一次低渦暴雨過程的診斷分析

夏 蘩

(重慶市氣象臺，重慶 401147)

引言

暴雨是川渝地區(qū)主要的災(zāi)害性天氣之一，其中西南低渦是造成川渝地區(qū)暴雨的重要天氣系統(tǒng)之一[1]。氣象工作者對川渝地區(qū)的低渦暴雨的形成機(jī)制、演變過程開展了較多的研究，取得了豐富的研究成果[2-13]。盧萍等[14]對重慶地區(qū)2008～2010年的西南低渦暴雨進(jìn)行了統(tǒng)計，將低渦的移動路徑分為偏東型、東北路型和停滯少動型，并發(fā)現(xiàn)不同移動路徑下的低渦其降水落區(qū)主要位于低渦中心附近。宋雯雯、李琴、程曉龍等[15-18]選取質(zhì)量散度、對流渦度矢量、廣義濕位溫等多個物理量對高原低渦、西南低渦等多個天氣系統(tǒng)造成的暴雨落區(qū)進(jìn)行診斷，結(jié)果表明物理量高值區(qū)與暴雨落區(qū)有較好的對應(yīng)，對川渝地區(qū)低渦暴雨的發(fā)展和演變有很好的指示意義。高篤鳴等[19]通過同化西南渦加密探空資料，對西南渦形成、維持機(jī)制以及降水有了更好的認(rèn)識。傅慎明[20]利用位渦方程對凝結(jié)潛熱的作用進(jìn)行了討論，結(jié)果表明西南低渦與暴雨凝結(jié)潛熱之間存在正反饋作用。

低渦強(qiáng)降水常在重慶造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，如2020年6月20～23日的強(qiáng)降雨過程造成重慶綦江出現(xiàn)1998年以來最大洪峰，造成了較大社會影響。目前，對于川渝地區(qū)低渦暴雨過程中的水汽收支以及運用WRF模式對低渦暴雨演變過程中能量分布和云物理降水機(jī)制的探討較少。2016年6月30日～7月1日重慶出現(xiàn)一次較強(qiáng)區(qū)域暴雨天氣過程，此次過程造成奉節(jié)、墊江、萬州、忠縣等地受災(zāi)，受災(zāi)人口達(dá)21萬人，死亡3人，轉(zhuǎn)移安置6414人；農(nóng)作物受災(zāi)面積8062.2公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失約2.1億元。本文選取此次發(fā)生在重慶的低渦暴雨過程，計算了該過程的水汽收支，再利用WRF模式模擬的結(jié)果，分析低渦不同發(fā)展階段的能量分布以及云內(nèi)各粒子的分布和轉(zhuǎn)化規(guī)律，為今后業(yè)務(wù)上提高低渦暴雨的天氣預(yù)報提供有價值的參考。

1 實況特征與環(huán)流背景

1.1 降水實況

2016年6月30日～7月1日，重慶普降大雨到暴雨，部分地區(qū)大暴雨。從30日02時(北京時，下同)～1日02時的累積降水量圖(圖1)可以看出，此次過程39個區(qū)縣776個雨量站達(dá)暴雨，22個區(qū)縣403個雨量站達(dá)大暴雨，最大降雨出現(xiàn)在忠縣松嶺村為265.4mm，其次是大足騎勝村249.9mm。暴雨落區(qū)成東北-西南向帶狀分布，兩個強(qiáng)降水中心分別位于渝西和渝東北。最大小時雨量出現(xiàn)在6月30日09時忠縣松嶺村58.4mm/h，主要降水時段為30日05～15時。分析發(fā)現(xiàn)，此次過程具有持續(xù)時間較長，范圍廣，降水效率較高等特點。

