酒泉市一次暴雨过程的天气学诊断分析

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  摘要 利用常规观测资料、卫星云图以及MICAPS业务平台常规资料,使用天气学诊断方法,剖析了 2016 年 6 月 1日引发酒泉暴雨天气过程的降水特征环流背景及物理量特征。结果表明:这次暴雨高、低层均为“ 东高西低”的流场配置,高压脊的阻挡作用使上游低值系统在河西西部滞留时间较长,柴达木低涡发展缓慢,形成了类似于“北槽南” 的流场形势。 暴雨发生时高层辐散、中低层辐合,对流层内出现强烈的上升运动,这种流场的配置有利于水汽的输送和汇聚。此次暴雨过程中存在明显的中小尺度系统。
  关键词 暴雨;物理量;诊断分析;甘肃酒泉
  中图分类号 P458.1 21.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2016)18-0207-03
  Abstract Based on the conventional high ground data,satellite cloud pictures and MICAPS routine data business platform,using the synoptic diagnosis method,the precipitation characteristics, circulation background and physical features of the heavy rain happened on June 1th, 2016 in Jiuquan City were analyzed in this paper. The results showed that the upper layer and lower layer flow fields were east high west low.Due to the block of high pressure ridge,upstream minimum system stranded for a long time in the west of Hexi,gaidam low vortex developed slowly,forming a kind of flow field similar to north trough south vortex.When heavy rain occured,the upper divergence,low-level convergence and the strony upward movement in troposphere were good for water vapor transport and convergence.The medium and small scale system obviously existed during the heavy rain.
  Key words heavy rainfall; physical quantity; diagnostic analysis;Jiuquan Gansu
  暴雨是指短时间内出现的大量降水现象(日降水量 ≥50 mm),在我国夏季多发。我国西北地区年降水量较少,气候干旱,建筑物、排洪设施防雨能力差,只要稍微出现大的降水就会成灾。因此,兰州中心气象台将河西地区的暴雨标准定为日降水量>30 mm[1]。研究人员[2-7]对暴雨天气过程进行了深入研究,为暴雨天气的预报工作提供了重要的理论依据。
  位于西北极端干旱气候区的酒泉发生的暴雨往往具有一定的局地性和突发性,且水汽条件非常匮乏,暴雨预报难度大。为此,本文对 2016年 6 月 1日发生甘肃省酒泉市的一次暴雨过程进行了物理量诊断分析,以期提高对西北干旱区暴雨过程的天气系统结构特征及形成机制的认识。
  1 暴雨天气实况及环流背景
  1.1 天气实况
  2016年5月31日夜间到6月1日白天,位于河西走廊西部的玉门、瓜州出现强降水天气过程。过程降水量达到暴雨(河西标准)。最大降水出现在玉门观测站为47.0 mm,其中玉门有4个站点雨量超过30 mm,分别为玉门47.0 mm、柳河45.5 mm、梁子沟38.5 mm、六墩31.1 mm,瓜州柳沟降水量为32.0 mm,均达暴雨标准。这次降水的主要特点是降水强度大、落区集中,主要降水时段出现在6月1日8:00—18:00。玉门观测站1日11:00、17:00降水强度达到10.2、11.8 mm/h,过程累计降水量达49.2 mm。
