江蘇南部兩次暴雨大暴雨過程分析

雷正翠 夏文梅 徐芬 黃文彥 劉梅 劉銀峰

(1 江蘇省常州市氣象局，常州 213022； 2 中國氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210008； 3 江蘇省氣象局，南京 210008； 4 浙江省景寧縣氣象局，景寧323500)

引言

暴雨是江蘇省最主要的氣象災(zāi)害之一，特別是連續(xù)暴雨和大暴雨極易造成洪澇災(zāi)害，常常給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。以常州為例，2015年6月26日夜里至29日的連續(xù)強(qiáng)降水導(dǎo)致常州受災(zāi)嚴(yán)重，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)18.8億元；2016年7月1-3日的連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致常州直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)33.29億元；2017年9月25日的大暴雨和6月10日的大暴雨局部特大暴雨造成了嚴(yán)重的積澇災(zāi)害。但是暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警一直是氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重大難題之一，暴雨包括暖區(qū)暴雨、極端暴雨等無論是量級還是落區(qū)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均較低，而且在全球變暖的大背景下，夏季強(qiáng)降水天氣的發(fā)生頻率呈上升趨勢(引自政府白皮書《中國應(yīng)對氣候變化的政策與行動(dòng)》(2008))，因此對暴雨尤其是連續(xù)暴雨、大暴雨天氣的深入研究具有重要意義。

長期以來，我國氣象工作者非常重視暴雨的研究，并在研究進(jìn)展[1-3]、環(huán)流特征[4-6]、中尺度特征[7-11]、水汽輸送[12-13]、雷達(dá)特征[14-15]及預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用[16]等方面做了大量的研究工作，取得了許多的成果，如陶詩言等[1]指出，我國的暴雨尤其是極端強(qiáng)降水事件主要是由臺風(fēng)、鋒面和從青藏高原及其周邊地區(qū)東移過來的氣旋性渦旋引起的。丁一匯[2]概括了暴雨發(fā)生條件、強(qiáng)風(fēng)暴和中尺度對流系統(tǒng)概念模式、探討了中尺度動(dòng)力學(xué)問題等。錢維宏等[4]劃分1998年發(fā)生在中國東部地區(qū)的41日次區(qū)域暴雨為7類擾動(dòng)場天氣系統(tǒng)。陳翔翔等[6]對產(chǎn)生華南暖區(qū)暴雨的500 hPa及以下的環(huán)流特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將影響暖區(qū)暴雨的環(huán)流系統(tǒng)劃分為切變線型、低渦型和偏南風(fēng)風(fēng)速切變輻合型?？追渤萚8]分析了2013年7月1日發(fā)生在河北中部的大暴雨天氣過程，指出：河北中部的暴雨天氣分為暖區(qū)暴雨和切變線暴雨兩個(gè)階段，暖區(qū)暴雨發(fā)生過程中，低層水汽通量輻合急劇增強(qiáng)；暖區(qū)暴雨在地面中尺度渦旋的影響下，由暖區(qū)中β尺度對流云團(tuán)在初生和發(fā)展階段造成，而切變線對流云團(tuán)與暖區(qū)對流云團(tuán)合并而成的持續(xù)拉長狀中尺度對流系統(tǒng)，配合地面輻合線再次引發(fā)強(qiáng)降雨。俞小鼎[11]對2012年7月21—22日發(fā)生的一次極端降水過程從水汽、中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展、演變及環(huán)境場條件、強(qiáng)烈低空急流及臺風(fēng)遠(yuǎn)距離影響、強(qiáng)降水回波結(jié)構(gòu)等方面對極端性降水的成因進(jìn)行了詳細(xì)分析，等等。目前來看，對暴雨的研究主要集中于梅汛期暴雨，對發(fā)生于梅汛期前且時(shí)間相近的暴雨-大暴雨過程對比分析還不太多，而梅雨期前大強(qiáng)度的致洪暴雨對防汛工作是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因此值得進(jìn)行深入的分析和探討。

2011年6月10日和2017年6月10日在江蘇南部均出現(xiàn)了強(qiáng)降水過程，從發(fā)生時(shí)間來看，兩年的入梅時(shí)間分別為6月14日、6月19日，因此兩次暴雨均為梅雨期前強(qiáng)降水過程；從影響系統(tǒng)來看，均為副熱帶高壓、西南急流、氣旋、切變線、東北冷渦等；從降水性質(zhì)來看，均以對流性降水為主。雖然兩次過程有較多相似之處，但差異卻較大，本文以常州為例，從降水特征、環(huán)流背景氣候態(tài)差異、物理量場、雷達(dá)產(chǎn)品特征等方面對兩次強(qiáng)降水過程進(jìn)行了分析，得出兩次暴雨過程量級及落區(qū)明顯差異的原因，以便為提高暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、進(jìn)一步做好防汛減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

