張 祝,茅海祥,楊 群
(貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300)
受武陵山脈西段的梵凈山地形影響,銅仁地形呈現(xiàn)為東、西部低(海拔200~600 m),中間高(海拔1000~2000 m)的復(fù)雜分布。受地形影響,銅仁地區(qū)的暴雨具有局地性、突發(fā)性且強(qiáng)度大,分布不均等特點(diǎn),因此地形對暴雨的作用是暴雨預(yù)報(bào)的一個關(guān)注點(diǎn)。鈕學(xué)新等[1]在統(tǒng)計(jì)華東地區(qū)登陸臺風(fēng)暴雨時(shí)發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升可使臺風(fēng)降水明顯增加。郭虎等[2]的研究表明,由地形造成的風(fēng)場輻合及迎風(fēng)坡輻合抬升作用對暴雨的形成有重要影響。冀春曉等[3]用模式對0414 號臺風(fēng)Rananim登陸期間降水模擬,有、無地形2種試驗(yàn)方案導(dǎo)致的降水量差絕對值可達(dá)200 mm以上。黃克慧[4]分析臺風(fēng)后部降水時(shí),認(rèn)為水汽輸送與山脈的正交有利于降水增幅。吳慶梅等[5]指出地形輻合切變?yōu)楸本┪鞒菂^(qū)強(qiáng)對流提供了強(qiáng)有力的擾動源。同時(shí),暴雨的發(fā)生一般是中小尺度系統(tǒng)作用的結(jié)果。多普勒天氣雷達(dá)可對中小尺度對流系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機(jī)制和演變特征表現(xiàn)得更為精細(xì)[6]。在多普勒徑向速度圖上“輻合點(diǎn)”“中氣旋”的圖像特征出現(xiàn)有利于局地暴雨發(fā)生[7]。速度圖上出現(xiàn)輻合區(qū)可作為出現(xiàn)暴雨的判據(jù)[8]。
2018年7月5日受梵凈山地形影響,銅仁出現(xiàn)局地大暴雨天氣,造成江口、松桃等縣城鎮(zhèn)內(nèi)澇,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。本文主要通過分析暴雨發(fā)生的環(huán)流背景、中小尺度對流回波特征以及梵凈山地形影響,揭示此次大暴雨過程中尺度雨團(tuán)的降水過程以及地形對局地強(qiáng)降雨的增幅作用,從而加深對銅仁局地暴雨過程的認(rèn)識,同時(shí)希望能對臨近預(yù)報(bào)有所啟發(fā)和指導(dǎo)。
本文資料為懷化常規(guī)探空和地面氣象觀測資料、銅仁市區(qū)域自動站資料、銅仁多普勒天氣雷達(dá)每6 min一次體掃資料,以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料。地面流場及高空各物理量場由NCEP/NCAR再分析資料計(jì)算得到。
2018年7月5日08時(shí)—6日08時(shí),銅仁梵凈山的東部地區(qū)出現(xiàn)大暴雨,強(qiáng)降水集中在5日15時(shí)—6日08時(shí),從強(qiáng)降水中心的雨強(qiáng)演變來看,沿河南部出現(xiàn)在5日15—17時(shí),小時(shí)最大雨強(qiáng)為沿河甘溪84.5 mm;松桃境內(nèi)的降雨主要集中在6日00—06時(shí),最大小時(shí)雨強(qiáng)為松桃九江61.8 mm,6 h雨量達(dá)到100 mm以上,雨強(qiáng)大,歷時(shí)短;江口境內(nèi)的降雨集中在5日15時(shí)—6日07時(shí)持續(xù)17h,最大小時(shí)雨強(qiáng)為盤溪51.2 mm,雨強(qiáng)相對小,持續(xù)時(shí)間相對長。經(jīng)統(tǒng)計(jì),此次過程銅仁市384個自動雨量站,有36站≥100 mm,66站≥50 mm,大暴雨主要集中在梵凈山東側(cè)的松桃縣和江口縣境內(nèi)。過程最大雨量為松桃尖山196.1 mm,其次為江口快場175.4 mm。
