恩施“6·24”暴雨中尺度系統特征分析

譚艷立，羅菊英

(湖北省恩施州氣象局，湖北 恩施 445000)

1 引言

恩施自治州位于湖北省西南部，每年夏季汛期，尤其是梅雨期頻繁遭受暴雨襲擊，其引發(fā)的山體滑坡、泥石流、地質災害以及中小河流洪水等災害給人們造成了人力、財力上的巨大損失。許多業(yè)內前輩們對長江中下游暴雨的環(huán)流形勢，影響系統，物理量診斷，以及多尺度特征等作了研究[1-8]，研究表明：暴雨都是在一定的有利的大環(huán)流形勢下，中尺度對流系統發(fā)生發(fā)展，配合較好的動力、水汽以及不穩(wěn)定層結條件，在中小尺度擾動觸發(fā)作用下產生的。由于恩施州境內山巒起伏，溝壑縱橫，河流眾多，獨特的山地氣候特征以及復雜的地形和下墊面，使得恩施地區(qū)的暴雨具有落區(qū)分散、強度大、局地性強等特點，關于恩施本地暴雨的研究[9-13]，主要對造成恩施暴雨的環(huán)流形勢、各種物理量的診斷以及地形作用作了分析，本文利用常規(guī)氣象資料、TBB資料和雷達資料進一步對恩施暴雨的中尺度特征進行分析總結，為恩施暴雨的中尺度研究以及氣象預報服務積累經驗。

2 降水概況

圖1 恩施州2016年6月24日08時—25日08時降水量分布圖(粗實線為100 mm以上降水區(qū)域)(單位：mm)Fig.1 The spatial distribution of precipitation in Enshi 2016062408-2016062508 (the heavy line is the precipitation area of more than 100 mm) (unit:mm)

2016年6月24—25日，恩施州普降暴雨，降水自北向南發(fā)展，主要集中時段為24日02—22時，不同區(qū)域強降水集中時段不同，州北部主要發(fā)生在24日02—12時、中部16—19時、南部19—22時。從強降水落區(qū)看(圖1)，大部暴雨，最強降水集中在巴東、建始、來鳳。從降水強度及降水性質看，對流性特征明顯，多站不同時段出現小時雨強40 mm以上的短時強降水，州北部最強降水集中在05—07時，州南部集中在18—20時，小時最大為47.9 mm/h,出現在來鳳洞塘壩的19—20時，其次是18—19時的朝陽寺站(47.3 mm)。統計340個自動站23日20時—25日08時36h累積量，有3站超過300 mm，9站200～300 mm，87站100～200 mm，最強降水出現在建始火龍(313.3 mm)。統計24日08—25日08時24 h雨量，8個國家觀測站中，建始、巴東、來鳳大暴雨，最強建始151.8 mm，恩施、咸豐、鶴峰暴雨。綜合上述，此次降水過程具有持續(xù)時間長，影響范圍廣，局地強度大的特點，強降水誘發(fā)山洪、泥石流等次生災害，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)損失嚴重，甚至出現了人員傷亡。

3 中尺度對流系統發(fā)生的天氣尺度環(huán)境

從天氣尺度環(huán)境場上可以看出，對流層中層500 hPa圖上(圖2a)中高緯地區(qū)為兩槽一脊型，巴爾喀什湖(巴湖)和我國東北地區(qū)各維持一個高空冷渦，巴湖冷渦東南側不斷有短波槽分裂東移帶動冷空氣南下，從東北冷渦伸出的槽線一直伸展到長江中下游地區(qū)，貝加爾湖(貝湖)地區(qū)為高壓區(qū)，高壓脊從貝湖北部伸展到我國西北東部，恩施地區(qū)受貝湖脊底部影響，其上游青海與四川交界處有一短波槽發(fā)展，未來與巴湖冷渦伸出的槽線同位相疊加；低緯度地區(qū)西太平洋副熱帶高壓(副高)西伸加強并呈帶狀分布在臺灣以東洋面至我國云南東部地區(qū)，青藏高原南部維持一短波槽。對流層低層850 hPa圖上(圖2b)，受高原槽東移和副高西伸加強的強迫作用影響，副高西北側西南急流建立加強，達到14～18 m/s，這支氣流一是向恩施地區(qū)輸送暖濕水汽，與中緯度短波槽帶動的冷空氣在恩施地區(qū)交匯；二是這支氣流在向北推進的過程中受川東渝西西南渦發(fā)展影響，在重慶中部—湖北南部形成一條切變線，切變線南部西南氣流與隨著東北冷渦旋轉南下的東北氣流在湖北南部形成明顯的輻合，為恩施地區(qū)中尺度對流系統的發(fā)生發(fā)展提供了良好的熱力和動力條件。