1 降水特征

1.1 降水概況

2011年6月10日江蘇南部地區(qū)普降暴雨局部大暴雨(圖1a、表1)，24 h降水量江蘇省基本站前3位分別為高淳(99.3 mm)、常熟(82.8 mm)、溧陽(82.4 mm)，加密自動(dòng)站前3位分別為金壇指前鎮(zhèn)(185.7 mm)、溧陽竹簀鎮(zhèn)(153.6 mm)、溧陽上興鎮(zhèn)(129.2 mm)。2017年6月10日江蘇南部出現(xiàn)了區(qū)域性大暴雨局部特大暴雨(圖1b、表1)，24 h雨量江蘇省基本站前3位分別為金壇(265.3 mm)、句容(259.9 mm)、南京和江寧(均為245.3 mm)；加密自動(dòng)站前3位分別為常州北港街道(313.7 mm)、金壇城區(qū)(265.3 mm)、溧陽竹簀鎮(zhèn)(153.7 mm)。

對比2011年6月10日(11·06)和2017年6月10日(17·06)兩次降水過程(圖1)可知，“11·06”為區(qū)域性暴雨局部大暴雨，“17·06”則為區(qū)域性大暴雨局部特大暴雨；從落區(qū)來看，“11·06”暴雨區(qū)主要集中在南通南部、蘇州中北部、無錫、常州、高淳一帶，“17·06”出現(xiàn)在江淮中南部及以南地區(qū)。其中，“17·06”降水量級明顯大于“11·06”，暴雨區(qū)范圍明顯比“11·06”大、大降水區(qū)位置比“11·06” 明顯偏北。

表1 兩次過程日降水量對比

1.2 降水雨強(qiáng)

由于兩次強(qiáng)降水過程最大雨量中心均位于常州地區(qū)境內(nèi)，因此以常州地區(qū)為例來討論兩次過程降水強(qiáng)度的差別(主要討論金壇和常州的降水，代表站分別為兩次過程全省最大雨量站金壇指前鎮(zhèn)、常州北港街道)。

2011年6月10日常州地區(qū)普降暴雨局部大暴雨，常州、金壇兩站24 h雨量平均值為54.9 mm(分別為57.9 mm、51.8 mm)；居全省雨量中心的金壇指前鎮(zhèn)降水量為185.7 mm，小時(shí)雨強(qiáng)超過20 mm的時(shí)間為3 h，最大小時(shí)雨強(qiáng)為54.6 mm(09:00—10:00)。2017年6月10日常州地區(qū)普降大暴雨局部特大暴雨，全市61個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)中有47個(gè)出現(xiàn)大暴雨，6個(gè)達(dá)到特大暴雨， 常州、金壇兩站24 h雨量平均值為249.7 mm(分別為234.1 mm、265.3 mm，日降水量均位列歷史第2位)；居全省雨量中心的常州北港街道降水量為313.7 mm，小時(shí)雨強(qiáng)超過20 mm的時(shí)間長達(dá)7 h，最大小時(shí)雨強(qiáng)為47.3 mm(08:00—09:00)。

圖1 2011年(a)和2017年(b)6月9日20:00至10日20:00降水量分布(均不含自動(dòng)站,黃色三角為常州站)

從兩次過程來看，常州、金壇兩個(gè)觀測站24 h雨量平均值“17·06”是“11·06”的4.5倍，兩個(gè)過程最大雨量站短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)間“17·06”是“11·06”的2.3倍(表1、圖2)。兩次暴雨-大暴雨過程均為對流性強(qiáng)降水，但“11·06”呈現(xiàn)出短時(shí)雨強(qiáng)大、強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，而“17·06”呈現(xiàn)出降水強(qiáng)度大、強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，正是由于長時(shí)間強(qiáng)降水的維持才導(dǎo)致了2017年6月10日大暴雨甚至特大暴雨的出現(xiàn)。

圖2 2017年6月10日常州北港街道、2011年6月10日金壇指前鎮(zhèn)逐小時(shí)降水量

2 環(huán)流背景與氣候態(tài)差異分析

2.1 天氣形勢

從天氣形勢綜合圖(圖3)可知，2011年6月10日08:00 500 hPa西風(fēng)槽位于河北—湖北中部—湖南西北部；700 hPa和850 hPa的低渦位于山東和蘇北附近，切變線為東北西南向，位于蘇魯交界—安徽北部—河南東部—湖南中部—廣西北部，經(jīng)向度較大；700 hPa和850 hPa的西南急流軸分別位于廣東中部—江西—安徽南部—江蘇中南部、湖南南部—江西北部—安徽南部—江蘇南部。2017年6月10日08:00西風(fēng)槽位于山西—重慶—貴州北部；700 hPa 低渦位于蘇魯豫皖交界附近，切變線位于河南東部—湖北中部—貴州北部，850 hPa切變線為準(zhǔn)東西向，位于江蘇沿江—湖北中北部—重慶；700 hPa和850 hPa的西南急流軸分別位于廣西中北部—湖南南部—安徽南部。由上可見，“11·06”槽線和切變線位置偏東，經(jīng)向度較大，系統(tǒng)移動(dòng)速度相對較快；“17·06”槽線、切變線位置偏西，且700 hPa和850 hPa切變線經(jīng)向度較小,尤其是850 hPa呈準(zhǔn)東西向，系統(tǒng)移動(dòng)速度慢，另外沿江蘇南地區(qū)處在西南急流出口區(qū)，輻合更強(qiáng)，從而導(dǎo)致強(qiáng)降水時(shí)間更長。

