趙衍斌 李 強 周盈穎 高 雅 王 娜 禹 婷

1 重慶市渝北區(qū)氣象局,重慶 401120

2 重慶市氣象臺,重慶 401147

提 要： 利用加密自動站降水資料、ERA5再分析資料和雷達(dá)資料,分析了2020年6月16—17日重慶西部地區(qū)平行嶺谷地形影響下的一次局地暴雨過程。結(jié)果表明：受副熱帶高壓外圍西南暖濕低空氣流和高空槽引導(dǎo)入侵四川盆地的偏北氣流在重慶西部形成穩(wěn)定的低渦切變,以及平行嶺谷地形作用下維持的中尺度輻合線的共同影響形成了此次暴雨過程。17日00—03時(世界時)在嶺谷地區(qū)850 hPa以下邊界層存在明顯的水汽聚集、輻合上升以及不穩(wěn)定性的強中心區(qū),導(dǎo)致局地強降水產(chǎn)生。在嶺谷地形作用下,冷鋒配合沿輻合線北抬的輻合中心在迎風(fēng)坡抬升,加強了垂直上升運動,使得鋒前垂直環(huán)流風(fēng)速加大,這是導(dǎo)致華鎣山南端以及東側(cè)寬谷丘陵過渡區(qū)暴雨增幅的重要原因。中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展演變與地面輻合線的位置變化關(guān)系密切,平行嶺谷地形輻合抬升作用使對流系統(tǒng)在華鎣山附近停滯,并在其南端兩次發(fā)展加強。

引 言

暴雨災(zāi)害是中國主要氣象災(zāi)害之一,也是災(zāi)害性天氣預(yù)報的重點,尤其是受地形影響的降水預(yù)報更是天氣預(yù)報的難點。由于地形暴雨具有強度大、突發(fā)性強及次生災(zāi)害重等特點,預(yù)報難度極大(杜繼穩(wěn)等,2004),地形暴雨造成的山體滑坡、泥石流、洪水等可能對人民的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重影響,因此研究地形影響下的暴雨具有重要意義。

暴雨是多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物,如高空槽、低空急流、西南低渦、切變線、鋒面、中尺度輻合線等(陶詩言,1980;陸爾等,1994;蔣興文等,2008;陳鵬等,2013;盧萍等,2014;苗春生等,2015;李娟等,2016;張芳麗等,2020;李青春等,2022;周春光等,2022),地形暴雨與外圍天氣系統(tǒng)強迫的相互作用使得地形暴雨預(yù)報存在更大的不確定性(Smith,2006;Zhang et al,2014;Bao and Zhang,2013)。暴雨過程中強降水的發(fā)生不僅與大氣環(huán)流系統(tǒng)有關(guān),地形對降水的增幅作用也不容忽視,諸多學(xué)者對于地形增幅降水做了大量的研究工作。國外學(xué)者總結(jié)了地形與降水關(guān)系的模型,為地形影響下降水的可預(yù)報性提供了參考(Basist et al,1994;Johansson and Chen,2003;Smith and Barstad,2004;Houze,2012)。鐘水新(2020)指出地形降水是一個復(fù)雜的非線性過程,影響因子多,包括地形維度與幾何影響、水汽、地形和水汽凝結(jié)效應(yīng)及大氣穩(wěn)定性等,也受天氣系統(tǒng)尺度、地形與邊界層、微物理過程等的影響。通常有利于形成地形降水的天氣和中尺度環(huán)境包括強的低空急流、強的不穩(wěn)定氣流過山、陡峭的地形和一個準(zhǔn)靜止的天氣系統(tǒng)(Lin et al,2001)。孫繼松(2005)認(rèn)為當(dāng)垂直于山體的氣流隨高度減小時,地形的作用表現(xiàn)為迎風(fēng)坡上的水平輻合,對迎風(fēng)坡降水產(chǎn)生明顯的增幅作用。閻麗鳳等(2013)通過數(shù)值模擬研究了泰山地形影響的一次局地強降水過程動力作用,發(fā)現(xiàn)地形的強迫垂直運動和天氣系統(tǒng)輻合區(qū)共同作用是形成對流降水的原因。雷蕾等(2014)認(rèn)為需要特別關(guān)注低層冷空氣侵入以及暖濕空氣在冷空氣和地形相互作用下強迫抬升的強對流觸發(fā)機制。章翠紅等(2018)研究表明地形促使冷池出流下山速度加快、高度抬高,與偏東的暖氣流輻合抬升是北京西北部短時強降水形成的重要影響因子。金妍和李國平(2021)通過繞流和爬流方程探討地形對過山氣流的影響及其對降水的作用,得出氣流對山地屏障的地形適應(yīng)以爬流運動為主,繞流運動次之,地形爬流產(chǎn)生的垂直上升運動與雨帶的分布密切相關(guān)。以上研究均表明地形的強迫抬升和輻合是導(dǎo)致降水增幅的重要機制,其對強降水過程的發(fā)生、維持和增強具有重要影響。

