武陵山区一次暖区强降水触发和维持机制分析

2022-02-07罗娟邓承之高松刘超庞玥夏蘩

热带气象学报 2022年5期

罗娟，邓承之，高松，刘超，庞玥，夏蘩

（1.重庆市气象台，重庆 401147；2.重庆市气象科学研究所，重庆 401147）

1 引言

暖区暴雨概念最初源自华南暖区暴雨研究，上世纪七十年代第一次华南暴雨试验发现，除了传统锋面降水外，华南前汛期还具有暖区暴雨特色，大暴雨、特大暴雨等强降水也经常发生在锋前200~300 km 以外的暖区中，甚至是没有锋面和风切变的南风气流里[1-6]。近年来，我国气象工作者发现除华南地区外，其它地区也经常出现暖区对流性暴雨事件[7-12]。对比锋面暴雨，暖区暴雨具有雨强大、降水集中、持续时间长，极易造成洪涝灾害的特点。由于暖区暴雨过程中中低空为西南-南风气流控制，缺乏“锋面、切变、低涡”等经典风向辐合型的天气尺度系统强迫，主流数值预报模式对于暖区暴雨落区和强度的预报能力也有限，使得暖区暴雨的研究显得尤为重要。

暖区暴雨通常发生在高温高湿、对流有效位能大、对流抑制能量小、地面抬升指数低以及气柱含水量高等有利的环境条件中[13-16]。暖区暴雨的抬升触发机制主要有边界层辐合线、海陆差异形成的辐合中心、低空急流轴或大风核及边界层风速脉动配合中尺度地形抬升，以及地面中尺度辐合线、中尺度能量锋、中尺度海风锋等[17-20]。暖区局地暴雨的形成多与MCS 相关，MCS 长时间的“列车效应”和后向传播特征是产生强降水的主要原因，强降雨回波常沿中尺度辐合线触发和移动加强[21-23]。中尺度辐合线触发的对流风暴形成小范围冷池出流与环境风场形成新的辐合线，加强对流风暴的发展，并在此触发新的对流单体[24-25]。地形对暖区暴雨中MCS 的触发、组织以及移动和传播也有重要作用[26]，暖湿气流在山前辐合抬升，增大大气垂直上升速度，增强动力和热力不稳定，触发新生雷暴或使雷暴快速加强[27]。地形、冷池出流和暖湿空气这三者相互作用，地形会促使冷池出流下山速度加快、冷池出流厚度升高以及冷池出流与偏东暖湿气流的辐合抬升作用增强，这是雷暴新生和加强的原因之一[28]。总之，在复杂下垫面条件下，地形、边界层辐合线、雷暴冷池出流、对流层低层暖湿气流等对暖区降水触发和增强均具有重要作用，但此类个例研究多集中在华南和华北地区，而地形更为复杂的西南地区研究较少，因此有必要剖析西南地区暖区暴雨个例。

2018 年5 月20 日凌晨，贵州北部至重庆南部的武陵山区突发强降水，暴雨中心石桥乡位于重庆武隆东南部，全乡海拔在300~1 200 m 之间，地势起伏大，地形复杂，以山区型地貌为主，最大过程雨量为208.5 mm，最大小时雨量为59 mm。受突发强降水影响，20 日07 时（北京时间，下同）左右，石桥乡八角村苟家堡磨槽湾处发生地质滑坡，滑坡体纵长约150 m，横宽约30 m，平均厚4 m，方量1.8 万方，造成5 人死亡和1 人受伤，给人民群众的生命和财产安全带来了重大损失。此次过程天气尺度斜压性强迫弱，数值模式预报的降水也显著偏弱，加之山区地形复杂，业务预报难度大，导致预报员对此次大暴雨过程漏报。因此有必要回顾该过程，探索山区复杂地形条件下暖区暴雨的特征及触发和维持机制。