2.2 氣候態(tài)差異分析

梅汛期前就出現(xiàn)大暴雨甚至特大暴雨，在大尺度環(huán)流形勢上應(yīng)該具有不同于常年的氣候特點(diǎn)，因此本文考察2011、2017年6月上旬與常年500 hPa高度和風(fēng)的氣候態(tài)距平場(圖4)可知，兩次暴雨過程副熱帶高壓(簡稱副高，下同)和亞洲東北冷渦均偏強(qiáng)，江蘇南部地區(qū)處于冷暖交匯地帶，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。但兩者也存在明顯差異，首先“17·06”副高偏北偏西，20 dagpm的距平值已到達(dá)浙江福建一帶，“11·06”則位于臺灣以東；其次副高西南側(cè)的西南氣流“17·06”明顯強(qiáng)于“11·06”，“17·06”江蘇南部地區(qū)受強(qiáng)度和范圍均更大的異常西南氣流影響；其次“17·06”東北冷渦偏強(qiáng)(“17·06”、“11·06”東北冷渦中心距平值分別為-90、-70 dagpm)，且經(jīng)向度更大，更有利于冷空氣南下與副高西南側(cè)的暖濕氣流交匯產(chǎn)生強(qiáng)降水；此外“17·06”我國西北部到河套一帶有一范圍寬廣的距平低值帶，“11·06”則沒有，“17·06”更有利于冷暖氣流的長時(shí)間交匯，從而導(dǎo)致更強(qiáng)降水的發(fā)生。

從氣候態(tài)距平場來看，“17·06”副熱帶高壓、西南氣流明顯強(qiáng)于“11·06”，“17·06”東北冷渦更強(qiáng)且經(jīng)向度更大。

3 物理量對比分析

由于動(dòng)力、水汽、不穩(wěn)定能量等條件在兩次暴雨過程中起到了重要作用，因此本文利用FNL再分析資料對垂直速度、散度、水汽通量散度、假相當(dāng)位溫等物理量進(jìn)行分析，此外還利用探空圖對不穩(wěn)定能量和垂直風(fēng)切變進(jìn)行對比分析。

3.1 動(dòng)力條件

由垂直速度圖(圖略)可知，2011年6月10日02:00常州上空低層為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，最大速度為0.4 Pa·s-1；05：00垂直運(yùn)動(dòng)逐漸加強(qiáng)，已出現(xiàn)從地面到100 hPa的垂直速度柱，最大速度達(dá)-0.5 Pa·s-1；08：00垂直運(yùn)動(dòng)達(dá)最大，最大速度為-0.6 Pa·s-1，與09：00—10:00 54.6 mm的小時(shí)雨強(qiáng)相對應(yīng)；此后垂直運(yùn)動(dòng)速度大小和厚度均逐漸減小，至20:00 700 hPa以下已轉(zhuǎn)為下沉氣流，降水逐漸停止。2017年6月10日02:00常州上空850 hPa以下均為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，最大速度為0.4 Pa·s-1；05:00垂直運(yùn)動(dòng)逐漸加強(qiáng)，最大速度小于-0.5 Pa·s-1；08:00、11:00垂直運(yùn)動(dòng)繼續(xù)增強(qiáng)，最大速度小于-0.7 Pa·s-1、-0.8 Pa·s-1，與強(qiáng)降水時(shí)段相對應(yīng)(08:00—09:00、09:00—10:00雨強(qiáng)分別達(dá)47.3 mm、46.9 mm)；14:00垂直運(yùn)動(dòng)達(dá)最大，最大速度達(dá)到了-1.1 Pa·s-1，此時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)為37.5 mm；此后垂直速度緩慢減小，降水逐漸停止。相比較而言，“17·06”最大垂直速度約為“11·06”的1.83倍，且垂直速度大值維持的時(shí)間長，從而導(dǎo)致“17·06”降水量遠(yuǎn)超“11·06”。

