一次中尺度对流复合体致洪暴雨成因分析

刘瑞芳, 李萍云, 陈小婷, 侯建忠

(陕西省气象台,陕西西安710015)

0 引言

暴雨是中国主要的灾害性天气,中小尺度系统是暴雨天气的直接制造者,根据Orlanski(1975)对大气运动尺度的划分方法,通常分为天气尺度(＞2000公里)、中尺度(2～2000公里)、小尺度(＜2公里),中尺度又分为 α中尺度、β中尺度和γ中尺度,其中 α中尺度和β中尺度的划分一般以200～250公里为界,预报和防御难度极大。近年来,针对陕西地区的暴雨,气象工作者做了大量的研究工作[1-7],但专门针对中尺度对流复合体(Mesoscale Convection Complex,MCC)引发的致洪暴雨研究较少。事实证明,MCC在青藏高原东侧频繁出现,常常造成这些地区暴雨以及严重的暴洪事件,给国民经济和人民生命财产造成巨大的损失。因此,加强对高原东侧MCC发生、发展和移动规律的研究,对这些地区防灾减灾具有重要的意义。

1 天气概况

2011年7月4日20时～6日20时,陕西南部遭遇了入汛以来强度最大、影响范围广的强降水天气。截止6日20时,汉中的南郑、西乡、镇巴3个县(区)的9个乡镇累计降水量超过200毫米,汉中、安康市有9个县(区)的29个乡镇雨量为150～200毫米,18个县(区)的107个乡镇雨量100～150毫米。其中,南郑县新集、忍水雨量分别达286.8、274.8毫米。据民政厅灾情统计,暴雨致使汉中、安康、商洛等31个市县受灾,受灾人口346820人,紧急转移安置22522人,农作物受灾面积16243.75公顷,成灾面积11068.24公顷,绝收面积1986.89公顷,倒塌房屋6275间,因灾造成直接经济损失49265.82万元。图1为此次强降水过程的总降雨量,由图中看出这次强降水的分布特点:一是强降雨区域集中,降水主要出现在陕西南部秦巴山区;二是降水强度大,降水时段长;三是造成的灾害和损失重。本次暴雨过程主要有两个强降水时段,分别为5日05:00～10:00(以下简称“MCC暴雨1”),6日 09:00～18:00(以下简称“MCC暴雨 2”)。经分析云图发现,连续两天受MCC影响造成强降水,这在陕西历史上极为少见,很值得研究。利用常规观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、FY-2C卫星TBB以及自动雨量站资料对暴雨发生发展的环境场、副高外围水汽及湿焓、大气层结的稳定性及动力条件等进行分析,探讨此类暴雨的成因和机理,为此类强对流天气的预报提供一些参考。

2 环流背景和中尺度影响系统

2011年7月4日20:00(图略),200hPa等压面上亚洲中纬度为两槽一脊型:新疆、东北北部为槽区,蒙古为脊区;亚洲从20°N～40°N受带状副热带高压控制;四川中部同时生成一小槽(下称四川小槽)和蒙古高压脊成反位相迭加。随着新疆大槽东移发展,5日08:00(图2a),四川小槽加深发展,四川小槽前生成一反气旋旋转的强辐散气流,川陕交界地带生成尺度约500km、散度＞2×10-5s-1的强辐散中心,MCC和散度＞2×10-5s-1强辐散中心形成很好的对应关系。5日20:00(图略),四川小槽减弱,四川小槽前气流的反气旋辐散减弱,范围变小,MCC减弱消失。6日08:00(图2b),伴随新疆槽的再度发展,四川小槽也再度获得发展,并生成反气旋旋转的强辐散气流,川陕交界地带生成尺度达8个经距、散度＞3.9×10-5s-1的强辐散中心。四川小槽前强辐散的形成,促使MCC的再度生成和发展。

500hPa等压面上,2011年7月4日20:00(图略),欧亚中高纬度为两槽一脊,槽线分别位于新疆和东北地区,中国中南大部地区为584带状高压控制,陕西南部地区位于588线北界西南暖湿气流区,青海、甘肃交界至四川地区为一南北向切变线。伴随新疆低槽的东移发展,5日08:00(图略),新疆低槽东移至贝加尔湖附近,副高略微东退,切边线东移至甘南-四川中部一线,陕西南部地区处于风速的辐合区,切变线与副高之间正是MCC发生、发展区。5日14:00,随着贝湖低槽的加深发展,新疆-甘肃地区建立起一支西北气流发展,MCC减弱消失。6日08:00(图2a),贝湖冷涡加深南压,冷涡底部的西北风和来自副高外围的西南风在四川中部汇合形成一低槽,低槽前再度触发了MCC的生成和发展。伴随低槽的东移,MCC再度减弱直至消失。

