偏东风和地形的相互作用对湖南极端强降水的影响分析

2019-10-30昌立伟贾岸斌黄卓禹

中低纬山地气象 2019年5期

昌立伟，贾岸斌，黄卓禹

(1.湖南省岳阳市气象局,湖南岳阳 414001;2.湖南省常德市气象局,湖南常德 415000；3.湖南省娄底市气象局,湖南娄底 417000)

0 引言

暴雨是在有利的环境背景下各种中尺度天气系统相互作用的产物，而地形是天气系统中局部异常天气产生的一个主要因素, 在局地强降水形成、发展中起着举足轻重的作用。廖菲等[1]和付超等[2]曾指出地形降水增强的理论机制；也指出不同尺度的地形与大气的相互作用不一，大尺度地形，比如青藏高原，体现为动力和热力作用、影响甚广；对于中尺度地形，比如太行山脉和雪峰山脉，主要体现在动力作用；局地的地形热力有利于降水的增强；对于小尺度地形，比如南方的山丘，主要以上坡峰降水为主，地形强迫抬升辐合和局地的潜热释放是降水发生的主要机制。有许多专家就一个过程中地形的影响进行了详细研究，矫梅燕等[3]指出低层东气流在与太行山地形的抬升的相互作用形成垂直次级环流圈是北京西部山区强降水产生和维持的主要物理机制。赵玉春等[4]指出大别山和皖南山区中尺度地形相互结合，容易通过激发山脉波产生MCSs,同时受地形阻挡，使MCSs的移动减慢，并在一定程度上增强了MCSs，有利于MCSs的形成和维持。丁青兰等[5]指出在山前区及喇叭口地形的影响下，边界层辐合线的长时间维持是造成北京局地短时暴雨的重要原因。雷蕾等[6]指出低层偏东风冷空气侵入以及暖湿空气在冷空气和地形相互作用下强迫抬升是强对流天气的主要触发机制。崔春光等[7]指出小尺度的幕阜山的“抬高”的摩擦辐合作用很可能是这场鄂东特大暴雨强降水持续的一个重要因素；而中尺度的大别山对气流的阻挡作用是导致迎风坡降水增强的主要机制；此外也进行了大量的地形对降水的影响数值模拟[8-12]。

2018年6月19日湖南的中部邵阳—娄底地区出现一次极端强降水天气过程，此次强降水就发生在中小尺度地形相结合而形成的喇叭口地形中，地形雨降水特征明显，降水强度大并具有极端性；在以往对湖南的强降水研究中虽有涉及地形影响，但只有简单地阐述地形的理论作用，而没有结合个例进行更为深入的研究，因此看似简单的地形作用，非常有必要深入理解中尺度地形是如何作用于大气环流，如何触发引起强降水的，希望对今后这类局地对流天气的预报、预警有一定的借鉴。

本文所用的资料主要包括加密自动站雨量、地面、高空实况资料、FY-2G卫星TBB和NCEP每日4次的全球再分析资料(FNL，1°×1°)。

1 降水实况

在湖南的邵阳—娄底一线有这样一个特殊的地带，在其西侧矗立着湖南省最大的一座山—雪峰山(图1a)，呈东北—西南走向，平均海拔高度在1 000 m以上，主峰海拔在1 900 m以上，与太行山脉一样是典型的中尺度地形；在其北侧即邵阳与娄底交界处则是由雪峰山脉延伸出的高度不一的余脉，其平均海拔高度为800～1 000 m左右，是典型的南方小尺度地形。中小尺度地形的互相结合就构成了邵阳—娄底附近的典型的喇叭口地形。此喇叭口地形也是湖南强降水多发的地段[13]。

2018年6月19日08时—20日08时(北京时，下同)，就是在这个喇叭口地形附近出现了极端强降水，有12个乡镇日降水量超过200 mm，最大累计降雨量出现在新邵县大坪为264.5 mm(图1b)，国家气象站邵东、新邵日降水量分别为230.1 mm和167.6 mm，均突破日最大降水量历史极值。对比湖南的地形图(图1a)可以看出，整个强降水区沿着雪峰山前分布，强降水中心主要集中在山体峡口入口处，强降水中心与喇叭口地形相对应，地形雨特征明显。从邵东、新邵两个国家气象站极端强降水的逐小时分布可以看出(图1b右框)，强降水是从19日11时开始至19日23时结束，期间多个时次出现了小时雨强>30 mm的短时强降水，在自动区域站上监测到19日20时洞口古楼站小时雨强达75.6 mm。

此次过程强降水地形雨特征分布明显，强降水区集中、局地性强、对流性明显且持续时间长、造成山前多地出现了极端性强降水；受强降水影响，湖南邵阳的多个乡镇出现了轻—中度气象洪涝。

2 大尺度环流背景

2018年6月19日20时(图2a)，500 hPa中高纬的环流经向度大，表现为两槽一脊型，东部槽由东北地区延伸至淮河流域，温度槽落后于高度槽，利于槽后冷空气向南入侵，中低纬副高退居洋面，其西部脊线位于110°E附近，湖南处于没有明显的西风槽的弱天气尺度背景下；在850 hPa湖南中部有北部偏北气流与南侧的偏南气流而形成明显的切变线，大尺度环流形势的稳定利于偏北风与偏南的切变线的长时间维持。

