石阡大暴雨環境場及強降水形成原因分析

楊　群，陳關清，白琴琴，安　祥

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州　銅仁　554300；2.貴州省江口縣氣象局，貴州　江口　554400)

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石阡大暴雨環境場及強降水形成原因分析

楊群1，陳關清1，白琴琴2，安祥2

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州銅仁554300；2.貴州省江口縣氣象局，貴州江口554400)

2014—2015年石阡出現了5次歷史罕見的大暴雨天氣過程，其總雨量多，強度大，災害嚴重。該文針對這5次大暴雨過程從地形、天氣背景、衛星、雷達回波特征等方面進行分析，得出：①石阡暴雨集中出現在地形低洼地帶及迎風坡站點；②低層偏東風、中高層偏西南風的垂直分布，形成近地面低層輻合、邊界層輻散的垂直環流結構，是造成石阡局地暴雨增強的重要原因；③在遵義北部或西部生成的低渦切變線是造成石阡暴雨的主要影響系統；④雷達回波特征直接反映了暴雨云團的生成地及移動發展方向，對短時暴雨的預報有較好的指示意義；⑤對流云頂溫度TBB值的大小可以反映雨強的大小，當對流云團逐漸移進石阡其梯度逐漸增大時，雨強逐漸增大。

暴雨；低渦；TBB；雷達回波

1　引言

暴雨是多種天氣尺度的系統相互作用而產生，有利行星尺度和天氣尺度系統并不是直接產生暴雨的因素[1]。天氣尺度系統提供了中尺度上升運動的背景，使得中尺度降水系統發生[2]。強降水是在有利的天氣尺度背景下，由中小尺度系統直接導致產生[3-5]。對于中小尺度天氣環境條件魯亞斌等[6-8]從渦度和散度、垂直速度和能量、水汽方面作了全面深入研究，指出高效的水汽凝結在水汽強配置的環境下可以導致短時強降水。近年來，石阡縣暴雨頻繁發生，由于石阡地形復雜，暴雨的局地性、突發性明顯，易造成突發災害。本文針對近2 a來石阡縣出現的大暴雨天氣過程，從地形、環流形勢場、雷達回波等方面進行了詳細分析，希望能對石阡縣暴雨預報工作提供參考。

石阡處于貴州省東北部，該縣境內地勢呈東部及西部高山、中部盆地的喇叭口狀，石阡縣城處于兩山之間的低洼地帶，西部為佛頂山其海拔高度1 870 m左右，東側為梵凈山南段的大頂山海拔高度1 562 m左右，中間低洼地帶海拔高度在400～700 m之間，這種復雜的地形，使其降水分布有明顯的地理特征。關于貴州復雜地形下的暴雨和大暴雨天氣過程，研究[9-11]發現暴雨落區受地形影響明顯，且多為中小尺度天氣系統造成。

歷史上石阡為少暴雨區，年平均暴雨日數<3 d，而2014—2015年石阡的暴雨甚至特大暴雨頻發，造成該縣洪澇災害嚴重。因此針對2014年5月24—25日、2014年6月3—4日、2014年7月14—15日、2014年8月17—18日、2015年6月2—3日石阡出現的大暴雨和特大暴雨過程，利用NCEP /NCAR 1.0°×1.0°格點再分析資料、衛星、銅仁雷達產品資料，從天氣背景、暴雨中小尺度特征等方面進行分析，以期找到石阡大暴雨發生的原因。

2　資料選取

選取貴州石阡2014年5月24—25日、2014年6月3—4日、2014年7月14—15日、2014年8月17—18日、2015年6月2—3日5次大暴雨過程24 h雨量及逐小時雨量數據；2011—2014年石阡縣19個雨量自動站>50 mm的降雨日數；NCEP /NCAR 1.0°×1.0°格點再分析資料；銅仁川硐雷達產品資料。

