2022年7月18—20日貴州持續性暴雨天氣過程分析

曾 妮,方 鵬,王自流,鄧 安,胡秋紅,王興菊

(貴州省安順市氣象局,貴州 安順 561000)

0 引言

暴雨是最常見的災害性天氣之一,尤其是持續時間長、影響范圍廣的暴雨,往往引起山體滑坡、洪水泛濫等次生災害,給人民生產生活造成極大的危害。影響暴雨的因子很多,不同尺度天氣系統的配置情況,水汽輸送條件及地形等都對暴雨的產生有著重要影響。貴州地處青藏高原東南側,境內地勢西高東低,自中部向北、東、南三面傾斜,地貌分為高原山地、丘陵和盆地3種基本類型,其地形的復雜性給貴州暴雨天氣的落區和強度預報增加了難度,因此許多氣象工作者從不同角度,對貴州的暴雨天氣進行研究[1-8]。吳古會等[9]對貴州西部極端對流性暴雨失敗案例進行剖析,發現對于此類暴雨天氣,需考慮高溫高濕環境下露點鋒、輻合區、冷池、地面輻合線的相互作用觸發對流并使其組織化發展,從而導致局地性、對流性強降水的產生。曾妮等[10]對貴州一次暖區暴雨天氣進行分析發現,暴雨與水汽通量散度梯度的大值區、TBB≤-52 ℃的冷云區和TBB梯度大值區對應較好,TBB≤-65 ℃的區域有利于大暴雨產生。唐紅忠等[11]對2020年6月貴州連續性暴雨成因分析發現,貴州暴雨對西伯利亞高壓強度指數具有較好的響應,但暴雨發生時間比西伯利亞高壓強度指數滯后1 d。這些研究表明貴州暴雨的發生與很多因素有關,加之貴州地形復雜,給暴雨預報增加了更大的難度,因此,對貴州暴雨天氣的研究具有較大的現實意義。2022年7月18—20日貴州出現持續性暴雨天氣過程,其影響范圍廣,強度大,造成47 048人受災,直接經濟損失4161.27萬元。本文利用FNL 1°×1°再分析資料、FY-2H衛星TBB資料及常規氣象觀測資料,對此次天氣過程進行分析,找出這次暴雨天氣的特點及持續性發生的原因,以期為今后持續性暴雨天氣的預報增加一些參考依據。

1 降水實況

2022年7月17日20時—20日20時(簡稱18日、19日、20日降水),貴州出現持續性暴雨天氣過程,全省有70站過程累積降水量≥200 mm,934站過程累積降水量≥100 mm且<200 mm,最大累積降水量出現在盤州市大地中學(308.9 mm)。從圖1a看出,100 mm以上的降水落區主要位于貴州中部一線,呈東北—西南走向,200 mm以上的降水落區局地性較強。從圖1b看出,3個代表站的小時降水特征各不相同,其中紫云縣白石巖站小時雨強較小,最大僅為40.1 mm·h-1,強降水分2個時段出現(18日凌晨和20日凌晨),造成累積降水量大,盤州市大地中學的降水持續時間最長,從18日白天開始出現降水,20日凌晨達到最強,累計降水時間超過24 h,造成308.9 mm的最大累積降水量。白云區蓬萊展示園的最大小時雨強為60.4 mm·h-1,為3個代表站中最強,最強降水時段出現在19日午后,降水持續時間也較長。由此可知,18日和20日強降水主要出現在前半夜到早晨,19日強降水主要出現在午后到傍晚。從18—20日的分時段降水實況統計(表1)看出,18日和19日降水出現暴雨以上量級的站點數相當,其中18日的最大累積降水量最小,為171.2 mm,但其過程最大小時雨強最大,為101.2 mm·h-1,且小時雨強≥50 mm·h-1的時次達83次,遠遠超過19日和20日,表明18日降水的對流性最強;20日降水的對流性遠小于18日,但其影響范圍最廣,累積降水量最大。

表1 18—20日分時段降水實況統計Tab.1 Actual statistics of precipitation by period from 18th to 20th

