影響湘南地區(qū)的東風(fēng)波特征分析

蔣麗敏，李青松，龍志宇

（永州市氣象臺(tái)，湖南永州 425000）

東風(fēng)波是7—9月副熱帶高壓（副高）北跳后在副高南側(cè)偏東氣流中存在的擾動(dòng)，并自東向西移動(dòng)。最早Rich［1］根據(jù)加勒比海觀測(cè)資料，提出了經(jīng)典的東風(fēng)波模式，指出壞天氣主要出現(xiàn)在波槽區(qū)和槽后；吳陽(yáng)等［2］提出影響我國(guó)的東風(fēng)波在西移過程中進(jìn)入季風(fēng)區(qū)，由于受到西南氣流的影響，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均發(fā)生了變化。許多研究也發(fā)現(xiàn)諸多與經(jīng)典模式差異大甚至完全相反的東風(fēng)波，特別在我國(guó)學(xué)者主要研究的西太平洋地區(qū)［3－5］。為滿足預(yù)報(bào)需求，不同地區(qū)都對(duì)東風(fēng)波有所研究，林確略等［6］分析近40年影響桂東南的東風(fēng)波天氣過程，把東風(fēng)波分為典型東風(fēng)波、切斷類東風(fēng)波、輻合帶型東風(fēng)波，并提出其預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)；朱星球［7］等通過對(duì)影響江西的東風(fēng)波過程進(jìn)行研究，分析出深厚東風(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)是有利雷暴與強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的區(qū)域。上述研究發(fā)現(xiàn)各地的東風(fēng)波過程亦有不同之處。

湘南（湖南省永州市及郴州市）地處東風(fēng)波影響的下游地區(qū)，是東風(fēng)波影響湖南時(shí)最早受到影響的地方。在東風(fēng)波影響下，晴雨和降水量級(jí)預(yù)報(bào)極難把握，再加上復(fù)雜的地形，更易出現(xiàn)局地性暴雨的漏報(bào)，深入了解東風(fēng)波系統(tǒng)的特性對(duì)提高此類天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率具有重要的意義。

1 資料與研究方法

利用2015—2019年常規(guī)觀測(cè)資料和自動(dòng)站加密資料對(duì)影響湘南的東風(fēng)波過程進(jìn)行普查，普查標(biāo)準(zhǔn)：我國(guó)南部地區(qū)500 hPa上有東南風(fēng)與東北風(fēng)的氣旋性切變；切變線（槽線或誘生低渦）隨時(shí)間向西移且有負(fù)變高配合；切變線（槽線或誘生低渦）附近沒有已編號(hào)的熱帶氣旋活動(dòng)。同時(shí)滿足以上3個(gè)條件的過程為東風(fēng)波天氣過程。利用NCEP再分析資料對(duì)東風(fēng)波過程的形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行分析，并開展相關(guān)物理量的統(tǒng)計(jì)。

本研究采用湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)（DB43／T232－2004）把永州、郴州兩地市（共計(jì)21個(gè)國(guó)家站，762個(gè)區(qū)域站）區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)20：00—20：00（北京時(shí)，下同））的過程降雨量大于15縣、7～14縣、1～6縣內(nèi)出現(xiàn)暴雨或暴雨以上降水，分別定義為大范圍、區(qū)域性、局部性暴雨過程；對(duì)僅出現(xiàn)了大范圍大雨定義為大雨過程，對(duì)僅出現(xiàn)了大范圍中雨的定義為為中雨過程，僅出現(xiàn)了小雨或無降水的定義為無明顯降水過程。目前區(qū)域氣象站逐年增加，未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為了研究方便，本研究定義縣區(qū)多于3個(gè)區(qū)域氣象站（為了去除可疑數(shù)據(jù)）或該縣國(guó)家站出現(xiàn)暴雨或暴雨以上降水則稱該縣區(qū)有暴雨或暴雨以上降水。

2 湘南東風(fēng)波過程基本特征

13次東風(fēng)波過程中有7次出現(xiàn)在8月、4次出現(xiàn)在7月、2次出現(xiàn)在9月。大范圍暴雨過程1次、局部性暴雨過程8次，占總數(shù)的61.5%；中雨過程2次、無明顯降水過程2次，其中有2次過程出現(xiàn)了局地的雷暴大風(fēng)，可見東風(fēng)波引起的降水差異大，一般以局部性暴雨為主，常伴有雷暴等對(duì)流天氣，出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的概率較低。

