成都924暴雨过程分析学士学位论文.docx
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成都924暴雨过程分析学士学位论文
分类号：
P458.1+21.1UDC：
D10621-407-（2010）0153-0
密级：
公开编号：
2006072055
成都信息工程学院
学位论文
成都924暴雨过程分析
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申请学位专业：
大气科学
申请学位类别：
理学学士
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成都924暴雨过程分析
摘要
本文利用MICAPS资料、卫星资料、空间分辨率为1°×1°NCEP的6h再分析资料、雷达资料等从大尺度环流背景，降水天气影响系统，物理量场等方面，初步分析了成都924暴雨过程。
研究结果表明：
本次暴雨过程为持续区域性暴雨，造成这次持续暴雨的天气过程主要原因是副热带高压比较强，边缘位于四川盆地以东，让成都处于副高边缘的西南暖湿气流中，致使城市气温升高，空气湿度大，风力弱，造成大气层结极不稳定，通过NCEP再分析资料可以看到低层辐合、高层辐散的环流形势，低层伴有强烈的上升气流。
南海附近的“黑格木”台风外围带来了南海充足的水汽，使此次过程水汽输送充足，该台风在带来水汽的同时也带来了不稳定能量，冷空气是此次暴雨的触发机制，引发了此次暴雨过程。
最后利用雷达资料分析了低空急流、逆风区、中小尺度气旋、气流辐合辐散等流场特征在对流性降水向层状降水转变过程中的作用。
关键词：
暴雨；诊断分析；螺旋度；多普勒天气雷达
Analysisof924RainstorminChengdu
Abstract
Inthispaper,theprocessof924rainstorminChengduisanalyzedbasedonthedatagotfrommicapssystem,satellitedata,6hreanalysisdatawithNCEP1°×1°re-analysisdata,andradardata,inareassuchascirculationbackground,precipitationweathersystem,andphysicalquantityfields.Therainfallisrecognizedasaregionalcontinuedsuperrainstorm.Inaccordancetothestudy,themainreasonscausethiscontinuedsuperrainstormfollowedwithstrongthunderstormarethehighsubtropical,whoseedgelocatedattheeastofSichuanbasin,wascomparativelystrong,whichmadeChengduatthemercyoftheSouthwestwarm-moistairflow,resultingintheriseoftempretureinthecity,largeairhumidity,weakwind,unstableatmospherestructure;what’smore,throughtheNECPreanalysis,thecirculationsituationoflowerlevelconvergenceandupperleveldivergencecanbeseen,andanstrongupwardaircurrentisatlowlevel.Thetyphoon“Hagupit”nearbySouthChinaSeabroughtsufficientwatervaporandprovidedrichsourceaswellasunstableenergyforthisrainfall.Itisthecoldairthattriggersthisheavyrainfall.Finally,thepapermakeuseoftheradardatatheinfluenceofthecharacteristicsofthefluidflow,suchaslower-leveljet,headwindarea,meso-scaleandmicro-scalecyclone,convergence/divergenceofaircurrent,hasontheprocessofconvectionalprecipitationconvertingtostratiformprecipitation.
