一次地形加强贵州暖区暴雨成因分析

滕 林，安海全,贺德军，陈 军，夏昌基

(1.贵州省剑河县气象局，贵州 剑河 556400；2.贵州省雷山县气象局，贵州 雷山 557100；3.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300)

1 引言

贵州省位于 24°37′～29°13′N，103°36′～109°35′E之间， 地处云贵高原的东斜坡，地貌雄峻，地势西高东低，平均海拔1 100 m。 地貌的显著特征是山地多，山地和丘陵占全省总面积的 92.5%，其中喀斯特地貌面积达 61.9%。由于贵州地处低纬高原山区，山区地形容易触发局地强对流暴雨天气的发生，暴雨精细化落区预报难度较大，因而贵州暴雨预报历来是气象工作的难点和社会关注的热点。贵州的气象工作者已研究表明贵州暴雨的环流系统主要有西南涡、低空切变、高低空急流、副热带高压、高空槽等[1-3]，并通过几代气象工作者的总结研究得出了对预报业务具有指导作用的贵州预报员手册[4]。预报员手册指出贵州暴雨过程的天气类型主要有：冷锋低槽型、两高切变及低涡切变型、长江横切变型(梅雨锋型)、南支槽型、台风倒槽型。但近年来暖区暴雨逐渐成为气象部门关注的热点。对于暖区暴雨的研究，我国华南地区较多[5-9]，如陈翔翔等[5]将华南暖区暴雨的环流系统划分为切变线型、低涡型和偏南风风速切变辐合型(简称偏南风型) 3大类型。夏茹娣等[6]研究分析了华南锋前暖区暴雨β中尺度系统环境特征，指出暴雨具有多尺度特征，并与季风活动、边界层的影响和地形的动力作用等有关。张晓美等[7]认为暴雨与连续生消的Mβcss的活动直接相关。叶朗明等[8]认为β中尺度对流系统(MCS)连续生成形成类似的列车效应是暴雨产生的直接原因。华南暖区暴雨的最大特点是降水强度大，一般比锋面暴雨大3～5倍[9]。目前对发生在贵州的暖区暴雨的研究相对较少，且贵州预报员手册也没有分类给出一定的预报指标。陈军等[10]对贵州一次暖区持续性区域大暴雨成因分析表明，降水易发生在低空急流左侧和热低压东部第一象限和第四象限叠加区内。周明飞等[11]参考华南暖区暴雨定义了贵州暖区暴雨为无冷空气影响贵州，贵州处于暖性低压或偏南气流，影响时产生的暴雨。由于贵州暖区暴雨多数发生在锋前偏南风或热低压区，有时候出现在环境风条件较弱或天气尺度系统配置不清晰情况下，预报难度大，常常造成暴雨漏报，且暖区降水不同于大尺度抬升条件下的锋面降水，其暴雨落区的确定和量级的把握尚有不足，因此本文将利用常规观测资料、地面加密自动站降水资料、FNL再分析资料(1°×1°)以及黔东南三穗C波段多普勒天气雷达资料、FY-2G卫星TBB资料，对环流形势不明显的暖区暴雨进行分析，特别是在山区探讨地形增幅作用，期待能对预报员手册的内容进行补充,以期在今后预报业务中遇到类似天气过程时能提供一些预报思路和参考。

2 降水预报与实况对比分析

5月26日中央气象台及贵州省气象台的预报结论为：26日20时—27日20时贵州省各地多云有分散阵雨或雷雨，东北部地区午后有35 ℃以上的高温天气(图1a)，各市州气象台的预报为多云有分散阵雨，没有预报有暴雨天气过程。从实况(图1b)看5月26日20时—27日12时，贵州省中南部和东北部受到一次强降雨天气影响，共出现200 mm以上降水8站点，大暴雨2县16乡镇，暴雨4县74乡镇，大雨8县133乡镇，强降水区域主要分布在黔东南州中西部、黔南州中部、安顺市北部、铜仁市中部、贵阳市南部。选取黔东南24 h降雨量超过200 mm的8个站点作为代表站分析小时雨强变化趋势(图1c)可知，此次暴雨过程主要出现在夜间，强降水主要集中在27日00—01时和27日04—06时两个时段，最大雨强为榕江平阳94.5 mm/h(27日04—05时)及桃江92.7 mm/h(27日00—01时)，其中雷山县高岩乡在27日05—08时降雨达212.8 mm。从实况降雨分布图和预报图对比分析来看，此次过程中央气象台、贵州省气象台、各市州气象台预报出现了明显的失误，完全没有预报出来。

