福建省西北部一次暖區(qū)暴雨過程天氣成因分析*

陳慶瓊 陳文杰 林 暉 鄧慧穎2,,4

(1.邵武市氣象局,福建 南平 354000；2.武夷山國(guó)家氣候觀象臺(tái),福建 南平 354300；3.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350007；4.南平市延平區(qū)氣象局,福建 南平 353000)

0 引言

福建省西北部地區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、雨量充沛，是福建省暖區(qū)暴雨的多發(fā)區(qū)。大量的預(yù)報(bào)實(shí)踐和觀測(cè)研究表明[1-3]，暖區(qū)暴雨降水強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng)、局地性顯著，由于暖區(qū)暴雨低空受南風(fēng)氣流控制，缺乏“鋒面、切變、低渦”等天氣尺度斜壓系統(tǒng)強(qiáng)迫，一直是氣象預(yù)報(bào)預(yù)警工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。近年的觀測(cè)事實(shí)表明暖區(qū)暴雨也是暴雨的重要組成部分，暖區(qū)暴雨往往強(qiáng)度大，降水集中，具有明顯的對(duì)流特征，易造成重大災(zāi)害，特別是在福建山區(qū)(閩西北)由于地形作用，危害更甚。邵武市地處福建省北部，武夷山脈南麓，閩江上游富屯溪畔，年平均降水量在2000mm左右，特別是在汛期(3-6月)時(shí)多強(qiáng)降水天氣，為暴雨災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)之一。福建省氣象局已在武夷山國(guó)家氣候觀象臺(tái)開展強(qiáng)對(duì)流外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，邵武市也屬于外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地之一，重點(diǎn)任務(wù)是開展暖區(qū)暴雨加密探空觀測(cè)試驗(yàn)。

暴雨的發(fā)生通常受三個(gè)大尺度因子的影響：來自印度洋和西太平洋夏季風(fēng)，西太平洋和青藏高原副熱帶高壓，以及北半球尤其東亞中高緯地區(qū)的異常大氣環(huán)流[4-6]。大氣環(huán)流的異常是導(dǎo)致降水異常的一個(gè)最直接的原因[7-8]。暴雨發(fā)生后，當(dāng)雨區(qū)上游存在高能中心，且以平流方式向暴雨區(qū)輸送時(shí)，不穩(wěn)定能量得以重建，這種不穩(wěn)定能量的補(bǔ)充是暴雨得以維持的重要條件。進(jìn)入21世紀(jì)后，在氣候變暖的大背景下，極端天氣事件頻發(fā)，連續(xù)性暴雨對(duì)我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)、人民生活造成了極大的威脅，福建、廣西、廣東等沿海省份是連續(xù)性暴雨的多發(fā)區(qū)域。目前針對(duì)福建省暴雨研究的文獻(xiàn)已有許多，如王新強(qiáng)等[9]對(duì)比分析了一次強(qiáng)降水過程中兩類暖區(qū)暴雨特征，指出兩次暖區(qū)暴雨均處在高溫高濕場(chǎng)中，呈低層輻合、高層輻散狀態(tài)，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，由底層的輻合或切變觸發(fā)，其中冷空氣滲透暖區(qū)暴雨多為本地場(chǎng)觸發(fā)生成，冷空氣滲透暖區(qū)暴雨對(duì)流性強(qiáng)于暖切抬升暖區(qū)暴雨。官曉東等[10]研究指出在冷暖氣流相互作用形成的持續(xù)暴雨中，鋒生的大小和位置對(duì)降水的強(qiáng)度和落區(qū)有很好的指示作用，低層以水平鋒生為主，中層以垂直鋒生為主，有利于成片暴雨的發(fā)生。黃待靜等[11]利用自動(dòng)站觀測(cè)資料和雷達(dá)資料對(duì)2018年9月23日南平市出現(xiàn)的暴雨過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明在副高控制下，伴隨高濕、高能條件，動(dòng)力抬升條件良好，干冷空氣入侵，會(huì)使得大氣中的能量在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，造成短時(shí)強(qiáng)降水。林珠應(yīng)等[12]對(duì)福建省2020年5月6-7日的暴雨過程分析指出，中高層低緯的短波槽活動(dòng)，低層切變穩(wěn)定少動(dòng)，加上西南急流、地面倒槽發(fā)展北抬觸發(fā)了此次暴雨過程，穩(wěn)定度指數(shù)在本次暴雨過程中有很好的指示意義。本文針對(duì)邵武市2021年6月28日-7月1日出現(xiàn)的一次降水極端事件，利用地面和高空氣象常規(guī)觀測(cè)資料、診斷物理量場(chǎng)及NECP再分析資料，通過聚類合成、統(tǒng)計(jì)對(duì)比等方法，重點(diǎn)闡述了這場(chǎng)暴雨過程中的環(huán)流特征和強(qiáng)降水形成機(jī)理，為福建省西北部暴雨預(yù)報(bào)提供一些思路和參考依據(jù)。

