武陵山區(qū)一次暖區(qū)強(qiáng)降水觸發(fā)和維持機(jī)制分析

羅娟，鄧承之，高松，劉超，龐玥，夏蘩

（1.重慶市氣象臺(tái)，重慶 401147；2.重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶 401147）

1 引 言

暖區(qū)暴雨概念最初源自華南暖區(qū)暴雨研究，上世紀(jì)七十年代第一次華南暴雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了傳統(tǒng)鋒面降水外，華南前汛期還具有暖區(qū)暴雨特色，大暴雨、特大暴雨等強(qiáng)降水也經(jīng)常發(fā)生在鋒前200~300 km 以外的暖區(qū)中，甚至是沒(méi)有鋒面和風(fēng)切變的南風(fēng)氣流里[1-6]。近年來(lái)，我國(guó)氣象工作者發(fā)現(xiàn)除華南地區(qū)外，其它地區(qū)也經(jīng)常出現(xiàn)暖區(qū)對(duì)流性暴雨事件[7-12]。對(duì)比鋒面暴雨，暖區(qū)暴雨具有雨強(qiáng)大、降水集中、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，極易造成洪澇災(zāi)害的特點(diǎn)。由于暖區(qū)暴雨過(guò)程中中低空為西南-南風(fēng)氣流控制，缺乏“鋒面、切變、低渦”等經(jīng)典風(fēng)向輻合型的天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫，主流數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)于暖區(qū)暴雨落區(qū)和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力也有限，使得暖區(qū)暴雨的研究顯得尤為重要。

暖區(qū)暴雨通常發(fā)生在高溫高濕、對(duì)流有效位能大、對(duì)流抑制能量小、地面抬升指數(shù)低以及氣柱含水量高等有利的環(huán)境條件中[13-16]。暖區(qū)暴雨的抬升觸發(fā)機(jī)制主要有邊界層輻合線、海陸差異形成的輻合中心、低空急流軸或大風(fēng)核及邊界層風(fēng)速脈動(dòng)配合中尺度地形抬升，以及地面中尺度輻合線、中尺度能量鋒、中尺度海風(fēng)鋒等[17-20]。暖區(qū)局地暴雨的形成多與MCS 相關(guān)，MCS 長(zhǎng)時(shí)間的“列車效應(yīng)”和后向傳播特征是產(chǎn)生強(qiáng)降水的主要原因，強(qiáng)降雨回波常沿中尺度輻合線觸發(fā)和移動(dòng)加強(qiáng)[21-23]。中尺度輻合線觸發(fā)的對(duì)流風(fēng)暴形成小范圍冷池出流與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)形成新的輻合線，加強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展，并在此觸發(fā)新的對(duì)流單體[24-25]。地形對(duì)暖區(qū)暴雨中MCS 的觸發(fā)、組織以及移動(dòng)和傳播也有重要作用[26]，暖濕氣流在山前輻合抬升，增大大氣垂直上升速度，增強(qiáng)動(dòng)力和熱力不穩(wěn)定，觸發(fā)新生雷暴或使雷暴快速加強(qiáng)[27]。地形、冷池出流和暖濕空氣這三者相互作用，地形會(huì)促使冷池出流下山速度加快、冷池出流厚度升高以及冷池出流與偏東暖濕氣流的輻合抬升作用增強(qiáng)，這是雷暴新生和加強(qiáng)的原因之一[28]?？傊趶?fù)雜下墊面條件下，地形、邊界層輻合線、雷暴冷池出流、對(duì)流層低層暖濕氣流等對(duì)暖區(qū)降水觸發(fā)和增強(qiáng)均具有重要作用，但此類個(gè)例研究多集中在華南和華北地區(qū)，而地形更為復(fù)雜的西南地區(qū)研究較少，因此有必要剖析西南地區(qū)暖區(qū)暴雨個(gè)例。

