貴州2014年首場暴雨過程天氣成因分析

吳古會，趙 杰，崔 庭

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400)

貴州2014年首場暴雨過程天氣成因分析

吳古會1，趙 杰1，崔 庭2

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400)

利用常規(guī)氣象觀測資料、FY2E云圖及NCEP1°×1°再分析資料等，分析了2014年5月9—10日貴州首場暴雨過程的環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)、物理量場、TBB等。結果表明：①200 hPa貴州上空高壓環(huán)流、500 hPa高原槽的東移為此次暴雨的發(fā)生提供了良好的環(huán)境場；②近地層弱冷空氣的補充導致輻合線鋒生是觸發(fā)抬升條件，也是造成強降水的直接系統(tǒng)之一；③發(fā)展東移的低渦是另一影響降水的中尺度系統(tǒng)；④強降水落區(qū)和時段與中尺度系統(tǒng)的演變一致，與冷云團的變化趨勢也一致，對流云團有類似MCC特征。

暴雨；輻合線鋒生；西南渦；MCC

1 引言

暴雨天氣由于其復雜性及高影響性，一直是預報工作中的重點和難點。氣象工作者對此展開了廣泛而深入的研究探索，對暴雨形成了一定的認識：暴雨是幾種不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結果，是一種大尺度環(huán)境制約下的中尺度現(xiàn)象[1]。在科研理論不斷深化和擴展的同時，業(yè)務一線的預報員通過對天氣過程診斷分析[2-4]印證著相關理論研究的正確性與指導性。

按照貴州暴雨過程標準[5]，2014年5月9日20時—10日20時(北京時，下同)，貴州省出現(xiàn)了首場暴雨天氣過程，過程降水量有11個縣市、157鄉(xiāng)鎮(zhèn)24 h降水超過50 mm，其中有7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)達到大暴雨量級，而貴陽城區(qū)雨量也達90 mm。同時，貴陽市城區(qū)、清鎮(zhèn)、開陽、息烽、白云等縣區(qū)還伴有冰雹。給人民生活造成了一定的影響。此次降雨過程降水分布不均勻，分為兩個階段，第1階段為10日02時以前，發(fā)生在地面風場輻合區(qū)，為不穩(wěn)定性的雷雨，伴有強雷電、冰雹、短時強降水等強對流。第2階段為10日02時以后到10日白天，降水主要發(fā)生在貴州的北部和東部，對流特征減弱，但也有雨強超過20 mm的地區(qū)。從降水的發(fā)生時段和中心落區(qū)分布可初略反映出引起這次暴雨過程的天氣影響系統(tǒng)較為復雜。本文就此次過程的天氣成因進行初步分析。

