恩施“6·24”暴雨中尺度系統(tǒng)特征分析

譚艷立，羅菊英

(湖北省恩施州氣象局，湖北 恩施 445000)

1 引言

恩施自治州位于湖北省西南部，每年夏季汛期，尤其是梅雨期頻繁遭受暴雨襲擊，其引發(fā)的山體滑坡、泥石流、地質(zhì)災(zāi)害以及中小河流洪水等災(zāi)害給人們造成了人力、財(cái)力上的巨大損失。許多業(yè)內(nèi)前輩們對(duì)長江中下游暴雨的環(huán)流形勢，影響系統(tǒng)，物理量診斷，以及多尺度特征等作了研究[1-8]，研究表明：暴雨都是在一定的有利的大環(huán)流形勢下，中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展，配合較好的動(dòng)力、水汽以及不穩(wěn)定層結(jié)條件，在中小尺度擾動(dòng)觸發(fā)作用下產(chǎn)生的。由于恩施州境內(nèi)山巒起伏，溝壑縱橫，河流眾多，獨(dú)特的山地氣候特征以及復(fù)雜的地形和下墊面，使得恩施地區(qū)的暴雨具有落區(qū)分散、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，關(guān)于恩施本地暴雨的研究[9-13]，主要對(duì)造成恩施暴雨的環(huán)流形勢、各種物理量的診斷以及地形作用作了分析，本文利用常規(guī)氣象資料、TBB資料和雷達(dá)資料進(jìn)一步對(duì)恩施暴雨的中尺度特征進(jìn)行分析總結(jié)，為恩施暴雨的中尺度研究以及氣象預(yù)報(bào)服務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。

2 降水概況

圖1 恩施州2016年6月24日08時(shí)—25日08時(shí)降水量分布圖(粗實(shí)線為100 mm以上降水區(qū)域)(單位：mm)Fig.1 The spatial distribution of precipitation in Enshi 2016062408-2016062508 (the heavy line is the precipitation area of more than 100 mm) (unit:mm)

2016年6月24—25日，恩施州普降暴雨，降水自北向南發(fā)展，主要集中時(shí)段為24日02—22時(shí)，不同區(qū)域強(qiáng)降水集中時(shí)段不同，州北部主要發(fā)生在24日02—12時(shí)、中部16—19時(shí)、南部19—22時(shí)。從強(qiáng)降水落區(qū)看(圖1)，大部暴雨，最強(qiáng)降水集中在巴東、建始、來鳳。從降水強(qiáng)度及降水性質(zhì)看，對(duì)流性特征明顯，多站不同時(shí)段出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)40 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水，州北部最強(qiáng)降水集中在05—07時(shí)，州南部集中在18—20時(shí)，小時(shí)最大為47.9 mm/h,出現(xiàn)在來鳳洞塘壩的19—20時(shí)，其次是18—19時(shí)的朝陽寺站(47.3 mm)。統(tǒng)計(jì)340個(gè)自動(dòng)站23日20時(shí)—25日08時(shí)36h累積量，有3站超過300 mm，9站200～300 mm，87站100～200 mm，最強(qiáng)降水出現(xiàn)在建始火龍(313.3 mm)。統(tǒng)計(jì)24日08—25日08時(shí)24 h雨量，8個(gè)國家觀測站中，建始、巴東、來鳳大暴雨，最強(qiáng)建始151.8 mm，恩施、咸豐、鶴峰暴雨。綜合上述，此次降水過程具有持續(xù)時(shí)間長，影響范圍廣，局地強(qiáng)度大的特點(diǎn)，強(qiáng)降水誘發(fā)山洪、泥石流等次生災(zāi)害，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)損失嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)了人員傷亡。