Keywords:
HeavyRainFall;PhysicalQuantity;Helicity;DopplerWeatherRadar
目录
论文总页数：
23页
1引言1
1.1研究背景1
1.2过程概况1
1.3过程特点2
1.4研究方法2
2环流形势分析3
2.1500hPa高空形势3
2.2700hPa形势分析3
2.3850hPa形势分析4
2.4地面形势5
3云图分析5
3.1红外云图5
3.2水汽云图6
4物理量诊断分析6
4.1水汽件分析6
4.1.1相对湿度6
4.1.2水汽通量散度7
4.2动力条件8
4.2.1涡度8
4.2.2垂直速度9
4.2.3螺旋度10
4.3不稳定能量分析12
4.3.1假相当位温12
4.3.2K指数12
4.3.3T-logP图分析13
4.4触发机制14
5雷达资料分析15
5.1强度场特征15
5.2速度场特征17
5.3VIL资料分析19
结论20
参考文献21
致谢22
声明23
1引言
1.1研究背景
四川盆地位于青藏高原的东侧，由于其特殊的地理位置，多暴雨。
四川盆地处在长江上游，因此强降水可能引起长江流域的洪水，另外因为四川特殊的地质条件，暴雨经常引起泥石流，滑坡等次生灾害，因此对于研究四川暴雨具有重要的意义。
研究表明，四川盆地暴雨与西太平洋副热带高压的活动关系密切。
对于暴雨的研究，已经有了比较完整的理论体系。
对四川发生的中尺度暴雨的分析研究也取得了很多成果。
蒋文兴等[1]通过研究近20年来四川发生的暴雨大尺度环流背景将四川盆地的暴雨做了分类。
刘庆[2]对四川暴雨气候背景做了分析，得出了影响四川暴雨三种大尺度环流因子。
周长艳[3]等研究了成都“9.3”大暴雨中的水汽输送，陈永仁[4]也对一次典型的暴雨过程做了系统分析。
分析结果表明西太平洋副高对于四川产生持续性暴雨的落区和强度起重要的作用，西南低空急流是提供四川地区暴雨水汽的重要的机制。
1.2过程概况
2008年9月22～26日四川盆地出现持续性暴雨天气，广元、绵阳、德阳、成都、雅安、眉山、乐山、宜宾、自贡、巴中、南充、达州共十二地市约38县（市）出现了暴雨，其中有9县（市）降了大暴雨。
据22日20时～28日08时全省所有测站雨量统计，共有396站累计降雨量≥50毫米，其中258站雨量≥100毫米，53站雨量≥250毫米。
绵阳市江油的马角、雁门、青川、青川的竹园、绵竹汉旺累计降雨量分别为546.4毫米、438.7毫米、288.3毫米、336.0毫米、373.8毫米。
北川9月22日08时－27日08时累计降雨614.3毫米。
图1.四川降水实况图
此次过程全省共发生雷电云地闪击达72092次，仅9月24日00-01时为全省1小时雷电频次最高的时段，共发生闪电8622次。
成都共发生雷电云地闪击27418次。
仅从24日凌晨零时到11时11分，就已发生雷电云地闪击过程18988次， 成都地区，总共遭遇6295次雷电袭击。
此次强降雨，引发了山区严重泥石流灾害。
暴雨过程造成38人死亡、失踪37人，损坏房屋9.2万间、倒塌房屋2.45万间，农作物受灾13.3万公顷，损失粮食产量1.9万吨，损失现粮2.83万吨，直接经济损失23.48亿元，其中农业直接经济损失8.95亿元。
1.3过程特点
本次暴雨主要有以下特点：
（1）局地强度偏大，很多地方的日降水量均打破历史极值，如地震重灾区北川的24小时雨量高达334.7毫米（日降水量历史极值为324.3毫米），彭山和新都日降水量为145.7和108.4毫米，分别打破单站历年9月极值，另外江油的马角24小时降雨量达338.7毫米；
