利用FY-2E衛星資料對川西一次強降水過程成因分析

徐 誠， 肖天貴

(成都信息工程大學大氣科學學院，四川成都610225)

0 引言

四川盆地是強降水的多發區，每年直接的強降水災害和間接的衍生地質災害給當地造成重大的經濟損失，甚至人員傷亡，因此，四川強降水變化規律的研究一直受到關注。郁淑華等［1］將1959～1982年四川盆地大范圍強降水過程按區域位置分為川西、川東以及全川移動3種類型，每類強降水合成形勢背景主要由副高和西風帶低槽的相對位置決定。王成鑫等［2］分析了地形作用下四川盆地的持續性強降水過程，指出強降水過程是在高低層系統相互配置的條件下發生的，并通過數值模擬進行證實。肖洪郁等［3］利用1980～1998年的副高特征量資料，分析了影響四川強降水的副高有不連續西伸北抬和突然加強西伸或北抬與突然東撤3種方式。許多專家還對四川盆地內強降水過程的形成機制進行了研究，認為西南渦的強烈發展對四川盆地強降水的產生非常重要［4-8］。同時，許多專家通過衛星云圖等資料研究了強降水的云團和中尺度特征，如陸爾等［9-13］研究發現，強降水與TBB相當黑體亮溫有很好的相關性，TBB溫度越低，云頂越高，對流越旺盛;云與強降水的關系比天氣尺度環流形勢的關系更密切，因而可以根據TBB的演變推斷天氣系統的強度變化。陳永仁等［14］利用FY-2D衛星云頂亮溫資料、雷達回波產品和氣象常規資料等分析了四川強降水的MCS特征及對短時強降雨的影響，結果表明短時強降雨通常由MCS中的深對流造成，同時中尺度系統多為β中尺度或γ中尺度并具有相當黑體亮溫低、雷達反射率因子強和垂直積累液態水含量高等特點。當前，已有研究多利用高度場、風場、位渦、螺旋度、Q矢量、雷達資料和云頂亮溫TBB資料對四川強降水進行診斷分析，揭示強降水形成的一些特征［15-19］。

2013年7月7日至12日，四川西部地區出現了一次罕見的強降水過程，有16個站的過程累計降水量大于100 mm，其中都江堰24小時累計降水量達到292 mm，是自1954年以來近60年最強降水量，達到特大強降水量級，打破了當地有氣象記錄以來全年單日降雨量的歷史記錄。文中主要利用相當黑體亮溫、FY-2E云區濕度廓線、大氣運動矢量等衛星新資料以及逐小時常規加密降水量和歐洲中心ERA-Interim資料中的1000～200 hPa位勢高度場、風場、比濕和垂直速度等對此次強降水過程進行診斷，研究此次強降水過程的特征和成因。

1 資料

選用資料的時間為2013年7月7日20時至12日20時，共3部分資料:(1)四川西部加密觀測站逐小時常規降水量資料，包括川西49個國家基本氣象觀測站(馬爾康、金川、小金、阿壩、若爾蓋、紅原、壤塘、汶川、理縣等)逐小時降水資料。(2)FY-2E相當黑體亮溫、云區濕度廓線和大氣運動矢量資料。(3)歐洲中心ERA-Interim資料中1000～200 hPa的高度場、風場、比濕和垂直速度，分辨率為1°×1°。利用以上3種資料從影響系統、中尺度云團、云區廓線及動力等方面對此次強降水過程的特征和成因進行分析。

2 強降水的階段性特征

2013年7月7日20時以前，四川盆地西北部部分地方開始有陣性降水，但持續時間不長且雨量很小。因此，將此次川西持續性強降水過程時間定于7月7日20時至7月12日20時。從圖1(a)可以看出此次降水過程覆蓋了整個四川盆地西部地區，降水量大值區位于川西高原東南部，其中都江堰、雅安、茂縣、名山、滎經、天全、蘆山、洪雅、蒲江、邛崍、什邡、崇州、彭州、溫江、郫縣、大邑16站過程降水量均超過100 mm，寶興、汶川、丹棱3站過程降水量接近100 mm，降水量大值中心位于都江堰，過程累計降水量達到748.4 mm。

圖1 2013年7月7日20:00～12日20:00川西降水

由于此次持續性的強降水過程是由不同時段的階段性降水過程相接而成，因此選取16個降水大于100 mm站點計算過程累計降水量(圖1b)，據此將強降水過程分為4個階段:第一階段為7日20時至8日19時，為降水開始的初始階段，降水量較少，并多為陣性降水;第二階段為8日20時至9日19時，此次強降水過程的極大值出現在這個階段;第三階段為9日20時至11日04時，各站點降水量逐漸減少;第四階段為11日05時至12日20時，本次強降水過程趨于結束，降水量明顯減少。第一階段平均時段降水量為18.9 mm，第二階段平均時段降水量為79.0 mm，第三階段平均時段降水量為55.3 mm，第四階段平均時段降水量為3.7 mm。

