2016年盛夏一次局地极端降水中尺度分析.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期71文章编号：2095-6835（2023）18-0071-042016 年盛夏一次局地极端降水中尺度分析王江华1，李海华2，方 雯3，彭劲松3（1.昌吉回族自治州气象台，新疆 昌吉回族自治州 831100；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；3.昌吉回族自治州气象服务中心，新疆 昌吉回族自治州 831100）摘要：利用常规资料，EC 粗、细网格和 T639 数值预报产品，对 2016-07-3008-01 出现的强降水，从大尺度环流背景及中尺度条件等进行了分析。结果表明，南亚高压双体型及西太副高西伸北挺是此次极端降水的有利的大尺度环流背景，同时配合 500 hPa 关键区咸海至巴湖的低槽，是主要影响系统。从动力条件来看，700850 hPa 有明显的风场幅合，低空切变与急流构成了低层辐合系统，增强了上升运动。从水汽条件分析，暴雨发生区比湿最大值位于 850 hPa，为 810 g/kg，水汽通量散度场在阿图什市及阿合奇县一带，幅合中心最强，为2410-7g/（cm2hPas）。中尺度条件表现为850 hPa 有暖脊、地面有辐合线，因而触发了此次对流天气出现，加之充足的水汽供应和强烈的上升运动，以及不稳定能量的释放，是造成此次极端强降水的重要原因。关键词：克孜勒苏柯尔克孜自治州；大降水；中尺度分析；物理量及雷达特征中图分类号：P458.121.1文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.021暴雨是克孜勒苏柯尔克孜自治州（以下简称“克州”）夏季出现的主要灾害性天气之一，它影响制约着人们生产、生活。尤其是近几年来，暴雨日数呈逐年增多趋势，且短时强降水经常让人猝不及防，因而，研究该地区的暴雨发生机制，对指导暴雨的预报预警和防灾减灾有重大深远的意义。对暴雨的研究，国内许多学者做过大量的分析。例如，何光碧等1-5对不同地区的暴雨时空分布特征及周期变化、环流特征等方面进行了探讨；周长艳等6从暴雨的水汽输送机制及输送路径等进行了分析，同时提出有一条新的水汽输送路径，即阿拉伯海北部西南风水汽输送经高原主体、高原东南部进入四川，这一新的发现对于研究新疆暴雨发生时水汽输送机制有很大的启示。充足的水汽供应是暴雨发生的重要因子之一，新疆地处沙漠边缘，远离海洋，水汽是如何输送到南疆西部克州地区上空，对此新疆的一些学者也做过很多研究。例如，杨莲梅等7对 2007 年 7 月新疆3 次暴雨过程的水汽特征进行了研究，结果表明，3 场天气水汽输送有明显差异，青藏高原、孟加拉湾、贝加尔湖及南海、热带西太平洋水汽对它们有不同程度的贡献。近些年，更多的学者如张雅斌等8-15对某一次典型暴雨个例的成因、环流特点及分析等方面进行了研究，得出了一些有利的预报指标，并应用于实际的暴雨预报中。但由于暴雨因局地气候、背景不同又有很大的预报差异，加之新疆的地域特点，资料稀疏，暴雨预报一直是本地预报难点，因而探索暴雨天气成因，提高预报准确率，依然是预报员不断努力的方向。本文就 2016-07-3008-01 出现的一次局地强降水天气，从大尺度环境场、水汽条件、不稳定条件及雷达资料应用等方面分析了此次暴雨的成因，为克州地区今后暴雨预报提供一定的经验和依据。1天气概况2016-07-30T20：0008-01T20：00，克州地区出现了入夏以来最强的一次降水天气过程，各地过程降水量普遍以小到中量为主，降水大值中心主要集中在北部山区阿合奇县一带，共有 13 站过程雨量达到暴雨级别，3 站过程雨量达到大暴雨级别。三县一市及部分区域站降水情况如表 1 所示。