黔東南兩次冷鋒低槽型降水對比分析

李幫英，廖 領，廖育玲

(貴州省從江縣氣象局，貴州 從江 557400)

1 引言

暴雨是我國重要的災害性天氣之一，由暴雨引發的洪澇災害，每年都造成大量的人員傷亡和巨大的財產損失。每年4月上中旬貴州將自東向西先后進入雨季，由于其獨特的地形地貌易造成山體滑坡、泥石流等次生災害。因此對暴雨天氣系統的研究一直是氣象工作的重點之一[1-2]。管勇[3]等從暴雨的落區、暴雨強度和諸多物理量對廣東兩次特大暴雨成因進行了對比分析；李強[4]等對2009年8月2—5日一次川渝地區大暴雨過程的水汽輸送、濕位渦等進行了診斷分析；井喜[5]對2007年6月8—9日廣西、貴州由中尺度對流復合體(MCC)引發的致洪暴雨過程進行了大尺度環境場和物理量的診斷分析；伍紅雨[6]對2005年5月貴州一次大暴雨天氣過程進行數值模擬表明，西南渦是造成大暴雨的主要影響系統。

從上述研究可見，廣大氣象工作者對西南地區暴雨的研究已經有了一定結果，而對貴州出現的暴雨定義歸類并進行診斷分析的有所偏少，本文將利用常規觀測資料、Micaps資料及區域自動站資料，對2016年8月31日—9月1日與9月9—10日在黔東南地區出現的一般性降雨和區域性暴雨天氣過程進行對比分析，探討此類過程性降雨的成因和機理，尋找暴雨的預報著眼點，為今后的預報提供可參考的依據。

2 降水實況

2016年8月31日08時—9月1日08時黔東南出現降水過程，降水主要分布在黎平、從江、錦屏，有8個鄉鎮9站大雨，其中以黎平孟彥32 mm最大，降雨主要出現在31日夜間(雨情落區見圖1)。

2016年 9月9日14時—10日08時黔東南出現強降水過程，降水主要分布在黎平、榕江、從江、麻江、丹寨、凱里、天柱，有3站大暴雨，20個鄉鎮31站暴雨，其中大暴雨站點分別為黎平壩寨190 mm、高屯機場101 mm，榕江興華132 mm(雨情落區見下圖2)。

從降雨落區來看，“8.31”大雨落區主要分布在黔東南的中東部和南部地區，范圍偏小，量級不大，暴雨主要分布在貴州西南部地區。“9.9”暴雨落區分布在黔東南西部和中南部地區，范圍大，量級較強。從兩次降雨過程的自動站逐小時降水量分布可以看出，“8.31”過程降水中，強降水落區主要集中在貴州西南部地區，出現時段在31日19—22時，最大小時雨強為42.8 mm，而黔東南降水時段主要出現在9月1日03—07時，雨量強度不大，最大小時雨強為10.0 mm(圖1黎平孟彥降水時序圖)，之后降水逐漸減弱；“9.9” 過程降水中，強降水時段主要出現在9日21時—10日02時，1 h最大降水量出現在黔東南的中南部為62.4 mm(圖2黎平壩寨降水時序圖)，出現時段為9日23時—10日00時，之后降水緩慢減弱。“8.31”和“9.9”降雨過程主要出現在夜間，間隔時間不長。降水來臨前，黔東南天空狀況相對較好，白天地面氣溫偏高，能量增大，對流不穩定加強，配合地形的影響，導致中尺度對流發展旺盛。黔東南“8.31”過程降水中強降水持續時間短，而“9.9” 過程降水中強降水持續時間相對較長。

圖1 黔東南2016年8月31日8時—9月1日8時降雨量分布圖(a)和黎平縣孟彥炮站(白點)降水時序圖(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

圖2 黔東南2016年9月9日14時—10日08時降雨量分布圖(a)和黎平縣壩寨炮站(白點)降水時序圖(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 兩次降水過程特征對比分析

