,水汽主要来源于副热带高压外围西南暖湿气流,而成都地区西北部处于干暖空气交汇区,加之大气不稳定能量较高,以上配置是造成成都地区西北沿山出现短时强降水的主要原因。
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