700hPa等压面上,4日20:00(图略),云南、四川至陕西南部地区生成一支天气尺度的西南气流,风速可达10～12m/s,甘肃南部-四川地区生成一东北-西南向冷式横切变,5日08时,切边线东移至汉中-四川一线,切变线后部的甘肃东南部有-3℃变温,中低空冷空气(Ω系统之西北气流)通过切变线源源不断地向东输送,增强了切变区暖湿气流的辐合上升,是造成5日陕西南部强降水天气的直接影响系统。切变线后部的偏北气流和冷平流、副高外围西南急流和暖平流,在暴雨区附近产生锋生,西南急流左侧的切变配合锋生,触发了第一次MCC的生成和发展。5日20:00,副高的略微东退,850hPa低层急流东南压,MCC减弱消失。6日08:00(图略)850hPa高度场上,印度季风爆发后,从中南半岛-云南-重庆-陕西安康地区生成一支天气尺度的西南急流,西南急流左侧的云南、重庆交界地带生成一低涡,低涡后部偏北风产生的冷平流与西南急流产生的暖平流,在四川、重庆交界地带产生锋生。西南急流左侧低涡切变配合锋生,触发了第二次MCC的生成和发展。

图1 2011年7月4日20时～6日20时总降水量

图2 2011年7月200hPa风场和散度场(单位:10-6s-1,黑双实线为切变线)

3 MCC的活动及云团特征

MCC是造成重大气象灾害的主要天气系统之一,已受到越来越多的关注和研究[3-9],但目前针对中国西部的MCC研究还较少。利用每小时一次的FY-2C卫星云图资料,对影响2011年7月5～6日陕西南部大暴雨的MCC进行了初步分析。取 TBB≤-32℃云团为MCS,满足-32℃以下云罩面积在10×104km2以上,且-53℃以上,维持时间6小时以上的暴雨云团为MCC[3-4]。

3.1 7月5日暴雨过程MCC活动

5日00:00～01:00红外云图上,高原上有一准东西向对流云带,副热带高压外围的四川东部、陕西安康地区有对流云单体发展,由小的亮点发展成较大的边界光滑整齐的3个对流云团(图3a),尺度较小,分别为云团A、B、C。02:00云团A、B增大合并为云团D,云团C减弱。03:00(图3b)云团D迅速发展,冷云面积大幅度增加,云顶亮温＜-53℃的云罩面积约为4×104km2,云顶亮温＜-32℃的云罩面积约为5×104km2,这是MCC形成的初期。随着中低层切变线、850hPa低涡缓慢东移,副热带高压外围的偏南气流向850hPa低涡的东北侧暴雨区输送了大量的水汽和不稳定能量,06:00强盛发展的云团D将减弱的云团C并入,发展为MCC,对流发展旺盛。07:00(图3c)并入的云团C加强发展,冷云面积扩展到最大,MCC进入鼎盛期,云顶亮温＜-53℃的云罩面积约为18×104km2,云顶亮温＜-32℃的云罩面积约为22×104km2,椭圆率＞0.7,几乎占据四川东北部及陕南汉中部分地区,此时对流发展最为强盛。强降水出现在云顶亮温TBB等值线北边界的密集区中,造成汉中市汉滨区1h降水44.9mm、南郑县1h降水50.6mm。从08:00开始,MCC云团开始减弱,云团 TBB＜-53℃的冷云区面积大幅减小,11:00(图3d)减弱的MCC南边界引发了一条外流边界,表现为弧状积云线,云团开始消散,边缘出现零散云区,不再具有MCC特征。

以上可以清楚地反映出5日陕西南部出现的区域性暴雨和局地大暴雨过程,降水系统具有明显的MCC特征,是一次典型的MCC过程,MCC的生命史长达9h。

图3 2011年7月5日 TBB图(单位:℃)

3.2 7月6日暴雨过程MCC活动

5日22:00 (图4a)在积云线处有两个对流云团迅速发展合并为云团A,同时陕西汉中地区有零散的对流云团发展,00:00(图4b)陕南对流云团B发展,03:00(图4c)云团A向东北方向发展,与云团B合并,生成一东北-西南向的对流云带,与700hPa中低层切变线的位置相对应,之后云带东北方的云团发展至陕西安康境内,西南方的云团开始减弱,07:00减弱的安康云团与四川东北部云团内有新对流云团生成,并迅速发展合并,这就是MCC形成的初期。13:00(图4d)云团迅速发展,冷云面积扩展到最大,MCC发展到最强,云顶亮温＜-53℃的云罩面积约为16×104km2,云顶亮温＜-32℃的云罩面积约为20×104km2,椭圆率＞0.7,几乎占据四川东北部及陕西南部地区,此时对流发展最为强盛。强降水发生在 TBB低值中心与北部梯度大值之间。14:00云团开始减弱,向东北方向发展,强降水范围扩展至陕西的关中地区。

