蔣麗敏，付 煒，袁 鐵

(湖南省永州市氣象臺(tái)，湖南 永州 425000)

0 引言

我國(guó)暴雨洪澇災(zāi)害天氣頻發(fā)，強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)研究一直廣受關(guān)注。范思睿等[1]指出西南地區(qū)春季降水不僅有區(qū)域一致的增加趨勢(shì),還表現(xiàn)出緯向偶極型空間分布；伍紅雨等[2]分析出華南平均年和前汛期的暴雨強(qiáng)度有微弱增加趨勢(shì),特別是2005年以來(lái)升幅明顯,而后汛期暴雨強(qiáng)度有不明顯減少趨勢(shì)；高亭亭等[3]在廣州前汛期暴雨氣候特征中指出，前汛期暴雨累積雨量與前汛期降水變化呈逐年增加趨勢(shì)。魯坦等[4]對(duì)2003—2014年河南春季暴雨系統(tǒng)性分析,揭示河南春季暴雨的天氣學(xué)物理概念模型大致分為低槽/低渦型和短波槽/切變線型兩類；童金等[5]提出沿海高度CH500(定義為120°E,30°N的500 hPa高度,單位:dagpm)可以作為預(yù)報(bào)安徽省春季暴雨落區(qū)的一個(gè)重要參照量,CH500偏高時(shí)易出現(xiàn)暴雨,但不同月份不同區(qū)域暴雨出現(xiàn)的比例有所差異，實(shí)際業(yè)務(wù)中對(duì)CH500要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。上述研究都表明強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)時(shí)間愈早，春季暴雨出現(xiàn)的概率加大，對(duì)其研究也逐漸加深。

地處華中與華南交界的南嶺山脈，多強(qiáng)降水、強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣集中于春末夏初[6-8]，強(qiáng)降水的研究多集中于汛期4—9月[9-12]，3月份的強(qiáng)降水研究少。董玲等[13]通過(guò)2017年發(fā)生在江西的兩次區(qū)域性春季暴雨，得出其共性是春季暴雨的強(qiáng)度不大，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨量范圍廣而均勻，無(wú)顯著強(qiáng)對(duì)流天氣。2019年3月初南嶺山區(qū)出現(xiàn)的這次暴雨天氣過(guò)程再次證實(shí)其結(jié)論，此次過(guò)程南嶺地區(qū)大部分國(guó)家站降水當(dāng)月排位歷史前5，甚至部分站降水超過(guò)歷史同期極值。南嶺獨(dú)特地形下的早春大范圍強(qiáng)降水研究少，有必要對(duì)此次早春暴雨進(jìn)行研究，為今后春季強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)提供借鑒。

1 資料來(lái)源

本文所用資料包括中國(guó)氣象局下發(fā)的常規(guī)地面和高空觀測(cè)資料、區(qū)域自動(dòng)氣象觀測(cè)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料及NCEP/NCAR再分析資料。

2 過(guò)程降水分析

2019年3月4日08時(shí)—5日20時(shí)，南嶺及其附近出現(xiàn)了罕見(jiàn)的初春暴雨到大暴雨天氣過(guò)程。主要降水時(shí)段在4日下午到5日白天，4日下午南嶺南側(cè)出現(xiàn)了局地暴雨，4日晚雨帶北移，5日白天雨帶向東南部移動(dòng)并略有加強(qiáng)，到5日晚減弱向東南方向移出南嶺。整體來(lái)看，主雨帶一直穩(wěn)定在南嶺山脈附近，最大累積降水量為204.4 mm(廣西桂林雁山區(qū))。此次過(guò)程雨勢(shì)相對(duì)平緩、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣。

