暴雨诱发的次生灾害如山洪、泥石流、城市内涝等常常给人民生命财产安全带来严重损失,因此对暴雨发生发展机制的研究工作一直以来备受气象学者的关注。尤其对6h雨量超过50mm的对流性暴雨,其落区和强度一直是预报工作的难点。暴雨是多尺度系统共同作用的结果,其中低空急流对暴雨有较好地促进作用[1,2,3,4,5],体现在为强降水输送水汽,与高空急流配合提供暴雨所必需的动力、热力不稳定条件[6,7,8,9]。约70%以上暴雨同低空急流有关[10],西南气流增强和干冷空气活动对暴雨有加强作用,暴雨常发生在水汽锋的南部和东部、靠近水汽总量大值区一侧[11,12]。低空急流可通过风场的非地转作用产生中尺度波动[13],使分散的中尺度不稳定区组织并发展起来,其环境场和触发条件也随之改变,中尺度低涡、近地层风场辐合、中尺度西南急流脉动等都是触发暴雨的重要原因[14,15]。低空急流具有日变化特征,使得暴雨区的水汽、热力和动力条件的输送也具有日变化[16,17]。针对低空急流的观测分析,早期主要依赖于常规探空资料,但时空分辨率较低。为获得暴雨发生时更加精细的流场结构信息,新型探测资料逐步得到应用,如利用风廓线雷达资料可以对低空急流的发生、发展、维持和消亡进行更加细致地研究,为强降水短临预报提供较好地辅助参考[18,19,20,21,22]。此外,高山站风速显著增大同下游地区强降水的发生以及强度变化有一定对应关系[23,24,25],可利用中低层急流变化作为强降水或暴雨预报的参考依据。

发生于2013年6月26—29日的江西连续暴雨过程在29日接近尾声,预报员判断随着副高北抬和低层切变系统的逐渐移出,暴雨趋于结束。然而由于低空急流加强和维持,降水在6月29日不但没有减弱反而明显加强,浙赣铁路东段出现了区域性大暴雨天气,造成较大预报误差。虽然已有部分研究成果揭示了6月26—29日江西持续暴雨期间的动力、热力和水汽特征[17,26],提高了预报员对此次持续性暴雨的认识,但对于预报误差最大的6月29日,无论是在成因机制还是预报难点方面均未开展具有针对性的分析。本文利用地面、高空常规观测资料、风廓线雷达资料和WRF模式资料,对此次低空急流加强下的暴雨天气过程成因进行分析,以期为暴雨预报提供参考依据。

1、WRF模式配置方案

为揭示此次暴雨过程的发生发展机制,使用WRF模式对其进行数值模拟,以再现强降水期间的中尺度特征。首先利用WRF模式对南昌、九江、宜春3部多普勒雷达资料进行同化,通过多步迭代订正,使用复杂云分析技术,对云内的温度和水汽场进行调整(如基于绝热上升的热力调整)得到云水物质参数的混合率和分布,从而减少模式spin-up时间。使用的物理过程参数方案包括:WSM3-classsimple微物理过程,RRTM长波辐射方案,Dudhia短波辐射方案,Noah陆面过程方案和Kain-Fritsch积云方案。最终生成产品时间步长为1h,水平分辨率为7km,垂直平均分辨率为500m,近地面最小垂直格距是100m,垂直方向41层。

