蒙 軍，徐良軍，李啟芬，鄧世有，金凡琦

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

安順市地處青藏高原東側(cè)的云貴高原，容易出現(xiàn)范圍大、持續(xù)時間長、累計雨量大的暴雨天氣，常常造成嚴(yán)重的災(zāi)害，給人民的生產(chǎn)和生活帶來很大的影響。持續(xù)性暴雨天氣成因復(fù)雜，預(yù)報難度大，國內(nèi)外學(xué)者對暴雨天氣進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的螺旋度和暴雨有著密切的聯(lián)系。盧小丹等[1]提出相對風(fēng)暴螺旋度在臺風(fēng)暴雨中與強(qiáng)降雨落區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系，并且對預(yù)報臺風(fēng)暴雨有至少6 h的提前量。宋雯雯等[2]對四川低渦暴雨的研究指出，低渦類影響系統(tǒng)的渦度作用比散度更明顯，這使得垂直螺旋度的垂直結(jié)構(gòu)從低層到高層均變得更為明顯。李琴等[3]研究指出垂直螺旋度、質(zhì)量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度等和降雨的相關(guān)系數(shù)較大。隨著科技的發(fā)展，利用衛(wèi)星資料對暴雨天氣的預(yù)報和研究越來越多，陳傳雷等[4]利用TBB衛(wèi)星資料對遼寧長歷時暴雨的中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)行了分析，指出一般性對流云團(tuán)、暖云和深對流云團(tuán)均可造成長歷時暴雨。王寧等[5]、黎惠金等[6]對暴雨天氣過程中的MCC特征進(jìn)行了研究，指出MCC發(fā)展移動和暴雨的強(qiáng)度降雨時長密切相關(guān)。然而大部分學(xué)者對暴雨的研究僅針對單日暴雨，對超過2 d以上的持續(xù)性暴雨天氣的研究較少。

2019年6月5—11日和9月5—10日安順市出現(xiàn)了持續(xù)性暴雨天氣，造成安順市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度的洪澇災(zāi)害。為了提升對持續(xù)性暴雨天氣的認(rèn)識，分析持續(xù)性暴雨天氣的不同，提高本地暴雨預(yù)報能力，本文利用NCEP 1°× 1°逐6 h再分析資料、常規(guī)觀測資料、地面自動站觀測資料等對這2次持續(xù)性暴雨天氣的螺旋度、TBB特征和環(huán)流形勢等進(jìn)行對比分析。

1 降雨實況

1.1 過程降雨量分析

根據(jù)中國氣象局對暴雨的定義，24 h內(nèi)降雨量達(dá)50 mm以上即為暴雨。本文將安順市范圍內(nèi)的區(qū)域自動站中，有1個站出現(xiàn)24 h降雨量超過50 mm定為暴雨天氣過程開始日；如連續(xù)出現(xiàn)2 d以上超過1個站24 h降雨量≥50 mm，則為持續(xù)性暴雨天氣過程；將安順市范圍內(nèi)有0站出現(xiàn)24 h降雨量>50 mm的前1 d定為暴雨天氣過程結(jié)束日，本文中24 h內(nèi)降雨量統(tǒng)計時間為前1 d 20時—當(dāng)日20時。

根據(jù)安順市區(qū)域自動站24 h降雨量資料顯示，2019年6月5—11日和9月5—10日安順市分別出現(xiàn)了持續(xù)性暴雨天氣過程(圖1)。6月5—11日天氣過程的暴雨集中時段在6月6—7日，最強(qiáng)時段為6月6日，有2站24 h降雨超過200 mm。9月5—10日天氣過程的暴雨集中時段在9月8—10日，最強(qiáng)時段為9月9日，有2站24 h降雨超過300 mm，16站24 h降雨超過200 mm，其中鎮(zhèn)寧炳云24 h降雨量達(dá)到368.8 mm，為2019年貴州省單日單站最大降雨量。

圖1 6月5—11日(a)、9月5—11日(b)區(qū)域自動站24 h降雨站數(shù)

從過程累計降雨量來看(圖2)：6月5—11日安順市有2個監(jiān)測站累計降雨量超過300 mm，19個監(jiān)測站累計降雨量超過200 mm，累計降雨量最大的西秀區(qū)巖臘達(dá)到369.3 mm，大暴雨的落區(qū)主要分布在安順市中東部；9月5—10日安順市有1個監(jiān)測站累計降雨量超過400 mm，有2個監(jiān)測站累計降雨量超過300 mm，有19個監(jiān)測站累計降雨量超過200 mm，累計降雨量最大的普定白巖降雨量達(dá)到490.9 mm，大暴雨的落區(qū)主要分布在安順市西南部。

