低渦切變暴雨環(huán)流特征及物理量特征分析

胡 萍，鐘有萍，冉仙果，楊 群，陳 超

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省沿河縣氣象局，貴州 沿河 565300)

0 引言

暴雨是在有利的大尺度背景下誘發(fā)中尺度系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展造成的[1]。通過(guò)研究暴雨的中尺度環(huán)流特征和中尺度系統(tǒng)對(duì)暴雨的作用，揭示暴雨形成機(jī)制，提高暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全有著不同尋常的意義[2]。

近些年來(lái)，隨著數(shù)值預(yù)報(bào)模式的增多，模式的精細(xì)化，依賴(lài)于數(shù)值預(yù)報(bào)的降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也在提高，但站點(diǎn)上暴雨的空、漏報(bào)現(xiàn)象還是存在。因此研究建立適合本地的小區(qū)域范圍的暴雨預(yù)報(bào)思路和預(yù)報(bào)指標(biāo)是非常有必要的。目前楊群[3]針對(duì)銅仁山區(qū)復(fù)雜地形條件下的小區(qū)域范圍的暴雨已建立一個(gè)預(yù)報(bào)模型，對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率提高有很好的指示意義。本文在此基礎(chǔ)上針對(duì)銅仁主汛期的低渦切變型區(qū)域暴雨做統(tǒng)計(jì)，得出在此天氣尺度背景下暴雨的環(huán)流特征和物理統(tǒng)計(jì)平均值，為此類(lèi)暴雨天氣過(guò)程提供更好的預(yù)報(bào)指示意義，以期提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，減少主汛期暴雨對(duì)民眾、公共財(cái)產(chǎn)的損失。

1 資料

本文研究的銅仁地區(qū)(27.1～29.1°N，107.7～109.5°E)，位于云貴高原向湘西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，地勢(shì)由西北向東南降低，武陵山脈縱貫全區(qū)，江口、印江相鄰的梵凈山將銅仁分為東西兩部分，東部有碧江區(qū)、江口縣、松桃苗族自治縣、玉屏侗族自治縣、萬(wàn)山特區(qū)，西部有思南縣、石阡縣、德江縣、沿河土家自治縣、印江土家族苗族自治縣。地形復(fù)雜，處于中低緯地區(qū)。本文以2009—2018年的自動(dòng)站降雨資料統(tǒng)計(jì)暴雨時(shí)空分布特征，以2013—2017年5—7月的常規(guī)、非常規(guī)觀測(cè)資料，以及NECP資料，統(tǒng)計(jì)分析主汛期分析暴雨環(huán)流型及物理量。

2 銅仁市暴雨日數(shù)空間分布特征

根據(jù)一般降水的級(jí)別定義，日降水量≥50 mm的降水量稱(chēng)為暴雨，以 20—20 時(shí)為暴雨統(tǒng)計(jì)時(shí)段，統(tǒng)計(jì)了銅仁市10個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)2009—2018年近10 a區(qū)域自動(dòng)站暴雨日數(shù)，得出銅仁市暴雨時(shí)空分布特征。

根據(jù)銅仁市近10 a國(guó)家站平均暴雨日數(shù)空間分布(圖1)，銅仁近10 a年平均暴雨日數(shù)為1.833～10.49次，其中江口縣年平均暴雨站次最多，松桃和沿河次之，玉屏最少。在受海拔高度為 2 493 m的梵凈山的影響下，將銅仁市分為東西兩部分，其總體空間分布是中部多，東西少。在中部有一個(gè)多暴雨中心，江口縣為中心；市南部玉屏縣為一個(gè)少暴雨中心。

圖1 銅仁市近10 a國(guó)家站平均暴雨日數(shù)空間分布Fig.1 Spatial distribution of average rainstorm days at the national station in Tongren City in the past 10 years

