保康縣一次局地極端短時強降水天氣成因分析

王 芳，徐紅玉，黃先琴

湖北省?？悼h氣象局，湖北?？?441600

在天氣預報業(yè)務中，一般指1 h≥20 mm或3 h≥50 mm且伴有雷電活動的降雨，稱為短時強降水或急驟暴雨，是強對流天氣的一種突出表現(xiàn)形式。短時強降水（山區(qū)常稱“坨子雨”）是?？悼h一種嚴重的災害性天氣，由于山區(qū)地形復雜，山高坡陡、土層薄、蓄洪能力、排灌條件都比平原差，短時強降水常造成山洪暴發(fā)，淹沒農(nóng)田、損毀房屋并誘發(fā)塌方、滑坡等地質(zhì)災害，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。

目前，眾多氣象專家學者對短時強降水天氣成因、預報預警等方面已做了大量的研究工作，并取得了許多有益的研究成果；但是，對于發(fā)生在地形復雜山區(qū)的局地短時強降水，由于突發(fā)性強、局地特征明顯、持續(xù)時間短、落區(qū)分散等特點，對其進行準確預報的難度仍相當大，一直是天氣預報業(yè)務的重點和難點。因此，深入研究和認識突發(fā)性局地短時強降水天氣成因就顯得十分必要。

近年來，?？悼h氣象臺根據(jù)多年的預報業(yè)務實踐，針對?？悼h汛期短時強降水時空分布特征、活動變化規(guī)律、強降水多發(fā)區(qū)域以及預報預警等方面進行了分析，得出了一些有益的結(jié)論，并在2019年汛期氣象服務工作中得到了較好的應用和檢驗。為進一步提高短時強降水預報預警的準確率，有必要選擇一些典型的強降水個例進行診斷分析，探索其發(fā)生發(fā)展規(guī)律，積累預報服務經(jīng)驗，不斷增強防御極端災害天氣的能力。

1 雨情和災情實況

2019年“七下八上”關鍵期，?？悼h雷雨大風、短時強降水等強對流天氣頻繁，尤其是接連不斷地出現(xiàn)了突發(fā)性的高強度、高頻率的短時強降水。且降水呈現(xiàn)出明顯的 “坨子雨”特征，造成?？悼h局地山洪暴發(fā)和洪澇災害頻發(fā)，農(nóng)作物受災、基礎設施損毀、房屋倒塌，影響交通中斷，并造成一起人員傷亡事故。這種高難度的天氣給防汛氣象服務工作造成了很大的壓力，在21 d的時間里，?？悼h氣象臺連續(xù)發(fā)布雷電黃色預警24期、暴雨橙色預警11期、暴雨紅色預警3期。由于降水過于集中且短時雨強大，降雨落區(qū)高度重疊，部分地區(qū)土壤含水量持續(xù)處于過飽和狀態(tài)，易造成塌方、滑坡等地質(zhì)災害的發(fā)生。

2019年7月21日，進入“七下八上”的第一天，保康縣歇馬鎮(zhèn)東坪村一場突如其來的短時強降水造成山洪暴發(fā)、農(nóng)田被淹、房屋受損等嚴重災害，村干部迅速組織村民搶險救災，緊急轉(zhuǎn)移受困群眾，避免了人員傷亡事故的發(fā)生。

自動站監(jiān)測顯示：7月21日12:30～13:40，僅1小時10分鐘歇馬鎮(zhèn)東坪村雨強超過100 mm（圖1a）。從當日全縣降水實況（圖1b）可見，此次降水分布極不均勻，差別巨大，除另有2個站點降水量＞20 mm外，其他大部地區(qū)出現(xiàn)小陣雨，顯示降水呈明顯的局地“坨子雨”特征。

2 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

此次歇馬鎮(zhèn)東坪村極端短時強降水發(fā)生在比較有利的大尺度環(huán)流背景下，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）西北側(cè)西南暖濕氣流為強降水發(fā)生提供了較好的水汽條件。副高邊緣型是?？悼h汛期短時強降水5種類型中出現(xiàn)頻次最多的一種環(huán)流類型，在各型中占38%，所占比例最大[1]。

2.1 大尺度環(huán)流背景

過程前1～2 d，500 hPa高空圖上（圖略），隨著歐洲低槽東移，在東亞大陸50°N以北地區(qū)形成“北高南低”的環(huán)流形勢，烏拉爾山以東長波脊發(fā)展成東北—西南向阻塞高壓脊，脊前偏東氣流引導冷空氣南下，在西西伯利亞—貝加爾湖之間形成一冷渦，沿渦底不斷分裂，低槽下滑；20日20:00（圖2a）中低緯地區(qū)隨著第5號臺風“丹娜絲”沿海北上逐漸遠離，副高西伸加強控制鄂西北地區(qū)，保康縣出現(xiàn)35℃以上的晴熱高溫天氣；21日08:00（圖2）受頻繁南下的低槽影響，副高有所東退，?？悼h處于副高西北邊緣冷暖空氣交匯處。副高邊緣型和熱帶低值型由于水汽充分，主要產(chǎn)生強降雨[2]。

