贛東北致洪暴雨的天氣分型和回波特征分析

陳鮑發，馬中元，黃龍飛，鄭志文，鄭卡妮

(1.景德鎮市氣象局，景德鎮 333000；2.江西省氣象科學研究所，南昌 330046；3.浮梁縣氣象局，景德鎮 333400；4.樂平市氣象局，樂平 333300)

0 引言

贛東北致洪暴雨是贛東北區域，尤其是景德鎮市與昌江流域在江西汛期最為嚴重的災害性天氣，其造成的大水災、大洪水、局部山洪影響十分嚴重；因此，針對贛東北致洪暴雨進行分析和研究尤為重要。

國內外專家對暴雨多有研究，張延亭[1-3]等定義江西致洪暴雨標準：在江西全省范圍內任意1站日雨量≥300 mm或3站以上日雨量≥200 mm或10站以上日雨量≥100 mm。1959—1990年共有33個致洪暴雨日，其中有18個致洪暴雨日引發了大水災(這里多指全省性的大洪水過程)。從景德鎮市近幾年的大洪水過程來看(渡峰坑洪峰水位在32 m以上)，致洪暴雨表現為連續暴雨，且第1天為一般性暴雨，第2天為區域性大暴雨或特大暴雨，這種類型的連續暴雨致洪性更強，如2010-07-14—2010-07-15，日雨量分別為101.9 mm和204.7 mm；2012-08-09—2012-08-10，日雨量分別為78.9 mm和364.6 mm；2016-06-18—2016-06-19，日雨量分別為69.1 mm和170.8 mm；2017-06-23—2017-06-24，日雨量分別為88.2 mm和118.9 mm。同時，由于雨強時空分布不均，日雨量≥200 mm足以造成局部山洪，上述情況也在景德鎮區域內多次山洪過程中得到驗證。

根據這個標準，以縣為單位普查贛東北各地的洪水過程。選取2011—2017年的暴雨過程并與上饒市水文局備案的大洪水過程對比，結果顯示：2011—2017年的12個致洪暴雨過程中有7個過程引發了大水災。由該比例來看，與張延亭的定義大致相當，即有一定的科學性。文章定義的致洪暴雨從強度上明顯弱于張延亭定義的江西致洪暴雨標準，但最終效果相當，其主要原因是暴雨強度不是產生致洪暴雨的唯一標準，致洪暴雨還與暴雨的落區、時空分布、短時降水的強度和河床的坡降等特征有關，即大洪水的發生是多方面因素綜合影響的結果。當然，致洪暴雨產生的大洪水一定是由暴雨或大暴雨產生，這一點毋庸置疑。地市級及縣氣象局，汛期防洪的主要目的是城區不受威脅，或減小城區威脅；因此，對景德鎮的致洪暴雨的特點研究適用于多數中小城市。

由此可見，贛東北致洪暴雨的定義為連續暴雨，且第1天為一般性暴雨，第2天為區域性大暴雨或日雨量≥200 mm且昌江流域已出現較明顯洪水(渡峰坑洪峰30 m，超警戒線的洪水過程1.5 m)，文章以此標準作為贛東北致洪暴雨研究的依據。

1 贛東北致洪暴雨的天氣分型

張延亭等指出低空急流、水汽輸送、低層輻合、高層輻散[3-6]在暴雨產生的過程中起到重要作用，而槽后冷空氣侵入加劇了中低層大氣的對流性不穩定，觸發了不穩定能量的釋放[7-9]。王華[10]等總結了暖區暴雨與鋒面系統暴雨的區別，指出暖區暴雨帶發生于西南暖濕氣流加強的環境下，對流不穩定層結顯著，強降水是在暖式中尺度輻合線的觸發和組織下由中尺度對流復合體產生的，雷達回波具有明顯的“列車效應”和后向傳播特征，地面輻合線及中尺度渦旋的位置決定了雨帶和特大暴雨中心的位置。鋒面系統暴雨帶是在冷式切變線和低空低渦的影響下，由切變線云系形成的多單體回波帶造成，高低空系統耦合，降水持續時間長，暴雨區面積大。尉英華[11]總結了天津局地大暴雨的回波與強降水特征，指出40 dBz以上回波是強降水雷達回波的重要系統，持續近3 h，平均6 min降水量達6.8 mm。鄧虹霞[12]等指出城市暴雨的雷達回波特征主要有3種：塊狀(強單體、超級單體)、帶狀(颮線、回波帶)和絮狀(絮帶、絮團)。3種回波形態特征中出現率最高的是絮狀回波，即比較寬且嵌有中等強度的對流單體絮帶狀回波帶。

