楊 群,胡 萍,張李娟,陳 軍
(貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300)
冷空氣南下形成鋒面是觸發(fā)暴雨常見的天氣系統(tǒng)之一,國內學者對于暴雨研究中,認為冷空氣的侵入能夠誘發(fā)中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展。劉會榮和李崇銀[1]指出,冷空氣能使暴雨區(qū)上空的垂直運動更旺盛。何立富等[2]研究指出,冷空氣容易觸發(fā)邊界層能量鋒區(qū)附近的中尺度對流系統(tǒng)。湯鵬宇等[3]認為,冷空氣使得暴雨區(qū)上空的大氣不穩(wěn)定度和氣旋性渦度增強,有利于中尺度系統(tǒng)發(fā)展。陳鵬等[4]研究指出,弱冷空氣的侵入使得中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展旺盛,進而產生強降水天氣。諶蕓等[5]對北京“7.21” 特大暴雨過程的分析認為, 在地面鋒面影響階段, 地面偏東風和低空西南急流的垂直切變有利于強對流的組織化, 鋒面觸發(fā)更大的短時強降水。李玉梅等[6]發(fā)現(xiàn)低層至中高層深厚的偏東氣流輸送水汽和暖濕不穩(wěn)定能量,較強鋒面的抬升作用使不穩(wěn)定能量釋放導致強降水。張芳華等[7]和蒙偉光等[8]也強調在鋒面過程中, 鋒生與降水發(fā)展有著緊密關系,對中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展起組織作用??梢娎渑諝獾南嗷プ饔脤Ρ┯昃唧w的落區(qū)有重要影響。目前來說暴雨落區(qū)的預報一直還是天氣預報的難點,也是預報員一直關注和研究的重點。不少學者研究發(fā)現(xiàn),暴雨發(fā)生的落區(qū)和強度跟相應的物理量指標有一定關系。周雪松等[9]在統(tǒng)計山東暴雨預報指標中發(fā)現(xiàn),不同范圍的暴雨對水汽、動力及對流不穩(wěn)定條件的要求有所不同。肖艷林等[10]在分析貴州靜止鋒背景下暴雨集中分布在準靜止鋒附近及其偏南一側,同時得出暴雨落區(qū)與垂直上升運動大值中心有較好的對應。任麗等[11]分析副熱帶高壓北側暖鋒暴雨指出,強降水區(qū)與水汽散度通量正值區(qū)及水汽垂直螺旋度負值區(qū)相對應。前人研究指出,冷空氣侵入有利于中尺度系統(tǒng)發(fā)展,進而產生強降水天氣,相關的物理量能較好地反映出強降雨的落區(qū)。因此本文希望找到銅仁受冷空氣影響下,暴雨過程的影響系統(tǒng)演變與降雨的關系,以及物理量要素對暴雨落區(qū)的指示作用。
2019年6月和2020年3月銅仁出現(xiàn)了4次受地面兩路冷空氣同時南下時發(fā)生的落區(qū)相近的暴雨過程。針對這4次暴雨過程,EC模式能較好模擬其環(huán)流形勢,但對于降雨落區(qū)預報均出現(xiàn)偏差,這也導致了錯誤的預報訂正指引。其中6月8日數(shù)值預報暴雨強度偏強,落區(qū)偏北,南部漏報,北部空報;6月12日暴雨強度偏強,落區(qū)偏南,北部漏報;28日北部落區(qū)預報正確,但強度偏強,東部漏報;2020年3月26日EC預報中到大雨,量級偏小。因此對于此類暴雨,我們需要找到暴雨發(fā)生的主要影響環(huán)流形勢和暴雨落區(qū)相關的物理量要素,以期能找到在類似的環(huán)流背景下,暴雨落區(qū)預報的參考要素。
2019年6月7—9日,11—12日,27—29日和2020年3月26—27日銅仁出現(xiàn)4次落區(qū)相近的暴雨過程。24 h大雨及以上降雨落區(qū)出現(xiàn)在銅仁西北部沿河和德江,東部的江口、碧江、玉屏、萬山地區(qū)。6月7日20時— 9日08時暴雨過程,最大小時雨強為44.7 mm,西部暴雨出現(xiàn)在8日06—09時,持續(xù)時間為4 h,東部暴雨出現(xiàn)在8日22—9日08時。6月11—12日暴雨最大小時雨強為35.1 mm,西北部強降雨發(fā)生在12日07—14時,東部強降雨發(fā)生在12日凌晨到傍晚20時左右。2019年6月27日20時— 29日08時暴雨過程,最大小時雨強為碧江瓦屋55.1 mm,西北部暴雨主要發(fā)生在28日07—12時,東部暴雨發(fā)生在28日17時—29日04時左右。2020年3月26—27日降雨從夜間02時左右開始發(fā)生,持續(xù)到08時后逐漸減弱,東部和西部短時強降雨時段均集中在04—08時之間,最大小時雨強為38.1 mm。
