2017年7月廣西柳州一次特大暴雨過程成因分析

藍(lán)柳茹 劉蕾 李亞琴 蘇小玲

摘要? 利用常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析資料和雷達(dá)資料，對柳州2017年7月1—2日的特大暴雨過程進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明，此次強(qiáng)降雨發(fā)生在西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓穩(wěn)定維持的環(huán)流背景下，由高空槽、低渦切變、中低空急流和地面冷空氣共同影響產(chǎn)生。前期降水主要在柳州北部，為暖區(qū)暴雨，降水“列車”效應(yīng)和地形抬升作用顯著;后期降水強(qiáng)度更強(qiáng)，主要在柳州南部，為鋒面降水，對流性降水明顯。低空急流尤其是超低空急流為暴雨提供了充足的水汽。在南壓高壓東側(cè)的強(qiáng)烈“抽吸”作用下水汽上升運(yùn)動強(qiáng)烈發(fā)展，為暴雨提供了有利的動力條件。暴雨發(fā)生前不穩(wěn)定能量累積和中層干冷空氣侵入造成的深厚不穩(wěn)定層結(jié)觸發(fā)了明顯的短時(shí)強(qiáng)降水。

關(guān)鍵詞 高空槽;低渦切變;超低空急流;干冷空氣;深厚的不穩(wěn)定層結(jié)

中圖分類號：P458.121.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）01-045-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.01.018

The Cause Analysis of an Extremely Heavy Rain storm in Liuzhou， Guan gxi Zhuang Autonomous Region in July 2017

LAN Liu-ru? et al（Liuzhou Meteorological Bureau， Liuzhou， Guangxi 545001）

Abstract Based on conventional meteorological data， regional automatic station data， NCEP/NCAR FNL 1°×1° reanalysis data and Doppler radar data， diagnostic analysis of the server heavy rainfall occurred in Liuzhou during 1-2 July 2017 was discussed. The results showed that the heavy rainfall occurred under the circulation background that Western Pacific Subtropical high and South Asia high remained stable. The upper trough， vortex shear line， the jet at the middle lower level and surface cold air gave rise to the excessive rainfall. The prior period rain was warm sector rainfall， locating primarily in the north of Liuzhou， the remarkable rain “train” effect and topographic lifting played an important part in it. The later period rainfall was frontal precipitation， mainly situating in the south of Liuzhou， which was more fierce than the former. Convective precipitation was evident in later period. The low level jet produced plentiful vapor for the formation and continuation of rain gush， especially the supply of the ultra low level jet. Severe ascending air developed strongly under the influence of the “pumping” action in the east of South Asia high， which offered favorable dynamic conditions for the heavy rainfall. The accumulation of atmosphere instability energy before the storm and the deep instability stratification caused by the invasion of the dry cold air triggered obvious short time strong rainfall.

Key words? ?Upper trough; Vortex shear line; Ultra？鄄low？鄄level jet; Dry cold air;Deep instability stratification

暴雨是我國主要自然災(zāi)害之一，常引發(fā)洪水泛濫、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。柳州市處于華南，位于廣西中部偏東北，夏季受東南、西南季風(fēng)和南海季風(fēng)的影響，是廣西暴雨多發(fā)區(qū)。柳州地勢北高南低，以山地和丘陵地貌為主，北部為云貴高原東南緣，西北部地處九萬大山山脈，這使得來自南部的暖濕氣流進(jìn)入柳州后，受北部山脈阻擋而聚集，易產(chǎn)生對流天氣，并引發(fā)洪澇災(zāi)害[1-2]。

