2017年6月12日貴陽地區(qū)暴雨成因分析

周 林，喬 琪，王君軍

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

1 引言

暴雨是我國夏季主要的災(zāi)害性天氣之一，同樣也是貴陽地區(qū)最重要的氣象災(zāi)害之一，常常給貴陽地區(qū)帶來嚴重的洪澇、塌方、滑坡等災(zāi)害，并對農(nóng)業(yè)和人民生命財產(chǎn)造成重大的損失。西南地區(qū)和華南地區(qū)是中尺度對流系統(tǒng)(MCS)活動最頻繁的地區(qū)[1]，而中尺度對流復(fù)合體(MCC)作為MCS中一種特殊的強對流天氣系統(tǒng)，是造成中國夏季暴雨的重要影響系統(tǒng)[2-4]。貴州也是MCC的多發(fā)地[5]，眾多氣象學(xué)者研究表明貴州夏季暴雨與MCC密切相關(guān)[6-17]。杜小玲等[6-9]認為MCC是造成暴雨的直接影響系統(tǒng)；何玉龍等[10]指出MCC在暴雨過程中起到重要作用，MCC的發(fā)生發(fā)展對強降雨落區(qū)、移動有較強的指示作用；李玉蘭等[11]認為西南—華南地區(qū)MCC的發(fā)生發(fā)展與天氣尺度系統(tǒng)(切變線、高空槽、低空急流等) 相聯(lián)系；井喜等[8]對廣西和貴州暴雨過程的綜合分析發(fā)現(xiàn)高層反氣旋輻散氣流，配合低空的低渦或切變、對流層中層生成的淺槽或切變線，形成有利于MCC生成、發(fā)展的環(huán)流背景；王興菊等[12]對貴州西部暴雨進行了研究發(fā)現(xiàn)MCC產(chǎn)生的降雨強度與云團的偏心率和冷云頂面積有很好的對應(yīng)關(guān)系，強降雨時段發(fā)生在對流云團發(fā)展旺盛的階段；黃世芹等[13]從衛(wèi)星云圖和雷達回波出發(fā)分析了貴州北部一次典型的MCC暴雨過程，發(fā)現(xiàn)-80℃冷云區(qū)面積越大，MCC總降水量也越大，并且MCC在雷達回波上表現(xiàn)出一條類似颮線的帶狀回波和零星的塊狀回波。

2017年6月11日夜間出現(xiàn)在貴陽地區(qū)的暴雨、局地大暴雨是一次明顯的區(qū)域性暴雨，此次暴雨過程具有明顯的中尺度特征，并且與MCC的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，強降水出現(xiàn)在MCC的發(fā)展和成熟階段，中尺度對流云團維持了6 h以上。MCC是具有多尺度的中尺度系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜降水強度和災(zāi)害天氣分布不對稱，所以產(chǎn)生的暴雨、短時強降水以及強對流等災(zāi)害天氣難以把握[18]，另外MCC在貴陽暴雨過程中的影響少有研究。本文利用常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料、衛(wèi)星云圖和雷達資料，采用天氣學(xué)診斷分析的方法，對此次暴雨過程的大尺度環(huán)流背景、MCC的發(fā)生發(fā)展等進行分析，以此加強貴陽暴雨發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認識，以期對這類暴雨的預(yù)報和預(yù)警服務(wù)提供一些有益的參考。

2 過程概況

由2017年6月11日20時—12日20時的累計雨量分布(圖1)可以看出，暴雨主要位于貴陽市西部、中部及東南部，大暴雨主要位于清鎮(zhèn)市、修文縣、白云區(qū)和觀山湖區(qū)，全市共出現(xiàn)大暴雨13站，暴雨83站，最大降水量出現(xiàn)在清鎮(zhèn)麥西鄉(xiāng)為146.2 mm。從8個國家站的逐小時降水序列圖 (圖2)可以發(fā)現(xiàn)，短時強降水主要出現(xiàn)在12日02—09時，區(qū)域自動站中最大小時降水量出現(xiàn)在清鎮(zhèn)市麥格鄉(xiāng)達63.7 mm，另外清鎮(zhèn)、修文、貴陽、烏當、花溪國家站均出現(xiàn)了大于25 mm的小時雨強，而花溪和貴陽本站的最大小時雨強達40 mm以上?？梢姶舜螐娊邓鞖膺^程影響范圍廣、降水強度大，是一次明顯的區(qū)域性暴雨天氣過程。

