九江市一次鋒前降水過程地形作用分析

李 蓉,張晶晶,毛夢妮

( 九江市氣象局,360400,江西,九江)

0 引言

江西省九江市地處長江中下游南岸,與湖北大別山隔江相望,境內(nèi)西有幕阜山脈、九嶺山脈并行,東接九華山、黃山余脈,中間有孤立山體廬山,中南部為鄱陽湖平原,地勢起伏大,地質(zhì)災(zāi)害高發(fā),是長江防汛重點(diǎn)地區(qū),研究長江流域降水對防洪防汛具有重要意義[1]。唐永蘭等[2]利用逐小時(shí)降水資料分析了長江上、中、下游三個(gè)區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布以及不同類型短時(shí)強(qiáng)降水事件的統(tǒng)計(jì)特征,發(fā)現(xiàn)受地形影響長江流域山區(qū)降水頻次增加、降水強(qiáng)度增強(qiáng),且地形作用會增加山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的頻次,進(jìn)而增強(qiáng)山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的降水量。

不同尺度地形對降水影響的幅度和范圍不同[3]。朱素行等[4]采用高分辨率衛(wèi)星實(shí)測資料,從氣候態(tài)的降水微物理過程角度分析了亞洲夏季風(fēng)期間中尺度山脈對不同性質(zhì)降水垂直結(jié)構(gòu)和水平分布的影響,發(fā)現(xiàn)中尺度山脈迎風(fēng)、背風(fēng)坡均以層云降水為主,層云降水強(qiáng)度在迎風(fēng)坡強(qiáng)于背風(fēng)坡;對流降水在迎風(fēng)坡主要為淺對流,背風(fēng)坡主要為深對流,對流降水強(qiáng)度在背風(fēng)坡強(qiáng)于迎風(fēng)坡。李子良[5]利用中尺度數(shù)值模式(ARPS模式)研究了濕氣流過山脈地形和地形降水的產(chǎn)生機(jī)制,結(jié)果表明地形降水是水汽、氣流和地形相互作用而形成的。除山地以外,湖泊由于相對陸面較低的粗糙程度和較高的比熱容,并為大氣提供水汽的作用,對局地天氣氣候也有影響[6]。鄒海波[7]通過對鄱陽湖湖效應(yīng)降水典型個(gè)例的觀測和模擬分析,發(fā)現(xiàn)鄱陽湖可激發(fā)和加強(qiáng)降水。李哲等[8]利用WRF模式對暴雨過程進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)對比研究,發(fā)現(xiàn)湖泊和周圍城市與其他區(qū)域的溫度差會導(dǎo)致地面風(fēng)場在城市及其附近區(qū)域輻合,進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)對流,形成的強(qiáng)地面輻合線還會影響低空切變線的生成位置,并在其移動過程中相互調(diào)整,相互增強(qiáng)。

九江市同時(shí)存在眾多山體湖泊的復(fù)雜地形,使其在對流觸發(fā)位置和暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)上一直存在難點(diǎn)。當(dāng)西部上游有回波雨帶移入時(shí),常規(guī)預(yù)報(bào)思路下可根據(jù)回波演變趨勢外推下游降水,但實(shí)況往往是穩(wěn)定的雨帶在進(jìn)入九江時(shí)受地形作用發(fā)生突變,增強(qiáng)或者減弱甚至消失的情況,又或者本地在雨帶移入之前即觸發(fā)新生回波產(chǎn)生降水。利用雙偏振雷達(dá)資料可以更好地分析降水回波在九江地區(qū)的生消過程,及地形在降水過程中發(fā)揮的作用。故本文主要利用地面自動站常規(guī)資料、再分析資料和九江廬山S波段雙偏振雷達(dá)資料,對發(fā)生在贛北九江地區(qū)2022年4月24日到25日的一次鋒前降水的生成、發(fā)展過程進(jìn)行分析,旨在探討九江特殊地形在鋒前暴雨形成過程中不同階段的作用影響。

1 降水實(shí)況

2022年4月24日晚上到25日白天,九江市出現(xiàn)大到暴雨,伴隨雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等對流天氣。24日20時(shí)至25日20時(shí),九江市平均雨量55.6 mm,最大為廬山博物館站184.8 mm;有35站出現(xiàn)大暴雨,64站1小時(shí)降水大于30 mm,有12個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)7級以上大風(fēng),4站極大風(fēng)速達(dá)10級以上。該過程中當(dāng)系統(tǒng)自西向東移動時(shí),在穩(wěn)定雨帶移入前九江市本地已觸發(fā)局地對流回波造成降水,提供了一種視覺上下游降水早于上游的情形。

