九江市一次锋前降水过程地形作用分析

李 蓉,张晶晶,毛梦妮

( 九江市气象局,360400,江西,九江)

0 引言

江西省九江市地处长江中下游南岸,与湖北大别山隔江相望,境内西有幕阜山脉、九岭山脉并行,东接九华山、黄山余脉,中间有孤立山体庐山,中南部为鄱阳湖平原,地势起伏大,地质灾害高发,是长江防汛重点地区,研究长江流域降水对防洪防汛具有重要意义[1]。唐永兰等[2]利用逐小时降水资料分析了长江上、中、下游三个区域短时强降水时空分布以及不同类型短时强降水事件的统计特征,发现受地形影响长江流域山区降水频次增加、降水强度增强,且地形作用会增加山区短时强降水的频次,进而增强山区短时强降水的降水量。

不同尺度地形对降水影响的幅度和范围不同[3]。朱素行等[4]采用高分辨率卫星实测资料,从气候态的降水微物理过程角度分析了亚洲夏季风期间中尺度山脉对不同性质降水垂直结构和水平分布的影响,发现中尺度山脉迎风、背风坡均以层云降水为主,层云降水强度在迎风坡强于背风坡;对流降水在迎风坡主要为浅对流,背风坡主要为深对流,对流降水强度在背风坡强于迎风坡。李子良[5]利用中尺度数值模式(ARPS模式)研究了湿气流过山脉地形和地形降水的产生机制,结果表明地形降水是水汽、气流和地形相互作用而形成的。除山地以外,湖泊由于相对陆面较低的粗糙程度和较高的比热容,并为大气提供水汽的作用,对局地天气气候也有影响[6]。邹海波[7]通过对鄱阳湖湖效应降水典型个例的观测和模拟分析,发现鄱阳湖可激发和加强降水。李哲等[8]利用WRF模式对暴雨过程进行了敏感性试验对比研究,发现湖泊和周围城市与其他区域的温度差会导致地面风场在城市及其附近区域辐合,进而产生强对流,形成的强地面辐合线还会影响低空切变线的生成位置,并在其移动过程中相互调整,相互增强。

九江市同时存在众多山体湖泊的复杂地形,使其在对流触发位置和暴雨落区预报上一直存在难点。当西部上游有回波雨带移入时,常规预报思路下可根据回波演变趋势外推下游降水,但实况往往是稳定的雨带在进入九江时受地形作用发生突变,增强或者减弱甚至消失的情况,又或者本地在雨带移入之前即触发新生回波产生降水。利用双偏振雷达资料可以更好地分析降水回波在九江地区的生消过程,及地形在降水过程中发挥的作用。故本文主要利用地面自动站常规资料、再分析资料和九江庐山S波段双偏振雷达资料,对发生在赣北九江地区2022年4月24日到25日的一次锋前降水的生成、发展过程进行分析,旨在探讨九江特殊地形在锋前暴雨形成过程中不同阶段的作用影响。

1 降水实况

2022年4月24日晚上到25日白天,九江市出现大到暴雨,伴随雷暴大风和短时强降水等对流天气。24日20时至25日20时,九江市平均雨量55.6 mm,最大为庐山博物馆站184.8 mm;有35站出现大暴雨,64站1小时降水大于30 mm,有12个站点出现7级以上大风,4站极大风速达10级以上。该过程中当系统自西向东移动时,在稳定雨带移入前九江市本地已触发局地对流回波造成降水,提供了一种视觉上下游降水早于上游的情形。

将暴雨过程分为本地触发的局地对流降水时段(4月24日20时至25日03时)和锋面移入的稳定降水时段(4月25日03时至12时),并叠加九江地形对比分析(图1),可以看出,对流降水时段降水呈西南走向,从九岭山脉附近开始直到长江河谷口;稳定降水时段降水的大值区主要分布在幕阜山脉以北和九岭山脉附近,在幕阜山脉山顶及山南降水相对较弱。由此可见,九江山脉地形走向对此次降水分布有较大影响。

图1 (a)2022年24日20时至25日03时累积雨量;(b)2021年5月15日08时至15日20时累积雨量;(c)九江及周边地形图; (d)2022年25日03时至25日12时累积雨量

2 环境场分析

24日20时湘东北部和赣西北部高层存在分流区,500 hPa位于槽前强西南气流中,赣西北有冷槽东移;700、850百帕110°E附近有低涡存在,九江处于低涡前侧的西南风中,相较于25日08时,此时九江距离低涡尚有一段距离,西南风偏弱,最大不超过16 m/s(图2);按照常规思路,此时主雨带应位于低涡东南部的急流区中,即湖南东部,尚未达到九江;但是由于24日白天上下一致的西南风使赣北地区升温明显,925 hPa出现明显暖脊,对流有效位能在1 500 J/kg以上,低层相对湿度在80%左右,0～6 km垂直风切为21.3 m/s,能量、水汽充分,有利于强对流天气的发生。2021年5月15日九江有一次相似的从500 hPa至地面整层被西南风控制的锋前暖区降水过程,区别在于5月15日的过程南风更强,以致暖区暴雨的主雨带推向更北的位置,但在九岭山脉南侧经庐山直到长江河谷口的地势较低的通道上仍有一条分裂出的雨带(图1(b)),证明在此路径上降水确有增强的趋势,九江地形对降水的分布产生了影响。

