安順一次罕見(jiàn)秋季特大暴雨天氣分析

曾 妮 ，方 鵬，何莉陽(yáng)，劉思洋，王興菊

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，廣西 南寧 530000)

0 引言

暴雨是我國(guó)最常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣之一，常常引起山體滑坡、泥石流和城市內(nèi)澇等災(zāi)害，對(duì)人們的生命、財(cái)產(chǎn)等造成嚴(yán)重?fù)p失。許多氣象工作者對(duì)暴雨天氣的影響系統(tǒng)、環(huán)境條件、環(huán)流形勢(shì)等進(jìn)行分析和研究[1-5]。趙思雄等[6]對(duì)華北和北京的一次大暴雨過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，暖(濕)輸送帶自南向北推進(jìn)對(duì)華北和北京地區(qū)的水汽通量輻合至關(guān)重要。鄧承之等[7]對(duì)一次西南渦特大暴雨過(guò)程中MCS的演變特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中低層西南風(fēng)或南風(fēng)急流的增強(qiáng)、低空及地面暖濕入流的增強(qiáng)均有利于MCS的增強(qiáng)。杜小玲等[8]分析貴州望謨的一次暴雨天氣，發(fā)現(xiàn)鋒生造成的強(qiáng)降水出現(xiàn)在鋒區(qū)南側(cè)和暖濕空氣北側(cè)的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。夏季(6—8月)是貴州暴雨天氣過(guò)程最為集中的季節(jié)，秋季(9—11月)是貴州暴雨天氣過(guò)程逐漸減少、雨季逐步結(jié)束的季節(jié)。曾妮等[9]對(duì)安順市大暴雨的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2009—2019年11a間9月安順市出現(xiàn)大暴雨的天數(shù)僅為5 d。2020年9月14日安順市出現(xiàn)特大暴雨天氣過(guò)程，其影響范圍和累計(jì)雨量超過(guò)了安順市秋季暴雨的歷史極值。因此，本文利用FNL 1°×1°再分析資料、FY-2F衛(wèi)星TBB資料及常規(guī)氣象觀測(cè)資料，對(duì)2020年9月14日安順市暴雨天氣過(guò)程的成因進(jìn)行分析，以期為提高安順地秋季暴雨預(yù)報(bào)及服務(wù)水平提供參考。

1 過(guò)程概況

2020年9月13日20時(shí)—14日20時(shí)(簡(jiǎn)稱14日，下同)，安順市出現(xiàn)全年影響范圍最廣的暴雨天氣，全市除紫云縣南部以外，普降暴雨到大暴雨，局地特大暴雨(圖1a)。由圖看出，此次暴雨天氣過(guò)程共出現(xiàn)特大暴雨4站、大暴雨54站、暴雨80站，最大累計(jì)降水量為紫云縣白石巖站的258.7mm。此次暴雨天氣過(guò)程的影響范圍和大暴雨以上量級(jí)的降水站次，突破安順市秋季暴雨的歷史極值。

對(duì)出現(xiàn)特大暴雨的站點(diǎn)進(jìn)行逐小時(shí)雨量分析(圖1b)發(fā)現(xiàn)，此次暴雨過(guò)程的對(duì)流性不是很強(qiáng)，在降水最強(qiáng)的時(shí)段(14日01—07時(shí))小時(shí)雨強(qiáng)大多在20～40 mm·h-1之間，僅有3個(gè)時(shí)次小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)40 mm·h-1，最大小時(shí)雨強(qiáng)為鎮(zhèn)寧縣炳云的47.1 mm·h-1，14日07時(shí)以后以穩(wěn)定性降水為主。此次暴雨天氣過(guò)程的短時(shí)強(qiáng)降水(小時(shí)雨強(qiáng)≥20 mm·h-1)持續(xù)時(shí)間和穩(wěn)定性降水持續(xù)時(shí)間均較長(zhǎng)，是造成全市大范圍出現(xiàn)暴雨—大暴雨的主要原因。

