羅娟，鄧承之，高松，劉超，龐玥，夏蘩

（1.重慶市氣象臺，重慶 401147；2.重慶市氣象科學研究所，重慶 401147）

1 引 言

暖區(qū)暴雨概念最初源自華南暖區(qū)暴雨研究，上世紀七十年代第一次華南暴雨試驗發(fā)現(xiàn)，除了傳統(tǒng)鋒面降水外，華南前汛期還具有暖區(qū)暴雨特色，大暴雨、特大暴雨等強降水也經(jīng)常發(fā)生在鋒前200~300 km 以外的暖區(qū)中，甚至是沒有鋒面和風切變的南風氣流里[1-6]。近年來，我國氣象工作者發(fā)現(xiàn)除華南地區(qū)外，其它地區(qū)也經(jīng)常出現(xiàn)暖區(qū)對流性暴雨事件[7-12]。對比鋒面暴雨，暖區(qū)暴雨具有雨強大、降水集中、持續(xù)時間長，極易造成洪澇災害的特點。由于暖區(qū)暴雨過程中中低空為西南-南風氣流控制，缺乏“鋒面、切變、低渦”等經(jīng)典風向輻合型的天氣尺度系統(tǒng)強迫，主流數(shù)值預報模式對于暖區(qū)暴雨落區(qū)和強度的預報能力也有限，使得暖區(qū)暴雨的研究顯得尤為重要。

暖區(qū)暴雨通常發(fā)生在高溫高濕、對流有效位能大、對流抑制能量小、地面抬升指數(shù)低以及氣柱含水量高等有利的環(huán)境條件中[13-16]。暖區(qū)暴雨的抬升觸發(fā)機制主要有邊界層輻合線、海陸差異形成的輻合中心、低空急流軸或大風核及邊界層風速脈動配合中尺度地形抬升，以及地面中尺度輻合線、中尺度能量鋒、中尺度海風鋒等[17-20]。暖區(qū)局地暴雨的形成多與MCS 相關，MCS 長時間的“列車效應”和后向傳播特征是產(chǎn)生強降水的主要原因，強降雨回波常沿中尺度輻合線觸發(fā)和移動加強[21-23]。中尺度輻合線觸發(fā)的對流風暴形成小范圍冷池出流與環(huán)境風場形成新的輻合線，加強對流風暴的發(fā)展，并在此觸發(fā)新的對流單體[24-25]。地形對暖區(qū)暴雨中MCS 的觸發(fā)、組織以及移動和傳播也有重要作用[26]，暖濕氣流在山前輻合抬升，增大大氣垂直上升速度，增強動力和熱力不穩(wěn)定，觸發(fā)新生雷暴或使雷暴快速加強[27]。地形、冷池出流和暖濕空氣這三者相互作用，地形會促使冷池出流下山速度加快、冷池出流厚度升高以及冷池出流與偏東暖濕氣流的輻合抬升作用增強，這是雷暴新生和加強的原因之一[28]?？傊趶碗s下墊面條件下，地形、邊界層輻合線、雷暴冷池出流、對流層低層暖濕氣流等對暖區(qū)降水觸發(fā)和增強均具有重要作用，但此類個例研究多集中在華南和華北地區(qū)，而地形更為復雜的西南地區(qū)研究較少，因此有必要剖析西南地區(qū)暖區(qū)暴雨個例。

