單 丹,吳志科,鄭福維,米紅波
(1.湖南省湘西土家族苗族自治州氣象局,湖南 吉首 416000;2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室,長沙 410118;3.湖南省氣象局,長沙 410118)
湘西土家族苗族自治州位于云貴高原東側(cè)、湖南省西北部,面積15 486 km2,武陵山脈由東北向西南斜貫全境,地貌以山原山地為主,兼有丘陵和小平原,屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,具有明顯的大陸性氣候特征。該地主要氣象災(zāi)害有暴雨洪澇、干旱、暴雪、低溫、冰雹大風(fēng)等,給湘西州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來不同程度的影響,制約了湘西州經(jīng)濟的快速穩(wěn)定發(fā)展。近年來,湘西州突發(fā)性、局地性暴雨呈多發(fā)和頻發(fā)態(tài)勢,對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了較大的威脅[1,2]。因此,提高暴雨的監(jiān)測預(yù)報能力,對防災(zāi)減災(zāi)和服務(wù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義[3]。
資料來源于CMISS讀取2013—2018年湘西土家族苗族自治州地面逐日降水資料,以及NCEP/FNL 1°×1°的6 h再分析資料。定義24 h降水量≥50 mm為暴雨,則前一日20:00至當(dāng)天20:00累積雨量達(dá)到暴雨及以上量級則為一個暴雨日。利用天氣學(xué)及物理量診斷方法進(jìn)行天氣分析,重點分析區(qū)域暴雨和局地暴雨,提取預(yù)報指標(biāo),建立概念模型。
分析中,規(guī)定當(dāng)全州1/2及以上自動站且4個及以上國家站出現(xiàn)暴雨,或者4個及以上國家站出現(xiàn)暴雨且至少有1個為大暴雨及以上量級,同時自動站日降水量達(dá)暴雨量級的需要全州1/3及以上站點,為1次區(qū)域暴雨;全州1/2以下自動站且2~3個國家站日降水量達(dá)暴雨級別或者僅1個國家站達(dá)到大暴雨及以上級別為1次局地暴雨。通過統(tǒng)計篩選,可以劃分出18次區(qū)域暴雨,33次局地暴雨。
據(jù)統(tǒng)計表明,2013—2018年湘西州暴雨過程多出現(xiàn)在4—10月,從4月開始明顯增多,主要集中于5—9月,占88.24%,其中以6月和7月最多。按旬統(tǒng)計也可以明顯發(fā)現(xiàn)存在峰值,6月下旬至7月中旬占區(qū)域暴雨和局地暴雨總數(shù)的35.29%(表1)。1959—2010年湘西州出現(xiàn)區(qū)域大暴雨49次(2站以上日雨量100.0 mm),其中僅6月上旬末至7月中旬前就有37次之多,歷史上的洪澇災(zāi)害大多發(fā)生在這一時期。
2.2.1 中高緯形勢場 行星尺度天氣系統(tǒng)為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了有利的環(huán)流背景,它的變動大致決定了暴雨發(fā)生的地點、強度和持續(xù)時間。影響湘西州暴雨的行星尺度天氣系統(tǒng)有西風(fēng)帶長波大槽、阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓和熱帶環(huán)流等。這些行星尺度天氣系統(tǒng)的組合和有利配置將形成暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流形勢。
表1 湘西州2013—2018年4—10月逐旬區(qū)域暴雨和局地暴雨出現(xiàn)總次數(shù)及占比
