一次高低空急流脈動與短時強降雨的關系

白 慧，李路長，周 艷，楊 帆

(1.貴州省黔東南自治州氣象臺，貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州雷達站，貴州 凱里 556000)

1 引言

隨著我國新一代天氣雷達網的建立和完善，雷達在暴雨、雷雨大風、冰雹等災害性天氣過程的監測和預警工作中發揮了重要作用，用雷達資料來分析、揭示災害性天氣的發生、發展機理已經成為氣象工作者的一種有效手段。貴州省黔東南CD 型新一代天氣雷達投入業務使用兩年以來，在雷雨大風、冰雹、暴雨等強對流天氣的監測、預警和服務工作中發揮了重要作用，為防災減災做出了重大貢獻。但由于新一代天氣雷達投入業務使用時間較短，目前用雷達資料總結黔東南災害性天氣的個例少，當地災害性天氣雷達的預警閾值和預警指標還有待進一步的探索、研究和總結。李路長［1］利用黔東南新一代天氣雷達資料，對2012年4月10日黔東南大冰雹天氣回波特征作了詳細分析，總結出當地大冰雹預警的雷達回波特征，對當地冰雹災害短時臨近預警具有指導作用。劉淑媛［2］、曹春燕［3］、張京英［4］、金巍［5］利用雷達風廓線資料分析了平原和沿海地區低空急流的脈動和低空急流指數I 與降水強度的關系。但地處低緯高原的黔東南暴雨天氣過程的風場演變特征是否與平原和沿海地區的一致呢?為揭示黔東南伴有低空急流暴雨天氣過程的風場演變特征，本文利用黔東南新一代多普勒天氣雷達風廓線資料，時間分辨率為6 min，空間分辨率為300 m，垂直方向有30 層，最高達到15.2 km和地面七要素自動站、區域自動站逐10 min、逐1 h降雨量資料，詳細地分析了2013年5月25日夜間—26日早晨發生在黔東南的暴雨到大暴雨天氣過程中高、低空急流演變特征以及急流脈動與強降水的關系，為今后更好地利用雷達資料監測和預警暴雨天氣提供參考。

2 暴雨天氣過程概況

2.1 雨情概況

5月25日夜間—26日早晨，黔東南州16 縣市405 站有194 站出現暴雨，6 站大暴雨，162 站大雨，以雷山縣城107.7 mm 為最大。此次強降雨天氣過程屬對流性暴雨天氣過程，時間短、局地雨強大，大暴雨站點強降雨集中時段平均降雨強度達55 mm·h－1，以麻江碧波02—03 時1 h 降水量達75.2 mm 為最強。強降雨造成黔東南州大部地區中小河流水位不同程度上漲，部分地區出現山洪、滑坡、塌方和城鎮積澇等災害。據黔東南州民政局統計，此次暴雨到大暴雨天氣過程，造成6.129 萬人受災，緊急轉移安置0.052 萬人，農作物受災面積984.77 hm2，絕收面積50.5 hm2，倒塌房屋28 間，直接經濟損失1 098.9 萬元。

圖1 2013年5月25日08 時實況資料中尺度分析

2.2 天氣背景分析

5月25日08 時，500 hPa 圖上(圖1)，亞洲東部中高緯地區氣流平直多波動形勢，60°N、90°E 和鄂霍次克海附近分別有一冷渦，青海北部有低槽東移，甘肅南部至川南低渦槽較24日08 時明顯加深，溫度槽落后于高度槽，90°E 附近南支低槽加深，副高南撤至南海后穩定維持，其西北側西南氣流與南支槽前西南氣流合并加強，貴陽西南風由24日08時6 m·s－1增至14 m·s－1;對應700 hPa 圖上，25日08 時滇西及川中切變維持少動，長江以南地區為12～14 m·s－1的西南氣流控制，四川南部至湖北西南部存在16 m·s－1急流，貴州比濕達9 g·kg－1;850 hPa，川東南有低渦切變生成，貴州為西南氣流控制，桂中低空西南風急流建立，風速為12 m·s－1，長江以南地區比濕在12 g·kg－1以上，貴陽比濕達15 g·kg－1;地面圖上，黔北有東北－西南向輻合線生成。25日20 時(圖略)，500 hPa 低渦槽南段東移南壓至川黔交界，溫度槽仍落后于高度槽，槽后西北氣流和槽前西南氣流明顯增強，貴陽西南風達20 m·s－1;在500 hPa 高空低槽后西北氣流引導和槽前正渦度平流作用下，700 hPa 上的川中切變東移，并在切變北段甘肅東南部形成低渦，貴州大部位于切變南側西南氣流控制，桂中西南風達16 m·s－1，貴陽比濕上升至12 g.kg－1;850 hPa 低渦切變東移至重慶中部，貴州北部受切變南段影響，低空西南風急流東移至桂東至湘南，核區風速達18 m·s－1，貴陽比濕增大到17 g·kg－1;此時地面輻合線南壓至貴州中部略偏北一線，輻合線兩側溫度差明顯增大，輻合鋒生增強。