根據國內外各專家對暴雨的分型標準與贛東北致洪暴雨的特點，文章將其分為冷鋒型、臺風型、低槽東移型、典型梅雨鋒型與副熱帶高壓邊緣型5種形式。有明顯冷鋒過程，定義為冷鋒型暴雨；臺風低壓引起的，定義為臺風型；僅由低槽東移而造成的稱之為低槽東移型；出現在主汛期，有明顯梅雨鋒南北擺動，定義為典型梅雨鋒型；江南大部受副高控制，低槽東移，副高東退，在副高北部或西北部邊緣出現大暴雨，定義為副高邊緣型。根據贛東北致洪暴雨的標準普查2008—2018年贛東北的暴雨過程，對選取的暴雨過程進行分型，并對比水文局的洪水影響情況，得出贛東北16場致洪暴雨中典型梅雨鋒型暴雨有10場，占半數以上；臺風型致洪暴雨1場；副高邊緣型3場；最強的洪水過程均出現在這3種形式之中。還有2場分別是出現在4—5月的鋒面暴雨和僅由低槽東移造成的暴雨，均只產生中小洪水。

昌江與樂安河均屬饒河流域，是贛東北的主要河流。昌江河，發源于安徽祁門縣大洪嶺深處，由北向南貫穿景德鎮全境，上游河道窄，水流湍急，受強降水影響，洪水陡漲陡落，具有較為明顯的山洪特征。樂安河發源于婺源，全長279 km，流域面積8989 km2，地跨贛東北多個縣市，影響面積廣，與中小河流洪水有明顯區別，漲勢平緩，洪峰響應時間較長，其與樂平、婺源、德興、玉山、橫峰、弋陽及萬年等多地的降水強度有關。昌江流域的明顯洪水過程多在36～48 h內發生；造成巨大災害的洪水(洪峰水位在32 m)具有境內24 h雨強最大超過300 mm或大范圍超過250 mm以上的明顯特征。而以樂平為代表的樂安河流域，其致洪暴雨以區域性暴雨為主，由系統性地暴雨、大暴雨造成，暴雨過程累積雨量越大，影響贛東北的面積越大，持續時間越長，洪峰水位越高。

2 贛東北致洪暴雨的物理量參數

2.1 能量、熱力、不穩定與水汽條件特點

對致洪暴雨的CAPE、K指數和SI指數等特征物理量進行統計，致洪暴雨的水汽、熱力、不穩定條件均非常好。熱力與能量條件：CAPE平均達1，397.7 J/kg，最大為2973 J/kg；K指數平均40.4 ℃，最大44 ℃；θse850平均達80.6 ℃，最大為86.7 ℃。不穩定條件：SI指數平均為-2.2 ℃，最低為-6.7 ℃；LI(抬升指數)平均為-3.7 ℃，最低為-6 ℃；T850-500平均達24.2 ℃，最大為31 ℃；θse850-500平均達10.9 ℃，最大為23.3 ℃；即伴有較強層結不穩定及明顯對流不穩定。水汽條件：地面Td平均達24.7 ℃，最大為28 ℃；Td850平均為18.2 ℃，最高為20 ℃；q850平均達15.5 g/m3，最高為17.3 g/m3，T-Td850大部分在1～2 ℃，即基本飽和。

由此可見，贛東北致洪暴雨有著良好的熱力條件與水汽條件。總體來講，副高邊緣型致洪暴雨的能量更強，K指數可達42 ℃以上，層結也最不穩定，SI指數≤-3 ℃；而臺風型對不穩定條件要求不高。

