偏東風(fēng)和地形的相互作用對湖南極端強(qiáng)降水的影響分析

昌立偉，賈岸斌，黃卓禹

(1.湖南省岳陽市氣象局,湖南 岳陽 414001;2.湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000；3.湖南省婁底市氣象局,湖南 婁底 417000)

0 引言

暴雨是在有利的環(huán)境背景下各種中尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，而地形是天氣系統(tǒng)中局部異常天氣產(chǎn)生的一個(gè)主要因素, 在局地強(qiáng)降水形成、發(fā)展中起著舉足輕重的作用。廖菲等[1]和付超等[2]曾指出地形降水增強(qiáng)的理論機(jī)制；也指出不同尺度的地形與大氣的相互作用不一，大尺度地形，比如青藏高原，體現(xiàn)為動(dòng)力和熱力作用、影響甚廣；對于中尺度地形，比如太行山脈和雪峰山脈，主要體現(xiàn)在動(dòng)力作用；局地的地形熱力有利于降水的增強(qiáng)；對于小尺度地形，比如南方的山丘，主要以上坡峰降水為主，地形強(qiáng)迫抬升輻合和局地的潛熱釋放是降水發(fā)生的主要機(jī)制。有許多專家就一個(gè)過程中地形的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，矯梅燕等[3]指出低層?xùn)|氣流在與太行山地形的抬升的相互作用形成垂直次級環(huán)流圈是北京西部山區(qū)強(qiáng)降水產(chǎn)生和維持的主要物理機(jī)制。趙玉春等[4]指出大別山和皖南山區(qū)中尺度地形相互結(jié)合，容易通過激發(fā)山脈波產(chǎn)生MCSs,同時(shí)受地形阻擋，使MCSs的移動(dòng)減慢，并在一定程度上增強(qiáng)了MCSs，有利于MCSs的形成和維持。丁青蘭等[5]指出在山前區(qū)及喇叭口地形的影響下，邊界層輻合線的長時(shí)間維持是造成北京局地短時(shí)暴雨的重要原因。雷蕾等[6]指出低層偏東風(fēng)冷空氣侵入以及暖濕空氣在冷空氣和地形相互作用下強(qiáng)迫抬升是強(qiáng)對流天氣的主要觸發(fā)機(jī)制。崔春光等[7]指出小尺度的幕阜山的“抬高”的摩擦輻合作用很可能是這場鄂東特大暴雨強(qiáng)降水持續(xù)的一個(gè)重要因素；而中尺度的大別山對氣流的阻擋作用是導(dǎo)致迎風(fēng)坡降水增強(qiáng)的主要機(jī)制；此外也進(jìn)行了大量的地形對降水的影響數(shù)值模擬[8-12]。

2018年6月19日湖南的中部邵陽—婁底地區(qū)出現(xiàn)一次極端強(qiáng)降水天氣過程，此次強(qiáng)降水就發(fā)生在中小尺度地形相結(jié)合而形成的喇叭口地形中，地形雨降水特征明顯，降水強(qiáng)度大并具有極端性；在以往對湖南的強(qiáng)降水研究中雖有涉及地形影響，但只有簡單地闡述地形的理論作用，而沒有結(jié)合個(gè)例進(jìn)行更為深入的研究，因此看似簡單的地形作用，非常有必要深入理解中尺度地形是如何作用于大氣環(huán)流，如何觸發(fā)引起強(qiáng)降水的，希望對今后這類局地對流天氣的預(yù)報(bào)、預(yù)警有一定的借鑒。

本文所用的資料主要包括加密自動(dòng)站雨量、地面、高空實(shí)況資料、FY-2G衛(wèi)星TBB和NCEP每日4次的全球再分析資料(FNL，1°×1°)。

