保康县一次局地极端短时强降水天气成因分析

2022-09-08徐红玉黄先琴

农业灾害研究 2022年7期

王芳，徐红玉，黄先琴

湖北省保康县气象局，湖北保康 441600

在天气预报业务中，一般指1 h≥20 mm或3 h≥50 mm且伴有雷电活动的降雨，称为短时强降水或急骤暴雨，是强对流天气的一种突出表现形式。短时强降水（山区常称“坨子雨”）是保康县一种严重的灾害性天气，由于山区地形复杂，山高坡陡、土层薄、蓄洪能力、排灌条件都比平原差，短时强降水常造成山洪暴发，淹没农田、损毁房屋并诱发塌方、滑坡等地质灾害，给人民群众的生命财产安全造成严重威胁。

目前，众多气象专家学者对短时强降水天气成因、预报预警等方面已做了大量的研究工作，并取得了许多有益的研究成果；但是，对于发生在地形复杂山区的局地短时强降水，由于突发性强、局地特征明显、持续时间短、落区分散等特点，对其进行准确预报的难度仍相当大，一直是天气预报业务的重点和难点。因此，深入研究和认识突发性局地短时强降水天气成因就显得十分必要。

近年来，保康县气象台根据多年的预报业务实践，针对保康县汛期短时强降水时空分布特征、活动变化规律、强降水多发区域以及预报预警等方面进行了分析，得出了一些有益的结论，并在2019年汛期气象服务工作中得到了较好的应用和检验。为进一步提高短时强降水预报预警的准确率，有必要选择一些典型的强降水个例进行诊断分析，探索其发生发展规律，积累预报服务经验，不断增强防御极端灾害天气的能力。

1 雨情和灾情实况

2019年“七下八上”关键期，保康县雷雨大风、短时强降水等强对流天气频繁，尤其是接连不断地出现了突发性的高强度、高频率的短时强降水。且降水呈现出明显的 “坨子雨”特征，造成保康县局地山洪暴发和洪涝灾害频发，农作物受灾、基础设施损毁、房屋倒塌，影响交通中断，并造成一起人员伤亡事故。这种高难度的天气给防汛气象服务工作造成了很大的压力，在21 d的时间里，保康县气象台连续发布雷电黄色预警24期、暴雨橙色预警11期、暴雨红色预警3期。由于降水过于集中且短时雨强大，降雨落区高度重叠，部分地区土壤含水量持续处于过饱和状态，易造成塌方、滑坡等地质灾害的发生。

2019年7月21日，进入“七下八上”的第一天，保康县歇马镇东坪村一场突如其来的短时强降水造成山洪暴发、农田被淹、房屋受损等严重灾害，村干部迅速组织村民抢险救灾，紧急转移受困群众，避免了人员伤亡事故的发生。

自动站监测显示：7月21日12:30～13:40，仅1小时10分钟歇马镇东坪村雨强超过100 mm（图1a）。从当日全县降水实况（图1b）可见，此次降水分布极不均匀，差别巨大，除另有2个站点降水量＞20 mm外，其他大部地区出现小阵雨，显示降水呈明显的局地“坨子雨”特征。

2 环流背景及影响系统

此次歇马镇东坪村极端短时强降水发生在比较有利的大尺度环流背景下，西太平洋副热带高压（以下简称“副高”）西北侧西南暖湿气流为强降水发生提供了较好的水汽条件。副高边缘型是保康县汛期短时强降水5种类型中出现频次最多的一种环流类型，在各型中占38%，所占比例最大[1]。

2.1 大尺度环流背景

过程前1～2 d，500 hPa高空图上（图略），随着欧洲低槽东移，在东亚大陆50°N以北地区形成“北高南低”的环流形势，乌拉尔山以东长波脊发展成东北—西南向阻塞高压脊，脊前偏东气流引导冷空气南下，在西西伯利亚—贝加尔湖之间形成一冷涡，沿涡底不断分裂，低槽下滑；20日20:00（图2a）中低纬地区随着第5号台风“丹娜丝”沿海北上逐渐远离，副高西伸加强控制鄂西北地区，保康县出现35℃以上的晴热高温天气；21日08:00（图2）受频繁南下的低槽影响，副高有所东退，保康县处于副高西北边缘冷暖空气交汇处。副高边缘型和热带低值型由于水汽充分，主要产生强降雨[2]。

2.2 中低层影响系统

当日08:00 700 hPa高空图上（图3a），中低纬呈两高一低型，在90°E～110°E之间为低值区，保康县处于两高之间切变辐合区前侧和东部沿海高压脊后偏南气流中；对应850 hPa高空图上（图3b），在西南地区有一西南涡，涡前在陕南—鄂西—川东构成一“人”字形暖湿切变线，保康县处于切变辐合区中。