圖1 2019年6月7日20時—9日08時(a)、6月11日20時—12日20時(b)、6月27日20時—29日08時(c)、2020年3月26日20時—27日20時(d)銅仁降雨落區(qū)Fig.1 Tongren rainfall area from 20:00 on June 7 to 08:00 on June 9 (a), 20:00 on June 11 to 20:00 on June 12 (b), 20:00 on June 27 to 08:00 on June 29,2019(c), and 20:00 on March 26 to 20:00 on March 27,2020(d)
利用常規(guī)觀測雨量自動站資料、NCEP(1.0°×1.0°)再分析資料,EC細網格(0.25°×0.25°)預報初始場等資料,對銅仁4次暴雨過程形成原因和影響暴雨落區(qū)的因子進行分析。
通過分析4次暴雨過程的環(huán)流形勢,發(fā)現(xiàn)暴雨發(fā)生時,500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢,在70°E和120°E附近分別有一槽,95°E附近為一脊。四川東部有高空槽東移,副高588線南北擺動未控制貴州,貴州受高空槽前西南或偏西氣流影響,貴州處于槽前西南氣流中,利于水汽向北輸送。700 hPa貴州中北部—湖北南部或貴州西部—重慶南部—湖北一線受切變線影響,廣西—湖南中南部西南急流建立,銅仁處于急流左側,切變線南側附近。850 hPa長江中下游到貴州中北部為一條橫切變線或湖北—重慶—貴州北部為低渦切變線,廣西—湖南西南急流建立,風速達12~18 m·s-1,銅仁處于西南急流左側,850 hPa切變線附近。
從地面形勢場(圖2)來看,4次暴雨過程中,地面上均有從青海、甘肅地區(qū)冷空氣堆積,在冷空氣南下時受秦嶺、天山山脈阻擋氣流出現(xiàn)分支,一股從四川盆地以西北路徑南下,受到青藏高原以及云貴高原阻擋,向東推進貴州北部以及重慶南部地區(qū);一股從湖北平原地區(qū)以東北路徑南下,向貴州東部回流進入銅仁地區(qū)。四川盆地和湖北南下的冷空氣,在貴州東部和重慶交匯,迫使貴州境內暖空氣抬升,在重慶附近形成“Ω”形勢,凸起的暖低壓區(qū)位于重慶中部,形成地面錮囚鋒形勢[12]。2019年6月8日從西路南下的冷空氣等值線相比東路南下的等值線密集,且東路南下的冷空氣向南彎曲的等值線未進入銅仁,則西路冷空氣相對強。同樣6月28日冷空氣以西北路徑南下,地面風速達6~8 m·s-1,東北路徑回流南下的東北風僅為2~4 m·s-1,則冷空氣以西北路徑直驅而下,冷暖空氣中心值相差9 hPa,東路冷空氣向南彎曲等值線略偏北未進入銅仁境內。 6月8日和28日冷高壓中心位于甘肅西南部,強度為1009~1012 hPa,暖低壓中心位于重慶西北部,中心為1000~1002 hPa,冷空氣以西路侵入為主,冷暖空氣中心相差9~10 hPa,這兩次的大暴雨點出現(xiàn)在銅仁東部,持續(xù)時間為48 h。2019年6月12日和2020年3月27日東路冷空氣向南彎曲的等值線影響銅仁東北部,且冷空氣從湖北以東北路徑進入貴州銅仁的等值線,較四川進入貴州畢節(jié)的等值線更為密集,說明鋒區(qū)梯度更大,東路冷空氣比西路強。冷空氣堆積中心位于青海東南部,中心強度為1019 hPa,重慶暖中心略南壓中心為1006~1008 hPa,冷暖空氣中心相差10 hPa以上,這兩次在銅仁西北部出現(xiàn)局地大暴雨,持續(xù)時間為24 h。由此可見,當冷空氣在甘肅堆積以西路南下為主時,利于銅仁東部出現(xiàn)較強的降雨,降雨持續(xù)時間長,雨強相對也大;當冷空氣在青海東部堆積,以東路南下為主時,利于銅仁西部出現(xiàn)較強的降雨,降雨持續(xù)時間相對短,雨強相對較西路南下冷空氣的弱。