3 強降水的影響系統及物理量診斷

3．1 強降水的影響系統

強降水往往是由不同高度、不同尺度的環流系統配合、相互作用產生，而連續性的強降水應該產生于比較穩定的大尺度環流形勢和有利的高低空系統配置之下，圖2給出7日20時、8日20時500 hPa和700 hPa位勢高度場與風場配置形勢。

圖2(a)可以看出，7日20時500 hPa圖上亞洲中高緯度地區為兩槽一脊型，貝加爾湖西部為一高壓脊，巴爾喀什湖至青藏高原為寬廣的低槽區，貝加爾湖東部為一較弱的低槽。強降水過程第一階段，巴爾喀什湖的低槽向南分裂2個短波槽，一個位于青藏高原西部，另一個位于四川西部高原地區，槽前上升運動較強，形成四川西部地區強降水的有利條件。第二階段8日20時(圖2b)，巴爾喀什湖低槽東移并南壓加深，強度加強，其分裂的短波槽東移在四川西部高原上空合并，造成強降水。第三階段9日20時，巴爾喀什湖低槽繼續加深形成閉合的中心并南壓，但強度有所減弱，其分裂的短波槽已移出四川西部地區，此時降水由巴爾喀什湖低槽前部的西南氣流所致。至第四階段11日08時，巴爾喀什湖低槽北縮，降水明顯減小?？梢姡@此強降水過程主要是受巴爾喀什湖的低槽及其分裂短波槽影響。

700 hPa上，強降水過程第一階段的7日20時(圖2c)，川西地區上空存在一切變線，正好與500 hPa高空槽配合，切變線附近存在著較強的風場輻合區。從圖2(c)風場可以看到，切變線南側存在著從孟加拉灣的西南氣流和南海的東南氣流，在切變線附近匯合并形成輻合中心，給四川西部帶來了源源不斷的水汽，為本次強降水提供了有利的水汽條件。第二階段的8日20時(圖2d)切變線東移到達川西地區都江堰附近，輻合加強，上升運動加強，對應的降水量增大。第三階段9日20時，切變線持續存在川西地區，至第四階段11日08時切變線強度減弱并東移出川西地區，降水減小。

圖2 位勢高度場與風場(短桿為2 m/s，長桿為4 m/s)

3．2 垂直速度、假相當位溫與水汽場

為了解此次強降水過程中各物理量場特征，圖3給出7日20時、8日20時假相當位溫與環流速度、水汽輸送圖。

從圖3(a)可以看到，強降水過程第一階段7日20時，川西低層有明顯風輻合，從低層到高層有一個明顯的垂直環流圈，上升支位于106°E～108°E，下沉支位于103°E～105°E，恰好位于川西高原上空，有利于降水形成。從假相當位溫中可以看出，103°E～105°E，700 hPa～400 hPa有明顯的密集區，此為能量風的位置，儲存了大量不穩定能量，為大量降水提供了足夠的能量。從圖中還可以看到，在105°E附近有一片?θse/?z＜0不穩定區，有利于強對流發生，對四川西部強降水的出現具有重要意義。第二階段8日20時(圖3b)，川西低層風輻合增強，垂直環流圈仍然存在，假相當位溫的密集區范圍有所擴大。第三階段9日20時，低層風輻合減弱，但垂直環流圈仍然存在，假相當位溫的密集區范圍減小并東移。至第四階段11日08時，低層風輻合與垂直環流圈均消失，假相當位溫的密集區東移出四川西部地區。

分析水汽條件發現，此次強降水過程的水汽來源主要有3個地區(圖3c):一條來自于孟加拉灣地區帶來的西南氣流，另一條南海南風帶來的水汽，第三條為西太平洋東南風帶來的水汽。強降水過程第一階段7日20時(圖3c)，3條攜帶水汽氣流匯合后向川西地區輸送，在30°N ～35°N，103°E ～105°E 處輻合，為此次降水提供水汽條件。第二階段8日20時(圖3d)，孟加拉灣西南風與西太平洋東南風水汽輸送均加強，在四川西部地區形成的水汽輻合也加強。第三階段9日20時，孟加拉灣西南風與西太平洋東南風水汽輸送持續存在，但強度有所減弱。至第四階段11日08時，3條水汽通道輸送的水汽明顯減弱，降水也明顯減小。

