低涡切变暴雨环流特征及物理量特征分析

胡 萍，钟有萍，冉仙果，杨 群，陈 超

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省沿河县气象局，贵州 沿河 565300)

0 引言

暴雨是在有利的大尺度背景下诱发中尺度系统强烈发展造成的[1]。通过研究暴雨的中尺度环流特征和中尺度系统对暴雨的作用，揭示暴雨形成机制，提高暴雨预报准确率，对保障国民经济发展和人民群众生命财产安全有着不同寻常的意义[2]。

近些年来，随着数值预报模式的增多，模式的精细化，依赖于数值预报的降水预报准确率也在提高，但站点上暴雨的空、漏报现象还是存在。因此研究建立适合本地的小区域范围的暴雨预报思路和预报指标是非常有必要的。目前杨群[3]针对铜仁山区复杂地形条件下的小区域范围的暴雨已建立一个预报模型，对暴雨预报的准确率提高有很好的指示意义。本文在此基础上针对铜仁主汛期的低涡切变型区域暴雨做统计，得出在此天气尺度背景下暴雨的环流特征和物理统计平均值，为此类暴雨天气过程提供更好的预报指示意义，以期提高预报准确率，减少主汛期暴雨对民众、公共财产的损失。

1 资料

本文研究的铜仁地区(27.1～29.1°N，107.7～109.5°E)，位于云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带，地势由西北向东南降低，武陵山脉纵贯全区，江口、印江相邻的梵净山将铜仁分为东西两部分，东部有碧江区、江口县、松桃苗族自治县、玉屏侗族自治县、万山特区，西部有思南县、石阡县、德江县、沿河土家自治县、印江土家族苗族自治县。地形复杂，处于中低纬地区。本文以2009—2018年的自动站降雨资料统计暴雨时空分布特征，以2013—2017年5—7月的常规、非常规观测资料，以及NECP资料，统计分析主汛期分析暴雨环流型及物理量。

2 铜仁市暴雨日数空间分布特征

根据一般降水的级别定义，日降水量≥50 mm的降水量称为暴雨，以 20—20 时为暴雨统计时段，统计了铜仁市10个观测站点2009—2018年近10 a区域自动站暴雨日数，得出铜仁市暴雨时空分布特征。

根据铜仁市近10 a国家站平均暴雨日数空间分布(图1)，铜仁近10 a年平均暴雨日数为1.833～10.49次，其中江口县年平均暴雨站次最多，松桃和沿河次之，玉屏最少。在受海拔高度为 2 493 m的梵净山的影响下，将铜仁市分为东西两部分，其总体空间分布是中部多，东西少。在中部有一个多暴雨中心，江口县为中心；市南部玉屏县为一个少暴雨中心。

图1 铜仁市近10 a国家站平均暴雨日数空间分布Fig.1 Spatial distribution of average rainstorm days at the national station in Tongren City in the past 10 years

3 铜仁市暴雨日数时间分布特征

贵州暴雨、大暴雨主要集中于夏季，其中季、月、旬中暴雨最集中的时段是6 月[4-5]，根据铜仁市近10 a国家站逐月平均暴雨日数时间分布图来看(图2)，暴雨一般出现在3—11月，集中于5—9月(约占89%)，其中6月最多(占28%)， 3月最少(占0.7%)，仅在2013年3月出现过1次暴雨过程。一般情况下，暴雨随着各地雨季的开始而发生，雨季结束而终止。从暴雨各季出现的情况来看， 夏季的机率最大，占全年的62.5%左右；其次为春季，占20%，秋季只为17%，冬季基本没有暴雨天气。总的趋势是3—6月逐渐递增，7—11月逐渐减小。与贵州暴雨大值月份相同。

图2 铜仁市近10 a国家站逐月平均暴雨日数时间分布Fig.2 Time distribution of monthly average rainstorm days in the national station of Tongren City in the past 10 years

4 造成铜仁暴雨的主要影响系统

采用铜仁市10个区县测站的2013—2017年共5 a的降雨资料，挑选出至少有2个县测站日降水量≥50 mm，且至少有 2 个乡镇区域自动站日降水量≥50 mm 作为一次区域暴雨天气过程。5 a共挑选了25次区域暴雨过程，其中3次持续性暴雨天气过程。

