峡谷地形对两次极端降水的作用

李银娥 吴翠红 陈赛男 柳草 张文言

(武汉中心气象台， 武汉 430074)

引 言

湖北宜昌是典型的峡谷地形，常发生山洪、滑坡、泥石流等地质灾害[1]，宜昌山峡河谷地带是短时强降水高发区[2]，三峡库区地质灾害预警日雨量阈值在90～110 mm[3]。2016年7月7日在宜昌龙泉山村出现158.8 mm·h-1的极端短时降水，创下湖北有气象记录以来的小时雨量极值；2018年4月22日在宜昌宜都出现日降水量341 mm的特大暴雨，打破建站以来的极值纪录。研究显示在全球升温目标下长江流域的三峡地区极端降水呈现增加趋势[4]。

极端降水研究主要集中在极端短时降水和累积极端降水，一般将1 h雨量≥50 mm 或3 h雨量≥100 mm的降水事件称为极端短时强降水[5-6]，累积极端降水一般用日雨量表示，远强于某地气候态降水强度且具有极低发生概率的降水事件，常用日雨量阈值和日雨量分位数来定义极端降水[7-8]。极端短时降水的小时雨强大，由较强的对流性降水形成，主要影响系统为中小尺度系统，一部分极端小时强降水有近于中气旋强度的中涡旋形成和发展[9-10]；而大范围的强降水形成的极端降水过程，既有中小尺度系统形成的对流性降水，也有动力因子、水汽含量等异常偏强形成的非对流大尺度层状云降水和中尺度层云降水[11-13]。

地形作用是形成极端降水的另一个重要影响因素，常见的有迎风坡对暖湿气流的抬升阻挡作用[14-15]，喇叭口地形对气流的汇流辐合作用[16-19]。宜昌峡谷地形对低层风场的辐合作用易触发局地强降水的发生[20]，与湖北西部相邻的西南地区极端降水变化趋势具有显著的地域差异[21]，湖南极端降水主要位于湘北的张家界山区和湘南山区[22]。

本文将利用地面加密自动站、常规观测资料、NCEP再分析资料对2016年7月7日和2018年4月22日两次极端降水过程的大气环流背景、中尺度对流系统和触发机制等开展分析研究，通过对ECMWF全球数值模式和Grapes-meso中尺度模式的预报产品进行对比检验，探讨宜昌峡谷地型对不同类型极端降水的作用，以及数值模式在此地的预报性能，为今后预报提供借鉴参考。

1 极端降水特征

宜昌地区西北面为大巴山脉，西南面为武陵山脉，东部为江汉平原，三者共同形成了边界为“<”型的峡谷地形(图1a)。2016年7月7日夜间，在峡谷喇叭口地形迎风坡处出现局地极端短时降水(图1b)，降水主要发生在7日21时至8日02时(北京时,下同)，加密自动站有16站6 h累积雨量超过50 mm，3站累积雨量超过100 mm，其中宜昌龙泉山村1 h最大雨量为158.8 mm，3 h累积雨量达到211.9 mm(图1d)，创下湖北有气象记录以来的小时雨量极值。这次过程降水范围小，局地性强，降水持续时间短，短时降水强度大。

2018年4月22日在鄂西南宜昌地区和鄂东南先后出现暴雨到大暴雨，其中宜昌“<”型峡谷南部山前出现特大暴雨(图1c)，加密自动站24 h累积雨量有11站特大暴雨、146站大暴雨，22站日雨量居历史同期第1。宜昌宜都站24 h累积雨量达341 mm，打破建站以来的极值纪录，具有很强的极端性。本文主要分析宜昌地区的极端降水，宜昌地区强降水主要发生在22日11至23时，最大雨强107 mm·h-1(22日15时出现在宜昌猇亭区实验小学)，其中宜都高坝洲连续6 h小时雨量超过20 mm(图1e)。这次过程强降水范围广，持续时间长，降水强度先大后小，由对流性降水和稳定性降水共同组成。

