桂北后汛期一次持續(xù)性暴雨天氣過程分析

張凌云，劉 蕾，蘇小玲

(廣西壯族自治區(qū)柳州市氣象局，廣西 柳州 545001)

0 引言

桂北地處華南西北部，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，汛期暴雨多發(fā)，而持續(xù)性暴雨則是引發(fā)江河洪澇的直接原因，造成的災害損失巨大。對于持續(xù)性暴雨的成因和機制，氣象工作者做了較多的研究，取得了很多有意義的重大成果。丁一匯[1]認為，我國暴雨的發(fā)生主要受夏季風、副熱帶高壓和北半球異常大氣環(huán)流等3個大尺度因子的影響。丁治英等[2]認為，我國南方的連續(xù)性暴雨與南亞高壓和高空急流的穩(wěn)定維持有關(guān)，其他學者也有類似的研究結(jié)果[3-4]。許多專家學者研究認為[5-9]，季風涌是引發(fā)我國南方持續(xù)性暴雨的重要環(huán)流系統(tǒng)。華南持續(xù)性暴雨的水汽來源主要有3個，分別是西太平洋的東風轉(zhuǎn)向輸送、南海上空的西南風輸送、索馬里越赤道氣流的西風轉(zhuǎn)向輸送[10-15]。有些學者[16-19]對2005年6月華南的特大持續(xù)性暴雨進行了深入研究，認為此次持續(xù)性暴雨與南半球冷空氣爆發(fā)、南亞高壓、阻塞高壓、副高強度位置等密切相關(guān)。關(guān)于廣西區(qū)域的持續(xù)性暴雨，一些學者也做了研究，李向紅等[20]認為，孟加拉灣旺盛對流對廣西持續(xù)性暴雨具有前兆信號。劉國忠等[21]等認為，副高強度偏強、位置偏西偏南，有利于暖濕氣流向廣西輸送。

本文運用常規(guī)資料、區(qū)域自動站資料以及NECP再分析資料，運用天氣學診斷分析方法，對2017年8月發(fā)生在桂北地區(qū)的一次持續(xù)性暴雨過程進行深入分析，研究其水汽和動力條件，以期為該區(qū)域后汛期發(fā)生的持續(xù)性暴雨預測提供一些參考。

1 暴雨過程概況

2017年8月9—15日，桂北地區(qū)出現(xiàn)了一次持續(xù)性暴雨天氣過程，暴雨主要集中在柳州、桂林兩市，其中14—15日是暴雨范圍最廣、強度最強的降雨時段，14日共有261個區(qū)域站出現(xiàn)暴雨、109站出現(xiàn)大暴雨、12站出現(xiàn)特大暴雨，15日共有200個區(qū)域站出現(xiàn)暴雨、63站出現(xiàn)大暴雨、1站出現(xiàn)特大暴雨。據(jù)統(tǒng)計，此次持續(xù)暴雨過程最大累積雨量達到873.6 mm(圖1a)，出現(xiàn)在融水縣香粉鄉(xiāng)，最大24 h雨量達到482.1 mm(圖1b)，最大小時雨量為14日03時的93.4 mm，出現(xiàn)在融安縣泗維河水庫自動站。持續(xù)暴雨造成柳州、桂林兩地出現(xiàn)嚴重洪澇災害，柳江流域多條支流、干流超警戒水位，災情損失慘重。據(jù)民政部門統(tǒng)計，此次暴雨、洪澇災害共造成15萬人受災，9人傷亡，直接經(jīng)濟損失3.2億元。

圖1 2017年8月9—15日廣西累積雨量(a)及13日20時—14日20時融安縣泗維河水庫逐小時降雨量分布(b)Fig.1 Accumulated rainfall in Guangxi on August 9-15, 2017 (a) and hourly rainfall distribution of Siweihe reservior in Rong'an county from 20∶00 on the 13th to 20∶00 on the 14th (b)