圖1給出湘西州出現(xiàn)區(qū)域暴雨和局地暴雨期間高空的平均高度場。分析顯示,200 hPa平均高度場上,湘西州區(qū)域暴雨期間,南亞高壓中心位于青藏高原上空,脊線在20°—25°N,降雨區(qū)在脊線到副熱帶西風(fēng)急流之間的輻散區(qū)中。其北側(cè)約35°N存在明顯的西風(fēng)急流,湘西州均位于急流出口區(qū)右側(cè)的強輻散場中,高空抽吸、通風(fēng)作用強烈。急流核位于華北上空。局地暴雨時,南壓高壓特征不明顯,位置偏南。西風(fēng)急流特征顯著,存在兩個急流核,一個位于新疆西北部,另一個位于華北上空。
圖1 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a)和局地暴雨(b)期間中高緯度平均形勢場
500 hPa平均高度場上,中高緯地區(qū)均呈兩槽一脊型。區(qū)域暴雨期間,阻高位于貝加爾湖東北側(cè),一條槽線位于內(nèi)蒙—青?!拇ㄒ痪€,另一條更深的槽線位于東北—華北上空。湘西州被“584”線控制。此外,溫度場與高度場的槽脊位置重合,這種環(huán)流型利于槽后冷空氣向降水區(qū)輸送。隨著高空槽的東移南壓,冷空氣隨著與穩(wěn)定少動的副高邊緣輸送的暖濕氣流交匯,更有利于降水的發(fā)生。局地暴雨期間,兩槽分別位于烏拉爾山附近以及貝加爾湖東側(cè)。當(dāng)青藏高原西部有低槽生成時,它可與烏拉爾山大槽或貝加爾湖大槽結(jié)合。在其上有分裂的槽東移,按位置不同表現(xiàn)為西北槽、高原槽或南支槽,是直接影響下游地區(qū)降水的短波系統(tǒng)。
通過對比分析,區(qū)域暴雨和局地暴雨期間,高空環(huán)流形勢均存在200 hPa高空急流、500 hPa呈現(xiàn)兩槽一脊的現(xiàn)象,但是位置和強度有所不同。區(qū)域暴雨期間,阻高強度略強,高空槽強度略深且位置臨近關(guān)鍵區(qū)(關(guān)鍵區(qū)域的高空槽是引導(dǎo)冷空氣能否影響湘西州的關(guān)鍵因素),副高偏強,位置偏東偏北,南亞高壓更穩(wěn)定且明顯存在。
2.2.2 中低緯形勢場 楊群[4]對貴州銅仁的暴雨天氣過程做了歸納分析,初步總結(jié)歸納出5種基本模型,即冷鋒低槽型暴雨、長江橫切型暴雨(梅雨型)、低渦切變型暴雨、臺風(fēng)倒槽型暴雨和兩高切變型暴雨天氣過程。湘西州的暴雨天氣與銅仁市相近。其中,冷鋒低槽型暴雨最為常見(除被副熱帶高壓穩(wěn)定控制,無冷空氣影響時,其余時段均有發(fā)生);長江橫切型暴雨主要集中在6—7月,副熱帶高壓控制在22°N附近,湘西州處于副熱帶高壓外圍較強西南氣流中;低渦切變型暴雨主要出現(xiàn)在5—6月,四川低渦東移影響湘西州,造成影響的主要是西南渦發(fā)展后的偏東路徑。如果西南渦取偏東路徑,低渦在暴雨過程開始前常東移至宜賓附近,大多情況下沿著切變線向東移動,經(jīng)貴州北部地區(qū)進(jìn)入湖南北部、江西南部一帶,最后減弱消失(有的能東移至長江下游一帶),低渦切變的移動往往伴隨強MCS群不斷生消并沿長江東移,此情形常導(dǎo)致湘西州出現(xiàn)強降水;臺風(fēng)倒槽型暴雨在9月最易發(fā)生,但是近年來,特別是2018年,臺風(fēng)發(fā)生較多,各月均有分布,且深入內(nèi)陸往西影響的增多;至于兩高切變型暴雨則較少造成大范圍的區(qū)域暴雨。
圖2 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a.700 hPa;b.850 hPa)和局地暴雨(c.700 hPa;d.850 hPa)期間中低緯平均風(fēng)場(單位:m/s)