2018 年5 月20 日凌晨，貴州北部至重慶南部的武陵山區(qū)突發(fā)強(qiáng)降水，暴雨中心石橋鄉(xiāng)位于重慶武隆東南部，全鄉(xiāng)海拔在300~1 200 m 之間，地勢(shì)起伏大，地形復(fù)雜，以山區(qū)型地貌為主，最大過(guò)程雨量為208.5 mm，最大小時(shí)雨量為59 mm。受突發(fā)強(qiáng)降水影響，20 日07 時(shí)（北京時(shí)間，下同）左右，石橋鄉(xiāng)八角村茍家堡磨槽灣處發(fā)生地質(zhì)滑坡，滑坡體縱長(zhǎng)約150 m，橫寬約30 m，平均厚4 m，方量1.8 萬(wàn)方，造成5 人死亡和1 人受傷，給人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了重大損失。此次過(guò)程天氣尺度斜壓性強(qiáng)迫弱，數(shù)值模式預(yù)報(bào)的降水也顯著偏弱，加之山區(qū)地形復(fù)雜，業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)難度大，導(dǎo)致預(yù)報(bào)員對(duì)此次大暴雨過(guò)程漏報(bào)。因此有必要回顧該過(guò)程，探索山區(qū)復(fù)雜地形條件下暖區(qū)暴雨的特征及觸發(fā)和維持機(jī)制。

2 資料和方法

本文使用多源觀測(cè)資料和高分辨率中尺度數(shù)值模式輸出資料做綜合分析。資料包括：（1）重慶和貴州地面加密自動(dòng)站資料。（2）重慶沙坪壩站探空資料。（3）0.25 °×0.25 °ERA5 逐時(shí)再分析資料。（4）重慶多普勒天氣雷達(dá)資料。（5）基于重慶市氣象局業(yè)務(wù)運(yùn)行的高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模擬資料，模式區(qū)域中心位置為104.5 °E，34.5 °N，水平分辨率為27 km、9 km、3 km，格點(diǎn)數(shù)分別為200×160、288×216、480×360，垂直方向?yàn)?1 層（圖1）。模式預(yù)報(bào)的背景場(chǎng)采用0.5 °×0.5 °的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global Forecast System，GFS）的分析場(chǎng)，同時(shí)利用ARPS V3.5.6 作為同化分析模塊，同化了重慶及周邊11 部雷達(dá)資料，采用的物理過(guò)程方案包括：Thompson 微物理方案、MYJ 邊界層方案、BMJ積云對(duì)流參數(shù)化方案（3 km 區(qū)域不使用）、NOAH陸面過(guò)程方案。后面文中的分析均采用3 km 分辨率的模式輸出結(jié)果。

圖1 WRF模式模擬的區(qū)域（a）和同化的雷達(dá)位置（b） 紅色代表SA/SB波段雷達(dá)，藍(lán)色代表SC波段雷達(dá)，黑色代表CD波段雷達(dá)。

3 降水特征和環(huán)境條件分析

3.1 降水特征

2018 年5 月20 日凌晨，貴州北部至重慶南部突發(fā)強(qiáng)降水，雨帶沿武陵山脈呈東北-西南向帶狀分布，加密自動(dòng)站資料顯示，19 日20 時(shí)—20 日08時(shí)共有28 站出現(xiàn)50 mm 以上降水，有7 站出現(xiàn)100 m 以上降水，強(qiáng)降水中心位于石橋（圖2a），12小時(shí)累計(jì)雨量為208.5 mm，5 小時(shí)累積雨量為206.2 mm，其中19日23時(shí)—20日03時(shí)連續(xù)4個(gè)小時(shí)出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，雨量分別為52.4 mm、59.0 mm、49.6 mm 及27.2 mm（圖2c），過(guò)程具有突發(fā)性強(qiáng)、小時(shí)雨強(qiáng)大及強(qiáng)降水范圍集中的特點(diǎn)。地形和雨量疊加圖顯示，50 mm 以上的暴雨站點(diǎn)多位于武陵山區(qū)峽谷內(nèi)及陡坡或迎風(fēng)坡等地形處，其中大暴雨中心石橋地處峽谷，其東西兩側(cè)均有海拔約1 500 m的高山（圖2b）。

