第 28 卷第 1 期 2010 年 3 月文章编号 :1006-7639(2010)-01-0081-06 干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.28 No.1 March,2010 河西走廊一次大雨天气诊断分析 滕水昌 1 2, 殷玉春 (1. 甘肃省永昌县气象局, 甘肃永昌 737200;2. 甘肃省武威市气象台, 甘肃武威 733000) 摘要 : 对 2009 年 8 月 18 日发生在甘肃省河西走廊中部区域性大雨从天气形势 物理量场 水汽条件 卫星云图特征进行了综合分析, 发现 500hPa 巴尔喀什湖至新西伯利亚阻高的发展使得脊前冷槽南压加强, 为这次区域性大雨形成提供了冷空气来源, 副热带高压明显西升北抬为大雨形成提供了充足的水汽来源 ;700hPa 低空低涡的辐合为大雨产生提供了必要的上升运动, 并促使对流不稳定层结的产生和发展 同时发现, 中低层不稳定能量触发, 在大尺度锋面降水云系中产生中尺度对流云团活动, 是造成局地雨强较大的主要原因 高低空螺旋度 上负下正 的配置, 对强降水的预测和落区有良好的指示作用 关键词 : 大雨 ; 物理量场 ; 天气诊断中图分类号 :P458.1 + 21 文献标识码 :A 引 言 1 降水情况 大雨通常产生在有利的大尺度环流背景下, 由中小尺度天气系统发展形成 它常常引起洪涝灾害, 对基本设施和人民生命财产造成损失 2009 年 8 月 17 日晚至 18 日发生在河西走廊中东部的区域性大雨是近几年来较为明显的一次天气过程 张掖市 金昌市 武威市先后出现区域性强降水, 雨量在 10~40mm 之间, 是河西走廊中东部近 10a 少有的区域性大雨, 其中永昌县区域站雨量在 19.4~40.6mm 之间, 也是近 10a 间该县出现的最大降水 近年来, 国内许多专家学者利用各类物理量对中小尺度暴雨进行诊断分析, 以揭示暴雨过程中各类物理量场的演变特征 如郑仙 [1] 照等指出 : 暴雨产生在低层正涡度中心和高层负涡度中心相配合, 有不稳定能量储存的高能区 [2] 李云等分析了暴雨云团与强烈的水汽辐合有 [3-9] 关, 同时白肇烨等对暴雨成因机理在物理量场等方面进行了研究 本文从天气学条件 物理量场诊断等方面分析这次大雨的活动规律和物理成因, 力求加强对该类天气过程的认识, 提高其预报准确率 根据相关资料, 这次大雨具有降水异常集中和持续性长的特点, 最大雨量出现在民乐县, 过程雨量达 43.4mm, 最小为乌鞘岭雨量 10.8mm, 连最北边的金昌站雨量都达 29.2mm, 民勤 26.2mm 本文依据张掖市 金昌市 武威市各站 18 日雨量运用反距离加权插值法制作了河西走廊中东部降水量等值线图 ( 图 1) 可以清晰地看到在 37.5~39.0 N, 99.5~103.0 E 之间降水的分布状况 图 1 8 月 18 日河西走廊中东部降水量等值线图 ( 单位 :mm) Fig.1 Theprecipitationcontourinthemiddleand eastpartofhexicoridoronaugust18,2009 收稿日期 :2009-08-27; 改回日期 :2009-10-21 作者简介 : 滕水昌 (1966-), 男, 甘肃武威人, 工程师, 主要从事天气预报分析研究.E-mail:yctsc@126.com JournalofAridMeteorology,2010,28(1):81-86 81
82 干旱气象 28 卷 2 环流背景 17 日 08 时 500hPa 高空天气图上, 中高纬呈西低东高型, 巴尔喀什湖至新西伯利亚有阻塞高压形成, 西萨彦岭东到贝尔加湖有一中心高度为 560hPa 的冷涡存在, 冷中心为 -20, 蒙古国受其影响, 冷涡底部已越过阿尔泰山直逼河西, 而副热带高压西伸明显,584 线已跃过格尔木 ( 高度 586hPa) 以西并控制高原, 最北到民勤, 河西走廊地区处于低槽前部 ( 图略 ) 到 20 时冷槽南压明显, 已迅速影响河西走廊, 副高快速东撤, 格尔木高度降至 580hPa( 图 2a) 而且在 17 日 20 时的流场垂直分布场上 500 ~300hPa 高原到走廊中部南侧为强劲的西南气流, 偏北侧为西北气流,500hPa 