2、暴雨实况

2013年6月26—29日江西中北部出现连续暴雨过程,其中28日暴雨、大暴雨范围最广,强度最强,赣北南部和赣中北部有24个国家气象站出现暴雨,13站出现大暴雨;29日暴雨、大暴雨范围虽明显缩小,但大暴雨站数仍然较多,仅次于28日。图1为2013年6月29日03:00—08:00(北京时,下同)、09:00—14:00和15:00—20:00累计雨量空间分布。可以看出,强降水从29日凌晨开始发展,持续8～12h,暴雨出现在南昌、鹰潭两市以及上饶市南部、宜春市东部。降水表现为明显对流特征,短时雨强大,29日03:00—08:00,浙赣铁路沿线地区6h累计雨量普遍为30～50mm,局部达60～80mm;08:00后,降水强度加大,强降水中心有所东移,09:00—14:00在赣北南部鄱阳湖以东地区6h累计雨量达50～100mm,最大雨量达179mm;14:00后强降雨区继续东移至上饶南部,15:00—20:006h累计雨量稍有减弱,为40～60mm,局部地区为80～100mm。对于29日的暴雨落区和强度,ECMWF模式将主雨带预报偏北了100km,且强度明显偏弱,28日20:00至29日20:00雨量预报仅为20～40mm。预报员同样考虑随着副高和切变系统的北抬,预报降水将明显减弱,忽略了低空急流作用,造成较大的预报误差。为着重分析29日降水加强的成因,使用WRF模式模拟了此次强降水过程。

图2为2013年6月29日03:00—20:00观测及WRF模式模拟的累计雨量空间分布。可以看出,无论是降水落区还是降水强度模拟与实况都较为一致,WRF模式成功模拟了赣东北大暴雨天气。因此,可结合该模式模拟结果对此次强降水成因展开分析。

图12013年6月29日03:00—08:00(a)、09:00—14:00(b)和15:00—20:00(c)累计雨量空间分布(单位:mm)

图22013年6月29日03:00—20:00观测(a)及WRF模式模拟(b)的累计雨量空间分布(单位:mm)

3、环流形势及影响系统

2013年6月26—29日500hPa平均位势高度场,欧亚中高纬度环流呈两脊一槽型,乌拉尔山和鄂霍茨克海分别有阻塞高压存在,贝加尔湖到巴尔喀什湖为低槽区并有切断低压维持,槽中有小槽分裂并经河套东移下滑。26—28日中低纬地区副高稳定维持,120°E脊线位置在21°N附近,120°E附近588dagpm线北界位于华南沿海一线,中低层切变线在江西中北部形成且稳定维持,造成江西连续性暴雨。29日副高略有加强,120°E附近588dagpm线北界北抬至25°N—26°N,江西北部位于副高边缘。28日20:00至29日20:00先后有2个短波槽东移过境江西,短波槽东移携带弱冷空气与副高西北侧的西南暖湿气流交汇,利于中低层切变线在江西北部维持,这也是强降水在江西维持时间较长的原因之一。

本次暴雨天气发生于南海夏季风增强的天气背景下,西南季风于6月中旬开始增强,6月下旬急流中心向北推进,尤其是26—29日西南风北界到达27°N附近[图3(a)]。急流具有日变化特征,28日20:00至29日02:00为连续暴雨的短暂间歇期,此时850hPa12m·s-1以上急流主要位于江西南部到华南。29日凌晨开始副高脊线北抬至23°N,08:00850hPa14～16m·s-1西南急流轴位于广西桂林、湖南郴州、赣州到福建邵武一线[图3(b)],此时南昌探空站为8m·s-1西北风。西北风的作用一方面抑制急流快速北抬,使雨带稳定于鄱阳湖东部,另一方面由于南昌的西北风与福建邵武、浙江衢州西南风正交,在鄱阳湖以东至江西东北部形成了明显的辐合区。29日14:00南昌转为12m·s-1西南风,江西北部为西南风与偏南风的暖式切变辐合,赣东北仍处于急流出口区的风速辐合区;20:00切变线北抬到长江流域,江西北部上空西南气流明显减弱。

