贛東北致洪暴雨的天氣分型和回波特征分析

陳鮑發(fā)，馬中元，黃龍飛，鄭志文，鄭卡妮

(1.景德鎮(zhèn)市氣象局，景德鎮(zhèn) 333000；2.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046；3.浮梁縣氣象局，景德鎮(zhèn) 333400；4.樂平市氣象局，樂平 333300)

0 引言

贛東北致洪暴雨是贛東北區(qū)域，尤其是景德鎮(zhèn)市與昌江流域在江西汛期最為嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，其造成的大水災(zāi)、大洪水、局部山洪影響十分嚴(yán)重；因此，針對贛東北致洪暴雨進(jìn)行分析和研究尤為重要。

國內(nèi)外專家對暴雨多有研究，張延亭[1-3]等定義江西致洪暴雨標(biāo)準(zhǔn)：在江西全省范圍內(nèi)任意1站日雨量≥300 mm或3站以上日雨量≥200 mm或10站以上日雨量≥100 mm。1959—1990年共有33個致洪暴雨日，其中有18個致洪暴雨日引發(fā)了大水災(zāi)(這里多指全省性的大洪水過程)。從景德鎮(zhèn)市近幾年的大洪水過程來看(渡峰坑洪峰水位在32 m以上)，致洪暴雨表現(xiàn)為連續(xù)暴雨，且第1天為一般性暴雨，第2天為區(qū)域性大暴雨或特大暴雨，這種類型的連續(xù)暴雨致洪性更強(qiáng)，如2010-07-14—2010-07-15，日雨量分別為101.9 mm和204.7 mm；2012-08-09—2012-08-10，日雨量分別為78.9 mm和364.6 mm；2016-06-18—2016-06-19，日雨量分別為69.1 mm和170.8 mm；2017-06-23—2017-06-24，日雨量分別為88.2 mm和118.9 mm。同時，由于雨強(qiáng)時空分布不均，日雨量≥200 mm足以造成局部山洪，上述情況也在景德鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)多次山洪過程中得到驗(yàn)證。

根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，以縣為單位普查贛東北各地的洪水過程。選取2011—2017年的暴雨過程并與上饒市水文局備案的大洪水過程對比，結(jié)果顯示：2011—2017年的12個致洪暴雨過程中有7個過程引發(fā)了大水災(zāi)。由該比例來看，與張延亭的定義大致相當(dāng)，即有一定的科學(xué)性。文章定義的致洪暴雨從強(qiáng)度上明顯弱于張延亭定義的江西致洪暴雨標(biāo)準(zhǔn)，但最終效果相當(dāng)，其主要原因是暴雨強(qiáng)度不是產(chǎn)生致洪暴雨的唯一標(biāo)準(zhǔn)，致洪暴雨還與暴雨的落區(qū)、時空分布、短時降水的強(qiáng)度和河床的坡降等特征有關(guān)，即大洪水的發(fā)生是多方面因素綜合影響的結(jié)果。當(dāng)然，致洪暴雨產(chǎn)生的大洪水一定是由暴雨或大暴雨產(chǎn)生，這一點(diǎn)毋庸置疑。地市級及縣氣象局，汛期防洪的主要目的是城區(qū)不受威脅，或減小城區(qū)威脅；因此，對景德鎮(zhèn)的致洪暴雨的特點(diǎn)研究適用于多數(shù)中小城市。

由此可見，贛東北致洪暴雨的定義為連續(xù)暴雨，且第1天為一般性暴雨，第2天為區(qū)域性大暴雨或日雨量≥200 mm且昌江流域已出現(xiàn)較明顯洪水(渡峰坑洪峰30 m，超警戒線的洪水過程1.5 m)，文章以此標(biāo)準(zhǔn)作為贛東北致洪暴雨研究的依據(jù)。

