一次高低空急流脈動(dòng)與短時(shí)強(qiáng)降雨的關(guān)系

白 慧，李路長(zhǎng)，周 艷，楊 帆

(1.貴州省黔東南自治州氣象臺(tái)，貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州雷達(dá)站，貴州 凱里 556000)

1 引言

隨著我國(guó)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的建立和完善，雷達(dá)在暴雨、雷雨大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣過程的監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作中發(fā)揮了重要作用，用雷達(dá)資料來分析、揭示災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理已經(jīng)成為氣象工作者的一種有效手段。貴州省黔東南CD 型新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)使用兩年以來，在雷雨大風(fēng)、冰雹、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和服務(wù)工作中發(fā)揮了重要作用，為防災(zāi)減災(zāi)做出了重大貢獻(xiàn)。但由于新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)使用時(shí)間較短，目前用雷達(dá)資料總結(jié)黔東南災(zāi)害性天氣的個(gè)例少，當(dāng)?shù)貫?zāi)害性天氣雷達(dá)的預(yù)警閾值和預(yù)警指標(biāo)還有待進(jìn)一步的探索、研究和總結(jié)。李路長(zhǎng)［1］利用黔東南新一代天氣雷達(dá)資料，對(duì)2012年4月10日黔東南大冰雹天氣回波特征作了詳細(xì)分析，總結(jié)出當(dāng)?shù)卮蟊㈩A(yù)警的雷達(dá)回波特征，對(duì)當(dāng)?shù)乇?zāi)害短時(shí)臨近預(yù)警具有指導(dǎo)作用。劉淑媛［2］、曹春燕［3］、張京英［4］、金巍［5］利用雷達(dá)風(fēng)廓線資料分析了平原和沿海地區(qū)低空急流的脈動(dòng)和低空急流指數(shù)I 與降水強(qiáng)度的關(guān)系。但地處低緯高原的黔東南暴雨天氣過程的風(fēng)場(chǎng)演變特征是否與平原和沿海地區(qū)的一致呢?為揭示黔東南伴有低空急流暴雨天氣過程的風(fēng)場(chǎng)演變特征，本文利用黔東南新一代多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線資料，時(shí)間分辨率為6 min，空間分辨率為300 m，垂直方向有30 層，最高達(dá)到15.2 km和地面七要素自動(dòng)站、區(qū)域自動(dòng)站逐10 min、逐1 h降雨量資料，詳細(xì)地分析了2013年5月25日夜間—26日早晨發(fā)生在黔東南的暴雨到大暴雨天氣過程中高、低空急流演變特征以及急流脈動(dòng)與強(qiáng)降水的關(guān)系，為今后更好地利用雷達(dá)資料監(jiān)測(cè)和預(yù)警暴雨天氣提供參考。

2 暴雨天氣過程概況

2.1 雨情概況

5月25日夜間—26日早晨，黔東南州16 縣市405 站有194 站出現(xiàn)暴雨，6 站大暴雨，162 站大雨，以雷山縣城107.7 mm 為最大。此次強(qiáng)降雨天氣過程屬對(duì)流性暴雨天氣過程，時(shí)間短、局地雨強(qiáng)大，大暴雨站點(diǎn)強(qiáng)降雨集中時(shí)段平均降雨強(qiáng)度達(dá)55 mm·h－1，以麻江碧波02—03 時(shí)1 h 降水量達(dá)75.2 mm 為最強(qiáng)。強(qiáng)降雨造成黔東南州大部地區(qū)中小河流水位不同程度上漲，部分地區(qū)出現(xiàn)山洪、滑坡、塌方和城鎮(zhèn)積澇等災(zāi)害。據(jù)黔東南州民政局統(tǒng)計(jì)，此次暴雨到大暴雨天氣過程，造成6.129 萬人受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移安置0.052 萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積984.77 hm2，絕收面積50.5 hm2，倒塌房屋28 間，直接經(jīng)濟(jì)損失1 098.9 萬元。