4、暴雨成因

4.1水汽条件

强降水期间对流层低层主要有两条水汽通道输送水汽:一条是西南气流将水汽从孟加拉湾经广西、广东向江西输送;另一条从南海经广东向江西及以北输送。图4为2013年6月29日05:00、07:00、09:00和12:00850hPa水汽通量、负的水汽通量散度及850hPa流场空间分布。可以看出,05:00—09:00沿西南急流带850hPa水汽通量普遍达25～30g·hPa-1·cm-1·s-1,水汽充沛,超过历史同期平均阈值(经多年统计为20～24g·hPa-1·cm-1·s-1)。与此同时随着急流增强,有多个35g·hPa-1·cm-1·s-1以上的水汽通量中心向强降水区上空移动。其中,05:00,江西东部为偏西风与西南气流的辐合,急流中心达16～18m·s-1,在水汽输送带上存在多个-5×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1以上的水汽辐合中心;07:00赣东北有中尺度低涡发展,低涡南侧急流加强为20～24m·s-1,水汽通量中心北推至急流轴顶端,达35～40g·hPa-1·cm-1·s-1,赣东北水汽通量散度中心值为-15×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1,此时对应该区域最强降水阶段;09:00开始,在江西东部25～30g·hPa-1·cm-1·s-1的水汽输送高值区上有18～20m·s-1急流发展,同时鄱阳湖附近偏北风加大,与西南急流交汇于赣东北,对应该地区水汽通量散度值为-15×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。12:00—13:00,水汽输送中心和辐合中心再次北推并东移至上饶南部附近,强降水及暴雨正是出现在水汽输送大值轴的顶端、中尺度辐合最强的区域。

图32013年6月850hPa风沿117°E的时间-纬度剖面(a)和29日08:00500hPa位势高度(蓝色等值线,单位:dagpm)、温度(红色虚等值线,单位:℃)及850hPa流场(风矢,单位:m·s-1)(b)(阴影为全风速)

图42013年6月29日05:00(a)、07:00(b)、09:00(c)和12:00(d)850hPa水汽通量(阴影,单位:g·hPa-1·cm-1·s-1)、负的水汽通量散度(红色等值线,单位:10-7g·hPa-1·cm-2·s-1)和850hPa流场(风矢,单位:m·s-1)空间分布

选取江西宜春站(114.36°E、27.79°N)风廓线雷达进一步对急流变化与下游区域降水(宜春及南昌区域站降水)的关系展开分析。图5为2013年6月29日09:00—17:00宜春风廓线雷达水平风场时间-高度剖面及及下游区域平均雨量及不同雨强站数变化。可以看出,09:00—17:001.5～2.5km为强盛的西南气流,其中09:00—13:00,1.5～2.0km维持16m·s-1西南风,南昌位于西南急流下风方向,中低层急流的存在使下游区域强降水维持。13:20左右,2～3km出现大于20m·s-1西南急流,对应降水增大,其中南昌站降水量陡升(15:00出现20.5mm·h-1较强降水)。因此,在一致的西南急流产生的暴雨过程中,中低层急流加强对强降水产生起促进作用,当1.5～3km出现大于16m·s-1急流中心,下游地区1～3h后将可能出现较强降水。14:00后,1.5～2km西南风逐渐减弱至10m·s-1以下,对应16:00以后降水减弱渐止。

图52013年6月29日09:00—17:00宜春风廓线雷达水平风场的时间-高度剖面(单位:m·s-1)(a)及下游区域平均雨量及不同雨强R站数变化(b)

综上所述,1.5～3km16m·s-1以上急流脉动对暖区暴雨维持有利,可提前1～3h指示西南风下风方向地区强降水,急流减弱消失也可提前1～3h指示降水结束。

4.2不稳定条件

28日20:00至29日20:00850hPa暖湿气流随着副高北抬逐渐向北推进,对应南昌和浙江衢州探空站850hPa温度分别升高2℃和3℃,露点温度分别升高4℃和2℃,为高温高湿区。500hPa温度场,江西东部至中国东部沿海为-6～-4℃冷舌[图3(b)],且随着短波槽偏北东移,29日08:00—20:00500hPa温度进一步下降了3～6℃。低层增湿、增暖和对流层中层冷平流的侵入,使江西上空不稳定层结维持,有利于该区域对流性降水发展。选取离暴雨中心最近的探空站邵武站,对其热力指数(表1)分析发现,29日08:00和14:00SI、K、LI均在该季节对流天气发生的阈值范围内,其中14:00LI指数达-7℃,CAPE值达2227J·kg-1,K指数为43℃,SI指数为-4.1℃。

