吳古會(huì)，趙 杰，崔 庭

(1.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400)

貴州2014年首場(chǎng)暴雨過(guò)程天氣成因分析

吳古會(huì)1，趙 杰1，崔 庭2

(1.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400)

利用常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)資料、FY2E云圖及NCEP1°×1°再分析資料等，分析了2014年5月9—10日貴州首場(chǎng)暴雨過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)、影響系統(tǒng)、物理量場(chǎng)、TBB等。結(jié)果表明：①200 hPa貴州上空高壓環(huán)流、500 hPa高原槽的東移為此次暴雨的發(fā)生提供了良好的環(huán)境場(chǎng)；②近地層弱冷空氣的補(bǔ)充導(dǎo)致輻合線(xiàn)鋒生是觸發(fā)抬升條件，也是造成強(qiáng)降水的直接系統(tǒng)之一；③發(fā)展東移的低渦是另一影響降水的中尺度系統(tǒng)；④強(qiáng)降水落區(qū)和時(shí)段與中尺度系統(tǒng)的演變一致，與冷云團(tuán)的變化趨勢(shì)也一致，對(duì)流云團(tuán)有類(lèi)似MCC特征。

暴雨；輻合線(xiàn)鋒生；西南渦；MCC

1 引言

暴雨天氣由于其復(fù)雜性及高影響性，一直是預(yù)報(bào)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。氣象工作者對(duì)此展開(kāi)了廣泛而深入的研究探索，對(duì)暴雨形成了一定的認(rèn)識(shí)：暴雨是幾種不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，是一種大尺度環(huán)境制約下的中尺度現(xiàn)象[1]。在科研理論不斷深化和擴(kuò)展的同時(shí)，業(yè)務(wù)一線(xiàn)的預(yù)報(bào)員通過(guò)對(duì)天氣過(guò)程診斷分析[2-4]印證著相關(guān)理論研究的正確性與指導(dǎo)性。

按照貴州暴雨過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)[5]，2014年5月9日20時(shí)—10日20時(shí)(北京時(shí)，下同)，貴州省出現(xiàn)了首場(chǎng)暴雨天氣過(guò)程，過(guò)程降水量有11個(gè)縣市、157鄉(xiāng)鎮(zhèn)24 h降水超過(guò)50 mm，其中有7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到大暴雨量級(jí)，而貴陽(yáng)城區(qū)雨量也達(dá)90 mm。同時(shí)，貴陽(yáng)市城區(qū)、清鎮(zhèn)、開(kāi)陽(yáng)、息烽、白云等縣區(qū)還伴有冰雹。給人民生活造成了一定的影響。此次降雨過(guò)程降水分布不均勻，分為兩個(gè)階段，第1階段為10日02時(shí)以前，發(fā)生在地面風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)，為不穩(wěn)定性的雷雨，伴有強(qiáng)雷電、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流。第2階段為10日02時(shí)以后到10日白天，降水主要發(fā)生在貴州的北部和東部，對(duì)流特征減弱，但也有雨強(qiáng)超過(guò)20 mm的地區(qū)。從降水的發(fā)生時(shí)段和中心落區(qū)分布可初略反映出引起這次暴雨過(guò)程的天氣影響系統(tǒng)較為復(fù)雜。本文就此次過(guò)程的天氣成因進(jìn)行初步分析。

2 暴雨成因分析

2.1 有利的環(huán)流形勢(shì)