1 資料的來源與處理

本文利用2021年6月28日-7月1日福建省邵武市18個(gè)氣象觀測(cè)站的降水?dāng)?shù)據(jù)，高低空常規(guī)氣象觀測(cè)資料、診斷物理量場(chǎng)，運(yùn)用聚類合成、統(tǒng)計(jì)對(duì)比等方法分析此次過程邵武市出現(xiàn)暖區(qū)暴雨到大暴雨的天氣形勢(shì)特征及強(qiáng)降水觸發(fā)機(jī)制與形成原因。

氣象再分析資料選取以及NECP/NCAR再分析資料，它是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和國(guó)家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合推出的全球逐日再分析資料，空間水平分辨率為2.5°×2.5°。Anomaly為擾動(dòng)場(chǎng)[原始場(chǎng)減去30年(1980—2010年)氣候平均態(tài)的距平場(chǎng)]。

2 過程概況

受高空引導(dǎo)氣流、中低空急流、中尺度雨團(tuán)、武夷山脈地形強(qiáng)迫抬升等因素影響， 2021年6月28日-7月1日邵武市普降大暴雨，局部特大暴雨，經(jīng)統(tǒng)計(jì)全市18個(gè)站點(diǎn)累計(jì)雨量超過100mm，有2個(gè)站點(diǎn)雨量超過500mm，分別為下沙鎮(zhèn)鷹山隧道533.1mm、水北鎮(zhèn)三都村522.2mm，全市平均雨量254.0mm，邵武城區(qū)雨量349.7mm，日降水量(20時(shí)-20時(shí))以28日為最大，達(dá)到188.6mm。

圖1(a)為全省6月27日20時(shí)-7月1日20時(shí)過程累積降水量分布情況，可以看出，全省雨量分布特征為福建西北角最大，逐漸向南部遞減，邵武市處于降水量最大的區(qū)域。圖1(b)為邵武市6月27日20時(shí)-28日20時(shí)降水量分布情況，對(duì)比圖1(a)、(b)可知，該過程53.9%的雨量集中在6月28日。此次降水過程屬于邵武市降水極端事件(表1)，即6月28日邵武市城區(qū)日降水量、小時(shí)雨強(qiáng)歷史排位均位列第一。邵武市城區(qū)日降水量(27日20時(shí)-28日20時(shí))188.6mm，城區(qū)6小時(shí)降水量(08時(shí)-14時(shí))高達(dá)165.9mm，占日雨量的88.0%，說明強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段非常集中，雨強(qiáng)大。