3　地形特點及對暴雨落區的影響

石阡地勢呈向北開口的喇叭口狀，從近4 a石阡19個雨量自動站>50 mm的暴雨日數與地形疊加情況，可見看出，石阡暴雨峰值出現在喇叭口低洼地帶的龍塘—石阡縣城—花橋—大沙壩一帶，及地勢較高處東風氣流的迎風坡東側的甘溪。

從所選的5次大暴雨天氣過程24 h雨量落區分布(圖2)來看，佛頂山與大頂山之間地形呈開口的喇叭狀的地區，其雨量在100 mm以上，最大為256 mm，較其他地區相差2～5倍，表明地形對降水有明顯的增幅作用，當盛行風向朝喇叭口灌進時，由于地形的收縮，輻合上升引起上升運動的加強和降水的增大[9-10]。在其東風迎風坡的佛頂山坡處的甘溪、國榮等地降水量在50～100 mm之間，是除低洼地帶外的其他地區的1～2倍，由于地形迎風坡對邊界層氣流有明顯的抬升作用，使得強雨團在該地發展，降水增強。從石阡本站5次暴雨逐小時雨量演變可以看到，除了2014年7月14—15日及8月17—18日石阡小時雨量為30 mm左右，持續時間較長外，其余暴雨過程小時雨量均達50 mm以上，其中2014年6月3—4日小時雨強最大達109 mm，呈現陡增陡降的趨勢，表現為小時雨強大，突發性強、強降雨時間短，可見石阡暴雨多以突發對流性降水為主。

4　環境場分析

4.1500 hPa背景形勢場

5次大暴雨過程發生前，500 hPa高度場上(圖略)，東亞中高緯為大低槽，高空槽疊加高原槽東移，副熱帶高壓588 dagpm線，除2014年6月3日大暴雨過程外，其余4次大暴雨過程都控制在25°～30°N之間。從5次暴雨過程平均的500 hPa高度場分析(圖3)，大暴雨過程前30°～50°N，85°～115°E之間高空槽形成，高原上高原槽分裂短波槽東移，副熱帶高壓588 dagpm線北界控制在28°N附近，西伸脊點穩定在25°N，孟加拉灣地區有低渦槽形成。這種形勢表明，高空槽帶動地面冷空氣南下與副熱帶高壓外圍的強西南氣流在石阡匯合，利于石阡強對流天氣的發生。孟加拉灣地區有低渦槽形成，槽前西南氣流利于向暴雨區輸送暖濕水汽。

4.2低層(低渦)切變線對暴雨的作用

低空急流的建立和維持可為暴雨的發生發展提供有利的水汽條件，低空(低渦)切變線的形成，為暴雨的發生提供了有利的動力抬升機制。高守亭[11]研究指出，在邊界層內的摩擦作用下, 較弱的低渦就可導致明顯的徑向流動,使中心附近垂直運動達到中尺度垂直運動的量級。

下面分析石阡5次大暴雨過程低渦切變的演變情況(圖4)，石阡5次暴雨發生時，低層850 hPa為西南風急流或東南風，并在石阡境內有正渦度區發展。5次暴雨發生前08時(圖略)，在遵義有低渦生成，并伴有孟灣沿廣西到貴州至湖南的低空急流建立，隨后隨著低渦北側北風的南擴，低渦東移南壓；在暴雨即將發生和發生時，低渦移進石阡，并發展增強，低渦中心值達4～5 s-1，北側重慶—遵義一帶為偏北風，急流輻合區位于貴州南部，冷暖氣流在遵義南部—貴州東北部的石阡區域內輻合，此種形勢有利于石阡強對流天氣的發生發展。

