黔東南兩次冷鋒低槽型降水對(duì)比分析

李幫英，廖 領(lǐng)，廖育玲

(貴州省從江縣氣象局，貴州 從江 557400)

1 引言

暴雨是我國重要的災(zāi)害性天氣之一，由暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害，每年都造成大量的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。每年4月上中旬貴州將自東向西先后進(jìn)入雨季，由于其獨(dú)特的地形地貌易造成山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。因此對(duì)暴雨天氣系統(tǒng)的研究一直是氣象工作的重點(diǎn)之一[1-2]。管勇[3]等從暴雨的落區(qū)、暴雨強(qiáng)度和諸多物理量對(duì)廣東兩次特大暴雨成因進(jìn)行了對(duì)比分析；李強(qiáng)[4]等對(duì)2009年8月2—5日一次川渝地區(qū)大暴雨過程的水汽輸送、濕位渦等進(jìn)行了診斷分析；井喜[5]對(duì)2007年6月8—9日廣西、貴州由中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)引發(fā)的致洪暴雨過程進(jìn)行了大尺度環(huán)境場和物理量的診斷分析；伍紅雨[6]對(duì)2005年5月貴州一次大暴雨天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬表明，西南渦是造成大暴雨的主要影響系統(tǒng)。

從上述研究可見，廣大氣象工作者對(duì)西南地區(qū)暴雨的研究已經(jīng)有了一定結(jié)果，而對(duì)貴州出現(xiàn)的暴雨定義歸類并進(jìn)行診斷分析的有所偏少，本文將利用常規(guī)觀測資料、Micaps資料及區(qū)域自動(dòng)站資料，對(duì)2016年8月31日—9月1日與9月9—10日在黔東南地區(qū)出現(xiàn)的一般性降雨和區(qū)域性暴雨天氣過程進(jìn)行對(duì)比分析，探討此類過程性降雨的成因和機(jī)理，尋找暴雨的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，為今后的預(yù)報(bào)提供可參考的依據(jù)。

2 降水實(shí)況

2016年8月31日08時(shí)—9月1日08時(shí)黔東南出現(xiàn)降水過程，降水主要分布在黎平、從江、錦屏，有8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)9站大雨，其中以黎平孟彥32 mm最大，降雨主要出現(xiàn)在31日夜間(雨情落區(qū)見圖1)。

2016年 9月9日14時(shí)—10日08時(shí)黔東南出現(xiàn)強(qiáng)降水過程，降水主要分布在黎平、榕江、從江、麻江、丹寨、凱里、天柱，有3站大暴雨，20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)31站暴雨，其中大暴雨站點(diǎn)分別為黎平壩寨190 mm、高屯機(jī)場101 mm，榕江興華132 mm(雨情落區(qū)見下圖2)。

從降雨落區(qū)來看，“8.31”大雨落區(qū)主要分布在黔東南的中東部和南部地區(qū)，范圍偏小，量級(jí)不大，暴雨主要分布在貴州西南部地區(qū)?！?.9”暴雨落區(qū)分布在黔東南西部和中南部地區(qū)，范圍大，量級(jí)較強(qiáng)。從兩次降雨過程的自動(dòng)站逐小時(shí)降水量分布可以看出，“8.31”過程降水中，強(qiáng)降水落區(qū)主要集中在貴州西南部地區(qū)，出現(xiàn)時(shí)段在31日19—22時(shí)，最大小時(shí)雨強(qiáng)為42.8 mm，而黔東南降水時(shí)段主要出現(xiàn)在9月1日03—07時(shí)，雨量強(qiáng)度不大，最大小時(shí)雨強(qiáng)為10.0 mm(圖1黎平孟彥降水時(shí)序圖)，之后降水逐漸減弱；“9.9” 過程降水中，強(qiáng)降水時(shí)段主要出現(xiàn)在9日21時(shí)—10日02時(shí)，1 h最大降水量出現(xiàn)在黔東南的中南部為62.4 mm(圖2黎平壩寨降水時(shí)序圖)，出現(xiàn)時(shí)段為9日23時(shí)—10日00時(shí)，之后降水緩慢減弱。“8.31”和“9.9”降雨過程主要出現(xiàn)在夜間，間隔時(shí)間不長。降水來臨前，黔東南天空狀況相對(duì)較好，白天地面氣溫偏高，能量增大，對(duì)流不穩(wěn)定加強(qiáng)，配合地形的影響，導(dǎo)致中尺度對(duì)流發(fā)展旺盛。黔東南“8.31”過程降水中強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間短，而“9.9” 過程降水中強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長。

