一次南岭地区早春暴雨成因分析

蒋丽敏，付 炜，袁 铁

(湖南省永州市气象台，湖南 永州 425000)

0 引言

我国暴雨洪涝灾害天气频发，强降水的预报研究一直广受关注。范思睿等[1]指出西南地区春季降水不仅有区域一致的增加趋势,还表现出纬向偶极型空间分布；伍红雨等[2]分析出华南平均年和前汛期的暴雨强度有微弱增加趋势,特别是2005年以来升幅明显,而后汛期暴雨强度有不明显减少趋势；高亭亭等[3]在广州前汛期暴雨气候特征中指出，前汛期暴雨累积雨量与前汛期降水变化呈逐年增加趋势。鲁坦等[4]对2003—2014年河南春季暴雨系统性分析,揭示河南春季暴雨的天气学物理概念模型大致分为低槽/低涡型和短波槽/切变线型两类；童金等[5]提出沿海高度CH500(定义为120°E,30°N的500 hPa高度,单位:dagpm)可以作为预报安徽省春季暴雨落区的一个重要参照量,CH500偏高时易出现暴雨,但不同月份不同区域暴雨出现的比例有所差异，实际业务中对CH500要进行相应的调整。上述研究都表明强降水天气出现时间愈早，春季暴雨出现的概率加大，对其研究也逐渐加深。

地处华中与华南交界的南岭山脉，多强降水、强对流天气发生。对强对流天气集中于春末夏初[6-8]，强降水的研究多集中于汛期4—9月[9-12]，3月份的强降水研究少。董玲等[13]通过2017年发生在江西的两次区域性春季暴雨，得出其共性是春季暴雨的强度不大，但持续时间长、雨量范围广而均匀，无显著强对流天气。2019年3月初南岭山区出现的这次暴雨天气过程再次证实其结论，此次过程南岭地区大部分国家站降水当月排位历史前5，甚至部分站降水超过历史同期极值。南岭独特地形下的早春大范围强降水研究少，有必要对此次早春暴雨进行研究，为今后春季强降水的预报提供借鉴。

1 资料来源

本文所用资料包括中国气象局下发的常规地面和高空观测资料、区域自动气象观测资料、多普勒天气雷达资料及NCEP/NCAR再分析资料。

2 过程降水分析

2019年3月4日08时—5日20时，南岭及其附近出现了罕见的初春暴雨到大暴雨天气过程。主要降水时段在4日下午到5日白天，4日下午南岭南侧出现了局地暴雨，4日晚雨带北移，5日白天雨带向东南部移动并略有加强，到5日晚减弱向东南方向移出南岭。整体来看，主雨带一直稳定在南岭山脉附近，最大累积降水量为204.4 mm(广西桂林雁山区)。此次过程雨势相对平缓、持续时间长、影响范围广。

4日08时前(图略)中高纬贝湖脊稳定维持，脊东段不断有小槽东出，使得东亚大槽逐渐减弱北缩，中低纬环流多波动，时而有小槽自高原东出，在黔桂一带加强维持。4日08时(图1a)随着沿海槽的减弱东移，西南地区的短波槽开始频繁生成，700 hPa上从孟加拉湾到桂北湘南一带西南急流建立，850 hPa西南风自北部湾向北加强，高湿区向南岭一带扩展，其上空500 hPa对应有T-Td≥20 ℃的干舌，925 hPa处偏南风辐合区内，南岭南侧有弱的对流性降水发生。20时(图1b)南支槽加深到川滇黔交界一带，中低空偏南急流加强到湘中以北，在高空槽前贵州境内850 hPa有低涡生成，低涡前侧的暖切变线延伸至湘赣北部，925 hPa东南风达到急流强度，边界层辐合线发展到桂北、湘中偏南，与地面辐合线接近重叠，与之对应对流层上层200 hPa处有分流区存在，强雨带随急流加强北抬到南岭北侧。5日08时(图1c)高空槽下滑，南岭处于槽前西南气流控制中；低层急流维持，南岭处急流出口区，切变线缓慢南压，并呈现与山脉走向一致的准东西向，此时强雨带正位于南岭山区；5日20时(图1d)，925 hPa急流消失，中低层切变线接近重叠并南下到华南中南部，700、850 hPa急流的南风分量减弱，降水减弱，过程趋于结束。