表12013年6月29日08:00和14:00邵武探空站热力指数及在江西对流天气发生时其平均阈值范围

可以看出,05:00降水中心附近△θse为-8～-6K,且在之后的6～8h,△θse均维持负值。在暴雨最强阶段,能量锋区强度加强,锋区上有多个中尺度△θse正中心生成移向上饶南部,与中尺度对流系统对应。08:00,宜春南部和上饶南部分别有2条△θse正值带,中心值达6～8K,对应于初生对流回波发展位置。11:00两条△θse正值区域汇合于上饶南部,增至8～10K。13:00△θse正中心沿着西南或偏西引导气流向东北方向移动。中尺度系统正是在这种高能高湿和高不稳定的环境场中发展维持,对应赣东北地区强降水的发生。15:00之后,△θse正值区减弱移出江西,降水随之减弱停止。

4.3动力条件

4.3.1地面辐合系统动力作用

地面倒槽中生成的辐合线和中尺度低压是本次暴雨的重要影响系统之一。2013年6月29日07:00[图7(a)],暴雨初期地面辐合线在江西中北部呈北抬趋势,辐合线南侧偏南风风速最大为6～8m·s-1,对应小时雨量为10～20mm。09:00[图7(b)]和11:00[图7(c)],随西南暖湿气流加强,辐合线南侧偏南风增大到8～10m·s-1,辐合线北侧东南风最大风速也达6～8m·s-1,小时雨量加大到20～40mm。降水的潜热释放对中尺度扰动发展也起到促进作用。由于降水主要出现在27°N以北,因此27°N—29°N降水区气温普遍为20～24℃,而27°N以南地区29日白天气温不断升高,11:00升至28～32℃[图7(d)],暴雨区附近温度梯度达4～6℃·(100km)-1。这主要是由对流系统的冷出流以及降水潜热释放造成,当雷暴形成后,其下沉气流在下降的过程中蒸发冷却,下降到地面形成冷池并向四面扩散,造成该区域温度迅速下降,与周边暖湿环境形成强烈对比,出现温度斜压锋区,而对流性强降水释放的凝结潜热反馈又促使边界层气旋的加强,促进了辐合上升运动,使得中尺度对流系统进一步加强,形成正反馈机制。29日上午江西北部气旋性辐合不断加强,鄱阳湖以东至赣东北地区有多个中尺度低压生成并东移,对应对流降水的发展和持续。在此之后,暖空气继续北抬,江西上空转为一致的西南气流,边界层中尺度气旋系统最终衰亡,对应降水也减弱停止。

图62013年6月29日05:00(a)、08:00(b)、11:00(c)和15:00(d)500hPa与850hPa假相当位温差空间分布(单位:K)

4.3.2中高层露点锋动力作用

除中低层切变、西风带低槽外,中高层露点锋也是此次暴雨过程重要的动力系统,暴雨主要发生在急流加强下梅雨锋前的暖区中。28日20:00后干区逐渐南压,29日08:00500hPa锋区南压至29°N附近,露点锋梯度为10～15℃·(100km)-1。锋面北侧以偏北气流为主,深厚的干空气在对流层中高层堆积,使气压升高,气压梯度加大,高空北风分量加强[图8(a)]。而在露点锋南侧,850hPa有西南气流发展,随着副高北抬,暖湿气流不断加强,08:00暴雨发生时,雨区上空有大于18℃露点湿舌维持并向东北方向伸展,湿舌内有16～18m·s-1显著西南急流,对应有多个对流单体形成并向湿舌顶部传播,说明湿舌内存在高热高湿的不稳定能量带[图8(b)]。10:00—11:00在暴雨发展期间最大CAPE增大到2000～2500J·kg-1[图8(c)],强降水出现在能量锋区的北侧,即低空急流加强是此次暴雨不稳定能量维持和建立的主要机制,在高能区北侧的露点锋区附近,偏北气流将干空气夹卷入其南侧强盛的湿空气中,使辐合加强,在赣东北上空致上升运动发展,对应该地区出现较大范围暴雨。同步加强的干湿空气交汇于赣东北上空,产生了露点锋锋生。29日08:00—13:00,在急流加强下雨区上空锋生函数也迅速增长,与暴雨时段对应,尤其是29日09:00—11:00,锋生函数增大至700×10-10K·m-1·s-1[图8(d)],其间为降水最强时段,最大雨强达60～80mm·h-1。