圖1 黔東南2016年8月31日8時(shí)—9月1日8時(shí)降雨量分布圖(a)和黎平縣孟彥炮站(白點(diǎn))降水時(shí)序圖(b)Fig.1 The distribution map of rainfall in Qiandongnan from 8 hours in August 31, 2016 to 8 o'clock in September 1st .Sequence diagram of precipitation at Meng Yan gun station (white spot) in Liping county

圖2 黔東南2016年9月9日14時(shí)—10日08時(shí)降雨量分布圖(a)和黎平縣壩寨炮站(白點(diǎn))降水時(shí)序圖(b)Fig.2 Qiandongnan September 9, 2016 14 hours to 10 days 08 hours rainfall distribution map and Sequence diagram of precipitation at Ba Zhai gun station in Liping county

3 兩次降水過程特征對(duì)比分析

3.1 環(huán)流特征

“8.31”降水過程中歐亞洲中高緯為“兩槽一脊”型(圖3a)，黔東南逐漸由偏西氣流轉(zhuǎn)為西北氣流，四川東南部至云南東部的高原槽逐漸東移影響貴州，并且在東移過程中先加強(qiáng)后減弱。渦度場上，在貴州中北部形成明顯的呈帶狀的正渦度場，31日14時(shí)逐漸加強(qiáng)成一個(gè)正渦度帶,正渦度中心位于四川、貴州、云南交界處，在東移過程中渦度中心逐漸減弱分裂為兩個(gè)正渦度中心，分別位于貴州西北部和銅仁地區(qū)，東北地區(qū)有一明顯的冷渦中心，其后部的偏北氣流引導(dǎo)冷空氣南下。副高588線北界位于云南西南部一線，呈西北—東南走向。700 hPa形勢(shì)場上，31日20時(shí)溫度場落后于高度場，其槽逐漸加深，西北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為正北風(fēng)。

“9.9暴雨”降水過程中歐亞洲中高緯環(huán)流形勢(shì)也為“兩槽一脊”型(圖3b)，西北地區(qū)為脊前西北氣流控制，四川東南部至云南東部有高原槽逐漸東移影響貴州，貴州大部處于槽前西南氣流中，東北地區(qū)也有一明顯的冷渦中心，中心位置較“8.31”有所偏北，其后部的西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下。副高588線北界位于貴州南部邊緣一線，呈東西走向。700 hPa形勢(shì)場與“8.31”降水過程相似，北風(fēng)風(fēng)速略有偏強(qiáng)。

圖3 2016年8月31日20時(shí)(a)和9月9日20時(shí)(b)500 hPa環(huán)流形勢(shì)圖Fig.3 August 31, 2016 20 hours (a) and September 9th 20 hours (b) 500 hPa circulation situation map