4日08時(shí)前(圖略)中高緯貝湖脊穩(wěn)定維持，脊東段不斷有小槽東出，使得東亞大槽逐漸減弱北縮，中低緯環(huán)流多波動(dòng)，時(shí)而有小槽自高原東出，在黔桂一帶加強(qiáng)維持。4日08時(shí)(圖1a)隨著沿海槽的減弱東移，西南地區(qū)的短波槽開(kāi)始頻繁生成，700 hPa上從孟加拉灣到桂北湘南一帶西南急流建立，850 hPa西南風(fēng)自北部灣向北加強(qiáng)，高濕區(qū)向南嶺一帶擴(kuò)展，其上空500 hPa對(duì)應(yīng)有T-Td≥20 ℃的干舌，925 hPa處偏南風(fēng)輻合區(qū)內(nèi)，南嶺南側(cè)有弱的對(duì)流性降水發(fā)生。20時(shí)(圖1b)南支槽加深到川滇黔交界一帶，中低空偏南急流加強(qiáng)到湘中以北，在高空槽前貴州境內(nèi)850 hPa有低渦生成，低渦前側(cè)的暖切變線延伸至湘贛北部，925 hPa東南風(fēng)達(dá)到急流強(qiáng)度，邊界層輻合線發(fā)展到桂北、湘中偏南，與地面輻合線接近重疊，與之對(duì)應(yīng)對(duì)流層上層200 hPa處有分流區(qū)存在，強(qiáng)雨帶隨急流加強(qiáng)北抬到南嶺北側(cè)。5日08時(shí)(圖1c)高空槽下滑，南嶺處于槽前西南氣流控制中；低層急流維持，南嶺處急流出口區(qū)，切變線緩慢南壓，并呈現(xiàn)與山脈走向一致的準(zhǔn)東西向，此時(shí)強(qiáng)雨帶正位于南嶺山區(qū)；5日20時(shí)(圖1d)，925 hPa急流消失，中低層切變線接近重疊并南下到華南中南部，700、850 hPa急流的南風(fēng)分量減弱，降水減弱，過(guò)程趨于結(jié)束。

圖1 2019年3月4日08時(shí)(a)、20時(shí)(b),5日08時(shí)(c)、20時(shí)(d)的天氣形勢(shì)配置圖Fig.1 Integrated configuration of weather situation at (a)08∶00 BT 4;(b)20∶00 BT4;(c)08∶00 BT 5;(d)20∶00 BT 5 March 2019

從地面氣壓場(chǎng)看來(lái)(圖略)4日08時(shí)，變性高壓主體逐漸東移到長(zhǎng)江口，后一股冷空氣主體在貝湖西南方堆積加強(qiáng)；20時(shí)，西南暖低壓快速發(fā)展，低壓倒槽延伸到湘中一帶，同時(shí)北方冷高壓開(kāi)始南下，鋒面在華北，但冷空氣擴(kuò)散南下已影響到華南，地面輻合線位于湘南，隨著冷空氣逐漸南壓，西南暖低壓緩慢減弱南退；到5日08時(shí)，鋒面繼續(xù)南下，倒槽南退到南嶺，冷暖氣團(tuán)交匯于南嶺，后期轉(zhuǎn)受偏北氣流影響。

此次過(guò)程高空槽活躍，中低層急流強(qiáng)盛，特別是邊界層急流維持在南嶺一帶，降水峰值時(shí)期上下層切變輻合位置接近重疊，這種高低空良好的配置為強(qiáng)降雨提供了很好的動(dòng)力和水汽條件，冷空氣推動(dòng)及暖低壓南退緩慢，增加了強(qiáng)降水的維持時(shí)間。

3 雷達(dá)回波分析

針對(duì)南嶺山脈附近的強(qiáng)降水天氣利用實(shí)況探空及雷達(dá)資料分析其降水性質(zhì)，3月5日08時(shí)桂林探空站實(shí)測(cè)資料顯示(圖2a)桂林站的濕層從近地面擴(kuò)展到400 hPa以上，CAPE值為0，K指數(shù)只有28.9 ℃，抬升凝結(jié)高度很低，中低層風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流。上述探空資料表明，桂林站附近對(duì)流條件差，不具備出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的潛勢(shì)，濕層深厚，有冷平流侵入，以穩(wěn)定性降水為主。雷達(dá)實(shí)況(圖略)也驗(yàn)證了這一結(jié)論，強(qiáng)降水時(shí)期南嶺一帶大面積出現(xiàn)的是以層狀云降水回波為主的層積混合性降水回波。3月5日09時(shí)03分永州雷達(dá)組合反射率因子圖中(圖2b)水平面上以移動(dòng)緩慢準(zhǔn)東西向的層狀云降水回波為主，垂直剖面上表現(xiàn)為降水回波頂在6 km以下，強(qiáng)回波40 dBz的中心在3 km左右的低質(zhì)心高效率降水為主。

圖2 2019年3月5日08時(shí)桂林探空站T-lnP圖(a),2019年3月5日09時(shí)03分永州站雷達(dá)組合反射率因子與沿紅色實(shí)線的反射率因子垂直剖面(b)Fig.2 T-lnP profiles at Guilin station at 08∶00 BT 5 March 2019(a),The Radar Echoof Strength in PPI and Vertical profile of Radar Echoof Strength along red line at Yongzhou station at 09∶03 BT 5 March 2019(b)