表 1三县一市及部分区域站降水情况站名降水量/mm总降水量/mm2016-07-29T20：0007-30T20：002016-07-30T20：0007-31T20：002016-07-31T20：0008-01T20：00阿图什市区8.58.5乌恰县城6.16.1阿克陶县城3.13.1阿合奇县城30.21.832.0阿合奇县克孜宫拜孜0.253.00.253.4科技与创新Science and Technology&Innovation722023 年 第 18 期表 1（续）站名降水量/mm总降水量/mm2016-07-29T20：0007-30T20：002016-07-30T20：0007-31T20：002016-07-31T20：0008-01T20：00阿合奇县阿克白一提1.748.049.7阿合奇县麦尔开西2.547.950.4阿合奇县国营马场6.428.735.12大尺度天气背景和影响系统分析2.1大尺度天气背景2016-07-29T20：00，200 hPa 南亚高压呈双体型，表现为 2 个中心，一个位于里黑海以南，另一个则位于青藏高原一带，中心数值为 1 260 dagpm，中亚至帕米尔高原一带为长波槽控制下；07-30T20：00，南亚高压转为东部型，中心位置、数值变化不大；07-31T20：00，南亚高压维持东部型，中亚至帕米尔高原大槽稳定维持少动，该形势的出现是南疆西部降水处于多发期的有利大气候背景。2.2影响系统2016-07-29T20：00，500 hPa 咸海至巴湖关键区为低涡控制下，克州位于低涡前西南气流影响下，配合伊朗副热带高压和西太平洋副热带高压发展活跃；07-30T20：00，低涡快速东移减弱成槽并分裂为南北 2支，北支控制在西天山一带，南支则在中亚附近滞留，克州仍受槽前西南气流影响下，并且伊朗副热带高压稳定少动，西太平洋副热带高压则西伸北挺，此种形势的建立促进了低槽携带的冷空气与副高外围暖湿空气交汇，是造成大降水的有利条件；07-31T20：00，南北 2 支东移同位向叠加，槽曲率较大，南伸明显，且槽前南气流进一步加强，克州处于其影响下，同时西太平洋副热带高压也继续西伸北挺，控制在东疆一带。2016-07-30T20：00，克州阿图什市附近及阿合奇县一带有切变、辐合区，位于中低层 700 hPa，且盆地东部偏东急流开始建立；07-31T20：00，偏东急流略有加强，克州地区仍受切变线影响下。偏东急流的长时间维持并加强促使孟加拉湾水汽源源不断向暴雨区输送，同时促进了低空不稳定能量释放，加之高空槽前偏南气流携带的水汽共同作用下，是极端降水发生的重要条件。2.3中尺度条件分析2016-07-30T08：0020：00 中尺度分析如图 1 所示。从图中可以看出，500 hPa 高度场上，伴有负变温的温度槽落后于高度槽，中低层 700850 hPa 存在明显的切变，且 20：00 时，850 hPa 切变线处于阿图什至阿合奇一带，08：00 时中尺度图上，200 hPa、500 hPa西南急流较强，急流中心最大风速为 36 m/s，同时850 hPa 有东风急流配合，20：00 时急流西伸明显，低空切变与急流构成了低层辐合系统，增强了上升运动，是对流天气出现的触发条件之一。地面图上，08：00有明显的辐合线，20：00 在阿图什至阿合奇一带形成一闭合的小低压，850 hPa 有暖脊建立，这是对流出现的又一触发因子。08：0020：00，湿区位于北疆大部地区，本区上空整层湿度偏干，湿层浅薄，近地面湿度略有增加，这种低层暖湿，中层干冷，使层结处于极不稳定，易出现强对流天气。