2018 年5 月20 日凌晨，貴州北部至重慶南部的武陵山區(qū)突發(fā)強降水，暴雨中心石橋鄉(xiāng)位于重慶武隆東南部，全鄉(xiāng)海拔在300~1 200 m 之間，地勢起伏大，地形復雜，以山區(qū)型地貌為主，最大過程雨量為208.5 mm，最大小時雨量為59 mm。受突發(fā)強降水影響，20 日07 時（北京時間，下同）左右，石橋鄉(xiāng)八角村茍家堡磨槽灣處發(fā)生地質(zhì)滑坡，滑坡體縱長約150 m，橫寬約30 m，平均厚4 m，方量1.8 萬方，造成5 人死亡和1 人受傷，給人民群眾的生命和財產(chǎn)安全帶來了重大損失。此次過程天氣尺度斜壓性強迫弱，數(shù)值模式預報的降水也顯著偏弱，加之山區(qū)地形復雜，業(yè)務預報難度大，導致預報員對此次大暴雨過程漏報。因此有必要回顧該過程，探索山區(qū)復雜地形條件下暖區(qū)暴雨的特征及觸發(fā)和維持機制。

2 資料和方法

本文使用多源觀測資料和高分辨率中尺度數(shù)值模式輸出資料做綜合分析。資料包括：（1）重慶和貴州地面加密自動站資料。（2）重慶沙坪壩站探空資料。（3）0.25 °×0.25 °ERA5 逐時再分析資料。（4）重慶多普勒天氣雷達資料。（5）基于重慶市氣象局業(yè)務運行的高分辨率數(shù)值預報系統(tǒng)的模擬資料，模式區(qū)域中心位置為104.5 °E，34.5 °N，水平分辨率為27 km、9 km、3 km，格點數(shù)分別為200×160、288×216、480×360，垂直方向為51 層（圖1）。模式預報的背景場采用0.5 °×0.5 °的全球預報系統(tǒng)（Global Forecast System，GFS）的分析場，同時利用ARPS V3.5.6 作為同化分析模塊，同化了重慶及周邊11 部雷達資料，采用的物理過程方案包括：Thompson 微物理方案、MYJ 邊界層方案、BMJ積云對流參數(shù)化方案（3 km 區(qū)域不使用）、NOAH陸面過程方案。后面文中的分析均采用3 km 分辨率的模式輸出結果。

圖1 WRF模式模擬的區(qū)域（a）和同化的雷達位置（b） 紅色代表SA/SB波段雷達，藍色代表SC波段雷達，黑色代表CD波段雷達。

3 降水特征和環(huán)境條件分析

3.1 降水特征

2018 年5 月20 日凌晨，貴州北部至重慶南部突發(fā)強降水，雨帶沿武陵山脈呈東北-西南向帶狀分布，加密自動站資料顯示，19 日20 時—20 日08時共有28 站出現(xiàn)50 mm 以上降水，有7 站出現(xiàn)100 m 以上降水，強降水中心位于石橋（圖2a），12小時累計雨量為208.5 mm，5 小時累積雨量為206.2 mm，其中19日23時—20日03時連續(xù)4個小時出現(xiàn)了短時強降水，雨量分別為52.4 mm、59.0 mm、49.6 mm 及27.2 mm（圖2c），過程具有突發(fā)性強、小時雨強大及強降水范圍集中的特點。地形和雨量疊加圖顯示，50 mm 以上的暴雨站點多位于武陵山區(qū)峽谷內(nèi)及陡坡或迎風坡等地形處，其中大暴雨中心石橋地處峽谷，其東西兩側均有海拔約1 500 m的高山（圖2b）。

圖2 2018年5月19日21—20日08時累計雨量（a，單位：mm）、圖2a方框內(nèi)50 mm以上不同閾值強降水分布及地形高度（單位：m）疊加圖（b）和石橋站逐小時雨量（c，單位：mm）

3.2 環(huán)境條件分析

2018 年5 月19 日20 時，500 hPa 副 熱帶 高壓控制我國華南沿海，重慶位于副熱帶高壓外圍西北側，受到南支槽前西南暖濕氣流控制（圖3a）。850 hPa 貴州西北部至重慶東南部有低壓倒槽強烈發(fā)展（圖3b），倒槽附近有顯著的水汽通量輻合，有利于倒槽內(nèi)降雨的發(fā)展（圖3c）。另外，此次過程850 hPa 假相當位溫（θse）高能舌向北伸展，貴州重慶等地θse超過360 K，而冷高壓中心位于河南南部至湖北西部一帶（圖3b），地面穩(wěn)定的熱低壓阻止了冷空氣直接南下，重慶海平面氣壓除了日變化無明顯波動（圖略），說明此次過程地面無明顯冷空氣侵入強降水落區(qū)，屬于暖區(qū)對流性暴雨。