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生的天氣尺度環(huán)境

從天氣尺度環(huán)境場上可以看出，對(duì)流層中層500 hPa圖上(圖2a)中高緯地區(qū)為兩槽一脊型，巴爾喀什湖(巴湖)和我國東北地區(qū)各維持一個(gè)高空冷渦，巴湖冷渦東南側(cè)不斷有短波槽分裂東移帶動(dòng)冷空氣南下，從東北冷渦伸出的槽線一直伸展到長江中下游地區(qū)，貝加爾湖(貝湖)地區(qū)為高壓區(qū)，高壓脊從貝湖北部伸展到我國西北東部，恩施地區(qū)受貝湖脊底部影響，其上游青海與四川交界處有一短波槽發(fā)展，未來與巴湖冷渦伸出的槽線同位相疊加；低緯度地區(qū)西太平洋副熱帶高壓(副高)西伸加強(qiáng)并呈帶狀分布在臺(tái)灣以東洋面至我國云南東部地區(qū)，青藏高原南部維持一短波槽。對(duì)流層低層850 hPa圖上(圖2b)，受高原槽東移和副高西伸加強(qiáng)的強(qiáng)迫作用影響，副高西北側(cè)西南急流建立加強(qiáng)，達(dá)到14～18 m/s，這支氣流一是向恩施地區(qū)輸送暖濕水汽，與中緯度短波槽帶動(dòng)的冷空氣在恩施地區(qū)交匯；二是這支氣流在向北推進(jìn)的過程中受川東渝西西南渦發(fā)展影響，在重慶中部—湖北南部形成一條切變線，切變線南部西南氣流與隨著東北冷渦旋轉(zhuǎn)南下的東北氣流在湖北南部形成明顯的輻合，為恩施地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了良好的熱力和動(dòng)力條件。

綜上所述，本次強(qiáng)降水，具有典型的兩槽一脊“單阻型”梅雨環(huán)流特征，暴雨發(fā)生在大尺度暖脊底部，上游高原槽與中高緯短波槽同位相疊加，副高西伸加強(qiáng)，基本穩(wěn)定在23～25°N之間，低層切變線的形成和低空西南急流的建立等天氣系統(tǒng)的合理配置條件下，這種環(huán)流背景為此次暴雨中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了良好的天氣尺度環(huán)境。

圖2 2016年6月24日08時(shí)500 hPa位勢高度場(a)、850 hPa風(fēng)場(b) Fig.2 500 hPa geopotential height field on 2016062408 (a), 850 hPa wind field on 2016062408 (b)

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展

4.1 自動(dòng)站觀測資料分析

分析恩施州8縣市降水實(shí)況(圖略)可知，這場暴雨于24日01時(shí)左右開始于州北部，到05時(shí)左右開始加強(qiáng)，白天段最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在08—11時(shí)，最大小時(shí)雨強(qiáng)發(fā)生在10時(shí)的建始縣的渡浪溝站為40.3 mm，并伴有雷暴大風(fēng)；建始北部，巴東中部08—11時(shí)3 h降水量大部在50 mm以上，最大出現(xiàn)在建始滬渝K1336站，3 h降水量為80.4 mm；11時(shí)開始，降水明顯減弱，到下午16時(shí)，恩施市南部出現(xiàn)局地短時(shí)強(qiáng)降水；夜間段主要開始于18時(shí)，雨帶南壓到恩施州南部咸豐、來鳳地區(qū)，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在20時(shí)的來鳳洞塘壩站為47.9 mm，21時(shí)雨帶基本移出恩施州地區(qū)。此次暴雨過程持續(xù)時(shí)間長，強(qiáng)降水至北向南持續(xù)了近24 h；空間上分布不均，強(qiáng)降水區(qū)域主要分布在州北部和南部，局地性強(qiáng)，表現(xiàn)為明顯的中尺度對(duì)流性特征。

