章瑩菁 徐柳韻 申屠行鐘 孟倩

(1.桐廬縣氣象局,浙江 杭州 311500;2.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

0 引 言

梅雨鋒是夏季風(fēng)期間東亞地區(qū)主要的降水系統(tǒng),雖可帶來豐富的水資源,但也常引發(fā)洪澇災(zāi)害[1]。常年的6月中旬到7月中旬,隨著大氣環(huán)流形勢(shì)的季節(jié)調(diào)整,特別是西太平洋副熱帶高壓的季節(jié)性北上,東亞季風(fēng)的加強(qiáng)北上,長江中下游地區(qū)進(jìn)入梅雨季節(jié),但每年的梅雨存在著很大的差異。20世紀(jì)90年代以來,長江流域的梅雨鋒降水持續(xù)異常,多次發(fā)生局部性的大洪水,氣象學(xué)家們多次組織了對(duì)梅雨鋒降水的專門研究,如對(duì)引發(fā)1991年江淮流域的大洪水的研究[2]和對(duì)1998年的全流域性大洪水的研究[3-4]等。這些試驗(yàn)的進(jìn)行以及其他學(xué)者對(duì)梅雨鋒及其降水的研究表明,梅雨鋒上有多種尺度組合的暴雨[2,5-7]。因此,長期以來梅汛期暴雨的研究與預(yù)報(bào)一直受到人們的特別關(guān)注,關(guān)于大氣環(huán)流的短時(shí)突變和強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機(jī)理以及暴雨天氣系統(tǒng)多尺度結(jié)構(gòu)等問題一直是氣象學(xué)者關(guān)注和研究的主要內(nèi)容[2,8-12]。

桐廬縣地處浙江省杭州市的中南部,受梅雨鋒影響,每年都會(huì)出現(xiàn)不同程度的洪澇災(zāi)害。2019年6月19日受梅雨鋒影響,出現(xiàn)大暴雨天氣,各地受災(zāi)嚴(yán)重。本文利用實(shí)測(cè)雨量資料和客觀分析資料對(duì)這次強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷分析,以供今后的預(yù)報(bào)服務(wù)借鑒。

1 降水特征分析

2019年6月19日浙江省杭州市南部地區(qū)出現(xiàn)暴雨,但處于杭州市中南部的桐廬縣卻出現(xiàn)了區(qū)域性的大暴雨天氣。杭州全市平均面雨量61.1 mm,其中杭州市區(qū)28.8 mm,余杭18.5 mm,蕭山43.7 mm,富陽69.1 mm,臨安38.4 mm,建德78.2 mm,淳安83.9 mm。桐廬縣面雨量139.9 mm,有10個(gè)站點(diǎn)降水大于等于150 mm,最大為鐘山大市211.9 mm,舊縣204.2 mm。桐廬縣氣象站日雨量達(dá)159 .1 mm,創(chuàng)1959年有氣象記錄以來的極值。暴雨中心出現(xiàn)在桐廬縣中南部地區(qū)的鐘山鄉(xiāng)和舊縣街道,其中07—11時(shí)降水強(qiáng)度特別大,07—08時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)最強(qiáng)出現(xiàn)在鐘山鄉(xiāng)大市61.2 mm,08—09時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)最強(qiáng)出現(xiàn)在舊縣73.4 mm。由于降水強(qiáng)度大,部分地區(qū)出現(xiàn)了洪澇災(zāi)害及次生的地質(zhì)災(zāi)害。

2 天氣形勢(shì)分析

2.1 高空環(huán)流形勢(shì)

從2019年6月17—19日500 hPa的天氣圖上分析發(fā)現(xiàn),副熱帶高壓已逐漸增強(qiáng),脊線基本穩(wěn)定在22°N附近,梅雨帶形成,浙江省于6月17日入梅。入梅后受中低層切變線影響,17—18日浙江省出現(xiàn)中雨局部大雨的天氣。分析6月18日20時(shí)到19日08時(shí)500 hPa的天氣圖,發(fā)現(xiàn)副熱帶高壓呈塊狀分布,中心在臺(tái)灣海峽附近,長江中下游以南地區(qū)在副熱帶高壓控制下,桐廬縣為一支強(qiáng)盛的西北氣流,有冷空氣帶下,相應(yīng)的在700 hPa上為偏西氣流。在850 hPa和925 hPa上28°N附近有一東西向切變線,切變線南側(cè)為西南氣流,特別是在925 hPa上,中心風(fēng)速達(dá)12 m/s,低空急流已建立,并且處在暖中心附近。由于高層為西北氣流,中低層為西南暖濕氣流,上干冷下暖濕,不穩(wěn)定層結(jié)非常明顯。