2.2 致洪暴雨特征物理量統計

贛東北的致洪大暴雨，低層(925～700 hPa)有強烈的旋轉，正渦度平均為10.6×10-5·s-1，最大為22×10-5·s-1；低層有明顯輻合，高層為弱的輻散或較強輻散，高低空有明顯的散度差，平均達13.6×10-5·s-1或以上，最強達20×10-5·s-1；中層垂直速度平均可達-2.3 Pa/s，最強達-4.2 Pa/s。有充足的水汽供應，850 hPa水汽通量平均可達0.021 g/cm·hPa·s，最大達0.026 g/cm·hPa·s；并伴有明顯水汽輻合，低層水汽通量散度平均為-1.0×10-6g/cm·hPa·s，最強達-1.4×10-6g/s·cm·hPa。有明顯的風垂直切變，0～3 km平均達15.3 m/s，0～5 km平均達16.9 m/s。通過地面圖排查，所有致洪暴雨過程均存在地面輻合線，并且有較明顯的3 h負變壓，強度可達-2.5 Pa以下。

總體來講，副高邊緣型與典型梅雨型的動力條件接近，而臺風型低層渦度更強，但風垂直切變最弱。

由此可見，贛東北致洪暴雨具備很好的熱力條件、動力條件和水汽條件，充足的水汽供應、強烈的不穩定性加上劇烈的上升運動，對流發展旺盛；同時中低層氣旋式旋轉與強風垂直切變在一定程度上延長了對流持續時間，強降水不斷發生、發展，形成了致洪大暴雨。

2.3 贛東北致洪暴雨Tlogp特征

贛東北致洪暴雨多為典型梅雨型、副高邊緣型和臺風型，對比不同形式下的Tlogp圖，分別選取具有代表性的4張探空圖(圖1)。可以看到致洪暴雨多伴有明顯的對流有效位能，且500 hPa以下基本飽和，低層風向隨高度順轉，即有明顯暖平流結構。不同的是，副高邊緣型的探空圖上，對流有效位能結構更寬，值也更大；而梅雨Ⅰ型對流有效位能多呈細長結構；臺風型則表現為高低空更加均勻；梅雨Ⅱ型則表現為對流有效位能的值很小，在500 J/kg以下，從物理量統計看到，K指數會達37 ℃以上，SI指數在 -0.7 ℃以下，即仍有明顯的層結不穩定和對流不穩定能量，此時中低層往往伴有明顯的低空西南急流與超低空西南急流。

圖1 贛東北致洪暴雨典型Tlogp圖(a)梅雨Ⅰ型：2013-06-06T20：00；(b)梅雨Ⅱ型：2017-06-23T08：00；(c)副高型：2010-07-15T08：00；(d)臺風型：2012-08-09T20：00

從500 hPa的風場看，副高邊緣型的3次過程中有2次風速<12 m/s，即中層為弱風場結構，占比2/3；而梅雨型10次過程之中只有1次500 hPa風速<12 m/s，即弱風場結構僅占比1/10；臺風型不僅500 hPa為弱風場結構，且700～850 hPa均為東北風，與梅雨型、副高型低層多為強盛西南氣流不同，表明臺風暴雨的水汽輸送來源與其他類型有明顯區別。

隨著時間推移，梅雨型中低層的西南氣流更加強盛，且近地層有弱的東南風，而副高型在925～850 hPa西南氣流強度較強，但700～500 hPa可能為弱風場結構。由于強降水回波的移動速度與中層平均風速有關，弱風場結構常導致回波停滯或移動緩慢，從而增強降水強度。

由此可見，贛東北致洪暴雨多伴有明顯的對流有效位能，500 hPa以下各層飽和，低層有明顯暖平流。副高邊緣型的對流有效位能更強、更寬，且中層(700～500 hPa)出現弱風場結構的頻率高；典型梅雨型暴雨中低層多伴有明顯的西南急流，但對流有效位能有時較弱，此時K指數與SI指數的指示意義更好；臺風型的水汽來源與梅雨型、副高邊緣型不同。

3 贛東北致洪暴雨雷達拼圖回波特征

江西WebGIS雷達拼圖由24部S波段天氣雷達組成，探測范圍覆蓋1100 km×1100 km，精度為1 km×1 km，是探測較大尺度暴雨和大暴雨天氣系統的有效工具。贛東北致洪暴雨的雷達拼圖回波主要有帶狀回波、塊狀回波和絮狀回波，組合反射率CR回波強度達45～60 dBz。