1 贛東北致洪暴雨的天氣分型

張延亭等指出低空急流、水汽輸送、低層輻合、高層輻散[3-6]在暴雨產(chǎn)生的過程中起到重要作用，而槽后冷空氣侵入加劇了中低層大氣的對流性不穩(wěn)定，觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放[7-9]。王華[10]等總結(jié)了暖區(qū)暴雨與鋒面系統(tǒng)暴雨的區(qū)別，指出暖區(qū)暴雨帶發(fā)生于西南暖濕氣流加強(qiáng)的環(huán)境下，對流不穩(wěn)定層結(jié)顯著，強(qiáng)降水是在暖式中尺度輻合線的觸發(fā)和組織下由中尺度對流復(fù)合體產(chǎn)生的，雷達(dá)回波具有明顯的“列車效應(yīng)”和后向傳播特征，地面輻合線及中尺度渦旋的位置決定了雨帶和特大暴雨中心的位置。鋒面系統(tǒng)暴雨帶是在冷式切變線和低空低渦的影響下，由切變線云系形成的多單體回波帶造成，高低空系統(tǒng)耦合，降水持續(xù)時間長，暴雨區(qū)面積大。尉英華[11]總結(jié)了天津局地大暴雨的回波與強(qiáng)降水特征，指出40 dBz以上回波是強(qiáng)降水雷達(dá)回波的重要系統(tǒng)，持續(xù)近3 h，平均6 min降水量達(dá)6.8 mm。鄧虹霞[12]等指出城市暴雨的雷達(dá)回波特征主要有3種：塊狀(強(qiáng)單體、超級單體)、帶狀(颮線、回波帶)和絮狀(絮帶、絮團(tuán))。3種回波形態(tài)特征中出現(xiàn)率最高的是絮狀回波，即比較寬且嵌有中等強(qiáng)度的對流單體絮帶狀回波帶。

根據(jù)國內(nèi)外各專家對暴雨的分型標(biāo)準(zhǔn)與贛東北致洪暴雨的特點(diǎn)，文章將其分為冷鋒型、臺風(fēng)型、低槽東移型、典型梅雨鋒型與副熱帶高壓邊緣型5種形式。有明顯冷鋒過程，定義為冷鋒型暴雨；臺風(fēng)低壓引起的，定義為臺風(fēng)型；僅由低槽東移而造成的稱之為低槽東移型；出現(xiàn)在主汛期，有明顯梅雨鋒南北擺動，定義為典型梅雨鋒型；江南大部受副高控制，低槽東移，副高東退，在副高北部或西北部邊緣出現(xiàn)大暴雨，定義為副高邊緣型。根據(jù)贛東北致洪暴雨的標(biāo)準(zhǔn)普查2008—2018年贛東北的暴雨過程，對選取的暴雨過程進(jìn)行分型，并對比水文局的洪水影響情況，得出贛東北16場致洪暴雨中典型梅雨鋒型暴雨有10場，占半數(shù)以上；臺風(fēng)型致洪暴雨1場；副高邊緣型3場；最強(qiáng)的洪水過程均出現(xiàn)在這3種形式之中。還有2場分別是出現(xiàn)在4—5月的鋒面暴雨和僅由低槽東移造成的暴雨，均只產(chǎn)生中小洪水。

昌江與樂安河均屬饒河流域，是贛東北的主要河流。昌江河，發(fā)源于安徽祁門縣大洪嶺深處，由北向南貫穿景德鎮(zhèn)全境，上游河道窄，水流湍急，受強(qiáng)降水影響，洪水陡漲陡落，具有較為明顯的山洪特征。樂安河發(fā)源于婺源，全長279 km，流域面積8989 km2，地跨贛東北多個縣市，影響面積廣，與中小河流洪水有明顯區(qū)別，漲勢平緩，洪峰響應(yīng)時間較長，其與樂平、婺源、德興、玉山、橫峰、弋陽及萬年等多地的降水強(qiáng)度有關(guān)。昌江流域的明顯洪水過程多在36～48 h內(nèi)發(fā)生；造成巨大災(zāi)害的洪水(洪峰水位在32 m)具有境內(nèi)24 h雨強(qiáng)最大超過300 mm或大范圍超過250 mm以上的明顯特征。而以樂平為代表的樂安河流域，其致洪暴雨以區(qū)域性暴雨為主，由系統(tǒng)性地暴雨、大暴雨造成，暴雨過程累積雨量越大，影響贛東北的面積越大，持續(xù)時間越長，洪峰水位越高。

2 贛東北致洪暴雨的物理量參數(shù)

2.1 能量、熱力、不穩(wěn)定與水汽條件特點(diǎn)

