黔西南州特大致灾暴雨的天气机理分析

王 芬，孟庆怡，孔德璇，范 倩

(黔西南州气象局，贵州 兴义 562400)

0 引言

暴雨是贵州省主要的灾害性天气之一，发生频次高、影响区域广泛，特别是特大暴雨对人民生命财产和生产生活产生的影响更大。前人在暴雨的天气学成因及特征等方面取得了大量的研究成果，指出发生暴雨时的主要天气背景、云图特征、物理量指标等[1-5]，这些成果为预报业务工作提供了重要指导，但由于暴雨成因复杂加之复杂下垫面的影响，导致落区、量级难以把握，贵州省成为中国暴雨预报难度最大省份之一。

黔西南州位于贵州省西南部，具有独特的垂直山地气候特征，当地暴雨具有局地性、突发性等特点，且来势猛、强度大及夜间频发，近年来因特大暴雨而诱发的洪涝灾害对人民生命财产造成非常严重的损失。前人分别就黔西南暴雨的时空特征、主要天气背景、云图特征等进行了研究和总结[6-10]，得出了很多有意义的结论，但由于特大暴雨发生发展成因复杂，定点定量预报非常困难，落区及量级预报具有非常大的不确定性，漏报率非常高，因此黔西南又成为贵州省暴雨预报难度最大地区之一。2017年9月5日夜间黔西南州册亨县出现特大暴雨，死亡3人；2016年6月19日夜间黔西南州义龙、兴仁出现特大暴雨，经济损失984万元；2011年6月5日夜间望谟县暴雨山洪灾害造成21人死亡，31人失踪，经济损失16亿元。中央气象台、贵州省气象台、黔西南州气象台对这3次特大暴雨的预报全部漏报。

综上所述，对黔西南州特大致灾暴雨的天气学机理及关键预报技术的研究十分有必要，能否把强降水发生前后主要天气特征找出来，寻找其关键的预报指标，从而探索到其前期的预报信号？特大暴雨发生发展过程中，有无其它中小尺度系统影响使得其加强发展，或有无使系统稳定停滞的天气学条件？能否找出地形可能的增(减)幅作用？这些工作的解决将给业务人员预报当地特大暴雨提供重要参考，从而进一步提高气象灾害的趋利避害能力。本文利用MICAPS实况资料、NCEP/NCAR FNL再分析资料、常规及加密实况资料，分析发生在黔西南州的12次特大暴雨天气过程，总结其大尺度天气背景，对降水发生前后的动力、热力、水汽等条件进行分析总结，初步探讨复杂下垫面对特大暴雨可能的增减幅作用，以期为当地特大暴雨预报提供技术支撑。

1 资料与方法

本文的研究对象为2016-2020年发生在贵州省黔西南州的12次特大暴雨天气个例，所用的资料为NCEP/NCAR FNL逐6h 1°×1°再分析资料、MICAPS资料及自动站实况资料。根据贵州省气象部门相关业务标准，定义24小时内累计雨量≥200 mm降雨为特大暴雨。参考此标准，定义当黔西南境内区域自动站出现一个及以上的特大暴雨时为一次特大暴雨天气过程。采用主、客观分析方法及数理统计相结合，综合本地预报经验，以期找出造成黔西南特大暴雨的天气机理及主要物理量化指标。

2 降水实况

12次天气过程中出现特大暴雨站数最多的为2019年9月9日及2020年6月23日，均有7站，其中2016年6月19日义龙万屯278 mm为近5年最大，过程最大小时雨强均在60 mm以上，最大为义龙木咱106 mm/h。从降水空间分布可知，册亨威旁发生过2次特大暴雨，其余站点则只发生过一次。这12个例中有10个均造成灾害，致灾率高达83%，其中兴义受灾频次最多，达6次，其次为安龙和册亨，均为5次，普安最少仅有1次。

这12次特大暴雨过程中，雨量在200 mm以上的共有29站/次，图1给出了黔西南州高精度地形图，并标注了1 800 m以上站点、各县海拔最高区域站、海拔最低区域站所在位置(小圆点为区域站所在位置)。分析特大暴雨空间位置可知，册亨特大暴雨出现次数最多，为9个；其次为晴隆的8个。根据特大暴雨点在空间上的分布特征，可将其主要发生区域划分为：A区(晴隆北部)，B区(晴隆南部)，C区(兴义东北部)，D区(册亨西部)。

