玉屏縣2018-07-01強(qiáng)降水天氣過程機(jī)制分析

廖洪敏，何 為，石 薇，武金霖，羅俊祎，胡 蓉

(貴州省玉屏侗族自治縣氣象局，貴州 玉屏 554000)

0 引言

隨著全球變暖，各種極端天氣事件發(fā)生了明顯變化。近50 a我國區(qū)域降水總體呈現(xiàn)南多北少，東多西少的氣候特征[1]。貴州位于我國西南地區(qū)云貴高原東部，貴州地區(qū)海拔高，緯度較低，地形復(fù)雜，在西南季風(fēng)和東亞季風(fēng)的共同影響下，地域氣候特征差異明顯，氣候多變，旱澇災(zāi)害頻發(fā)。近50 a，貴州地區(qū)降水主要呈現(xiàn)南多北少的分布特征，貴州高原地區(qū)降水量有下降的趨勢，但汛期日降水量略有上升，貴州地區(qū)汛期強(qiáng)降水事件頻次有所增加[2-5]。夏季副熱帶高壓的穩(wěn)定是形成持續(xù)性暴雨的重要大氣環(huán)流條件，不同尺度系統(tǒng)之間存在著相互作用并相互制約。大氣層結(jié)的穩(wěn)定性以及地形作用都對暴雨的形成和維持起到重要作用[6-7]。

銅仁市位于貴州東北部武夷山地區(qū)，地形以山地為主。降水相對于南部地區(qū)較少，但短時(shí)強(qiáng)降水過程造成的災(zāi)害仍然不可小覷，短時(shí)強(qiáng)降水由于較高的降水量易引發(fā)洪澇災(zāi)害，對社會(huì)生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。暴雨降水時(shí)間短，降水強(qiáng)度大，汛期暴雨災(zāi)害嚴(yán)重危及人民生活[8-9]。

玉屏縣地理特殊，處于銅仁最南部，黔東南州最北處，根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，影響銅仁、黔東南州的天氣系統(tǒng)基本上從玉屏邊緣擦邊而過，影響系統(tǒng)的位置變化存在不確定性，因此玉屏的暴雨預(yù)報(bào)相對困難。2018年7月1日玉屏縣大暴雨天氣過程具有局地性，回波突然增強(qiáng)并在玉屏上空維持，因此從省、市、縣三級都存在漏報(bào)，為了解本次大暴雨天氣過程的影響原理，本文對玉屏縣此次強(qiáng)降水天氣過程機(jī)制進(jìn)行分析，為玉屏縣強(qiáng)降水的天氣預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 資料和方法

使用2018年7月1日08時(shí)—7月2日08時(shí)貴州省銅仁市玉屏縣站點(diǎn)總降水量資料。2018年7月1日00時(shí)—7月2日18時(shí)的ECMWF的再分析資料ERA-interim，時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，使用的物理變量包括多層水平風(fēng)、位勢高度、比濕、相對濕度、氣溫、垂直速度。

從大氣環(huán)流背景、水汽條件、動(dòng)力條件和不穩(wěn)定條件等角度對此次強(qiáng)降水過程進(jìn)行分析，應(yīng)用基本的分析方法，理解認(rèn)識產(chǎn)生強(qiáng)降水過程的物理機(jī)制，總結(jié)強(qiáng)降水的觸發(fā)條件，并加深對貴州東北部地區(qū)強(qiáng)降水事件的認(rèn)識。

2 天氣實(shí)況

2018年7月1日08時(shí)—2日08時(shí)，玉屏縣普降大到暴雨，局地大暴雨，其中丙溪1站大暴雨，玉屏、混寨、安坪、翁陽等7站暴雨，其余站為大雨。以丙溪累計(jì)降水量122.2 mm最大。強(qiáng)降雨主要集中在1日16—22時(shí)之間，1 h最大雨量：丙溪82.2 mm(19—20時(shí))、大興48.9 mm(17—18時(shí))。災(zāi)害情況：此次洪澇災(zāi)害共造成269 hm2農(nóng)田受災(zāi)，嚴(yán)重?fù)p壞房屋19間，一般損壞為10間，其中嚴(yán)重?fù)p壞農(nóng)房數(shù)8戶，一般損壞農(nóng)房數(shù)4戶。無人員傷亡。農(nóng)作物受災(zāi)269 hm2，其中農(nóng)作物受災(zāi)97 hm2，農(nóng)作物絕收為10 hm2。直接經(jīng)濟(jì)損失199.8萬元，其中農(nóng)業(yè)損失189.5萬元，家庭財(cái)產(chǎn)損失10.3萬元。