3 銅仁市暴雨日數(shù)時(shí)間分布特征

貴州暴雨、大暴雨主要集中于夏季，其中季、月、旬中暴雨最集中的時(shí)段是6 月[4-5]，根據(jù)銅仁市近10 a國(guó)家站逐月平均暴雨日數(shù)時(shí)間分布圖來(lái)看(圖2)，暴雨一般出現(xiàn)在3—11月，集中于5—9月(約占89%)，其中6月最多(占28%)， 3月最少(占0.7%)，僅在2013年3月出現(xiàn)過(guò)1次暴雨過(guò)程。一般情況下，暴雨隨著各地雨季的開(kāi)始而發(fā)生，雨季結(jié)束而終止。從暴雨各季出現(xiàn)的情況來(lái)看， 夏季的機(jī)率最大，占全年的62.5%左右；其次為春季，占20%，秋季只為17%，冬季基本沒(méi)有暴雨天氣?？偟内厔?shì)是3—6月逐漸遞增，7—11月逐漸減小。與貴州暴雨大值月份相同。

圖2 銅仁市近10 a國(guó)家站逐月平均暴雨日數(shù)時(shí)間分布Fig.2 Time distribution of monthly average rainstorm days in the national station of Tongren City in the past 10 years

4 造成銅仁暴雨的主要影響系統(tǒng)

采用銅仁市10個(gè)區(qū)縣測(cè)站的2013—2017年共5 a的降雨資料，挑選出至少有2個(gè)縣測(cè)站日降水量≥50 mm，且至少有 2 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動(dòng)站日降水量≥50 mm 作為一次區(qū)域暴雨天氣過(guò)程。5 a共挑選了25次區(qū)域暴雨過(guò)程，其中3次持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程。

通過(guò)對(duì)銅仁市近5 a的暴雨天氣過(guò)程的歸納分析，按照每次過(guò)程的高空500 hPa、700 hPa、850 hPa及地面主要影響系統(tǒng)的綜合配置分析[3]，近5 a銅仁5—7月發(fā)生25次區(qū)域暴雨的過(guò)程(表1)以長(zhǎng)江橫切變型、低渦切變型和冷鋒低槽型為主，其中長(zhǎng)江橫切變型11次(占44%)最多，冷鋒低槽型8次(占32%)次之，低渦切變型6次(占24%)最少。其中長(zhǎng)江橫切變型主要集中在6—7月，副熱帶高壓控制22°N附近，貴州處于副高外圍強(qiáng)西南氣流中；低渦切變型暴雨，整個(gè)汛期都有出現(xiàn)，集中在6月，四川東部低渦東移影響貴州北部，常常造成銅仁暴雨天氣發(fā)生；7月受副熱帶高壓控制，銅仁市以高溫天氣為主，無(wú)冷空氣影響，故冷鋒低槽型暴雨主要發(fā)生在5—6月。臺(tái)風(fēng)倒槽型暴雨和兩高切變型暴雨[3]在5—7月均未出現(xiàn)過(guò)。

表1 逐月影響銅仁的暴雨天氣環(huán)流型Tab.1 Monthly Impact on Tongren's Rainstorm Weather Circulation Type

西南渦主要活動(dòng)路徑有3條：偏東路徑、東南路徑、東北路徑。影響我市的西南渦以東南路徑為主。據(jù)5 a低渦暴雨過(guò)程統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)低渦切變型暴雨都出現(xiàn)了國(guó)家站點(diǎn)上的大暴雨，這容易造成縣城(市區(qū))內(nèi)澇、城市積水，對(duì)縣城(市區(qū))的影響極大。

此文將從低渦切變環(huán)流形勢(shì)對(duì)銅仁造成的區(qū)域暴雨著手討論，將低渦切變分為冷式低渦切變和暖式低渦切變環(huán)流形勢(shì)。

5 低渦暴雨的大氣環(huán)流特征

5.1 冷式低渦切變型暴雨環(huán)流形勢(shì)