9—10日，200 hPa貴州處于高壓環(huán)流的西北象限，西北急流軸左側(cè)，急流出口左側(cè)的輻散區(qū)；500 hPa高緯環(huán)流型由兩槽一脊向兩脊一槽型轉(zhuǎn)變，貝加爾湖西南至南側(cè)受低渦控制，低值系統(tǒng)不斷分裂槽東移，9日08 h，原位于貝加爾湖南側(cè)—新疆東部的槽移到河套—青海東側(cè)一線(xiàn)，同時(shí)，原位于高原上的淺槽也東移到四川中部一線(xiàn)，而低緯地區(qū)在云南與貴州之間有南支槽存在，24 h變高分布表明中高緯的槽主要是向東移的，即高緯的高空槽觸發(fā)高原槽東移；700 hPa上貴州為8～12 m/s的西南風(fēng)控制，西南風(fēng)急流軸位于桂北至湘南一線(xiàn)；850 hPa上為6～8 m/s的西南風(fēng)影響；地面冷鋒位于陜西北部—青海東南部一線(xiàn)，貴州受熱低壓和變性高壓共同影響，低壓中心位于貴州西南部，高壓中心在環(huán)渤海灣一帶，貴州東部受其西南側(cè)的東北氣流影響，輻合線(xiàn)(弱靜止鋒)位于畢節(jié)西部—貴陽(yáng)北部—黔東南州北部一線(xiàn)；結(jié)合探空可知，沒(méi)有鋒面逆溫，不穩(wěn)定性較弱。到9日20時(shí)，500 hPa中高緯的高空槽移至陜西西部—四川西北部，低緯的高原槽移至成都—威寧一線(xiàn)，南支淺槽位于云南東南部，貴州位于槽前的偏西氣流中；700 hPa西南風(fēng)增強(qiáng)至12～14 m/s，急流軸仍位于廣西湖南地區(qū)，在云南、貴州之間風(fēng)場(chǎng)上存在氣旋性切變，低渦切變位于川東(成都東北風(fēng)、達(dá)縣東南風(fēng))；相應(yīng)850 hPa南風(fēng)分量也增加，8日白天在貴州南部的暖式切變隨之北抬至武漢—沙坪壩一線(xiàn)，南風(fēng)急流(12～16 m/s)位于廣西境內(nèi)，在貴州南部及湘西形成風(fēng)速輻合，同時(shí)，在宜賓、沙坪壩、貴陽(yáng)間生成低渦；地面上東部的高壓繼續(xù)變性減弱，西部熱低壓發(fā)展控制中西部地區(qū)，冷鋒從陜西北部—青海東南部一線(xiàn)移至四川東部一線(xiàn)；此時(shí)探空還是看不出鋒面逆溫的存在，貴陽(yáng)探空表現(xiàn)出強(qiáng)不穩(wěn)定性(表1)。貴陽(yáng)不穩(wěn)定能量的明顯增長(zhǎng)與南風(fēng)增強(qiáng)、熱低壓的發(fā)展不無(wú)關(guān)系。10日08時(shí)，高緯環(huán)流型調(diào)整為兩脊一槽，貝加爾湖西側(cè)及南側(cè)都是低值區(qū)，且溫度場(chǎng)落后于高度場(chǎng)，繼續(xù)分裂高空槽東移，高原槽移至漢中—達(dá)縣—貴陽(yáng)一線(xiàn)，而南支淺槽已移到廣西東部，比濕下降，溫度露點(diǎn)差也增大；700 hPa低渦中心位于達(dá)縣附近，控制川東、重慶及貴州北部地區(qū)，滇黔間的切變移至廣西西部，急流軸東移，比濕也減少；850 hPa低渦東移，中心位于貴州東北部，急流繼續(xù)增強(qiáng)(16～24 m/s)，急流軸位于河池—桂林—長(zhǎng)沙一線(xiàn)，比濕增加至15 g/kg；探空上750 hPa附近出現(xiàn)了較弱的鋒面逆溫，貴陽(yáng)探空顯示不穩(wěn)定能量明顯降低；地面10日白天冷空氣逐漸入侵貴州，但因引導(dǎo)氣流中北風(fēng)勢(shì)力不強(qiáng)冷空氣南下速度較慢，西南部仍受熱低壓控制，所以在此次暴雨過(guò)程中西南部維持多云天氣并無(wú)降水；而貴州其余地區(qū)10日白天以穩(wěn)定性降水為主。從以上環(huán)流形勢(shì)分析可知：在這次暴雨過(guò)程中，南支淺槽向東南方向移動(dòng)，影響我省的高空系統(tǒng)主要是東移的高原槽，伴隨高原槽的出動(dòng)，地面輻合線(xiàn)(弱靜止鋒鋒生)觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，200 hPa高層輻散有利于抽吸作用的維持，同時(shí)700 hPa、850 hPa低渦發(fā)展東移，分別在兩個(gè)時(shí)段造成性質(zhì)不同的降水；結(jié)合水汽通量，貴州處于急流軸左側(cè)的水汽輸送區(qū)，為本次降水過(guò)程提供了較為充沛的水汽(圖2a、2b)。