從圖1銅仁地形分布來看,銅仁中部有海拔高度2479 m的梵凈山,東、西側(cè)海拔高度較低為200~600 m。受梵凈山地形影響,可以看出大暴雨主要出現(xiàn)在梵凈山東側(cè)的松桃、江口地區(qū),暴雨區(qū)域非常集中。從圖中可以發(fā)現(xiàn)暴雨區(qū)主要位于梵凈山地形的東側(cè)(迎風(fēng)坡一側(cè)), 100 mm以上的大降水位于梵凈山山腳和東北側(cè)。降水分布說明此次大暴雨過程與復(fù)雜的地形相匹配,體現(xiàn)了銅仁復(fù)雜地形對降水的增幅作用和對系統(tǒng)傳播有阻礙作用。
圖1 銅仁市地形和7月5日08時(shí)—6日08時(shí)降水量分布
7月5—6日歐亞中高緯為一槽一脊形勢,槽位于貝加爾湖西側(cè)90°E附近,脊位于貝加爾湖東側(cè),青藏高原受貝加爾湖西部槽影響,不斷分裂波動槽東移進(jìn)入四川及貴州地區(qū)。7月5日08—20時(shí)高原槽向東分裂的小槽,受高壓脊阻擋小槽維持在四川及貴州地區(qū),利于水汽和能量的積累,從而形成有利于暴雨產(chǎn)生的環(huán)流形勢。
5日08時(shí),500 hPa(圖略)在云南—四川—貴州均有小槽生成,貴州境內(nèi)的槽位于貴州北部遵義和銅仁境內(nèi),700 hPa和850 hPa切變線位于四川東部到重慶以及長江中下游一帶,850 hPa從廣西—湖南有西南風(fēng)≥12 m/s的急流建立,銅仁處于切變線南側(cè),急流北側(cè)的區(qū)域。同時(shí)從850 hPa要素分析,有濕軸從貴州西部向東部經(jīng)過銅仁中部一線,并且處于Td≥20 ℃,(T-Td)700≤2 ℃及T850-T500≥21 ℃區(qū)域,銅仁為不穩(wěn)定的高濕區(qū)。到5日20時(shí)(圖2),500 hPa高空槽維持在銅仁中南部,700 hPa和850 hPa在四川東部有低渦形成,其暖切變線影響銅仁北部一線,低層850 hPa濕軸轉(zhuǎn)為南北向,由廣西向北伸展,經(jīng)過銅仁東部地區(qū),銅仁上空仍然維持強(qiáng)的不穩(wěn)定高濕狀態(tài),對流降水持續(xù)并在東部發(fā)展。在近地層上,5日08時(shí)貴州受地面熱低壓控制,中心強(qiáng)度為997.5 hPa,午后地面升溫,局地?zé)崃μ?,利于?qiáng)對流天氣發(fā)生。貴州中北部有一條東西向的地面輻合線,東段位于銅仁中部。地面輻合線在銅仁東部從5日08時(shí)一直維持到17時(shí),到20時(shí)略有南壓,23時(shí)銅仁段在東部又再次形成,6日08時(shí)移出銅仁,降雨減弱。
圖2 2018年7月5日20時(shí)天氣系統(tǒng)配置分析
懷化是離銅仁最近的探空站,選擇懷化站探空及對流有效位能(CAPE)、K指數(shù)等熱力環(huán)境指數(shù)對這次大暴雨過程進(jìn)行分析。分析2018年7月5日20時(shí)懷化站T-lnp圖(圖略),可以看出7月5日20時(shí)懷化上空濕度層表現(xiàn)為中層850~650 hPa為濕層,600~300 hPa及1 000~850 hPa為干層,并呈現(xiàn)出“中間濕,上下干”的上、下層喇叭口狀。0℃層高度在5.5 km左右, 暖空氣層比較厚。自由對流高度在771 hPa,高度非常低。CAPE為982.2 J/kg,KI指數(shù)為43 ℃,SI指數(shù)為-2.88 ℃,具有一定的不穩(wěn)定能量。500 hPa以下風(fēng)隨高度有明顯的順轉(zhuǎn),有深厚的暖平流,500~400 hPa之間風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn),高層有冷平流侵入。資料探空表明有利于銅仁出現(xiàn)強(qiáng)降水和雷雨大風(fēng)天氣。
