2022年7月18—20日贵州持续性暴雨天气过程分析

曾 妮,方 鹏,王自流,邓 安,胡秋红,王兴菊

(贵州省安顺市气象局,贵州 安顺 561000)

0 引言

暴雨是最常见的灾害性天气之一,尤其是持续时间长、影响范围广的暴雨,往往引起山体滑坡、洪水泛滥等次生灾害,给人民生产生活造成极大的危害。影响暴雨的因子很多,不同尺度天气系统的配置情况,水汽输送条件及地形等都对暴雨的产生有着重要影响。贵州地处青藏高原东南侧,境内地势西高东低,自中部向北、东、南三面倾斜,地貌分为高原山地、丘陵和盆地3种基本类型,其地形的复杂性给贵州暴雨天气的落区和强度预报增加了难度,因此许多气象工作者从不同角度,对贵州的暴雨天气进行研究[1-8]。吴古会等[9]对贵州西部极端对流性暴雨失败案例进行剖析,发现对于此类暴雨天气,需考虑高温高湿环境下露点锋、辐合区、冷池、地面辐合线的相互作用触发对流并使其组织化发展,从而导致局地性、对流性强降水的产生。曾妮等[10]对贵州一次暖区暴雨天气进行分析发现,暴雨与水汽通量散度梯度的大值区、TBB≤-52 ℃的冷云区和TBB梯度大值区对应较好,TBB≤-65 ℃的区域有利于大暴雨产生。唐红忠等[11]对2020年6月贵州连续性暴雨成因分析发现,贵州暴雨对西伯利亚高压强度指数具有较好的响应,但暴雨发生时间比西伯利亚高压强度指数滞后1 d。这些研究表明贵州暴雨的发生与很多因素有关,加之贵州地形复杂,给暴雨预报增加了更大的难度,因此,对贵州暴雨天气的研究具有较大的现实意义。2022年7月18—20日贵州出现持续性暴雨天气过程,其影响范围广,强度大,造成47 048人受灾,直接经济损失4161.27万元。本文利用FNL 1°×1°再分析资料、FY-2H卫星TBB资料及常规气象观测资料,对此次天气过程进行分析,找出这次暴雨天气的特点及持续性发生的原因,以期为今后持续性暴雨天气的预报增加一些参考依据。

1 降水实况

2022年7月17日20时—20日20时(简称18日、19日、20日降水),贵州出现持续性暴雨天气过程,全省有70站过程累积降水量≥200 mm,934站过程累积降水量≥100 mm且<200 mm,最大累积降水量出现在盘州市大地中学(308.9 mm)。从图1a看出,100 mm以上的降水落区主要位于贵州中部一线,呈东北—西南走向,200 mm以上的降水落区局地性较强。从图1b看出,3个代表站的小时降水特征各不相同,其中紫云县白石岩站小时雨强较小,最大仅为40.1 mm·h-1,强降水分2个时段出现(18日凌晨和20日凌晨),造成累积降水量大,盘州市大地中学的降水持续时间最长,从18日白天开始出现降水,20日凌晨达到最强,累计降水时间超过24 h,造成308.9 mm的最大累积降水量。白云区蓬莱展示园的最大小时雨强为60.4 mm·h-1,为3个代表站中最强,最强降水时段出现在19日午后,降水持续时间也较长。由此可知,18日和20日强降水主要出现在前半夜到早晨,19日强降水主要出现在午后到傍晚。从18—20日的分时段降水实况统计(表1)看出,18日和19日降水出现暴雨以上量级的站点数相当,其中18日的最大累积降水量最小,为171.2 mm,但其过程最大小时雨强最大,为101.2 mm·h-1,且小时雨强≥50 mm·h-1的时次达83次,远远超过19日和20日,表明18日降水的对流性最强;20日降水的对流性远小于18日,但其影响范围最广,累积降水量最大。

表1 18—20日分时段降水实况统计Tab.1 Actual statistics of precipitation by period from 18th to 20th

