一次強降水過程中兩類暖區(qū)暴雨特征對比

王新強 曾凡輝 袁靖凱

(1.福建省龍巖市氣象局,福建 龍巖 364000；2.長汀縣氣象局，福建 龍巖 366300)

暖區(qū)暴雨是影響福建的主要災(zāi)害性天氣之一，也是福建氣象預(yù)報的難點之一。暖區(qū)暴雨的中小尺度對流特征明顯，突發(fā)性、局地性強，一旦發(fā)生，就可能引發(fā)山洪、山體滑坡等災(zāi)害，造成人員財產(chǎn)損失[1-4]。龍巖地處福建省西南部，天氣特征既受到西風(fēng)帶系統(tǒng)的影響，同時又受熱帶天氣系統(tǒng)的干擾，加上山區(qū)復(fù)雜地形的影響、海陸熱力差異等[5]，導(dǎo)致暖區(qū)暴雨在業(yè)務(wù)預(yù)報中常常漏報。本文通過對2019年6月7～13日一次強降水過程出現(xiàn)的兩類暖區(qū)暴雨特征進行對比分析，以期為今后福建西南區(qū)域暖區(qū)暴雨預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)提升提供參考。

1 過程概況

受低層切變影響，6月7日午后起到6月13日，龍巖市迎來了一次強降水集中時段，全市過程雨量最大達397mm，30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超250mm，126個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超100mm。強降水給龍巖帶來了較大經(jīng)濟損失，龍巖市7個縣(市、區(qū))共有109個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失達到15779.25萬元。

圖1 2019年6月7日12∶54風(fēng)場(左)、16∶00風(fēng)場(中)和20∶00的6小時降水(右)

按降水類型劃分，本次降水過程可細分為五個階段：①前期階段(6～7日)，為冷空氣擴散過程。500hPa高空槽快速東移，帶動低層850hPa西南低渦切變沿著長江逐漸東移，以較北位置入海。此時江南大部分區(qū)域西南氣流隨著渦切入海逐步減弱，冷空氣開始南下滲透，由于前期龍巖低層西南氣流積蓄高濕，在7日午后到夜里，冷空氣從江西中部南下滲透，致使其北部出現(xiàn)中雨到大雨并伴強對流，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨(圖1)；②第二階段(8～9日前期)，為西南氣流加強過程。西南風(fēng)加強但輻合中心不在龍巖區(qū)域，這個階段龍巖降水稍作趨緩；③第三階段(9～10日)，為冷切南壓過境過程。重新發(fā)展生成的西南低渦進一步東伸發(fā)展，兩廣和福建地域西南氣流加強為急流，形成明顯的切變輻合，隨著北面冷高壓從華北南下，切變開始南壓過境造成明顯降水；④第四階段(11～12日)，為暖切東伸北抬過程。冷高壓逐漸出海，暖切緩慢東伸北抬，給龍巖帶給持續(xù)降水，尤其11日白天在龍巖中部形成低渦，致使龍巖市區(qū)出現(xiàn)6小時140mm降雨(圖2)；⑤最后階段(13～14日)，為渦切東移影響過程。在南風(fēng)氣流作用下，暖切北抬發(fā)展成低渦，東移過境影響龍巖降水，低渦過境后轉(zhuǎn)為北風(fēng)影響，標(biāo)志過程降水結(jié)束。

圖2 2019年6月11日08時850hPa流場(左)、12時風(fēng)場(中)以及14時6小時降水(右)

在此過程中，五個階段降水各具特點，這里著重論述暖區(qū)條件下的強降水，即將第一階段冷空氣滲透暖區(qū)暴雨和第四階段暖切抬升暖區(qū)暴雨作對比分析。

2 天氣背景分析

2.1 環(huán)流背景

本次強降水天氣過程整個期間，中高緯500hPa均處于較穩(wěn)定的“兩槽一脊”天氣類型，副熱帶高壓588線前期控制著兩廣以及福建大部，后期隨著高空槽的東移和地面冷空氣的入海，逐步南退到南海上空。從高空200hPa來看，南亞高壓呈帶狀，橫跨在中南半島上空，福建上空多為高空槽底和南亞高壓東北側(cè)共有的輻散分流區(qū)，喇叭狀輻散明顯，有利于上升運動的發(fā)展和維持，并使新鮮潮濕空氣不斷補充，增加降水強度，從而導(dǎo)致暴雨的產(chǎn)生和發(fā)展[6-8]。

2.2 物理量場

水汽的供應(yīng)是暴雨形成以及維持的重要條件。整個強降水過程，龍巖上空850hPa比濕基本都維持在13～15g/kg之間，并且在 700hPa以下低空水汽通量散度都維持明顯的水汽輻合，反映出整個過程水汽條件非常好，可對持續(xù)性的強降水提供了充沛的水汽供給。