圖1 17日20時—20日20時過程累積降水量(a,單位:mm)、累積雨量最大的3個站點降水時序圖(b)Fig.1 Cumulative precipitation from 20∶00 on the 17th to 20∶00 on the 20th(a,unit:mm),precipitation time series diagram of the three stations with the largest accumulated rainfall(b)

綜上所述,此次暴雨天氣過程的影響范圍廣,持續時間長,強度大,200 mm以上的降水局地性強,暴雨過程分為3個階段,第Ⅰ階段(18日)和第Ⅲ階段(20日)主要發生在夜間,第Ⅱ階段(19日)主要發生在白天。第Ⅰ階段暴雨影響范圍較小,但降水的對流性最強;第Ⅲ階段暴雨影響范圍和過程最大累積降水量均明顯增大,但降水強度明顯減小。

2 大氣環流形勢分析

從高空形勢場演變可以看出(圖2),500 hPa上,副熱帶高壓(簡稱副高,下同)的變化主要分為3個階段,其中17日08時—18日08時(圖2a～2d),副高從帶狀分布,控制貴州大部的形勢,逐漸南壓到云南—華南中部,最后快速東退到海上;18日20時—19日14時(圖2e～2h)副高在海上穩定維持,西脊點位于112～ 116°E之間;19日20時—20日20時(圖2i～2l)副高逐漸西進北抬。850 hPa上,17日08時—17日20時原位于貴州北部的切變線南壓到貴州中部,17日20時—20日02時切變線在貴州中部一線徘徊,隨著西南氣流的增強(減弱)而北(南)移,20日08時—20日20時,隨著副高的西進北抬,切變線從貴州中部北抬到重慶南部—貴州北部一線。按暴雨過程的3個階段分析西南氣流的變化情況,第Ⅰ階段(圖2b～2e)西南氣流強度較弱,在最強時段中心最大風速在10～12 m·s-1,第Ⅱ階段(圖2e～2i)西南低空急流建立,急流核中心最大風速達16 m·s-1,第Ⅲ階段(圖2i～2l)急流強度進一步增強,其中20日02—08時在廣西—湖北一帶的風速在12～16 m·s-1之間,急流核中心最大風速達18 m·s-1,貴州位于急流左側,利于水汽的輻合上升。

綜上所述,副高的東退南壓帶動切變線南移到貴州中部并穩定維持,使得切變在貴州中部長時間穩定維持,為持續性暴雨的發生提供有利的抬升觸發條件,西南氣流強度呈階梯式的增長趨勢,為暴雨的發生提供充分的水汽供應條件。

3 物理量場分析

3.1 水汽條件

充足的水汽供應是暴雨發生的必要條件之一。比濕能反映出降水區的水汽含量,水汽通量散度能反映出降水區的水汽輻合情況。對強降水發生期間的比濕(圖3)和水汽通量散度(圖4)進行分析發現,700 hPa貴州大部的比濕≥11 g·kg-1,其中北部和中西部地區在12 g·kg-1以上,17日20時(圖3a)和19日20時(圖3d)在大暴雨發生的區域比濕達13 g·kg-1;850 hPa從17日20時—19日08時(圖3e～3g)貴州大部的比濕在16 g·kg-1以上,19日20時(圖3h)貴州中北部的比濕減小到16 g·kg-1以下,但中南部的比濕維持在16～17 g·kg-1之間,同時在貴州中部一線比濕梯度明顯增大。從850 hPa的水汽通量散度和風場的變化可以看出,17日20時(圖4a)貴州中西部為水汽輻合區,其中在發生大暴雨的區域水汽輻合強度達-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1;18日20時(圖4b)輻合區強度減弱;19日08時(圖4c)在貴州西南部出現-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1的強水汽輻合中心,且東北部的水汽輻合也有所增強,這是第Ⅱ階段(18日20時—19日20時)的強降水主要發生在19日白天的原因之一;19日20時(圖4d)水汽輻合強度達到最強,其中心值為-8×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1,輻合區范圍擴大,貴州中南部地區的水汽輻合強度在-6～-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1之間, 這是第Ⅲ階段(19日20時—20日20時)暴雨區域范圍明顯增加的原因之一。