图1 黔西南州自动站、县级台站的位置、海拔及特大暴雨发生的主要区域

选取这12次过程中出现的最大累计降水站作为代表，分析雨强随时间的变化可知(图2)，午后13时首次出现短时强降水(≥20 mm/h)，22时开始迅速增加，频次高值集中在23时至次日03时，02时达到峰值。≥50 mm/h的重大短历时强降水主要时段在00时至06时，其中00时、01时出现频次最多。

图2 12个代表站的小时雨量演变

分析特大暴雨的逐月变化可知，特大暴雨只在6、7、9月出现过，其中6月最多(7次)，约占总次数的58.3%，其次为9月(4次)，占33.3%，7月最少(8.4%)，其它月份没有出过特大暴雨。

3 特大暴雨过程的主要天气背景

对12次天气过程的主要天气背景进行分析，特大暴雨发生时200 hPa南亚高压稳定存在，其中有6次呈西部型，4次东部型，2次带状型。当南亚高压呈西部型时，贵州省上空受西北风控制；呈东部型时，贵州省上空为东北风控制，且均配合有高空急流，贵州省处在高空急流轴的右侧辐散区，辐散抽吸和高空急流的通风作用有利于暴雨的发生发展；呈带状型时，贵州省处于南亚高压内部，风速较小。500 hPa中高纬多为两槽一脊，贵州省附近多为高空槽(9次)，其次为两高切变线和低涡，高空槽主要来自青藏高原的高原槽和乌拉尔山以东大槽中分裂出来的西北槽。西太平洋副热带高压有3次延伸至贵州省南部一带，其余维持在华南沿海一带或东退至海上，588 dagpm基本呈现带状分布或块状分布，贵州省处在副高北侧或西北侧，与高空槽前的西南气流叠置。700 hPa及850 hPa均配合有切变线，其中3次为江淮切变线西段，其余为低涡切变，当贵州省受江淮切变线影响时，位置较为偏北，当受低涡切变影响时，700 hPa切变位置基本在黔西南州北部或东部，而850 hPa切变主要位于贵州省中部或中南部。从风向来看，中低层大多为西南或偏南气流，急流出现3次，出现在广西—广东—福建上空，黔西南州处在低空急流入口区的左侧，西南气流将潮湿不稳定空气从急流之下的边界层内向北输送，在低空急流北侧生成暴雨。地面系统多为地面辐合线或冷空气，基本每一次过程都有明显的辐合线存在，仅有1次伴有冷空气。

4 物理量的变化特征

4.1 K指数、SI指数

本文定义当日08时为强降水发生前，当日20时为强降水发生时，次日08时为强降水发生后(下同)。分析这12个强降水代表站的K指数可知(图3a)，暴雨发生前平均K指数为39 ℃，发生时增大至40 ℃，暴雨结束后K指数仍有继续增大的趋势，K指数“先增加再减少”的个例有5个，“先减少再增加”的有3个。对比各月平均K指数可知，6月平均为40 ℃，暴雨发生前为39 ℃，发生时及之后平均为41 ℃，秋季特大暴雨在当日20时K指数达到最低38 ℃，当日08时最高为40 ℃，基本呈现“暴雨发生前和发生时K指数持续降低、暴雨结束后K指数升高”的趋势。SI指数在暴雨来临前全部为负值(图3b)，平均为-1 ℃，20时不稳定增大至-2 ℃，暴雨过程结束后，SI又逐步上升，平均为-1 ℃。

图3 K指数(a)及SI指数(b)的变化

4.2 涡度、水平散度、垂直运动

分析500 hPa涡度可知(图4a)，暴雨发生前涡度平均为0.6×10-5s-1，暴雨发生时为7.3×10-5s-1，暴雨结束后继续增加至11.3×10-5s-1，即在强降水发生前后500 hPa基本表现为正涡度平流，且稳定持续，并没有因为暴雨过程的结束而马上转为负涡度平流。分析700 hPa散度可知(图4b)，暴雨发生前后均表现为辐合，且辐合强度先减弱再增强，850 hPa散度在暴雨发生前表现为辐散，平均为1.0×10-5s-1，暴雨发生时辐散迅速转变辐合，平均为-3.6×10-5s-1，暴雨结束后辐合减弱，平均为-1.1×10-5s-1。700 hPa表现为较强的上升运动(图4c)，且上升运动先增强再减弱，在暴雨即将来临时上升运动最为强烈，850 hPa上升运动表现为逐步增强的趋势，当日20时及次日08时表现最为强烈，但整体不如700 hPa的强烈。

