一次南嶺地區早春暴雨成因分析

蔣麗敏，付 煒，袁 鐵

(湖南省永州市氣象臺，湖南 永州 425000)

0 引言

我國暴雨洪澇災害天氣頻發，強降水的預報研究一直廣受關注。范思睿等[1]指出西南地區春季降水不僅有區域一致的增加趨勢,還表現出緯向偶極型空間分布；伍紅雨等[2]分析出華南平均年和前汛期的暴雨強度有微弱增加趨勢,特別是2005年以來升幅明顯,而后汛期暴雨強度有不明顯減少趨勢；高亭亭等[3]在廣州前汛期暴雨氣候特征中指出，前汛期暴雨累積雨量與前汛期降水變化呈逐年增加趨勢。魯坦等[4]對2003—2014年河南春季暴雨系統性分析,揭示河南春季暴雨的天氣學物理概念模型大致分為低槽/低渦型和短波槽/切變線型兩類；童金等[5]提出沿海高度CH500(定義為120°E,30°N的500 hPa高度,單位:dagpm)可以作為預報安徽省春季暴雨落區的一個重要參照量,CH500偏高時易出現暴雨,但不同月份不同區域暴雨出現的比例有所差異，實際業務中對CH500要進行相應的調整。上述研究都表明強降水天氣出現時間愈早，春季暴雨出現的概率加大，對其研究也逐漸加深。

地處華中與華南交界的南嶺山脈，多強降水、強對流天氣發生。對強對流天氣集中于春末夏初[6-8]，強降水的研究多集中于汛期4—9月[9-12]，3月份的強降水研究少。董玲等[13]通過2017年發生在江西的兩次區域性春季暴雨，得出其共性是春季暴雨的強度不大，但持續時間長、雨量范圍廣而均勻，無顯著強對流天氣。2019年3月初南嶺山區出現的這次暴雨天氣過程再次證實其結論，此次過程南嶺地區大部分國家站降水當月排位歷史前5，甚至部分站降水超過歷史同期極值。南嶺獨特地形下的早春大范圍強降水研究少，有必要對此次早春暴雨進行研究，為今后春季強降水的預報提供借鑒。

1 資料來源

本文所用資料包括中國氣象局下發的常規地面和高空觀測資料、區域自動氣象觀測資料、多普勒天氣雷達資料及NCEP/NCAR再分析資料。

2 過程降水分析

2019年3月4日08時—5日20時，南嶺及其附近出現了罕見的初春暴雨到大暴雨天氣過程。主要降水時段在4日下午到5日白天，4日下午南嶺南側出現了局地暴雨，4日晚雨帶北移，5日白天雨帶向東南部移動并略有加強，到5日晚減弱向東南方向移出南嶺。整體來看，主雨帶一直穩定在南嶺山脈附近，最大累積降水量為204.4 mm(廣西桂林雁山區)。此次過程雨勢相對平緩、持續時間長、影響范圍廣。

4日08時前(圖略)中高緯貝湖脊穩定維持，脊東段不斷有小槽東出，使得東亞大槽逐漸減弱北縮，中低緯環流多波動，時而有小槽自高原東出，在黔桂一帶加強維持。4日08時(圖1a)隨著沿海槽的減弱東移，西南地區的短波槽開始頻繁生成，700 hPa上從孟加拉灣到桂北湘南一帶西南急流建立，850 hPa西南風自北部灣向北加強，高濕區向南嶺一帶擴展，其上空500 hPa對應有T-Td≥20 ℃的干舌，925 hPa處偏南風輻合區內，南嶺南側有弱的對流性降水發生。20時(圖1b)南支槽加深到川滇黔交界一帶，中低空偏南急流加強到湘中以北，在高空槽前貴州境內850 hPa有低渦生成，低渦前側的暖切變線延伸至湘贛北部，925 hPa東南風達到急流強度，邊界層輻合線發展到桂北、湘中偏南，與地面輻合線接近重疊，與之對應對流層上層200 hPa處有分流區存在，強雨帶隨急流加強北抬到南嶺北側。5日08時(圖1c)高空槽下滑，南嶺處于槽前西南氣流控制中；低層急流維持，南嶺處急流出口區，切變線緩慢南壓，并呈現與山脈走向一致的準東西向，此時強雨帶正位于南嶺山區；5日20時(圖1d)，925 hPa急流消失，中低層切變線接近重疊并南下到華南中南部，700、850 hPa急流的南風分量減弱，降水減弱，過程趨于結束。