圖1 安順市2020年9月13日20時(shí)—14日20時(shí)累計(jì)降水量(a)、特大暴雨站點(diǎn)逐小時(shí)降水量(b)

2 大氣環(huán)境條件分析

2.1 天氣形勢(shì)

9月13日08時(shí)(圖2a)，200 hPa貴州處于南亞高壓東部脊區(qū)，高層輻散的抽吸作用利于低層氣流輻合上升；500 hPa副熱帶高壓脊線位于25°N附近，西脊點(diǎn)位于75°E附近，南支槽位于四川西部—云南西部，貴州處于槽前西南氣流中；700 hPa切變線位于陜西南部—四川中北部以及云南西部，貴州受4～6 m·s-1的偏西氣流影響；850 hPa四川西部低渦切變建立，貴州處于低渦切變南側(cè)的偏南氣流中，風(fēng)速為2～4 m·s-1。20時(shí)(圖2b)，500 hPa副熱帶高壓略有西伸，同時(shí)南支槽加深，其北段東移到四川東部；700 hPa原位于陜西南部—四川中北部的切變線由南北向轉(zhuǎn)為東西向，位于四川北部—重慶北部，西南氣流增強(qiáng)到8～12 m·s-1；850 hPa低渦切變穩(wěn)定維持，偏南氣流增加到4～6 m·s-1。從海平面氣壓場(chǎng)看出(圖略)，08時(shí)有弱冷空氣從東北方向滲透影響貴州，17時(shí)冷高壓分裂南下，在湖北和湖南的交界處形成1個(gè)高壓中心，冷空氣影響強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖2 13日08時(shí)(a)和20時(shí)(b)中尺度環(huán)境場(chǎng)

從500 hPa環(huán)流形勢(shì)演變看出，14日02時(shí)之前(圖3a～d)安順一直在副熱帶高壓的控制范圍內(nèi)，且西南氣流較弱。02—08時(shí)(圖3d～e)副熱帶高壓逐漸南壓到貴州南部，引導(dǎo)短波槽東移，且西南氣流明顯增強(qiáng)，為降水效率的提高提供了有利的降水條件。此期間對(duì)流性降水特征最明顯，出現(xiàn)特大暴雨的4個(gè)站點(diǎn)，其短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間為3～6 h。

圖3 500 hPa高度場(chǎng)(單位：dagpm，紅線為副熱帶高壓特征線)和風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)變化趨勢(shì)(a：13日08時(shí)，b：13日14時(shí)，c：13日20時(shí)，d：14日02時(shí)，e：14日08時(shí)，f：14日14時(shí))

綜上所述，此次暴雨天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)為高空槽和中低層低渦切變線。在強(qiáng)降水發(fā)生前，500 hPa貴州受副熱帶高壓控制，且處于副熱帶高壓北側(cè)，低層為輻合區(qū)，高層為輻散區(qū)[10]，利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展和能量積累。強(qiáng)降水發(fā)生期間副熱帶高壓快速南壓，引導(dǎo)短波槽東移。從08時(shí)和20時(shí)的實(shí)況看出南風(fēng)較弱，不利于水汽的輸送，但從圖7a看出，13日20時(shí)以后南風(fēng)逐漸增強(qiáng)，到14日02時(shí)急流建立，為暴雨的產(chǎn)生提供有利的條件。

2.2 環(huán)境條件

由于對(duì)流云團(tuán)在云南生成，并東移影響安順，且安順位于昆明和貴陽(yáng)之間，因此對(duì)昆明站和貴陽(yáng)站的T-lnp圖進(jìn)行分析。13日08時(shí)(圖略)，昆明站和貴陽(yáng)站的濕層均從近地面伸展到200 hPa，T-Td≤2 ℃，大氣接近飽和。同時(shí)，抬升凝結(jié)高度LCL較低，在800 hPa以下，暖云層較厚，降水效率高，700 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，暖平流明顯，利于低層上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。13日20時(shí)，濕層維持，昆明站從近地面到500 hPa轉(zhuǎn)為西南氣流影響(圖4a)，貴陽(yáng)站的暖平流較08時(shí)有所增強(qiáng)，500 hPa以下T-Td≤1 ℃，大氣的飽和程度增加(圖4b)。