圖1 2017年6月11日20時—12日12時貴陽市累計降水量分布(單位：mm)Fig.1 Cumulative precipitation distribution of Guiyang from 20∶00 CST 11 June to 12∶00 CST 12 June, 2017,Beijing time (unit: mm)

圖2 6月11日20時—12日12時貴陽市8個區(qū)縣站逐小時降水變化圖(單位：mm)Fig.2 Hourly precipitation changes of 8 county stations in Guiyang from 20∶00 CST 11 June to 12∶00 CST 12 June,2017 (unit: mm)

3 主要環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

11日08時，500 hPa上中高緯度為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，其中烏拉爾山到巴爾克什湖地區(qū)以及東北亞沿海為高空槽控制，而貝加爾湖地區(qū)為高壓脊控制，四川北部有高空短波槽的發(fā)展，副熱帶高壓588線位于華南地區(qū)，副高脊線主要位于22°N附近(圖略)，從而有利于將海洋上水汽輸送到貴州地區(qū)；對流層低層貴州中北部至長江中下游存在東西向的切變線，與之相對應(yīng)的是地面存在一條天氣尺度的準靜止鋒，而貴州處于靜止鋒西段，850 hPa上四川受偏北氣流影響，未來弱冷空氣南下影響貴州省(圖略)；對流層高層200 hPa南亞高壓控制我國西南地區(qū)以及中南半島，貴州上空維持輻散的西北氣流，其有利于低層上升運動的發(fā)展(圖略)。

20時，500 hPa上之前位于四川北部的短波槽，東移發(fā)展至四川盆地南部，副高588線相對于08時有所西伸，貴州北部存在高空冷槽的影響，其引導(dǎo)冷空氣進入貴州(圖3a)；700 hPa和850 hPa上長江中下游地區(qū)的切變線穩(wěn)定少動，貴州仍受切變線西段的影響，地面對應(yīng)的準靜止鋒穩(wěn)定維持(圖3b)。從低層風(fēng)場來看，偏南風(fēng)氣流帶來的暖濕水汽與來自貴州北部的冷空氣在貴州地區(qū)交匯，加之低層的切變線、地面輻合線等觸發(fā)對流性暴雨的發(fā)生發(fā)展。

圖3 11日20時500 hPa位勢高度場(單位：gpm)和850 hPa風(fēng)場(單位：m/s) (a)以及中尺度環(huán)境場分析(b)Fig.3 The 500 hPa geopotential height field (unit: gpm) and 850 hPa wind field (unit: m/s) (a) and mesoscale environmental field analysis at 20∶00 CST 11 June

4 探空資料分析

強對流天氣的發(fā)生需滿足3個條件：層結(jié)不穩(wěn)定、水汽條件以及動力或熱力抬升條件，其它加強的條件包括垂直風(fēng)切變、0 ℃層高度等。

從貴陽本站08時的探空圖(圖4a)可見，貴陽上空濕層深厚，整個500 hPa以下均為顯著的濕層，并且700 hPa比濕為12 g/kg，850 hPa比濕為15 g/kg，但是其對流有效位能為15.5 J/kg，可見其不穩(wěn)定能量較??；而K指數(shù)為37 ℃，另外T700-T500的溫差為14 ℃，T850-T500的溫差為20 ℃(表1)，可見貴陽上空不穩(wěn)定性相對較小。若對08時的探空進行訂正，將地面溫度訂正到午后25 ℃，可見訂正后CAPE值達944.1 J/kg，其不穩(wěn)定能量明顯增加，貴陽地區(qū)發(fā)生強對流的可能性較大(圖4b)。