4.2 衛(wèi)星TBB資料

24日白天，降水云團(tuán)主要在恩施州北部，從衛(wèi)星TBB資料逐小時(shí)演變(圖3)可以看出，24日07時(shí)，恩施州西部和北部有多個(gè)對(duì)流云團(tuán)，此時(shí)云團(tuán)A和云團(tuán)B基本是相互獨(dú)立的，到了08時(shí)，云團(tuán)A和云團(tuán)B合并加強(qiáng)，并呈現(xiàn)出不規(guī)則結(jié)構(gòu)，云團(tuán)C明顯減弱，09時(shí)合并的云團(tuán)達(dá)到最強(qiáng)，云頂亮溫小于-48 ℃的冷云面積達(dá)2×104 km2，造成州北部巴東、建始地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到了40.3 mm，后逐漸分散減弱，11時(shí)TBB冷中心基本移出恩施地區(qū)，11時(shí)以后，降水顯著減弱，大部分地區(qū)為少量殘留弱降水，到17時(shí)，恩施州南部新的對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，從衛(wèi)星TBB資料逐小時(shí)演變可以看出，云團(tuán)D和云團(tuán)E相互獨(dú)立且相離較遠(yuǎn)，到了18時(shí)，隨著系統(tǒng)東移，兩個(gè)中β尺度系統(tǒng)快速合并加強(qiáng)并呈東北西南向帶狀分布，19時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，云頂亮溫<-40℃的冷云面積達(dá)1.5×104 km2，造成南部咸豐、來鳳地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，21時(shí)對(duì)流云團(tuán)基本移出恩施地區(qū)，整個(gè)降水過程結(jié)束。從上面的分析可知，恩施地區(qū)24日兩個(gè)階段的暴雨過程的直接影響系統(tǒng)都是中β尺度對(duì)流系統(tǒng)，且兩個(gè)階段中β尺度對(duì)流系統(tǒng)都是由兩個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)合并而成，時(shí)間尺度都約為5 h，但兩個(gè)階段的中β尺度系統(tǒng)的形狀有所差異，水平尺度及影響區(qū)域也不同。

4.3 雷達(dá)資料分析

從多普勒雷達(dá)回波圖上(圖4)可以看出，此次降水性質(zhì)以混合性降水為主，中β尺度對(duì)流系統(tǒng)在天氣尺度環(huán)境中發(fā)生發(fā)展。分析雷達(dá)回波演變圖得知，24日07時(shí)，強(qiáng)回波中心已經(jīng)形成，回波主體在建始縣北部，中心回波強(qiáng)度為48 dBz，回波帶東移南壓的速度較緩慢，約15 km/h，而回波主體上游的零散回波移動(dòng)較快，逐漸合并到回波主體中，回波帶強(qiáng)度增強(qiáng)，范圍增大，到09時(shí)左右達(dá)到峰值，回波中心強(qiáng)度在50 dBz以上，此時(shí)建始縣北部和巴東縣局部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，最大小時(shí)雨強(qiáng)為40.3 mm/h,并伴有雷暴大風(fēng)天氣，隨著回波帶繼續(xù)東移南壓，11時(shí)，強(qiáng)回波帶逐漸移出恩施地區(qū)，恩施地區(qū)降水明顯減弱。到了17時(shí)，南部降水回波開始發(fā)展，此時(shí)主要表現(xiàn)為多個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)零散分布，最大回波中心為51 dBz，隨著回波向東北方向的移動(dòng)，零散的回波中心合并為一個(gè)強(qiáng)回波帶，并且回波帶表現(xiàn)為后向傳播，回波影響范圍擴(kuò)大，降水強(qiáng)度加強(qiáng)，咸豐縣和來鳳縣均出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水天氣，到19時(shí)左右發(fā)展到最強(qiáng)，回波中心強(qiáng)度為55 dBz以上，最大小時(shí)雨強(qiáng)為47.9 mm/h，21時(shí)強(qiáng)回波帶移出恩施地區(qū)，整個(gè)降水過程趨于結(jié)束。

圖3 2016年6月24日07時(shí)、08時(shí)、11時(shí)、17時(shí)、18時(shí)、21時(shí)TBB分布圖Fig.3 The distribution of TBB at 7∶00、8∶00、11∶00、17∶00、18∶00、21∶00 on 20160624

圖4 2016年6月24日07時(shí)、09時(shí)、11時(shí)、17時(shí)、19時(shí)、21時(shí)CR分布圖Fig.4 The distribution of CR at 7∶00、9∶00、11∶00、17∶00、19∶00、 21∶00 on 20160624