3.1 環流特征

“8.31”降水過程中歐亞洲中高緯為“兩槽一脊”型(圖3a)，黔東南逐漸由偏西氣流轉為西北氣流，四川東南部至云南東部的高原槽逐漸東移影響貴州，并且在東移過程中先加強后減弱。渦度場上，在貴州中北部形成明顯的呈帶狀的正渦度場，31日14時逐漸加強成一個正渦度帶,正渦度中心位于四川、貴州、云南交界處，在東移過程中渦度中心逐漸減弱分裂為兩個正渦度中心，分別位于貴州西北部和銅仁地區，東北地區有一明顯的冷渦中心，其后部的偏北氣流引導冷空氣南下。副高588線北界位于云南西南部一線，呈西北—東南走向。700 hPa形勢場上，31日20時溫度場落后于高度場，其槽逐漸加深，西北風逐漸轉為正北風。

“9.9暴雨”降水過程中歐亞洲中高緯環流形勢也為“兩槽一脊”型(圖3b)，西北地區為脊前西北氣流控制，四川東南部至云南東部有高原槽逐漸東移影響貴州，貴州大部處于槽前西南氣流中，東北地區也有一明顯的冷渦中心，中心位置較“8.31”有所偏北，其后部的西北氣流引導冷空氣南下。副高588線北界位于貴州南部邊緣一線，呈東西走向。700 hPa形勢場與“8.31”降水過程相似，北風風速略有偏強。

圖3 2016年8月31日20時(a)和9月9日20時(b)500 hPa環流形勢圖Fig.3 August 31, 2016 20 hours (a) and September 9th 20 hours (b) 500 hPa circulation situation map

兩次降水過程期間，中低層切變系統都比較明顯(圖4)，但是“8.31”過程中，位于云南的熱低壓中心分裂成兩中心，分別位于云南西北部和云南東部，之后位于東部的熱低壓中心逐漸東移至廣西西部，同時850 hPa在廣西西北部有一暖區中心，中心溫度24 ℃，配合高空槽東移和冷空氣南下，廣西西北部熱低壓被填塞，形成閉合性低渦系統；而500 hPa分裂在銅仁地區的正渦度中心沿著槽移動的方向往東南方向移動至湖南地區。黔東南地區在850 hPa切變線南壓的過程中出現明顯的弱輻合區，冷暖氣流的流向呈東西向輻合，輻合中心位于貴州西南部和湖南中東部，這在預報場流線圖上已早有所體現(圖4a)。云南東部和湖南東南部分別有明顯的強輻散中心，兩正渦度中心與負渦度中心相互接壤，相互作用，導致黔東南上空沒有明顯的氣流輻合，故而不利于強降雨的發生和發展。

“9.9”過程較“8.31”過程有明顯差異，從全省分析來看，地面冷空氣較“8.31”過程偏強，位于云南的熱低壓中心位置幾乎不變，其閉合性低壓系統呈橢圓狀延伸至貴州地區，配合高空槽東移和冷空氣南下，在850 hPa切變線南壓的過程中同時產生多個輻合中心，這在預報場流線圖上也早有所體現(圖4b)，影響黔東南的輻合中心位于黔東南中部和南部，配合中高層的系統影響，有利于強降雨的發生和發展。兩次過程都有不利的因素，即南風偏弱，沒有達到低空急流的標準，不利于水汽更好地輸送，由此導致兩次過程中小時雨強整體不是很強。

圖4 2016年8月31日20時(a)和9月9日20時(b)850 hPa實況環流形勢圖與預報圖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

產生暴雨的條件之一是必須有充足的水汽供應， 結合兩次降雨過程的物理量實況對比(表1和表2),通過內插法得出兩次過程中黔東南地區上空的空氣水汽含量比較充沛，已達暴雨以上量級的水汽條件，其中南部地區水汽更為充沛，尤其是貴州南部和廣西北部，以河池500 hPa比濕為5 g/kg，700 hPa比濕為12 g/kg，850 hPa比濕為17 g/kg，925 hPa比濕為18 g/kg；桂林500 hPa比濕為5 g/kg，700 hPa比濕為11 g/kg，850 hPa比濕為16 g/kg，925 hPa比濕為16 g/kg；假相當位溫θse是表征大氣濕度、壓力、溫度的綜合物理量。溫度條件來看，暴雨發生時850 hPa θse值一般在330 K以上，700 hPa θse值為340 K以上，其值越大，表示空氣越暖濕，而850 hPa θse-500 hPa θse是反映大氣中層結潛在不穩定，暴雨區一般在0～15 K之間，結合表1和表2分析得出，兩次過程的溫度條件都比較好，都達到了暴雨的溫度條件；從穩定度分析得出“8.31”降水過程中貴陽和懷化的Cape值都為0 J/kg，K指數<35 ℃，SI為正值，最大上升速度(W_cape)為0，整層大氣趨于穩定，不利于對流的發展，以穩定性降雨為主。而貴州西南部和廣西北部整層大氣趨于不穩定狀態，有利于對流的發展，降水形式以對流性降雨為主。“9.9”降水過程中貴陽和懷化的Cape值分別為6.9 J/kg和0.6 J/kg，而河池和桂林的Cape值分別為1 724.7 J/kg和1 696.7 J/kg，K指數較“8.31”過程有所增大，除貴陽外其余都大于35 ℃，SI指數只有貴陽為正值，最大上升速度(W_cape)貴陽為3.7、懷化1.1、河池58.7、桂林58.3，較“8.31”有所增強，整層大氣除貴陽趨于穩定，不利于對流的發展，以穩定性降雨為主外，其余貴州的東部、南部和廣西的北部整層大氣則趨于不穩定狀態，有利于對流的發展，降水形式以對流性降雨為主。