2 環(huán)流背景分析

2.1 500 hPa環(huán)流形勢

從8月9—15日500 hPa高度平均場(圖2a)可以看出，此次持續(xù)暴雨過程期間，亞歐中高緯地區(qū)為兩槽一脊型，西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)呈帶狀分布，脊線位于15°N附近，西脊點接近90°E，到達孟加拉灣東部，副高強大且位置偏西、偏南。8月1—20日500 hPa沿15°N的高度—時間演變圖(圖2b)顯示，在持續(xù)暴雨過程前期，副高先是減弱東退，10—11日東退到110°E附近，12日加強西伸，在暴雨強度最大、范圍最廣的14—15日，副高甚至西伸到了80°E附近。由于副高的阻擋，使得中高緯地區(qū)兩槽一脊的環(huán)流形勢得以穩(wěn)定維持，槽自東北冷渦一直延伸到云南南部，桂北地區(qū)始終處于西風槽前和副高西北側(cè)的西南氣流帶中，為持續(xù)暴雨提供源源不斷的水汽輸送通道。8月16日，副高迅速減弱東退到120°E附近，此次持續(xù)暴雨過程隨之結(jié)束。

圖2 2017年8月9—15日500 hPa高度平均場(a)及其8月1—20日500 hPa沿15°N高度—時間演變(b)(單位：dagpm)Fig.2 Mean height field of 500 hPa from August 9th to 15th , 2017 (a) and 500hPa evolved along the height-time of 15°N from August 1st to 20th (b) (Unit:dagpm)

2.2 低層環(huán)流形勢

從850 hPa(圖3a)和925 hPa(圖3b)水汽通量及水汽通量散度平均場來看，此次持續(xù)暴雨過程低層水汽主要來源于孟加拉灣，越過中南半島，進入南海后北上到達桂北地區(qū)。850 hPa廣西以西南氣流水汽輸送為主，桂北地區(qū)水汽輻合較弱，較大的水汽通量輻合區(qū)偏北，位于貴州、湖南、江西境內(nèi)，而925 hPa則在桂北地區(qū)有較明顯的水汽輻合，說明此次持續(xù)暴雨過程中，低層的輻合抬升條件主要位于邊界層內(nèi)。

圖3 2017年8月9—15日850 hPa(a)、925 hPa(a)平均水汽通量、水汽通量矢量(帶箭頭短線)，水汽通量輻合區(qū)(陰影，單位：10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.3 Mean water vapor flux, water vapor flux vector (short line with arrow) and water vapor flux convergence area (shadow, Unit:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1 ) at 850 hPa (a) and 925 hPa (b) on August 9-15, 2017

2.3 地面形勢場

從8月9—15日平均海平面氣壓場(圖4a)可以看出，持續(xù)暴雨期間桂北處于小于1 005 hPa的低壓區(qū)。從逐日氣壓場變化來看，持續(xù)暴雨前期(9—12日)桂北位于低壓槽區(qū)(圖4b)，持續(xù)暴雨后期(13—15日)桂北位于低壓前部(圖4c)，地面低壓槽或低壓前部的偏南暖濕氣流，為持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了較好的熱力和能量條件，期間桂北地區(qū)又不斷有中尺度輻合線生成(圖略)，為持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了較好的觸發(fā)條件。

3 水汽和熱力條件分析

3.1 季風涌

大量的研究結(jié)果[5-9]已經(jīng)表明，持續(xù)暴雨過程一般與季風涌有一定的聯(lián)系。為了解此次持續(xù)暴雨過程中季風涌的活動情況，沿110°E 作850 hPa風場的緯度—時間演變圖(圖5)，從圖中可以看出，在此次暴雨過程開始前，南海西南季風較弱。從8月7日開始，西南季風逐漸增強，特別是在11—15日期間，西南季風顯著增強，出現(xiàn)季風涌，強勁的西南季風一直吹到27°N左右，并達到急流強度，為桂北地區(qū)的持續(xù)暴雨提供源源不斷的水汽輸送。16日以后，西南季風減弱，持續(xù)暴雨過程結(jié)束。

圖4 2017年8月9—15日平均海平面氣壓場(a，陰影區(qū)為<1 005 hPa區(qū)域，單位：hPa)和8月9日08時(b)、15日08時(c)地面形勢場(陰影區(qū)為持續(xù)暴雨區(qū))Fig.4 Mean sea level pressure field (a, The shadow area is <1 005 hPa , Unit: hPa) on August 9-15, 2017 and surface situation field (The shaded area is a continuous rainstorm area)at 08∶00 on August 9 (b) and 08∶00 on 15 (c)

圖5 2017年8月1—20日850 hPa沿110°E風場緯度—時間演變(陰影區(qū)為風速≥8 m·s-1的區(qū)域)Fig.5 Evolution of 850 hPa wind field with latitude-time along 110°E during August 1-20, 2017 (The shadow area is the area with wind speed≥8 m·s-1)