中低层系统配置有利于此次强降水发生。除500 hPa天气形势外，对流层低层和地面天气形势对强对流天气的发生十分重要。700、850 hPa的影响系统有低槽切变线等，尤其是在500 hPa西北气流、副高边缘及高压内部等天气形势下，700 hPa、850 hPa总是存在低值系统，否则不可能产生强对流天气。

3 层结稳定度分析

强对流天气发生的条件包括：低层有较充足的水汽、不稳定层结和气块到达凝结高度的抬升机制。因此，讨论不稳定层结、水汽条件及抬升机制对强对流天气的分类识别和预报是十分重要的。以下分析强降水过程前的物理量参数，判断大气层结稳定度、不稳定能量等情况。

3.1 K指数场

K指数是反映大气层结稳定度和中低层水汽条件的一个经验指标，能够较好地反映不稳定能量的蓄积程度，K值越大，潜能越大，大气越不稳定。一般当K≥35℃时，层结属于对流性不稳定，有利于强对流天气的发生。当日08:00临近降水前的K指数场（图4a）显示，保康县处于35℃附近的区域内，表明高温、高湿的不稳定能量聚积明显。

3.2 SI指数

SI指数负值越大，愈有利于不稳定[3]。SI与对流天气有以下关系（《大气科学词典》编委会，1994年）：SI＞3℃发生雷暴的可能性很小或没有；0℃＜SI＜3℃ 有发生阵雨的可能性；-3℃＜SI＜0℃ 有发生雷暴的可能性；-6℃＜SI＜-3℃ 有发生强雷暴的可能性；SI＜-6℃ 有发生严重对流天气（如龙卷风）的危险。从SI指数场（图4b）可见，保康县上空SI指数在0℃附近,显示大气层结不稳定度较小，有发生阵雨或雷阵雨的可能性。

3.3 对流有效位能（CAPE）

CAPE是一个具有非常明确物理意义的热力不稳定参数，CAPE越大，对流发展的高度就越高，对流就越强烈，比传统意义上的对流不稳定参数更能恰当地表现出对流发展的强度，是温度和湿度的相关函数，对温度和湿度极为敏感，因此，它有明显的季节变化和日变化。一般情况下，夏季和午后容易达到高值[4]。当日08:00保康县上空CAPE值在300～500 J/kg（图4c）之间，对流有效位能不大，预示不利于形成较大范围和强度的强对流天气。

研究表明：冰雹和雷暴大风发生前能够在比较短的时间积聚较大的能量。统计发现，临近6 h冰雹和雷暴大风的CAPE增量远大于暴雨，对流性短时强降水前6 h增量均值仅有170 J/kg。由此可以判断，当日对流不稳定能量条件一般，雷电活动较弱，环境条件具有发生短时强降水的潜势。

在短时强降水中，一般对应着适当大小的CAPE，当CAPE较大时，将造成低空含水量很大的气块迅速通过暖云底部而造成降水效率下降，而短时强降水一般对应着K指数较大，这是因为K指数往往对低空的水汽含量更敏感，K≥32℃是产生局地短历时强降水的重要环境条件。

4 雷达回波特征分析

一般而言，想要精确预报出暴雨发生的具体位置、时间及发展演变的详细过程是比较困难的。目前，雷达是对暴雨监测最好的探测手段，能清楚地看到云体初生、发展、旺盛、减弱、消亡或移出的全过程。从雷达回波演变和自动站实况显示，此次局地极端短时强降水是γ中小尺度（2～20 km)天气系统发展造成的。对流云团水平尺度约为15 km，降水时间12:20～15:40，历时3小时20分钟，累计降水量119.5 mm；最大雨强集中在12:30～13:40, 1小时10分钟降水达100.4 mm。

4.1 反射率因子特征

从0.5°、1.5°、2.4°仰角反射率因子回波演变情况可清楚地看到，当日11:08（图略）在距东坪村约5 km处的官斗、百峰之间有一小块新生回波单体，面积很小，强度很弱，这是对流云初生阶段；11:56回波发展在向东坪方向移动的过程中不断触发新的单体生成，12:14(图5a1、a2、a3)回波单体逐渐聚合有组织化形成近于南北向短带状回波，在0.5°仰角图上中心强度达50 dBz以上；对应高空图上，沿着副高外围不断有暖湿入流回波，自南向北传播同带状云体合并。云体的合并意味着能量的集中，辐合上升范围扩大,合并后的云体几乎都能得到迅速发展[5]。