離石橋最近的沙坪壩探空資料顯示（圖4），18—19 日對流層中下層存在明顯條件不穩(wěn)定層結，一方面對流有效位能（CAPE）顯著增加，18 日20時CAPE 僅為306 J/kg，19 日20 時 增加至1 800 J/kg，SI 指數(shù)為-3.12。另一方面，對流抑制（CIN）顯著減小，18日20時CIN 為176.5 J/kg，19日20時僅為14.5 J/kg，且自由對流高度從569.5 hPa 降低至861.7 hPa，由于對流抑制顯著減小，且自由對流高度降低，不需要很強的抬升就可以觸發(fā)對流。此外，850 hPa比濕由12 g/kg增加至16 g/kg，假相當位溫由343 K 增加至356 K，大氣可降水量由35 mm 增加至47 mm（表1）。表明在暖區(qū)強降水發(fā)生前，大氣環(huán)境場為高能高濕的層結不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有觸發(fā)機制誘發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，對流將會強烈發(fā)展。

圖3 2018年5月19日20時500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）和風場（單位：m/s）（a）；850 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）和風場（單位：m/s）及假相當位溫（單位：K）（b）；850 hPa水汽通量（單位：g/(s·cm·hPa)）及水汽通量散度（單位：g/(s·cm2·hPa)）（c）

圖4 2018年5月18日20時（a）和19日20時（b）沙坪壩探空

表1 沙坪壩5月18日20時和19日20時強對流參數(shù)

4 中尺度對流系統(tǒng)演變過程分析

此次過程石橋強降水持續(xù)約5小時，中小尺度對流系統(tǒng)演變主要有3 個階段：（1）分散對流組織成東西向帶狀對流；（2）帶狀對流斷裂，石橋?qū)α鲉误w準靜止維持；（3）石橋?qū)α鲉误w減弱后，東北-西南向帶狀對流快速重建。

從組合反射率因子演變來看，23:04 在石橋南部有回波單體A 強烈發(fā)展，最大反射率因子達50 dBZ 以上（圖5a），23:16 對流單體A 加強并移至石橋上空，同時在其后部又有B、C 兩個對流單體觸發(fā)（圖5b），隨后單體B、C合并，在環(huán)境氣流引導下向東移動，再與單體A 合并（圖5c），合并后回波組織性增強，形成一條東西向帶狀對流，在武隆南部穩(wěn)定維持約40 分鐘（圖5d），造成第一階段強降水，對應石橋站10 min雨量顯示，23:30和23:50的雨量分別達16.3 mm 和16.8 mm（圖6）。20 日00:09帶狀回波斷裂，其西端的回波快速減弱，但東端回波仍維持在50 dBZ 以上，強回波單體呈準靜止狀態(tài)（圖5e），造成第二階段強降水，對應石橋10 min 雨量在8 mm 以上，最大達12 mm（圖6）。00:56石橋回波組織結構松散，強度減弱（圖5f），對應10 min 雨量也減弱，01:13 距回波減弱僅3 個體掃后又重新增強（圖5g），同時貴州北部也有分散對流單體發(fā)展，并向東北方向移動，與石橋?qū)α髟茍F合并后，再次組織成帶狀對流，帶狀對流中的強降水單體多次經(jīng)過石橋（圖5h），“列車效應”維持了第三階段強降水，此階段10 min雨強波動較大，強單體經(jīng)過石橋時最大雨強可達15.3 mm，層狀云經(jīng)過時僅為1 mm（圖6）。