从2018年6月19日20时强降水时期的地面天气填图可以看出(图2 b)，湖南处于地面暖倒槽内，20时地面气温仍处于30 ℃左右，在强降水中心附近存在地面辐合线，且在此后时间仍稳定维持。中高纬的槽后冷平流侵入到地面暖倒槽内，利于强对流天气的触发。

图1 湖南省地形分布图(a),2018年6月19日08时—20日08时累积降水量图(b，右框内为代表站逐小时雨量，单位:mm)Fig.1 (a) topographic distribution map of hunan.(b) cumulative precipitation figure of hunan province from 0800 hours on June 19, 2018 to 0800 hours on June 20, 2018 (in the right box is the hourly rainfall of the representative station, unit :mm)

图2 2018年6月19日20时天气形势图(a)500 hPa位势高度场、500 hPa温度场和850 hPa的风场(黑色等值线表示位势高度,单位:dagpm;红色等值线表示温度,单位:℃;注：阴影表示850 hPa的地形高度), (b)地面天气填图Fig.2 shows the weather situation at 20∶00 on June 19, 2018.(a) 500hPa geopotential height field, 500 hPa temperature field and 850 hPa wind field (black contours indicate geopotential height, unit:dagpm; Red represent temperature contour, the unit: ℃; (b) surface weather mapping

3 强降水云团的空间分布特征

此次极端强降水的对流云系发展旺盛，影响范围较广，但将其与对应时刻前1 h雨量对比分析可以看出，同等强度的对流云系所对应的地面降水却有较大差别(图3)。在夜间强对流云图从发展到旺盛持续时间长达8 h，期间分别在邵阳—怀化交界处即雪峰山脉的西南段附近和株洲—湘潭—娄底东部一线即湖南中东部的平原地带有旺盛的对流云团发展，19日19时，东侧的对流云团发展旺盛，但短时强降水出现在地形峡口的入口处；19日20时，两侧对流云团最小TBB均在72 ℃以下，而雪峰山脉附近却出现了>50 mm/h的降水，东侧小时雨强则不到25 mm；同样对比19日21时—20日01时的TBB与过去1 h 的雨强，依然可以看出东侧的小时雨强均在25 mm以下，而同等强度下，地形峡口西侧入口和东侧入口均存在>50 mm/h的短时强降水，其中在19日20—23时还出现70 mm/h 以上的短时强降水。同等强度的对流云团在量级上存在显著差异，地形影响前侧附近的异常强的短时强降水可能与地形的增幅作用有关联。

图3 2018年6月19日19时—20日01时(a-h)逐小时TBB(阴影，单位:℃)和过去1 h湖南地区加密自动站雨量(填值,黑色是≥25, 红色是≥50，单位:mm)叠加图Fig.3 on June 19, 2018, 19—20 01 (a-h) one by one hour TBB (shadow, unit: ℃) and in the past 1 h hunan province encryption automatic rainfall station(fill in value, black is 25 or more, a red is 50 or more, unit: mm) stacking chart

4 中小尺度地形对强降水的影响

4.1 地形对大尺度环流的影响

中小尺度地形对气流的影响主要体现在使气流绕地形流动和被迫爬升, 并且容易使中低层的暖湿气流在中尺度地形迎风坡造成气旋性辐合,对降水产生明显的增幅作用[1-2]。此次极端强降水除了以上有利的大尺度背景场外,从上述对流云团的演变可以看出中尺度的天气系统的发生发展是造成此次强降水的直接原因。这种系统的发生发展主要取决于当地的地形条件及大尺度背景场,具有很强的局地性和突发性。

从图4a强降水时刻的纬向垂直环流可以看出，强降水中心位于迎风坡处，其上空强的垂直上升速度延伸至400 hPa附近,表明对流发展旺盛，此外在20～25°N中低层为一致的偏南风，偏南气流在经过中小尺度地形时南风出现了中断，而在强降水中心的北侧则是中高层偏北气流逐渐渗透至地面，受地形阻挡，气流被迫辐合抬升，在喇叭口地形的迎风坡上形成明显的辐合抬升气流；此外在垂直环流上则表现为北侧中高层冷空气渗入至低层的暖湿气流中，加大对流不稳定，利于强对流天气的触发，而两者的汇合点正对应强降水区。另外从图4b极端强降水中心的水平风场沿着时间—高度垂直剖面可以看出，在19日08时低层均表现为一致的南风，从19日20时900 hPa以下转为东北风直至降水结束，尤其是19日20时前后偏北风量明显大，这也证明极端强降水中心有干冷空气的侵入，因此在水平环流上强降水中心表现为偏南暖湿气流和东北干冷空气的辐合区。而地面浅薄的东风气流的长时间维持是造成中尺度辐合线长期维持在强降水中心的主要原因。

