2017年廣西一次特大暴雨天氣過程環(huán)境條件演變特征分析

黃遠盼，廖銘燕，陳華忠

（1.賀州市氣象局，廣西 賀州 5428002；2.玉環(huán)市氣象局，浙江 玉環(huán) 317600）

1 引言

廣西是暴雨災害多發(fā)地區(qū)，每年都有暴雨天氣過程造成江河水位上漲、山洪暴發(fā)、山體滑坡坍塌等次生災害，對人民群眾的生命財產(chǎn)、社會經(jīng)濟生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境保護造成嚴重影響。廣西地處華南沿海地區(qū)，是南海水汽向我國東部地區(qū)輸送的重要通道，受南亞夏季風加強的影響，廣西暴雨天氣主要出現(xiàn)在汛期（4－9月份），其中特大暴雨天氣過程出現(xiàn)的高峰月份為 6、7 月份，峰值出現(xiàn)在 7 月［1］。2017 年 7 月1日至2日廣西出現(xiàn)一次嚴重致災特大暴雨天氣過程，50%的縣（區(qū)）出現(xiàn)暴雨到特大暴雨，暴雨以上強降雨站數(shù)為1971年以來同期最多。林市永福縣羅錦鎮(zhèn)13小時雨量達610mm，突破了1951年廣西有氣象記錄以來的最大降雨極值。

關于特大暴雨天氣過程國內氣象工作者做了較多的研究。諶蕓［2］等對2012年7月21日大暴雨過程進行全面分析發(fā)現(xiàn)，高層輻散、中低層低渦切變和地面輻合線的高低空系統(tǒng)耦合是本次極端降水過程的背景，來自副熱帶地區(qū)暖濕空氣的持續(xù)輸送，加上干空氣的侵入，激發(fā)多個中小尺度對流組織發(fā)展，產(chǎn)生大暴雨天氣。諶偉［3］等利用GFS在分析資料對鄂東北一次特大暴雨過程中的兩個中尺度對流系統(tǒng)進行分析發(fā)現(xiàn)，梅雨鋒切變的作用及夜間低空急流的發(fā)展是中尺度對流系統(tǒng)建立的有力條件，深厚的“冷池”會觸發(fā)更加強烈的中尺度對流。劉國忠［4］等分析了廣西一次極端特大暴雨天氣過程發(fā)現(xiàn)，南亞高壓及西南季風活躍是環(huán)流背景，中低層輻合觸發(fā)強的不穩(wěn)定能量爆發(fā)。此外，還有大量氣象科技人員對廣西特大暴雨天氣過程進行分析，獲得了許多重要的研究成果［5－15］。利用常規(guī)觀測資料及自動站降雨觀測資料，分析2017年7月1日至2日廣西出現(xiàn)的一次特大暴雨天氣過程的環(huán)境條件演變特征，尋找本次極端性降水的預報著眼點，為今后做好強降雨預報提供參考。

2 降雨概況

2017年7月1日到2日，廣西出現(xiàn)了一次大范圍的暴雨天氣過程，50%的縣（區(qū)）出現(xiàn)暴雨到特大暴雨，暴雨以上強降雨站數(shù)為1971年以來同期最多，降雨分布如圖1所示，根據(jù)全區(qū)90個基本氣象站監(jiān)測顯示，7月1日08時至3日08時，有2站降雨量超過250mm，最大為桂林市永?？h315.9mm，有 19站降雨量超過 100mm，31站降雨量超過50mm。同時還有4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)過程雨量超過600mm，其中桂林市永?？h羅錦鎮(zhèn)13小時雨量達610mm （圖2），突破了1951年廣西有氣象記錄以來的最大降雨極值。本次區(qū)域性特大暴雨天氣過程與6月下旬廣西強降雨天氣過程落區(qū)重疊，造成桂林、柳州、河池、賀州等地江河水位上漲，桂北江河全面超警，湘江支流萬鄉(xiāng)河出現(xiàn)建站以來最大洪水，超50年一遇；湘江、古宜河均出現(xiàn)建站以來第二大洪水，超20年一遇。暴雨天氣造成了嚴重的洪澇災害及地質災害，直接經(jīng)濟損失超3億元，社會影響嚴重。

