“碧利斯”引發(fā)羅霄山區(qū)局地特大暴雨的過程及成因分析

鄒 毅，王德輝，楊 妮，匡耀求

(1. 廣西財經(jīng)學(xué)院 管理科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530003；2. 贛南師范大學(xué) 地理與規(guī)劃學(xué)院，江西 贛州 341000；3. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 510640)

我國是世界上熱帶氣旋(臺風(fēng))登陸最多，熱帶氣旋災(zāi)害最重的國家之一[1]。熱帶氣旋作為全球最強(qiáng)的暴雨天氣系統(tǒng)之一，其帶來的暴雨及次生災(zāi)害危害十分嚴(yán)重[2-3]。研究表明，隨著全球變暖的趨勢加劇，全球?qū)⒚媾R臺風(fēng)威脅的風(fēng)險還將繼續(xù)增加[4]。但是，受到諸多因素的限制，臺風(fēng)降水的強(qiáng)度和分布預(yù)報至今仍是氣象業(yè)務(wù)中的重要難題之一[5-6]。

2006年7月14-15日，受0604號熱帶氣旋碧利斯(Bilis)的登陸影響，湖南省東南部山區(qū)的資興市經(jīng)歷了異常嚴(yán)重的臺風(fēng)暴雨，引發(fā)東江、洣水上游流域嚴(yán)重的山洪泥石流災(zāi)害[7]。已經(jīng)有前期研究發(fā)現(xiàn)造成此次暴雨的是一次強(qiáng)對流活動[8]。但是，目前對于此次特大暴雨的過程及其形成原因的認(rèn)識依然不足。為此，在分析羅霄山區(qū)資興市地形特征基礎(chǔ)之上，首先利用降水和天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)分析了此次暴雨過程的時空特征，并利用無線電探空資料和大氣紅外探測儀AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)大氣廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品，探索此次特大暴雨的成因。

1 研究區(qū)概況與研究資料

資興市是湖南省郴州市下轄縣級市，地處湘東南羅霄山脈西麓、耒水上游，地貌形態(tài)以山地為主，地形整體東高西低，境內(nèi)八面山主峰海拔2 042 m，為湖南省第二高山。資興市境內(nèi)東江水庫的面積達(dá)160 km2，是湖南省最大的水庫之一。東江水庫地處湘江支流耒水上游的高中山峽谷區(qū)，兩岸高山環(huán)繞，峰頂高程均在1 000～1 500 m以上，地勢較高。水庫地形封閉條件好，其中庫區(qū)中部低緩開闊的山間盆地構(gòu)成良好的庫盆腹地，兩岸發(fā)育有資興江、清江、滁水和浙水等支流。

本研究中用于地形分析的DEM數(shù)據(jù)來源于日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和美國航空航天局共同提供的30 m水平分辨率的ASTER GDEM(version2)；熱帶氣旋碧利斯(Bilis)最佳路徑來源于日本國立情報研究所(NII)的熱帶氣旋數(shù)據(jù)庫；雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)來源于韶關(guān)市氣象局S波段(波長10 cm)多普勒天氣雷達(dá)，其雷達(dá)天線海拔高301.9 m，PPI(平面位置顯示器)產(chǎn)品水平空間分辨率為1 km，時間分辨率約為6 min。為避免山地地形對于雷達(dá)回波的干擾，本研究選擇的雷達(dá)回波資料均為1.5°仰角；雨量數(shù)據(jù)來源于資興市境內(nèi)及其周邊的21個地面雨量計，其中方石、黃草、連坪、龍溪、清江、興寧和資興7個站位于資興市境內(nèi)；并利用距離資興市最近的郴州站2006年7月11-15日的無線電探空資料，獲取K指數(shù)、對流有效位能、對流抑制能量和強(qiáng)天氣威脅指數(shù)以分析地區(qū)大氣穩(wěn)定度。