4.3負變溫對暴雨的指示作用

分析24 h變溫來判斷高低層冷空氣入侵情況，從表1可看到，5次大暴雨過程冷空氣強度和厚度有所不同。2014年5月24—25日、2014年7月14—15日2次大暴雨過程是中層冷空氣先于低層南下，在暴雨發生前700 hPa石阡境內先降溫，幅度為-0.5 ℃左右；850 hPa在暴雨發生前氣溫有升高或維持，低層850 hPa增溫、中層700 hPa降溫的形勢使大氣不穩定度加大，有利于不穩定能量聚集和對流天氣產生，當低層溫度也降低時暴雨發生。2014年6月3—4日、2015年6月2—3日2次大暴雨過程，表現為中、低層冷空氣同時入侵， 700 hPa和850 hPa在暴雨發生前都出現負的24 h變溫值，且低層變溫逐漸增強，最大變溫幅度達-5 ℃，表明干冷空氣通過下沉運動滲透到了低層，加強了邊界層內冷暖氣流的輻合，強對流天氣發展，2次過程石阡小時雨強達到75 mm以上。2014年8月17—18日表現為冷空氣先入侵低層，850 hPa在暴雨發生前出現負的變溫，強度為-1 ℃左右，中層700 hPa為氣溫升高或無變化，即中層暖空氣沿低層冷空氣爬升，中低層冷暖氣流匯合而產生降水。

圖2　石阡站5次大暴雨過程24 h雨量落區圖(虛線包圍區為低洼地帶區)及石阡逐時雨量演變Fig.2　The 24-hour rainfall of the five torrential rain processes in Shiqian 24-hour rainfall diagram (surrounded by a dotted line for low-lying areas) and hourly rainfall evolution

圖3　石阡站5次大暴雨過程平均500 hPa高度場Fig.3　An average of 500hpa height field of five torrential rain processes in Shiqian

由此可見，冷空氣的南下利于強對流天氣的發生，當冷空氣由中層滲透到低層，整層為負變溫區時，更利于短時強降水的發生。

5大暴雨形成的風場與地形特征分析

5.1風速垂直廓線分布分析

從石阡區域內平均風廓線圖顯示(圖5)，5次大暴雨過程在暴雨發生前，低層850 hPa以下為東北風，表示近地層有冷墊，中高層整層為西南氣流，暖濕氣流沿著冷墊爬升，冷暖氣流交匯，大氣逐漸趨于不穩定狀態。在暴雨即將發生及暴雨發生后，高層冷空氣入侵，逐漸轉為偏北風控制(西北風或東北風)，并隨時間偏北風向南伸展，甚至轉為整層的偏北風，云層變薄，降水減弱。

5.2地形與風場特征分析

配合石阡地形來看，由于受佛頂山與大頂山地形切割影響，石阡境內呈現開口的喇叭狀地形，東、西側高中間低。根據天氣動力學原理[12]，低層的偏東風氣流經大頂山爬坡，在背風坡下沉，而在背風坡是有利于氣旋性渦度加強；同時，近地層偏東風將會經石阡低洼地帶再沿西側佛頂山爬升，地形作用下將產生質量堆積及在近地面山前形成輻合，氣旋性渦度進一步增強。低層空氣質量輻合堆積，由于空氣質量連續補償原理[12]，山前輻合必然會產生空氣沿山體的強迫抬升，而中高層偏西南氣流將對沿山體的抬升空氣起加強作用，形成向后卷作用。因而，形成了空氣質量沿山體在山前近地面形成強的輻合，在山頂以上邊界層底部形成輻散的擾動結構如圖6所示。

圖4　石阡5次大暴雨過程發生時850 hPa渦度場(陰影，單位：s-1)與風場疊加圖　2014年5月25日02時(a)、2014年6月4日02時(b)、2014年7月15日02時(c)、2014年8月18日02時(d)、2015年6月2日20時(e)Fig.4　The 850 hPa vorticity field (shadow, unit:s-1) and the superposition of wind field of five torrential rain processes in Shiqian On May 25, 2014, 02 when (a), June 4, 2014, 02 (b), on July 15, 2014, 02 (c), on August 18, 2014, 02 (d), June 2, 2015, 20 (e)