2.2 中低層影響系統(tǒng)

當日08:00 700 hPa高空圖上（圖3a），中低緯呈兩高一低型，在90°E～110°E之間為低值區(qū)，保康縣處于兩高之間切變輻合區(qū)前側(cè)和東部沿海高壓脊后偏南氣流中；對應850 hPa高空圖上（圖3b），在西南地區(qū)有一西南渦，渦前在陜南—鄂西—川東構(gòu)成一“人”字形暖濕切變線，?？悼h處于切變輻合區(qū)中。

中低層系統(tǒng)配置有利于此次強降水發(fā)生。除500 hPa天氣形勢外，對流層低層和地面天氣形勢對強對流天氣的發(fā)生十分重要。700、850 hPa的影響系統(tǒng)有低槽切變線等，尤其是在500 hPa西北氣流、副高邊緣及高壓內(nèi)部等天氣形勢下，700 hPa、850 hPa總是存在低值系統(tǒng)，否則不可能產(chǎn)生強對流天氣。

3 層結(jié)穩(wěn)定度分析

強對流天氣發(fā)生的條件包括：低層有較充足的水汽、不穩(wěn)定層結(jié)和氣塊到達凝結(jié)高度的抬升機制。因此，討論不穩(wěn)定層結(jié)、水汽條件及抬升機制對強對流天氣的分類識別和預報是十分重要的。以下分析強降水過程前的物理量參數(shù)，判斷大氣層結(jié)穩(wěn)定度、不穩(wěn)定能量等情況。

3.1 K指數(shù)場

K指數(shù)是反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度和中低層水汽條件的一個經(jīng)驗指標，能夠較好地反映不穩(wěn)定能量的蓄積程度，K值越大，潛能越大，大氣越不穩(wěn)定。一般當K≥35℃時，層結(jié)屬于對流性不穩(wěn)定，有利于強對流天氣的發(fā)生。當日08:00臨近降水前的K指數(shù)場（圖4a）顯示，?？悼h處于35℃附近的區(qū)域內(nèi)，表明高溫、高濕的不穩(wěn)定能量聚積明顯。

3.2 SI指數(shù)

SI指數(shù)負值越大，愈有利于不穩(wěn)定[3]。SI與對流天氣有以下關系（《大氣科學詞典》編委會，1994年）：SI＞3℃發(fā)生雷暴的可能性很小或沒有；0℃＜SI＜3℃ 有發(fā)生陣雨的可能性；-3℃＜SI＜0℃ 有發(fā)生雷暴的可能性；-6℃＜SI＜-3℃ 有發(fā)生強雷暴的可能性；SI＜-6℃ 有發(fā)生嚴重對流天氣（如龍卷風）的危險。從SI指數(shù)場（圖4b）可見，?？悼h上空SI指數(shù)在0℃附近,顯示大氣層結(jié)不穩(wěn)定度較小，有發(fā)生陣雨或雷陣雨的可能性。

3.3 對流有效位能（CAPE）

CAPE是一個具有非常明確物理意義的熱力不穩(wěn)定參數(shù)，CAPE越大，對流發(fā)展的高度就越高，對流就越強烈，比傳統(tǒng)意義上的對流不穩(wěn)定參數(shù)更能恰當?shù)乇憩F(xiàn)出對流發(fā)展的強度，是溫度和濕度的相關函數(shù)，對溫度和濕度極為敏感，因此，它有明顯的季節(jié)變化和日變化。一般情況下，夏季和午后容易達到高值[4]。當日08:00?？悼h上空CAPE值在300～500 J/kg（圖4c）之間，對流有效位能不大，預示不利于形成較大范圍和強度的強對流天氣。

研究表明：冰雹和雷暴大風發(fā)生前能夠在比較短的時間積聚較大的能量。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，臨近6 h冰雹和雷暴大風的CAPE增量遠大于暴雨，對流性短時強降水前6 h增量均值僅有170 J/kg。由此可以判斷，當日對流不穩(wěn)定能量條件一般，雷電活動較弱，環(huán)境條件具有發(fā)生短時強降水的潛勢。

在短時強降水中，一般對應著適當大小的CAPE，當CAPE較大時，將造成低空含水量很大的氣塊迅速通過暖云底部而造成降水效率下降，而短時強降水一般對應著K指數(shù)較大，這是因為K指數(shù)往往對低空的水汽含量更敏感，K≥32℃是產(chǎn)生局地短歷時強降水的重要環(huán)境條件。

