2. 贵州省铜仁市气象局,铜仁 554300
2. Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province, Tongren 554300
铜仁市地处云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带,武陵山区腹地,位于107°45'—109°30'E、27°07'— 29°05'N之间,全境以山地为主。由于受其特殊地形影响,每年汛期4—9月局地性暴雨较多,暴雨持续时间以1~2 d为主,通常发生在夜间,其特点是降水时段短、雨强大。而2014年7月13—17日,受高空槽携带冷空气南下与稳定维持的副热带高压外围西南暖湿气流及中低层低涡切变线共同影响,出现了历史罕见的持续4 d的暴雨到特大暴雨天气过程,此次持续性暴雨过程,其特点是范围大、暴雨集中、强降水持续时间长、累计雨量大、不少站点出现了历史上有完整气象记录以来的最高值。致使山洪暴发、河水猛涨,造成大范围的洪涝灾害,给工农业生产、国民经济造成重大损失。
在山区,持续性暴雨更容易造成持续时间较长的局地性灾害,破坏性更大,因此持续性暴雨是我们值得关注和研究的重点。有学者研究得出,在夏季副热带高压的稳定维持是造成持续性暴雨的重要环流形势[1-3];鲍名[4]在对华南两次持续暴雨过程中热带西太平洋对流异常作用的比较后发现,副热带高压在华南地区持续西伸是两次持续性暴雨发生的共同大尺度环流背景;同时有学者研究指出[5-6],暴雨的发生与南亚高压、副热带高压、中低层系统之间存在着相互作用与相互制约的关系。秦剑等[7]在研究低纬高原天气时,指出南亚高压与低纬高原地区的雨季开始有着十分密切的关系,由于高层高值系统的加强,有利于低层的低值系统发展,形成了低层辐合,高层辐散的环流结构。王瑾等[8-10]则指出大气层结不稳定、高低空急流的耦合作用、低层干冷空气的入侵是造成暴雨天气形成和维持的一个重要物理原因;张端禹等[11]研究持续暴雨时,得出充足的水汽条件在连续暴雨过程中是十分重要;徐双柱、肖递祥、童哲堂等[12-14]对持续性暴雨分析,得出稳定的大尺度环流形势是持续性暴雨发生的重要背景,有利的水汽、热力、能量、动力条件配合,利于强降水的发生;廖移山等[15]指出暖湿气流在近地层受冷出流及地形阻挡时,在高层强辐散作用下,有利于出现深厚的上升运动,从而导致特殊地形下局地特大暴雨发生。
铜仁因受其特殊地形影响,多局地短时暴雨天气发生,因此关于铜仁暴雨的研究多局限在个例分析方面,也取得了一些有意义的结论。杨秀庄等[16]在研究铜仁梵净山局地特大暴雨时指出,地面辐合线、弱冷空气侵入以及地形抬升的共同作用易产生强降水;陈军等[17]在研究铜仁秋季一次大暴雨过程时,也指出地面冷锋、地面辐合线及强烈上升运动为暴雨的发生提供了动力条件,θse高值区储存了暴雨发生的能量条件。
由于持续性暴雨发生机率较少,因而对它的研究相对要少一些,但无论是局地短时暴雨还是持续性暴雨的发生,在有利的环流背景条件下,其发生发展的机理既有其普遍性又有其特殊性。因此,本文利用铜仁392个自动站雨量资料、NCEP/NCAR 1°×1°间隔6 h资料、卫星TBB资料,并结合地形特点,对2014年7月13—17日发生在铜仁的一次持续性暴雨过程,从其环流背景特征、中尺度低涡移动、水汽能量的积聚过程,高低空急流的发生发展及维持机制等不同的角度进行分析,以探讨此次持续性暴雨发生发展的物理机制,为此类暴雨提供更多的预报着眼点。