圖2 2019年6月8日20時(a)、6月12日08時(b)、6月28日20時(c)、2020年3月27日02時(d)地面氣壓場,→為冷空氣方向, □為錮囚鋒形成區(qū)域Fig.2 Surface pressure field at 20:00 on June 8,2019(a),08:00 on June 12,2019(b), 20:00 on June 28,2019(c), and 02:00 on March 27,2020 (d),→is the direction of cold air, □is the area of occlusion front
分析垂直結構可知,低壓伸展高度以及溫濕特性、能量分布特征。沿著低壓中心南側29°N作緯向剖面,分析風場、比濕、假相當位溫的垂直剖面分布可以發(fā)現(xiàn),2019年6月8日(圖3 a1)和6月28日(圖3 c1)顯示在104°E附近從地面到750 hPa為偏北風,對應了從700 hPa到地面的濕度相對低值區(qū)的干舌;108°E附近850 hPa以下為弱的偏東南風,對應了濕度自地面向高空伸展的濕舌。而在濕舌左側107°E上空850 hPa與925 hPa之間形成氣旋性垂直環(huán)流。假相當位溫(θse)垂直剖面圖(圖3a2、3c2)顯示,在104°E附近干區(qū)對應了θse的低值區(qū),106~108°E低渦前側的濕舌區(qū)對應θse的向上凸起的高值,在110°E附近干區(qū)又有自高空向下伸展的θse的低值區(qū),則在107°E與110°E附近形成θse的高能區(qū)與低能區(qū)之間的能量鋒區(qū),106°E附近的能量鋒區(qū)比110°E附近形成的能量鋒區(qū)更為密集,強度相對更強,則利于冷空氣向東側持續(xù)影響,局地強降雨則在東側110°E能量鋒區(qū)附近形成。而2019年6月12日(圖3 b1)和2020年3月27日(圖3 d1)顯示在104°E附近從地面到700 hPa為偏北風,對應了從700 hPa到地面的濕度相對低值區(qū)的干舌;108°E附近800 hPa以下為深厚的較強偏東風,對應了濕度自地面向高空伸展的濕舌;在濕舌左側的107°E上空800 hPa與750 hPa之間形成了氣旋性垂直環(huán)流。假相當位溫(θse)的垂直剖面圖(圖3 b2、d2)顯示,在104°E附近偏北風干區(qū)對應了θse的低值區(qū),106°E低渦附近對應θse的向上凸起的高值區(qū),在110°E附近又有自高空向下伸展的θse的低值區(qū),在107°E與110°E附近形成θse能量鋒區(qū),但東側110°E附近的能量鋒區(qū)比107°E附近形成的能量鋒區(qū)更為密集,強度相對更強,利于冷空氣向西持續(xù)影響,局地強降雨則在西側108°E能量鋒區(qū)附近發(fā)生。
圖3 2019年6月8日08時(a1)、6月12日02時(b1)、6月28日08時(c1)、2020年3月27日02(d1)時沿29°N的風場(單位:m·s-1)與比濕(單位:g·kg-1); 2019年6月8日08時(a2)、6月12日02時(b2)、6月28日08時(c2)、2020年3月27日02時(d2)假相當位溫(單位:K,實線表示低渦附近干、濕層最強處延伸,箭頭表示低渦兩側低能區(qū)伸展方向,D為低渦位置)Fig.3 The Wind field along 29°N(units∶ m·s-1)and Specific humidity(units∶ g·kg-1) at 08:00 on June 8,2019(a1), 02:00 on June 12,2019(b1), 08:00 on June 28,2019(c1), and 02:00 on March 27,2020 (d1); The pseudo-equivalent potential temperature(units∶K,The solid line indicates the extension of the strongest dry and wet layers near the vortex,The arrow indicates the extension direction of the low energy region on both sides of the vortex,D is the position of low vortex)