图1 2019年3月4日08时(a)、20时(b),5日08时(c)、20时(d)的天气形势配置图Fig.1 Integrated configuration of weather situation at (a)08∶00 BT 4;(b)20∶00 BT4;(c)08∶00 BT 5;(d)20∶00 BT 5 March 2019

从地面气压场看来(图略)4日08时，变性高压主体逐渐东移到长江口，后一股冷空气主体在贝湖西南方堆积加强；20时，西南暖低压快速发展，低压倒槽延伸到湘中一带，同时北方冷高压开始南下，锋面在华北，但冷空气扩散南下已影响到华南，地面辐合线位于湘南，随着冷空气逐渐南压，西南暖低压缓慢减弱南退；到5日08时，锋面继续南下，倒槽南退到南岭，冷暖气团交汇于南岭，后期转受偏北气流影响。

此次过程高空槽活跃，中低层急流强盛，特别是边界层急流维持在南岭一带，降水峰值时期上下层切变辐合位置接近重叠，这种高低空良好的配置为强降雨提供了很好的动力和水汽条件，冷空气推动及暖低压南退缓慢，增加了强降水的维持时间。

3 雷达回波分析

针对南岭山脉附近的强降水天气利用实况探空及雷达资料分析其降水性质，3月5日08时桂林探空站实测资料显示(图2a)桂林站的湿层从近地面扩展到400 hPa以上，CAPE值为0，K指数只有28.9 ℃，抬升凝结高度很低，中低层风随高度逆转有冷平流。上述探空资料表明，桂林站附近对流条件差，不具备出现强对流天气的潜势，湿层深厚，有冷平流侵入，以稳定性降水为主。雷达实况(图略)也验证了这一结论，强降水时期南岭一带大面积出现的是以层状云降水回波为主的层积混合性降水回波。3月5日09时03分永州雷达组合反射率因子图中(图2b)水平面上以移动缓慢准东西向的层状云降水回波为主，垂直剖面上表现为降水回波顶在6 km以下，强回波40 dBz的中心在3 km左右的低质心高效率降水为主。

图2 2019年3月5日08时桂林探空站T-lnP图(a),2019年3月5日09时03分永州站雷达组合反射率因子与沿红色实线的反射率因子垂直剖面(b)Fig.2 T-lnP profiles at Guilin station at 08∶00 BT 5 March 2019(a),The Radar Echoof Strength in PPI and Vertical profile of Radar Echoof Strength along red line at Yongzhou station at 09∶03 BT 5 March 2019(b)

4 物理量诊断分析

充分的水汽供应是产生暴雨的主要物理条件之一[14]，孙照渤等[15]通过近50 a资料分析华南春季降水的年代际变化特征及其与大气环流的关系，指出多雨期500 hPa高度上高原北部脊偏强利于冷空气南下,与华南地区活跃的暖湿气团汇合,对应的水汽场上为水汽异常辐合。2000—2019年3月4日、5日近20 a的850 hPa平均水汽情况分布来看(图3)，孟加拉湾到华南北部有明显的水汽输送，强水汽输送区位于沿海达4～6×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，南岭地区有弱的西南水汽输送，平均水汽通量散度3～5×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，4日略强于5日，平均比湿6～7 g·kg-1。较好的水汽条件，有利于此时期南岭地区降水的出现。此次过程850 hPa水汽通量散度、水汽通量及比湿情况来看，4日08时(图4a)北部湾到黔湘中北部偏南风有组织的加强，贵州高原上有弱的水汽通量辐合中心存在，强辐合区逐渐加强向东北和东南方向扩展；4日14时—20时(图4b、图4c)随着低层偏南风加强到急流强度，在贵州境内的低涡强度增加，水汽辐合强度和比湿都加强，强水汽辐合呈西北—东南向的带状分布，南岭西侧对应着-70×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐合中心；5日02时(图4d)850 hPa风场转冷式切变南压到湘东北—黔桂交界一带，强水汽辐合带转成东北—西南向，位于切变南侧，西南急流带上，主要在湘赣北部交界、黔桂交界处及粤北一带，强辐合中心皆达-80×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1；5日08时(图4e)黔桂交界处水汽辐合减弱，强水汽辐合中心略向东移南压发展成反L型的带状分布，这种分布特征与南岭山脉及罗霄山脉走向几乎一致；5日14时(图4f)，位于赣北的水汽辐合中心消失，南岭一带的强水汽辐合带略南移减弱，仍保持与南岭山脉平行的准东西向带状分布。4日20时—5日14时强水汽辐合带一直位于850 hPa切变南侧的急流带上，急流将充沛的水汽输送至降水区，是这次降水的主要水汽通道。暴雨水汽辐合带中心强度达-80×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，比湿一直稳定在10 g·kg-1左右，与近20 a同期平均水汽条件对比，水汽通量辐合大一个量级，比湿大了近一倍，但并没有达到常用的比湿≥12 g·kg-1的暴雨水汽指标。