  1.2 环流形势特征
  此次暴雨环流形势特征类似于“北槽南涡”的流场形势。分析此次暴雨发生前期,河西西部地区为高温晴热天气,在暴雨来临前的5月30日20:00 500 hPa天气图上,欧亚中高纬度地区为“两槽一脊”,乌拉尔山以西和贝加尔湖地区分别为低槽活动区,在巴尔喀什湖以北有一冷低压维持,新疆中部及青藏交界处分别有短波槽活动,青海湖附近存在风场切变。 31 日 20:00,巴尔喀什湖北部冷低压底部下滑冷空气东移南压后,在南疆地区至青海北部发展形成一低压小槽。并在85°~90°E附近有明显的风场切变,同时从青海北部到酒泉地区上空基本一致的为盛行的西南气流,南疆地区至青海北部的低槽,温度槽明显落后于高度槽,受槽后冷平流影响,低槽不断加深(图1a)。与此同时,在河西到河套地区有一高压脊存在,形成“东高西低”的形势场。该高压脊的稳定少动,致使新疆低槽在缓慢东移过程中不断加深,青海高原柴达木低涡逐渐生成。到 1日8:00(图1b),低槽进一步发展东移,槽线位于哈密—冷湖一线,若羌站与敦煌站温差为4 ℃,有明显的冷平流,而整个河西走廊以东南风引导的暖平流为主。酒泉和敦煌有明显的风场切变,青藏高原及甘肃上空为大范围的高湿区。
  700 hPa上在高原东侧出现一支较强东南气流,沿柴达木低涡以东方向形成一条水汽输送带,暖湿气流沿祁连山北上汇集到河西西部,为暴雨生成提供了充足的水汽(图2)。在哈密—马鬃山一线有一切变线,说明冷空气已进入河西西部。这也是干冷和暖湿气流的交汇处,这样的环流背景,为中小尺度对流系统产生提供了水汽条件和不稳定能量。1日20:00,高低空系统均移出酒泉,本区转为西北气流控制,强降水天气结束。   2 物理量诊断分析
  2.1 水汽条件
  2.1.1 相对湿度。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积累。一般认为低层700 hPa的湿度与降水有直接的关系。分析6月1日8:00 700 hPa相对湿度场,河西西部和新疆东部为2个水汽大值区,中心值大于80%。同时从甘肃东南部沿河西走廊至河西西部有一水汽带输送带,呈东南—西北走向,这个水汽输送带为本地的暴雨的产生提供了充足的水汽。同时,在700 hPa以上在90°~100°E的区域内有一相对湿度大于80的湿舌,到500 hPa此湿舌逐渐向东伸展,酒泉市大部分地区都处在高湿区中。到400 hPa玉门地区上空相对湿度达92%,已接近饱和状态(图3)。这说明在酒泉市上空存在水汽的汇聚与增加趋势,这种状态为强降水的产生提供了必要的水汽条件。
  2.1.2 水汽通量散度。分析5月31日20:00到6月1日20:00的700 hPa水汽通量散度的时间剖面图,可以看出玉门站上空700 hPa水汽从1日2:00呈增加的趋势,1日8:00之后逐渐达到最大,14:00开始迅速减弱,20:00水汽通量散度为辐散区。这与玉门站最大降水量出现的时段相一致。1日8:00在青海大柴旦到酒泉西部附近形成一个水汽的辐合区,中心强度达-16×10-7 g/(cm2·hPa·s),与柴达木低涡相对应,辐合中心在随低涡北抬东移的过程中逐渐加强。沿39°N 的水汽通量散度剖面图,可以看出,400~850 hPa河西西部整层都为水汽辐合,在650 hPa左右水汽辐合达到最大,在90°~95°E附近达-12×10-7g/(cm2·hPa·s),辐合随高度减弱(图4)。可见底层强的水汽辐合为强降水提供了充足的水汽。
  2.2 动力条件
  2.2.1 散度、涡度场。沿暴雨中心玉门站做散度的垂直剖面(图5)。可以看出,在1日8:00从高原到酒泉市西部在近地面到400 hPa是一深厚的辐合层,在500 hPa有一辐合中心,而在300 hPa以上为辐散层,辐散随高度的增加而加强,且在150 hPa上空高原到酒泉市西部存在明显的中心为16×10-5 hPa/s的辐散层,这种上层辐散,中下层辐合的结构特征,易形成强烈的抽吸作用,有利于低层湿空气的抬升凝结,为强降水的发生提供了充分的动力条件。