2 资料和方法

本文使用多源观测资料和高分辨率中尺度数值模式输出资料做综合分析。资料包括：（1）重庆和贵州地面加密自动站资料。（2）重庆沙坪坝站探空资料。（3）0.25 °×0.25 °ERA5 逐时再分析资料。（4）重庆多普勒天气雷达资料。（5）基于重庆市气象局业务运行的高分辨率数值预报系统的模拟资料，模式区域中心位置为104.5 °E，34.5 °N，水平分辨率为27 km、9 km、3 km，格点数分别为200×160、288×216、480×360，垂直方向为51 层（图1）。模式预报的背景场采用0.5 °×0.5 °的全球预报系统（Global Forecast System，GFS）的分析场，同时利用ARPS V3.5.6 作为同化分析模块，同化了重庆及周边11 部雷达资料，采用的物理过程方案包括：Thompson 微物理方案、MYJ 边界层方案、BMJ积云对流参数化方案（3 km 区域不使用）、NOAH陆面过程方案。后面文中的分析均采用3 km 分辨率的模式输出结果。

图1 WRF模式模拟的区域（a）和同化的雷达位置（b）红色代表SA/SB波段雷达，蓝色代表SC波段雷达，黑色代表CD波段雷达。

3 降水特征和环境条件分析

3.1 降水特征

2018 年5 月20 日凌晨，贵州北部至重庆南部突发强降水，雨带沿武陵山脉呈东北-西南向带状分布，加密自动站资料显示，19 日20 时—20 日08时共有28 站出现50 mm 以上降水，有7 站出现100 m 以上降水，强降水中心位于石桥（图2a），12小时累计雨量为208.5 mm，5 小时累积雨量为206.2 mm，其中19日23时—20日03时连续4个小时出现了短时强降水，雨量分别为52.4 mm、59.0 mm、49.6 mm 及27.2 mm（图2c），过程具有突发性强、小时雨强大及强降水范围集中的特点。地形和雨量叠加图显示，50 mm 以上的暴雨站点多位于武陵山区峡谷内及陡坡或迎风坡等地形处，其中大暴雨中心石桥地处峡谷，其东西两侧均有海拔约1 500 m的高山（图2b）。

图2 2018年5月19日21—20日08时累计雨量（a，单位：mm）、图2a方框内50 mm以上不同阈值强降水分布及地形高度（单位：m）叠加图（b）和石桥站逐小时雨量（c，单位：mm）

3.2 环境条件分析

2018 年5 月19 日20 时，500 hPa 副热带高压控制我国华南沿海，重庆位于副热带高压外围西北侧，受到南支槽前西南暖湿气流控制（图3a）。850 hPa 贵州西北部至重庆东南部有低压倒槽强烈发展（图3b），倒槽附近有显著的水汽通量辐合，有利于倒槽内降雨的发展（图3c）。另外，此次过程850 hPa 假相当位温（θse）高能舌向北伸展，贵州重庆等地θse超过360 K，而冷高压中心位于河南南部至湖北西部一带（图3b），地面稳定的热低压阻止了冷空气直接南下，重庆海平面气压除了日变化无明显波动（图略），说明此次过程地面无明显冷空气侵入强降水落区，属于暖区对流性暴雨。

离石桥最近的沙坪坝探空资料显示（图4），18—19 日对流层中下层存在明显条件不稳定层结，一方面对流有效位能（CAPE）显著增加，18 日20时CAPE 仅为306 J/kg，19 日20 时增加至1 800 J/kg，SI 指数为-3.12。另一方面，对流抑制（CIN）显著减小，18日20时CIN 为176.5 J/kg，19日20时仅为14.5 J/kg，且自由对流高度从569.5 hPa 降低至861.7 hPa，由于对流抑制显著减小，且自由对流高度降低，不需要很强的抬升就可以触发对流。此外，850 hPa比湿由12 g/kg增加至16 g/kg，假相当位温由343 K 增加至356 K，大气可降水量由35 mm 增加至47 mm（表1）。表明在暖区强降水发生前，大气环境场为高能高湿的层结不稳定状态，一旦有触发机制诱发不稳定能量释放，对流将会强烈发展。

