一次暖區(qū)暴雨天氣過程分析

曾 妮，方 鵬，蒙 軍，何莉陽，吳哲紅

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，廣西 南寧 530000)

0 引言

暴雨是貴州的主要災(zāi)害性天氣之一。由于貴州多山地和丘陵，受地形影響，暴雨落區(qū)的預(yù)報(bào)難度大。強(qiáng)的暴雨天氣往往容易引發(fā)山洪、泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，大量的氣象工作者對(duì)暴雨環(huán)流形勢、物理量特征及時(shí)空分布特征等進(jìn)行分析[1-8]。杜小玲等[9]對(duì)貴州望謨初夏暴雨的環(huán)境場和物理場進(jìn)行合成分析，發(fā)現(xiàn)暴雨發(fā)生前關(guān)鍵區(qū)處于正渦度輻合和高濕不穩(wěn)定層結(jié)中，暴雨強(qiáng)盛時(shí)刻，低層輻合高層輻散的特征最顯著。魯亞斌等[10]對(duì)1次強(qiáng)對(duì)流暴雨的中尺度特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在MCS移動(dòng)方向前沿對(duì)流活躍的TBB等值線大值區(qū)，雨強(qiáng)的變化與TBB等值線的梯度變化密切相關(guān)。肖艷林等[11]對(duì)準(zhǔn)靜止鋒背景下貴州的2次暴雨過程進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)滇黔靜止鋒擺動(dòng)與暴雨落區(qū)有極大的關(guān)系，暴雨主要分布在20時(shí)準(zhǔn)靜止鋒附近及其南側(cè)跨越緯度1°左右。周明飛等[12]對(duì)貴州的2次暖區(qū)暴雨過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)貴州暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的著眼點(diǎn)為低空急流的建立和加強(qiáng)，以及地面低壓中輻合線的加強(qiáng)鋒生。雖然對(duì)暴雨的研究已經(jīng)很多，但暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)的不確定性依然是預(yù)報(bào)員面臨的一大難題。2019年5月24—26日貴州出現(xiàn)連續(xù)性暴雨天氣過程，大暴雨落區(qū)局地性強(qiáng)，最大累計(jì)降水量達(dá)376.4 mm。本文利用FNL 1°×°再分析資料、FY-2F衛(wèi)星TBB資料及常規(guī)氣象觀測資料對(duì)此次過程進(jìn)行分析，找出影響這次暴雨落區(qū)有關(guān)的因子，為今后暴雨落區(qū)的預(yù)報(bào)提供一定的參考指標(biāo)。

1 降水實(shí)況

2019年5月24—26日貴州省出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨天氣過程。其中24日20時(shí)—25日20時(shí)全省共出現(xiàn)9站特大暴雨，87站大暴雨和283站暴雨。暴雨落區(qū)主要集中在貴州省中部一線地區(qū)和遵義市北部(圖1a)。最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在織金縣的綺陌站為306.7 mm，其最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在24日23時(shí)為122.2 mm·h-1。25日20時(shí)—26日20時(shí)全省共出現(xiàn)24站大暴雨和166站暴雨。暴雨落區(qū)較分散，主要分布在貴州省中部以西地區(qū)、銅仁市東部和黔東南州局地(圖1b)。最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在平壩區(qū)的平壩站為182.4 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在26日00時(shí)為111.6 mm·h-1。貴陽、安順和畢節(jié)的交界處為24日夜間和25日夜間的強(qiáng)降水疊加區(qū)(圖1c)，在疊加區(qū)有20站的累計(jì)降水量在200 mm以上，其中織金縣綺陌站的累計(jì)降水量達(dá)376.4 mm，為最大降水量。此次暴雨天氣過程局地性較強(qiáng)，小時(shí)雨強(qiáng)大，有64個(gè)站的雨強(qiáng)在50 mm·h-1以上，強(qiáng)降水主要發(fā)生在夜間，白天降水強(qiáng)度明顯減弱。

圖1 累計(jì)降雨量(a：24日20時(shí)—25日20時(shí);b：25日20時(shí)—26日20時(shí);c：24日20時(shí)—26日20時(shí);單位：mm)