圖1 2013年5月25日08 時(shí)實(shí)況資料中尺度分析

2.2 天氣背景分析

5月25日08 時(shí)，500 hPa 圖上(圖1)，亞洲東部中高緯地區(qū)氣流平直多波動(dòng)形勢(shì)，60°N、90°E 和鄂霍次克海附近分別有一冷渦，青海北部有低槽東移，甘肅南部至川南低渦槽較24日08 時(shí)明顯加深，溫度槽落后于高度槽，90°E 附近南支低槽加深，副高南撤至南海后穩(wěn)定維持，其西北側(cè)西南氣流與南支槽前西南氣流合并加強(qiáng)，貴陽西南風(fēng)由24日08時(shí)6 m·s－1增至14 m·s－1;對(duì)應(yīng)700 hPa 圖上，25日08 時(shí)滇西及川中切變維持少動(dòng)，長(zhǎng)江以南地區(qū)為12～14 m·s－1的西南氣流控制，四川南部至湖北西南部存在16 m·s－1急流，貴州比濕達(dá)9 g·kg－1;850 hPa，川東南有低渦切變生成，貴州為西南氣流控制，桂中低空西南風(fēng)急流建立，風(fēng)速為12 m·s－1，長(zhǎng)江以南地區(qū)比濕在12 g·kg－1以上，貴陽比濕達(dá)15 g·kg－1;地面圖上，黔北有東北－西南向輻合線生成。25日20 時(shí)(圖略)，500 hPa 低渦槽南段東移南壓至川黔交界，溫度槽仍落后于高度槽，槽后西北氣流和槽前西南氣流明顯增強(qiáng)，貴陽西南風(fēng)達(dá)20 m·s－1;在500 hPa 高空低槽后西北氣流引導(dǎo)和槽前正渦度平流作用下，700 hPa 上的川中切變東移，并在切變北段甘肅東南部形成低渦，貴州大部位于切變南側(cè)西南氣流控制，桂中西南風(fēng)達(dá)16 m·s－1，貴陽比濕上升至12 g.kg－1;850 hPa 低渦切變東移至重慶中部，貴州北部受切變南段影響，低空西南風(fēng)急流東移至桂東至湘南，核區(qū)風(fēng)速達(dá)18 m·s－1，貴陽比濕增大到17 g·kg－1;此時(shí)地面輻合線南壓至貴州中部略偏北一線，輻合線兩側(cè)溫度差明顯增大，輻合鋒生增強(qiáng)。

由此可見，此次暴雨到大暴雨天氣過程，高空到地面系統(tǒng)配置清晰，動(dòng)力條件較好。同時(shí)，南支低槽、副高穩(wěn)定維持以及低空西南風(fēng)急流的建立、增強(qiáng)和維持，為暴雨和大暴雨提供了充足的水汽和能量條件。

3 高低空西南風(fēng)急流脈動(dòng)與強(qiáng)降雨關(guān)系分析

3.1 高低空西南風(fēng)急流演變與短時(shí)強(qiáng)降雨的關(guān)系

分析黔東南新一代天氣雷達(dá)每隔6 min 一次的風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)風(fēng)場(chǎng)演變和地面自動(dòng)站逐小時(shí)最大降雨強(qiáng)度變化可知，21 時(shí)37分以后風(fēng)速≥12 m·s－1的西南風(fēng)由1.5 km 向下擴(kuò)展到1.2 km，急流核區(qū)風(fēng)速由14 m·s－1增大到16 m·s－1，20 m·s－1風(fēng)速由5.2 km 向下擴(kuò)展到4.6 km;22 時(shí)15分20 m·s－1的西南風(fēng)向下擴(kuò)展到4.3 km，且西南風(fēng)厚度明顯增大，急流核區(qū)風(fēng)速由20 m·s－1增大到22 m·s－1，說明中低層暖濕氣流增強(qiáng)，水汽和不穩(wěn)定能量增大，高低空急流向下擴(kuò)展，動(dòng)量下傳，使低層擾動(dòng)和水汽輻合增強(qiáng)，觸發(fā)強(qiáng)降雨發(fā)生，黃平七里壩21—22 時(shí)1 h 降水量由3.6 mm 增大到14.5 mm。23 時(shí)15分風(fēng)速≥20 m·s－1的西南風(fēng)向下擴(kuò)展4.0 km，此時(shí)降雨強(qiáng)度明顯增大，黃平縣紙房鄉(xiāng)23 時(shí)—26日00 時(shí)強(qiáng)降雨強(qiáng)度達(dá)到42.9 mm.h－1。00 時(shí)20分風(fēng)速≥12 m·s－1的西南風(fēng)和風(fēng)速≥20 m·s－1的西南風(fēng)向下分別擴(kuò)展到0.9 km 和1.5 km，高低空西南風(fēng)急流下傳到最低位置，高空急流核區(qū)風(fēng)速增大到26 m·s－1，近地層超低空西南風(fēng)急流建立。01 時(shí)03分急流核由5.8 km 下傳至4.9 km，風(fēng)速達(dá)到28 m·s－1，西南風(fēng)急流達(dá)到最強(qiáng)時(shí)段，降雨強(qiáng)度進(jìn)一步增大，黃平茅坪01—02 時(shí)降雨強(qiáng)度達(dá)69.5 mm.h－1。02 時(shí)36分西北風(fēng)向上擴(kuò)展到3.0 km，冷平流增強(qiáng)，風(fēng)速≥20 m·s－1的西南風(fēng)由5.8 km 再次向下擴(kuò)展到4.0 km，表明中層冷暖氣流交匯再次增強(qiáng)，低層輻合上升運(yùn)動(dòng)加劇，對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度達(dá)到高峰值，麻江碧波02—03 時(shí)1 h 降水量達(dá)75.2 mm，達(dá)到本次暴雨天氣過程中的最大雨強(qiáng)。03 時(shí)31分風(fēng)速≥20 m·s－1的西南風(fēng)向上收縮到4.6 km，低層西北風(fēng)向上擴(kuò)展到4.0 km，表明中層干冷空氣厚度增大，0.9 km 西南風(fēng)再次增強(qiáng)為12 m·s－1，低層輻合再次增強(qiáng)，此期間雷山西江03－04時(shí)降水量達(dá)68.0 mm·h－1。隨著0.9 km 西南風(fēng)減小、西北風(fēng)增厚和中高層西南風(fēng)急流的減弱向上收縮，降雨強(qiáng)度逐漸減弱，04 時(shí)03分以后近地層西南風(fēng)減弱為10 m·s－1，風(fēng)速≥20 m·s－1的西南風(fēng)逐漸向上收縮，04—05 時(shí)最大降雨強(qiáng)度為榕江朗洞55.5 mm·h－1。6 時(shí)14分(圖略)以后0.9 km 西南風(fēng)轉(zhuǎn)偏西風(fēng)，超低空西南風(fēng)急流消失，低層輻合逐漸減弱消失，西北風(fēng)向上擴(kuò)展到4.3 km，西南風(fēng)向上收縮到5.5 km 以上，對(duì)流層中層到近地層風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，為一致冷平流控制，此時(shí)降雨強(qiáng)度明顯減弱，06—07 時(shí)最大降雨強(qiáng)度減弱為36.2 m·h－1?？梢?，西南風(fēng)急流增強(qiáng)和向近地面擴(kuò)展與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)，這對(duì)強(qiáng)降雨的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警有一定預(yù)示作用。

