2022年7月18—20日貴州持續(xù)性暴雨天氣過程分析

曾 妮,方 鵬,王自流,鄧 安,胡秋紅,王興菊

(貴州省安順市氣象局,貴州 安順 561000)

0 引言

暴雨是最常見的災(zāi)害性天氣之一,尤其是持續(xù)時間長、影響范圍廣的暴雨,往往引起山體滑坡、洪水泛濫等次生災(zāi)害,給人民生產(chǎn)生活造成極大的危害。影響暴雨的因子很多,不同尺度天氣系統(tǒng)的配置情況,水汽輸送條件及地形等都對暴雨的產(chǎn)生有著重要影響。貴州地處青藏高原東南側(cè),境內(nèi)地勢西高東低,自中部向北、東、南三面傾斜,地貌分為高原山地、丘陵和盆地3種基本類型,其地形的復(fù)雜性給貴州暴雨天氣的落區(qū)和強度預(yù)報增加了難度,因此許多氣象工作者從不同角度,對貴州的暴雨天氣進行研究[1-8]。吳古會等[9]對貴州西部極端對流性暴雨失敗案例進行剖析,發(fā)現(xiàn)對于此類暴雨天氣,需考慮高溫高濕環(huán)境下露點鋒、輻合區(qū)、冷池、地面輻合線的相互作用觸發(fā)對流并使其組織化發(fā)展,從而導(dǎo)致局地性、對流性強降水的產(chǎn)生。曾妮等[10]對貴州一次暖區(qū)暴雨天氣進行分析發(fā)現(xiàn),暴雨與水汽通量散度梯度的大值區(qū)、TBB≤-52 ℃的冷云區(qū)和TBB梯度大值區(qū)對應(yīng)較好,TBB≤-65 ℃的區(qū)域有利于大暴雨產(chǎn)生。唐紅忠等[11]對2020年6月貴州連續(xù)性暴雨成因分析發(fā)現(xiàn),貴州暴雨對西伯利亞高壓強度指數(shù)具有較好的響應(yīng),但暴雨發(fā)生時間比西伯利亞高壓強度指數(shù)滯后1 d。這些研究表明貴州暴雨的發(fā)生與很多因素有關(guān),加之貴州地形復(fù)雜,給暴雨預(yù)報增加了更大的難度,因此,對貴州暴雨天氣的研究具有較大的現(xiàn)實意義。2022年7月18—20日貴州出現(xiàn)持續(xù)性暴雨天氣過程,其影響范圍廣,強度大,造成47 048人受災(zāi),直接經(jīng)濟損失4161.27萬元。本文利用FNL 1°×1°再分析資料、FY-2H衛(wèi)星TBB資料及常規(guī)氣象觀測資料,對此次天氣過程進行分析,找出這次暴雨天氣的特點及持續(xù)性發(fā)生的原因,以期為今后持續(xù)性暴雨天氣的預(yù)報增加一些參考依據(jù)。

1 降水實況

2022年7月17日20時—20日20時(簡稱18日、19日、20日降水),貴州出現(xiàn)持續(xù)性暴雨天氣過程,全省有70站過程累積降水量≥200 mm,934站過程累積降水量≥100 mm且<200 mm,最大累積降水量出現(xiàn)在盤州市大地中學(xué)(308.9 mm)。從圖1a看出,100 mm以上的降水落區(qū)主要位于貴州中部一線,呈東北—西南走向,200 mm以上的降水落區(qū)局地性較強。從圖1b看出,3個代表站的小時降水特征各不相同,其中紫云縣白石巖站小時雨強較小,最大僅為40.1 mm·h-1,強降水分2個時段出現(xiàn)(18日凌晨和20日凌晨),造成累積降水量大,盤州市大地中學(xué)的降水持續(xù)時間最長,從18日白天開始出現(xiàn)降水,20日凌晨達(dá)到最強,累計降水時間超過24 h,造成308.9 mm的最大累積降水量。白云區(qū)蓬萊展示園的最大小時雨強為60.4 mm·h-1,為3個代表站中最強,最強降水時段出現(xiàn)在19日午后,降水持續(xù)時間也較長。由此可知,18日和20日強降水主要出現(xiàn)在前半夜到早晨,19日強降水主要出現(xiàn)在午后到傍晚。從18—20日的分時段降水實況統(tǒng)計(表1)看出,18日和19日降水出現(xiàn)暴雨以上量級的站點數(shù)相當(dāng),其中18日的最大累積降水量最小,為171.2 mm,但其過程最大小時雨強最大,為101.2 mm·h-1,且小時雨強≥50 mm·h-1的時次達(dá)83次,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過19日和20日,表明18日降水的對流性最強;20日降水的對流性遠(yuǎn)小于18日,但其影響范圍最廣,累積降水量最大。

