石阡大暴雨环境场及强降水形成原因分析

杨　群，陈关清，白琴琴，安　祥

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州　铜仁　554300；2.贵州省江口县气象局，贵州　江口　554400)



石阡大暴雨环境场及强降水形成原因分析

杨群1，陈关清1，白琴琴2，安祥2

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州铜仁554300；2.贵州省江口县气象局，贵州江口554400)

2014—2015年石阡出现了5次历史罕见的大暴雨天气过程，其总雨量多，强度大，灾害严重。该文针对这5次大暴雨过程从地形、天气背景、卫星、雷达回波特征等方面进行分析，得出：①石阡暴雨集中出现在地形低洼地带及迎风坡站点；②低层偏东风、中高层偏西南风的垂直分布，形成近地面低层辐合、边界层辐散的垂直环流结构，是造成石阡局地暴雨增强的重要原因；③在遵义北部或西部生成的低涡切变线是造成石阡暴雨的主要影响系统；④雷达回波特征直接反映了暴雨云团的生成地及移动发展方向，对短时暴雨的预报有较好的指示意义；⑤对流云顶温度TBB值的大小可以反映雨强的大小，当对流云团逐渐移进石阡其梯度逐渐增大时，雨强逐渐增大。

暴雨；低涡；TBB；雷达回波

1　引言

暴雨是多种天气尺度的系统相互作用而产生，有利行星尺度和天气尺度系统并不是直接产生暴雨的因素[1]。天气尺度系统提供了中尺度上升运动的背景，使得中尺度降水系统发生[2]。强降水是在有利的天气尺度背景下，由中小尺度系统直接导致产生[3-5]。对于中小尺度天气环境条件鲁亚斌等[6-8]从涡度和散度、垂直速度和能量、水汽方面作了全面深入研究，指出高效的水汽凝结在水汽强配置的环境下可以导致短时强降水。近年来，石阡县暴雨频繁发生，由于石阡地形复杂，暴雨的局地性、突发性明显，易造成突发灾害。本文针对近2 a来石阡县出现的大暴雨天气过程，从地形、环流形势场、雷达回波等方面进行了详细分析，希望能对石阡县暴雨预报工作提供参考。

石阡处于贵州省东北部，该县境内地势呈东部及西部高山、中部盆地的喇叭口状，石阡县城处于两山之间的低洼地带，西部为佛顶山其海拔高度1 870 m左右，东侧为梵净山南段的大顶山海拔高度1 562 m左右，中间低洼地带海拔高度在400～700 m之间，这种复杂的地形，使其降水分布有明显的地理特征。关于贵州复杂地形下的暴雨和大暴雨天气过程，研究[9-11]发现暴雨落区受地形影响明显，且多为中小尺度天气系统造成。

历史上石阡为少暴雨区，年平均暴雨日数<3 d，而2014—2015年石阡的暴雨甚至特大暴雨频发，造成该县洪涝灾害严重。因此针对2014年5月24—25日、2014年6月3—4日、2014年7月14—15日、2014年8月17—18日、2015年6月2—3日石阡出现的大暴雨和特大暴雨过程，利用NCEP /NCAR 1.0°×1.0°格点再分析资料、卫星、铜仁雷达产品资料，从天气背景、暴雨中小尺度特征等方面进行分析，以期找到石阡大暴雨发生的原因。

2　资料选取

选取贵州石阡2014年5月24—25日、2014年6月3—4日、2014年7月14—15日、2014年8月17—18日、2015年6月2—3日5次大暴雨过程24 h雨量及逐小时雨量数据；2011—2014年石阡县19个雨量自动站>50 mm的降雨日数；NCEP /NCAR 1.0°×1.0°格点再分析资料；铜仁川硐雷达产品资料。

