譚艷立,羅菊英
(湖北省恩施州氣象局,湖北 恩施 445000)
恩施自治州位于湖北省西南部,每年夏季汛期,尤其是梅雨期頻繁遭受暴雨襲擊,其引發(fā)的山體滑坡、泥石流、地質(zhì)災(zāi)害以及中小河流洪水等災(zāi)害給人們造成了人力、財(cái)力上的巨大損失。許多業(yè)內(nèi)前輩們對長江中下游暴雨的環(huán)流形勢,影響系統(tǒng),物理量診斷,以及多尺度特征等作了研究[1-8],研究表明:暴雨都是在一定的有利的大環(huán)流形勢下,中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展,配合較好的動(dòng)力、水汽以及不穩(wěn)定層結(jié)條件,在中小尺度擾動(dòng)觸發(fā)作用下產(chǎn)生的。由于恩施州境內(nèi)山巒起伏,溝壑縱橫,河流眾多,獨(dú)特的山地氣候特征以及復(fù)雜的地形和下墊面,使得恩施地區(qū)的暴雨具有落區(qū)分散、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特點(diǎn),關(guān)于恩施本地暴雨的研究[9-13],主要對造成恩施暴雨的環(huán)流形勢、各種物理量的診斷以及地形作用作了分析,本文利用常規(guī)氣象資料、TBB資料和雷達(dá)資料進(jìn)一步對恩施暴雨的中尺度特征進(jìn)行分析總結(jié),為恩施暴雨的中尺度研究以及氣象預(yù)報(bào)服務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。
圖1 恩施州2016年6月24日08時(shí)—25日08時(shí)降水量分布圖(粗實(shí)線為100 mm以上降水區(qū)域)(單位:mm)Fig.1 The spatial distribution of precipitation in Enshi 2016062408-2016062508 (the heavy line is the precipitation area of more than 100 mm) (unit:mm)
2016年6月24—25日,恩施州普降暴雨,降水自北向南發(fā)展,主要集中時(shí)段為24日02—22時(shí),不同區(qū)域強(qiáng)降水集中時(shí)段不同,州北部主要發(fā)生在24日02—12時(shí)、中部16—19時(shí)、南部19—22時(shí)。從強(qiáng)降水落區(qū)看(圖1),大部暴雨,最強(qiáng)降水集中在巴東、建始、來鳳。從降水強(qiáng)度及降水性質(zhì)看,對流性特征明顯,多站不同時(shí)段出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)40 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水,州北部最強(qiáng)降水集中在05—07時(shí),州南部集中在18—20時(shí),小時(shí)最大為47.9 mm/h,出現(xiàn)在來鳳洞塘壩的19—20時(shí),其次是18—19時(shí)的朝陽寺站(47.3 mm)。統(tǒng)計(jì)340個(gè)自動(dòng)站23日20時(shí)—25日08時(shí)36h累積量,有3站超過300 mm,9站200~300 mm,87站100~200 mm,最強(qiáng)降水出現(xiàn)在建始火龍(313.3 mm)。統(tǒng)計(jì)24日08—25日08時(shí)24 h雨量,8個(gè)國家觀測站中,建始、巴東、來鳳大暴雨,最強(qiáng)建始151.8 mm,恩施、咸豐、鶴峰暴雨。綜合上述,此次降水過程具有持續(xù)時(shí)間長,影響范圍廣,局地強(qiáng)度大的特點(diǎn),強(qiáng)降水誘發(fā)山洪、泥石流等次生災(zāi)害,部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)損失嚴(yán)重,甚至出現(xiàn)了人員傷亡。
