聶云,周繼先,楊帆,楊群,杜小玲
(1.貴州省銅仁市氣象局,銅仁554300;2.貴州省氣象臺,貴陽550002)
梵凈山地處貴州省銅仁市的松桃、江口、印江三縣交界處,是云貴高原向湘西丘陵過渡斜坡上的第一高峰。受梵凈山地形影響,每到汛期,梵凈山區(qū)局地暴雨頻發(fā),造成當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)內(nèi)澇、山洪災(zāi)害,成為銅仁市防汛重點。如2015年7月14日夜間,梵凈山東側(cè)松桃縣出現(xiàn)局地短時特大暴雨,造成全縣停水停電、城區(qū)內(nèi)澇、交通癱瘓,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)4.58 億元(方標(biāo)等,2016)。梵凈山區(qū)暴雨過程的發(fā)生大多受高空槽、中低層切變線與地面明顯冷空氣共同影響,對其研究較多(楊群等,2016;方標(biāo)等,2016);而對該地區(qū)雨強(qiáng)大、雨量集中、對流性質(zhì)明顯的暖區(qū)暴雨(黃土松等,1986;張芹等,2018;伍志方等,2018)則研究甚少。此類暴雨在梵凈山地形作用下極易造成強(qiáng)的地表徑流而引發(fā)重大災(zāi)害。因此,對發(fā)生在梵凈山區(qū)的暖區(qū)暴雨個例成因進(jìn)行診斷分析,有利于加深對此類極端暴雨事件的深入理解。
暖區(qū)暴雨的定義最早由黃土松等(1986)針對華南前汛期暴雨提出,此類暴雨發(fā)生時華南一帶無鋒面存在,也不受冷空氣或變性冷高壓控制。暖區(qū)暴雨多出現(xiàn)在華南地區(qū),但在我國偏北地區(qū)的鋒前、暖切變線南側(cè)、副高外圍也會出現(xiàn)(楊曉霞等,2009;呂偉綺等,2017;金曉青等,2018)。馬月枝等(2017)分析河南新鄉(xiāng)一次暖區(qū)特大暴雨的成因指出,500 hPa低渦和700 hPa暖切變線是造成暖區(qū)極端強(qiáng)降水的主要影響系統(tǒng)。汪玲瑤等(2018)通過統(tǒng)計分析將發(fā)生在地面冷鋒或850 hPa暖切變線南側(cè)100~300 km且不受明顯冷空氣或臺風(fēng)等熱帶系統(tǒng)直接影響造成的江南地區(qū)暴雨定義為江南暖區(qū)暴雨。周明飛等(2014)對比分析貴州初夏兩次暖區(qū)暴雨時,將無冷空氣影響貴州、貴州受暖性低壓或偏南氣流影響產(chǎn)生的暴雨定義為貴州暖區(qū)暴雨。2016年7月3—4日在銅仁市梵凈山東南側(cè)出現(xiàn)一次局地特大暴雨過程(以下簡稱“7·3”梵凈山暴雨過程),過程最大累積雨量376.6 mm,最大雨強(qiáng)101 mm·h-1,極端強(qiáng)降雨導(dǎo)致萬山、江口、碧江等區(qū)縣山洪、城鎮(zhèn)內(nèi)澇等災(zāi)害,給當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)造成重大損失。該過程發(fā)生在850 hPa 暖切變線南側(cè)的偏南暖濕氣流中,低層無明顯冷空氣影響,邊界層淺薄冷平流侵入未改變其上部暖濕空氣的環(huán)境條件,與陳玥等(2016)建立的長江中下游地區(qū)暖切變型暖區(qū)暴雨類似,且與周明飛等(2014)定義的貴州暖區(qū)暴雨基本一致,也是主要考慮有無冷鋒或明顯冷空氣直接影響貴州。對此次過程,各級氣象臺站之前都報了暴雨,但對降水極端性預(yù)估不足,加上數(shù)值模式對此類暴雨預(yù)報能力有限,使其預(yù)報難度明顯增大,有必要對該個例進(jìn)行分析和總結(jié)。因此,本文利用常規(guī)氣象觀測資料、FY-2E氣象衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)資料、銅仁多普勒天氣雷達(dá)資料、區(qū)域自動氣象站資料與NECP/NCAR 1°×1°逐6 h 全球再分析資料,對“7·3”梵凈山暴雨過程的降水特點、環(huán)流背景以及中尺度對流系統(tǒng)演變與環(huán)境場特征展開分析,探討梵凈山地形對強(qiáng)降水的影響和作用,以期加深對此類暖區(qū)極端降雨的認(rèn)識,為提高貴州山區(qū)極端暴雨預(yù)報水平提供有價值的參考依據(jù)。
2016 年7 月3 日08 時(北京時,下同)—4 日08 時,貴州大部地區(qū)出現(xiàn)降雨,全省累積雨量大于150 mm的大暴雨區(qū)集中在梵凈山東南側(cè)的江口、碧江、萬山和玉屏等區(qū)縣,250 mm 以上的特大暴雨區(qū)位于江口、萬山和碧江3 個區(qū)縣(圖略)。從3 日08 時—4 日08 時銅仁市24 h累積雨量分布圖上可見(圖1a),銅仁有122個自動站(含區(qū)域站)累積降雨量在50 mm 以上,其中位于梵凈山東南側(cè)的自動站占92%,且累積雨量超過200 mm 的26 個站均位于梵凈山東南側(cè)的碧江區(qū)(10站)、萬山區(qū)(9站)和江口縣(7站);過程最大累積降雨量376.6 mm,出現(xiàn)在江口老屋區(qū)域站,該站7月4日00—01時出現(xiàn)本次過程最大雨強(qiáng)101 mm·h-1,這在當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠順O為少見。
統(tǒng)計分析銅仁市轄10 個國家氣象站和376 個區(qū)域自動站逐小時雨量資料顯示,本次過程大致分為三個階段:初始階段(3日08—22時),各時次雨強(qiáng)超過20 mm·h-1的站點數(shù)均不足13 站(含區(qū)域站,下同),僅20 時和22 時有個別站雨強(qiáng)超過50 mm·h-1,強(qiáng)降雨相對較分散,雨勢相對較弱;強(qiáng)盛階段(3 日22 時—4 日07時),各時次雨強(qiáng)超過20 mm·h-1的站點數(shù)均在20站以上,強(qiáng)降雨在江口縣、碧江區(qū)、萬山區(qū)持續(xù)時間長達(dá)9 h,且大多數(shù)時次最大雨強(qiáng)均在50 mm·h-1以上,特別是4 日00—01 時上述區(qū)域降雨達(dá)到最強(qiáng),其中江口、碧江大部分站點雨強(qiáng)超過30 mm·h-1,個別站達(dá)100 mm·h-1以上;減弱階段(4 日07 時以后),雨強(qiáng)迅速減弱到15 mm·h-1以下,強(qiáng)降雨逐漸結(jié)束。
圖1 2016年7月3日08時—4日08時銅仁市24 h累積雨量(單位:mm)分布(a,紅色菱形為累積雨量大于200 mm站點;空心五角星為老屋站)以及老屋站逐小時雨量(單位:mm)變化(b)Fig.1(a)The 24-hour accumulated precipitation(unit:mm)in Tongren Municipality of Guizhou Province and(b)hourly rainfall(unit:mm)at Laowu station in Jiangkou County from 08:00 BT 3 to 08:00 BT 4 July 2016.In(a)red diamonds denote the stations with accumulated precipitation greater than 200 mm,and hollow five-pointed star marks Laowu station.