日期(年—月—日)層次24小時變溫(單位:℃)2014-05-24—2524-0824-1424-2025-0225-0825-14700hPa1-1.5-0.5-0.500.5850hPa2.5000-1-0.52014-06-03—403-0803-1403-2004-0204-0804-14700hPa0-1-1.5-0.500850hPa-4-5-4-1.5022014-07-14—1514-0814-1414-2015-0215-0815-14700hPa0.50-0.5-0.5-0.50850hPa0.51.51-0.5-0.5-0.52014-08-17—1817-0817-1417-2018-0218-0818-14700hPa0.50.500-0.5-1.5850hPa1-2-1.5-0.5-1.5-32015-06-02—302-0802-1402-2003-0203-0803-14700hPa00-0.5-0.5-1-1850hPa00-0.5-0.5-1-5

圖5　石阡5次大暴雨過程垂直風廓線圖(陰影，單位：m/s)　2014年5月24—25日(a)、2014年6月3—4日(b)、2014年7月14—15日(c)、2014年8月17—18日(d)、2015年6月2—3日(e)Fig.5　The vertical wind profile chart (shadow, the unit: m/s) of five torrential rain processes in Shiqian on On May 24 to 25, 2014 (a), June 3—4, 2014, (b), July 14—15, 2014 (c), August 17—18, 2014 (d), June 2—3, 2015 (e)

圖6　暴雨發生各時段地形與風場關系模型Fig.6　The terrain-wind field relationship model of all time rainstorm

石阡2014—2015年5次大暴雨過程，在暴雨發生前及發生時中高層為偏西南風，近地層偏東風的環流背景下，地形的收縮，輻合上升運動，造成了局地暴雨—大暴雨。因此，這樣低層偏東風，中高層偏西南風的分布結構，在地形作用下形成了石阡局地強降水。

6　衛星對流云團演變特征分析

TBB是云頂黑體輻射溫度,TBB溫度越低,表明云頂越高,對流越旺盛，研究表明[13-14]，云頂溫度與降水強度有很好的相關性,其演變特征能很好的反映降水的落區。等值線疏密所反映的云頂溫度梯度,對中尺度對流云團的發展有很好的指示意義[15]。下面應用FY2E衛星反演TBB資料，對石阡5次暴雨過程其對流云團演變特征進行分析(圖7)。

2014年5月24日—25日暴雨過程，24日21時對流云團在興義生成，沿東北方向移動，25日02時進入石阡，04時中心強度達-60 ℃，對應TBB場與小時雨量演變曲線(圖7a)發現，降水從開始到逐漸增強的時段對應了TBB值的增強。隨著TBB中心強度達到最強值-84 ℃后開始減小，從最大值至減小的時段內，降雨強度逐漸減小。2014年6月4日大暴雨(圖7b)，4日00時對流云團在石阡原地生成，中心強度值為-12 ℃，04時增強達-51 ℃，對

圖7　石阡5次大暴雨過程小時雨量與衛星TBB演變曲線(a)2014年5月25日00—11時，(b)2014年6月4日00—10時，(c)2014年7月15日00—20時，(d)2014年8月18日00—09時，(e)2015年6月2日15時—3日05時Fig.7　The hourly rainfalls and satellite TBB evolution curve of five torrential rain processes in Shiqian (a) 00∶00—11 a.m. on May 25, 2014, (b) on June 4, 2014 00∶00—10∶00, (c) 00∶00—20∶00 on July 15, 2014, (d) 00∶00 to 09∶00 on August 18, 2014, 2015 (e) 05∶00 15∶00 on June 2—3 days

流云團增強的時段，石阡小時雨強從18 mm增大到100.1 mm。2014年7月15日01—06時(圖7c)，對流云團在遵義東南部生成，東移影響石阡，當TBB值從-25 ℃減小為-60 ℃時，對應石阡小時雨量持續增大達28 mm，當達到最強并維持-40 ℃時，小時雨強減小。2014年8月18日00—08時(圖7d)，云團在遵義東南部生成，東移影響石阡，其強降水開始到逐漸增強的時段對應了TBB強度逐漸增強，當云頂溫度達到最低后，TBB值逐漸減小時，降雨強度也減小。2015年6月2—3日暴雨過程，2日14時對流云團在黔南北部與黔東南西北部交界處生成，然后東北移影響石阡。其TBB與小時雨強演變曲線來看(圖7e)，強降水從17—22時逐漸達到最大，對應的TBB值逐漸增強。由此可見，5次大暴雨過程，其對流云團生成地不同，對流云頂溫度TBB值的大小可以反映雨強的大小，但只有在對流云團逐漸移進石阡梯度增大時，雨強逐漸增大，當TBB云頂溫度中心值減小到最大時，且在維持階段和增溫移出石阡階段，雨強減小。