图1 贵州省5月26日20时至27日20时降雨量分布图(a),预报落区图(b)，黔东南雨量超过200 mm逐小时降雨量演变情况(c) (单位：mm)Fig. 1 Rainfall distribution map (a), forecast fall plot (b),rainfall over 200 mm, hourly rainfall evolution in Qiandongnan province from 20 to 27 May 26th in Guizhou (c)(unit: mm)

3 预报失误原因分析

3.1 天气形势分析

分析26日08时中尺度环境场(图2a)，500 hPa河套至四川有一短波槽，副热带高压(以下简称副高)588线稳定维持在华南地区，副高少动是暴雨前期(26日08—20时)主要环流形势；700 hPa暴雨前期(川中存在切变系统，昆明附近有小槽，未来切变南压，小槽东移；850 hPa贵州中南部到华南大部地区为12～14 m/s低空急流控制，重庆东部到长江中下游中北部一线有低涡切变，西南低空急流的建立不仅携带了来自南海充沛的暖湿水汽，同时强劲的西南风也导致贵州中北部的低涡切变南下受阻。暴雨临近时(26日20时，图2b)，500 hPa在川东的高空槽东移，黔东南一直处于槽前和副高西北边缘的西南暖湿气流中；700 hPa，川西有一暖低涡，云南东部的小槽与位于川东的切变结合，在川东上空形成“人”字形低涡切变系统，贵州维持西南气流，黔东南处于急流的左侧，贵州除西部地区外，其余地区T-Td≤2 ℃，表明暴雨发生前水汽饱合；850 hPa暴雨临近时切变南压至贵州中部一线，开始影响黔东南，切变南侧风速虽有所减小，变为12m/s，但是由西南风转为偏南风，更有利于取近道从南海输送水汽。切变线北侧的风速变为4 m/s，切变线附近风速风向辐合明显，贵州大部分地区T-Td<2 ℃，其中贵阳T-Td=0 ℃，完全达到饱合状态，贵州水汽充沛，黔东南处于暖式切变线附近，辐合明显。到27日08时之后(图略)，500 hPa高空槽已移至湖南省，贵州处于槽后西北气流控制，低层虽然有切变维持在贵州南部，但强度已经大大减弱，降水随之也减弱。

综上所述，此次局地特大暴雨发生前期500 hPa副高稳定少动，暴雨临近时影响槽东移，中低层切变线南压及暖湿气流辐合加强触发了暴雨的发生。

图2 2015年5月26日08时中尺度环境场(a)、26日20时中尺度环境场(b)Fig.2 08∶00 in May 26, 2015,mesoscale environmental field (a) and 26 day 20 time mesoscale environmental field (b)

3.2 地形与中尺度辐合线

地形对降水的作用不可忽视，研究表明，喇叭口地形的机械挟挤效应造成的气流辐合可增强降水，且地形迎风坡具有抬升作用，对暴雨有明显的增幅作用[12-16]。雷公山是苗岭山脉的主峰，地处雷山、台江、剑河、榕江4县之间，雷公山的最高峰海拔2 178.8 m，位于雷山县城东32 km处，大致呈准东北—西南走向，局部近于南北，呈长条状展布。西南—东北走向的清水江及西北—东南走向的都柳江穿越其间，形成向南或东南开口的地形喇叭口(图3a)。26日20时(图3b)河套地区有一低压系统，新疆地区为高压系统，在贵州西南部有一热低压系统，黔东南位于热低压东北部，地面中尺度辐合线在贵州中部一线，位置为水城—凯里—天柱，呈东—西走向，黔东南地面风场为偏东风。26日23时(图3c)热低压减弱填塞，地面中尺度辐合线在贵州中部偏南位置。27日02时(图3d)热低压继续减弱填塞东退北抬至盘县，地面中尺度辐合线依然在贵州中部一线，黔东南位于热低压东部，黔东南中部以北的风向由偏东风变为东北风，同时在贵州北部有一小型高压环流系统，高压东部吹偏北风，有利于弱冷空气南下触发对流发生，此时雷山、大塘、永乐处于热低压东部，辐合线南侧风向为偏南风，雷公山迎风坡地形对偏南气流具有抬升作用。27日05时(图3e)热低压减弱填塞略东退至安顺镇宁县，地面中尺度辐合线略南压，位于六枝—都匀—雷山—榕江，雷山县风向已由东北风变为偏北风，黔东南州中西部辐合明显，且辐合加强。由于桃江、平阳等乡镇分别位于地形喇叭口的入口和喇叭口内，加上雷公山东南侧的平阳镇海拔为350 m，因而在雷公山与平阳之间形成一狭窄通道，低层偏南风可通过“狭管效应”而增强风速，而雷山站在26日20时—27日05时，风向由偏东风变为东北风到逐渐转为偏北风，表明地面辐合线北侧偏北风入侵加强。辐合线附近的风向逐渐变为偏北风与偏南风，表明辐合是逐渐加强的，而强降水发生在26日23时—27日06时，由此可推测辐合线附近辐合加强对降水加强起到了明显的作用。雷山大塘乡位于地面偏东风与偏南风的切变线北侧，即地面中尺度辐合线略偏北侧，切变线一直延伸至雷公山东南侧迎风坡中部，受高大地形影响辐合线在此中断，随着低空偏南风速的跃增，地面切变线两侧风向逐渐变为“对吹”，辐合加强。狭管效应使得雷公山东侧偏北气流分量加大，与偏南风的辐合加强。另外，辐合中心的气流受到迎风坡地形的抬升作用，使得降水强度加强。27日08时(图3f)热低压继续减弱填塞,辐合线已位于黔东南南部，此时贵州的降雨已开始减弱。

