贵州西部2011年6月暴雨天气过程特征分析

贵州西部2011年6月暴雨天气过程特征分析

1有效适应低值环流形势,适应暴雨天气的需要夏季雨是不同规模的天气系统相互作用的复杂非线性问题。为揭示暴雨发生发展的内在机制和外部条件,许多气象专家对以往发生在我国不同地区的暴雨天气过程进行了诊断和数值模拟分析,孙建华等还对2002年中国暴雨试验期间一次低涡切变上发生的中尺度对流系统进行了研究。在不同尺度影响系统中,暴雨产生要有一定的大尺度环流背景,以提供中尺度天气系统形成的条件及环境场。陶诗言等、马艳等、朱官忠的研究表明,中尺度对流系统(MCS)才是直接造成暴雨的影响系统。在有利大尺度环流背景下,只有满足一定的物理条件,才能激发产生强对流天气。陈忠明等、池再香等研究指出,西南低涡东部低空急流活动影响低涡的维持与发展,切变线、低涡、辐合线、西风槽等也是西南地区降水天气的常见低值系统。2011年6月17日20时—18日20时(简称18日)和22日20时—23日20时(简称23日),贵州西部地区(104°31′~106°21′E,24°37′~27°47′N)出现暴雨或大暴雨天气过程。两次暴雨过程给当地农业生产和人民群众生命财产造成巨大损失,仅六盘水一市,受灾人口达13.3053万,农作物受灾面积4153.27hm2,其中绝收726.16hm2;因其降水强度大,诱发山体滑坡、泥石流等地质灾害,导致民房倒塌、损毁共733间;因山体滑坡和山洪,致使3人死亡,直接经济损失约2533.55万元。发生在贵州西部地区的上述两场罕见区域性暴雨天气过程,其特点是雨量多、强度大、间隔时间短,不仅造成巨大经济损失,也给贵州西部地区气象业务带来严峻考验和极大挑战。实际业务中,暴雨天气一直是预报中的难点,上述两场暴雨预报难度更大。为此,本文利用ECWMF数值预报产品资料、逐日客观分析资料、常规观测资料以及高密度区域自动站降水资料和物理量资料,对2011年6月18日、23日发生在贵州西部地区的连续两场暴雨天气过程进行分析,以期更深入地认识本地区连场暴雨成因,为预报服务提供参考依据。2资料与模拟结果本文所用资料包括常规气象资料、实况降水量、区域自动站加密资料、ECWMF(简称为EC,下同)数值预报模式产品资料、物理量场资料以及NCEP/NCAR资料。另外,本文采用的数值模式为WRFV3.2,模拟诊断分析资料包括1°×1°NCEP/NCAR再分析资料和贵州西部18日、23日降水实况观测资料。模式运行的主模式区域和嵌套域中心点为105.5°E、26.5°N,粗网格区域格距90km,格点数90×90;中网格区域格距30km,格点数121×124;细网格区域格距10km,格点数105×110。模式区域垂直方向从950~10hPa共27层。微物理过程采用WSM3方案,积云对流参数化采用Kain-Fritsch方案,网格尺度降水采用显示云雨方案,边界层采用YSU方案,长波和短波辐射采用RRTM方案。主模式域的模式积分时间分别为17日08时—19日08时和22日08时—24日08时,嵌套域积分时间分别为17日20时—18日20时和22日20时—23日20时。模拟结果1h输出1次。为突出与暴雨相关的在四川或四川与重庆之间上空(700hPa)低涡(统称西南涡,下同)和切变线,在计算域内特别选取一足以描述该西南涡和切变线发展、移动和减弱过程的内域:104°~107°E,23.5°~30.5°N。3比较分析的重要表现与模拟对2011年6月18日、23日贵州西部两场区域性暴雨天气过程,以下分别简称第1场和第2场暴雨过程。3.1过程降水量特征6月17日20时—18日20时贵州西部地区出现暴雨,强降水主要集中在贵州中部以南地区。根据24h(20时—20时)降水量(R24)划分降水等级。统计结果表明,贵州西部地区25个县市气象观测站中,有7站达为暴雨量级,9站为大雨,中雨及以下量级仅9站(图1a)。贵州西部地区692个区域自动站降水资料显示(图略),特大暴雨18站,大暴雨149站,暴雨266站,过程降水量最大出现在织金县后寨站,为214.6mm,其次是黔西县素朴站196.7mm,再次是晴隆县鸡场站182.1mm。用WRF模式对第1场暴雨进行模拟得到贵州西部地区17日20时—18日20时中尺度数值模式积分24h累积降水量(图1b)。