重慶東部地區(qū)以復(fù)雜山地地形為主,主要由高海拔的武陵山脈、大巴山脈構(gòu)成。已開展了很多關(guān)于這些山脈對暴雨影響的研究。盧璐和楊靜(2009)統(tǒng)計分析貴州大暴雨的地域分布特征,發(fā)現(xiàn)位于武陵山的東南坡的迎風(fēng)坡是貴州大暴雨中心。程曉龍等(2016)研究發(fā)現(xiàn)水汽受地形阻擋作用在大巴山以南堆積,引發(fā)了四川、陜西交界處的暴雨。肖紅茹等(2021)指出西南急流型暖區(qū)暴雨主要出現(xiàn)在盆地中部到龍門山脈北段和大巴山脈。綜上所述,在有利的天氣系統(tǒng)影響下,地形作用可以直接影響暴雨增幅的位置、范圍和強度,不同的地形形態(tài)對暴雨的影響也具有明顯的地域性。相對于重慶東部高海拔山地地形,對低海拔重慶西部的平行嶺谷地形影響的降水研究較少,且這些小尺度山脈也可能引發(fā)局地較強暴雨。渝北區(qū)是重慶西部地區(qū)的大暴雨中心(劉德等,2012),如2014年“9·13”局地特大暴雨過程,就導(dǎo)致渝北區(qū)御臨河河水猛漲,形成25年來最大洪災(zāi)(楊波,2014),同時在華鎣山造成大規(guī)模泥石流、山體滑坡。本文針對2020年6月17日在重慶西部平行嶺谷地區(qū)華鎣山脈(四川廣安與重慶交界處)附近出現(xiàn)的一次局地暴雨過程,通過多尺度天氣影響系統(tǒng)、物理量條件以及地形增幅等分析,揭示嶺谷地形暴雨的特征和機制,為探析嶺谷地形強降水預(yù)報思路提供參考。

1 研究資料和區(qū)域

本文選取歐洲中心第五代再分析資料(ERA5),時間分辨率為逐小時,空間分辨率為0.25°×0.25°,相比前一代資料在整體適用性和時空精度都有了較大的提升,地面和對流層低層(850、925和1000 hPa)相對濕度和風(fēng)場與實況的相關(guān)性提升最為明顯,可以更加準(zhǔn)確細(xì)致地反映大氣的實際情況(孟憲貴等,2018);降水資料為過程研究區(qū)域內(nèi)166個加密自動氣象觀測站逐小時降水資料;雷達(dá)資料為重慶新一代雷達(dá)產(chǎn)品。研究區(qū)域為四川和重慶交界處(廣安市、合川區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)),西接四川盆地,東部斜貫七曜山等山脈,華鎣山(海拔高度為700～1000 m,主峰高度為1704 m)、銅鑼山、明月山均呈東北—西南走向,平行貫穿該區(qū)域,與寬谷丘陵交互組成平行嶺谷,該區(qū)域地形地貌復(fù)雜(圖1)。

圖1 重慶西部以及鄰近地區(qū)山脈和地形分布Fig.1 Distribution of mountains and topography in western Chongqing and adjacent regions

2 降水實況

2020年6月16—17日華鎣山山脈附近發(fā)生一次暴雨過程,雨帶自西向東移動,16日12—24時(世界時,下同)呈點強面弱特點,以大雨為主,局地暴雨(圖2a,12 h降水標(biāo)準(zhǔn)),17日00—12時降水過程增強,累計降水量達(dá)暴雨到大暴雨量級,大暴雨主要集中出現(xiàn)在華鎣山脈南端與東側(cè)寬谷丘陵過渡區(qū),沿山向北在山脈附近為相對分散的大暴雨點,西側(cè)平原地區(qū)多為大雨到暴雨量級降水(圖2b,12 h降水標(biāo)準(zhǔn))。16日12時至17日12時整個過程(圖2c,24 h降水標(biāo)準(zhǔn)),研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)均出現(xiàn)了≥50 mm的降水,100 mm以上的大暴雨集中出現(xiàn)于華鎣山山脈南端附近。實況表明后12 h(17日00—12時)降水明顯強于前12 h(16日12—24時),且平行嶺谷地區(qū)降水量明顯較大。