流场的辐合线位于走廊中部, 走廊中部上空处在西北急流和西南急流的交汇处 ( 图略 ) 700hPa 存在辐合中心, 表明河西走廊中部低空有切变线低涡存在 ( 图 2b) 地面冷锋已于 17 日 20 时逼近额济纳旗 张掖 都兰一线, 在 17 日 20:30 的红外云图上, 河西中西部及格尔木 都兰地区受冷锋云带影响, 该区域已出现降水, 局部沙尘吹风天气 图 2 8 月 17 日 20 时 500hPa(a) 和 700hPa(b) 形势图 Fig.2 The500hPa(a)and700hPa(b)synopticsituationat20:00on17August2009 3 影响系统 此次降水的主要影响系统有 3 个 :(1) 北方冷槽东移南下, 因阻高影响使槽后冷平流得到加强, 使槽东移加深, 不仅为强对流提供了触发机制, 也改变了本地区的温湿条件并积累了能量, 进而改变了当地的层结结构 ;(2) 地面冷锋东移和 700hPa 切变线低涡辐合上升运动, 有利于触发不稳定能量释放, 有利于强降水形成和加强 ;(3) 位势不稳定能量和逗点云系尾部的多对流单体在降水过程中有利于强降水的形成 分析, 发现 700hPa 水汽呈逐渐增加之趋势,20 时形成以青海湖为中心北跨祁连山到河西走廊中部地区的 -20 10-7 g/cm 2 hpa s 的中心辐合区 ( 图 3a), 而且 700hPa 上空在柴达木盆地以东有一相对湿度为 90% 的湿舌向北伸展 ( 图 3b), 说明在河西走廊上空存在水汽的汇聚与增加趋势, 这种状态为对流天气和强降水的发展提供了必要的条件 4 水汽条件分析 水汽是形成降水的必要条件, 强降水的形成必须有水汽的输送和累积, 水汽的垂直分布与温度的垂直分布一样, 都是影响气层稳定度的重要原因 一般认为低层 700hPa 的湿度与降水有直接的关系 通过对 18 日 08~20 时上下层水汽通量散度的 82 JournalofAridMeteorology,2010,28(1):81-86
第 1 期 滕水昌等 : 河西走廊一次大雨天气诊断分析 83 大气的动力场特征 在 P 坐标系中, 垂直方向的螺旋度计算方法为 : H p =-ζ ω 式中 ζ 表示涡度,ω 表示垂直速度,H p 表示垂直螺旋 图 3 8 月 17 日 20 时 700hPa 水汽通量散度 (a) 及 700hPa 相对湿度场 (b) Fig.3 The700hPawatervaporflux divergence(a)andrelativehumidityfield(b) at20:00on17august2009 5 不稳定能量分析 5.1 垂直螺旋度近年来螺旋度常用来研究大气中一些与速度场相关的有旋系统和大雨系统的结构特征, 其大小反映了旋转与沿旋转轴方向运动的强度 [3], 有关文献资料表明, 近年来它常用于强对流天气的诊断, 将螺旋度分析用于暴雨天气的物理机制研究上, 来反映 度, 单位 :10-8 hpa s -2 通过对 8 月 18 日 08 时和 20 时垂直螺旋度运用 Micaps 格点资料计算发现, 大雨前 08~20 时河西走廊中部上空 700hPa 的螺旋度由负变正, 而 500hPa 螺旋度由 -120 中心迅速变为 -240 的中心 ( 图 4) 螺旋度 上负下正 的结构非常明显 并随着冷槽东移南下导致走廊上空中低层正螺旋度迅速增大 高层负螺旋度迅速减小, 表明低层环境风有利于强对流系统和气旋性涡旋的发展, 必然会产生强烈的辐合上升运动, 为强降水的产生 加强 维持创造了动力条件 而且在中低层气流辐合, 高层辐散的作用下正螺旋度上传趋势加强, 中层负螺旋度移向高层, 强度也有所加强, 这种结构也有利于大雨的发生, 大雨发生期间的螺旋度的负值区对应负涡度, 正值区对应正涡度区, 垂直螺旋度的正负和大小的变化与该区域出现的大雨在时间上有着良好的对应关系 [1], 且大雨发生在低层正螺旋度中心偏北侧 在大雨趋于减弱时, 正值高度层逐渐降低, 低层螺旋度逐渐变为负值, 而高层出现正值, 且向东移动, 对流上升运动受到抑制, 雨势逐渐减弱 图 4 8 月 17 日 20 时 500hPa(a) 和 700hPa(b) 螺旋度场 Fig.4 