通過分析區(qū)域暴雨和局地暴雨的700 hPa和850 hPa平均風(fēng)場(圖2)發(fā)現(xiàn),700 hPa風(fēng)場在區(qū)域暴雨期間,湘西州西北側(cè)有一低渦輻合存在,湘西州境內(nèi)存在一條東北至西南向的切變線,南側(cè)至長江口沿岸存在明顯的風(fēng)速輻合(圖2a),同時850 hPa上的低渦輻合及切變線位置較700 hPa略偏南,低渦位置的右前方也存在風(fēng)速輻合(圖2b);而在局地暴雨期間,湘西州西側(cè)有風(fēng)速輻合和弱的暖式切變存在,西南急流不明顯(圖2c、圖2d)。低渦的東部和東南部最有利于暴雨,所以低渦位于四川、貴州和重慶時最有利于出現(xiàn)暴雨。
2.3.1 水汽條件 大氣中的水汽主要來自低空,90%以上的水汽集中在對流層中低層,且其分布隨高度迅速遞減,因此低層大氣中的水汽對暴雨起決定性作用。研究發(fā)現(xiàn),暴雨發(fā)生之前,特別是暴雨發(fā)生之前幾小時到暴雨發(fā)生時,大氣中水汽的含量增加較快[2]。所以,對于暴雨而言,中、低空水汽含量的多寡及中層水汽增量的變化對降水量的影響較大。
圖3給出湘西州兩種類型暴雨期間的日平均大氣可降水量分布。對比可知,當(dāng)發(fā)生暴雨時,湘西州上空的大氣可降水量均達(dá)到45 mm以上,大部分地區(qū)≥50 mm,這表明當(dāng)動力及抬升條件較好時,上空水汽充沛,可產(chǎn)生明顯降水。區(qū)域暴雨期間,大部分區(qū)域的日平均大氣可降水量最大值超過55 mm(圖3a);局地暴雨發(fā)生時,該數(shù)值僅在小范圍內(nèi)接近55 mm(圖3b)。因此,大氣可降水量大于45 mm可作為判斷湘西州是否會發(fā)生暴雨的參考值,而大部分大氣可降水量是否達(dá)到55 mm可以作為區(qū)分區(qū)域暴雨和局地暴雨的指標(biāo)之一。
圖3 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a)和局地暴雨(b)日平均大氣可降水量分布(單位:mm)
研究指出,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[5]。湘西州出現(xiàn)區(qū)域暴雨時,700 hPa比濕≥10 g/kg(圖4a),850 hPa比濕≥12 g/kg(圖4b);局地暴雨發(fā)生時,700 hPa比濕數(shù)值較?。▓D4c),850 hPa比濕≥12 g/kg(圖4d)。實際上,當(dāng)出現(xiàn)暴雨時,除了相當(dāng)高的比濕外,還必須有充分的水汽供應(yīng),因為只靠某一地區(qū)大氣中所含的水汽凝結(jié)降水量很小。由湘西州出現(xiàn)暴雨時的水汽通量及其散度分布(圖5)可知,當(dāng)湘西州發(fā)生暴雨時,水汽通量和散度的大值區(qū)均在上游地區(qū)的貴州、四川境內(nèi),不同之處在于發(fā)生區(qū)域暴雨期間的850 hPa水汽大值區(qū)位置更接近湘西州且強度更強,925 hPa水汽大值區(qū)位置較局地暴雨偏南。850 hPa水汽來自孟加拉灣輸送的西南急流和南海的偏南急流,925 hPa水汽主要來自南海的偏南氣流。
2.3.2 動力條件 圖6給出湘西州暴雨期間各層的垂直速度分布,分析表明暴雨期間850~300 hPa各層的垂直速度在湘西州表現(xiàn)為一致的上升趨勢(自上而下略西斜),垂直速度大值中心呈塊狀分布,區(qū)域暴雨期間的整體強度較局地暴雨期間強,最強上升區(qū)分別位于700 hPa和850 hPa。
據(jù)朱乾根等[5]的研究,當(dāng)發(fā)生暴雨時往往伴有低空急流,有低空急流無暴雨或有暴雨無低空急流只占少數(shù)。陳娟等[6]研究發(fā)現(xiàn),1.0~2.5 km高度的西南急流增強或減弱與下游降水的增強與減弱有較好的相關(guān)性,較低層1.0~1.5 km高度的西南急流增強與下游降水的增強關(guān)系更密切。通過將急流分解為西風(fēng)急流(U)和南風(fēng)急流(V),進(jìn)一步對比兩者在不同暴雨期間的作用和地位。