將暴雨過程分為本地觸發(fā)的局地對流降水時(shí)段(4月24日20時(shí)至25日03時(shí))和鋒面移入的穩(wěn)定降水時(shí)段(4月25日03時(shí)至12時(shí)),并疊加九江地形對比分析(圖1),可以看出,對流降水時(shí)段降水呈西南走向,從九嶺山脈附近開始直到長江河谷口;穩(wěn)定降水時(shí)段降水的大值區(qū)主要分布在幕阜山脈以北和九嶺山脈附近,在幕阜山脈山頂及山南降水相對較弱。由此可見,九江山脈地形走向?qū)Υ舜谓邓植加休^大影響。

圖1 (a)2022年24日20時(shí)至25日03時(shí)累積雨量;(b)2021年5月15日08時(shí)至15日20時(shí)累積雨量;(c)九江及周邊地形圖; (d)2022年25日03時(shí)至25日12時(shí)累積雨量

2 環(huán)境場分析

24日20時(shí)湘東北部和贛西北部高層存在分流區(qū),500 hPa位于槽前強(qiáng)西南氣流中,贛西北有冷槽東移;700、850百帕110°E附近有低渦存在,九江處于低渦前側(cè)的西南風(fēng)中,相較于25日08時(shí),此時(shí)九江距離低渦尚有一段距離,西南風(fēng)偏弱,最大不超過16 m/s(圖2);按照常規(guī)思路,此時(shí)主雨帶應(yīng)位于低渦東南部的急流區(qū)中,即湖南東部,尚未達(dá)到九江;但是由于24日白天上下一致的西南風(fēng)使贛北地區(qū)升溫明顯,925 hPa出現(xiàn)明顯暖脊,對流有效位能在1 500 J/kg以上,低層相對濕度在80%左右,0～6 km垂直風(fēng)切為21.3 m/s,能量、水汽充分,有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。2021年5月15日九江有一次相似的從500 hPa至地面整層被西南風(fēng)控制的鋒前暖區(qū)降水過程,區(qū)別在于5月15日的過程南風(fēng)更強(qiáng),以致暖區(qū)暴雨的主雨帶推向更北的位置,但在九嶺山脈南側(cè)經(jīng)廬山直到長江河谷口的地勢較低的通道上仍有一條分裂出的雨帶(圖1(b)),證明在此路徑上降水確有增強(qiáng)的趨勢,九江地形對降水的分布產(chǎn)生了影響。

圖2 (a)24日20時(shí)700 hPa風(fēng)場和相對濕度;(b)24日20時(shí)850 hPa風(fēng)場和相對濕度

3 結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品分析地形對鋒前降水的作用

九江SA波段雙偏振雷達(dá)設(shè)置在九江廬山,115°57′16″E,29°32′9″N,海拔高度1 369 m。由于初始海拔較高,雷達(dá)數(shù)據(jù)采用較低仰角的數(shù)據(jù)對此次過程的主要降水時(shí)段進(jìn)行分析。使用的偏振參量為差分反射率因子(ZDR)、差分傳播相位常數(shù)(KDP)和相關(guān)系數(shù)(CC)。

3.1 強(qiáng)度場及速度場分析

24日夜間20:05回波首先生成于九嶺山脈南側(cè),與山體走向完全一致,可判斷為迎風(fēng)坡氣流爬升觸發(fā)的對流;由于九嶺山脈呈東北—西南向,在西南風(fēng)作用下,風(fēng)向與迎風(fēng)坡坡面交角較小,氣流爬升觸發(fā)的對流不能得到很好的發(fā)展,隨后夜間在九江中南部又新生對流,該位置處于九江東西兩側(cè)山脈之間的凹地,且凹地的走向也呈東北—西南向,恰好形成一條西南風(fēng)通道,僅有廬山一座孤立山體佇立在通道偏西一側(cè);另外此處有鄱陽湖存在,6月底以前,鄱陽湖作為熱源存在對降水有增強(qiáng)作用[9],且由于下墊面水陸差異,不斷有對流回波在經(jīng)過水體后增強(qiáng)。且廬山東部低層?xùn)|南風(fēng),中高層轉(zhuǎn)為西南風(fēng),證明此處有暖平流存在,也會造成對流增強(qiáng),分散回波逐漸發(fā)展組織在西南風(fēng)通道上, 25日凌晨可觀測到颮線形成(圖3(c))。25日早上的回波位置對應(yīng)速度場上的鋒區(qū)(圖3(b)、(d)),該回波形成的雨帶呈東北—西南向,與幕阜山脈走向接近平行,而移動方向與山脈走向接近垂直。

圖3 (a)九江地形起伏圖;(b)0.5°仰角25日08:02雷達(dá)徑向速度圖;(c)1.5°仰角25日00:02雷達(dá)基本反射率;(d)1.5°仰角25日07:56雷達(dá)基本反射率