以過程最大雨量所在的江口縣壩盤鎮(zhèn)為例,圖1b 給出 該 鎮(zhèn) 老 屋站7 月3 日08 時—4 日08 時逐小時雨量變化。從中看到,降雨從7 月3 日14 時一直持續(xù)到4 日08 時,期間小時雨量出現(xiàn)波動,除4 日01 時的主峰之外,還存在3 日16 時、20 時和4 日06 時多個次峰,其中初始階段(3 日14—22 時)有4 個時次雨強(qiáng)超過15 mm·h-1,最大雨強(qiáng)32.8 mm·h-1;強(qiáng)盛階段(3日22時—4 日07 時)有5 個時次雨強(qiáng)超過20 mm·h-1,且在4日01—03 時連續(xù)3 h 雨強(qiáng)超過40 mm·h-1,分別為101.0 mm·h-1、41.2 mm·h-1和40.4 mm·h-1??梢?,“7·3”梵凈山暴雨過程屬于梵凈山區(qū)極端暴雨事件,其降雨強(qiáng)度大、雨量集中,中尺度特征明顯。
“7·3”梵凈山暴雨過程發(fā)生期間,500 hPa 中高緯地區(qū)維持“兩槽一脊”形勢,高壓脊位于貝加爾湖附近(50°—60°N),貝加爾湖以東為寬廣高空槽區(qū),高空槽發(fā)展深厚,在500—200 hPa上均表現(xiàn)明顯(圖略)。7月3 日08 時暴雨發(fā)生前(圖略),中緯度西南地區(qū)北部受大陸高壓脊控制,西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)主體位于海上且少動(120°E 脊線位置穩(wěn)定在28°N附近),西南地區(qū)東部位于兩高之間的高空槽區(qū),低壓槽處于四川東北至東南部;3日20時暴雨發(fā)生的初始階段(圖2a),500 hPa位于川東的低槽發(fā)展東移至湖南西北部至廣西北部,銅仁位于高空槽后,受冷平流影響,由于高空槽逐漸逼近穩(wěn)定維持的副高,使兩者間相互作用漸趨明顯;受副高阻擋,3日20時—4日08時500 hPa 高空槽加深(圖略),并一直維持在湖南西北部至廣西北部一帶,同時槽后西北氣流加強(qiáng),冷平流增強(qiáng)使銅仁上空大氣不穩(wěn)定度加大,有利于對流繼續(xù)發(fā)展。
圖2 2016年7月3日20時梵凈山暴雨過程主要天氣系統(tǒng)配置(a)與地面形勢場(b)(圖a、b中D分別表示700 hPa低渦和地面低壓系統(tǒng);圖b中G表示地面高壓系統(tǒng))Fig.2(a)Superposition of the major weather influencing systems and(b)surface situation field at 20:00 BT on 3 July 2016 during the heavy rainfall event occurred in Fanjing Mountain.In(a)and(b)the symbols“D”indicate the low vortex at 700 hPa and the surface low pressure,respectively.In(b)the symbol“G”indicates the surface high pressure.
分析高層200 hPa環(huán)流形勢可知,3日08時暴雨發(fā)生前(圖略),重慶中部至四川東南部有西風(fēng)槽;3 日14時(圖略),西風(fēng)槽發(fā)展東移至重慶東部到貴州西北部,銅仁受槽前西南偏西氣流影響,此時懷化站(位于銅仁東側(cè)湖南西部)和河池站(位于銅仁南側(cè)廣西北部)的風(fēng)向為西南偏西風(fēng)和西北偏西風(fēng),風(fēng)速分別為12 m·s-1和8 m·s-1,銅仁位于槽前風(fēng)向風(fēng)速輻散區(qū);3日20時暴雨發(fā)生時段,西風(fēng)槽東移至湖北西南部到貴州東北部,銅仁受槽前西南偏西氣流影響,此時河池風(fēng)向為西北風(fēng),而懷化風(fēng)向維持的同時風(fēng)速增至16 m·s-1,銅仁位于西風(fēng)槽前明顯的分流輻散區(qū)內(nèi)(圖2a),高空風(fēng)輻散強(qiáng)烈,3日夜間輻散繼續(xù)加強(qiáng)。銅仁上空200 hPa 強(qiáng)烈的“輻散抽吸”作用有助于維持并加強(qiáng)中低層大氣輻合上升運動,這對該地區(qū)對流發(fā)展維持也十分有利。
暴雨期間,低層850—925 hPa始終有暖切變線維持。其中3 日14 時(圖略),850 hPa暖切變線位于貴州北部,從廣西南部至湖南西部建立了一支12~16 m·s-1西南低空急流,銅仁位于暖切變線南側(cè)、低空急流左前端,碧江、松桃、江口等區(qū)縣開始出現(xiàn)分散強(qiáng)降雨(雨強(qiáng)大于10 mm·h-1);3日20時(圖2a),850 hPa暖切變線維持在貴州中北部至湖南北部一帶,強(qiáng)的西南低空暖濕氣流(達(dá)12~18 m·s-1)使貴州東部形成高濕區(qū)(700 hPa比濕大于12 g·kg-1,850 hPa 比濕大于16 g·kg-1),且500 hPa以下溫度露點差均小于2 ℃,說明大氣呈近飽和高濕狀態(tài),梵凈山東側(cè)925 hPa 邊界層開始出現(xiàn)偏東風(fēng)與偏南風(fēng)中尺度輻合線,邊界層動力抬升作用促使對流發(fā)展;3日夜間850—925 hPa暖切變線維持,低空急流持續(xù)為暴雨區(qū)輸送充沛水汽,同時高空槽后冷平流與低空偏南暖濕氣流疊加造成大氣對流不穩(wěn)定增大,使對流組織化發(fā)展和降水加強(qiáng)。需要說明的是,根據(jù)壓高公式(盛裴軒等,2003)計算,925 hPa所在高度約680 m,而銅仁市梵凈山東側(cè)地處云貴高原東部邊緣,海拔高度相對較低,且銅仁市位于梵凈山東側(cè)的5 個區(qū)縣有81.5%的氣象站海拔高度在680 m 以下。因此,在梵凈山地形影響下,本文對925 hPa資料的分析是有意義的。
地面圖上(圖2b),“7·3”梵凈山暴雨過程期間,新疆、青海、內(nèi)蒙一帶維持低壓系統(tǒng),北方無冷鋒南下,貴州為均壓場(間隔2.5 hPa貴州省區(qū)域內(nèi)只能分析出1條等壓線)控制,無明顯冷空氣影響。