（2）持续时间较长，本次暴雨过程从22日开始，27日才开始减弱，地震灾区北川等地连续五天中到大雨或者大雨，彭州、新都、新津、蒲江、夹江、丹棱、什邡、梓潼、剑阁、珙县、峨眉11县（市）出现2个暴雨日数，大邑、崇州、绵竹、江油、郫县5县出现3个暴雨日，安县出现4个暴雨日，邛崃连续4天均降了暴雨，北川连续5天降了暴雨或大暴雨；（3）过程降水异常偏多，与历年9月下旬降雨总量相比，一些地区较同期偏多2～9倍，成都、绵阳、德阳，广元、雅安、眉山7市大部及夹江、峨眉、阆中、南江、珙县达100毫米以上，北川、邛崃偏多12～17倍，其中邛崃、江油超过300毫米，北川为614.3毫米，北川过程累积降雨量超出历年9月平均降雨量400多毫米；（4）过程降温幅度大，此次暴雨天气过程受冷空气的影响盆地内降温明显，日平均气温普遍下降了8℃以上，盆地西北部日平均气温下降了10～11℃，日最高气温下降了11～14℃；（5）降雨伴随强雷暴，其中9月23日15时～9月24日12时,四川省发生的强雷电天气过程是自2005年我省有雷击次数记载以来，发生雷击次数最多的一次，共发生雷电闪击72092次。
1.4研究方法
稳定的大尺度大气环流形势；充足的水汽；对流不稳定能量的积累、释放是持久性暴雨产生的三个主要物理条件，本文利用MICAPS常规资料、NCEP1°×1°再分析资料（grid2）紧密结合上述三个物理条件，对此次持续性暴雨天气过程做出初步的诊断分析，以期为更深一步的分析及类似过程的预报服务得到一些有价值的线索。
本文利用micaps系统，对大尺度环流形势进行了初步的形势分析，以及对卫星云图上的云系进行分析，研究高低层的系统的配置。
然后通过NCEP再分析资料分析螺旋度、垂直速度、水汽通量散度等物理量，研究本次过程的动力热力结构特征。
最后利用雷达强度、速度等基本产品以及物理量产品，分析此次天气过程中的天气系统的演变特征以及与降水过程的关系。
2环流形势分析
2.1500hPa高空形势
2008年9月23日到24日北纬45度以北为两槽一脊，东北冷涡位于霍克茨克海附近。
西西伯利亚、巴尔喀什湖为低槽，贝湖附近为一平缓的弱高压脊。
北纬45度以南为纬向型环流，为较为平直的西风气流。
此次过程中纬度欧亚大陆环流形势为明显的东高西低型，西太平洋副高的中心一直位于中国东海，强度值稳定在592dagpm左右。
西太平洋副热带高压脊线位于北纬25度以北，其西伸点位置较历年偏西，脊线异常偏北。
23日20时到24日08时，5880位势米线延伸到100°E附近，我国河套以南为584dagpm控制，副高程东西向带状分布，成都地区一直位于副高的边缘，位于副高压脊前部的偏南暖湿气流中，位于西南暖湿气流的入口处，水汽输送充足，由于副热带高压稳定少动，西风短波槽东移减慢。
24日08时起，随着台风登陆减弱，副高东退减弱。
图2.500hPa形势图（a为9月23日20时；b为24日08时）
2.2700hPa形势分析
在23日20时和24日08时700hPa的高度场图（图3）上，可以看到成都地区以西南气流为主，为连续性降水输送了水汽。
在甘肃南部到四川北部出现东北—西南向切变线。
其中在安康达州一线有一低空急流，成都位于急流的左侧，为正涡度，有利于对流的发展。
另外在23日20时，青海存在水汽辐合区。
图3.2008年9月23日20时700hPa形势图
2.3850hPa形势分析
在23日20时低空850hPa高度（图4）上，偏南风急流向成都输送了大量的水汽，在达州-南充-成都一线出现切变线，为气旋式辐合系统，暖湿气流在这里辐合上升，有利于对流的发展。
24日08时切变线的位置向南移动，但仍为气旋式切变，此处即为水汽的辐合上升区，有利于发生强降水。
此次过程除了西南气流提供一定的降水外，在中国南海上空的台风向西北方向移动，外围的东南气流也为四川盆地持续不断的输送了大量的水汽和不稳定能量。
图.42008年9月23日20时850hPa形势图
2.4地面形势
23日08-20时地面图上，西南地区为气压低值区，中国长江以北为高压脊控制，冷空气持续东移，这为中国南海上的台风向西北移动创造了条件，23日－24日“黑格木”台风向西北方向移动，旋臂外围带来的水汽进入四川盆地，并带了大气发生对流所需要的不稳定能量。
23日20时四川盆地，北川，绵阳成都一线为气压低值区的边缘，在这个低压区内存在小范围的气旋式切变（见图5），另外在成都南部地面为一大于32℃的暖中心，这些为暴雨创造了热力和动力条件。
冷锋位于长江一线，尾部停留在盆地附近。
盆地内有冷空气活动。
图5.2008年9月23日20时地面天气图
3云图分析
3.1红外云图
图6.红外云图与相当黑体亮温叠加图（a为2008年9月23日21时；b为24日03时）