3　地形特点及对暴雨落区的影响

石阡地势呈向北开口的喇叭口状，从近4 a石阡19个雨量自动站>50 mm的暴雨日数与地形叠加情况，可见看出，石阡暴雨峰值出现在喇叭口低洼地带的龙塘—石阡县城—花桥—大沙坝一带，及地势较高处东风气流的迎风坡东侧的甘溪。

从所选的5次大暴雨天气过程24 h雨量落区分布(图2)来看，佛顶山与大顶山之间地形呈开口的喇叭状的地区，其雨量在100 mm以上，最大为256 mm，较其他地区相差2～5倍，表明地形对降水有明显的增幅作用，当盛行风向朝喇叭口灌进时，由于地形的收缩，辐合上升引起上升运动的加强和降水的增大[9-10]。在其东风迎风坡的佛顶山坡处的甘溪、国荣等地降水量在50～100 mm之间，是除低洼地带外的其他地区的1～2倍，由于地形迎风坡对边界层气流有明显的抬升作用，使得强雨团在该地发展，降水增强。从石阡本站5次暴雨逐小时雨量演变可以看到，除了2014年7月14—15日及8月17—18日石阡小时雨量为30 mm左右，持续时间较长外，其余暴雨过程小时雨量均达50 mm以上，其中2014年6月3—4日小时雨强最大达109 mm，呈现陡增陡降的趋势，表现为小时雨强大，突发性强、强降雨时间短，可见石阡暴雨多以突发对流性降水为主。

4　环境场分析

4.1500 hPa背景形势场

5次大暴雨过程发生前，500 hPa高度场上(图略)，东亚中高纬为大低槽，高空槽叠加高原槽东移，副热带高压588 dagpm线，除2014年6月3日大暴雨过程外，其余4次大暴雨过程都控制在25°～30°N之间。从5次暴雨过程平均的500 hPa高度场分析(图3)，大暴雨过程前30°～50°N，85°～115°E之间高空槽形成，高原上高原槽分裂短波槽东移，副热带高压588 dagpm线北界控制在28°N附近，西伸脊点稳定在25°N，孟加拉湾地区有低涡槽形成。这种形势表明，高空槽带动地面冷空气南下与副热带高压外围的强西南气流在石阡汇合，利于石阡强对流天气的发生。孟加拉湾地区有低涡槽形成，槽前西南气流利于向暴雨区输送暖湿水汽。

4.2低层(低涡)切变线对暴雨的作用

低空急流的建立和维持可为暴雨的发生发展提供有利的水汽条件，低空(低涡)切变线的形成，为暴雨的发生提供了有利的动力抬升机制。高守亭[11]研究指出，在边界层内的摩擦作用下, 较弱的低涡就可导致明显的径向流动,使中心附近垂直运动达到中尺度垂直运动的量级。

下面分析石阡5次大暴雨过程低涡切变的演变情况(图4)，石阡5次暴雨发生时，低层850 hPa为西南风急流或东南风，并在石阡境内有正涡度区发展。5次暴雨发生前08时(图略)，在遵义有低涡生成，并伴有孟湾沿广西到贵州至湖南的低空急流建立，随后随着低涡北侧北风的南扩，低涡东移南压；在暴雨即将发生和发生时，低涡移进石阡，并发展增强，低涡中心值达4～5 s-1，北侧重庆—遵义一带为偏北风，急流辐合区位于贵州南部，冷暖气流在遵义南部—贵州东北部的石阡区域内辐合，此种形势有利于石阡强对流天气的发生发展。