綜上分析表明,500 hPa 高空槽和850 hPa 暖切變線是“7·3”梵凈山暴雨過程主要的天氣尺度影響系統(tǒng),副高的阻擋作用使850 hPa 暖切變線較長時間影響銅仁是特大暴雨產(chǎn)生的關(guān)鍵;在季風(fēng)云系和低層輻合切變系統(tǒng)共同作用下,低空急流攜帶的水汽在梵凈山東南側(cè)輻合上升,與高層200 hPa 強(qiáng)的“輻散抽吸”作用耦合,為強(qiáng)降雨提供了充沛水汽和良好動力抬升條件;而高空冷平流疊加低空暖濕氣流加大了大氣對流不穩(wěn)定。“7·3”梵凈山暴雨過程發(fā)生在850 hPa暖切變線南側(cè)的偏南暖濕氣流中;地面上,暴雨發(fā)生前后北方無冷鋒南下,貴州為低壓系統(tǒng)控制,使該過程成為貴州梵凈山區(qū)一次極端暖區(qū)暴雨過程。
“7·3”梵凈山暴雨過程由若干中尺度對流云團(tuán)連續(xù)影響造成。利用FY-2E TBB資料及銅仁各站逐小時降水資料對中尺度對流云團(tuán)演變進(jìn)行跟蹤分析,并將水平尺度20~250 km、生命史3 h及以上、云頂亮溫(TBB)達(dá)-32 ℃及以下的中尺度對流云團(tuán)定義為β中尺度對流系統(tǒng)MβCS(葉朗明和苗俊峰,2014)。7 月3 日08—14時(圖略),850 hPa貴州中西部暖切變線南側(cè)有多個對流小云團(tuán)生成,并在500 hPa 高空槽引導(dǎo)下緩慢東移;3日15時(圖3a),上述對流云團(tuán)在東移過程中逐漸合并發(fā)展為3個β中尺度對流云團(tuán)A、B、C,且3個云團(tuán)呈準(zhǔn)東西向帶狀分布,此時云團(tuán)A主體位于梵凈山東南側(cè)的碧江、江口一帶,其中心TBB值降至-59 ℃,15—16 時(圖略)云團(tuán)A 繼續(xù)東移加強(qiáng),云頂中心TBB達(dá)-62 ℃,16—17時(圖略)該云團(tuán)減弱快速向東移出銅仁;結(jié)合對圖1b 的分析可知,云團(tuán)A 對暴雨區(qū)的主要影響時段為3日14—17時,最強(qiáng)降雨時段出現(xiàn)在14—16 時(最大小時雨量34.6 mm),該時段20 mm·h-1以上強(qiáng)降雨站點集中在云團(tuán)A中心附近及其后側(cè)TBB等值線梯度大值區(qū)。3日17時(圖略),云團(tuán)B東移至銅仁南部并開始影響暴雨區(qū),云團(tuán)結(jié)構(gòu)較松散,造成的降水較弱(雨強(qiáng)不足10 mm·h-1),17—19 時云團(tuán)B 在東移過程中其云頂TBB≤-41 ℃的面積從120 km×110 km減小至60 km×60 km,但云團(tuán)B結(jié)構(gòu)變得密實,云頂中心TBB值由-54 ℃降至-60 ℃以下,該云團(tuán)造成的降水增強(qiáng),最大雨強(qiáng)從9.8 mm·h-1(16—17時)增至41.6 mm·h-1(18—19 時);3 日19—22 時發(fā)展旺盛的云團(tuán)B 移速變慢,造成江口、碧江、萬山等地大范圍強(qiáng)降雨,相應(yīng)時段各時次最大雨強(qiáng)達(dá)41.6~71.5 mm·h-1,強(qiáng)降雨區(qū)位于云團(tuán)B后側(cè)TBB等值線梯度大值區(qū);與此同時,該時段云團(tuán)C在500 hPa槽后西北氣流引導(dǎo)下主體東南移,云團(tuán)D(圖3b)在云團(tuán)C 的北側(cè)觸發(fā)后,與云團(tuán)C 相互作用東移發(fā)展。3 日22 時(圖略),云團(tuán)B 向東移出銅仁,云團(tuán)D 東移至銅仁西南部,其主體與云團(tuán)C分離;3日22時—4日01時云團(tuán)D東移過程中與梵凈山東南側(cè)本地觸發(fā)的小對流云團(tuán)合并加強(qiáng),4日01時云團(tuán)D發(fā)展成結(jié)構(gòu)密實、近似圓形的MβCS(圖3c),云頂中心TBB達(dá)-66 ℃,云頂TBB≤-41℃的面積達(dá)150 km×150 km,發(fā)展旺盛的云團(tuán)D移動緩慢,對梵凈山東南側(cè)的影響一直持續(xù)到4日04時,期間各時次最大雨強(qiáng)達(dá)52.5~101.0 mm·h-1,其中4 日00—01 時江口縣壩盤鎮(zhèn)出現(xiàn)本次暴雨過程最大小時雨量(101.0 mm);該MβCS在江口、碧江、萬山等地停留時間長達(dá)6 h(3日22時—4日04時),成為造成“7·3”梵凈山暴雨過程最主要的中尺度對流系統(tǒng),20 mm·h-1以上強(qiáng)降雨出現(xiàn)在云團(tuán)D 中心附近及其后側(cè)TBB等值線梯度大值區(qū)。4 日04 時(圖略),對流云團(tuán)D主體移出銅仁,其后側(cè)銅仁中南部本地觸發(fā)3 個γ中尺度對流云團(tuán),4 日04—05 時這3 個云團(tuán)合并加強(qiáng),迅速發(fā)展成β中尺度對流云團(tuán)E,4 日05—06 時云團(tuán)E 中心TBB達(dá)-64 ℃(圖3d),對梵凈山東南側(cè)的影響一直持續(xù)到4日08時,最強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在云團(tuán)E發(fā)展到成熟階段(4 日05—07 時),20 mm·h-1以上強(qiáng)降雨站點位于對流云團(tuán)E 中心附近及其后側(cè)TBB等值線梯度大值區(qū)。4 日08 時后,云團(tuán)E 向東移出銅仁,銅仁上空無TBB≤-32 ℃的對流云團(tuán)(圖略),強(qiáng)降雨過程趨于結(jié)束。
