2022年7月18—20日貴州持續(xù)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(zāi)害性天氣之一,尤其是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的暴雨,往往引起山體滑坡、洪水泛濫等次生災(zāi)害,給人民生產(chǎn)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(tǒng)的配置情況,水汽輸送條件及地形等都對(duì)暴雨的產(chǎn)生有著重要影響。貴州地處青藏高原東南側(cè),境內(nèi)地勢(shì)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(fù)雜性給貴州暴雨天氣的落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)增加了難度,因此許多氣象工作者從不同角度,對(duì)貴州的暴雨天氣進(jìn)行研究[1-8]。吳古會(huì)等[9]對(duì)貴州西部極端對(duì)流性暴雨失敗案例進(jìn)行剖析,發(fā)現(xiàn)對(duì)于此類暴雨天氣,需考慮高溫高濕環(huán)境下露點(diǎn)鋒、輻合區(qū)、冷池、地面輻合線的相互作用觸發(fā)對(duì)流并使其組織化發(fā)展,從而導(dǎo)致局地性、對(duì)流性強(qiáng)降水的產(chǎn)生。曾妮等[10]對(duì)貴州一次暖區(qū)暴雨天氣進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),暴雨與水汽通量散度梯度的大值區(qū)、TBB≤-52 ℃的冷云區(qū)和TBB梯度大值區(qū)對(duì)應(yīng)較好,TBB≤-65 ℃的區(qū)域有利于大暴雨產(chǎn)生。唐紅忠等[11]對(duì)2020年6月貴州連續(xù)性暴雨成因分析發(fā)現(xiàn),貴州暴雨對(duì)西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)具有較好的響應(yīng),但暴雨發(fā)生時(shí)間比西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)滯后1 d。這些研究表明貴州暴雨的發(fā)生與很多因素有關(guān),加之貴州地形復(fù)雜,給暴雨預(yù)報(bào)增加了更大的難度,因此,對(duì)貴州暴雨天氣的研究具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。2022年7月18—20日貴州出現(xiàn)持續(xù)性暴雨天氣過程,其影響范圍廣,強(qiáng)度大,造成47 048人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失4161.27萬元。本文利用FNL 1°×1°再分析資料、FY-2H衛(wèi)星TBB資料及常規(guī)氣象觀測(cè)資料,對(duì)此次天氣過程進(jìn)行分析,找出這次暴雨天氣的特點(diǎn)及持續(xù)性發(fā)生的原因,以期為今后持續(xù)性暴雨天氣的預(yù)報(bào)增加一些參考依據(jù)。

1 降水實(shí)況

2022年7月17日20時(shí)—20日20時(shí)(簡(jiǎn)稱18日、19日、20日降水),貴州出現(xiàn)持續(xù)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(xiàn)在盤州市大地中學(xué)(308.9 mm)。從圖1a看出,100 mm以上的降水落區(qū)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(qū)局地性較強(qiáng)。從圖1b看出,3個(gè)代表站的小時(shí)降水特征各不相同,其中紫云縣白石巖站小時(shí)雨強(qiáng)較小,最大僅為40.1 mm·h-1,強(qiáng)降水分2個(gè)時(shí)段出現(xiàn)(18日凌晨和20日凌晨),造成累積降水量大,盤州市大地中學(xué)的降水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),從18日白天開始出現(xiàn)降水,20日凌晨達(dá)到最強(qiáng),累計(jì)降水時(shí)間超過24 h,造成308.9 mm的最大累積降水量。白云區(qū)蓬萊展示園的最大小時(shí)雨強(qiáng)為60.4 mm·h-1,為3個(gè)代表站中最強(qiáng),最強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在19日午后,降水持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。由此可知,18日和20日強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在前半夜到早晨,19日強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在午后到傍晚。從18—20日的分時(shí)段降水實(shí)況統(tǒng)計(jì)(表1)看出,18日和19日降水出現(xiàn)暴雨以上量級(jí)的站點(diǎn)數(shù)相當(dāng),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(shí)雨強(qiáng)最大,為101.2 mm·h-1,且小時(shí)雨強(qiáng)≥50 mm·h-1的時(shí)次達(dá)83次,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過19日和20日,表明18日降水的對(duì)流性最強(qiáng);20日降水的對(duì)流性遠(yuǎn)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(shí)段降水實(shí)況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Actual statistics of precipitation by period from 18th to 20th