图1 湖北西部地形(a,单位：m) ；2016年7月7日(b、d)、2018年4月22日(c、e) 24 h累积雨量(阴影，单位：mm)和海拔高度(b、c，黑线，单位：m)、1 h雨量(d、e,单位：mm) (黑色方框为宜昌峡谷地带，下图相同)Fig.1 Terrain in western Hubei (a, unit: m)(b,c)： 24 h accumulated rainfall observed (shaded areas， unit: mm) and altitude (black lines， unit: m)； 1 h accumulated rainfall (c,e unit: mm) at 08∶00 BST on 7 July 2016 (b,d) and 22 April 2018(c,e)(black box is Yichang gorge， the same figure below is the same)

2 大尺度环流形势和环境场分析

2.1 大尺度环流形势

2016年7月7日20时，500 hPa受台风“尼伯特”和东亚低槽的共同影响，副热带高压断裂为海上和陆地两个中心，陆地高压中心位于湖南北部，宜昌地区处于副热带高压西北侧(图2a)，上空风速较弱，400 hPa以下风速在2～6 m·s-1，850 hPa以下在渝北至鄂西北有弱切变线，高层位于南亚高压东南侧东北风和东亚低槽后部西北风形成的分流辐散区，存在弱的低层辐合和高层辐散，大尺度系统形成的上升运动只有4～6 cm·s-1(图略)。地面上，以偏东气流为主(图略)，偏东气流在峡谷喇叭口地形的辐合抬升作用下，易触发对流降水的发生[23-24]。

图2 2016年7月7日20时(a)和2018年4月22日08时(b)500 hPa高度场(单位：dagpm)Fig.2 Geopotential height (unit: dagpm) at 500 hPa at (a) 20∶00 BST on 7 July 2016 and (b) 08∶00 BST on 22 April 2018

2018年4月22日08时，500 hPa中纬度地区环流较平直，在四川东部有浅槽东移，华北至江淮有冷槽带动冷空气南下(图2b)。中低层有西南低涡沿切变线东移发展，降水区高层位于南亚高压北侧西北风和低槽前部西南风形成的分流辐散区，存在明显的高空辐散抽吸作用(图略)。地面上有暖低压存在，北方冷高压沿华北南下，与低压前部暖湿气流交汇，形成准东西向的锋区(图略)。受切变线、低涡、锋面抬升以及高层抽吸作用的共同影响，降水区上空22日08时上升运动达15 cm·s-1。22日20时，随着低涡加强，锋区南压，降水区上空上升运动增加到21 cm·s-1(图略)。在有利的大尺度环流背景下，形成了长时间的稳定性降水。

2.2 热力和水汽环境场

由于两次极端降水均发生在宜昌地区，宜昌站探空资料能较好的反映大气的环境条件。表1为2016年7月7日14、20时和2018年4月22日08、20时宜昌站探空相关物理量。从降水中心组合反射率时间剖面可见，7月7日夜间主要为对流性回波，而4月22日前期为对流性回波，中后期以层状云回波为主，两次过程最大雨强 (158.8 mm·h-1和107 mm·h-1) 均出现在对流性回波发展最强时期。对流发生前两次过程对流有效位能(Convective Available Potential Energy， CAPE)为1 253.3 J·kg-1和1 377.9 J·kg-1，均存在较大的不稳定能量，同时低抬升凝结高度(Lifting Condensation Level， LCL)(935 hPa和976 hPa)和较小对流抑制能量(Convective Inhibition Energy， CIN)(26.7 J·kg-1和0.1 J·kg-1)非常有利于短时强降水的发生。7月7日，0 ℃层高度较高，在5 338～5 350 m，强回波主要集中在2 km以下(图3a)，有利于出现高效率的降水。4月22日0 ℃层高度较低(4 316～4 345 m)，40 dBZ以上的强回波伸展到0 ℃层以上，存在冷云降水(图3b)。

图3 2016年7月7日21时—8日03时(a)、2018年4月22日12—22时(b)降水中心组合反射率时间剖面(单位：dBZ)Fig.3 Composite reflectivity time profile at precipitation center from 21∶00 on 7 July to 03∶00 BST on 8 July 2016(a) andfrom 12∶00 BST to 22∶00 BST on 22 April 2018(b) (unit: dBZ)