圖1 2019年3月4日08時(a)、20時(b),5日08時(c)、20時(d)的天氣形勢配置圖Fig.1 Integrated configuration of weather situation at (a)08∶00 BT 4;(b)20∶00 BT4;(c)08∶00 BT 5;(d)20∶00 BT 5 March 2019

從地面氣壓場看來(圖略)4日08時，變性高壓主體逐漸東移到長江口，后一股冷空氣主體在貝湖西南方堆積加強；20時，西南暖低壓快速發展，低壓倒槽延伸到湘中一帶，同時北方冷高壓開始南下，鋒面在華北，但冷空氣擴散南下已影響到華南，地面輻合線位于湘南，隨著冷空氣逐漸南壓，西南暖低壓緩慢減弱南退；到5日08時，鋒面繼續南下，倒槽南退到南嶺，冷暖氣團交匯于南嶺，后期轉受偏北氣流影響。

此次過程高空槽活躍，中低層急流強盛，特別是邊界層急流維持在南嶺一帶，降水峰值時期上下層切變輻合位置接近重疊，這種高低空良好的配置為強降雨提供了很好的動力和水汽條件，冷空氣推動及暖低壓南退緩慢，增加了強降水的維持時間。

3 雷達回波分析

針對南嶺山脈附近的強降水天氣利用實況探空及雷達資料分析其降水性質，3月5日08時桂林探空站實測資料顯示(圖2a)桂林站的濕層從近地面擴展到400 hPa以上，CAPE值為0，K指數只有28.9 ℃，抬升凝結高度很低，中低層風隨高度逆轉有冷平流。上述探空資料表明，桂林站附近對流條件差，不具備出現強對流天氣的潛勢，濕層深厚，有冷平流侵入，以穩定性降水為主。雷達實況(圖略)也驗證了這一結論，強降水時期南嶺一帶大面積出現的是以層狀云降水回波為主的層積混合性降水回波。3月5日09時03分永州雷達組合反射率因子圖中(圖2b)水平面上以移動緩慢準東西向的層狀云降水回波為主，垂直剖面上表現為降水回波頂在6 km以下，強回波40 dBz的中心在3 km左右的低質心高效率降水為主。

圖2 2019年3月5日08時桂林探空站T-lnP圖(a),2019年3月5日09時03分永州站雷達組合反射率因子與沿紅色實線的反射率因子垂直剖面(b)Fig.2 T-lnP profiles at Guilin station at 08∶00 BT 5 March 2019(a),The Radar Echoof Strength in PPI and Vertical profile of Radar Echoof Strength along red line at Yongzhou station at 09∶03 BT 5 March 2019(b)

4 物理量診斷分析

充分的水汽供應是產生暴雨的主要物理條件之一[14]，孫照渤等[15]通過近50 a資料分析華南春季降水的年代際變化特征及其與大氣環流的關系，指出多雨期500 hPa高度上高原北部脊偏強利于冷空氣南下,與華南地區活躍的暖濕氣團匯合,對應的水汽場上為水汽異常輻合。2000—2019年3月4日、5日近20 a的850 hPa平均水汽情況分布來看(圖3)，孟加拉灣到華南北部有明顯的水汽輸送，強水汽輸送區位于沿海達4～6×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，南嶺地區有弱的西南水汽輸送，平均水汽通量散度3～5×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，4日略強于5日，平均比濕6～7 g·kg-1。較好的水汽條件，有利于此時期南嶺地區降水的出現。此次過程850 hPa水汽通量散度、水汽通量及比濕情況來看，4日08時(圖4a)北部灣到黔湘中北部偏南風有組織的加強，貴州高原上有弱的水汽通量輻合中心存在，強輻合區逐漸加強向東北和東南方向擴展；4日14時—20時(圖4b、圖4c)隨著低層偏南風加強到急流強度，在貴州境內的低渦強度增加，水汽輻合強度和比濕都加強，強水汽輻合呈西北—東南向的帶狀分布，南嶺西側對應著-70×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合中心；5日02時(圖4d)850 hPa風場轉冷式切變南壓到湘東北—黔桂交界一帶，強水汽輻合帶轉成東北—西南向，位于切變南側，西南急流帶上，主要在湘贛北部交界、黔桂交界處及粵北一帶，強輻合中心皆達-80×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1；5日08時(圖4e)黔桂交界處水汽輻合減弱，強水汽輻合中心略向東移南壓發展成反L型的帶狀分布，這種分布特征與南嶺山脈及羅霄山脈走向幾乎一致；5日14時(圖4f)，位于贛北的水汽輻合中心消失，南嶺一帶的強水汽輻合帶略南移減弱，仍保持與南嶺山脈平行的準東西向帶狀分布。4日20時—5日14時強水汽輻合帶一直位于850 hPa切變南側的急流帶上，急流將充沛的水汽輸送至降水區，是這次降水的主要水汽通道。暴雨水汽輻合帶中心強度達-80×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，比濕一直穩定在10 g·kg-1左右，與近20 a同期平均水汽條件對比，水汽通量輻合大一個量級，比濕大了近一倍，但并沒有達到常用的比濕≥12 g·kg-1的暴雨水汽指標。

