郴州市近5年7—9月東風(fēng)波暴雨特征的研究

楊湘婧，周宜卿，冷 謙，宋 楠，何靜怡，饒 波

1.郴州市氣象局，湖南郴州 423000；2.資興市氣象局，湖南資興 423400

進(jìn)入后汛期，副熱帶高壓脊線逐漸北抬至30°N以北，在其南側(cè)偏東氣流中，常有擾動(dòng)呈波狀形式自東向西移動(dòng)，影響我國華南地區(qū)，這就是東風(fēng)波。東風(fēng)波的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，梁必騏等[1]認(rèn)為，影響華南的東風(fēng)波可分為3種類型，即深厚東風(fēng)波、中低層?xùn)|風(fēng)波和高層?xùn)|風(fēng)波，其中出現(xiàn)最多的是中低層?xùn)|風(fēng)波，且東風(fēng)波天氣主要為對(duì)流性降水，偶爾伴有雷暴大風(fēng)。劉麗君等[2]指出，中低層?xùn)|風(fēng)波的強(qiáng)降水區(qū)位于槽區(qū)附近及槽后的E-SE氣流中。林確略等[3]指出，中高層?xùn)|風(fēng)波熱力結(jié)構(gòu)一般具有冷心結(jié)構(gòu)、中低層?xùn)|風(fēng)波槽后東南暖濕氣流的輻合上升常會(huì)引出區(qū)域性（大雨）暴雨。朱星球等[4]研究1999—2011年7—9月影響江西的14次東風(fēng)波過程得出，影響江西的東風(fēng)波過程以高層?xùn)|風(fēng)波為主，占50%以上。深厚東風(fēng)波和高層?xùn)|風(fēng)波的槽前、中低層?xùn)|風(fēng)波的槽后中層冷擾動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)低層暖濕區(qū)是有利雷暴和強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的區(qū)域。高層?xùn)|風(fēng)波出現(xiàn)8級(jí)以上雷雨大風(fēng)的概率較大；中層?xùn)|風(fēng)波強(qiáng)對(duì)流以短時(shí)強(qiáng)降水為主。在單純東風(fēng)波影響下，降水強(qiáng)度一般不強(qiáng)，但當(dāng)東風(fēng)波與西南季風(fēng)或低渦等天氣系統(tǒng)等相互作用時(shí)，可造成較大范圍強(qiáng)降水而形成暴雨災(zāi)害[5]。

郴州處于華南地區(qū)北側(cè)，經(jīng)常受到東風(fēng)波的影響，產(chǎn)生不同程度的降水，其引發(fā)的降雨及對(duì)流天氣既可出現(xiàn)在槽后，也可出現(xiàn)在槽前，由于對(duì)這方面的研究較少，落區(qū)預(yù)報(bào)難度較大。通過統(tǒng)計(jì)分析郴州市2016—2020年7—9月東風(fēng)波的暴雨分布特征及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)東風(fēng)波按3種類型進(jìn)行歸類，建立各類東風(fēng)波暴雨天氣概念模型，總結(jié)出郴州市東風(fēng)波暴雨的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，從而提高東風(fēng)波的暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 資料與方法

研究所用資料為2016年7—9月常規(guī)觀測資料、NCEP 1°×1°間隔6 h再分析資料等。利用常規(guī)觀測資料和NCEP再分析資料來界定東風(fēng)波過程[4]：（1）我國南部地區(qū)500 hPa上有東南風(fēng)與東北風(fēng)的氣旋性切變；（2）切變線（槽線）隨時(shí)間西移且有負(fù)變高配合；（3）在風(fēng)切變線附近，沒有已編號(hào)的熱帶氣旋活動(dòng)。這里對(duì)已編號(hào)的熱帶氣旋及其深入大陸后減弱成的低壓環(huán)流系統(tǒng)不作為東風(fēng)波研究對(duì)象。參考梁必騏的方法，3種東風(fēng)波具體界定如下：深厚東風(fēng)波指從850 hPa至對(duì)流層頂?shù)臇|風(fēng)波，中低層?xùn)|風(fēng)波指400～500 hPa以下的東風(fēng)波，高層?xùn)|風(fēng)波指500 hPa至對(duì)流層頂?shù)臇|風(fēng)波。

為了研究方便，將全市11個(gè)縣（市）區(qū)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)（20:00～20:00）日降水量為暴雨或以上的達(dá)到1～3縣次、4～7縣次和8縣次及以上的，分別規(guī)定為局部性、區(qū)域性和大范圍暴雨過程。強(qiáng)對(duì)流天氣包括：1 h降雨量在20 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水、極大風(fēng)速在13.9 m/s（7級(jí)）的雷暴大風(fēng)、冰雹等。對(duì)2016—2020年7—9月郴州地區(qū)產(chǎn)生暴雨的14個(gè)東風(fēng)波過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到東風(fēng)波結(jié)構(gòu)信息表（表1）和東風(fēng)波產(chǎn)生暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣情況表（表略）。