3 雷達(dá)回波分析

2018年7月1日16時(shí)，鎮(zhèn)遠(yuǎn)、岑鞏地區(qū)開始生成回波，并逐漸加強(qiáng)維持，17時(shí)左右減弱，18—19時(shí)又進(jìn)一步加強(qiáng)，并在玉屏南部維持。在降水的最強(qiáng)時(shí)段(圖1)，回波維持2 h，玉屏周邊區(qū)縣基本不存在較強(qiáng)的回波。根據(jù)丙溪處反射率因子剖面圖(圖2)，對流發(fā)生的高度較低，沒有冰雹形成。21時(shí)33分回波開始減弱，22時(shí)左右趨于結(jié)束。下文將分析本次強(qiáng)對流事件生成和維持的機(jī)制。

圖1 強(qiáng)降水過程最強(qiáng)時(shí)段0.5仰角反射率因子(右下角紅字為時(shí)間)Fig.1 0.5 Elevation angle reflectivity factor in the climax stage of heavy precipitation (the red text in the lower right corner denotes time)

圖2 強(qiáng)降水過程最強(qiáng)時(shí)段丙溪處反射率因子剖面圖(右下角紅字為時(shí)間)Fig.2 Cross-sectional of reflectivity factor in the climax stage of the strong precipitation at Bingxi (the red text in the lower right corner denotes time)

4 大氣環(huán)流背景

對流層中低層大氣環(huán)流顯示，7月1日12時(shí)500 hPa位勢高度場(圖3a)亞洲中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”型，青海東南部與四川西北部交界附近以及江蘇附近存在高空槽，孟加拉灣地區(qū)存在反氣旋性切變，中國東海東南部存在閉合性低壓。玉屏縣附近上空為西南氣流與偏西氣流的交匯處，云南省與貴州省交界附近為槽，在500 hPa位勢高度場上，玉屏縣位于槽前脊后，為西南風(fēng)控制，西南氣流將暖濕的水汽輸送至玉屏縣附近，提供充足的水汽條件。700 hPa位勢高度場(圖3b)中國東海東南部存在閉合性低壓，低緯地區(qū)為平直西風(fēng)帶，孟加拉灣地區(qū)為反氣旋性切變，云南省與貴州省交界附近有明顯的西北風(fēng)—西南風(fēng)切變，玉屏縣位于低空槽前脊后，通過孟加拉灣地區(qū)的“西南風(fēng)—西風(fēng)帶—西南風(fēng)”將暖濕水汽輸送至玉屏縣。850 hPa位勢高度場(圖3c)與700 hPa類似，云貴兩省交界處存在西北風(fēng)—西南風(fēng)切變，孟加拉灣地區(qū)的南風(fēng)氣流向貴州地區(qū)輸入充沛的水汽。

7月2日12時(shí)500 hPa位勢高度場(圖3d)與7月1日12時(shí)大氣環(huán)流背景相似，孟加拉灣地區(qū)仍為反氣旋性環(huán)流，但風(fēng)場加強(qiáng)，云南地區(qū)為西北氣流主導(dǎo)，貴州省為西南氣流控制，兩省交界附近的槽加深。700 hPa位勢高度場(圖3e)孟加拉灣地區(qū)為明顯的反氣旋性切變，風(fēng)速較7月1日12時(shí)加強(qiáng)，貴州東北部位于槽前脊后，在云南、貴州附近的槽加深，整個(gè)貴州仍為西南氣流主導(dǎo)，有明顯的切變線在云貴兩省附近，水汽被西南風(fēng)輸送至玉屏縣。850 hPa位勢高度場(圖3f)貴州地區(qū)出現(xiàn)偏北風(fēng)，意味著水汽條件不利于降水。

綜上所述，從7月1日12時(shí)—7月2日12時(shí)，玉屏縣對流層中層(500 hPa)受西南風(fēng)主導(dǎo)。在貴州省與云南省交界處，對流層低層(700 hPa和850 hPa)存在明顯的西北風(fēng)—西南風(fēng)的切變，這是導(dǎo)致暴雨形成的主要天氣系統(tǒng)。貴州東北部玉屏縣位于槽前脊后，槽前正渦度平流有利于地面氣旋發(fā)展，地面輻合加強(qiáng)，高空輻散，上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，垂直運(yùn)動(dòng)有利于對流降水的觸發(fā)。此外，700 hPa西南風(fēng)有利于將來自孟加拉灣的暖濕空氣輸送至玉屏縣地區(qū)。