大氣紅外探測儀AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)是EOS(Earth Observing System)衛(wèi)星Aqua搭載的儀器之一，也是目前國際上領(lǐng)先的超高光譜大氣紅外探測儀之一。AIRS標(biāo)準(zhǔn)反演產(chǎn)品包括云和地表性質(zhì)，以及反演得到的溫度、水汽、臭氧、一氧化碳和甲烷的大氣廓線。其中，大氣溫度廓線的垂直分辨率為28層(1 100 hPa～0.1 hPa)，大氣濕度廓線為14層(1 100 hPa～50 hPa)，而AIRS紅外通道光譜儀的星下點(diǎn)的覆蓋區(qū)大約為15 km×15 km。本研究中采用戈達(dá)德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(GES DISC)提供的基于AIRS+AMSU兩種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物理反演得到的大氣廓線物理參數(shù)二級產(chǎn)品(L2)，空間分辨率50 km。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有眾多學(xué)者將AIRS反演得到的大氣廓線產(chǎn)品應(yīng)用于氣象預(yù)報等研究領(lǐng)域[9-11]。

圖1 湖南省資興市地形

2 研究區(qū)暴雨過程特征

0604號強(qiáng)熱帶風(fēng)暴碧利斯2006年7月9日在西太平洋上生成，并于7月14日12:45在福建省寧德市霞浦登陸。碧利斯登陸后，其風(fēng)暴中心向西北方向移動，取道福建的北部進(jìn)入江西境內(nèi)，并于15日15時在江西西南部減弱為熱帶低壓，而后緩慢向西北遷移消失。2006年7月14日21:00 左右，當(dāng)碧利斯中心位于研究區(qū)以東約400 km之時(圖2)，研究區(qū)內(nèi)突然爆發(fā)了一次特大暴雨。

圖2 碧利斯最佳路徑

根據(jù)資興市及周邊地區(qū)共計21個雨量站2006年7月14日20:00-15日08:00的降水監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)資興市境內(nèi)東江水庫周邊的12 h累計降水量明顯大于其他地區(qū)，其中庫區(qū)的興寧、龍溪兩站降水達(dá)到特大暴雨級別，遠(yuǎn)高于周邊地區(qū)，表明暴雨發(fā)生時的空間分布極不均勻，而12 h降水中心位于羅霄山區(qū)西部東江水庫及其周邊地區(qū)，表現(xiàn)出突發(fā)性、局地性和降水強(qiáng)度大的強(qiáng)對流天氣特征。

CZ=郴州; FS=方石; GD=桂東; HC=黃草; HK=寒口; LHD=龍虎洞; LP=連坪; LX=龍溪; ND南洞; QJ=清江; RC=汝城; SD=四都; ST=沙田; XF=新坊; XLS=秀里山; XN=興寧; YS=延壽; YX=永興; YZ=宜章; ZHX=樟溪; ZX=資興圖3 研究區(qū)2006年7月14日20:00-15日08:00各站12 h累計雨量

多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展極大地改善了對中小尺度天氣系統(tǒng)觀察的時空分辨率[12-14]?；趶V東省韶關(guān)多普勒天氣雷達(dá)的基本反射率資料，研究發(fā)現(xiàn)造成研究區(qū)異常降水的天氣系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯多單體風(fēng)暴的特征(圖4)。同時，雷達(dá)回波研究顯示存在多個強(qiáng)對流單體連續(xù)經(jīng)過同一地區(qū)的現(xiàn)象，在研究區(qū)內(nèi)存在所謂的列車效應(yīng)[15]，這很可能是造成研究區(qū)龍溪等地特大暴雨的重要原因。

基于韶關(guān)多普勒天氣雷達(dá)2006年7月14日20:00-15日08:00的累計反射率(圖5)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)累計反射率呈現(xiàn)由南向北、由中心向兩翼逐漸減弱的錐形空間分布形態(tài)。其中，累積反射率的高值中心位于水庫南部。累積反射率分析顯示，東江水庫盆地是這一強(qiáng)對流活動發(fā)生發(fā)展的主要空間，與12 h的臺風(fēng)暴雨落區(qū)呈現(xiàn)帶狀分布相符。

圖4 2016年7月14日23:00研究區(qū)雷達(dá)回波(1.5°仰角)

圖5 2006年7月14日20:00-15日8:00 6-h累計雷達(dá)反射率(1.5°仰角)

3 基于探空資料的大氣不穩(wěn)定度指數(shù)分析

大氣不穩(wěn)定度指數(shù)被廣泛應(yīng)用于分析強(qiáng)對流天氣發(fā)生前的不穩(wěn)定能量等條件[16-17]。郴州站位于資興市西南方向約30 km，是距離研究區(qū)最近的無線電探空站點(diǎn)。利用郴州站2006年7月11-15日的無線電探空資料計算得到了碧利斯登陸前后反映郴州地區(qū)大氣的穩(wěn)定度K指數(shù)、對流有效位能(CAPE)、對流抑制能量(CIN)和強(qiáng)天氣威脅指數(shù)(SWEAT)4個大氣不穩(wěn)定度指數(shù)的變化過程，以探索此次特大暴雨的成因。