圖2 2018年5月19日21—20日08時(shí)累計(jì)雨量（a，單位：mm）、圖2a方框內(nèi)50 mm以上不同閾值強(qiáng)降水分布及地形高度（單位：m）疊加圖（b）和石橋站逐小時(shí)雨量（c，單位：mm）

3.2 環(huán)境條件分析

2018 年5 月19 日20 時(shí)，500 hPa 副 熱帶 高壓控制我國(guó)華南沿海，重慶位于副熱帶高壓外圍西北側(cè)，受到南支槽前西南暖濕氣流控制（圖3a）。850 hPa 貴州西北部至重慶東南部有低壓倒槽強(qiáng)烈發(fā)展（圖3b），倒槽附近有顯著的水汽通量輻合，有利于倒槽內(nèi)降雨的發(fā)展（圖3c）。另外，此次過(guò)程850 hPa 假相當(dāng)位溫（θse）高能舌向北伸展，貴州重慶等地θse超過(guò)360 K，而冷高壓中心位于河南南部至湖北西部一帶（圖3b），地面穩(wěn)定的熱低壓阻止了冷空氣直接南下，重慶海平面氣壓除了日變化無(wú)明顯波動(dòng)（圖略），說(shuō)明此次過(guò)程地面無(wú)明顯冷空氣侵入強(qiáng)降水落區(qū)，屬于暖區(qū)對(duì)流性暴雨。

離石橋最近的沙坪壩探空資料顯示（圖4），18—19 日對(duì)流層中下層存在明顯條件不穩(wěn)定層結(jié)，一方面對(duì)流有效位能（CAPE）顯著增加，18 日20時(shí)CAPE 僅為306 J/kg，19 日20 時(shí) 增加至1 800 J/kg，SI 指數(shù)為-3.12。另一方面，對(duì)流抑制（CIN）顯著減小，18日20時(shí)CIN 為176.5 J/kg，19日20時(shí)僅為14.5 J/kg，且自由對(duì)流高度從569.5 hPa 降低至861.7 hPa，由于對(duì)流抑制顯著減小，且自由對(duì)流高度降低，不需要很強(qiáng)的抬升就可以觸發(fā)對(duì)流。此外，850 hPa比濕由12 g/kg增加至16 g/kg，假相當(dāng)位溫由343 K 增加至356 K，大氣可降水量由35 mm 增加至47 mm（表1）。表明在暖區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生前，大氣環(huán)境場(chǎng)為高能高濕的層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有觸發(fā)機(jī)制誘發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，對(duì)流將會(huì)強(qiáng)烈發(fā)展。

圖3 2018年5月19日20時(shí)500 hPa高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）和風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）（a）；850 hPa高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）和風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）及假相當(dāng)位溫（單位：K）（b）；850 hPa水汽通量（單位：g/(s·cm·hPa)）及水汽通量散度（單位：g/(s·cm2·hPa)）（c）

圖4 2018年5月18日20時(shí)（a）和19日20時(shí)（b）沙坪壩探空

表1 沙坪壩5月18日20時(shí)和19日20時(shí)強(qiáng)對(duì)流參數(shù)

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變過(guò)程分析

此次過(guò)程石橋強(qiáng)降水持續(xù)約5小時(shí)，中小尺度對(duì)流系統(tǒng)演變主要有3 個(gè)階段：（1）分散對(duì)流組織成東西向帶狀對(duì)流；（2）帶狀對(duì)流斷裂，石橋?qū)α鲉误w準(zhǔn)靜止維持；（3）石橋?qū)α鲉误w減弱后，東北-西南向帶狀對(duì)流快速重建。