5 熱力作用

5.1 水汽條件

強(qiáng)降水事件的發(fā)生除了需要具備有利的大尺度環(huán)流條件(風(fēng)場、環(huán)流場)外，水汽條件也是重要因子。從相對濕度的時(shí)間演變—高度場來看(圖4),從7月1日06時(shí)開始，對流層中低層(800～850 hPa)已經(jīng)具備充足的水汽條件，相對濕度在90%以上，從低層到高層數(shù)值降低，而到400 hPa以上之后又逐漸增加，推測低層水汽增加后，垂直運(yùn)動(dòng)將低層的水汽向上輸送至200 hPa左右產(chǎn)生輻散運(yùn)動(dòng)。

圖3 2018年7月1日12時(shí)—2日12時(shí)500 hPa、700 hPa、850 hPa位勢高度場(黑色等值線，單位：gpdm)Fig.3 Geopotential height (black contour, Unit: gpdm) and wind field (vector, Unit: m·s-1) at 500 hPa,700 hPa，850 hPa on 12∶00 p.m. July 1, 2018 and 12∶00 p.m. July 2, 2018

對流層低層最大相對濕度出現(xiàn)在7月1日18時(shí)之后(100%)，而200 hPa出現(xiàn)的最大相對濕度也是在7月1日18時(shí)之后(100%)，維持至7月2日00時(shí)，濕度條件很好地對應(yīng)玉屏縣在7月1日20—21時(shí)出現(xiàn)最大降雨量。7月2日00時(shí)開始，高層的相對濕度逐漸減小，這說明高層的水汽逐漸減少，降水強(qiáng)度將開始減弱。

圖4 2018年7月1日00時(shí)—7月2日18時(shí)，玉屏縣相對濕度(單位：%)的時(shí)間演變—高度圖Fig.4 Temporal evolution-height profile of relative humidity over Yuping County (Unit: %) from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018ht

水汽通量(水汽通量散度)的時(shí)間演變—高度場(圖5)中，從7月1日00時(shí)開始有水汽通量的匯入，數(shù)值在7～10 g·s-1·hPa-1·cm-1之間，直到7月2日00時(shí)，水汽通量數(shù)值在對流層低層超過18 g·s-1·hPa-1·cm-1，玉屏縣地區(qū)存在源源不斷的水汽匯入，這是形成暴雨的必備條件之一。在7月2日12時(shí)之后仍存在較大的水汽通量，但僅有水汽從源地匯入玉屏地區(qū)仍不足以解釋暴雨的生成，同時(shí)需要水汽通量輻合才能形成上升運(yùn)動(dòng)，繼而導(dǎo)致強(qiáng)降水。

7月1日00時(shí)玉屏縣地區(qū)開始出現(xiàn)水汽輻合，7月1日06時(shí)在對流層低層800 hPa左右達(dá)到最大值在-4×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，7月1日18時(shí)—7月2日00時(shí)，對流層高層200 hPa左右出現(xiàn)較強(qiáng)的水汽輻散。這說明在7月1日00時(shí)之后開始出現(xiàn)水汽匯入并伴隨著水汽輻合，7月1日18時(shí)以后低層出現(xiàn)強(qiáng)的水汽輻合，高空水汽輻散，這與相對濕度的分布相匹配，所以導(dǎo)致強(qiáng)對流的爆發(fā)。到7月2日00時(shí)，又在750 hPa附近出現(xiàn)一個(gè)水汽輻合的大值中心，輻合中心較之前的位置略微抬升，強(qiáng)度約為-5×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，但是高層的水汽輻散并不明顯，說明此時(shí)降水強(qiáng)度減弱。在7月2日12時(shí)之后高層的水汽輻散已經(jīng)消失，850 hPa有明顯的輻散，700 hPa有較弱的輻合，這種水汽通量散度的分布是不能維持暴雨的。

圖5 2018年7月1日00時(shí)—7月2日18時(shí)玉屏縣水汽通量(陰影)與水汽通量散度(等值線)的時(shí)間演變—高度圖Fig.5 Temporal evolution-height profile of water vapor flux (shading) and water vapor flux divergence (contour) over Yuping County from 12∶00 p.m.July 1 to 18∶00 p.m.July 2, 2018

5.2 假相當(dāng)位溫條件

假相當(dāng)位溫隨高度的變化可以反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度的狀況，當(dāng)假相當(dāng)位溫隨高度升高而減小時(shí)，說明大氣對流不穩(wěn)定，易發(fā)生對流性天氣。