1 持续暴雨概况及特征图 1给出了贵州铜仁地区2014年7月13日20时—17日20时(北京时,下同)96 h累计总雨量图和松桃寨英小时雨量演变图。从图中可以发现,雨量达200 mm以上的站点主要出现在松桃、印江、思南、江口等铜仁地区中部一线的县市。其中累计雨量为300 mm以上的有94站,400 mm以上的40站,超过500 mm的有8站,分别出现在江口、松桃、印江县等地,它们主要分布在海拔高度为2 500 m以上的梵净山两侧,其雨量为其他站点的1~2倍,均突破了各县历史极值,其中江口梵净山累计雨量达510 mm、印江郎溪为572 mm、松桃寨英累计雨量达585 mm,为过程最大雨量,强降雨集中在14日04时—16日21时,小时雨强最大为34 mm。此次持续性暴雨过程可分为三个阶段:
(1) 7月13日20时—14日20时为暴雨发展时段,暴雨集中在铜仁松桃、印江、思南等地,有109站次暴雨、13站次大暴雨、1站次特大暴雨(松桃九江乡);
(2) 7月14日20时—16日20时为暴雨到大暴雨加强和维持时段, 铜仁松桃、印江、思南、石阡、江口、碧江等区县出现暴雨到大暴雨,有46站累计雨量达50 mm、61站达100 mm、142站达200 mm;
(3) 7月16日20时至17日20时为减弱消散阶段,仅29站次暴雨。
2 持续性暴雨大尺度环流背景分析 2.1 稳定的高低空环流形势持续性暴雨的发生需要稳定的大尺度环流背景及高低空系统的有效配置。图 2给出2014年7月13—17日平均500 hPa位势高度和风场及200 hPa位势高度和大于30 m·s-1水平风场的叠加图。从图 2a中可见,暴雨过程中500 hPa中高纬贝湖地区为阻塞高压脊控制,其东、西两侧各为低压大槽,为“两槽一脊”的环流形势,其东部槽的槽底延伸至贵州,槽后强西北气流不断带动地面冷空气补充南下并影响贵州地区。中低纬维持东高西低的形势,35°N以南、110°E以东为西太平洋副热带高压控制,110°E以西—100°E为东北低压槽影响,贵州大部(包括铜仁区域)处于副热带高压西北侧与槽前西南气流中,南北风辐合位于贵州北部。且孟加拉湾多低涡活动,使得该地暖湿水汽不断向大陆输送。中低层700 hPa、850 hPa(图略)低涡切变线位于贵州中北部地区,铜仁位于700 hPa切变线南侧、850 hPa低涡切变线附近,气流辐合上升。从图 2b中看到,高层200 hPa中高纬也维持“两槽一脊”的形势,中低纬南亚高压与西太平洋副热带高压打通,控制25°—35°N之间的大部分地区,贵州上空为反气旋下沉气流控制。可见在贵州区域上空,贝加尔湖阻塞高压东侧低涡槽后的西北气流携带冷空气南下与副热带高压外围西南暖湿气流在贵州北部交汇,形成该区上空大气持续的不稳定的形势。
图 3为2014年7月13—17日铜仁区域(107°— 109.5°E, 27°—29.4°N)平均的散度演变垂直分布时间图,从图中可以发现高低空散度的垂直结构表现为,在暴雨开始第一阶段13日20时—14日20时,在800—500 hPa已开始形成整层辐合,辐合中心位于750 hPa左右,中心强度为-2×10-5s-1,500 hPa以上为辐散,辐散中心位于400 hPa, 其中心强度为2×10-5s-1,高低层辐合辐散强度相当;第二阶段的第一时段14日20时—15日20时暴雨增强阶段,辐合中心北抬至500 hPa,中心强度增大为-3×10-5s-1,500 hPa以下为辐合,高层的辐散中心抬升至200 hPa,中心强度达4× 10-5s-1,中高层辐合辐散值都增强了(1~2)×10-5s-1;第二阶段的第二时段15日20时—16日20时,即暴雨最强维持时段,强度为-3×10-5s-1的辐合中心从地面延伸至500 hPa,辐合抬升区深厚,高层500 hPa以上4×10-5s-1的辐散区维持;随后辐合辐散减小,降雨逐渐减弱。由此可见,中低层辐合、中高层辐散的形势持续维持,并逐渐增大然后减小,对应了暴雨的几个阶段,为暴雨的持续提供了有利的动力条件。
