安順一次罕見秋季特大暴雨天氣分析

曾 妮 ，方 鵬，何莉陽，劉思洋，王興菊

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.廣西壯族自治區氣候中心，廣西 南寧 530000)

0 引言

暴雨是我國最常見的災害性天氣之一，常常引起山體滑坡、泥石流和城市內澇等災害，對人們的生命、財產等造成嚴重損失。許多氣象工作者對暴雨天氣的影響系統、環境條件、環流形勢等進行分析和研究[1-5]。趙思雄等[6]對華北和北京的一次大暴雨過程分析發現，暖(濕)輸送帶自南向北推進對華北和北京地區的水汽通量輻合至關重要。鄧承之等[7]對一次西南渦特大暴雨過程中MCS的演變特征進行分析，發現中低層西南風或南風急流的增強、低空及地面暖濕入流的增強均有利于MCS的增強。杜小玲等[8]分析貴州望謨的一次暴雨天氣，發現鋒生造成的強降水出現在鋒區南側和暖濕空氣北側的強上升運動區。夏季(6—8月)是貴州暴雨天氣過程最為集中的季節，秋季(9—11月)是貴州暴雨天氣過程逐漸減少、雨季逐步結束的季節。曾妮等[9]對安順市大暴雨的時空分布特征進行分析，發現2009—2019年11a間9月安順市出現大暴雨的天數僅為5 d。2020年9月14日安順市出現特大暴雨天氣過程，其影響范圍和累計雨量超過了安順市秋季暴雨的歷史極值。因此，本文利用FNL 1°×1°再分析資料、FY-2F衛星TBB資料及常規氣象觀測資料，對2020年9月14日安順市暴雨天氣過程的成因進行分析，以期為提高安順地秋季暴雨預報及服務水平提供參考。

1 過程概況

2020年9月13日20時—14日20時(簡稱14日，下同)，安順市出現全年影響范圍最廣的暴雨天氣，全市除紫云縣南部以外，普降暴雨到大暴雨，局地特大暴雨(圖1a)。由圖看出，此次暴雨天氣過程共出現特大暴雨4站、大暴雨54站、暴雨80站，最大累計降水量為紫云縣白石巖站的258.7mm。此次暴雨天氣過程的影響范圍和大暴雨以上量級的降水站次，突破安順市秋季暴雨的歷史極值。

對出現特大暴雨的站點進行逐小時雨量分析(圖1b)發現，此次暴雨過程的對流性不是很強，在降水最強的時段(14日01—07時)小時雨強大多在20～40 mm·h-1之間，僅有3個時次小時雨強超過40 mm·h-1，最大小時雨強為鎮寧縣炳云的47.1 mm·h-1，14日07時以后以穩定性降水為主。此次暴雨天氣過程的短時強降水(小時雨強≥20 mm·h-1)持續時間和穩定性降水持續時間均較長，是造成全市大范圍出現暴雨—大暴雨的主要原因。

圖1 安順市2020年9月13日20時—14日20時累計降水量(a)、特大暴雨站點逐小時降水量(b)

2 大氣環境條件分析

2.1 天氣形勢

9月13日08時(圖2a)，200 hPa貴州處于南亞高壓東部脊區，高層輻散的抽吸作用利于低層氣流輻合上升；500 hPa副熱帶高壓脊線位于25°N附近，西脊點位于75°E附近，南支槽位于四川西部—云南西部，貴州處于槽前西南氣流中；700 hPa切變線位于陜西南部—四川中北部以及云南西部，貴州受4～6 m·s-1的偏西氣流影響；850 hPa四川西部低渦切變建立，貴州處于低渦切變南側的偏南氣流中，風速為2～4 m·s-1。20時(圖2b)，500 hPa副熱帶高壓略有西伸，同時南支槽加深，其北段東移到四川東部；700 hPa原位于陜西南部—四川中北部的切變線由南北向轉為東西向，位于四川北部—重慶北部，西南氣流增強到8～12 m·s-1；850 hPa低渦切變穩定維持，偏南氣流增加到4～6 m·s-1。從海平面氣壓場看出(圖略)，08時有弱冷空氣從東北方向滲透影響貴州，17時冷高壓分裂南下，在湖北和湖南的交界處形成1個高壓中心，冷空氣影響強度增強。

圖2 13日08時(a)和20時(b)中尺度環境場

從500 hPa環流形勢演變看出，14日02時之前(圖3a～d)安順一直在副熱帶高壓的控制范圍內，且西南氣流較弱。02—08時(圖3d～e)副熱帶高壓逐漸南壓到貴州南部，引導短波槽東移，且西南氣流明顯增強，為降水效率的提高提供了有利的降水條件。此期間對流性降水特征最明顯，出現特大暴雨的4個站點，其短時強降水持續時間為3～6 h。

圖3 500 hPa高度場(單位：dagpm，紅線為副熱帶高壓特征線)和風場(單位：m·s-1)變化趨勢(a：13日08時，b：13日14時，c：13日20時，d：14日02時，e：14日08時，f：14日14時)