1.2 環(huán)流形勢

從6月29日20時～7月1日08時的200hPa平均風(fēng)場和500hPa平均位勢高度場來看(圖2)，200hPa重慶位于高空急流軸的右側(cè)，存在反氣旋性彎曲，重慶上空為輻散區(qū)；500hPa中高緯呈“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，弱脊位于烏拉爾山以東，50°～60°N存在兩個閉合的低渦中心，副熱帶高壓(以下簡稱副高)強(qiáng)盛呈東西向帶狀分布，控制我國華南地區(qū)，120°E副高脊線位于25°N，重慶處于副高外圍西南氣流中，高原上空有波動槽發(fā)展，引導(dǎo)冷渦后部弱冷空氣侵入四川盆地，與副高北側(cè)的暖濕空氣交匯產(chǎn)生強(qiáng)降水，高層抽吸作用增強(qiáng)抬升運動有利于強(qiáng)降水的長時間維持。

1.3 低渦系統(tǒng)水平和垂直結(jié)構(gòu)演變

由700hPa背景場和渦度水平分布特征可以看出，30日08時重慶地區(qū)西南風(fēng)發(fā)生氣旋性彎曲，在四川南充有氣旋性環(huán)流生成，但無閉合等高線，說明低渦處于發(fā)展階段，低渦中心值為10×10-5s-1；14時出現(xiàn)完整閉合的等高線，低渦發(fā)展增強(qiáng)，渦度中心值增大至14×10-5s-1，東移至重慶潼南，影響范圍較小；20時低渦向東北方向移動至重慶墊江，低渦影響范圍擴(kuò)大，渦度中心值為12×10-5s-1(圖3a-c)。由經(jīng)低渦中心的渦度、散度和速度場的垂直結(jié)構(gòu)演變可見：08時400hPa以下有正渦度發(fā)展，中心位置位于104°～106°E上空，渦柱向西傾斜，低渦中心600hPa以下為輻合區(qū)，500hPa以上為輻散區(qū)，輻合輻散區(qū)向東傾斜；14時渦度中心明顯增強(qiáng)，渦度柱逐漸垂直，108°～112°E上空500hPa以上存在向東傾斜的渦度柱，低渦中心輻合區(qū)向下發(fā)展，輻合區(qū)走向與渦度柱一致，輻合強(qiáng)度和上升運動顯著增強(qiáng)；20時渦柱東移與108°～112°E上空的渦度柱合并，演變成東北西南向的渦度柱，整層渦度強(qiáng)度維持，除118°N附近800hPa以下有弱輻合外，渦度柱內(nèi)為出現(xiàn)輻散和下沉運動(圖3e-g)。綜合上述已有特征，為了方便研究，本文分別將6月30日08～14時低渦所處階段定義為低渦發(fā)展階段，將14～20時低渦所處階段定義為成熟階段，將20時之后低渦所處階段定義為消亡階段。

從以上可知，造成以此強(qiáng)降水過程的影響系統(tǒng)主要是200hPa高空急流、500hPa短波槽、700hPa低渦和低空急流。高層抽吸作用維持有利于低層對流發(fā)展，低層盛行偏南風(fēng)暖濕氣流輸送明顯，是造成此次強(qiáng)降水維持的根本原因。

2 低層水汽輸送特征與收支狀況

充足的水汽存儲是暴雨發(fā)生的必要條件[21]，從此次暴雨過程700hPa和850hPa的平均水汽通量輸送分布可知(圖略)，700hPa上水汽主要由西南氣流在孟加拉灣北部轉(zhuǎn)向西北方向，繞高原東南側(cè)輸送到我國西南地區(qū)，另外南風(fēng)氣流在南海經(jīng)中南半島北部折向東北方向，兩支氣流交匯，30日08時重慶處于強(qiáng)水汽輸送帶中，渝西與渝東北位于水汽輻合區(qū)，中心值達(dá)分別為-4×104g.hPa-1.s-1和-2×104g.hPa-1.s-1；850hPa上西南氣流在孟加拉灣北部轉(zhuǎn)向東北方向經(jīng)中南半島，與南海南部寬廣的南風(fēng)氣流在110°E附近匯合，向長江流域以南地區(qū)輸送水汽。14時，700hPa和850hPa上渝西和渝東北均存在兩個水汽輻合大值區(qū)，兩層上的水汽輻合中心重合且都與西部和東北部暴雨區(qū)的位置相對應(yīng)，濕層深厚造成兩地出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。可見，孟加拉灣和南海是此次低渦暴雨過程的水汽源。

