赣东北致洪暴雨的天气分型和回波特征分析

2021-10-18陈鲍发马中元黄龙飞郑志文郑卡妮

气象水文海洋仪器 2021年3期

陈鲍发，马中元，黄龙飞，郑志文，郑卡妮

(1.景德镇市气象局，景德镇 333000；2.江西省气象科学研究所，南昌 330046；3.浮梁县气象局，景德镇 333400；4.乐平市气象局，乐平 333300)

0 引言

赣东北致洪暴雨是赣东北区域，尤其是景德镇市与昌江流域在江西汛期最为严重的灾害性天气，其造成的大水灾、大洪水、局部山洪影响十分严重；因此，针对赣东北致洪暴雨进行分析和研究尤为重要。

国内外专家对暴雨多有研究，张延亭[1-3]等定义江西致洪暴雨标准：在江西全省范围内任意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个致洪暴雨日，其中有18个致洪暴雨日引发了大水灾(这里多指全省性的大洪水过程)。从景德镇市近几年的大洪水过程来看(渡峰坑洪峰水位在32 m以上)，致洪暴雨表现为连续暴雨，且第1天为一般性暴雨，第2天为区域性大暴雨或特大暴雨，这种类型的连续暴雨致洪性更强，如2010-07-14—2010-07-15，日雨量分别为101.9 mm和204.7 mm；2012-08-09—2012-08-10，日雨量分别为78.9 mm和364.6 mm；2016-06-18—2016-06-19，日雨量分别为69.1 mm和170.8 mm；2017-06-23—2017-06-24，日雨量分别为88.2 mm和118.9 mm。同时，由于雨强时空分布不均，日雨量≥200 mm足以造成局部山洪，上述情况也在景德镇区域内多次山洪过程中得到验证。

根据这个标准，以县为单位普查赣东北各地的洪水过程。选取2011—2017年的暴雨过程并与上饶市水文局备案的大洪水过程对比，结果显示：2011—2017年的12个致洪暴雨过程中有7个过程引发了大水灾。由该比例来看，与张延亭的定义大致相当，即有一定的科学性。文章定义的致洪暴雨从强度上明显弱于张延亭定义的江西致洪暴雨标准，但最终效果相当，其主要原因是暴雨强度不是产生致洪暴雨的唯一标准，致洪暴雨还与暴雨的落区、时空分布、短时降水的强度和河床的坡降等特征有关，即大洪水的发生是多方面因素综合影响的结果。当然，致洪暴雨产生的大洪水一定是由暴雨或大暴雨产生，这一点毋庸置疑。地市级及县气象局，汛期防洪的主要目的是城区不受威胁，或减小城区威胁；因此，对景德镇的致洪暴雨的特点研究适用于多数中小城市。

由此可见，赣东北致洪暴雨的定义为连续暴雨，且第1天为一般性暴雨，第2天为区域性大暴雨或日雨量≥200 mm且昌江流域已出现较明显洪水(渡峰坑洪峰30 m，超警戒线的洪水过程1.5 m)，文章以此标准作为赣东北致洪暴雨研究的依据。

1 赣东北致洪暴雨的天气分型

张延亭等指出低空急流、水汽输送、低层辐合、高层辐散[3-6]在暴雨产生的过程中起到重要作用，而槽后冷空气侵入加剧了中低层大气的对流性不稳定，触发了不稳定能量的释放[7-9]。王华[10]等总结了暖区暴雨与锋面系统暴雨的区别，指出暖区暴雨带发生于西南暖湿气流加强的环境下，对流不稳定层结显著，强降水是在暖式中尺度辐合线的触发和组织下由中尺度对流复合体产生的，雷达回波具有明显的“列车效应”和后向传播特征，地面辐合线及中尺度涡旋的位置决定了雨带和特大暴雨中心的位置。锋面系统暴雨带是在冷式切变线和低空低涡的影响下，由切变线云系形成的多单体回波带造成，高低空系统耦合，降水持续时间长，暴雨区面积大。尉英华[11]总结了天津局地大暴雨的回波与强降水特征，指出40 dBz以上回波是强降水雷达回波的重要系统，持续近3 h，平均6 min降水量达6.8 mm。邓虹霞[12]等指出城市暴雨的雷达回波特征主要有3种：块状(强单体、超级单体)、带状(飑线、回波带)和絮状(絮带、絮团)。3种回波形态特征中出现率最高的是絮状回波，即比较宽且嵌有中等强度的对流单体絮带状回波带。

根据国内外各专家对暴雨的分型标准与赣东北致洪暴雨的特点，文章将其分为冷锋型、台风型、低槽东移型、典型梅雨锋型与副热带高压边缘型5种形式。有明显冷锋过程，定义为冷锋型暴雨；台风低压引起的，定义为台风型；仅由低槽东移而造成的称之为低槽东移型；出现在主汛期，有明显梅雨锋南北摆动，定义为典型梅雨锋型；江南大部受副高控制，低槽东移，副高东退，在副高北部或西北部边缘出现大暴雨，定义为副高边缘型。根据赣东北致洪暴雨的标准普查2008—2018年赣东北的暴雨过程，对选取的暴雨过程进行分型，并对比水文局的洪水影响情况，得出赣东北16场致洪暴雨中典型梅雨锋型暴雨有10场，占半数以上；台风型致洪暴雨1场；副高边缘型3场；最强的洪水过程均出现在这3种形式之中。还有2场分别是出现在4—5月的锋面暴雨和仅由低槽东移造成的暴雨，均只产生中小洪水。