東風(fēng)波隨高度的變化、垂直運(yùn)動(dòng)及雨區(qū)分布如表1所示。由表1可以看出，影響湘南地區(qū)的東風(fēng)波以深厚東風(fēng)波（7次）和高層?xùn)|風(fēng)波（6次）為主，其中有8次降水出現(xiàn)在東風(fēng)波波槽前（500 hPa槽線約在117°E附近）、4次在槽后、1次在槽線附近。湘南地區(qū)東風(fēng)波過程中東風(fēng)分量隨高度的變化對(duì)降水落區(qū)影響大，增強(qiáng)時(shí)雨區(qū)位于東風(fēng)波波槽前，減弱時(shí)雨區(qū)位于東風(fēng)波波槽后，風(fēng)力變化不明顯時(shí)雨區(qū)位于東風(fēng)波波槽后或槽線附近；波槽隨高度的變化對(duì)地面風(fēng)力有一定的影響，東傾時(shí)地面風(fēng)力明顯強(qiáng)于西傾，更有可能出現(xiàn)雷暴大風(fēng)（實(shí)況略）。

表1 影響湘南地區(qū)的東風(fēng)波隨高度的變化、垂直運(yùn)動(dòng)及雨區(qū)分布

3 湘南東風(fēng)波過程分析和分類

對(duì)13次東風(fēng)波過程天氣形勢(shì)進(jìn)行逐一分析并分類，可分為副高加強(qiáng)西伸型、帶狀副高型和其他疑難類型3類。

副高加強(qiáng)西伸型共出現(xiàn)6例，與此類東風(fēng)波相關(guān)的降水特征如圖1所示，由圖1可以看出，強(qiáng)降水（≥20 mm／h）時(shí)段大多數(shù)集中在午后到傍晚。

圖1 副高加強(qiáng)西伸型及帶狀副高型各時(shí)次雨量≥20 mm／h的總站次

如圖2a所示，此類東風(fēng)波過程的環(huán)流形勢(shì)具有一定的特征：500 hPa上中緯度西風(fēng)槽在35°N以北的地區(qū)，副熱帶高壓主體在西太平洋上，脊線約在30°N左右，日本島南部有時(shí)被592 dagpm線控制，在副熱帶高壓西南側(cè)有支東南氣流，長(zhǎng)江以南大部分地區(qū)風(fēng)力弱，低層露點(diǎn)差小、濕度大，臺(tái)灣海峽附近有東風(fēng)波，波槽在東南氣流加強(qiáng)時(shí)發(fā)展，隨副熱帶高壓西進(jìn)逐漸西移入華南地區(qū)，湘南存在一定的水汽輻合，此時(shí)開始出現(xiàn)降水。

帶狀副高型共出現(xiàn)5例，此類過程最大小時(shí)雨量明顯小于副高加強(qiáng)西伸型，每日雨量≥50 mm／h的站次也少，但≥20 mm／h站次較多，總體而言，此類過程降水強(qiáng)度較副高加強(qiáng)西伸型弱，雨勢(shì)也相對(duì)較緩，各時(shí)次雨量≥20 mm／h站次分布較為均勻，其中凌晨到上午及午后到傍晚的站次略多于其他時(shí)段。如圖2b所示，此類環(huán)境背景呈現(xiàn)如下特征：對(duì)流層上層200 hPa南亞高壓呈帶狀盤踞我國(guó)長(zhǎng)江流域上空，以東部型為主，其脊線大都在30°N以北（2017年9月24—25日脊線在25°N左右），500 hPa上，副熱帶高壓亦呈帶狀控制我國(guó)中部地區(qū)，并西伸至高原上，脊線約在30°N左右，臺(tái)灣海峽附近有東風(fēng)波槽或其誘生出來的低渦在副高南側(cè)偏東氣流影響下逐漸西移，湘南地區(qū)露點(diǎn)溫差小，濕層較為深厚，一般要出現(xiàn)暴雨地面前期存在負(fù)變壓，850與500 hPa溫差超過23℃，且降水強(qiáng)度受波槽位置及強(qiáng)度影響大。

圖2 湘南東風(fēng)波天氣過程概念模型

副高加強(qiáng)西伸型與帶狀副高型的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)存在較為明顯的差異，副高加強(qiáng)西伸型強(qiáng)降水預(yù)報(bào)成敗的關(guān)鍵是準(zhǔn)確判斷副熱帶高壓西進(jìn)和東風(fēng)波波槽的移動(dòng)速度，當(dāng)500 hPa東風(fēng)波波槽在粵閩沿海（槽前型降水）或波槽過境（槽后型降水），副熱帶高壓西進(jìn)的時(shí)間是預(yù)報(bào)東風(fēng)波降水開始的關(guān)鍵，副熱帶高壓西進(jìn)快慢是一個(gè)重要預(yù)報(bào)指標(biāo)。帶狀副高型強(qiáng)降水預(yù)報(bào)成敗是東風(fēng)波波槽或誘生低渦的位置及強(qiáng)度，當(dāng)波槽或誘生低渦在華南中部或北部一帶活動(dòng)時(shí)更易出現(xiàn)大量級(jí)降水。另外，湘南地區(qū)兩例局部性暴雨過程的形勢(shì)場(chǎng)不同于上述兩類東風(fēng)波過程，其中一例副熱帶高壓穩(wěn)定的維持在沿海，另一例副熱帶高壓逐漸減弱，與副高加強(qiáng)西伸型類似，兩例主要降水時(shí)段集中在午后到傍晚。