高低空辐合辐散抽吸耦合作用的持续,促使低层低压系统不断发展。图 4为2014年7月14日08时—17日08时850 hPa暴雨发生不同阶段的流场及涡度场的演变形势图。从图中可以看出,这次持续性暴雨过程是对流层低层中尺度涡旋不断发生发展的过程。
14日08时,即暴雨发生第一阶段(图 4a),四川东南部有一中尺度小涡旋发生,涡旋下游贵州境内存在东北—西南向的正涡度带,带中气流为西南风与东南风的辐合,其涡度最强中心位于贵州东北部(铜仁),涡度强度为(4~5)×10-5s-1之间。15日08时即暴雨增强阶段(图 4b),随着四川东南部中尺度低涡系统东南移进贵州北部,其低涡向其下游东传的正涡度带在贵州和湖南出现两个涡旋,其涡度最强中心值增大为5× 10-5s-1以上,铜仁处于正涡度区内,为西南气流。到16日08时为暴雨持续增强阶段(图 4c),低涡继续东移,湖南、贵州的正涡度带合并,形成西南—东北向气流汇合带,气旋涡度东侧风向辐合切变线上正涡度最强,正涡度中心达到10×10-5s-1以上;直至17日08时(图 4d)暴雨减弱阶段,涡旋强度减弱,虽然正涡度带仍在铜仁维持,但强度逐渐减弱,对应暴雨强度减小,落区范围也减小,17日14时涡旋消亡,气流汇合带北抬,暴雨过程逐渐趋于结束。由此发现,低层低涡切变线在高层反气旋辐散环境下维持并发展,是引发此次持续性暴雨的重要原因。
2.3 稳定维持的地面辐合线及地形影响从2014年7月14日08时地面天气形势(图 5a)可以看到,铜仁处于减弱高压后部、东风与偏北风之间,地面辐合线在铜仁东部形成。这种东高西低的形势稳定维持到16日20时后高压东移减弱转为低压控制,降水开始减弱。同时从地面辐合线与地形叠加图(图 5b)上可以看出,在铜仁中东部从13日20时—16日20时有地面辐合线形成,并随着地面冷高压东退和西伸,在铜仁东部略有摆动,由于受地面辐合线动力抬升作用,该地强降雨维持。
从图 5b及图 1可以清楚地看到铜仁地区的地理特征:铜仁东北部是向东北向开口的地形低洼地带,低洼地带西侧是海拔高度为2 500 m以上的梵净山;铜仁西部从沿河经思南到石阡为一条地形河谷带,其南侧为石阡海拔高度为2 100 m的佛顶山,西侧为德江西部的脑山峰海拔高度1 500 m左右。当铜仁东部为地面高压后部偏东气流时,在梵净山迎风坡偏东风与地形呈垂直状态,由于地形的抬升作用,在该地产生准定常的边界层辐合,从而产生强的上升运动,低层辐合上升加强导致降水的增大[18-19],从而导致梵净山东侧雨量增大。而在印江县附近则为向北方向开口的地形喇叭口状,当铜仁西侧为偏北风时,盛行风向朝喇叭口灌进,由于地形的收缩,辐合上升引起上升运动的加强和降水的增大。因此在梵净山两侧低洼地带形成了总雨量为500 mm以上的强降雨,为铜仁北部及南部区域的1~2倍。