2 暴雨成因分析

2.1 有利的環(huán)流形勢

9—10日，200 hPa貴州處于高壓環(huán)流的西北象限，西北急流軸左側，急流出口左側的輻散區(qū)；500 hPa高緯環(huán)流型由兩槽一脊向兩脊一槽型轉變，貝加爾湖西南至南側受低渦控制，低值系統(tǒng)不斷分裂槽東移，9日08 h，原位于貝加爾湖南側—新疆東部的槽移到河套—青海東側一線，同時，原位于高原上的淺槽也東移到四川中部一線，而低緯地區(qū)在云南與貴州之間有南支槽存在，24 h變高分布表明中高緯的槽主要是向東移的，即高緯的高空槽觸發(fā)高原槽東移；700 hPa上貴州為8～12 m/s的西南風控制，西南風急流軸位于桂北至湘南一線；850 hPa上為6～8 m/s的西南風影響；地面冷鋒位于陜西北部—青海東南部一線，貴州受熱低壓和變性高壓共同影響，低壓中心位于貴州西南部，高壓中心在環(huán)渤海灣一帶，貴州東部受其西南側的東北氣流影響，輻合線(弱靜止鋒)位于畢節(jié)西部—貴陽北部—黔東南州北部一線；結合探空可知，沒有鋒面逆溫，不穩(wěn)定性較弱。到9日20時，500 hPa中高緯的高空槽移至陜西西部—四川西北部，低緯的高原槽移至成都—威寧一線，南支淺槽位于云南東南部，貴州位于槽前的偏西氣流中；700 hPa西南風增強至12～14 m/s，急流軸仍位于廣西湖南地區(qū)，在云南、貴州之間風場上存在氣旋性切變，低渦切變位于川東(成都東北風、達縣東南風)；相應850 hPa南風分量也增加，8日白天在貴州南部的暖式切變隨之北抬至武漢—沙坪壩一線，南風急流(12～16 m/s)位于廣西境內，在貴州南部及湘西形成風速輻合，同時，在宜賓、沙坪壩、貴陽間生成低渦；地面上東部的高壓繼續(xù)變性減弱，西部熱低壓發(fā)展控制中西部地區(qū)，冷鋒從陜西北部—青海東南部一線移至四川東部一線；此時探空還是看不出鋒面逆溫的存在，貴陽探空表現(xiàn)出強不穩(wěn)定性(表1)。貴陽不穩(wěn)定能量的明顯增長與南風增強、熱低壓的發(fā)展不無關系。10日08時，高緯環(huán)流型調整為兩脊一槽，貝加爾湖西側及南側都是低值區(qū)，且溫度場落后于高度場，繼續(xù)分裂高空槽東移，高原槽移至漢中—達縣—貴陽一線，而南支淺槽已移到廣西東部，比濕下降，溫度露點差也增大；700 hPa低渦中心位于達縣附近，控制川東、重慶及貴州北部地區(qū)，滇黔間的切變移至廣西西部，急流軸東移，比濕也減少；850 hPa低渦東移，中心位于貴州東北部，急流繼續(xù)增強(16～24 m/s)，急流軸位于河池—桂林—長沙一線，比濕增加至15 g/kg；探空上750 hPa附近出現(xiàn)了較弱的鋒面逆溫，貴陽探空顯示不穩(wěn)定能量明顯降低；地面10日白天冷空氣逐漸入侵貴州，但因引導氣流中北風勢力不強冷空氣南下速度較慢，西南部仍受熱低壓控制，所以在此次暴雨過程中西南部維持多云天氣并無降水；而貴州其余地區(qū)10日白天以穩(wěn)定性降水為主。從以上環(huán)流形勢分析可知：在這次暴雨過程中，南支淺槽向東南方向移動，影響我省的高空系統(tǒng)主要是東移的高原槽，伴隨高原槽的出動，地面輻合線(弱靜止鋒鋒生)觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，200 hPa高層輻散有利于抽吸作用的維持，同時700 hPa、850 hPa低渦發(fā)展東移，分別在兩個時段造成性質不同的降水；結合水汽通量，貴州處于急流軸左側的水汽輸送區(qū)，為本次降水過程提供了較為充沛的水汽(圖2a、2b)。

表1 貴陽5月9日08—20時物理量變化

圖2 5月9日08時(a)、20時(b)中尺度分析圖

2.2 中尺度系統(tǒng)的作用

在大尺度環(huán)流提供的有利背景場中，中尺度系統(tǒng)才是暴雨的直接制造者，在這強降水過程中，地面中尺度系統(tǒng)和低層低渦扮演了重要的角色，下面就此進行詳細分析。