假相當(dāng)位溫的時(shí)間演變—高度圖(圖6)顯示，7月1日的00時(shí)出現(xiàn)對流不穩(wěn)定現(xiàn)象，假相當(dāng)位溫在400 hPa以下隨高度升高而降低，假相當(dāng)位溫最小值出現(xiàn)在7月1日18時(shí)—7月2日00時(shí)之間，位于550 hPa附近。同時(shí)對流最不穩(wěn)定時(shí)間出現(xiàn)在7月1日18時(shí)—7月2日00時(shí)附近，由于此時(shí)間段內(nèi)的假相當(dāng)位溫的垂直梯度最大，即大氣處于最不穩(wěn)定的狀態(tài)。這樣的對流不穩(wěn)定條件配合著水汽匯入以及對流層低層強(qiáng)烈的水汽通量輻合(高層輻散)，有利于觸發(fā)強(qiáng)降水事件。

圖6 2018年7月1日00時(shí)—7月2日18時(shí)，玉屏縣假相當(dāng)位溫(單位：K)的時(shí)間演變—高度圖Fig.6 Temporal evolution-height profile of potential pseudo-equivalent temperature (unit: K) over Yuping County from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018. Abscissa axis is temporal evolution, ordinate axis is height

5.3 濕靜力能(MSE)

如若MSE隨高度減小，表示大氣不穩(wěn)定；反之，則為穩(wěn)定。MSE在對流層低層及高層數(shù)值較大，在對流層中層數(shù)值較小，呈“弓狀”結(jié)構(gòu)(圖7a)，即在7月1日00時(shí)玉屏縣地區(qū)對流層低層存在對流不穩(wěn)定條件。在圖7b～7d的異常MSE垂直廓線中，重力勢能gz的量級相對于其他幾項(xiàng)較小，所以在此不做討論。對流層中低層(850～500 hPa)MSE受潛熱能主導(dǎo)，高層(400～100 hPa)受內(nèi)能主導(dǎo)。

7月1日00時(shí)的MSE最小值位于550 hPa左右，從7月1日12時(shí)開始，低層(850～750 hPa)不穩(wěn)定加強(qiáng)，而750～600 hPa左右，不穩(wěn)定稍減弱，600～400 hPa增強(qiáng)。在7月2日00時(shí)，低層不穩(wěn)定增強(qiáng)達(dá)到最大(850～750 hPa變化1.5×103J/kg)，同時(shí)中層不穩(wěn)定也達(dá)到最大，這種不穩(wěn)定狀況伴隨著本次玉屏縣最強(qiáng)對流的出現(xiàn)，隨后7月2日12時(shí)不穩(wěn)定狀態(tài)衰減，不穩(wěn)定狀況與降水的同步表明MSE的變化可以解釋降水的發(fā)生和發(fā)展。

6 動(dòng)力作用

6.1 垂直運(yùn)動(dòng)條件

觸發(fā)強(qiáng)降水事件除了需要充分的大尺度環(huán)流和水汽條件外，還須具備有利對流發(fā)生的動(dòng)力條件。首先，垂直運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致強(qiáng)對流發(fā)生的一個(gè)充分必要條件，垂直運(yùn)動(dòng)一方面會(huì)向上輸送水汽、熱量、動(dòng)量等，另一方面由于垂直運(yùn)動(dòng)與大氣的絕熱變化和水平輻合輻散緊密聯(lián)系，所以分析垂直運(yùn)動(dòng)是理解強(qiáng)降水發(fā)生機(jī)制的重要因子。

從垂直運(yùn)動(dòng)的時(shí)間演變—高度圖(圖8)發(fā)現(xiàn)，7月1日00時(shí)玉屏縣出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)，到7月1日06時(shí)先出現(xiàn)一個(gè)上升運(yùn)動(dòng)最大值區(qū)，中心位于450 hPa附近，強(qiáng)度可達(dá)到-0.2 hPa·s-1。在接下來的6 h內(nèi)，低層700 hPa以下仍然是上升運(yùn)動(dòng)，但在600～300 hPa出現(xiàn)了下沉運(yùn)動(dòng)，由此對流分布導(dǎo)致的降水不會(huì)很強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)只能將低層的水汽輸送至700 hPa左右，而高層得不到充足的水汽，所以垂直運(yùn)動(dòng)配置在此時(shí)間段并不利于強(qiáng)降水的形成。從7月1日15時(shí)—7月2日06時(shí)，玉屏縣上空為上升運(yùn)動(dòng)控制，上升運(yùn)動(dòng)迅速加強(qiáng)，低層上升運(yùn)動(dòng)明顯強(qiáng)于之前的時(shí)刻，最大值可達(dá)到-0.4 hPa·s-1，在7月1日18時(shí)—7月2日00時(shí)，高層350 hPa附近有最大值約為-0.2 hPa·s-1，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)配合充足的水汽匯入以及對流不穩(wěn)定條件，導(dǎo)致玉屏縣發(fā)生強(qiáng)降水事件。