2.2 地面形勢(shì)

從天氣圖演變情況可知,6月18日江南基本上維持一個(gè)低值區(qū),20時(shí)起在浙江及以東地區(qū)30°N上有鋒生,到19日02時(shí),有波動(dòng)生成并逐漸東移,隨著波動(dòng)的東移入海,有弱冷空氣從東路滲透。

3 物理量診斷分析

暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物,尤其是特大暴雨或持續(xù)性暴雨,都是在幾種尺度的天氣系統(tǒng)(行星尺度、天氣尺度、中尺度和小尺度)相互作用的情況下發(fā)生的。充足的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和較長的持續(xù)時(shí)間是大范圍暴雨發(fā)生和持續(xù)的3個(gè)必要條件。

3.1 水汽條件

從850 hPa的比濕圖上可知，長江中下游以南地區(qū)6月19日02—14時(shí)有一明顯的大值區(qū),比濕普遍在14g/kg左右(圖略)。另外在700 hPa浙江省的中心值也維持在11g/kg以上,這表明濕層較為深厚,有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)及維持。

水汽通量的輻合可使水汽在某一區(qū)域集中。資料分析表明,一般情況下,850 hPa和700 hPa的水汽通量散度場和降水量的相關(guān)性較好。分析6月19日850 hPa和700 hPa的水汽通量散度場發(fā)現(xiàn),19日02—14時(shí)850 hPa在長江中下游以南地區(qū)為一負(fù)值區(qū),呈塊狀分布,特別是08時(shí)前后,中心在桐廬縣及以南地區(qū),其中心值為-10×10-7g/(hPa·cm2·s),中心與低空西南風(fēng)急流相對(duì)應(yīng)。但在700 hPa上中心卻偏西,桐廬縣處在正負(fù)交界處。

3.1.1 GPS反演的水汽(PWV)變化

地基GPS遙感大氣水汽是20世紀(jì)末開始發(fā)展起來的一種全新的大氣水汽探測(cè)手段。李青春等在GPS遙感大氣可降水量在暴雨天氣過程中的應(yīng)用分析中,認(rèn)為明顯降雨天氣過程的大氣水汽的增長過程主要是大尺度水汽輸送即天氣系統(tǒng)輻合、水汽聚集的過程,是在有利的地面、高空天氣系統(tǒng)影響下,PWV出現(xiàn)連續(xù)增加的現(xiàn)象[13]。楊落華、葉其欣等利用GPS/PWV資料,對(duì)上海地區(qū)2004年一次夏末暴雨的水汽輸送進(jìn)行了分析,認(rèn)為GPS/PWV資料隨時(shí)間的演變特征與降水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[14]。葉其欣等也認(rèn)為梅雨期降水的GPS/PWV閾值>50 mm,梅雨期強(qiáng)對(duì)流降水的GPS/PWV閾值>60 mm[15]。分析桐廬站的GPS水汽資料,發(fā)現(xiàn)自6月18日夜里起桐廬站GPS/PWV水汽持續(xù)維持在65 mm以上(圖1),這也表明大氣可降水量大,925 hPa的這支西南急流對(duì)水汽的輸送也是至關(guān)重要的。

圖1 2019年6月18日20時(shí)到19日11時(shí)桐廬站GPS/PWV變化圖(單位:mm)

3.2 垂直速度

從700 hPa的垂直速度場演變分析發(fā)現(xiàn),在19日這次降水過程中，桐廬縣從02時(shí)起到14時(shí),垂直上升速度有一次增大過程,在14時(shí)前達(dá)到最大。桐廬縣的垂直速度在-0.2 Pa/s附近,上升運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈,這和桐廬縣降水在這個(gè)時(shí)段附近達(dá)最大相吻合,同時(shí)降水的對(duì)流特性也明顯。但從垂直速度的區(qū)域分布上看,中心略偏南偏西。19日20時(shí)以后，隨著降水系統(tǒng)的東移減弱,垂直速度中心也已東移。