由散度圖(圖略)可知，2011年6月10日02:00—20:00常州上空輻合輻散交替出現(xiàn)，其中02:00—05:00底層輻散、中低層輻合；05:00起底層轉(zhuǎn)為輻合，其中08:00前后底層輻合、高層輻散均為最大，低層最大散度為-3×10-5s-1，與強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)段一致；14:00以后輻合輻散逐漸減小，雨勢明顯減小。2017年6月10日02:00常州上空底層和中高層均為輻散區(qū)、中低層為弱的輻合區(qū)；05:00輻合輻散逐漸加強(qiáng)，低層最大散度為-3×10-5s-1，高層出現(xiàn)輻散大值區(qū)；08:00輻合輻散繼續(xù)增強(qiáng)，低層和高層最大散度分別為-4×10-5s-1、3×10-5s-1；11:00 300～100 hPa的最大散度值已達(dá)6×10-5s-1，形成了強(qiáng)的高空輻散；14:00輻合輻散達(dá)最強(qiáng)，低層和高層最大散度分別為-6×10-5s-1、8×10-5s-1；此后散度數(shù)值漸小，降水逐漸停止；由上可知“17·06”08:00—14:00常州上空一直維持較強(qiáng)的輻合輻散，與該時(shí)段持續(xù)的強(qiáng)降雨相對應(yīng)。相比較而言，“17·06”輻合輻散最大散度值約為“11·06”的2倍，高空輻合輻散場的配置優(yōu)于“11·06”，這也是“17·06”降水量遠(yuǎn)大于“11·06”的原因之一。

3.2 水汽條件

由水汽通量散度圖(圖略)可知，2011年6月10日00:00前后常州上空400 hPa以下出現(xiàn)水汽輻合，且輻合呈現(xiàn)加大的趨勢；05:00 650 hPa以下均為水汽輻合，最大水汽通量散度值約為-40×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，出現(xiàn)在850 hPa附近；08:00 700 hPa以下均為水汽輻合，此時(shí)水汽輻合達(dá)最強(qiáng)，最大水汽通量散度為-60×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，中心位于950 hPa附近，700 hPa以上均為水汽輻散，在650 hPa、550 hPa附近出現(xiàn)兩個(gè)大值中心，均為20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，此時(shí)常州上空出現(xiàn)水汽低層輻合、高層輻散最大值的配合，與最強(qiáng)降水時(shí)段相對應(yīng)。之后水汽通量散度逐漸減小，11:00水汽通量散度減小到-30×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1；14:00只有950 hPa以下和800～600 hPa為水汽輻合，最大水汽通量散度減小為-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1；20:00左右常州上空整層已轉(zhuǎn)為水汽輻散，降水逐漸停止。

2017年6月10日01:00左右常州上空400 hPa以下出現(xiàn)水汽輻合，且輻合呈現(xiàn)加大的趨勢；05:00常州上空975～600 hPa以下均為水汽輻合，最大水汽通量散度為-50×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1；08:00 960～650 hPa均為水汽輻合，最大水汽通量散度已達(dá)-60×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，中心位于750 hPa附近，650 hPa以上為水汽輻散，在600 hPa、450 hPa附近出現(xiàn)兩個(gè)大值中心，分別為2、10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，此時(shí)常州上空出現(xiàn)水汽低層輻合、高層輻散大值的配合，與強(qiáng)降水時(shí)段相對應(yīng)，之后水汽通量散度繼續(xù)增加；11:00水汽通量散度已小于-60×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1；14:00水汽通量散度達(dá)最大，此時(shí)700 hPa以下均為水汽輻合，最大值位于850 hPa附近，中心值已達(dá)-80×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，此后水汽輻合逐漸減??；20:00左右常州上空最大水汽通量散度已減小到-30×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，降水逐漸減弱。

相比較而言，“17·06”最大水汽通量散度值約為“11·06”的1.33倍；強(qiáng)降水時(shí)段水汽輻合的厚度“17·06”大于“11·06”；水汽輻合維持的時(shí)間“17·06”長于“11·06”，“11·06”14:00以后水汽輻合已抬升到800 hPa以上，強(qiáng)度減小很快，而“17·06”14:00達(dá)最大，20:00前常州上空仍維持較強(qiáng)水汽輻合，因此水汽輻合的強(qiáng)度、厚度及維持時(shí)間也導(dǎo)致了兩次過程降水量的明顯差異。

3.3 不穩(wěn)定能量條件

由于兩次過程的最強(qiáng)降水均發(fā)生在08:00之后0～2 h，因此考察08:00的探空圖(圖5)，從圖5可知，“11·06”高空呈現(xiàn)上干下濕的狀態(tài)，500 hPa以上較干冷，以下層次為暖濕氣流；“17·06”則是整層高濕(但小于“11·06”中低層的濕度)，且在500～600 hPa之間具有一定的不穩(wěn)定能量(“11·06”無)。從高空風(fēng)場來看，“11·06”和“17·06”中500 hPa偏西風(fēng)分別為14 m/s、18 m/s，700 hPa風(fēng)速分別為22 m/s、18 m/s，但是風(fēng)向分別為WSW、SSW，因此500 hPa與700 hPa之間的垂直風(fēng)切變“11·06”小于“17·06”。可見，不穩(wěn)定能量和垂直風(fēng)切變更大是“17·06”降水量大于“11·06”的原因之一，另外還可以看到，由于“17·06”整層高濕，為多時(shí)次短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)提供了充足的水汽條件。