4 東風(fēng)波天氣過程的物理量分析

從水汽條件（表略）來看，副高加強(qiáng)西伸型湘南絕大多數(shù)過程的低層最強(qiáng)水汽通量輻合中心值不高，帶狀副高型低層水汽輻合強(qiáng)度均大于副高加強(qiáng)西伸型，極值亦更強(qiáng)；副高加強(qiáng)西伸型水汽通量散度極小值一般出現(xiàn)在夜間，此類過程降水時(shí)段集中于午后到傍晚，相關(guān)性不大，降水可能與副熱帶高壓西進(jìn)后，午后到傍晚熱力條件足有關(guān)，而帶狀副高型水汽通量散度極小值出現(xiàn)時(shí)段即是最強(qiáng)降水時(shí)段，跟東風(fēng)波波槽影響湘南地區(qū)時(shí)段相關(guān)性大；比濕方面，兩類都大且相差不大，925 hPa上副高加強(qiáng)西伸型略大于帶狀副高型；結(jié)合各次過程比濕和水汽輻合區(qū)的強(qiáng)度及范圍與降水的量級(jí)存在一定的相關(guān)性，值得注意的是水汽輻合條件一般但低層比濕大的情況，可能造成局地強(qiáng)降水。

從動(dòng)力條件來看，帶狀副高型的渦度、散度、垂直速度的平均值都強(qiáng)于副高加強(qiáng)西伸型，極值亦更強(qiáng)；渦度與降水量級(jí)和范圍相關(guān)性較小，但高層出現(xiàn)正渦度極大值時(shí)要注意，目前有3例出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，其中2019年8月21日出現(xiàn)的雷暴大雨過程，200 hPa上渦度中心強(qiáng)度達(dá)25.7×10－5s－1，良好的動(dòng)力條件可能出現(xiàn)動(dòng)量下傳；帶狀副高型多數(shù)過程輻合中心出現(xiàn)在低層925 hPa附近，輻散中心在150 hPa附近，而副高加強(qiáng)西伸型無此現(xiàn)象，低層出現(xiàn)輻散極值值得注意，2018年7月24—25日，輻散極值中心就在925 hPa上，輻合極值中心在850 hPa上，加強(qiáng)了下沉運(yùn)動(dòng)，該次過程是13例東風(fēng)波過程中出現(xiàn)雷暴大風(fēng)站數(shù)最多的過程；最大上升速度層大多出現(xiàn)在700 hPa以下的對(duì)流層低層，當(dāng)上升速度極值層不太低（高于850 hPa）且＜－1.0 Pa·s－1，同時(shí)水汽條件較好，過程出現(xiàn)50 mm以上的小時(shí)降水極值可能性大。

從熱力和不穩(wěn)定條件上來看，副高加強(qiáng)西伸型的假相當(dāng)位溫極大值與帶狀副高型相差不大，925 hPa上略高于帶狀副高型；出現(xiàn)暴雨的東風(fēng)波過程中副高加強(qiáng)西伸型低層假相當(dāng)位溫值高或假相當(dāng)位溫梯度大，而帶狀副高型中低層假相當(dāng)位溫值皆高；帶狀副高型降水強(qiáng)度與假相當(dāng)位溫梯度大小相關(guān)性一般。

5 地形與東風(fēng)波

地形對(duì)當(dāng)?shù)亟邓畯?qiáng)度、落區(qū)和災(zāi)害天氣都具有重要影響［8－12］，特別是東風(fēng)帶系統(tǒng)與地形關(guān)系密切。湘南處于羅霄山脈西側(cè)，南嶺緯向結(jié)構(gòu)帶上（圖3a）。2016年8月12日的東風(fēng)波過程中，14：00東風(fēng)波引發(fā)的誘生低渦進(jìn)入廣東中北部山區(qū)（圖3b），位于永州市東南部的降水中心最大累計(jì)雨量達(dá)132.7 mm，小時(shí)雨量最大達(dá)57.9 mm／h（12日14：00—15：00），該處位于湘南的萌渚嶺－九嶷山系一帶，攜帶西太平洋水汽的偏北氣流與萌渚嶺－九嶷山系相遇夾角接近垂直，且山脈坡度大，強(qiáng)降水中心主要出現(xiàn)在九嶷山北部。

圖3 湘南地區(qū)地形圖（填色為地形高度，單位：m）（a）和2016年8月12日14：00疊加地形（填色為地形高度，單位：m）的地面極大風(fēng)向風(fēng)速（風(fēng)向桿，單位：m·s－1）以及未來6 h雨區(qū)（藍(lán)色實(shí)線，單位：mm）及雨區(qū)極大值站（紅色圓點(diǎn)）（b）