昌江与乐安河均属饶河流域，是赣东北的主要河流。昌江河，发源于安徽祁门县大洪岭深处，由北向南贯穿景德镇全境，上游河道窄，水流湍急，受强降水影响，洪水陡涨陡落，具有较为明显的山洪特征。乐安河发源于婺源，全长279 km，流域面积8989 km2，地跨赣东北多个县市，影响面积广，与中小河流洪水有明显区别，涨势平缓，洪峰响应时间较长，其与乐平、婺源、德兴、玉山、横峰、弋阳及万年等多地的降水强度有关。昌江流域的明显洪水过程多在36～48 h内发生；造成巨大灾害的洪水(洪峰水位在32 m)具有境内24 h雨强最大超过300 mm或大范围超过250 mm以上的明显特征。而以乐平为代表的乐安河流域，其致洪暴雨以区域性暴雨为主，由系统性地暴雨、大暴雨造成，暴雨过程累积雨量越大，影响赣东北的面积越大，持续时间越长，洪峰水位越高。

2 赣东北致洪暴雨的物理量参数

2.1 能量、热力、不稳定与水汽条件特点

对致洪暴雨的CAPE、K指数和SI指数等特征物理量进行统计，致洪暴雨的水汽、热力、不稳定条件均非常好。热力与能量条件：CAPE平均达1，397.7 J/kg，最大为2973 J/kg；K指数平均40.4 ℃，最大44 ℃；θse850平均达80.6 ℃，最大为86.7 ℃。不稳定条件：SI指数平均为-2.2 ℃，最低为-6.7 ℃；LI(抬升指数)平均为-3.7 ℃，最低为-6 ℃；T850-500平均达24.2 ℃，最大为31 ℃；θse850-500平均达10.9 ℃，最大为23.3 ℃；即伴有较强层结不稳定及明显对流不稳定。水汽条件：地面Td平均达24.7 ℃，最大为28 ℃；Td850平均为18.2 ℃，最高为20 ℃；q850平均达15.5 g/m3，最高为17.3 g/m3，T-Td850大部分在1～2 ℃，即基本饱和。

由此可见，赣东北致洪暴雨有着良好的热力条件与水汽条件。总体来讲，副高边缘型致洪暴雨的能量更强，K指数可达42 ℃以上，层结也最不稳定，SI指数≤-3 ℃；而台风型对不稳定条件要求不高。

2.2 致洪暴雨特征物理量统计

赣东北的致洪大暴雨，低层(925～700 hPa)有强烈的旋转，正涡度平均为10.6×10-5·s-1，最大为22×10-5·s-1；低层有明显辐合，高层为弱的辐散或较强辐散，高低空有明显的散度差，平均达13.6×10-5·s-1或以上，最强达20×10-5·s-1；中层垂直速度平均可达-2.3 Pa/s，最强达-4.2 Pa/s。有充足的水汽供应，850 hPa水汽通量平均可达0.021 g/cm·hPa·s，最大达0.026 g/cm·hPa·s；并伴有明显水汽辐合，低层水汽通量散度平均为-1.0×10-6g/cm·hPa·s，最强达-1.4×10-6g/s·cm·hPa。有明显的风垂直切变，0～3 km平均达15.3 m/s，0～5 km平均达16.9 m/s。通过地面图排查，所有致洪暴雨过程均存在地面辐合线，并且有较明显的3 h负变压，强度可达-2.5 Pa以下。

总体来讲，副高边缘型与典型梅雨型的动力条件接近，而台风型低层涡度更强，但风垂直切变最弱。

由此可见，赣东北致洪暴雨具备很好的热力条件、动力条件和水汽条件，充足的水汽供应、强烈的不稳定性加上剧烈的上升运动，对流发展旺盛；同时中低层气旋式旋转与强风垂直切变在一定程度上延长了对流持续时间，强降水不断发生、发展，形成了致洪大暴雨。

2.3 赣东北致洪暴雨Tlogp特征

赣东北致洪暴雨多为典型梅雨型、副高边缘型和台风型，对比不同形式下的Tlogp图，分别选取具有代表性的4张探空图(图1)。可以看到致洪暴雨多伴有明显的对流有效位能，且500 hPa以下基本饱和，低层风向随高度顺转，即有明显暖平流结构。不同的是，副高边缘型的探空图上，对流有效位能结构更宽，值也更大；而梅雨Ⅰ型对流有效位能多呈细长结构；台风型则表现为高低空更加均匀；梅雨Ⅱ型则表现为对流有效位能的值很小，在500 J/kg以下，从物理量统计看到，K指数会达37 ℃以上，SI指数在 -0.7 ℃以下，即仍有明显的层结不稳定和对流不稳定能量，此时中低层往往伴有明显的低空西南急流与超低空西南急流。