綜上所述，本次強降水，具有典型的兩槽一脊“單阻型”梅雨環(huán)流特征，暴雨發(fā)生在大尺度暖脊底部，上游高原槽與中高緯短波槽同位相疊加，副高西伸加強，基本穩(wěn)定在23～25°N之間，低層切變線的形成和低空西南急流的建立等天氣系統的合理配置條件下，這種環(huán)流背景為此次暴雨中尺度系統的發(fā)生發(fā)展提供了良好的天氣尺度環(huán)境。

圖2 2016年6月24日08時500 hPa位勢高度場(a)、850 hPa風場(b) Fig.2 500 hPa geopotential height field on 2016062408 (a), 850 hPa wind field on 2016062408 (b)

4 中尺度對流系統發(fā)生發(fā)展

4.1 自動站觀測資料分析

分析恩施州8縣市降水實況(圖略)可知，這場暴雨于24日01時左右開始于州北部，到05時左右開始加強，白天段最強時段出現在08—11時，最大小時雨強發(fā)生在10時的建始縣的渡浪溝站為40.3 mm，并伴有雷暴大風；建始北部，巴東中部08—11時3 h降水量大部在50 mm以上，最大出現在建始滬渝K1336站，3 h降水量為80.4 mm；11時開始，降水明顯減弱，到下午16時，恩施市南部出現局地短時強降水；夜間段主要開始于18時，雨帶南壓到恩施州南部咸豐、來鳳地區(qū)，最大小時雨強出現在20時的來鳳洞塘壩站為47.9 mm，21時雨帶基本移出恩施州地區(qū)。此次暴雨過程持續(xù)時間長，強降水至北向南持續(xù)了近24 h；空間上分布不均，強降水區(qū)域主要分布在州北部和南部，局地性強，表現為明顯的中尺度對流性特征。

4.2 衛(wèi)星TBB資料

24日白天，降水云團主要在恩施州北部，從衛(wèi)星TBB資料逐小時演變(圖3)可以看出，24日07時，恩施州西部和北部有多個對流云團，此時云團A和云團B基本是相互獨立的，到了08時，云團A和云團B合并加強，并呈現出不規(guī)則結構，云團C明顯減弱，09時合并的云團達到最強，云頂亮溫小于-48 ℃的冷云面積達2×104 km2，造成州北部巴東、建始地區(qū)出現短時強降水，最大小時雨強達到了40.3 mm，后逐漸分散減弱，11時TBB冷中心基本移出恩施地區(qū)，11時以后，降水顯著減弱，大部分地區(qū)為少量殘留弱降水，到17時，恩施州南部新的對流云團發(fā)展，從衛(wèi)星TBB資料逐小時演變可以看出，云團D和云團E相互獨立且相離較遠，到了18時，隨著系統東移，兩個中β尺度系統快速合并加強并呈東北西南向帶狀分布，19時達到最強，云頂亮溫<-40℃的冷云面積達1.5×104 km2，造成南部咸豐、來鳳地區(qū)出現短時強降水天氣，21時對流云團基本移出恩施地區(qū)，整個降水過程結束。從上面的分析可知，恩施地區(qū)24日兩個階段的暴雨過程的直接影響系統都是中β尺度對流系統，且兩個階段中β尺度對流系統都是由兩個中尺度對流云團合并而成，時間尺度都約為5 h，但兩個階段的中β尺度系統的形狀有所差異，水平尺度及影響區(qū)域也不同。