從圖6中可見，在強(qiáng)對流天氣爆發(fā)前的2006年7月14日20時，郴州站的K指數(shù)、CAPE和SWEAT指數(shù)處于較高狀態(tài)，表明大氣狀態(tài)表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定狀態(tài)，而CIN數(shù)值較小，有利于對流活動；在強(qiáng)對流天氣發(fā)生之后的7月15日，K指數(shù)、CAPE和SWEAT指數(shù)均有所下降，表現(xiàn)出大氣中不穩(wěn)定能量部分釋放，而CIN數(shù)值降低至接近0，表明阻礙對流的能量消失，不利于大氣積蓄不穩(wěn)定能量。

綜合比較7月11-15日4個大氣不穩(wěn)定度指數(shù)的變化發(fā)現(xiàn)，SWEAT指數(shù)對7月14日夜間研究區(qū)發(fā)生的強(qiáng)對流天氣的指示作用最佳，其曲線在強(qiáng)對流天氣爆發(fā)前表現(xiàn)出顯著的單峰值，峰值達(dá)到361，表明極可能有強(qiáng)雷暴出現(xiàn)，并且數(shù)值在此次強(qiáng)對流天氣爆發(fā)后顯著回落。雖然CAPE和K指數(shù)雖然也指示出強(qiáng)對流天氣發(fā)生之前的大氣的不穩(wěn)定情況，但兩者曲線表現(xiàn)出多峰形態(tài)，對研究區(qū)強(qiáng)對流天氣的指示作用遜于SWEAT指數(shù)。這可能是由于SWEAT指數(shù)不僅指示不穩(wěn)定能量大小，而且包含風(fēng)速、風(fēng)向切變等因素有關(guān)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然郴州站位于研究區(qū)的西部且距離較近，但受到熱帶氣旋外圍氣流的作用影響，郴州站探空氣球無法深入資興市境內(nèi)，因此造成探空資料并無法真實(shí)反映資興市當(dāng)?shù)氐那闆r，特別是無法獲知地形較為封閉的東江水庫盆地內(nèi)的大氣狀態(tài)，這也就造成了基于傳統(tǒng)探空數(shù)據(jù)的大氣不穩(wěn)定度指數(shù)在此次暴雨預(yù)報中的可靠性不佳。

圖6 郴州站2006年7月11-15日大氣不穩(wěn)定指數(shù)

圖7 2006年7月14日13:17和17日13:53 AIRS(L2)產(chǎn)品中東江水庫盆地及其周邊地區(qū)方位

4 基于AIRS的不穩(wěn)定層結(jié)分析

無線電探空技術(shù)目前依然是獲取大氣層結(jié)曲線的主要手段，但是傳統(tǒng)的無線電探空資料由于站臺距離大、觀測間隔時間較長等缺點(diǎn)，難以滿足精細(xì)預(yù)報的需要。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，對天氣精細(xì)化預(yù)報的需求越來越強(qiáng)烈。尤其是在地形復(fù)雜多變的山區(qū)，往往因為缺少足夠時空分辨率的無線電探空資料，難以獲知當(dāng)?shù)氐拇髿馇闆r。為此，本研究選擇基于AIRS二級標(biāo)準(zhǔn)溫度產(chǎn)品，對研究區(qū)7月14日夜間強(qiáng)對流的前的大氣層結(jié)進(jìn)行探索研究。