  从涡度场看,从1日8:00—14:00,650 hPa以上均为正涡度区,在200~150 hPa附近表现最强,其值为5.1×10-5 hPa/s,而700 hPa以下的负涡度区在降水强度最强的时段有明显增强(图6)。这种高层强烈辐散抽吸作用使低层辐合加强,触发了较强的上升运动,产生了强降水。
  2.2.2 垂直速度场。对1日8:00沿40°N的垂直速度剖面图分析表明,90°~100°E的区域内存在强烈的上升运动,整层为一致的上升气流,1日8:00和20:00上升气流在50~300 hPa最强,中心值均达到了-18×10-5 hPa/s。这种很强的上升运动不仅使得暖湿空气辐合抬升,而且在上升过程中释放潜热,加热大气,使得垂直运动增强,形成正反馈。这对强降水的产生非常关键,而且对低层水汽的垂直输送起了非常重要的作用,有利于不稳定能量的释放和强对流的产生。
  由上述分析可知,典型的高层辐散和低层辐合是形成整层强烈上升气流的重要条件。强烈的上升运动将水汽不断地向上空输送,是这次强降水的动力条件。
  2.3 热力条件
  2.3.1 对流参数。6月1日8:00,青海北部到酒泉处在假相当位温高能舌中,酒泉中西部K指数大于30 ℃,在瓜州上空有34 ℃的大值中心。新疆东部到酒泉的沙氏指数均小于0 ℃,并且在若羌附近有一个-8 ℃的低值中心。较强的K指数和较小的沙氏指数为此次强降水天气提供了不稳定条件。
  2.3.2 CAPE值。若羌站CAPE指数在5月31日8:00为0,在31日20:00迅速增大至1 228,6月1日8:00迅速减小至28,1日20:00略升至220。敦煌站CAPE指数在31日20:00和1日20:00为2个峰值时段(图7),说明若羌CAPE在逐渐增大的同时,有较强的对流有效位能亦有向西输送的可能,随着冷空气的东移,启动了抬升机制,使得上游的不稳定能量得以释放和向下游传播,为本区域强降水的形成提供了强大的能量支持。
  2.3.3 700~500 hPa温度差。研究表明:暴雨发生时一般700hPa减500 hPa温度差均在18 ℃以上[8]。利用2016年6月1日8:00 700 hPa与500 hPa的的温度资料进行计算温度差,发现若羌、哈密、敦煌3个站的温度差均在21 ℃以上,酒泉的温度差也达18 ℃,从而反映了本地暴雨区的热力不稳定特征。
  以上分析表明,此次暴雨发生前期上游有明显的不稳定层结和较强的不稳定能量,强降水中心发生在CAPE 强中心的下游。
  3 云图分析
  由云图资料看出(图8),此次降水过程影响酒泉市的云系主要有冷锋云系和偏南高原暖湿气流云团。高原上在青海北部有一中-α 尺度对流云团发展并向东北方向移动。由于地面冷锋和高原地形的抬升作用,9:00后不断有中尺度对流云团发展,并东移北抬,在新疆东部有一锋面云带东移,于11:00在玉门上空叠加。 由于700 hPa低涡对空气的辐合抬升及午后地面升温快,玉门上空云系不断发展加强,玉门开始出现强降水。1 日12:00—16:00,先前云团不断分裂,同时在偏北地区又有新的对流云团生成,并在高空冷平流的引导下不断向南移动,和高原北抬的对流云团不断汇合,因此玉门上空一直维持有深厚的降水云系。1 日17:00降水云系的强中心基本移出玉门,高原上也无明显发展北抬的对流云系补充,玉门降水强度明显减弱。1日 19:00降水云系完全移出玉门上空,玉门的降水结束。由此可知,玉门的暴雨是由中尺度对流云团叠加锋面云带,同时配合底层的水汽辐合而形成的。
  4 结论
  (1)本次暴雨发生在有利的大尺度天气形势下,高、低层均为“东高西低”的流场配置,高压脊的存在致使上游低值系统在河西西部滞留时间较长,柴达木低涡移动缓慢,高原东北侧维持较强的东南风,这些为强降水的形成提供了充足的条件。
  (2)中、低层强水汽辐合,700 hPa 偏南气流的维持、发展是此次强降水充沛水汽的主要来源。
  (3)高层辐散、低层辐合形成了强烈的抽吸作用,对流层内出现强烈的上升运动,为此次降水提供了动力条件。
  (4)暴雨发生前夕酒泉市上空及上游地区有较强的不稳定能量蓄积,具备了暴雨发生的不稳定层结条件,同时此次暴雨具备了较好的热力条件,发生在低层高温高湿的环境中,强降水中心发生在CAPE强中心的下游。
  5 参考文献
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