綜上所述，此次暴雨天氣過程的主要影響系統為高空槽和中低層低渦切變線。在強降水發生前，500 hPa貴州受副熱帶高壓控制，且處于副熱帶高壓北側，低層為輻合區，高層為輻散區[10]，利于上升運動發展和能量積累。強降水發生期間副熱帶高壓快速南壓，引導短波槽東移。從08時和20時的實況看出南風較弱，不利于水汽的輸送，但從圖7a看出，13日20時以后南風逐漸增強，到14日02時急流建立，為暴雨的產生提供有利的條件。

2.2 環境條件

由于對流云團在云南生成，并東移影響安順，且安順位于昆明和貴陽之間，因此對昆明站和貴陽站的T-lnp圖進行分析。13日08時(圖略)，昆明站和貴陽站的濕層均從近地面伸展到200 hPa，T-Td≤2 ℃，大氣接近飽和。同時，抬升凝結高度LCL較低，在800 hPa以下，暖云層較厚，降水效率高，700 hPa以下風隨高度順轉，暖平流明顯，利于低層上升運動的發展。13日20時，濕層維持，昆明站從近地面到500 hPa轉為西南氣流影響(圖4a)，貴陽站的暖平流較08時有所增強，500 hPa以下T-Td≤1 ℃，大氣的飽和程度增加(圖4b)。

圖4 13日20時T-lnp圖(a：昆明站，b：貴陽站)

由表1可見，2個時次貴陽站的對流有效位能CAPE幾乎為0，但昆明站的對流有效位能CAPE從1203.3 J·kg-1增加到1590.1 J·kg-1。13日20時與08時相比，抬升指數LI從負值變為正值，表明爆發對流的可能性增大。沙氏指數SI始終小于3 ℃，利于陣雨的產生[10]。抬升凝結高度LCL降低到870 hPa附近，暖云層增厚，有利于降水效率的提高。同時，貴陽站的K指數從34.7 ℃增加到36.6 ℃，達到安順市出現暴雨時K指數的多年同期平均閾值(≥35 ℃)[11]。

表1 昆明站和貴陽站探空物理量值

綜上可知，對流云團生成的區域，其水汽、能量和抬升條件均較好，在對流云團東移影響的區域，大氣層結不穩定，濕層深厚，對流層中低層的暖平流使低層暖濕空氣輻合抬升，利于降水云團的發展。

3 物理量場分析

3.1 水汽條件

分析強降水發生前后的比濕和水汽通量散度。700 hPa層上，13日08時，貴州比濕在10 g·kg-1以上，其中貴州中西部地區的比濕在11 g·kg-1以上，安順處于濕舌中(圖5a)，20時大于11 g·kg-1的濕舌范圍增大(圖5b)，且維持到14日02時(圖5c)，之后濕舌范圍逐漸減小，直到14日08時濕舌范圍明顯減小，但仍控制安順市南部(圖5d)。850 hPa層上，貴州中西部和南部的比濕一直維持在13 g·kg-1以上，從13日20時—14日08時安順一直處于比濕梯度大值區，且比濕達到14～15 g·kg-1(圖5e～h)。從850 hPa水汽通量散度場看出：13日08時—14日08時強水汽輻合中心穩定維持在安順(圖6a～d)，且13日20時—14日02時輻合強度增強，其中心值達-8·10-5g·hPa-1·cm-2·s-1(圖6b～c)。以上數值均超過安順市出現暴雨的多年同期平均閾值[11]。

圖5 700 hPa(上)和850 hPa(下)比濕分布(單位：g·kg-1)(a、e：13日08時，b、f：13日20時，c、g：14日02時，d、h：14日08時)

圖6 850 hPa水汽通量散度(填色，單位：10-5g·hPa-1·cm-2·s-1)和風場(單位：m·s-1)變化趨勢(a：13日08時，b：13日20時，c：14日02時，d：14日08時)

綜上所述，在強降水發生期間安順處于高濕區中，且強的水汽輻合中心一直穩定維持在安順，使低空急流輸送過來的水汽和本地的水汽在安順上空輻合，為暴雨的產生提供了充分的水汽供應條件。

3.2 動力和熱力條件

從紫云縣白巖站的風場、垂直速度和假相當位溫的時間—高度剖面圖(圖7a)看出，在13日14時前大氣無明顯的上升運動，13日14時以后上升運動開始發展并逐漸增強，到14日02時達到最強。強上升運動從近地面伸展到200 hPa，且在700 hPa和450 hPa附近形成2個強中心，其中心值達-2.1 Pa·s-1，14日08時以后上升運動逐漸減弱。隨著上升運動的增強，對流層中、低層的南風也隨之增強，14日02時在700 hPa和850 hPa有急流建立。假相當位溫θse能綜合表征大氣的濕熱能和不穩定度條件。從圖中看出不管是強降水發生前后，還是強降水發生期間，θse均在75 ℃以上，表明降水區處于高能高濕的環境中，且13日14時—14日02時高能舌從近地面伸展到600 hPa附近且θse/Z<0。紫云縣白巖站的降水發生在13日21時—14日13時期間，其中最強降水時段出現在14日02—09時，與上升運動和南風的增強時段及高能舌的影響時段相對應。