从925 hPa露点温度可以看出，对流降水发生期间露点温度Td均大于20 ℃(表1)，低层水汽含量高。925 hPa水汽通量分布显示，7月7日过程水汽主要来源于台风“尼伯特”，台风外围偏东气流将东海水汽输送到湖北西部(图4a)，受地形阻挡影响，水汽在山前辐合。4月22日过程的水汽输送有南北两条通道，一条为低空西南气流将南海的暖湿气流输送到湖北南部，另一条为淮河流域低涡前侧偏南气流将东部沿海水汽沿低涡后部东北气流向湖北输送(图4b)。在切变线、低涡、锋面等系统的作用下，南北水汽在低层形成强的水汽辐合。

图4 2016年7月7日20时 (a)和2018年4月22日20时(b)925 hPa风场(单位: m·s-1)和水汽通量(阴影，单位: g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.4 Wind field(unit: m·s-1) and water vapor flux (shaded， unit: g·cm-2·hPa-1·s-1) at925 hPa at (a) 20∶00 BST on 7 July 2016 and (b) 20∶00 BST on 22 April 2018

表1 宜昌探空物理量Table 1 Physical of Yichang sounding

3 中尺度对流系统演变

7月7日晚，对流初始阶段，天气尺度系统形成的较弱上升运动触发下，在宜昌峡谷附近出现弱的对流天气。分析峡谷附近雷达回波特征(图5a)：21时，宜昌地区存在分散的对流回波(分别标记为A、B、C)，对应降水强度在5～10 mm·h-1；22时后，C回波逐渐发展加强，最大雨强增大到59.7 mm·h-1；23时，回波中心反射率因子大于50 dBZ，同时在南部有新的回波D生成，向北移动中发展加强，于23∶30与C回波结合，形成面积更大的块状回波，块状回波中心稳定少动，造成1 h雨量158.8 mm的极端降水的发生。

图5a 2016年7月7日21时—8日01时组合反射率(单位：dBZ)Fig.5a Composite reflectivity from 21∶00 BST on 7 July to 08∶00 BST on 8 July 2016 (unit: dBZ)

图5b 2016年7月7日22∶30、23∶41和23∶53宜昌雷达1.5度仰角速度(单位：m·s-1)Fig.5b Yichang radar radial velocities at 1.5° elevation angle at 22∶30 BST，23∶41 BST and 23∶53 BST on 7 July 2016 (unit: m·s-1)

图5c 2018年4月22日12—22时组合反射率(单位：dBZ，黑色箭矢：回波传播方向)Fig.5c Composite reflectivity from 12∶00 BST to 22∶00 BST on 22 April 2018 (unit: dBZ， black arrow line：echo propagation direction)

7月7日宜昌雷达1.5度仰角的径向速度上(图5b)，22∶30，在宜昌站西北面有中尺度切变线存在(黑色方框内)，随着切变线左侧偏北风的加大，中尺度切变线发展为中尺度涡旋(黑色方框内)，导致降水强度最高达3.7 mm·min-1。这与2017年5月7日广州增城出现的184.4 mm·h-1和2012年7月 21 日重庆盘龙出现的180.9 mm·h-1极端小时强降水均有近于中气旋强度的中涡旋形成和发展的特征一致[9-10]。