華南暴雨的研究備受學(xué)者關(guān)注，目前已有不少研究成果[3-9]。司東等[10]認(rèn)為2005年6月華南強(qiáng)降水和印度季風(fēng)區(qū)降水的共同作用使得副高加強(qiáng)西伸。李博等[11]的地形試驗(yàn)表明，華南地區(qū)數(shù)百米的山地可影響到對流層中上層環(huán)流變化，通過改變局地地形，在特定區(qū)域?qū)⒃斐山貙虞椇吓c上升運(yùn)動的增強(qiáng)。覃衛(wèi)堅(jiān)等[12]指出由桂林市、柳州市北部組成的區(qū)域是廣西高的暴雨同時(shí)發(fā)生區(qū)域，該區(qū)域同一天發(fā)生暴雨的頻率達(dá)到40%以上。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第 5 次評估報(bào)告[13]指出，自19世紀(jì)中期有觀測記錄以來，全球年平均氣溫上升了0.8℃左右。但有研究發(fā)現(xiàn)全球年平均表面溫度上升趨勢自1998年以來顯示出停滯狀態(tài)，即變暖趨緩（hiatus）現(xiàn)象[14]，引起了國際社會的廣泛關(guān)注。近年來，氣候的自然變化和人類活動造成極端天氣氣候異常事件增多，伍紅雨等[15]指出1961—2008年華南平均年和前汛期的暴雨強(qiáng)度有微弱增加趨勢，特別是2005年以來升幅明顯。因此在當(dāng)前新的氣候背景下有必要加深對柳州暴雨過程的研究。

2017年7月1—2日的柳州特大暴雨過程使全城多處被淹、江河水位上漲超警，嚴(yán)重影響了人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。筆者利用Micaps常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析資料，對該過程的環(huán)流背景、動力、熱力等方面進(jìn)行診斷分析，以期揭示此次暴雨過程的成因機(jī)制。

1 降水概況

2017年7月1—2日，柳州市出現(xiàn)了一次大范圍強(qiáng)降水。6月30日20：00至7月2日20：00，柳州市范圍內(nèi)158個(gè)自動站中，過程累計(jì)降水大于100 mm的站點(diǎn)49個(gè)，大于250 mm的站點(diǎn)1個(gè)，出現(xiàn)在鹿寨縣中渡鎮(zhèn)（275.8 mm），最大雨強(qiáng)106.4 mm（2日10：00）也位于該鎮(zhèn)（圖1）。從雨量分布來看，東部降水多于西部。

該過程的主要特點(diǎn)為降水強(qiáng)度猛、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長。強(qiáng)降水時(shí)段分為兩段：前段為6月30日20：00至7月1日20：00，低層切變線從30日20：00左右進(jìn)入黔貴交界并在此徘徊，強(qiáng)降水主要集中在北部的三江、融安和融水（圖2a），其中大暴雨13站、暴雨20站，最大累積雨量位于三江丹州鎮(zhèn)牛浪坡林場（223 mm），最大雨強(qiáng)為59.9 mm，出現(xiàn)在融安縣的大浪鎮(zhèn)（1日04：00）;后段為7月1日20：00至7月2日20：00，北面切變線引導(dǎo)雨帶從2日00：00左右南下進(jìn)入柳州南部，并向偏東南方向移動，降水強(qiáng)度在柳城、鹿寨、柳州、柳江明顯增強(qiáng)（圖2b），特大暴雨1站，大暴雨28站、暴雨60站，最大累計(jì)降雨量為263.6 mm，最大雨強(qiáng)為106.4 mm（2日10：00），均出現(xiàn)在鹿寨中渡鎮(zhèn)。

2 大氣環(huán)流形勢分析

6月30日20：00（圖3a），200 hPa在陜西東南部—貴州中部有一深槽，500 hPa有一低槽處于湖南西部至黔桂交界處，槽前有1～2 gpm的負(fù)變高，槽后為正變高，意味該槽在未來東移，柳州位于槽前正渦度平流中，有利于上升運(yùn)動發(fā)展。850 hPa在重慶有一低渦，伴有冷式切變位于貴州東部至百色一帶，地面輻合線位于黔桂交界處，切變線南側(cè)偏南氣流將南海水汽源源不斷地向北輸送，850～700 hPa低空急流在廣西東北部建立，低空急流的脈動是對流云發(fā)展的動力條件之一。柳州北部正位于高空槽前、低層切變線右側(cè)、低空急流左側(cè)、地面輻合線附近與低層濕舌左前方重疊的區(qū)域，降水十分有利。