圖3 2016年7月3日15:00(a)、19:00(b)和4日01:00(c)、06:00(d)FY-2E紅外云圖與相應(yīng)時刻前1 h雨量大于等于20 mm的站點(綠色圓點)分布(等值線為云頂亮溫,單位:℃;A、B、C、D、E表示對流云團(tuán))Fig.3 The FY-2E infrared images and the distribution of stations(green dots)of prior-1 h rainfall greater than or equal to 20 mm at(a)15:00 BT,(b)19:00 BT on 3 and(c)01:00 BT,(d)06:00 BT on 4 July 2016.Contours denote brightness temperature(unit:℃),and symbols A,B,C,D and E denote convective cloud clusters.
綜上分析可知,“7·3”梵凈山暴雨過程由4個中尺度對流云團(tuán)連續(xù)影響造成,其中云團(tuán)D 影響時間最長、造成的降雨強(qiáng)度最大,是本次特大暴雨最主要的中尺度對流系統(tǒng)。強(qiáng)降雨主要發(fā)生在對流云團(tuán)發(fā)展到成熟階段,強(qiáng)降雨出現(xiàn)在對流云團(tuán)中心附近及其后側(cè)TBB等值線梯度大值區(qū)。這提示預(yù)報員在實際預(yù)報業(yè)務(wù)中注意,在有利的環(huán)流背景下,要高度關(guān)注多個排列呈帶狀分布的中尺度對流云團(tuán),當(dāng)對流云團(tuán)的移動方向與云團(tuán)的帶狀排列走向一致時,多個對流云團(tuán)連續(xù)影響常會在暴雨區(qū)形成明顯的疊加效應(yīng)。
銅仁雷達(dá)組合反射率因子產(chǎn)品顯示,7月3日10時玉屏南部開始出現(xiàn)塊狀對流回波(圖略),3日10—14時(圖略)該回波受偏南氣流引導(dǎo)向東北方向移動發(fā)展,中心強(qiáng)度達(dá)50 dBz,對流性質(zhì)明顯,造成梵凈山東南側(cè)玉屏、萬山、碧江等區(qū)縣強(qiáng)降水,最大雨強(qiáng)41.5 mm·h-1(萬山區(qū)巖院子區(qū)域站);結(jié)合對圖3 分析可知,3 日14時—4 日08 時對流云團(tuán)A、B、D 和E 連續(xù)影響梵凈山東南側(cè)暴雨區(qū),對應(yīng)該時段銅仁雷達(dá)反射率因子產(chǎn)品顯示(圖略),850 hPa暖切變線南側(cè)的梵凈山暴雨區(qū)不斷有對流單體生成,同時從銅仁西南部不斷有塊狀對流回波東移與梵凈山東南側(cè)本地觸發(fā)的對流單體合并、加強(qiáng)形成強(qiáng)回波帶,中心強(qiáng)度超過40 dBz,強(qiáng)回波對江口、碧江、萬山等地連續(xù)影響形成明顯“列車效應(yīng)”是造成此次特大暴雨的重要原因。
結(jié)合對圖1 和圖3 的分析可知,對流云團(tuán)D 造成的雨強(qiáng)最大、持續(xù)時間最長(3 日22 時—4 日04 時),對“7·3”梵凈山特大暴雨的產(chǎn)生起主要作用。因此,對云團(tuán)D 影響暴雨區(qū)時段的銅仁雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行重點分析。雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品顯示(圖略),3日22時—4日04時不斷有強(qiáng)度為35 dBz左右的塊狀回波從思南、石阡一帶東移,在梵凈山東南側(cè)與本地觸發(fā)的對流單體合并加強(qiáng),回波中心強(qiáng)度維持在40~55 dBz,表明此次暴雨過程的反射率因子回波類型屬于積狀云為主的混合降水回波(俞小鼎等,2006)。分析該過程最強(qiáng)降水時次(4 日00—01 時)雷達(dá)反射率因子表明,4 日00∶37 的0.5°仰角反射率因子圖上(圖4a),江口、碧江、萬山上空維持大范圍強(qiáng)度超過30 dBz的對流回波帶,其中鑲嵌多個強(qiáng)度超過40 dBz的塊狀積云降水回波;沿圖4a中黑色實線的反射率因子垂直剖面圖(圖4b)顯示,強(qiáng)度超過35 dBz的強(qiáng)回波伸展高度達(dá)8 km,而大于40 dBz的回波集中在0 ℃層(5.4 km)高度以下,且回波質(zhì)心低(在3 km以下),說明反射率因子主要由液態(tài)雨滴的后向散射造成,屬于典型強(qiáng)降水型對流回波(俞小鼎等,2013)。
圖4 2016年7月4日00:37銅仁雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(a)與沿圖a中黑實線的反射率因子垂直剖面(b),以及同日00:26(c)、00:58(d)1.5°仰角徑向速度(圖c中黑色橢圓區(qū)為小尺度風(fēng)向切變或輻合區(qū);圖d中黑色橢圓區(qū)為±10 m·s-1極大風(fēng)速中心)Fig.4(a)Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 0.5°elevation angle from Tongren radar at 00:37 BT on 4 July 2016 and(b)vertical cross sections of radar reflectivity factor(unit:dBz)along the black solid line in(a).Radial velocities(unit:m·s-1)at 1.5°elevation angle from Tongren radar at(c)00:26 BT and(d)00:58 BT on 4 July 2016.In(c)the black elliptic area marks the area with wind direction shear or convergence,and in(d)the black ellipses denote the centers with maximum wind speed of greater than or less than 10 m·s-1.