4月22日11时前，地面冷锋位于河南南部，湖北北部位于冷锋触发的东西带状层状云回波中，鄂西南地区为地面低压倒槽处，有东北—西南向回波向北移动(图略)。从雷达回波(图5c)可见，12时，随着低层东北风加强，在宜昌峡谷附近触发对流，形成西北—东南向带状中尺度对流回波，沿峡谷山前形成20 mm·h-1以上的强降水；13时，偏北风加大，在大风速前端，受地形抬升影响，降水中心强度超过50 mm·h-1；14时开始，南北两条带状回波与宜昌地区中尺度对流回波合并，并逐渐形成螺旋状涡旋回波，在涡旋中心降水强度最大达到107 mm·h-1。大范围层状云降水包裹着螺旋式涡旋对流回波带是湖北极端短时强降水的主要特征之一，多形成于低涡切变线附近，与鄂西山地平原过渡带边界层中尺度涡旋系统的触发和组织有关[6]。16—23时，受地形阻挡，锋区在宜昌峡谷地带停滞少动，山前降水中心强度大多在20～40 mm·h-1，最强降水出现在宜都高坝洲，17—20时连续3 h降水强度超过45 mm·h-1(图1e)。从高坝洲所在站点组合反射率时间剖面(图3b)可见，13—15时，对流回波发展旺盛，降水强度大，随着不稳定能量的释放，降水回波转为锋面层状云回波，16—20时层状云回波中有强度大于45 dBZ的对流回波存在，环境相对湿度大、垂直风切变小，LCL低(20时为977 hPa)有利于高效率降水的发生。

4 峡谷地形与强降水的发生发展

7月7日局地强降水主要发生在宜昌峡谷喇叭口地形的迎风坡处，其主要触发系统为山谷风，山谷风环流作为中尺度环流的重要组成部分，在复杂地形背景下，其强度变化会对局地天气产生影响。白天，副高控制，天气晴好，受太阳辐射作用，山坡升温幅度比山谷明显， 宜昌以东平原地带有偏东谷风向峡谷山前迎风坡输送(图6a)。沿30.5°N作假相当位温垂直剖面，7日14时，111°E附近的山坡低层为假相当位温大于350 K的高温高湿区，而112°E附近平原低层相对低值区，同一高度假相当位温相差达8 K，在山区和平原低层上空形成温度热力差异(图7a)。夜晚，峡谷的保温作用明显，同时随着台风外围偏东暖湿气流的输送，112°E附近山谷平原低层假相当位温开始增大，到8日02时，900 hPa以下为假相当位温大于360 K的高温高湿区(图7b)，大气低层热力环流与白天相反。夜间山坡辐射冷却较强，山上偏北山风沿山坡下滑，与偏东谷风在峡谷入口处汇合，形成一条中尺度辐合线(图6b)，触发了对流降水的发生。从地面10 min风场演变可以看出，22∶00—23∶30地面中尺度辐合线稳定存在(图6c)，降水逐渐加强，23∶00开始降水强度超过2 mm·min-1，强降水时凝结潜热释放使地面低压发展加强形成中尺度辐合中心(图6d)，宜昌雷达1.5度仰角的径向速度上中尺度涡旋维持了至少12 min，23∶40—23∶50 10 min雨量高达34.7 mm。中尺度切变线发展为中尺度涡旋是极端短时降水形成的主要原因。

图6 2016年7月7日15∶00(a)、22∶00(b)地面温度(单位：℃)、风场(单位: m·s-1，风场流线：黑色箭矢)和地形(阴影，单位：m)；23∶10(c)、23∶40(d)地面风场(单位: m·s-1)(黑线为辐合线)Fig.6 Surface temperature(unit: ℃)， wind field(unit: m·s-1，wind field stream: black arrow line)and terrain(shaded， unit: m) at (a) 15∶00 BST and (b) 22∶00 BST， wind field(unit: m·s-1)at (c) 23∶10 BST，(d) 23∶40 BST on 7 July 2016

图7 2016年7月7日14时(a)和8日02时(b)沿30.5°N假相当位温(单位：K)和地形剖面Fig.7 The vertical sections of pseudo-equivalent potential temperature (black solid lines， unit: K) and terrain along 30.5°N at (a) 14∶00 BST on 7 July and (b) 02∶00 BST on 8 July 2016

低层锋区南压是4月22日极端降水形成的主要原因之一。22日14时925 hPa锋区南压到湖北北部，鄂西南位于锋前高温高湿区，随着干冷空气渗透，在宜昌峡谷北段山前形成对流性降水。湖北锋面降水强度一般在10～30 mm·h-1，最大35～45 mm·h-1，多为大片层状云降水回波中混合着对流性降水回波[25]。22日12—16时，宜昌地区西北—东南向带状对流回波(图5c黑色椭圆内)沿峡谷山前造成的降水强度超过50 mm·h-1，最大为107 mm·h-1，降水强度远大于锋面系统形成的降水。