從天氣尺度環(huán)境場上可以看出,對流層中層500 hPa圖上(圖2a)中高緯地區(qū)為兩槽一脊型,巴爾喀什湖(巴湖)和我國東北地區(qū)各維持一個(gè)高空冷渦,巴湖冷渦東南側(cè)不斷有短波槽分裂東移帶動(dòng)冷空氣南下,從東北冷渦伸出的槽線一直伸展到長江中下游地區(qū),貝加爾湖(貝湖)地區(qū)為高壓區(qū),高壓脊從貝湖北部伸展到我國西北東部,恩施地區(qū)受貝湖脊底部影響,其上游青海與四川交界處有一短波槽發(fā)展,未來與巴湖冷渦伸出的槽線同位相疊加;低緯度地區(qū)西太平洋副熱帶高壓(副高)西伸加強(qiáng)并呈帶狀分布在臺(tái)灣以東洋面至我國云南東部地區(qū),青藏高原南部維持一短波槽。對流層低層850 hPa圖上(圖2b),受高原槽東移和副高西伸加強(qiáng)的強(qiáng)迫作用影響,副高西北側(cè)西南急流建立加強(qiáng),達(dá)到14~18 m/s,這支氣流一是向恩施地區(qū)輸送暖濕水汽,與中緯度短波槽帶動(dòng)的冷空氣在恩施地區(qū)交匯;二是這支氣流在向北推進(jìn)的過程中受川東渝西西南渦發(fā)展影響,在重慶中部—湖北南部形成一條切變線,切變線南部西南氣流與隨著東北冷渦旋轉(zhuǎn)南下的東北氣流在湖北南部形成明顯的輻合,為恩施地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了良好的熱力和動(dòng)力條件。
綜上所述,本次強(qiáng)降水,具有典型的兩槽一脊“單阻型”梅雨環(huán)流特征,暴雨發(fā)生在大尺度暖脊底部,上游高原槽與中高緯短波槽同位相疊加,副高西伸加強(qiáng),基本穩(wěn)定在23~25°N之間,低層切變線的形成和低空西南急流的建立等天氣系統(tǒng)的合理配置條件下,這種環(huán)流背景為此次暴雨中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了良好的天氣尺度環(huán)境。
圖2 2016年6月24日08時(shí)500 hPa位勢高度場(a)、850 hPa風(fēng)場(b) Fig.2 500 hPa geopotential height field on 2016062408 (a), 850 hPa wind field on 2016062408 (b)
分析恩施州8縣市降水實(shí)況(圖略)可知,這場暴雨于24日01時(shí)左右開始于州北部,到05時(shí)左右開始加強(qiáng),白天段最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在08—11時(shí),最大小時(shí)雨強(qiáng)發(fā)生在10時(shí)的建始縣的渡浪溝站為40.3 mm,并伴有雷暴大風(fēng);建始北部,巴東中部08—11時(shí)3 h降水量大部在50 mm以上,最大出現(xiàn)在建始滬渝K1336站,3 h降水量為80.4 mm;11時(shí)開始,降水明顯減弱,到下午16時(shí),恩施市南部出現(xiàn)局地短時(shí)強(qiáng)降水;夜間段主要開始于18時(shí),雨帶南壓到恩施州南部咸豐、來鳳地區(qū),最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在20時(shí)的來鳳洞塘壩站為47.9 mm,21時(shí)雨帶基本移出恩施州地區(qū)。此次暴雨過程持續(xù)時(shí)間長,強(qiáng)降水至北向南持續(xù)了近24 h;空間上分布不均,強(qiáng)降水區(qū)域主要分布在州北部和南部,局地性強(qiáng),表現(xiàn)為明顯的中尺度對流性特征。
