副高影響下遵義市區(qū)域性暴雨的天氣系統(tǒng)特征研究

楊 熠,簡(jiǎn)茂球,謝和林

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000；2.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

1 引言

遵義市位于貴州省的北部,介于106°17′22″～107°26′25″E，27°13′15″～28°04′09″N之間，處于云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過(guò)渡的斜坡地帶，地形起伏大，地貌類型復(fù)雜。海拔高度一般在800～1 300 m，在全國(guó)地勢(shì)第二級(jí)階梯上。由于遵義市境內(nèi)地形復(fù)雜，故由持續(xù)性暴雨引發(fā)的洪澇和由突發(fā)性局地暴雨引發(fā)的泥石流等各種自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[1]。2010 年7月8—13日遵義市出現(xiàn)大范圍持續(xù)暴雨，因?yàn)?zāi)死亡9 人，失蹤2 人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失8.1億元[1-2]。2011 年6 月18 日湄潭24 h降雨量達(dá)202.8 mm，突破該站1942 年以來(lái)的氣象記錄。2014 年習(xí)水良村鎮(zhèn)特大暴雨造成山洪泥石流，因?yàn)?zāi)死亡13 人，直接經(jīng)濟(jì)損失12.7億元[1-3]。

眾所周知，副熱帶高壓的位置與我國(guó)的暴雨天氣有密切聯(lián)系，黃士松等[4]20世紀(jì)60年代初開創(chuàng)性地提出副高結(jié)構(gòu)概念后，人們對(duì)副高形態(tài)和降水的關(guān)系進(jìn)行了大量研究[5-9]。2000年以來(lái)，張素琴等[6]以及龔道溢等[10]先后用500 hPa特定區(qū)域的高度場(chǎng)表征副高活動(dòng)，結(jié)果表明與長(zhǎng)江中下游汛期降水關(guān)系密切。金榮花[11]等人探討了夏季不同大氣環(huán)流背景下區(qū)域性暴雨過(guò)程副高結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)降水的貢獻(xiàn)；池再香[12]等人通過(guò)對(duì)黔東南州1996—2005年夏季發(fā)生局地暴雨的主要影響系統(tǒng)、各種物理量場(chǎng)的特征等的綜合分析, 得出9次局地暴雨都與西太平洋副熱帶高壓位置變化密切相關(guān)。而遵義夏季的區(qū)域性暴雨也與副高位置有緊密關(guān)系，但是在這方面研究的成果比較少。

本文通過(guò)對(duì)2007—2016年6—8月區(qū)域性暴雨天氣個(gè)例進(jìn)行分析，篩選出在副高東退、引導(dǎo)高空槽東移的大尺度背景條件下，配合低層系統(tǒng)造成的8次區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程，利用合成分析方法，探討暴雨落區(qū)與高空系統(tǒng)、物理量配置之間的關(guān)系，以期為之后工作中遇到類似過(guò)程提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

本文所用資料：①遵義地區(qū)14個(gè)區(qū)域站2007—2016年6—8月地面觀測(cè)資料；②每天08時(shí)和20時(shí)的高空觀測(cè)資料的；③NCEP 1°×1°再分析資料；④、②和③選用資料時(shí)間段和①同步。

規(guī)定一次過(guò)程中有3個(gè)及以上區(qū)域站24 h累計(jì)雨量≥50.0 mm，則為1次區(qū)域性暴雨；在文中將暴雨發(fā)生的第2 d的日期代表此次過(guò)程的發(fā)生日期；通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析2007—2016年6—8月區(qū)域性暴雨個(gè)例的影響系統(tǒng)，選取與副高有關(guān)的8次典型區(qū)域性暴雨作為研究對(duì)象，由于這幾次個(gè)例地面場(chǎng)上遵義地區(qū)不是處于低壓帶控制就是均壓場(chǎng)控制，無(wú)冷空氣影響，故暫不分析地面圖，而是將其高空形勢(shì)場(chǎng)通過(guò)分類后分別進(jìn)行合成分析，以期找出它們之間的共性和個(gè)性特征。

分類的原則：將影響系統(tǒng)相近移動(dòng)路徑相似的個(gè)例分為一類。

合成分析方法：分別根據(jù)小時(shí)雨強(qiáng)來(lái)找出每個(gè)個(gè)例暴雨開始前、強(qiáng)盛時(shí)、結(jié)束后3個(gè)時(shí)次，再按分的類型，將每類的這3個(gè)時(shí)次同一高度層的數(shù)值進(jìn)行算術(shù)平均，再用算術(shù)平均值來(lái)繪圖。