由卫星观测可以看出6日的区域性暴雨和局地大暴雨过程,降水系统也具有明显的MCC特征,是一次MCC过程,MCC的生命史长达8h。

把云顶红外亮温TBB最大值和强降水中心进行对比,发现TBB最大值与降水强度间关系不大,而与云团北边界TBB梯度有明显关系,“MCC暴雨1”中TBB北边界梯度大,降水强度也大,“MCC暴雨2”中降水对应MCC的TBB北边界梯度较小,降水强度也较小。

图4 2011年7月6日 TBB图(单位:℃)

4 MCC生成发展的环境条件

4.1 低空急流和水汽条件分析

充沛的水汽是产生暴雨的必要条件。水汽通量反映大气的水汽输送状况,而水汽通量散度则表示大气中水汽的辐合和辐散。2011年7月4日20时～6日20时,850hPa从副热带高压外围至陕南上空一直有偏南气流维持,风速为8～14m/s。分析850hPa逐时次的水汽通量和水汽通量散度可以看出,“MCC暴雨1”和“MCC暴雨2”过程中水汽的输送路径有明显的差异:时段1中水汽路径主要来自副热带高压外围的东海和南海,水汽输送带在高压西侧转向,并建立一条自云南至湖北的西南风急流带,时段2中的水汽路径主要来自热带印度洋的西南急流,暴雨区位于低空急流左前方。从图5(a)可以看出,5日02:00强降水区处在水汽通量散度的辐合中心附近,MCC发生区南侧副热带高压外围有西南低空急流生成,湖南-贵州地区有一个水汽通量高值中心,中心值大于24g/(cm·hPa·s),水汽通量高值区随偏南气流向北伸展,在四川中北部-陕南地区水汽通量均达6g/(cm·hPa·s)以上,充足的水汽输送满足了MCC发生、发展必需的水汽条件。5日20:00(图略),暴雨区附近位于水汽通量散度的辐散中心,中心强度超过3×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2,表明强降水区已由水汽的汇变为水汽的源,降水停止。6日08:00(图略)随着印度季风的爆发,从印度半岛-云南-贵州-湖北有低空急流发展,MCC发生在850hPa西南急流左前方的水汽通量辐合区内。随着贝湖冷涡的进一步南压,强降水区逐渐为西北气流控制,陕南的降水天气结束。由此可见,低层的偏南暖湿气流,与中纬度低值系统相互作用,建立起一支通向陕西的偏南气流通道,将大量的水汽源源不断地向暴雨区输送,在急流前部的水汽通量高值区产生辐合,形成暴雨。

湿焓即温湿能,单位质量空气的湿焓[10]为Eh=CpT+Lq,Cp=1.005J/(g·K),L=2500.6J/g,T为温度,q为比湿。温湿能通量表示为(V·Eh)/g。湿焓只与水汽和热量有关。湿焓能较好地反映空气热能的累积状态,高湿焓区与高温、高湿、强的能量聚集区相对应,强降水常发生在高温湿能的等值线密集区。由850hPa湿焓场的变化看出,7月4日14:00(图略)高湿焓中心位于四川中部,中心值340K,陕南地区为332K,等温湿能处于甘肃中南部、四川一线,此时陕南强降水还没开始。4日20:00(图略)陕西温湿能值增大到336K,陕南的温湿能线更加密集,强降水分布靠近高温湿能线密集处。5日02:00～14:00有湿焓舌从沿海向东北方向伸展至湖北境内,陕南湿焓一直维持332K,配合形势场分析,发现高湿焓区、高湿焓舌与低空西南气流相对应,它们代表了暖湿气流的堆积和通道,强降水与湿焓密集区偏高值一侧有很好的对应关系。6日08:00～20:00贝湖冷涡加深发展,高原低槽东移,四川中部340K的高湿焓中心随之向东移动,陕南暴雨区位于328K湿焓等值线密集区。