特點(diǎn)：發(fā)生時(shí)間以5—6月為主。

分型標(biāo)準(zhǔn)：500 hPa副高脊線穩(wěn)定，多波動(dòng)槽，中低層有明顯的低渦切變，低渦中心在川渝一帶，東移；地面無(wú)明顯鋒面，有弱冷空氣滲透，多以偏北路徑為主，無(wú)明顯降溫，多以低壓內(nèi)的中尺度輻合鋒生影響。發(fā)生頻率是低渦切變型暴雨的33%，以5—6月為主，強(qiáng)降水集中在夜間。

環(huán)流特征和影響系統(tǒng)(圖3)：高空?qǐng)D上，500 hPa西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定，副高脊線位于23～27°N之間，西伸脊點(diǎn)在92～102°E之間，控制貴州省中部以南，副高邊緣西南氣流較為強(qiáng)盛，有利于孟加拉灣和南海洋面的水汽向銅仁輸送；700、850 hPa 低層有明顯低渦切變系統(tǒng)，北支切變南側(cè)有明顯的西南暖濕氣流，北側(cè)也有較強(qiáng)的東北急流，水汽主要來(lái)源于黃海，低渦切變經(jīng)高空槽引導(dǎo)東移影響到銅仁，從而產(chǎn)生暴雨；降水多發(fā)生在熱低壓東北側(cè)(輻合線北側(cè))。

圖3 冷式低渦切變型暴雨環(huán)流配置Fig.3 Cold low vortex shear storm circulation configuration

暴雨落區(qū)：與低層低渦切變系統(tǒng)移動(dòng)路徑和地形分布有關(guān)，暴雨多發(fā)生在低渦的右前方，急流的頂部，地面輻合線的北側(cè)和副高邊緣。當(dāng)?shù)蜏u維持少動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生持續(xù)性暴雨或特大暴雨，強(qiáng)降水集中在夜間。

5.2 暖式低渦切變型暴雨環(huán)流形勢(shì)

特點(diǎn)：發(fā)生時(shí)間以6—7月為主。

分型標(biāo)準(zhǔn)：500 hPa副高脊線穩(wěn)定，中低層有明顯的低渦切變，850 hPa低渦多位于銅仁上空，東移南下；地面多為均壓場(chǎng)，處于暖低壓底部，海上高壓后部。發(fā)生頻率是低渦切變型暴雨的67%，以6—7月為主，強(qiáng)降水集中在夜間，白天降水強(qiáng)于冷式低渦切變型暴雨。

環(huán)流特征和影響系統(tǒng)(圖4)：高空?qǐng)D上，500 hPa西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定，副高脊線位于18～25°N之間，控制廣東—廣西一帶，高空槽較深厚，槽前西南氣流較為強(qiáng)盛，有利于孟加拉灣和南海洋面的水汽向貴州輸送；700、850 hPa 低層有明顯低渦切變系統(tǒng)，850 hPa低渦多位于銅仁上空，與冷渦切變的不同在于，暖渦切變的北支切變南側(cè)有明顯的西南暖濕急流，而來(lái)自東北的氣流較弱，達(dá)不到急流標(biāo)準(zhǔn)，孟灣水汽源對(duì)銅仁的水汽輸送極為有利，高空槽引導(dǎo)低渦切變東移南下影響到銅仁，進(jìn)而產(chǎn)生暴雨；降水多發(fā)生在熱低壓底部(輻合線附近)。

暴雨落區(qū)：暴雨多發(fā)生在低渦的東南部，急流的頂部，地面熱低壓底部(輻合線附近)。當(dāng)?shù)蜏u維持少動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生持續(xù)性暴雨或特大暴雨，如2017年6月22—24日發(fā)生的全區(qū)域持續(xù)性特大暴雨過(guò)程。強(qiáng)降水集中在夜間，白天降水強(qiáng)于冷式低渦切變型暴雨。

圖4 暖式低渦切變型暴雨環(huán)流配置Fig.4 Warm low vortex shear storm circulation configuration

