黔东南两次冷锋低槽型降水对比分析

李帮英，廖 领，廖育玲

(贵州省从江县气象局，贵州 从江 557400)

1 引言

暴雨是我国重要的灾害性天气之一，由暴雨引发的洪涝灾害，每年都造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。每年4月上中旬贵州将自东向西先后进入雨季，由于其独特的地形地貌易造成山体滑坡、泥石流等次生灾害。因此对暴雨天气系统的研究一直是气象工作的重点之一[1-2]。管勇[3]等从暴雨的落区、暴雨强度和诸多物理量对广东两次特大暴雨成因进行了对比分析；李强[4]等对2009年8月2—5日一次川渝地区大暴雨过程的水汽输送、湿位涡等进行了诊断分析；井喜[5]对2007年6月8—9日广西、贵州由中尺度对流复合体(MCC)引发的致洪暴雨过程进行了大尺度环境场和物理量的诊断分析；伍红雨[6]对2005年5月贵州一次大暴雨天气过程进行数值模拟表明，西南涡是造成大暴雨的主要影响系统。

从上述研究可见，广大气象工作者对西南地区暴雨的研究已经有了一定结果，而对贵州出现的暴雨定义归类并进行诊断分析的有所偏少，本文将利用常规观测资料、Micaps资料及区域自动站资料，对2016年8月31日—9月1日与9月9—10日在黔东南地区出现的一般性降雨和区域性暴雨天气过程进行对比分析，探讨此类过程性降雨的成因和机理，寻找暴雨的预报着眼点，为今后的预报提供可参考的依据。

2 降水实况

2016年8月31日08时—9月1日08时黔东南出现降水过程，降水主要分布在黎平、从江、锦屏，有8个乡镇9站大雨，其中以黎平孟彦32 mm最大，降雨主要出现在31日夜间(雨情落区见图1)。

2016年 9月9日14时—10日08时黔东南出现强降水过程，降水主要分布在黎平、榕江、从江、麻江、丹寨、凯里、天柱，有3站大暴雨，20个乡镇31站暴雨，其中大暴雨站点分别为黎平坝寨190 mm、高屯机场101 mm，榕江兴华132 mm(雨情落区见下图2)。

从降雨落区来看，“8.31”大雨落区主要分布在黔东南的中东部和南部地区，范围偏小，量级不大，暴雨主要分布在贵州西南部地区。“9.9”暴雨落区分布在黔东南西部和中南部地区，范围大，量级较强。从两次降雨过程的自动站逐小时降水量分布可以看出，“8.31”过程降水中，强降水落区主要集中在贵州西南部地区，出现时段在31日19—22时，最大小时雨强为42.8 mm，而黔东南降水时段主要出现在9月1日03—07时，雨量强度不大，最大小时雨强为10.0 mm(图1黎平孟彦降水时序图)，之后降水逐渐减弱；“9.9” 过程降水中，强降水时段主要出现在9日21时—10日02时，1 h最大降水量出现在黔东南的中南部为62.4 mm(图2黎平坝寨降水时序图)，出现时段为9日23时—10日00时，之后降水缓慢减弱。“8.31”和“9.9”降雨过程主要出现在夜间，间隔时间不长。降水来临前，黔东南天空状况相对较好，白天地面气温偏高，能量增大，对流不稳定加强，配合地形的影响，导致中尺度对流发展旺盛。黔东南“8.31”过程降水中强降水持续时间短，而“9.9” 过程降水中强降水持续时间相对较长。

图1 黔东南2016年8月31日8时—9月1日8时降雨量分布图(a)和黎平县孟彦炮站(白点)降水时序图(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

图2 黔东南2016年9月9日14时—10日08时降雨量分布图(a)和黎平县坝寨炮站(白点)降水时序图(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 两次降水过程特征对比分析