由于常州位于南京和杭州之間，因此將各物理量取南京、杭州兩站平均值代表常州站來進(jìn)行分析(表2)，從6月10日08:00各層次溫差來看，700 hPa與500 hPa的溫差“11·06”、“17·06”分別為13.5 ℃、17 ℃，850 hPa與500 hPa的溫差分別為23 ℃、25.5 ℃，925 hPa與500 hPa的溫差分別為26.5 ℃、28.5 ℃；另外從500 hPa的溫度來看，“11·06”、“17·06”分別為-3 ℃、-6.5 ℃，可見“17·06”大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定，更有利于強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)，從而也導(dǎo)致了強(qiáng)降水的發(fā)生。

表2 兩次過程不穩(wěn)定能量條件對比 ℃

由假相當(dāng)位溫隨時(shí)間變化剖面圖(圖略)可知，2011年6月10日雖然08:00前后在850 hPa高度存在一個(gè)350 K的假相當(dāng)位溫高值區(qū)(與強(qiáng)降水時(shí)段相對應(yīng))，但是除該時(shí)段在850 hPa以上出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)外，其余時(shí)段在900～850 hPa以上中低層基本為弱不穩(wěn)定層結(jié)，以下則為穩(wěn)定層結(jié)；2017年6月9日20:00至10日14:00前后中低層均為較強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)，14:00之后800 hPa以上仍為不穩(wěn)定層結(jié)，但800 hPa以下已轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)，此后降水開始明顯減弱。

由此可見，“17·06”不穩(wěn)定層結(jié)強(qiáng)度及維持時(shí)間均大于“11·06”，這也是“17·06”降水較“11·06”更強(qiáng)的原因之一。

4 雷達(dá)回波特征

4.1 雷達(dá)回波強(qiáng)度特征

分析雷達(dá)回波發(fā)現(xiàn)，2011年6月10日不斷有對流性回波進(jìn)入江蘇南部地區(qū)并逐漸向東北方向移動(dòng)，回波強(qiáng)度大多數(shù)為30～45 dBz，最強(qiáng)回波強(qiáng)度達(dá)50～60 dBz，但強(qiáng)回波很分散(圖6a)，隨著西風(fēng)槽的東移入海，直到10日夜間回波帶才全部移出江蘇南部地區(qū)。從回波頂高來看(圖6b)，6月10日上游地區(qū)不時(shí)有回波頂高為6～9 km最高達(dá)9～12 km、個(gè)別站點(diǎn)甚至高達(dá)14 km的強(qiáng)回波進(jìn)入江蘇南部，但降水回波較分散，因而雖有強(qiáng)回波不斷影響江蘇南部，但降水總量不太大。

2017年6月10日01:48強(qiáng)度為45 dBz的較強(qiáng)回波將進(jìn)入江蘇南部，03:54強(qiáng)度加強(qiáng)為45～50 dBz，之后沿南京—常州—鎮(zhèn)江一線呈帶狀分布，此后一直有強(qiáng)度達(dá)45～50 dBz甚至55 dBz的回波源源不斷進(jìn)入江蘇(圖6c)，隨著西風(fēng)槽的移近，14:42又有強(qiáng)度為45～50 dBz的較強(qiáng)回波影響江蘇南部地區(qū)，直到19:42才有所減弱，22:00減弱后的回波完全移出江蘇。從回波頂高來看(圖6d)，6月10日上游地區(qū)一直有回波頂高為8～9 km最高達(dá)10～12 km、個(gè)別站點(diǎn)高達(dá)14 km的強(qiáng)回波源源不斷進(jìn)入江蘇南部地區(qū)，從而導(dǎo)致了該地區(qū)的強(qiáng)降水。

兩次強(qiáng)降水過程，雖然回波都較強(qiáng)，甚至“11·06”最強(qiáng)回波時(shí)段略強(qiáng)于“17·06”，但是“11·06”強(qiáng)回波分散且影響同一地區(qū)時(shí)間較短；“17·06”不僅回波強(qiáng)且強(qiáng)回波由于明顯的列車效應(yīng)，長時(shí)間集中影響江蘇南部地區(qū)，因而“17·06”降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“11·06”。

圖6 2011年6月10日(a、b)和2017年6月10日(c、d)08:00雷達(dá)反射率因子(a、c)和回波頂高(b、d)