3 個(gè)例選取及分類

從2007—2016年中挑選出8次受副高東退造成高空槽東移引起我市區(qū)域性暴雨的個(gè)例，它們發(fā)生的時(shí)間及降雨情況如表1所示，影響范圍最廣的一次發(fā)生在2010年6月19日，幾乎全遵義地區(qū)都達(dá)到了暴雨量級(jí)(10/14),小時(shí)雨強(qiáng)最大的一次發(fā)生在2014年7月3日，為42.1 mm·h-1，(單位，下同)過(guò)程雨量最大的一次發(fā)生在2007年7月29日，為95.0 mm；有3次過(guò)程的暴雨中心站和最大小時(shí)雨強(qiáng)站發(fā)生在同一個(gè)站點(diǎn)，其余過(guò)程發(fā)生的站點(diǎn)則不一樣；在8次過(guò)程中除了2次過(guò)程沒有全區(qū)降雨外，其余都是全區(qū)降雨。

表1 2007—2016年與副高相關(guān)的暴雨個(gè)例降雨情況Tab.1 Examples of rainstorm related to subtropical high from 2007 to 2016

根據(jù)8次個(gè)例的500 hPa影響系統(tǒng)，將其分為2類：低渦槽型和高空槽型，前者能畫出低渦及槽，呈現(xiàn)“北渦南槽”型[13]，而后者只有高空槽，無(wú)渦對(duì)應(yīng)；其中，高空槽類又根據(jù)700 hPa的影響系統(tǒng)，分成氣旋旋轉(zhuǎn)型和低渦切變型，前者只能看出氣旋式旋轉(zhuǎn)不能畫出閉合曲線，而后者可以畫閉合曲線定義出低渦[14]。經(jīng)過(guò)以上分類統(tǒng)計(jì)，低渦槽類的個(gè)例有4次，高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型和高空槽低渦切變型分別有2次。

合成分析的原則是要根據(jù)每類個(gè)例的開始時(shí)間、強(qiáng)盛時(shí)間和結(jié)束時(shí)間按高度進(jìn)行算術(shù)平均，通過(guò)統(tǒng)計(jì)，具體如表2所示，開始時(shí)間是根據(jù)14個(gè)區(qū)域站中有一個(gè)站開始降雨計(jì)算，強(qiáng)盛時(shí)間是按小時(shí)雨強(qiáng)最強(qiáng)的時(shí)刻計(jì)算，結(jié)束時(shí)間是按區(qū)域站全部降雨停止時(shí)刻計(jì)算。

表2 合成分析的各類個(gè)例情況Tab.2 Synthesis analysis of various examples

4 3類區(qū)域性暴雨的天氣系統(tǒng)配置

4.1 低渦槽型

低渦槽型中500 hPa高度場(chǎng)上副高脊線是在25°N附近與115°E交匯，低渦位于內(nèi)蒙古中部偏西，槽從河套東部延伸至川東南，雖然一開始低渦畫不出閉合線來(lái)，但是氣旋式旋轉(zhuǎn)很明顯(圖1a)，特別是在東移過(guò)程中發(fā)展加強(qiáng)(圖1b)，形成了一個(gè)完整的閉合低渦，構(gòu)成“北渦南槽”的分布格局(圖1c)，天氣過(guò)程強(qiáng)盛時(shí)槽線進(jìn)入遵義西部，隨著槽線移動(dòng)至遵義東部，過(guò)程趨于結(jié)束，整個(gè)過(guò)程副高主體穩(wěn)定少動(dòng)；700 hPa高度場(chǎng)上遵義地區(qū)上空主要受切變右側(cè)的西南急流影響，在川東有個(gè)氣旋式旋轉(zhuǎn)的渦旋，切變位于川東南(圖1d)，隨著渦旋東移至渝西，切變線靠近遵義西部，天氣過(guò)程達(dá)到強(qiáng)盛時(shí)刻(圖1e)，由于受副高的阻擋，直至過(guò)程結(jié)束切變線也未移動(dòng)(圖1f)；850 hPa高度場(chǎng)上在川東南的位置有個(gè)低渦，遵義地區(qū)主要受低渦東側(cè)的偏南急流影響(圖1g)，由于受副高的阻擋，但在整個(gè)過(guò)程中低渦基本沒移動(dòng)，逐漸減弱(圖1h,1i)。