图1 17日20时—20日20时过程累积降水量(a,单位:mm)、累积雨量最大的3个站点降水时序图(b)Fig.1 Cumulative precipitation from 20∶00 on the 17th to 20∶00 on the 20th(a,unit:mm),precipitation time series diagram of the three stations with the largest accumulated rainfall(b)

综上所述,此次暴雨天气过程的影响范围广,持续时间长,强度大,200 mm以上的降水局地性强,暴雨过程分为3个阶段,第Ⅰ阶段(18日)和第Ⅲ阶段(20日)主要发生在夜间,第Ⅱ阶段(19日)主要发生在白天。第Ⅰ阶段暴雨影响范围较小,但降水的对流性最强;第Ⅲ阶段暴雨影响范围和过程最大累积降水量均明显增大,但降水强度明显减小。

2 大气环流形势分析

从高空形势场演变可以看出(图2),500 hPa上,副热带高压(简称副高,下同)的变化主要分为3个阶段,其中17日08时—18日08时(图2a～2d),副高从带状分布,控制贵州大部的形势,逐渐南压到云南—华南中部,最后快速东退到海上;18日20时—19日14时(图2e～2h)副高在海上稳定维持,西脊点位于112～ 116°E之间;19日20时—20日20时(图2i～2l)副高逐渐西进北抬。850 hPa上,17日08时—17日20时原位于贵州北部的切变线南压到贵州中部,17日20时—20日02时切变线在贵州中部一线徘徊,随着西南气流的增强(减弱)而北(南)移,20日08时—20日20时,随着副高的西进北抬,切变线从贵州中部北抬到重庆南部—贵州北部一线。按暴雨过程的3个阶段分析西南气流的变化情况,第Ⅰ阶段(图2b～2e)西南气流强度较弱,在最强时段中心最大风速在10～12 m·s-1,第Ⅱ阶段(图2e～2i)西南低空急流建立,急流核中心最大风速达16 m·s-1,第Ⅲ阶段(图2i～2l)急流强度进一步增强,其中20日02—08时在广西—湖北一带的风速在12～16 m·s-1之间,急流核中心最大风速达18 m·s-1,贵州位于急流左侧,利于水汽的辐合上升。

综上所述,副高的东退南压带动切变线南移到贵州中部并稳定维持,使得切变在贵州中部长时间稳定维持,为持续性暴雨的发生提供有利的抬升触发条件,西南气流强度呈阶梯式的增长趋势,为暴雨的发生提供充分的水汽供应条件。

3 物理量场分析

3.1 水汽条件

充足的水汽供应是暴雨发生的必要条件之一。比湿能反映出降水区的水汽含量,水汽通量散度能反映出降水区的水汽辐合情况。对强降水发生期间的比湿(图3)和水汽通量散度(图4)进行分析发现,700 hPa贵州大部的比湿≥11 g·kg-1,其中北部和中西部地区在12 g·kg-1以上,17日20时(图3a)和19日20时(图3d)在大暴雨发生的区域比湿达13 g·kg-1;850 hPa从17日20时—19日08时(图3e～3g)贵州大部的比湿在16 g·kg-1以上,19日20时(图3h)贵州中北部的比湿减小到16 g·kg-1以下,但中南部的比湿维持在16～17 g·kg-1之间,同时在贵州中部一线比湿梯度明显增大。从850 hPa的水汽通量散度和风场的变化可以看出,17日20时(图4a)贵州中西部为水汽辐合区,其中在发生大暴雨的区域水汽辐合强度达-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1;18日20时(图4b)辐合区强度减弱;19日08时(图4c)在贵州西南部出现-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1的强水汽辐合中心,且东北部的水汽辐合也有所增强,这是第Ⅱ阶段(18日20时—19日20时)的强降水主要发生在19日白天的原因之一;19日20时(图4d)水汽辐合强度达到最强,其中心值为-8×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1,辐合区范围扩大,贵州中南部地区的水汽辐合强度在-6～-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1之间, 这是第Ⅲ阶段(19日20时—20日20时)暴雨区域范围明显增加的原因之一。