當(dāng)發(fā)生區(qū)域暴雨期間,在湖南中南部經(jīng)江西大部分區(qū)域至江浙與福建部分區(qū)域存在帶狀分布的西風(fēng)氣流風(fēng)速大值區(qū),湘西州中北部處于風(fēng)速梯度大值區(qū)北側(cè)的風(fēng)速輻合區(qū)與偏東氣流的南側(cè)構(gòu)成的風(fēng)向輻合區(qū)內(nèi)(圖7a);在V分量上體現(xiàn)為一致的較強南風(fēng)(圖7b)。局地暴雨期間(圖7c、圖7d)U、V分量呈塊狀分布,湘西州的切變線主要表現(xiàn)為東北風(fēng)和西南風(fēng)的對吹,其中V分量上明顯看到在貴州境內(nèi)有10 m/s以上的風(fēng)速區(qū),但在湘西州境內(nèi)整體較小。對比來看,暴雨發(fā)生時期U分量強度均大于V分量。由此可知,在700 hPa西南急流中U分量占主導(dǎo)地位。圖8給出湘西州發(fā)生暴雨期間(圖8a、圖8b)850 hPa急流的U、V平均風(fēng)速,當(dāng)區(qū)域暴雨期間,U、V分量均在長江中下游以南表現(xiàn)為西風(fēng)氣流,以北為東風(fēng)氣流,最強梯度區(qū)匯合于28°~29°N(即切變線以南北分布為主);而在局地暴雨發(fā)生期間(圖8c、圖8d),湘西州以東風(fēng)和南風(fēng)為主,且均處于2個風(fēng)速大值區(qū)內(nèi)。朱乾根等[5]指出低空西風(fēng)急流有利于在暴雨區(qū)低空形成高濕區(qū),從而利于對流不穩(wěn)定層結(jié),但它對暴雨區(qū)的水汽供應(yīng)不起作用,從而與湘西州上空U分量為負(fù)值不起沖突。對比結(jié)合分析,850 hPa西南急流中U、V分量所占比例基本相當(dāng)。
圖4 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a.700 hPa;b.850 hPa)和局地暴雨(c.700 hPa;d.850 hPa)期間比濕分布(單位:g/kg)
圖7 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a、b)和局地暴雨(c、d)期間700 hPa上U(a、c)、V(b、d)平均風(fēng)速分布(單位:m/s)
圖8 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a、b)和局地暴雨(c、d)期間850 hPa上U((a、c)、V(b、d)平均風(fēng)速分布(單位:m/s)
丁一匯[7]研究指出,低空急流主要以中尺度擾動的形式向暴雨區(qū)輸送動量、熱量和水汽,因此沿低空急流軸傳播的中尺度風(fēng)速脈動或風(fēng)速最大值甚至比低空急流本身更為重要。在湘西州發(fā)生區(qū)域暴雨期間,700 hPa(圖9a)和850 hPa(圖9c)均在重慶以西存在急流核,且該區(qū)域的風(fēng)速強度明顯大于周邊范圍;局地暴雨期間,最大急流核位置(圖9b、圖9d)距離湘西州較遠(yuǎn),但在湘西州西側(cè)明顯存在風(fēng)速大值區(qū),與其東側(cè)形成明顯的風(fēng)速輻合。這種低層存在的相對急流核區(qū)引起的強輻合在條件不穩(wěn)定背景下將導(dǎo)致底層暖濕空氣抬升,超過凝結(jié)高度后空氣加速向上運動,引發(fā)強的上升運動,易產(chǎn)生對流降水。暴雨期間,整個湖南省區(qū)域(特別是偏東)在925 hPa(圖9e、9f)都存在急流,這為暴雨期間的水汽供應(yīng)起到較大作用,同時也利于對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立和維持,起到觸發(fā)作用。