由此發(fā)現(xiàn),地面低壓上空850 hPa附近低渦氣旋前側低層暖濕,高層干冷,后側整層干冷,強降雨主要發(fā)生在低渦氣旋前側暖濕氣流里。當東側能量鋒區(qū)較強,即東側冷空氣較強持續(xù)向西影響時,利于西部形成局地較強的降雨,相反則利于東部形成局地較強的降雨。
高守亭等[13]研究指出在邊界層內的摩擦作用下, 較弱的低渦可導致明顯的徑向流動,使中心附近垂直運動達到中尺度垂直運動的量級。分析850 hPa風場和對應時段對流云團發(fā)展情況,可以更加了解850 hPa天氣系統(tǒng)形成過程中降雨的落區(qū)情況。
從850 hPa風場和衛(wèi)星TBB疊加分析可以發(fā)現(xiàn),貴州西南風急流北抬與四川南下的偏北風交匯,在貴州畢節(jié)地區(qū)形成低渦,低渦東移過程中,暖切變線影響銅仁,對流云團在低渦東側的暖切變線附近發(fā)展。2019年6月8日08時(圖4a)低渦切變線在畢節(jié)維持,貴州西南部西南風急流減弱,東南部急流維持,對流云團在暖切變線南側的急流區(qū)發(fā)展。6月12日08時(圖4b)四川到湖北的偏北風維持,貴州南部西南氣流增強為10~12 m·s-1,貴州中東部形成低渦切變線,此時對流云團在低渦南側較強的西南氣流里和東側暖切變線附近發(fā)展。6月28日08時(圖4c)低渦切變線南壓至遵義境內,對流云團在低渦附近發(fā)展形成MCS,最強中心為-80 ℃。2020年3月27日08時(圖4d)湖北—湖南北部偏東急流南壓進入銅仁北部境內,風速為12 m·s-1,四川境內偏北氣流風速為16 m·s-1,兩股氣流交匯于重慶至貴州北部地區(qū)形成低渦,此時在低渦東側的偏東急流里,對流云團發(fā)展增強,云頂溫度達到-70 ℃。同時對比分析了EC風場預報與對流云團生成發(fā)展,發(fā)現(xiàn)EC 850 hPa預報風場能很好地模擬預報出此類型低渦切變線系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程,低渦切變線對應的對流云團可以追溯到畢節(jié)與遵義附近,并沿著低渦冷切變線移動、發(fā)展。
圖4 2019年6月8日08時(a),2019年6月12日08時(b),2019年6月28日08時(c),2020年3月27日08時(d)850 hPa風場(單位:m·s-1)和衛(wèi)星TBB疊加圖(單位:℃)Fig.4 850 hPa Wind field (units∶ m·s-1) and Satellite TBB (units∶℃) at 08:00 on June 8,2019(a), 08:00 on June 12,2019(b), 08:00 on June 28,2019(c), and 08:00 on March 27,2020 (d)
由此可見,強降雨對流云團主要在850 hPa低渦切變線附近形成和發(fā)展,低渦切變線對應的對流云團,可以追溯到畢節(jié)與遵義附近,并沿著低渦冷切變線移動、發(fā)展。當?shù)蜏u切變線附近偏南風較偏北風強時,對流云團在低渦東南側的南風氣流里和暖切變線附近發(fā)展增強;當?shù)蜏u切變線附近偏東風氣流較偏南風強時,對流云團在低渦東北側的偏東北風氣流里發(fā)展增強。因此850 hPa低渦切變線的形成時以及低渦附近風速的大小,可以很好地指示強降雨的形成發(fā)展。
在天氣系統(tǒng)影響情況下,為什么強降雨主要出現(xiàn)在東南部和西北部,而在梵凈山北側和西側附近區(qū)域沒有形成較強的降雨?主要是受銅仁中部凸起梵凈山地形影響,使得近地層氣流分支發(fā)散。