圖2 2020年6月(a)16日12—24時,(b)17日00—12時的累計12 h,以及(c)16日12時至17日12時的累計24 h降水量(彩色圓點)疊加地形高度(填色)Fig.2 Distributions of (a, b) the 12 h accumulated precipitation (a) from 12 UTC to 24 UTC 16, (b) from 00 UTC to 12 UTC 17 June, and (c) the 24 h accumulated precipitation from 12 UTC 16 to 12 UTC 17 June 2020 (colored dot) superimposed with topography height (colored)

此次暴雨過程有以下特點：(1)降水強度大。17日03時渝北秦家站小時降水量達(dá)58 mm,且過程最大累計降水量達(dá)166.3 mm(華鎣山站),廣安、合川、北碚小時降水量均大于40 mm,分別為55.3 mm (廣安壇同站)、46.7 mm(合川華鎣山站)、46.5 mm (北碚衛(wèi)東村站),過程最大累計降水量大于90 mm。(2)強降水空間落區(qū)集中。強降水區(qū)域直徑小于50 km,大暴雨區(qū)主要位于華鎣山南端與東側(cè)谷地過渡區(qū)附近(圖2b)。(3)強降水發(fā)生時間集中。圖3a 為研究區(qū)域166個區(qū)域自動氣象觀測站平均小時降水量,主要降水過程開始于16日21時,到17日05時減弱,強降水集中發(fā)生在17日00—03時,同時短時強降水(≥20 mm·h-1)主要發(fā)生于這個時段,17日01時出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)達(dá)72個(圖3b)。

圖3 2020年6月16日12時至17日12時研究區(qū)域(29.75°～30.75°N、106°～107.25°E,下同)的(a)平均小時降水量和(b)小時降水量≥20 mm站數(shù)Fig.3 (a) The average hourly precipitation and (b) number of stations with hourly precipitation ≥20 mm in the study area (29.75°-30.75°N, 106°-107.25°E; the same below) from 12 UTC 16 to 12 UTC 17 June 2020

3 影響暴雨的多尺度天氣系統(tǒng)條件分析

此次暴雨過程發(fā)生前,6月16日21時在500 hPa亞洲中高緯地區(qū)呈“兩脊一槽”環(huán)流形勢,高壓脊分別位于新疆、甘肅交界處,北伸至貝加爾湖附近和115°E 內(nèi)蒙古附近,高空槽位于貝加爾湖以南蒙古國中部至中國內(nèi)蒙古西部附近,高空槽引導(dǎo)冷空氣南下影響四川盆地東部地區(qū),700 hPa四川盆地北部至陜西和甘肅的南部為明顯的西北氣流,部分地區(qū)風(fēng)速≥12 m·s-1(圖4a)。西太平洋副熱帶高壓588 dagpm基本穩(wěn)定在東南沿海一帶,其外圍700 hPa 為明顯的低空急流帶,將暖濕氣流從孟加拉灣持續(xù)輸送至四川盆地東部地區(qū),850 hPa低空急流左側(cè)為明顯的高濕區(qū)(相對濕度≥90%)自西向東緩慢移動(圖4c),這為暴雨區(qū)提供了有利的水汽條件。在四川盆地中部存在一致的偏北急流,局地風(fēng)速超過20 m·s-1,干冷的偏北風(fēng)與暖濕的偏南風(fēng)在四川盆地南部至重慶西部形成穩(wěn)定的低渦切變,之后逐漸東移北抬(圖4c,4d),這為暴雨發(fā)生發(fā)展提供了較好的動力條件。如圖4b所示,17日10時高空槽移至重慶東部,副熱帶高壓北抬,四川盆地轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)控制,低空急流大風(fēng)速區(qū)向東收縮,研究區(qū)域暴雨過程減弱結(jié)束。由此可見,在500 hPa高空槽后冷平流引導(dǎo)冷空氣侵入影響四川盆地,700 hPa 和850 hPa西南低空急流持續(xù)輸送水汽以及重慶西部低渦切變的共同作用下形成了此次暴雨天氣過程,暴雨區(qū)(圖4c,4d方框)位于低渦中心東側(cè)、暖切變線南側(cè),以及低空急流左前側(cè)高濕區(qū)。

注：圖4a,4b中,加粗線：588 dagpm;圖4c,4d中,紅色風(fēng)矢：風(fēng)速≥12 m·s-1,藍(lán)色風(fēng)矢：風(fēng)速≥20 m·s-1,方框：暴雨區(qū)。圖4 2020年6月(a)16日21時,(b)17日10時的500 hPa位勢高度場(等值線,單位：dagpm)、700 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢)和低空急流(填色),(c)16日23時和(d)17日03時的850 hPa風(fēng)場(風(fēng)矢)和相對濕度(填色)Fig.4 (a, b) Geopotential height field at 500 hPa (contour, unit： dagpm), wind field at 700 hPa (wind vector) and low-level jet (colored) at (a) 21 UTC 16 and (b) 10 UTC 17 June, and (c, d) wind field at 850 hPa (wind vector) and relative humidity (colored) at (c) 23 UTC 16 and (d) 03 UTC 17 June 2020