圖4 13日20時(shí)T-lnp圖(a：昆明站，b：貴陽(yáng)站)

由表1可見(jiàn)，2個(gè)時(shí)次貴陽(yáng)站的對(duì)流有效位能CAPE幾乎為0，但昆明站的對(duì)流有效位能CAPE從1203.3 J·kg-1增加到1590.1 J·kg-1。13日20時(shí)與08時(shí)相比，抬升指數(shù)LI從負(fù)值變?yōu)檎?，表明爆發(fā)對(duì)流的可能性增大。沙氏指數(shù)SI始終小于3 ℃，利于陣雨的產(chǎn)生[10]。抬升凝結(jié)高度LCL降低到870 hPa附近，暖云層增厚，有利于降水效率的提高。同時(shí)，貴陽(yáng)站的K指數(shù)從34.7 ℃增加到36.6 ℃，達(dá)到安順市出現(xiàn)暴雨時(shí)K指數(shù)的多年同期平均閾值(≥35 ℃)[11]。

表1 昆明站和貴陽(yáng)站探空物理量值

綜上可知，對(duì)流云團(tuán)生成的區(qū)域，其水汽、能量和抬升條件均較好，在對(duì)流云團(tuán)東移影響的區(qū)域，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，濕層深厚，對(duì)流層中低層的暖平流使低層暖濕空氣輻合抬升，利于降水云團(tuán)的發(fā)展。

3 物理量場(chǎng)分析

3.1 水汽條件

分析強(qiáng)降水發(fā)生前后的比濕和水汽通量散度。700 hPa層上，13日08時(shí)，貴州比濕在10 g·kg-1以上，其中貴州中西部地區(qū)的比濕在11 g·kg-1以上，安順處于濕舌中(圖5a)，20時(shí)大于11 g·kg-1的濕舌范圍增大(圖5b)，且維持到14日02時(shí)(圖5c)，之后濕舌范圍逐漸減小，直到14日08時(shí)濕舌范圍明顯減小，但仍控制安順市南部(圖5d)。850 hPa層上，貴州中西部和南部的比濕一直維持在13 g·kg-1以上，從13日20時(shí)—14日08時(shí)安順一直處于比濕梯度大值區(qū)，且比濕達(dá)到14～15 g·kg-1(圖5e～h)。從850 hPa水汽通量散度場(chǎng)看出：13日08時(shí)—14日08時(shí)強(qiáng)水汽輻合中心穩(wěn)定維持在安順(圖6a～d)，且13日20時(shí)—14日02時(shí)輻合強(qiáng)度增強(qiáng)，其中心值達(dá)-8·10-5g·hPa-1·cm-2·s-1(圖6b～c)。以上數(shù)值均超過(guò)安順市出現(xiàn)暴雨的多年同期平均閾值[11]。

圖5 700 hPa(上)和850 hPa(下)比濕分布(單位：g·kg-1)(a、e：13日08時(shí)，b、f：13日20時(shí)，c、g：14日02時(shí)，d、h：14日08時(shí))

圖6 850 hPa水汽通量散度(填色，單位：10-5g·hPa-1·cm-2·s-1)和風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)變化趨勢(shì)(a：13日08時(shí)，b：13日20時(shí)，c：14日02時(shí)，d：14日08時(shí))

綜上所述，在強(qiáng)降水發(fā)生期間安順處于高濕區(qū)中，且強(qiáng)的水汽輻合中心一直穩(wěn)定維持在安順，使低空急流輸送過(guò)來(lái)的水汽和本地的水汽在安順上空輻合，為暴雨的產(chǎn)生提供了充分的水汽供應(yīng)條件。