表1 2021年6月28-30日暴雨過程極端事件

本次過程主要降水時(shí)段集中在6月28日09-13時(shí)。圖2為28日07-15時(shí)邵武市比較有代表性的站點(diǎn)小時(shí)雨量，其中6月28日08-14時(shí)的6小時(shí)雨量大于200mm區(qū)域自動(dòng)站有5個(gè)，以下沙鎮(zhèn)鷹山隧道雨量330.8mm為最大， 24小時(shí)雨量(27日20時(shí)-28日20時(shí))大于300mm的區(qū)域自動(dòng)站有3個(gè)，以下沙鎮(zhèn)鷹山隧道雨量366.2mm為最大，最大小時(shí)雨量(84.3mm)也出現(xiàn)在該站點(diǎn)(28日13時(shí))。

圖2 2021年 6月28日07-15時(shí)邵武市小時(shí)雨量

3 環(huán)流背景及影響天氣系統(tǒng)

3.1 環(huán)流背景

從6月28日08時(shí)500hPa高度圖上(圖略)可見，高緯環(huán)流為兩槽一脊型，脊位于貝加爾湖以東，其東側(cè)槽區(qū)東移過程中有分裂的低槽，東北有冷渦，冷空氣從中路南下影響我國(guó)。西太平洋副高588線在海南、廣東及福建沿海，位置比較偏南，脊線在16°N，中低緯地區(qū)長(zhǎng)江流域有寬廣低槽位于120°E附近，伴隨冷空氣從高原東部沿長(zhǎng)江流域影響江南、華南等地，所以擴(kuò)散下來的冷空氣與武夷山脈附近的低層暖濕氣流交匯有利對(duì)流的發(fā)展。另外南支槽位于107°E 附近貴州中南部，福建有可能出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流和強(qiáng)降水天氣[1]，地面輻合線位于江西到福建北部再到浙江一帶(見圖3)，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)，隨切變東移，促使低層的水汽和上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利對(duì)流性天氣發(fā)展。

圖3 2021年6月28日-7月1日1000hPa風(fēng)場(chǎng)距平圖(紅色代表地面輻合線)

3.2 主要影響天氣系統(tǒng)

28日08時(shí)，700hPa切變線位于貴州中部，28日08時(shí)，700hPa“308線”和850hPa“144線”在武夷山北側(cè)，850hPa有一個(gè)人字型的切變，850hPa低渦在貴州北部與重慶交界東段切變?cè)陂L(zhǎng)江流域，南段與700hPa的切變?cè)谫F州中部重合。

暖區(qū)中有弱冷空氣侵入，從27日08時(shí)到28日08時(shí)850hPa溫度場(chǎng)上可見在邵武上空出現(xiàn)了0.4℃的負(fù)變溫，切變南側(cè)的贛州、邵武一帶有一風(fēng)速≥12m/s的西南風(fēng)急流，南平北部處急流左側(cè)出口區(qū)，850hPa邵武為SW風(fēng)12m/s，700hPa贛州與邵武之間為風(fēng)向輻合(邵武為W風(fēng)14m/s、贛州為SW風(fēng)8m/s)，低空急流左側(cè)出口區(qū)是正渦度、暖平流，一方面攜帶南方大量的水汽，地面輻合線位于江西到浙江中部一帶，在其附近上饒市觸發(fā)的對(duì)流云，在500hPa引導(dǎo)氣流的作用下，移動(dòng)速度很慢，07-14時(shí)對(duì)流云團(tuán)從上饒南部自西北向東南方向移來，沿邵武市與建陽交界的山脈移動(dòng)，地形的強(qiáng)迫抬升進(jìn)一步加大強(qiáng)降水的量級(jí)。

4 診斷物理量分析

4.1 不穩(wěn)定層結(jié)

從6月28日08時(shí)邵武探空曲線(圖4)分析，700 hPa以下空氣濕暖，濕層深厚，700 hPa以下風(fēng)向順轉(zhuǎn)，700hPa以上風(fēng)向逆轉(zhuǎn)， 低層暖平流、高層冷平流，溫度直減率為ΔT850-500=21.9℃，K指數(shù)為41.3，Si為-1.6，達(dá)到福建省強(qiáng)對(duì)流天氣標(biāo)準(zhǔn)[13]，表明大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利對(duì)流天氣發(fā)展。