表1 18—20日分時段降水實況統(tǒng)計Tab.1 Actual statistics of precipitation by period from 18th to 20th

圖1 17日20時—20日20時過程累積降水量(a,單位:mm)、累積雨量最大的3個站點降水時序圖(b)Fig.1 Cumulative precipitation from 20∶00 on the 17th to 20∶00 on the 20th(a,unit:mm),precipitation time series diagram of the three stations with the largest accumulated rainfall(b)

綜上所述,此次暴雨天氣過程的影響范圍廣,持續(xù)時間長,強度大,200 mm以上的降水局地性強,暴雨過程分為3個階段,第Ⅰ階段(18日)和第Ⅲ階段(20日)主要發(fā)生在夜間,第Ⅱ階段(19日)主要發(fā)生在白天。第Ⅰ階段暴雨影響范圍較小,但降水的對流性最強;第Ⅲ階段暴雨影響范圍和過程最大累積降水量均明顯增大,但降水強度明顯減小。

2 大氣環(huán)流形勢分析

從高空形勢場演變可以看出(圖2),500 hPa上,副熱帶高壓(簡稱副高,下同)的變化主要分為3個階段,其中17日08時—18日08時(圖2a～2d),副高從帶狀分布,控制貴州大部的形勢,逐漸南壓到云南—華南中部,最后快速東退到海上;18日20時—19日14時(圖2e～2h)副高在海上穩(wěn)定維持,西脊點位于112～ 116°E之間;19日20時—20日20時(圖2i～2l)副高逐漸西進北抬。850 hPa上,17日08時—17日20時原位于貴州北部的切變線南壓到貴州中部,17日20時—20日02時切變線在貴州中部一線徘徊,隨著西南氣流的增強(減弱)而北(南)移,20日08時—20日20時,隨著副高的西進北抬,切變線從貴州中部北抬到重慶南部—貴州北部一線。按暴雨過程的3個階段分析西南氣流的變化情況,第Ⅰ階段(圖2b～2e)西南氣流強度較弱,在最強時段中心最大風(fēng)速在10～12 m·s-1,第Ⅱ階段(圖2e～2i)西南低空急流建立,急流核中心最大風(fēng)速達(dá)16 m·s-1,第Ⅲ階段(圖2i～2l)急流強度進一步增強,其中20日02—08時在廣西—湖北一帶的風(fēng)速在12～16 m·s-1之間,急流核中心最大風(fēng)速達(dá)18 m·s-1,貴州位于急流左側(cè),利于水汽的輻合上升。

綜上所述,副高的東退南壓帶動切變線南移到貴州中部并穩(wěn)定維持,使得切變在貴州中部長時間穩(wěn)定維持,為持續(xù)性暴雨的發(fā)生提供有利的抬升觸發(fā)條件,西南氣流強度呈階梯式的增長趨勢,為暴雨的發(fā)生提供充分的水汽供應(yīng)條件。

3 物理量場分析

3.1 水汽條件

充足的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的必要條件之一。比濕能反映出降水區(qū)的水汽含量,水汽通量散度能反映出降水區(qū)的水汽輻合情況。對強降水發(fā)生期間的比濕(圖3)和水汽通量散度(圖4)進行分析發(fā)現(xiàn),700 hPa貴州大部的比濕≥11 g·kg-1,其中北部和中西部地區(qū)在12 g·kg-1以上,17日20時(圖3a)和19日20時(圖3d)在大暴雨發(fā)生的區(qū)域比濕達(dá)13 g·kg-1;850 hPa從17日20時—19日08時(圖3e～3g)貴州大部的比濕在16 g·kg-1以上,19日20時(圖3h)貴州中北部的比濕減小到16 g·kg-1以下,但中南部的比濕維持在16～17 g·kg-1之間,同時在貴州中部一線比濕梯度明顯增大。從850 hPa的水汽通量散度和風(fēng)場的變化可以看出,17日20時(圖4a)貴州中西部為水汽輻合區(qū),其中在發(fā)生大暴雨的區(qū)域水汽輻合強度達(dá)-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1;18日20時(圖4b)輻合區(qū)強度減弱;19日08時(圖4c)在貴州西南部出現(xiàn)-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1的強水汽輻合中心,且東北部的水汽輻合也有所增強,這是第Ⅱ階段(18日20時—19日20時)的強降水主要發(fā)生在19日白天的原因之一;19日20時(圖4d)水汽輻合強度達(dá)到最強,其中心值為-8×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1,輻合區(qū)范圍擴大,貴州中南部地區(qū)的水汽輻合強度在-6～-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1之間, 這是第Ⅲ階段(19日20時—20日20時)暴雨區(qū)域范圍明顯增加的原因之一。