4 物理量診斷分析

充分的水汽供應(yīng)是產(chǎn)生暴雨的主要物理?xiàng)l件之一[14]，孫照渤等[15]通過(guò)近50 a資料分析華南春季降水的年代際變化特征及其與大氣環(huán)流的關(guān)系，指出多雨期500 hPa高度上高原北部脊偏強(qiáng)利于冷空氣南下,與華南地區(qū)活躍的暖濕氣團(tuán)匯合,對(duì)應(yīng)的水汽場(chǎng)上為水汽異常輻合。2000—2019年3月4日、5日近20 a的850 hPa平均水汽情況分布來(lái)看(圖3)，孟加拉灣到華南北部有明顯的水汽輸送，強(qiáng)水汽輸送區(qū)位于沿海達(dá)4～6×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，南嶺地區(qū)有弱的西南水汽輸送，平均水汽通量散度3～5×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，4日略強(qiáng)于5日，平均比濕6～7 g·kg-1。較好的水汽條件，有利于此時(shí)期南嶺地區(qū)降水的出現(xiàn)。此次過(guò)程850 hPa水汽通量散度、水汽通量及比濕情況來(lái)看，4日08時(shí)(圖4a)北部灣到黔湘中北部偏南風(fēng)有組織的加強(qiáng)，貴州高原上有弱的水汽通量輻合中心存在，強(qiáng)輻合區(qū)逐漸加強(qiáng)向東北和東南方向擴(kuò)展；4日14時(shí)—20時(shí)(圖4b、圖4c)隨著低層偏南風(fēng)加強(qiáng)到急流強(qiáng)度，在貴州境內(nèi)的低渦強(qiáng)度增加，水汽輻合強(qiáng)度和比濕都加強(qiáng)，強(qiáng)水汽輻合呈西北—東南向的帶狀分布，南嶺西側(cè)對(duì)應(yīng)著-70×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合中心；5日02時(shí)(圖4d)850 hPa風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)冷式切變南壓到湘東北—黔桂交界一帶，強(qiáng)水汽輻合帶轉(zhuǎn)成東北—西南向，位于切變南側(cè)，西南急流帶上，主要在湘贛北部交界、黔桂交界處及粵北一帶，強(qiáng)輻合中心皆達(dá)-80×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1；5日08時(shí)(圖4e)黔桂交界處水汽輻合減弱，強(qiáng)水汽輻合中心略向東移南壓發(fā)展成反L型的帶狀分布，這種分布特征與南嶺山脈及羅霄山脈走向幾乎一致；5日14時(shí)(圖4f)，位于贛北的水汽輻合中心消失，南嶺一帶的強(qiáng)水汽輻合帶略南移減弱，仍保持與南嶺山脈平行的準(zhǔn)東西向帶狀分布。4日20時(shí)—5日14時(shí)強(qiáng)水汽輻合帶一直位于850 hPa切變南側(cè)的急流帶上，急流將充沛的水汽輸送至降水區(qū)，是這次降水的主要水汽通道。暴雨水汽輻合帶中心強(qiáng)度達(dá)-80×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，比濕一直穩(wěn)定在10 g·kg-1左右，與近20 a同期平均水汽條件對(duì)比，水汽通量輻合大一個(gè)量級(jí)，比濕大了近一倍，但并沒(méi)有達(dá)到常用的比濕≥12 g·kg-1的暴雨水汽指標(biāo)。

圖3 2000—2019年3月4日(a)、5日(b)850 hPa平均水汽通量散度(填色，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)、平均水汽通量(風(fēng)羽，單位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)及平均比濕(等值線，單位：g·kg-1)Fig.3 850 hPa Average water vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),average water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)and average specific humidity(contour,unit:g·kg-1)from 2000 to 2019 (a:4 March;b:5 March)

圖4 2019年3月4日08時(shí)—5日14時(shí)(北京時(shí),間隔6 h)850 hPa水汽通量散度(填色，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)、水汽通量(風(fēng)羽，單位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)及比濕(線條，單位：g·kg-1)Fig.4 Fields of 850 hPa vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)and specific humidity(contour,unit:g·kg-1)at (a)08∶00 BT 4;(b)14∶00 BT4;(c)20∶00 BT 4;(d)02∶00 BT5;(e)08∶00 BT5;(f)14∶00 BT5 March 2019

