2015年一次強對流天氣中尺度特征及水汽輸送

萬雪麗，朱文達，曾莉萍，周明飛

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

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2015年一次強對流天氣中尺度特征及水汽輸送

萬雪麗，朱文達，曾莉萍，周明飛

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

利用高空、地面實況探測、觀測資料以及NCEP再分析資料，針對2015年5月7日夜間貴州出現的大范圍強對流天氣過程的中尺度特征及產生暴雨的水汽輸送進行分析，結果表明：這次強對流天氣是在有利的大尺度環流背景下生成的多個中尺度對流云團中產生，地面中尺度輻合區加強了對流的發展，冷空氣的侵入增強了對流天氣的劇烈程度，來自北部灣和阿拉伯海的水汽輸送為暴雨天氣的產生提供了所需的水汽條件。

強對流；中尺度特征；水汽輸送

1 引言

強對流天氣通常由中小尺度天氣系統產生[1]，具有突發性強、發展迅速、影響范圍小、容易致災等特點，出現時往往會產生雷暴大風、冰雹、短時暴雨等災害性天氣，有時甚至伴有龍卷。段旭、董海萍、慕建利等[2-4]的研究表明中尺度系統是產生強降水的直接原因，劉勇等[5]對發生在陜中的一次龍卷過程研究中發現龍卷的發生與地面中尺度輻合線有關，梁俊平等[6]的研究表明強風暴回波沿著地面輻合線移動。池再香等[7]在研究貴州西部強降水過程時指出，貴州西部強降水與中尺度云團、中低層西南渦以及切變線的活動密切相關。

貴州地處青藏高原東側，緯度較低，春季回溫較快，加之省內丘陵山地縱橫，地勢起伏，因此春季是貴州強對流天氣多發的時段，極易出現雷雨大風、冰雹等劇烈的災害性天氣。同時，由于貴州距離孟加拉灣和南海較近，5月隨著西南季風的增強，來自上述地區的水汽輸送加強，貴州雨季開始[1]，局地強降雨特征逐漸顯著，此時雖然暴雨出現頻率不高，但是局地降雨強度較大，常會出現小時雨強超過50 mm的降雨，引發局地的洪澇、滑坡、泥石流等次生災害。2012年4月12日貴州就出現了當年的首場暴雨天氣[8]。張艷梅、白慧等[9-10]對近30 a的暴雨天氣進行分析，揭示了貴州夏季和主汛期暴雨的氣候特征，吳哲紅、伍紅雨等[11-12]分別對貴州2004年和2005年5月的兩次暴雨過程進行了分析，揭示了5月貴州暴雨天氣發生的有利環境及中尺度條件。本文對2015年5月7日夜間貴州突發的強對流天氣進行分析，揭示降水云團的中尺度特征，地面流場演變對降雨的影響，以及產生暴雨的水汽來源,為臨近預報預警提供參考。

2 強對流天氣實況

2015年5月7日夜間貴州出現入汛以來第一場大范圍的強對流天氣，貴州中部及以北以東地區出現大到暴雨局地大暴雨。雷雨天氣伴隨著冰雹、大風、短時強降雨等一起出現，閃電頻次達18 290次，最大冰雹直徑達到29 mm，最大瞬時風速達到29 m/s(表1)，最大小時雨強達到78.7 mm，20 h累計最大雨量達到159.7 mm(圖1)。這次強對流天氣致使75 382人受災，轉移安置365人，倒塌房屋250間，損壞房屋931間，直接經濟損失6 759萬元。

表1 雷暴大風和冰雹出現的時間

圖1 a：短時強降雨實況，b：降雨實況Fig.1 a:Observation of short-time heavy precipitation,b:Observation of precipitation