图4 平均涡度(a)、散度(b)及垂直运动(c)

4.3 比湿、水汽通量散度

暴雨发生前700 hPa比湿平均为11 g·kg-1(图5a)，发生时增加至12 g·kg-1，随着过程的结束，比湿降为11.2 g·kg-1，850 hPa比湿也表现为先增加再减少的趋势，在暴雨发生时达到最高为16.2 g·kg-1，即在强降水发生前后两层比湿均为先增加再减少，700 hPa平均为11 g·kg-1，850 hPa平均16 g·kg-1。当日20时并非700 hPa水汽辐合的最强时段(图5b)，暴雨发生前及发生后700 hPa的水汽辐合均强于暴雨即将发生时，暴雨发生前850 hPa水汽表现为辐散，暴雨即将发生时辐合强度迅速加大至-8.4×10-7g·s-1· hPa-1·cm-2，结束后辐合强度迅速降低，仅为弱辐合-0.9×10-7g·s-1· hPa-1·cm-2，即700 hPa水汽辐合在强降水发生前后表现较稳定，且强水汽辐合时间超前于强降水发生，暴雨发生前850 hPa为辐散，暴雨发生时辐合强度迅速加大。

图5 平均比湿(a)及水汽通量散度(b)

对以上物理量进行总结(表1)，并与前人研究初夏暴雨的结果进行对比[7-8]，可知，特大暴雨发生时的比湿条件、K指数、SI指数、700 hPa水汽辐合及700 hPa垂直速度均明显比初夏暴雨发生时更好，但850 hPa的水汽辐合没有初夏暴雨发生时的强烈。

表1 特大暴雨发生前后平均物理量对比分析

5 中小尺度特征探讨

5.1 动力条件

对特大暴雨点的散度及垂直速度高度随时间的变化进行分析(图6，图中黑色方框内为强降水主要时段)，64%表现为垂直方向上的两个辐合辐散环流圈，36%表现为较为典型的“低层辐合、高层辐散”，且近地层辐合的强度一般大于中高层，中低层辐散的强度一般小于高层辐散的强度。强降水发生时低层辐合的强度在(-2～-4)×10-5s-1之间，平均-2.8×10-5s-1，高度在800 hPa附近。高层辐散集中在200 hPa附近，强度平均为1.5×10-5s-1，厚度平均为210 hPa。综合分析可知，强降水发生时基本的特征为800 hPa附近的强辐合、高层200 hPa附近的辐散，且低层辐合的强度明显大于高层辐散的强度，辐合辐散的厚度基本都在200 hPa左右。

分析垂直速度的高度随时间变化可知(图6)，在强降水发生时，9个样本表现为从近地面到高层的深厚上升运动，3个样本为下沉运动，上升运动的位置在911～318 hPa之间，平均厚度593 hPa，强上升运动出现在760～584 hPa之间，平均位置在672 hPa附近，平均厚度176 hPa，强中心的范围在(-0.2～-0.8)×10-5s-1之间，平均-0.45×10-5s-1。强降水来临之前，7个样本表现为上升运动逐步增强，提前量约为2～10个小时，平均提前6个小时，其中6个样本表现为强上升运动维持时间与强降水时间一致，4个样本表现为降水发生前与发生时的特征基本一致，并没有因为强降水来临其垂直运动而发生变化。

图6 散度(填色区，单位：10-5s-1)+垂直速度(等值线，单位：Pa/s)高度-时间演变

5.2 水汽输送

对特大暴雨点的风+水汽通量散度的高度随时间变化进行分析(图7)，强降水发生时水汽辐合在(-20～-80)×10-8g·s-1· hPa-1·cm-2之间，平均-48×10-8g·s-1· hPa-1·cm-2，强辐合的伸展的高度一般为700～800 hPa之间，平均为713 hPa。700～850 hPa的最大风场集中在6～14 m/s之间，平均为8.2 m/s，基本为西南风或偏南风，即强降水大多发生在偏南气流中的暖区中。