22日12—16时降水增强的原因主要有两点，其一，低层900 hPa以下为假相当位温高值区，存在较大的不稳定能量，假相当位温随高度减小，925 hPa和600 hPa 假相当位温差超过12 K(图6c)，大气处于较强的对流不稳定层结，在动力触发下易出现短时强降水；其二，近地层东北气流与西北—东南走向的地形交角接近垂直，地形强迫抬升形成的上升运动使降水强度明显增大，在峡谷东侧无地形的江汉平原地区虽然系统形成的上升运动强于西部山区(6d)，而降水强度却只有10～30 mm·h-1。在西部强降水释放的凝结潜热的加热和南北干湿、冷暖气流的共同作用下，中低层700 hPa以下有低涡生成发展(图略)。随着对流不稳定能量的释放，对流降水减弱，宜昌地区附近主要是中低层低涡和锋面触发的系统性层状云降水。低涡南部对流回波快速东移的同时，北部锋面层状云回波受地形阻挡影响，长时间维持，并且在山脉迎风坡附近有对流回波存在(图5c)。可见地形抬升和阻挡对宜昌地区的降水强度和持续时间有很大的影响，是极端降水发生发展的主要原因之一。

5 数值预报模式检验分析

对这两次降水过程，无论全球模式还是高分辨率区域模式，均未对宜昌地区强降水进行有参考性的预报，以ECMWF全球模式和Grapes-meso中尺度模式作为两类模式的代表进行检验分析，探寻数值预报产品产生偏差的原因。

图8 2018年4月22日14时(a)和20时(b)925 hPa风场(单位: m·s-1)和假相当位温(蓝线，单位：K)；22日14时(沿111°E，c)和20时(沿112°E，d)垂直速度(黑线)和假相当位温(阴影，单位：K)剖面Fig.8 The wind field( unit: m·s-1)and pseudo-equivalent potential temperature (blue lines， unit: K) at 925 hPa at (a) 14∶00 BST and(b) 20∶00 BST on 22 April 2018; the vertical sections of pseudo-equivalent potential temperature (shaded， unit: K)， vertical velocity (black lines， unit: cm·s-1) along (c) 111°E at 14∶00 BST and (d) 112°E at 20∶00 BST on 22 April 2018

24 h累积雨量预报(图9)中ECMWF和Grapes-meso对宜昌地区的极端降水均存在预报严重偏小的情况。ECMWF预报出7月7日湖北西部有分散性降水，雨量在10 mm以下(图9a)，与实况(图1b)相比，ECMWF降水预报范围偏大，降水量级严重偏小，但预报出宜昌地区有降水。Grapes-meso预报7月7日降水位于鄂西北东部，局部雨量25～50 mm，而宜昌地区无降水，与实况相比对流降水落区偏北(图9b)。对4月22日东西两个降水过程， ECMWF和Grapes-meso模式预报准确率相差较大，两家模式均对鄂东南的强降水进行有效预报，特别是Grapes-meso预报鄂东南降水中心雨量超过200 mm(图9c、d)，与实况(图1c)一致，但是对西部宜昌地区的降水预报明显偏小。

图9 2016年7月7日(a、b)、2018年4月22日(c、d) ECMWF (a、c)和Grapes-meso (b、d)12～36 h累积雨量(单位：mm)预报Fig.9 The 12-36 h accumulated rainfall forecast of (a, c) ECMWF and (b, d) Grapes-meso on (a, b) July 7, 2016 and (c, d) April 22, 2018

7月7日对流性降水主要是由山谷风触发形成，检验模式风场预报，ECMWF预报7日20时后，湖北中东部由西南风转为东南风(图略)，在东南风前端宜昌三峡峡谷附近有降水发生，降水向东北扩展，降水落区预报和演变与实况基本一致，但是模式没有预报出中小尺度对流系统，因此没有预报出对流性强降水，这主要与全球模式的分辨率和大尺度模式性能等有关。Grapes-meso在鄂西北切变线附近预报有对流降水发生，但是模式没有预报出宜昌东部转东南风(图略)，因此也没有预报出东南风在迎风坡附近形成的对流降水。