图2 (a)24日20时700 hPa风场和相对湿度;(b)24日20时850 hPa风场和相对湿度

3 结合雷达产品分析地形对锋前降水的作用

九江SA波段双偏振雷达设置在九江庐山,115°57′16″E,29°32′9″N,海拔高度1 369 m。由于初始海拔较高,雷达数据采用较低仰角的数据对此次过程的主要降水时段进行分析。使用的偏振参量为差分反射率因子(ZDR)、差分传播相位常数(KDP)和相关系数(CC)。

3.1 强度场及速度场分析

24日夜间20:05回波首先生成于九岭山脉南侧,与山体走向完全一致,可判断为迎风坡气流爬升触发的对流;由于九岭山脉呈东北—西南向,在西南风作用下,风向与迎风坡坡面交角较小,气流爬升触发的对流不能得到很好的发展,随后夜间在九江中南部又新生对流,该位置处于九江东西两侧山脉之间的凹地,且凹地的走向也呈东北—西南向,恰好形成一条西南风通道,仅有庐山一座孤立山体伫立在通道偏西一侧;另外此处有鄱阳湖存在,6月底以前,鄱阳湖作为热源存在对降水有增强作用[9],且由于下垫面水陆差异,不断有对流回波在经过水体后增强。且庐山东部低层东南风,中高层转为西南风,证明此处有暖平流存在,也会造成对流增强,分散回波逐渐发展组织在西南风通道上, 25日凌晨可观测到飑线形成(图3(c))。25日早上的回波位置对应速度场上的锋区(图3(b)、(d)),该回波形成的雨带呈东北—西南向,与幕阜山脉走向接近平行,而移动方向与山脉走向接近垂直。

图3 (a)九江地形起伏图;(b)0.5°仰角25日08:02雷达径向速度图;(c)1.5°仰角25日00:02雷达基本反射率;(d)1.5°仰角25日07:56雷达基本反射率

3.2 偏振参量分析

此次过程的两个阶段除了在地形影响下回波基本形态不同外,偏振参量在经过山地时的变化也不同。24日夜间的多单体风暴在引导风作用下主要生成在山脉之间,移动方向与山脉走向接近平行,孤立的小尺度山体庐山在西南风通道中成为阻挡,21:35(图4(a)、(c))庐山东南部有回波向北移动接近山体时,对流风暴前侧的低层弱回波区在山体附近ZDR正负相间,较大的正值居多,而CC小于0.9,KDP为缺省值,研究证明[10]湿性湍流由于水凝物相态梯度大造成折射指数梯度大,差分反射率因子也大,且湍流越强、湿度越大,ZDR越大;故推断此处为非降水回波,是由相对饱和的湿空气湍流增强引起;一个体扫后21:41(图4(b)、(d))回波移至之前湿性湍流位置并发展,ZDR跃增,4 dB以上的大值区在强回波前沿呈线状,KDP超过1°/km,CC在0.98以上,液态粒子变大且数量增多,表明此处在过去一段时间雨滴迅速凝结增长,此时风暴单体达到最强,降水最明显。多个对流单体在移向庐山时都有ZDR从正负相间的较大值区跃增为线状大值区的现象,表明山体有通过促进湍流增强加快雨滴增长的方式使对流降水增强的影响。低层降水明显增强时抬升仰角,发现对流单体在3 km以上的高度回波强度维持在55 dBZ左右,没有明显的增强,证明庐山对该对流的影响主要存在于低层,低层雨滴异常大量的增长可能与地形性馈水器云中的凝结率增大有关。

图4 (a)九江地形起伏图;(b)0.5°仰角25日08:02雷达径向速度图;(c)1.5°仰角25日00:02雷达基本反射率;(d)1.5°仰角25日07:56雷达基本反射率

25日早上锋面移动方向与幕阜山脉的走向接近垂直,降水系统要移入九江首先要翻越幕阜山脉。以瑞昌段为例,瑞昌段山体走向下凹呈口袋状。0.5°仰角上相关系数小于0.9的部分可以明显看出山脊的位置,8:25雨带主体中低质心的强降水中心向东南移动接近山体,此时回波中心强度50 dBZ以上呈块状,山体迎风坡ZDR出现增强;8:36(图5)回波翻山,山脊上回波整层都出现明显减弱,降到45 dBZ以下,低层KDP、ZDR沿山脊都出现小值;背风坡回波减弱到50 dBZ以下,ZDR没有明显变化,KDP较之前减弱;迎风坡回波强度基本没有变化,只有个别点上的增强。雨带上回波强度小于45 dBZ的部分在经过山脉时各项数值没有明显变化。证明此次大范围稳定层状云降水过程中,山脉对雨带整体作用不大,对雨带中能产生较强降水的层积云混合降水部分在迎风坡有一定的增强作用,在背风坡有一定的削减作用,山脊上降水的削减作用最明显。瑞昌段此处有多条类似平行的东西向山体,强降水中心在多次翻山后不断减弱至消失,转变为30～40 dBZ的层云降水。

图5 4月25日08:36雷达偏振参量及瑞昌地形

4 结论

通过对2022年4月24日到25日的中尺度环流背景和雷达资料分析,得到以下结论。

1)锋面过境前,当整层都处在上下一致的西南风时,庐山东侧鄱阳湖河谷地带会形成东北—西南向的地形通道,易触发局地对流,形成下游比上游先产生降水的现象。

2)此次过程锋前暖区中,庐山东侧的地形通道有通过促进湍流增强加快雨滴凝结增长的方式增强降水的作用。

3)幕阜山脉对此次冷锋降水在迎风坡有较弱的增强作用,在山顶及背风坡有削弱作用。