4.3负变温对暴雨的指示作用

分析24 h变温来判断高低层冷空气入侵情况，从表1可看到，5次大暴雨过程冷空气强度和厚度有所不同。2014年5月24—25日、2014年7月14—15日2次大暴雨过程是中层冷空气先于低层南下，在暴雨发生前700 hPa石阡境内先降温，幅度为-0.5 ℃左右；850 hPa在暴雨发生前气温有升高或维持，低层850 hPa增温、中层700 hPa降温的形势使大气不稳定度加大，有利于不稳定能量聚集和对流天气产生，当低层温度也降低时暴雨发生。2014年6月3—4日、2015年6月2—3日2次大暴雨过程，表现为中、低层冷空气同时入侵， 700 hPa和850 hPa在暴雨发生前都出现负的24 h变温值，且低层变温逐渐增强，最大变温幅度达-5 ℃，表明干冷空气通过下沉运动渗透到了低层，加强了边界层内冷暖气流的辐合，强对流天气发展，2次过程石阡小时雨强达到75 mm以上。2014年8月17—18日表现为冷空气先入侵低层，850 hPa在暴雨发生前出现负的变温，强度为-1 ℃左右，中层700 hPa为气温升高或无变化，即中层暖空气沿低层冷空气爬升，中低层冷暖气流汇合而产生降水。

图2　石阡站5次大暴雨过程24 h雨量落区图(虚线包围区为低洼地带区)及石阡逐时雨量演变Fig.2　The 24-hour rainfall of the five torrential rain processes in Shiqian 24-hour rainfall diagram (surrounded by a dotted line for low-lying areas) and hourly rainfall evolution

图3　石阡站5次大暴雨过程平均500 hPa高度场Fig.3　An average of 500hpa height field of five torrential rain processes in Shiqian

由此可见，冷空气的南下利于强对流天气的发生，当冷空气由中层渗透到低层，整层为负变温区时，更利于短时强降水的发生。

5大暴雨形成的风场与地形特征分析

5.1风速垂直廓线分布分析

从石阡区域内平均风廓线图显示(图5)，5次大暴雨过程在暴雨发生前，低层850 hPa以下为东北风，表示近地层有冷垫，中高层整层为西南气流，暖湿气流沿着冷垫爬升，冷暖气流交汇，大气逐渐趋于不稳定状态。在暴雨即将发生及暴雨发生后，高层冷空气入侵，逐渐转为偏北风控制(西北风或东北风)，并随时间偏北风向南伸展，甚至转为整层的偏北风，云层变薄，降水减弱。

5.2地形与风场特征分析

配合石阡地形来看，由于受佛顶山与大顶山地形切割影响，石阡境内呈现开口的喇叭状地形，东、西侧高中间低。根据天气动力学原理[12]，低层的偏东风气流经大顶山爬坡，在背风坡下沉，而在背风坡是有利于气旋性涡度加强；同时，近地层偏东风将会经石阡低洼地带再沿西侧佛顶山爬升，地形作用下将产生质量堆积及在近地面山前形成辐合，气旋性涡度进一步增强。低层空气质量辐合堆积，由于空气质量连续补偿原理[12]，山前辐合必然会产生空气沿山体的强迫抬升，而中高层偏西南气流将对沿山体的抬升空气起加强作用，形成向后卷作用。因而，形成了空气质量沿山体在山前近地面形成强的辐合，在山顶以上边界层底部形成辐散的扰动结构如图6所示。

图4　石阡5次大暴雨过程发生时850 hPa涡度场(阴影，单位：s-1)与风场叠加图　2014年5月25日02时(a)、2014年6月4日02时(b)、2014年7月15日02时(c)、2014年8月18日02时(d)、2015年6月2日20时(e)Fig.4　The 850 hPa vorticity field (shadow, unit:s-1) and the superposition of wind field of five torrential rain processes in Shiqian On May 25, 2014, 02 when (a), June 4, 2014, 02 (b), on July 15, 2014, 02 (c), on August 18, 2014, 02 (d), June 2, 2015, 20 (e)