3.3 云圖資料分析

利用衛星云圖、雷達資料(圖略)等非常規資料對這兩次暴雨過程的中尺度對流系統進行分析。黔西南地區(圖5上紅a)31日20時00分，MCC胚胎云團迅速擴大，表現為清晰的橢圓型結構，已經發展為MCC。銅仁的東部地區(圖5上紅b)，有一小的中β尺度對流云團逐漸東移南下移入湖南，強度逐漸加大；結合冷空氣路徑，兩個明顯的中尺度對流云團分別從黔東南地區的東北部和西南部邊緣移動進入湖南和廣西地區，并未對該地區造成明顯的天氣影響。而“9.9”降水過程中9日16時00分，貴州地區上空出現3個對流系統a、b、c(圖6a)；影響黔東南地區的中β尺度對流云團b迅速發展擴大，其主體部分接近橢圓形，而在其西南面有一孤立的對流云團表現為一個長的對流云帶a，與銅仁地區對流系統c3個系統相連呈一線，系統繼續發展壯大并逐漸向東南方向移動。9日21時00分，以對流系統a為中心的MCC主體進一步擴大，仍然近似橢圓，云帶變寬，對流云團b已經影響黔東南并出現了明顯的強降雨天氣(圖6b)。

表1 2016年8月31日20時城市實況物理量Tab.1 20 hours in August 31, 2016, the actual physical quantities of the city

表2 2016年9月9日20時城市實況物理量(北京時)Tab.2 20 hours in September 9, 2016, the actual physical quantities of the city (Beijing time)

圖5 2016年8月31日20時實況紅外云圖，箭頭表示對流系統的移動方向，三角形表示黔東南地區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，紅外云圖上以對流系統a為中心的MCC主體的對流云團繼續發展東移南下進入廣西，對流很強盛，而且范圍特別大，而東面的對流云團b正在減弱，對流云團c已東移進入湖南地區，對黔東南無影響。在主體MCC西側，仍然有β和γ中尺度對流云團在發展東移，即將并入MCC，但由于冷空氣的繼續推進，系統整體南壓，新生的對流系統無法影響黔東南地區，降水逐漸減弱，b對流系統逐漸變為分散的云系結構；兩次過程中，對流系統的移動方向一致，呈西北—東南方向，并且在南壓過程中逐漸發展壯大，造成明顯的強降雨天氣過程。