暴雨中心(廣西桂林雁山區(qū)，110.13°E，25.37°N)的水汽通量、水汽通量散度、比濕時(shí)間—高度剖面圖表明(圖5)，暴雨中心低層在4日08時(shí)起水汽輸送與匯聚明顯增強(qiáng)，比濕略增大；4日14時(shí)，水汽通量輻合集中在800 hPa的邊界層內(nèi)，輻合中心位于850 hPa上。最強(qiáng)時(shí)段4日14時(shí)—5日02時(shí)850 hPa比濕為11 g·kg-1，水汽通量超過(guò)20×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，900～850 hPa水汽輻合中心強(qiáng)度達(dá)-70×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，強(qiáng)降水逐漸發(fā)展，在5日08時(shí)前后最強(qiáng)。此時(shí)暴雨中心水汽通量及水汽通量輻合有所減弱，但800 hPa以下始終是水汽輻合區(qū)，水汽通量超過(guò)12×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，比濕≥10 g·kg-1。散度、垂直速度的時(shí)間—高度剖面圖中顯示(圖6)，4日08時(shí)—5日20時(shí)垂直上升氣流自近地面一直擴(kuò)展到200 hPa，最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在5日08時(shí)，強(qiáng)中心500～800 hPa的垂直上升速度達(dá)-1.4 Pa·s-1,此后上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度緩慢減弱。此次過(guò)程高層有明顯的輻散區(qū)，4日白天在200 hPa上強(qiáng)度超過(guò)4×10-5s-1，4日夜間800 hPa以上都有弱的輻散，5日08時(shí)，輻散中心在500 hPa左右，5日14時(shí)加強(qiáng)到5×10-5s-1，對(duì)應(yīng)的低層800 hPa以下輻合自4日08時(shí)逐漸增強(qiáng)，輻合中心逐漸下降至900 hPa，到4日20時(shí)強(qiáng)度超過(guò)-5×10-5s-1，低層強(qiáng)輻合維持到5日14時(shí)左右。降水峰值出現(xiàn)時(shí)(5日08時(shí))是上升氣流最強(qiáng)盛期，亦是低層輻合、高層輻散配合最佳時(shí)段。

圖5 3月3日20時(shí)—6日02時(shí)110.13°E、25.37°N水汽通量(風(fēng)羽，單位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度(填色，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)及比濕(等值線，單位：g·kg-1)的時(shí)間—高度剖面圖Fig.5 Time-vertical section of (a)water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1),water vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),specific humidity(contour,unit:g·kg-1)

圖6 3月3日20時(shí)—6日02時(shí)110.13°E、25.37°N散度(填色，單位：10-5 s-1)及垂直速度(等值線，單位：Pa·s-1)的時(shí)間—高度剖面圖Fig.6 divergence(shaded,unit:10-5 s-1)and vertical velocity(contour,unit:Pa·s-1)from 20∶00 BT 3 to 02∶00 BT 6 March 2019 (110.13°E 25.37°N)

5 地形分析

地形對(duì)降水強(qiáng)度、落區(qū)和災(zāi)害天氣都具有重要影響[16-21]。南嶺是中國(guó)南部最大山脈和重要自然地理界線，橫亙?cè)诠鹣婊涄M4省之間，由越城嶺、都龐嶺、萌渚嶺、騎田嶺和大庾嶺5條主要山嶺所組成，主要山峰海拔多在1 000 m以上，其北側(cè)是位于湘贛交界呈準(zhǔn)南北走向的羅霄山脈。南嶺在植物生長(zhǎng)的春季和夏季雨熱同期[22]，年均降雨量在48 a內(nèi)沒(méi)有發(fā)生顯著的突變,人類活動(dòng)以及氣候變化對(duì)于降水尚未造成非常明顯的影響[23]。春季連陰雨時(shí),高空存在連續(xù)的西風(fēng)急流中心帶,此時(shí)青藏高原南側(cè)有較強(qiáng)的低空西風(fēng)繞流,遇到云貴高原后,往南繞行至中南半島,與南海副高西端較強(qiáng)的南風(fēng)相匯,共同作用,使得南嶺山脈地形南側(cè)低層存在持續(xù)并且比較活躍的暖濕偏南風(fēng)[24]。南嶺地形常造成鋒面彎曲，使得鋒面相配合的大尺度切變線或輻合斷裂為中尺度擾動(dòng)，北方冷空氣到達(dá)南嶺后，由于山脈阻擋，往往在迎風(fēng)坡有所停留，其越山之后又有新的鋒面生成，而西南暖濕氣流遇地形阻擋抬升易造成對(duì)流單體或降水增幅[25]。