2 天氣形勢和探空分析

2.1 天氣形勢分析

24日08時(shí)(圖略)500 hPa在河套—四川東部有高空槽，貴州位于槽底受偏西氣流影響，700 hPa切變線位于河套—四川北部，850 hPa貴州受6～8 m·s-1的西南氣流影響，地面貴州受熱低壓控制。24日20時(shí)(圖2a)500 hPa高空槽移到山西東部—四川東部，貴州仍然受槽底偏西氣流影響，700 hPa切變線分為2段，北段位于河套東部，南段與500 hPa槽線幾乎重合，在云南—江西北部有10～12 m·s-1的西南風(fēng)。850 hPa在重慶—貴州北部邊緣有切變線生成，6～8 m·s-1的西南風(fēng)增強(qiáng)為8～10 m·s-1的南風(fēng)，地面熱低壓位置基本不變，強(qiáng)度增強(qiáng)，在貴州的中北部有輻合線生成。25日20時(shí)(圖2b)500 hPa高空槽位于山西—貴州北部，貴州大部受槽前西南氣流影響。700 hPa切變線位于安徽—湖南北部，貴州西北部邊緣有弱的風(fēng)向切變，在廣西—安徽有12～20 m·s-1的西南低空急流。850 hPa在河南東部—貴州北部有切變線，低空急流位置與700 hPa接近，地面受熱低壓維持，輻合線位于貴州中南部一線。

圖2 24日20時(shí)(a)和25日20時(shí)(b)高空及地面綜合分析

此次過程地面一直受熱低壓控制，無明顯冷空氣影響，是典型的暖區(qū)暴雨[12]。高空槽和中低層切變線為暴雨的產(chǎn)生提供了天氣尺度背景，地面輻合線是觸發(fā)對(duì)流的重要因子，低空偏南大風(fēng)或低空急流使降水區(qū)的不穩(wěn)定度增強(qiáng)，并觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放[13-15]。

2.2 探空分析

對(duì)暴雨發(fā)生前威寧站和貴陽站的探空進(jìn)行分析。由T-lnp圖看出：24日08時(shí)威寧站(圖略)的濕層較淺薄，對(duì)流有效位能CAPE=196.3 J·kg-1，SI>0。貴陽站500 hPa以下為濕層，CAPE=39.4 J·kg-1，SI=-1.19 ℃，K=37.9 ℃。24日20時(shí)威寧站(圖3a)上空大氣仍然較為干燥，近地面到600 hPa均為干層，貴陽站(圖3b)的濕層與08時(shí)相比有所增厚，從近地面伸展到400 hPa附近，2站的CAPE分別增加到1175.7 J·kg-1和1015.5 J·kg-1，SI指數(shù)減小到-1.35 ℃和-3.44 ℃，貴陽站的K指數(shù)增加到41.3 ℃，表明：24日20時(shí)大氣中積聚了充沛的能量，層結(jié)不穩(wěn)定度增強(qiáng)，貴陽站周圍大氣濕層深厚，為暴雨的產(chǎn)生提供了有利條件。而威寧站周圍雖然能量和不穩(wěn)定條件均具備，但氣層較干，是產(chǎn)生暴雨的不利因素，因此24日夜間的暴雨和大暴雨集中在貴州中部地區(qū)。

圖3 24日20時(shí)和25日20時(shí)T-lnp圖(a、c：威寧站、b：貴陽站)

由于暴雨的產(chǎn)生使能量得到釋放，到25日08時(shí)(圖略)2站的CAPE分別減小到21.8 J·kg-1和23.3 J·kg-1，SI指數(shù)也從負(fù)值增加到正值(0.26 ℃和2.26 ℃)，貴陽站的K指數(shù)從41.3 ℃減小到33.1 ℃。因此25日白天降水強(qiáng)度明顯減弱，僅在貴州中部一線出現(xiàn)9站暴雨。25日20時(shí)(貴陽站沒有資料)威寧站(圖3c)的CAPE增加到1157.3 J·kg-1，SI指數(shù)減小到-3.04 ℃，濕層從近地面伸展到500 hPa附近，表明25日夜間貴州西北部大氣的水汽條件比24夜間好，因此25日夜間在畢節(jié)的中部以東地區(qū)出現(xiàn)了暴雨。