圖2 6月5—11日(a)、9月5—10日(b)累計降雨量(單位：mm)

1.2 逐小時降雨量分析

從逐小時降雨量(圖略)看到，6月5—8日期間西秀區(qū)巖臘和紫云翁弄的降雨主要為對流性降雨。巖臘有4個時次小時雨量超過20 mm(每小時降雨量大于20 mm即為短時強(qiáng)降雨)，其中有2個時次的小時雨量超過80 mm，最大小時雨量為89.7 mm，降雨主要出現(xiàn)在夜間。9月7—10日普定白巖和鎮(zhèn)寧炳云為混合性降雨。白巖有6個時次小時雨量超過20 mm，最大小時雨量為46.7 mm；炳云有8個時次小時雨量超過20 mm，最大小時雨量為70 mm，降雨全天都有出現(xiàn)。6月4—9日相比9月6—10日的降雨對流性更強(qiáng)，小時雨強(qiáng)更強(qiáng)，而9月6—10日的短時強(qiáng)降雨持續(xù)時間更長。

2 環(huán)流背景分析

6月5—11日期間500 hPa上歐亞為兩槽一脊形勢，高原上多短波槽活動，貴州處于南亞高壓和副熱帶高壓之間的西南水汽輸送帶中。700 hPa和850 hPa上貴州受到西南氣流影響，四川東部有切變維持，這有利于貴州地區(qū)的水汽不斷積累。地面上在云南東北部有輻合中心維持。貴州西部處于輻合中心東南側(cè)，貴州東部受西南氣流影響，輻合中心進(jìn)入貴州之后沿著西南氣流北側(cè)移動，使得安順中東部出現(xiàn)了大范圍的暴雨天氣。

9月5—10日期間受到臺風(fēng)法茜影響，500 hPa上副熱帶高壓脊線退至130°E附近，沒有副高的阻擋，高原西側(cè)的短波槽易越過青藏高原向四川盆地及以南地區(qū)移動，這有利于西南渦的形成[7]。在700 hPa和850 hPa上偏南氣流自南海到34°N以北維持，流經(jīng)貴州地區(qū)，孟加拉灣到貴州也有西南氣流輸送，四川南部維持有低渦發(fā)展，使得低渦進(jìn)入貴州之后可以長時間停留，并且水汽源源不斷地向貴州地區(qū)輸送。地面上輻合中心維持在四川南部，貴州大部分地區(qū)受到輻合中心南側(cè)和東側(cè)的偏南氣流影響，由于偏南氣流的阻擋，輻合中心向南緩慢移動，并且偏南氣流不斷向輻合中心南側(cè)輸送水汽，使輻合中心得以維持。所以9月5—10日降雨量比6月5—11日更強(qiáng)，降雨時間更長，并且暴雨落區(qū)主要分布在安順西部。

2次持續(xù)性暴雨天氣期間在四川南部都有弱冷空氣向貴州輸送，貴州西部受到靜止鋒的影響，冷暖氣流在貴州西部交匯，均為降雨提供了有利條件。

3 螺旋度分析

Lilly[8-9]研究指出，強(qiáng)對流風(fēng)暴具有高螺旋度特征，它的螺旋度從環(huán)境場中獲得并在浮力效應(yīng)下增強(qiáng)，同時高螺旋度阻礙了擾動能量耗散，對超級單體風(fēng)暴的維持有重要作用，穩(wěn)定的強(qiáng)對流風(fēng)暴常發(fā)生在螺旋度值大的地方。陸慧娟等[10]研究表明，垂直螺旋度更傾向為反映系統(tǒng)維持狀況和系統(tǒng)發(fā)展、天氣現(xiàn)象劇烈程度的一個參數(shù)。冉令坤等[11]在垂直螺旋度的基礎(chǔ)上引入水汽和低渦對暖濕氣流的抽吸作用，從而提出了質(zhì)量垂直螺旋度和水汽垂直螺旋度。本文利用(表1)垂直螺旋度、質(zhì)量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度3個螺旋度因子，對6月5—11日和9月5—10日2次持續(xù)性暴雨天氣進(jìn)行對比分析。