圖1 2017年7月1日08時至7月3日08時基本氣象站累計降雨分布圖

圖2 2017年7月1日20時至7月2日10時桂林市永?？h羅錦鎮(zhèn)逐小時雨量（單位：mm）

3 環(huán)流背景分析演變特征分析

產(chǎn)生暴雨天氣的直接系統(tǒng)是中小尺度系統(tǒng)，然而大尺度系統(tǒng)卻是暴雨天氣出現(xiàn)的基本條件，它提供了形成暴雨所需要的水汽、不穩(wěn)定能量等基本條件，同時還制約了中小尺度系統(tǒng)的活動［16］。

2017年6月30日20時，500hPa為兩槽一脊的環(huán)流形勢（圖3），烏拉爾山和和我國東北地區(qū)為低槽控制，貝加爾湖地區(qū)為高壓脊控制，7月1－2日烏拉爾山低槽向東移動速度比東部低槽和高壓脊移動速度快，造成高壓脊前西北氣流逐漸轉為偏北氣流，引導北方冷空氣滲透南下影響廣西。500hPa中低緯

圖3 2017年6月30日20時500hPa高度場和200hPa風場

7月2日08時，受副熱帶高壓穩(wěn)定維持的影響，高空槽東移緩慢，中低層切變線南移到桂中，切變線南側西南風急流穩(wěn)定維持，強輻合區(qū)位于廣西中東部地區(qū)，造成強降雨落區(qū)南移。7月2日20時，500hPa副高開始減弱，高空槽東移，廣西高層轉為槽后偏北氣流影響，700－850hPa低空切變線快速北抬，西南風急流減弱，風速下降到 12m·s－1以下，廣地區(qū)西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）呈東北西南走向，高原東部高空槽東移，呈東北西南走向從湖北西部向云南東南部伸展，25°N槽線在105°E附近，高空槽前和副高西北部的西南氣流共同作用，為廣西上空輸送充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，并造成輻合上升運動。200hPa高空南壓高壓主體位于青藏高原上空，廣西處于南壓高壓東北部高空西風輻散區(qū)，同時在湖南北部到朝鮮半島之間有一支高空西風急流建立，廣西處于急流入口去右側輻散區(qū)。7月1－2日200hPa南壓高壓和高空急流位置穩(wěn)定維持，為暴雨的產(chǎn)生提供了良好的高空輻散條件。

7月1日08時，500hPa高空槽向東移動緩慢，槽線逐漸轉為南北向，中低層700－850hPa西南氣流加大，低空西南風急流建立；850hPa低空切變線逐漸南下，桂西北地區(qū)受西段切變線和西南急流共同影響，出現(xiàn)了明顯強降雨天氣；7月1日20時（圖4），高空槽位置穩(wěn)定位置，槽前西南急流加強，700－850hPa西南風急流風速加大，急流范圍也進一步加強，梧州站 850hP 風速達到了 16m·s－1，850hPa 切變線進一步南下，位于廣西北部附近，低空切變線、低空急流在廣西東北部產(chǎn)生了強烈輻合上升運動，造成了1日夜間桂東北地區(qū)的極端性特大暴雨天氣。西上空的降雨云團也逐漸減弱。

圖4 2017年7月1日20時500hPa高度場和850hPa風場

500hPa副高、200hPa南亞高壓維持為本次大范圍暴雨天氣提供了穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景，南壓高壓東北部輻散氣流和高空急流為暴雨提供了良好的高空輻散條件。高空槽受副高阻擋東移緩慢，中低層西南風急流建立，切變線逐漸南下，強盛的西南風輻合為本次暴雨天氣過程的低空動力上升條件。高空輻散和低空強烈的輻合作用相互配合，形成了相互促進的動力垂直環(huán)流系統(tǒng)。

4 邊界層觸發(fā)條件分析

中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)機制通常是邊界層輻合系統(tǒng)，在邊界層輻合線附近的輻合上升運動通常容易誘發(fā)較強的中尺度對流性降水［17－18］。在本次區(qū)域性的特大暴雨過程中，7月2日5－8時永?？h羅錦鎮(zhèn)連續(xù)4小時逐小時雨強超過70mm，說明本次過程對流特別明顯。以下從925hPa和地面風場分析本次強降雨過程的對流觸發(fā)條件演變特征。

7月1日08時，925hPa超低空切變線南下，切變線位于桂北地區(qū)。廣西上空偏南風明顯加大，從6

圖5 2017年7月1日20時地面風場

7月2日08時，925hPa超低空急流再度建立，在桂東形成了強烈的風向風速輻合，地面輻合線南下到桂中，2日白天在輻合線附近觸發(fā)了強烈的中尺度降雨云團，同時由于925hPa急流輻合作用維持到2日夜間，造成2日白天到夜間桂中到桂東地區(qū)的大面積強降雨天氣。