從雷達(dá)回波與降水關(guān)系式，大陸強(qiáng)對流型降水Z=300R1.4，熱帶海洋型降水Z=230R1.25可知，同樣的反射率因子，前者雨強(qiáng)明顯低于后者，反射率因子越大，差異越大。由表3可以看出，50 dBz分別對應(yīng)62 mm/h和130 mm/h，相差一倍。根據(jù)熱帶海洋型降水雨強(qiáng)的Z-R關(guān)系，45 dBz對應(yīng)著50 mm·h-1的雨強(qiáng)，與實(shí)況接近，且兩次暴雨過程均為低質(zhì)心降水，因此兩次暴雨過程均屬于熱帶海洋型降水，“17·06”熱帶海洋型強(qiáng)降水特征更加明顯。

表3 大陸強(qiáng)對流型和熱帶海洋型降水效率對比 mm/h

選擇降水集中時(shí)段，沿著強(qiáng)回波中心做垂直剖面(圖7)，經(jīng)分析可知，“11·06”中雷達(dá)回波高度大部分伸展到6～7 km，≥40 dBz的強(qiáng)回波從底層一直向上伸展至4 km，且較強(qiáng)回波中心分散排列，無明顯強(qiáng)回波的列車效應(yīng)；分析南京站探空圖(圖略)發(fā)現(xiàn)0 ℃層高度位于5345 m，說明較強(qiáng)回波均在0 ℃層以下并向下伸展至地面，為暖區(qū)低質(zhì)心降水回波，但由于強(qiáng)回波較分散且強(qiáng)度不太強(qiáng)，不易造成多次高效率的降水，這是此次降水在雷達(dá)監(jiān)測上的特點(diǎn)。“17·06”中雷達(dá)回波伸展高度則大部分超過12 km(遠(yuǎn)高于“11·06”)，此外≥40 dBz強(qiáng)回波絕大部分從底層伸展至5 km高度(高于“11·06”)，且強(qiáng)回波中心依次緊密排列，呈現(xiàn)顯著的列車效應(yīng)。分析南京站探空圖(圖略)發(fā)現(xiàn)0 ℃高度位于5202.5 m(0 ℃高度低于“11·06”)，也屬于暖區(qū)低質(zhì)心降水回波，且強(qiáng)回波分布緊密、列車效應(yīng)非常明顯，因此易造成長時(shí)間的高效率降水，這是此次強(qiáng)降水的“暖區(qū)”特性在雷達(dá)監(jiān)測上的最直觀表現(xiàn)。

圖7 2011年6月10日08:54(a)和2017年6月10日08:16(b)降水集中時(shí)段沿強(qiáng)回波中心垂直剖面

4.2 螺旋度分析

1986年Lilly[17]最早將螺旋度正式引入到強(qiáng)對流風(fēng)暴研究中，螺旋度是表征對流系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)性和上升運(yùn)動(dòng)的重要物理量，不僅能表達(dá)風(fēng)場旋轉(zhuǎn)性的強(qiáng)弱, 而且還能反映出對旋轉(zhuǎn)的輸送。由于強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生前，渦度的垂直分量一般比風(fēng)的垂直切變小一個(gè)量級以上,且垂直速度本身及其在水平方向上的變化不大，因此通常計(jì)算的螺旋度實(shí)質(zhì)上是忽略垂直運(yùn)動(dòng)水平分布不均勻的相對風(fēng)暴水平螺旋度(Storm Relative Helicity，簡稱SRH)。由于2017年6月10日的雷達(dá)資料有些數(shù)據(jù)層缺失，不能完整反演出SRH，因此本文只計(jì)算2011年6月10日的相對風(fēng)暴水平螺旋度。

實(shí)際工作中Davies-jones等[18]將螺旋度公式轉(zhuǎn)換為

(vn+1-Cy)]

(1)

式中,(un,vn) 為各高度層上的水平風(fēng),(Cx,Cy)為風(fēng)暴移動(dòng)速度。

由于流入風(fēng)暴的氣流來自低層，n在本文中取13層。因?yàn)轱L(fēng)暴的移動(dòng)主要受中低層平流運(yùn)動(dòng)和自身傳播效應(yīng)的共同影響，故本文以各高度層的平均風(fēng)風(fēng)向右移30°、風(fēng)速的75%來確定風(fēng)暴的移動(dòng)速度。

由圖8可見，06:00前夕，雷達(dá)站上空螺旋度為正值，處于一小值震蕩中，說明上空風(fēng)場一直處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，但并不劇烈。07:00開始，螺旋度數(shù)值逐步上升，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不斷加強(qiáng)，說明雷達(dá)站上空動(dòng)力條件有利于經(jīng)過此處的降水系統(tǒng)維持或發(fā)展。之后螺旋度一直在增加且幅度較大，這表明對流體旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)不斷加強(qiáng)，降雨強(qiáng)度也會(huì)越來越大。對應(yīng)降水實(shí)況發(fā)現(xiàn)在08:30螺旋度出現(xiàn)最大值130.68 m2/s2之后的40 min～1.5 h內(nèi)，自動(dòng)站出現(xiàn)了此次過程的最大雨強(qiáng)(09:00—10:00,54.6 mm/h)。但1小時(shí)后螺旋度突然減小到37 m2/s2，并且隨后以較大幅度快速減小至負(fù)值，表明雷達(dá)站上空的風(fēng)場從順轉(zhuǎn)迅速變?yōu)槟孓D(zhuǎn)，降水系統(tǒng)趨于減弱或已移出雷達(dá)站。由實(shí)況可知，觀測站降水隨后一直處于減弱狀態(tài)。