表1 螺旋度簡介

質(zhì)量垂直螺旋度[3,11-12]表示低渦對暖濕氣流的抽吸作用，水汽垂直螺旋度[2,11]表示水汽通量渦度的垂直輸送。當(dāng)垂直螺旋度為正值時表示反氣旋性渦度垂直向上輸送，當(dāng)垂直螺旋度為負(fù)值時表示氣旋性渦度的垂直向上輸送。本文對垂直螺旋度取絕對值后積分，綜合考慮反氣旋性渦度和氣旋性渦度的垂直向上輸送。

3.1 垂直螺旋度分析

6月5日14時(圖3)在貴州西北部出現(xiàn)大于100 m2·s-2的垂直螺旋度中心，5日20時中心向南移，安順西部一直位于強(qiáng)中心附近，5日22時紫云翁弄出現(xiàn)56.4 mm·h-1的降雨。6日02—08時垂直螺旋度減弱，6日14時貴州西部再次出現(xiàn)30～40 m2·s-2的垂直螺旋度中心，6日20時中心值依然維持在20～30 m2·s-2，6日21時在西秀區(qū)巖臘出現(xiàn)89.7 mm·h-1的降雨。7日02—08時垂直螺旋度中心減弱，7日14時—8日02時貴州中西部僅出現(xiàn)了20 m2·s-2的螺旋度中心，此時段是本次過程中降雨最弱的時段。8日08—14時貴州中西部的垂直螺旋度中心從20 m2·s-2增強(qiáng)至70 m2·s-2，到8日20時繼續(xù)增強(qiáng)至100 m2·s-2，8日19時西秀區(qū)巖臘出現(xiàn)85.1 mm·h-1的降雨。

9月6日14時—7日08時(圖3)貴州境內(nèi)沒有大的垂直螺旋度中心，此時段降雨也較弱；7日14—20時在貴州中西部出現(xiàn)了20～30 m2·s-2的垂直螺旋度中心，7日22時普白巖出現(xiàn)26.9 mm·h-1的降雨。8日02時垂直螺旋度減弱至0，8日08時貴州西部再次出現(xiàn)20 m2·s-2的垂直螺旋度中心，8日14—20時中心仍維持在貴州西部但中心值有所減弱，8日13時、16時、17時、18時鎮(zhèn)寧炳云分別出現(xiàn)了短時強(qiáng)降雨，其中8日17時出現(xiàn)70 mm·h-1的降雨。9日02時垂直螺旋度弱中心維持在貴州中部，但中心值僅為5 m2·s-2，炳云在8日22時—9日01時連續(xù)出現(xiàn)4個時次的短時強(qiáng)降雨，但最大小時雨量僅為38.2 mm·h-1；9日08時垂直螺旋度減弱至0，此時段降雨也較弱；9日14時貴州西部出現(xiàn)了40 m2·s-2的垂直螺旋度中心，9日20時中心強(qiáng)度減弱為10 m2·s-2，9日14時普定白巖出現(xiàn)46.7 mm·h-1的降雨。

圖3 垂直螺旋度垂直積分(單位：m2·s-2)第1行為6月5—9日，第2行為9月6—10日

對比巖臘和炳云的垂直螺旋度垂直分布(圖4)還可以看到：巖臘在6月5—6日和6月8—9日期間分別出現(xiàn)了20 m2·s-2左右的垂直螺旋度中心，高度在800～200 hPa之間，與巖臘出現(xiàn)大于80 mm·h-1的降雨時間吻合，說明渦度的迅速垂直輸送有利于產(chǎn)生強(qiáng)短時強(qiáng)降雨；炳云在9月8—9日期間出現(xiàn)了20～50 m2·s-2的垂直螺旋度中心，50 m2·s-2的垂直螺旋度中心最先出現(xiàn)且位于300 hPa，中心高度不斷降低，中心值不斷減小，說明渦度的強(qiáng)垂直輸送使得降雨系統(tǒng)強(qiáng)度得以維持，導(dǎo)致了炳云持續(xù)出現(xiàn)短時強(qiáng)降雨。

圖4 6月4—9日西秀區(qū)巖臘(a)、9月5—10日鎮(zhèn)寧炳云(b)垂直螺旋度(單位：m2·s-2)

對比2次過程的垂直螺旋度可以看到，垂直螺旋度垂直積分值越大造成的短時強(qiáng)降雨越強(qiáng)，并且在降雨出現(xiàn)前就有明顯的增長。垂直螺旋度強(qiáng)中心維持在固定區(qū)域有利于垂直螺旋度向上增大，會造成持續(xù)時間長的短時強(qiáng)降雨。垂直螺旋度的迅速增大—減小易造成強(qiáng)的短時強(qiáng)降雨。