3 環境條件

3.1 環流背景

強對流天氣發生前7日08時(北京時，下同)(圖略)，副熱帶高壓在20°N以南呈東西向帶狀分布，受西風帶波動的影響，副熱帶高壓在北半球的非洲到南亞之間分裂成3個中心，分別位于大西洋到非洲半島、孟加拉灣到中南半島、南海到西太平洋，這使得青藏高原南側偏西氣流上多波動槽東移。700 hPa和850 hPa在四川東部達縣至西昌之間有切變維持，利于切變南側隨著偏南氣流北上的水汽在貴州上空聚集，為貴州產生降水天氣提供有利的水汽輻合。同時，850 hPa從北部灣至重慶一帶的偏南氣流在7日白天到夜間從6～10 m/s增加到8～12 m/s，加強了貴州上空的水汽輸送。200 hPa上貴州處于高空急流入口區右側，是有利于上升運動發展的區域。地面場上自川陜南下的冷空氣在7日夜間自北向南影響貴州，為強對流天氣的發生提供了動力條件。

3.2 物理量參數特征

冷空氣影響前，云貴之間有熱低壓發展，氣溫持續上升，為強對流天氣發生提供了較好的熱力條件。7日08時，貴州上空K指數達到38 ℃，Si指數達到-2 ℃，表征當時貴州上空已經處于熱力不穩定狀態，下午隨著云貴熱低壓的發展，熱力不穩定情況持續加強。7日08時，貴州區域CAPE達到421 J/kg，說明當時貴州區域已經儲存了一定的能量，下午隨著偏南氣流的加強和云貴熱低壓的發展，水汽輸送加強，本地氣溫上升，CAPE顯著增加。假定當日大氣垂直方向氣溫和水汽分布不變，以14時氣溫24 ℃訂正探空，則當日CAPE在下午將升至1 716 J/kg，急劇增加的對流有效位能將為午后強對流天氣發生提供所需的能量條件。7日08時，貴州上空0～400 hPa垂直風切變在2.8×10-3s-1，屬于強垂直風切變，7日白天雖然熱低壓發展，但是地面觀測貴州區域從08—20時一直維持2～4 m/s的偏南風，表明7日當天貴州上空維持強垂直風切變，有利于對流組織發展形成深對流出現強雷暴。當日08時0 ℃層高度在4 300～4 700 m之間，已經處于貴州降雹的有利高度[13]，當冷空氣影響時0 ℃層高度還有可能下降，因此，當日0 ℃層高度持續處于冰雹天氣出現的有利狀態。

4 中尺度系統分析

4.1 降水及云團的中尺度特征

強對流云團7日17時(圖2a)在四川甘洛附近生成，生成初期對流云團呈東西向橢圓狀，面積約14 000 km2，中心云頂亮溫-44 ℃，隨后云團東移增強。20時(圖2b)中心云頂亮溫達到-54 ℃，云團東移過程中，高空環境風使得云砧向東伸展，云頂亮溫梯度大值區位于對流云團西部，20時-32 ℃云砧亮溫區覆蓋貴州赤水市上空，范圍達35 700 km2，但是此時赤水市未出現降雨或對流天氣，強對流天氣主要出現在四川省宜賓市附近的-52 ℃云頂亮溫覆蓋區域，21時(圖略)-52 ℃云頂亮溫區進入貴州邊緣，其覆蓋區隨即出現降雨，22時(圖2c)強對流云團繼續東移發展加強，-32 ℃范圍達78 760 km2，貴州境內赤水市附近云頂亮溫低于-56 ℃的區域出現1 h 70 mm左右的強降雨。23時(圖2d)對流云團中心云頂亮溫低于-68 ℃，-32 ℃亮溫面積達到約107 000 km2，在其移動前方云頂亮溫-56 ℃覆蓋區域偏向溫度梯度大的一側出現成片小時雨強大于30 mm的降雨，最大小時雨強達到68 mm，同時伴隨29 m/s的雷暴大風(圖3a、3c)。8日00時對流云團緩慢東南移，中心云頂亮溫達到-72 ℃，-32 ℃區域面積達到約127 000 km2，在云團移動前方云頂亮溫-56℃覆蓋區域偏向溫度梯度大值一側出現73 mm/h強降雨及18 m/s的雷暴大風(圖3b、3c)。同時，23時在貴州中部新生2個20 km×80 km和30 km×70 km的β中尺度對流云團，隨后迅速合并發展，1 h后合并云團中心云頂亮溫低于-40 ℃，尺度達到90 km×160 km，在對流云中心出現小時雨強57 mm的強降雨(圖2d)。在其后的2 h上述2個對流云團分別在貴州北部和中部各自東移發展，到8日02時(圖4a)，南北2云團合并，合并后的云團雖然邊界松散，但是有3個低亮溫中心，最低云頂亮溫達到-72 ℃，另2個中心云頂亮溫低于-64 ℃，在云頂亮溫低于-60 ℃的區域對應地面均出現小時雨強超過30 mm的短時強降雨，在中心云頂亮溫-72 ℃的云團內出現最大57 mm/h的強降雨和21 m/s的雷暴大風，在中心云頂亮溫-64 ℃的云團內對應地面分別出現最大48 mm/h和52 mm/h的短時強降雨，以及直徑14 mm的冰雹(圖3d、4b)。此后合并后的云團緩慢東移，到04時，中心云頂最低亮溫一直維持在-68～-72 ℃之間，在云頂亮溫-56 ℃區域對應的地面連續出現超過50 mm/h的強降雨，最大達到76 mm/h，同時出現17 m/s和23 m/s雷暴大風以及直徑29 mm的冰雹(圖3d)。