對致洪暴雨的CAPE、K指數(shù)和SI指數(shù)等特征物理量進(jìn)行統(tǒng)計，致洪暴雨的水汽、熱力、不穩(wěn)定條件均非常好。熱力與能量條件：CAPE平均達(dá)1，397.7 J/kg，最大為2973 J/kg；K指數(shù)平均40.4 ℃，最大44 ℃；θse850平均達(dá)80.6 ℃，最大為86.7 ℃。不穩(wěn)定條件：SI指數(shù)平均為-2.2 ℃，最低為-6.7 ℃；LI(抬升指數(shù))平均為-3.7 ℃，最低為-6 ℃；T850-500平均達(dá)24.2 ℃，最大為31 ℃；θse850-500平均達(dá)10.9 ℃，最大為23.3 ℃；即伴有較強(qiáng)層結(jié)不穩(wěn)定及明顯對流不穩(wěn)定。水汽條件：地面Td平均達(dá)24.7 ℃，最大為28 ℃；Td850平均為18.2 ℃，最高為20 ℃；q850平均達(dá)15.5 g/m3，最高為17.3 g/m3，T-Td850大部分在1～2 ℃，即基本飽和。

由此可見，贛東北致洪暴雨有著良好的熱力條件與水汽條件。總體來講，副高邊緣型致洪暴雨的能量更強(qiáng)，K指數(shù)可達(dá)42 ℃以上，層結(jié)也最不穩(wěn)定，SI指數(shù)≤-3 ℃；而臺風(fēng)型對不穩(wěn)定條件要求不高。

2.2 致洪暴雨特征物理量統(tǒng)計

贛東北的致洪大暴雨，低層(925～700 hPa)有強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，正渦度平均為10.6×10-5·s-1，最大為22×10-5·s-1；低層有明顯輻合，高層為弱的輻散或較強(qiáng)輻散，高低空有明顯的散度差，平均達(dá)13.6×10-5·s-1或以上，最強(qiáng)達(dá)20×10-5·s-1；中層垂直速度平均可達(dá)-2.3 Pa/s，最強(qiáng)達(dá)-4.2 Pa/s。有充足的水汽供應(yīng)，850 hPa水汽通量平均可達(dá)0.021 g/cm·hPa·s，最大達(dá)0.026 g/cm·hPa·s；并伴有明顯水汽輻合，低層水汽通量散度平均為-1.0×10-6g/cm·hPa·s，最強(qiáng)達(dá)-1.4×10-6g/s·cm·hPa。有明顯的風(fēng)垂直切變，0～3 km平均達(dá)15.3 m/s，0～5 km平均達(dá)16.9 m/s。通過地面圖排查，所有致洪暴雨過程均存在地面輻合線，并且有較明顯的3 h負(fù)變壓，強(qiáng)度可達(dá)-2.5 Pa以下。

總體來講，副高邊緣型與典型梅雨型的動力條件接近，而臺風(fēng)型低層渦度更強(qiáng)，但風(fēng)垂直切變最弱。

由此可見，贛東北致洪暴雨具備很好的熱力條件、動力條件和水汽條件，充足的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性加上劇烈的上升運(yùn)動，對流發(fā)展旺盛；同時中低層氣旋式旋轉(zhuǎn)與強(qiáng)風(fēng)垂直切變在一定程度上延長了對流持續(xù)時間，強(qiáng)降水不斷發(fā)生、發(fā)展，形成了致洪大暴雨。

2.3 贛東北致洪暴雨Tlogp特征

贛東北致洪暴雨多為典型梅雨型、副高邊緣型和臺風(fēng)型，對比不同形式下的Tlogp圖，分別選取具有代表性的4張?zhí)娇請D(圖1)。可以看到致洪暴雨多伴有明顯的對流有效位能，且500 hPa以下基本飽和，低層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，即有明顯暖平流結(jié)構(gòu)。不同的是，副高邊緣型的探空圖上，對流有效位能結(jié)構(gòu)更寬，值也更大；而梅雨Ⅰ型對流有效位能多呈細(xì)長結(jié)構(gòu)；臺風(fēng)型則表現(xiàn)為高低空更加均勻；梅雨Ⅱ型則表現(xiàn)為對流有效位能的值很小，在500 J/kg以下，從物理量統(tǒng)計看到，K指數(shù)會達(dá)37 ℃以上，SI指數(shù)在 -0.7 ℃以下，即仍有明顯的層結(jié)不穩(wěn)定和對流不穩(wěn)定能量，此時中低層往往伴有明顯的低空西南急流與超低空西南急流。