歷年6月龍巖的熱力條件向來不錯。通常情況下，低層假相當(dāng)位溫都會有一個高能舌從兩廣伸到福建區(qū)域。此次過程也不例外，過程前期龍巖925～850hPa上空高能舌假相當(dāng)位溫介于340～350K之間，處于高能暖濕狀態(tài)。而暴雨的形成，必然會有一個高低能區(qū)能量劇烈碰撞過程，暴雨往往存在于等值線密集的能量鋒區(qū)中?？v觀整個過程，龍巖上空始終處于兩廣上空的高能區(qū)和北面冷空氣低能區(qū)之間的能量鋒區(qū)中拉鋸，干冷暖濕氣團間的劇烈交鋒從而造成了持續(xù)性的強降水過程。

最后來看看動力條件。以東經(jīng)116.4°、北緯25.3°這點(龍巖區(qū)域中部)上空5～13日的垂直速度場時序圖(圖3)可以看到：整個過程龍巖區(qū)域上空動力條件都比較好。6～7日弱冷空氣過程、9～10日切變南壓過程以及13日渦切東移過程在500hPa到400hPa高空存在著上升速度極值區(qū)，最大值達到-23～-26 Pa/s；11日切變北抬過程雖然沒有明顯的中心，其上升速度大值區(qū)也基本集中在500hPa高空，但是11日過程對流動力顯然稍弱于其余階段。

3 兩類暖區(qū)暴雨降水特征對比分析

3.1 地面探空資料對比分析

6月7日冷空氣滲透暖區(qū)暴雨過程，整個江南區(qū)域都處于高空槽后減弱的西南氣流控制下，整個片區(qū)形勢比較具有一致性。在此前提下，參考臨近的贛州08時探空資料(表1)，K指數(shù)大于40度，沙氏指數(shù)小于-2，層結(jié)極不穩(wěn)定，水汽動力都很配合，這時只需有一個弱的擾動，就非常有利于對流的發(fā)生發(fā)展。11時江西贛州氣壓降到989hPa，明顯低于周邊，而氣溫31℃則明顯高于周邊，從風(fēng)場來看，贛州附近存在一條低壓輻合線(圖4)，正是輻合線的存在觸發(fā)了贛州到龍巖北部暴雨的發(fā)生；08時到20時的濕對流有效位能CAPE變化很明顯，從867.8J/kg下降到148.7J/kg，顯然經(jīng)歷了一次不穩(wěn)定能量釋放過程，并且08時對流抑制有效位能(CIN)小，極易觸發(fā)對流，隨著能量釋放之后，20時對流抑制有效位能加大，趨于穩(wěn)定。對比當(dāng)天未發(fā)生強對流天氣的廈門站，從08時到20時K值增大，沙氏指數(shù)轉(zhuǎn)負，濕對流有效位能(CAPE)劇增，對流抑制有效位能(CIN)減弱，極端容易觸發(fā)對流，但最終還是缺少一個觸發(fā)因素(表1)。

圖4 6月7日11時地面分析

6月11日暖切北抬暖區(qū)暴雨過程，暖切的存在有了良好的抬升觸發(fā)條件。此時廈門成為龍巖的上游區(qū)，而贛州成了下游，對比11日08時兩站探空資料，兩站仍是高溫高濕，廈門站K指數(shù)40度，沙氏指數(shù)-1.12，比贛州站顯然更不穩(wěn)定(表2)。事實上，廈門到龍巖南部部分出現(xiàn)了暴雨，龍巖城區(qū)周邊更是出現(xiàn)了短時大暴雨。濕對流有效位能(CAPE)從08時到20時的變化也印證了這點：廈門濕對流有效位能釋放回歸為0，而贛州則依然在持續(xù)增長。對流強度相比7日過程雖然要來的弱些，但是由于切變北抬速度緩慢，且受地形地勢的影響，在龍巖城區(qū)周邊形成風(fēng)場輻合，對流降水在這里形成了“列車效應(yīng)”，造成龍巖城區(qū)及其周邊短時大暴雨。

表2 6月11日贛州、廈門兩站08時和20時探空數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)合雙偏振雷達、區(qū)域站降水作中小尺度特征對比分析

3.2.1 冷空氣滲透暖區(qū)暴雨過程中小尺度特征分析

6月7日午后開始，對流在江西南部到龍巖長汀一帶開始陸續(xù)生成發(fā)展。此時環(huán)境風(fēng)場以西南氣流為主，大部分對流單體雷達回波的強中心強度達50～60dBZ，強中心高度與質(zhì)心高度重疊，高度在3～4km(當(dāng)日零度層高度5km上下)，從垂直積分液態(tài)水含量(VIL)來看，對流單體大多在30kg/m2上下，小時雨強30～40mm/h。

下午16時，對流單體趨于合并連片發(fā)展，逐漸東移南壓。質(zhì)心高度與強中心高度仍都在4km上下，個別單體翻越長汀連城交界處高山時達到5km左右，VIL值20～40 kg/m2，仍以強降水為主，小時雨強達到40～60mm/h。16時到20時之間，龍巖長汀中北部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，強回波單體經(jīng)過區(qū)域，出現(xiàn)了10～12m/s的大風(fēng)。