綜合以上分析可以知道，925hPa超低空急流為邊界層輸送了充沛的水汽，同時強降雨云團主要是在925hPa風向風速的輻合區(qū)和地面輻合線附近發(fā)展起來的，說明邊界層的輻合作用對中尺度暴雨云團的觸發(fā)具有重要作用。

5 水汽條件演變特征分析

圖6 2017年7月1日20時925hPa風場

水汽是成云致雨的重要條件，而充足的水汽供應是暴雨出現(xiàn)的三個基本條件之一。分析本次特大暴雨天氣過程的比濕條件可以發(fā)現(xiàn)，7月1日到2日，廣西上空925hPa比濕均大于18g·kg－1以上，月 30 日的 6－8m·s－1加大到 12m·s－1，超低空急流建立，不僅為邊界層送了充足的水汽，同時在在桂北形成了強烈的中尺度輻合；地面在桂北地區(qū)有靜止鋒穩(wěn)定維持，在桂林、柳州河池北部地區(qū)有滲透南下的冷空氣與東南氣流交匯，形成地面輻合線，觸發(fā)了1日白天桂北地區(qū)的中尺度降雨云團。7月1日20時地面輻合線南下斷裂成東西兩端，東段位于桂林市中南部（圖5），925hPa切線進一步南下，切變線南側的風速減弱到10m·s－1，并在桂東北地區(qū)形成強烈的風向風速輻合 （圖6），1月23時開始在輻合線附近有強烈的對流云團發(fā)展，造成1日夜間到2日桂東北地區(qū)的特大暴雨天氣。850hPa 比濕均維持在 15g·kg－1以上，700hPa 比濕在11g·kg－1以上，其中在特大暴雨出現(xiàn)前的1日20時，桂東北850hPa出現(xiàn)了大于16g·kg－1的水汽大值中心，與強降雨中心相對應。分析水汽通量場可以發(fā)現(xiàn)，從南海經(jīng)廣西東北部到江西省西部有水汽通量大值區(qū)，其中桂東北上空850hPa水汽通量在16g·s－1·cm－1·hPa－1以上，說明在暴雨出現(xiàn)前低層水汽通道建立，從南海向暴雨區(qū)輸送充足的水汽；1日08時，廣西上空水汽通量值明顯增大，在桂林市南部的永?？h 850hPa 出現(xiàn) 24g·s－1·cm－1·hPa－1的水汽通量大值中心（如圖7所示），說明隨著中低層急流的建立，水汽輸送獲得明顯加強，不但補充了降雨損失的水汽，還為1日夜間出現(xiàn)的特大暴雨存儲了大量水汽；隨著降雨的持續(xù)，切變線的南下，水汽通量大值區(qū)逐漸向東移動，到了2日08時移到了廣東省上空，說明2日白天開始水汽輸送條件逐漸減弱，降雨在2日夜間停止。從850hPa水汽通量散度場可以發(fā)現(xiàn)，6月30日20時廣西上空中低層700－925hPa除了桂北地區(qū)有弱的水汽輻合外，大部分地區(qū)為水汽輻散區(qū)；7月1日08時，廣西中部到北部地區(qū)700－925hPa轉為水汽通量散度負大值區(qū)，對應了強降雨天氣的開始，最強水汽輻合出現(xiàn)在850hPa，水汽通量散度大值中心達到了－35g·s－1·cm－2·hPa－1以上（圖8），1日20時，廣西上空中低層水汽通量散度場持續(xù)為輻合區(qū)，在桂林市永?？h境內出現(xiàn)了－20g·s－1·cm－2·hPa－1以上的大值中心，與強降雨中心位置向對應。2日08時，廣西上空中低層水汽輻合大值區(qū)向南下，大值中心位于廣西中部到東部地區(qū)，與2日白天的強降雨落區(qū)向對應。

圖7 2017年7月1日08時850hPa水汽通量場

綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個強降雨過程中，廣西上空水汽主要來自南海水汽的輸送，西南低空急流帶來充足的水汽。本次強降雨中低層水汽輻合強烈，水汽通量散度場大值中心與強降雨實況雨量中心位置非常吻合。