4 影響暴雨的物理過程分析

4.1 有利的垂直動力結(jié)構(gòu)

暴雨過程前西南低渦位置偏西,位于四川盆地南部與重慶西部交界處,結(jié)合垂直速度與散度分布(圖5a,5b),16日21時前中低層無明顯的水平輻合,垂直速度也較弱,僅為-0.2 Pa·s-1,隨著低渦的發(fā)展東移,配合低空急流的持續(xù)影響,17日00—05時在500 hPa以下有負(fù)散度中心生成,900 hPa附近最強,中心達(dá)-6×10-5s-1,耦合高空200 hPa以上的強輻散區(qū)(中心達(dá)1.6×10-4s-1)的抽吸作用,整層垂直速度明顯增大(中心達(dá)-1.4 Pa·s-1),上升運動增強,其中,最強垂直速度中心(<-1.0 Pa·s-1)在500～150 hPa,這樣的高低空配置一直持續(xù)至17日05時暴雨過程減弱結(jié)束,即在暴雨發(fā)展過程中,具有明顯低層輻合、高層輻散的耦合配置,有利于垂直方向上形成大氣抽吸效應(yīng),從而加強垂直上升運動。

注：圖4a～4d橫坐標(biāo)軸上黑色實線：暴雨時段。圖5 2020年6月16日18時至17日08時研究區(qū)域平均(a)散度(填色,等值線),(b)垂直速度(填色,等值線),(c)水汽通量散度(填色)和水平風(fēng)場(風(fēng)矢),(d)假相當(dāng)位溫的高度-時間剖面,以及(e)16日12時沙坪壩探空Fig.5 Height-time profiles of (a) divergence (colored, contour), (b) vertical velocity (colored, contour), (c) moisture flux divergence (colored) and horizontal wind field (wind vector), (d) pseudo-equivalent potential temperature in the study area average from 18 UTC 16 to 08 UTC 17 June and (e) sounding at Shapingba at 12 UTC 16 June 2020

4.2 低空急流作用下的水汽輸送

上文已對850 hPa低空急流在暴雨過程中的作用進(jìn)行了初步分析,現(xiàn)從水汽通量散度(圖5c)進(jìn)一步分析水汽輸送過程。16日21時至17日05時,850 hPa以下為水汽通量散度輻合大值區(qū),16日21時至17日00時強降水前期水汽含量逐漸增大,輻合高度也向高層增厚,16日23時水汽輻合伸展至600 hPa附近,17日00—04時在900 hPa以下出現(xiàn)水汽通量散度負(fù)值中心,與17日00—03時強降水對應(yīng),中心強度大于-10×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2,且850～700 hPa西南風(fēng)逐漸加強,表明該時段低空急流將水汽不斷地向暴雨區(qū)上空輸送,水汽聚集時段與暴雨發(fā)生時段(圖5a～5d中黑色實線)有較好的一致性。

4.3 不穩(wěn)定層結(jié)分析

16日12時重慶西部沙坪壩探空(圖5e)的500 hPa 至近地面層條件不穩(wěn)定特征明顯,狀態(tài)曲線和層結(jié)曲線之間的紅色面積較大,對流有效位能(CAPE)達(dá)1076.7 J·kg-1,850～500 hPa水汽接近飽和,中高層有干空氣卷入,形成“上干冷、下暖濕”的結(jié)構(gòu),700 hPa以下存在一定強度的垂直風(fēng)切變,且西南風(fēng)達(dá)12 m·s-1,為暴雨過程提供了有利的水汽條件和熱力、動力不穩(wěn)定條件。900～700 hPa風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)(圖5c),中低層為明顯暖平流,16日20時開始,700 hPa以下為高θse區(qū)(圖5d,中心大于360 K),不穩(wěn)定較弱,16日23時之后,隨著低空急流發(fā)展加強,850 hPa以下θse等值線梯度增大,形成不穩(wěn)定層結(jié)(?θse/?p>0),17日03時梯度最大,低層不穩(wěn)定性最強,不穩(wěn)定層結(jié)一直維持到17日06時,說明該時段低層大氣極其不穩(wěn)定,有利于對流系統(tǒng)的觸發(fā)和發(fā)展,隨后850 hPa以下θse開始減小,降水過程逐漸結(jié)束。