图72013年6月29日07:00(a)、09:00(b)和11:00(c)10m风(风矢)及其风速(阴影)(单位:m·s-1)及11:002m气温(阴影,单位:℃)和02:00—11:00累计雨量(等值线,单位:mm)(d)空间分布

29日05:00,θse高能舌的南北两侧两支锋区(29°N以北和27°N以南两条θse锋区)随着露点锋的南侵和南方暖湿气流的加强逐渐向江西北部逼近,同时θse高能舌愈加向上伸展[图9(a)]。10:00暴雨区上空θse高能舌垂直向上抬升至400hPa附近,并具有位势不稳定层结。从锋区结构看,北侧锋区随着高度向南倾斜,南支锋区随着高度向北倾斜,南北两支锋区与高能舌在暴雨区上空交汇,使该地区θse水平梯度和垂直梯度都加大,对应对流不稳定度加大、垂直涡度也相应加强[图9(b)]。

本次暴雨过程主要原因之一是湿度水平和垂直梯度的加大导致露点锋锋生,29日05:00,700hPa锋生函数正值区位于348K的强θse高能舌中,锋生带内在吉安北部和上饶南部有多个3×10-8～5×10-8K·m-1·s-1的中尺度锋生中心陆续生成,并沿着水汽输送大值中心的北侧向东北方向移动[图9(c)]。10:00,高能舌内的中尺度锋生中心较前几个时次明显增多,其中以南昌至上饶南部最为密集,最大中心超过40×10-8K·m-1·s-1,锋生中心与大暴雨区基本叠置[图9(d)]。通过对比发现,新的暴雨云团主要位于强锋生中心前进方向的东侧、锋生梯度最大处,这为强降水及暴雨的落区预报预警提供较好参考。

图82013年6月29日08:00500hPa(a)及850hPa(b)露点温度(等值线,单位:℃)和风速(风矢,单位:m·s-1),11:00最大CAPE(等值线,单位:J·kg-1)和最大反射率(阴影,单位:dBZ)(c)空间分布以及过点(117°E、28.5°N)的锋生函数(单位:10-10K·m-1·s-1)时间-高度剖面(d)

4.3.3涡度平流动力作用

暴雨发生前6h,在暴雨区西南部即吉安北部有涡度平流带,涡度平流带中嵌有多个正涡度平流中心,对应为初始对流系统(图略)。图10为2013年6月29日09:00500hPa涡度平流空间分布及沿117°E涡度的纬度-高度剖面。可以看出,随着高空低槽的东移和西南气流的发展,正涡度平流带向东北方向缓慢移动,强度不断加强,并在其前沿分裂出多个1×10-6s-1以上的正涡度平流中心,最终汇聚于暴雨区上空,其中心与大暴雨区对应。暴雨区上空500hPa正涡度平流的发展使得对流层中层气旋性涡度增加,导致正涡度柱发展,雨区上空800～500hPa有正涡度柱维持,650hPa涡度中心值超过120×10-5s-1,且随着暴雨的发展,正涡度中心不断下降,在29日10:00,850hPa涡度中心加强至160×10-5s-1。与此同时,紧邻正涡度柱的北侧存在明显的负涡度中心,对应下沉运动,与正涡度中心共同构成次级环流,有利于暴雨的维持和发展。