4.2 地形和偏东风的相互作用对降水的影响

从上述分析可以看出，在中小尺度地形的影响下，近地面的偏南风出现了明显的中断，此外在强降水时刻北侧也出现了明显的转向，而偏东风与偏南风的水平气流的辐合是中尺度切变线和地面中尺度辐合线维持的主要原因，因此非常有必要分析偏东风与地形相互作用对降水的影响。

从图5a极端强降水中心温度平流的时间—高度垂直剖面图可以看出，18日夜间900 hPa以下开始由暖平流转为浅薄的冷平流，到19日20时900 hPa以下的冷平流强度达到-12×10-5k·s-1，这股浅薄的冷平流的形成正是由于中层东北风的侵入造成的；分析近地面的冷暖气层分布可以看出(图5b)，19日14时即强对流天气发生前，湖南境内近地面气温均在30 ℃以上，邵阳强降水中心附近的气温甚至高达34 ℃以上，表明近地面暖倒槽发展旺盛，到19日20时随着偏东风的侵入，强降水中心附近形成明显的假相当位温的密集低值区。表明中层偏东风携带干冷空气侵入近地面发展旺盛的暖倒槽内，触发了暖倒槽中不稳定能量的释放，是此次强对流天气发展旺盛的主要触发机制。

图4 (a)2018年6月19日20时极端强降水中心沿27.33°N的经向风与扩大-100倍的合成流场和经度—高度垂直剖面图(b)极端强降水中心27.33°N，111.41°E的水平风的时间—高度垂直剖面图(单位：m·s-1)Fig.4 (a) on June 19, 20, 2018 extreme strong precipitation center along the meridional wind and extension of 27.33°N-100 times the synthesis of the flow field and the longitude-height of the vertical section(b)Extreme strong precipitation center 27.33°N,111.41°E level wind-highly vertical section (unit: m·s-1)

图5 (a)极端强降水中心27.33°N，111.41°E的温度平流时间—高度垂直剖面图(单位:10-5k·s-1)(b)2018年6月19日20时1 000 hPa的假相当位温(单位:K)和6月19日14时1 000 hPa的气温(单位:℃)Fig.5 (a) strong extreme precipitation center 27.33°N,111.41°E temperature advection time-height of the vertical section (unit: 10-5 k·s-1) (b) on June 19, 2018, 20 1000 hpa off quite a bit when temperature (unit: K), and 14 June 19, when the temperature of 1000 hpa (unit: ℃)

上述中低层偏东风的侵入有利于强对流天气的触发，而此次极端强降水天气的出现还有一个重要原因就是强降水持续时间长，下面就这一点进行分析。从近地面1 000 hPa沿着强降水中心经度111.41°E的水平风场时间—纬度垂直剖面图和整层大气可降水量可以看出(图6a)，27°N以南为偏南气流影响，在强降水中心纬度(27.33°N)附近18日20时以前为偏南气流影响，到19日08时之间转为明显的西南风与东北风的辐合，此中尺度切变线一直稳定维持到19日20时之后，期间，南侧的偏南风还存在一个增大的过程；在强降水之后随着南侧南风的减弱，切变线开始迅速南落。表明，南侧偏南气流的加强及地形的阻挡作用有利于地形峡口处的中尺度切变线的长时间维持，南侧偏南气流的减弱则会使切变线迅速南移，降水雨带也随之南移。

另外从强降水时刻850 hPa和925 hPa的水平风场(图6b、6c)可以看出，在此次强降水过程中，不存在典型的西南急流，到达湖南境内的最大西南风不到6 m/s，并且在强降水中心以北整层大气可降水量都很小，而在强降水时刻整层大气的可降水量却均维持在60 kg·m-2以上(图6a)，因此，强降水区异常旺盛的水汽含量极可能是南侧携带的暖湿气流在北移过程中受中尺度地形阻挡，而在强降水区形成明显的水汽辐合造成的。

图6 (a)1 000 hPa沿着111.41°E的水平风时间—纬度垂直剖面图(单位:m·s-1)和整层大气可降水量(单位: kg·m-2)(b)2018年6月19日20时850 hPa的水平风场(单位:m·s-1)与地形高度叠加(阴影,单位:m)(c) 2018年6月19日20时925 hPa的水平风场(单位:m·s-1)与地形高度叠加(阴影,单位:m)Fig.6 1 000 hpa along the latitude 111.41°E level wind-vertical section (unit:m·s-1) and the whole atmosphere can be precipitation (unit: kg·m-2) (b) horizontal wind field at 850 hPa at 20∶00 on June 19, 2018 (wind pole, unit:m·s-1) and terrain height overlay (shadow, unit:m) (c) horizontal wind field of 925 hPa at 20∶00 on June 19, 2018 (wind pole, unit:m·s-1) and terrain height overlay (shadow, unit:m)

另外从图中可以看出，强降水中心的山脉高度多在800～1 000 m之间，这个高度对应的位势高度大约为900 dagpm附近；从925 hPa的水平风场可以看出，在强降水中心的附近受中小尺度山脉的阻挡而在山脉的峡口处形成明显的辐合切变线，而850 hPa的气流在不受地形阻挡作用下，偏南气流一直延伸至28°N，这也表明中尺度地形有利于中低层辐合切变线的形成和维持，而对于高于山脉的水平气流影响不是很大。