懷化站7月5日20時(shí)—6日08時(shí)的CAPE、K值、SI值見表1。在7月5日08時(shí)暴雨發(fā)生前,懷化上空CAPE值982.2 J/kg ,KI值43 ℃,SI值-2.88 ℃,然后逐漸增大, 暴雨發(fā)生時(shí)(5日20時(shí))CAPE值達(dá)到最大1455.4 J/kg ,KI值40 ℃,SI值-2.23℃。5日銅仁受地面輻合線、切變線和高空槽影響, 觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,夜間出現(xiàn)暴雨天氣。強(qiáng)降水過后,不穩(wěn)定能量減弱,6日08時(shí)的CAPE值減小到476.3 J/kg,KI值降至40 ℃,SI值-1.41 ℃,大氣逐漸趨向穩(wěn)定,降水趨于結(jié)束。K指數(shù)是大氣穩(wěn)定度的一種判斷指數(shù), K值越大,大氣層結(jié)越不穩(wěn)定,一般當(dāng)KI≥35 ℃時(shí)易出現(xiàn)暴雨;SI指數(shù)也叫做穩(wěn)定指數(shù),通常也是用來判斷大氣穩(wěn)定度的一種判據(jù),SI指數(shù)<0 ℃利于發(fā)生雷暴天氣。CAPE、KI指數(shù)、SI指數(shù)對7月5日大暴雨有很好的反應(yīng)。
表1 懷化2018年7月5日08時(shí)—6日08時(shí)CAPE、K值表
大尺度天氣形勢和環(huán)境場為暴雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件,但是暴雨的發(fā)生大多由中尺度對流天氣系統(tǒng)引起,中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生最關(guān)鍵因素是觸發(fā)條件。地面中尺度輻合線在對流系統(tǒng)中有著更加直接的觸發(fā)作用[9],楊秀莊等[10]對貴州暴雨天氣分析中也得到中尺度輻合線對暴雨的形成具有重要觸發(fā)作用。
此次暴雨過程,第1階段強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5日15—16時(shí),大于20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水集中在銅仁北部低洼地帶,小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)84.5 mm的強(qiáng)降雨發(fā)生在沿河縣南部地區(qū),持續(xù)時(shí)間僅為1 h。在地面(圖3a)上,5日08時(shí)西北風(fēng)與西南風(fēng)匯合的中尺度地面輻合線,穿過沿河南部地區(qū),強(qiáng)降雨主要發(fā)生在輻合線南風(fēng)最密集的地區(qū)。對應(yīng)從風(fēng)場和垂直速度的垂直分布來看,梵凈山(108.5°E以西)西側(cè)有西北風(fēng)與偏南風(fēng)的輻合,東側(cè)為西南風(fēng)。從垂直速度來看,在梵凈山西側(cè)沿河地面輻合線附近為較弱的上升運(yùn)動。所以,從地形和風(fēng)來看,偏南風(fēng)沿著梵凈山西側(cè)北上,梵凈山對沿河強(qiáng)降雨影響不大。僅是輻合線附近輻合抬升運(yùn)動,將本地水汽和能量向高層輸送,從而導(dǎo)致在輻合線附近對流降雨的發(fā)生。