6 熱力條件演變特征分析

通過常探空資料和常規(guī)觀測資料，分析本次過程強降雨過程的熱力環(huán)境條件演變特征。表一是桂林探空站暖云厚度、CAPE值和K指數(shù)的演變結果。暖云厚度是用抬升凝結高度到0℃層高度之間的厚度來估算，暖云厚度越高越有利于高降水效率的出現(xiàn)。從表一我們可以發(fā)現(xiàn)，1日08－20時桂林上空暖云厚度均維持在4400米以上，其中在特大暴雨出現(xiàn)前的1日20時，暖云厚度達到了4848米，其中抬升凝結高度只有982米，對流有效位能CAPE值突增到 1343.8J／kg，K 指數(shù)也突然增加到 36℃；2 日 08時，桂林市特大暴雨趨于結束時，CAPE值急劇減小到 75.2J／kg，暖云厚度減小到 1742.9 米，抬升凝結高度上升到3500米，說明不穩(wěn)定能量得到釋放之后，暖云厚度變小，但是K指數(shù)還維持在38℃，說明廣西上空還處于大氣層結不穩(wěn)定狀態(tài)，2日白天強降雨天氣持續(xù)。

圖8 2017年7月1日08時850hPa水汽通量散度場

表1 2017年7月1日至7月2日桂林探空站暖云厚度、K指數(shù)、CAPE值演變

沿著110°E作廣西上空南北向的垂直剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，在1日08時隨著高度增加有向北傾斜的θse大值區(qū)，并在500hPa附近出現(xiàn)能量鋒，850hPa與 500hPa 假相當位溫差（θse850－500）大于零，而 925hPa與 700hPa 假相當位溫差（θse925－700）小于零，說明暴雨剛開始時大氣熱力不穩(wěn)定層結主要位于低層；1日20時北部假相當位溫整體有明顯上升的過程，從850hPa假相當位溫從71℃上升到81℃，而850hPa與 500hPa 假相當位溫差（θse850－500）為 6℃，說明不穩(wěn)定能量增強，下層暖濕、上層干冷的不穩(wěn)定層結厚度增大；2日08時，廣西上空假相當維持有所下降，但是850hPa假相當位溫還是維持在80℃左右，中東部 50hPa 與 500hPa 假相當位溫差（θse850－500）為 5℃，不穩(wěn)定層結繼續(xù)維持。2日20時，850hPa與500hPa假相當位溫差（θse850－500）為 3℃，不穩(wěn)定層結厚度明顯減弱，降雨趨于結束。

綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，大氣熱力不穩(wěn)定環(huán)境條件在強降雨出現(xiàn)之前有明顯的增強，對流有效位能急劇增大，抬升凝結高度明顯下降。在熱力不穩(wěn)定能量獲得釋放之后，熱力不穩(wěn)定環(huán)境條件又逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

7 小結

（1）本次強降雨過程的環(huán)流背景是500hPa副高、高層南壓高壓穩(wěn)定維持，南壓高壓東北部輻散氣流和高空急流為暴雨提供了良好的高空輻散條件。高空槽受副高阻擋東移緩慢，中低層西南風急流建立，切變線逐漸南下，強盛的西南風輻合為本次暴雨天氣過程的低空動力上升條件。高空輻散和低空強烈的輻合作用相互配合，形成了相互促進的動力垂直環(huán)流系統(tǒng)。

（2）邊界層輻合作用對中尺度暴雨云團具有重要的觸發(fā)作用，同時925hPa超低空急流為邊界層輸送了充沛的水汽，強降雨云團主要是在925hPa風向風速的輻合區(qū)和地面輻合線附近發(fā)展起來的。

（3）本次強降雨過程的水汽主要來自中低空西南風急流把南海水汽向廣西上空輸送，并在低層產(chǎn)生強烈的水汽輻合上升，產(chǎn)生暴雨天氣。水汽通量散度場大值中心與強降雨實況雨量中心位置非常吻合，說明中低層特別是850hPa水汽通量散度大值中心對預報強降雨落區(qū)具有非常好的指示意義。

（4）對流有效位能、K指數(shù)及假相當位溫等大氣熱力環(huán)境條件在強降雨出現(xiàn)前有突然增加的過程，在熱力不穩(wěn)定能量釋放之后又有下降的過程。850hPa與500hPa假相當位溫差能夠較好的指示大氣不穩(wěn)定層結的厚度，強降雨天氣的出現(xiàn)要求低層到高層為深厚的不穩(wěn)定層結。

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