綜上所述,低空急流的發(fā)展和維持不僅為此次暴雨過程提供了充足的動力條件,也提供了充沛的水汽條件,急流動力輻合耦合高層輻散有利于垂直方向形成大氣抽吸效應(yīng),從而加強垂直上升運動,低層暖濕空氣的平流加強層結(jié)的不穩(wěn)定度,有利于觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放。此外,17日00時前東移的高空槽、西南低渦配合高層強輻散在500 hPa以上有明顯的上升運動大值區(qū)形成,但與低層水汽、不穩(wěn)定層結(jié)配合相對較差,導(dǎo)致前期降水效率較低(圖2a);其后隨著低渦切變東移位于平行嶺谷地區(qū),受地形影響在850 hPa以下邊界層水汽聚集、輻合上升以及不穩(wěn)定性三者都具有明顯的強中心區(qū)域,使得隨后的降水明顯增加(圖2b)。

5 嶺谷地形對暴雨的增幅作用

暴雨多發(fā)生在小尺度山脈的迎風(fēng)坡,以及平原與山脈的過渡地區(qū)(朱乾根,2007;陸漢城和楊國祥,2015),地形與降水系統(tǒng)的相互作用可直接影響降水的強度與落區(qū)。此次暴雨過程的強降水集中時段為17日00—03時,其落區(qū)在華鎣山脈南端與東側(cè)寬谷丘陵過渡區(qū),即暴雨過程可能與地形作用緊密聯(lián)系。下文將對此次暴雨過程的嶺谷地形作用進(jìn)行分析。

5.1 嶺谷地形下鋒面抬升作用

移動性冷鋒的冷氣團(tuán)側(cè)環(huán)流可跟隨冷鋒越過地形,地形阻擋作用相對較小,但地形對鋒區(qū)的垂直運動分布的影響較大,主要表現(xiàn)為在迎風(fēng)坡加強、背風(fēng)坡減弱(談?wù)苊艉臀闃s生,2000)。選取華鎣山南端大暴雨站附近地區(qū)(30.25°N)的緯向剖面做進(jìn)一步分析,如圖6a所示,地面冷空氣侵入明顯,17日00時在106°E附近地面以上存在向冷區(qū)傾斜的θse等值線密集區(qū),冷鋒鋒面特征明顯,鋒面傾斜方向有較大的上升運動,說明已經(jīng)觸發(fā)該處的不穩(wěn)定層結(jié),暖空氣沿鋒面強迫抬升明顯,鋒區(qū)東側(cè)華鎣山與七曜山之間邊界層附近存在向上凸起的θse,中心強度大于370 K,且在850 hPa高度附近,華鎣山迎風(fēng)坡強上升氣流與七曜山附近下沉氣流構(gòu)成鋒前垂直環(huán)流(圖6藍(lán)色箭頭)。隨著冷氣團(tuán)的推進(jìn),冷鋒爬山時鋒區(qū)向上“隆起”,緯向風(fēng)開始減弱,暖氣流由鋒面攀爬轉(zhuǎn)為垂直上升運動,同時,兩山之間存在環(huán)境大氣不穩(wěn)定層結(jié),層結(jié)穩(wěn)定度的減小使得鋒前環(huán)流加強明顯(錢滔滔和呂克利,1997),17日03時不穩(wěn)定能量已經(jīng)被觸發(fā),垂直環(huán)流風(fēng)速加大,上升運動明顯加強,說明冷鋒在過山時在華鎣山南端附近觸發(fā)了強烈的上升運動(圖6b),出現(xiàn)暴雨過程最大小時強降水(渝北秦家站,58 mm)。

注：黑色陰影：地形,藍(lán)色箭頭：垂直環(huán)流,底部黑色三角和黑色方塊分別表示華鎣山和七曜山位置。圖6 2020年6月17日(a)00時,(b)03時沿30.25°N的u、ω合成風(fēng)場(箭矢：緯向風(fēng),單位：m·s-1,垂直速度,單位：10-1 Pa·s-1)和假相當(dāng)位溫(填色)緯向剖面Fig.6 Latitudinal profiles along 30.25°N of u and ω composite wind field (vector, latitudinal wind, unit： m·s-1,vertical velocity, unit： 10-1 Pa·s-1) and pseudo-equivalent potential temperature (colored) at (a) 00 UTC, (b) 03 UTC 17 June 2020

嶺谷地形作用下冷鋒在迎風(fēng)坡爬山時上升運動加強,明顯觸發(fā)鋒前強不穩(wěn)定能量釋放,使得垂直環(huán)流風(fēng)速加大,即局地的動力和熱力不穩(wěn)定條件共同作用導(dǎo)致了大暴雨的發(fā)生。