第2個階段,降水集中在5日22—23時(shí)的松桃縣,最大小時(shí)雨強(qiáng)為松桃九江61.8 mm,短時(shí)強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間達(dá)4 h,主要集中在松桃中北部低洼地帶(海拔高度為550 m左右)。銅仁與湖南西部、重慶南部交界處,有一條東北風(fēng)與東南風(fēng)的輻合線形成,通過松桃的中北部。此時(shí),松桃中北部地區(qū)受東北氣流影響,南部受東南氣流影響,兩股氣流交匯于梵凈山東北側(cè)。由于東北風(fēng)氣流受到東南風(fēng)以及梵凈山東北側(cè)地形共同阻擋,使得系統(tǒng)停留,并在松桃低洼地帶形成強(qiáng)的輻合抬升。低層偏東風(fēng)受梵凈山(108.5°E)影響,在東側(cè)松桃境內(nèi)形成低層強(qiáng)的上升運(yùn)動,中心強(qiáng)度增強(qiáng)達(dá)到-3×10-3hPa/s以上,高層下沉運(yùn)動區(qū)。上升運(yùn)動在輻合線附近增強(qiáng),造成松桃大暴雨。
第3個階段主要出現(xiàn)在6日01—02時(shí),隨著地面輻合線南壓進(jìn)入中南部,強(qiáng)降水出現(xiàn)在中南部的江口境內(nèi),江口盤溪小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到51.2 mm以上,20 mm以上降雨持續(xù)時(shí)間為3 h,主要出現(xiàn)在梵凈山東側(cè)低洼地區(qū)。在6日02時(shí)(圖3b)地面輻合線南壓至江口南部、萬山、玉屏、石阡境內(nèi),江口北部受東北氣流影響,中南側(cè)受東南氣流影響,兩股氣流交匯于江口中部一帶。北側(cè)東北氣流沿著松桃較低地帶吹向梵凈山東側(cè)低洼地區(qū),順著東北西南向走向的梵凈山南部地形吹,不太利于江口南部輻合線附近的地形抬升,而江口南部的東南風(fēng)吹向梵凈山東南側(cè),利于在梵凈山東南側(cè)形成地形風(fēng)的輻合。低層偏東氣流對著梵凈山吹,在梵凈山的東側(cè)形成低層中心為-3×10-3hPa/s的上升運(yùn)動區(qū)圖4。
圖3 7月5日08時(shí)(a)和7月6日02時(shí)(b)地面輻合線(紅色實(shí)線)、銅仁地形(陰影)和20mm/h以上雨量疊加圖(綠點(diǎn))
輻合線附近雨強(qiáng)的大小可以由低空的雷達(dá)反射率因子來判斷。在銅仁川硐雷達(dá)回波產(chǎn)品反射率因子圖上顯示(圖4a),08時(shí)沿著輻合線附近在沿河南部有回波生成,強(qiáng)度為35 dBz。隨著輻合線的北抬,到14時(shí)輻合線附近對流回波不斷生成,并在沿河南部有所增強(qiáng),最強(qiáng)中心達(dá)到50 dBz。15時(shí)47分在沿河南部繼續(xù)發(fā)展,最強(qiáng)中心達(dá)到55 dBz以上,沿著沿河南部的強(qiáng)回波作東北西南向的剖面(圖4b),有多個對流回波發(fā)展,其回波伸展高度在8~12 km,大于55 dBz的強(qiáng)回波中心伸展高度達(dá)到了4~8 km,反射率因子的主要特征是在中低對流層靠近地面回波強(qiáng),質(zhì)心位置較低,滿足熱帶降水型回波[11-12],該區(qū)域容易出現(xiàn)50 mm以上的雨強(qiáng)。對應(yīng)的徑向速度圖上(圖4c)在120 km左右出現(xiàn)γ中尺度氣旋性流場,與暴雨、雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性天氣密切相關(guān),其正速度中心強(qiáng)度為17.9 m/s,負(fù)速度中心強(qiáng)度為-10.9 m/s。
圖4 7月5日15時(shí)47分組合反射率因子(a)、沿強(qiáng)回波中心反射率因子剖面圖(b)、和0.5°仰角徑向速度圖(c)