圖4 2021年6月28日08時(shí)邵武市探空?qǐng)D

4.2 熱力條件分析

4.2.1 垂直位溫

從28日08時(shí)垂直位溫分析圖(圖5)可以看出，熱力條件：位溫線在左邊，假相當(dāng)位溫大于70℃，假相當(dāng)位溫和飽和假相當(dāng)位溫在右邊，3條線呈“喇叭口”，對(duì)流層頂出現(xiàn)超低溫，而且700hPa到500hPa假相當(dāng)位溫和飽和假相當(dāng)位溫幾乎重合；動(dòng)力抬升：400hPa以下有不穩(wěn)定能量，400hPa以上不穩(wěn)定能量隨高度的增加而減小，下層西南風(fēng)，中層偏西風(fēng)，高層偏北風(fēng)存在輻散，低層有旋轉(zhuǎn)輻合，低層暖平流、高層冷平流，有很強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。

圖5 2021年6月28日08時(shí)邵武市垂直位溫分析圖

4.2.2 K指數(shù)

K指數(shù)是綜合了垂直溫度梯度、低層水汽含量和濕層厚度的一個(gè)物理量，可以用來表征大氣中低層暖濕程度和大氣穩(wěn)定度，K指數(shù)越高，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。福建省在5-6月份，當(dāng)K指數(shù)大于32時(shí)，大氣中就具備較高的潛能。從26日08時(shí)開始，K指數(shù)場(chǎng)從江南到華南北部均處于大值區(qū)，而福建省西北部穩(wěn)定維持在K指數(shù)大于38的高能區(qū)內(nèi)，有不穩(wěn)定能量的堆積。

4.3 水汽條件分析

圖6合成分析了2021年6月28日-7月1日對(duì)流層整層水汽通量與輻合場(chǎng)，由圖分析可見，各對(duì)流層整層的比濕場(chǎng)，走向與低空急流一致，從孟加拉灣一直到江南、華南北部及福建省上空存在一條東西向的明顯濕舌，說明大氣中水汽含量相當(dāng)高，自西向東水汽的輸送條件較好，為邵武市(圖7，白色星號(hào)處)的強(qiáng)對(duì)流暴雨天氣發(fā)展提供了充沛的水汽條件。

圖6 2021年6月28日-7月1日邵武市對(duì)流層整層水汽通量與輻合場(chǎng)

4.4 動(dòng)力條件分析

從28日08時(shí)垂直速度場(chǎng)(圖略)分析可見江南大部低層500hPa以下為負(fù)值，上升運(yùn)動(dòng)明顯，西南地區(qū)有西南低渦大值區(qū)自西向東移，200hPa為正值，起到分流輻散作用，850hPa有西南急流存在，所以較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)可將低層水汽和熱量帶到高層，實(shí)現(xiàn)水汽凝結(jié)和能量轉(zhuǎn)換，造成強(qiáng)降水。

5 結(jié)論

①較好的熱力條件、低層西南風(fēng)急流、地面輻合線是觸發(fā)本次對(duì)流性天氣的有利機(jī)制，對(duì)流生成后在500hPa西南風(fēng)急流引導(dǎo)下移入有利于對(duì)流發(fā)展的不穩(wěn)定，導(dǎo)致此次大暴雨天氣的發(fā)生。

②從物理量場(chǎng)看，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，降水量最大的6月28日08時(shí)K值達(dá)到41.3，來自南方的水汽輸送條件較好，高能濕舌特征明顯，較好的動(dòng)力抬升條件有利于不穩(wěn)定能量的釋放，為此次暴雨提供有力條件。

③從垂直速度場(chǎng)看，28日08時(shí)福建省西北部500hPa以下為負(fù)值，上升運(yùn)動(dòng)明顯，而200hPa為正值，加上850hPa的西南急流加持，為高層帶去充足水汽和能量，導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。