24日白天,降水云團(tuán)主要在恩施州北部,從衛(wèi)星TBB資料逐小時(shí)演變(圖3)可以看出,24日07時(shí),恩施州西部和北部有多個(gè)對流云團(tuán),此時(shí)云團(tuán)A和云團(tuán)B基本是相互獨(dú)立的,到了08時(shí),云團(tuán)A和云團(tuán)B合并加強(qiáng),并呈現(xiàn)出不規(guī)則結(jié)構(gòu),云團(tuán)C明顯減弱,09時(shí)合并的云團(tuán)達(dá)到最強(qiáng),云頂亮溫小于-48 ℃的冷云面積達(dá)2×104 km2,造成州北部巴東、建始地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到了40.3 mm,后逐漸分散減弱,11時(shí)TBB冷中心基本移出恩施地區(qū),11時(shí)以后,降水顯著減弱,大部分地區(qū)為少量殘留弱降水,到17時(shí),恩施州南部新的對流云團(tuán)發(fā)展,從衛(wèi)星TBB資料逐小時(shí)演變可以看出,云團(tuán)D和云團(tuán)E相互獨(dú)立且相離較遠(yuǎn),到了18時(shí),隨著系統(tǒng)東移,兩個(gè)中β尺度系統(tǒng)快速合并加強(qiáng)并呈東北西南向帶狀分布,19時(shí)達(dá)到最強(qiáng),云頂亮溫<-40℃的冷云面積達(dá)1.5×104 km2,造成南部咸豐、來鳳地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣,21時(shí)對流云團(tuán)基本移出恩施地區(qū),整個(gè)降水過程結(jié)束。從上面的分析可知,恩施地區(qū)24日兩個(gè)階段的暴雨過程的直接影響系統(tǒng)都是中β尺度對流系統(tǒng),且兩個(gè)階段中β尺度對流系統(tǒng)都是由兩個(gè)中尺度對流云團(tuán)合并而成,時(shí)間尺度都約為5 h,但兩個(gè)階段的中β尺度系統(tǒng)的形狀有所差異,水平尺度及影響區(qū)域也不同。
從多普勒雷達(dá)回波圖上(圖4)可以看出,此次降水性質(zhì)以混合性降水為主,中β尺度對流系統(tǒng)在天氣尺度環(huán)境中發(fā)生發(fā)展。分析雷達(dá)回波演變圖得知,24日07時(shí),強(qiáng)回波中心已經(jīng)形成,回波主體在建始縣北部,中心回波強(qiáng)度為48 dBz,回波帶東移南壓的速度較緩慢,約15 km/h,而回波主體上游的零散回波移動(dòng)較快,逐漸合并到回波主體中,回波帶強(qiáng)度增強(qiáng),范圍增大,到09時(shí)左右達(dá)到峰值,回波中心強(qiáng)度在50 dBz以上,此時(shí)建始縣北部和巴東縣局部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣,最大小時(shí)雨強(qiáng)為40.3 mm/h,并伴有雷暴大風(fēng)天氣,隨著回波帶繼續(xù)東移南壓,11時(shí),強(qiáng)回波帶逐漸移出恩施地區(qū),恩施地區(qū)降水明顯減弱。到了17時(shí),南部降水回波開始發(fā)展,此時(shí)主要表現(xiàn)為多個(gè)中尺度對流系統(tǒng)零散分布,最大回波中心為51 dBz,隨著回波向東北方向的移動(dòng),零散的回波中心合并為一個(gè)強(qiáng)回波帶,并且回波帶表現(xiàn)為后向傳播,回波影響范圍擴(kuò)大,降水強(qiáng)度加強(qiáng),咸豐縣和來鳳縣均出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水天氣,到19時(shí)左右發(fā)展到最強(qiáng),回波中心強(qiáng)度為55 dBz以上,最大小時(shí)雨強(qiáng)為47.9 mm/h,21時(shí)強(qiáng)回波帶移出恩施地區(qū),整個(gè)降水過程趨于結(jié)束。
圖3 2016年6月24日07時(shí)、08時(shí)、11時(shí)、17時(shí)、18時(shí)、21時(shí)TBB分布圖Fig.3 The distribution of TBB at 7∶00、8∶00、11∶00、17∶00、18∶00、21∶00 on 20160624