12:26对流云发展加强，呈现2个结构紧密、边界清晰的回波中心，其中，在东坪上空的回波强中心达53 dBz，且强回波面积明显扩大；12:45(图5b1、b2、b3)回波聚合发展形成一个暖湿对流云团，中心强度在40～53 dBz之间，回波顶高11 km，此时东坪上空已全部被强雨团覆盖；12:57～13:03(图5c1、c2、c3)对流云进一步加强，范围进一步扩大；13:15回波顶高达16 km，对流云团发展到最旺盛阶段，对应自动站实况显示东坪降水达到最强时段；13:45强度开始减弱，降水趋于平稳，14:00回波明显减弱降水趋于结束。

此次强降水过程期间，云体生成发展呈“跳跃式”变化，弱回波进入东坪后很快发展为强度梯度较大的对流回波，表明该区域具备对流发展的环境条件。对流云发展迅速，移动缓慢，在东坪停滞了1个多小时，造成东坪此次极端短时强降水。从雷达回波图上可见，最强回波中心出现在0.5°、1.5°仰角反射率因子图上，在6 km以下高度，呈现出低质心强降水回波特征。

4.2 径向速度特征

此次强降水过程期间，一个非常显著的特征是在0.5°、1.5°、2.4°仰角径向速度场上均观测到明显的逆风区。逆风区是指在没有速度模糊的情况下，正速度区内包含的负速度区或负速度区内包含的正速度区。这种逆风区一边为辐合区，另一边为辐散区，形成了产生暴雨的垂直环流结构。逆风区标志着暴雨过程的存在,在逆风区附近及其移动路径上将出现和正在出现暴雨[6]。

从0.5°、1.5°、2.4°不同仰角的径向速度场上可见，11:02～11:08对应强度图上，在同一区域出现一小块正速度区，初生单体内仅有上升气流分量；11:38随着低空暖湿入流自南向北传播不断进入上升气流区，正速度区发展东移；11:44在东坪一带形成南北长约4～5 km的条状形回波；12:14（图6a1、a2、a3）在强度较强的对流云体中，速度场上出现逆风区。一片暖色调中嵌套着3块冷色调区，有明显的零速度线环绕，即出现了逆风区。逆风区的出现表明此处辐合辐散强烈，对流云发展旺盛。

12:20～12:26东坪上游逆风区得到发展，负速度区范围显著扩大，最大入流、出流中心与雷达距离相等，呈现气旋式辐合特征，对应东坪开始出现降水；12:45（图6b1、b2、b3）东坪处于两块逆风区合并后被正速度区包围的负速度区中，说明辐合辐散强烈，云体间的合并加强，造成更强烈的天气。风暴处于“逆风区”内，发展更加旺盛，并且“逆风区”的位置刚好和灾害性天气发生区域完全对应，时间也非常吻合[7]。

随着降水回波的发展加强，在速度图上出现了明显的辐合，12:38～13:03（图6c1、c2、c3）出现一个明显的中尺度逆风区，其位置正好与强度图上45～53 dBz强回波位置对应。速度图上，中尺度逆风区的出现使降水雨强达到最强。且在东坪上空持续6个体扫时间，自动站实况监测此时东坪雨强达到最强时段；13:27逆风区东移减弱范围缩小，在正速度区内夹杂多个小范围的负速度区，表明云体内有上升或下沉气流分量，仍存在辐合、辐散流场；13:45降水强度开始减弱，14:15负速度区基本为正速度区所取代，云体内基本为上升气流所占据，降水明显减弱并趋于结束。

图6 2019年7月21日12:14、12:45、13:03时0.5°径向速度图

此次强降水过程期间，在0.5°、1.5°、2.4°仰角径向速度场上始终有逆风区相伴。有研究表明，逆风区尺度越大，伸展厚度越厚，持续时间越长，越容易造成暴雨[3]。而此次最强降水时段对应中尺度逆风区，强降水随着速度图上逆风区的东移消失降水逐渐结束，表明强降水与逆风区有很好的对应关系，因此它可以作为发布暴雨警戒和短时暴雨预报的一个重要判据。

5 地形作用

地形的存在不仅改变了近地面层气流的分布，同时也改变了热力状况的水平分布，因此，地形在强对流天气的酝酿、发生、发展与传播过程中，起着非常重要的作用。在暴雨预报中，地形作用是必须考虑的一个重要因素，常起到激发强对流、加大降水的作用[8]。

此次局地极端短时强降水发生在保康县歇马镇东坪村，位于保康县中高山地带，海拔1 000 m左右，且位于山地迎风坡上。白天日射增温强，地表受热不均，造成局地温差，常常形成小型的垂直环流。在同样的天气形势下，迎风坡的降水要比其他地区大。此次东坪极端短时强降水呈现明显的突发性、局地性“坨子雨”特征，这种局地小气候产生的辐合上升运动、热力不稳定以及地形的动力抬升作用，使得此处常成为短时强降水、雷暴大风、冰雹等强对流天气的高发区域，这与保康县短时强降水等强对流天气风险区划相吻合。