圖1 17日20時(shí)—20日20時(shí)過程累積降水量(a,單位:mm)、累積雨量最大的3個(gè)站點(diǎn)降水時(shí)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(xù)時(shí)間長(zhǎng),強(qiáng)度大,200 mm以上的降水局地性強(qiáng),暴雨過程分為3個(gè)階段,第Ⅰ階段(18日)和第Ⅲ階段(20日)主要發(fā)生在夜間,第Ⅱ階段(19日)主要發(fā)生在白天。第Ⅰ階段暴雨影響范圍較小,但降水的對(duì)流性最強(qiáng);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(qiáng)度明顯減小。

2 大氣環(huán)流形勢(shì)分析

從高空形勢(shì)場(chǎng)演變可以看出(圖2),500 hPa上,副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱副高,下同)的變化主要分為3個(gè)階段,其中17日08時(shí)—18日08時(shí)(圖2a～2d),副高從帶狀分布,控制貴州大部的形勢(shì),逐漸南壓到云南—華南中部,最后快速東退到海上;18日20時(shí)—19日14時(shí)(圖2e～2h)副高在海上穩(wěn)定維持,西脊點(diǎn)位于112～ 116°E之間;19日20時(shí)—20日20時(shí)(圖2i～2l)副高逐漸西進(jìn)北抬。850 hPa上,17日08時(shí)—17日20時(shí)原位于貴州北部的切變線南壓到貴州中部,17日20時(shí)—20日02時(shí)切變線在貴州中部一線徘徊,隨著西南氣流的增強(qiáng)(減弱)而北(南)移,20日08時(shí)—20日20時(shí),隨著副高的西進(jìn)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(gè)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(qiáng)度較弱,在最強(qiáng)時(shí)段中心最大風(fēng)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(fēng)速達(dá)16 m·s-1,第Ⅲ階段(圖2i～2l)急流強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),其中20日02—08時(shí)在廣西—湖北一帶的風(fēng)速在12～16 m·s-1之間,急流核中心最大風(fēng)速達(dá)18 m·s-1,貴州位于急流左側(cè),利于水汽的輻合上升。

綜上所述,副高的東退南壓帶動(dòng)切變線南移到貴州中部并穩(wěn)定維持,使得切變?cè)谫F州中部長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持,為持續(xù)性暴雨的發(fā)生提供有利的抬升觸發(fā)條件,西南氣流強(qiáng)度呈階梯式的增長(zhǎng)趨勢(shì),為暴雨的發(fā)生提供充分的水汽供應(yīng)條件。

3 物理量場(chǎng)分析

3.1 水汽條件

充足的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的必要條件之一。比濕能反映出降水區(qū)的水汽含量,水汽通量散度能反映出降水區(qū)的水汽輻合情況。對(duì)強(qiáng)降水發(fā)生期間的比濕(圖3)和水汽通量散度(圖4)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),700 hPa貴州大部的比濕≥11 g·kg-1,其中北部和中西部地區(qū)在12 g·kg-1以上,17日20時(shí)(圖3a)和19日20時(shí)(圖3d)在大暴雨發(fā)生的區(qū)域比濕達(dá)13 g·kg-1;850 hPa從17日20時(shí)—19日08時(shí)(圖3e～3g)貴州大部的比濕在16 g·kg-1以上,19日20時(shí)(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(shí)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(fēng)場(chǎng)的變化可以看出,17日20時(shí)(圖4a)貴州中西部為水汽輻合區(qū),其中在發(fā)生大暴雨的區(qū)域水汽輻合強(qiáng)度達(dá)-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1;18日20時(shí)(圖4b)輻合區(qū)強(qiáng)度減弱;19日08時(shí)(圖4c)在貴州西南部出現(xiàn)-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1的強(qiáng)水汽輻合中心,且東北部的水汽輻合也有所增強(qiáng),這是第Ⅱ階段(18日20時(shí)—19日20時(shí))的強(qiáng)降水主要發(fā)生在19日白天的原因之一;19日20時(shí)(圖4d)水汽輻合強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng),其中心值為-8×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1,輻合區(qū)范圍擴(kuò)大,貴州中南部地區(qū)的水汽輻合強(qiáng)度在-6～-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1之間, 這是第Ⅲ階段(19日20時(shí)—20日20時(shí))暴雨區(qū)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(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1)變化趨勢(shì)(a為17日20時(shí),b為18日20時(shí),c為19日08時(shí),d為19日20時(shí))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(qiáng)降水發(fā)生期間對(duì)流層中低層的水汽含量較大,且強(qiáng)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(dòng)力和熱力條件