日期(年—月—日)层次24小时变温(单位:℃)2014-05-24—2524-0824-1424-2025-0225-0825-14700hPa1-1.5-0.5-0.500.5850hPa2.5000-1-0.52014-06-03—403-0803-1403-2004-0204-0804-14700hPa0-1-1.5-0.500850hPa-4-5-4-1.5022014-07-14—1514-0814-1414-2015-0215-0815-14700hPa0.50-0.5-0.5-0.50850hPa0.51.51-0.5-0.5-0.52014-08-17—1817-0817-1417-2018-0218-0818-14700hPa0.50.500-0.5-1.5850hPa1-2-1.5-0.5-1.5-32015-06-02—302-0802-1402-2003-0203-0803-14700hPa00-0.5-0.5-1-1850hPa00-0.5-0.5-1-5

图5　石阡5次大暴雨过程垂直风廓线图(阴影，单位：m/s)　2014年5月24—25日(a)、2014年6月3—4日(b)、2014年7月14—15日(c)、2014年8月17—18日(d)、2015年6月2—3日(e)Fig.5　The vertical wind profile chart (shadow, the unit: m/s) of five torrential rain processes in Shiqian on On May 24 to 25, 2014 (a), June 3—4, 2014, (b), July 14—15, 2014 (c), August 17—18, 2014 (d), June 2—3, 2015 (e)

图6　暴雨发生各时段地形与风场关系模型Fig.6　The terrain-wind field relationship model of all time rainstorm

石阡2014—2015年5次大暴雨过程，在暴雨发生前及发生时中高层为偏西南风，近地层偏东风的环流背景下，地形的收缩，辐合上升运动，造成了局地暴雨—大暴雨。因此，这样低层偏东风，中高层偏西南风的分布结构，在地形作用下形成了石阡局地强降水。

6　卫星对流云团演变特征分析

TBB是云顶黑体辐射温度,TBB温度越低,表明云顶越高,对流越旺盛，研究表明[13-14]，云顶温度与降水强度有很好的相关性,其演变特征能很好的反映降水的落区。等值线疏密所反映的云顶温度梯度,对中尺度对流云团的发展有很好的指示意义[15]。下面应用FY2E卫星反演TBB资料，对石阡5次暴雨过程其对流云团演变特征进行分析(图7)。

2014年5月24日—25日暴雨过程，24日21时对流云团在兴义生成，沿东北方向移动，25日02时进入石阡，04时中心强度达-60 ℃，对应TBB场与小时雨量演变曲线(图7a)发现，降水从开始到逐渐增强的时段对应了TBB值的增强。随着TBB中心强度达到最强值-84 ℃后开始减小，从最大值至减小的时段内，降雨强度逐渐减小。2014年6月4日大暴雨(图7b)，4日00时对流云团在石阡原地生成，中心强度值为-12 ℃，04时增强达-51 ℃，对

图7　石阡5次大暴雨过程小时雨量与卫星TBB演变曲线(a)2014年5月25日00—11时，(b)2014年6月4日00—10时，(c)2014年7月15日00—20时，(d)2014年8月18日00—09时，(e)2015年6月2日15时—3日05时Fig.7　The hourly rainfalls and satellite TBB evolution curve of five torrential rain processes in Shiqian (a) 00∶00—11 a.m. on May 25, 2014, (b) on June 4, 2014 00∶00—10∶00, (c) 00∶00—20∶00 on July 15, 2014, (d) 00∶00 to 09∶00 on August 18, 2014, 2015 (e) 05∶00 15∶00 on June 2—3 days

流云团增强的时段，石阡小时雨强从18 mm增大到100.1 mm。2014年7月15日01—06时(图7c)，对流云团在遵义东南部生成，东移影响石阡，当TBB值从-25 ℃减小为-60 ℃时，对应石阡小时雨量持续增大达28 mm，当达到最强并维持-40 ℃时，小时雨强减小。2014年8月18日00—08时(图7d)，云团在遵义东南部生成，东移影响石阡，其强降水开始到逐渐增强的时段对应了TBB强度逐渐增强，当云顶温度达到最低后，TBB值逐渐减小时，降雨强度也减小。2015年6月2—3日暴雨过程，2日14时对流云团在黔南北部与黔东南西北部交界处生成，然后东北移影响石阡。其TBB与小时雨强演变曲线来看(图7e)，强降水从17—22时逐渐达到最大，对应的TBB值逐渐增强。由此可见，5次大暴雨过程，其对流云团生成地不同，对流云顶温度TBB值的大小可以反映雨强的大小，但只有在对流云团逐渐移进石阡梯度增大时，雨强逐渐增大，当TBB云顶温度中心值减小到最大时，且在维持阶段和增温移出石阡阶段，雨强减小。