3.1 环流特征

“8.31”降水过程中欧亚洲中高纬为“两槽一脊”型(图3a)，黔东南逐渐由偏西气流转为西北气流，四川东南部至云南东部的高原槽逐渐东移影响贵州，并且在东移过程中先加强后减弱。涡度场上，在贵州中北部形成明显的呈带状的正涡度场，31日14时逐渐加强成一个正涡度带,正涡度中心位于四川、贵州、云南交界处，在东移过程中涡度中心逐渐减弱分裂为两个正涡度中心，分别位于贵州西北部和铜仁地区，东北地区有一明显的冷涡中心，其后部的偏北气流引导冷空气南下。副高588线北界位于云南西南部一线，呈西北—东南走向。700 hPa形势场上，31日20时温度场落后于高度场，其槽逐渐加深，西北风逐渐转为正北风。

“9.9暴雨”降水过程中欧亚洲中高纬环流形势也为“两槽一脊”型(图3b)，西北地区为脊前西北气流控制，四川东南部至云南东部有高原槽逐渐东移影响贵州，贵州大部处于槽前西南气流中，东北地区也有一明显的冷涡中心，中心位置较“8.31”有所偏北，其后部的西北气流引导冷空气南下。副高588线北界位于贵州南部边缘一线，呈东西走向。700 hPa形势场与“8.31”降水过程相似，北风风速略有偏强。

图3 2016年8月31日20时(a)和9月9日20时(b)500 hPa环流形势图Fig.3 August 31, 2016 20 hours (a) and September 9th 20 hours (b) 500 hPa circulation situation map

两次降水过程期间，中低层切变系统都比较明显(图4)，但是“8.31”过程中，位于云南的热低压中心分裂成两中心，分别位于云南西北部和云南东部，之后位于东部的热低压中心逐渐东移至广西西部，同时850 hPa在广西西北部有一暖区中心，中心温度24 ℃，配合高空槽东移和冷空气南下，广西西北部热低压被填塞，形成闭合性低涡系统；而500 hPa分裂在铜仁地区的正涡度中心沿着槽移动的方向往东南方向移动至湖南地区。黔东南地区在850 hPa切变线南压的过程中出现明显的弱辐合区，冷暖气流的流向呈东西向辐合，辐合中心位于贵州西南部和湖南中东部，这在预报场流线图上已早有所体现(图4a)。云南东部和湖南东南部分别有明显的强辐散中心，两正涡度中心与负涡度中心相互接壤，相互作用，导致黔东南上空没有明显的气流辐合，故而不利于强降雨的发生和发展。

“9.9”过程较“8.31”过程有明显差异，从全省分析来看，地面冷空气较“8.31”过程偏强，位于云南的热低压中心位置几乎不变，其闭合性低压系统呈椭圆状延伸至贵州地区，配合高空槽东移和冷空气南下，在850 hPa切变线南压的过程中同时产生多个辐合中心，这在预报场流线图上也早有所体现(图4b)，影响黔东南的辐合中心位于黔东南中部和南部，配合中高层的系统影响，有利于强降雨的发生和发展。两次过程都有不利的因素，即南风偏弱，没有达到低空急流的标准，不利于水汽更好地输送，由此导致两次过程中小时雨强整体不是很强。

图4 2016年8月31日20时(a)和9月9日20时(b)850 hPa实况环流形势图与预报图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

产生暴雨的条件之一是必须有充足的水汽供应， 结合两次降雨过程的物理量实况对比(表1和表2),通过内插法得出两次过程中黔东南地区上空的空气水汽含量比较充沛，已达暴雨以上量级的水汽条件，其中南部地区水汽更为充沛，尤其是贵州南部和广西北部，以河池500 hPa比湿为5 g/kg，700 hPa比湿为12 g/kg，850 hPa比湿为17 g/kg，925 hPa比湿为18 g/kg；桂林500 hPa比湿为5 g/kg，700 hPa比湿为11 g/kg，850 hPa比湿为16 g/kg，925 hPa比湿为16 g/kg；假相当位温θse是表征大气湿度、压力、温度的综合物理量。温度条件来看，暴雨发生时850 hPa θse值一般在330 K以上，700 hPa θse值为340 K以上，其值越大，表示空气越暖湿，而850 hPa θse-500 hPa θse是反映大气中层结潜在不稳定，暴雨区一般在0～15 K之间，结合表1和表2分析得出，两次过程的温度条件都比较好，都达到了暴雨的温度条件；从稳定度分析得出“8.31”降水过程中贵阳和怀化的Cape值都为0 J/kg，K指数<35 ℃，SI为正值，最大上升速度(W_cape)为0，整层大气趋于稳定，不利于对流的发展，以稳定性降雨为主。而贵州西南部和广西北部整层大气趋于不稳定状态，有利于对流的发展，降水形式以对流性降雨为主。“9.9”降水过程中贵阳和怀化的Cape值分别为6.9 J/kg和0.6 J/kg，而河池和桂林的Cape值分别为1 724.7 J/kg和1 696.7 J/kg，K指数较“8.31”过程有所增大，除贵阳外其余都大于35 ℃，SI指数只有贵阳为正值，最大上升速度(W_cape)贵阳为3.7、怀化1.1、河池58.7、桂林58.3，较“8.31”有所增强，整层大气除贵阳趋于稳定，不利于对流的发展，以稳定性降雨为主外，其余贵州的东部、南部和广西的北部整层大气则趋于不稳定状态，有利于对流的发展，降水形式以对流性降雨为主。