而到傍晚20時，貴陽本站的探空圖與08時相比有明顯不同(圖4c)，貴陽上空仍維持深厚的濕層，700 hPa以下比濕增加到13g/kg以上，由于白天的升溫，貴陽本站對流有效位能增加到1 933.5 J/kg，可見其不穩(wěn)定能量明顯較強；而T700-T500的溫差為16℃，T850-T500的溫差增大到26℃，K指數(shù)增大到45，沙氏指數(shù)SI增大到-4.23(表1)，可見到傍晚20時，貴陽上空水汽進一步增加，積累了強的不穩(wěn)定能量，并且為強的層結(jié)不穩(wěn)定性，以上條件均表明貴陽地區(qū)出現(xiàn)暴雨及強對流概率較大。將20時的物理量指數(shù)與貴陽本站的暴雨物理量指標作對比分析(表1)，可見均符合貴陽暴雨的指標條件，進一步證實了貴陽本站暴雨指數(shù)的可信度。

表1 6月11日08時和20時各項物理量指數(shù)Tab.1 Index of physical quantities at 08∶00 CST and 20∶00 CST 11 June

圖4 11日貴陽08時(a)、08時訂正(b)、20時(c)T-lnP探空圖Fig.4 At 08∶00 CST (a),08∶00 CST revised (b) and 20∶00 CST (c) tlogp sounding map of Guiyang on 11 June

5 物理量場特征

5.1 水汽條件

充分的水汽供應(yīng)是暴雨產(chǎn)生的重要條件之一，水汽是通過大規(guī)模的水平運動輸送到暴雨區(qū)的，而水汽輸送的大小可以用水汽通量來表示，11日08時850 hPa(圖5a)水汽通量高值中心位于江南一帶，另外廣西為水汽通量次大值中心，有偏南風(fēng)將廣西地區(qū)的水汽通量輸送到貴州省，到傍晚20時(圖5b)由于受熱帶低壓的影響南海東部區(qū)域為水汽通量高值區(qū)，而本地處于高值區(qū)的下游，因此有源源不斷的水汽從南海輸送到貴州地區(qū)。有水汽通量的輸送還不夠，還必須有水汽在降水地區(qū)輻合才會形成暴雨，從08時和20時(圖5c、d)的水汽通量散度圖來看，貴州地區(qū)均是水汽通量的輻合大值區(qū)。

圖5 11日08時(a、c)和20時(b、d)850 hPa水汽通量(單位：g·cm-1· hPa-1·s-1)以及水汽通散度(單位：10-8·g·cm2· hPa-1·s-1)分布圖Fig.5 The distribution of water vapor flux (unit: g·cm-1· hPa-1·s-1) and water vapor divergence (unit: 10-8·g·cm2· hPa-1·s-1) at 850 hPa,at 08∶00 CST (a,c) and 20∶00 CST (b,d) 11 June

5.2 假相當位溫

假相當位溫是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量，反應(yīng)大氣的溫濕特征和垂直運動，其水平和垂直分布均于對流天氣的發(fā)生發(fā)展有極大關(guān)系，也反應(yīng)了大氣中能量的分布，且一般強對流天氣發(fā)生在假相當位溫大值區(qū)或高密集區(qū)。

從11日08時和20時850 hPa的分布圖(圖6a、6b)可以看出，08時廣西中西部地區(qū)有一個大于80 ℃的高能量中心，而貴陽處于向東北方向伸展的>76 ℃的高能量舌內(nèi)，四川南部地區(qū)為低能量舌，貴州中北部區(qū)域為假相當位溫梯度較大值區(qū)；20時高能中心向北移動到貴州南部并且中心值增大到85 ℃以上，而貴陽地區(qū)的能量值增大到80 ℃以上，以上可見貴陽地區(qū)為高溫高濕區(qū)，其形勢有利于暴雨的產(chǎn)生。