圖3 2000—2019年3月4日(a)、5日(b)850 hPa平均水汽通量散度(填色，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)、平均水汽通量(風羽，單位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)及平均比濕(等值線，單位：g·kg-1)Fig.3 850 hPa Average water vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),average water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)and average specific humidity(contour,unit:g·kg-1)from 2000 to 2019 (a:4 March;b:5 March)

圖4 2019年3月4日08時—5日14時(北京時,間隔6 h)850 hPa水汽通量散度(填色，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)、水汽通量(風羽，單位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)及比濕(線條，單位：g·kg-1)Fig.4 Fields of 850 hPa vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)and specific humidity(contour,unit:g·kg-1)at (a)08∶00 BT 4;(b)14∶00 BT4;(c)20∶00 BT 4;(d)02∶00 BT5;(e)08∶00 BT5;(f)14∶00 BT5 March 2019

暴雨中心(廣西桂林雁山區，110.13°E，25.37°N)的水汽通量、水汽通量散度、比濕時間—高度剖面圖表明(圖5)，暴雨中心低層在4日08時起水汽輸送與匯聚明顯增強，比濕略增大；4日14時，水汽通量輻合集中在800 hPa的邊界層內，輻合中心位于850 hPa上。最強時段4日14時—5日02時850 hPa比濕為11 g·kg-1，水汽通量超過20×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，900～850 hPa水汽輻合中心強度達-70×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，強降水逐漸發展，在5日08時前后最強。此時暴雨中心水汽通量及水汽通量輻合有所減弱，但800 hPa以下始終是水汽輻合區，水汽通量超過12×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，比濕≥10 g·kg-1。散度、垂直速度的時間—高度剖面圖中顯示(圖6)，4日08時—5日20時垂直上升氣流自近地面一直擴展到200 hPa，最強時段出現在5日08時，強中心500～800 hPa的垂直上升速度達-1.4 Pa·s-1,此后上升運動強度緩慢減弱。此次過程高層有明顯的輻散區，4日白天在200 hPa上強度超過4×10-5s-1，4日夜間800 hPa以上都有弱的輻散，5日08時，輻散中心在500 hPa左右，5日14時加強到5×10-5s-1，對應的低層800 hPa以下輻合自4日08時逐漸增強，輻合中心逐漸下降至900 hPa，到4日20時強度超過-5×10-5s-1，低層強輻合維持到5日14時左右。降水峰值出現時(5日08時)是上升氣流最強盛期，亦是低層輻合、高層輻散配合最佳時段。

圖5 3月3日20時—6日02時110.13°E、25.37°N水汽通量(風羽，單位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度(填色，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)及比濕(等值線，單位：g·kg-1)的時間—高度剖面圖Fig.5 Time-vertical section of (a)water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1),water vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),specific humidity(contour,unit:g·kg-1)

圖6 3月3日20時—6日02時110.13°E、25.37°N散度(填色，單位：10-5 s-1)及垂直速度(等值線，單位：Pa·s-1)的時間—高度剖面圖Fig.6 divergence(shaded,unit:10-5 s-1)and vertical velocity(contour,unit:Pa·s-1)from 20∶00 BT 3 to 02∶00 BT 6 March 2019 (110.13°E 25.37°N)