5.2 嶺谷地形對水汽聚集作用

強降水發(fā)生前,四川盆地侵入干冷空氣與暖濕空氣在重慶西部交匯形成低渦輻合(圖4c)。受其影響,水汽在平行嶺谷西側(cè)平原堆積,主要集中在850 hPa 以下,四川盆地冷空氣侵入強迫抬升使得水汽通量散度大值區(qū)向盆地傾斜(圖7a)。17日00—05時在華鎣山附近(106.5°E)一直維持著水汽強輻合中心,最強達(dá)-22.5×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2以上,且900 hPa水汽通量散度大值區(qū)與嶺谷地形分布重疊(圖7d),這均表明地形迎風(fēng)坡對水汽的輸送起到了抬升作用并在該地區(qū)聚集,此外,水汽通量在華鎣山南端的繞流輸送使得背風(fēng)坡附近也有一定水汽聚集(圖7d紅色箭頭)。暴雨區(qū)上空水汽來源主要集中在850 hPa以下的水汽輻合,地形抬升和繞流作用下嶺谷上空持續(xù)的水汽聚集使得濕空氣處于飽和狀態(tài),提高了降水效率,水汽通量散度大值區(qū)向西傾斜部分位于重慶西部暴雨上空,水汽強輻合中心則位于地形迎風(fēng)坡附近大暴雨區(qū)。17日05時水汽輻合減弱(圖7c),暴雨過程基本結(jié)束。

注：圖7a～7c中,黑色陰影：地形,底部黑色三角：華鎣山位置;圖7d中,紅色箭頭：繞流。圖7 2020年6月17日(a)00時,(b)03時,(c)05時沿30.25°N的u、ω合成水汽通量(箭矢：緯向水汽通量,單位：10 g·cm-1·hPa-1·s-1,鉛直水汽通量,單位：10-5 g·cm-2·s-1)和各層水汽通量散度(填色,單位：10-5 g·s-1·hPa-1·cm-2)緯向剖面,(d)03時的900 hPa水汽通量(箭矢,單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(填色,單位：10-5 g·s-1·hPa-1·cm-2)疊加700 m以上地形高度(等值線)Fig.7 (a-c) Latitudinal profiles along 30.25°N of u and ω composite water vapor flux (arrow： latitudinal water vapor flux, unit： 10 g·cm-1·hPa-1·s-1, vertical water vapor flux,unit： 10-5 g·cm-2·s-1) and each layer water vapor flux divergence (colored,unit： 10-5 g·s-1·hPa-1·cm-2) at (a) 00 UTC, (b) 03 UTC, (c) 05 UTC 17, and(d) water vapor flux (arrow, unit： g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (colored, unit： 10-5 g·s-1·hPa-1·cm-2) at 900 hPa superimposed with topography height above 700 m (contour) at 03 UTC 17 June 2020

5.3 嶺谷地形下中尺度輻合作用

中尺度抬升機制是強天氣被觸發(fā)的必要條件,觸發(fā)強天氣的中尺度系統(tǒng)包括邊界層輻合線、中尺度地形和中尺度重力波等,局地強天氣往往發(fā)生在中尺度地面輻合線附近,可通過提供帶狀輻合上升運動,起著胚胎和組織積云對流的作用(俞小鼎,2012;王麗榮等,2013,蘇愛芳等,2016)。

考慮平行嶺谷地形復(fù)雜,因此有必要對ERA5再分析資料與實況進(jìn)行對比以保證其適用性,選取17日00時實況資料(圖8e)和ERA5再分析資料(圖8b)的10 m風(fēng)場和2 m溫度場進(jìn)行對比分析,ERA5再分析資料的2 m溫度場整體分布與實況較為一致,但與實況等溫線有1～2 ℃溫差,地形附近等溫線密集區(qū)與實況基本一致,可以反映冷鋒特征;10 m風(fēng)場整體表征較好,地面輻合中心、輻合線與實況分析位置較為接近,故ERA5再分析資料可以較好地反映平行嶺谷附近地面氣象要素實際情況。16日21時受冷空氣在四川盆地侵入影響,重慶西部生成地面等溫線密集區(qū),兩側(cè)溫差達(dá)7 ℃(圖8a),形成了呈東北—西南走向冷鋒。非均勻下墊面的熱力和動力作用常會造成大氣邊界層輻合線的發(fā)生和發(fā)展(車軍輝等,2017),冷鋒北段在華鎣山脈左側(cè)重慶與四川廣安交界附近為一處維持的偏北風(fēng)和偏東風(fēng)形成的中尺度地面輻合線,該輻合線位于冷鋒前暖區(qū),輻合線南段則與輻合中心相配合,期間受嶺谷地形阻擋影響,地面輻合線在地形迎風(fēng)坡停滯,南側(cè)輻合中心則沿輻合線逐漸北抬,17日00—03時輻合線(輻合中心)移至華鎣山南端及東側(cè)寬谷丘陵過渡區(qū)(圖8b,8c),即輻合線在嶺谷地形維持,此時段嶺谷地區(qū)發(fā)生暴雨,由此可見,地形影響下的中尺度輻合線(輻合中心)的移動變化與強降水落區(qū)、發(fā)展演變關(guān)系密切。17日05時(圖8d)輻合中心移出暴雨區(qū),冷鋒東移過境,轉(zhuǎn)為偏西氣流控制,溫度下降,降水減弱結(jié)束。