4 強降水過程FY-2E云圖特征

4．1 紅外云圖

從紅外云圖可以看到(圖略)，7日10時開始有明顯的對流云帶分別從孟加拉灣、中國南海地區及西太平洋地區北上，在四川盆地匯合并發展。第一階段8日10時(圖4a)，對流云帶于四川西部名山-大邑-都江堰-什邡一帶加強發展成旺盛的對流云團。第二階段9日10時(圖4b)，四川西部對流云團范圍擴大，強度增強，云團覆蓋整個川西地區，該區域對應的紅外云圖上云頂亮溫很低，說明云頂很高，對流發展非常旺盛，形成四川西部強降水天氣。第三階段10日10時(圖4c)，盡管降水云團仍然位于四川西部，但是強度開始減弱，范圍減小，川西強降水天氣也逐漸減弱。第四階段11日10時(圖4d)，川西云團明顯減弱，本次強降水天氣趨于結束。同時，從紅外云圖還可以清晰地看到這次強降水過程有孟加拉灣、中國南海地區及西太平洋地區的3條水汽輸送路徑，與前面的分析一致。

圖4 FY-2E(IR1)紅外云圖

4．2 相當黑體亮溫TBB

從FY-2E紅外衛星云圖分析可知，7日10時開始四川西部地區就不斷有空間尺度大小不一且持續時間不同的強對流積雨云團在盆地內不斷生成、發展、消散和再生，因此選取強降水4個階段中各2個時次相當黑體亮溫資料來分析此次過程中積雨云團的演變情況。

從圖5(a)可以看到，此次強降水過程第一階段7日23時，川西地區TBB值基本都達到-30℃，部分地區達到-60℃，說明云頂很高，對流很旺盛，在川西地區形成強對流云帶，到8日04時(圖5b)，四川西部東南部TBB值有所降低，川西北部TBB值有所增大，對應這段時間川西東南部降水增強，北部減弱。同時，川西北部TBB值高于東南部，對應著若爾蓋、紅原等地降水量小于名山、都江堰等地，說明TBB低值區與降水大值區是對應的，并且TBB值減小過程與雨強增強過程一致。

第二階段(圖5c、5d)為本次強降水過程降水最大的階段，降水時間為8日20時至9日19時。在這期間，大邑、都江堰、什邡等站均達到小時降水量最大值，降水量超過50 mm/h。8日18時(圖略)四川西部地區就有強對流積雨云團生成，TBB值普遍在-30℃以下，部分地區達到了-60℃。從8日21時到23時對流云團不斷發展，TBB值不斷降低，川西東南部TBB值明顯小于北部地區TBB值，都江堰站TBB值達到-58℃，若爾蓋地區TBB值為-42℃，這與東南部降水量大于北部降水量相對應。從圖5(e)～5(h)中可以看出，3、4階段四川西部TBB值較前兩個階段有所增大，第四階段TBB值比第三階段值大，對應的第四階段的降水量最少，本次降水過程趨于結束。在此次強降水過程中，TBB值減小過程與雨強增強的過程比較一致，這與陳曉紅等［11］指出的TBB值減小過程與雨強增強過程比較一致的結論對應。

為了更清楚地表示強降水過程期間站點TBB值的變化，選取川西東南部的名山、都江堰和川西北部的紅原站為代表，統計4個階段中各2個時次的TBB值，結果見表1。

表1 4個降水階段TBB值/℃

綜合強降水4個階段TBB值變化特征，從表1可以看到第二階段TBB值最低，第四階段TBB值最高，結合降水量發現TBB低值區與川西強降水雨落區有明顯的對應關系，但是降水最大值與TBB低值中心位置有一定偏差，降水最大值中心較TBB最大值中心略偏東偏北，這與王小蘭等［20］指出相當黑體亮溫的最低值并不對應冰晶和含雪量最高值，與降水強度的最大區域在位置上有一定偏差結論一致。

圖5 相當黑體亮溫圖

4．3 云區濕度廓線

圖6 第一階段云區濕度廓線圖

強降水過程的第一階段從7日20時到8日19時，四川西部大部分地區低層到高層的云區濕度均隨時間呈現增大趨勢。300 hPa上8日02時(圖6a)云區濕度多為40%，08時(圖6b)云區濕度大值區增大到50%。從中層500 hPa(圖6c，圖6d)上看，幾乎整個四川盆地的云區濕度達到40%以上，川西高原東南側較北側更大，大部分區域云區濕度達到50%。從低層850 hPa上看(圖6e、圖6f)，四川西部云區濕度均在50%以上。對比02時和08時云區濕度廓線圖可以看出，云區濕度大值區從西南方向不斷往東北方向移動，到達四川西部地區，并且川西北部的云區濕度小于東南部的云區濕度。這與川西降水從02時到08時不斷增強以及本次降水大值區位于川西西南是吻合的。

