2019年梅汛期一次大暴雨過程成因診斷分析

章瑩菁 徐柳韻 申屠行鐘 孟倩

(1.桐廬縣氣象局,浙江 杭州 311500;2.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

0 引 言

梅雨鋒是夏季風期間東亞地區主要的降水系統,雖可帶來豐富的水資源,但也常引發洪澇災害[1]。常年的6月中旬到7月中旬,隨著大氣環流形勢的季節調整,特別是西太平洋副熱帶高壓的季節性北上,東亞季風的加強北上,長江中下游地區進入梅雨季節,但每年的梅雨存在著很大的差異。20世紀90年代以來,長江流域的梅雨鋒降水持續異常,多次發生局部性的大洪水,氣象學家們多次組織了對梅雨鋒降水的專門研究,如對引發1991年江淮流域的大洪水的研究[2]和對1998年的全流域性大洪水的研究[3-4]等。這些試驗的進行以及其他學者對梅雨鋒及其降水的研究表明,梅雨鋒上有多種尺度組合的暴雨[2,5-7]。因此,長期以來梅汛期暴雨的研究與預報一直受到人們的特別關注,關于大氣環流的短時突變和強對流天氣系統發生發展機理以及暴雨天氣系統多尺度結構等問題一直是氣象學者關注和研究的主要內容[2,8-12]。

桐廬縣地處浙江省杭州市的中南部,受梅雨鋒影響,每年都會出現不同程度的洪澇災害。2019年6月19日受梅雨鋒影響,出現大暴雨天氣,各地受災嚴重。本文利用實測雨量資料和客觀分析資料對這次強降水過程進行診斷分析,以供今后的預報服務借鑒。

1 降水特征分析

2019年6月19日浙江省杭州市南部地區出現暴雨,但處于杭州市中南部的桐廬縣卻出現了區域性的大暴雨天氣。杭州全市平均面雨量61.1 mm,其中杭州市區28.8 mm,余杭18.5 mm,蕭山43.7 mm,富陽69.1 mm,臨安38.4 mm,建德78.2 mm,淳安83.9 mm。桐廬縣面雨量139.9 mm,有10個站點降水大于等于150 mm,最大為鐘山大市211.9 mm,舊縣204.2 mm。桐廬縣氣象站日雨量達159 .1 mm,創1959年有氣象記錄以來的極值。暴雨中心出現在桐廬縣中南部地區的鐘山鄉和舊縣街道,其中07—11時降水強度特別大,07—08時小時雨強最強出現在鐘山鄉大市61.2 mm,08—09時小時雨強最強出現在舊縣73.4 mm。由于降水強度大,部分地區出現了洪澇災害及次生的地質災害。

2 天氣形勢分析

2.1 高空環流形勢

從2019年6月17—19日500 hPa的天氣圖上分析發現,副熱帶高壓已逐漸增強,脊線基本穩定在22°N附近,梅雨帶形成,浙江省于6月17日入梅。入梅后受中低層切變線影響,17—18日浙江省出現中雨局部大雨的天氣。分析6月18日20時到19日08時500 hPa的天氣圖,發現副熱帶高壓呈塊狀分布,中心在臺灣海峽附近,長江中下游以南地區在副熱帶高壓控制下,桐廬縣為一支強盛的西北氣流,有冷空氣帶下,相應的在700 hPa上為偏西氣流。在850 hPa和925 hPa上28°N附近有一東西向切變線,切變線南側為西南氣流,特別是在925 hPa上,中心風速達12 m/s,低空急流已建立,并且處在暖中心附近。由于高層為西北氣流,中低層為西南暖濕氣流,上干冷下暖濕,不穩定層結非常明顯。

2.2 地面形勢

從天氣圖演變情況可知,6月18日江南基本上維持一個低值區,20時起在浙江及以東地區30°N上有鋒生,到19日02時,有波動生成并逐漸東移,隨著波動的東移入海,有弱冷空氣從東路滲透。

3 物理量診斷分析

暴雨是各種尺度天氣系統相互作用的產物,尤其是特大暴雨或持續性暴雨,都是在幾種尺度的天氣系統(行星尺度、天氣尺度、中尺度和小尺度)相互作用的情況下發生的。充足的水汽供應、強烈的上升運動和較長的持續時間是大范圍暴雨發生和持續的3個必要條件。