The500hPa(a)and700hPa(b)verticalhelicityfiledsat20:00on17August2009 5.2 假相当位温 θ se θ se 是一个重要的温湿特征参数 等 θ se 线密集区是位势不稳定和斜压不稳定能量集中的区域, 一般对应着高能区, 在 8 月 18 日 20 时假相当位温 θ se 图上,700hPa 有一舌状高值自高原向北伸展, 走廊中部处于等值线密集区 为了进一步分析大气的不稳定特征, 对 Δθ se 的变化进行了计算分析, 因为 Δθ se (500-850)<0 有利于对流的发展 [10], 负值愈大, JournalofAridMeteorology,2010,28(1):81-86 83
84 干旱气象 28 卷 表示对流不稳定愈强 从 Δθ se 的时间演变可以进一步看到大雨期间的能量变化与大雨的产生和减弱之间的关系 从 17 日 08 时 Δθ se 场的分布看到高原西南侧有 -24K 的中心向北伸展到河西走廊中东部, Δθ se 达 -12K( 图 5a),17 日 20 时 Δθ se 场中心呈舌状向东北扩展, 河西走廊中东部 Δθ se 达 -16K, 也表明该地区上空存在较强的位势不稳定能量的增加 ( 图 5b) 而且从 20 时 T-lnP 图上, 张掖站 700hPa 为偏东北风,500hPa 以上由东南风转为西南风, 风随 高度顺转, 不稳定面积增大且向上扩展 ( 图 5c), 这种强的位势不稳定层结在低层正的垂直螺旋度 高层负的垂直螺旋度增大 减小的触发下, 得以快速释放, 这不仅加剧了上升运动, 而且还有利于降水强度的快速增强 18 日 8 时河西走廊中部 Δθ se 已减小为 -4K 且中心已移到乌鞘岭以东地区, 不稳定能量得已释放,Δθ se 中心值逐渐减小, 位势不稳定度下降, 大气层结趋于稳定, 走廊中部的降水也已明显减弱 图 5 8 月 17 日 08 时 (a) 及 20 时 (b)δθ se 场,20 时张掖站 T-lnP 图 (c) Fig.5 TheΔθ se fieldat08:00(a)and20:00(b),and20:00t-lnp diagramatzhangyestation(c)on17august2009 5.3 散度 涡度在 17 日 20 时的散度垂直分布场上 700~300 hpa 高原到走廊中西部是一深厚的辐合层, 在 700 hpa 青海湖上空形成 -20 10-5 s -1 的辐合中心 ( 图 6a), 而在 250hPa 以上为辐散层, 且在 250hPa -1 上空走廊中西部存在明显的中心为 30 10-5 s 辐散层 ( 图 6b), 这种上层辐散, 中下层辐合的垂直结构有利于地面气旋的发展 从垂直速度场的分析发现, 在 17 日 08 时 250~700hPa 都存在强烈的上升运动, 而且在 17 日 20 时走廊中西部为 -20 10-5 hpa s -1 上升运动中心, 走廊北侧正涡度由低层向高层增加的趋势非常明显 17 日 08 时 500 hpa 祁连山以南及高原中部为 -40 10-5 s -1 的低值中心, 而到 20 时已变成 20 10-5 s -1 的正中心, 这种配置会使垂直上升运动加强, 是强对流形成的动力因子与大雨区有较好的对应关系 [11] 通过分析各高度层次的涡度平流场发现,17 日 08 时 500~ 200hPa 走廊中西部为负涡度平流区, 在 250hPa 走廊中部为 -30 10-5 s -1 的低值中心, 到 17 日 20 时 500~200hPa 已变为正值区, 在 250hPa 走廊西 部为 20 10-5 s -1 的高值中心, 负涡度区迅速向东移动,18 日 08 时 500~200hPa 走廊中部为正涡度平流区, 在 250hPa 走廊中东部为 40 10-5 s -1 的高值中心, 涡度平流从低层向高层增大, 正涡度平流自西向东移动明显 ( 图略 ) 6 云团特征 17 日 10:00~18 日 05:00 的 FY2C 红外云图 ( 图 7) 显示, 河西中部地区被层状云云系覆盖 在 19:30 对流云团在青海湖附近生成并迅速发展, 在西南气流的引导下逐渐向东北方向移动, 在移入位势不稳定区域后逐渐加强, 该云团 21~02 时发展到最强盛阶段, 云团深色部分云顶亮温 T BB 在 -70~ -50 之间, 浅灰色部分中心区云顶亮温 T BB 在 - 45~-35 之间,T BB 低值强云团随云带沿低空急流方向移动, 且与水汽及能量输送带密切关联, 从 17 日 10:00~18 日 05:00 的水汽图像分析, 在这一云区存在明显的水汽输送带 如在 22 时水汽图像中这一区域变得更白亮, 也指示出该区域对流层中上部的水汽增加情况 ( 图 7c) 同时云区中的积云 84 JournalofAridMeteorology,2010,28(1):81-86