通过对铜仁市近5 a的暴雨天气过程的归纳分析，按照每次过程的高空500 hPa、700 hPa、850 hPa及地面主要影响系统的综合配置分析[3]，近5 a铜仁5—7月发生25次区域暴雨的过程(表1)以长江横切变型、低涡切变型和冷锋低槽型为主，其中长江横切变型11次(占44%)最多，冷锋低槽型8次(占32%)次之，低涡切变型6次(占24%)最少。其中长江横切变型主要集中在6—7月，副热带高压控制22°N附近，贵州处于副高外围强西南气流中；低涡切变型暴雨，整个汛期都有出现，集中在6月，四川东部低涡东移影响贵州北部，常常造成铜仁暴雨天气发生；7月受副热带高压控制，铜仁市以高温天气为主，无冷空气影响，故冷锋低槽型暴雨主要发生在5—6月。台风倒槽型暴雨和两高切变型暴雨[3]在5—7月均未出现过。

表1 逐月影响铜仁的暴雨天气环流型Tab.1 Monthly Impact on Tongren's Rainstorm Weather Circulation Type

西南涡主要活动路径有3条：偏东路径、东南路径、东北路径。影响我市的西南涡以东南路径为主。据5 a低涡暴雨过程统计，发现低涡切变型暴雨都出现了国家站点上的大暴雨，这容易造成县城(市区)内涝、城市积水，对县城(市区)的影响极大。

此文将从低涡切变环流形势对铜仁造成的区域暴雨着手讨论，将低涡切变分为冷式低涡切变和暖式低涡切变环流形势。

5 低涡暴雨的大气环流特征

5.1 冷式低涡切变型暴雨环流形势

特点：发生时间以5—6月为主。

分型标准：500 hPa副高脊线稳定，多波动槽，中低层有明显的低涡切变，低涡中心在川渝一带，东移；地面无明显锋面，有弱冷空气渗透，多以偏北路径为主，无明显降温，多以低压内的中尺度辐合锋生影响。发生频率是低涡切变型暴雨的33%，以5—6月为主，强降水集中在夜间。

环流特征和影响系统(图3)：高空图上，500 hPa西太平洋副热带高压稳定，副高脊线位于23～27°N之间，西伸脊点在92～102°E之间，控制贵州省中部以南，副高边缘西南气流较为强盛，有利于孟加拉湾和南海洋面的水汽向铜仁输送；700、850 hPa 低层有明显低涡切变系统，北支切变南侧有明显的西南暖湿气流，北侧也有较强的东北急流，水汽主要来源于黄海，低涡切变经高空槽引导东移影响到铜仁，从而产生暴雨；降水多发生在热低压东北侧(辐合线北侧)。

图3 冷式低涡切变型暴雨环流配置Fig.3 Cold low vortex shear storm circulation configuration

暴雨落区：与低层低涡切变系统移动路径和地形分布有关，暴雨多发生在低涡的右前方，急流的顶部，地面辐合线的北侧和副高边缘。当低涡维持少动时，可产生持续性暴雨或特大暴雨，强降水集中在夜间。

5.2 暖式低涡切变型暴雨环流形势

特点：发生时间以6—7月为主。

分型标准：500 hPa副高脊线稳定，中低层有明显的低涡切变，850 hPa低涡多位于铜仁上空，东移南下；地面多为均压场，处于暖低压底部，海上高压后部。发生频率是低涡切变型暴雨的67%，以6—7月为主，强降水集中在夜间，白天降水强于冷式低涡切变型暴雨。

环流特征和影响系统(图4)：高空图上，500 hPa西太平洋副热带高压稳定，副高脊线位于18～25°N之间，控制广东—广西一带，高空槽较深厚，槽前西南气流较为强盛，有利于孟加拉湾和南海洋面的水汽向贵州输送；700、850 hPa 低层有明显低涡切变系统，850 hPa低涡多位于铜仁上空，与冷涡切变的不同在于，暖涡切变的北支切变南侧有明显的西南暖湿急流，而来自东北的气流较弱，达不到急流标准，孟湾水汽源对铜仁的水汽输送极为有利，高空槽引导低涡切变东移南下影响到铜仁，进而产生暴雨；降水多发生在热低压底部(辐合线附近)。

暴雨落区：暴雨多发生在低涡的东南部，急流的顶部，地面热低压底部(辐合线附近)。当低涡维持少动时，可产生持续性暴雨或特大暴雨，如2017年6月22—24日发生的全区域持续性特大暴雨过程。强降水集中在夜间，白天降水强于冷式低涡切变型暴雨。