7月1日08：00（圖3b），200 hPa深槽東移至湖北西部—貴州中東部， 500 hPa槽東移至湖北東部—桂林—柳州中部，850 hPa切變線仍未明顯南壓，500 hPa槽相對于低層切變線前傾，表明850～500 hPa大氣不穩(wěn)定。地面輻合線已南壓至融安、融水南部。西南急流強(qiáng)度明顯增大，最大風(fēng)速中心在桂林站，700 hPa達(dá)20 m/s，850 hPa達(dá)24 m/s，范圍向東南伸展到廣西中東部，同時(shí)500 hPa中空急流和925 hPa超低空西南急流出現(xiàn)，超低空急流是暴雨所需水汽的最大提供者，對暴雨起著決定性作用。從6月30日20：00至7月1日08：00看，高低層的影響系統(tǒng)均在柳州北部上空，與其最強(qiáng)降水時(shí)段相對應(yīng)，且是在低層南風(fēng)中的暖區(qū)降水。

7月1日20：00（圖3c），200 hPa高空槽底向東南伸展，低層切變線仍在黔桂交界，但500 hPa高空槽東移出柳州，中空和低空急流強(qiáng)度明顯減弱，范圍收縮到廣西東南部，超低空急流消失，因此1日白天至夜間降水強(qiáng)度有所減弱，處于間歇期。

7月2日08：00（圖4a），200 hPa高空槽底略東移至桂林西北部—河池東部，500 hPa又有一低槽在廣西西北部建立，兩槽位置接近，說明槽深厚，柳州再次處于槽前負(fù)渦度平流中，高層輻散加強(qiáng)。850 hPa切變線南壓至桂林南部—柳州中南部—崇左，地面輻合線南移至柳州南部—防城港，兩系統(tǒng)在柳州中南部疊加，強(qiáng)烈的輻合觸發(fā)暖濕氣流抬升。低空急流繼續(xù)維持，中空急流和超低空急流再次出現(xiàn)，水汽供應(yīng)愈加充沛。可見自2日08：00起，柳州南部由于影響系統(tǒng)的南壓逼近，低空急流增強(qiáng)，降水開始逐漸增強(qiáng)，而北部逐漸減弱。2日20：00（圖4b），高空槽已東移到廣西東南部，850 hPa切變線和地面輻合線已南壓出柳州，急流減弱東移，柳州高低層受偏北氣流控制，降水基本結(jié)束。

綜上，此次暴雨是由東移加深的高原槽引導(dǎo)低渦切變線和地面弱冷空氣，配合中低空急流導(dǎo)致的。西太平洋副熱帶高壓在華南沿海的穩(wěn)定維持（圖5a）導(dǎo)致高空槽和切變線移動緩慢，降水時(shí)間較長。200 hPa柳州處于南亞高壓東部分流區(qū)以及急流入口處右后方（圖5b），高層輻散抽吸利于垂直運(yùn)動發(fā)展。與前期環(huán)流對比，后期高空槽更深厚，低層切變線和地面輻合線均疊加在柳州中南部，高低層系統(tǒng)整體配置更好，因此其降水強(qiáng)度比前段北部降水更劇烈。

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件

充足的水汽是形成暴雨的必要條件。850 hPa廣西大部比濕達(dá)14 g/kg以上（圖6a），700 hPa比濕（圖6b）大部達(dá)9 g/kg以上，濕舌呈西南—東北向，尤其是柳州南部處于高值中心附近，表明在降水過程中水汽充沛。另外，6月30日20：00桂林和7月2日08：00梧州T？鄄logp圖（圖7）顯示桂東北上空濕層深厚，T-Td≤4℃的濕層可伸展到400 hPa以上。

水汽通量散度表示水汽集中程度。如圖8所示，6月30日20：00桂北開始處于水汽輻合區(qū)，有分散的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)，水汽通量散度大值區(qū)位于切變線附近，即黔桂交界處。7月1日02：00—08：00，雖低層切變線穩(wěn)定少動，但其南側(cè)西南風(fēng)中有明顯風(fēng)速輻合，水汽通量輻合大值區(qū)仍在桂北，但水汽輻合中心緩慢東移至三江附近且停滯，強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，中心值達(dá)-12×10-8 g/（cm2·hPa·s），此階段柳州北部降水強(qiáng)度達(dá)到最大，最大小時(shí)雨強(qiáng)在融水大浪鎮(zhèn)（59.9 mm）。之后隨著水汽輻合大值區(qū)南移減小，柳州北部降水趨于減弱。