由上可知，利用VWP風(fēng)場產(chǎn)品計(jì)算出的SRH不僅時(shí)間分辨率較高，而且大面積降水的螺旋度強(qiáng)弱變化趨勢與雨強(qiáng)變化趨勢較吻合；加密時(shí)間后計(jì)算螺旋度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺旋度的變化一般比降水變化提前，說明具有可預(yù)報(bào)性，這與文獻(xiàn)[19]研究結(jié)果一致，因此螺旋度可作為大面積降水過程中短臨預(yù)報(bào)的一個(gè)預(yù)報(bào)因子。

圖8 2011年6月10日螺旋度(a)和小時(shí)雨量(b)變化

4.3 雷達(dá)速度產(chǎn)品特征分析

徐芬[15]等的研究發(fā)現(xiàn)垂直風(fēng)廓線VWP(Vertical Wind Profiles)產(chǎn)品和徑向速度圖像上的典型特征對暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警有較好的指示作用，因此本文對兩次暴雨過程中的VWP產(chǎn)品和雷達(dá)徑向速度圖像特征進(jìn)行分析研究。

4.3.1 垂直風(fēng)廓線特征

夏文梅等[20]的研究發(fā)現(xiàn)垂直風(fēng)廓線VWP產(chǎn)品圖像上的ND區(qū)域可以看作干區(qū)，與各高度層風(fēng)向桿位置的配合可以得出干濕區(qū)域、風(fēng)切變、冷暖平流、急流等信息，VWP產(chǎn)品圖像上風(fēng)速>20 m·s-1的風(fēng)場定義大風(fēng)區(qū)，中高層大風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)及其底高位置的變化，與降水的發(fā)生、維持、加強(qiáng)密不可分。下面對2011年6月10日的暴雨過程中的此類信息進(jìn)行具體分析說明。

由圖9可知，07:00—07:48低層均為西南氣流，風(fēng)速隨高度增加持續(xù)增大，6.7 km以上維持厚度為大約4 km的西風(fēng)大值區(qū)，并且大風(fēng)速區(qū)底高逐漸下移，到07:54大風(fēng)區(qū)底高下降至6.1 km處；隨著時(shí)間推移，低層風(fēng)速也逐漸加大， 07:54在4.3 km高度處出現(xiàn)了大風(fēng)速區(qū)，08:00以后4.3～6.1 km一直維持偏西大風(fēng)區(qū)。高空風(fēng)速也在發(fā)生變化，08:18在9.1 km處出現(xiàn)了西北風(fēng)，08:18—09:00西北大風(fēng)速區(qū)的高度逐漸下壓，09:00下壓至7.3 km(42 min內(nèi)下壓了1.8 km)，此外在此期間6.7～7.9 km厚度內(nèi)出現(xiàn)了“ND”，說明有干空氣下沉；之后西北風(fēng)明顯增強(qiáng)，09:06—09:18在6.7～10.7 km高度內(nèi)西北風(fēng)增強(qiáng)至26～30 m/s。高空干空氣的下傳和高空西北急流的明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致垂直風(fēng)切變和不穩(wěn)定能量也明顯加強(qiáng)，與之相對應(yīng)，09:10雨勢加強(qiáng)，10 min內(nèi)降水量為7 mm，09:30—10:00的10 min雨量達(dá)到了11.1～14.5 mm，小時(shí)累積雨量為54.6 mm/h?？梢姡蛯语L(fēng)速的快速增強(qiáng)、中高層偏西風(fēng)大風(fēng)速區(qū)的穩(wěn)定維持、高空干空氣的下沉、高空西北急流的明顯加強(qiáng)和下探是導(dǎo)致2011年6月10日09:00—10:00出現(xiàn)雨強(qiáng)達(dá)54.6 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水的主要原因。還可看出當(dāng)大風(fēng)區(qū)底高快速升高時(shí)，雨勢會(huì)迅速減弱。由上可知，大風(fēng)區(qū)底高的變化有助于判斷雷達(dá)站附近降水的變化趨勢，可用于降水短臨預(yù)報(bào)中。