图1 赣东北致洪暴雨典型Tlogp图(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)台风型：2012-08-09T20：00

从500 hPa的风场看，副高边缘型的3次过程中有2次风速<12 m/s，即中层为弱风场结构，占比2/3；而梅雨型10次过程之中只有1次500 hPa风速<12 m/s，即弱风场结构仅占比1/10；台风型不仅500 hPa为弱风场结构，且700～850 hPa均为东北风，与梅雨型、副高型低层多为强盛西南气流不同，表明台风暴雨的水汽输送来源与其他类型有明显区别。

随着时间推移，梅雨型中低层的西南气流更加强盛，且近地层有弱的东南风，而副高型在925～850 hPa西南气流强度较强，但700～500 hPa可能为弱风场结构。由于强降水回波的移动速度与中层平均风速有关，弱风场结构常导致回波停滞或移动缓慢，从而增强降水强度。

由此可见，赣东北致洪暴雨多伴有明显的对流有效位能，500 hPa以下各层饱和，低层有明显暖平流。副高边缘型的对流有效位能更强、更宽，且中层(700～500 hPa)出现弱风场结构的频率高；典型梅雨型暴雨中低层多伴有明显的西南急流，但对流有效位能有时较弱，此时K指数与SI指数的指示意义更好；台风型的水汽来源与梅雨型、副高边缘型不同。

3 赣东北致洪暴雨雷达拼图回波特征

江西WebGIS雷达拼图由24部S波段天气雷达组成，探测范围覆盖1100 km×1100 km，精度为1 km×1 km，是探测较大尺度暴雨和大暴雨天气系统的有效工具。赣东北致洪暴雨的雷达拼图回波主要有带状回波、块状回波和絮状回波，组合反射率CR回波强度达45～60 dBz。

3.1 带状回波

带状回波强度明显强于周围的回波(图2)，多表现为东-西走向，长度≥100 km，部分回波长度达300～500 km，如(图2a)。回波的宽度很窄，一般只有5～10 km，有的在5 km以下，表现为一条细长的窄带回波(图2f)。带上回波强度达45～50 dBz或以上，但不超过60 dBz。带状回波主要有两种形态：一种为1条细长的东-西走向强窄带，占绝大多数；另一种由多个南-北走向的短带强回波横向排列成1行组成(图2d)。造成致洪暴雨的原因是，回波强度强，瞬时雨强大，同时，强回波窄带与回波单体移动方向夹角小，多呈东-西走向或东北-西南走向，而回波由西向东缓慢移动，带上强回波不断经过同一地区，列车效应造成持续强降水，形成致洪大暴雨。

带状回波还有类似于飑线回波带的结构，如2018-07-05夜间，在景德镇市区附近为团状强回波，西北方向有东北-西南走向的强回波带，在团状强回波影响期间，带状回波缓慢东移南压，最后与团状强回波合并，造成景德镇地区短时特大暴雨，13 h累积雨量达308.8 mm。

3.2 块状回波

块状回波表现为较大范围回波中存有强度比较大的强回波，或者较为孤立的块状回波，回波强度均达45～55 dBz。块状回波位于景德镇西部边界至市区附近，主要特点是移动缓慢，也被人称为“挂灯笼”。强回波稳定在一地上空，持续强降水形成致洪暴雨。

3.3 絮状回波

絮状强回波也是致洪暴雨的重要表现形式，其表现为赣北上空被大范围的絮状回波覆盖，回波总体强度均达30 dBz或以上，其中分布着若干个棉絮状的强度达50 dBz左右的强回波单体，这些强回波单体经过的地区会出现强降水，加上总体强度30 dBz及以上的回波造成的中等强度降水，形成大范围的致洪暴雨。

由此可见，致洪暴雨的雷达回波主要有：带状、块状和絮状回波等形态，其强回波中心强度可达45～60 dBz。强回波中心不断经过同一地区或稳定少动，形成持续强降水，从而导致致洪大暴雨的产生。

4 强降水特征

以景德镇市区、浮梁县2010-07-15(副高边缘型)、2016-06-19(副高边缘型)、2017-06-23—2017-06-24(典型梅雨锋型)、2012-08-10(台风型)4次致洪暴雨过程为代表，研究致洪暴雨的强降水特征(表1)。致洪暴雨1 h面雨量开始往往为平均10.0 mm/h的雨强，偶有1个≥30.0 mm/h强降水点，但随着持续时间增长，区域平均面雨量降水增至20 mm/h或以上，并持续2～3 h以上，致洪暴雨即产生。从4场致洪暴雨来看，20.0 mm/h强降水平均持续时间为7 h，1 h最大面雨量54.6 mm，单站最大雨强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，单站最大雨强156.0 mm；6 h平均面雨量111.6 mm，最大面雨量189.0 mm，单站最大雨强240.0 mm；12 h平均面雨量159.0 mm，最大面雨量262.0 mm，单站最大雨强357.8 mm；24 h平均面雨量210.0 mm，最大面雨量331.0 mm，24 h单站雨强为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)以上的降水预报，已超出短期预报能力，因此主要立足点还是短临预警。