福建省西北部一次暖区暴雨过程天气成因分析*

2021-11-11陈庆琼陈文杰邓慧颖2

海峡科学 2021年9期

陈庆琼陈文杰林晖邓慧颖2,,4

(1.邵武市气象局,福建南平 354000；2.武夷山国家气候观象台,福建南平 354300；3.福建省灾害天气重点实验室,福建福州 350007；4.南平市延平区气象局,福建南平 353000)

0 引言

福建省西北部地区属典型的亚热带季风气候，四季分明、雨量充沛，是福建省暖区暴雨的多发区。大量的预报实践和观测研究表明[1-3]，暖区暴雨降水强度大、突发性强、局地性显著，由于暖区暴雨低空受南风气流控制，缺乏“锋面、切变、低涡”等天气尺度斜压系统强迫，一直是气象预报预警工作的重点和难点。近年的观测事实表明暖区暴雨也是暴雨的重要组成部分，暖区暴雨往往强度大，降水集中，具有明显的对流特征，易造成重大灾害，特别是在福建山区(闽西北)由于地形作用，危害更甚。邵武市地处福建省北部，武夷山脉南麓，闽江上游富屯溪畔，年平均降水量在2000mm左右，特别是在汛期(3-6月)时多强降水天气，为暴雨灾害频发地区之一。福建省气象局已在武夷山国家气候观象台开展强对流外场观测试验，邵武市也属于外场观测试验场地之一，重点任务是开展暖区暴雨加密探空观测试验。

暴雨的发生通常受三个大尺度因子的影响：来自印度洋和西太平洋夏季风，西太平洋和青藏高原副热带高压，以及北半球尤其东亚中高纬地区的异常大气环流[4-6]。大气环流的异常是导致降水异常的一个最直接的原因[7-8]。暴雨发生后，当雨区上游存在高能中心，且以平流方式向暴雨区输送时，不稳定能量得以重建，这种不稳定能量的补充是暴雨得以维持的重要条件。进入21世纪后，在气候变暖的大背景下，极端天气事件频发，连续性暴雨对我国的国民生产、人民生活造成了极大的威胁，福建、广西、广东等沿海省份是连续性暴雨的多发区域。目前针对福建省暴雨研究的文献已有许多，如王新强等[9]对比分析了一次强降水过程中两类暖区暴雨特征，指出两次暖区暴雨均处在高温高湿场中，呈低层辐合、高层辐散状态，大气层结极不稳定，由底层的辐合或切变触发，其中冷空气渗透暖区暴雨多为本地场触发生成，冷空气渗透暖区暴雨对流性强于暖切抬升暖区暴雨。官晓东等[10]研究指出在冷暖气流相互作用形成的持续暴雨中，锋生的大小和位置对降水的强度和落区有很好的指示作用，低层以水平锋生为主，中层以垂直锋生为主，有利于成片暴雨的发生。黄待静等[11]利用自动站观测资料和雷达资料对2018年9月23日南平市出现的暴雨过程进行分析，结果表明在副高控制下，伴随高湿、高能条件，动力抬升条件良好，干冷空气入侵，会使得大气中的能量在短时间内大量释放，造成短时强降水。林珠应等[12]对福建省2020年5月6-7日的暴雨过程分析指出，中高层低纬的短波槽活动，低层切变稳定少动，加上西南急流、地面倒槽发展北抬触发了此次暴雨过程，稳定度指数在本次暴雨过程中有很好的指示意义。本文针对邵武市2021年6月28日-7月1日出现的一次降水极端事件，利用地面和高空气象常规观测资料、诊断物理量场及NECP再分析资料，通过聚类合成、统计对比等方法，重点阐述了这场暴雨过程中的环流特征和强降水形成机理，为福建省西北部暴雨预报提供一些思路和参考依据。

1 资料的来源与处理

本文利用2021年6月28日-7月1日福建省邵武市18个气象观测站的降水数据，高低空常规气象观测资料、诊断物理量场，运用聚类合成、统计对比等方法分析此次过程邵武市出现暖区暴雨到大暴雨的天气形势特征及强降水触发机制与形成原因。

气象再分析资料选取以及NECP/NCAR再分析资料，它是美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的全球逐日再分析资料，空间水平分辨率为2.5°×2.5°。Anomaly为扰动场[原始场减去30年(1980—2010年)气候平均态的距平场]。

2 过程概况

受高空引导气流、中低空急流、中尺度雨团、武夷山脉地形强迫抬升等因素影响， 2021年6月28日-7月1日邵武市普降大暴雨，局部特大暴雨，经统计全市18个站点累计雨量超过100mm，有2个站点雨量超过500mm，分别为下沙镇鹰山隧道533.1mm、水北镇三都村522.2mm，全市平均雨量254.0mm，邵武城区雨量349.7mm，日降水量(20时-20时)以28日为最大，达到188.6mm。