对比区域自动站实际降水与模拟降水看出,模拟强降水范围比实际略偏大,模拟强降水中心与实况基本吻合;模式模拟的24h特大暴雨中心为235mm,较区域自动站实际降水偏多20.4mm,其出现位置基本一致。3.2暴雨过程降水量特征6月23日贵州西部地区出现大暴雨天气过程,强降水主要集中在贵州中部以北地区。统计结果表明,贵州西部地区25个县市气象观测站中,有1站达大暴雨量级,6站为暴雨,8站为大雨,中雨及以下量级为9站(图2a)。贵州西部地区692个区域自动站降水资料显示(图略),特大暴雨19站,大暴雨138站,暴雨233站,过程降水量最大出现在盘县盘江站,为224.6mm,其次是盘县断江站209.5mm,再次是盘县沿塘站197.9mm。用WRF模式对第2场暴雨进行模拟得到贵州西部地区22日20时—23日20时中尺度数值模式积分24h累积降水量(图2b)。对比区域自动站实际降水与模拟降水表明,模拟强降水范围比实际偏大,模拟强降水中心与实况基本吻合;模式模拟的24h特大暴雨中心为250mm,较区域自动站实况降水偏多25.4mm,其出现的位置基本一致。综上分析可知,两场暴雨的模拟降水量均比实际降水略偏多,这是由于贵州西部地形地貌复杂,地势落差大,即境内最高处位于北部的赫章县与水城县交界处(韭菜坪)2901m,最低处位于南部的望谟县红水河出县界处275m,大部分相对高度差达500m以上。由于贵州西部特殊地形促使该区上空对流发展,可能导致模拟结果误差较大,但对两场暴雨过程强降水中心位置的模拟较为准确,可供下文暴雨成因诊断分析之用。4雨的形成分析4.1稳定长波系统控制下的贵州环流特征2011年6月18日、23日贵州西部两场暴雨发生在一稳定长波系统控制下,并具有典型的贵州西部汛期连续暴雨“两槽一脊”平均环流的特点(图3),从日本到我国东北地区为横槽区,中低纬短波槽活跃,频繁影响贵州。4.1.1天气形势分析分析6月16—18日EC中500hPa平均场,在暴雨过程前的16日20时,副高西伸点位于117°E,有利于西南暖湿气流向贵州上空输送,低槽位于甘肃南部—四川西北部;随副高西伸北抬到广东东部,低槽东移到陕西南部—四川西南部,贵州处于副高与低槽之间,使其上空西南暖湿气流增强,有利于暴雨产生;随副高东退到124°E,低槽移出贵州,贵州上空西南气流减弱,暴雨天气结束(图略)。EC中700hPa和850hPa环流形势相似,在暴雨发生前,高原东部均有切变线,贵州上空西南暖湿气流较强,基本维持6~10m·s-1(图略)。分析17日08—20时天气实况图可见,副高位于117°E,500hPa低槽位于甘肃—四川南部—云南东北部一带(图4a);随副高东退、低槽东移,其南段自北向南影响贵州西部地区(图4b)。而700hPa上有西南涡和切变线,贵州为8~16m·s-1的西南气流(图4c);随西南涡沿切变线东南移,其自西北向东南缓慢影响贵州西部地区,西南气流减弱为4~8m·s-1(图4d),贵州西部地区暴雨随西南涡沿切变线自西北向东南移动渐次发生。850hPa上同样有西南涡和切变线(图4e、4f),随西南涡沿切变线南段自北向南影响贵州西部地区,贵州西部地区暴雨也随其自北向南渐次发生。总之,此次暴雨过程,是在江淮梅雨的背景下,与副高进退、高原槽以及西南涡沿切变线由西北向东南移动密切相关,高低空天气系统有效配置为暴雨发生提供了充足的能量和水汽条件。4.1.2天气形势分析分析6月21—23日EC中500hPa平均场,暴雨过程前,副高主体位于福建东部,低槽位于陕西—四川东部—贵州西南部,有利于西南暖湿气流向贵州上空输送;随副高西伸到江西中部—广东中部,低槽摆动分裂,受南海北部强热带风暴西行阻挡,其南段滞留在贵州西部,贵州西部地区暴雨天气即将发生;副高继续西伸至湖南中部—广西东部,随影响贵州西部地区低槽的减弱、消失,贵州西部地区暴雨天气结束(图略)。EC中700hPa和850hPa环流形势相似,暴雨发生前,高原东部均有切变线,贵州上空均维持6~12m·s-1的偏南暖湿气流(图略)。分析22日08—20时天气实况图可见,高原槽位于青海东部,南支槽位于四川东南部,受南海北部强热带风暴西行阻挡,南支槽缓慢向贵州西部上空移动,有利于西南暖湿气流加强并输送到贵州上空(图5a);随高原槽与南支槽合并,沿低涡东移,自西向东影响贵州,贵州西部地区暴雨随之发生(图5b)。700hPa上巴塘附近有西南涡和切变线,有利于贵州上空西南气流增强(图5c);随西南涡引导切变线东南移,自西北向东南影响贵州,贵州西部地区暴雨随之发生(图5d)。