图4 850 hPa水汽通量散度(填色,单位:10-5g·hPa-1·cm-2·s-1)和风场(单位:m·s-1)变化趋势(a为17日20时,b为18日20时,c为19日08时,d为19日20时)Fig.4 Variation trend of 850 hPa water vapor flux divergence (color filling, unit: 10-5g·hPa-1·cm-2·s-1) and wind field (unit:m·s-1)(a is 20∶00 on the 17th, b is 20∶00 on the 18th, c is 08∶00 on the 19th, d is 20∶00 on the 19th)

综上所述,在强降水发生期间对流层中低层的水汽含量较大,且强的水汽通量辐合将低层的水汽输送到中上层,为成云致雨提供了有利的条件。

3.2 动力和热力条件

由于盘州市大地中学站的过程累计雨量最大,因此选取该站为代表站,分析强降水区的动力和热力条件。从盘州市大地中学站的垂直速度、假相当位温和风场的时间—高度剖面图看出(图5a),19日20时之后,700 hPa以下转为偏北风,表明对流层中低层有冷空气侵入,假相当位温θse随高度的变化<0,且θse梯度增大,表明不稳定度增大,同时垂直速度明显增强,在550 hPa附近出现<-1.8 Pa·s-1的强中心,与图1b对应,盘州市大地中学站的强降水主要发生在19日夜间。从盘州市大地中学站的温度平流时间—高度剖面(图6a)看出,17日20时—19日20时对流层中低层为暖平流控制,其中19日08时—19日20时暖平流明显增强,在750 hPa附近出现14×10-5K·s-1的强中心,有利于能量的增强;19日20时以后在700 hPa以下有中心强度达-20×10-5K·s-1的强冷平流入侵,冷暖空气在盘州市大地中学站交汇,从而触发对流,使得该站在19日夜间出现持续5 h的短时强降水,达到大暴雨的量级。

图5 19日20时垂直速度(黑色等值线,单位:Pa·s-1)、假相当位温(红色等值线)及风场的垂直剖面(a为大地中学站,b为沿26°N,c为沿106°E)Fig.5 Vertical profile of vertical velocity (black contour, unit: Pa·s-1), pseudo equivalent potential temperature (red contour) and wind field at 20∶00 on 19th (a is Dadi middle school station, b is along 26°N, c is along 106°E)

由于第Ⅲ阶段(19日20时—20日20时)强降水的影响范围最广,且大暴雨区主要出现在以26°N、106°E为中心的范围内,因此选取19日20时沿26°N和沿106°E分别做纬向和经向剖面,分析大暴雨中心的动力和热力条件。从纬向剖面(图5b)可以看出,暴雨中心从近地面到300 hPa均为上升区,在750 hPa附近有-0.9 Pa·s-1的上升运动中心;在大暴雨中心的近地面有高能舌存在,中心值达360 K。

从经向剖面(图5c)可以看出,大暴雨中心从近地面到200 hPa为强上升运动区,其中在750 hPa和400 hPa附近分别有2个强度>-1 Pa·s-1的上升运动中心,同时在强降水中心的偏北侧有高能舌存在,偏南侧有能量锋区。从19日20时温度平流的纬向和经向剖面(图6b～6c)看出,在大暴雨中心上空600 hPa以下有中心值为6×10-5K·s-1的暖平流控制,500～600 hPa之间有中心值为-4×10-5K·s-1的冷平流入侵,同时在大暴雨中心的偏北方向对流层低层有冷平流入侵。

以上分析表明,强降水区上空垂直运动较强,强上升气流从近地面伸展到对流层高层,同时强降水区位于高能高湿且不稳定的大气环境中,为暴雨的发生提供了充分的动力和热力条件,低层暖平流有减压的作用,利于上升运动的发展,中层冷平流的侵入导致未饱和空气趋于饱和,降低了层结稳定度,为能量和潜热的释放提供有利条件,从而增强了上升运动[12]。