從組合反射率因子演變來(lái)看，23:04 在石橋南部有回波單體A 強(qiáng)烈發(fā)展，最大反射率因子達(dá)50 dBZ 以上（圖5a），23:16 對(duì)流單體A 加強(qiáng)并移至石橋上空，同時(shí)在其后部又有B、C 兩個(gè)對(duì)流單體觸發(fā)（圖5b），隨后單體B、C合并，在環(huán)境氣流引導(dǎo)下向東移動(dòng)，再與單體A 合并（圖5c），合并后回波組織性增強(qiáng)，形成一條東西向帶狀對(duì)流，在武隆南部穩(wěn)定維持約40 分鐘（圖5d），造成第一階段強(qiáng)降水，對(duì)應(yīng)石橋站10 min雨量顯示，23:30和23:50的雨量分別達(dá)16.3 mm 和16.8 mm（圖6）。20 日00:09帶狀回波斷裂，其西端的回波快速減弱，但東端回波仍維持在50 dBZ 以上，強(qiáng)回波單體呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)（圖5e），造成第二階段強(qiáng)降水，對(duì)應(yīng)石橋10 min 雨量在8 mm 以上，最大達(dá)12 mm（圖6）。00:56石橋回波組織結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度減弱（圖5f），對(duì)應(yīng)10 min 雨量也減弱，01:13 距回波減弱僅3 個(gè)體掃后又重新增強(qiáng)（圖5g），同時(shí)貴州北部也有分散對(duì)流單體發(fā)展，并向東北方向移動(dòng)，與石橋?qū)α髟茍F(tuán)合并后，再次組織成帶狀對(duì)流，帶狀對(duì)流中的強(qiáng)降水單體多次經(jīng)過(guò)石橋（圖5h），“列車效應(yīng)”維持了第三階段強(qiáng)降水，此階段10 min雨強(qiáng)波動(dòng)較大，強(qiáng)單體經(jīng)過(guò)石橋時(shí)最大雨強(qiáng)可達(dá)15.3 mm，層狀云經(jīng)過(guò)時(shí)僅為1 mm（圖6）。

圖5 2018年5月19—20日重慶雷達(dá)組合反射率 五角星代表石橋站位置。

圖6 2018年5月19日23時(shí)—20日04時(shí)石橋站逐10 min雨量（單位：mm）

5 中尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)和維持機(jī)制分析

由前面分析可知，“列車效應(yīng)”和強(qiáng)雷暴單體準(zhǔn)靜止維持造成了石橋強(qiáng)降水，那么造成強(qiáng)降水的中小尺度對(duì)流系統(tǒng)如何觸發(fā)和維持的呢？下面利用加密自動(dòng)站觀測(cè)資料和高分辨率WRF 資料來(lái)分析。

5.1 模擬和實(shí)況對(duì)比分析

對(duì)比分析觀測(cè)資料（圖2a）與3 km 分辨率模式輸出資料。從模擬雨量來(lái)看（圖7a），模式雖然沒(méi)有模擬出重慶西部雨帶，但對(duì)重慶南部雨帶模擬效果較好。模擬雨帶走向和強(qiáng)降水中心與實(shí)況較為一致，而本文主要利用模式資料分析重慶南部降水。從環(huán)流形勢(shì)來(lái)看（圖7b），模擬的冷高壓、熱低壓及西南急流位置也與實(shí)況較為一致。從模擬3 km 組合反射率因子來(lái)看（圖9），模擬結(jié)果也較好地再現(xiàn)了帶狀對(duì)流的演變，因此模擬資料可以進(jìn)一步用來(lái)分析中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機(jī)制。

圖7 2018年5月19日21時(shí)—20日08時(shí)模擬雨量（a，單位：mm）、模擬的850 hPa高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）和風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）及假相當(dāng)位溫（單位：K）（b）