2 東風(fēng)波個(gè)例特征分析

從表1可見，在14次東風(fēng)波個(gè)例中，過程發(fā)生的時(shí)間幾乎分布在7月中旬—9月中旬，并以8月出現(xiàn)最多，為8次，約占總數(shù)的57%；其次為7月，出現(xiàn)5次，9月僅有1次。從年際變化來看，2016年出現(xiàn)了5次，2017年沒有出現(xiàn)，2018年出現(xiàn)了4次，2019年出現(xiàn)了2次，2020年出現(xiàn)了3次。東風(fēng)波生命史1～5 d，一般影響郴州的持續(xù)時(shí)間為1～2 d。

表1 2016—2020年7—月影響郴州產(chǎn)生暴雨的東風(fēng)波個(gè)例結(jié)構(gòu)信息

深厚東風(fēng)波有8例，約占總數(shù)的57%，槽 線 位 置 在108°E～116°E，主要集中在113°E～116°E，波軸隨高度有西傾也有東傾，東風(fēng)風(fēng)速隨高度增加，暴雨發(fā)生在槽前中；變化不明顯或變化無規(guī)則，暴雨發(fā)生在槽后中。以上結(jié)果表明，深厚東風(fēng)波槽線距離郴州在1～2個(gè)經(jīng)距本次即有可能產(chǎn)生暴雨過程（郴州地區(qū)的地理范圍經(jīng)度在112.2°E～114.4°E），且槽前槽后均有可能出現(xiàn)暴雨；高層?xùn)|風(fēng)波有5例，約占總數(shù)的36%，槽線位置范圍相對(duì)比較廣，在106°E～120°E，波軸隨高度均為東傾，80%的高層?xùn)|風(fēng)波東風(fēng)風(fēng)速隨高度為增加，暴雨區(qū)發(fā)生在槽前，有1例東風(fēng)風(fēng)速隨高度減小，降水出現(xiàn)在槽后；中低層?xùn)|風(fēng)波僅有1例，約占總數(shù)的7%，槽線位于106°E，波軸隨高度東傾，東風(fēng)風(fēng)速隨高度變化不明顯，降水發(fā)生在槽后。由此可見，影響郴州的東風(fēng)波過程以深厚東風(fēng)波過程為主，中低層?xùn)|風(fēng)波過程相對(duì)少見。東風(fēng)隨高度的變化對(duì)暴雨落區(qū)影響大[6]。當(dāng)東風(fēng)隨高度增加時(shí)，暴雨發(fā)生在東風(fēng)波槽前東北氣流中，當(dāng)東風(fēng)隨高度變化不明顯時(shí)，暴雨發(fā)生在東風(fēng)波槽后東南氣流中。

從東風(fēng)波造成郴州的暴雨及強(qiáng)天氣來看，在14個(gè)個(gè)例中，以對(duì)流性降水為主，僅有1例未出現(xiàn)小時(shí)雨量≥20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，大范圍和區(qū)域性暴雨過程的最大小時(shí)雨強(qiáng)均在50 mm以上，最大可達(dá)91.7 mm，局部性暴雨小時(shí)雨強(qiáng)在16～80 mm；且常伴有雷暴大風(fēng)天氣，僅有2例沒有出現(xiàn)7級(jí)以上的極大風(fēng)，而中低層?xùn)|風(fēng)波造成的極大風(fēng)速最大，達(dá)到了23.1 m/s（9級(jí)）。14個(gè)個(gè)例中沒有出現(xiàn)冰雹天氣，這可能與盛夏季節(jié)零度層高度偏高有關(guān)，強(qiáng)對(duì)流時(shí)段大多數(shù)集中在午后到傍晚和后半夜。

從各類東風(fēng)波來看，深厚東風(fēng)波可造成大范圍、區(qū)域性、局地性暴雨過程，但大范圍暴雨過程均由深厚東風(fēng)波系統(tǒng)造成；高層?xùn)|風(fēng)波均造成局部性暴雨過程；而中低層高風(fēng)波造成區(qū)域性暴雨過程。由此可見，東風(fēng)波引起的降水差異較大，這與降水系統(tǒng)輻合強(qiáng)弱、水汽條件和與其他系統(tǒng)的配置情況密切相關(guān)[7-8]。該結(jié)論與其他學(xué)者的研究意見一致，若無其他系統(tǒng)共同作用，東風(fēng)波一般不會(huì)引起大范圍強(qiáng)降雨，而以局部性暴雨為主。