第2個時(shí)段松桃暴雨發(fā)生時(shí),對應(yīng)在雷達(dá)回波反射率因子產(chǎn)品圖上顯示(圖5a),5日20時(shí)在松桃東北部輻合線附近,有兩個強(qiáng)對流回波生成,中心強(qiáng)度為45 dBz。隨著地面輻合線向南壓,松桃境內(nèi)的對流回波不斷生成發(fā)展。5日22時(shí)03分回波中心強(qiáng)度增大到55 dBz以上。從沿著強(qiáng)中心的回波剖面來看(圖5b),回波伸展高度為8 km以下,大于55 dBz強(qiáng)回波主要位于4 km以下,相對于沿河南部的強(qiáng)回波,伸展高度低,整層的回波強(qiáng)度范圍略小。在0.5°仰角的徑向速度圖上(圖5c),有一大片輻合區(qū),中心值最大為-7.5 m/s。在輻合區(qū)最大的區(qū)域也對應(yīng)了反射率因子最強(qiáng)的中心區(qū)域,則輻合區(qū)的出現(xiàn)預(yù)示著對流回波的發(fā)展增強(qiáng),并有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生。
圖5 7月5日22時(shí)03分組合反射率因子(a)、沿強(qiáng)回波中心剖面圖(b)和0.5°仰角徑向速度圖(c)
第3時(shí)段,6日01—02時(shí)隨著地面輻合線南壓進(jìn)入江口地區(qū),對應(yīng)在多普勒雷達(dá)回波反射率因子圖上發(fā)現(xiàn)(圖6a),6日01時(shí)03分有大于45 dBz強(qiáng)度的對流回波帶在江口北部形成多個對流回波,其回波伸展高度在8 km左右,中心大于45 dBz強(qiáng)度的強(qiáng)回波伸展高度為4 km,接近地面1 km左右有一個大于50 dBz的強(qiáng)回波?;夭ㄒ恢痹诮诒辈烤S持到6日02時(shí)13分后才開始減弱,其中6日02時(shí)01分江口北部仍然維持多個對流回波,沿著中心(橫線處)作剖面(圖6b)看到,回波伸展高度維持在8 km,大于45 dBz的回波中心伸展高度為4 km,利于短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)。同時(shí)從徑向速度圖上(圖6c)也出現(xiàn)了輻合區(qū),輻合區(qū)中心強(qiáng)度在01時(shí)03分為-7.5 m/s,到02時(shí)稍微減小為-4.0 m/s,維持停留時(shí)間相對較長。
圖6 7月6日01時(shí)03分組合反射率因子(a)、沿強(qiáng)回波中心剖面圖(b)和0.5°仰角徑向速度圖(c)
從以上分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)梵凈山東側(cè)低層為東南風(fēng)或東北風(fēng)時(shí),受地形影響,迎風(fēng)坡形成較強(qiáng)的上升運(yùn)動區(qū),但地形有沒有對上升運(yùn)動形成增幅作用?還需要進(jìn)一步分析。在暴雨形成的第2階段和第3階段,梵凈山東南側(cè)江口及東北側(cè)松桃暴雨發(fā)生時(shí),低層均為東北風(fēng)和東南風(fēng),風(fēng)對著梵凈山地形吹,則利于在東側(cè)形成地形輻合抬升。下面著重分析這2個階段,梵凈山地形的抬升作用與江口北部、松桃北部站點(diǎn)雨強(qiáng)的關(guān)系。
從10 m風(fēng)場來看江口在降雨發(fā)生時(shí)段,梵凈山北部為東北風(fēng),南部為東南風(fēng),強(qiáng)降雨發(fā)生在江口中部。為了進(jìn)一步說明問題,本文分析了與暴雨中心盤溪站(迎風(fēng)坡山腳),太平站(迎風(fēng)坡較遠(yuǎn)處)、梵凈山站(山頂)3個代表站的總降雨量(圖7a)及站逐時(shí)降水量(圖7b)。結(jié)合地形可知,總降水量呈現(xiàn)出坡腳盤溪—迎風(fēng)坡較遠(yuǎn)處—山頂逐漸明顯減小。則迎風(fēng)坡坡腳雨量最大,迎風(fēng)坡較遠(yuǎn)處次大,山頂最小。再從3站逐小時(shí)降水量極大值出現(xiàn)時(shí)間看,迎風(fēng)坡腳處(盤溪)較山前較遠(yuǎn)處(太平)和山頂(梵凈山)站小時(shí)雨強(qiáng)均大,表明地形對暴雨有一定的增幅作用。從圖3b可以看到,松桃境內(nèi)暴雨發(fā)生時(shí),地面為東北偏東風(fēng),風(fēng)對著梵凈山東北側(cè)吹,也有利于地形的輻合抬升,同時(shí)也受東南風(fēng)的阻擋,風(fēng)向的輻合集中在松桃北部地區(qū),導(dǎo)致大暴雨區(qū)出現(xiàn)在離梵凈山地形較遠(yuǎn)處的區(qū)域,而不是在梵凈山東北側(cè)山腳。