3.2 越赤道氣流

有文獻[13]研究認為，南半球冷空氣爆發(fā)，使越赤道氣流明顯增強，是華南地區(qū)持續(xù)性暴雨的主要水汽來源之一。為了解南半球冷空氣爆發(fā)和越赤道氣流對此次持續(xù)性暴雨的影響，分析925 hPa的風矢量場和500 hPa高度場(圖6)可以看出，從8月7日08時開始(圖6a)，在30°～50°S、60°～80°E地區(qū)已經(jīng)形成了一個完整的馬斯克林高壓，其中心位于70°E左右，與500 hPa高空槽區(qū)接近重疊，在西風槽的引導下，冷空氣進入馬斯克林地區(qū)，此后高壓穩(wěn)定維持并逐漸向東移動。9日08時(圖6b)高壓中心移到了95°E附近，同時，在40°E以東又有一個新的高壓開始生成。10日08時(圖6c)舊的高壓已經(jīng)減弱，新的高壓中心則移到了50°E附近，氣旋式環(huán)流完整，高壓隨西風槽緩慢東移，且冷空氣不斷增強， 15日08時(圖6d)高壓中心仍位于80°E附近。持續(xù)暴雨期間，馬斯克林高壓東側(cè)不斷增強的東南氣流沿非州東部海域越過赤道后，轉(zhuǎn)向為西南氣流，進入索馬里地區(qū)，使得索馬里越赤道氣流持續(xù)增強，并穩(wěn)定維持。從40°～60°E赤道地區(qū)平均經(jīng)向風的高度—時間演變圖(圖7)也可以看出，8月15日以前該地區(qū)的低層經(jīng)向風明顯偏強，說明索馬里越赤道氣流明顯增強。強勁的索馬里越赤道氣流穿越阿拉伯海灣，橫跨印度半島，越過孟加拉灣和中南半島，到達南海與西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的西南急流匯合，繼續(xù)北上進入華南地區(qū)，最終為桂北地區(qū)的持續(xù)暴雨提供水汽輸送通道。

圖6 2017年8月7日08時(a)、9日08時(b)、10日08時(c)、15日08時(d)925 hPa風矢量場(箭頭，單位：m·s-1)與500 hPa高度場(實線，單位：dagpm)Fig.6 Wind vector field at 925 hPa (the arrow, Unit: m·s-1 ) and height field at 500 hPa (the solid line, Unit: dagpm) at 08∶00 on August 7(a), 9(b), 10(c) and 15(d), 2017

圖7 2017年8月1—20日40° ～60°E赤道地區(qū)平均經(jīng)向風的高度—時間演變(單位：m·s-1)Fig.7 The height-time evolution of the average meridional wind in the equatorial region of 40°～60°E on August 1-20, 2017 (Unit:m·s-1)

3.3 穩(wěn)定度條件分析

穩(wěn)定度指數(shù)對暴雨的發(fā)生有較好的指示作用。利用探空資料，統(tǒng)計了此次持續(xù)暴雨過程期間暴雨中心區(qū)桂林站各項穩(wěn)定度指數(shù)(表1)發(fā)現(xiàn)，過程開始前(8日20時)，桂林站K指數(shù)、CAPE值突增Δθse(θ850-θ500)，達到25 ℃以上，SI指數(shù)出現(xiàn)較大負值，說明對流不穩(wěn)定和大氣層結(jié)不穩(wěn)定加強。此后，從8日20時—14日20時，桂林站的K指數(shù)一直維持在33 ℃以上，且大部分時段在40 ℃以上，SI指數(shù)維持較大的負值，CAPE值絕大部分時段在1 000 J·kg-2以上，最大時段(12日20時)CAPE值甚至達到了3 397.4 J·kg-2，Δθse(θ850-θ500)始終居高不下，為此次持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了較好的不穩(wěn)定條件。15日以后，K指數(shù)、CAPE值明顯下降，SI指數(shù)回升到正值，不穩(wěn)定條件轉(zhuǎn)差，暴雨過程趨于結(jié)束。

表1 2017年8月8—15日桂林穩(wěn)定度指數(shù)和降水量(mm)變化Tab.1 Variation of stability index and precipitation (mm) in Guilin from August 8 to 15, 2017