3.2 質(zhì)量垂直螺旋度分析

6月5日14時(圖5)四川南部到貴州西部有22 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，5日20時四川西部的質(zhì)量垂直螺旋度中心減弱，貴州西部的質(zhì)量垂直螺旋度中心值增強(qiáng)至11 kg2·m-4·s-2·10-3，5日21—22時西秀區(qū)巖臘和紫云翁弄出現(xiàn)了短時強(qiáng)降雨(翁弄56.4 mm·h-1)。6日20時貴州西部有2個值為3 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，7日08時2個中心均減弱為0，7日05時西秀巖臘出現(xiàn)了89.7 mm·h-1的降雨，7日05—08時紫云翁弄持續(xù)出現(xiàn)了4 h的短時強(qiáng)降雨。8日20時在貴州西部出現(xiàn)了22 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，9日02時中心減弱為6 kg2·m-4·s-2·10-3且移到貴州西北部，9日08時中心繼續(xù)減弱消失，9日03時西秀巖臘出現(xiàn)85.1 mm·h-1的降雨，9日04時紫云翁弄出現(xiàn)36.2 mm·h-1的降雨。

9月5日20時(圖5)在貴州西北部有3 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，6日02時中心向南移動，中心值減弱為2 kg2·m-4·s-2·10-3，普定白巖出現(xiàn)54.3 mm·h-1的降雨。6日08時中心值減弱為0，6日07時白巖出現(xiàn)20.6 mm·h-1的降雨。7日14時貴州中部偏西南區(qū)域出現(xiàn)了3 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，7日20時貴州西北部出現(xiàn)5 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心。8日02時貴州西部的質(zhì)量螺旋度值減小為1 kg2·m-4·s-2·10-3，8日08時貴州西北部再次出現(xiàn)3 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，8日20時貴州西南部仍有5 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，8日08時西秀區(qū)七眼橋出現(xiàn)64.3 mm·h-1的降雨。9日02—08時貴州大部分區(qū)域質(zhì)量垂直螺旋度為0，但在9日00—09時鎮(zhèn)寧炳云連續(xù)出現(xiàn)了7 h的短時強(qiáng)降雨，其中9日01時出現(xiàn)70 mm·h-1的降雨。9日14時貴州西部出現(xiàn)7 kg2·m-4·s-2·10-3的質(zhì)量垂直螺旋度中心，9日20時中心值減小為1 kg2·m-4·s-2·10-3，10日02時質(zhì)量垂直螺旋度中心維持，10日08時中心值加強(qiáng)為3 kg2·m-4·s-2·10-3，9日22時普定白巖出現(xiàn)46.7 mm·h-1的降雨，10日04時關(guān)嶺谷目長沖出現(xiàn)33.7 mm·h-1的降雨。

圖5 質(zhì)量垂直螺旋度垂直積分(單位：kg2·m-4·s-2·10-3)第1行為6月5—9日，第2行為9月6—10日

以上分析說明，在短時強(qiáng)降雨前期到短時強(qiáng)降雨發(fā)生期間，質(zhì)量垂直螺旋度會出現(xiàn)增大—減小的過程，增大—減小得越明顯出現(xiàn)的短時強(qiáng)降雨強(qiáng)度越強(qiáng)，這個特征在6月5—11日天氣過程中更為顯著。

3.3 水汽垂直螺旋度分析

6月5日08時(圖6)貴州中部偏南區(qū)域出現(xiàn)了100 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，5日14時中心范圍擴(kuò)大至整個貴州中西部，5日20時中心范圍縮小，但依然維持在貴州西部。6日02—08時貴州境內(nèi)水汽垂直螺旋度均較小。6日14時貴州西部再次出現(xiàn)水汽垂直螺旋度中心，中心最大值為60 kg·m-1·10-1，6日20時水汽垂直螺旋度中心值減小到40 kg·m-1·10-1。7日02—08時水汽垂直螺旋度繼續(xù)減小。7日14—20時貴州西部水汽垂直螺旋度值增加，且出現(xiàn)了40 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心。8日02—20時貴州西部分水汽垂直螺旋度值不斷增大，8日20時中心值增大到100 kg·m-1·10-1且覆蓋了貴州西部。9日02—08時水汽垂直螺旋度減小到0。結(jié)合圖1逐小時降雨進(jìn)行分析可以看到，西秀區(qū)巖臘在6月7日05時出現(xiàn)89.7 mm·h-1降雨和6月9日03時出現(xiàn)85.1 mm·h-1降雨前期到出現(xiàn)降雨期間，水汽垂直螺旋度值均出現(xiàn)了增大—增大—減小的過程。說明在降雨前期低渦對暖濕氣流的抽吸不斷加強(qiáng)，在降雨出現(xiàn)后抽吸作用迅速減弱。