1 降水實(shí)況

在湖南的邵陽—婁底一線有這樣一個(gè)特殊的地帶，在其西側(cè)矗立著湖南省最大的一座山—雪峰山(圖1a)，呈東北—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，與太行山脈一樣是典型的中尺度地形；在其北側(cè)即邵陽與婁底交界處則是由雪峰山脈延伸出的高度不一的余脈，其平均海拔高度為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結(jié)合就構(gòu)成了邵陽—婁底附近的典型的喇叭口地形。此喇叭口地形也是湖南強(qiáng)降水多發(fā)的地段[13]。

2018年6月19日08時(shí)—20日08時(shí)(北京時(shí)，下同)，就是在這個(gè)喇叭口地形附近出現(xiàn)了極端強(qiáng)降水，有12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)日降水量超過200 mm，最大累計(jì)降雨量出現(xiàn)在新邵縣大坪為264.5 mm(圖1b)，國家氣象站邵東、新邵日降水量分別為230.1 mm和167.6 mm，均突破日最大降水量歷史極值。對比湖南的地形圖(圖1a)可以看出，整個(gè)強(qiáng)降水區(qū)沿著雪峰山前分布，強(qiáng)降水中心主要集中在山體峽口入口處，強(qiáng)降水中心與喇叭口地形相對應(yīng)，地形雨特征明顯。從邵東、新邵兩個(gè)國家氣象站極端強(qiáng)降水的逐小時(shí)分布可以看出(圖1b右框)，強(qiáng)降水是從19日11時(shí)開始至19日23時(shí)結(jié)束，期間多個(gè)時(shí)次出現(xiàn)了小時(shí)雨強(qiáng)>30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，在自動(dòng)區(qū)域站上監(jiān)測到19日20時(shí)洞口古樓站小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)75.6 mm。

此次過程強(qiáng)降水地形雨特征分布明顯，強(qiáng)降水區(qū)集中、局地性強(qiáng)、對流性明顯且持續(xù)時(shí)間長、造成山前多地出現(xiàn)了極端性強(qiáng)降水；受強(qiáng)降水影響，湖南邵陽的多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了輕—中度氣象洪澇。

2 大尺度環(huán)流背景

2018年6月19日20時(shí)(圖2a)，500 hPa中高緯的環(huán)流經(jīng)向度大，表現(xiàn)為兩槽一脊型，東部槽由東北地區(qū)延伸至淮河流域，溫度槽落后于高度槽，利于槽后冷空氣向南入侵，中低緯副高退居洋面，其西部脊線位于110°E附近，湖南處于沒有明顯的西風(fēng)槽的弱天氣尺度背景下；在850 hPa湖南中部有北部偏北氣流與南側(cè)的偏南氣流而形成明顯的切變線，大尺度環(huán)流形勢的穩(wěn)定利于偏北風(fēng)與偏南的切變線的長時(shí)間維持。

從2018年6月19日20時(shí)強(qiáng)降水時(shí)期的地面天氣填圖可以看出(圖2 b)，湖南處于地面暖倒槽內(nèi)，20時(shí)地面氣溫仍處于30 ℃左右，在強(qiáng)降水中心附近存在地面輻合線，且在此后時(shí)間仍穩(wěn)定維持。中高緯的槽后冷平流侵入到地面暖倒槽內(nèi)，利于強(qiáng)對流天氣的觸發(fā)。

圖1 湖南省地形分布圖(a),2018年6月19日08時(shí)—20日08時(shí)累積降水量圖(b，右框內(nèi)為代表站逐小時(shí)雨量，單位: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)

圖2 2018年6月19日20時(shí)天氣形勢圖(a)500 hPa位勢高度場、500 hPa溫度場和850 hPa的風(fēng)場(黑色等值線表示位勢高度,單位:dagpm;紅色等值線表示溫度,單位:℃;注：陰影表示850 hPa的地形高度), (b)地面天氣填圖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 強(qiáng)降水云團(tuán)的空間分布特征