暴雨的形成除需要充沛的水汽和能量外，還需具備一定的潛在不穩(wěn)定性，即大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性。我們用假相當位溫隨高度的變化來表示，圖6c為貴陽本站假相當位溫隨時間變化的垂直剖面圖，可見從12日02—08時之間均是隨高度減小的，此時間段大氣層結(jié)是相當不穩(wěn)定的，而此時間段正好對應(yīng)強降水的產(chǎn)生。另外可以明顯的發(fā)現(xiàn)強降水發(fā)生期間正好對應(yīng)不穩(wěn)定能量的釋放，對流層低層的溫度由降水前的80℃以上下降到60℃左右。

圖6 11日08時(a)、20時(b)850 hPa的假相當位溫(單位：℃)分布和貴陽本站假相當位溫高度—時間剖面圖(c)；紅色直線對應(yīng)暴雨最強時段Fig.6 The pseudo-equivalent temperature (unit: ℃) distribution at 850 hPa and pseudo-equivalent temperature height-time profile of Guiyang station (c),at 08∶00 CST (a),20∶00 CST (b) 11 June; the red line corresponds to the strongest storm period

5.3 動力條件

產(chǎn)生暴雨的重要條件還必須有水汽的強烈上升運動，從而使云滴變?yōu)榇笏谓德涞降孛?，垂直運動可以造成水汽、能量、動量等物理量的垂直輸送。11日08時和20時的850 hPa散度場(圖7a、7b)可以發(fā)現(xiàn)上貴州地區(qū)均為散度負值區(qū)，表明貴陽地區(qū)存在明顯的輻合上升運動，另外從200 hPa的散度場(圖7a、7b)來看，貴陽地區(qū)上空為弱的散度負值區(qū)，表明貴陽地區(qū)從低層到高層均為上升運動，其上升運動強烈，有利于大量水汽在其上空聚集，為暴雨產(chǎn)生提供了有力的條件。

圖7 11日08時(a)和20時(b)的850 hPa(等值線)及200 hPa(陰影)散度場(單位：10-6·s-1)Fig.7 The 850 hPa (contour) and 200 hPa (shaded) divergence field (unit: 10-6·s-1), at 08∶00 CST (a),20∶00 CST (b) 11 June

6 中尺度對流系統(tǒng)特征

6.1 地面輻合線的活動

在滿足對流不穩(wěn)定及水汽充分的條件下，強對流天氣的發(fā)生發(fā)展還需滿足抬升觸發(fā)條件，地面輻合線往往是觸發(fā)強對流發(fā)生發(fā)展的重要條件。11日08時地面輻合線在貴州省中南部(圖8a)，貴陽市主要受偏北風(fēng)的影響，表明地面有弱冷空氣的侵入；到14時(圖8b)，由于云南地區(qū)熱低壓發(fā)展，貴州中南部南風(fēng)增強，地面輻合線明顯北抬，其中段位于貴陽南部花溪地區(qū)，花溪轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)的控制；20時(圖8c)，位于貴陽市的切變線進一步北推到貴陽中部，而切變線東段卻南壓到黔東南南部；12日02時(圖8d)切變線位置與11日20時位置相當，表明20時以后切變線穩(wěn)定少動，到05時(圖8e)切變線位置仍然維持，08時(圖8f)輻合線才南壓完全移出貴陽市。以上可見20時—08時此時段輻合線穩(wěn)定維持在貴陽中部區(qū)域，此間不斷有對流單體生成發(fā)展并沿輻合線移動生成給貴陽地區(qū)帶來降水，因而貴陽地區(qū)的暴雨、大暴雨區(qū)域主要位于貴陽中部附近的區(qū)域。