圖4 2016年6月24日07時(shí)、09時(shí)、11時(shí)、17時(shí)、19時(shí)、21時(shí)CR分布圖Fig.4 The distribution of CR at 7∶00、9∶00、11∶00、17∶00、19∶00、 21∶00 on 20160624
暴雨的發(fā)生發(fā)展與高低空系統(tǒng)的配置和相互作用密切相關(guān),從中分析(圖5a)可以看出,在對流層中層500 hPa上副高穩(wěn)定維持在江南,恩施處于暖脊底部、副高西北側(cè),700 hPa和850 hPa上川東地區(qū)有一低渦發(fā)展,恩施主要受與低渦相聯(lián)系的“人”字形切變線的北支切變線影響,地面圖上江淮地區(qū)有梅雨鋒,恩施存在東北西南走向的邊界層輻合線,這也是這次暴雨觸發(fā)系統(tǒng)之一;從850 hPa溫度場可以看出,在貴州—湖南—江西一帶存在一條溫度脊,在河南—湖北西北部一帶存在一條溫度槽,恩施剛好處于這兩條溫度槽脊之間的冷暖空氣交匯處,有利于對流性天氣發(fā)生發(fā)展;200 hPa上,恩施處于南壓高壓東北部分流區(qū)。在上述從高到低的配置下形成低層輻合高層輻散,從而形成抽吸效應(yīng),加之高層通風(fēng)作用以及系統(tǒng)和降水之間的正反饋的作用,產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),從垂直速度時(shí)間剖面圖(圖5b)可以看出,24日08時(shí)前后在對流層中低層形成了負(fù)值中心,上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,大量水汽輻合上升凝結(jié)成云致雨,而恩施“三山(北部巫山、東南部武陵山、西部齊岳山)鼎力”的地形對此次暴雨的觸發(fā)作用尤為重要,邊界層輻合線基本與地形槽相平行。此次暴雨過程冷空氣路徑有兩條,一是隨著東北冷渦旋轉(zhuǎn)南下,沿東北氣流侵入恩施,二是500 hPa暖脊前西北氣流帶動(dòng)冷空氣南下影響恩施。
圖5 2016年6月24日08時(shí)中分析綜合圖(a)、23日08時(shí)—26日08時(shí)垂直速度時(shí)間剖面圖(b)Fig.5 Collective diagram of the mesoanalysis on 2016062408 (a),the time profile of vertical velocity on 2016062308—2016062608 (b)
從23日20時(shí)恩施站探空圖(圖6a)可以看出,近地層表現(xiàn)為SSW風(fēng),風(fēng)隨高度逐漸順轉(zhuǎn),0~6 km垂直風(fēng)切變達(dá)11.29 m/s,表明低層有暖平流,500 hPa以下T-Td<4 ℃,表明對流層低層有深厚的濕層,500~300 hPa左右T-Td急劇增大,表明對流層中層有干層,從23日20時(shí)T850-500分布(圖略)也可以看出恩施T850-500在24 ℃左右,這種明顯的中層干冷低層暖濕的大氣層結(jié)說明恩施上空為強(qiáng)的對流不穩(wěn)定,其K指數(shù)達(dá)42 ℃;從Tmax分布(圖略)可以看出21—23日是升溫過程,23日最高氣溫在30 ℃左右,前期溫度高,有利于不穩(wěn)定能量積累,其cape值在2 000 J/kg以上,上述能量及不穩(wěn)定條件為暴雨的發(fā)生提供了有利條件,圖中顯示短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣發(fā)生可能性也都在臨界值以上。
分析θse時(shí)間剖面圖(圖6b)可以看出,暴雨發(fā)生前期是一個(gè)能量累積過程, 23日08—20時(shí),恩施低層是一個(gè)帶狀分布的θse大值區(qū),大值中心數(shù)值達(dá)88 ℃左右,700~400 hPa之間有一相應(yīng)呈帶狀分布的θse小值區(qū),從低到高,?θse/?z<0,表現(xiàn)為強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié),若此時(shí)低層有擾動(dòng)機(jī)制,即可觸發(fā)強(qiáng)對流天氣;24日08—20時(shí)左右θse分布密集,表現(xiàn)為明顯的能量鋒區(qū),這段時(shí)間是能量釋放階段,與暴雨發(fā)生時(shí)間相吻合,在此之后,θse數(shù)值上減小且分布上表現(xiàn)為中性或穩(wěn)定層結(jié)。