圖4 850 hPa水汽通量散度(填色,單位:10-5g·hPa-1·cm-2·s-1)和風(fēng)場(單位:m·s-1)變化趨勢(a為17日20時,b為18日20時,c為19日08時,d為19日20時)Fig.4 Variation trend of 850 hPa water vapor flux divergence (color filling, unit: 10-5g·hPa-1·cm-2·s-1) and wind field (unit:m·s-1)(a is 20∶00 on the 17th, b is 20∶00 on the 18th, c is 08∶00 on the 19th, d is 20∶00 on the 19th)

綜上所述,在強降水發(fā)生期間對流層中低層的水汽含量較大,且強的水汽通量輻合將低層的水汽輸送到中上層,為成云致雨提供了有利的條件。

3.2 動力和熱力條件

由于盤州市大地中學(xué)站的過程累計雨量最大,因此選取該站為代表站,分析強降水區(qū)的動力和熱力條件。從盤州市大地中學(xué)站的垂直速度、假相當(dāng)位溫和風(fēng)場的時間—高度剖面圖看出(圖5a),19日20時之后,700 hPa以下轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),表明對流層中低層有冷空氣侵入,假相當(dāng)位溫θse隨高度的變化<0,且θse梯度增大,表明不穩(wěn)定度增大,同時垂直速度明顯增強,在550 hPa附近出現(xiàn)<-1.8 Pa·s-1的強中心,與圖1b對應(yīng),盤州市大地中學(xué)站的強降水主要發(fā)生在19日夜間。從盤州市大地中學(xué)站的溫度平流時間—高度剖面(圖6a)看出,17日20時—19日20時對流層中低層為暖平流控制,其中19日08時—19日20時暖平流明顯增強,在750 hPa附近出現(xiàn)14×10-5K·s-1的強中心,有利于能量的增強;19日20時以后在700 hPa以下有中心強度達(dá)-20×10-5K·s-1的強冷平流入侵,冷暖空氣在盤州市大地中學(xué)站交匯,從而觸發(fā)對流,使得該站在19日夜間出現(xiàn)持續(xù)5 h的短時強降水,達(dá)到大暴雨的量級。

圖5 19日20時垂直速度(黑色等值線,單位:Pa·s-1)、假相當(dāng)位溫(紅色等值線)及風(fēng)場的垂直剖面(a為大地中學(xué)站,b為沿26°N,c為沿106°E)Fig.5 Vertical profile of vertical velocity (black contour, unit: Pa·s-1), pseudo equivalent potential temperature (red contour) and wind field at 20∶00 on 19th (a is Dadi middle school station, b is along 26°N, c is along 106°E)

由于第Ⅲ階段(19日20時—20日20時)強降水的影響范圍最廣,且大暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在以26°N、106°E為中心的范圍內(nèi),因此選取19日20時沿26°N和沿106°E分別做緯向和經(jīng)向剖面,分析大暴雨中心的動力和熱力條件。從緯向剖面(圖5b)可以看出,暴雨中心從近地面到300 hPa均為上升區(qū),在750 hPa附近有-0.9 Pa·s-1的上升運動中心;在大暴雨中心的近地面有高能舌存在,中心值達(dá)360 K。

從經(jīng)向剖面(圖5c)可以看出,大暴雨中心從近地面到200 hPa為強上升運動區(qū),其中在750 hPa和400 hPa附近分別有2個強度>-1 Pa·s-1的上升運動中心,同時在強降水中心的偏北側(cè)有高能舌存在,偏南側(cè)有能量鋒區(qū)。從19日20時溫度平流的緯向和經(jīng)向剖面(圖6b～6c)看出,在大暴雨中心上空600 hPa以下有中心值為6×10-5K·s-1的暖平流控制,500～600 hPa之間有中心值為-4×10-5K·s-1的冷平流入侵,同時在大暴雨中心的偏北方向?qū)α鲗拥蛯佑欣淦搅魅肭帧?/p>

以上分析表明,強降水區(qū)上空垂直運動較強,強上升氣流從近地面伸展到對流層高層,同時強降水區(qū)位于高能高濕且不穩(wěn)定的大氣環(huán)境中,為暴雨的發(fā)生提供了充分的動力和熱力條件,低層暖平流有減壓的作用,利于上升運動的發(fā)展,中層冷平流的侵入導(dǎo)致未飽和空氣趨于飽和,降低了層結(jié)穩(wěn)定度,為能量和潛熱的釋放提供有利條件,從而增強了上升運動[12]。