從EC細網格10 m風場初始場資料疊加地形(圖5)來看,6月8日08時和28日08時在低渦對流云團發(fā)展最強時,風的流場顯示梵凈山南側西南風在向北吹的過程中,受梵凈山阻擋出現(xiàn)分支繞流,一支在山的東側北上,一支在山的西側北上。西側向北的氣流受到貴州北部地形阻擋,在梵凈山北側與湖北、重慶的偏東氣流匯合,從而在兩股氣流交匯區(qū)出現(xiàn)強降雨。而在梵凈山西側附近為發(fā)散氣流,不利于降雨發(fā)生。梵凈山東側則形成繞流的西南氣流與東南氣流的暖切變線,切變線附近也出現(xiàn)降雨。2019年6月11日20時和2020年3月26日20時,從湖北—湖南的東北風南下吹進入貴州東北部時,氣流受到梵凈山阻擋出現(xiàn)分支繞流,一支在山的東側南下繞過山的南部向西南部流去,同時在東側有氣流的匯合,一支在沿著山的西側南下,在梵凈山西側附近出現(xiàn)明顯的氣流發(fā)散。西側向南的氣流與東側向南的氣流在銅仁西部匯合,又受到貴州西部地形阻擋,利于在梵凈山西側較遠處的山前形成氣流輻合抬升,在梵凈山東側的氣流匯合區(qū)抬升,從而使得梵凈山東側和西部較遠處出現(xiàn)較強降雨。由此可見,銅仁境內由于受梵凈山地形影響,近地層無論是北上的西南氣流還是南下的東北氣流,在翻越梵凈山的過程中均出現(xiàn)分支,而在山的東、西兩側較遠處,由于氣流的輻合和地形抬升作用,從而形成較強的降雨。從而在山的西側臨近處為下沉氣流或輻散氣流,不利于強降雨發(fā)生。
圖5 2019年6月8日08時(a),2019年6月12日02時(b),2019年6月28日08時(c),2020年3月26日20時(d)地形(陰影)與EC thin10m流場疊加圖Fig.5 The terrain (shade) and EC thin10m stream line at 08:00 on June 8,2019(a), 02:00 on June 12,2019(b), 08:00 on June 28,2019(c), and 20:00 on March 26,2020 (d)
從以上形勢可以綜合判斷降雨利于出現(xiàn)在銅仁梵凈山的東西兩側,但具體落區(qū)及降雨開始和結束時間還需進一步分析。水汽通量散度反映水汽集中情況[14],垂直上升運動提供暴雨發(fā)生的動力條件,觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放,對流有效位能(CAPE)的積聚到釋放對強降雨開始和結束有很好的指導意義[15]。
從表1可以看到,2019年6月7日08—14時銅仁境內CAPE從0~400 J·kg-1增大到900~1200 J·kg-1,此時段無降雨發(fā)生。7日14時—8日02時CAPE快速下降至260~280 J·kg-1,此時段內西部強降雨發(fā)生。到6月8日14時CAPE值再次增大達1000~2000 J·kg-1,此時段內西部降雨減弱,東部降雨開始,到8日20時CAPE快速減小100 ~430 J·kg-1,能量大量釋放,對應在能量釋放時段內,銅仁東部小時雨強達44.8 mm。對應6月8日14時前較強的上升運動主要集中在西部,最強的強度為-31~-37 hPa·s-1,水汽輻合中心強度為-22~-31×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1;而6月8日20時—9日08時強的上升運動區(qū)則集中在銅仁東部,最強強度為-116~-141 hPa·s-1,水汽輻合中心強度為-34~-68×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1,東部動力抬升和水汽輻合強度均比西部強,從而導致東部降雨量比西部大。同樣6月27日08—14時為CAPE的發(fā)展時段,14時增大為600~1600 J·kg-1,到28日02—08時CAPE值減小為400~550 J·kg-1,能量得到釋放,對應時段內較強的上升運動主要集中在西部,最強的強度為-69 hPa·s-1,水汽輻合中心強度為-68~-69×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1,西部出現(xiàn)持續(xù)強降雨;28日14時CAPE值再次增大到1400~2000 J·kg-1,西部降雨減小,28日20時CAPE開始減小,到29日08時減小為0~9 J·kg-1,較強的上升運動主要集中在東部,最強的強度為-82 hPa·s-1,水汽輻合中心強度為-68~-69×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1,伴隨著銅仁東部降雨增大。