兩次降水過程期間，中低層切變系統(tǒng)都比較明顯(圖4)，但是“8.31”過程中，位于云南的熱低壓中心分裂成兩中心，分別位于云南西北部和云南東部，之后位于東部的熱低壓中心逐漸東移至廣西西部，同時(shí)850 hPa在廣西西北部有一暖區(qū)中心，中心溫度24 ℃，配合高空槽東移和冷空氣南下，廣西西北部熱低壓被填塞，形成閉合性低渦系統(tǒng)；而500 hPa分裂在銅仁地區(qū)的正渦度中心沿著槽移動(dòng)的方向往東南方向移動(dòng)至湖南地區(qū)。黔東南地區(qū)在850 hPa切變線南壓的過程中出現(xiàn)明顯的弱輻合區(qū)，冷暖氣流的流向呈東西向輻合，輻合中心位于貴州西南部和湖南中東部，這在預(yù)報(bào)場流線圖上已早有所體現(xiàn)(圖4a)。云南東部和湖南東南部分別有明顯的強(qiáng)輻散中心，兩正渦度中心與負(fù)渦度中心相互接壤，相互作用，導(dǎo)致黔東南上空沒有明顯的氣流輻合，故而不利于強(qiáng)降雨的發(fā)生和發(fā)展。

“9.9”過程較“8.31”過程有明顯差異，從全省分析來看，地面冷空氣較“8.31”過程偏強(qiáng)，位于云南的熱低壓中心位置幾乎不變，其閉合性低壓系統(tǒng)呈橢圓狀延伸至貴州地區(qū)，配合高空槽東移和冷空氣南下，在850 hPa切變線南壓的過程中同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)輻合中心，這在預(yù)報(bào)場流線圖上也早有所體現(xiàn)(圖4b)，影響黔東南的輻合中心位于黔東南中部和南部，配合中高層的系統(tǒng)影響，有利于強(qiáng)降雨的發(fā)生和發(fā)展。兩次過程都有不利的因素，即南風(fēng)偏弱，沒有達(dá)到低空急流的標(biāo)準(zhǔn)，不利于水汽更好地輸送，由此導(dǎo)致兩次過程中小時(shí)雨強(qiáng)整體不是很強(qiáng)。

圖4 2016年8月31日20時(shí)(a)和9月9日20時(shí)(b)850 hPa實(shí)況環(huán)流形勢(shì)圖與預(yù)報(bào)圖Fig.4 August 31, 2016 20 hours (a) and September 9th 20 hours (b) 850 hPa actual circulation situation chart and forecast map

3.2 物理量分析

產(chǎn)生暴雨的條件之一是必須有充足的水汽供應(yīng)， 結(jié)合兩次降雨過程的物理量實(shí)況對(duì)比(表1和表2),通過內(nèi)插法得出兩次過程中黔東南地區(qū)上空的空氣水汽含量比較充沛，已達(dá)暴雨以上量級(jí)的水汽條件，其中南部地區(qū)水汽更為充沛，尤其是貴州南部和廣西北部，以河池500 hPa比濕為5 g/kg，700 hPa比濕為12 g/kg，850 hPa比濕為17 g/kg，925 hPa比濕為18 g/kg；桂林500 hPa比濕為5 g/kg，700 hPa比濕為11 g/kg，850 hPa比濕為16 g/kg，925 hPa比濕為16 g/kg；假相當(dāng)位溫θse是表征大氣濕度、壓力、溫度的綜合物理量。溫度條件來看，暴雨發(fā)生時(shí)850 hPa θse值一般在330 K以上，700 hPa θse值為340 K以上，其值越大，表示空氣越暖濕，而850 hPa θse-500 hPa θse是反映大氣中層結(jié)潛在不穩(wěn)定，暴雨區(qū)一般在0～15 K之間，結(jié)合表1和表2分析得出，兩次過程的溫度條件都比較好，都達(dá)到了暴雨的溫度條件；從穩(wěn)定度分析得出“8.31”降水過程中貴陽和懷化的Cape值都為0 J/kg，K指數(shù)<35 ℃，SI為正值，最大上升速度(W_cape)為0，整層大氣趨于穩(wěn)定，不利于對(duì)流的發(fā)展，以穩(wěn)定性降雨為主。而貴州西南部和廣西北部整層大氣趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對(duì)流的發(fā)展，降水形式以對(duì)流性降雨為主。“9.9”降水過程中貴陽和懷化的Cape值分別為6.9 J/kg和0.6 J/kg，而河池和桂林的Cape值分別為1 724.7 J/kg和1 696.7 J/kg，K指數(shù)較“8.31”過程有所增大，除貴陽外其余都大于35 ℃，SI指數(shù)只有貴陽為正值，最大上升速度(W_cape)貴陽為3.7、懷化1.1、河池58.7、桂林58.3，較“8.31”有所增強(qiáng)，整層大氣除貴陽趨于穩(wěn)定，不利于對(duì)流的發(fā)展，以穩(wěn)定性降雨為主外，其余貴州的東部、南部和廣西的北部整層大氣則趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對(duì)流的發(fā)展，降水形式以對(duì)流性降雨為主。