（a）2016-07-30T08：00 中尺度分析（b）2016-07-30T20：00 中尺度分析注：黑色三角为温度槽，黑色实线为槽线，黑色圆点线为 850 hPa温度脊线，黑色 x 虚线为地面辐合线，灰色虚线为饱和湿区，灰色箭头为高空急流，黑色箭头为中层急流，黑色长箭头为低空急流，灰色、褐色平行曲线为低空切变线。图 12016-07-30T08：0020：00 中尺度分析Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期733物理量场分析3.1水汽条件分析2016-07-30T08：00，探空资料显示，从中低层温度露点差来看，850500 hPa 暴雨发生区均在 3 以下，克州处于 48 g/kg 的比湿场内；20：00 湿舌进一步西伸，范围有所加大，克州比湿进一步加强为 810 g/kg，低层 850 hPa 上，出现垂直分布大值区。水汽通量散度场上，07-30T08：00 降水发生前，克州地区阿合奇县、阿克陶县一带辐合区，最大中心值为3610-72410-7g/（cm2hPas），位于 700850 hPa；07-31T08：00，辐合区范围有所增大，阿图什市到阿合奇县一线及阿克陶县附近都有辐合出现，中心数值为2410-7g/（cm2hPas）；08-01T08：00，辐合中心东移至阿克苏偏东地区，克州地区为辐散区控制，降水随之趋于结束。阿图什市（76.1E）和阿合奇县（78.4E）水汽通量及水汽通量散度剖面如图 2 所示。（a）阿图什市（76.1E）水汽通量及水汽通量散度剖面图（b）阿合奇县（78.4E）水汽通量及水汽通量散度剖面图图 2阿图什市（76.1E）和阿合奇县（78.4E）水汽通量及水汽通量散度剖面图3.2动力条件分析2016-07-30T08：00，200850 hPa 散度图上，克州阿图什市和阿合奇县一带处于高层辐散、低层辐合区内，最大辐合中心位于 700850 hPa 上，中心强度为3610-5s-1，200 hPa 上为辐散区，中心值为 1210-5s-1；07-31T08：00，辐散中心加强为 2410-5s-1，最大辐合中心位于 500 hPa，中心值为7210-5s-1，强降水出现时间与辐散、辐合最大时段较吻合。垂直速度图上，07-30T08：00，阿图什市至阿克陶县一带在 500 hPa 图上表现为下沉运动区，中低层（700850 hPa）为上升运动区；07-30T20：00，中低层整层都为上升运动区（500850 hPa），中心数值为2410-3m/s，强的上升运动将低层水汽和不稳定能量带到高空，是强降水发生的重要因子。2016-07-30T08：00，EC 细网格 10 m 风场分析，在阿合奇县一带存在明显的风向辐合，同时在南疆盆地东部至克州地区有一支 610 m/s 的明显偏东急流出现；07-31T08：00，阿合奇县一带仍处于辐合区，盆地东部至克州一线的偏东急流略有加强，为 812 m/s；08-01T08：00，盆地东部的偏东急流减弱，克州地区转为西北气流控制，降水也减弱趋于结束。3.3不稳定条件分析由于克州地区强对流天气多出现在午后，因而需用 14：00 时的最高气温和露点温度进行订正来更好地反映对流发展情况。从 2016-07-30T08：00 的喀什探空图上看，低层为冷平流，高层为暖平流，说明此时的层结稳定，从探空指数来看，也表明了层结较稳定，k指数为20，沙氏指数为3.72，对流有效位能CAPE（Convective Available Potential Energy）值为 0.4 Jkg；经 14：00 探空订正后，对应 k 指数为 27，沙氏指数为1.5，对流有效位能 CAPE 值为 294 Jkg，各项探空指数都有明显变化，说明层结开始趋于不稳定，同时 850500 hPa 风随高度顺转变为暖平流，400 hPa以上，风随高度逆转变为冷平流，也表明大气处于不稳定状态，不稳定条件是强对流天气发生的有利条件。