表1 貴陽(yáng)5月9日08—20時(shí)物理量變化

圖2 5月9日08時(shí)(a)、20時(shí)(b)中尺度分析圖

2.2 中尺度系統(tǒng)的作用

在大尺度環(huán)流提供的有利背景場(chǎng)中，中尺度系統(tǒng)才是暴雨的直接制造者，在這強(qiáng)降水過(guò)程中，地面中尺度系統(tǒng)和低層低渦扮演了重要的角色，下面就此進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.1 地面中尺度系統(tǒng)的觸發(fā) 9日14時(shí)—10日02時(shí)，在貴州中部(圖3a)26°N附近維持有一條偏南風(fēng)與偏東風(fēng)的輻合線(xiàn)(弱靜止鋒)，其兩側(cè)附近氣溫差異較明顯，從低層的分布(圖3b)也可看出，處于輻合線(xiàn)南側(cè)的貴州西部、西南部為高能區(qū)(345～348 K)，而重慶、川東為低能區(qū)，在貴州中北部形成等線(xiàn)密集帶；從θse的垂直分布(圖3c)還可知，25°～28°N范圍內(nèi)，隨高度減小，700 hPa以下為向上伸展的高值舌，有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性，且其北側(cè)的等值線(xiàn)傾斜度較大；根據(jù)陳忠明等[6]導(dǎo)出的新型輻散方程，在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，等熵面陡立處附近有利于激發(fā)輻合增長(zhǎng)，同時(shí)，根據(jù)吳國(guó)雄等[7]的傾斜渦度發(fā)展理論，傾斜等熵面附近的垂直渦度顯著增加，從而有利于中尺度系統(tǒng)的發(fā)展和暴雨的發(fā)生。結(jié)合低層散度(圖3d)，9日14時(shí)至夜間，輻合中心強(qiáng)度由-20×10-6/s增至-50×10-6/s，中心位于26°N附近，9日夜間先后位于105°E、106°E和108°E附近，這與降水發(fā)生的時(shí)空分布一致，同時(shí)也以輻合增長(zhǎng)的事實(shí)應(yīng)證了新型輻散方程理論。

圖3 (a)9日14時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)(m/s)；(b)9日20時(shí) 850 hPaθse(單位：K)；(c)9日20時(shí)θse沿106°E的垂直剖面；(d)10日02時(shí) 850 hPa散度(單位：10-6/s)

2.2.2 鋒生作用 從實(shí)況分析已知，9日，地面系統(tǒng)主要體現(xiàn)為輻合線(xiàn)，到10日，鋒面特征出現(xiàn)，在濕度場(chǎng)變化較小的情況下，鋒面特征的重現(xiàn)應(yīng)該伴有冷空氣的影響，9日在氣壓場(chǎng)上難以識(shí)別，但通過(guò)溫度平流的分布(圖4a)可以得到，9日午后到夜間，近地層(貴州西部海拔接近850 hPa高度)從川東南、滇東北有約-25 K/s強(qiáng)度的冷平流侵入貴州，冷暖平流零線(xiàn)位于26°N附近，且伴隨南風(fēng)的增強(qiáng)，廣西至貴州南部的暖平流也增強(qiáng)，使得該時(shí)段內(nèi)貴州南部地區(qū)未受影響；10日白天，從低層到高層都可以看到冷平流的入侵，相應(yīng)在海平面氣壓場(chǎng)也有所體現(xiàn)。

圖4 (a) 9日14時(shí) 850 hPa溫度平流(單位：K/s)；(b)9日20時(shí)鋒生函數(shù)沿26°N的垂直剖面(單位：10-9K/(m·s))

從鋒生函數(shù)(圖4b)的反映也可知，9日20時(shí)—10日08時(shí)，鋒生函數(shù)體現(xiàn)強(qiáng)烈，中心值達(dá)5×10-9K/(m·s)，位于800 hPa附近，先后從105°E移至108°E，這種變化與降水的趨勢(shì)也是相符的。即低層輻合線(xiàn)鋒生為本次暴雨過(guò)程創(chuàng)造了良好的動(dòng)力觸發(fā)抬升條件。

2.2.3 低渦的生成及演變 9日14時(shí) 500 hPa上，川西地區(qū)有冷平流(圖略)影響，此時(shí)渦度中心值較小，位于川東，即低渦的西北側(cè)有冷空氣入侵，有利于西南渦的發(fā)展東移，至10日02時(shí)，渦度明顯增強(qiáng)，700 hPa上體現(xiàn)更為明顯，從圖5a可看到，此時(shí)渦度中心位于貴州西北部，強(qiáng)度達(dá)80，降水區(qū)位于其東側(cè)；與此同時(shí)，可以看到500 hPa正渦度平流中心區(qū)位于貴州中部偏東(圖5b)，前一時(shí)刻中心位于10日02時(shí)的渦度中心，而10日08時(shí)，渦度平流中心位于貴州東北部，即高空槽向偏東方向移動(dòng)，低渦也移向該方向。由P坐標(biāo)下的方程可知，通常在近地層低壓中心附近，渦度平流很小，當(dāng)其上空為槽前正渦度平流時(shí)，滿(mǎn)足渦度平流隨高度增加的條件，因而有上升運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，上文中也分析到高層輻散低層輻合的抽吸作用也有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持，從圖5c中容易看出，9日夜間，降雨區(qū)上空都維持上升運(yùn)動(dòng)，其中前半夜垂直上升運(yùn)動(dòng)處于增強(qiáng)階段，伸展高度不斷增高，10日02時(shí)前后，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)擴(kuò)展到200 hPa以上的高空，中心值達(dá)最強(qiáng)(-0.7Pa/s)，位于400 hPa以下，一方面有利于水汽的垂直輸送以致成云降雨，另一方面也有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，所以在前半夜，降雨區(qū)還伴有冰雹等強(qiáng)天氣。