图4 暖式低涡切变型暴雨环流配置Fig.4 Warm low vortex shear storm circulation configuration

由此可见，冷式低涡切变型暴雨环流形势与暖式低涡切变型暴雨环流形势有异同之处，两者异同点见表2。

表2 冷式低涡切变型暴雨环流形势与暖式低涡切变型暴雨环流形势异同点Tab.2 Similarities and differences between the cold low vortex shear storm and the warm low vortex shear storm

6 暴雨过程物理量场特征

暴雨的发生，不但要有充沛的水汽，还要有源源不断的水汽输送并在强对流区域辐合[6]；而水汽的辐合主要由低层水汽通量辐合造成，尤其是800 hPa以下的边界层中占很大比重，可达1/2以上[7]。

有了充足的水汽条件输送以外，还需要一定的动力条件才能使得水汽辐合的过程中得到抬升凝结产生降水，中低层辐合、高层辐散的配置结构，有利于中低层高湿气流被抽吸到高层，从而增加局地对流不稳定性。

本文通过25次暴雨过程筛选出了6次低涡切变型暴雨过程，上文对低涡切变暴雨过程进行了环流形势分析，下面提取和计算 2013—2017 年5—7月低涡切变型暴雨天气过程发生前、发生时、发生后3个时期铜仁周边几个格点的水汽条件，动力抬升，热力抬升条件，不稳定条件物理量数据。提取出了Micaps中的physic的13个物理量场，包括垂直速度、假相当位温、比湿、温度露点差、T850～T500的温度差、K指数、SI指数、相对湿度、水汽通量散度、水汽通量等水汽、抬升、不稳定能量资料，采用统计、聚类的方法总结暴雨发生前、发生时、发生后周边及本站点物理量的变化情况，得出了暴雨预报的物理量多年统计平均值。

表3 冷涡切变和暖涡切变暴雨过程相关物理量统计平均值Tab.3 Statistical average of physical quantities related to cold vortex shear and warm vortex shear storm process

由表3可以看出，暴雨发生物理量特征为：水汽条件在暴雨发生时段最大，结束时减小；动力条件和热力条件及K指数在暴雨发生前、发生时两个时段逐渐增大(发生时最大)，发生后减小；其他不稳定能量条件没有规律，尤其是CAPE值，多次暴雨过程的CAPE值始终为0 ℃。

6.1 水汽含量条件及水汽输送特征

6.1.1 水汽含量条件 比湿是指在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量(水汽质量加上干空气质量)的比值。比湿越大，水汽含量越大，越有利于暴雨的水汽供应。

由表3可以看出，暖式暴雨发生过程的700 hPa比湿较冷式暴雨小，而850 hPa比湿较大，且冷式暴雨的相对湿度大于暖式暴雨，说明冷式暴雨的水汽较暖式暴雨的充足。

6.1.2 水汽辐合 当铜仁市在一定的环流形势下，有充足的水汽供应时，其上空的水汽辐合条件为大暴雨提供了有利的条件，水汽辐合主要表现在水汽通量和水汽通量散度上，可以看出，冷式暴雨发生时的850 hPa的水汽通量较暖式暴雨大，发生前、发生后相反，这与降水后水滴降落水汽减少有关，说明冷式降水时段较集中，降水局地性强，暖式持续性强降水居多，850 hPa的水汽通量对水汽辐合的贡献更大，所以在预报时主要考虑过程发生前低层的水汽通道；在水汽通量散度上，冷式和暖式暴雨发生时的850 hPa的辐合比700 hPa的更强。

冷式暴雨的水汽通道主要为广西—湖南—江西—安徽—江苏一带；而暖式暴雨的水汽通道主要为广西—湖南—江西—浙江一带，较冷式暴雨略偏南。据统计，发现铜仁出现低涡切变型大暴雨过程时都处于水汽通量梯度大的区域，湿舌伸展的左侧(图5)，且大暴雨区域处于低层强辐合、高层辐散区域(图6，沿暴雨大值区域作剖面)，暖式暴雨发生时的水汽辐合抬升更高，可以到达600 hPa，冷式暴雨水汽辐合抬升则到750 hPa附近，但两者的水汽大值辐合中心均在850 hPa附近，且冷式暴雨值更大。

图5 冷式低涡切变型暴雨(左)和暖式低涡切变型暴雨(右)850 hPa水汽通量场Fig.5 Cold low vortex shear storm (left) and warm low vortex shear storm (right) 850 hPa water vapor flux field