此外,分析4日00—01時銅仁雷達(dá)徑向速度圖發(fā)現(xiàn),4日00∶16—00∶37在特大暴雨中心江口縣壩盤鎮(zhèn)附近1.5°仰角圖上有明顯的小尺度風(fēng)向切變或輻合(圖4c),并持續(xù)3 個體掃,該時段壩盤鎮(zhèn)附近回波強(qiáng)度維持在40 dBz 左右,當(dāng)日00∶10—00∶40 老屋站逐10 min雨量分別達(dá)17.9 mm、23.2 mm和20.3 mm,說明邊界層小尺度風(fēng)向切變或輻合區(qū)的存在加強(qiáng)了上升運動,使低層水汽輻合抬升增強(qiáng)、雨強(qiáng)增大。另外,降雨強(qiáng)盛階段,1.5°仰角徑向速度圖顯示(圖4d),梵凈山東南側(cè)維持±10 m·s-1的速度對,近地層形成“準(zhǔn)東北風(fēng)急流”,其作用主要體現(xiàn)在兩個方面:一是自松桃、鳳凰南下的東北偏東風(fēng)沿梵凈山東側(cè)向南流,與從玉屏、新晃北上的偏南暖濕氣流在江口、碧江、萬山一帶形成穩(wěn)定的近地層中尺度風(fēng)向輻合區(qū),有利于對流在該區(qū)域觸發(fā)、加強(qiáng)和組織化發(fā)展;二是近地層偏北風(fēng)分量的存在造成淺薄冷平流入侵,促使暖區(qū)內(nèi)暖濕空氣抬升和不穩(wěn)定能量釋放形成強(qiáng)降水。
分析7月3日08—20時高空實況資料(圖略)可知,700—925 hPa 上均有偏南低空急流建立,銅仁受低空急流左側(cè)偏南氣流影響,低層強(qiáng)的偏南風(fēng)將充沛水汽輸送到銅仁,使其上空850 hPa比濕由16 g·kg-1增大到17 g·kg-1、700 hPa比濕由4 g·kg-1迅速增至12 g·kg-1;3日20時700—925 hPa該區(qū)域溫度露點差減小至0.5~1.0 ℃,500 hPa溫度露點差為2 ℃,說明此區(qū)域水汽非常充沛,濕層深厚,中低層大氣呈近飽和狀態(tài),有利于強(qiáng)降水持續(xù)。
進(jìn)一步分析水汽條件發(fā)現(xiàn),3日20時降雨初始階段(圖略),850 hPa從南海到梵凈山東南側(cè)為一致偏南風(fēng),水汽通道上偏南風(fēng)速為8~10 m·s-1,暴雨區(qū)水汽輻合明顯,輻合強(qiáng)度達(dá)(-9~-12)×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2;4 日02 時降雨強(qiáng)盛階段(圖5a),850 hPa 水汽通道上偏南風(fēng)加強(qiáng)至8~12 m·s-1,水汽輸送進(jìn)一步增強(qiáng),同時在梵凈山東南側(cè)暴雨區(qū)上空有中尺度低渦切變系統(tǒng)生成,加大了低層輻合動力抬升作用,使暴雨區(qū)水汽輻合增強(qiáng)至(-12~-15)×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2,有利于強(qiáng)降雨發(fā)展。此外,分析圖5a中水汽通量分布特征發(fā)現(xiàn),梵凈山地形對低空偏南氣流攜帶水汽向北輸送起阻擋作用,使梵凈山東南側(cè)形成10~18 g·s-1·cm-1·hPa-1的水汽通量等值線密集區(qū),該區(qū)域與850 hPa 中尺度低渦切變系統(tǒng)和水汽輻合中心對應(yīng)較好。
圖5 2016年7月4日02時850 hPa風(fēng)場(箭矢,單位:m·s-1)、水汽通量(等值線,單位:g·s-1·cm-1·hPa-1)與水汽通量散度(填色區(qū),單位:10-8g·s-1·hPa-1·cm-2;僅給出水汽輻合值)疊加圖(a),以及沿27.6°N經(jīng)暴雨中心的溫度平流(單位:10-5K·s-1)緯向剖面圖(b)圖a中黑色遮蔽區(qū)為高度大于1 500 m的地形;圖b中,垂直虛線表示暴雨中心(109.0°E,27.6°N)位置,黑色遮蔽區(qū)為高原地形Fig.5(a)Superposition of wind field(arrows,unit:m·s-1),water vapor flux(contours,unit:g·s-1·cm-1·hPa-1)and water vapor flux divergence(color-filled areas,unit:10-8g·s-1·hPa-·1cm-2,and only the water vapor convergence values were given),and(b)zonal cross section of temperature advection(unit:10-5K·s-1)along 27.6°N across heavy rainfall center at 850 hPa at 02:00 BT on 4 July 2016.In(a)the black shaded areas denote the terrain with height greater than 1 500 m.In(b)the vertical dashed line marks the heavy rain center(109.0°E,27.6°N),and the black shaded area denotes the plateau terrain.