第 1 期 滕水昌等 : 河西走廊一次大雨天气诊断分析 85 图 6 8 月 17 日 20 时 700hPa(a) 和 250hPa(b) 散度场 Fig.6 Divergencefieldat700hPa(a)and250hPa(b)at20:00on17August2009 图 7 8 月 18 日 FY2C 红外云图 (a20:30,b23:00,c22:00) Fig.7 TheFY2Csateliteimagesat20:30(a),23:00(b)and22:00(c)onAugust18,2009 在围绕高空槽底部向东北方向移动过程中得到加强, 在 17 日 22 时 ~18 日 01:30 走廊中部云带发展为成熟的逗点云系, 覆盖的区域更大一些, 并逐渐向北扩展, 同时在逗点云系尾部有发展为更显著的对流单体, 且处在 20 10-5 s -1 的涡度中心区, 沿云系有急流穿行 ( 图 7a, 为了分析方便在图上叠加的等值线为 20 时 500hPa 涡度场, 风矢表示 20 时 500 hpa 的气流 ), 逗点云系的生成 发展 成熟也指示出气旋生成 发展 成熟的阶段性特征 也表明在逗点云系附近温度梯度加大, 上游存在明显的冷平流和地面冷锋的发展与加强 而且近地层低压在 500 hpa 涡度中心附近, 促使低压加强, 低层的辐合在含水量较大和较强的位势不稳定能量的环境中, 可改变原来的大气层结, 使原来的逆温层减弱 (08 时张掖站逆温层在 820 ~790hPa 层,20 时已减弱, 见图 5c), 水汽向上输送, 从而有利于对流的发展, 对积云的发展和降水的加强都有明显的作用 逗点云系 尾部的积云北涌十分迅速和明显, 见 23 时红外云图 ( 图 7b) 该云团在向东北方推进的过程中, 不断发展 加强并与层状云系结合, 使降水效率增大, 在 17 日 20 时 ~18 日 1 时的红外云图上, 祁连山中部与张掖市 金昌市区域内的层状云中都有发展强盛的对流单体活动 ( 地面天气图上也有相应的观测表现 ), 此时段也是这一地区雨强最大, 降水最为集中的时期, 民乐站 18 日 21 时至 19 日 08 时雨量达 42. 4mm, 永昌站 22.5mm 逗点云系头部的辐合云团影响范围包括张掖 金昌 武威, 祁连山以北民勤到内蒙古自治区的颚济纳旗的北部的部分地区 6 结论 (1) 这次大雨天气过程 500~200hPa 青藏高原东部维持较长时间的强劲西南气流, 对强降水提供水汽输送,500hPa 冷槽东移是局地大雨主要的影响系统 700hPa 切变线低涡的辐合产生的上升运 JournalofAridMeteorology,2010,28(1):81-86 85
86 干旱气象 28 卷 动, 中低层强的水汽辐合为大雨的发生提供了必要的条件 (2) 风切变和不稳定层结对诱发对流云团提供了有利条件, 正涡度平流由低层至高层的增强和移动, 是促使地面低压和对流发展的重要动力因子, 有利于强降水的形成 (3)700hPa 等压面上, 垂直螺旋度分布和天气系统有较好的对应关系, 大雨过程中垂直螺旋度正值区与 700hPa 切变线低涡的辐合相一致 同时中低层正螺旋度 高层负螺旋度, 对位势不稳定能量有触发作用, 垂直螺旋度的变化和移动对天气系统的移动和发展及大雨的落区 强度有良好的指示意义 (4) 这是一次典型的冷锋云系和中尺度对流云团相互作用, 形成积层混合云造成的大雨天气过程 参考文献 : [1] 郑仙照, 寿绍文, 沈新勇, 等. 一次暴雨天气过程的物理量分析 [J]. 气象,2006,33(2):103-105. [2] 李云, 缪启龙, 江吉喜.2005 年 8 月 16 日天津大暴雨成因分析 [J]. 