5 物理量場分析

5.1 動(dòng)力條件

暴雨的發(fā)生發(fā)展與高低空系統(tǒng)的配置和相互作用密切相關(guān)，從中分析(圖5a)可以看出，在對(duì)流層中層500 hPa上副高穩(wěn)定維持在江南，恩施處于暖脊底部、副高西北側(cè)，700 hPa和850 hPa上川東地區(qū)有一低渦發(fā)展，恩施主要受與低渦相聯(lián)系的“人”字形切變線的北支切變線影響，地面圖上江淮地區(qū)有梅雨鋒，恩施存在東北西南走向的邊界層輻合線，這也是這次暴雨觸發(fā)系統(tǒng)之一；從850 hPa溫度場可以看出，在貴州—湖南—江西一帶存在一條溫度脊，在河南—湖北西北部一帶存在一條溫度槽，恩施剛好處于這兩條溫度槽脊之間的冷暖空氣交匯處，有利于對(duì)流性天氣發(fā)生發(fā)展；200 hPa上，恩施處于南壓高壓東北部分流區(qū)。在上述從高到低的配置下形成低層輻合高層輻散，從而形成抽吸效應(yīng)，加之高層通風(fēng)作用以及系統(tǒng)和降水之間的正反饋的作用，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，從垂直速度時(shí)間剖面圖(圖5b)可以看出，24日08時(shí)前后在對(duì)流層中低層形成了負(fù)值中心，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，大量水汽輻合上升凝結(jié)成云致雨，而恩施“三山(北部巫山、東南部武陵山、西部齊岳山)鼎力”的地形對(duì)此次暴雨的觸發(fā)作用尤為重要，邊界層輻合線基本與地形槽相平行。此次暴雨過程冷空氣路徑有兩條，一是隨著東北冷渦旋轉(zhuǎn)南下，沿東北氣流侵入恩施，二是500 hPa暖脊前西北氣流帶動(dòng)冷空氣南下影響恩施。

圖5 2016年6月24日08時(shí)中分析綜合圖(a)、23日08時(shí)—26日08時(shí)垂直速度時(shí)間剖面圖(b)Fig.5 Collective diagram of the mesoanalysis on 2016062408 (a)，the time profile of vertical velocity on 2016062308—2016062608 (b)

5.2 熱力條件和不穩(wěn)定機(jī)制

從23日20時(shí)恩施站探空圖(圖6a)可以看出，近地層表現(xiàn)為SSW風(fēng)，風(fēng)隨高度逐漸順轉(zhuǎn)，0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)11.29 m/s，表明低層有暖平流，500 hPa以下T-Td<4 ℃，表明對(duì)流層低層有深厚的濕層，500～300 hPa左右T-Td急劇增大，表明對(duì)流層中層有干層，從23日20時(shí)T850-500分布(圖略)也可以看出恩施T850-500在24 ℃左右，這種明顯的中層干冷低層暖濕的大氣層結(jié)說明恩施上空為強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定，其K指數(shù)達(dá)42 ℃；從Tmax分布(圖略)可以看出21—23日是升溫過程，23日最高氣溫在30 ℃左右，前期溫度高，有利于不穩(wěn)定能量積累，其cape值在2 000 J/kg以上，上述能量及不穩(wěn)定條件為暴雨的發(fā)生提供了有利條件，圖中顯示短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生可能性也都在臨界值以上。

分析θse時(shí)間剖面圖(圖6b)可以看出，暴雨發(fā)生前期是一個(gè)能量累積過程， 23日08—20時(shí)，恩施低層是一個(gè)帶狀分布的θse大值區(qū)，大值中心數(shù)值達(dá)88 ℃左右，700～400 hPa之間有一相應(yīng)呈帶狀分布的θse小值區(qū)，從低到高，?θse/?z<0，表現(xiàn)為強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)，若此時(shí)低層有擾動(dòng)機(jī)制，即可觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣；24日08—20時(shí)左右θse分布密集，表現(xiàn)為明顯的能量鋒區(qū)，這段時(shí)間是能量釋放階段，與暴雨發(fā)生時(shí)間相吻合，在此之后，θse數(shù)值上減小且分布上表現(xiàn)為中性或穩(wěn)定層結(jié)。