另外,為進(jìn)一步分析“7·3”梵凈山暴雨過程的不穩(wěn)定條件,圖5b 給出4 日02 時(降雨強(qiáng)盛階段)沿27.6°N經(jīng)特大暴雨中心的溫度平流緯向剖面圖。從中看到,特大暴雨區(qū)(108.8°—109.3°E)西側(cè)106°E附近500 hPa有-6×10-5K·s-1的冷平流中心,冷平流主要從西北方向向梵凈山東南側(cè)上空滲透;500 hPa以下至邊界層上部為一致暖平流,結(jié)合本文第2節(jié)分析可知,隨著西風(fēng)槽東移,槽后暖脊發(fā)展加強(qiáng)使槽后西北風(fēng)加大,高空冷平流輸送加強(qiáng),低層暖濕氣流與高空冷平流疊置使暴雨區(qū)上空大氣對流不穩(wěn)定增大;此外,近地層在暴雨區(qū)的西側(cè)有-2×10-5K·s-1的弱冷平流中心,結(jié)合文中第3.2 節(jié)中的分析結(jié)果,正好佐證了梵凈山東側(cè)近地層有“準(zhǔn)東北風(fēng)急流”受梵凈山地形阻擋流向南,南下的偏北風(fēng)攜帶淺薄弱冷平流侵入暴雨區(qū),但這并未改變邊界層上部暖濕空氣環(huán)境,有利于觸發(fā)對流和加大近地層水汽在暴雨區(qū)輻合抬升凝結(jié)。
有研究表明(孫軍等,2012;許愛華等,2014),降水系統(tǒng)中暖云層越厚,越有利于高效率降水;環(huán)境大氣相對濕度越大,雨滴蒸發(fā)率越小,越有利于高效率降水;暖云厚度可由抬升凝結(jié)高度至0 ℃層高度之間的厚度來估算。本文利用距暴雨區(qū)最近的懷化探空站資料,分析探空站及其上空一定范圍內(nèi)各氣象要素垂直分布特征和有關(guān)物理量演變特征,探討“7·3”梵凈山暴雨過程中有利的探空環(huán)境條件。表1 給出7 月3日08時—4日08時懷化探空站有關(guān)物理參數(shù)。
表1 2016年7月3—4日不同時刻懷化探空站環(huán)境參數(shù)Table 1 The environmental parameters from Huaihua sounding station at different times from July 3 to 4 in 2016.
分析表1 可知,3 日08—20 時,K 指數(shù)由27 ℃增至40 ℃,其顯著增大主要表現(xiàn)為中層700 hPa 水汽飽和程度顯著增加,這在一定程度上反映出中低層水汽輸送顯著增大和大氣熱力不穩(wěn)定加大。3日08—20時CAPE 由800 J·kg-1左右增大至1 200 J·kg-1(中等強(qiáng)度)以上,LI (絕對值)從-0.4 ℃增大至-2.5 ℃,說明該地區(qū)有較強(qiáng)對流不穩(wěn)定能量積聚,且大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定;4 日08 時不穩(wěn)定能量釋放,CAPE 迅速減小至465.8 J·kg-1,暴雨過程逐漸結(jié)束。
圖6給出7月3日—4日不同時刻懷化探空站T-lnp圖。結(jié)合表1對圖6分析發(fā)現(xiàn),3日14—20時,大氣濕層(相對濕度≥80%)從800 hPa 上升至350 hPa,0 ℃層高度維持在5.0 km 以上,3 日20 時探空曲線顯示(圖6b),500 hPa以下溫度露點差T-Td≤2 ℃,且溫度和露點曲線相互靠近,說明濕層和暖云層深厚;此外,3 日14 時—4 日08 時暴雨過程期間,抬升凝結(jié)高度(LCL)和自由對流高度(LFC) 均低于950 hPa (表1),表明此次暖區(qū)暴雨的對流抬升高度低,同時在探空圖上正CAPE 區(qū)呈“瘦高”型分布,CAPE 維持中等強(qiáng)度(1 300 J·kg-1左右),這對形成高效率降水十分有利。另外,結(jié)合本文第2節(jié)的分析,3日14—20時,隨著500 hPa高空槽過境,一方面對流層中層槽后西北氣流與低層偏南氣流均得到加強(qiáng),使0—6 km 垂直風(fēng)切變增大至11.2 m·s-1,而0—3 km 垂直風(fēng)切變維持8.0 m·s-1左右,有利于氣旋性輻合加強(qiáng);另一方面,暴雨區(qū)上空冷暖平流同時加強(qiáng),使850—500 hPa 溫差達(dá)22~25 ℃(圖略),對流不穩(wěn)定加大有利于中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)。
上述分析表明,深厚暖云層和濕層、低層充沛水汽輸送、異常偏低的LFC 和LCL 以及中等強(qiáng)度“瘦高”型CAPE 為“7·3”梵凈山暴雨過程高效率降水提供了有利的探空環(huán)境;此外,3日夜間高空西北氣流與低層偏南氣流均加強(qiáng),使暴雨區(qū)上空大氣熱力不穩(wěn)定和垂直風(fēng)切變增大,有利于850 hPa 中尺度低渦系統(tǒng)生成和發(fā)展,使低層輻合抬升作用加強(qiáng),這對夜間強(qiáng)降雨發(fā)展具有指示意義。
許愛華等(2014)研究認(rèn)為,邊界層輻合線的動力擾動往往是強(qiáng)對流天氣的重要觸發(fā)者和組織者。分析探空和地面觀測資料看到(圖略),“7·3”梵凈山暴雨過程中梵凈山東南側(cè)925 hPa 至地面受東南風(fēng)控制,而梵凈山東北部維持東北風(fēng),梵凈山東側(cè)上述邊界層風(fēng)場形勢下,一方面偏南風(fēng)與偏北風(fēng)相互作用使暴雨區(qū)形成穩(wěn)定的邊界層中尺度輻合線;另一方面,邊界層?xùn)|南氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升可加強(qiáng)低層水汽輻合。到4 日08 時(圖略),梵凈山東側(cè)地面轉(zhuǎn)為一致的東北風(fēng),暴雨過程結(jié)束。為了進(jìn)一步探討地面風(fēng)場演變對梵凈山東南側(cè)降雨回波的可能影響,本文以銅仁各區(qū)縣本站地面風(fēng)場為代表,將銅仁雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品與對應(yīng)時刻地面風(fēng)場進(jìn)行疊加分析。圖7給出7月3—4 日不同時刻地面風(fēng)場與對應(yīng)時刻銅仁雷達(dá)組合反射率因子。
圖7 2016年7月3日15∶00(a)、17∶00(b)、19∶00(c)、23∶00(d)及7月4日01∶00(e)、05∶00(f)地面風(fēng)場(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)與銅仁雷達(dá)組合反射率(填色區(qū),單位:dBz)疊加圖(紅線為地面輻合線)Fig.7 Superposition of wind field(barbs,unit:m·s-1)in ground level and composite reflectivity factor(color-filled areas,unit:dBz)from Tongren radar at(a)15∶00 BT,(b)17∶00 BT,(c)19∶00 BT,(d)23∶00 BT on 3 and(e)01:00,(f)05∶00 on 4 July 2016.Red lines denote surface convergence lines.