圖7 (a)2018年7月1日00時(shí)玉屏縣濕靜力能的垂直廓線，(b)～(d)分別是7月1日12時(shí)、7月2日00時(shí)和7月2日12時(shí)與7月1日00時(shí)的差值(單位：103 J·kg-1)Fig.7 (a) The vertical profile of the MSE over Yuping County at 12∶00 p.m. July 1 2018, (b-d) is at 12 a.m. July 1, 12∶00 p.m. July 2, and 12 a.m. July 2 relative to MSE at 12∶00 p.m. July 1, respectively (unit: 103 J·kg-1)

圖8 2018年7月1日00時(shí)—7月2日18時(shí)，玉屏縣垂直運(yùn)動(dòng)(單位：hPa·s-1)的時(shí)間演變—高度圖Fig.8 Temporal evolution-height profile of vertical velocity (unit: hPa·s-1) over Yuping County from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018. Abscissa axis is temporal evolution, ordinate axis is height

6.2 散度條件

由于垂直運(yùn)動(dòng)和大氣的輻合輻散緊密相連，上升運(yùn)動(dòng)通常會(huì)伴隨著低層輻合、高層輻散，反之下沉運(yùn)動(dòng)伴隨低層輻散。分析散度場的演變對解釋強(qiáng)降水發(fā)生機(jī)制具有重要作用，散度大于0代表大氣輻散，小于0代表大氣輻合。

散度的時(shí)間演變—高度圖(圖9)顯示，從7月1日00時(shí)，配合著垂直上升運(yùn)動(dòng)，對流層低層出現(xiàn)水平輻合，并隨高度升高而減小。至7月1日12時(shí)，中高層出現(xiàn)輻散運(yùn)動(dòng)，并隨時(shí)間推移(至7月2日00時(shí))加強(qiáng)，在200 hPa出現(xiàn)一個(gè)輻散中心，對應(yīng)時(shí)間為7月1日18時(shí)—7月2日00時(shí)之間，大小約為6×10-5·s-1，對流層低層存在強(qiáng)的輻合運(yùn)動(dòng)，數(shù)值達(dá)到-5×10-5·s-1，低層的強(qiáng)輻合與高層的強(qiáng)輻散互相配合，有利于形成強(qiáng)烈的抽吸，加劇上升運(yùn)動(dòng)。結(jié)合垂直運(yùn)動(dòng)(圖8)演變，7月1日18時(shí)—7月2日00時(shí)玉屏縣存在強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，與對流層高低層的散度場相配合，對應(yīng)于強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)段，說明動(dòng)力條件是導(dǎo)致此次強(qiáng)降水發(fā)生的重要因子。

圖9 2018年7月1日00時(shí)—7月2日18時(shí)玉屏縣散度場(單位：10-5·s-1)的時(shí)間演變—高度圖Fig.9 Temporal evolution-height profile of divergence (unit: 10-5·s-1) over Yuping County from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018. Abscissa axis is temporal evolution, ordinate axis is height

7 結(jié)論

①此次玉屏縣強(qiáng)降水事件發(fā)生初期，對流層中低層為西南風(fēng)，并存在西北風(fēng)與西南風(fēng)的切變線，槽前的正渦度平流有利于對流的觸發(fā)，來自孟加拉灣的暖濕空氣為強(qiáng)降水提供充足的水汽。

②此次強(qiáng)降水發(fā)生至結(jié)束期間，對流層中低層具備充足的水汽匯入，低層存在強(qiáng)的水汽通量輻合，高層為水汽通量輻散，有利于強(qiáng)降水發(fā)生。同時(shí)大氣對流不穩(wěn)定條件(假相當(dāng)位溫和MSE)也有利于強(qiáng)對流爆發(fā)。

③整個(gè)強(qiáng)降水過程中，玉屏縣對流層低層始終存在垂直上升和輻合運(yùn)動(dòng)，并隨時(shí)間加強(qiáng)，降水最強(qiáng)的時(shí)段內(nèi)，低層輻合、高層輻散，上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)，同時(shí)配合大氣對流不穩(wěn)定條件與水汽通量的輻合，導(dǎo)致對流在短時(shí)間內(nèi)迅速得到發(fā)展，形成強(qiáng)降水。