注：藍(lán)色方框：大暴雨區(qū),黑色實線：輻合線,D：輻合中心。圖8 2020年6月(a)16日21時,(b)17日00時,(c)17日03時,(d)17日05時地面10 m風(fēng)場(風(fēng)矢)和2 m溫度場(填色)疊加500～1500 m地形高度(等值線),(e)17日00時地面實況10 m風(fēng)場(風(fēng)羽)和2 m溫度場(等值線,單位：℃)Fig.8 Evolution of surface 10 m wind field (wind vector) and 2 m temperature field (colored) superimposed with 500-1500 m topography height (contour) at (a) 21 UTC 16, (b) 00 UTC 17, (c) 03 UTC 17, (d) 05 UTC 17 June, and (e) observed surface 10 m wind field (barb) and 2 m temperature field (contour, unit： ℃) at 00 UTC 17 June 2020

5.4 嶺谷地形下中尺度對流系統(tǒng)演變過程

結(jié)合重慶雷達(dá)組合反射率和地面輻合線(輻合中心)演變(圖9)進(jìn)一步分析可知,影響此次暴雨過程的中尺度對流系統(tǒng)分為兩個階段,16日22：57至17日00：46為第一階段(圖9a～9d),16日22：57(圖9a)在暴雨區(qū)以西地區(qū)的輻合線西側(cè)和南側(cè)有兩個對流系統(tǒng)A和B生成,回波最大強度均可達(dá)50 dBz 以上,系統(tǒng)A為橫向帶狀強回波,系統(tǒng)B為中尺度對流單體,皆隨輻合線的緩慢東移北抬,17日00：02(圖9b)受地形阻擋影響,系統(tǒng)A在山脈西側(cè)演變?yōu)閴K狀回波并停滯,且回波范圍增大,強度減弱為45～50 dBz,造成華鎣山西側(cè)丘陵地區(qū)暴雨;系統(tǒng)B在華鎣山南端受地形和地面輻合中心影響,迅速發(fā)展增強,隨后系統(tǒng)A和系統(tǒng)B在輻合線附近合并為多單體塊狀回波,單體強中心達(dá)60 dBz,對應(yīng)華鎣山沿山暴雨,17日01：30該塊狀回波分裂減弱,第一階段結(jié)束(圖9e)。17日01：30—03：41為第二階段(圖9e～9i),減弱的對流系統(tǒng)B在17日02：13 再度于華鎣山南端與谷地過渡區(qū)組織加強(圖9f),中心強度達(dá)60 dBz,并與17日00：46生成并快速移動的對流系統(tǒng)C和D合并向東移動,持續(xù)影響至17日02：57(圖9h)帶來第二階段強降水,期間冷鋒配合沿輻合線北抬的輻合中心在華鎣山南端迎風(fēng)坡上升運動的加強是導(dǎo)致對流系統(tǒng)B在新組織增強的主要原因。17日03：41隨著地面輻合中心的北抬回波減弱(圖9i),整個暴雨過程基本結(jié)束。

注：字母：主要對流系統(tǒng)。圖9 2020年6月16—17日雷達(dá)組合反射率(填色)疊加500～1500 m地形高度(等值線)Fig.9 Radar composite reflectivity (colored) superimposed with 500-1500 m topography height (contour) from 16 to 17 June 2020

綜上所述,對流系統(tǒng)的發(fā)展和移動與地面輻合線(輻合中心)的位置變化關(guān)系密切,地形抬升作用使中尺度對流系統(tǒng)停滯在華鎣山沿山附近,其對鋒面抬升的增幅有利于組織對流的加強,華鎣山南端與谷地過渡區(qū)中尺度對流系統(tǒng)B兩個階段的兩次加強是導(dǎo)致該區(qū)域形成大暴雨的直接原因。