從13日20時沿紫云白巖站所作的溫度平流緯向(圖7b)和經向(圖7c)剖面看出，暴雨發生前，紫云白巖站上空對流層低層為暖平流，中心位于800 hPa附近，其值為6·10-5K·s-1，對流層中層為冷平流，在白巖站的東北方向600 hPa附近有-3·10-5K·s-1的冷平流中心；低層暖平流有減壓的作用，利于上升運動的發展，中層冷平流的侵入導致未飽和空氣趨于飽和，降低了層結穩定度，為能量和潛熱的釋放提供有利條件，從而增強了上升運動[12]。

圖7 紫云縣白巖站風場(單位：m·s-1)、垂直速度(黑色等值線，單位：Pa·s-1)和假相當位溫(紅色等值線，單位：℃)時間—高度剖面(a)、13日20時沿25.84°N(b)和105.91°N(c)作紫云白石巖站溫度平流(等值線，單位：10-5 K·s-1)緯向和經向剖面圖

4 TBB演變特征

使用FY-2F衛星的逐小時TBB資料，分析此次暴雨天氣過程的中尺度對流云團的演變特征。13日19時，在云南的東南部有2個中β尺度的對流云團移入貴州西南部，其最低云頂亮溫為-50 ℃(圖8a)。20時，對流云團迅速發展，TBB梯度明顯增大，在黔西南州中東部和六盤水市西部，其最低云頂亮溫達-60 ℃(圖8b)；21—22時2個對流云團合并后向東北方向移動發展，并進入安順(圖略)。23時，在對流云團的TBB梯度大值區處出現短時強降水，關嶺縣谷目站小時雨強達42 mm·h-1，此時TBB≤52 ℃的冷云區較分散，主要位于六盤水和黔西南州西部一帶(圖8c)。13日23時—14日06時，對流云團在貴州西南部發展增強，影響范圍逐漸擴大(圖8c～f)。14日04時最低云頂亮溫達到-60 ℃以下(圖8e)。06時對流云團已發展到成熟階段，強度達到最強，安順大部被TBB≤52 ℃的冷云區覆蓋(圖8f)，由于對流云團移動緩慢，且強中心位于安順上空，使得安順出現持續時間較長的短時強降水，因此成為此次強降水天氣的暴雨中心。06時以后對流云團開始減弱，云體逐漸變得松散，14日17時云團完全移出安順(圖8g～i)。

圖8 FY-2F衛星TBB(單位：℃)演變(a：13日19時，b：13日20時，c：13日23時，d：14日02時，e：14日04時，f：14日06時，g：14日09時，h：14日12時，i：14日17時)

綜上所述，此次暴雨過程是由2個中β尺度的對流云團合并發展成為1個中α尺度的對流云團，對流云團在生成階段發展迅速，成熟以后減弱緩慢，生命史約為22 h，暴雨區與TBB≤55 ℃的區域對應較好。

5 結論

①此次暴雨天氣過程的主要影響系統為高空槽和中低層低渦切變線，在強降水發生前，500 hPa上貴州受副熱帶高壓控制，強降水發生期間副熱帶高壓快速南壓，引導短波槽東移，為暴雨的發生提供了有利的天氣尺度背景條件。

②暴雨出現前，500 hPa以下T-Td≤1.0 ℃，大氣接近飽和，700 hPa比濕在11 g·kg-1以上，850 hPa比濕在14 g·kg-1以上，強水汽輻合中心穩定維持在安順，且14日02時低空急流建立，為暴雨的產生提供了充分的水汽條件，暴雨中心與水汽輻合中心相對應；暴雨區低層暖平流有減壓的作用，利于上升運動的發展，中層冷平流的侵入導致未飽和空氣趨于飽和，降低了層結穩定度，為能量和潛熱的釋放提供有利條件。

③強降水的發展與中尺度對流云團的發生、發展和演變有密切的關系，此次暴雨過程由2個中β尺度的對流云團合并發展成為1個中α尺度的對流云團，對流云團在生成階段發展迅速，成熟以后減弱緩慢，生命史約為22 h，暴雨區與TBB≤55 ℃的區域對應較好，對流云團在安順上空穩定少動，導致全市范圍出現暴雨到特大暴雨。

④對流云團生成的區域，其水汽、能量和抬升條件均較好，在對流云團東移影響的區域，大氣層結不穩定，濕層深厚，但能量條件較差，導致此次暴雨過程的對流性不是很強，在降水最強的時段小時雨強大多在20～40 mm·h-1之間，且僅有3個時次小時雨強超過40 mm·h-1。