九江市一次鋒前降水過程地形作用分析

李 蓉,張晶晶,毛夢妮

( 九江市氣象局,360400,江西,九江)

0 引言

江西省九江市地處長江中下游南岸,與湖北大別山隔江相望,境內西有幕阜山脈、九嶺山脈并行,東接九華山、黃山余脈,中間有孤立山體廬山,中南部為鄱陽湖平原,地勢起伏大,地質災害高發,是長江防汛重點地區,研究長江流域降水對防洪防汛具有重要意義[1]。唐永蘭等[2]利用逐小時降水資料分析了長江上、中、下游三個區域短時強降水時空分布以及不同類型短時強降水事件的統計特征,發現受地形影響長江流域山區降水頻次增加、降水強度增強,且地形作用會增加山區短時強降水的頻次,進而增強山區短時強降水的降水量。

不同尺度地形對降水影響的幅度和范圍不同[3]。朱素行等[4]采用高分辨率衛星實測資料,從氣候態的降水微物理過程角度分析了亞洲夏季風期間中尺度山脈對不同性質降水垂直結構和水平分布的影響,發現中尺度山脈迎風、背風坡均以層云降水為主,層云降水強度在迎風坡強于背風坡;對流降水在迎風坡主要為淺對流,背風坡主要為深對流,對流降水強度在背風坡強于迎風坡。李子良[5]利用中尺度數值模式(ARPS模式)研究了濕氣流過山脈地形和地形降水的產生機制,結果表明地形降水是水汽、氣流和地形相互作用而形成的。除山地以外,湖泊由于相對陸面較低的粗糙程度和較高的比熱容,并為大氣提供水汽的作用,對局地天氣氣候也有影響[6]。鄒海波[7]通過對鄱陽湖湖效應降水典型個例的觀測和模擬分析,發現鄱陽湖可激發和加強降水。李哲等[8]利用WRF模式對暴雨過程進行了敏感性試驗對比研究,發現湖泊和周圍城市與其他區域的溫度差會導致地面風場在城市及其附近區域輻合,進而產生強對流,形成的強地面輻合線還會影響低空切變線的生成位置,并在其移動過程中相互調整,相互增強。

九江市同時存在眾多山體湖泊的復雜地形,使其在對流觸發位置和暴雨落區預報上一直存在難點。當西部上游有回波雨帶移入時,常規預報思路下可根據回波演變趨勢外推下游降水,但實況往往是穩定的雨帶在進入九江時受地形作用發生突變,增強或者減弱甚至消失的情況,又或者本地在雨帶移入之前即觸發新生回波產生降水。利用雙偏振雷達資料可以更好地分析降水回波在九江地區的生消過程,及地形在降水過程中發揮的作用。故本文主要利用地面自動站常規資料、再分析資料和九江廬山S波段雙偏振雷達資料,對發生在贛北九江地區2022年4月24日到25日的一次鋒前降水的生成、發展過程進行分析,旨在探討九江特殊地形在鋒前暴雨形成過程中不同階段的作用影響。

1 降水實況

2022年4月24日晚上到25日白天,九江市出現大到暴雨,伴隨雷暴大風和短時強降水等對流天氣。24日20時至25日20時,九江市平均雨量55.6 mm,最大為廬山博物館站184.8 mm;有35站出現大暴雨,64站1小時降水大于30 mm,有12個站點出現7級以上大風,4站極大風速達10級以上。該過程中當系統自西向東移動時,在穩定雨帶移入前九江市本地已觸發局地對流回波造成降水,提供了一種視覺上下游降水早于上游的情形。

將暴雨過程分為本地觸發的局地對流降水時段(4月24日20時至25日03時)和鋒面移入的穩定降水時段(4月25日03時至12時),并疊加九江地形對比分析(圖1),可以看出,對流降水時段降水呈西南走向,從九嶺山脈附近開始直到長江河谷口;穩定降水時段降水的大值區主要分布在幕阜山脈以北和九嶺山脈附近,在幕阜山脈山頂及山南降水相對較弱。由此可見,九江山脈地形走向對此次降水分布有較大影響。

圖1 (a)2022年24日20時至25日03時累積雨量;(b)2021年5月15日08時至15日20時累積雨量;(c)九江及周邊地形圖; (d)2022年25日03時至25日12時累積雨量

2 環境場分析

24日20時湘東北部和贛西北部高層存在分流區,500 hPa位于槽前強西南氣流中,贛西北有冷槽東移;700、850百帕110°E附近有低渦存在,九江處于低渦前側的西南風中,相較于25日08時,此時九江距離低渦尚有一段距離,西南風偏弱,最大不超過16 m/s(圖2);按照常規思路,此時主雨帶應位于低渦東南部的急流區中,即湖南東部,尚未達到九江;但是由于24日白天上下一致的西南風使贛北地區升溫明顯,925 hPa出現明顯暖脊,對流有效位能在1 500 J/kg以上,低層相對濕度在80%左右,0～6 km垂直風切為21.3 m/s,能量、水汽充分,有利于強對流天氣的發生。2021年5月15日九江有一次相似的從500 hPa至地面整層被西南風控制的鋒前暖區降水過程,區別在于5月15日的過程南風更強,以致暖區暴雨的主雨帶推向更北的位置,但在九嶺山脈南側經廬山直到長江河谷口的地勢較低的通道上仍有一條分裂出的雨帶(圖1(b)),證明在此路徑上降水確有增強的趨勢,九江地形對降水的分布產生了影響。