在后段南部降水中，隨著切變線南壓，水汽通量輻合大值區(qū)在7月1日20：00已南移鹿寨—柳州—來賓一帶，隨后停滯并逐漸增大，在2日08：00達(dá)到最大，為-9×10-8 g/（cm2·hPa·s），2日14：00之后，水汽通量輻合中心已南移至廣西中南部，強(qiáng)度明顯減弱。2日08：00—14：00，柳州南部降水強(qiáng)度達(dá)到最大，多站達(dá)50 mm以上，最大出現(xiàn)在鹿寨中渡鎮(zhèn)（6 h累計(jì)雨量為189.5 mm）?？梢?25 hPa的水汽通量及其散度的演變與此次暴雨過程有很好的對應(yīng)關(guān)系，此外，從水汽通量看，水汽源地有2個(gè)，分別在孟加拉灣和南海，以南海為主，水汽通量大值區(qū)位于廣西中東部，在一定程度上也促使柳州東部降水強(qiáng)于西部。

3.2 動力條件

暴雨的產(chǎn)生還需要強(qiáng)的上升運(yùn)動。圖9是降雨過程前后兩階段的暴雨中心三江牛浪坡林場（a）和鹿寨中渡鎮(zhèn)（b）上空垂直速度隨時(shí)間的變化。6月30日20：00開始，牛浪坡林場上空的上升運(yùn)動明顯增強(qiáng)，整層都是上升運(yùn)動，并在7月1日02：00—14：00達(dá)到最強(qiáng)，為-240×10-2 Pa/s，中心位于900～800 hPa，上升運(yùn)動的增大使水汽不斷向上空輸送，凝結(jié)成雨，從而降水增幅、降水強(qiáng)度達(dá)到最大，7月1日20：00以后上升運(yùn)動開始明顯減弱，降水也隨之減小。而鹿寨中渡鎮(zhèn)上空的垂直速度隨時(shí)間的演變恰好與三江牛浪坡林場相反，后半段隨著雨帶的南壓，在7月1日20：00后整層有明顯的上升運(yùn)動，尤其在7月2日06：00—11：00達(dá)到最強(qiáng)，最大值為-100×10-2 Pa/s，位于800～700 hPa，同時(shí)在300 hPa還存在一個(gè)上升速度大值中心，為-80×10-2 Pa/s，比牛浪坡林場高層的垂直速度明顯較大，這在一定程度上說明中渡鎮(zhèn)在整層的動力條件上更好，24 h降水量也比牛浪坡林場多40 mm。

3.3 不穩(wěn)定能量條件

由6月30日20：00桂林和7月2日08：00梧州T？鄄logp圖（圖7）可知，兩站的CAPE面積呈瘦高型，這種分布特征有利于強(qiáng)降水的發(fā)生，但不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)。兩站0～6 km都是一致較強(qiáng)的西南風(fēng)，垂直風(fēng)切變很弱，利于暴雨維持，但不利于高度組織化的深對流系統(tǒng)發(fā)展，因此此次過程大風(fēng)雷暴天氣現(xiàn)象不明顯。兩站風(fēng)向從1 000～200 hPa順轉(zhuǎn)，暖平流勢力強(qiáng)大。從表1可知，兩站的K指數(shù)≥37℃，CAPE值較大，抬升凝結(jié)高度低于925 hPa，具有較高的平衡高度，說明對流所能伸展的高度高，這些環(huán)境條件容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。

假相當(dāng)位溫是表征大氣濕度、壓力、溫度的綜合特征量。在沿109°E的假相當(dāng)位溫（θse）剖面圖（圖10）上，暴雨剛開始發(fā)生時(shí)（6月30日20：00），桂北在700 hPa以下θse隨高度降低，表明大氣低層為不穩(wěn)定層結(jié)，且925 hPa附近等θse密集，說明低層集聚著較大不穩(wěn)定能量。7月1日08：00，高層逐漸有干冷舌向下侵入柳州北部（25°～26°N附近）中層，近地面θse也減小，分布變疏，不穩(wěn)定層結(jié)仍較淺薄。7月1日20：00，隨著第一支高空槽移出，柳州中層已受干冷氣團(tuán)控制，降水釋放凝結(jié)潛熱使柳州（24°～26°N）低層θse增大到356 K，下層更暖濕，造成不穩(wěn)定層結(jié)增厚到500 hPa，高低層θse梯度增大，此時(shí)前段降雨趨于結(jié)束，但不穩(wěn)定能量在加大，為后段降雨儲備好更大的不穩(wěn)定能量。在后階段降雨中，中層干冷空氣自北向南的侵入增加了暴雨區(qū)上空的不穩(wěn)定度，使深厚的不穩(wěn)定層結(jié)持續(xù)（圖10d～e），激發(fā)出的對流性降水更強(qiáng)，最大小時(shí)雨強(qiáng)高達(dá)106.4 mm，這在一定程度上也使后階段降雨強(qiáng)度較前一階段更大。