圖7 第二階段云區濕度廓線圖

第二階段為本次強降水過程降水最旺盛階段，四川西部降水量達到極大值。從云區濕度來看(圖7)，四川西部各層云區濕度在垂直方向上依然是低層大、高層小，從低層到高層濕度減少。與第一階段相比有明顯增大，較大的云區濕度給強降水提供了有利條件。8日21時300 hPa(圖7a)，四川西部上空云區濕度多在50%以上，川西高原濕度比東南部小，濕度最大值區位于川西東南部什邡附近，云區濕度達到60%以上。8日23時300 hPa(圖7b)四川西部整體云區濕度持續為高值覆蓋，濕度中心有向東北方向移動趨勢。中層500 hPa云區濕度(圖7c、圖7d)8日21時，整個川西濕度很大，均達到40%以上。川西東南部比川西西北部大，這與西南部降水大于西北部降水是對應的。與300 hPa類似，23時云區濕度大值區有向東北方向移動趨勢。低層850 hPa云區濕度廓線(圖7e、圖7f)，川西云區濕度大于60%的區域較第一階段范圍明顯擴大，同樣川西東南部的濕度大于西北部。8日23時，川西東南部地區依然處于云區濕度大值區，這可能是造成大邑、都江堰等地持續每小時降水超過20mm的原因。

圖8 第三階段云區濕度廓線圖

與第二階段各層濕度相比，第三階段10日07時各層云區濕度明顯減小，但從低層到高層云區濕度大小依然呈現出減小趨勢。300 hPa(圖8a)和500 hPa(圖8b)上云區濕度大值區南移，300 hPa上川西高原北部云區濕度下降到30%，都江堰、大邑等地云區濕度下降到50%，500 hPa上川西高原大部分地區云區濕度也下降到30%，都江堰、大邑等地依然處于云區濕度50% ～60%的大值區內。850 hPa(圖8c)上的云區濕度大值區范圍明顯縮小，川西大部分地區云區濕度下降到了50%，都江堰、大邑等地位于云區濕度的大值區域。

圖9 第四階段云區濕度廓線圖

第四階段為本次強降水過程的結束階段，從各層的云區濕度圖上可以看到，與前3個階段的各層配置相同，云區濕度值從低層到高層呈現出減小趨勢。降水主要受低層850 hPa云區濕度(圖9c)影響，川西地區整層云區濕度有所減小，降水量明顯減少，預示著川西地區此次強降水過程的結束。

為了更清楚地表示強降水過程期間各站點云區濕度廓線的變化，選取川西東南部的名山、都江堰和川西北部的紅原站為代表，統計了降水中不同時次從高層到低層的云區濕度廓線值，結果見表2。

表2 4個降水階段云區濕度廓線值/%

從表2可以看到，各站云區濕度廓線值與云區濕度廓線圖上有同樣的特點，同一時次降水期間從低層(925 hPa)到高層(300 hPa)云區相對濕度逐漸減小，說明降水主要受低層云區濕度影響;第二階段的云區濕度明顯大于第一階段，對應第二階段的降水量大于第一階段，說明較大的云區濕度為大的降水量提供了有利的水汽條件;第三階段云區濕度較第二階段有所減小，對應的降水量也逐漸減小;第四階段云區濕度值與第三階段相差不大，略微有減小趨勢，對應著此次強降水過程趨于結束。

4．4 大氣運動矢量AMV

大氣運動矢量又稱為云導風，主要揭示云的移動規律和大氣的運動趨勢。從圖10可以看到，大氣運動矢量圖反映出川西地區此次強降水過程中水汽的主要是由來自孟加拉灣對流云攜帶的，其從南向北形成一個水汽通道，進入到四川地區，此外還有伴隨南風從南海帶來的水汽，兩股水汽在川西地區匯合，造成川西地區強降水天氣。這與TBB所反映的此次強降水過程云的運動方向和規律是一致的。

圖10 大氣運動矢量圖

5 結論

(1)本次強降水過程降水量南多北少，分為4個階段，第一階段為7日20時至8日19時，降水量較少;第二階段為8日20時至9日19時，降水主要集中在這個階段，并且出現降水量極大值;第三階段為9日20時至11日04時，各站點降水量逐漸減少;第四階段為11日05時至12日20時，降水量明顯減少，強降水過程趨于結束。

(2)本次強降水過程主要受500 hPa高空槽和700 hPa低空切變線高低空相互配置影響;水汽主要有3個來源:孟加拉灣地區的西南氣流、南海的偏南氣流和西太平洋東南氣流。

(3)本次強降水與對流積雨云團發展的強烈程度有密切關系，強降水持續時間與對流云團生命期有關。強降水過程中，云區濕度從低層到高層大小有所減小，降水主要受低層云區濕度影響。川西強降水雨落區域對應TBB低值區，但是TBB低值中心與降水最大值中心在位置上有一定的偏差，降水最大值中心較TBB最大值中心略偏東偏北;TBB值減小過程與雨強增強的過程一致。FY-2E大氣運動矢量能基本反映強降水過程水汽來源。

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