由以上分析看出：暴雨區(qū)上空大氣濕層較深厚，層結(jié)不穩(wěn)定，中等強(qiáng)度的對(duì)流有效位能有利于形成高的降水效率[12]。

3 水汽、動(dòng)力和熱力條件診斷分析

3.1 水汽條件分析

分析強(qiáng)降水發(fā)生前850 hPa的比濕發(fā)現(xiàn)，24日20時(shí)(圖略)除貴州東北部以外，其余地區(qū)的比濕在13 g·kg-1以上，其中貴州中部以西以南地區(qū)的比濕在14 g·kg-1以上。同時(shí)貴州北部和西部處于水汽輻合區(qū)(圖4a)，在遵義市北部和黔西南州西部有2個(gè)輻合中心，其水汽通量散度中心強(qiáng)度達(dá)-10×10-5g· hPa-1·cm-2·s-1，有8～12 m·s-1的偏南風(fēng)將南海的水汽輸送到貴州。與圖1a對(duì)比發(fā)現(xiàn)暴雨沒有出現(xiàn)在水汽強(qiáng)輻合中心，而是出現(xiàn)在2個(gè)強(qiáng)輻合中心之間和北部強(qiáng)輻合中心的南側(cè)的水汽通量散度梯度較大的區(qū)域。

25日20時(shí)(圖略)全省比濕均超過14 g·kg-1，其中貴州中南部地區(qū)在比濕在15 g·kg-1以上，強(qiáng)的水汽輻合區(qū)位于貴州西部(圖4d)，在貴州東部局地有弱的水汽輻合，其中在黔西南州西部有大于-10×10-5g· hPa-1·cm-2·s-1的強(qiáng)輻合中心。26日02時(shí)(圖4e)輻合中心向東北方向移動(dòng)到安順北部，中心值減小到-8×10-5g· hPa-1·cm-2·s-1，同時(shí)在湖南的西部有1個(gè)中心值為-7×10-5g· hPa-1·cm-2·s-1的水汽輻合區(qū)。與圖1b對(duì)比發(fā)現(xiàn)暴雨也沒有出現(xiàn)在水汽強(qiáng)輻合中心，而是出現(xiàn)在水汽通量散度梯度較大的區(qū)域。26日08時(shí)(圖4f)水汽通量散度呈東北—西南帶狀，其強(qiáng)度明顯減弱。

圖4 850 hPa水汽通量散度(填色，單位：10-5g· hPa-1·cm-2·s-1)和流場(流線)

通過以上分析發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)降水發(fā)生前850 hPa比濕在13～15 g·kg-1之間，表明貴州大部處于高濕狀態(tài)，暴雨中心與水汽強(qiáng)輻合中心沒有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，暴雨主要出現(xiàn)在水汽通量散度梯度的大值區(qū)。

3.2 動(dòng)力和熱力條件分析

24日20時(shí)(圖5a)在暴雨區(qū)上空,108°E以西為整層的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，其中在104～107°E上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)。從近地層伸展到200 hPa，在105～106°E之間有2個(gè)強(qiáng)中心，分別位于700～600 hPa和300 hPa附近，強(qiáng)度分別為-1.2 Pa·s-1和-1.6 Pa·s-1。從假相當(dāng)位溫的垂直分布來看，暴雨區(qū)上空從近地層到500 hPa，θse/Z<0表明大氣為對(duì)流性不穩(wěn)定，在103.5～105°E的低層有高能舌存在。25日02時(shí)(圖5b)強(qiáng)上升區(qū)東移至107°E，2個(gè)強(qiáng)中心的高度與20時(shí)相比變化不大，但高層的強(qiáng)中心減小到-0.8 Pa·s-1。在105～106°E的近地層到700 hPa有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，強(qiáng)中心在800 hPa附近為-0.8Pa· s-1，同時(shí)高能舌東移至104.5～106°E，與20時(shí)相比低層南風(fēng)增強(qiáng)，累計(jì)雨量和小時(shí)雨強(qiáng)最大的站點(diǎn)(綺陌站105.85°E，26.6°N)南風(fēng)增強(qiáng)到8～12 m·s-1，其最大小時(shí)雨強(qiáng)發(fā)生在24日23時(shí)為122.2 mm，表明強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)暴雨區(qū)上空垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，并且有高能舌存在。25日20時(shí)(圖5c)104～108°E為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，其中在105°E的近地面到600 hPa上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，強(qiáng)中心為-1.6 Pa·s-1，在106～107°E上升運(yùn)動(dòng)伸展到200 hPa，其強(qiáng)中心分別位于600 hPa和350 hPa，強(qiáng)度為-0.8 Pa·s-1；26日02時(shí)(圖5d)位于105°E的上升運(yùn)動(dòng)減弱，強(qiáng)上升區(qū)移至108°E上空，低層的南風(fēng)與20時(shí)相比略有增強(qiáng)，累計(jì)雨量和小時(shí)雨強(qiáng)最大的站點(diǎn)(平壩站106.27°E，26.42°N)其最大小時(shí)雨強(qiáng)發(fā)生在26日00時(shí)為111.6 mm。