4 中尺度對流云團演變特征

利用FY2H衛(wèi)星逐小時TBB資料分析此次連續(xù)性暴雨天氣過程的中尺度對流云團演變特征(圖7)。17日10時(圖7a),在湖南北部出現(xiàn)1個中β尺度的對流云團,其云頂最低亮溫TBB<-70 ℃。17日14時(圖7b),在貴州東北部出現(xiàn)1個云頂亮溫TBB<-70 ℃的中β尺度的對流云團,同時湖南北部的2個對流云團逐漸向西北方向移動發(fā)展,與貴州東北部的云團逐漸合并。17日20時(圖7c),3個中β尺度的對流云團在貴州中部以北合并為1個中α尺度的對流云團,在此期間,TBB<60 ℃的冷云區(qū)普降小—中雨。17日22時(圖7d),中α尺度的對流云團分裂為4個中β尺度的對流云團(A、B、C、D),此時降水的對流性明顯增強,在4個中β尺度對流云團籠罩的區(qū)域出現(xiàn)暴雨—大暴雨。之后4個對流云團逐漸合并且緩慢向東南方向移動,中心云頂亮溫TBB減小到-80 ℃以下(圖7e),其中D云團TBB<-80 ℃的區(qū)域近乎呈圓形,在其影響的區(qū)域內(nèi)9 h出現(xiàn)34站大暴雨,最大為都勻市馬達(dá)嶺站171.2 mm,為第Ⅰ階段最強降水中心。18日11時之后,對流云團繼續(xù)東移,強度快速減弱,第Ⅰ階段的暴雨天氣結(jié)束。

19日08時(圖7f)在貴州東北部出現(xiàn)2個TBB<-32 ℃的中γ尺度對流云團,同時貴州西南部受廣西和云南交界處對流云團的外圍云系影響;19日11時(圖7g)貴州西南部的云團減弱消散,東北部的云團發(fā)展為中β尺度,TBB降低至-50 ℃以下,在其影響區(qū)域出現(xiàn)中—大雨。19日14時(圖7h)貴州東北部的云團合并,貴州中部和西部分別出現(xiàn)2個中β尺度的對流云團(E、F);19日16時(圖7i)3個云團呈東北—西南向的帶狀排列,并逐漸增強;19日20時(圖7j)中心強度達(dá)-60 ℃以下,在TBB<-60 ℃的區(qū)域為第Ⅱ階段的大暴雨中心。19日20時以后云帶位置穩(wěn)定維持,強度逐漸增強;20日00時(圖7k)中尺度對流云帶達(dá)到成熟階段,出現(xiàn)TBB<-80 ℃的強中心;20日00—05時(圖略),云帶位置穩(wěn)定維持,強度逐漸減弱,在其影響區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)167站大暴雨,462站暴雨。20日05時以后云帶南壓,并快速減弱,在貴州中南部普降小雨,20日19時(圖7l)云帶完全消亡。

5 結(jié)論

(1)此次連續(xù)性暴雨天氣過程主要分為3個階段,第Ⅰ階段對流性最強,但影響范圍最小,第Ⅲ階段影響范圍最廣,累積雨量最大,但對流性遠(yuǎn)小于第Ⅰ階段。

(2)造成此次連續(xù)性暴雨天氣過程的主要原因是西太平洋副熱帶高壓的西脊點在112～116°E之間穩(wěn)定維持,對850 hPa切變線的南壓有阻礙作用,從而使得MCS在切變線附近發(fā)展增強,造成強降水天氣。

(3)強降水區(qū)上空水汽含量充沛,700 hPa比濕≥11 g·kg-1,850 hPa比濕≥16 g·kg-1,且850 hPa水汽通量散度達(dá)-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1以上;垂直運動較強,暴雨中心從近地面到300 hPa為一致的上升運動,其中心值達(dá)-1 Pa·s-1;近地面有高能舌存在,其中心值達(dá)360 K,表明大氣環(huán)境是高能高濕的狀態(tài),為暴雨的發(fā)生提供了充分的水汽、動力及熱力條件;低層暖平流和中層冷平流的共同作用降低了層結(jié)穩(wěn)定度,為能量和潛熱的釋放提供了有利條件,進而增強了上升運動。

(4)在強降水發(fā)生的第Ⅰ階段MCS呈團狀結(jié)構(gòu),其大范圍的云頂亮溫TBB<-70 ℃,表明云體內(nèi)上升運動發(fā)展強烈,是造成第Ⅰ階段降水強度大的主要原因,當(dāng)中α尺度對流云團分裂為多個中β尺度時,降水強度達(dá)到最強;第Ⅱ階段和第Ⅲ階段的MCS呈帶狀結(jié)構(gòu),其TBB<-70 ℃的范圍較小,且在發(fā)生暴雨的區(qū)域TBB大多在-60 ℃左右,表明此階段云體內(nèi)的上升運動強度小于第Ⅰ階段,因此降水強度遠(yuǎn)弱于第Ⅰ階段,但由于云帶在貴州中部一帶穩(wěn)定維持超過14 h,造成第Ⅲ階段暴雨影響區(qū)域最廣,累積降水量最大。