表1 4次暴雨過程物理量演變特征Tab.1 The evolution characteristics of physical quantities in four rainstorm processes
6月11—12日由于有冷空氣的影響,CAPE值增幅小,11日08—20時最大為597 J·kg-1,11日20時—12日08時CAPE逐漸減小時,銅仁降雨發(fā)生,且東部和西部均有強降雨發(fā)生。但發(fā)現(xiàn)較強的上升運動和水汽輻合主要集中在西部,則西部雨量相比東部大。2020年3月26日14—20時能量積聚,東部為1211 J·kg-1,西部為1176 J·kg-1;27日02—08時CAPE值減小為69~82 J·kg-1,能量釋放,此時段內西部強上升運動中心為-150~-391 hPa·s-1,強的水汽輻合中心為-52~-81×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1,比東部的上升運動-50~-88 hPa·s-1和水汽輻合中心-37~-41×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1明顯偏強,強降雨發(fā)生時段內西部最大雨強為38.1 mm,東部最大雨強為24.7 mm。
以上分析可見,CAPE增大到減小的過程,對應了降雨的最強時段,對降雨的起止有一定的指示作用;低層850 hPa水汽通量散度輻合中心區(qū)和700 hPa強的上升運動區(qū),對應了強降雨發(fā)生的區(qū)域,輻合強度越強,動力抬升運動越大,則對應的雨強越大。
針對2019年6月和2020年3月出現(xiàn)在銅仁的4次暴雨落區(qū)相近的天氣過程,從高空環(huán)流背景、地面形勢、低渦結構特征、低渦附近降雨云團以及物理特征進行分析,得出以下結論:
① 4次強降雨過程超過25 mm的降雨集中在銅仁西北部和東部區(qū)域,而在梵凈山西側附臨近區(qū)域降雨量較小。
②強降雨形成背景為高空500 hPa中高緯為兩槽一脊的形勢,貴州受高空槽前西南氣流影響。地面上降雨發(fā)生前貴州為熱低壓控制,隨著青海、甘肅地區(qū)的冷空氣從四川盆地南下和湖北南下,兩股冷空氣在貴州東部和重慶交匯,使得貴州暖空氣抬升,在重慶附近形成“Ω”形勢,凸起的暖中心區(qū)位于重慶中部,形成地面錮囚鋒形勢。冷空氣南下使得近地層等位溫線梯度加大形成鋒生,在輻合鋒生情況下,形成對流降水。
③地面凸起暖低壓區(qū)伸展高度達850 hPa附近形成重慶低渦,低渦前側低層暖濕,中高層干冷,后側整層干冷,強降雨主要發(fā)生在低渦前側暖濕氣流里。低渦附近對應的對流云團初生在畢節(jié)和遵義附近,然后沿著切變線北移至重慶西部,在低渦東、南側的西南急流和東側的東北風急流里發(fā)展,導致暴雨天氣發(fā)生。
④EC數(shù)值形勢預報能較好地模擬低渦的演變,但受到地形影響,使得降雨落區(qū)預報存在較大偏差。銅仁境內主要是受梵凈山地形影響,近地層偏東氣流南下時出現(xiàn)分支,在山的東、西兩側較遠處形成輻合氣流,從而導致較強的降雨發(fā)生。而在山的西側臨近處為下沉氣流或輻散氣流,不利于強降雨發(fā)生。
⑤分析物理量發(fā)現(xiàn),對流有效位能值積聚到釋放對強降雨的起止和強度有很好的指示意義;水汽輻合區(qū)與強降雨的發(fā)生區(qū)對應較好,強的上升運動區(qū)能更好地指示強降雨落區(qū)。
本文為此類型暴雨預報提供了思路和著眼點,但對于降雨量級跟具體的氣象要素和物理量的大小關系值,還需要收集更多的個例來進一步細化分析研究。