圖4 850 hPa水汽通量散度(填色,單位:10-5g·hPa-1·cm-2·s-1)和風場(單位:m·s-1)變化趨勢(a為17日20時,b為18日20時,c為19日08時,d為19日20時)Fig.4 Variation trend of 850 hPa water vapor flux divergence (color filling, unit: 10-5g·hPa-1·cm-2·s-1) and wind field (unit:m·s-1)(a is 20∶00 on the 17th, b is 20∶00 on the 18th, c is 08∶00 on the 19th, d is 20∶00 on the 19th)

綜上所述,在強降水發生期間對流層中低層的水汽含量較大,且強的水汽通量輻合將低層的水汽輸送到中上層,為成云致雨提供了有利的條件。

3.2 動力和熱力條件

由于盤州市大地中學站的過程累計雨量最大,因此選取該站為代表站,分析強降水區的動力和熱力條件。從盤州市大地中學站的垂直速度、假相當位溫和風場的時間—高度剖面圖看出(圖5a),19日20時之后,700 hPa以下轉為偏北風,表明對流層中低層有冷空氣侵入,假相當位溫θse隨高度的變化<0,且θse梯度增大,表明不穩定度增大,同時垂直速度明顯增強,在550 hPa附近出現<-1.8 Pa·s-1的強中心,與圖1b對應,盤州市大地中學站的強降水主要發生在19日夜間。從盤州市大地中學站的溫度平流時間—高度剖面(圖6a)看出,17日20時—19日20時對流層中低層為暖平流控制,其中19日08時—19日20時暖平流明顯增強,在750 hPa附近出現14×10-5K·s-1的強中心,有利于能量的增強;19日20時以后在700 hPa以下有中心強度達-20×10-5K·s-1的強冷平流入侵,冷暖空氣在盤州市大地中學站交匯,從而觸發對流,使得該站在19日夜間出現持續5 h的短時強降水,達到大暴雨的量級。

圖5 19日20時垂直速度(黑色等值線,單位:Pa·s-1)、假相當位溫(紅色等值線)及風場的垂直剖面(a為大地中學站,b為沿26°N,c為沿106°E)Fig.5 Vertical profile of vertical velocity (black contour, unit: Pa·s-1), pseudo equivalent potential temperature (red contour) and wind field at 20∶00 on 19th (a is Dadi middle school station, b is along 26°N, c is along 106°E)

由于第Ⅲ階段(19日20時—20日20時)強降水的影響范圍最廣,且大暴雨區主要出現在以26°N、106°E為中心的范圍內,因此選取19日20時沿26°N和沿106°E分別做緯向和經向剖面,分析大暴雨中心的動力和熱力條件。從緯向剖面(圖5b)可以看出,暴雨中心從近地面到300 hPa均為上升區,在750 hPa附近有-0.9 Pa·s-1的上升運動中心;在大暴雨中心的近地面有高能舌存在,中心值達360 K。

從經向剖面(圖5c)可以看出,大暴雨中心從近地面到200 hPa為強上升運動區,其中在750 hPa和400 hPa附近分別有2個強度>-1 Pa·s-1的上升運動中心,同時在強降水中心的偏北側有高能舌存在,偏南側有能量鋒區。從19日20時溫度平流的緯向和經向剖面(圖6b～6c)看出,在大暴雨中心上空600 hPa以下有中心值為6×10-5K·s-1的暖平流控制,500～600 hPa之間有中心值為-4×10-5K·s-1的冷平流入侵,同時在大暴雨中心的偏北方向對流層低層有冷平流入侵。

以上分析表明,強降水區上空垂直運動較強,強上升氣流從近地面伸展到對流層高層,同時強降水區位于高能高濕且不穩定的大氣環境中,為暴雨的發生提供了充分的動力和熱力條件,低層暖平流有減壓的作用,利于上升運動的發展,中層冷平流的侵入導致未飽和空氣趨于飽和,降低了層結穩定度,為能量和潛熱的釋放提供有利條件,從而增強了上升運動[12]。