圖8 6月11日08時(a)、14時(b)、20時(c)、12日02時(d)、05時(e)、08時(f)區(qū)域站地面10 m風(fēng)場(單位：m/s)Fig.8 The 10 meter wind field on the ground of regional station on 11 June (unit: m/s) at 08∶00 CST (a), 14∶00 CST (b),20∶00 CST (c),and 12∶00 CST (d),05∶00 CST (e),08∶00 CST (f) 12 June

6.2 中尺度云圖的演變特征

11日白天孟加拉灣地區(qū)有熱帶風(fēng)暴的發(fā)展移動，熱帶風(fēng)暴甩出的外圍云系在東移過程中逐漸靠近貴州，在高空槽和地面輻合線西段附近發(fā)展成多個強對流云團并且合并加強，到傍晚20時(圖9)在貴州西部發(fā)展成了范圍廣大的中尺度對流系統(tǒng)，其由多個對流單體組合而成，云頂中心亮溫較低，中心溫度達-81℃，未來隨著高空槽的東移，中尺度對流系統(tǒng)也東移。00—01時(圖10a、10b)中尺度對流系統(tǒng)在東移過程中逐漸分解為4個中尺度對流云團，其中位于畢節(jié)和安順地區(qū)的對流云團逐漸東移發(fā)展靠近貴陽市，云團中心亮溫在不斷下降，其余3個逐漸減弱消失。12日02時(圖10c)對流云團已經(jīng)移到貴陽中部和南部，云團邊緣整齊，呈團狀，清晰可辨，對流云團逐漸向MCC發(fā)展，并且清鎮(zhèn)市上空有一溫度達-73 ℃的冷中心，此時清鎮(zhèn)開始產(chǎn)生降水，清鎮(zhèn)本站小時雨強達26 mm。03時(圖10d)中尺度對流系統(tǒng)已發(fā)展成近乎圓形的中尺度對流復(fù)合體(MCC)，并且基本覆蓋貴陽市區(qū)域，此時亮溫低于-73 ℃的冷中心位于息烽、修文地區(qū)，到04時(圖10e)貴州西部有一中尺度對流云團合并到MCC主體，并且在MCC主體西側(cè)發(fā)展加強，其亮溫達-72 ℃，05—08時(圖10f～10i)MCC主體發(fā)展完善處于成熟階段，MCC主體的對流云團緩慢東移發(fā)展不斷影響貴陽地區(qū)，此段時間正是貴陽地區(qū)降水最強的時段，貴陽本站在07時小時雨強達43 mm。到14時(圖略)MCC主體已減弱消散，降水云團基本移出貴陽市。

圖9 11日20時紅外云圖(單位：℃)及其對應(yīng)的500 hPa風(fēng)場(單位：m/s)和高度場(單位：gpm)Fig.9 The infrared cloud images (unit: ℃) and their corresponding wind field (unit: m/s) and height field (unit: gpm) of 500 hPa at 20∶00 CST 11 June

圖10 6月12日00—08時(a～i)所對應(yīng)的貴州省地區(qū)紅外云圖(單位：℃)Fig.10 The infrared images of Guizhou province from 00∶00 CST to 08∶00 CST (a-i) 12 June (unit: ℃)

以上分析可見此次降水過程中貴州西部有中尺度對流云團發(fā)展合并到MCC，使MCC發(fā)展加強，其次MCC移動緩慢。從而導(dǎo)致了此次降水過程降水強度大、持續(xù)時間長，造成了大范圍的暴雨。