3.1 水汽條件

從850 hPa的比濕圖上可知，長江中下游以南地區6月19日02—14時有一明顯的大值區,比濕普遍在14g/kg左右(圖略)。另外在700 hPa浙江省的中心值也維持在11g/kg以上,這表明濕層較為深厚,有利于強降水的出現及維持。

水汽通量的輻合可使水汽在某一區域集中。資料分析表明,一般情況下,850 hPa和700 hPa的水汽通量散度場和降水量的相關性較好。分析6月19日850 hPa和700 hPa的水汽通量散度場發現,19日02—14時850 hPa在長江中下游以南地區為一負值區,呈塊狀分布,特別是08時前后,中心在桐廬縣及以南地區,其中心值為-10×10-7g/(hPa·cm2·s),中心與低空西南風急流相對應。但在700 hPa上中心卻偏西,桐廬縣處在正負交界處。

3.1.1 GPS反演的水汽(PWV)變化

地基GPS遙感大氣水汽是20世紀末開始發展起來的一種全新的大氣水汽探測手段。李青春等在GPS遙感大氣可降水量在暴雨天氣過程中的應用分析中,認為明顯降雨天氣過程的大氣水汽的增長過程主要是大尺度水汽輸送即天氣系統輻合、水汽聚集的過程,是在有利的地面、高空天氣系統影響下,PWV出現連續增加的現象[13]。楊落華、葉其欣等利用GPS/PWV資料,對上海地區2004年一次夏末暴雨的水汽輸送進行了分析,認為GPS/PWV資料隨時間的演變特征與降水有較好的對應關系[14]。葉其欣等也認為梅雨期降水的GPS/PWV閾值>50 mm,梅雨期強對流降水的GPS/PWV閾值>60 mm[15]。分析桐廬站的GPS水汽資料,發現自6月18日夜里起桐廬站GPS/PWV水汽持續維持在65 mm以上(圖1),這也表明大氣可降水量大,925 hPa的這支西南急流對水汽的輸送也是至關重要的。

圖1 2019年6月18日20時到19日11時桐廬站GPS/PWV變化圖(單位:mm)

3.2 垂直速度

從700 hPa的垂直速度場演變分析發現,在19日這次降水過程中，桐廬縣從02時起到14時,垂直上升速度有一次增大過程,在14時前達到最大。桐廬縣的垂直速度在-0.2 Pa/s附近,上升運動較為強烈,這和桐廬縣降水在這個時段附近達最大相吻合,同時降水的對流特性也明顯。但從垂直速度的區域分布上看,中心略偏南偏西。19日20時以后，隨著降水系統的東移減弱,垂直速度中心也已東移。

3.3 渦度場和散度場

從850 hPa和700 hPa渦度場的演變分析發現,6月19日02—14時,長江中下游一帶為一大片正渦度區,桐廬縣為(1～2)×10-5s-1,正渦度中心變化不明顯。與之相對應的在850 hPa有一負散度中心,中心值為-0.7×10-5s-1,而在200 hPa的高層卻為一正散度區,但中心偏南。高低空散度場的反向配置,高層輻散,低層輻合,加強了上升的垂直環流,也為此次暴雨的產生提供了必要的動力條件。

鄭靖等認為“高空西北氣流下的暴雨形成的大尺度環境條件是沿海槽后冷平流疊加在低層不穩定的暖濕氣流上,高層輻散、低空西南急流同步加強,異常強的水汽供應、持續的不穩定層結和較大的風垂直切變等”[16]。綜合以上分析發現,該次過程中大尺度環流形勢和物理量配置雖然有利于形成大降水過程,但從整體看中心應更偏南,強度也相對要弱,當時數值模式預報的結果也是如此。但實際情況則反之,這次過程預報失誤明顯。而且從整個杭州地區的降水分布看,以桐廬縣為最大。為此，本文對這次過程中的地形條件進行了分析。

4 復雜的地形影響

桐廬縣地處浙西北山區,位于119°11′～119°58′E、29°35′～30°05′N之間,土地呈“八山半水分半田”的特征,境內多低山丘陵,地形復雜。主要山脈有南支龍門山脈,自西南向東北延伸,綿亙于縣境東南,北支天目山脈,自北向南蜿蜒于縣境之西北,地勢以東南部最高,西北部次之,中部富春江與分水江兩側為沿江沖積平原(圖2)。

圖2 桐廬縣地形圖(審圖號：浙杭S(2019)16號)