由此可見(jiàn)，冷式低渦切變型暴雨環(huán)流形勢(shì)與暖式低渦切變型暴雨環(huán)流形勢(shì)有異同之處，兩者異同點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 冷式低渦切變型暴雨環(huán)流形勢(shì)與暖式低渦切變型暴雨環(huán)流形勢(shì)異同點(diǎn)Tab.2 Similarities and differences between the cold low vortex shear storm and the warm low vortex shear storm

6 暴雨過(guò)程物理量場(chǎng)特征

暴雨的發(fā)生，不但要有充沛的水汽，還要有源源不斷的水汽輸送并在強(qiáng)對(duì)流區(qū)域輻合[6]；而水汽的輻合主要由低層水汽通量輻合造成，尤其是800 hPa以下的邊界層中占很大比重，可達(dá)1/2以上[7]。

有了充足的水汽條件輸送以外，還需要一定的動(dòng)力條件才能使得水汽輻合的過(guò)程中得到抬升凝結(jié)產(chǎn)生降水，中低層輻合、高層輻散的配置結(jié)構(gòu)，有利于中低層高濕氣流被抽吸到高層，從而增加局地對(duì)流不穩(wěn)定性。

本文通過(guò)25次暴雨過(guò)程篩選出了6次低渦切變型暴雨過(guò)程，上文對(duì)低渦切變暴雨過(guò)程進(jìn)行了環(huán)流形勢(shì)分析，下面提取和計(jì)算 2013—2017 年5—7月低渦切變型暴雨天氣過(guò)程發(fā)生前、發(fā)生時(shí)、發(fā)生后3個(gè)時(shí)期銅仁周邊幾個(gè)格點(diǎn)的水汽條件，動(dòng)力抬升，熱力抬升條件，不穩(wěn)定條件物理量數(shù)據(jù)。提取出了Micaps中的physic的13個(gè)物理量場(chǎng)，包括垂直速度、假相當(dāng)位溫、比濕、溫度露點(diǎn)差、T850～T500的溫度差、K指數(shù)、SI指數(shù)、相對(duì)濕度、水汽通量散度、水汽通量等水汽、抬升、不穩(wěn)定能量資料，采用統(tǒng)計(jì)、聚類(lèi)的方法總結(jié)暴雨發(fā)生前、發(fā)生時(shí)、發(fā)生后周邊及本站點(diǎn)物理量的變化情況，得出了暴雨預(yù)報(bào)的物理量多年統(tǒng)計(jì)平均值。

表3 冷渦切變和暖渦切變暴雨過(guò)程相關(guān)物理量統(tǒng)計(jì)平均值Tab.3 Statistical average of physical quantities related to cold vortex shear and warm vortex shear storm process

由表3可以看出，暴雨發(fā)生物理量特征為：水汽條件在暴雨發(fā)生時(shí)段最大，結(jié)束時(shí)減??；動(dòng)力條件和熱力條件及K指數(shù)在暴雨發(fā)生前、發(fā)生時(shí)兩個(gè)時(shí)段逐漸增大(發(fā)生時(shí)最大)，發(fā)生后減??；其他不穩(wěn)定能量條件沒(méi)有規(guī)律，尤其是CAPE值，多次暴雨過(guò)程的CAPE值始終為0 ℃。

6.1 水汽含量條件及水汽輸送特征

6.1.1 水汽含量條件 比濕是指在一團(tuán)濕空氣中，水汽的質(zhì)量與該團(tuán)空氣總質(zhì)量(水汽質(zhì)量加上干空氣質(zhì)量)的比值。比濕越大，水汽含量越大，越有利于暴雨的水汽供應(yīng)。

由表3可以看出，暖式暴雨發(fā)生過(guò)程的700 hPa比濕較冷式暴雨小，而850 hPa比濕較大，且冷式暴雨的相對(duì)濕度大于暖式暴雨，說(shuō)明冷式暴雨的水汽較暖式暴雨的充足。