單位時間通過垂直于風(fēng)向的底邊為單位長度，高為整層大氣柱的的面積上的總的水汽通量的計算公式為[22-24]：

(1)

緯向水汽輸送通量：

(2)

經(jīng)向水汽輸送通量：

(3)

其中[21-22]：

(4)

(5)

(6)

(7)

水汽量總收支為：Q=QW+QE+QS+QN

q為比濕，g為重力加速度，垂直積分范圍均從地面氣壓積分到300hPa，QW、QE、QS、QN分別為西邊界、東邊界、南邊界、北邊界整層水汽收支情況，λ1、λ2、φ1、φ2分別為各邊界對應(yīng)的經(jīng)緯度，流入為正，流出為負(fù)，圖1矩形框區(qū)為暴雨過程中重慶附近區(qū)域上空水汽收支計算的范圍(25°～35°N，104°～112°E)。

從表1各邊界的水汽收支情況可以看出，南邊界的水汽輸入通量對暴雨過程中水汽的貢獻(xiàn)最大，其次是東邊界，隨著降水的發(fā)生東、南邊界的輸送不斷增大，在30日14時達(dá)到最大之后逐漸減小，西邊界的水汽輸送通量在降水發(fā)生前是流出，降水發(fā)生時為流入狀態(tài)，北邊界是先流入再流出。由整個區(qū)域的水汽輸送可知，水汽通量為流入且逐漸增加再減小，在14時達(dá)到最大，變化趨勢與東、南邊界水汽輸送變化一致。計算各層各邊界水汽收支分布可知，東、南邊界各層都為流入，其中低層水汽輸入通量最大(表2)，東、南邊界各時刻低層水汽輸入占整層水汽輸入通量的60%以上；西邊界在降水發(fā)生前中低層是流出高層為流入，降水發(fā)生后中低層轉(zhuǎn)為流入狀態(tài)；北邊界中高層為流入，低層是先流入再流出。

表1 2016年6月29日20時～7月1日02時暴雨區(qū)域的整層水汽收支

表2 2016年6月29日20時～7月1日02時暴雨區(qū)域的低層水汽收支

3 數(shù)值模擬方案與模擬結(jié)果檢驗

3.1 模擬方案設(shè)計

利用中尺度數(shù)值模式WRF3.9.1對此次低渦暴雨過程進(jìn)行模擬分析，NCEP提供的FNL再分析資料作為模式初始場和邊界條件，采用三重網(wǎng)格雙向嵌套方案，區(qū)域中心位于34.5 °N，104.5 °E，水平分辨率分別為27 km、9 km、3 km，水平格點數(shù)分別為201×161、289×217、481×361，模擬積分時間從2016年6月29日20時開始，至7月1日08時，共36h，時間步長120s，每60min輸出一次結(jié)果。表3列出了模式的具體參數(shù)化方案設(shè)計,下文分析結(jié)果為模式計算第三重區(qū)域的結(jié)果。