从850hPa的温湿能通量看,4日20:00～6日20:00湖南附近有一个温湿能通量的大值中心,中心值为55J/(cm·hPa·s),副高外围至陕西南部有一温湿能通道。强降水期间5日02时到6日20时(图5b),陕南温湿能值为15J/(cm·hPa·s),沿副高外围经湖南、重庆到陕西形成了温湿能通量的大值区,建立起从副高外围到陕西的温湿能通量的能量输送通道,源源不断地向陕西输送。

图5 水汽通量和水汽通量散度及平均温湿能通量

4.2 湿位涡和稳定性分析

通过湿位涡、绝对涡度讨论大气层结的对流不稳定和条件性对称不稳定[11]。由湿位涡正压项的垂直剖面图看出:4日20:00暴雨发生前(图6a),33°N 300hPa附近位涡值为 0.2PVU,800hPa为-0.2PVU(1PVU=10-6m2·s-1·kg-1·K),600hPa以下均负值区,即MPV1＜0,由湿位涡的公式可知 ∂θse/∂p＞0,也就是600hPa以下大气为对流不稳定层结,700hPa副高外围从云南-贵州-重庆-陕南有一支西南气流,这支气流为陕南暴雨区输送大量的不稳定能量,使大气层结不稳定。5日02:00(图6a)强降水开始,湿位涡正压值0.2PVU下降到400hPa附近,湿位涡正压项负值的高度开始下降,0线下降到800hPa,说明800hPa以下仍是对流不稳定层结,分析此时刻850hPa风场发现,东海、南海的偏南暖湿气流沿副高外围源源不断地向陕西输送水汽和能量。5日13:00,陕南西部汉中的风向已转为西北风,陕南汉中地区的暴雨结束,5日20:00暴雨区附近0.1PVU下降到900hPa,整层已被湿正压项的正值控制,说明大气不稳定能量已释放完,大气层结转为稳定。由倾斜位涡发展理论[12],当具有高湿位涡的冷空气沿等熵面下滑时,将经过稳定性逐渐减弱的环境大气,导致其绝对涡度增大,此时垂直涡度将显著增长,导致上升运动加强和水汽的向上输送,有利于降水加强。因此高层湿位涡侵入下伸暴雨区,对暴雨起到增幅的作用。

6日08:00 ,印度季风爆发后,从中南半岛-云南-重庆-陕西安康地区生成一支天气尺度的西南急流,不断向陕南南部地区输送水汽和能量。此时33°N湿位涡正压值0.1PVU上升至800hPa附近,说明800hPa以下大气的不稳定层结加大,500hPa以上为湿位涡正压项的大值区。6日14:00(图6b),贝湖冷涡后部的偏北气流与偏南急流相互作用,使急流左侧的低值系统在陕西、四川东北部加强,33°N湿位涡正压值的0线上升到800hPa附近,说明大气不稳定层结进一步加大,通过分析湿位涡项发现33°N附近,湿位涡在400～700hPa小于0,根据陆汉城等[10]提出的条件性对称不稳定需满足下列条件:湿位涡小于零,且大气是惯性稳定(ζa＞0)和对流稳定(∂θse/∂p＞0)。湿位涡在 400～700hPa小于0,绝对涡度大于0,大气是惯性稳定的,∂θse/∂p＜0,即大气是对流稳定的,在暴雨区(33°N)附近400～700hPa大气是条件性对称不稳定。程红艳等[13]提出对流对称不稳定层结的形成与不稳定层的配置有关,当低层为条件不稳定而中高层叠加深厚的条件对称不稳定时,对流对称不稳定环流低层出现垂直上升气流,中层出现倾斜上升气流,不稳定能量释放产生中尺度云带,之后在33°N附近不断有中尺度云团生成、发展。6日20:00,33°N附近高层大值正压位涡向下伸展到低层,倾斜涡度发展,整层为湿位涡的正压项控制,此区域强降水结束。