4 雷達回波特征分析

一般而言，想要精確預報出暴雨發(fā)生的具體位置、時間及發(fā)展演變的詳細過程是比較困難的。目前，雷達是對暴雨監(jiān)測最好的探測手段，能清楚地看到云體初生、發(fā)展、旺盛、減弱、消亡或移出的全過程。從雷達回波演變和自動站實況顯示，此次局地極端短時強降水是γ中小尺度（2～20 km)天氣系統(tǒng)發(fā)展造成的。對流云團水平尺度約為15 km，降水時間12:20～15:40，歷時3小時20分鐘，累計降水量119.5 mm；最大雨強集中在12:30～13:40, 1小時10分鐘降水達100.4 mm。

4.1 反射率因子特征

從0.5°、1.5°、2.4°仰角反射率因子回波演變情況可清楚地看到，當日11:08（圖略）在距東坪村約5 km處的官斗、百峰之間有一小塊新生回波單體，面積很小，強度很弱，這是對流云初生階段；11:56回波發(fā)展在向東坪方向移動的過程中不斷觸發(fā)新的單體生成，12:14(圖5a1、a2、a3)回波單體逐漸聚合有組織化形成近于南北向短帶狀回波，在0.5°仰角圖上中心強度達50 dBz以上；對應高空圖上，沿著副高外圍不斷有暖濕入流回波，自南向北傳播同帶狀云體合并。云體的合并意味著能量的集中，輻合上升范圍擴大,合并后的云體幾乎都能得到迅速發(fā)展[5]。

12:26對流云發(fā)展加強，呈現(xiàn)2個結(jié)構(gòu)緊密、邊界清晰的回波中心，其中，在東坪上空的回波強中心達53 dBz，且強回波面積明顯擴大；12:45(圖5b1、b2、b3)回波聚合發(fā)展形成一個暖濕對流云團，中心強度在40～53 dBz之間，回波頂高11 km，此時東坪上空已全部被強雨團覆蓋；12:57～13:03(圖5c1、c2、c3)對流云進一步加強，范圍進一步擴大；13:15回波頂高達16 km，對流云團發(fā)展到最旺盛階段，對應自動站實況顯示東坪降水達到最強時段；13:45強度開始減弱，降水趨于平穩(wěn)，14:00回波明顯減弱降水趨于結(jié)束。

此次強降水過程期間，云體生成發(fā)展呈“跳躍式”變化，弱回波進入東坪后很快發(fā)展為強度梯度較大的對流回波，表明該區(qū)域具備對流發(fā)展的環(huán)境條件。對流云發(fā)展迅速，移動緩慢，在東坪停滯了1個多小時，造成東坪此次極端短時強降水。從雷達回波圖上可見，最強回波中心出現(xiàn)在0.5°、1.5°仰角反射率因子圖上，在6 km以下高度，呈現(xiàn)出低質(zhì)心強降水回波特征。

4.2 徑向速度特征

此次強降水過程期間，一個非常顯著的特征是在0.5°、1.5°、2.4°仰角徑向速度場上均觀測到明顯的逆風區(qū)。逆風區(qū)是指在沒有速度模糊的情況下，正速度區(qū)內(nèi)包含的負速度區(qū)或負速度區(qū)內(nèi)包含的正速度區(qū)。這種逆風區(qū)一邊為輻合區(qū)，另一邊為輻散區(qū)，形成了產(chǎn)生暴雨的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)。逆風區(qū)標志著暴雨過程的存在,在逆風區(qū)附近及其移動路徑上將出現(xiàn)和正在出現(xiàn)暴雨[6]。

從0.5°、1.5°、2.4°不同仰角的徑向速度場上可見，11:02～11:08對應強度圖上，在同一區(qū)域出現(xiàn)一小塊正速度區(qū)，初生單體內(nèi)僅有上升氣流分量；11:38隨著低空暖濕入流自南向北傳播不斷進入上升氣流區(qū)，正速度區(qū)發(fā)展東移；11:44在東坪一帶形成南北長約4～5 km的條狀形回波；12:14（圖6a1、a2、a3）在強度較強的對流云體中，速度場上出現(xiàn)逆風區(qū)。一片暖色調(diào)中嵌套著3塊冷色調(diào)區(qū)，有明顯的零速度線環(huán)繞，即出現(xiàn)了逆風區(qū)。逆風區(qū)的出現(xiàn)表明此處輻合輻散強烈，對流云發(fā)展旺盛。