圖5 沿26.6°N(a、b)、沿26.42°N(c、d)風(fēng)場、垂直速度和假相當(dāng)位溫剖面(垂直速度：黑色等值線，單位： Pa·s-1；假相當(dāng)位溫：紅色等值線，單位：K)

以上分析表明，暴雨發(fā)生前大氣呈現(xiàn)動(dòng)力和熱力不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特征。強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)將底層的暖濕空氣輸送到高層，在有高能舌存在的地方大氣的濕熱能條件好[16-18]，更有利于產(chǎn)生對(duì)流性強(qiáng)降水。24日夜間大氣中低層有明顯的高能舌存在而25日夜間沒有，這是24日夜間降水強(qiáng)度大于25日夜間的原因之一。

4 地面輻合線與中尺度對(duì)流云團(tuán)分析

4.1 地面輻合線演變

5月24日20時(shí)地面輻合線位于貴州中部一線(圖7a)，24日夜間輻合線移動(dòng)緩慢，到25日11時(shí)才南壓到貴州中南部，此后輻合線開始北抬，到25日20時(shí)北抬至貴州中北部?？偟膩砜?4日20時(shí)—25日20時(shí)輻合線在貴州中部地區(qū)擺動(dòng)，位移較小，移速較慢；25日20—23時(shí)輻合線位置穩(wěn)定維持(圖6b)，23時(shí)以后輻合線開始南壓，26日14時(shí)南壓到黔東南州中北部—安順市南部—黔西南州中部一線，并且26日14時(shí)以后南壓速度明顯加快，到20時(shí)輻合線已南壓到貴州南部邊緣。

圖6 24日18時(shí)—25日04時(shí)FY-2F衛(wèi)星TBB(單位：℃)

由以上分析看出，24日夜間地面輻合線在貴州中部地區(qū)停留時(shí)間較長，有利于對(duì)流的觸發(fā)，以及使對(duì)流系統(tǒng)在貴州中部地區(qū)發(fā)展和移動(dòng)，相比之下25日夜間地面輻合線移動(dòng)較快，南北位移較大，這是導(dǎo)致24日夜間降水強(qiáng)度大于25日夜間的原因之一。

4.2 中尺度對(duì)流云團(tuán)演變特征

通過分析FY-2F衛(wèi)星逐小時(shí)TBB資料，找出這次暴雨過程的中尺度對(duì)流云團(tuán)的演變特征。24日16時(shí)(圖略)在貴州的西北部邊緣和西南部分別有1個(gè)中β尺度對(duì)流單體生成。18時(shí)(圖6a)2個(gè)對(duì)流單體發(fā)展東移，其中對(duì)流單體A發(fā)展迅速，TBB≤-32 ℃的冷云罩面積明顯增大，最低TBB達(dá)-65 ℃，對(duì)流單體B的冷云罩面積也有所增大，最低TBB為-55 ℃。20時(shí)(圖6b)對(duì)流單體A已經(jīng)發(fā)展為中α尺度，最低TBB減小到-68 ℃，在其TBB梯度大值區(qū)有暴雨產(chǎn)生，而對(duì)流單體B東移到黔東南州，其強(qiáng)度明顯減弱。22時(shí)(圖6c)對(duì)流單體B已減弱消失，而對(duì)流系統(tǒng)A的冷云罩面積繼續(xù)擴(kuò)大，TBB≤-65°C的強(qiáng)中心位于畢節(jié)、貴陽和安順的交界處，與大暴雨區(qū)相對(duì)應(yīng)。23時(shí)織金縣綺陌站出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)為122.2 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。25日00—04時(shí)(圖6d～f)對(duì)流云團(tuán)逐漸東移，TBB≤65 ℃的強(qiáng)中心面積逐漸減小，但TBB≤-52 ℃的冷云區(qū)一直維持，表明此對(duì)流云團(tuán)發(fā)展強(qiáng)盛，減弱速度慢，在其強(qiáng)中心移過的地方和TBB梯度大值區(qū)均出現(xiàn)了大到暴雨。25日08時(shí)對(duì)流云團(tuán)移到貴州東部，中心強(qiáng)度減小到-55 ℃，08時(shí)以后逐漸移出貴州。