3.2 超低空西南風(fēng)急流脈動(dòng)與短時(shí)強(qiáng)降雨的關(guān)系

分析逐10 min 最大降雨強(qiáng)度與0.9 km 超低空西南風(fēng)急流演變關(guān)系(圖2)可知，在此次暴雨天氣過程中超低空西南風(fēng)急流出現(xiàn)6 次跳躍式增大現(xiàn)象，有5 次與降雨強(qiáng)度明顯增大相對(duì)應(yīng)。25日23時(shí)21分—23 時(shí)50分之間，0.9 km 高度西南風(fēng)風(fēng)速由8 m·s－1增大到10 m·s－1，降雨強(qiáng)度由1.0 mm增大到15.3 mm;23 時(shí)50分以后風(fēng)速由10 m·s－1增大到12 m·s－1并維持到26日0 時(shí)58分，此期間出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)降雨集中時(shí)段，最大降雨量達(dá)18.3 mm;01—02 時(shí)40分之間，超低空急流發(fā)展到最強(qiáng)階段，風(fēng)速出現(xiàn)3 次躍增，并在12 m·s－1～14 m·s－1之間變化，對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)段，出現(xiàn)2 個(gè)峰值，分別為20.9 mm 和21.9 mm;03 時(shí)20分—04 時(shí)之間，風(fēng)速又從10 m·s－1增大到12 m·s－1并維持，此時(shí)段最大降雨量達(dá)20.9 mm。04 時(shí)后風(fēng)速減小并長(zhǎng)時(shí)間維持在10 m·s－1，這時(shí)降雨強(qiáng)度減弱，最大降雨量均＜15 mm?？梢?，10 min 最大降雨量超過15 mm的短時(shí)強(qiáng)降雨多出現(xiàn)在西南風(fēng)風(fēng)速≥12 m·s－1時(shí)段，說明此次暴雨到大暴雨天氣過程降雨強(qiáng)度變化與超低空西南風(fēng)急流的加強(qiáng)、維持和減弱密切相關(guān)，超低空西南風(fēng)急流使低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)和水汽輸送得以長(zhǎng)時(shí)間維持，是暴雨產(chǎn)生的重要原因。

圖2 2013年5月25日23 時(shí)10分—26日6 時(shí)10分逐10 min 最大降雨量與超低空急流風(fēng)速演變的關(guān)系

3.3 高低空西南風(fēng)急流指數(shù)與短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)系

為進(jìn)一步分析高、低空急流演變與短時(shí)強(qiáng)降雨的關(guān)系，根據(jù)劉淑媛［2］定義的低空急流指數(shù)如下:

式中D 為某小時(shí)12 m·s－1的風(fēng)速在該小時(shí)中的最低位置。

再根據(jù)張京英［4］定義的高空急流指數(shù)如下:

式中H 為某小時(shí)20 m·s－1的風(fēng)速在該小時(shí)中的最低位置。

由(1)式和(2)式計(jì)算出5月25日21 時(shí)—26日07 時(shí)高低空西南風(fēng)急流指數(shù)，用它們定量描述高、低空急流向擴(kuò)展的程度和風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度，并分析其變化與短時(shí)強(qiáng)降雨的關(guān)系。由定義可知，I、T值越大，說明12 m·s－1和20 m·s－1高低空西南風(fēng)急流向下擴(kuò)展的高度越低，對(duì)降水越有利［2、5］。

圖3 2013年5月25日21 時(shí)—26日9 時(shí)逐小時(shí)最大降雨強(qiáng)度與高低空西南風(fēng)急流指數(shù)的關(guān)系

由圖3 可知，25日21 時(shí)以后，高、低空急流指數(shù)T、I 逐漸增大，降雨強(qiáng)度也隨之增大。26日01時(shí)低空急流指數(shù)I 增大到本次過程的最大值，并維持到04 時(shí)，降雨強(qiáng)度最大時(shí)段在低空急流指數(shù)I 極值出現(xiàn)1 h 后才發(fā)生。04 時(shí)之后低空急流指數(shù)I 減小，對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度也減弱，而高空急流指數(shù)T 比低空急流指數(shù)I 達(dá)到最大值的時(shí)間提前近1 h，最大值出現(xiàn)在26日00—01 時(shí)，但降雨強(qiáng)度最大值比高空急流下傳到最低點(diǎn)滯后1～2 h，這與劉淑媛［2］、曹春燕［2］、張京英［3］研究分析的最大降雨強(qiáng)度與I 指數(shù)增大同步有所不同，與金?。?］研究分析的較一致，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)強(qiáng)降雨的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警有一定指示意義。但降雨強(qiáng)度隨著高、低空急流指數(shù)的同步減小而逐漸減弱是一致的。

4 小結(jié)

①高、低空急流的建立和耦合作用，為暴雨和大暴雨天氣的發(fā)生提供了充足的水汽、能量和動(dòng)力觸發(fā)條件。

②高、低空急流脈動(dòng)和向近地面擴(kuò)展程度與強(qiáng)降雨強(qiáng)度變化密切相關(guān)，動(dòng)量下傳使低層擾動(dòng)、水汽輻合增強(qiáng)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量強(qiáng)烈釋放，是產(chǎn)生對(duì)流性暴雨的重要條件。

③0.9 km 超低空西南風(fēng)急流在暴雨期間的建立和維持，使低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定和水汽輸送得以長(zhǎng)時(shí)間維持，是產(chǎn)生暴雨的重要原因;降雨強(qiáng)度變化與超低空西南風(fēng)急流的強(qiáng)度變化有關(guān)，10 min 降雨量超過15 mm的短時(shí)強(qiáng)降雨均出現(xiàn)在超低空西南風(fēng)急流風(fēng)速≥12 m·s－1時(shí)段內(nèi)。

④降雨強(qiáng)度變化與高、低空急流指數(shù)T、I 變化有關(guān)，降雨強(qiáng)度隨高、低空急流指數(shù)的增大而增大，隨著高低空急流指數(shù)的同步減小而逐漸減弱;短時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生在12 m·s－1和20 m·s－1高低空急流加強(qiáng)并向下擴(kuò)展到最低點(diǎn)1～2 h 后才發(fā)生，對(duì)暴雨的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警有一定的指示意義。

［1］李路長(zhǎng)，白慧，曹凱明.黔東南2012年4月10日大冰雹天氣過程雷達(dá)回波特征分析［J］.貴州氣象，2012，36(5):23－26.

［2］劉淑媛，鄭永光，陶祖鈺.利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析低空急流的脈動(dòng)與暴雨關(guān)系.熱帶所氣象學(xué)報(bào)，2003，19(3):285－290.

［3］曹春燕，江崟，孫向東.一次大暴雨過程低空急流脈動(dòng)與強(qiáng)降水的關(guān)系分析.氣象，2006，32(6):102－106.

［4］張京英，漆梁波等.用雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品分析一次大暴雨與高低空急流的關(guān)系［J］.氣象，2005，31(12):41－44.

［5］金巍，曲巖，等.一次大暴雨過程中低空急流演變與強(qiáng)降水的關(guān)系［J］.氣象，2007，33(12):31－38.