由此可見，此次暴雨到大暴雨天氣過程，高空到地面系統配置清晰，動力條件較好。同時，南支低槽、副高穩定維持以及低空西南風急流的建立、增強和維持，為暴雨和大暴雨提供了充足的水汽和能量條件。

3 高低空西南風急流脈動與強降雨關系分析

3.1 高低空西南風急流演變與短時強降雨的關系

分析黔東南新一代天氣雷達每隔6 min 一次的風廓線產品(VWP)風場演變和地面自動站逐小時最大降雨強度變化可知，21 時37分以后風速≥12 m·s－1的西南風由1.5 km 向下擴展到1.2 km，急流核區風速由14 m·s－1增大到16 m·s－1，20 m·s－1風速由5.2 km 向下擴展到4.6 km;22 時15分20 m·s－1的西南風向下擴展到4.3 km，且西南風厚度明顯增大，急流核區風速由20 m·s－1增大到22 m·s－1，說明中低層暖濕氣流增強，水汽和不穩定能量增大，高低空急流向下擴展，動量下傳，使低層擾動和水汽輻合增強，觸發強降雨發生，黃平七里壩21—22 時1 h 降水量由3.6 mm 增大到14.5 mm。23 時15分風速≥20 m·s－1的西南風向下擴展4.0 km，此時降雨強度明顯增大，黃平縣紙房鄉23 時—26日00 時強降雨強度達到42.9 mm.h－1。00 時20分風速≥12 m·s－1的西南風和風速≥20 m·s－1的西南風向下分別擴展到0.9 km 和1.5 km，高低空西南風急流下傳到最低位置，高空急流核區風速增大到26 m·s－1，近地層超低空西南風急流建立。01 時03分急流核由5.8 km 下傳至4.9 km，風速達到28 m·s－1，西南風急流達到最強時段，降雨強度進一步增大，黃平茅坪01—02 時降雨強度達69.5 mm.h－1。02 時36分西北風向上擴展到3.0 km，冷平流增強，風速≥20 m·s－1的西南風由5.8 km 再次向下擴展到4.0 km，表明中層冷暖氣流交匯再次增強，低層輻合上升運動加劇，對應的降雨強度達到高峰值，麻江碧波02—03 時1 h 降水量達75.2 mm，達到本次暴雨天氣過程中的最大雨強。03 時31分風速≥20 m·s－1的西南風向上收縮到4.6 km，低層西北風向上擴展到4.0 km，表明中層干冷空氣厚度增大，0.9 km 西南風再次增強為12 m·s－1，低層輻合再次增強，此期間雷山西江03－04時降水量達68.0 mm·h－1。隨著0.9 km 西南風減小、西北風增厚和中高層西南風急流的減弱向上收縮，降雨強度逐漸減弱，04 時03分以后近地層西南風減弱為10 m·s－1，風速≥20 m·s－1的西南風逐漸向上收縮，04—05 時最大降雨強度為榕江朗洞55.5 mm·h－1。6 時14分(圖略)以后0.9 km 西南風轉偏西風，超低空西南風急流消失，低層輻合逐漸減弱消失，西北風向上擴展到4.3 km，西南風向上收縮到5.5 km 以上，對流層中層到近地層風隨高度逆轉，為一致冷平流控制，此時降雨強度明顯減弱，06—07 時最大降雨強度減弱為36.2 m·h－1。可見，西南風急流增強和向近地面擴展與降雨強度密切相關，這對強降雨的臨近預報預警有一定預示作用。