由于盤州市大地中學(xué)站的過程累計(jì)雨量最大,因此選取該站為代表站,分析強(qiáng)降水區(qū)的動(dòng)力和熱力條件。從盤州市大地中學(xué)站的垂直速度、假相當(dāng)位溫和風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間—高度剖面圖看出(圖5a),19日20時(shí)之后,700 hPa以下轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),表明對(duì)流層中低層有冷空氣侵入,假相當(dāng)位溫θse隨高度的變化<0,且θse梯度增大,表明不穩(wěn)定度增大,同時(shí)垂直速度明顯增強(qiáng),在550 hPa附近出現(xiàn)<-1.8 Pa·s-1的強(qiáng)中心,與圖1b對(duì)應(yīng),盤州市大地中學(xué)站的強(qiáng)降水主要發(fā)生在19日夜間。從盤州市大地中學(xué)站的溫度平流時(shí)間—高度剖面(圖6a)看出,17日20時(shí)—19日20時(shí)對(duì)流層中低層為暖平流控制,其中19日08時(shí)—19日20時(shí)暖平流明顯增強(qiáng),在750 hPa附近出現(xiàn)14×10-5K·s-1的強(qiáng)中心,有利于能量的增強(qiáng);19日20時(shí)以后在700 hPa以下有中心強(qiáng)度達(dá)-20×10-5K·s-1的強(qiáng)冷平流入侵,冷暖空氣在盤州市大地中學(xué)站交匯,從而觸發(fā)對(duì)流,使得該站在19日夜間出現(xiàn)持續(xù)5 h的短時(shí)強(qiáng)降水,達(dá)到大暴雨的量級(jí)。

圖5 19日20時(shí)垂直速度(黑色等值線,單位:Pa·s-1)、假相當(dāng)位溫(紅色等值線)及風(fēng)場(chǎng)的垂直剖面(a為大地中學(xué)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(shí)—20日20時(shí))強(qiáng)降水的影響范圍最廣,且大暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在以26°N、106°E為中心的范圍內(nèi),因此選取19日20時(shí)沿26°N和沿106°E分別做緯向和經(jīng)向剖面,分析大暴雨中心的動(dòng)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(qū),在750 hPa附近有-0.9 Pa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)中心;在大暴雨中心的近地面有高能舌存在,中心值達(dá)360 K。

從經(jīng)向剖面(圖5c)可以看出,大暴雨中心從近地面到200 hPa為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū),其中在750 hPa和400 hPa附近分別有2個(gè)強(qiáng)度>-1 Pa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)中心,同時(shí)在強(qiáng)降水中心的偏北側(cè)有高能舌存在,偏南側(cè)有能量鋒區(qū)。從19日20時(shí)溫度平流的緯向和經(jīng)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(shí)在大暴雨中心的偏北方向?qū)α鲗拥蛯佑欣淦搅魅肭帧?/p>