圖1 低渦槽型區(qū)域性暴雨合成后的天氣形勢(shì)圖 500 hPa(a,b,c)、700 hPa(d,e,f) 、850 hPa(g,h,i)的開始時(shí)刻、強(qiáng)盛時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻天氣形勢(shì)圖Fig.1 Synthesis weather pattern about regional rainstorm of low vortex trough Weather chart at the start, strong and end time of 500 hPa(a,b,c), 700 hPa(d,e,f) and 850 hPa(g,h,i)

從低渦槽型的高空形勢(shì)中可看出，主要起作用的系統(tǒng)是500 hPa低渦槽和700 hPa上的氣旋式切變，850 hPa上為低渦東側(cè)的偏南急流控制；低渦槽南段自川東往東南壓至遵義上空，氣旋式切變從川東南東移至遵義西部；由于受副高穩(wěn)定少動(dòng)的影響，低層系統(tǒng)移動(dòng)不明顯；在發(fā)生暴雨的強(qiáng)盛時(shí)刻，500 hPa低渦槽的南段和700 hPa氣旋式切變正好位于遵義西部，暴雨落區(qū)容易發(fā)生在遵義地區(qū)的西部、北部和東北部(圖2a),隨著低渦槽的移出，降雨趨于結(jié)束。

圖2 3類區(qū)域性暴雨落區(qū)示意圖 (a)低渦槽型 (b)高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型 (c)高空槽低渦切變型Fig.2 Schematic diagram about three types of regional rainstorm falling areas (a)Low vortex groove type (b)High-level trough rotary type (c) High-level trough low vortex shear type

4.2 高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型

高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型中500 hPa高度場(chǎng)上副高主體還在海上，進(jìn)入中國(guó)的北界主要位于25°N附近與100°E交匯(圖3a)，隨著副高主體的南退，高空槽南壓至遵義上空，暴雨天氣過(guò)程達(dá)到強(qiáng)盛時(shí)刻(圖3b)，之后往東南方向移出遵義境內(nèi)至黔東南(圖3c)；700 hPa高度場(chǎng)上在川東有個(gè)氣旋式旋轉(zhuǎn)的渦旋，切變?cè)诖|南，遵義地區(qū)上空受切變右側(cè)的西南氣流影響(圖3d)，暴雨強(qiáng)盛時(shí)刻氣旋中心正好位于渝中，切變影響遵義地區(qū)(圖3e)，過(guò)程結(jié)束后氣旋中心東移至湘西北，切變至湘西一帶(圖3f)；850 hPa高度場(chǎng)上黔西地區(qū)有個(gè)低渦，遵義地區(qū)主要受低渦東北側(cè)的東南氣流影響(圖3g)，暴雨強(qiáng)盛時(shí)低渦正好位于遵義上空(圖3h)，隨后低渦往東北方向移動(dòng)出遵義至湘西北(圖3i)，天氣過(guò)程結(jié)束。

從高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型可以看出，主要的影響系統(tǒng)是500 hPa上的高空槽、700 hPa上的氣旋式切變和850 hPa上的低渦；高空槽南段從川東北往東南方向經(jīng)過(guò)遵義地區(qū)移動(dòng)至黔東南，氣旋式渦旋從川東東移經(jīng)過(guò)渝中至湘西北，低渦從黔西往東北方向經(jīng)過(guò)遵義地區(qū)移至湘西北；由于受副高南退影響，高空槽移動(dòng)還是比較快；在發(fā)生暴雨的強(qiáng)盛時(shí)刻，高空槽南段和850 hPa上的低渦正好在遵義地區(qū)上空，700 hPa上氣旋式渦旋中心位于渝中，切變線位于遵義地區(qū)中部，這種天氣形勢(shì)背景下暴雨落區(qū)容易發(fā)生在遵義地區(qū)的北部和東北部(圖2b)。