3.2 動(dòng)力和熱力條件

從紫云縣白巖站的風(fēng)場(chǎng)、垂直速度和假相當(dāng)位溫的時(shí)間—高度剖面圖(圖7a)看出，在13日14時(shí)前大氣無(wú)明顯的上升運(yùn)動(dòng)，13日14時(shí)以后上升運(yùn)動(dòng)開(kāi)始發(fā)展并逐漸增強(qiáng)，到14日02時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)從近地面伸展到200 hPa，且在700 hPa和450 hPa附近形成2個(gè)強(qiáng)中心，其中心值達(dá)-2.1 Pa·s-1，14日08時(shí)以后上升運(yùn)動(dòng)逐漸減弱。隨著上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，對(duì)流層中、低層的南風(fēng)也隨之增強(qiáng)，14日02時(shí)在700 hPa和850 hPa有急流建立。假相當(dāng)位溫θse能綜合表征大氣的濕熱能和不穩(wěn)定度條件。從圖中看出不管是強(qiáng)降水發(fā)生前后，還是強(qiáng)降水發(fā)生期間，θse均在75 ℃以上，表明降水區(qū)處于高能高濕的環(huán)境中，且13日14時(shí)—14日02時(shí)高能舌從近地面伸展到600 hPa附近且θse/Z<0。紫云縣白巖站的降水發(fā)生在13日21時(shí)—14日13時(shí)期間，其中最強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在14日02—09時(shí)，與上升運(yùn)動(dòng)和南風(fēng)的增強(qiáng)時(shí)段及高能舌的影響時(shí)段相對(duì)應(yīng)。

從13日20時(shí)沿紫云白巖站所作的溫度平流緯向(圖7b)和經(jīng)向(圖7c)剖面看出，暴雨發(fā)生前，紫云白巖站上空對(duì)流層低層為暖平流，中心位于800 hPa附近，其值為6·10-5K·s-1，對(duì)流層中層為冷平流，在白巖站的東北方向600 hPa附近有-3·10-5K·s-1的冷平流中心；低層暖平流有減壓的作用，利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，中層冷平流的侵入導(dǎo)致未飽和空氣趨于飽和，降低了層結(jié)穩(wěn)定度，為能量和潛熱的釋放提供有利條件，從而增強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)[12]。

圖7 紫云縣白巖站風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)、垂直速度(黑色等值線，單位：Pa·s-1)和假相當(dāng)位溫(紅色等值線，單位：℃)時(shí)間—高度剖面(a)、13日20時(shí)沿25.84°N(b)和105.91°N(c)作紫云白石巖站溫度平流(等值線，單位：10-5 K·s-1)緯向和經(jīng)向剖面圖

4 TBB演變特征

使用FY-2F衛(wèi)星的逐小時(shí)TBB資料，分析此次暴雨天氣過(guò)程的中尺度對(duì)流云團(tuán)的演變特征。13日19時(shí)，在云南的東南部有2個(gè)中β尺度的對(duì)流云團(tuán)移入貴州西南部，其最低云頂亮溫為-50 ℃(圖8a)。20時(shí)，對(duì)流云團(tuán)迅速發(fā)展，TBB梯度明顯增大，在黔西南州中東部和六盤水市西部，其最低云頂亮溫達(dá)-60 ℃(圖8b)；21—22時(shí)2個(gè)對(duì)流云團(tuán)合并后向東北方向移動(dòng)發(fā)展，并進(jìn)入安順(圖略)。23時(shí)，在對(duì)流云團(tuán)的TBB梯度大值區(qū)處出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，關(guān)嶺縣谷目站小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)42 mm·h-1，此時(shí)TBB≤52 ℃的冷云區(qū)較分散，主要位于六盤水和黔西南州西部一帶(圖8c)。13日23時(shí)—14日06時(shí)，對(duì)流云團(tuán)在貴州西南部發(fā)展增強(qiáng)，影響范圍逐漸擴(kuò)大(圖8c～f)。14日04時(shí)最低云頂亮溫達(dá)到-60 ℃以下(圖8e)。06時(shí)對(duì)流云團(tuán)已發(fā)展到成熟階段，強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，安順大部被TBB≤52 ℃的冷云區(qū)覆蓋(圖8f)，由于對(duì)流云團(tuán)移動(dòng)緩慢，且強(qiáng)中心位于安順上空，使得安順出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的短時(shí)強(qiáng)降水，因此成為此次強(qiáng)降水天氣的暴雨中心。06時(shí)以后對(duì)流云團(tuán)開(kāi)始減弱，云體逐漸變得松散，14日17時(shí)云團(tuán)完全移出安順(圖8g～i)。