2.2.1 地面中尺度系統(tǒng)的觸發(fā) 9日14時—10日02時，在貴州中部(圖3a)26°N附近維持有一條偏南風與偏東風的輻合線(弱靜止鋒)，其兩側附近氣溫差異較明顯，從低層的分布(圖3b)也可看出，處于輻合線南側的貴州西部、西南部為高能區(qū)(345～348 K)，而重慶、川東為低能區(qū)，在貴州中北部形成等線密集帶；從θse的垂直分布(圖3c)還可知，25°～28°N范圍內，隨高度減小，700 hPa以下為向上伸展的高值舌，有較強的不穩(wěn)定性，且其北側的等值線傾斜度較大；根據陳忠明等[6]導出的新型輻散方程，在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，等熵面陡立處附近有利于激發(fā)輻合增長，同時，根據吳國雄等[7]的傾斜渦度發(fā)展理論，傾斜等熵面附近的垂直渦度顯著增加，從而有利于中尺度系統(tǒng)的發(fā)展和暴雨的發(fā)生。結合低層散度(圖3d)，9日14時至夜間，輻合中心強度由-20×10-6/s增至-50×10-6/s，中心位于26°N附近，9日夜間先后位于105°E、106°E和108°E附近，這與降水發(fā)生的時空分布一致，同時也以輻合增長的事實應證了新型輻散方程理論。

圖3 (a)9日14時10 m風場(m/s)；(b)9日20時 850 hPaθse(單位：K)；(c)9日20時θse沿106°E的垂直剖面；(d)10日02時 850 hPa散度(單位：10-6/s)

2.2.2 鋒生作用 從實況分析已知，9日，地面系統(tǒng)主要體現(xiàn)為輻合線，到10日，鋒面特征出現(xiàn)，在濕度場變化較小的情況下，鋒面特征的重現(xiàn)應該伴有冷空氣的影響，9日在氣壓場上難以識別，但通過溫度平流的分布(圖4a)可以得到，9日午后到夜間，近地層(貴州西部海拔接近850 hPa高度)從川東南、滇東北有約-25 K/s強度的冷平流侵入貴州，冷暖平流零線位于26°N附近，且伴隨南風的增強，廣西至貴州南部的暖平流也增強，使得該時段內貴州南部地區(qū)未受影響；10日白天，從低層到高層都可以看到冷平流的入侵，相應在海平面氣壓場也有所體現(xiàn)。

圖4 (a) 9日14時 850 hPa溫度平流(單位：K/s)；(b)9日20時鋒生函數(shù)沿26°N的垂直剖面(單位：10-9K/(m·s))

從鋒生函數(shù)(圖4b)的反映也可知，9日20時—10日08時，鋒生函數(shù)體現(xiàn)強烈，中心值達5×10-9K/(m·s)，位于800 hPa附近，先后從105°E移至108°E，這種變化與降水的趨勢也是相符的。即低層輻合線鋒生為本次暴雨過程創(chuàng)造了良好的動力觸發(fā)抬升條件。

2.2.3 低渦的生成及演變 9日14時 500 hPa上，川西地區(qū)有冷平流(圖略)影響，此時渦度中心值較小，位于川東，即低渦的西北側有冷空氣入侵，有利于西南渦的發(fā)展東移，至10日02時，渦度明顯增強，700 hPa上體現(xiàn)更為明顯，從圖5a可看到，此時渦度中心位于貴州西北部，強度達80，降水區(qū)位于其東側；與此同時，可以看到500 hPa正渦度平流中心區(qū)位于貴州中部偏東(圖5b)，前一時刻中心位于10日02時的渦度中心，而10日08時，渦度平流中心位于貴州東北部，即高空槽向偏東方向移動，低渦也移向該方向。由P坐標下的方程可知，通常在近地層低壓中心附近，渦度平流很小，當其上空為槽前正渦度平流時，滿足渦度平流隨高度增加的條件，因而有上升運動；同時，上文中也分析到高層輻散低層輻合的抽吸作用也有利于上升運動的維持，從圖5c中容易看出，9日夜間，降雨區(qū)上空都維持上升運動，其中前半夜垂直上升運動處于增強階段，伸展高度不斷增高，10日02時前后，上升運動區(qū)擴展到200 hPa以上的高空，中心值達最強(-0.7Pa/s)，位于400 hPa以下，一方面有利于水汽的垂直輸送以致成云降雨，另一方面也有利于強對流的發(fā)生，所以在前半夜，降雨區(qū)還伴有冰雹等強天氣。