3.3 云圖資料分析

利用衛(wèi)星云圖、雷達(dá)資料(圖略)等非常規(guī)資料對(duì)這兩次暴雨過程的中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行分析。黔西南地區(qū)(圖5上紅a)31日20時(shí)00分，MCC胚胎云團(tuán)迅速擴(kuò)大，表現(xiàn)為清晰的橢圓型結(jié)構(gòu)，已經(jīng)發(fā)展為MCC。銅仁的東部地區(qū)(圖5上紅b)，有一小的中β尺度對(duì)流云團(tuán)逐漸東移南下移入湖南，強(qiáng)度逐漸加大；結(jié)合冷空氣路徑，兩個(gè)明顯的中尺度對(duì)流云團(tuán)分別從黔東南地區(qū)的東北部和西南部邊緣移動(dòng)進(jìn)入湖南和廣西地區(qū)，并未對(duì)該地區(qū)造成明顯的天氣影響。而“9.9”降水過程中9日16時(shí)00分，貴州地區(qū)上空出現(xiàn)3個(gè)對(duì)流系統(tǒng)a、b、c(圖6a)；影響黔東南地區(qū)的中β尺度對(duì)流云團(tuán)b迅速發(fā)展擴(kuò)大，其主體部分接近橢圓形，而在其西南面有一孤立的對(duì)流云團(tuán)表現(xiàn)為一個(gè)長的對(duì)流云帶a，與銅仁地區(qū)對(duì)流系統(tǒng)c3個(gè)系統(tǒng)相連呈一線，系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展壯大并逐漸向東南方向移動(dòng)。9日21時(shí)00分，以對(duì)流系統(tǒng)a為中心的MCC主體進(jìn)一步擴(kuò)大，仍然近似橢圓，云帶變寬，對(duì)流云團(tuán)b已經(jīng)影響黔東南并出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)降雨天氣(圖6b)。

表1 2016年8月31日20時(shí)城市實(shí)況物理量Tab.1 20 hours in August 31, 2016, the actual physical quantities of the city

表2 2016年9月9日20時(shí)城市實(shí)況物理量(北京時(shí))Tab.2 20 hours in September 9, 2016, the actual physical quantities of the city (Beijing time)

圖5 2016年8月31日20時(shí)實(shí)況紅外云圖，箭頭表示對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)方向，三角形表示黔東南地區(qū)Fig.5 In August 31, 2016, the infrared cloud picture was shown at 20 o'clock. The arrow indicated the direction of the convection system. The triangle indicated Qiandongnan area (Beijing time)

此后，紅外云圖上以對(duì)流系統(tǒng)a為中心的MCC主體的對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展東移南下進(jìn)入廣西，對(duì)流很強(qiáng)盛，而且范圍特別大，而東面的對(duì)流云團(tuán)b正在減弱，對(duì)流云團(tuán)c已東移進(jìn)入湖南地區(qū)，對(duì)黔東南無影響。在主體MCC西側(cè)，仍然有β和γ中尺度對(duì)流云團(tuán)在發(fā)展東移，即將并入MCC，但由于冷空氣的繼續(xù)推進(jìn)，系統(tǒng)整體南壓，新生的對(duì)流系統(tǒng)無法影響黔東南地區(qū)，降水逐漸減弱，b對(duì)流系統(tǒng)逐漸變?yōu)榉稚⒌脑葡到Y(jié)構(gòu)；兩次過程中，對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)方向一致，呈西北—東南方向，并且在南壓過程中逐漸發(fā)展壯大，造成明顯的強(qiáng)降雨天氣過程。