2.4 稳定的高低层环流配置结合上述高低空环流形势的分析,可用图 6综合描述2014年7月13—17日铜仁暴雨期间高低空环流配置,从图中可以看出,200 hPa南亚高压东伸控制四川及贵州西部地区,铜仁处于高压东侧高空急流入口区的右侧辐散气流下沉区;500 hPa中高纬为两槽一脊,贝湖东部低涡向南加深,槽底延伸至110°E以西的贵州北部至云南东部地区,西太平洋副热带高压588 dagpm线西伸脊点达109°E左右,北界位于30°N,铜仁处于高空槽前、副热带高压西北侧的西南气流中,在它们的共同作用下使得孟加拉湾低涡向北输送水汽的西南风持续维持;中低层700 hPa、850 hPa在贵州北部为东北—西南向的暖湿切变线,偏东气流和西南气流之间形成了水汽的辐合。由此可见,高空辐散叠加在低空辐合中心上空形成了高低空强烈耦合,这样的形势配置,一方面增大了低空水汽的聚积,对低空急流产生正反馈影响;另一方面,通过抽吸作用增强上升运动,增大了低层水汽向上输送,有利于形成深厚的湿层。同时孟加拉湾的暖湿水汽在持续的动力作用机制下,被远距离持续输送到贵州地区,为持续性暴雨提供了必要的水汽条件。
综上所述,此次持续性暴雨天气过程,是由于贝加尔湖地区阻塞高压稳定维持,其东侧的低涡槽后西北气流携带冷空气南下与稳定在22°N附近的副热带高压外围西南暖湿气流汇合而引发的。铜仁位于冷暖气流汇合区南侧,及对流层高层辐散、中低层辐合的水汽集中区,这是有利于持续性强降水发生发展的稳定环流型。稳定的大尺度环流背景,决定了暴雨屡发性和持续性。下面具体分析这一期间的动力、热力特征及其水汽条件等与暴雨的关系。
3 持续性暴雨物理机制分析 3.1 高低空急流耦合机制高低空急流是暴雨发生、发展最重要的大尺度动力环境因素,低空急流作为一种动量、热量和水汽的高度集中带, 是给中纬度暴雨提供水汽和动量最重要的机制[20]。下面分析此次持续暴雨期间高低空急流的影响机制。图 7为7月13—17日沿109°E平均的经向风V和垂直运动W合成流场(实线)及垂直速度ω(虚线)的经向剖面图及200 hPa大于20 m·s-1平均纬向风与700 hPa大于12 m·s-1的平均纬向风叠加图。从图 7可见,在28°N附近即暴雨区上空, 有一深厚的上升运动区, 上升运动伸展到200 hPa, 中心值的高度在500 hPa左右, 最大值达-70×10 -4 hPa·s-1。而在上升运动区北侧约3个纬距(即31°N)存在一个下沉运动区。即暖湿气流在低层低涡切变附近上升, 将大量水汽向上输送, 这股上升气流到高层后, 随高空急流入口区的偏西气流辐散北流, 在高空急流的左侧下沉, 在700 hPa左右下沉速度最大为25×10-4 hPa·s-1。同样从7月13— 17日200 hPa平均纬向风大于20 m·s-1和700 hPa平均纬向风大于12 m·s-1的叠加图(图 8)来看, 可以看到贵州处于高空急流入口区右侧及低空急流出口区左侧,这种高低空急流耦合作用有利于暴雨区上空高层辐散、低层辐合的动力机制的维持。强的上升气流将触发潜在不稳定能量的释放, 有利于深对流天气的发生和发展, 凝结潜热的释放使得低层气压降低,进一步促进低层低压系统的发展,这样高低空急流的耦合作用导致了暴雨的持续形成与发展。