9月5日14時(圖6)貴州西部出現(xiàn)中心值為60 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，5日20時中心值減小為40 kg·m-1·10-1。6日02時—7日08時貴州大部分地區(qū)水汽垂直螺旋度均較小。7日14時，貴州出現(xiàn)了東北西南向2個水汽垂直螺旋度中心，西部的中心值為50 kg·m-1·10-1，7日20時西部的水汽垂直螺旋度中心值增大為80 kg·m-1·10-1，且中心移至貴州西北部。8日02時水汽垂直螺旋度中心值減小為30 kg·m-1·10-1,8日08時中心值增大為50 kg·m-1·10-1，8日14時水汽垂直螺旋度值有所減小，中心值依然為40 kg·m-1·10-1。8日20時水汽垂直螺旋度中心值增大至60 kg·m-1·10-1，中心移至貴州西南部。9日02—08時水汽垂直螺旋度減小為0。9日14時貴州西北部出現(xiàn)了100 kg·m-1·10-1的水汽垂直螺旋度中心，9日20時—10日02時水汽垂直螺旋度值減小。

圖6 水汽垂直螺旋度垂直積分(單位：kg·m-1·10-1)第1行為6月5—9日，第2行為9月6—10日

對比2次天氣過程，在出現(xiàn)較強(qiáng)短時強(qiáng)降雨前期和降雨期間水汽垂直螺旋度均有增大—增大—減小的過程。9月5—10日天氣過程水汽垂直螺旋度增大和減小的幅度相比6月5—11日天氣過程要小，6月5—11日天氣過程水汽垂直螺旋度中心最大值比9月5—10日天氣過程要大。結(jié)合逐小時降雨量分析，9月5—10期間最大小時降雨量為西秀區(qū)七眼橋9月8日08時的64.3 mm·h-1，而6月4—9日期間最大小時降雨量為西秀區(qū)巖臘6月7日05時的89.7 mm·h-1?？梢钥吹?，水汽垂直螺旋度增大—增大—減小的幅度越大造成的短時強(qiáng)降雨強(qiáng)度越強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文利用常規(guī)觀測資料、逐小時區(qū)域自動站觀測資料、NCEP 1°× 1°再分析資料等對安順市2019年6月5—11日和9月5—10日持續(xù)性暴雨天氣進(jìn)行對比分析，對天氣過程的環(huán)流背景、垂直螺旋度、質(zhì)量垂直螺旋度、水汽垂直螺旋度等進(jìn)行詳細(xì)分析，得出以下結(jié)論：

①6月5—11日期間，500 hPa安順市位于兩高之間，700 hPa和850 hPa上維持有西南氣流，且不斷有東移的短波槽影響，為對流系統(tǒng)不斷發(fā)展創(chuàng)造了條件；9月5—10日期間，700 hPa和850 hPa上強(qiáng)偏南氣流向北輸送，西南渦在貴州西部長時間維持，為對流系統(tǒng)穩(wěn)定維持提供了條件。

②垂直螺旋度的垂直積分越大，低渦的垂直輸送越強(qiáng)，造成的小時雨強(qiáng)越強(qiáng)；垂直螺旋度迅速增大—減小，低渦迅速垂直輸送，造成的短時強(qiáng)降雨就越強(qiáng)；垂直螺旋度在固定區(qū)域不斷增大,中心強(qiáng)度越強(qiáng)，低渦垂直輸送的高度就越高，對降雨系統(tǒng)強(qiáng)度的維持越有利，使得短時強(qiáng)降雨持續(xù)不斷地產(chǎn)生。

③水汽垂直螺旋度在2次天氣過程期間都出現(xiàn)了增大—增大—減小的過程，在短時強(qiáng)降雨前期能夠很好地提示短時強(qiáng)降雨的發(fā)生，且根據(jù)水汽垂直螺旋度增大—減小的幅度可以推斷短時強(qiáng)降雨的強(qiáng)弱。