3.2 偏振參量分析

此次過程的兩個(gè)階段除了在地形影響下回波基本形態(tài)不同外,偏振參量在經(jīng)過山地時(shí)的變化也不同。24日夜間的多單體風(fēng)暴在引導(dǎo)風(fēng)作用下主要生成在山脈之間,移動方向與山脈走向接近平行,孤立的小尺度山體廬山在西南風(fēng)通道中成為阻擋,21:35(圖4(a)、(c))廬山東南部有回波向北移動接近山體時(shí),對流風(fēng)暴前側(cè)的低層弱回波區(qū)在山體附近ZDR正負(fù)相間,較大的正值居多,而CC小于0.9,KDP為缺省值,研究證明[10]濕性湍流由于水凝物相態(tài)梯度大造成折射指數(shù)梯度大,差分反射率因子也大,且湍流越強(qiáng)、濕度越大,ZDR越大;故推斷此處為非降水回波,是由相對飽和的濕空氣湍流增強(qiáng)引起;一個(gè)體掃后21:41(圖4(b)、(d))回波移至之前濕性湍流位置并發(fā)展,ZDR躍增,4 dB以上的大值區(qū)在強(qiáng)回波前沿呈線狀,KDP超過1°/km,CC在0.98以上,液態(tài)粒子變大且數(shù)量增多,表明此處在過去一段時(shí)間雨滴迅速凝結(jié)增長,此時(shí)風(fēng)暴單體達(dá)到最強(qiáng),降水最明顯。多個(gè)對流單體在移向廬山時(shí)都有ZDR從正負(fù)相間的較大值區(qū)躍增為線狀大值區(qū)的現(xiàn)象,表明山體有通過促進(jìn)湍流增強(qiáng)加快雨滴增長的方式使對流降水增強(qiáng)的影響。低層降水明顯增強(qiáng)時(shí)抬升仰角,發(fā)現(xiàn)對流單體在3 km以上的高度回波強(qiáng)度維持在55 dBZ左右,沒有明顯的增強(qiáng),證明廬山對該對流的影響主要存在于低層,低層雨滴異常大量的增長可能與地形性饋水器云中的凝結(jié)率增大有關(guān)。

圖4 (a)九江地形起伏圖;(b)0.5°仰角25日08:02雷達(dá)徑向速度圖;(c)1.5°仰角25日00:02雷達(dá)基本反射率;(d)1.5°仰角25日07:56雷達(dá)基本反射率

25日早上鋒面移動方向與幕阜山脈的走向接近垂直,降水系統(tǒng)要移入九江首先要翻越幕阜山脈。以瑞昌段為例,瑞昌段山體走向下凹呈口袋狀。0.5°仰角上相關(guān)系數(shù)小于0.9的部分可以明顯看出山脊的位置,8:25雨帶主體中低質(zhì)心的強(qiáng)降水中心向東南移動接近山體,此時(shí)回波中心強(qiáng)度50 dBZ以上呈塊狀,山體迎風(fēng)坡ZDR出現(xiàn)增強(qiáng);8:36(圖5)回波翻山,山脊上回波整層都出現(xiàn)明顯減弱,降到45 dBZ以下,低層KDP、ZDR沿山脊都出現(xiàn)小值;背風(fēng)坡回波減弱到50 dBZ以下,ZDR沒有明顯變化,KDP較之前減弱;迎風(fēng)坡回波強(qiáng)度基本沒有變化,只有個(gè)別點(diǎn)上的增強(qiáng)。雨帶上回波強(qiáng)度小于45 dBZ的部分在經(jīng)過山脈時(shí)各項(xiàng)數(shù)值沒有明顯變化。證明此次大范圍穩(wěn)定層狀云降水過程中,山脈對雨帶整體作用不大,對雨帶中能產(chǎn)生較強(qiáng)降水的層積云混合降水部分在迎風(fēng)坡有一定的增強(qiáng)作用,在背風(fēng)坡有一定的削減作用,山脊上降水的削減作用最明顯。瑞昌段此處有多條類似平行的東西向山體,強(qiáng)降水中心在多次翻山后不斷減弱至消失,轉(zhuǎn)變?yōu)?0～40 dBZ的層云降水。

圖5 4月25日08:36雷達(dá)偏振參量及瑞昌地形

4 結(jié)論

通過對2022年4月24日到25日的中尺度環(huán)流背景和雷達(dá)資料分析,得到以下結(jié)論。

1)鋒面過境前,當(dāng)整層都處在上下一致的西南風(fēng)時(shí),廬山東側(cè)鄱陽湖河谷地帶會形成東北—西南向的地形通道,易觸發(fā)局地對流,形成下游比上游先產(chǎn)生降水的現(xiàn)象。

2)此次過程鋒前暖區(qū)中,廬山東側(cè)的地形通道有通過促進(jìn)湍流增強(qiáng)加快雨滴凝結(jié)增長的方式增強(qiáng)降水的作用。

3)幕阜山脈對此次冷鋒降水在迎風(fēng)坡有較弱的增強(qiáng)作用,在山頂及背風(fēng)坡有削弱作用。