图3 2018年5月19日20时500 hPa高度场（等值线，单位：dagpm）和风场（单位：m/s）（a）；850 hPa高度场（等值线，单位：dagpm）和风场（单位：m/s）及假相当位温（单位：K）（b）；850 hPa水汽通量（单位：g/(s·cm·hPa)）及水汽通量散度（单位：g/(s·cm2·hPa)）（c）

图4 2018年5月18日20时（a）和19日20时（b）沙坪坝探空

表1 沙坪坝5月18日20时和19日20时强对流参数

4 中尺度对流系统演变过程分析

此次过程石桥强降水持续约5小时，中小尺度对流系统演变主要有3 个阶段：（1）分散对流组织成东西向带状对流；（2）带状对流断裂，石桥对流单体准静止维持；（3）石桥对流单体减弱后，东北-西南向带状对流快速重建。

从组合反射率因子演变来看，23:04 在石桥南部有回波单体A 强烈发展，最大反射率因子达50 dBZ 以上（图5a），23:16 对流单体A 加强并移至石桥上空，同时在其后部又有B、C 两个对流单体触发（图5b），随后单体B、C合并，在环境气流引导下向东移动，再与单体A 合并（图5c），合并后回波组织性增强，形成一条东西向带状对流，在武隆南部稳定维持约40 分钟（图5d），造成第一阶段强降水，对应石桥站10 min雨量显示，23:30和23:50的雨量分别达16.3 mm 和16.8 mm（图6）。20 日00:09带状回波断裂，其西端的回波快速减弱，但东端回波仍维持在50 dBZ 以上，强回波单体呈准静止状态（图5e），造成第二阶段强降水，对应石桥10 min 雨量在8 mm 以上，最大达12 mm（图6）。00:56石桥回波组织结构松散，强度减弱（图5f），对应10 min 雨量也减弱，01:13 距回波减弱仅3 个体扫后又重新增强（图5g），同时贵州北部也有分散对流单体发展，并向东北方向移动，与石桥对流云团合并后，再次组织成带状对流，带状对流中的强降水单体多次经过石桥（图5h），“列车效应”维持了第三阶段强降水，此阶段10 min雨强波动较大，强单体经过石桥时最大雨强可达15.3 mm，层状云经过时仅为1 mm（图6）。

图5 2018年5月19—20日重庆雷达组合反射率五角星代表石桥站位置。

图6 2018年5月19日23时—20日04时石桥站逐10 min雨量（单位：mm）

5 中尺度对流系统触发和维持机制分析

由前面分析可知，“列车效应”和强雷暴单体准静止维持造成了石桥强降水，那么造成强降水的中小尺度对流系统如何触发和维持的呢？下面利用加密自动站观测资料和高分辨率WRF 资料来分析。

5.1 模拟和实况对比分析

对比分析观测资料（图2a）与3 km 分辨率模式输出资料。从模拟雨量来看（图7a），模式虽然没有模拟出重庆西部雨带，但对重庆南部雨带模拟效果较好。模拟雨带走向和强降水中心与实况较为一致，而本文主要利用模式资料分析重庆南部降水。从环流形势来看（图7b），模拟的冷高压、热低压及西南急流位置也与实况较为一致。从模拟3 km 组合反射率因子来看（图9），模拟结果也较好地再现了带状对流的演变，因此模拟资料可以进一步用来分析中小尺度对流系统的触发和维持机制。

图7 2018年5月19日21时—20日08时模拟雨量（a，单位：mm）、模拟的850 hPa高度场（等值线，单位：dagpm）和风场（单位：m/s）及假相当位温（单位：K）（b）