持续性暴雨的发生不仅需要稳定的抬升运动机制,还需要水汽的不断输送和水汽在暴雨区的辐合。图 9给出了2014年7月13—17日850 hPa上107°— 109.5°E区域内平均水汽通量及其水汽通量散度随时间的演变图。由图 9a可以看到,水汽通量大值带位于26°—28.5°N之间,铜仁处于水汽通量大值输送带内,其中明显存在4个水汽通量大值中心,其强度为14日08时的10 g·s-1·hPa-1·cm-1、15日00时的16 g·s-1·hPa-1· cm-1、16日00时的20 g·s-1· hPa-1· cm-1、17日00时的12 g·s-1·hPa-1·cm-1,它们分别对应着铜仁持续性暴雨的3个阶段,其中15—16日为暴雨最强时段,对应的水汽输送强度中心最强达15~20 g·s-1· hPa-1· cm-1。在相应的水汽通量散度图上(图 9b),26.5°—28.5°N之间在铜仁持续性暴雨的4个阶段也有4个水汽通量辐合中心,强度中心分别为14日20时的-30×10-6 g·hPa-1· cm-2· s-1、15日08时的-30×10-6 g·hPa-1· cm-2·s-1、16日00时的-60×10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1、17日00时的-30×10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1。16日08时辐合中心最强。可见,2014年7月13—17日有丰富的水汽源源不断地输送至铜仁区域,并在铜仁上空形成了持续的水汽辐合。
低空急流的建立和维持及低层暖湿水汽的源源不断输送,有利于低空不稳定层结的建立和维持,铜仁地区低空大气对流不稳定层结的建立, 利于暴雨天气的形成。从13—17日假相当位温θse和比湿q在铜仁暴雨经度范围(107°—109°E)的垂直剖面图(图 10a)可见, 暴雨发生期间在28.5°N以南,等比湿线与假相当位温线的分布特征非常一致, θse高能值区对应了q值高湿区,铜仁处于北干南湿,北侧θse低能值、南侧高能值之间的不稳定区。特别是14日20时这种形势最为明显,南北高能值与低能值之间值差最大达24 ℃,比湿强度达16 g·kg-1以上,处于高温高湿状态,此时段为铜仁暴雨开始增强阶段。这种在暴雨持续阶段高温高湿形势的维持,十分有利于大气不稳定层结的建立。
对照铜仁区域平均对流有效位能CAPE(图 10b),发现在13—17日之间与高能高湿中心对应有4个CAPE的大值中心,分别出现在13日20时、14日20时、15日20时、16日20时、17日20时。在暴雨增强时段(14日20时—16日20时)对流有效位能有2个强中心, 分别为1 900 J·kg-1、1 700 J·kg-1。则相当位温θse和比湿q的高温高湿区对应了对流有效位能CAPE值的大值中心。可见,此次持续暴雨过程发生发展的几个阶段,对应了大气对流不稳定能量的几次快速释放与重建过程。
3.4 干冷空气不断入侵触发不稳定能量暴雨的产生和发展不仅与暖湿气流息息相关,还与南下的干冷空气有关。定义相对湿度小于60%的区域为干区[21], 假相当位温的密集区表示锋区,
图 10为2014年7月14日08时—15日08时沿109°E的θse和相对湿度的纬向高度剖面图。从图中可以看到,14日08时(图 11a)暴雨开始发生时,在29°N以北、500 hPa以下地区干空气呈漏斗状自北向南伸展,对应在30°N附近从高层高纬度地区有一假相当位温低值区呈漏斗状插入到低层中低纬度地区,并在低层低纬度地区有一假相当位温高值中心呈反漏斗状上凸伸展至高层500 hPa。28°N附近345 K的等假相当位温线上下贯通,干冷空气强盛。铜仁区域(27— 29°E)处于南北、高低层能量锋区内即不稳定区域内,易发生对流天气。15日08时(图 11b)暴雨最强阶段,干区向高层收缩,干冷空气在600 hPa高层左右,冷暖空气在28°N附近交汇,铜仁区域处于能量锋区内,且梯度增大,不稳定能量进一步聚集。16日08时—17日08时(图略),干冷空气北缩,中低纬及低层假相当位温高能区向北推进,使得铜仁区域位于高能区内,降水逐渐减弱。上述分析表明,这次暴雨过程中的确存在干侵入现象,受高空槽东移和低层低涡东移的影响,带动北方干冷空气南下,其移动表现为由高层中高纬向低层低纬注入,暴雨主要出现在冷暖空气交汇,及高能与低能区之间的能量锋区内。