在红外云图（图6）上可以看到四川盆地对流云系的移动和发展。
24日21时在成都西南的雅安方向有小的对流云团生成，然后缓慢发展北上。
23点在川北，江油地区有新的对流单体生成，成都南部的对流云团发展合并北上，24日03点的时候与成都方向移来的对流云团合并，并发展强烈，到24日04点对流云顶发展最强烈，强中心位于广元到新都一线，05点云顶降低，面积缩小，减弱。
由黑体亮温可以看到在对流发展比较强烈的地区，黑体亮温值都在220K以下。
在中国南海有一台风（黑格木台风）向西北方向缓慢移动并且强度有所减弱（图略）。
3.2水汽云图
水汽图反应了大气中上层的水汽分布。
水汽图上水汽区的活动、干湿区边界、暗区等都与对流的发生发展有关系。
从23日21时水汽图（图7）上可以看到，急流轴位于四川盆地东部。
成都周围水汽丰富，成都北部的水汽由台风外围东南气流带来，成都南部的水汽来源于西南急流，从24日03时的水汽图上可以看到，水汽极大值位于成都到安县一线。
以上均与红外云图相对应，说明了在降雨时段，水汽很充足。
图7.水汽图（a为23日21时；b为24日03时）
4物理量诊断分析
4.1水汽条件分析
暴雨形成的基本的条件之一是要有充分的水汽供应，这要求暴雨区的大气水分含量高，饱和度大，持续性的暴雨在要求有充足水汽的同时还要求有源源不断的水汽输送。
4.1.1相对湿度
在一定温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为水面的相对湿度。
相对湿度是用来表征大气中水汽含量的重要物理，其变化可以反映出水汽含量的变化。
22日08时，主要降水区700hPa及850hPa高度场大部分地方已处于较高相对湿度区（≥80%）控制，为明显的湿区，而500hPa相对湿度还处于比较低的程度，高原湿舌正向该区扩展，到24日14时，500hPa主要降水区上空也处于≥80%相对湿度控制。
在整个降水时段，降水区都保持比较高的相对湿度。
图8.22日08时——25日08时相对湿度平均分布
4.1.2水汽通量散度
持续暴雨的发生，除了要求具有相当高的水汽含量外，还必须有充足的水汽供应。
水汽通量反应了水汽输送的强度，表示输送来的水汽的聚集特征就要用到水汽通量散度这个物理量。
水汽通量散度是指单位时间内，单位体积内汇合进来或辐散出去的水汽质量。
它反应了强降水过程中的水汽辐合辐散情况,负值为水汽的辐合,表明在强降水落区不断有水汽供给,有利于强降水的持续。
本次天气过程水汽通量水平分布（见图9）从中可以看出，成都以及附近为水汽通量极大值区，水汽通量散度中心值为-2.0×10-7g/cm2·hPa·s，为此次强降水提供充足的水汽，它的强度分布情况在空间上与本次降水情况基本上一致。
另外,过程后期稳定性降水阶段，平均水汽通量矢量在各层均比前期对流性降水阶段的水汽输送强,低层水汽辐合也比前期更强,强对流降水阶段平均水汽通量散度的负值中心为-30×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1,稳定性降水阶段达到-60×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1,这是由于过程后期台风登陆西进后盆地低空东南风急流有所增强及盆地西北部气流辐合更强所致。
由低空流场图（图10）可以看到四川盆地均受台风外围的东南气流影响，可见,持续稳定的850hPa东南风低空急流是“9·24”连续性暴雨的主要水汽输送者。
b
a
图9.23日20时850hPa水汽通量散度
图10.24日0时流场图（a为850hPa,b为700hPa）
4.2动力条件
4.2.1涡度
涡度定义为矢量微商符
和速度矢V的矢性积。
（1）
其中ζ称为相对涡度。
涡度是反映大气动力特征的重要物理量，它可以用来衡量空气块旋转运动强度，当涡度为正值时，表示该区域流场有气旋性切变，意味着有辐合上升气流存在；当涡度为负值时，代表着反气旋性切变，对应地区有辐散下沉气流出现。