充足的水汽條件是形成暴雨的條件之一,《天氣學(xué)原理和方法》指出:暴雨是在大氣飽和比濕達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值以上才形成的。分析24日08時(shí)比濕場(圖略)可知,恩施比濕在14 g/kg以上,達(dá)到了暴雨產(chǎn)生的臨界值;除了較高的飽和比濕外,恩施處于副高西北部,一是西北部西南急流從南海為恩施帶來水汽,二是副高南部偏東氣流將西太平洋的水汽帶到恩施,使得恩施相對濕度在80%以上,中分析圖中濕區(qū)有所表現(xiàn);分析恩施水汽通量散度時(shí)間剖面圖(圖7a)得知, 24日08時(shí)前后, 700 hPa以下有明顯的強(qiáng)的負(fù)值中心,水汽輻合較強(qiáng),結(jié)合前面動(dòng)力抬升條件,水汽在恩施地區(qū)有強(qiáng)烈的輻合上升,與暴雨發(fā)生時(shí)間段相吻合。
圖6 2016年6月23日20時(shí)T-lnp圖(a) 、22日20時(shí)25日20時(shí)θse時(shí)間剖面圖(b)Fig.6 T-lnp on 2016062320 (a),the time profile of θse on 2016062220—2016062520 (b)
從相應(yīng)的地面圖(圖7b)上可以看出,整個(gè)湖北基本處于鞍型場中,恩施處于暖倒槽東北部和梅雨鋒前暖舌中,從南海到恩施一帶盛行一致的西南風(fēng),從東部沿海到恩施一帶盛行東北氣流,有利于南來水汽輸送以及東部部分水汽向恩施地區(qū)輸送。
圖7 2016年6月23日08時(shí)—26日08時(shí)水汽通量散度時(shí)間剖面圖(a)、24日08時(shí)海平面氣壓(實(shí)線)和地面溫度(虛線)疊加圖(b)Fig.7 The Time profile of water vapor flux divergence on 2016062308—2016062608 (a),the stacking chart of Sea level pressure (solid line) and ground temperature (dotted line) on 2016062408(b)
①本次強(qiáng)降水,具有典型的兩槽一脊“單阻型”梅雨環(huán)流特征,在有利的大尺度環(huán)流背景下,在高空槽、低層低渦切變、西南急流、地面中尺度輻合線等中尺度天氣系統(tǒng)的共同影響、相互作用下,形成了此次大范圍強(qiáng)降水。
②此次暴雨過程空間上分布不均,局地性強(qiáng),表現(xiàn)為明顯的中尺度對流性特征,雷達(dá)回波圖上降水性質(zhì)表現(xiàn)為混合性降水,24日兩個(gè)階段的暴雨過程的直接影響系統(tǒng)都是中β尺度對流系統(tǒng),且兩個(gè)階段中β尺度對流系統(tǒng)都是由兩個(gè)中尺度對流云團(tuán)合并而成,合并后TBB冷中心亮溫更低,冷云面積進(jìn)一步擴(kuò)大,兩個(gè)階段對流云團(tuán)時(shí)間尺度都約為5 h,但形狀有所差異,水平尺度及影響區(qū)域也不同。
③此次暴雨過程是在上干冷下暖濕強(qiáng)的大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件下,梅雨鋒、邊界層輻合線和地形槽的觸發(fā)作用將前期積累的能量釋放產(chǎn)生的強(qiáng)對流天氣,同時(shí),副高外圍西南氣流將南海和西太平洋的源源不斷的水汽向恩施輸送,高層輻散低層輻合產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),大量水汽輻合上升凝結(jié)成云致雨,為暴雨的發(fā)生提供了有利的條件。