圖2 fy2E-TBB(單位：℃，等值線初始值為-24 ℃，等值線間隔4 ℃，-32 ℃和52 ℃等值線虛線加粗)(a：7日17時、b：7日20時、c：7日22時、d：7日23時)Fig.2 Fy2e-TBB (unit: ℃,the contour starts at -24 ℃, contour interval is 4 ℃, dashed lines for -32 ℃ and -52 ℃)(a:17∶00 7th, b:20∶00 7th, c:22∶00 7th, d:23∶00 7th)

圖3 a：7日23時—8日00時強降雨，b：8日00—01時強降雨，c：7日夜間雷暴大風分布，d：7日夜間冰雹分布Fig.3 a: Short-time heavy precipitation from 23∶00 7th to 00∶00 8th, b: Short-time heavy precipitation from 00∶00 8th to 01∶00 8th,c:The distribution of thunderstorm and gale in 7th night, d:The distribution of hail in 7th night

圖4 a：8日02時fy2E-TBB (單位：℃，等值線初始值為-24 ℃，等值線間隔4 ℃，-32 ℃和52 ℃等值線虛線加粗)，b：8日02—03時強降雨(單位：mm/h)Fig.4 a: Fy2e-TBB at 02∶00 8th (unit: ℃,the contour starts at -24 ℃, contour interval is 4 ℃, dashed lines for -32 ℃ and -52 ℃)b: The Short-time heavy precipitation from 02∶00 to 03∶00 8th(unit: mm/h)

4.2 地面中尺度系統的作用

分析地面流場可見，在7日20時(圖5a)貴州中東部地區在大方—貴陽—劍河及大方—遵義—思南的扇形區域有一輻合帶形成，至8日02時(圖5b)該區域的輻合呈加強趨勢，為強對流天氣的形成和發展提供了逐漸增強的低層抬升條件。