6.1.2 水汽輻合 當(dāng)銅仁市在一定的環(huán)流形勢(shì)下，有充足的水汽供應(yīng)時(shí)，其上空的水汽輻合條件為大暴雨提供了有利的條件，水汽輻合主要表現(xiàn)在水汽通量和水汽通量散度上，可以看出，冷式暴雨發(fā)生時(shí)的850 hPa的水汽通量較暖式暴雨大，發(fā)生前、發(fā)生后相反，這與降水后水滴降落水汽減少有關(guān)，說(shuō)明冷式降水時(shí)段較集中，降水局地性強(qiáng)，暖式持續(xù)性強(qiáng)降水居多，850 hPa的水汽通量對(duì)水汽輻合的貢獻(xiàn)更大，所以在預(yù)報(bào)時(shí)主要考慮過(guò)程發(fā)生前低層的水汽通道；在水汽通量散度上，冷式和暖式暴雨發(fā)生時(shí)的850 hPa的輻合比700 hPa的更強(qiáng)。

冷式暴雨的水汽通道主要為廣西—湖南—江西—安徽—江蘇一帶；而暖式暴雨的水汽通道主要為廣西—湖南—江西—浙江一帶，較冷式暴雨略偏南。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)銅仁出現(xiàn)低渦切變型大暴雨過(guò)程時(shí)都處于水汽通量梯度大的區(qū)域，濕舌伸展的左側(cè)(圖5)，且大暴雨區(qū)域處于低層強(qiáng)輻合、高層輻散區(qū)域(圖6，沿暴雨大值區(qū)域作剖面)，暖式暴雨發(fā)生時(shí)的水汽輻合抬升更高，可以到達(dá)600 hPa，冷式暴雨水汽輻合抬升則到750 hPa附近，但兩者的水汽大值輻合中心均在850 hPa附近，且冷式暴雨值更大。

圖5 冷式低渦切變型暴雨(左)和暖式低渦切變型暴雨(右)850 hPa水汽通量場(chǎng)Fig.5 Cold low vortex shear storm (left) and warm low vortex shear storm (right) 850 hPa water vapor flux field

圖6 冷式低渦切變型暴雨(左)和暖式低渦切變型暴雨(右)水汽通量散度場(chǎng)剖面Fig.6 Cold low vortex shear storm (left) and warm low vortex shear storm (right) water vapor flux divergence field profile

6.2 垂直上升條件

當(dāng)銅仁市有充足的水汽條件時(shí)，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)則是暴雨過(guò)程發(fā)生的充分必要條件。黃天福指出在垂直速度圖上可以看出在降雨中心存在著強(qiáng)對(duì)流發(fā)展，伸展高度高，垂直區(qū)域廣的特征[8]?？梢钥闯觯涫奖┯赀^(guò)程發(fā)生后外，渦度幾乎為正值，散度幾乎為負(fù)值，表現(xiàn)為輻合上升。冷式暴雨發(fā)生前的850 hPa的渦度較暖式大，其余時(shí)間的渦度值都比暖式暴雨??；其垂直上升速度大于暖式暴雨(圖7，沿暴雨大值區(qū)域作剖面)，850 hPa的散度絕對(duì)值較暖式小，從垂直運(yùn)動(dòng)條件來(lái)看，說(shuō)明冷式暴雨的垂直運(yùn)動(dòng)局地性強(qiáng)，上升更為劇烈，降水時(shí)段集中，而暖式暴雨則輻合更為強(qiáng)烈，表現(xiàn)為持續(xù)性強(qiáng)降水。

圖7 冷式低渦切變型暴雨(左)和暖式低渦切變型暴雨(右)垂直速度場(chǎng)剖面Fig.7 Cold low vortex shear storm (left) and warm low vortex shear storm (right) vertical velocity field profile