图92013年6月29日05:00(a、c)、10:00(b、d)沿117°E的假相当位温(等值线,单位:K)与垂直速度(阴影,单位:Pa·s-1)纬度-高度剖面(a、b)和700hPa假相当位温(等值线,单位:K)与锋生函数正值区(阴影,单位:10-8K·m-1·s-1)空间分布(c、d)

图102013年6月29日09:00500hPa涡度平流空间分布(a,单位:10-6s-1)及沿117°E的涡度纬度-高度剖面(b,单位:10-5s-1)

图11为2013年6月29日08:00和10:00沿117°E的位涡纬度-高度剖面。可以看出,29日08:00暴雨区上空500～400hPa为位涡的高值区,最大为4×10-6m2·s-1·K·kg-1。自500hPa向下位涡迅速减小,类似一楔形向低层扩展,在近地面附近位涡减小为-1×10-6m2·s-1·K·kg-1～0。随着暴雨的加强,高位涡中心逐渐向低层发展,对应低层位涡强度加大、中高层位涡减小。29日10:0028°N位涡中心下降至800hPa附近,对应该区域位涡由暴雨开始前的0增大至3.5×10-6m2·s-1·K·kg-1,暴雨产生于位涡的高梯度区边缘,即靠近高值位涡的下方。位涡的向下发展导致低层气旋性涡度发展,锋生加强,促进上升运动加强。

图112013年6月29日08:00(a)和10:00(b)沿117°E的位涡纬度-高度剖面(单位:10-6m2·s-1·K·kg-1)

5、结论

(1)本次暴雨发生在副高北抬、低空急流加强的过程中,是副高、西风带短波槽、中尺度辐合系统、低层切变、季风等多系统作用的结果,尤其是29日凌晨低空急流加强时段,江西上空8m·s-1西北风与16m·s-1西南气流正交,抑制了急流的快速北抬,使雨带稳定于鄱阳湖东部,并在鄱阳湖以东至江西东北部形成了明显的辐合区,造成强烈的上升运动。

(2)低层增湿、增暖和对流层中层冷平流的侵入增强了对流性暴雨发生的潜势,使此类暴雨具有极好的热力不稳定条件和湿度条件。

(3)锋生是此次暴雨过程原因之一,在江西东北部暴雨区上空有中尺度θse能量锋区和露点锋区存在,强降水出现在能量锋区的北侧、露点锋南侧。随着露点锋的南侵和南方暖湿气流的加强,θse水平梯度和垂直梯度加大,有利于垂直涡度加强、锋生加剧,新的暴雨云团位于强锋生中心前进方向的东侧、锋生梯度最大处。

(4)低空急流的加强一方面带来了充沛水汽,本次暴雨过程具有异常的水汽条件,在急流轴上存在35g·hPa-1·cm-1·s-1以上的强中尺度水汽通量中心,超过历史同期暴雨阈值标准范围,暴雨主要出现在水汽输送大值轴或湿舌的顶端、水汽辐合最强地区;另一方面,低空急流加强和维持是不稳定能量的建立和维持者,中尺度辐合系统沿着急流发展形成中尺度能量、温度锋区,而对流性降水释放的凝结潜热反馈又促使中尺度对流系统进一步加强,形成正反馈机制。在预报业务中,可借助风廓线雷达风场变化对强降水开始及结束进行短临预报辅助订正,1.5～3km16m·s-1以上低空急流出现可提前1～3h指示西南风下风方向地区强降水。

(5)500hPa正涡度平流的发展使得对流层中层气旋性涡度增加,导致正涡度柱发展,并与涡度柱北侧下沉运动构成次级环流。同时高位涡中心向下发展,有利于低层气旋性涡度加强、锋生加剧,促进上升运动,有利于暴雨维持。

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基金:中国气象局预报员专项(CMAYBY2019-060);江西省气象局重点项目(主客观预报产品融合技术研究)共同资助.