综上所述，此次暴雨发生热低压区，为典型的暖区暴雨，辐合线一直在清水江流域附近摆动，特别是较长时间维持在黔东南西部的雷山附近，雷公山山脉阻挡增强了气流辐合和加强抬升，加上地面辐合线辐合加强，使雷公山西南侧产生特大暴雨。

图3 黔东南州地形图(a)(★表征两个特大暴雨中心)；26日20时(b)；26日23时(c)；27日02时(d)；27日05时(e) ；27日08时(f) 地面环流形势图Fig.3 Qiandongnan topographic map (a) (★characterization of two rainstorm center); 26, 20; 26 (b) 23 (c); 27, 02; 27 (d) 05 (e); 27, 08 (f) surface circulation situation map

4 环境场分析

4.1 高温高湿高能环境条件

平时的预报业务中经常会发现暖区暴雨影响系统与锋面引起的稳定性强降水系统有所区别，预报征兆明显较弱于锋面暴雨，在弱的强迫抬升条件下为何会产生如此强度大、持续时间长的暴雨，或许与高湿高能环境和降水效率密切相关[10]。许珺等[17]研究指出暖区降水暴雨落区一般位于低层多层风速辐合的叠置区，低层高湿有利于降水效率的提高。从这次过程雷山高岩(108.16°E，26.33°N)各层平均相对湿度来看(图4a)，暴雨发生前雷山上空的干空气存在于200～600 hPa之间，而600 hPa以下因低空急流维持而存在高温高湿区，27日02时过后从低层开始湿度逐渐增大，此时雷山出现了短时强降水。整个过程雷山上空持续呈现明显“上干下湿”的不稳定层结。气温场上，中低层温度较高，高温高湿环境有利于降水效率的提高。对流有效位能CAPE指全位能转化为动能的小部分能量，这部分能量对大气有着积极的作用，转化为气块动能从而产生上升运动。分析对流有效位能发现26日20时(图4b)贵州中部以南地区的有效位能CAPE值达到了1 800 J·kg-1左右，到27日08时(图4c)黔东南雷山的CAPE值变小为200 J·kg-1，有效位能释放了大部分能量。从有效位能CAPE分析发现，在降水发生前期，CAPE值比较大，不稳定能量积聚，到降水产生及雨势减弱停止时，有效位能CAPE值释放。总之，高温高湿高能的环境有利于降水效率的提高。

图4 2015年5月26日08时—27日20时雷山高岩(108.16°E，26.33°N)平均相对湿度(实线，单位：%)及温度(虚线，单位：℃)时间—高度剖面(a)、26日20时(b)、27日08时(c)对流有效位能CAPE(单位：J·kg-1)Fig.4 08∶00—27 May 26, 2015 20∶00 Renee high rock (108.16～E, 26.33～N) average relative humidity (solid line, unit:%) and temperature (dashed line, unit: C) time-height profile (a), 26, 20 (b), 27, 08 (c) CAPE (convective available potential energy unit: CAPE/J-kg-1)

4.2 强上升运动

强降水除了需要大量的水汽还需要较强的上升运动，特别对于短期强降水来说，一定存在着特别强盛的上升运动。对雷山高岩降水时期(以108.16°E, 26.33°N)的上升运动做剖面分析，发现27日02时(图5)黔东南州上空900～250 hPa垂直速度为负值，有一个大的速度负值中心，表面雷山高岩上空上升运动非常强，且暴雨落区的对流层顶也为上升运动，有利于降水的发生。

