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泸州秋季冷空气造成的非典型暴雨天气分析

摘 要 文章利用常规观测、1°×1°的ncep再分析资料以及雷达资料,诊断分析2016年9月18日20时到19日08时发生在泸州合江大暴雨天气过程,从环流形势的高低空配置、能量条件、水汽条件、动力条件进行分析,结果表明:此次暴雨过程的中尺度特征明显,层结弱不稳定,冷空气触发了中小尺度系统,加强了动力抬升,加上热岛环流的作用,触发了此次大暴雨天气过程.

关键词 大暴雨;中尺度和物理量分析;冷空气;热岛环流;非典型

中图分类号:P458.121.1文献标识码:C文章编号:2095-1205(2018)08-07-03  

王芬芬[1]指出泸州市地处川东南平行褶皱岭谷区南端与大娄山的复合部,四川盆地南缘向云贵高原的过渡地带,兼有盆中丘陵和盆周山地的地貌类型,由于青藏高原、秦巴山岭、云贵高原的屏障作用,局地性气候特征明显,在有利的环境场和充足的水汽条件下,容易造成灾害性的暴雨天气.每年汛期受夏季风,西太平洋和青藏高原副热带高压、以及东亚中高纬地区的异常大气环流影响,泸州多发暴雨过程.徐国强,胡欣[2]等研究得出暴雨发生在有利的大尺度环境下,受大尺度背景制约,同时较强的暴雨过程一般包含中小尺度的活动,及中低纬环流系统的相互作用,冷暖空气交绥是产生降水的最主要原因之一.2016年9月18日20时~19日08时发生于泸州合江的大暴雨过程与一般的高能大暴雨类型不同,主要体现在大陆高压主体偏南偏弱,暴雨区附近探空站上空层结弱不稳定,水汽条件和动力条件稍差,定量降水模式偏差大,雷达回波范围小、强度偏弱、回波类型不典型,严重制约了预报员的分析,在短期预报中出现了失误,因此值得深入研究.

1天气实况

1.1空间分布

图1为2016年9月18日20时~19日08时泸州市降水的空间分布,从图中可以看出,此次降水过程覆盖全市80 %以上区域,暴雨区主要集中在泸州市北部,北部偏东地区出现了一次局地大暴雨天气过程,中部以及偏南地区降水量级明显较小,中部为中到大雨,南部偏西地区小到中雨,偏东地区无降水发生.

1.2时间分布

2016年9月18日20时~19日08时泸州市220个自动站中有6个测站达到大暴雨,19个测站达到暴雨,最大小时出现在22时的江四合山村,雨量为68.5mm,最大降水出现在合江榕山,雨量154.7mm,从泸州市220 个自动站资料,按逐小时降雨量≥20 mm、≥30 mm、≥40 mm、≥50 mm、≥60 mm出现的站点统计分析(图2),表明20 时开始出现短时强降水,雨强最强的时段为22时~00时,22时和00时分别有2个站小时雨量在60 mm以上.19日01时~08时基本无短时强降水的出现.这次大暴雨天气过程主要集中在夜间,突出特点是:暴雨中心累计雨量大、小时雨强强度大、降水时段集中、降水持续时间短.

2数值预报降水产品预报能力较低

比较实况和各家数值降水模式对18日夜间的雨量预报(图略).地面实况降水资料显示,泸州出现了暴雨到大暴雨天气,各家数值降水模式一致预报泸州小雨到中雨,对泸州地区的大暴雨漏报.对于泸州发生的暴雨到大暴雨天气各家模式的预报能力均较低,制约着预报员对降水量级的把握,所以有必要对这次过程进行深入分析.

3触发暴雨的主要条件

3.1环流背景

暴雨的形成,总是在有利的大尺度环流背景下出现,因为有利的环流形势为强降水提供了必要的水汽条件和垂直运动条件.500 hPa亚欧中高纬环流维持着为两槽一脊型,高压脊位于贝加尔湖上空,走向呈西南~东北向,高脊前不断有下滑槽影响.大陆高压偏弱,副热带高压强盛,脊线位于30°N附近,但位于海上,对东亚大槽的东移有阻塞作用.(图略)