4.3.2 雷達(dá)徑向速度特征

如何判斷降水回波經(jīng)過時(shí)是發(fā)展、維持還是減弱，較難從反射率因子圖像上發(fā)現(xiàn)信號，但是有經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)員卻可以從徑向速度圖像特征中獲得更多的指示信息，定性判斷出各高度層的大氣輻合輻散狀況，從而準(zhǔn)確做出短臨預(yù)報(bào)?！?7·06”強(qiáng)回波對應(yīng)的基本速度圖上也有一定的風(fēng)場輻合輻散變化特征，圖10為2017年6月10日09:44 0.5°反射率因子和0.5°、1.5°、2.4°基本速度圖。該時(shí)段最強(qiáng)回波位于常州東南部，0.5°徑向速度 PPI上最強(qiáng)回波區(qū)域出現(xiàn)輻合輻散共軛區(qū)域，輻合輻散共軛區(qū)的南部為強(qiáng)輻合區(qū)；1.5°速度圖上常州東南部依舊表現(xiàn)為輻合輻散共軛區(qū)，同樣輻合輻散共軛區(qū)的南部為強(qiáng)輻合區(qū)；2.4°速度圖上常州東南部輻合輻散共軛區(qū)消失轉(zhuǎn)為輻散區(qū)。從圖中可以看出這種低層輻合、高層輻散的高低空風(fēng)場配置出現(xiàn)的位置與強(qiáng)回波位置相對應(yīng)，途經(jīng)此處的水汽不斷被卷入、補(bǔ)充，非常有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

圖9 2011年6月10日降水發(fā)展期間VWP圖上大風(fēng)區(qū)底高的變化

圖10 2017年6月10日09:44 0.5°反射率因子(a)和0.5°(b)、1.5°(c)、2.4°(d)基本速度

5 結(jié)論與討論

本文對2011年6月10日和2017年6月10日發(fā)生在江蘇南部地區(qū)的兩次暴雨-大暴雨過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：兩次暴雨過程均發(fā)生在入梅前，均由副熱帶高壓、西風(fēng)槽、西南急流、西南低渦和東北冷渦等天氣系統(tǒng)共同影響造成。但兩次的降水量存在很大差異，主要原因在于：

(1)異常的高低緯度環(huán)流形勢配合，為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利的環(huán)流背景，從氣候態(tài)距平場來看，“17·06”副熱帶高壓、西南氣流明顯強(qiáng)于“11·06”，“17·06”東北冷渦更強(qiáng)且經(jīng)向度更大。從兩次過程副高本身強(qiáng)度來看，無論是范圍、西脊點(diǎn)、還是脊線位置，“17·06”明顯強(qiáng)于“11·06”；從東北冷渦本身來看，“17·06”的位置較“11·06”明顯偏南且經(jīng)向度偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，中心氣溫偏低。

(2)從兩次過程代表站的物理量場來看，“17·06”最大垂直速度約為“11·06”的1.83倍，出現(xiàn)最大速度的時(shí)間晚于“11·06”且垂直速度大值維持的時(shí)間長；“17·06”最大散度值約為“11·06”的2倍，高空輻合輻散場的配置優(yōu)于“11·06”；最大水汽通量散度值“17·06”約為“11·06”的1.33倍，強(qiáng)降水時(shí)段水汽輻合的厚度“17·06”大于“11·06”，水汽輻合維持的時(shí)間“17·06”長于“11·06”。

(3)從兩次過程代表站的強(qiáng)降水時(shí)間來看，小時(shí)雨強(qiáng)超過20 mm的時(shí)間“11·06”為3 h、“17·06”為7 h，強(qiáng)降水維持的時(shí)間“17·06”是“11·06”的2.33倍。

(4)雷達(dá)回波分析得出“11·06”最強(qiáng)回波時(shí)段略強(qiáng)于“17·06”，但是“11·06”強(qiáng)回波分散且影響同一地區(qū)時(shí)間較短；“17·06”不僅回波強(qiáng)且強(qiáng)回波由于明顯的列車效應(yīng)，長時(shí)間集中影響江蘇南部地區(qū)，因而“17·06”降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“11·06”。從強(qiáng)回波的垂直剖面圖也可看出“17·06”是暖區(qū)低質(zhì)心降水回波，且強(qiáng)回波分布緊密、列車效應(yīng)非常明顯，因此易造成長時(shí)間的高效率降水。由雷達(dá)回波產(chǎn)品可知：螺旋度變化一般提前于降水變化，具有可預(yù)報(bào)性，可作為短時(shí)(臨近)預(yù)報(bào)大面積降水開始—維持—結(jié)束的一個(gè)預(yù)報(bào)因子。VWP產(chǎn)品中大風(fēng)區(qū)底高的變化，有助于判斷雷達(dá)站附近降水的變化趨勢?；舅俣葓D上“17·06”在0.5°和1.5°速度圖上最強(qiáng)回波區(qū)域出現(xiàn)輻合輻散共軛區(qū)，輻合輻散共軛區(qū)的南部為強(qiáng)輻合區(qū)，2.4°速度圖上輻合輻散共軛區(qū)消失轉(zhuǎn)為輻散區(qū)，因此低層輻合和高層輻散有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。