6.3 雷達反射率因子的特征

從雷達的基本反射率場來看，6月12日01時36分貴陽西南部從長順到平壩有一條西北—東南走向的帶狀多對流單體回波發(fā)展，回波強度超過45 dBz，強回波帶向東偏北方向移動，未來將影響貴陽市，同時在畢節(jié)織金地區(qū)有超過45 dBz的大片強回波生成和發(fā)展，并往東北方向移動(圖11a)。12日02時34分(圖11b)織金地區(qū)的回波與帶狀回波的北段合并加強，并向東北方向移動，而帶狀回波的南段強度有所減弱，形狀較松散。02時56分(圖11c)強回波移到清鎮(zhèn)和修文地區(qū)，回波范圍較廣，表現(xiàn)為積狀云降水回波，最大回波強度超過50 dBz，未來將繼續(xù)影響貴陽西北部地區(qū)。03時11分(圖11d)降水回波移到貴陽本站，回波強度在30 dBz以下，以層狀云降水回為主，強度超過50 dBz的強回波仍位于貴陽西部及西北部。04時10分(圖11e)開始清鎮(zhèn)西部不斷有新的回波發(fā)展、增強、向東偏北方向移動，回波略有南壓，主要影響貴陽中部和南部地區(qū)，其與衛(wèi)星云圖相對應(yīng)。0606分(圖11f)強對流單體開始影響貴陽本站，回波強度超過45 dBz，貴陽本站開始產(chǎn)生強降水，06時—08時，貴陽本站累計降水量為79.5 mm。07時10分(圖略)開始回波逐步南壓影響花溪地區(qū)，影響全市的回波維持在30 dBz以上。10時26分(圖11g)開始回波減弱到30 dBz以下，并且緩慢南壓，后續(xù)以層狀云降水為主，直到14時以后(圖11h)回波移出貴陽市，降水趨于停止。

從雷達基本反射率分析可以看出，這次降水主要以積狀云回波為主，貴陽市西部一帶不斷有新的對流單體生成、發(fā)展，對流活動旺盛，隨著切變線發(fā)展東移，回波移動緩慢，維持時間較長，因此造成的累積雨量也比較大。

圖11 6月12日01時36分(a)、02時34分(b)、02時56分(c)、03時11分(d)、04時10分(e)、06時06分(f)、10時26分(g)、14時14分(h)貴陽雷達基本反射率(單位：dBz，仰角1.5°)Fig.11 The basic reflectivity of Guiyang radar (unit: dBz,elevation is 1.5°) at 01∶36 CST (a),02∶34 CST (b),02∶56 CST (c),03∶11 CST (d),04∶10 CST (e),06∶06 CST (f),10∶26 CST (g),14∶14 CST (h) 12 June

7 小結(jié)

利用常規(guī)氣象資料、衛(wèi)星云圖、雷達和自動站等資料，對2017年6月11日夜間貴陽地區(qū)的暴雨或大暴雨天氣過程，從天氣形勢、影響系統(tǒng)、物理量場診斷分析等方面進行了分析，得出以下結(jié)論：

①此次暴雨過程是在南亞高壓、副熱帶高壓、高空低槽和中低層切變以及江淮準靜止鋒的共同影響下產(chǎn)生的，中低層有弱冷空氣侵入造成冷暖氣流交匯，為暴雨產(chǎn)生提供有利條件。

②此次暴雨過程濕層深厚，水汽充沛，CAPE值較大，K指數(shù)、沙氏指數(shù)、抬升指數(shù)、溫度垂直遞減率等對預(yù)報貴陽地區(qū)出現(xiàn)雷暴以及暴雨有重要指示意義。

③紅外云圖明顯地表征了對流云團的發(fā)生和發(fā)展，其能清晰表明暴雨的強度及移動發(fā)展趨勢，此次暴雨過程是一次典型的MCC暴雨過程，MCC的緩慢東移造成了持續(xù)時間較長的降水。

④雷達基本反射率因子強度的變化和移動路徑也非常清晰地指示了暴雨發(fā)生的時間、強度和移動發(fā)展趨勢。這次暴雨過程以積狀云降水為主，貴陽市西部不斷有新生的對流單體，對流發(fā)展旺盛，沿切變線和輻合線發(fā)展移動，然而輻合線穩(wěn)定少動，因此回波移動緩慢，輻合線的穩(wěn)定少動是貴陽地區(qū)形成暴雨或大暴雨的重要原因。

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