沿河縣近20年低渦切變型暴雨過程研究

蔡成瑤，張東琴，黃紅偉，田競(jìng)慧，嚴(yán)宏文，滕 林

1.沿河土家族自治縣氣象局，貴州沿河 565300；2.夏河縣氣象局，甘肅夏河747100 ,3.松桃苗族自治縣，貴州松桃 554100

沿河縣（28.12°～29.05°N，108.03°～108.63°E）位于云貴高原向湘西丘陵和四川盆地過渡的東北邊緣斜坡和大婁山脈與武陵山脈交錯(cuò)地帶，地勢(shì)西北部和東南部高，中部低，由西北、東南向中部烏江河谷傾斜，為南寬北窄的狹長(zhǎng)區(qū)域。由于地形復(fù)雜，沿河縣近年來暴雨頻發(fā)，且突發(fā)性、局地性強(qiáng)，降水出現(xiàn)時(shí)間、強(qiáng)度及降水范圍預(yù)報(bào)難度較大，常常引發(fā)山體滑坡等慘重?fù)p失。統(tǒng)計(jì)近20年的典型暴雨過程發(fā)現(xiàn)，有近60%的過程是由低渦切變引起的，本研究對(duì)近20年典型低渦切變型暴雨個(gè)例進(jìn)行分析，以期找出沿河低渦切變型暴雨發(fā)生發(fā)展的規(guī)律和降水系統(tǒng)物理機(jī)制與物理量指標(biāo)，尋找此類過程的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，以期加強(qiáng)對(duì)沿河低渦切變型暴雨的認(rèn)識(shí)，為此類暴雨過程的預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。

1 資料和方法

首先利用2010—2019年沿河縣22個(gè)考核指標(biāo)站的降水資料，將不少于8個(gè)考核站（鄉(xiāng)鎮(zhèn)測(cè)站）R24≥50 mm且其中有一個(gè)站最大R24≥100 mm作為一個(gè)典型區(qū)域性暴雨個(gè)例的遴選標(biāo)準(zhǔn)，挑選了20次暴雨個(gè)例。其中，2000—2009年因還未建有區(qū)域站，以國家站降水資料為準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)2000—2019年的常規(guī)、非常規(guī)觀測(cè)資料，通過統(tǒng)計(jì)和類聚的方法找出低渦切變型暴雨過程的環(huán)流特征和物理量預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2 造成沿河暴雨過程的主要環(huán)流型

通過MICAPS高空、地面資料分析挑選的20次暴雨過程發(fā)生時(shí)的高低空主要影響系統(tǒng)和環(huán)流特征發(fā)現(xiàn)，影響沿河縣近20年區(qū)域性暴雨發(fā)生的環(huán)流型有3種主要類型，其中（1）低渦切變型共12例，占總個(gè)例的60%；（2）長(zhǎng)江橫切變型3例，占總個(gè)例的15%；（3）冷鋒低槽型5例，占總個(gè)例的25%。

3 低渦切變型暴雨的特征

3.1 低渦切變型暴雨出現(xiàn)時(shí)間的特征

通過低渦切變型暴雨出現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，低渦切變型暴雨過程發(fā)生在6—9月，主要集中于6—8月，其中6月出現(xiàn)頻率最高，有7次（59%），7月、9月各出現(xiàn)了1次（8%），8月出現(xiàn)了3次（25%）。

3.2 低渦切變型暴雨的環(huán)流形勢(shì)

通過對(duì)12次典型個(gè)例的環(huán)流形勢(shì)分析，得出低渦切變型暴雨過程的環(huán)流形勢(shì)（圖1）。對(duì)比過程發(fā)生前后環(huán)流變化，通過歸納分析發(fā)現(xiàn)，低渦切變型暴雨基本表現(xiàn)為500 hPa高原上有低槽東移影響貴州，隨著過程的發(fā)展，副高略微東移南退，副高脊線基本穩(wěn)定在22°～27°N之間，控制兩廣一帶；700 hPa上，川南一帶低渦東移發(fā)展，并在川東南或銅仁上空一帶有切變線存在，大多伴隨著12 m/s的急流；850 hPa環(huán)流形勢(shì)圖上，貴州北部邊緣—重慶南部一帶有低渦，沿河縣一般位于其北支低渦切變線附近或南側(cè)，南支切變東側(cè)，沿河縣上空西南風(fēng)通常可達(dá)12 m/s以上。