图6 MPVI剖面图

4.3 动力条件

由4日20:00图(图略)可以看出,MCC发生区(106°E)从对流层低层到中层形成深厚的弱辐合、深厚的正涡度区和较强的上升运动区,MCC发生区从100°E～106°E已经形成有利于产生强降水的动力场,相应的云图上有中β尺度(约100km)对流云团生成。7月5日02:00(图7a)暴雨区上空垂直螺旋度的分布呈明显的下正上负,对流层中低层700hPa附近有12×10-5Pa/s2的正中心,对流层高层400hPa附近为-10×10-5Pa/s2的负中心,700hPa等压图上在甘肃东南部-陕南西部可以看到一中尺度切变线,陕南西部有强烈的辐合上升气流,风场上存在明显的气旋性切变,由上升运动看出,无辐散层位于500hPa附近,而上升气流可达200hPa,MCC发生区对流层高层300hPa形成强辐散中心(散度＞4×10-5s-1),中低层辐合上升运动、高层的辐散,中低层强烈的气旋性涡度及高层的反气旋性涡度,形成了暴雨区下正上负的螺旋度垂直配置,而这种垂直配置增强了系统的旋转性,使系统发展更为剧烈,促使了MCC的第1次生成、发展和维持。6日08:00,MCC发生区(108°E)区再次生成利于产生强降水的动力场,相应的红外云图上有中β尺度强对流云团发展。6日14:00,MCC发生区对流层中低层形成辐合,对流层高层300～150hPa形成散度＞3×10-5s-1强辐散中心;MCC发生区在对流层低层形成正涡度区及2×10-5s-1正涡度中心,对流层中层到高层形成深厚的负涡度区,200～150hPa形成-5×10-5s-1负涡度中心;涡度场和散度场的耦合,在MCC发生区形成一致的上升运动,对流层高层400～250hPa生成-5×10-3hPa·s-1强上升运动中心,为MCC的第2次生成、发展和维持提供了有利的动力条件。

通过分析700hPa垂直螺旋度的水平分布发现,暴雨落区随着700hPa垂直螺旋度的移动而移动,5日02:00(图7b),在四川东北部-陕南西部为螺旋度的正值区,中心值为12×10-5Pa/s2,暴雨区位于大值螺旋度中心的等值线密集区,大暴雨(＞100mm)的落区位于垂直螺旋度正值中心及东侧,正值中心正好对应700hPa切变线,表明切变线有着强烈的旋转上升运动,切边线与垂直螺旋度之间有着较好的对应关系。5日08:00,700hPa螺旋度正值中心移至陕西南部汉中、安康交界处,正值区域近似为圆形,暴雨区也随之东移,大暴雨区仍位于螺旋度正值中心及东侧区域。6日14:00,螺旋度正值区仍与700hPa四川东北部-陕南南部的切变线相对应,大暴雨区位于螺旋度大值中心的东侧。分析看出垂直螺旋度正值中心与700hPa等压面上切变线的位置相对应,切变线暖湿气流一侧有着强烈的旋转上升运动,是强降水发生发展的主要动力机制。垂直螺旋度与暴雨区的移动是一致的。对流层低层较大的垂直螺旋度中心东侧预示着可能产生大暴雨。对暴雨发生发展具有一定的指示意义。

图7 5日02时螺旋度(单位:10-5Pa/s2)

5 结论

(1)200hPa四川小槽加深、槽前反气旋辐散气流发展、α-中尺度强辐散中心的形成,配合低空急流左侧的低涡或切变、对流层中层的浅槽或切变线,形成有利MCC发生发展的环流背景。

(2)MCC是在深厚的中低层切变线、850hPa低涡东侧强辐合区生成、发展,MCC是造成陕西南部暴雨大暴雨天气的直接原因,强降水发生在MCC的TBB北边界的等值线密集区,最强降水均出现在MCC成熟期。

(3)850hPa水汽表明:两次MCC暴雨过程中水汽输送通道不同;自副高外围至陕西建立起偏南风水汽通道,把大量的水汽从沿海向暴雨区输送,在偏南急流前部产生辐合抬升,在水汽通量的大值区产生辐合,造成暴雨。温湿能分析看出,850hPa自副高外围建立直通陕西的温湿能通量的能量输送通道,将温湿能源源不断地向陕西输送,暴雨区位于850hPa温湿能等值线密集处。

(4)第1次MCC暴雨开始时大气的中低层为对流不稳定,第2次MCC暴雨阶段大气低层为对流不稳定层结,中低层则是条件性对称不稳定,条件性对称不稳定与对流不稳定是暴雨发展与维持的重要机制,对流不稳定区域内出现垂直上升气流,条件性对称不稳定区域则出现倾斜式上升气流,触发了不稳定能量释放造成暴雨,当高层湿位涡正压项高值区向下伸展,中低层气旋性涡度增加,上升运动加强,对暴雨起到增幅的作用。

(5)中低层强的气旋性涡度和高层的反气旋性涡度,形成暴雨区下正上负的螺旋度垂直结构,而这种垂直结构增强了系统的旋转性,使系统发展更为剧烈,是暴雨发生发展的主要动力机制。700hPa等压面上垂直螺旋度的正值中心位置、强度与降水落区、降水趋势变化有较好的对应关系,对流层低层较大的垂直螺旋度东侧可能预示着大暴雨的发生,对暴雨落区具有一定的指示意义。

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