4.3 雷達資料分析

從多普勒雷達回波圖上(圖4)可以看出，此次降水性質以混合性降水為主，中β尺度對流系統在天氣尺度環(huán)境中發(fā)生發(fā)展。分析雷達回波演變圖得知，24日07時，強回波中心已經形成，回波主體在建始縣北部，中心回波強度為48 dBz，回波帶東移南壓的速度較緩慢，約15 km/h，而回波主體上游的零散回波移動較快，逐漸合并到回波主體中，回波帶強度增強，范圍增大，到09時左右達到峰值，回波中心強度在50 dBz以上，此時建始縣北部和巴東縣局部出現短時強降水天氣，最大小時雨強為40.3 mm/h,并伴有雷暴大風天氣，隨著回波帶繼續(xù)東移南壓，11時，強回波帶逐漸移出恩施地區(qū)，恩施地區(qū)降水明顯減弱。到了17時，南部降水回波開始發(fā)展，此時主要表現為多個中尺度對流系統零散分布，最大回波中心為51 dBz，隨著回波向東北方向的移動，零散的回波中心合并為一個強回波帶，并且回波帶表現為后向傳播，回波影響范圍擴大，降水強度加強，咸豐縣和來鳳縣均出現了短時強降水天氣，到19時左右發(fā)展到最強，回波中心強度為55 dBz以上，最大小時雨強為47.9 mm/h，21時強回波帶移出恩施地區(qū)，整個降水過程趨于結束。

圖3 2016年6月24日07時、08時、11時、17時、18時、21時TBB分布圖Fig.3 The distribution of TBB at 7∶00、8∶00、11∶00、17∶00、18∶00、21∶00 on 20160624

圖4 2016年6月24日07時、09時、11時、17時、19時、21時CR分布圖Fig.4 The distribution of CR at 7∶00、9∶00、11∶00、17∶00、19∶00、 21∶00 on 20160624

5 物理量場分析

5.1 動力條件

暴雨的發(fā)生發(fā)展與高低空系統的配置和相互作用密切相關，從中分析(圖5a)可以看出，在對流層中層500 hPa上副高穩(wěn)定維持在江南，恩施處于暖脊底部、副高西北側，700 hPa和850 hPa上川東地區(qū)有一低渦發(fā)展，恩施主要受與低渦相聯系的“人”字形切變線的北支切變線影響，地面圖上江淮地區(qū)有梅雨鋒，恩施存在東北西南走向的邊界層輻合線，這也是這次暴雨觸發(fā)系統之一；從850 hPa溫度場可以看出，在貴州—湖南—江西一帶存在一條溫度脊，在河南—湖北西北部一帶存在一條溫度槽，恩施剛好處于這兩條溫度槽脊之間的冷暖空氣交匯處，有利于對流性天氣發(fā)生發(fā)展；200 hPa上，恩施處于南壓高壓東北部分流區(qū)。在上述從高到低的配置下形成低層輻合高層輻散，從而形成抽吸效應，加之高層通風作用以及系統和降水之間的正反饋的作用，產生了強烈的上升運動，從垂直速度時間剖面圖(圖5b)可以看出，24日08時前后在對流層中低層形成了負值中心，上升運動強烈，大量水汽輻合上升凝結成云致雨，而恩施“三山(北部巫山、東南部武陵山、西部齊岳山)鼎力”的地形對此次暴雨的觸發(fā)作用尤為重要，邊界層輻合線基本與地形槽相平行。此次暴雨過程冷空氣路徑有兩條，一是隨著東北冷渦旋轉南下，沿東北氣流侵入恩施，二是500 hPa暖脊前西北氣流帶動冷空氣南下影響恩施。

圖5 2016年6月24日08時中分析綜合圖(a)、23日08時—26日08時垂直速度時間剖面圖(b)Fig.5 Collective diagram of the mesoanalysis on 2016062408 (a)，the time profile of vertical velocity on 2016062308—2016062608 (b)

5.2 熱力條件和不穩(wěn)定機制

從23日20時恩施站探空圖(圖6a)可以看出，近地層表現為SSW風，風隨高度逐漸順轉，0～6 km垂直風切變達11.29 m/s，表明低層有暖平流，500 hPa以下T-Td<4 ℃，表明對流層低層有深厚的濕層，500～300 hPa左右T-Td急劇增大，表明對流層中層有干層，從23日20時T850-500分布(圖略)也可以看出恩施T850-500在24 ℃左右，這種明顯的中層干冷低層暖濕的大氣層結說明恩施上空為強的對流不穩(wěn)定，其K指數達42 ℃；從Tmax分布(圖略)可以看出21—23日是升溫過程，23日最高氣溫在30 ℃左右，前期溫度高，有利于不穩(wěn)定能量積累，其cape值在2 000 J/kg以上，上述能量及不穩(wěn)定條件為暴雨的發(fā)生提供了有利條件，圖中顯示短時強降水等強對流天氣發(fā)生可能性也都在臨界值以上。