4 中尺度對流云團演變特征

利用FY2H衛星逐小時TBB資料分析此次連續性暴雨天氣過程的中尺度對流云團演變特征(圖7)。17日10時(圖7a),在湖南北部出現1個中β尺度的對流云團,其云頂最低亮溫TBB<-70 ℃。17日14時(圖7b),在貴州東北部出現1個云頂亮溫TBB<-70 ℃的中β尺度的對流云團,同時湖南北部的2個對流云團逐漸向西北方向移動發展,與貴州東北部的云團逐漸合并。17日20時(圖7c),3個中β尺度的對流云團在貴州中部以北合并為1個中α尺度的對流云團,在此期間,TBB<60 ℃的冷云區普降小—中雨。17日22時(圖7d),中α尺度的對流云團分裂為4個中β尺度的對流云團(A、B、C、D),此時降水的對流性明顯增強,在4個中β尺度對流云團籠罩的區域出現暴雨—大暴雨。之后4個對流云團逐漸合并且緩慢向東南方向移動,中心云頂亮溫TBB減小到-80 ℃以下(圖7e),其中D云團TBB<-80 ℃的區域近乎呈圓形,在其影響的區域內9 h出現34站大暴雨,最大為都勻市馬達嶺站171.2 mm,為第Ⅰ階段最強降水中心。18日11時之后,對流云團繼續東移,強度快速減弱,第Ⅰ階段的暴雨天氣結束。

19日08時(圖7f)在貴州東北部出現2個TBB<-32 ℃的中γ尺度對流云團,同時貴州西南部受廣西和云南交界處對流云團的外圍云系影響;19日11時(圖7g)貴州西南部的云團減弱消散,東北部的云團發展為中β尺度,TBB降低至-50 ℃以下,在其影響區域出現中—大雨。19日14時(圖7h)貴州東北部的云團合并,貴州中部和西部分別出現2個中β尺度的對流云團(E、F);19日16時(圖7i)3個云團呈東北—西南向的帶狀排列,并逐漸增強;19日20時(圖7j)中心強度達-60 ℃以下,在TBB<-60 ℃的區域為第Ⅱ階段的大暴雨中心。19日20時以后云帶位置穩定維持,強度逐漸增強;20日00時(圖7k)中尺度對流云帶達到成熟階段,出現TBB<-80 ℃的強中心;20日00—05時(圖略),云帶位置穩定維持,強度逐漸減弱,在其影響區域內出現167站大暴雨,462站暴雨。20日05時以后云帶南壓,并快速減弱,在貴州中南部普降小雨,20日19時(圖7l)云帶完全消亡。

5 結論

(1)此次連續性暴雨天氣過程主要分為3個階段,第Ⅰ階段對流性最強,但影響范圍最小,第Ⅲ階段影響范圍最廣,累積雨量最大,但對流性遠小于第Ⅰ階段。

(2)造成此次連續性暴雨天氣過程的主要原因是西太平洋副熱帶高壓的西脊點在112～116°E之間穩定維持,對850 hPa切變線的南壓有阻礙作用,從而使得MCS在切變線附近發展增強,造成強降水天氣。

(3)強降水區上空水汽含量充沛,700 hPa比濕≥11 g·kg-1,850 hPa比濕≥16 g·kg-1,且850 hPa水汽通量散度達-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1以上;垂直運動較強,暴雨中心從近地面到300 hPa為一致的上升運動,其中心值達-1 Pa·s-1;近地面有高能舌存在,其中心值達360 K,表明大氣環境是高能高濕的狀態,為暴雨的發生提供了充分的水汽、動力及熱力條件;低層暖平流和中層冷平流的共同作用降低了層結穩定度,為能量和潛熱的釋放提供了有利條件,進而增強了上升運動。

(4)在強降水發生的第Ⅰ階段MCS呈團狀結構,其大范圍的云頂亮溫TBB<-70 ℃,表明云體內上升運動發展強烈,是造成第Ⅰ階段降水強度大的主要原因,當中α尺度對流云團分裂為多個中β尺度時,降水強度達到最強;第Ⅱ階段和第Ⅲ階段的MCS呈帶狀結構,其TBB<-70 ℃的范圍較小,且在發生暴雨的區域TBB大多在-60 ℃左右,表明此階段云體內的上升運動強度小于第Ⅰ階段,因此降水強度遠弱于第Ⅰ階段,但由于云帶在貴州中部一帶穩定維持超過14 h,造成第Ⅲ階段暴雨影響區域最廣,累積降水量最大。