850hPa上西南涡位于四川东南部—重庆西南部,切变线位于四川东南部—贵州西北部,有利于西南气流带来的水汽向贵州上空输送(图5e);随西南涡沿切变线缓慢自北向南影响贵州,贵州西部地区暴雨随之发生(图5f)。总之,此次暴雨过程与南海北部强热带风暴向西行阻挡高原槽和南支槽以及西南涡沿切变线南下密切相关。4.1.3暴雨天气系统从以上天气形势分析可知,尽管贵州西部两场暴雨均出现在6月份,且降水集中在夜间,但其形势特征和影响系统存在差异。对其不同环流形势特征分析如下:图6给出两场暴雨过程天气形势配置。第1场暴雨是在江淮梅雨背景下,主要受500hPa高原槽、700hPa及850hPa西南涡沿切变线自西北向东南方向移动影响,故强降水区自西北向东南方向移动,其主要分布在贵州西部地区的赫章—六盘水—织金—普定—安顺一带(图6a)。第2场暴雨在受南海北部强热带风暴阻挡的背景下,500hPa南支槽沿低涡自西向东和700hPa西南涡沿切变线自北向南缓慢移动影响,因此此次暴雨过程范围广、降水强,强降水自北向南经历了强、弱、强、弱的变化过程(图6b)。总体上,影响第1场暴雨的天气系统主要是高原槽、中低层西南涡沿切变线自西北向东南移动;影响第2场暴雨的天气系统主要是南支槽沿低涡自西向东及700hPa西南涡沿切变线自北向南缓慢移动。这些条件比较符合典型的贵州西部主汛期暴雨特征。4.2场暴雨过程前后贵州西部采用WRF模式,对两场暴雨发生时其上空700hPa西南涡移动进行模拟,以期探明西南涡、切变线是沿长江流域移动还是南下影响贵州。第1场暴雨过程前的17日20时,700hPa在山东、湖北至昭通有东北—西南向切变线,位于四川西南部和四川东南部与重庆西南部之间的气旋开始发展,四川西南部低涡向东南移,四川东南部与重庆西南部之间的低涡向南移(图7a),与此同时切变线南下到贵州西部地区,在辐合线上贵州西部地区发展出西北—东南向排列的1个中β尺度气旋和3个γ尺度气旋,且106°E、26.5°N附近的γ尺度气旋位置与强降水中心有很好的对应关系。随着气旋合并南下减弱、消失,强降水随之减弱、结束。第2场暴雨过程前的22日20时,700hPa上空在陕西—四川东部—云南西北部有切变线向东南移动影响贵州,切变线在东南移动过程中,在105°E、28.5°N附近有γ尺度气旋生成,表示气流汇合;另一个在105.8°E、26.8°N附近生成为闭合气旋(图7b),贵州西部主要是受该闭合气旋自北向南缓慢移动影响,有利于强降水维持,且该闭合气旋移动方向与强降水变化趋势基本一致。由此可知,两场暴雨发生前,700hPa上切变线南下影响贵州西部地区时,受地形阻挡和磨擦作用,在贵州西部上空形成β或γ中尺度小涡旋,且气旋式涡旋中心与强降水位置基本一致,对强降水落区有很好的指示意义。4.3暴雨发生的条件图8给出第1场暴雨不同时次、不同高度垂直速度分布。从图中可见,从16日20时(图8a、8c)开始,贵州西部中、低层均为强的垂直上升运动,为暴雨产生创造了有利条件;到17日08时,中、低层垂直上升运动均迅速减弱(图8b、8d),有利水汽在该区上空聚集,且该区700hPa上空比湿维持11g·kg-1,水汽通量维持在12g·cm-1·hPa-1·s-1以上,总能量由74℃降至70℃(图略),说明贵州西部上空有充足的水汽和能量条件,具备暴雨产生的条件。图9给出第2场暴雨不同时次、不同高度垂直速度分布。从图中可见,从21日20时开始,贵州西部中、低层均为较强的垂直上升运动(图9a、9c),为暴雨产生创造了有利条件;到22日08时,中层垂直上升运动缓慢减弱(图9b),而低层垂直上升运动迅速减弱(图9d),有利于水汽在该区上空堆积。同时,该区700hPa上空22日08时比湿由12g·kg-1降低为11g·kg-1,水汽通量由11g·cm-1·hPa-1·s-1降至10g·cm-1·hPa-1·s-1,总能量由76℃降为72℃(图略)。说明贵州西部上空有充足的水汽和能量,具备暴雨产生的条件。5场暴雨是天气形势演变的重要指标利用ECWMF数值预报产品资料、逐日客观分析资料、常规观测资料以及区域气象自动站降水资料和物理量资料,对2011年6月18日、23日贵州西部连续两场区域性暴雨天气过程进行对比分析及数值摸拟,得到如下结论:①WRF模式较准确地模拟出降水落区、强度及演变,对实际预报有很好的指导作用。