3.3 渦度場和散度場

從850 hPa和700 hPa渦度場的演變分析發(fā)現(xiàn),6月19日02—14時(shí),長江中下游一帶為一大片正渦度區(qū),桐廬縣為(1～2)×10-5s-1,正渦度中心變化不明顯。與之相對(duì)應(yīng)的在850 hPa有一負(fù)散度中心,中心值為-0.7×10-5s-1,而在200 hPa的高層卻為一正散度區(qū),但中心偏南。高低空散度場的反向配置,高層輻散,低層輻合,加強(qiáng)了上升的垂直環(huán)流,也為此次暴雨的產(chǎn)生提供了必要的動(dòng)力條件。

鄭靖等認(rèn)為“高空西北氣流下的暴雨形成的大尺度環(huán)境條件是沿海槽后冷平流疊加在低層不穩(wěn)定的暖濕氣流上,高層輻散、低空西南急流同步加強(qiáng),異常強(qiáng)的水汽供應(yīng)、持續(xù)的不穩(wěn)定層結(jié)和較大的風(fēng)垂直切變等”[16]。綜合以上分析發(fā)現(xiàn),該次過程中大尺度環(huán)流形勢(shì)和物理量配置雖然有利于形成大降水過程,但從整體看中心應(yīng)更偏南,強(qiáng)度也相對(duì)要弱,當(dāng)時(shí)數(shù)值模式預(yù)報(bào)的結(jié)果也是如此。但實(shí)際情況則反之,這次過程預(yù)報(bào)失誤明顯。而且從整個(gè)杭州地區(qū)的降水分布看,以桐廬縣為最大。為此，本文對(duì)這次過程中的地形條件進(jìn)行了分析。

4 復(fù)雜的地形影響

桐廬縣地處浙西北山區(qū),位于119°11′～119°58′E、29°35′～30°05′N之間,土地呈“八山半水分半田”的特征,境內(nèi)多低山丘陵,地形復(fù)雜。主要山脈有南支龍門山脈,自西南向東北延伸,綿亙于縣境東南,北支天目山脈,自北向南蜿蜒于縣境之西北,地勢(shì)以東南部最高,西北部次之,中部富春江與分水江兩側(cè)為沿江沖積平原(圖2)。

圖2 桐廬縣地形圖(審圖號(hào)：浙杭S(2019)16號(hào))

這次過程中高層為西西北到西北氣流,強(qiáng)降水云團(tuán)在中高空西北氣流的引導(dǎo)下,沿著桐廬縣境自西北向東南移動(dòng),和桐廬縣的地形走向完全一致,因此降水回波移動(dòng)方向總體和大山脈走向垂直。由于地形的抬升及阻擋作用,從西北臨安方向進(jìn)入桐廬縣境內(nèi)后的降水回波明顯增強(qiáng)并移動(dòng)緩慢。