5.3 水汽條件

充足的水汽條件是形成暴雨的條件之一，《天氣學(xué)原理和方法》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。分析24日08時(shí)比濕場(圖略)可知，恩施比濕在14 g/kg以上，達(dá)到了暴雨產(chǎn)生的臨界值；除了較高的飽和比濕外，恩施處于副高西北部，一是西北部西南急流從南海為恩施帶來水汽，二是副高南部偏東氣流將西太平洋的水汽帶到恩施，使得恩施相對(duì)濕度在80%以上，中分析圖中濕區(qū)有所表現(xiàn)；分析恩施水汽通量散度時(shí)間剖面圖(圖7a)得知， 24日08時(shí)前后， 700 hPa以下有明顯的強(qiáng)的負(fù)值中心，水汽輻合較強(qiáng)，結(jié)合前面動(dòng)力抬升條件，水汽在恩施地區(qū)有強(qiáng)烈的輻合上升，與暴雨發(fā)生時(shí)間段相吻合。

圖6 2016年6月23日20時(shí)T-lnp圖(a) 、22日20時(shí)25日20時(shí)θse時(shí)間剖面圖(b)Fig.6 T-lnp on 2016062320 (a)，the time profile of θse on 2016062220—2016062520 (b)

從相應(yīng)的地面圖(圖7b)上可以看出，整個(gè)湖北基本處于鞍型場中，恩施處于暖倒槽東北部和梅雨鋒前暖舌中，從南海到恩施一帶盛行一致的西南風(fēng)，從東部沿海到恩施一帶盛行東北氣流，有利于南來水汽輸送以及東部部分水汽向恩施地區(qū)輸送。

圖7 2016年6月23日08時(shí)—26日08時(shí)水汽通量散度時(shí)間剖面圖(a)、24日08時(shí)海平面氣壓(實(shí)線)和地面溫度(虛線)疊加圖(b)Fig.7 The Time profile of water vapor flux divergence on 2016062308—2016062608 (a)，the stacking chart of Sea level pressure (solid line) and ground temperature (dotted line) on 2016062408(b)

6 結(jié)論

①本次強(qiáng)降水，具有典型的兩槽一脊“單阻型”梅雨環(huán)流特征，在有利的大尺度環(huán)流背景下，在高空槽、低層低渦切變、西南急流、地面中尺度輻合線等中尺度天氣系統(tǒng)的共同影響、相互作用下，形成了此次大范圍強(qiáng)降水。

②此次暴雨過程空間上分布不均，局地性強(qiáng)，表現(xiàn)為明顯的中尺度對(duì)流性特征，雷達(dá)回波圖上降水性質(zhì)表現(xiàn)為混合性降水，24日兩個(gè)階段的暴雨過程的直接影響系統(tǒng)都是中β尺度對(duì)流系統(tǒng)，且兩個(gè)階段中β尺度對(duì)流系統(tǒng)都是由兩個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)合并而成，合并后TBB冷中心亮溫更低，冷云面積進(jìn)一步擴(kuò)大，兩個(gè)階段對(duì)流云團(tuán)時(shí)間尺度都約為5 h，但形狀有所差異，水平尺度及影響區(qū)域也不同。

③此次暴雨過程是在上干冷下暖濕強(qiáng)的大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件下，梅雨鋒、邊界層輻合線和地形槽的觸發(fā)作用將前期積累的能量釋放產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流天氣，同時(shí)，副高外圍西南氣流將南海和西太平洋的源源不斷的水汽向恩施輸送，高層輻散低層輻合產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，大量水汽輻合上升凝結(jié)成云致雨，為暴雨的發(fā)生提供了有利的條件。