圖5 10日02時(a)700 hPa垂直渦度(單位：10-6/s)；(b)500 hPa垂直渦度平流(單位：10-7s-2)，9日08時—10日20時(26～28°N，106～108°E)范圍平均；(c)垂直速度(單位：Pa/s)；(d)垂直渦度(單位：10-6/s)時間剖面

陳忠明等[9]通過分析西南渦的中尺度結構指出：西南渦在初生階段是淺薄天氣系統(tǒng)，位于500 hPa以下，成熟階段正渦度可伸展到100 hPa以上，中心軸線垂直。在這次暴雨過程中，低渦也體現(xiàn)出這樣的結構特征：10日02時前后(圖5d)，正渦度伸展最高，達200 hPa以上，處于成熟階段，10日白天，減弱為淺薄系統(tǒng)，降水強度也明顯減小。

2.2.4 衛(wèi)星云圖特征 分析FY2E衛(wèi)星相當黑體亮溫(TBB)發(fā)現(xiàn)，9日17時前后，畢節(jié)東南部開始有有對流單體(A和B)生成發(fā)展并向東傳播(圖略)，19時，云頂溫度已接近-50℃，至20時，A、B單體趨向合并為C，位于畢節(jié)東南至貴陽西北，云頂繼續(xù)向上伸展，溫度接近-60℃，即對流越來越旺盛，相應冷云覆蓋區(qū)發(fā)生了冰雹和短時強降水，落區(qū)位于<-32℃冷云區(qū)的南側亮溫梯度較大的范圍。21-23時，<-32℃的冷云區(qū)擴大，呈橢圓狀，長軸南北向，短軸位于26°N附近，云頂接近-60℃，中心分別位于短軸兩側，對應貴陽、甕安附近的短時強降水、強雷電、冰雹等災害天氣。10日00-02時，冷云團C東移，云頂有所降低，溫度約為-50℃；同時，在仁懷附近生成D云團，并發(fā)展東移，至02時，D云團移至湄潭附近，在仁懷附近又有E云團生成發(fā)展，不如C強，對應的降水也較前一時段減弱。02時以后至08時，主要是C后部的殘留和北部地區(qū)云團D、E，云頂在-50℃以內，范圍較小，相應降水分布也較不均勻。根據Maddox[10]對中尺度對流復合體(簡稱MCC)的定義，對流云團C除了不滿足≤-32℃的冷云區(qū)面積達到105 km2以上這個標準外，其余特征一樣，因此對流云團C具有類似MCC的特征。

3 結語

①此次暴雨過程是在水汽充沛的背景下，高空槽觸動的西南渦發(fā)展東移和低層輻合線鋒生的共同作用下造成。近地層冷平流的入侵使得中尺度輻合線鋒生，由于弱冷空氣淺薄，第一階段南風勢力增強，有利于鋒面在貴州中部一線的維持，同時，渦度平流隨高度的變化有利于產生垂直上升運動，等熵面的傾斜及高層輻散低空輻合的抽吸配置加強上升，造成中北部的暴雨。

②強降水落區(qū)位于地面鋒線附近以及西南渦的東側和南側，降水性質的變化與降水區(qū)上空垂直速度、渦度等的演變一致：9日夜間為對流性質降雨，前半夜加強，后半夜開始減弱，10日白天對流較弱。

③強降水落區(qū)及主要降雨時段和對流云團最強冷云區(qū)的變化趨勢一致：強降水位于最強冷云范圍內或小于-32℃橢圓狀冷云區(qū)短軸的左、右TBB梯度較大的位置。

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2014-06-09

吳古會(1985—)，女，工程師，主要從事短期天氣預報工作。

1003-6598(2015)01-0042-05

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