此次極端強(qiáng)降水的對流云系發(fā)展旺盛，影響范圍較廣，但將其與對應(yīng)時(shí)刻前1 h雨量對比分析可以看出，同等強(qiáng)度的對流云系所對應(yīng)的地面降水卻有較大差別(圖3)。在夜間強(qiáng)對流云圖從發(fā)展到旺盛持續(xù)時(shí)間長達(dá)8 h，期間分別在邵陽—懷化交界處即雪峰山脈的西南段附近和株洲—湘潭—婁底東部一線即湖南中東部的平原地帶有旺盛的對流云團(tuán)發(fā)展，19日19時(shí)，東側(cè)的對流云團(tuán)發(fā)展旺盛，但短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在地形峽口的入口處；19日20時(shí)，兩側(cè)對流云團(tuán)最小TBB均在72 ℃以下，而雪峰山脈附近卻出現(xiàn)了>50 mm/h的降水，東側(cè)小時(shí)雨強(qiáng)則不到25 mm；同樣對比19日21時(shí)—20日01時(shí)的TBB與過去1 h 的雨強(qiáng)，依然可以看出東側(cè)的小時(shí)雨強(qiáng)均在25 mm以下，而同等強(qiáng)度下，地形峽口西側(cè)入口和東側(cè)入口均存在>50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水，其中在19日20—23時(shí)還出現(xiàn)70 mm/h 以上的短時(shí)強(qiáng)降水。同等強(qiáng)度的對流云團(tuán)在量級上存在顯著差異，地形影響前側(cè)附近的異常強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水可能與地形的增幅作用有關(guān)聯(lián)。

圖3 2018年6月19日19時(shí)—20日01時(shí)(a-h)逐小時(shí)TBB(陰影，單位:℃)和過去1 h湖南地區(qū)加密自動(dòng)站雨量(填值,黑色是≥25, 紅色是≥50，單位:mm)疊加圖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 中小尺度地形對強(qiáng)降水的影響

4.1 地形對大尺度環(huán)流的影響

中小尺度地形對氣流的影響主要體現(xiàn)在使氣流繞地形流動(dòng)和被迫爬升, 并且容易使中低層的暖濕氣流在中尺度地形迎風(fēng)坡造成氣旋性輻合,對降水產(chǎn)生明顯的增幅作用[1-2]。此次極端強(qiáng)降水除了以上有利的大尺度背景場外,從上述對流云團(tuán)的演變可以看出中尺度的天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展是造成此次強(qiáng)降水的直接原因。這種系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展主要取決于當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件及大尺度背景場,具有很強(qiáng)的局地性和突發(fā)性。

從圖4a強(qiáng)降水時(shí)刻的緯向垂直環(huán)流可以看出，強(qiáng)降水中心位于迎風(fēng)坡處，其上空強(qiáng)的垂直上升速度延伸至400 hPa附近,表明對流發(fā)展旺盛，此外在20～25°N中低層為一致的偏南風(fēng)，偏南氣流在經(jīng)過中小尺度地形時(shí)南風(fēng)出現(xiàn)了中斷，而在強(qiáng)降水中心的北側(cè)則是中高層偏北氣流逐漸滲透至地面，受地形阻擋，氣流被迫輻合抬升，在喇叭口地形的迎風(fēng)坡上形成明顯的輻合抬升氣流；此外在垂直環(huán)流上則表現(xiàn)為北側(cè)中高層冷空氣滲入至低層的暖濕氣流中，加大對流不穩(wěn)定，利于強(qiáng)對流天氣的觸發(fā)，而兩者的匯合點(diǎn)正對應(yīng)強(qiáng)降水區(qū)。另外從圖4b極端強(qiáng)降水中心的水平風(fēng)場沿著時(shí)間—高度垂直剖面可以看出，在19日08時(shí)低層均表現(xiàn)為一致的南風(fēng)，從19日20時(shí)900 hPa以下轉(zhuǎn)為東北風(fēng)直至降水結(jié)束，尤其是19日20時(shí)前后偏北風(fēng)量明顯大，這也證明極端強(qiáng)降水中心有干冷空氣的侵入，因此在水平環(huán)流上強(qiáng)降水中心表現(xiàn)為偏南暖濕氣流和東北干冷空氣的輻合區(qū)。而地面淺薄的東風(fēng)氣流的長時(shí)間維持是造成中尺度輻合線長期維持在強(qiáng)降水中心的主要原因。