表3 模式參數(shù)化方案設(shè)計

3.2 模擬結(jié)果檢驗

圖4是模擬的6月30日02時～7月1日02時24h累積降水量，長江沿線及渝東南各存在一條東北—西南向的暴雨雨帶，渝西和渝東北暴雨落區(qū)預(yù)報范圍較實況偏小，但雨帶的走向和位置與實況比較接近，渝西的大暴雨區(qū)較實況略偏北約0.2°，渝東北的大暴雨區(qū)比實況略偏西約0.1°。模擬的東南部降水比實況偏強(qiáng)，由于降水模擬較為復(fù)雜，受多種因素影響，850hPa上實況急流軸位于廣西至貴州西部一帶，模式預(yù)報急流從廣西發(fā)展至渝湘鄂三省交界處，渝東南位于急流軸出口區(qū)的左側(cè)，動力抬升條件更好，可能是造成降水增幅明顯的原因。同時，模式預(yù)報的500hPa形勢場、700hPa低渦中心位置、演變情況以及移動路徑也與實況較為一致。綜上，模式能較好的模擬出此次低渦暴雨過程的主要影響系統(tǒng)和雨帶位置。

4 低渦降水的大氣環(huán)境場分布和云中各水物質(zhì)含量變化特征

由于低渦在700hPa結(jié)構(gòu)特征顯著，因此選取了700hPa溫度、水汽輸送、潛熱能(E1=Lq)、顯熱能(E2=CPT)4類環(huán)境場參數(shù)[25-27]，分析了環(huán)境背景場對低渦發(fā)生和發(fā)展的影響。由溫度場和水汽輸送分布可以看(圖5)，低渦發(fā)展初期有弱冷空氣經(jīng)四川盆地以偏西路徑侵入低渦底后部，從沙坪壩站風(fēng)向變化也表明有淺薄的冷空氣侵襲；低層貴州西部至渝西的急流維持，有較強(qiáng)的水汽輸送，強(qiáng)盛的西南暖濕氣流與冷空氣相遇，導(dǎo)致凝結(jié)潛熱釋放；此外，低渦發(fā)展前期，已有降水發(fā)生，釋放大量凝結(jié)潛熱。因此，干冷空氣入侵疊加在暖濕氣流上以及降雨過程中凝結(jié)潛熱釋放有利于低渦的發(fā)展和維持[28-29]。

潛熱能的大值區(qū)表明相關(guān)區(qū)域易發(fā)生水汽凝結(jié)。由潛熱能分布可知(圖6)，潛熱能在整個階段一直呈“東南高西北低”分布，低渦中心基本都處于潛熱能高值區(qū)，并在低渦成熟時期，出現(xiàn)了類似逗點云系的分布結(jié)構(gòu)。低渦發(fā)展階段，低渦南部潛熱能大值區(qū)初始呈團(tuán)狀分布，并且與降水區(qū)基本吻合，在向東南擴(kuò)展的同時分裂；低渦成熟階段，潛熱能大值區(qū)逐漸向北延伸，有圍繞低渦呈氣旋式向內(nèi)旋態(tài)勢，在低渦東南側(cè)形成潛熱能大值帶，大值帶在發(fā)展過程中逐漸與低渦中心斷開，但逗點結(jié)構(gòu)的分布還是比較明顯的。因此，在此過程中潛熱能的逗點結(jié)構(gòu)在一定程度上也可以表示低渦的發(fā)展達(dá)到成熟狀態(tài)。顯熱能體現(xiàn)的是空氣團(tuán)的溫度和濕度，可認(rèn)為其大值區(qū)是暖或濕的氣流比較強(qiáng)盛的地區(qū)。由顯熱能分布可知(圖略)，在低渦生成前期，盆地處于顯熱能大值區(qū)；發(fā)展階段至成熟階段低渦西北側(cè)維持較低值，南側(cè)為顯熱能大值區(qū)。說明前期盆地以及低空西南暖濕氣流為低渦提供了高溫高濕的環(huán)境，發(fā)展階段有弱冷空氣入侵，開始出現(xiàn)低值區(qū)。

降水的形成機(jī)制與云系結(jié)構(gòu)、云水資源的分布有密切關(guān)系，因此了解在降雨過程中云中各種濕物質(zhì)的發(fā)展演變十分重要[30-31]。