图5 2015年5月26日14时—27日14时雷山高岩(108.16°E，26.33°N)垂直速度随时间垂直剖面(垂直速度单位：Pa/s)Fig.5 14∶00 May 26, 2015 - 27 day 14∶00 Renee high rock (108.16～E, 26.33～N) vertical velocity with time vertical (vertical speed unit:Pa/s)

4.3 强水汽供应

暴雨需要充足的水汽供应，在27日02时,700 hPa(图6a)贵州省为水汽通量大值区，省西南部水汽通量为35 g/(cm2·hPa·s)，黔东南水汽通量为15 g/(cm2·hPa·s)。雷山西部的水汽通量大，东部的水汽通量小，在黔东南西部雷山县有水汽通量的辐合。 27日02时850 hPa(图6b)贵州南部水汽通量为大值区，西南急流在广东、广西、湖南建立，急流在广西达到20 m/s，黔东南州位于西南急流的左前侧，水汽来源来自南海，水汽通量最大值为70 g/(cm2·hPa·s)，切变线位于黔东南州，切变线南侧的风速为12 m/s，北侧风速为4 m/s。由此可见，在黔东南地区低空为强辐合区，低空水汽充沛维持高湿状态，切变线两侧风速风向的辐合为暴雨的发生提供了充足的动力条件。

5 雷达特征分析

5.1 组合反射率因子演变及垂直剖面特征分析

从雷达组合反射率因子演变可知，26日22时39分(图7a)左右，福泉境内生成的对流单体在偏西气流引导下东移南压至雷山境内，最强回波达55 dBz。随后雷山境内不断有新的对流单体生成发展，新老对流单体不断合并加强并长时间影响雷山、丹寨、榕江、台江、剑河一带。27日凌晨开始，在雷公山西南侧有55 dBz强回波带一直维持，降水强度迅速增大，至01时最大雨强达到92.2 mm/h，出现在桃江附近(图7b)。之后回波逐渐减弱，雨强相对减小，但雷山境内仍有强度在40～50 dBz的回波经过，使得总累积降水不断增多，暴雨区域范围增大。04时以后，雷山境内的回波又开始增强(最大强度50 dBz)，超过45 dBz回波区域增大，影响雷山全县，后续还有回波移来，“列车效应”显著，雷山县多站小时雨量超过了50 mm。04—05时在榕江平阳附近出现50 dBz 强回波，榕江平阳出现了94.5 mm/h的短时强降水(图7c)。之后回波缓慢减弱移出，降水也随之减弱。

图6 2015年5月27日02时700 hPa(a)、850 hPa(b)水汽通量和风场叠加图(实线，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1)Fig.6 02 700 hPa (a), 850 hPa (b), water vapor flux and wind field superimposed plot in May 27, 2015 (unit: g·hPa-1·cm-1·s-1)

以上分析可知，此次降水过程有两个集中时段(27日00—01时和27日04—06时)，第一时段 “列车效应”显著。“列车效应”于26日23时开始形成，丹寨-都匀不断有回波生成东移经过雷山境内，被雷公山山脉阻挡，形成类似回波滞留，在南侧有绕流，缓慢东移。经统计40～60 dBz强降水回波影响雷山区域持续时间长达到8～10 h，从而使雷山境内出现多站大暴雨和特大暴雨。此外，对比分析回波发展旺盛时期不同时刻的雷达组合反射率因子及对应垂直剖面图(图略)可知，此次降水过程强回波呈典型低质心、降水效率高的热带降水型特征。

图7 雷达组合反射率因子演变情况26日22时39分(a)、27日01时17分(b)、04时58分(c)Fig.7 Radar combination reflectivity factor evolution, 26, 22∶39 (a), 27, 01∶17 (b), 04∶58 (c)