5.5 平行嶺谷地形強降水天氣系統(tǒng)模型

上文分析了嶺谷地形在暴雨過程中對鋒面抬升、中尺度輻合線、水汽聚集的重要作用以及中尺度對流系統(tǒng)的演變過程,結(jié)合天氣環(huán)流背景探討了大暴雨在華鎣山南端和東側(cè)寬谷丘陵過渡區(qū)的形成發(fā)展機制?？偨Y(jié)此次地形局地暴雨的形成機制,在平行嶺谷地區(qū)給出此次大暴雨天氣系統(tǒng)概念模型(圖10)。

圖10 2020年6月16—17日平行嶺谷地形強降水天氣系統(tǒng)模型圖Fig.10 Map of the model weather system for heavy precipitation in the parallel ridge-valley topogragphy from 16 to 17 June 2020

如圖所示,在高空槽、西南低空氣流和西南低渦切變天氣系統(tǒng)影響下,導(dǎo)致了冷鋒、地面輻合線移動發(fā)展,受地形抬升作用影響,冷鋒配合沿地面中尺度輻合線北抬的輻合中心在迎風(fēng)坡上升運動明顯加強,鋒前華鎣山、七曜山兩山之間垂直環(huán)流風(fēng)速也隨之加大,最后在華鎣山南端輻合區(qū)導(dǎo)致嶺谷地形強降水發(fā)生。

6 結(jié)論與討論

本文利用加密自動氣象觀測站,ERA5再分析資料以及多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù),對2020年6月16—17日重慶西部平行嶺谷地形作用下的局地暴雨過程進(jìn)行了分析,結(jié)論如下：

(1)此次局地暴雨具有強度大,局地性強,短歷時的特點,且?guī)X谷地形地區(qū)降水強度明顯較大。高空槽引導(dǎo)冷空氣入侵四川盆地,同時配合低渦切變以及低空急流為暴雨區(qū)提供了有利的環(huán)流背景條件,在有利的多尺度系統(tǒng)影響作用下,配合嶺谷地形穩(wěn)定維持的地面中尺度輻合線導(dǎo)致了此次暴雨,暴雨區(qū)出現(xiàn)在低渦中心東側(cè)、暖切變線南側(cè)、低空急流的左前方高濕區(qū)。

(2)穩(wěn)定維持的低空急流對暴雨發(fā)生發(fā)展具有重要作用。急流動力輻合氣流配合高層輻散有利于垂直方向形成大氣抽吸效應(yīng),從而加強垂直上升運動,垂直速度最大可達(dá)-1.4 Pa·s-1,為暴雨提供有利的動力條件,且水汽通量散度、高低層正負(fù)散度、上升垂直速度的大值區(qū)和強不穩(wěn)定層結(jié)的維持時段與暴雨過程具有較好的對應(yīng)關(guān)系。此外,受地形影響在850 hPa以下邊界層,水汽聚集(水汽通量散度<-10×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2)、輻合上升(垂直速度<-0.6 Pa·s-1)以及不穩(wěn)定性(近地面層至850 hPa的Δθse>6 K)三者都具有明顯的強中心區(qū)域,使得降水明顯增加。

(3)冷鋒配合沿輻合線北抬的輻合中心在迎風(fēng)坡抬升,加強了垂直上升運動,且鋒區(qū)東側(cè)華鎣山與七曜山之間邊界層附近存在向上凸起的θse,中心強度大于370 K,使得鋒前垂直環(huán)流風(fēng)速加大,加之在嶺谷地形抬升和繞流作用下,該地區(qū)上空水汽聚集明顯,這是導(dǎo)致華鎣山南端以及東側(cè)寬谷丘陵過渡區(qū)暴雨增幅的重要原因。

(4)中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展演變與地面輻合線的位置變化關(guān)系密切,第一階段在地形輻合線和輻合中心影響下,對流系統(tǒng)在華鎣山附近停滯帶來華鎣山沿山暴雨,第二階段迎風(fēng)坡垂直運動的加強使得華鎣山南端已經(jīng)分散減弱的對流再次組織加強,配合快速東移對流單體合并在該地區(qū)形成大暴雨,兩個階段對流系統(tǒng)組合反射率強度均可達(dá)60 dBz。

利用再分析資料探究了重慶西部平行嶺谷局地暴雨的形成機制,著重對暴雨過程中地形對降水的增幅作用進(jìn)行了分析,為揭示嶺谷地形影響暴雨的特征與機制提供了一些線索。但嶺谷地形影響下冷鋒的精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征,華鎣山、七曜山地形下鋒前環(huán)流對暴雨過程影響的分析還不夠深入,還需要應(yīng)用中尺度模式數(shù)值試驗做進(jìn)一步研究,同時氣候背景下平行嶺谷地形不同海拔、不同位置降水日變化定量特征,以及不同層次低空急流與地形夾角對暴雨強度和落區(qū)的影響等也有待進(jìn)一步研究。