5.2 基于模擬結(jié)果的觸發(fā)和維持機(jī)制分析

研究表明，在高溫、高濕和對(duì)流不穩(wěn)定的環(huán)境層結(jié)條件下，邊界層輻合線有利于對(duì)流和降水的觸發(fā)及加強(qiáng)。從模擬的10 m 風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和地形疊加圖可以看出（圖8），19 日23 時(shí)，重慶受熱低壓控制，四川盆地北風(fēng)和東北風(fēng)與貴州偏南風(fēng)在武陵山區(qū)交匯，形成沿山脈分布的輻合線。帶狀對(duì)流沿地形和輻合線發(fā)展，內(nèi)部鑲嵌著多個(gè)β尺度MCS。23 時(shí)（圖9a）輻合線西側(cè)形成兩個(gè)團(tuán)狀結(jié)構(gòu)MCS（A、B），石橋位于輻合線東部，有分散性新生回波發(fā)展。團(tuán)狀MCS 受到環(huán)境西南氣流引導(dǎo)，沿輻合線向東偏北方向移動(dòng)。00 時(shí)（圖9b）團(tuán)狀MCSA 到達(dá)石橋上空并拉伸成帶狀，內(nèi)部有多個(gè)50 dBZ 以上的強(qiáng)單體經(jīng)過(guò)石橋。01—02 時(shí)（圖9c、圖9d）團(tuán)狀MCSB 東移至石橋上空，并呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)，其后部又有MCSC 發(fā)展，且向東偏北方向移動(dòng)，回波移動(dòng)方向與邊界層輻合線走向一致，形成“列車效應(yīng)”使石橋強(qiáng)降水維持。

圖8 19日23時(shí)模擬的10 m風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）、溫度（單位：℃）和地形高度（單位：m）疊加圖

圖9 模擬的10 m風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）和組合反射率因子（單位：dBZ）疊加 a. 19日23時(shí)；b. 20日00時(shí)；c. 20日01時(shí)；d. 20日02時(shí)。

圖10 表示沿圖9b 實(shí)線反射率因子和風(fēng)場(chǎng)的空間剖面，A、B 兩個(gè)強(qiáng)單體分別位于石橋和東面山頂上，強(qiáng)回波呈直立發(fā)展，位于5 km 以下，降水效率較高。從風(fēng)場(chǎng)上看，單體A 東側(cè)有一垂直環(huán)流圈，垂直環(huán)流上升支剛好位于山頂，近地面為一支淺薄的偏東氣流，厚度約為600 m，結(jié)合假相當(dāng)位溫（θse）和垂直速度剖面來(lái)看（圖11），這支偏東氣流侵入θse達(dá)358 K 的暖區(qū)后，會(huì)促使暖濕氣流抬升和不穩(wěn)定能量釋放，此外偏東氣流與山體走向垂直，地形強(qiáng)迫抬升也利于對(duì)流加強(qiáng)，單體A 垂直速度超過(guò)10 m/s，中心位于8 km 附近。單體A發(fā)展成熟后，其西側(cè)冷池出流與偏東氣流疊加下山，與環(huán)境暖濕氣流交匯，觸發(fā)單體B，對(duì)應(yīng)垂直速度圖上（圖11），單體A 低后部也有1 m/s的下沉氣流，表明為冷池出流。另外，石橋?qū)α鲉误wB 生成后，受到偏東風(fēng)及地形共同阻擋作用不易移出，造成雨團(tuán)在石橋附近呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。綜上所述，邊界層輻合線附近形成近東西向帶狀對(duì)流，內(nèi)部鑲嵌著多個(gè)雷暴單體，石橋東部山頂雷暴成熟后產(chǎn)生地面冷池，冷池出流下山，加之地形抬升和阻擋作用，共同觸發(fā)和維持石橋強(qiáng)降水。

圖10 2018年5月20日00時(shí)沿圖9b實(shí)線空間剖面分析場(chǎng)雷達(dá)反射率（彩色陰影，單位：dBZ）和風(fēng)場(chǎng)（單位: m/s）