5.2 径向速度及VWP垂直风场分析

强降雨发生初期，从26日21时41分1.5°仰角径向速度图来看(图略)，1.5 km(850 hPa)以下高度层为“暖平流+辐合流场”结构，该流场配置有利于对流系统的发展。另在黔东南东部天柱县境内有明显“逆风区”存在，其与强回波区有很好的对应关系。从VWP产品来看(图8a)，地面到3.7 km左右风向随高度顺转，为暖平流，4.0～5.2 km和8.1 km以上高度为偏北风，说明中高层有干冷空气入侵，对流不稳定增强。近地面风向由东北北逐渐转为东北，即近地面风向与雷公山山脉夹角增大，垂直分量增大，有利于气流在迎风坡堆积和强迫抬升。23时之后，在2 km高度左右出现一支径向速度为10m/s的西南低空大风速带或准急流带，在这支准急流作用下，使得雷公山南侧回波在其东侧弯向东北，此时对应第一个降水集中时段，随后准急流于27日02时之后在2.4°仰角图上消失，回波带在雷公山南侧逐渐转成平直东移，雷山、剑河境内“逆风区”虽有减弱，但在丹寨和雷山两县交界附近低层有明显的风速辐合(图8b黑色曲线)，使此区域有对流云团生成并东移。强降雨消散时期，从09时54分VWP产品知(图8c)，7.3 km以上高度均为“ND”(无可靠资料)，且“ND”迅速向中低层拓展，形成稳定的“ND”层，叶爱芬[18]指出大暴雨结束前会出现稳定的“ND”层。此时雷达回波已移出黔东南，降雨明显减弱已趋于结束。

图8 2015年5月26日21时41分垂直风廓线(a)、27日05时41分雷达1.5°径向速度(b)、27日09时54分垂直风廓线(c)Fig.8 May 26, 2015 21∶41 vertical wind profile (a), 27 05∶41 1.5 degree radar radial velocity (b), 27 09∶54 vertical wind profile (c)

6 中尺度暴雨云团TBB演变特征

TBB是相当黑体温度(Black Body Temperature)的英文缩写，通常用来表示云顶亮温。傅昺珊[19]等指出，TBB值越低，表明云顶高度越高，对流发展越剧烈。张书余[20]指出87. 3 %以上的暴雨发生在-63～-80 ℃的云顶亮温区域 , 强降雨区总是位于云团东南侧和云团前进的方向，而云团后部降雨较小。通过对最强降雨时段前后间隔1 h的风云2F卫星云图TBB图像分析知，26日23时30分(图9a)雷山附近有中尺度对流云团生成，27日01时该云团发展(图略)，TBB最低中心依然位于雷山上空，此时雷山出现第一次强降水。02时30分(图9b)-68 ℃亮温区面积扩大且与位于贵州安顺、黔南的两个对流云团开始合并，TBB为-52 ℃的冷云罩面积扩大，亮温梯度加大，中心最低亮温仍维持-68 ℃左右，并于05时30分时(图9c)达到最大。雷山高岩位于云团东南侧及其前进方向，此时雷山大塘高岩出现了第二次强降水。08时30分后(图9d)，TBB为-52 ℃的冷云罩面积逐渐减小，同时云团中心亮温逐渐减弱并向东南方向移动，亮温梯度减小，直至11时30分(图略)TBB为-52 ℃的冷云区移出黔东南地区。

图9 2016年5月26日23时30分-27日08时30分(间隔3h)FY-2F卫星TBB图像(单位：℃)(a)26日23时30分,(b)27日02时30分，(c)05时30分，(d)08时30分(★表征特大暴雨发生地)Fig.9 23∶30-27 May 26, 2016 08∶30 (3H interval) FY-2F TBB satellite image (unit: ℃) (a) 26, 23∶30 (b) 27, 02∶30 (c) 05∶30, (d) 08∶30 (★ characterization of torrential rain occurred.)

7 结论与讨论

①此次局地特大暴雨发生前期500 hPa副高稳定少动，暴雨临近时影响槽东移，中低层切变线南压及暖湿气流辐合加强触发了暴雨的发生。

②此次暴雨发生地面辐合线附近，为暖区暴雨，辐合线一直在清水江流域附近摆动，特别是较长时间维持在黔东南西部的雷山附近，加上雷公山地形作用，使雷公山西南侧产生了特大暴雨。

③暴雨落区垂直速度在对流层顶部都为负值，垂直上升运动强，低空水汽充沛，高温高湿高能环境，有利于降水效率的提高。

④雷达资料显示，此次过程为典型的低质心、降水效率高的热带降水型特征，多个对流单体不断生消发展，在黔东南西部表现为明显的“列车效应”。

⑤特大暴雨落区及强度与中尺度对流系统的生成、发展、移动、合并、停滞以及减弱有很好的对应关系，TBB≤-52 ℃冷云罩所覆盖区域与大到暴雨落区基本一致。因此，TBB≤-52 ℃时需注意区域性强降水，TBB≤-68 ℃时特别注意大暴雨的可能。

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