圖2 (a)24日20時700 hPa風場和相對濕度;(b)24日20時850 hPa風場和相對濕度

3 結合雷達產品分析地形對鋒前降水的作用

九江SA波段雙偏振雷達設置在九江廬山,115°57′16″E,29°32′9″N,海拔高度1 369 m。由于初始海拔較高,雷達數據采用較低仰角的數據對此次過程的主要降水時段進行分析。使用的偏振參量為差分反射率因子(ZDR)、差分傳播相位常數(KDP)和相關系數(CC)。

3.1 強度場及速度場分析

24日夜間20:05回波首先生成于九嶺山脈南側,與山體走向完全一致,可判斷為迎風坡氣流爬升觸發的對流;由于九嶺山脈呈東北—西南向,在西南風作用下,風向與迎風坡坡面交角較小,氣流爬升觸發的對流不能得到很好的發展,隨后夜間在九江中南部又新生對流,該位置處于九江東西兩側山脈之間的凹地,且凹地的走向也呈東北—西南向,恰好形成一條西南風通道,僅有廬山一座孤立山體佇立在通道偏西一側;另外此處有鄱陽湖存在,6月底以前,鄱陽湖作為熱源存在對降水有增強作用[9],且由于下墊面水陸差異,不斷有對流回波在經過水體后增強。且廬山東部低層東南風,中高層轉為西南風,證明此處有暖平流存在,也會造成對流增強,分散回波逐漸發展組織在西南風通道上, 25日凌晨可觀測到颮線形成(圖3(c))。25日早上的回波位置對應速度場上的鋒區(圖3(b)、(d)),該回波形成的雨帶呈東北—西南向,與幕阜山脈走向接近平行,而移動方向與山脈走向接近垂直。

圖3 (a)九江地形起伏圖;(b)0.5°仰角25日08:02雷達徑向速度圖;(c)1.5°仰角25日00:02雷達基本反射率;(d)1.5°仰角25日07:56雷達基本反射率

3.2 偏振參量分析

此次過程的兩個階段除了在地形影響下回波基本形態不同外,偏振參量在經過山地時的變化也不同。24日夜間的多單體風暴在引導風作用下主要生成在山脈之間,移動方向與山脈走向接近平行,孤立的小尺度山體廬山在西南風通道中成為阻擋,21:35(圖4(a)、(c))廬山東南部有回波向北移動接近山體時,對流風暴前側的低層弱回波區在山體附近ZDR正負相間,較大的正值居多,而CC小于0.9,KDP為缺省值,研究證明[10]濕性湍流由于水凝物相態梯度大造成折射指數梯度大,差分反射率因子也大,且湍流越強、濕度越大,ZDR越大;故推斷此處為非降水回波,是由相對飽和的濕空氣湍流增強引起;一個體掃后21:41(圖4(b)、(d))回波移至之前濕性湍流位置并發展,ZDR躍增,4 dB以上的大值區在強回波前沿呈線狀,KDP超過1°/km,CC在0.98以上,液態粒子變大且數量增多,表明此處在過去一段時間雨滴迅速凝結增長,此時風暴單體達到最強,降水最明顯。多個對流單體在移向廬山時都有ZDR從正負相間的較大值區躍增為線狀大值區的現象,表明山體有通過促進湍流增強加快雨滴增長的方式使對流降水增強的影響。低層降水明顯增強時抬升仰角,發現對流單體在3 km以上的高度回波強度維持在55 dBZ左右,沒有明顯的增強,證明廬山對該對流的影響主要存在于低層,低層雨滴異常大量的增長可能與地形性饋水器云中的凝結率增大有關。

圖4 (a)九江地形起伏圖;(b)0.5°仰角25日08:02雷達徑向速度圖;(c)1.5°仰角25日00:02雷達基本反射率;(d)1.5°仰角25日07:56雷達基本反射率

25日早上鋒面移動方向與幕阜山脈的走向接近垂直,降水系統要移入九江首先要翻越幕阜山脈。以瑞昌段為例,瑞昌段山體走向下凹呈口袋狀。0.5°仰角上相關系數小于0.9的部分可以明顯看出山脊的位置,8:25雨帶主體中低質心的強降水中心向東南移動接近山體,此時回波中心強度50 dBZ以上呈塊狀,山體迎風坡ZDR出現增強;8:36(圖5)回波翻山,山脊上回波整層都出現明顯減弱,降到45 dBZ以下,低層KDP、ZDR沿山脊都出現小值;背風坡回波減弱到50 dBZ以下,ZDR沒有明顯變化,KDP較之前減弱;迎風坡回波強度基本沒有變化,只有個別點上的增強。雨帶上回波強度小于45 dBZ的部分在經過山脈時各項數值沒有明顯變化。證明此次大范圍穩定層狀云降水過程中,山脈對雨帶整體作用不大,對雨帶中能產生較強降水的層積云混合降水部分在迎風坡有一定的增強作用,在背風坡有一定的削減作用,山脊上降水的削減作用最明顯。瑞昌段此處有多條類似平行的東西向山體,強降水中心在多次翻山后不斷減弱至消失,轉變為30～40 dBZ的層云降水。

圖5 4月25日08:36雷達偏振參量及瑞昌地形

4 結論

通過對2022年4月24日到25日的中尺度環流背景和雷達資料分析,得到以下結論。

1)鋒面過境前,當整層都處在上下一致的西南風時,廬山東側鄱陽湖河谷地帶會形成東北—西南向的地形通道,易觸發局地對流,形成下游比上游先產生降水的現象。

2)此次過程鋒前暖區中,廬山東側的地形通道有通過促進湍流增強加快雨滴凝結增長的方式增強降水的作用。

3)幕阜山脈對此次冷鋒降水在迎風坡有較弱的增強作用,在山頂及背風坡有削弱作用。