图6 冷式低涡切变型暴雨(左)和暖式低涡切变型暴雨(右)水汽通量散度场剖面Fig.6 Cold low vortex shear storm (left) and warm low vortex shear storm (right) water vapor flux divergence field profile

6.2 垂直上升条件

当铜仁市有充足的水汽条件时，强烈的上升运动则是暴雨过程发生的充分必要条件。黄天福指出在垂直速度图上可以看出在降雨中心存在着强对流发展，伸展高度高，垂直区域广的特征[8]。可以看出，除冷式暴雨过程发生后外，涡度几乎为正值，散度几乎为负值，表现为辐合上升。冷式暴雨发生前的850 hPa的涡度较暖式大，其余时间的涡度值都比暖式暴雨小；其垂直上升速度大于暖式暴雨(图7，沿暴雨大值区域作剖面)，850 hPa的散度绝对值较暖式小，从垂直运动条件来看，说明冷式暴雨的垂直运动局地性强，上升更为剧烈，降水时段集中，而暖式暴雨则辐合更为强烈，表现为持续性强降水。

图7 冷式低涡切变型暴雨(左)和暖式低涡切变型暴雨(右)垂直速度场剖面Fig.7 Cold low vortex shear storm (left) and warm low vortex shear storm (right) vertical velocity field profile

6.3 热力条件及能量条件分析

有了充足的水汽条件和强烈的垂直运动条件，通过近5 a的个例分析，发现铜仁发生暴雨时的上空均为高能高湿区。可以看出，冷式暴雨发生前的CAPE值几乎为0，只有在发生时偶会出现。暖式暴雨发生前的CAPE值稍大，也有为0的过程。说明CAPE值的大小并不能直接判断有无暴雨过程发生，其相关性弱。冷式暴雨的K指数在37 ℃以上，暖式暴雨的K指数在39 ℃以上。发生时冷式暴雨的SI指数较暖式暴雨的小，两者均为负值。冷式暴雨的假相当位温值小于暖式暴雨，Ky指数也较小，均为正值。说明暖式暴雨的热力条件和能量条件较冷式暴雨更好。

7 小结

①铜仁市近10 a暴雨总体空间分布是中部多，东西少。在中部有一个多暴雨中心，江口区为中心；市南部玉屏县为一个少暴雨中心。

②近5 a铜仁5—7月发生25次区域暴雨的过程以长江横切变型、低涡切变型和冷锋低槽型为主，其中长江横切变型11次(占44%)最多，主要集中在6—7月，副热带高压控制22°N附近，贵州处于副高外围强西南气流中；冷锋低槽型8次(占32%)次之，7月受副热带高压控制，铜仁市以高温天气为主，无冷空气影响，故冷锋低槽型暴雨主要发生在5—6月；低涡切变型6次(占24%)最少，整个汛期都有出现，集中在6月，四川东部低涡东移影响贵州北部，常常造成铜仁暴雨天气发生。台风倒槽型暴雨和两高切变型暴雨在5—7月均未出现过。

③冷性低涡切变型暴雨的频率占低涡切变型暴雨的33%，以5—6月为主，强降水集中在夜间。主要环流特征：500 hPa高空有短波槽东移，控制贵州省中部以南，中低层有明显低涡系统，伴有东北急流和西南气流，地面无明显锋面，有弱冷空气渗透，多以偏北路径为主；暴雨多发生在低涡的右前方，急流的顶部，地面辐合线的北侧和副高边缘。暖性低涡切变型暴雨的频率为67%，以6—7月为主，强降水集中在夜间，白天降水强于冷式低涡切变型暴雨。主要环流特征：500 hPa高空槽东移，控制广东—广西一带；中低层有明显低涡系统东移南下，伴有强西南急流，低层低涡多位于铜仁上空，地面为均压场控制或处于热低压底部。暴雨多发生在低涡的东南部，急流的顶部，地面热低压底部(辐合线附近)。

④水汽条件在暴雨发生时段最大，结束时减小；动力条件和热力条件及K指数在暴雨发生前、发生时两个时段逐渐增大(发生时最大)，发生后减小；其他不稳定能量条件没有规律。暴雨的发生与不稳定能量的相关性不大。

⑤铜仁出现低涡切变型暴雨过程时都处于水汽通量梯度大的区域，湿舌伸展的左侧，且大暴雨区域处于低层强辐合、高层辐散区域。