7　石阡暴雨雷達回波特征分析

雷達回波的反射率因子的強度和回波移向可更直觀的判斷未來降雨的強度和發展情況。下面針對石阡5次大暴雨過程，對其雷達回波演變情況及強度進行分析。

2014年5月25日、2014年6月4日、2015年6月2日石阡的大暴雨過程以對流降水為主，其小時雨強達50 mm以上。從圖8雷達回波特征來看，2014年5月25日03時03分(圖8a)大于35 dBz對流回波在石阡西部聚鳳東側生成，回波伸展高度為8 km，并伴隨有14～16m/s的西南風，到25日04時19分(圖略)回波從聚鳳鄉東側沿西南風方向往石阡低洼地帶的甘溪—中壩—石阡移動，使得東移的回波疊加在石阡縣城附近為35 dBz強度回波上，回波強度增強達45 dBz以上。同時大于35 dBz回波伸展高度達11 km，大于45 dBz強回波已伸展至9 km左右，為深厚的對流回波云團，強降雨形成。

圖8　2014年5月25日03時03分(a)和25日04時19分(b) 1.5°仰角反射率因子及反射率因子剖面(c)Fig.8　The 1.5 ° Angle reflectivity On May 25, 2014 03∶03 (a) and On June 4, 2014 00∶26 (b)、On June 2, 2015 22:22 (c)

2014年6月4日、2015年6月2日大暴雨過程，雷達回波顯示2014年6月4日00時26分(圖8b)、2015年6月2日22時22分(圖8c)有大于35 dBz對流回波在石阡西部本莊東部龍井鄉生成，其回波伸展高度為4～5 km，伴隨有18～20 m/s的西南風，石阡本地有大于35 dBz回波生成。未來隨著西南風方向向低洼地帶的石阡縣城移動。同時圖6顯示低層850 hPa以下石阡境內吹東風或東北風與石阡西部1 800 m的高海拔地形垂直，由于地形的抬升和喇叭口收縮作用，引起輻合上升運動增強，對流云團在2014年6月4日02時10分(圖略)和2015年6月2日23時31分(圖略)回波增強到45 dBz以上，其伸展高度也升高至9 km左右，>35 dBz回波伸展高度為6～7 km，降雨量增大，小時雨強達80 mm以上。

2014年8月18日、2014年7月15日大暴雨天氣，其雨強較小，為穩定持續降雨過程。從雷達回波分析得出，2014年8月18日04時20分(圖9a)及2014年7月15日06時57分(圖9b)從聚鳳東側至五德西部之間不斷有>35 dBz對流回波生成，并伴隨西南風向沿低洼地帶的石阡縣城方向移動，形成列車效應，其回波伸展高度較低在4 km左右。

石阡的暴雨對流云團來源(圖10)一是從石阡西部的聚鳳鄉東側生成，伴隨西南風，從地勢較高處往石阡低洼地帶甘溪—中壩—石阡移動；二是從石阡西部本莊東部龍井鄉生成，隨著西南風方向向低洼地帶的石阡縣城移動，當回波強度達45 dBz以上，35 dBz回波伸展高度達9 km以上，45 dBz強度回波達8 km以上時，有>50 mm以上的短時強降水發生；三是從遵義余慶方向不斷有<35 dBz的對流回波，沿西南風往石阡方向不斷有回波生成，形成列車效應，回波伸展高度低為4 km左右，石阡也會出現暴雨，但小時雨強不大，在30 mm左右。