選取重慶西部(29.4°～30.5°N，105.2°～106.2°E)與東北部(30.4°～31.6°N，107.7°～109.5°E)兩個降雨大值區(qū)為研究區(qū)域，計算所選區(qū)域各水物質(zhì)粒子在兩個區(qū)域的平均值。圖7為6月30日02時～7月1日02時兩個強(qiáng)降雨區(qū)域內(nèi)云中各種濕物質(zhì)的平均積分含量演變，其數(shù)值變化不僅反映了各濕物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)換特征，同時也反映了雨帶的時空演變特征。西部降水在30日07時之前云水含量大于固態(tài)水含量，云水粒子在降水前期先增大后快速減小，在降水后期云水粒子含量在0.3g/kg間上下波動；固態(tài)水與雨水粒子含量變化同步，具有兩個峰值，在08時均達(dá)到頂峰，13時固態(tài)水含量與08時較為接近，但雨水粒子較降水強(qiáng)盛階段小1.2g/kg(圖7a)。東北部區(qū)域降水，在14時之前固態(tài)水含量具有單峰型特征且遠(yuǎn)大于云水粒子，在降水前期與強(qiáng)盛階段雨水粒子與固態(tài)水變化基本一致；降水后期，固態(tài)水含量快速減小，云水含量增加，雨水粒子也有一定的增加(圖7b)。此外，濕物質(zhì)的平均積分含量演變圖也反映了兩個區(qū)域降雨強(qiáng)弱的時間演變，隨著降水系統(tǒng)的發(fā)展，強(qiáng)烈的上升運動和水汽輻合，加快了大氣水分循環(huán)，增加了各水物質(zhì)粒子的量值和相互轉(zhuǎn)化效率，降水隨之增強(qiáng)；之后，由于降水系統(tǒng)的減弱，上升運動和水汽輻合也隨之減弱，各水物質(zhì)粒子的量值和相互轉(zhuǎn)化效率降低，雨量也逐漸減小。

結(jié)合云中各粒子的垂直分布，30日04時(圖8a)，西部云系發(fā)展較高，0℃上下都有云系的發(fā)展，云中固態(tài)粒子的含量略大于液態(tài)水含量。霰粒子含水量最大為0.4g/kg，出現(xiàn)在450hPa；最大雪含水量出現(xiàn)在400hPa，達(dá)0.3g/kg；云水與雨水最大值出現(xiàn)的高度比較接近，說明暖云降水具有一定的貢獻(xiàn)。因此西部降水前期為混合相降水，暖雨過程通過云雨自動轉(zhuǎn)化及碰并增長為雨水；冰相粒子在降落至0℃以下的暖區(qū)逐漸融化直接轉(zhuǎn)變成雨滴，或者與云水碰并增長為雨水下落。由于西部風(fēng)場發(fā)生氣旋性輻合且發(fā)展成低渦，低層暖濕氣流輸送增強(qiáng)，動力抬升增強(qiáng)，過冷層以上的過冷水豐富，西部云系發(fā)展很高，高層冰相粒子以及雨水含量逐漸增多，各相態(tài)水物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化效率也增高。30日08時(圖8b)，云中各粒子達(dá)到最大，高層為雪層，最大出現(xiàn)在350hPa達(dá)1.5g/kg，中層雪含水量豐富最大為1g/kg，云水含量較降水前期只增多0.1g/kg。雪粒子與霰粒子完全融化高度與雨水最大高度值一致，因此強(qiáng)降水時期由雪粒子和霰粒子的融化主導(dǎo)，雨水含量逐漸增多為前期的3倍，但暖雨降水也有一定作用。降水后期(圖略)，冰相粒子與云水粒子同時減小，但冰相粒子減小更快，導(dǎo)致雨水含量隨之減小，因此為混合相降水。從東北部云中粒子的垂直分布可知，30日08時(圖8c)，前期降水云系發(fā)展略低于西部，但基本都位于0℃以上的冷區(qū)。此時液態(tài)水粒子含量較少，雨水最大含量為0.1g/kg，因此東北部降水開始時云系以冷云為主。30日12時(圖8d)，云系發(fā)展強(qiáng)盛，云中冰相粒子含量快速增大，雪粒子明顯大于其他水物質(zhì)，最大出現(xiàn)在400hPa達(dá)1.8g/kg，其下為霰粒子，云水粒子增加不明顯，冷雨過程對東北部降水強(qiáng)盛階段貢獻(xiàn)最大。東北部冰相粒子含量大于西部強(qiáng)降水時期冰相粒子，但雨水含量略小于西部，可能是由于東北部位于低渦東北側(cè)南風(fēng)氣流中，離暖式切變線位置遠(yuǎn)，水汽輻合和垂直運動明顯低于西部，導(dǎo)致0℃以上的冷區(qū)中過冷水滴含量少，沒有豐富的過冷水使冰相粒子增長，因此雨滴轉(zhuǎn)化率低降水效率低。降水后期(圖略)，冰相粒子逐漸減小，云水含量增大，主要表現(xiàn)為暖云降水。結(jié)合30日08時沿渝西大足騎勝村29.7°N和14時渝東北忠縣松嶺村30.4°N云系的垂直剖面圖可以看出(圖略)，兩個區(qū)域云頂高度一致大約為9000m，0℃層高度大約為4500m，云體都為典型的“催化-供給”云，冰晶通過凝華增長轉(zhuǎn)化成雪，雪撞凍過冷云水，收集冰晶和凝華增長轉(zhuǎn)化形成霰，霰靠撞凍過程、收集雪過程長大，從而形成可以降落到云的暖區(qū)融化形成雨水的粒子，促使雨水大量產(chǎn)生[32]。