從圖5c、5d可見，冷空氣在7日20時開始從遵義北部進入貴州，到8日02時冷空氣南下接近貴州中部。分析圖6a、6b可見，8日00時10分前后冷空氣接近遵義市時，遵義市附近已經出現了10 mm以下的弱降雨，此時雖然有-1.2×10-3Pa/s的上升運動和-4×10-4kg/(m2·s·Pa)的水汽輻合，且到8日02時上升運動增強到-1.4×10-3Pa/s，水汽輻合加強到-6×10-4kg/(m2·s·Pa)，上升運動伸展到200 hPa附近，水汽輻合伸展到700 hPa附近，但是遵義市附近只在冷鋒影響時出現了46.8 mm/h的降雨和18 m/s的雷暴大風，而在冷鋒繼續影響水汽輻合上升更強的時段只產生短時強降雨。遵義市附近在對流發展旺盛時期地面逐小時監測中觀測到了雷暴高壓的出現(圖略)，說明此時在冷鋒附近的遵義市對流云發展旺盛，由對流降水引發了雷暴大風。從圖6c、6d可見，位于貴州西北部的大方縣，在8日00時55分750 hPa以下出現了-1.0×10-3Pa/s的上升運動和-3×10-4kg/(m2·s·Pa)的水汽輻合，此時對應地面出現直徑14 mm的冰雹和18.1 mm的降雨，而冷空氣在01時之后開始影響大方縣，01—03時冷空氣繼續影響，水汽輻合逐漸減小，上升運動雖然增強到-3×10-3Pa/s，但是大氣積聚的能量已經釋放，因此01—03時大方縣出現了21.9 mm降雨，卻沒有出現更為劇烈的對流天氣。 從圖6e、6f可見，8日02時冷空氣開始影響清鎮市，由于冷鋒的動力作用出現了-1.6×10-3Pa/s的上升運動，且伸展到了200 hPa，此時700 hPa以下已經有-8×10-3Pa/s的強水汽輻合，強的輻合上升一直持續到04時，03時22分地面觀測到43.9 mm/h短時強降雨、直徑29 mm的冰雹和23 m/s的雷暴大風，同時在地面逐小時監測中觀測到了雷暴高壓的出現(圖略)，說明此段時間清鎮市附近受地面輻合系統及冷空氣共同影響對流云發展旺盛，由對流降水引發了短時強降雨、雷暴大風、強冰雹等劇烈天氣。

從以上分析可知，當冷空氣進入地面扇形輻合區，在遵義市和清鎮市附近均加強了對流抬升，遵義市附近由于水汽輻合相對較弱，只出現了雷暴大風和短時強降雨，清鎮市附近由于有強的水汽輻合參與，產生了雷暴大風、大冰雹、短時強降雨等更為強烈的對流天氣，而大方縣附近對流發生在冷空氣影響之前，且位于地面輻合區的邊緣，動力抬升作用較遵義市和清鎮市附近弱，水汽輻合也比遵義市和清鎮市附近弱且淺薄，因此只出現了冰雹和弱降雨。由此可見，對流降雨云團自貴州西部向東移動，在地面扇形區域的輻合帶內對流云團顯著發展，產生雷暴大風、冰雹以及短時強降雨。冷空氣進入貴州以后加強了地面扇形區域輻合帶內的動力抬升作用，產生了更為劇烈的雷暴大風及冰雹天氣。

圖5 a：7日20時地面流場，b：8日02時地面流場，c：8日02時850 hPa θse(單位：K)，d：8日08時850 hPa θse(單位：K)Fig.5 a: Surface flow at 20∶00 7th, b: Surface flow at 02∶00 8th,c: 850 hPa θse at 02∶00 8th, d: 850 hPa θse at 08∶00 8th

圖6 左：水汽通量散度(陰影，單位10-4 kg/(m2·s·Pa))和假相當位溫(等值線，單位K)疊加 右：垂直速度圖(等值線，單位Pa/s)( a、b: 遵義市附近、c，d: 大方縣附近、e，f:清鎮市附近)Fig.6 Left: The vapor flux divergence (shaded, unit: 10-4 kg/(m2·s·Pa)) and pseudo-equivalent potential temperature (contour, unit:K)Right: The vertical velocity (contour, unit: Pa/s)(a,b: Around the city of ZunYi, c,d: Around the town of DaFang, e,f: Around the city of QingZhen)

5 水汽輸送

5月7日夜間在貴州不僅產生了雷電、冰雹、大風等劇烈的對流天氣，同時出現了大范圍的暴雨天氣。從產生暴雨所需的水汽的輸送來看，850 hPa從北部灣向北輸送到貴州的水汽和700 hPa從青藏高原南側自阿拉伯海向東輸送到貴州的水汽，這兩支水汽給暴雨的產生提供了所需的水汽來源。