8　小結與討論

通過對貴州石阡5次大暴雨過程環流背景、衛星云圖以及雷達回波演變分析得出：

圖9　2014年8月18日04時20分(a)及2014年7月15日06時57分(b)1.5°仰角反射率因子圖Fig.9　The 1.5 ° Angle reflectivity (a1) and The reflectivity profile(b1) On August 18, 2014 04∶20; The 1.5 ° Angle reflectivity (a2) and The reflectivity profile(b2)on July 15, 2014 06∶57

①石阡暴雨大多出現在低洼地帶及地形迎風坡，該地降雨量較其他地區多2～5倍；在暴雨發生前及發生時中高層為偏西南風，近地層偏東風的環流背景下，地形的收縮，輻合上升運動，造成了局地暴雨或大暴雨。

②高空槽配合低層低渦切變線及冷空氣南下影響是石阡大暴雨的主要影響系統是是石阡大暴雨的主要影響系統。遵義北部或西部生成的低渦，隨著北風低渦東南移，當移至遵義東南部時，石阡處于低渦東側的暖切變中，配合中低層冷空氣的南下，大氣處于強不穩定狀態，石阡大暴雨天氣發生。當冷空氣由中層滲透到低層，整層為負變溫區時，更利于短時強降水的發生。

③對流云頂溫度TBB值的大小可以反映雨強的大小，但只有在對流云團逐漸移進石阡梯度逐漸增大時，雨強才逐漸增大，當TBB云頂溫度中心達到最低并維持一直到逐漸增溫移出石阡時，雨強是逐漸減小的。

④石阡的暴雨對流回波，一是從石阡西部的聚鳳鄉東側生成，伴隨西南風，從地勢較高處往低洼地帶甘溪—中壩—石阡移動；二是從石阡西部本莊東部龍井鄉生成，隨著西南風方向向低洼地帶的石阡縣城移動；三是從黔東南余慶方向不斷有小于35 dBz的對流回波，沿西南風往石阡方向不斷有回波生成，形成列車效應。

圖10　石阡對流云團生成地與地形疊加圖Fig.10　The generation of convective cloud with the superposition of terrain map in Shiqian

本文主要選取了石阡5次大暴雨過程進行分析，其個例次數較少得出的結論還不能完全代表石阡暴雨發生的指標和原因，后期增加暴雨次數，詳細分析其暴雨原因，以期更好地得出石阡暴雨預報指標。

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Analysis on Environmental and Forming Reason of Rainstorm in Shiqian

YANG Qun1,CHEN Guanqing1,BAI Qinqin2,AN Xiang2

(1.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province, Tongren 554300, China；2.Jiangkou Meteorology Bureau of Guizhou Province, Jiangkou 554400, China)

From 2014 to 2015 Shiqian county of Guizhou province experienced five historical rare heavy rain weather processes with large and intensive total rainfall and severe disasters. The five torrential rain processes were analyzed in view of the terrain, weather background, satellite and radar echo characteristics. The results show that:1) The rainstorm concentrated in low-lying terrain and windward slope site in the Shiqian; 2) The vertical distribution of low-level eastern winds and high-level west southern wind formed a vertical structure of near the ground low-level convergence and the boundary layer divergence, that is the important cause of Shiqian local heavy rain enhancement; 3) In the Zunyi north or west generated vortex shear line is the main impact of Shiqian storm system; 4) The radar echo characteristics directly reflects the formation of storm clouds and mobile development direction, it has a good instruction significance of the short-time rainstorm forecast ; 5) The size of the TBB values of cloud top temperature can reflect the size of the rainfall intensity, when convective clouds gradually move near Shiqian, its gradient increase gradually, rainfall intensity increased gradually.

heavy rain; low vortex; TBB; radar echo

1003-6598(2016)03-0014-10

2015-12-11

楊群(1983—)，女，工程師，主要從事短期天氣預報研究工作，E-mail:yangqun121@sina.com。

中國氣象局預報員專項項目CMAYBY2015-069。

P458.1+21.1

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