3.2中尺度分析

暴雨的发生需要天气尺度系统的配合.根据不同高度的影响系统配置来看,青藏高原东部不断有波动槽东移影响四川省.18日08时(图3a)500 hpa高原槽于甘肃中部到青海东部呈东北~西南向,槽后有大片负变温区,云南地区有大陆高压控制,高压有南支波动影响我省南部地区;中低层有偏南和东南两支显著气流向盆地西部输送水汽,造成了盆地西部18日白天的大雨到暴雨天气过程.18日20时500 hPa高原槽南压到甘肃南部到川西高原中部一带(图3b),且槽线的经向度加大,盆地主要受槽前西南气流的作用,700 hPa山西到广元有一支6~8m/s东北显著气流,武都站北风达到14 m/s,使切变线南压到盆地东部,切变后部负变温区影响盆地西北部;850 hPa在广元地区形成15 ℃的相对冷中心,干冷空气侵入造成位势不稳定,泸州地区为其前部等温度线密集带,斜压性增大.盆地南部有风速和风向的辐合生成,当这种边界层辐合线与中尺度系统耦合时,可促进对流强烈的发展.

3.3地面图分析

3.3.1地面中尺度分析

地面天气图上华北有1027 hPa的冷高压中心,其分裂的冷空气南下影响盆地,造成18日白天盆地西部有2hPa的正变压,与盆地南部的气压梯度加大,在泸州北部~宜宾形成冷锋(见图4a),使得合江地区地面锋面抬升加强,有利于对流的发展加强.从地面流线图来看(见图4b),在泸州地区东部到南部一带有辐合渐近线,而辐合渐近线往往与一些活跃的对流天气区(如积云、积雨云、阵雨等)相联系,地面辐合渐进线为这次突发性暴雨的触发机制,强降水主要出现在面辐合渐进线附近.

图4 2016年9月18 日20 时(a)地面等压线、地面流线图(b)

3.3.2地面要素场分析

气压、温度、湿度在气象学中都是重要的物理参数,对降水的产生都具有一定的指示意义.图5b为合江县2016年9月17日20时到20日的地面三线图,从图分析出19日14时气压较前一日增加5hPa,升压明显,对应地面降水逐步增强;从18日14时(28.79.5℃)开始,气温逐渐下降,到19日14时降降温幅度达到5.69 ℃,其中18日14时~19日08时下降8.09 ℃,下降幅度最大,对应18日夜间降水强度最大.另外,18日20时温度露点差为1.21 ℃,该站上空水汽接近饱和,水汽充沛,有利降水.图7a为宜宾县2016年9月17日20时到20日的地面三线图,由图分析出18日14时温度为22.5℃,与合江县的28.79 ℃相比,有一个6.29 ℃的温度梯度.18日14时露点为20.79 ℃,与合江县的22.10 ℃相比,有1.81 ℃的露点温度梯度.由上得出:合江地区的暴雨的产生有冷空气的入侵,导致温度大幅度下降,湿度增大;合江县与周围县的温差大,造成局地热岛环流,从而造成局地暴雨.

图5 2016年9月17日20时到20日20时宜宾县(a)和合江县地面三线图(b)

综上所述,此次过程发生在贝湖高脊前冷空气下滑,高原波动槽东移,大陆高压南退减弱的环流背景下,泸州位于500 hpa高空槽槽前、700 hPa切变的东南侧、以及受地面冷锋和热岛效应的影响,使泸州地区低层辐合区叠加,动力抬升条件有利于大暴雨的发生.

3.4物理量诊断分析

不稳定大气层结、强烈的上升运动及充足的水汽条件,是典型暴雨形成的3个必要条件.

3.4.1不稳定层结分析

暴雨天气往往都出现在大气层结不稳定的区域.此次过程开始前合江日最高气温为30 ℃,850 hPa温度维持在16 ℃.过程前由于18日白天盆地南部有降水发生,释放了一定的不稳定能量,所以宜宾探空站层结较为稳定(见表1),而未受冷空气影响的重庆探空站18日08时△θse(500 -850)为0.19 ℃,18日20时θse(500-850)减小到-1.3℃,大气由弱不稳定转换为不稳定的状态.

重庆探空站的CAPE值由08时的73.5增加到20时的711.41,日最高温度为32 ℃,不稳定能量较高,随着低层偏东气流向泸州地区输送,盆地南部的层结不稳定性增加.过程前宜宾站K指数处于32~34之间,SI指数大于零,Cape值最大为56(见表2),虽然能量条件不足以达到强对流天气的强度,但弱稳定层结对冷暖空气交汇时中小尺度系统的触发有利.