分析圖7 可知,對流回波帶與地面中尺度輻合線(圖中紅線所示)有較好的對應(yīng)關(guān)系。3日14時(圖略),在江口中部至碧江中部開始形成中尺度風(fēng)向輻合區(qū),在有利的環(huán)流背景下,預(yù)示著對流將在該中尺度輻合區(qū)附近觸發(fā)和加強(qiáng),到3日15時(圖7a),風(fēng)向輻合區(qū)已有中心強(qiáng)度達(dá)45 dBz的對流回波帶發(fā)展,該回波在輻合線附近持續(xù)3 h左右。3日17時(圖7b),江口南部出現(xiàn)強(qiáng)度為35 dBz的塊狀對流回波,回波位于地面中尺度輻合線南側(cè),3日17—19時,該對流回波沿地面中尺度輻合線附近發(fā)展并緩慢東移,19 時其中心強(qiáng)度達(dá)40 dBz 以上(圖7c),對暴雨區(qū)的影響一直持續(xù)到3 日22時。此期間,地面輻合線兩側(cè)風(fēng)速為4~8 m·s-1,造成的最大小時雨量為71.5 mm (21—22 時萬山敖寨站)。3 日夜間(圖7d—f),地面中尺度輻合線附近輻合明顯加強(qiáng),風(fēng)速達(dá)8~10 m·s-1,有利于邊界層水汽輻合增強(qiáng)和對流發(fā)展;雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品顯示,該時段30 dBz 以上回波范圍明顯擴(kuò)大,其中4 日01 時(圖7e)地面中尺度輻合線附近輻合強(qiáng)度達(dá)最大,其南側(cè)東南風(fēng)6~8 m·s-1,北側(cè)東北風(fēng)6~10 m·s-1,對應(yīng)4 日00—01時雨強(qiáng)達(dá)最強(qiáng)(有20站雨強(qiáng)在20 mm·h-1以上,江口壩盤鎮(zhèn)最大達(dá)101 mm·h-1);4日07時以后(圖略),梵凈山東南側(cè)地面轉(zhuǎn)為一致的4~12 m·s-1東北風(fēng),地面輻合線減弱消失,降雨回波快速南壓移出銅仁,此次強(qiáng)降雨過程結(jié)束。
綜上分析可知,3日14時—4日07時“7·3”梵凈山暴雨過程中梵凈山東南側(cè)江口、萬山、碧江中部一帶穩(wěn)定維持一條準(zhǔn)東西向地面中尺度輻合線,降雨回波帶位置與地面中尺度輻合線位置基本吻合,同時輻合線附近輻合增強(qiáng)對應(yīng)雨強(qiáng)加大,表明地面中尺度輻合線附近較好的動力抬升條件和水汽輻合條件有助于強(qiáng)降雨回波生成、加強(qiáng)和維持,這為梵凈山東南側(cè)特大暴雨產(chǎn)生提供了有利的對流觸發(fā)條件和降雨增幅條件;此外,3日夜間地面中尺度輻合線兩側(cè)風(fēng)速均增大,使輻合線附近輻合抬升作用增強(qiáng),這可能也是夜間降水增強(qiáng)的原因。
暴雨是一種中小尺度天氣過程,受局地因子作用較大,尤其是山區(qū)復(fù)雜下墊面的動力和熱力作用往往能觸發(fā)暴雨并造成降水增幅。陳明等(1995)認(rèn)為,地形性強(qiáng)迫抬升和輻合是觸發(fā)暴雨和加強(qiáng)暴雨的重要機(jī)制;郭英蓮等(2012)指出,地形對降水的觸發(fā)作用包括地形迎風(fēng)坡抬升觸發(fā)和地形對近地層流場作用造成的輻合觸發(fā)。梵凈山山脈位于銅仁中部,其走向為北東北—南西南,全境山勢挺拔,坡陡谷深。圖8 給出3 日08 時—4 日08 時累積雨量與梵凈山地形疊加圖。
結(jié)合圖1a 分析圖8 可知,“7·3”梵凈山暴雨過程中24 h 累積雨量大于50 mm 的區(qū)域主要分布在梵凈山東南坡,而其西北側(cè)降雨量普遍在50 mm以下。結(jié)合第4.3 節(jié)分析可知,暴雨期間銅仁碧江區(qū)中部及以南地區(qū)地面維持東南風(fēng)或東南偏東風(fēng)(圖8箭頭1),而碧江區(qū)中部以北至松桃縣一帶地面為東風(fēng)或東北風(fēng)(圖8箭頭2),使碧江中部至江口中部一帶地面維持中尺度風(fēng)向輻合區(qū),為此次梵凈山東南側(cè)暴雨產(chǎn)生提供了有利的邊界層動力抬升條件,使暴雨中尺度對流系統(tǒng)在地面輻合線附近觸發(fā)、合并、加強(qiáng)和較長時間維持。此外,梵凈山東南側(cè)迎風(fēng)坡和山谷地形處(A區(qū))累積降雨量在150 mm以上,A區(qū)地形具有喇叭口特征,邊界層氣流從東北路徑和東南路徑進(jìn)入“喇叭口”區(qū),加大了暖濕氣流的輻合強(qiáng)迫抬升并引發(fā)中小尺度氣壓擾動,使對流加強(qiáng)、雨勢加大,形成過程雨量376.6 mm的特大暴雨中心;A 區(qū)西側(cè)的梵凈山東南側(cè)迎風(fēng)坡(B區(qū))累積降雨量為50~150 mm,地形作用主要表現(xiàn)為迎風(fēng)坡對偏東偏南暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升,對比A區(qū)降雨量,喇叭口地形對降水的增幅作用明顯大于單純迎風(fēng)坡地形抬升;梵凈山西側(cè)和西北側(cè)的背風(fēng)坡(C區(qū))累積降雨量在50 mm以下,C區(qū)地形強(qiáng)迫抬升不明顯,累積雨量和雨強(qiáng)均偏小。