图3 2000—2019年3月4日(a)、5日(b)850 hPa平均水汽通量散度(填色，单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)、平均水汽通量(风羽，单位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)及平均比湿(等值线，单位：g·kg-1)Fig.3 850 hPa Average water vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),average water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)and average specific humidity(contour,unit:g·kg-1)from 2000 to 2019 (a:4 March;b:5 March)

图4 2019年3月4日08时—5日14时(北京时,间隔6 h)850 hPa水汽通量散度(填色，单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)、水汽通量(风羽，单位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)及比湿(线条，单位：g·kg-1)Fig.4 Fields of 850 hPa vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)and specific humidity(contour,unit:g·kg-1)at (a)08∶00 BT 4;(b)14∶00 BT4;(c)20∶00 BT 4;(d)02∶00 BT5;(e)08∶00 BT5;(f)14∶00 BT5 March 2019

暴雨中心(广西桂林雁山区，110.13°E，25.37°N)的水汽通量、水汽通量散度、比湿时间—高度剖面图表明(图5)，暴雨中心低层在4日08时起水汽输送与汇聚明显增强，比湿略增大；4日14时，水汽通量辐合集中在800 hPa的边界层内，辐合中心位于850 hPa上。最强时段4日14时—5日02时850 hPa比湿为11 g·kg-1，水汽通量超过20×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，900～850 hPa水汽辐合中心强度达-70×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，强降水逐渐发展，在5日08时前后最强。此时暴雨中心水汽通量及水汽通量辐合有所减弱，但800 hPa以下始终是水汽辐合区，水汽通量超过12×10-2g·cm-1·hPa-1·s-1，比湿≥10 g·kg-1。散度、垂直速度的时间—高度剖面图中显示(图6)，4日08时—5日20时垂直上升气流自近地面一直扩展到200 hPa，最强时段出现在5日08时，强中心500～800 hPa的垂直上升速度达-1.4 Pa·s-1,此后上升运动强度缓慢减弱。此次过程高层有明显的辐散区，4日白天在200 hPa上强度超过4×10-5s-1，4日夜间800 hPa以上都有弱的辐散，5日08时，辐散中心在500 hPa左右，5日14时加强到5×10-5s-1，对应的低层800 hPa以下辐合自4日08时逐渐增强，辐合中心逐渐下降至900 hPa，到4日20时强度超过-5×10-5s-1，低层强辐合维持到5日14时左右。降水峰值出现时(5日08时)是上升气流最强盛期，亦是低层辐合、高层辐散配合最佳时段。

图5 3月3日20时—6日02时110.13°E、25.37°N水汽通量(风羽，单位：10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度(填色，单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)及比湿(等值线，单位：g·kg-1)的时间—高度剖面图Fig.5 Time-vertical section of (a)water vapor flux(barb,unit:10-2 g·cm-1·hPa-1·s-1),water vapor flux divergence(shaded,unit:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1),specific humidity(contour,unit:g·kg-1)

图6 3月3日20时—6日02时110.13°E、25.37°N散度(填色，单位：10-5 s-1)及垂直速度(等值线，单位：Pa·s-1)的时间—高度剖面图Fig.6 divergence(shaded,unit:10-5 s-1)and vertical velocity(contour,unit:Pa·s-1)from 20∶00 BT 3 to 02∶00 BT 6 March 2019 (110.13°E 25.37°N)