江吉喜等[22]在研究夏季青藏高原上的对流云和中尺度对流系统时发现,当云顶TBB≤-32 ℃,为一般对流云, 伴随着对流天气现象;当TBB≤-64 ℃, 则认为云顶已伸过了对流层顶, 称作穿顶对流, 对流发展非常旺盛, 将伴随着强对流天气现象。所以本文选取TBB≤-32 ℃作为对流云团的阈值,图 12为2014年7月14日—16日FY-2E气象卫星反演的TBB图。
由图可以看到,14日08时(图 12a),在四川、重庆、贵州东北部、湖南有多个对流云团生成(箭头指示),其最强中心达-60 ℃以下,表明对流发展非常旺盛,铜仁境内也有分散的对流云团生成,中心强度为-50~-60 ℃之间。14日14时,四川南部对流云团与重庆对流云团合并,范围扩大,贵州与湖南对流云团也合并,呈一条带状影响四川南部、重庆南部、贵州北部、湖南中部一线,TBB强度值为-50~-55 ℃,此时段为暴雨发展阶段。14日20时在四川中南部、贵州南部又有新的对流云团生成,其中心强度也达到-60 ℃及以下,到15日02时其生成的对流云团又一次发展、加强,并逐渐向贵州东部移动,到15日14时其中心强度小于-60 ℃的云团位于贵州中东部地区,铜仁受强度为-60 ℃左右对流云团影响,此时段暴雨增强。15日20时,影响铜仁的对流云团减弱,而南部又有新的-60 ℃以下的对流云团发展,16日08时移至铜仁地区,中心强度为-55~-60 ℃,此时段铜仁强降雨天气持续发展并维持。直到16日20时后强对流云团移出铜仁,铜仁暴雨天气逐渐减弱。从这一阶段对流云团的发展过程可以看出,此次持续性暴雨天气过程,是由于多个对流云团先后从四川南部、贵州中部、贵州西南部生成发展,逐渐沿东南或东北方向移进铜仁地区,从而导致铜仁持续性暴雨天气发生。
5 结论(1) 此次持续性暴雨天气过程,是由于贝加尔湖地区阻塞高压稳定维持,其东侧的低涡槽后西北气流携带冷空气南下与副热带高压外围西南暖湿气流在贵州北部交汇,导致该区域上空大气持续出现不稳定。同时高层反气旋环流与低层低涡切变之间,形成低层辐合上升、高层辐散下沉的垂直环流形势,进一步加强了对流不稳定系统的发展;低层低涡系统及地面辐合线稳定维持,为持续性暴雨的发生发展提供了有利的动力条件。
(2) 暴雨区位于低空偏西南风急流的左侧、200 hPa高空急流入口区的右侧强的上升运动区内,高低空急流的耦合作用导致了暴雨的持续与发展。
(3) 水汽的不断输送和水汽的辐合为持续性暴雨的维持提供了有利的水汽条件,不稳定能量的持续建立和释放,为暴雨几个阶段提供了能量条件,干冷空气的不断入侵进一步加强了不稳定能量的积聚和释放。
(4) 由于多个对流云团先后从四川南部、贵州中部、贵州西南部生成发展,逐渐沿东南或东北方向移进铜仁地区,从而导致铜仁持续性暴雨天气发生。
贵州省气象局罗喜平高工在论文撰写过程中给予了指导和帮助,谨致谢忱。[1] |
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