圖8 梵凈山區(qū)2016年7月3日08∶00—4日08∶00累積雨量(黑色等值線,單位:mm)與地形高度(填色區(qū),單位:m)A表示累積降雨量≥150 mm的區(qū)域,B表示迎風(fēng)坡累積降雨量為50~150 mm的區(qū)域,C表示背風(fēng)坡累積雨量小于50 mm的區(qū)域;紅色三角形表示位于暴雨中心的老屋站,紅色圓點表示累積雨量大于150 mm的站點;藍(lán)色箭頭線和棕色箭頭線表示暴雨期間該區(qū)域下墊面主要風(fēng)向;紅色虛線表示山頂?shù)淖呦蚣拔恢肍ig.8 The 24-hour accumulated precipitation(black contours,unit:mm)from 08∶00 BT 3 to 08∶00 BT 4 July 2016 and terrain height(color-filled areas,unit:m)in the Fangjing mountains.symbols“A”marks the area with accumulated rainfall greater than or equal to150 mm“,B”marks the area with accumulated rainfall greater than 50 mm and less than 150 mm on the windward slope,and“C”marks the area with accumulated rainfall less than 50 mm on the lee ward slope.Red triangle denotes the Laowu station in the heavy rainfall center,and red dots denote the stations with cumulative rainfall greater than 150 mm.The blue and brown lines with arrows represent the main wind direction in the underlying surface during the heavy rainfall event.Red dashed line represents the ridge and position of the Fangjing Mountain top.
此外,暴雨發(fā)生期間,850 hPa 和700 hPa 均存在低空急流,925 hPa有超低空急流,使銅仁地區(qū)上空維持深厚濕層和充沛水汽。懷化探空資料(圖6)顯示,925 hPa在3日14時為西南風(fēng),3日20時風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)并維持到3 日夜間,對應(yīng)此時段梵凈山東南側(cè)暴雨區(qū)地面輻合線南側(cè)的東南風(fēng)或東南偏東風(fēng)(圖8箭頭1),近地層風(fēng)向與山脈走向近乎垂直,加強(qiáng)了夜間暖濕氣流在迎風(fēng)坡的強(qiáng)迫抬升,這一定程度上造成了夜間強(qiáng)降雨維持和雨強(qiáng)增大。
本文利用多種資料,從降水特點、環(huán)流背景、中尺度對流系統(tǒng)演變與環(huán)境場特征對“7·3”梵凈山暴雨過程進(jìn)行了分析,并探討了梵凈山地形對此次強(qiáng)降雨過程的影響。主要得到如下幾點結(jié)論:
(1)暴雨主要發(fā)生在500 hPa 高空槽區(qū)、低層暖切變線南側(cè)、低空急流左前側(cè)及高空200 hPa 分流輻散區(qū),主要天氣尺度影響系統(tǒng)為500 hPa高空槽和850 hPa暖切變線;該過程地面無明顯冷空氣影響,屬于貴州梵凈山極端暖區(qū)暴雨過程,過程降雨強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)、中尺度特征明顯。
(2)暴雨由4個對流云團(tuán)連續(xù)影響造成,強(qiáng)降雨集中在對流云團(tuán)中心及其后側(cè)云頂TBB等值線梯度大值區(qū);其中云團(tuán)D影響時間最長、雨強(qiáng)最大,是造成此次特大暴雨最主要的中尺度對流系統(tǒng)。強(qiáng)降雨回波為積狀云為主的混合降水回波,地面中尺度輻合線是邊界層動力抬升觸發(fā)的有利條件,強(qiáng)降雨回波在上述區(qū)域附近觸發(fā)、合并、加強(qiáng)、東移,其連續(xù)影響形成明顯的“列車效應(yīng)”是產(chǎn)生特大暴雨的重要原因。
(3)深厚暖云層和濕層,低層充沛的水汽輸送,異常偏低的LFC和LCL,以及中等強(qiáng)度“瘦高”型CAPE分布是該過程產(chǎn)生高效率降水的有利環(huán)境條件;3 日夜間高空冷平流與低層暖濕平流疊加,使大氣更趨不穩(wěn)定;邊界層淺薄冷平流侵入未改變其上部暖濕結(jié)構(gòu),有利于對流觸發(fā)、加強(qiáng)并加大邊界層水汽向暴雨區(qū)輸送。
(4)梵凈山地形對水汽的向北輸送具有阻擋作用,使水汽通量大值帶、水汽輻合中心集中在其東南側(cè);同時邊界層偏東風(fēng)受山脈阻擋強(qiáng)迫抬升以及喇叭口地形的輻合作用,使得低層水汽抬升凝結(jié),也是強(qiáng)降雨維持、雨強(qiáng)加大的重要原因之一。
實際業(yè)務(wù)中預(yù)報員對此次暖區(qū)暴雨的極端性預(yù)估不足,究其原因,主要有三點:(1)忽略了深厚暖云層和高濕環(huán)境下梵凈山東南側(cè)超低空偏東氣流與偏南氣流之間的輻合動力觸發(fā)機(jī)制與中小尺度喇叭口地形的強(qiáng)迫抬升作用,對流和降雨往往會在上述區(qū)域加強(qiáng)或停滯;(2)在有利的環(huán)流背景下,夏季副高穩(wěn)定維持,在0~6 h短時預(yù)報中對自貴州西部東移的多個呈準(zhǔn)東西向帶狀分布的對流云團(tuán)重視度不夠,這些云團(tuán)往往會對暴雨區(qū)造成連續(xù)影響而形成明顯的疊加效應(yīng);(3)暴雨過程中0~2 h 臨近預(yù)報,對地面區(qū)域站實況資料的重視和分析不夠,特別是地面風(fēng)場上中尺度輻合線的穩(wěn)定存在,對流往往在地面中尺度輻合線附近觸發(fā)或明顯加強(qiáng)。