4.3 高空槽低渦切變型

高空槽低渦切變型中500 hPa高度場(chǎng)上副高主體在30°N附近與108°E交匯，高空槽從河套中部延伸至川東南(圖4a)，隨著高空槽的東移，暴雨過(guò)程的強(qiáng)盛時(shí)刻其南段正好位于遵義地區(qū)上空(圖4b)，隨著高空槽的移出天氣過(guò)程結(jié)束(圖4c)，整個(gè)過(guò)程副高主體穩(wěn)定少動(dòng)；700 hPa高度場(chǎng)上有一低渦在川東，遵義地區(qū)主要受低渦外圍的西南氣流影響(圖4d)，隨著低渦往東北方向移至渝北的過(guò)程中，遵義地區(qū)上空逐漸從西南氣流轉(zhuǎn)化為切變影響，預(yù)報(bào)暴雨過(guò)程強(qiáng)盛時(shí)刻的到來(lái)(圖4e)，隨后低渦切變略西進(jìn)(圖4f)，天氣過(guò)程趨于結(jié)束；850 hPa高度場(chǎng)上在川東也有一個(gè)低渦，遵義地區(qū)處于低渦的東側(cè)(圖4g)，天氣過(guò)程強(qiáng)盛時(shí)刻低渦中心正好東移至遵義地區(qū)上空(圖4h)，雖然在過(guò)程結(jié)束時(shí)低渦未移出遵義境內(nèi)(圖4i)，但是500 hPa上已轉(zhuǎn)為槽后偏北氣流影響，不利于低渦的發(fā)展。

從高空槽低渦切變型中可以看出，主要的影響系統(tǒng)是500 hPa上的高空槽、700 hPa上的低渦切變和850 hPa上的低渦；高空槽南段從川東南經(jīng)過(guò)遵義地區(qū)南壓至黔東北，低渦切變從川東往東北方向移動(dòng)至渝北的過(guò)程中切變影響遵義，低渦從川東移至遵義上空；在發(fā)生暴雨的強(qiáng)盛時(shí)刻，高空槽南段位于遵義地區(qū)西部，700 hPa上的低渦位于渝北，切變?cè)谧窳x地區(qū)中部，850 hPa上的低渦正好在遵義地區(qū)上空，暴雨落區(qū)容易發(fā)生在遵義地區(qū)的東北部(圖2c)。

5 3類區(qū)域性暴雨的物理量分析

從能量條件來(lái)看(表3)，這8次個(gè)例中不管是暴雨中心區(qū)域還是弱降雨中心(本文將弱或者無(wú)降雨的中心統(tǒng)稱為弱降雨中心)，K指數(shù)都超過(guò)了32 ℃，平均值是在36 ℃，能量條件都很好[15-16]；當(dāng)暴雨中心850 hPa的水汽輻合強(qiáng)度與弱降雨中心相等或者更強(qiáng)時(shí)，在此情況下，不是暴雨中心的水汽輸送比弱降雨中心區(qū)強(qiáng)，就是上升運(yùn)動(dòng)比其強(qiáng)(如表3中第1、第3、第7和第8個(gè)例)；當(dāng)850 hPa的水汽無(wú)明顯輻合，而是處于輻散情況時(shí)，暴雨中心的輻散情況也比弱降雨中心弱，此情形下，同樣不是暴雨中心的水汽輸送比弱降雨中心區(qū)強(qiáng)，就是上升運(yùn)動(dòng)比其強(qiáng)(如表3中第2、第5個(gè)例)；對(duì)于表3中的第4個(gè)個(gè)例，暴雨中心的水汽輸送情況明顯低于弱降雨中心，只是500 hPa高度上上升運(yùn)動(dòng)比其強(qiáng)，為什么暴雨中心赤水下了85.8 mm，而弱降雨中心余慶幾乎沒有下雨呢？從表4中或許能找到答案，可以看到暴雨中心的最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到了35.0 mm/h，并且降雨持續(xù)了13 h，說(shuō)明雨強(qiáng)大和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)對(duì)雨量的累積有正貢獻(xiàn)，同理，第6個(gè)個(gè)例也是這種情況。

圖3 高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型暴雨合成后的天氣形勢(shì)圖500 hPa(a,b,c)、700 hPa(d,e,f) 、850 hPa(g,h,i)的開始時(shí)刻、強(qiáng)盛時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻天氣形勢(shì)圖Fig.3 Synthesis weather pattern about regional rainstorm of high-level trough rotary type Weather chart at the start, strong and end time of 500 hPa(a,b,c), 700 hPa(d,e,f) and 850 hPa(g,h,i)

圖4 高空槽低渦切變型暴雨合成后的天氣形勢(shì)圖 500 hPa(a,b,c)、700 hPa(d,e,f) 、850 hPa(g,h,i)的開始時(shí)刻、強(qiáng)盛時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻天氣形勢(shì)圖Fig.4 Synthesis weather pattern about regional rainstorm of high-level trough low vortex shear type Weather chart at the start, strong and end time of 500 hPa(a,b,c), 700 hPa(d,e,f) and 850 hPa(g,h,i)

表3 8次區(qū)域性暴雨個(gè)例的物理量判據(jù)Tab.3 The physical criterion for the examples of 8 regional rainstorms