這次過程中高層為西西北到西北氣流,強降水云團在中高空西北氣流的引導下,沿著桐廬縣境自西北向東南移動,和桐廬縣的地形走向完全一致,因此降水回波移動方向總體和大山脈走向垂直。由于地形的抬升及阻擋作用,從西北臨安方向進入桐廬縣境內后的降水回波明顯增強并移動緩慢。

特別是強降水中心的鐘山鄉大市村和舊縣街道,由于地形復雜,山脈縱橫交錯,更是如此。研究表明,在山區存在有利的風速和風向垂直切變,也易造成暴雨[17]。由于地形的動力作用和熱力作用,地形流場出現一種定常的變化,表現為定常的中尺度渦旋帶[18-19],在某個風向下,會出現加強輻合特征,并與暴雨和輻合對流天氣落區相吻合。地形阻滯效應還使低空急流在山前穩定維持,導致中尺度對流系統發生發展,這是特大暴雨產生的重要原因[20]。地形的屏障作用或造成了暖濕氣流的抬升,或使氣流在山前堆積產生明顯水平氣壓梯度,影響風場輻合和水汽匯集,有利于特大暴雨的形成[21-22]。強勁的氣流遇上喇叭口山地時,一方面是迅速產生匯流與輻合的效應;另一方面是匯合的氣流又沿附近山地形成較強的爬升氣流。因此,在氣流相當潮濕時,遇上這種地形,便很容易產生較強的降水,尤其是在強暖濕氣流持續襲來時,降水就更強。1975年8月中國河南的特大暴雨,就是產生在這種情況下[23]。最強降水中心的大市,由于其所在地3面環山,海拔均在500 m以上,僅在東南方向地勢較低,屬于口袋型地形。分析發現,在發生最強降雨的07—08時,鐘山鄉大市(無風向風速資料)的東南面的吳宅自動站有4 m/s的東南風,地面輻合明顯,加上低層925 hPa上的西南暖濕氣流非常強盛,中心風速達12 m/s,因此當強盛的西南暖濕氣流遇山脈阻擋抬升加上高空偏西氣流,垂直方向的風切變明顯,使雨云和對流云團在該地加強并穩定少動,出現持續性的強降雨。在08—09時小時雨強達73.4 mm的舊縣自動站(無風向風速資料),其東北方向地面存在著一支明顯的東北氣流。由于地面有弱冷空氣從東路滲透,桐廬縣東南部鄉鎮在龍門山脈的阻擋下,自杭州灣方向以吹東北風為主,而在此時舊縣自動站上游東北風速達5.0～5.6 m/s,和自動站西南面的合嶺山脈成垂直,山體的抬升和阻擋作用也非常明顯,因此回波在這里加強并少動,導致強降水的出現。另外對天氣形勢類似的6月21日暴雨分析發現,其中心也在大市。因此當中高層為西北氣流,低層有強降水系統出現時,地形的影響,是否是該地易出現暴雨中心的主要原因,這也是我們以后有待進一步研究和探討的問題。

5 結 語

1)2019年6月19日大暴雨時在中高層為西北氣流,有冷空氣帶入,地面江南有鋒生并有波動生成發展東移,弱冷空氣東路滲透,配合中低層切變線影響,激發加強對流性降水,降水時空分布不均勻。

2)中低層的正渦度、低層強輻合高層輻散及700 hPa較大的垂直上升速度為大暴雨的產生提供了良好的動力條件。低空西南急流維持,穩定的水汽輸送,特別是近地層925 hPa存在強的西南急流,GPS反演水汽維持在65 mm以上,有利于強降水的出現。

3)該次過程中地形的抬升及阻擋作用,為大暴雨產生并創歷史紀錄起到了重要作用。由于中高層為西西北到西北氣流,強降水云團在此氣流的引導下,沿著桐廬縣鏡自西北向東南移動,和境內的山脈走向垂直,由于地形的抬升及阻擋作用,進入桐廬縣境內后降水回波明顯增強并移動緩慢,出現強降水。在強降水中心的大市,由于其3面環山的口袋型地形,地面有東南氣流自開口流入,垂直風切變明顯,地形影響更明顯。在另一強降水中心的舊縣,由于山體的阻擋,地面有輻合抬升及阻擋,造成強降水發生。

4)在中高層為西北氣流、低層有明顯的降水系統影響時,地形的影響,是否桐廬縣易出現暴雨中心的主要原因,這是我們以后有待進一步研究和探討的問題,在以后的預報中需特別關注。