圖1 贛東北致洪暴雨典型Tlogp圖(a)梅雨Ⅰ型：2013-06-06T20：00；(b)梅雨Ⅱ型：2017-06-23T08：00；(c)副高型：2010-07-15T08：00；(d)臺風(fēng)型：2012-08-09T20：00

從500 hPa的風(fēng)場看，副高邊緣型的3次過程中有2次風(fēng)速<12 m/s，即中層為弱風(fēng)場結(jié)構(gòu)，占比2/3；而梅雨型10次過程之中只有1次500 hPa風(fēng)速<12 m/s，即弱風(fēng)場結(jié)構(gòu)僅占比1/10；臺風(fēng)型不僅500 hPa為弱風(fēng)場結(jié)構(gòu)，且700～850 hPa均為東北風(fēng)，與梅雨型、副高型低層多為強(qiáng)盛西南氣流不同，表明臺風(fēng)暴雨的水汽輸送來源與其他類型有明顯區(qū)別。

隨著時間推移，梅雨型中低層的西南氣流更加強(qiáng)盛，且近地層有弱的東南風(fēng)，而副高型在925～850 hPa西南氣流強(qiáng)度較強(qiáng)，但700～500 hPa可能為弱風(fēng)場結(jié)構(gòu)。由于強(qiáng)降水回波的移動速度與中層平均風(fēng)速有關(guān)，弱風(fēng)場結(jié)構(gòu)常導(dǎo)致回波停滯或移動緩慢，從而增強(qiáng)降水強(qiáng)度。

由此可見，贛東北致洪暴雨多伴有明顯的對流有效位能，500 hPa以下各層飽和，低層有明顯暖平流。副高邊緣型的對流有效位能更強(qiáng)、更寬，且中層(700～500 hPa)出現(xiàn)弱風(fēng)場結(jié)構(gòu)的頻率高；典型梅雨型暴雨中低層多伴有明顯的西南急流，但對流有效位能有時較弱，此時K指數(shù)與SI指數(shù)的指示意義更好；臺風(fēng)型的水汽來源與梅雨型、副高邊緣型不同。

3 贛東北致洪暴雨雷達(dá)拼圖回波特征

江西WebGIS雷達(dá)拼圖由24部S波段天氣雷達(dá)組成，探測范圍覆蓋1100 km×1100 km，精度為1 km×1 km，是探測較大尺度暴雨和大暴雨天氣系統(tǒng)的有效工具。贛東北致洪暴雨的雷達(dá)拼圖回波主要有帶狀回波、塊狀回波和絮狀回波，組合反射率CR回波強(qiáng)度達(dá)45～60 dBz。

3.1 帶狀回波

帶狀回波強(qiáng)度明顯強(qiáng)于周圍的回波(圖2)，多表現(xiàn)為東-西走向，長度≥100 km，部分回波長度達(dá)300～500 km，如(圖2a)?；夭ǖ膶挾群苷?，一般只有5～10 km，有的在5 km以下，表現(xiàn)為一條細(xì)長的窄帶回波(圖2f)。帶上回波強(qiáng)度達(dá)45～50 dBz或以上，但不超過60 dBz。帶狀回波主要有兩種形態(tài)：一種為1條細(xì)長的東-西走向強(qiáng)窄帶，占絕大多數(shù)；另一種由多個南-北走向的短帶強(qiáng)回波橫向排列成1行組成(圖2d)。造成致洪暴雨的原因是，回波強(qiáng)度強(qiáng)，瞬時雨強(qiáng)大，同時，強(qiáng)回波窄帶與回波單體移動方向夾角小，多呈東-西走向或東北-西南走向，而回波由西向東緩慢移動，帶上強(qiáng)回波不斷經(jīng)過同一地區(qū)，列車效應(yīng)造成持續(xù)強(qiáng)降水，形成致洪大暴雨。

圖2 帶狀回波Ⅰ致洪暴雨WebGIS雷達(dá)拼圖回波(a)2016-06-19T09：00；(b)2017-06-23T14：00；(c)2017-06-24T10：00；(d)2017-06-25T09：00；(e)2018-07-06T00：00；(f)2019-07-04T15：00

帶狀回波還有類似于颮線回波帶的結(jié)構(gòu)，如2018-07-05夜間，在景德鎮(zhèn)市區(qū)附近為團(tuán)狀強(qiáng)回波，西北方向有東北-西南走向的強(qiáng)回波帶，在團(tuán)狀強(qiáng)回波影響期間，帶狀回波緩慢東移南壓，最后與團(tuán)狀強(qiáng)回波合并，造成景德鎮(zhèn)地區(qū)短時特大暴雨，13 h累積雨量達(dá)308.8 mm。