圖5 2018年5月19—20日重慶雷達組合反射率 五角星代表石橋站位置。

圖6 2018年5月19日23時—20日04時石橋站逐10 min雨量（單位：mm）

5 中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)和維持機制分析

由前面分析可知，“列車效應”和強雷暴單體準靜止維持造成了石橋強降水，那么造成強降水的中小尺度對流系統(tǒng)如何觸發(fā)和維持的呢？下面利用加密自動站觀測資料和高分辨率WRF 資料來分析。

5.1 模擬和實況對比分析

對比分析觀測資料（圖2a）與3 km 分辨率模式輸出資料。從模擬雨量來看（圖7a），模式雖然沒有模擬出重慶西部雨帶，但對重慶南部雨帶模擬效果較好。模擬雨帶走向和強降水中心與實況較為一致，而本文主要利用模式資料分析重慶南部降水。從環(huán)流形勢來看（圖7b），模擬的冷高壓、熱低壓及西南急流位置也與實況較為一致。從模擬3 km 組合反射率因子來看（圖9），模擬結果也較好地再現(xiàn)了帶狀對流的演變，因此模擬資料可以進一步用來分析中小尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機制。

圖7 2018年5月19日21時—20日08時模擬雨量（a，單位：mm）、模擬的850 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）和風場（單位：m/s）及假相當位溫（單位：K）（b）

5.2 基于模擬結果的觸發(fā)和維持機制分析

研究表明，在高溫、高濕和對流不穩(wěn)定的環(huán)境層結條件下，邊界層輻合線有利于對流和降水的觸發(fā)及加強。從模擬的10 m 風場、溫度場和地形疊加圖可以看出（圖8），19 日23 時，重慶受熱低壓控制，四川盆地北風和東北風與貴州偏南風在武陵山區(qū)交匯，形成沿山脈分布的輻合線。帶狀對流沿地形和輻合線發(fā)展，內(nèi)部鑲嵌著多個β尺度MCS。23 時（圖9a）輻合線西側形成兩個團狀結構MCS（A、B），石橋位于輻合線東部，有分散性新生回波發(fā)展。團狀MCS 受到環(huán)境西南氣流引導，沿輻合線向東偏北方向移動。00 時（圖9b）團狀MCSA 到達石橋上空并拉伸成帶狀，內(nèi)部有多個50 dBZ 以上的強單體經(jīng)過石橋。01—02 時（圖9c、圖9d）團狀MCSB 東移至石橋上空，并呈準靜止狀態(tài)，同時，其后部又有MCSC 發(fā)展，且向東偏北方向移動，回波移動方向與邊界層輻合線走向一致，形成“列車效應”使石橋強降水維持。

圖8 19日23時模擬的10 m風場（單位：m/s）、溫度（單位：℃）和地形高度（單位：m）疊加圖

圖9 模擬的10 m風場（單位：m/s）和組合反射率因子（單位：dBZ）疊加 a. 19日23時；b. 20日00時；c. 20日01時；d. 20日02時。

圖10 表示沿圖9b 實線反射率因子和風場的空間剖面，A、B 兩個強單體分別位于石橋和東面山頂上，強回波呈直立發(fā)展，位于5 km 以下，降水效率較高。從風場上看，單體A 東側有一垂直環(huán)流圈，垂直環(huán)流上升支剛好位于山頂，近地面為一支淺薄的偏東氣流，厚度約為600 m，結合假相當位溫（θse）和垂直速度剖面來看（圖11），這支偏東氣流侵入θse達358 K 的暖區(qū)后，會促使暖濕氣流抬升和不穩(wěn)定能量釋放，此外偏東氣流與山體走向垂直，地形強迫抬升也利于對流加強，單體A 垂直速度超過10 m/s，中心位于8 km 附近。單體A發(fā)展成熟后，其西側冷池出流與偏東氣流疊加下山，與環(huán)境暖濕氣流交匯，觸發(fā)單體B，對應垂直速度圖上（圖11），單體A 低后部也有1 m/s的下沉氣流，表明為冷池出流。另外，石橋?qū)α鲉误wB 生成后，受到偏東風及地形共同阻擋作用不易移出，造成雨團在石橋附近呈準靜止狀態(tài)。綜上所述，邊界層輻合線附近形成近東西向帶狀對流，內(nèi)部鑲嵌著多個雷暴單體，石橋東部山頂雷暴成熟后產(chǎn)生地面冷池，冷池出流下山，加之地形抬升和阻擋作用，共同觸發(fā)和維持石橋強降水。