強對流的進一步發(fā)展，甚至有一單體疑似出現(xiàn)小冰雹天氣。冰雹大致出現(xiàn)在18時45分的長汀南部宣成鄉(xiāng)，持續(xù)時間未超過兩個體掃過程(體掃過程是指雷達完成一個完整掃描生成基數(shù)據(jù)產(chǎn)品過程，龍巖雷達正常一個體掃過程約為6分鐘)。其回波強度達到60dBZ以上(圖5右)，垂直積分液態(tài)水含量更是猛增至80 kg/m2(圖5中)，回波頂超過了10km高度，且強中心高度超過6km，高出零度層高度達3個體掃18分鐘，然后出現(xiàn)陡降(圖5左黃線)，可初步判別為冰雹。

圖5 雷達單體風(fēng)暴趨勢

參考雙偏雷達的差分反射率(ZDR)和相關(guān)系數(shù)(CC)如圖6所示[9]。在低仰角0.5°上的單體ZDR值約3～4db，相關(guān)系數(shù)為0.7～0.9，可識別為非均勻強降水；但是在3.3°高仰角上，ZDR值為-2～-1db，CC出現(xiàn)了長釘狀相關(guān)系數(shù)小于0.9的虛假回波。由此可以判斷，單體在高空時形成冰雹，出現(xiàn)三體散射現(xiàn)象，但是隨著冰雹的下落，不斷轉(zhuǎn)化為雨滴，最終落到地面的可能僅僅只是不均勻大雨滴或者雨夾小冰雹。

20時以后，江西南部陸續(xù)仍有回波單體成片移入龍巖北部長汀、連城，與下午移入單體回波類似，高度3～4km，VIL值20～30 kg/m2，長汀部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量仍有達到暴雨量級，但移至連城區(qū)域時，回波開始明顯減弱。

3.2.2 暖切抬升暖區(qū)暴雨過程中小尺度特征分析

11日早上8時，500hPa高空仍是西北氣流控制，低層925～850hPa沿海到龍巖南部雖然已經(jīng)轉(zhuǎn)成了西南風(fēng)，但風(fēng)速不超過8m/s，南風(fēng)不強導(dǎo)致南北風(fēng)對峙維持。如圖7所示，強度30～40dBZ對流回波出現(xiàn)在龍巖城區(qū)西南面，回波呈現(xiàn)帶狀分布，整體逐漸加強緩慢東移為主。從大多數(shù)對流風(fēng)暴單體來看，雖然反射率因子達到了50dBZ，但是強中心高度均比較低矮，集中在2～3km，回波頂不超過5km高度，垂直積分液態(tài)水含量大都不超過30kg/m2。從雙偏雷達的相關(guān)系數(shù)來看，片狀回波相關(guān)系數(shù)都近似等于1，說明降水比較均勻一致，對流不明顯；而差分反射率(ZDR)為0～1.5DB，反映降水雨滴不會太大。整個過程降水屬于典型的熱帶型降水，雖存在風(fēng)場輻合，但抬升動力不強，雨量大主因是降水的持續(xù)和高效率。

圖6 0.5°(上排)、3.3°(下排)仰角下的R、CC和ZDR

圖7 11日08時925hPa風(fēng)場以及龍巖雷達產(chǎn)品R、CC和ZDR

龍巖城區(qū)夾在西南-東北走向的兩條山脈之間，受地形影響，低矮的回波在城區(qū)上空停滯時間較長，甚至從回波形態(tài)看，還存在略微的回旋趨勢。種種因素疊加，使得降水回波在龍巖上空維持了近4小時，累積降水達到140mm，平均來看，雨強也達到了30～40mm/h。

4 結(jié)論

在2019年6月7～13日龍巖持續(xù)性暴雨過程，出現(xiàn)了兩類典型的暖區(qū)暴雨：一是7日冷空氣擴散下的暖區(qū)暴雨，對流性較強；二是11日切變北抬過程中的暖區(qū)暴雨，對流不強但是降水效率高。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)：

①兩類暖區(qū)暴雨具有如下共同特征：均處高溫、高濕的高能量場中，存在冷暖交匯，層結(jié)極不穩(wěn)定；有大范圍、源源不斷、穩(wěn)定的水汽輸送，且低層輻合、高層輻散以及有利的動力抬升條件；均由低層輻合或切變強迫觸發(fā)，但冷空氣滲透型多為本地發(fā)展生成。

②冷空氣滲透暖區(qū)暴雨對流性強于暖切回暖暖區(qū)暴雨，前者對流單體強中心高度和質(zhì)心高度基本上都即將達到甚至超過零度層高度，明顯高于后者對流單體；前者對流單體垂直積分液態(tài)水含量大多大于30kg/m2，而后者對流單體基本都小于30kg/m2；從降水相關(guān)性來看，前者雨滴大不均勻，甚至為混合降水，后者雨滴小且均勻，降水效率非常高。