分析θse時間剖面圖(圖6b)可以看出，暴雨發(fā)生前期是一個能量累積過程， 23日08—20時，恩施低層是一個帶狀分布的θse大值區(qū)，大值中心數值達88 ℃左右，700～400 hPa之間有一相應呈帶狀分布的θse小值區(qū)，從低到高，?θse/?z<0，表現為強的不穩(wěn)定層結，若此時低層有擾動機制，即可觸發(fā)強對流天氣；24日08—20時左右θse分布密集，表現為明顯的能量鋒區(qū)，這段時間是能量釋放階段，與暴雨發(fā)生時間相吻合，在此之后，θse數值上減小且分布上表現為中性或穩(wěn)定層結。

5.3 水汽條件

充足的水汽條件是形成暴雨的條件之一，《天氣學原理和方法》指出：暴雨是在大氣飽和比濕達到相當大的數值以上才形成的。分析24日08時比濕場(圖略)可知，恩施比濕在14 g/kg以上，達到了暴雨產生的臨界值；除了較高的飽和比濕外，恩施處于副高西北部，一是西北部西南急流從南海為恩施帶來水汽，二是副高南部偏東氣流將西太平洋的水汽帶到恩施，使得恩施相對濕度在80%以上，中分析圖中濕區(qū)有所表現；分析恩施水汽通量散度時間剖面圖(圖7a)得知， 24日08時前后， 700 hPa以下有明顯的強的負值中心，水汽輻合較強，結合前面動力抬升條件，水汽在恩施地區(qū)有強烈的輻合上升，與暴雨發(fā)生時間段相吻合。

圖6 2016年6月23日20時T-lnp圖(a) 、22日20時25日20時θse時間剖面圖(b)Fig.6 T-lnp on 2016062320 (a)，the time profile of θse on 2016062220—2016062520 (b)

從相應的地面圖(圖7b)上可以看出，整個湖北基本處于鞍型場中，恩施處于暖倒槽東北部和梅雨鋒前暖舌中，從南海到恩施一帶盛行一致的西南風，從東部沿海到恩施一帶盛行東北氣流，有利于南來水汽輸送以及東部部分水汽向恩施地區(qū)輸送。

圖7 2016年6月23日08時—26日08時水汽通量散度時間剖面圖(a)、24日08時海平面氣壓(實線)和地面溫度(虛線)疊加圖(b)Fig.7 The Time profile of water vapor flux divergence on 2016062308—2016062608 (a)，the stacking chart of Sea level pressure (solid line) and ground temperature (dotted line) on 2016062408(b)

6 結論

①本次強降水，具有典型的兩槽一脊“單阻型”梅雨環(huán)流特征，在有利的大尺度環(huán)流背景下，在高空槽、低層低渦切變、西南急流、地面中尺度輻合線等中尺度天氣系統的共同影響、相互作用下，形成了此次大范圍強降水。

②此次暴雨過程空間上分布不均，局地性強，表現為明顯的中尺度對流性特征，雷達回波圖上降水性質表現為混合性降水，24日兩個階段的暴雨過程的直接影響系統都是中β尺度對流系統，且兩個階段中β尺度對流系統都是由兩個中尺度對流云團合并而成，合并后TBB冷中心亮溫更低，冷云面積進一步擴大，兩個階段對流云團時間尺度都約為5 h，但形狀有所差異，水平尺度及影響區(qū)域也不同。

③此次暴雨過程是在上干冷下暖濕強的大氣層結不穩(wěn)定條件下，梅雨鋒、邊界層輻合線和地形槽的觸發(fā)作用將前期積累的能量釋放產生的強對流天氣，同時，副高外圍西南氣流將南海和西太平洋的源源不斷的水汽向恩施輸送，高層輻散低層輻合產生強烈的上升運動，大量水汽輻合上升凝結成云致雨，為暴雨的發(fā)生提供了有利的條件。