圖1 沿河縣低渦切變型暴雨環(huán)流系統(tǒng)配置

北支切變南側(cè)常伴隨強(qiáng)盛的西南暖濕急流，對(duì)沿河暴雨的發(fā)生提供強(qiáng)有力的水汽輸送；耿建武等[2]研究表明：地面中尺度輻合線穩(wěn)定維持為暴雨發(fā)生提供了穩(wěn)定的觸發(fā)條件，暴雨一般發(fā)生在地面中尺度輻合線北側(cè)。從地面場(chǎng)來看，暴雨發(fā)生時(shí)貴州中部一帶存在地面中尺度輻合線，沿河縣處于輻合線北側(cè)。

4 沿河縣低渦切變型暴雨過程對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)

暴雨的發(fā)生需要充沛的水汽供應(yīng)，呂克利等[3]計(jì)算表明：?jiǎn)慰慨?dāng)?shù)匾延械乃质遣豢赡苄纬杀┯甑模€要有源源不斷的水汽輸送并在強(qiáng)對(duì)流區(qū)域輻合。而水汽的輻合主要是由于低層水汽通量輻合造成的[4]。有了充足的水汽條件輸送以外，還需要一定的動(dòng)力條件才能在水汽輻合的過程中實(shí)現(xiàn)抬升、凝結(jié)產(chǎn)生降水，中低層輻合、高層輻散的配置結(jié)構(gòu)才有利于中低層高濕氣流被抽吸到高層，從而增加局地對(duì)流不穩(wěn)定性[5]。

提取和計(jì)算2010—2019年低渦切變型暴雨過程發(fā)生前（前一日20:00）、發(fā) 生 時(shí)（當(dāng) 日08:00）、發(fā) 生 后（當(dāng) 日20:00）3個(gè)時(shí)期，沿河周邊3個(gè)站點(diǎn)（貴陽、懷化、沙坪壩）的水汽條件、動(dòng)力條件及不穩(wěn)定能力條件物理量數(shù)據(jù)。提取MICAPS中physic的12個(gè)物理量場(chǎng)，包括比濕、溫度露點(diǎn)差、水汽通量散度、K指數(shù)、SI指數(shù)、垂直速度等資料，采用統(tǒng)計(jì)、聚類的方法總結(jié)暴雨發(fā)生前、發(fā)生時(shí)、發(fā)生后周邊站點(diǎn)物理量的變化情況，得出暴雨預(yù)報(bào)的物理量指標(biāo)。

由表1可以看出，低渦切變型暴雨發(fā)生時(shí)的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)。水汽條件：中低層相對(duì)濕度≥90%、溫度露點(diǎn)差≤5℃，700 hPa比濕≥10 g/kg，850 hPa比濕≥13 g/kg；熱力參數(shù)：K指數(shù)＞30℃，SI指數(shù)≤0.3℃，零度層高度一般在5 000～5 500 m高度，抬升凝結(jié)高度在910～950 m高度之間。綜上可以得出，水汽條件在暴雨發(fā)生時(shí)最大，動(dòng)力條件和熱力條件隨著過程的發(fā)生，先逐漸增大再逐漸減小；CAPE值沒有規(guī)律變化，統(tǒng)計(jì)過程中多次過程發(fā)生時(shí)為0，對(duì)暴雨的預(yù)報(bào)沒有決定性的作用。

表1 沿河縣低渦切變型暴雨過程的相關(guān)物理量預(yù)報(bào)指標(biāo)

4.1 水汽條件

4.1.1 水汽含量 暴雨發(fā)生時(shí)700 hPa上比濕往往大于8 g/kg[6]。從挑選的個(gè)例物理量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，過程期間沿河縣上空，700 hPa比濕維持在10 g/kg以上，850 hPa比濕≥13 g/kg，濕度條件較好。