3.1 帶狀回波

帶狀回波強度明顯強于周圍的回波(圖2)，多表現為東-西走向，長度≥100 km，部分回波長度達300～500 km，如(圖2a)。回波的寬度很窄，一般只有5～10 km，有的在5 km以下，表現為一條細長的窄帶回波(圖2f)。帶上回波強度達45～50 dBz或以上，但不超過60 dBz。帶狀回波主要有兩種形態：一種為1條細長的東-西走向強窄帶，占絕大多數；另一種由多個南-北走向的短帶強回波橫向排列成1行組成(圖2d)。造成致洪暴雨的原因是，回波強度強，瞬時雨強大，同時，強回波窄帶與回波單體移動方向夾角小，多呈東-西走向或東北-西南走向，而回波由西向東緩慢移動，帶上強回波不斷經過同一地區，列車效應造成持續強降水，形成致洪大暴雨。

圖2 帶狀回波Ⅰ致洪暴雨WebGIS雷達拼圖回波(a)2016-06-19T09：00；(b)2017-06-23T14：00；(c)2017-06-24T10：00；(d)2017-06-25T09：00；(e)2018-07-06T00：00；(f)2019-07-04T15：00

帶狀回波還有類似于颮線回波帶的結構，如2018-07-05夜間，在景德鎮市區附近為團狀強回波，西北方向有東北-西南走向的強回波帶，在團狀強回波影響期間，帶狀回波緩慢東移南壓，最后與團狀強回波合并，造成景德鎮地區短時特大暴雨，13 h累積雨量達308.8 mm。

3.2 塊狀回波

塊狀回波表現為較大范圍回波中存有強度比較大的強回波，或者較為孤立的塊狀回波，回波強度均達45～55 dBz。塊狀回波位于景德鎮西部邊界至市區附近，主要特點是移動緩慢，也被人稱為“掛燈籠”。強回波穩定在一地上空，持續強降水形成致洪暴雨。

3.3 絮狀回波

絮狀強回波也是致洪暴雨的重要表現形式，其表現為贛北上空被大范圍的絮狀回波覆蓋，回波總體強度均達30 dBz或以上，其中分布著若干個棉絮狀的強度達50 dBz左右的強回波單體，這些強回波單體經過的地區會出現強降水，加上總體強度30 dBz及以上的回波造成的中等強度降水，形成大范圍的致洪暴雨。

由此可見，致洪暴雨的雷達回波主要有：帶狀、塊狀和絮狀回波等形態，其強回波中心強度可達45～60 dBz。強回波中心不斷經過同一地區或穩定少動，形成持續強降水，從而導致致洪大暴雨的產生。

4 強降水特征

以景德鎮市區、浮梁縣2010-07-15(副高邊緣型)、2016-06-19(副高邊緣型)、2017-06-23—2017-06-24(典型梅雨鋒型)、2012-08-10(臺風型)4次致洪暴雨過程為代表，研究致洪暴雨的強降水特征(表1)。致洪暴雨1 h面雨量開始往往為平均10.0 mm/h的雨強，偶有1個≥30.0 mm/h強降水點，但隨著持續時間增長，區域平均面雨量降水增至20 mm/h或以上，并持續2～3 h以上，致洪暴雨即產生。從4場致洪暴雨來看，20.0 mm/h強降水平均持續時間為7 h，1 h最大面雨量54.6 mm，單站最大雨強93.6 mm；致洪暴雨3 h平均面雨量53.0 mm，最大面雨量120.0 mm，單站最大雨強156.0 mm；6 h平均面雨量111.6 mm，最大面雨量189.0 mm，單站最大雨強240.0 mm；12 h平均面雨量159.0 mm，最大面雨量262.0 mm，單站最大雨強357.8 mm；24 h平均面雨量210.0 mm，最大面雨量331.0 mm，24 h單站雨強為442.5 mm。即致洪暴雨需要提供24 h(6 h)面雨量210.0 mm(111.6 mm)以上的降水預報，已超出短期預報能力，因此主要立足點還是短臨預警。

表1 贛東北致洪大暴雨的強降水特征

由此可見，致洪暴雨平均面雨量的雨強特征大致表現：20.0 mm/h、50.0 mm/3 h、100.0 mm/6 h、150.0 mm/12 h、200.0 mm/24 h，當某一地區(以縣為單位)的平均面雨量達到以上標準，即可考慮發布致洪暴雨預警。

5 結束語

文章從降水特征、天氣形勢分型、物理量診斷、預報指標選取等方面，分析了贛東北致洪暴雨過程的天氣特征和雷達拼圖回波特征，分析結果為贛東北致洪暴雨過程的有效監測和洪水預警的提前發布提供了參考。