結(jié)合這次大范圍的強(qiáng)降水天氣過(guò)程(圖7)，廣西東北部越城嶺主峰均在1 500 m以上，冷空氣越山困難，南海一帶已到達(dá)急流強(qiáng)度的偏南風(fēng)北上，在明顯的喇叭口地形下，桂東北上空形成低渦，對(duì)應(yīng)地面生成輻合線或中尺度氣旋，一般雷暴單體或超級(jí)單位的主要初生位置在此；湘南地區(qū)北有陽(yáng)明山，南有九嶷山和萌渚嶺，西有都龐嶺，東部騎田嶺和大庾嶺，這些山脈海拔均超過(guò)1 000 m，湘南各地都處于三面環(huán)山或四面環(huán)山的山谷地帶，有利于氣流的匯集，容易出現(xiàn)強(qiáng)降水，例如湖南道縣本地海拔100 m左右，其南部海拔在400 m以下，形成四面環(huán)山，向南傾斜的準(zhǔn)盆地地形，弱偏北風(fēng)與南風(fēng)相結(jié)合產(chǎn)生中尺度氣旋或生成輻合線出現(xiàn)強(qiáng)降水；湘贛交界處的羅霄山脈，主要山峰海拔超過(guò)1 500 m，對(duì)冷空氣南下的阻擋作用明顯，偏北風(fēng)越山困難，偏南風(fēng)北上受阻使得山前出現(xiàn)輻合，同時(shí)暖濕氣流在被迫抬升，使不穩(wěn)定度增大，具有迎風(fēng)坡效應(yīng)，在粵北出現(xiàn)強(qiáng)降水。

圖7 2019年3月5日05時(shí)疊加了地形(填色為地形高度，單位：m)的地面最大風(fēng)向風(fēng)速圖(風(fēng)羽,單位：m·s-1，紅點(diǎn)為累計(jì)降水量≥100 mm的站)Fig.7 Fields of surface maximum wind(barb,unit:m·s-1)at 05∶00 BT 5 March 2019 (Shadings indicate topography,unit:m;red dot indicate the station ≥100 mm of accumulated precipitation)

6 小結(jié)

①此次罕見(jiàn)的早春暴雨過(guò)程，高空槽活躍，中低層偏南急流強(qiáng)盛，特別是邊界層急流的出現(xiàn)和較長(zhǎng)時(shí)間的維持、對(duì)流層上層200 hPa分流輻散及低層切變線接近重疊的位于南嶺山區(qū)上空，這種高低空良好的配置為強(qiáng)降雨提供了很好的動(dòng)力和水汽條件。

②此次過(guò)程能量條件一般，水汽集中在800 hPa以下，主要是低層和邊界層的水汽輻合。明顯的低層輻合，高層輻散形勢(shì)，深厚的垂直上升氣流，強(qiáng)水汽輸送和水汽輻合區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持，這些條件都有利于出現(xiàn)對(duì)流穩(wěn)定的強(qiáng)降水。

③桂東北“喇叭口”地形使得邊界層及地面易形成氣旋式環(huán)流，增強(qiáng)水汽輻合，該地區(qū)易成為對(duì)流初生區(qū)；偏北氣流南下過(guò)程中，與南方暖濕氣流在南嶺山脈這類三面環(huán)山或四面環(huán)山的山谷地帶下形成中尺度氣旋，大尺度切變線、輻合線受山脈阻擋南推緩慢，增加強(qiáng)降水維持時(shí)間，氣流持續(xù)匯集產(chǎn)生輻合，使得水汽通量輻合區(qū)位置與南嶺山脈的位置、走向一致，降水增幅明顯。表現(xiàn)為主要山峰海拔超過(guò)1 500 m的越城嶺和羅霄山脈，≥100 mm強(qiáng)雨區(qū)出現(xiàn)在其迎風(fēng)坡，而大部分山峰海拔在1 000 m左右的湘南山區(qū)，在其山谷相間分布的地形下，≥100 mm強(qiáng)雨區(qū)分布更為復(fù)雜，大部分分布在三面環(huán)山或四面環(huán)山的谷地。

④預(yù)報(bào)早春時(shí)節(jié)的暴雨，在熱力條件差的情況下，著重關(guān)注水汽及動(dòng)力條件，特別是出現(xiàn)低空急流和邊界層偏南急流時(shí)，在有利的地形下易觸發(fā)中小尺度擾動(dòng)而出現(xiàn)強(qiáng)降水。本文僅初步分析地形對(duì)大尺度系統(tǒng)性降水的影響，地形影響特別是下墊面有水體時(shí)很復(fù)雜，其特征分析有待進(jìn)一步細(xì)化，以后將進(jìn)行補(bǔ)充研究。