从 T639 k 指数在 07-30T08：00 的预报场看，克州地区处于 2024 的不稳定范围内，07-30T08：00，影响范围变化不大，克州地区 k 指数增加为 28，最大中心位于阿合奇至阿图什一带，k 指数中心数值为 32。4雷达回波特征分析强对流天气发生初期，从雷达回波演变图上看，在 0.5 仰 角 的 反 射 率 图 上（如 图 3 所 示），2016-07-31T08：00，克州阿图什市上空为大片的层云覆盖，有几个结构松散的对流单体发展，在其偏北方，科技与创新Science and Technology&Innovation742023 年 第 18 期有一个 40 dBz 的对流单体活动；08：17，对流单体合并加强东移，与偏北方的对流单体连成一片，其中心最大回波强度在 50 dBz，在 1.5对应的径向速度图上，表现有一对正负速度中心，最大中心速度值为7.3 m/s，并且有气旋性幅合；到 08：57，回波继续加强，中心最大强度增大为 45 dBz，最大中心速度值也增加为10 m/s。2016-07-31T08：00 开始出现降水时，在阿图什市吐古买提乡和哈拉峻乡有大值区存在，垂直液态水的含量为 10 kg/m2；随着回波东移加强，08：17 垂直液态水含量中心数值加强为 15 kg/m2左右，此时降水区范围加大，降水强度也变强，一直维持到 08：4008：57，之后开始逐渐东移，降水强度也有所减弱，该雷达参数的最大值出现时间与强降水发生时段比较一致。从回波顶高 ET 图上看，2016-07-31T08：12，阿图什上空回波顶高处于 3 km 左右，阿图什东北方哈拉峻一带回波顶高为 4 km；随着回波逐渐东移加强，08：57，位于阿图什上空的回波顶高变化不大，东北方回波顶高增加为 5 km，表明此时对流发展较强，云顶较高，此雷达参数对强降水的发展趋势及落区有较好的指示意义。（a）0.5仰角 08：00 反射率因子图（b）0.5仰角 08：17 反射率因子图（c）0.5仰角 08：40 反射率因子图（d）0.5仰角 08：46 反射率因子图注：黑色字体为降水中心位置。图 3喀什新一代天气雷达 0.5仰角在 2016-07-31T08：0008：46 时的反射率因子图5结论综上所述，可以得出以下结论：南亚高压呈双体型，伊朗副热带高压和西太平洋副热带高压活跃，是强降水形成的有利大尺度环流背景；强的比湿中心及低层偏东急流长时间维持在克州上空，配合水汽通量散度大值区存在，使水汽不断向暴雨区输送并在此迅速汇合集中，是此次降水的重要水汽输送条件；低层辐合，高层辐散，且配合强的上升运动，使低层水汽和不稳定能量抬升到高空，是强降水发生的有利动力条件；中尺度条件分析，高低空急流共同作用，促使上升运动增强，低层切变线和地面小尺度系统触发了不稳定能量释放，多普勒雷达较好地反映了对流回波的特征，其速度图、液态水含量及回波顶高与强降水出现时间及落区有较好的对应关系。参考文献：1何光碧，曾波，郁淑华，等.2016 青藏高原周边地区持续性暴雨特征分析J.高原气象，2016，35（4）：865-874.2周慧，杨令，刘志熊，等.湖南大暴雨时空分布特征及分型J.高原气象，2013，32（5）：1425-1431.（下转第 78 页）吐古买提乡阿图什市哈拉峻乡吐古买提乡阿图什市哈拉峻乡吐古买提乡阿图什市吐古买提乡阿图什市科技与创新Science and Technology&Innovation782023 年 第 18 期内的高速公路路肩、坡脚、路面中央分隔带处设置沉降观测点，监测高速公路路面变化。隧道洞内每 5 m一个断面布设监测点。拱顶下沉、净空收敛监测采用非接触测量方法进行监测。拱脚下沉、位移监测点采用不锈钢测量控制点预埋标芯，球头直径 22 mm，杆直径 16 mm，杆长100 mm。