气象,2007,33(5):84-88. [3] 白肇烨, 徐国昌, 孙学筠, 等. 中国西北天气 [M]. 北京 : 气象出版社,1988.299-300. [4] 朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文, 等. 天气学原理和方法 [M]. 北京 : 气象出版社,1992.462-634. [5] 吉惠敏, 冀兰芝, 王锡稳, 等. 一次强对流天气综合分析 [J]. 干旱气象,2006,24(2):12-14. [6] 贾宏元, 穆建华, 孔维娜. 宁夏一次区域性大到暴雨的诊断分析 [J]. 干旱气象,2005,23(2):25-28. [7] 道然 加帕依, 车罡, 李如琦. 新疆东部地区大雨的分析 [J]. 气象,2007,33(2):65-69. [8] 兰晓波, 杨晓玲, 李岩瑛. 民勤一次大到暴雨天气诊断分析 [J]. 干旱气象,2007,25( 增刊 ):43-45. [9] 樊晓春, 董彦雄, 王若安. 一次强对流性天气的发生条件及云图演变特征 [J]. 干旱气象,2004,22( 增刊 ):26-28. [10] 王淑静. 螺旋度与区域大雨落区 [A]. 省地气象台短期预报岗位培训教材 [M]. 北京 : 气象出版社,1998.120-125. [11] 孙玉莲, 任余龙, 马新荣. 甘肃中东部初夏一次暴雨天气过程的动力诊断 [J]. 干旱气象,2007,25(4):42-43. DiagnosisofaHeavyRainOccurredintheHexiCorridor TENGShuichang 1,YINYuchun 2 (1.YongchangMeteorologicalStationofGansuProvince,Yongchang737200,China; 2.WuweiMeteorologicalBureauofGansuProvince,Wuwei733000,China) Abstract:TheregionalheavyrainoccuredinthemiddleofHexiCoridoronAugust182009wasanalyzedfromthesynopticsituation, physicalquantityfields,watervaporconditionsandsateliteimage sfeatures.resultsshowthatthedevelopmentof500hpablocking highfrombalkhashlaketonovosibirskmadethecoldtroughbeforetheridgestrengthenandextendsouth,anditprovidedthecoldair forthisregionalheavyrain.thewesternandnorthernextensionofthesubtropicalhighprovidedadequatewatervaporfortherain.the convergenceofthevortexatthelevelof700hpresultedinincreaseofupwardairmovement,whichpromotedconvectionunstablestrat ificationemergenceanddevelopment.thelowandmiddlelevelinstabilityenergytriggeredmesoscaleconvectiveactivitiesinlarge- scalefrontalrainfalcloudsystem,whichwasthemainreasonforthisheavyrainevent.theconfigurationofnegativehelicityatup levelandpositivehelicityatlowlevelhasagoodindicationforforecastingheavyrainfalandrainfalarea. Keywords:heavyrain;physicalquantityfield;diagnosis 86 JournalofAridMeteorology,2010,28(1):81-86