表1 基于AIRS(L2)產(chǎn)品的2006年7月14日13:17和17日13:53東江水庫盆地及其周邊地區(qū)的大氣溫度，地面溫度和地面氣壓

表1為基于AIRS二級標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品提取的2006年7月14日13:17和17日13:53研究區(qū)及其周邊地區(qū)925 hPa、850 hPa、700 hPa的大氣溫度，地表溫度和地面氣壓，而圖7a和圖7b分別指示了東江水庫盆地在AIRS數(shù)據(jù)產(chǎn)品3×3柵格矩陣中的位置。研究發(fā)現(xiàn)7月14日13:17東江水庫盆地925 hPa高度的大氣溫度大幅高于周邊地區(qū)，形成一個明顯的熱異常區(qū)，但在850 hPa和700 hPa高度上研究區(qū)的大氣溫度異常不明顯。這表示在強(qiáng)對流活動爆發(fā)的8 h之前，東江水庫盆地附近低層大氣中可能已經(jīng)存有大量不穩(wěn)定能量，且在空間上異常集中。同時，地面氣壓數(shù)據(jù)顯示，中心區(qū)的地面氣壓明顯低于周邊地區(qū)，形成一個地面氣壓異常區(qū)。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)地表溫度與925 hPa高度的氣溫之差達(dá)-16 K，顯示當(dāng)?shù)貙α鲗拥蛯哟嬖诰值貜?qiáng)逆溫現(xiàn)象，逆溫現(xiàn)象強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于周邊地區(qū)。同時，研究發(fā)現(xiàn)17日13:53研究區(qū)925 hPa高度上的大氣高溫異常已經(jīng)消失，并且研究區(qū)地面氣壓的低值異常也已消失，且地表溫度與925 hPa高度的氣溫之差為5 K，顯示此時研究區(qū)大氣低層的強(qiáng)逆溫現(xiàn)象已消失。

復(fù)雜地形條件下，一個強(qiáng)對流將會在何時、何地生成是局地強(qiáng)對流天氣研究與精細(xì)化預(yù)報的難點(diǎn)[18]。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)大氣中的穩(wěn)定層結(jié)有利于當(dāng)?shù)丶吧嫌蔚牟环€(wěn)定能量積累，是許多暴雨、雷暴等強(qiáng)對流天氣前期的共同特征[19]。基于AIRS數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，2006年7月14日中午研究區(qū)內(nèi)東江水庫盆地局地存在的強(qiáng)逆溫層有利于不穩(wěn)定能量積累，為對流風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展提供了有利能量條件。2006年7月14日夜間的對流風(fēng)暴很可能是由于碧利斯外圍氣流破壞研究區(qū)局地強(qiáng)逆溫層，從而釋放大量不穩(wěn)定能量而造成的。

5 討論與結(jié)論

本文主利用多種觀測資料研究了2006年7月強(qiáng)熱帶風(fēng)暴碧利斯登陸期間，發(fā)生于羅霄山區(qū)資興市的一次特大暴雨的過程特征，并主要基于AIRS二級反演產(chǎn)品嘗試揭示其形成的原因。主要結(jié)論如下：

(1)此次暴雨系統(tǒng)具有明顯的多單體對流風(fēng)暴特征，并在地處羅霄山區(qū)的東江水庫盆地內(nèi)形成所謂“列車效應(yīng)”，造成資興市境內(nèi)局地降水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于同期周邊地區(qū)。

(2)基于AIRS反演的大氣溫度廓線產(chǎn)品顯示在資興市“714”對流風(fēng)暴發(fā)生約8 h前，東江水庫盆地低層大氣存在局地強(qiáng)逆溫層，形成本地增能效應(yīng)，受到碧利斯外圍氣流影響后而釋放大量不穩(wěn)定能量，很可能是導(dǎo)致此次對流風(fēng)暴的主要原因，但是局地強(qiáng)逆溫層的形成機(jī)制仍然有待進(jìn)一步探索。

(3)距離資興市最近的郴州站探空資料受地形和大氣環(huán)流影響，難以對此次大暴雨準(zhǔn)確預(yù)報，而AIRS所提供的高時空分辨率大氣溫度廓線產(chǎn)品，作為傳統(tǒng)探空資料的補(bǔ)充，可極大改善對于山區(qū)等地形復(fù)雜且缺少觀測站點(diǎn)區(qū)域大氣層結(jié)情況的監(jiān)測，有助于復(fù)雜地形地區(qū)強(qiáng)對流活動的預(yù)報和預(yù)警。

由于大氣運(yùn)動具有復(fù)雜性、非線性和多尺度特征，并受到復(fù)雜地形的影響，使得對流風(fēng)暴的活動規(guī)律和形成原因十分復(fù)雜，因此有必要開展長時間積累多源觀測資料，并在有條件時進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗，以揭示復(fù)雜地形環(huán)境影響下強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的活動規(guī)律和形成原因。

致謝：本研究得到了WMO彭濤涌博士和南京信息工程大學(xué)魏鳴教授的指導(dǎo)，在此深表感謝。