25日16時(shí)(圖7)在貴州中南部有3個(gè)中β尺度對(duì)流單體生成。18時(shí)(圖7a)3個(gè)對(duì)流單體發(fā)展增強(qiáng)，在貴州中部偏南地區(qū)排成1排，其最低云頂量溫TBB均≤-50 ℃。20時(shí)(圖7b)3個(gè)云團(tuán)向西南方向移動(dòng)，其中D對(duì)流單體移到黔南州中部，強(qiáng)度開始減弱，A、B對(duì)流單體在黔西南和黔南的交界處開始合并，其最強(qiáng)中心位于云團(tuán)的西南部TBB為-55 ℃，同時(shí)在黔西南州的北部有新的對(duì)流單體D生成。22時(shí)(圖7c)C對(duì)流單體再次發(fā)展增強(qiáng)，其強(qiáng)中心TBB≤-65 ℃位于畢節(jié)、貴陽和安順的交界處，與大暴雨區(qū)相對(duì)應(yīng)，而D對(duì)流單體與AB對(duì)流單體完全合并，強(qiáng)中心位于黔西南州的北部，中心值小于-65 ℃。26日00時(shí)C對(duì)流單體與ABD對(duì)流單體合并，TBB≤-52°C的冷云區(qū)位于黔西南州東部、黔南州西部和安順市南部，在以上區(qū)域均出現(xiàn)了暴雨。02時(shí)以后(圖略)對(duì)流云團(tuán)逐漸東移減弱，到26日06時(shí)完全移出貴州。

圖7 25日18時(shí)—26日06時(shí)FY-2F衛(wèi)星TBB(單位：℃)

24日暴雨過程為1個(gè)中β尺度對(duì)流單體獨(dú)立發(fā)展形成中α尺度系統(tǒng)，對(duì)流發(fā)展旺盛，伸展高度較高，影響范圍廣，生命史達(dá)18 h以上。25日暴雨過程為幾個(gè)中β尺度對(duì)流單體發(fā)展逐漸合并為1個(gè)中β尺度對(duì)流單體，造成的暴雨局地性強(qiáng)，其中造成大暴雨中心的對(duì)流單體經(jīng)歷了2次發(fā)展減弱過程，生命史約為14 h；暴雨與TBB≤-52 ℃的冷云區(qū)和TBB梯度大值區(qū)對(duì)應(yīng)較好，大暴雨與TBB≤-65 ℃的區(qū)域?qū)?yīng)較好。

5 結(jié)論

①此次連續(xù)性暴雨天氣過程是典型的暖區(qū)暴雨,其主要影響系統(tǒng)是高空槽、中低層切變線和地面輻合線。24日夜間地面輻合線在貴州中部地區(qū)停留時(shí)間較長，有利于對(duì)流的觸發(fā)以及對(duì)流系統(tǒng)在貴州中部地區(qū)發(fā)展和移動(dòng)。相比之下25日夜間地面輻合線移動(dòng)較快，南北位移較大，這是導(dǎo)致24日夜間降水強(qiáng)度大于25日夜間的原因之一。

②暴雨區(qū)上空大氣濕層較深厚，層結(jié)不穩(wěn)定，中等強(qiáng)度的對(duì)流有效位能有利于形成高的降水效率。強(qiáng)降水發(fā)生前貴州大部處于高濕狀態(tài)，但暴雨中心與水汽強(qiáng)輻合中心沒有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，暴雨主要出現(xiàn)在水汽通量散度梯度的大值區(qū)。

③暴雨發(fā)生前大氣呈現(xiàn)動(dòng)力和熱力不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特征，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)將底層的暖濕空氣輸送到高層，在有高能舌存在的地方大氣的濕熱能條件好，更有利于產(chǎn)生對(duì)流性強(qiáng)降水。這是24日夜間降水強(qiáng)度大于25日夜間的原因之一。

④ 24日暴雨過程為1個(gè)中β尺度對(duì)流單體獨(dú)立發(fā)展形成中α尺度系統(tǒng)，對(duì)流發(fā)展旺盛，伸展高度較高，影響范圍廣，生命史達(dá)18 h以上。25日暴雨過程為幾個(gè)中β尺度對(duì)流單體發(fā)展逐漸合并為1個(gè)中β尺度對(duì)流單體，造成的暴雨局地性強(qiáng)，生命史約為14 h。在TBB≤-52 ℃的冷云區(qū)和TBB梯度大值區(qū)有發(fā)生暴雨的可能性，TBB≤-65 ℃的區(qū)域有利于大暴雨的產(chǎn)生。