图1(a)为全省6月27日20时-7月1日20时过程累积降水量分布情况，可以看出，全省雨量分布特征为福建西北角最大，逐渐向南部递减，邵武市处于降水量最大的区域。图1(b)为邵武市6月27日20时-28日20时降水量分布情况，对比图1(a)、(b)可知，该过程53.9%的雨量集中在6月28日。此次降水过程属于邵武市降水极端事件(表1)，即6月28日邵武市城区日降水量、小时雨强历史排位均位列第一。邵武市城区日降水量(27日20时-28日20时)188.6mm，城区6小时降水量(08时-14时)高达165.9mm，占日雨量的88.0%，说明强降水发生时段非常集中，雨强大。

表1 2021年6月28-30日暴雨过程极端事件

本次过程主要降水时段集中在6月28日09-13时。图2为28日07-15时邵武市比较有代表性的站点小时雨量，其中6月28日08-14时的6小时雨量大于200mm区域自动站有5个，以下沙镇鹰山隧道雨量330.8mm为最大， 24小时雨量(27日20时-28日20时)大于300mm的区域自动站有3个，以下沙镇鹰山隧道雨量366.2mm为最大，最大小时雨量(84.3mm)也出现在该站点(28日13时)。

图2 2021年 6月28日07-15时邵武市小时雨量

3 环流背景及影响天气系统

3.1 环流背景

从6月28日08时500hPa高度图上(图略)可见，高纬环流为两槽一脊型，脊位于贝加尔湖以东，其东侧槽区东移过程中有分裂的低槽，东北有冷涡，冷空气从中路南下影响我国。西太平洋副高588线在海南、广东及福建沿海，位置比较偏南，脊线在16°N，中低纬地区长江流域有宽广低槽位于120°E附近，伴随冷空气从高原东部沿长江流域影响江南、华南等地，所以扩散下来的冷空气与武夷山脉附近的低层暖湿气流交汇有利对流的发展。另外南支槽位于107°E 附近贵州中南部，福建有可能出现强对流和强降水天气[1]，地面辐合线位于江西到福建北部再到浙江一带(见图3)，有利于强对流天气的触发，随切变东移，促使低层的水汽和上升运动增强，有利对流性天气发展。

图3 2021年6月28日-7月1日1000hPa风场距平图(红色代表地面辐合线)

3.2 主要影响天气系统

28日08时，700hPa切变线位于贵州中部，28日08时，700hPa“308线”和850hPa“144线”在武夷山北侧，850hPa有一个人字型的切变，850hPa低涡在贵州北部与重庆交界东段切变在长江流域，南段与700hPa的切变在贵州中部重合。

暖区中有弱冷空气侵入，从27日08时到28日08时850hPa温度场上可见在邵武上空出现了0.4℃的负变温，切变南侧的赣州、邵武一带有一风速≥12m/s的西南风急流，南平北部处急流左侧出口区，850hPa邵武为SW风12m/s，700hPa赣州与邵武之间为风向辐合(邵武为W风14m/s、赣州为SW风8m/s)，低空急流左侧出口区是正涡度、暖平流，一方面携带南方大量的水汽，地面辐合线位于江西到浙江中部一带，在其附近上饶市触发的对流云，在500hPa引导气流的作用下，移动速度很慢，07-14时对流云团从上饶南部自西北向东南方向移来，沿邵武市与建阳交界的山脉移动，地形的强迫抬升进一步加大强降水的量级。

4 诊断物理量分析

4.1 不稳定层结

从6月28日08时邵武探空曲线(图4)分析，700 hPa以下空气湿暖，湿层深厚，700 hPa以下风向顺转，700hPa以上风向逆转，低层暖平流、高层冷平流，温度直减率为ΔT850-500=21.9℃，K指数为41.3，Si为-1.6，达到福建省强对流天气标准[13]，表明大气层结不稳定，有利对流天气发展。

图4 2021年6月28日08时邵武市探空图

4.2 热力条件分析

4.2.1 垂直位温

从28日08时垂直位温分析图(图5)可以看出，热力条件：位温线在左边，假相当位温大于70℃，假相当位温和饱和假相当位温在右边，3条线呈“喇叭口”，对流层顶出现超低温，而且700hPa到500hPa假相当位温和饱和假相当位温几乎重合；动力抬升：400hPa以下有不稳定能量，400hPa以上不稳定能量随高度的增加而减小，下层西南风，中层偏西风，高层偏北风存在辐散，低层有旋转辐合，低层暖平流、高层冷平流，有很强的垂直风切变。

图5 2021年6月28日08时邵武市垂直位温分析图

4.2.2 K指数

K指数是综合了垂直温度梯度、低层水汽含量和湿层厚度的一个物理量，可以用来表征大气中低层暖湿程度和大气稳定度，K指数越高，大气层结越不稳定。福建省在5-6月份，当K指数大于32时，大气中就具备较高的潜能。从26日08时开始，K指数场从江南到华南北部均处于大值区，而福建省西北部稳定维持在K指数大于38的高能区内，有不稳定能量的堆积。

4.3 水汽条件分析

图6合成分析了2021年6月28日-7月1日对流层整层水汽通量与辐合场，由图分析可见，各对流层整层的比湿场，走向与低空急流一致，从孟加拉湾一直到江南、华南北部及福建省上空存在一条东西向的明显湿舌，说明大气中水汽含量相当高，自西向东水汽的输送条件较好，为邵武市(图7，白色星号处)的强对流暴雨天气发展提供了充沛的水汽条件。