4 雷達(dá)回波分析

在前段柳州北部強(qiáng)降水期間，7月1日02：00—05：00大于40 dBZ的帶狀回波不斷從西南面向東北方向移到柳州北部，并鑲有 48 dBZ的回波核（圖11a），明顯的列車效應(yīng)和北部山地的動力抬升造成融水西北部—三江東南部一線強(qiáng)降水;從零速度線分析，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，并伴有大于20 m/s的正速度核，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流（圖11b）。在后段柳州南部強(qiáng)降水中，較大的雨強(qiáng)出現(xiàn)在7月2日09：00—10：00，09：02呈折角的零速度線（圖11c）表明鋒面正在鹿寨北部—柳城一帶過境，干冷的西北氣流與暖濕的西南氣流在此交匯劇烈，在低層柳江西南部有大于15 m/s的負(fù)風(fēng)速核，且沿著徑向往測站方向逐漸減小，表明柳州、柳江有西南風(fēng)速輻合，此時(shí)強(qiáng)回波主要在鋒面附近呈東—西帶狀以及西南風(fēng)速輻合區(qū)呈東北—西南帶狀，回波中心強(qiáng)度達(dá)58 dBZ，表明有強(qiáng)烈的中尺度對流云團(tuán)造成顯著的短時(shí)強(qiáng)降水，中渡鎮(zhèn)小時(shí)雨量超過100 mm。

5 結(jié)論

（1）此次暴雨是由青藏高原短波槽東移引導(dǎo)低層切變線，配合中低層西南風(fēng)急流和冷空氣的侵入引起。整個(gè)降水過程發(fā)生在西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓穩(wěn)定的環(huán)流背景下，中緯度低槽東移過程中受副高阻擋，降水時(shí)間較長。

（2）過程分為2個(gè)強(qiáng)降雨時(shí)段，前段暴雨在高空槽東移，地面輻合線配合西南風(fēng)急流增大的過程中發(fā)生，強(qiáng)降水位于柳州北部，降水“列車效應(yīng)”和地形動力抬升明顯，屬于暖區(qū)暴雨;后段暴雨由高空槽、低渦切變線、中低層急流、地面冷空氣共同作用產(chǎn)生，強(qiáng)降水位于柳州南部，屬于鋒面降水。由于后段高空槽更深厚，低層切變線和地面輻合線均疊加在柳州中部、南部，有更深厚的不穩(wěn)定層結(jié)和更強(qiáng)的垂直運(yùn)動，短時(shí)強(qiáng)降水特征明顯，導(dǎo)致降水強(qiáng)度比前段更劇烈。

（3）低空急流尤其是超低空急流的出現(xiàn)為暴雨提供充足的水汽，濕層深厚，南壓高壓東側(cè)的分流輻散區(qū)與低層輻合促使垂直運(yùn)動強(qiáng)烈發(fā)展，為暴雨發(fā)展提供有利的動力條件。強(qiáng)降水的強(qiáng)度、落區(qū)與925 hPa水汽通量輻合、強(qiáng)垂直上升運(yùn)動中心有很好的對應(yīng)關(guān)系，可指示暴雨落區(qū)的移動和發(fā)展。

（4）過程前期積蓄高溫高濕的不穩(wěn)定能量，降水過程中K指數(shù)較高，配合較低的抬升凝結(jié)高度和適中的垂直風(fēng)切變，在中高層有干空氣侵入低層使不穩(wěn)定層結(jié)變深厚，導(dǎo)致暴雨過程中出現(xiàn)多次短時(shí)對流性強(qiáng)降水。

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