4.2 地形和偏東風(fēng)的相互作用對降水的影響

從上述分析可以看出，在中小尺度地形的影響下，近地面的偏南風(fēng)出現(xiàn)了明顯的中斷，此外在強(qiáng)降水時(shí)刻北側(cè)也出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)向，而偏東風(fēng)與偏南風(fēng)的水平氣流的輻合是中尺度切變線和地面中尺度輻合線維持的主要原因，因此非常有必要分析偏東風(fēng)與地形相互作用對降水的影響。

從圖5a極端強(qiáng)降水中心溫度平流的時(shí)間—高度垂直剖面圖可以看出，18日夜間900 hPa以下開始由暖平流轉(zhuǎn)為淺薄的冷平流，到19日20時(shí)900 hPa以下的冷平流強(qiáng)度達(dá)到-12×10-5k·s-1，這股淺薄的冷平流的形成正是由于中層?xùn)|北風(fēng)的侵入造成的；分析近地面的冷暖氣層分布可以看出(圖5b)，19日14時(shí)即強(qiáng)對流天氣發(fā)生前，湖南境內(nèi)近地面氣溫均在30 ℃以上，邵陽強(qiáng)降水中心附近的氣溫甚至高達(dá)34 ℃以上，表明近地面暖倒槽發(fā)展旺盛，到19日20時(shí)隨著偏東風(fēng)的侵入，強(qiáng)降水中心附近形成明顯的假相當(dāng)位溫的密集低值區(qū)。表明中層偏東風(fēng)攜帶干冷空氣侵入近地面發(fā)展旺盛的暖倒槽內(nèi)，觸發(fā)了暖倒槽中不穩(wěn)定能量的釋放，是此次強(qiáng)對流天氣發(fā)展旺盛的主要觸發(fā)機(jī)制。

圖4 (a)2018年6月19日20時(shí)極端強(qiáng)降水中心沿27.33°N的經(jīng)向風(fēng)與擴(kuò)大-100倍的合成流場和經(jīng)度—高度垂直剖面圖(b)極端強(qiáng)降水中心27.33°N，111.41°E的水平風(fēng)的時(shí)間—高度垂直剖面圖(單位：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)

圖5 (a)極端強(qiáng)降水中心27.33°N，111.41°E的溫度平流時(shí)間—高度垂直剖面圖(單位:10-5k·s-1)(b)2018年6月19日20時(shí)1 000 hPa的假相當(dāng)位溫(單位:K)和6月19日14時(shí)1 000 hPa的氣溫(單位:℃)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: ℃)

上述中低層偏東風(fēng)的侵入有利于強(qiáng)對流天氣的觸發(fā)，而此次極端強(qiáng)降水天氣的出現(xiàn)還有一個(gè)重要原因就是強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長，下面就這一點(diǎn)進(jìn)行分析。從近地面1 000 hPa沿著強(qiáng)降水中心經(jīng)度111.41°E的水平風(fēng)場時(shí)間—緯度垂直剖面圖和整層大氣可降水量可以看出(圖6a)，27°N以南為偏南氣流影響，在強(qiáng)降水中心緯度(27.33°N)附近18日20時(shí)以前為偏南氣流影響，到19日08時(shí)之間轉(zhuǎn)為明顯的西南風(fēng)與東北風(fēng)的輻合，此中尺度切變線一直穩(wěn)定維持到19日20時(shí)之后，期間，南側(cè)的偏南風(fēng)還存在一個(gè)增大的過程；在強(qiáng)降水之后隨著南側(cè)南風(fēng)的減弱，切變線開始迅速南落。表明，南側(cè)偏南氣流的加強(qiáng)及地形的阻擋作用有利于地形峽口處的中尺度切變線的長時(shí)間維持，南側(cè)偏南氣流的減弱則會(huì)使切變線迅速南移，降水雨帶也隨之南移。

