一次強降水過程中兩類暖區暴雨特征對比

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)

暖區暴雨是影響福建的主要災害性天氣之一，也是福建氣象預報的難點之一。暖區暴雨的中小尺度對流特征明顯，突發性、局地性強，一旦發生，就可能引發山洪、山體滑坡等災害，造成人員財產損失[1-4]。龍巖地處福建省西南部，天氣特征既受到西風帶系統的影響，同時又受熱帶天氣系統的干擾，加上山區復雜地形的影響、海陸熱力差異等[5]，導致暖區暴雨在業務預報中常常漏報。本文通過對2019年6月7～13日一次強降水過程出現的兩類暖區暴雨特征進行對比分析，以期為今后福建西南區域暖區暴雨預報服務業務提升提供參考。

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個鄉鎮超250mm，126個鄉鎮超100mm。強降水給龍巖帶來了較大經濟損失，龍巖市7個縣(市、區)共有109個鄉鎮受災，直接經濟損失達到15779.25萬元。

圖1 2019年6月7日12∶54風場(左)、16∶00風場(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，致使其北部出現中雨到大雨并伴強對流，部分鄉鎮出現暴雨(圖1)；②第二階段(8～9日前期)，為西南氣流加強過程。西南風加強但輻合中心不在龍巖區域，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。重新發展生成的西南低渦進一步東伸發展，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，給龍巖帶給持續降水，尤其11日白天在龍巖中部形成低渦，致使龍巖市區出現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。在南風氣流作用下，暖切北抬發展成低渦，東移過境影響龍巖降水，低渦過境后轉為北風影響，標志過程降水結束。

圖2 2019年6月11日08時850hPa流場(左)、12時風場(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，這里著重論述暖區條件下的強降水，即將第一階段冷空氣滲透暖區暴雨和第四階段暖切抬升暖區暴雨作對比分析。

2 天氣背景分析

2.1 環流背景

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共有的輻散分流區，喇叭狀輻散明顯，有利于上升運動的發展和維持，并使新鮮潮濕空氣不斷補充，增加降水強度，從而導致暴雨的產生和發展[6-8]。

2.2 物理量場

水汽的供應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，低層假相當位溫都會有一個高能舌從兩廣伸到福建區域。此次過程也不例外，過程前期龍巖925～850hPa上空高能舌假相當位溫介于340～350K之間，處于高能暖濕狀態。而暴雨的形成，必然會有一個高低能區能量劇烈碰撞過程，暴雨往往存在于等值線密集的能量鋒區中。縱觀整個過程，龍巖上空始終處于兩廣上空的高能區和北面冷空氣低能區之間的能量鋒區中拉鋸，干冷暖濕氣團間的劇烈交鋒從而造成了持續性的強降水過程。

最后來看看動力條件。以東經116.4°、北緯25.3°這點(龍巖區域中部)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，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日冷空氣滲透暖區暴雨過程，整個江南區域都處于高空槽后減弱的西南氣流控制下，整個片區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指數大于40度，沙氏指數小于-2，層結極不穩定，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生發展。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了贛州到龍巖北部暴雨的發生；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，顯然經歷了一次不穩定能量釋放過程，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，趨于穩定。對比當天未發生強對流天氣的廈門站，從08時到20時K值增大，沙氏指數轉負，濕對流有效位能(CAPE)劇增，對流抑制有效位能(CIN)減弱，極端容易觸發對流，但最終還是缺少一個觸發因素(表1)。

圖4 6月7日11時地面分析

6月11日暖切北抬暖區暴雨過程，暖切的存在有了良好的抬升觸發條件。此時廈門成為龍巖的上游區，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40度，沙氏指數-1.12，比贛州站顯然更不穩定(表2)。事實上，廈門到龍巖南部部分出現了暴雨，龍巖城區周邊更是出現了短時大暴雨。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，在龍巖城區周邊形成風場輻合，對流降水在這里形成了“列車效應”，造成龍巖城區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時探空數據

3.2 結合雙偏振雷達、區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生成發展。此時環境風場以西南氣流為主，大部分對流單體雷達回波的強中心強度達50～60dBZ，強中心高度與質心高度重疊，高度在3～4km(當日零度層高度5km上下)，從垂直積分液態水含量(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展，逐漸東移南壓。質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鎮出現暴雨，強回波單體經過區域，出現了10～12m/s的大風。

強對流的進一步發展，甚至有一單體疑似出現小冰雹天氣。冰雹大致出現在18時45分的長汀南部宣成鄉，持續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據產品過程，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，然后出現陡降(圖5左黃線)，可初步判別為冰雹。

圖5 雷達單體風暴趨勢

參考雙偏雷達的差分反射率(ZDR)和相關系數(CC)如圖6所示[9]。在低仰角0.5°上的單體ZDR值約3～4db，相關系數為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出現了長釘狀相關系數小于0.9的虛假回波。由此可以判斷，單體在高空時形成冰雹，出現三體散射現象，但是隨著冰雹的下落，不斷轉化為雨滴，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，長汀部分鄉鎮雨量仍有達到暴雨量級，但移至連城區域時，回波開始明顯減弱。

3.2.2 暖切抬升暖區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轉成了西南風，但風速不超過8m/s，南風不強導致南北風對峙維持。如圖7所示，強度30～40dBZ對流回波出現在龍巖城區西南面，回波呈現帶狀分布，整體逐漸加強緩慢東移為主。從大多數對流風暴單體來看，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，垂直積分液態水含量大都不超過30kg/m2。從雙偏雷達的相關系數來看，片狀回波相關系數都近似等于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，雖存在風場輻合，但抬升動力不強，雨量大主因是降水的持續和高效率。

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風場以及龍巖雷達產品R、CC和ZDR

龍巖城區夾在西南-東北走向的兩條山脈之間，受地形影響，低矮的回波在城區上空停滯時間較長，甚至從回波形態看，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 結論

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

①兩類暖區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，層結極不穩定；有大范圍、源源不斷、穩定的水汽輸送，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，但冷空氣滲透型多為本地發展生成。

②冷空氣滲透暖區暴雨對流性強于暖切回暖暖區暴雨，前者對流單體強中心高度和質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。