图7 水汽通量散度(填色区，单位：10-8g·s-1·hPa-1·cm-2)+风场

6 地形的作用

地形对暴雨产生的动力作用包括地形抬升的触发作用、地形阻塞导致降水增强、冷(热)源形成局地的热力环流以及地形迫使气流的绕流容易在背风坡形成辐合等。黔西南地形总体来说东高西低，南高北低，各部分受热不均匀，容易产生局部热力对流，山地崎岖不平，因磨擦作用产生湍流上升，这些也势必形成无法预见的中小尺度环流系统，也是加大降水强度的诸多因素之一。

分析强降水发生风场叠加地形随高度的变化，当天20时中低层多为偏南风或偏东风，急流得到建立的仅有1个样本，4个样本近地层有明显风切变；次日02时风速基本都有所加大，有4个样本出现低空急流，低层风向仍以偏东风或偏南风为主，有7个样本出现明显中小尺度环流。整体分析可知，8个样本表现为气流沿地形爬坡过程中由偏东风转变偏南风，中低层风速并没有因为山体的阻挡明显减小，风向随着高度逆转，有冷平流，气旋性涡度加大，有利于山前抬升产生较强降水。

对特大暴雨的四个集中地带进行分析，区域A峰谷林立，特大暴雨点集中在东北—西南向斜坡之上或是类似峡谷地带；区域B位于斜坡之上，区域C位于东南—西北向斜坡的顶部，其西侧、南侧均为类似峡谷地带；区域D的南侧为类似峡谷地带，中部为斜坡，地面辐合线由北向南运动时，气流沿山体上坡，山前的动力抬升作用，山脉对气流的机械阻障，强迫气流抬升，加强对流强度，对强降水产生增辐作用。当气流进行峡谷地带后，四周山地阻挡高能高湿气团和低值系统的移动，使之缓行或停滞，延长降水时间，增大降水强度。当气流进入南侧山谷时，由于喇叭口效应，引起气流辐合上升运动，促进对流发展，加大降水。

7 结论与讨论

(1)特大暴雨局地性强，重大短历时强降水集中在22时之后，出现频次最多的为00时。全年仅6、7、9月出现过特大暴雨，其中6月最多。特大暴雨致灾率达83%，其中兴义受灾频次最高。

(2)天气背景特征：200 hPa南亚高压稳定存在，6次南亚高压呈西部型，4次为东部型，2次为带状型；500 hPa贵州附近多为高空槽，其次为两高切变线和低涡；700 hPa及850 hPa均配合有切变线，而低空急流出现的次数并不多(25%)；地面系统多为地面辐合线或冷空气。

(3)物理量特征：K指数6月和9月呈现势截然相反的趋势；SI指数表现为不稳定度逐步增大，强降水结束后趋于稳定；700 hPa辐合先加强再减弱，850 hPa则表现为先由辐散转为辐合，暴雨结束后，辐合减弱；700 hPa上升运动先增强再减弱，在暴雨即将来临时上升最为强烈，850 hPa上升运动表现为逐步增强的趋势；特大暴雨发生时700 hPa比湿平均11 g/kg，850 hPa 16 g/kg；700 hPa强水汽辐合时段超前于强降水发生，850 hPa在暴雨发生前大多为辐散，暴雨发生时水汽辐合强度迅速加大。

(4)近地层辐合的强度一般大于中高层辐合的强度，中低层辐散的强度一般小于高层；58.3%的个例表现为降水来临前上升运动逐步增强，平均提前量6个小时；强水汽辐合的伸展高度一般在700～800 hPa之间，平均713 hPa；700～850 hPa风场基本表现为西南风或偏南风，平均8.2 m/s。

(5)特大暴雨多集中在斜坡或是类似峡谷地带，气流进入山区时爬坡作用导致风向变化，加强气旋性涡度产生，喇叭口地形的机械阻障等作用对强降水产生一定的增辐效应。