注：表中W、水汽通量、水汽通量散度和K指數(shù)的單位分別為Pa/s、g/(cm· hPa·s)、10-7·g/(cm2· hPa·s)和℃。

從表4中可以看出，暴雨中心的前一日日較差和降雨持續(xù)時(shí)長(zhǎng)普遍比弱降水中心的高，當(dāng)然也有3次個(gè)例是例外，其日較差是暴雨中心比弱降水中心的低，并且還有1次個(gè)例的降雨持續(xù)時(shí)長(zhǎng)也比弱降水中心的短，但是最大小時(shí)雨強(qiáng)暴雨中心往往是弱降水中心的幾倍甚至幾十倍及上百倍，說(shuō)明最大小時(shí)雨強(qiáng)對(duì)降雨量累積的貢獻(xiàn)最大，其次是降雨持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。

表4 8次區(qū)域性暴雨個(gè)例中暴雨中心與弱降水中心溫度和降雨情況比較Tab.4 The comparison of the temperature and rainfall of the storm center and the weak precipitation center in the case of 8 regional rainstorms

6 小結(jié)

①2007—2016年6—8月受副高外圍影響的8次區(qū)域性暴雨個(gè)例按高空影響系統(tǒng)，可分為3大類：低渦槽型、高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型和高空槽低渦切變型；有4次個(gè)例屬于低渦槽型，分別有2次個(gè)例屬于高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型和高空槽低渦切變型。

②低渦槽型中主要起作用的系統(tǒng)是500 hPa低渦槽和700 hPa上的氣旋式切變，850 hPa上為低渦東側(cè)的偏南急流控制；低渦槽南段自川東往東南壓至遵義上空，氣旋式切變從川東南東移至遵義西部；由于受副高穩(wěn)定少動(dòng)的影響，低層系統(tǒng)移動(dòng)不明顯；在發(fā)生暴雨的強(qiáng)盛時(shí)刻，500 hPa低渦槽的南段和700 hPa氣旋式切變正好位于遵義西部，暴雨落區(qū)容易發(fā)生在遵義地區(qū)的西部、北部和東北部,隨著低渦槽的移出，降雨趨于結(jié)束。

③高空槽氣旋旋轉(zhuǎn)型中主要的影響系統(tǒng)是500 hPa上的高空槽、700 hPa上的氣旋式切變和850 hPa上的低渦；高空槽南段從川東北往東南方向經(jīng)過(guò)遵義地區(qū)移動(dòng)至黔東南，氣旋式渦旋從川東東移經(jīng)過(guò)渝中至湘西北，低渦從黔西往東北方向經(jīng)過(guò)遵義地區(qū)移至湘西北；由于受副高南退影響，高空槽移動(dòng)還是比較快；在發(fā)生暴雨的強(qiáng)盛時(shí)刻，高空槽南段和850 hPa上的低渦正好在遵義地區(qū)上空，700 hPa上氣旋式渦旋中心位于渝中，切變線位于遵義地區(qū)中部，這種天氣形勢(shì)背景下暴雨落區(qū)容易發(fā)生在遵義地區(qū)的北部和東北部。

④高空槽低渦切變型中的主要的影響系統(tǒng)是500 hPa上的高空槽、700 hPa上的低渦切變和850 hPa上的低渦；高空槽南段從川東南經(jīng)過(guò)遵義地區(qū)南壓至黔東北，低渦切變從川東往東北方向移動(dòng)至渝北的過(guò)程中切變影響遵義，低渦從川東移至遵義上空；在發(fā)生暴雨的強(qiáng)盛時(shí)刻，高空槽南段位于遵義地區(qū)西部，700 hPa上的低渦位于渝北，切變?cè)谧窳x地區(qū)中部，850 hPa上的低渦正好在遵義地區(qū)上空，暴雨落區(qū)容易發(fā)生在遵義地區(qū)的東北部。

⑤當(dāng)暴雨中心850 hPa的水汽輻合強(qiáng)度與弱降雨中心相等或者更強(qiáng)時(shí)，或者當(dāng)850 hPa的水汽無(wú)明顯輻合，而是處于輻散情況下，暴雨中心的輻散情況也比弱降雨中心弱，這兩種情形下，不是暴雨中心的水汽輸送比弱降雨中心區(qū)強(qiáng)，就是上升運(yùn)動(dòng)比其強(qiáng)，從而使得暴雨中心的降雨量級(jí)比弱降雨中心大，這樣就可以在工作中預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)時(shí)，有一定指示意義。