5 地形分析

地形对降水强度、落区和灾害天气都具有重要影响[16-21]。南岭是中国南部最大山脉和重要自然地理界线，横亘在桂湘粤赣4省之间，由越城岭、都庞岭、萌渚岭、骑田岭和大庾岭5条主要山岭所组成，主要山峰海拔多在1 000 m以上，其北侧是位于湘赣交界呈准南北走向的罗霄山脉。南岭在植物生长的春季和夏季雨热同期[22]，年均降雨量在48 a内没有发生显著的突变,人类活动以及气候变化对于降水尚未造成非常明显的影响[23]。春季连阴雨时,高空存在连续的西风急流中心带,此时青藏高原南侧有较强的低空西风绕流,遇到云贵高原后,往南绕行至中南半岛,与南海副高西端较强的南风相汇,共同作用,使得南岭山脉地形南侧低层存在持续并且比较活跃的暖湿偏南风[24]。南岭地形常造成锋面弯曲，使得锋面相配合的大尺度切变线或辐合断裂为中尺度扰动，北方冷空气到达南岭后，由于山脉阻挡，往往在迎风坡有所停留，其越山之后又有新的锋面生成，而西南暖湿气流遇地形阻挡抬升易造成对流单体或降水增幅[25]。

结合这次大范围的强降水天气过程(图7)，广西东北部越城岭主峰均在1 500 m以上，冷空气越山困难，南海一带已到达急流强度的偏南风北上，在明显的喇叭口地形下，桂东北上空形成低涡，对应地面生成辐合线或中尺度气旋，一般雷暴单体或超级单位的主要初生位置在此；湘南地区北有阳明山，南有九嶷山和萌渚岭，西有都庞岭，东部骑田岭和大庾岭，这些山脉海拔均超过1 000 m，湘南各地都处于三面环山或四面环山的山谷地带，有利于气流的汇集，容易出现强降水，例如湖南道县本地海拔100 m左右，其南部海拔在400 m以下，形成四面环山，向南倾斜的准盆地地形，弱偏北风与南风相结合产生中尺度气旋或生成辐合线出现强降水；湘赣交界处的罗霄山脉，主要山峰海拔超过1 500 m，对冷空气南下的阻挡作用明显，偏北风越山困难，偏南风北上受阻使得山前出现辐合，同时暖湿气流在被迫抬升，使不稳定度增大，具有迎风坡效应，在粤北出现强降水。

图7 2019年3月5日05时叠加了地形(填色为地形高度，单位：m)的地面最大风向风速图(风羽,单位：m·s-1，红点为累计降水量≥100 mm的站)Fig.7 Fields of surface maximum wind(barb,unit:m·s-1)at 05∶00 BT 5 March 2019 (Shadings indicate topography,unit:m;red dot indicate the station ≥100 mm of accumulated precipitation)

6 小结

①此次罕见的早春暴雨过程，高空槽活跃，中低层偏南急流强盛，特别是边界层急流的出现和较长时间的维持、对流层上层200 hPa分流辐散及低层切变线接近重叠的位于南岭山区上空，这种高低空良好的配置为强降雨提供了很好的动力和水汽条件。

②此次过程能量条件一般，水汽集中在800 hPa以下，主要是低层和边界层的水汽辐合。明显的低层辐合，高层辐散形势，深厚的垂直上升气流，强水汽输送和水汽辐合区长时间维持，这些条件都有利于出现对流稳定的强降水。

③桂东北“喇叭口”地形使得边界层及地面易形成气旋式环流，增强水汽辐合，该地区易成为对流初生区；偏北气流南下过程中，与南方暖湿气流在南岭山脉这类三面环山或四面环山的山谷地带下形成中尺度气旋，大尺度切变线、辐合线受山脉阻挡南推缓慢，增加强降水维持时间，气流持续汇集产生辐合，使得水汽通量辐合区位置与南岭山脉的位置、走向一致，降水增幅明显。表现为主要山峰海拔超过1 500 m的越城岭和罗霄山脉，≥100 mm强雨区出现在其迎风坡，而大部分山峰海拔在1 000 m左右的湘南山区，在其山谷相间分布的地形下，≥100 mm强雨区分布更为复杂，大部分分布在三面环山或四面环山的谷地。

④预报早春时节的暴雨，在热力条件差的情况下，着重关注水汽及动力条件，特别是出现低空急流和边界层偏南急流时，在有利的地形下易触发中小尺度扰动而出现强降水。本文仅初步分析地形对大尺度系统性降水的影响，地形影响特别是下垫面有水体时很复杂，其特征分析有待进一步细化，以后将进行补充研究。