7　石阡暴雨雷达回波特征分析

雷达回波的反射率因子的强度和回波移向可更直观的判断未来降雨的强度和发展情况。下面针对石阡5次大暴雨过程，对其雷达回波演变情况及强度进行分析。

2014年5月25日、2014年6月4日、2015年6月2日石阡的大暴雨过程以对流降水为主，其小时雨强达50 mm以上。从图8雷达回波特征来看，2014年5月25日03时03分(图8a)大于35 dBz对流回波在石阡西部聚凤东侧生成，回波伸展高度为8 km，并伴随有14～16m/s的西南风，到25日04时19分(图略)回波从聚凤乡东侧沿西南风方向往石阡低洼地带的甘溪—中坝—石阡移动，使得东移的回波叠加在石阡县城附近为35 dBz强度回波上，回波强度增强达45 dBz以上。同时大于35 dBz回波伸展高度达11 km，大于45 dBz强回波已伸展至9 km左右，为深厚的对流回波云团，强降雨形成。

图8　2014年5月25日03时03分(a)和25日04时19分(b) 1.5°仰角反射率因子及反射率因子剖面(c)Fig.8　The 1.5 ° Angle reflectivity On May 25, 2014 03∶03 (a) and On June 4, 2014 00∶26 (b)、On June 2, 2015 22:22 (c)

2014年6月4日、2015年6月2日大暴雨过程，雷达回波显示2014年6月4日00时26分(图8b)、2015年6月2日22时22分(图8c)有大于35 dBz对流回波在石阡西部本庄东部龙井乡生成，其回波伸展高度为4～5 km，伴随有18～20 m/s的西南风，石阡本地有大于35 dBz回波生成。未来随着西南风方向向低洼地带的石阡县城移动。同时图6显示低层850 hPa以下石阡境内吹东风或东北风与石阡西部1 800 m的高海拔地形垂直，由于地形的抬升和喇叭口收缩作用，引起辐合上升运动增强，对流云团在2014年6月4日02时10分(图略)和2015年6月2日23时31分(图略)回波增强到45 dBz以上，其伸展高度也升高至9 km左右，>35 dBz回波伸展高度为6～7 km，降雨量增大，小时雨强达80 mm以上。

2014年8月18日、2014年7月15日大暴雨天气，其雨强较小，为稳定持续降雨过程。从雷达回波分析得出，2014年8月18日04时20分(图9a)及2014年7月15日06时57分(图9b)从聚凤东侧至五德西部之间不断有>35 dBz对流回波生成，并伴随西南风向沿低洼地带的石阡县城方向移动，形成列车效应，其回波伸展高度较低在4 km左右。

石阡的暴雨对流云团来源(图10)一是从石阡西部的聚凤乡东侧生成，伴随西南风，从地势较高处往石阡低洼地带甘溪—中坝—石阡移动；二是从石阡西部本庄东部龙井乡生成，随着西南风方向向低洼地带的石阡县城移动，当回波强度达45 dBz以上，35 dBz回波伸展高度达9 km以上，45 dBz强度回波达8 km以上时，有>50 mm以上的短时强降水发生；三是从遵义余庆方向不断有<35 dBz的对流回波，沿西南风往石阡方向不断有回波生成，形成列车效应，回波伸展高度低为4 km左右，石阡也会出现暴雨，但小时雨强不大，在30 mm左右。