3.3 云图资料分析

利用卫星云图、雷达资料(图略)等非常规资料对这两次暴雨过程的中尺度对流系统进行分析。黔西南地区(图5上红a)31日20时00分，MCC胚胎云团迅速扩大，表现为清晰的椭圆型结构，已经发展为MCC。铜仁的东部地区(图5上红b)，有一小的中β尺度对流云团逐渐东移南下移入湖南，强度逐渐加大；结合冷空气路径，两个明显的中尺度对流云团分别从黔东南地区的东北部和西南部边缘移动进入湖南和广西地区，并未对该地区造成明显的天气影响。而“9.9”降水过程中9日16时00分，贵州地区上空出现3个对流系统a、b、c(图6a)；影响黔东南地区的中β尺度对流云团b迅速发展扩大，其主体部分接近椭圆形，而在其西南面有一孤立的对流云团表现为一个长的对流云带a，与铜仁地区对流系统c3个系统相连呈一线，系统继续发展壮大并逐渐向东南方向移动。9日21时00分，以对流系统a为中心的MCC主体进一步扩大，仍然近似椭圆，云带变宽，对流云团b已经影响黔东南并出现了明显的强降雨天气(图6b)。

表1 2016年8月31日20时城市实况物理量Tab.1 20 hours in August 31, 2016, the actual physical quantities of the city

表2 2016年9月9日20时城市实况物理量(北京时)Tab.2 20 hours in September 9, 2016, the actual physical quantities of the city (Beijing time)

图5 2016年8月31日20时实况红外云图，箭头表示对流系统的移动方向，三角形表示黔东南地区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，红外云图上以对流系统a为中心的MCC主体的对流云团继续发展东移南下进入广西，对流很强盛，而且范围特别大，而东面的对流云团b正在减弱，对流云团c已东移进入湖南地区，对黔东南无影响。在主体MCC西侧，仍然有β和γ中尺度对流云团在发展东移，即将并入MCC，但由于冷空气的继续推进，系统整体南压，新生的对流系统无法影响黔东南地区，降水逐渐减弱，b对流系统逐渐变为分散的云系结构；两次过程中，对流系统的移动方向一致，呈西北—东南方向，并且在南压过程中逐渐发展壮大，造成明显的强降雨天气过程。