以上所述進(jìn)而證實,(超)低空急流作為高動量、高能量和高水汽的集中帶與輸送帶,是為中緯度暴雨提供熱力學(xué)和動力學(xué)條件的重要天氣系統(tǒng)。在低空急流的前方或左前方易出現(xiàn)強輻合區(qū),這對強對流的連續(xù)發(fā)展是有利的,可以較好地指導(dǎo)降水落區(qū)[8]。
圖9 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a.700 hPa;c.850 hPa;e.925 hPa)和局地暴雨(b.700 hPa;d.850 hPa;f.925 hPa)期間各層全風(fēng)速分布(單位:m/s)
2.3.3 其他預(yù)報因子 其他物理量的對比分析結(jié)果(表2、圖10和圖11)顯示:湘西州區(qū)域暴雨期間,對流有效位能(CAPE)較?。▓D10a),850 hPa和500 hPa兩層溫度差(T850hPa-500hPa)在18~20℃(圖11a),有一定的鋒區(qū)存在;中低層的位溫(θse)在340~350 K(圖12a),在28°—29°N存在低層負(fù)散度(正渦度)、高層正散度(負(fù)渦度)的耦合模式,有利于上升運動的強度和高度。局地暴雨期間,CAPE(圖10b)基本在1 000 J/kg以上,T850hPa-500hPa(圖11b)在25℃以上,能量鋒區(qū)不明顯,中低層的θse(圖12b)在330~345 K,但是從地面至500 hPa假相當(dāng)位溫隨高度遞減,這將有利于對流性天氣發(fā)生;不穩(wěn)定能量在500 hPa左右的中層受到抑制,容易形成低質(zhì)心的降水,降水效率高,有利于局地暴雨產(chǎn)生。
2.4.1 概念模型 當(dāng)湘西州出現(xiàn)區(qū)域暴雨或者局地暴雨時,可以通過以下幾點提前預(yù)報:①500 hPa高度場為兩槽一脊的單阻型,東部沿海一線有大槽存在,上游有高空槽;②700 hPa有急流或者最大風(fēng)帶存在,且???個以上經(jīng)距;在上游重慶或者貴州境內(nèi)有低渦輻合,且湘西州境內(nèi)往往有切變線;③湘西州上空大氣可降水量≥45 mm,大值區(qū)成片分布且湘西州南部有55 mm以上的大值中心存在;④850 hPa關(guān)鍵區(qū)(23°—29°N,103°—109°E)和925 hPa關(guān)鍵區(qū)(23°—27°N,102°—107°E)存在水汽通量及其散度大值區(qū),此外,850 hPa比濕≥12 g/kg也可以作為預(yù)報暴雨的閾值標(biāo)準(zhǔn)之一;⑤湘西州上空垂直速度上升區(qū)一致,各層大值中心呈塊狀分布,區(qū)域暴雨期間最強上升區(qū)位于700 hPa附近,局地暴雨期間最強上升區(qū)位于800~850 hPa;⑥湘西州暴雨期間,南風(fēng)強盛,往往有南北向或東北至西南向切變線存在;⑦700、850 hPa關(guān)鍵區(qū)(28°—32°N,103°—108°E)和925 hPa關(guān)鍵區(qū)(26°—30°N,110°—114°E)存在風(fēng)速大值區(qū)(或急流核);⑧區(qū)域暴雨期間對CAPE和T850hPa~500hPa要求不是很高,θse為340~350 K,28°—29°N存在低層負(fù)散度(正渦度)、高層正散度(負(fù)渦度)的耦合模式;局地暴雨期間CAPE達(dá)1 000 J/kg以上,T850hPa~500hPa≥25℃,能量鋒區(qū)和耦合模式均不明顯。以上提及的單個預(yù)報因子均為既非充分也非必要條件。
表2 湘西州發(fā)生區(qū)域暴雨和局地暴雨期間的物理量對比
圖10 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a)和局地暴雨(b)期間對流有效位能(CAPE)分布(單位:J/kg)
圖12 2013—2018年湘西州區(qū)域暴雨(a)和局地暴雨(b)期間沿110°E緯向剖面