8　小结与讨论

通过对贵州石阡5次大暴雨过程环流背景、卫星云图以及雷达回波演变分析得出：

图9　2014年8月18日04时20分(a)及2014年7月15日06时57分(b)1.5°仰角反射率因子图Fig.9　The 1.5 ° Angle reflectivity (a1) and The reflectivity profile(b1) On August 18, 2014 04∶20; The 1.5 ° Angle reflectivity (a2) and The reflectivity profile(b2)on July 15, 2014 06∶57

①石阡暴雨大多出现在低洼地带及地形迎风坡，该地降雨量较其他地区多2～5倍；在暴雨发生前及发生时中高层为偏西南风，近地层偏东风的环流背景下，地形的收缩，辐合上升运动，造成了局地暴雨或大暴雨。

②高空槽配合低层低涡切变线及冷空气南下影响是石阡大暴雨的主要影响系统是是石阡大暴雨的主要影响系统。遵义北部或西部生成的低涡，随着北风低涡东南移，当移至遵义东南部时，石阡处于低涡东侧的暖切变中，配合中低层冷空气的南下，大气处于强不稳定状态，石阡大暴雨天气发生。当冷空气由中层渗透到低层，整层为负变温区时，更利于短时强降水的发生。

③对流云顶温度TBB值的大小可以反映雨强的大小，但只有在对流云团逐渐移进石阡梯度逐渐增大时，雨强才逐渐增大，当TBB云顶温度中心达到最低并维持一直到逐渐增温移出石阡时，雨强是逐渐减小的。

④石阡的暴雨对流回波，一是从石阡西部的聚凤乡东侧生成，伴随西南风，从地势较高处往低洼地带甘溪—中坝—石阡移动；二是从石阡西部本庄东部龙井乡生成，随着西南风方向向低洼地带的石阡县城移动；三是从黔东南余庆方向不断有小于35 dBz的对流回波，沿西南风往石阡方向不断有回波生成，形成列车效应。

图10　石阡对流云团生成地与地形叠加图Fig.10　The generation of convective cloud with the superposition of terrain map in Shiqian

本文主要选取了石阡5次大暴雨过程进行分析，其个例次数较少得出的结论还不能完全代表石阡暴雨发生的指标和原因，后期增加暴雨次数，详细分析其暴雨原因，以期更好地得出石阡暴雨预报指标。

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Analysis on Environmental and Forming Reason of Rainstorm in Shiqian

YANG Qun1,CHEN Guanqing1,BAI Qinqin2,AN Xiang2

(1.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province, Tongren 554300, China；2.Jiangkou Meteorology Bureau of Guizhou Province, Jiangkou 554400, China)

From 2014 to 2015 Shiqian county of Guizhou province experienced five historical rare heavy rain weather processes with large and intensive total rainfall and severe disasters. The five torrential rain processes were analyzed in view of the terrain, weather background, satellite and radar echo characteristics. The results show that:1) The rainstorm concentrated in low-lying terrain and windward slope site in the Shiqian; 2) The vertical distribution of low-level eastern winds and high-level west southern wind formed a vertical structure of near the ground low-level convergence and the boundary layer divergence, that is the important cause of Shiqian local heavy rain enhancement; 3) In the Zunyi north or west generated vortex shear line is the main impact of Shiqian storm system; 4) The radar echo characteristics directly reflects the formation of storm clouds and mobile development direction, it has a good instruction significance of the short-time rainstorm forecast ; 5) The size of the TBB values of cloud top temperature can reflect the size of the rainfall intensity, when convective clouds gradually move near Shiqian, its gradient increase gradually, rainfall intensity increased gradually.

heavy rain; low vortex; TBB; radar echo

1003-6598(2016)03-0014-10

2015-12-11

杨群(1983—)，女，工程师，主要从事短期天气预报研究工作，E-mail:yangqun121@sina.com。

中国气象局预报员专项项目CMAYBY2015-069。

P458.1+21.1

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