6.3 熱力條件及能量條件分析

有了充足的水汽條件和強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)條件，通過(guò)近5 a的個(gè)例分析，發(fā)現(xiàn)銅仁發(fā)生暴雨時(shí)的上空均為高能高濕區(qū)。可以看出，冷式暴雨發(fā)生前的CAPE值幾乎為0，只有在發(fā)生時(shí)偶會(huì)出現(xiàn)。暖式暴雨發(fā)生前的CAPE值稍大，也有為0的過(guò)程。說(shuō)明CAPE值的大小并不能直接判斷有無(wú)暴雨過(guò)程發(fā)生，其相關(guān)性弱。冷式暴雨的K指數(shù)在37 ℃以上，暖式暴雨的K指數(shù)在39 ℃以上。發(fā)生時(shí)冷式暴雨的SI指數(shù)較暖式暴雨的小，兩者均為負(fù)值。冷式暴雨的假相當(dāng)位溫值小于暖式暴雨，Ky指數(shù)也較小，均為正值。說(shuō)明暖式暴雨的熱力條件和能量條件較冷式暴雨更好。

7 小結(jié)

①銅仁市近10 a暴雨總體空間分布是中部多，東西少。在中部有一個(gè)多暴雨中心，江口區(qū)為中心；市南部玉屏縣為一個(gè)少暴雨中心。

②近5 a銅仁5—7月發(fā)生25次區(qū)域暴雨的過(guò)程以長(zhǎng)江橫切變型、低渦切變型和冷鋒低槽型為主，其中長(zhǎng)江橫切變型11次(占44%)最多，主要集中在6—7月，副熱帶高壓控制22°N附近，貴州處于副高外圍強(qiáng)西南氣流中；冷鋒低槽型8次(占32%)次之，7月受副熱帶高壓控制，銅仁市以高溫天氣為主，無(wú)冷空氣影響，故冷鋒低槽型暴雨主要發(fā)生在5—6月；低渦切變型6次(占24%)最少，整個(gè)汛期都有出現(xiàn)，集中在6月，四川東部低渦東移影響貴州北部，常常造成銅仁暴雨天氣發(fā)生。臺(tái)風(fēng)倒槽型暴雨和兩高切變型暴雨在5—7月均未出現(xiàn)過(guò)。

③冷性低渦切變型暴雨的頻率占低渦切變型暴雨的33%，以5—6月為主，強(qiáng)降水集中在夜間。主要環(huán)流特征：500 hPa高空有短波槽東移，控制貴州省中部以南，中低層有明顯低渦系統(tǒng)，伴有東北急流和西南氣流，地面無(wú)明顯鋒面，有弱冷空氣滲透，多以偏北路徑為主；暴雨多發(fā)生在低渦的右前方，急流的頂部，地面輻合線的北側(cè)和副高邊緣。暖性低渦切變型暴雨的頻率為67%，以6—7月為主，強(qiáng)降水集中在夜間，白天降水強(qiáng)于冷式低渦切變型暴雨。主要環(huán)流特征：500 hPa高空槽東移，控制廣東—廣西一帶；中低層有明顯低渦系統(tǒng)東移南下，伴有強(qiáng)西南急流，低層低渦多位于銅仁上空，地面為均壓場(chǎng)控制或處于熱低壓底部。暴雨多發(fā)生在低渦的東南部，急流的頂部，地面熱低壓底部(輻合線附近)。

④水汽條件在暴雨發(fā)生時(shí)段最大，結(jié)束時(shí)減??；動(dòng)力條件和熱力條件及K指數(shù)在暴雨發(fā)生前、發(fā)生時(shí)兩個(gè)時(shí)段逐漸增大(發(fā)生時(shí)最大)，發(fā)生后減小；其他不穩(wěn)定能量條件沒(méi)有規(guī)律。暴雨的發(fā)生與不穩(wěn)定能量的相關(guān)性不大。

⑤銅仁出現(xiàn)低渦切變型暴雨過(guò)程時(shí)都處于水汽通量梯度大的區(qū)域，濕舌伸展的左側(cè)，且大暴雨區(qū)域處于低層強(qiáng)輻合、高層輻散區(qū)域。