5 結(jié)論與討論

(1) 此次低渦暴雨過程是由200hPa高空急流、500hPa短波槽、700hPa低渦和低空急流共同作用引起。高層抽吸作用維持有利于低層對流發(fā)展，低層盛行偏南風(fēng)暖濕氣流輸送明顯，是造成此次強(qiáng)降水維持的根本原因。

(2) 孟加拉灣和南海是本次暴雨過程的主要水汽源。南邊界的水汽輸入通量對整個暴雨過程中水汽的貢獻(xiàn)最大，東邊界次之；整個區(qū)域的水汽通量為流入且先增加再減?。坏蛯铀斎胪孔畲?，約占整層水汽輸入通量的60%以上。

(3) 在低渦成熟階段，潛熱能出現(xiàn)逗點云系的分布結(jié)構(gòu)；對流層中層冷空氣侵入、暖濕西南氣流的輸送以及降水產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱釋放等環(huán)境場條件有利于低渦的發(fā)展增強(qiáng)。

(4) 這次低渦暴雨天氣過程，不同區(qū)域不同時段，云物理降水機(jī)制都存在顯著差異。渝西降水前期和后期，均為混合相降水，盛期冷云過程對降水貢獻(xiàn)最大但暖云降水也不可忽略。東北部降水前期云系以冷云為主，盛期冰相粒子含量迅速增大，云水粒子含量低，冷云過程顯著增強(qiáng)，后期以暖云降水為主。

在已有低渦暴雨的研究工作基礎(chǔ)上，本文不僅分析了暴雨過程水汽輸送特征、收支狀況以及云物理降水機(jī)制，對低渦發(fā)展和成熟階段的能量分布開展了研究，證實了冷空氣與降水釋放的凝結(jié)潛熱對低渦發(fā)展有正反饋作用。但是，本文研究仍有較多不足之處，對于低渦發(fā)展和成熟階段動能和有效位能的轉(zhuǎn)化對降雨的影響沒有涉及，以及水汽收支和垂直輸送與降水量的變化關(guān)系也沒有展開分析，以后希望結(jié)合更豐富的觀測資料和高分辨模式資料再做進(jìn)一步研究。