从18日20时K指数场可以看出,合江地区处于能量舌之中,强降雨位于能量舌之中(图略);在18日20时700 hPa假相当位温场分析(见图6),盆地南部到贵州东部一带形成了较为明显的能量锋,且梯度达到最大值,对比泸州出现在20时~00时的强降水,能量锋对强降水具有较好的指示意义.

3.4.2水汽条件的分析

充足的水汽是形成暴雨的基本条件.分析17日~19日整层水汽通量图上,大值区出现在17日20时到18日20时的700 hpa到800 hpa,中心值为大于9 g/s.cm.hpa(图略),有源源不断的水汽向合江地区低层输送.另外根据9月16日到19日相对湿度和垂直速度时间序列图(图97)可知,在17日08时到19日08时这段时间内,低层增湿显著,泸州地区相对湿度大于等于90 %,过程临近时中层和高层增湿明显,使湿层加厚,湿层厚度与垂直速度大值区对应较好.过程前水汽供给及其辐合上升是产生暴雨的重要条件.

3.4.3动力条件分析

根据ncep再分析资料,绘制09月17日08时~19日20时合江(105 °E,28 °N)点垂直速度场(图10 a),分析出:9月18日20时之前合江地区上空都为正的垂直速度,到了20时左右中低层垂直速度转为负值,在850 hpa有垂直上升中心(或轴),其值为-0.3cm.s~1(图略),22时到00时降雨最强时段,从900 hpa到600 hpa均为负值,负值中心达到-1.5cm.s~1,强度增加,垂直运动加强.

从涡度分析图上发现:从17日08时开始,合江上空900 hPa~700 hPa均为正涡度区,有辐合,700 hpa以上为负涡度区,这种低层辐合高层辐散的高低空配置,有利于上升运动的发展,18日20时之后,合江上空900 hpa~600 hpa均为正涡度,且形成了6×10~5s~1的正涡度中心(图略),高层负涡度中心高度增加且中心绝对值增大,垂直运动进一步加强.以上分析表明,较大的垂直上升速度和正涡度为出现区域暴雨提供了良好的动力条件,垂直速度场和涡度场的变化和强降雨的时间是比较吻合的.

4雷达分析

以宜宾站的雷达资料分析,泸州合江处于宜宾雷达站的东部,距离约为120 km.18日18时57分,回波开始在泸州市区西部生成,回波范围小但强度强,反射率因子梯度大,最大反射率因子为50 dbz.到21时48分回波范围增大强度增强,合江地区西南部新生成了一个回波,两个回波单体强度在25~45 dBZ之间,局部大55 dBZ及以上,回波顶高为8~9km,表现为混合性降水的回波特征,位置有所东移,移至合江地区上空,之后回波整体移动缓慢,几乎停滞不动,持续时间近2h,致使合江地区出现了大暴雨;可看出强的辐合辐散运动和逆风区在合江地区上空,并且范围较小,具有很强的局地性.(图略)

5小结

通过分析,本次暴雨的特点和预报经验总结如下:

(1)此次过程是低层扰动引发大气不稳定能量释放,配合中高层影响系统造成辐合上升,使这种上干冷下暖湿的不稳定层结持续加强、维持,导致了这次暴雨的发生.

(2)冷空气对于盆地内的切变线、低层辐合和上升运动都起到了增强的作用,它为泸州北部的暴雨到大暴雨的生成提供了触发条件和上升运动条件.

(3)热岛效应引起的局地环流对局地大暴雨天气过程的促进作用不可忽视.

(4)在层结弱不稳定,K指数和Si指数对暴雨的发生指示意义较差的情况下,能量舌和能量峰是分析产生暴雨的一个重要指标.

(5)水汽通量、相对湿度、涡度、垂直速度等物理量特征虽不如典型的暴雨天气明显,但其变化趋势具有较明显的指导意义.

(6)对于秋季因冷空气影响出现在泸州的暴雨到大暴雨天气各家模式的预报能力均较低,这是制约此次大暴雨天气过程的预报的原因之一.

参考文献

[1]王芬芬.(泸州市气象局,四川泸州646000).“7.1”暴雨过程的诊断分析.1674~2184(2009)02—0060—06. [2]徐国强,胡欣.河北省气象台,石家庄050021.弱冷空气对“96.8”暴雨的影响及数值模拟.

[3]四川省气象局著.四川省预报员手册[M].2014:1—200诊断分析[A].1007~9033(2007)01~0024~06.

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