以上分析表明,強(qiáng)降水區(qū)上空垂直運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),強(qiáng)上升氣流從近地面伸展到對(duì)流層高層,同時(shí)強(qiáng)降水區(qū)位于高能高濕且不穩(wěn)定的大氣環(huán)境中,為暴雨的發(fā)生提供了充分的動(dòng)力和熱力條件,低層暖平流有減壓的作用,利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,中層冷平流的侵入導(dǎo)致未飽和空氣趨于飽和,降低了層結(jié)穩(wěn)定度,為能量和潛熱的釋放提供有利條件,從而增強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)[12]。

4 中尺度對(duì)流云團(tuán)演變特征

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

19日08時(shí)(圖7f)在貴州東北部出現(xiàn)2個(gè)TBB<-32 ℃的中γ尺度對(duì)流云團(tuán),同時(shí)貴州西南部受廣西和云南交界處對(duì)流云團(tuán)的外圍云系影響;19日11時(shí)(圖7g)貴州西南部的云團(tuán)減弱消散,東北部的云團(tuán)發(fā)展為中β尺度,TBB降低至-50 ℃以下,在其影響區(qū)域出現(xiàn)中—大雨。19日14時(shí)(圖7h)貴州東北部的云團(tuán)合并,貴州中部和西部分別出現(xiàn)2個(gè)中β尺度的對(duì)流云團(tuán)(E、F);19日16時(shí)(圖7i)3個(gè)云團(tuán)呈東北—西南向的帶狀排列,并逐漸增強(qiáng);19日20時(shí)(圖7j)中心強(qiáng)度達(dá)-60 ℃以下,在TBB<-60 ℃的區(qū)域?yàn)榈冖螂A段的大暴雨中心。19日20時(shí)以后云帶位置穩(wěn)定維持,強(qiáng)度逐漸增強(qiáng);20日00時(shí)(圖7k)中尺度對(duì)流云帶達(dá)到成熟階段,出現(xiàn)TBB<-80 ℃的強(qiáng)中心;20日00—05時(shí)(圖略),云帶位置穩(wěn)定維持,強(qiáng)度逐漸減弱,在其影響區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)167站大暴雨,462站暴雨。20日05時(shí)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(shí)(圖7l)云帶完全消亡。

5 結(jié)論

(1)此次連續(xù)性暴雨天氣過程主要分為3個(gè)階段,第Ⅰ階段對(duì)流性最強(qiáng),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(duì)流性遠(yuǎn)小于第Ⅰ階段。

(2)造成此次連續(xù)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(diǎn)在112～116°E之間穩(wěn)定維持,對(duì)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(fā)展增強(qiáng),造成強(qiáng)降水天氣。

(3)強(qiáng)降水區(qū)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(dá)-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1以上;垂直運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),暴雨中心從近地面到300 hPa為一致的上升運(yùn)動(dòng),其中心值達(dá)-1 Pa·s-1;近地面有高能舌存在,其中心值達(dá)360 K,表明大氣環(huán)境是高能高濕的狀態(tài),為暴雨的發(fā)生提供了充分的水汽、動(dòng)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(jié)穩(wěn)定度,為能量和潛熱的釋放提供了有利條件,進(jìn)而增強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)。

(4)在強(qiáng)降水發(fā)生的第Ⅰ階段MCS呈團(tuán)狀結(jié)構(gòu),其大范圍的云頂亮溫TBB<-70 ℃,表明云體內(nèi)上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展強(qiáng)烈,是造成第Ⅰ階段降水強(qiáng)度大的主要原因,當(dāng)中α尺度對(duì)流云團(tuán)分裂為多個(gè)中β尺度時(shí),降水強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng);第Ⅱ階段和第Ⅲ階段的MCS呈帶狀結(jié)構(gòu),其TBB<-70 ℃的范圍較小,且在發(fā)生暴雨的區(qū)域TBB大多在-60 ℃左右,表明此階段云體內(nèi)的上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度小于第Ⅰ階段,因此降水強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于第Ⅰ階段,但由于云帶在貴州中部一帶穩(wěn)定維持超過14 h,造成第Ⅲ階段暴雨影響區(qū)域最廣,累積降水量最大。