号洞钢格栅安装完成后喷浆前立即施作。量测点预埋件入岩端头用22 mm 螺纹钢，长度60 cm，外露端焊接 5 cm6 cm 钢板，钢板厚度为5 mm，钢板与螺纹钢筋焊接牢固，表面打磨光滑，无污垢。预埋件外露长度不得大于 3 cm，纵向每个层面的布点位保持在一条线上，确保布点牢固无松动7。每断面布设在两榀钢格栅之间同一断面上，要求各点位沿里程方向偏差在10 cm 内；不同断面上的同一位置的埋点，要求在同一高度上，监测点钢筋埋设在洞身开挖后尽快完成，埋设完成并包裹保护后进行初支混凝土喷射。4结束语下穿高速公路隧道施工重点是减小沉降，不影响既有高速公路正常通车。施工过程中应用超前管幕结合全断面袖阀管帷幕注浆技术为导向，以导洞封闭、监控量测跟踪分析，不仅实现了沉降可控，且开挖过程掌子面土体稳定，为隧道顺利开挖及行车安全提供强有力的保障。各项技术控制要点能为同类型隧道工程施工提供借鉴，以保证隧道施工质量可靠、安全、可控。参考文献：1国务院，国发202127 号.国务院关于印发“十四五”现代综合交通运输体系发展规划的通知S.2022-01-18.2关宝树，赵勇.图书馆目录M.北京：人民交通出版社，2011：224-231.3王东生，刘昆珏，胡俊.岩溶高原湖盆区城市快速路施工新技术M.成都：西南交通大学出版社，2018.4杨永涛.高寒高海拔隧道粉质细砂围岩处治技术研究D.西安：长安大学，2022.5贺任凯.浅埋特大断面隧道空间效应研究及应用D.重庆：重庆交通大学，2021.6张涛.软弱围岩锁脚锚杆（管）支护特性研究D.西安：长安大学，2011.7谢志敏，王蕾，冯志杰.建筑工程及其结构设计的研究M.北京：中国华侨出版社，2021.作者简介：周国旺（1986），男，山东济南人，工程师，主要从事铁路工程质量与安全管理工作。（编辑：王霞）（上接第 74 页）3彭艳，王钊，董妍，等.19602012 年陕西降水变化特征及可能成因分析J.高原气象，2016，35（4）：1050-1059.4施晓晖，温敏.中国持续性暴雨特征及青藏高原热源的影响J.高原气象，2015，34（3）：611-620.5邵建，裴晓蓉，刘娟.近 53a 宁夏暴雨时空分布特征J.干旱气象，2015，33（4）：595-601.6周长艳，唐信英，邓彪.一次四川特大暴雨灾害降水特征及水汽来源分析J.高原气象，2015，34（6）：1636-1647.7杨莲梅，张云惠，汤浩.2007 年 7 月新疆三次暴雨过程的水汽特征分析J.高原气象，2012，31（4）：963-973.8张雅斌，马晓华，冉令坤，等.关中地区两次初夏区域性暴雨过程特征分析J.高原气象，2016，35（3）：708-725.9张晓露，李照荣，周筠珺，等.西北地区东部夏季一次典型暴雨的分析和数值模拟J.干旱气象，2015，33（4）：616-625.10常煜，李秀娟，陈超，等.内蒙古一次暴雨过程中尺度特征及成因分析J.高原气象，2016，35（2）：432-443.11李如琦，李建刚，唐冶，等.中亚低涡引发的两次南疆西部暴雨中尺度特征对比分析J.干旱气象，2016，34（2）：297-304.12周梅，许洪泽，方桃妮，等.浙中一次强对流天气动力热力场和雷达回波特征分析J.气象科技，2015，43（1）：116-124.13肉孜阿基，王军辉，谢姆古丽孜比不拉，等.新疆西南部一次局地对流性暴雨成因分析J.气象科技，2016，44（3）：439-446.14李晓容，濮梅娟，王啸华，等.江苏一次大暴雨过程的诊断与中尺度分析J.气象科学，2012，32（1）：53-61.15陈春艳，孔期，李如琦.天山北坡一次特大暴雨过程诊断分析J.气象，2012，38（1）：72-80.作者简介：王江华（1978），女，本科，副高级职称，研究方向为中短期天气预报。（编辑：丁琳）