4 數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

對(duì)比兩次降雨過程模式物理量場分析預(yù)報(bào)：

EC-thin模式：兩次降雨預(yù)報(bào)過程中，對(duì)形勢(shì)場把握較好，尤其是850 hPa低層切變線南下的路徑和移動(dòng)速度(圖4)。“8.31”過程切變線南壓的過程中出現(xiàn)明顯的弱輻合區(qū)在預(yù)報(bào)場上有所體現(xiàn)；從預(yù)報(bào)的物理量場分析，水汽條件、溫度條件均已滿足暴雨的形成條件(圖略)，而從渦度場上分析，尤其是850 hPa渦度場(圖7)，“8.31”過程中預(yù)報(bào)在貴州的西南部地區(qū)出現(xiàn)一個(gè)明顯的強(qiáng)的正渦度中心，其強(qiáng)度明顯超過位于黔東南的渦度場，阻斷了來自西南方向往黔東南地區(qū)的水汽輸送，之后該渦度中心繼續(xù)維持東移南下進(jìn)入廣西，結(jié)合實(shí)況的紅外云圖，形成一明顯的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，最后其強(qiáng)度達(dá)到中γ尺度，而位于黔東南地區(qū)的渦度逐漸減弱轉(zhuǎn)為負(fù)值，配合850 hPa預(yù)報(bào)的形勢(shì)場，不利于該地區(qū)出現(xiàn)明顯的強(qiáng)降雨?！?.9”過程中預(yù)報(bào)在貴州的中南部一線地區(qū)出現(xiàn)多個(gè)明顯的強(qiáng)渦度中心(圖8)，呈西南—東北走向，其強(qiáng)度除西南部偏強(qiáng)外，其余基本一致，結(jié)合形勢(shì)場預(yù)報(bào)得出該多個(gè)強(qiáng)渦度中心場上空將出現(xiàn)多個(gè)對(duì)流系統(tǒng)，實(shí)況紅外云圖驗(yàn)證了這一預(yù)報(bào)結(jié)論，黔東南的中東部和西部將會(huì)出現(xiàn)對(duì)流系統(tǒng)，然后逐漸東移南壓，強(qiáng)度變化不大。不足之處EC-thin模式在預(yù)報(bào)時(shí)對(duì)實(shí)況對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)速度滯后了近3 h，之后該渦度中心繼續(xù)維持東移南下進(jìn)入廣西，而位于黔東南地區(qū)的渦度場逐漸減弱，配合850 hPa預(yù)報(bào)的形勢(shì)場，降雨也逐漸減弱。

圖6 2016年9月9日16時(shí)圖a和9日21時(shí)圖b實(shí)況紅外云圖，箭頭表示對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)方向，三角形表示黔東南地區(qū)Fig.6 Figure a, figure a, September 9, 2016, and 9 days, figure B, live infrared images. The arrows indicate the moving direction of the convective system. The triangle represents the Qiandongnan region

綜合得出，對(duì)于“8.31”與“9.9”過程降雨，EC-thin模式預(yù)報(bào)渦度中心的建立和加強(qiáng)以及其移動(dòng)路徑對(duì)預(yù)報(bào)區(qū)域性暴雨有著較好的指導(dǎo)價(jià)值，但對(duì)于預(yù)報(bào)中尺度系統(tǒng)的中心及出現(xiàn)時(shí)間和移動(dòng)路徑則有一定的不確定性，仍需要人工訂正。

圖7 2016年9月1日02 h 850 hPa渦度預(yù)報(bào)場Fig.7 September 1, 2016 02 h 850 hPa vorticity prediction field