6日20時隨著南風增強，850 hPa出現一支從北部灣向北的偏南氣流，正是這支氣流將水汽從北部灣向北輸送(圖略)，7日20時水汽輸送明顯加強，貴州處于水汽通量大值區(圖7a)，貴州北部和西部開始出現水汽輻合，此后850 hPa的水汽輻合在貴州大部維持(圖7b)，8日08時隨著冷空氣南壓，截斷水汽輸送通道，從北部灣向北輸送的水汽向東輸送到江南地區，貴州暴雨天氣完全結束。

700 hPa圖上，青藏高原南側在暴雨天氣產生前就已經存在一支偏西風將阿拉伯海的水汽向東輸送，這支水汽輸送帶在102°E附近折向東北，將水汽輸送到了貴州境內(圖7c、7d)，貴州一直處于水汽通量大值區，且一直有水汽輻合存在，7日20時以后水汽輸送開始增強，貴州境內水汽輻合達到4×10-4kg/(m2·s·Pa)，8日02時水汽輻合增強到6×10-4kg/(m2·s·Pa)，該水汽輸送一直持續到8日08時(圖略)冷空氣影響將該層水汽輸送向南推到華南地區。

圖7 水汽通量及水汽通量散度(陰影為水汽通量散度,單位10-4 kg/(m2·s·Pa)，矢量單位kg/(m·s·Pa)) a：7日20時850 hPa、b：8日02時850 hPa、c：7日20時700 hPa、 d：8日02時700 hPaFig.7 The vapor flux and The vapor flux divergence (shaded for vapor flux divergence, unit: 10-4 kg/(m2·s·Pa),vector unit is kg/(m·s·Pa))a: 850 hPa at 20∶00 7th, b: 850 hPa at 02∶00 8th, c: 700 hPa at 20∶00 7th, d: 700 hPa at 02∶00 8th

6 小結

①這次強對流天氣主要由中α尺度對流云團產生，在對流云團TBB(云頂亮溫)低于-52 ℃的梯度大側區域是對應地面強對流產生區。云頂亮溫低于-56 ℃的區域對應地面出現成片30 mm/h的降雨，以及大于50 mm/h的強降雨、雷暴大風、冰雹等劇烈的對流天氣。當中β尺度對流云團快速發展時，云頂亮溫低于-40 ℃的區域對應地面也出現了大于50 mm/h的強降雨。

②這次強對流天氣發生時地面有明顯的輻合區維持，在輻合區內強對流天明顯加強。北方南下冷空氣進入地面輻合區加強了動力抬升，使得強對流天氣更加劇烈，地面出現了雷暴大風、大冰雹和短時強降雨。

③這次由強對流形成的暴雨，水汽主要來自北部灣和阿拉伯海，持續的水汽輸送保證了產生暴雨所需的水汽。

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Mesoscale characteristics and transfer of water vapor of severe convective weather on May 7th2015

WAN Xueli，ZHU Wenda，ZENG Liping，ZHOU Mingfei

(Guizhou Provincial Meteorological Observatory, Guiyang 550002, China)

With observed data and NCEP/NCAR reanalysis data, it is investigated that the mesoscale characteristics and transfer of water vapor of severe convective weather occurred in wide areas of Guizhou on May 7th, 2015. It shows that the severe convective weather arising from the profitable large scale circulation situation generates a plurality of convective clouds. The convective is developed by mesoscale convergence at surface and enhanced by the incursion of cold air. The heavy rain occurred by the transfer of water vapor from the North bay and Arabia sea.

severe convective; mesoscale characteristics; transfer of water vapor

1003-6598(2016)06-0013-07

2016-04-18

萬雪麗(1967—)，女，副高，主要從事天氣預報業務及研究工作，E-mail:582617620@qq.com。

國家自然科學基金(41265005)和公益性行業科研專項(GYHY201506006)資助。

P458.1+21.1

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