4 動力條件分析

4.1 南亞高壓及高低空急流耦合

南亞高壓所提供的高層輻散形式，是持續(xù)暴雨的重要動力條件之一。從8月9—15日200 hPa高度平均場(圖8a)來看，持續(xù)暴雨過程期間，南亞高壓中心位于青藏高原上空，桂北地區(qū)位于南亞高壓東部脊線上，是偏北氣流強輻散區(qū)，為高空輻散產(chǎn)生抽吸作用提供了很好的動力條件。同時，桂北地區(qū)位于高空急流右側(cè)、低空急流左側(cè)(圖略)，是低層輻合、高層輻散區(qū)，這一點，從持續(xù)暴雨區(qū)(108°～111°E，24°～27°N)平均散度的高度—時間演變圖(圖8b)也可以看出。持續(xù)暴雨過程后期(12—15日)，也就是暴雨強度最強、范圍最廣的時段內(nèi)，低層強輻合、高層強輻散的形式尤其明顯。這種高低空急流耦合、低層輻合高層輻散的環(huán)流形勢場，為持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了非常好的動力條件。

圖8 2017年8月9—15日200 hPa高度平均場(單位：dagpm)(a)及桂北暴雨區(qū)(108°～111°E、24°～27°N)平均散度的高度—時間演變(單位：10-5·s-1)(b)Fig.8 The average height field of 200 hPa (a, unit: dagpm) and the height-time evolution of average divergence (b, unit: 10-5·s-1) in northern Guangxi Heavy rain Area (108°-111°E、24°-27°N ) from August 9-15, 2017

4.2 明顯的垂直上升運動

垂直上升運動是暴雨發(fā)生的必要條件。為了解持續(xù)暴雨區(qū)的垂直運動情況，沿110°E作8月9—15日的垂直速度剖面圖(圖9a)和平均局地經(jīng)向垂直環(huán)流剖面圖(圖9b)，從圖9a可以看出，在桂北地區(qū)(24°～27°N)確實存在明顯的上升運動，垂直速度負值區(qū)延伸到150 hPa左右，從圖9b可以看到，在25°N以北地區(qū)輻合上升明顯，說明暴雨過程期間，上升運動十分強烈。同時，對105°～115°E、20°～25°N分別作經(jīng)向風(圖10a)和緯向風(圖10b)的時間剖面圖，可以看出，在持續(xù)暴雨過程期間，緯向風增強明顯，應該是緯向風對垂直運動的貢獻更大一些，表明高空西風槽對持續(xù)暴雨的動力作用更大一些。

5 結(jié)論與討論

①此次持續(xù)暴雨過程發(fā)生在500 hPa中高緯兩槽一脊的形勢下，副熱帶高壓脊線穩(wěn)定維持在15°N附近、西脊點穩(wěn)定在110°E以西，副高的阻擋使西風槽前與副高西北側(cè)的西南暖濕氣流形勢得以長時間維持，為桂北持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了不穩(wěn)定條件。

②季風涌增強北推，與南半球冷空氣爆發(fā)造成的索馬里越赤道氣流增強，共同為此次持續(xù)暴雨提供了源源不斷的水汽供應。

③南亞高壓強大、穩(wěn)定地維持在青藏高原上空，桂北地區(qū)位于南亞高壓東部脊線上的強輻散區(qū)，低層位于低空西南風急流左側(cè)強輻合區(qū)，形成很好的低層輻合上升、高層輻散下沉的垂直環(huán)流形勢，與高低空急流耦合共同為此次持續(xù)暴雨提供了較好的動力機制。

圖9 2017年8月9—15日沿110°E的垂直速度剖面圖(a，單位：10-2·Pa.s-1)和平均局地經(jīng)向垂直環(huán)流剖面圖(b，單位：10-2·Pa·s-1)Fig.9 Vertical velocity profile (a, unit: 10-2·Pa·s-1) and Average meridional vertical circulation profile (b, unit: 10-2·Pa·s-1) along 110°E from 9 to 15 August 2017

圖10 2017年8月9—15日105°～115°E、20°～25°N區(qū)域平均經(jīng)向風(a)、緯向風(b)的高度—時間演變(單位：m·s-1)Fig.10 Height-time evolution of regions mean meridional wind (a) and zonal wind (b) in 105°～115°E and 20°～25°N on August 9-15, 2017 (unit: m·s-1)

④本文從水汽、熱力、動力條件等方面分析了此次持續(xù)暴雨過程，對桂北地區(qū)持續(xù)暴雨的發(fā)生背景有了初步了解，關(guān)于桂北地區(qū)持續(xù)暴雨更深層次的觸發(fā)和維持機制，還需要開展大量的個例分析，有待在今后的工作中進一步研究。