圖7 盤溪、太坪、梵凈山站6日01-04時(shí)總雨量(a)和逐時(shí)雨量曲線圖(b)
針對梵凈山坡腳站點(diǎn)地形抬升作用,定量計(jì)算抬升速度大小,參考傅抱璞[13]的地形模式建立。當(dāng)?shù)匦纹露茸呦蚺c環(huán)境風(fēng)向有交角時(shí),氣流沿坡爬升,將會產(chǎn)生上升運(yùn)動,使對流加強(qiáng),導(dǎo)致雨量加大。風(fēng)速愈大,風(fēng)向與坡向交角愈小,地形抬升速度愈大。
選取江口縣盤溪自動氣象站資料,包括逐小時(shí)降水、風(fēng)向、風(fēng)速等計(jì)算地形抬升速度。然后對應(yīng)查看小時(shí)雨強(qiáng)與地形抬升關(guān)系表2,發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)時(shí)(ESE),受梵凈山地形輻合抬升作用,地形抬升速度為17.1×10-1m/s,小時(shí)雨強(qiáng)明顯增大。當(dāng)為偏西風(fēng)和偏北風(fēng)時(shí)在迎風(fēng)坡無明顯地形抬升影響,雨量相對小。同樣從表3可以看到,松桃平頭站當(dāng)風(fēng)向?yàn)闁|北偏東風(fēng)時(shí)(ENE),受梵凈山東北側(cè)地形抬升作用影響,地形抬升速度為2.2~4.4×10-1m/s,小時(shí)雨強(qiáng)為20 mm以上??梢?,當(dāng)近地層為偏東氣流影響時(shí),風(fēng)對著梵凈山地形吹,則利于在梵凈山東側(cè)迎風(fēng)坡形成地形輻合抬升,對降雨有增幅作用。
表2 江口盤溪站逐小時(shí)雨強(qiáng)與地形抬升關(guān)系
表3 松桃平頭站逐小時(shí)雨強(qiáng)與地形抬升關(guān)系
①500 hPa低槽與低層切變線、低空急流、地面輻合線相互共同作用是此次大暴雨形成的大尺度環(huán)境背景。要素場上看,銅仁處于Td≥20 ℃,(T-Td)700≤2 ℃及T850-T500≥21 ℃,CAPE達(dá)982.2 J/kg以上,KI指數(shù)為43 ℃,SI指數(shù)<-2.0 ℃區(qū)域的不穩(wěn)定高濕區(qū),是對流降水天氣得以觸發(fā)的重要因素。
②地面中度輻合線使得強(qiáng)降雨對流云團(tuán)的觸發(fā)和加強(qiáng),強(qiáng)降水對流回波沿著地面輻合線生成和發(fā)展。
③ 梵凈山地形對此次暴雨有一定的增幅作用。特別是在江口南部的降水影響最明顯,其降水量呈現(xiàn)為迎風(fēng)坡坡腳處的雨量較山前及山頂?shù)挠陱?qiáng)大。地形抬升的作用并不是對所有站點(diǎn)的強(qiáng)降水都有意義, 這與該站點(diǎn)的坡度、坡向以及降水時(shí)的風(fēng)向和風(fēng)速有關(guān)。當(dāng)?shù)孛鏋槠珫|風(fēng)時(shí),東風(fēng)在梵凈山山前受地形強(qiáng)迫抬升作用,使該地區(qū)降雨加大。
根據(jù)此次過程,發(fā)現(xiàn)梵凈山地形對短時(shí)強(qiáng)降水有一定的增幅作用,但強(qiáng)降水的形成過程中,地形的動力抬升對每一個站的貢獻(xiàn)有多大,如何定量的計(jì)算每一個站,每個時(shí)刻的抬升速度,且運(yùn)用到實(shí)際暴雨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中,還需要下一步認(rèn)真研究。