4 數值預報檢驗

對比兩次降雨過程模式物理量場分析預報：

EC-thin模式：兩次降雨預報過程中，對形勢場把握較好，尤其是850 hPa低層切變線南下的路徑和移動速度(圖4)。“8.31”過程切變線南壓的過程中出現明顯的弱輻合區在預報場上有所體現；從預報的物理量場分析，水汽條件、溫度條件均已滿足暴雨的形成條件(圖略)，而從渦度場上分析，尤其是850 hPa渦度場(圖7)，“8.31”過程中預報在貴州的西南部地區出現一個明顯的強的正渦度中心，其強度明顯超過位于黔東南的渦度場，阻斷了來自西南方向往黔東南地區的水汽輸送，之后該渦度中心繼續維持東移南下進入廣西，結合實況的紅外云圖，形成一明顯的中尺度對流系統，最后其強度達到中γ尺度，而位于黔東南地區的渦度逐漸減弱轉為負值，配合850 hPa預報的形勢場，不利于該地區出現明顯的強降雨。“9.9”過程中預報在貴州的中南部一線地區出現多個明顯的強渦度中心(圖8)，呈西南—東北走向，其強度除西南部偏強外，其余基本一致，結合形勢場預報得出該多個強渦度中心場上空將出現多個對流系統，實況紅外云圖驗證了這一預報結論，黔東南的中東部和西部將會出現對流系統，然后逐漸東移南壓，強度變化不大。不足之處EC-thin模式在預報時對實況對流系統的移動速度滯后了近3 h，之后該渦度中心繼續維持東移南下進入廣西，而位于黔東南地區的渦度場逐漸減弱，配合850 hPa預報的形勢場，降雨也逐漸減弱。

圖6 2016年9月9日16時圖a和9日21時圖b實況紅外云圖，箭頭表示對流系統的移動方向，三角形表示黔東南地區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

綜合得出，對于“8.31”與“9.9”過程降雨，EC-thin模式預報渦度中心的建立和加強以及其移動路徑對預報區域性暴雨有著較好的指導價值，但對于預報中尺度系統的中心及出現時間和移動路徑則有一定的不確定性，仍需要人工訂正。

圖7 2016年9月1日02 h 850 hPa渦度預報場Fig.7 September 1, 2016 02 h 850 hPa vorticity prediction field

圖8 2016年9月9日23 h 850 hPa渦度預報場Fig.8 September 9, 2016 23 h 850 hPa vorticity prediction field

5 結論

本文通過對黔東南地區出現一般性降雨和區域性暴雨天氣過程的對比分析，得出這兩次過程降水存在一定的相似性和差異，具體主要結果如下：

①兩次過程降水形成時，中高層有高原槽東移影響，地面均有冷空氣入侵，地面輻合線鋒生加強；850 hPa存在明顯的低層輻合切變線，雨區位于切變線附近。所不同的是：兩次降水過程中低層影響天氣系統不同，“8.31”過程低層切變線在南壓經過黔東南地區時，黔東南上空出現明顯的弱輻合區，原因是位于云南地區的熱低壓中心分裂東移被填塞，形成閉合性低渦系統。同時高原槽東移過程中減弱分裂的另一個正渦度中心位于銅仁地區，形成弱的閉合性低渦系統，兩低渦系統在700 hPa槽加深的引導下往東南方向移動，從而引導低層冷暖氣流分別向黔東南東西兩側區域呈明顯的匯集形勢；“9.9”過程中熱低壓中心位于云南地區沒有明顯移動，其閉合系統延伸到貴州地區，低層切變線在南壓過程中，出現多個輻合中心，其中有1～2個輻合中心影響黔東南地區，生成的多個中β尺度對流單體獨立發展逐漸合并為一個中γ尺度對流系統，對流云發展旺盛、伸展高度較髙、具有混合相層和暖云層剖面結構，屬于積狀云為主的混合降水，最后與貴州西南部的中γ尺度對流系統呈東北一西南向的帶狀和橢圓狀的對流云團，屬于層狀云和積狀云混合降水。兩次降水過程，都屬于冷鋒低槽型降水。

②對暴雨中心及觸發機制討論發現，降水發生前，黔東南地區受熱低壓影響，天氣晴好，地面增溫，使大氣低層具有一定熱力條件，偏南風使得低層暖濕條件偏好，冷空氣在南壓的過程中，上升運動得到進一步發展，地面輻合線觸發降雨的發生發展，同時，渦度場上強渦度中心的建立，使得該地區的降水迅速發展壯大，容易形成暴雨中心。針對貴州暴雨的共同特征，冷鋒低槽型暴雨在滿足溫、濕的條件下，預報著眼點應放在：地面風場中輻合線的加強、影響黔東南的強渦度中心的建立和加強及其移動路徑、熱低壓中心位置及其移動路徑等。

③不同于很多強對流天氣和暴雨天氣過程，這兩次降雨過程中的偏南氣流都有所偏弱，沒有達到急流的強度，值得進一步的分析探討。從地形上看黔東南處于山區，有一定的地理因素影響，但在本文中對地形條件在兩次降雨的過程中沒有作詳細分析討論，需進一步研究分析。