4.1.2 水汽輸送 滕林等[7]研究表明，在高濕條件下，只有當(dāng)水汽由源地輸送到某地區(qū)，并且在該地區(qū)產(chǎn)生水平輻合，進(jìn)而上升冷卻凝結(jié)成雨，才能導(dǎo)致該地形成暴雨的水汽條件。而850hPa的水汽通量與降水聯(lián)系更大[8]。以2016年6月25日暴雨過程為例，從低層水汽通量場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)疊加圖（圖略）可以看出，沿河上空850 hPa上處于水汽通量大值區(qū)，在5～15 g/（cm2·s）之間，沿河位于12 m/s以上西南急流左前方，將水汽源源不斷地向沿河地區(qū)輸送，為暴雨過程的發(fā)生發(fā)展提供有利的水汽條件。

4.1.3 水汽輻合 水汽輻合主要表現(xiàn)在水汽通量散度上。分析水汽通量散度垂直剖面可以看到，沿河上空低層850hPa以下為水汽通量散度負(fù)值區(qū)，中高層處于水汽通量散度正值區(qū)，低層水汽輻合、中高層水汽輻散。

4.2 動(dòng)力條件

當(dāng)沿河縣水汽條件充足時(shí)，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)則是暴雨過程發(fā)生的必要條件之一。從散度垂直剖面（圖略）可以看出，沿 河 地 區(qū)（108.03°～108.63°E），低層輻合，中高層輻散。從渦度可以看 出，沿 河 地 區(qū)（28.12°～29.05°N范圍內(nèi)）上層受負(fù)渦度控制，其負(fù)最大值達(dá)-8×10-6s-1,而中低層受低渦影響，渦度為正，以氣旋性環(huán)流為主。綜上分析發(fā)現(xiàn)，這種高空輻散、低空氣旋性輻合所造成的抽吸作用使得沿河地區(qū)的有顯著的上升運(yùn)動(dòng)，有利于中低層高濕氣流被抽吸到高層，從而增強(qiáng)局地對(duì)流不穩(wěn)定性。

4.3 能量條件

對(duì)流有效位能（CAPE）指全位能可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的那部分能量，這部分能量對(duì)大氣有著積極作用，能夠轉(zhuǎn)化為氣塊動(dòng)能從而產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)[9]。通過近20年的個(gè)例分析，發(fā)現(xiàn)沿河發(fā)生大暴雨時(shí)的上空都處于高能高濕區(qū)，大部分過程發(fā)生時(shí)CAPE值較大，但也有些過程中CAPE值并不大，有個(gè)別的甚至始終為0，說明CAPE值不能直接判斷有無暴雨過程的發(fā)生，其相關(guān)性較弱。

5 討論

（1）沿河縣低渦切變型暴雨過程的環(huán)流形勢(shì)：500 hPa副高隨著過程的發(fā)展略微東移南退，副高脊線穩(wěn)定在22°～27°N之 間；700 hPa、850 hPa低渦切變系統(tǒng)明顯，東移南下影響沿河，沿河多處于北支切變南側(cè)；地面多熱低壓控制，存在中尺度輻合線。

（2）沿河縣低渦切變性暴雨過程與水汽條件、動(dòng)力條件關(guān)系密切，低層氣旋性輻合，中高層輻散的配置所造成的抽吸作用使得沿河地區(qū)的有顯著的上升運(yùn)動(dòng)，有利于將其低層水汽抽吸到高層，增強(qiáng)局地不穩(wěn)定性。

（3）沿河縣低渦切變性暴雨過程與不穩(wěn)定能量條件有一定關(guān)系，K指數(shù)和SI指數(shù)隨著過程的發(fā)展先逐漸增加，后逐漸減小；凝結(jié)高度基本穩(wěn)定在910～950 m高度之間；與CAPE值相關(guān)性較小。

6 結(jié)論

造成低渦切變型暴雨過程發(fā)生條件為：（1）副高脊線穩(wěn)定22°～27°N之間，高層低槽東移加深、中低層明顯的低渦切變、加上地面中尺度輻合線的配合是主要環(huán)流形勢(shì)；（2）中低層處于西南急流區(qū)或左側(cè)、水汽含量大值區(qū)，有源源不斷的水汽條件供應(yīng)；（3）低層氣旋性輻合、中高層輻散所造成“抽吸”作用使上升運(yùn)動(dòng)加劇，長(zhǎng)時(shí)間維持上升氣流使得降水持續(xù)；（4）暴雨過程的發(fā)生與凝結(jié)高度及K指數(shù)和SI指數(shù)有一定相關(guān)關(guān)系，隨著過程的發(fā)展先逐漸增加后逐漸減小。