圖10 2018年5月20日00時沿圖9b實線空間剖面分析場雷達反射率（彩色陰影，單位：dBZ）和風場（單位: m/s）

圖11 2018年5月20日00時沿圖9b實線空間剖面分析場假相當位溫（彩色陰影，單位：K）和垂直速度（單位: m/s）

6 地形作用

利用地形高度和地面自動站觀測資料，可以揭示地形對地面風場和降水的影響。由圖12 可知，暴雨中心石橋地處山谷，其東西兩側均有海拔約1 500 m 左右的高山，19 日22 時，石橋為2 m/s的西北風，其南面有風向輻合，初始對流首先在輻合區(qū)觸發(fā)，小時雨強超過20 mm，而石橋此時降水僅為1 mm（圖12a）。19 日23 時，石橋轉(zhuǎn)為4 m/s的西南風，同時東北氣流沿山谷進入石橋北部，石橋附近的風向輻合增強，對應小時雨量迅速增大，超過50 mm（圖12b）。20 日00 時和01 時，石橋均為4 m/s 的偏東風，東風與石橋西面山體垂直，一方面加強了地形強迫抬升，另一方面和偏西風形成局地氣旋性小渦旋，氣旋性小渦旋形成后又受到東面山體阻擋作用，不易移出，使石橋強雨團維持兩小時，此時對應的小時雨量分別為59.0 mm和49.6 mm。近些年來，也有氣象工作者指出，在喇叭口地形或山谷地形中常有局地性中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展，將其命名為地形性渦旋，這種地形性渦旋水平尺度多為10 公里至數(shù)十公里，鉛直厚度為300~600 m，其生消、發(fā)展擾動與降水均有密切關系[29-30]。

圖12 自動站不同閾值雨量分布及地面風場（單位: m/s）和地形高度（單位：m）疊加圖

7 結 論

利用多源觀測資料和高分辨率數(shù)值模擬資料，分析重慶市石橋鄉(xiāng)強降水產(chǎn)生的中尺度環(huán)境條件，中小尺度對流系統(tǒng)演變、觸發(fā)和維持機制等，得到如下結論。

（1）此次過程無明顯冷空氣強迫，斜壓性弱，重慶地面到850 hPa均為熱低壓控制，低壓倒槽附近有顯著的水汽通量輻合，邊界層高溫高濕，對流層中下層存在明顯條件不穩(wěn)定層結。

（2）石橋強降水中小尺度對流系統(tǒng)演變主要有3 個階段。一是分散對流組織成東西向帶狀對流；二是帶狀對流斷裂后，石橋?qū)α鲉误w準靜止維持；三是石橋?qū)α鲉误w減弱后，東北-西南向帶狀對流快速重建。

（3）沿武陵山脈分布的邊界層輻合線是此次暴雨過程的觸發(fā)機制，而回波移動方向與邊界層輻合線走向一致，“列車效應”使石橋強降水維持。

（4）石橋東部山頂雷暴成熟后地面產(chǎn)生冷池，冷池出流下山與環(huán)境暖濕氣流交匯，加之地形作用，共同觸發(fā)和維持石橋強降水。

（5）山區(qū)地形對降水觸發(fā)和維持有重要作用，近地面偏東風與石橋西部山體相互作用形成局地氣旋性小渦旋觸發(fā)降水，而受到石橋東部山體阻擋作用，又使地形性渦旋移速變慢，則利于強降水維持。