3 東風(fēng)波暴雨天氣概念與模型

3.1 深厚東風(fēng)波

將8次影響郴州的深厚東風(fēng)波過進(jìn)行了合成分析，得出了深厚東風(fēng)波概念模型（圖略）。對(duì)流層高層200 hPa南亞高壓脊線位于31°N附近控制我國大部，環(huán)流呈東西向帶狀分布，向東延伸至日本，郴州位于南亞高壓南側(cè)東北氣流之中。中層500 hPa副高脊線位于32°N，主體位于太平洋洋面上呈帶狀分布，向西可延伸到青藏高原，在華南沿海有熱帶擾動(dòng)存在，郴州處于副高南側(cè)和熱帶擾動(dòng)北側(cè)的偏東風(fēng)氣流中，有利于水汽的輸送。低層850 hPa形勢與500 hPa差不多，郴州位于副高南側(cè)和華南沿海熱帶擾動(dòng)北側(cè)的偏東氣流中，同時(shí)有東南氣流和西南氣流2條水汽通道輸送水汽。從沿著25.8°N作緯向高度垂直剖面（圖1a）可以看出，深厚東風(fēng)波倒槽在對(duì)流層低層到上層均有反映，波槽在垂直方向上有西傾結(jié)構(gòu)，500 hPa以下及300 hPa以上相對(duì)濕度均超過60%，郴州位于波槽槽后至槽區(qū)附近的偏東氣流中，東風(fēng)風(fēng)速隨高度略有增加，暴雨在槽前槽區(qū)槽后都有可能發(fā)生。

3.2 中低層?xùn)|風(fēng)波

郴州只有1個(gè)中低層?xùn)|風(fēng)波，即2018年8月8—9日，得到以下中低層?xùn)|風(fēng)波概念模型（圖略）。對(duì)流層上層200 hPa南亞高壓為西部型，中心位于青藏高原，在湖南西北部有一低渦中心，郴州處于高空低渦槽前西南氣流中。中層500 hPa副高脊線位于35°N，主體在黃海和大陸交界，副高整體強(qiáng)度比深厚東風(fēng)波的副高要強(qiáng)且位置偏北，熱帶擾動(dòng)主要位于太平洋洋面上，位置偏南，郴州位于副高西南側(cè)的東南氣流中，水汽輸送較深厚東風(fēng)波弱。低層850 hPa副高主體位于黃淮一帶，且控制我國東部大部，郴州處于副高南部東北氣流中，洋面上的熱帶擾動(dòng)吸走大量水汽，導(dǎo)致水汽輸送弱。從沿著25.8°N做緯向高度垂直剖面（圖1b）可以看出，中低層?xùn)|風(fēng)波的波動(dòng)出現(xiàn)在1 000～400 hPa，郴州處于槽后東南氣流影響，東風(fēng)隨高度變化不明顯，中高層為冷槽帶領(lǐng)冷空氣東移，700 hPa以下及300 hPa附近為濕度大值區(qū)，中層為干層，上干下濕的層結(jié)有利于產(chǎn)生對(duì)流不穩(wěn)定，同時(shí)高層冷空氣的入侵非常有利于雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。

3.3 高層?xùn)|風(fēng)波

將5次影響郴州的深厚東風(fēng)波過進(jìn)行了合成分析，得出了高層?xùn)|風(fēng)波概念模型（圖略）。對(duì)流層高層200 hPa南亞高壓脊線位于28°N附近控制我國大部，呈帶狀分布延伸至日本，比深厚東風(fēng)波位置偏南，郴州位于南亞高壓南側(cè)東北氣流之中。中層500 hPa副高脊線位于26°N，主體位于太平洋洋面上呈帶狀分布，向西延伸到江西，在華南沿海和太平洋洋面上沒有熱帶擾動(dòng)存在，郴州處于副高和大陸高壓之間的東風(fēng)波東南氣流影響中，有一定的水汽輸送。850 hPa副高位于洋面上脊線呈東北—西南向，季風(fēng)槽位于中南半島沿岸，郴州處于季風(fēng)槽槽前西南氣流中，有利于低層水汽的輸送，中低緯呈西低東高的形勢。從沿著25.8°N做緯向高度垂直剖面（圖1c）可以看出，高層?xùn)|風(fēng)波的波動(dòng)出現(xiàn)在400～100 hPa，400 hPa以下及200 hPa附近為濕度大值區(qū)，干層較薄，郴州位于其槽前東北氣流影響之中，且東風(fēng)隨高度增強(qiáng)，暴雨發(fā)生在槽前。

圖1 影響郴州的深厚（a）、中低層（b）、高層（c）東風(fēng)波沿25.8°N風(fēng)場和濕度緯向—高度垂直剖面圖