5.2 基于模拟结果的触发和维持机制分析

研究表明，在高温、高湿和对流不稳定的环境层结条件下，边界层辐合线有利于对流和降水的触发及加强。从模拟的10 m 风场、温度场和地形叠加图可以看出（图8），19 日23 时，重庆受热低压控制，四川盆地北风和东北风与贵州偏南风在武陵山区交汇，形成沿山脉分布的辐合线。带状对流沿地形和辐合线发展，内部镶嵌着多个β尺度MCS。23 时（图9a）辐合线西侧形成两个团状结构MCS（A、B），石桥位于辐合线东部，有分散性新生回波发展。团状MCS 受到环境西南气流引导，沿辐合线向东偏北方向移动。00 时（图9b）团状MCSA 到达石桥上空并拉伸成带状，内部有多个50 dBZ 以上的强单体经过石桥。01—02 时（图9c、图9d）团状MCSB 东移至石桥上空，并呈准静止状态，同时，其后部又有MCSC 发展，且向东偏北方向移动，回波移动方向与边界层辐合线走向一致，形成“列车效应”使石桥强降水维持。

图8 19日23时模拟的10 m风场（单位：m/s）、温度（单位：℃）和地形高度（单位：m）叠加图

图9 模拟的10 m风场（单位：m/s）和组合反射率因子（单位：dBZ）叠加 a. 19日23时；b. 20日00时；c. 20日01时；d. 20日02时。

图10 表示沿图9b 实线反射率因子和风场的空间剖面，A、B 两个强单体分别位于石桥和东面山顶上，强回波呈直立发展，位于5 km 以下，降水效率较高。从风场上看，单体A 东侧有一垂直环流圈，垂直环流上升支刚好位于山顶，近地面为一支浅薄的偏东气流，厚度约为600 m，结合假相当位温（θse）和垂直速度剖面来看（图11），这支偏东气流侵入θse达358 K 的暖区后，会促使暖湿气流抬升和不稳定能量释放，此外偏东气流与山体走向垂直，地形强迫抬升也利于对流加强，单体A 垂直速度超过10 m/s，中心位于8 km 附近。单体A发展成熟后，其西侧冷池出流与偏东气流叠加下山，与环境暖湿气流交汇，触发单体B，对应垂直速度图上（图11），单体A 低后部也有1 m/s的下沉气流，表明为冷池出流。另外，石桥对流单体B 生成后，受到偏东风及地形共同阻挡作用不易移出，造成雨团在石桥附近呈准静止状态。综上所述，边界层辐合线附近形成近东西向带状对流，内部镶嵌着多个雷暴单体，石桥东部山顶雷暴成熟后产生地面冷池，冷池出流下山，加之地形抬升和阻挡作用，共同触发和维持石桥强降水。

图10 2018年5月20日00时沿图9b实线空间剖面分析场雷达反射率（彩色阴影，单位：dBZ）和风场（单位: m/s）

图11 2018年5月20日00时沿图9b实线空间剖面分析场假相当位温（彩色阴影，单位：K）和垂直速度（单位: m/s）

6 地形作用

利用地形高度和地面自动站观测资料，可以揭示地形对地面风场和降水的影响。由图12 可知，暴雨中心石桥地处山谷，其东西两侧均有海拔约1 500 m 左右的高山，19 日22 时，石桥为2 m/s的西北风，其南面有风向辐合，初始对流首先在辐合区触发，小时雨强超过20 mm，而石桥此时降水仅为1 mm（图12a）。19 日23 时，石桥转为4 m/s的西南风，同时东北气流沿山谷进入石桥北部，石桥附近的风向辐合增强，对应小时雨量迅速增大，超过50 mm（图12b）。20 日00 时和01 时，石桥均为4 m/s 的偏东风，东风与石桥西面山体垂直，一方面加强了地形强迫抬升，另一方面和偏西风形成局地气旋性小涡旋，气旋性小涡旋形成后又受到东面山体阻挡作用，不易移出，使石桥强雨团维持两小时，此时对应的小时雨量分别为59.0 mm和49.6 mm。近些年来，也有气象工作者指出，在喇叭口地形或山谷地形中常有局地性中小尺度系统发生发展，将其命名为地形性涡旋，这种地形性涡旋水平尺度多为10 公里至数十公里，铅直厚度为300~600 m，其生消、发展扰动与降水均有密切关系[29-30]。