圖11 2018年5月20日00時(shí)沿圖9b實(shí)線空間剖面分析場(chǎng)假相當(dāng)位溫（彩色陰影，單位：K）和垂直速度（單位: m/s）

6 地形作用

利用地形高度和地面自動(dòng)站觀測(cè)資料，可以揭示地形對(duì)地面風(fēng)場(chǎng)和降水的影響。由圖12 可知，暴雨中心石橋地處山谷，其東西兩側(cè)均有海拔約1 500 m 左右的高山，19 日22 時(shí)，石橋?yàn)? m/s的西北風(fēng)，其南面有風(fēng)向輻合，初始對(duì)流首先在輻合區(qū)觸發(fā)，小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)20 mm，而石橋此時(shí)降水僅為1 mm（圖12a）。19 日23 時(shí)，石橋轉(zhuǎn)為4 m/s的西南風(fēng)，同時(shí)東北氣流沿山谷進(jìn)入石橋北部，石橋附近的風(fēng)向輻合增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)小時(shí)雨量迅速增大，超過(guò)50 mm（圖12b）。20 日00 時(shí)和01 時(shí)，石橋均為4 m/s 的偏東風(fēng)，東風(fēng)與石橋西面山體垂直，一方面加強(qiáng)了地形強(qiáng)迫抬升，另一方面和偏西風(fēng)形成局地氣旋性小渦旋，氣旋性小渦旋形成后又受到東面山體阻擋作用，不易移出，使石橋強(qiáng)雨團(tuán)維持兩小時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的小時(shí)雨量分別為59.0 mm和49.6 mm。近些年來(lái)，也有氣象工作者指出，在喇叭口地形或山谷地形中常有局地性中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展，將其命名為地形性渦旋，這種地形性渦旋水平尺度多為10 公里至數(shù)十公里，鉛直厚度為300~600 m，其生消、發(fā)展擾動(dòng)與降水均有密切關(guān)系[29-30]。

圖12 自動(dòng)站不同閾值雨量分布及地面風(fēng)場(chǎng)（單位: m/s）和地形高度（單位：m）疊加圖

7 結(jié) 論

利用多源觀測(cè)資料和高分辨率數(shù)值模擬資料，分析重慶市石橋鄉(xiāng)強(qiáng)降水產(chǎn)生的中尺度環(huán)境條件，中小尺度對(duì)流系統(tǒng)演變、觸發(fā)和維持機(jī)制等，得到如下結(jié)論。

（1）此次過(guò)程無(wú)明顯冷空氣強(qiáng)迫，斜壓性弱，重慶地面到850 hPa均為熱低壓控制，低壓倒槽附近有顯著的水汽通量輻合，邊界層高溫高濕，對(duì)流層中下層存在明顯條件不穩(wěn)定層結(jié)。

（2）石橋強(qiáng)降水中小尺度對(duì)流系統(tǒng)演變主要有3 個(gè)階段。一是分散對(duì)流組織成東西向帶狀對(duì)流；二是帶狀對(duì)流斷裂后，石橋?qū)α鲉误w準(zhǔn)靜止維持；三是石橋?qū)α鲉误w減弱后，東北-西南向帶狀對(duì)流快速重建。

（3）沿武陵山脈分布的邊界層輻合線是此次暴雨過(guò)程的觸發(fā)機(jī)制，而回波移動(dòng)方向與邊界層輻合線走向一致，“列車效應(yīng)”使石橋強(qiáng)降水維持。

（4）石橋東部山頂雷暴成熟后地面產(chǎn)生冷池，冷池出流下山與環(huán)境暖濕氣流交匯，加之地形作用，共同觸發(fā)和維持石橋強(qiáng)降水。

（5）山區(qū)地形對(duì)降水觸發(fā)和維持有重要作用，近地面偏東風(fēng)與石橋西部山體相互作用形成局地氣旋性小渦旋觸發(fā)降水，而受到石橋東部山體阻擋作用，又使地形性渦旋移速變慢，則利于強(qiáng)降水維持。