特別是強(qiáng)降水中心的鐘山鄉(xiāng)大市村和舊縣街道,由于地形復(fù)雜,山脈縱橫交錯(cuò),更是如此。研究表明,在山區(qū)存在有利的風(fēng)速和風(fēng)向垂直切變,也易造成暴雨[17]。由于地形的動(dòng)力作用和熱力作用,地形流場出現(xiàn)一種定常的變化,表現(xiàn)為定常的中尺度渦旋帶[18-19],在某個(gè)風(fēng)向下,會(huì)出現(xiàn)加強(qiáng)輻合特征,并與暴雨和輻合對(duì)流天氣落區(qū)相吻合。地形阻滯效應(yīng)還使低空急流在山前穩(wěn)定維持,導(dǎo)致中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展,這是特大暴雨產(chǎn)生的重要原因[20]。地形的屏障作用或造成了暖濕氣流的抬升,或使氣流在山前堆積產(chǎn)生明顯水平氣壓梯度,影響風(fēng)場輻合和水汽匯集,有利于特大暴雨的形成[21-22]。強(qiáng)勁的氣流遇上喇叭口山地時(shí),一方面是迅速產(chǎn)生匯流與輻合的效應(yīng);另一方面是匯合的氣流又沿附近山地形成較強(qiáng)的爬升氣流。因此,在氣流相當(dāng)潮濕時(shí),遇上這種地形,便很容易產(chǎn)生較強(qiáng)的降水,尤其是在強(qiáng)暖濕氣流持續(xù)襲來時(shí),降水就更強(qiáng)。1975年8月中國河南的特大暴雨,就是產(chǎn)生在這種情況下[23]。最強(qiáng)降水中心的大市,由于其所在地3面環(huán)山,海拔均在500 m以上,僅在東南方向地勢(shì)較低,屬于口袋型地形。分析發(fā)現(xiàn),在發(fā)生最強(qiáng)降雨的07—08時(shí),鐘山鄉(xiāng)大市(無風(fēng)向風(fēng)速資料)的東南面的吳宅自動(dòng)站有4 m/s的東南風(fēng),地面輻合明顯,加上低層925 hPa上的西南暖濕氣流非常強(qiáng)盛,中心風(fēng)速達(dá)12 m/s,因此當(dāng)強(qiáng)盛的西南暖濕氣流遇山脈阻擋抬升加上高空偏西氣流,垂直方向的風(fēng)切變明顯,使雨云和對(duì)流云團(tuán)在該地加強(qiáng)并穩(wěn)定少動(dòng),出現(xiàn)持續(xù)性的強(qiáng)降雨。在08—09時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)73.4 mm的舊縣自動(dòng)站(無風(fēng)向風(fēng)速資料),其東北方向地面存在著一支明顯的東北氣流。由于地面有弱冷空氣從東路滲透,桐廬縣東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)在龍門山脈的阻擋下,自杭州灣方向以吹東北風(fēng)為主,而在此時(shí)舊縣自動(dòng)站上游東北風(fēng)速達(dá)5.0～5.6 m/s,和自動(dòng)站西南面的合嶺山脈成垂直,山體的抬升和阻擋作用也非常明顯,因此回波在這里加強(qiáng)并少動(dòng),導(dǎo)致強(qiáng)降水的出現(xiàn)。另外對(duì)天氣形勢(shì)類似的6月21日暴雨分析發(fā)現(xiàn),其中心也在大市。因此當(dāng)中高層為西北氣流,低層有強(qiáng)降水系統(tǒng)出現(xiàn)時(shí),地形的影響,是否是該地易出現(xiàn)暴雨中心的主要原因,這也是我們以后有待進(jìn)一步研究和探討的問題。

5 結(jié) 語

1)2019年6月19日大暴雨時(shí)在中高層為西北氣流,有冷空氣帶入,地面江南有鋒生并有波動(dòng)生成發(fā)展東移,弱冷空氣東路滲透,配合中低層切變線影響,激發(fā)加強(qiáng)對(duì)流性降水,降水時(shí)空分布不均勻。

2)中低層的正渦度、低層強(qiáng)輻合高層輻散及700 hPa較大的垂直上升速度為大暴雨的產(chǎn)生提供了良好的動(dòng)力條件。低空西南急流維持,穩(wěn)定的水汽輸送,特別是近地層925 hPa存在強(qiáng)的西南急流,GPS反演水汽維持在65 mm以上,有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

3)該次過程中地形的抬升及阻擋作用,為大暴雨產(chǎn)生并創(chuàng)歷史紀(jì)錄起到了重要作用。由于中高層為西西北到西北氣流,強(qiáng)降水云團(tuán)在此氣流的引導(dǎo)下,沿著桐廬縣鏡自西北向東南移動(dòng),和境內(nèi)的山脈走向垂直,由于地形的抬升及阻擋作用,進(jìn)入桐廬縣境內(nèi)后降水回波明顯增強(qiáng)并移動(dòng)緩慢,出現(xiàn)強(qiáng)降水。在強(qiáng)降水中心的大市,由于其3面環(huán)山的口袋型地形,地面有東南氣流自開口流入,垂直風(fēng)切變明顯,地形影響更明顯。在另一強(qiáng)降水中心的舊縣,由于山體的阻擋,地面有輻合抬升及阻擋,造成強(qiáng)降水發(fā)生。

4)在中高層為西北氣流、低層有明顯的降水系統(tǒng)影響時(shí),地形的影響,是否桐廬縣易出現(xiàn)暴雨中心的主要原因,這是我們以后有待進(jìn)一步研究和探討的問題,在以后的預(yù)報(bào)中需特別關(guān)注。