另外從強(qiáng)降水時(shí)刻850 hPa和925 hPa的水平風(fēng)場(圖6b、6c)可以看出，在此次強(qiáng)降水過程中，不存在典型的西南急流，到達(dá)湖南境內(nèi)的最大西南風(fēng)不到6 m/s，并且在強(qiáng)降水中心以北整層大氣可降水量都很小，而在強(qiáng)降水時(shí)刻整層大氣的可降水量卻均維持在60 kg·m-2以上(圖6a)，因此，強(qiáng)降水區(qū)異常旺盛的水汽含量極可能是南側(cè)攜帶的暖濕氣流在北移過程中受中尺度地形阻擋，而在強(qiáng)降水區(qū)形成明顯的水汽輻合造成的。

圖6 (a)1 000 hPa沿著111.41°E的水平風(fēng)時(shí)間—緯度垂直剖面圖(單位:m·s-1)和整層大氣可降水量(單位: kg·m-2)(b)2018年6月19日20時(shí)850 hPa的水平風(fēng)場(單位:m·s-1)與地形高度疊加(陰影,單位:m)(c) 2018年6月19日20時(shí)925 hPa的水平風(fēng)場(單位:m·s-1)與地形高度疊加(陰影,單位: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)

另外從圖中可以看出，強(qiáng)降水中心的山脈高度多在800～1 000 m之間，這個(gè)高度對應(yīng)的位勢高度大約為900 dagpm附近；從925 hPa的水平風(fēng)場可以看出，在強(qiáng)降水中心的附近受中小尺度山脈的阻擋而在山脈的峽口處形成明顯的輻合切變線，而850 hPa的氣流在不受地形阻擋作用下，偏南氣流一直延伸至28°N，這也表明中尺度地形有利于中低層輻合切變線的形成和維持，而對于高于山脈的水平氣流影響不是很大。

5 結(jié)論和討論

湖南此次局地的極端強(qiáng)降水天氣是發(fā)生在大尺度環(huán)流形勢較穩(wěn)定、沒有明顯的西風(fēng)槽和西南急流的弱天氣尺度背景下，與以往強(qiáng)降水天氣不同，此次極端強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長、降水強(qiáng)度大、地形雨特征明顯。本文通過多種資料結(jié)合分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

①雖然是在弱的天氣尺度背景下，但穩(wěn)定的環(huán)流形勢下北部西風(fēng)槽后弱的偏北風(fēng)的逐漸滲透與西太平洋副高西南側(cè)的西南氣流的結(jié)合有利于切變線的形成和維持。

②不同地形影響下同等強(qiáng)度的對流云團(tuán)在量級上存在顯著差異，異常強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在喇叭口地形附近或迎風(fēng)坡處。

③低層淺薄的偏東風(fēng)的滲入，以及中小尺度地形的阻擋和強(qiáng)迫抬升作用，是極端強(qiáng)降水區(qū)域出現(xiàn)異常旺盛的上升運(yùn)動(dòng)的主要原因。在垂直環(huán)流上則表現(xiàn)為北側(cè)中高冷空氣滲入至低層的暖濕氣流中，加大對流不穩(wěn)定，利于強(qiáng)對流天氣的觸發(fā)。

④中層偏東風(fēng)攜帶干冷空氣侵入近地面發(fā)展旺盛的暖倒槽內(nèi)，觸發(fā)了暖倒槽中不穩(wěn)定能量的釋放，是此次強(qiáng)對流天氣發(fā)展旺盛的主要觸發(fā)機(jī)制。地面淺薄的東風(fēng)氣流的長時(shí)間維持、南側(cè)偏南氣流的加強(qiáng)及地形的阻擋作用有利于地形峽口處的中尺度切變線的長時(shí)間維持是強(qiáng)降水持續(xù)的主要原因。