3.2 超低空西南風急流脈動與短時強降雨的關系

分析逐10 min 最大降雨強度與0.9 km 超低空西南風急流演變關系(圖2)可知，在此次暴雨天氣過程中超低空西南風急流出現6 次跳躍式增大現象，有5 次與降雨強度明顯增大相對應。25日23時21分—23 時50分之間，0.9 km 高度西南風風速由8 m·s－1增大到10 m·s－1，降雨強度由1.0 mm增大到15.3 mm;23 時50分以后風速由10 m·s－1增大到12 m·s－1并維持到26日0 時58分，此期間出現一個強降雨集中時段，最大降雨量達18.3 mm;01—02 時40分之間，超低空急流發展到最強階段，風速出現3 次躍增，并在12 m·s－1～14 m·s－1之間變化，對應的降雨強度達到最大時段，出現2 個峰值，分別為20.9 mm 和21.9 mm;03 時20分—04 時之間，風速又從10 m·s－1增大到12 m·s－1并維持，此時段最大降雨量達20.9 mm。04 時后風速減小并長時間維持在10 m·s－1，這時降雨強度減弱，最大降雨量均＜15 mm。可見，10 min 最大降雨量超過15 mm的短時強降雨多出現在西南風風速≥12 m·s－1時段，說明此次暴雨到大暴雨天氣過程降雨強度變化與超低空西南風急流的加強、維持和減弱密切相關，超低空西南風急流使低層大氣層結不穩定狀態和水汽輸送得以長時間維持，是暴雨產生的重要原因。

圖2 2013年5月25日23 時10分—26日6 時10分逐10 min 最大降雨量與超低空急流風速演變的關系

3.3 高低空西南風急流指數與短時強降水的關系

為進一步分析高、低空急流演變與短時強降雨的關系，根據劉淑媛［2］定義的低空急流指數如下:

式中D 為某小時12 m·s－1的風速在該小時中的最低位置。

再根據張京英［4］定義的高空急流指數如下:

式中H 為某小時20 m·s－1的風速在該小時中的最低位置。

由(1)式和(2)式計算出5月25日21 時—26日07 時高低空西南風急流指數，用它們定量描述高、低空急流向擴展的程度和風速脈動的強度，并分析其變化與短時強降雨的關系。由定義可知，I、T值越大，說明12 m·s－1和20 m·s－1高低空西南風急流向下擴展的高度越低，對降水越有利［2、5］。

圖3 2013年5月25日21 時—26日9 時逐小時最大降雨強度與高低空西南風急流指數的關系

由圖3 可知，25日21 時以后，高、低空急流指數T、I 逐漸增大，降雨強度也隨之增大。26日01時低空急流指數I 增大到本次過程的最大值，并維持到04 時，降雨強度最大時段在低空急流指數I 極值出現1 h 后才發生。04 時之后低空急流指數I 減小，對應降雨強度也減弱，而高空急流指數T 比低空急流指數I 達到最大值的時間提前近1 h，最大值出現在26日00—01 時，但降雨強度最大值比高空急流下傳到最低點滯后1～2 h，這與劉淑媛［2］、曹春燕［2］、張京英［3］研究分析的最大降雨強度與I 指數增大同步有所不同，與金巍［5］研究分析的較一致，這種對應關系對強降雨的臨近預報預警有一定指示意義。但降雨強度隨著高、低空急流指數的同步減小而逐漸減弱是一致的。

4 小結

①高、低空急流的建立和耦合作用，為暴雨和大暴雨天氣的發生提供了充足的水汽、能量和動力觸發條件。

②高、低空急流脈動和向近地面擴展程度與強降雨強度變化密切相關，動量下傳使低層擾動、水汽輻合增強，觸發不穩定能量強烈釋放，是產生對流性暴雨的重要條件。

③0.9 km 超低空西南風急流在暴雨期間的建立和維持，使低層大氣層結不穩定和水汽輸送得以長時間維持，是產生暴雨的重要原因;降雨強度變化與超低空西南風急流的強度變化有關，10 min 降雨量超過15 mm的短時強降雨均出現在超低空西南風急流風速≥12 m·s－1時段內。

④降雨強度變化與高、低空急流指數T、I 變化有關，降雨強度隨高、低空急流指數的增大而增大，隨著高低空急流指數的同步減小而逐漸減弱;短時強降雨發生在12 m·s－1和20 m·s－1高低空急流加強并向下擴展到最低點1～2 h 后才發生，對暴雨的臨近預報預警有一定的指示意義。

［1］李路長，白慧，曹凱明.黔東南2012年4月10日大冰雹天氣過程雷達回波特征分析［J］.貴州氣象，2012，36(5):23－26.

［2］劉淑媛，鄭永光，陶祖鈺.利用風廓線雷達資料分析低空急流的脈動與暴雨關系.熱帶所氣象學報，2003，19(3):285－290.

［3］曹春燕，江崟，孫向東.一次大暴雨過程低空急流脈動與強降水的關系分析.氣象，2006，32(6):102－106.

［4］張京英，漆梁波等.用雷達風廓線產品分析一次大暴雨與高低空急流的關系［J］.氣象，2005，31(12):41－44.

［5］金巍，曲巖，等.一次大暴雨過程中低空急流演變與強降水的關系［J］.氣象，2007，33(12):31－38.