2.4.2 檢驗結(jié)果 根據(jù)總結(jié)的暴雨預(yù)報概念模型對2019年湘西州4—7月共121個樣本進(jìn)行逐日檢驗。結(jié)果表明,區(qū)域暴雨準(zhǔn)確預(yù)報3次,無漏報和空報;局地暴雨準(zhǔn)確預(yù)報12次,漏報1次,空報1次。鑒于區(qū)域暴雨的特征更為突出,模式參考性更高,故而概念模型的應(yīng)用更為有效;而在局地暴雨中,需要將概念模型的多條標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合使用,通過檢驗可以在原有的概念模型上進(jìn)一步得出一些實際應(yīng)用的結(jié)論。例如,水汽通量及其散度剖面圖[一般看絕對值≥0.000 08 g/(cm2·hPa·s)]的大值重合區(qū)(基本相差不超過2個緯度)出現(xiàn)時次往往與局地暴雨發(fā)生時段相對應(yīng),且該重合區(qū)持續(xù)時間越長,發(fā)展成為區(qū)域暴雨的可信度越大(圖13a);此外,垂直上升速度對于暴雨的預(yù)報有著較好的指示意義,其中區(qū)域暴雨期間垂直上升區(qū)可以從底層一直延伸到對流層頂,但是對強度要求不是很大,局地暴雨期間垂直速度強上升區(qū)更偏向中低層,數(shù)值往往較大(圖13b)。從各預(yù)報因子來看,局地暴雨漏報時,大氣可降水量、垂直速度和比濕等單個預(yù)報因子都不管用,此時需要特別關(guān)注強降水發(fā)生前后時次的風(fēng)速脈動情況,即當(dāng)預(yù)報因子不完全達(dá)標(biāo)(或者接近概念模型標(biāo)準(zhǔn))時,中低層存在強烈的風(fēng)速輻合也需要分析。
圖13 2019年6月21—22日湘西州局地暴雨發(fā)展為區(qū)域暴雨時的水汽通量[實線,單位:g/(cm·hPa·s)]及水汽通量散度[色斑,單位:g/(cm2·hPa·s)]沿110°E的時序圖(a)和垂直速度時序圖(110°E,28°N)(b)
通過對湘西土家族苗族自治州2013—2018年期間發(fā)生的暴雨進(jìn)行分析,篩選出區(qū)域暴雨和局地暴雨過程,并根據(jù)暴雨生成的條件和影響因子建立了預(yù)報概念模型。結(jié)果表明,湘西州暴雨多發(fā)于兩槽一脊的單阻型,區(qū)域暴雨期間多發(fā)于東北至西南向的切變型,局地暴雨多發(fā)于南風(fēng)與東風(fēng)的暖切型;大氣可降水量對于暴雨預(yù)報有指示意義,且可以作為區(qū)分暴雨范圍大小的指標(biāo)之一;當(dāng)湘西州出現(xiàn)暴雨時,850 hPa比濕一般≥12 g/kg;水汽通量和水汽通量散度大值重合區(qū)(緯距相差在2°之內(nèi))出現(xiàn)時次往往是強降水發(fā)生時段,且大值重合區(qū)持續(xù)時間越長,暴雨發(fā)生的概率越大;700 hPa垂直速度大值中心可以較好地指示區(qū)域暴雨落區(qū),而在局地暴雨期間800~850 hPa垂直速度大值中心的指示意義更佳;區(qū)域暴雨期間,垂直速度上升區(qū)可以從底層延伸至對流層頂,對中心值強度要求不大;局地暴雨發(fā)生時,垂直上升速度區(qū)更偏中低層,且往往有一個較大的中心值;700 hPa西南急流中U分量占主導(dǎo)地位,而在850 hPa西南急流中U、V分量所占比重基本相當(dāng),其中上游地區(qū)的V分量的變化對于湘西州的暴雨預(yù)報有較好的參考性;(超)低空急流有利于暴雨的發(fā)生和維持,這在中低層均有體現(xiàn),且需特別關(guān)注風(fēng)速脈動的輻合情況;區(qū)域暴雨對于單個預(yù)報因子的閾值要求不是很高,但是存在明顯的耦合模式或者不穩(wěn)定層結(jié),而在局地暴雨期間,常見的暴雨預(yù)報因子閾值均較大,反而耦合模式不明顯。