4 中尺度对流云团演变特征

利用FY2H卫星逐小时TBB资料分析此次连续性暴雨天气过程的中尺度对流云团演变特征(图7)。17日10时(图7a),在湖南北部出现1个中β尺度的对流云团,其云顶最低亮温TBB<-70 ℃。17日14时(图7b),在贵州东北部出现1个云顶亮温TBB<-70 ℃的中β尺度的对流云团,同时湖南北部的2个对流云团逐渐向西北方向移动发展,与贵州东北部的云团逐渐合并。17日20时(图7c),3个中β尺度的对流云团在贵州中部以北合并为1个中α尺度的对流云团,在此期间,TBB<60 ℃的冷云区普降小—中雨。17日22时(图7d),中α尺度的对流云团分裂为4个中β尺度的对流云团(A、B、C、D),此时降水的对流性明显增强,在4个中β尺度对流云团笼罩的区域出现暴雨—大暴雨。之后4个对流云团逐渐合并且缓慢向东南方向移动,中心云顶亮温TBB减小到-80 ℃以下(图7e),其中D云团TBB<-80 ℃的区域近乎呈圆形,在其影响的区域内9 h出现34站大暴雨,最大为都匀市马达岭站171.2 mm,为第Ⅰ阶段最强降水中心。18日11时之后,对流云团继续东移,强度快速减弱,第Ⅰ阶段的暴雨天气结束。

19日08时(图7f)在贵州东北部出现2个TBB<-32 ℃的中γ尺度对流云团,同时贵州西南部受广西和云南交界处对流云团的外围云系影响;19日11时(图7g)贵州西南部的云团减弱消散,东北部的云团发展为中β尺度,TBB降低至-50 ℃以下,在其影响区域出现中—大雨。19日14时(图7h)贵州东北部的云团合并,贵州中部和西部分别出现2个中β尺度的对流云团(E、F);19日16时(图7i)3个云团呈东北—西南向的带状排列,并逐渐增强;19日20时(图7j)中心强度达-60 ℃以下,在TBB<-60 ℃的区域为第Ⅱ阶段的大暴雨中心。19日20时以后云带位置稳定维持,强度逐渐增强;20日00时(图7k)中尺度对流云带达到成熟阶段,出现TBB<-80 ℃的强中心;20日00—05时(图略),云带位置稳定维持,强度逐渐减弱,在其影响区域内出现167站大暴雨,462站暴雨。20日05时以后云带南压,并快速减弱,在贵州中南部普降小雨,20日19时(图7l)云带完全消亡。

5 结论

(1)此次连续性暴雨天气过程主要分为3个阶段,第Ⅰ阶段对流性最强,但影响范围最小,第Ⅲ阶段影响范围最广,累积雨量最大,但对流性远小于第Ⅰ阶段。

(2)造成此次连续性暴雨天气过程的主要原因是西太平洋副热带高压的西脊点在112～116°E之间稳定维持,对850 hPa切变线的南压有阻碍作用,从而使得MCS在切变线附近发展增强,造成强降水天气。

(3)强降水区上空水汽含量充沛,700 hPa比湿≥11 g·kg-1,850 hPa比湿≥16 g·kg-1,且850 hPa水汽通量散度达-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1以上;垂直运动较强,暴雨中心从近地面到300 hPa为一致的上升运动,其中心值达-1 Pa·s-1;近地面有高能舌存在,其中心值达360 K,表明大气环境是高能高湿的状态,为暴雨的发生提供了充分的水汽、动力及热力条件;低层暖平流和中层冷平流的共同作用降低了层结稳定度,为能量和潜热的释放提供了有利条件,进而增强了上升运动。

(4)在强降水发生的第Ⅰ阶段MCS呈团状结构,其大范围的云顶亮温TBB<-70 ℃,表明云体内上升运动发展强烈,是造成第Ⅰ阶段降水强度大的主要原因,当中α尺度对流云团分裂为多个中β尺度时,降水强度达到最强;第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段的MCS呈带状结构,其TBB<-70 ℃的范围较小,且在发生暴雨的区域TBB大多在-60 ℃左右,表明此阶段云体内的上升运动强度小于第Ⅰ阶段,因此降水强度远弱于第Ⅰ阶段,但由于云带在贵州中部一带稳定维持超过14 h,造成第Ⅲ阶段暴雨影响区域最广,累积降水量最大。