5 地形分析

地形對降水強度、落區和災害天氣都具有重要影響[16-21]。南嶺是中國南部最大山脈和重要自然地理界線，橫亙在桂湘粵贛4省之間，由越城嶺、都龐嶺、萌渚嶺、騎田嶺和大庾嶺5條主要山嶺所組成，主要山峰海拔多在1 000 m以上，其北側是位于湘贛交界呈準南北走向的羅霄山脈。南嶺在植物生長的春季和夏季雨熱同期[22]，年均降雨量在48 a內沒有發生顯著的突變,人類活動以及氣候變化對于降水尚未造成非常明顯的影響[23]。春季連陰雨時,高空存在連續的西風急流中心帶,此時青藏高原南側有較強的低空西風繞流,遇到云貴高原后,往南繞行至中南半島,與南海副高西端較強的南風相匯,共同作用,使得南嶺山脈地形南側低層存在持續并且比較活躍的暖濕偏南風[24]。南嶺地形常造成鋒面彎曲，使得鋒面相配合的大尺度切變線或輻合斷裂為中尺度擾動，北方冷空氣到達南嶺后，由于山脈阻擋，往往在迎風坡有所停留，其越山之后又有新的鋒面生成，而西南暖濕氣流遇地形阻擋抬升易造成對流單體或降水增幅[25]。

結合這次大范圍的強降水天氣過程(圖7)，廣西東北部越城嶺主峰均在1 500 m以上，冷空氣越山困難，南海一帶已到達急流強度的偏南風北上，在明顯的喇叭口地形下，桂東北上空形成低渦，對應地面生成輻合線或中尺度氣旋，一般雷暴單體或超級單位的主要初生位置在此；湘南地區北有陽明山，南有九嶷山和萌渚嶺，西有都龐嶺，東部騎田嶺和大庾嶺，這些山脈海拔均超過1 000 m，湘南各地都處于三面環山或四面環山的山谷地帶，有利于氣流的匯集，容易出現強降水，例如湖南道縣本地海拔100 m左右，其南部海拔在400 m以下，形成四面環山，向南傾斜的準盆地地形，弱偏北風與南風相結合產生中尺度氣旋或生成輻合線出現強降水；湘贛交界處的羅霄山脈，主要山峰海拔超過1 500 m，對冷空氣南下的阻擋作用明顯，偏北風越山困難，偏南風北上受阻使得山前出現輻合，同時暖濕氣流在被迫抬升，使不穩定度增大，具有迎風坡效應，在粵北出現強降水。

圖7 2019年3月5日05時疊加了地形(填色為地形高度，單位：m)的地面最大風向風速圖(風羽,單位：m·s-1，紅點為累計降水量≥100 mm的站)Fig.7 Fields of surface maximum wind(barb,unit:m·s-1)at 05∶00 BT 5 March 2019 (Shadings indicate topography,unit:m;red dot indicate the station ≥100 mm of accumulated precipitation)

6 小結

①此次罕見的早春暴雨過程，高空槽活躍，中低層偏南急流強盛，特別是邊界層急流的出現和較長時間的維持、對流層上層200 hPa分流輻散及低層切變線接近重疊的位于南嶺山區上空，這種高低空良好的配置為強降雨提供了很好的動力和水汽條件。

②此次過程能量條件一般，水汽集中在800 hPa以下，主要是低層和邊界層的水汽輻合。明顯的低層輻合，高層輻散形勢，深厚的垂直上升氣流，強水汽輸送和水汽輻合區長時間維持，這些條件都有利于出現對流穩定的強降水。

③桂東北“喇叭口”地形使得邊界層及地面易形成氣旋式環流，增強水汽輻合，該地區易成為對流初生區；偏北氣流南下過程中，與南方暖濕氣流在南嶺山脈這類三面環山或四面環山的山谷地帶下形成中尺度氣旋，大尺度切變線、輻合線受山脈阻擋南推緩慢，增加強降水維持時間，氣流持續匯集產生輻合，使得水汽通量輻合區位置與南嶺山脈的位置、走向一致，降水增幅明顯。表現為主要山峰海拔超過1 500 m的越城嶺和羅霄山脈，≥100 mm強雨區出現在其迎風坡，而大部分山峰海拔在1 000 m左右的湘南山區，在其山谷相間分布的地形下，≥100 mm強雨區分布更為復雜，大部分分布在三面環山或四面環山的谷地。

④預報早春時節的暴雨，在熱力條件差的情況下，著重關注水汽及動力條件，特別是出現低空急流和邊界層偏南急流時，在有利的地形下易觸發中小尺度擾動而出現強降水。本文僅初步分析地形對大尺度系統性降水的影響，地形影響特別是下墊面有水體時很復雜，其特征分析有待進一步細化，以后將進行補充研究。