圖8 2016年9月9日23 h 850 hPa渦度預(yù)報(bào)場Fig.8 September 9, 2016 23 h 850 hPa vorticity prediction field

5 結(jié)論

本文通過對(duì)黔東南地區(qū)出現(xiàn)一般性降雨和區(qū)域性暴雨天氣過程的對(duì)比分析，得出這兩次過程降水存在一定的相似性和差異，具體主要結(jié)果如下：

①兩次過程降水形成時(shí)，中高層有高原槽東移影響，地面均有冷空氣入侵，地面輻合線鋒生加強(qiáng)；850 hPa存在明顯的低層輻合切變線，雨區(qū)位于切變線附近。所不同的是：兩次降水過程中低層影響天氣系統(tǒng)不同，“8.31”過程低層切變線在南壓經(jīng)過黔東南地區(qū)時(shí)，黔東南上空出現(xiàn)明顯的弱輻合區(qū)，原因是位于云南地區(qū)的熱低壓中心分裂東移被填塞，形成閉合性低渦系統(tǒng)。同時(shí)高原槽東移過程中減弱分裂的另一個(gè)正渦度中心位于銅仁地區(qū)，形成弱的閉合性低渦系統(tǒng)，兩低渦系統(tǒng)在700 hPa槽加深的引導(dǎo)下往東南方向移動(dòng)，從而引導(dǎo)低層冷暖氣流分別向黔東南東西兩側(cè)區(qū)域呈明顯的匯集形勢(shì)；“9.9”過程中熱低壓中心位于云南地區(qū)沒有明顯移動(dòng)，其閉合系統(tǒng)延伸到貴州地區(qū)，低層切變線在南壓過程中，出現(xiàn)多個(gè)輻合中心，其中有1～2個(gè)輻合中心影響黔東南地區(qū)，生成的多個(gè)中β尺度對(duì)流單體獨(dú)立發(fā)展逐漸合并為一個(gè)中γ尺度對(duì)流系統(tǒng)，對(duì)流云發(fā)展旺盛、伸展高度較髙、具有混合相層和暖云層剖面結(jié)構(gòu)，屬于積狀云為主的混合降水，最后與貴州西南部的中γ尺度對(duì)流系統(tǒng)呈東北一西南向的帶狀和橢圓狀的對(duì)流云團(tuán)，屬于層狀云和積狀云混合降水。兩次降水過程，都屬于冷鋒低槽型降水。

②對(duì)暴雨中心及觸發(fā)機(jī)制討論發(fā)現(xiàn)，降水發(fā)生前，黔東南地區(qū)受熱低壓影響，天氣晴好，地面增溫，使大氣低層具有一定熱力條件，偏南風(fēng)使得低層暖濕條件偏好，冷空氣在南壓的過程中，上升運(yùn)動(dòng)得到進(jìn)一步發(fā)展，地面輻合線觸發(fā)降雨的發(fā)生發(fā)展，同時(shí)，渦度場上強(qiáng)渦度中心的建立，使得該地區(qū)的降水迅速發(fā)展壯大，容易形成暴雨中心。針對(duì)貴州暴雨的共同特征，冷鋒低槽型暴雨在滿足溫、濕的條件下，預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)應(yīng)放在：地面風(fēng)場中輻合線的加強(qiáng)、影響黔東南的強(qiáng)渦度中心的建立和加強(qiáng)及其移動(dòng)路徑、熱低壓中心位置及其移動(dòng)路徑等。

③不同于很多強(qiáng)對(duì)流天氣和暴雨天氣過程，這兩次降雨過程中的偏南氣流都有所偏弱，沒有達(dá)到急流的強(qiáng)度，值得進(jìn)一步的分析探討。從地形上看黔東南處于山區(qū)，有一定的地理因素影響，但在本文中對(duì)地形條件在兩次降雨的過程中沒有作詳細(xì)分析討論，需進(jìn)一步研究分析。