4 数值预报检验

对比两次降雨过程模式物理量场分析预报：

EC-thin模式：两次降雨预报过程中，对形势场把握较好，尤其是850 hPa低层切变线南下的路径和移动速度(图4)。“8.31”过程切变线南压的过程中出现明显的弱辐合区在预报场上有所体现；从预报的物理量场分析，水汽条件、温度条件均已满足暴雨的形成条件(图略)，而从涡度场上分析，尤其是850 hPa涡度场(图7)，“8.31”过程中预报在贵州的西南部地区出现一个明显的强的正涡度中心，其强度明显超过位于黔东南的涡度场，阻断了来自西南方向往黔东南地区的水汽输送，之后该涡度中心继续维持东移南下进入广西，结合实况的红外云图，形成一明显的中尺度对流系统，最后其强度达到中γ尺度，而位于黔东南地区的涡度逐渐减弱转为负值，配合850 hPa预报的形势场，不利于该地区出现明显的强降雨。“9.9”过程中预报在贵州的中南部一线地区出现多个明显的强涡度中心(图8)，呈西南—东北走向，其强度除西南部偏强外，其余基本一致，结合形势场预报得出该多个强涡度中心场上空将出现多个对流系统，实况红外云图验证了这一预报结论，黔东南的中东部和西部将会出现对流系统，然后逐渐东移南压，强度变化不大。不足之处EC-thin模式在预报时对实况对流系统的移动速度滞后了近3 h，之后该涡度中心继续维持东移南下进入广西，而位于黔东南地区的涡度场逐渐减弱，配合850 hPa预报的形势场，降雨也逐渐减弱。

图6 2016年9月9日16时图a和9日21时图b实况红外云图，箭头表示对流系统的移动方向，三角形表示黔东南地区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

综合得出，对于“8.31”与“9.9”过程降雨，EC-thin模式预报涡度中心的建立和加强以及其移动路径对预报区域性暴雨有着较好的指导价值，但对于预报中尺度系统的中心及出现时间和移动路径则有一定的不确定性，仍需要人工订正。

图7 2016年9月1日02 h 850 hPa涡度预报场Fig.7 September 1, 2016 02 h 850 hPa vorticity prediction field

图8 2016年9月9日23 h 850 hPa涡度预报场Fig.8 September 9, 2016 23 h 850 hPa vorticity prediction field

5 结论

本文通过对黔东南地区出现一般性降雨和区域性暴雨天气过程的对比分析，得出这两次过程降水存在一定的相似性和差异，具体主要结果如下：

①两次过程降水形成时，中高层有高原槽东移影响，地面均有冷空气入侵，地面辐合线锋生加强；850 hPa存在明显的低层辐合切变线，雨区位于切变线附近。所不同的是：两次降水过程中低层影响天气系统不同，“8.31”过程低层切变线在南压经过黔东南地区时，黔东南上空出现明显的弱辐合区，原因是位于云南地区的热低压中心分裂东移被填塞，形成闭合性低涡系统。同时高原槽东移过程中减弱分裂的另一个正涡度中心位于铜仁地区，形成弱的闭合性低涡系统，两低涡系统在700 hPa槽加深的引导下往东南方向移动，从而引导低层冷暖气流分别向黔东南东西两侧区域呈明显的汇集形势；“9.9”过程中热低压中心位于云南地区没有明显移动，其闭合系统延伸到贵州地区，低层切变线在南压过程中，出现多个辐合中心，其中有1～2个辐合中心影响黔东南地区，生成的多个中β尺度对流单体独立发展逐渐合并为一个中γ尺度对流系统，对流云发展旺盛、伸展高度较髙、具有混合相层和暖云层剖面结构，属于积状云为主的混合降水，最后与贵州西南部的中γ尺度对流系统呈东北一西南向的带状和椭圆状的对流云团，属于层状云和积状云混合降水。两次降水过程，都属于冷锋低槽型降水。

②对暴雨中心及触发机制讨论发现，降水发生前，黔东南地区受热低压影响，天气晴好，地面增温，使大气低层具有一定热力条件，偏南风使得低层暖湿条件偏好，冷空气在南压的过程中，上升运动得到进一步发展，地面辐合线触发降雨的发生发展，同时，涡度场上强涡度中心的建立，使得该地区的降水迅速发展壮大，容易形成暴雨中心。针对贵州暴雨的共同特征，冷锋低槽型暴雨在满足温、湿的条件下，预报着眼点应放在：地面风场中辐合线的加强、影响黔东南的强涡度中心的建立和加强及其移动路径、热低压中心位置及其移动路径等。

③不同于很多强对流天气和暴雨天气过程，这两次降雨过程中的偏南气流都有所偏弱，没有达到急流的强度，值得进一步的分析探讨。从地形上看黔东南处于山区，有一定的地理因素影响，但在本文中对地形条件在两次降雨的过程中没有作详细分析讨论，需进一步研究分析。