3.2 塊狀回波

塊狀回波表現(xiàn)為較大范圍回波中存有強(qiáng)度比較大的強(qiáng)回波，或者較為孤立的塊狀回波，回波強(qiáng)度均達(dá)45～55 dBz。塊狀回波位于景德鎮(zhèn)西部邊界至市區(qū)附近，主要特點(diǎn)是移動緩慢，也被人稱為“掛燈籠”。強(qiáng)回波穩(wěn)定在一地上空，持續(xù)強(qiáng)降水形成致洪暴雨。

3.3 絮狀回波

絮狀強(qiáng)回波也是致洪暴雨的重要表現(xiàn)形式，其表現(xiàn)為贛北上空被大范圍的絮狀回波覆蓋，回波總體強(qiáng)度均達(dá)30 dBz或以上，其中分布著若干個棉絮狀的強(qiáng)度達(dá)50 dBz左右的強(qiáng)回波單體，這些強(qiáng)回波單體經(jīng)過的地區(qū)會出現(xiàn)強(qiáng)降水，加上總體強(qiáng)度30 dBz及以上的回波造成的中等強(qiáng)度降水，形成大范圍的致洪暴雨。

由此可見，致洪暴雨的雷達(dá)回波主要有：帶狀、塊狀和絮狀回波等形態(tài)，其強(qiáng)回波中心強(qiáng)度可達(dá)45～60 dBz。強(qiáng)回波中心不斷經(jīng)過同一地區(qū)或穩(wěn)定少動，形成持續(xù)強(qiáng)降水，從而導(dǎo)致致洪大暴雨的產(chǎn)生。

4 強(qiáng)降水特征

以景德鎮(zhèn)市區(qū)、浮梁縣2010-07-15(副高邊緣型)、2016-06-19(副高邊緣型)、2017-06-23—2017-06-24(典型梅雨鋒型)、2012-08-10(臺風(fēng)型)4次致洪暴雨過程為代表，研究致洪暴雨的強(qiáng)降水特征(表1)。致洪暴雨1 h面雨量開始往往為平均10.0 mm/h的雨強(qiáng)，偶有1個≥30.0 mm/h強(qiáng)降水點(diǎn)，但隨著持續(xù)時間增長，區(qū)域平均面雨量降水增至20 mm/h或以上，并持續(xù)2～3 h以上，致洪暴雨即產(chǎn)生。從4場致洪暴雨來看，20.0 mm/h強(qiáng)降水平均持續(xù)時間為7 h，1 h最大面雨量54.6 mm，單站最大雨強(qiáng)93.6 mm；致洪暴雨3 h平均面雨量53.0 mm，最大面雨量120.0 mm，單站最大雨強(qiáng)156.0 mm；6 h平均面雨量111.6 mm，最大面雨量189.0 mm，單站最大雨強(qiáng)240.0 mm；12 h平均面雨量159.0 mm，最大面雨量262.0 mm，單站最大雨強(qiáng)357.8 mm；24 h平均面雨量210.0 mm，最大面雨量331.0 mm，24 h單站雨強(qiáng)為442.5 mm。即致洪暴雨需要提供24 h(6 h)面雨量210.0 mm(111.6 mm)以上的降水預(yù)報，已超出短期預(yù)報能力，因此主要立足點(diǎn)還是短臨預(yù)警。

表1 贛東北致洪大暴雨的強(qiáng)降水特征

由此可見，致洪暴雨平均面雨量的雨強(qiáng)特征大致表現(xiàn)：20.0 mm/h、50.0 mm/3 h、100.0 mm/6 h、150.0 mm/12 h、200.0 mm/24 h，當(dāng)某一地區(qū)(以縣為單位)的平均面雨量達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)，即可考慮發(fā)布致洪暴雨預(yù)警。

5 結(jié)束語

文章從降水特征、天氣形勢分型、物理量診斷、預(yù)報指標(biāo)選取等方面，分析了贛東北致洪暴雨過程的天氣特征和雷達(dá)拼圖回波特征，分析結(jié)果為贛東北致洪暴雨過程的有效監(jiān)測和洪水預(yù)警的提前發(fā)布提供了參考。