圖5 10日02時(shí)(a)700 hPa垂直渦度(單位：10-6/s)；(b)500 hPa垂直渦度平流(單位：10-7s-2)，9日08時(shí)—10日20時(shí)(26～28°N，106～108°E)范圍平均；(c)垂直速度(單位：Pa/s)；(d)垂直渦度(單位：10-6/s)時(shí)間剖面

陳忠明等[9]通過(guò)分析西南渦的中尺度結(jié)構(gòu)指出：西南渦在初生階段是淺薄天氣系統(tǒng)，位于500 hPa以下，成熟階段正渦度可伸展到100 hPa以上，中心軸線(xiàn)垂直。在這次暴雨過(guò)程中，低渦也體現(xiàn)出這樣的結(jié)構(gòu)特征：10日02時(shí)前后(圖5d)，正渦度伸展最高，達(dá)200 hPa以上，處于成熟階段，10日白天，減弱為淺薄系統(tǒng)，降水強(qiáng)度也明顯減小。

2.2.4 衛(wèi)星云圖特征 分析FY2E衛(wèi)星相當(dāng)黑體亮溫(TBB)發(fā)現(xiàn)，9日17時(shí)前后，畢節(jié)東南部開(kāi)始有有對(duì)流單體(A和B)生成發(fā)展并向東傳播(圖略)，19時(shí)，云頂溫度已接近-50℃，至20時(shí)，A、B單體趨向合并為C，位于畢節(jié)東南至貴陽(yáng)西北，云頂繼續(xù)向上伸展，溫度接近-60℃，即對(duì)流越來(lái)越旺盛，相應(yīng)冷云覆蓋區(qū)發(fā)生了冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水，落區(qū)位于<-32℃冷云區(qū)的南側(cè)亮溫梯度較大的范圍。21-23時(shí)，<-32℃的冷云區(qū)擴(kuò)大，呈橢圓狀，長(zhǎng)軸南北向，短軸位于26°N附近，云頂接近-60℃，中心分別位于短軸兩側(cè)，對(duì)應(yīng)貴陽(yáng)、甕安附近的短時(shí)強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電、冰雹等災(zāi)害天氣。10日00-02時(shí)，冷云團(tuán)C東移，云頂有所降低，溫度約為-50℃；同時(shí)，在仁懷附近生成D云團(tuán)，并發(fā)展東移，至02時(shí)，D云團(tuán)移至湄潭附近，在仁懷附近又有E云團(tuán)生成發(fā)展，不如C強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的降水也較前一時(shí)段減弱。02時(shí)以后至08時(shí)，主要是C后部的殘留和北部地區(qū)云團(tuán)D、E，云頂在-50℃以?xún)?nèi)，范圍較小，相應(yīng)降水分布也較不均勻。根據(jù)Maddox[10]對(duì)中尺度對(duì)流復(fù)合體(簡(jiǎn)稱(chēng)MCC)的定義，對(duì)流云團(tuán)C除了不滿(mǎn)足≤-32℃的冷云區(qū)面積達(dá)到105 km2以上這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外，其余特征一樣，因此對(duì)流云團(tuán)C具有類(lèi)似MCC的特征。

3 結(jié)語(yǔ)

①此次暴雨過(guò)程是在水汽充沛的背景下，高空槽觸動(dòng)的西南渦發(fā)展東移和低層輻合線(xiàn)鋒生的共同作用下造成。近地層冷平流的入侵使得中尺度輻合線(xiàn)鋒生，由于弱冷空氣淺薄，第一階段南風(fēng)勢(shì)力增強(qiáng)，有利于鋒面在貴州中部一線(xiàn)的維持，同時(shí)，渦度平流隨高度的變化有利于產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng)，等熵面的傾斜及高層輻散低空輻合的抽吸配置加強(qiáng)上升，造成中北部的暴雨。

②強(qiáng)降水落區(qū)位于地面鋒線(xiàn)附近以及西南渦的東側(cè)和南側(cè)，降水性質(zhì)的變化與降水區(qū)上空垂直速度、渦度等的演變一致：9日夜間為對(duì)流性質(zhì)降雨，前半夜加強(qiáng)，后半夜開(kāi)始減弱，10日白天對(duì)流較弱。

③強(qiáng)降水落區(qū)及主要降雨時(shí)段和對(duì)流云團(tuán)最強(qiáng)冷云區(qū)的變化趨勢(shì)一致：強(qiáng)降水位于最強(qiáng)冷云范圍內(nèi)或小于-32℃橢圓狀冷云區(qū)短軸的左、右TBB梯度較大的位置。

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2014-06-09

吳古會(huì)(1985—)，女，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。

1003-6598(2015)01-0042-05

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