实践证明，对流层中层的正涡度平流有利于对流层底层上升运动的发展，也有利于地面低压的发展，从而使得暴雨经常发生在对流层中下层为正涡度，而中上层为负涡度的区域。
b
a
由涡度场上可以看出，23日18时，850hPa四川盆地成都—广元为一条较强的正涡度带（图11a），四川盆地处于强中心附近，最高值在5×10-5/s左右，此时500hPa四川盆地上空也为弱的正涡度地带（图略），高层200hPa为弱的负涡度区（图11b），这种低层正涡度，高层负涡度的配置有利于低层气旋的发展。
有利于对流的产生，发展。
随着时间的推移，降水的发展，主要降水区上空850hPa正涡度一度减弱，甚至在24日0点左右出现短暂的被负涡度控制的现象，而同时700、500hPa等各层也表现为负涡度，这种形势不利于对流的发展，在降水上表现为强度减弱，降水量减小，但很快又被低层正涡度、中高层负涡度的利于对流发展、降水发生的形势代替，使得强降水得以继续维持、发展。
图11.9月23日18时涡度场（单位:
10-5s-1）a为850hPa，b为200hPa
4.2.2垂直速度
为了说明此次持续性暴雨过程中的抬升条件，我们分析了连续性暴雨期间的垂直上升运动。
在过程前期,由于大气层结处于极度高能不稳定状态下,在低空东南风急流最大风速出口区辐合及急流左侧侧向辐合、边界层冷空气触发及地形抬升的共同作用下,对流发展十分旺盛,上升气流伸展至对流层的中高层,22日、23日和24日夜间,上升气流伸展到了200hPa以上，因此过程前期强对流降水特征明显。
图为9月24日0时沿东经104°经向做的垂直速度剖面图（图12）。
可以看到四川盆地都都上升气流区，其中在北纬31°附近从底层到高层都为一个上升区，在700hPa附近是个最大速度中心，在500hPa附近有个小值区，可见整层都为上升运动，但底层上升运动比较强烈，在这一区域对应着地面的强降水区。
由此可见，暴雨区附近的垂直环流与暴雨的启动和维持有密切关系,暴雨区往往出现在垂直环流的上升运动区。
图12.9月24日0时沿104°E垂直速度分布
4.2.3螺旋度
螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的力特性的一个物理量，其大小反映了旋转与沿旋转方向运动的强弱程度，可以用来直接估算发展雷暴的上升气流中涡旋（气旋）的发展，它更好地揭示气旋发展的机制。
螺旋度的定义是：
风矢量与涡度点乘的体积分,即:
（2）
它的值越大,说明在该环境中的垂直风切变越大,就会产生水平方向的涡管。
只要沿着这一涡管方向的相对风速达到一定程度,将有利于强对流天气的发生发展。
若气流流入已生成的风暴内部便会倾斜上升,产生围绕垂直轴线的气旋式旋转运动,有利于风暴的加强,引起强烈上升运动,为暴雨产生创造条件。
在本文中，只讨论垂直螺旋度，符合右手定则的螺旋度取正值,重新定义局地垂直螺旋度为:
（3）
由于在暴雨区上空有深厚的上升运动（ω<0）,所以若有正涡度（ξ>0）,则有正螺旋度；若有负涡度（ξ<0）,则有负螺旋度。
它反映了大气的动力场特征,能反映出暴雨区的位置。
c
a
在23日18时500hPa螺旋度分布图上（图13a）上，31°N,104°E有一正的螺旋度中心，强度在2400×10-6cm·s,在广安附近也有一弱的正中心，未来降水区位于两个正螺旋度中心之间的300～900×10-6cm·s等值线区域内靠近大的正值一侧。
随着螺旋度中心的北移，在24日0时强中心已经移到了江油、安县以北，强度值减弱为2200×10-6cm·s，广安附近的强中心也北抬（图13b），因此降水区域也北抬。
螺旋度对于强降水分布的走向也有很好的指示意义。
由24日0时的200hPa螺旋度分布图（图13c），可以看到负值中心与低层正螺旋度中心相对，这种低层辐合高层辐散的结构有利于维持较强的上升运动，促进地面气旋的发展，但低层正螺旋度远大于高层负螺旋度,即低层正涡度辐合旋转上升运动远大于高层负涡度辐散,这为暴雨的发生提供了强大的动力条件。
b
图13.螺旋度分布（单位:
10-6cm·s）（a为23日18时500hPa；
b
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