12:20～12:26東坪上游逆風區(qū)得到發(fā)展，負速度區(qū)范圍顯著擴大，最大入流、出流中心與雷達距離相等，呈現(xiàn)氣旋式輻合特征，對應東坪開始出現(xiàn)降水；12:45（圖6b1、b2、b3）東坪處于 兩塊逆風區(qū)合并后被正速度區(qū)包圍的負速度區(qū)中，說明輻合輻散強烈，云體間的合并加強，造成更強烈的天氣。風暴處于“逆風區(qū)”內(nèi)，發(fā)展更加旺盛，并且“逆風區(qū)”的位置剛好和災害性天氣發(fā)生區(qū)域完全對應，時間也非常吻合[7]。

隨著降水回波的發(fā)展加強，在速度圖上出現(xiàn)了明顯的輻合，12:38～13:03（圖6c1、c2、c3）出現(xiàn)一個明顯的中尺度逆風區(qū)，其位置正好與強度圖上45～53 dBz強回波位置對應。速度圖上，中尺度逆風區(qū)的出現(xiàn)使降水雨強達到最強。且在東坪上空持續(xù)6個體掃時間，自動站實況監(jiān)測此時東坪雨強達到最強時段；13:27逆風區(qū)東移減弱范圍縮小，在正速度區(qū)內(nèi)夾雜多個小范圍的負速度區(qū)，表明云體內(nèi)有上升或下沉氣流分量，仍存在輻合、輻散流場；13:45降水強度開始減弱，14:15負速度區(qū)基本為正速度區(qū)所取代，云體內(nèi)基本為上升氣流所占據(jù)，降水明顯減弱并趨于結(jié)束。

圖6 2019年7月21日12:14、12:45、13:03時0.5°徑向速度圖

此次強降水過程期間，在0.5°、1.5°、2.4°仰角徑向速度場上始終有逆風區(qū)相伴。有研究表明，逆風區(qū)尺度越大，伸展厚度越厚，持續(xù)時間越長，越容易造成暴雨[3]。而此次最強降水時段對應中尺度逆風區(qū)，強降水隨著速度圖上逆風區(qū)的東移消失降水逐漸結(jié)束，表明強降水與逆風區(qū)有很好的對應關系，因此它可以作為發(fā)布暴雨警戒和短時暴雨預報的一個重要判據(jù)。

5 地形作用

地形的存在不僅改變了近地面層氣流的分布，同時也改變了熱力狀況的水平分布，因此，地形在強對流天氣的醞釀、發(fā)生、發(fā)展與傳播過程中，起著非常重要的作用。在暴雨預報中，地形作用是必須考慮的一個重要因素，常起到激發(fā)強對流、加大降水的作用[8]。

此次局地極端短時強降水發(fā)生在?？悼h歇馬鎮(zhèn)東坪村，位于?？悼h中高山地帶，海拔1 000 m左右，且位于山地迎風坡上。白天日射增溫強，地表受熱不均，造成局地溫差，常常形成小型的垂直環(huán)流。在同樣的天氣形勢下，迎風坡的降水要比其他地區(qū)大。此次東坪極端短時強降水呈現(xiàn)明顯的突發(fā)性、局地性“坨子雨”特征，這種局地小氣候產(chǎn)生的輻合上升運動、熱力不穩(wěn)定以及地形的動力抬升作用，使得此處常成為短時強降水、雷暴大風、冰雹等強對流天氣的高發(fā)區(qū)域，這與?？悼h短時強降水等強對流天氣風險區(qū)劃相吻合。

6 結(jié)語

（1）此次東坪極端短時強降水發(fā)生在比較有利的大尺度環(huán)流背景下，副高邊緣型由于水汽充分，主要產(chǎn)生強降雨。這是?？悼h汛期短時強降水5種類型中出現(xiàn)頻次最多的一種環(huán)流類型。

（2）局地短歷時強降水最顯著的特點是K指數(shù)大。較高的K指數(shù)和適當?shù)膶α饔行荒苡欣诋a(chǎn)生短歷時強降水，K≥32℃是產(chǎn)生局地短歷時強降水的重要環(huán)境條件。

（3）此次強降水過程期間，徑向速度場上始終有逆風區(qū)相伴。從0.5°、1.5°、2.4°仰角徑向速度場上均觀測到明顯的逆風區(qū)，且逆風區(qū)尺度最大、厚度最厚時，對應降水強度最強。因此，它可以作為發(fā)布暴雨警戒和短時暴雨預報的一個重要判據(jù)。

（4）地形與降水的關系很密切。在同樣的天氣形勢下，迎風坡的降水要比其他地區(qū)大。在暴雨預報中，地形作用是必須考慮的一個重要因素，常起到激發(fā)強對流、加大降水的作用。