对局地对流性降水，模式可预报性差是目前的常态。但是对有利的大尺度系统形成的稳定性降水，模式对西部地区预报性能明显弱于东部地区，需要仔细分析原因。ECMWF和Grapes-meso对4月22日08时湖北上空低槽及低空南北两个低涡的位置和强度均有较准确的预报(图略)，但是对22日20时的影响系统，特别是中层700 hPa低涡的发展演变，与实况差异较大。14—17时宜昌地区东南部3 h雨量超过100 mm，从模式3 h降水预报和700 hPa风场演变(图10)可以看出，ECMWF预报降水中心主要在700 hPa切变线北侧的宜昌地区，3 h雨量5～10 mm，最大也小于20 mm，预报明显偏小。Grapes-meso预报14—17时降水中心主要在700 hPa切变线南侧的湖南北部至江汉平原东南部，落区与实况相比偏南，3 h雨量预报在20～40 mm，对宜昌的强降水同样漏报。由于降水预报的偏差导致700 hPa系统强度出现一定的差异，实况在强降水释放的凝结潜热的加热和南北干湿、冷暖气流的共同作用下，湖北南部20时700 hPa有低涡生成发展，凝结潜热的释放在很大程度上决定低涡能否形成[26]。而ECMWF模式由于预报降水较弱，凝结潜热的加热作用不强，因而切变线没有发展形成低涡，导致预报降水和实况差异较大。Grapes-meso预报700 hPa切变线随着南部降水的加强于23时在湖北东南部发展形成低涡，在低涡附近有3 h大于50 mm的强降水出现，导致鄂东南强降水的发生，而实际上是鄂西南强降水导致切变线在湖北西南部发展为低涡，低涡在东移中加强形成鄂东南的强降水。

图10 ECMWF、Grapes-meso 4月22日700 hPa风场(单位：m·s-1)和前3 h雨量预报(单位：mm)Fig.10 The forecasted wind field (unit: m·s-1) at 700 hPa at 17∶00 BST， 20∶00 BST， 23∶00 BST and the forecasted 3 hrainfall (shaded， unit: mm)，before 17∶00 BST， 20∶00 BST， 23∶00 BST on 7 July 2016 of ECMWF and GRAPES-MESO

6 结论

本文通过对宜昌地区不同环流背景下的两次极端降水过程的降水特征、大尺度环流背景场、中尺度对流系统和触发机制进行了对比分析，同时对模式预报产品进行了检验。主要结论如下：

(1)从降水特征来看，7月7日为局地极端短时强降水，降水范围小，局地性强，降水持续时间短，降水强度大。4月22日为大范围极端降水，降水持续时间长，累积雨量大。

(2)7月7日强的块状回波稳定少动，造成1 h雨量158.8 mm的极端降水的发生。西北—东南向带状中尺度对流回波与螺旋状涡旋回波造成4月22日宜昌地区极端强降水。

(3)大气低层性质不同热力环流形成山谷风，偏北山风沿山坡下滑，与东侧平原上偏东谷风在峡谷入口处汇合，形成中尺度切变线，触发对流降水的生成，中尺度切变线发展为中尺度涡旋使对流加强是极端短时降水形成的主要原因。

(4)低层锋区南压是4月22日极端降水形成的主要原因之一，地形强迫抬升使对流降水强度明显增大，锋面层状云回波受地形阻挡影响，长时间维持也是极端降水形成主要原因。

(5)在地形相差大的地方模式预报性能有很大的差异，模式对复杂地形下的对流降水预报偏弱，导致系统演变出现差异，进而影响降水强度预报。地形影响、中低层系统的强弱是导致东、西两个降水中心预报差异较大的主要原因。本文仅对两个个例进行了检验分析，对模式性能和偏差认识不够充分，后面需要大量的个例来进行验证和补充。