可見山脈走向與暖濕氣流來向的夾角對(duì)強(qiáng)降水的分布有一定影響。此外，萌渚嶺－九嶷山系一帶附近在喇叭口地形下加強(qiáng)的偏東風(fēng)和東南風(fēng)與偏北風(fēng)生成地形輻合線，中尺度系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得降水云團(tuán)的移動(dòng)遲緩，低層暖濕氣流抬升，降水增幅明顯，在東風(fēng)帶系統(tǒng)影響下，因低層暖濕氣流的風(fēng)向從東北風(fēng)到南風(fēng)不定，使得山區(qū)兩側(cè)都有可能是迎風(fēng)坡。總體而言，湘南特殊地形下東風(fēng)波降水天氣過程地形作用明顯，預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中可以結(jié)合邊界層或地面風(fēng)場(chǎng)分布及地形特征進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)性訂正，以改善預(yù)報(bào)效果。

6 結(jié)論

1）影響湘南的東風(fēng)波天氣以短時(shí)強(qiáng)降水為主，偶爾伴有雷暴大風(fēng)，過程雨量以局部性暴雨為主，大范圍暴雨過程少；降水具有較明顯的日變化，主要集中于午后到傍晚；暴雨及以上量級(jí)降水落區(qū)與湘南復(fù)雜地形存在明顯的相關(guān)性，暴雨中心主要出現(xiàn)在陽(yáng)明山系、萌渚嶺－九嶷山系、騎田嶺、羅霄山脈與大庾嶺交界處的山區(qū)。

2）就預(yù)報(bào)而言，是否有西南季風(fēng)的配合是預(yù)報(bào)東風(fēng)波暴雨的關(guān)鍵點(diǎn)，單純東風(fēng)波影響下的局部性暴雨很難在短期預(yù)報(bào)中做出正確預(yù)報(bào)，較大范圍暴雨皆是與季風(fēng)涌相互作用產(chǎn)生的；東風(fēng)分量隨高度增強(qiáng)時(shí)雨區(qū)位于東風(fēng)波波槽前，減弱時(shí)雨區(qū)位于東風(fēng)波波槽后，風(fēng)力變化不明顯時(shí)雨區(qū)位于東風(fēng)波波槽后或槽線附近；波槽隨高度東傾時(shí)地面風(fēng)力明顯強(qiáng)于西傾，更有可能出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。

3）湘南東風(fēng)波天氣形勢(shì)主要分為副高加強(qiáng)西伸型、帶狀副高型和其他疑難類型3大類。副高加強(qiáng)西伸型的對(duì)流強(qiáng)度明顯強(qiáng)于帶狀副高型，極端性、致災(zāi)性更強(qiáng)，且強(qiáng)降水日變化顯著，主要集中在午后到傍晚，其強(qiáng)降水預(yù)報(bào)關(guān)鍵是準(zhǔn)確判斷副熱帶高壓西進(jìn)時(shí)間和快慢，特別是500 hPa東風(fēng)波波槽在粵閩沿海（槽前型降水）或波槽過境（槽后型降水）時(shí)；帶狀副高型強(qiáng)降水相當(dāng)平緩，其中凌晨到上午及午后到傍晚的降水強(qiáng)于其他時(shí)段，其強(qiáng)降水預(yù)報(bào)關(guān)鍵是東風(fēng)波波槽或誘生低渦的位置及強(qiáng)度，當(dāng)波槽或誘生低渦在華南中部或北部活動(dòng)時(shí)更易出現(xiàn)大量級(jí)降水，此外925 hPa水汽輻合強(qiáng)度是一個(gè)重要預(yù)報(bào)指標(biāo)，當(dāng)其≤－6×10－7g·hPa－1·cm－2·s－1并在附近出現(xiàn)水汽輻合中心時(shí)，如果低層輻合高層輻散明顯，且850 hPa比濕中心比濕≥17 g／kg時(shí)，出現(xiàn)暴雨天氣的可能性較大。

由于自動(dòng)站加密雨量數(shù)據(jù)資料時(shí)間長(zhǎng)度有限且當(dāng)前對(duì)于湘南東風(fēng)波過程的研究較少，本研究對(duì)湘南東風(fēng)波過程進(jìn)行的初步研究與分析還有待完善，特別是在此研究過程中，發(fā)現(xiàn)東風(fēng)波降水與地形關(guān)系密切，但每次過程中強(qiáng)雨區(qū)出現(xiàn)在不同的山區(qū)附近，這樣的降水分布到底是天氣系統(tǒng)影響還是山脈走向與暖濕氣流來向的夾角等為主導(dǎo)，將是未來研究的重點(diǎn)。