圖8 FY-2F衛(wèi)星TBB(單位：℃)演變(a：13日19時(shí)，b：13日20時(shí)，c：13日23時(shí)，d：14日02時(shí)，e：14日04時(shí)，f：14日06時(shí)，g：14日09時(shí)，h：14日12時(shí)，i：14日17時(shí))

綜上所述，此次暴雨過(guò)程是由2個(gè)中β尺度的對(duì)流云團(tuán)合并發(fā)展成為1個(gè)中α尺度的對(duì)流云團(tuán)，對(duì)流云團(tuán)在生成階段發(fā)展迅速，成熟以后減弱緩慢，生命史約為22 h，暴雨區(qū)與TBB≤55 ℃的區(qū)域?qū)?yīng)較好。

5 結(jié)論

①此次暴雨天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)為高空槽和中低層低渦切變線，在強(qiáng)降水發(fā)生前，500 hPa上貴州受副熱帶高壓控制，強(qiáng)降水發(fā)生期間副熱帶高壓快速南壓，引導(dǎo)短波槽東移，為暴雨的發(fā)生提供了有利的天氣尺度背景條件。

②暴雨出現(xiàn)前，500 hPa以下T-Td≤1.0 ℃，大氣接近飽和，700 hPa比濕在11 g·kg-1以上，850 hPa比濕在14 g·kg-1以上，強(qiáng)水汽輻合中心穩(wěn)定維持在安順，且14日02時(shí)低空急流建立，為暴雨的產(chǎn)生提供了充分的水汽條件，暴雨中心與水汽輻合中心相對(duì)應(yīng)；暴雨區(qū)低層暖平流有減壓的作用，利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，中層冷平流的侵入導(dǎo)致未飽和空氣趨于飽和，降低了層結(jié)穩(wěn)定度，為能量和潛熱的釋放提供有利條件。

③強(qiáng)降水的發(fā)展與中尺度對(duì)流云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展和演變有密切的關(guān)系，此次暴雨過(guò)程由2個(gè)中β尺度的對(duì)流云團(tuán)合并發(fā)展成為1個(gè)中α尺度的對(duì)流云團(tuán)，對(duì)流云團(tuán)在生成階段發(fā)展迅速，成熟以后減弱緩慢，生命史約為22 h，暴雨區(qū)與TBB≤55 ℃的區(qū)域?qū)?yīng)較好，對(duì)流云團(tuán)在安順上空穩(wěn)定少動(dòng)，導(dǎo)致全市范圍出現(xiàn)暴雨到特大暴雨。

④對(duì)流云團(tuán)生成的區(qū)域，其水汽、能量和抬升條件均較好，在對(duì)流云團(tuán)東移影響的區(qū)域，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，濕層深厚，但能量條件較差，導(dǎo)致此次暴雨過(guò)程的對(duì)流性不是很強(qiáng)，在降水最強(qiáng)的時(shí)段小時(shí)雨強(qiáng)大多在20～40 mm·h-1之間，且僅有3個(gè)時(shí)次小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)40 mm·h-1。