恩施州一次暴雨過程的多尺度分析

汪川乂，廖小華，張 麗

(1.湖北省恩施州氣象局，湖北 恩施 445000;2.湖北省十堰市氣象局，湖北 十堰 442000;3.湖北省武漢市氣象局，湖北 武漢 430000)

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恩施州一次暴雨過程的多尺度分析

汪川乂1，廖小華2，張 麗3

(1.湖北省恩施州氣象局，湖北 恩施 445000;2.湖北省十堰市氣象局，湖北 十堰 442000;3.湖北省武漢市氣象局，湖北 武漢 430000)

該文利用NCEP再分析場資料、常規氣象觀測資料、地面加密自動站資料、衛星雷達資料等多種資料，從大尺度環流背景、中尺度特征以及環境條件等多個角度對恩施州2016年6月19—20日的一次暴雨過程進行分析，并得到以下結論：此次過程是在中高緯兩槽一脊的穩定環流形勢下，高空槽和副熱帶高壓共同作用，配合西南渦和高低空急流發生的,副高的阻擋作用導致此次降水持續時間長，其位置偏南導致降水主要分布在恩施州南部；列車效應致使混合型回波不斷在鶴峰經過，結合較高的降水效率，是導致本次累積降水較大的直接原因；逆風區對恩施州短時強降水有明顯的指示作用，中低壓對局地短時強降水的預警具有重要意義；在有利的天氣尺度抬升條件下，熱力、水汽、動力條件是此次降水過程具有強對流特征的根本原因，地形也為此次降水增幅提供了有利條件。

暴雨；多尺度；分析

1 引言

暴雨是一種危害性極大的氣象災害，給社會生產帶來了巨大的損失。經統計，2004—2011年，我國暴雨洪澇災害為各災種中對經濟影響最大的災害[1]。邵末蘭通過普查湖北省1961—2006年氣象災害資料，發現暴雨及其衍生災害為湖北最嚴重的氣象災害之一，恩施因暴雨造成的直接經濟損失占全部氣象災害經濟損失的比例高達46%[2]。基于暴雨的嚴重危害，眾多氣象學者從其生成機理、氣候特征、預報預警、數值模擬等多方面進行了研究，并得到很多有益結論[3-7]。林建發現21世紀以來南方地區暴雨過程明顯增多，但以短持續性強降水過程為主[8]。孫淑清指出西南渦是造成中國暴雨的一種重要天氣尺度系統[9]。

恩施州位于湖北省西南邊陲，境內山巒疊聚，更有長江的一級支流清江穿流而過，可謂地勢復雜。作為恩施自治州的主要災害性天氣之一[10]，暴雨也引起了本地氣象工作者的重視[11-12]。2016年6月18日，湖北省梅雨期拉開序幕，同時也給恩施州帶來了一次極端暴雨天氣過程，其中鶴峰長嶺、大坪等地過程雨量超過400 mm，此次極端暴雨災害事件不僅對恩施州工農業產生了直接影響，還誘發了山洪、滑坡、城市內澇等次生災害，導致恩施州各地不同程度受災。此次過程，鶴峰站2 d累積雨量位居歷史第二位，在歷史上少見，因此本文利用NCEP再分析資料、氣象常規觀測資料以及衛星、雷達等多種資料，對該過程進行了多尺度分析，以探討此次過程發生的成因。由于該過程強降水時段主要集中在19日08時—20日08時，因此本文主要針對該時段內天氣特征及成因進行分析。

2 降水實況

2016年6月18日夜間，恩施州自南向北轉雨，降水持續到23日。經統計，19日08時—20日08時全州342個自動站中有167站暴雨，59站大暴雨，6站特大暴雨，暴雨站數占比67.8%，24 h累積雨量最大站點為鶴峰長嶺站(322.4 mm)。圖1a給出了該時段恩施州加密自動站的降水情況，可見此次降水南多北少，自東南向西北呈逐漸遞減趨勢，州南部形成一條NE-SW向的強降水帶。此次降水具有明顯的短時強降水特征(小時雨強超過20 mm/h)，分析鶴峰長嶺站和來鳳沙壩站19日04時到20日13時的小時單站降雨情況(圖1b)，發現有多個雨團活動，小時雨強大，兩站均有超過40.0 mm/h的小時降水，同時從圖中可見強降水的持續時間較長，從19日16時—20日05時兩站基本每小時均有較強降水，也正是長時間的強降水直接導致了鶴峰和來鳳的極端累積降水。因此，這是一次歷史少見、影響范圍廣、降水強度大、持續時間長、并伴有強對流特征的一次強降水事件。

圖1(a)2016年6月19日08時—20日08時恩施州降水量空間分布(單位：mm)(b)2016年6月19日04時—20日13時鶴峰長嶺、來鳳沙壩單站降水時間分布(單位：mm)Fig.1 (a)spatial distribution of precipitation in Enshi 2016061908—2016062008(unit: mm)(b)Changling,Shaba precipitation 2016061904—2016062013 (unit: mm)

3 大尺度特征分析

3.1 環流背景

分析500 hPa環流形勢，2016年6月18日20時(圖略)歐亞中高緯呈兩槽一脊環流形勢，烏拉爾山東部75°E附近的低渦穩定維持在40°N以北，并從中分離小槽南下，東北冷渦位于122°E、46°N附近，兩槽之間環流形勢寬廣平直，中緯度四川盆地到蘭州一帶已受到烏山低渦分離的低槽影響，副熱帶高壓呈帶狀分布，北抬至85°E、25°N附近與大陸高壓對峙。6月19日08時(圖2a)，烏山低渦略有東移，中緯度低槽已東移至重慶西部并不斷加深，恩施州位于高空槽前的輻合區域，西太副高東退到93°E、23°N附近后穩定維持，阻擋高空槽東移，在高空槽與副高共同作用下，恩施出現了強烈降水，由于副高略微偏南，導致強降水區域主要位于恩施州南部一帶。19日20時(圖2b)可見副高穩定維持，高空槽略有東移，低槽和副高之間輻合加強，槽前西南急流最大達到20m/s，導致恩施州強降水持續發展。20日08時(圖略)，隨著東北低渦東移入海，副高脊線也東退到108°E、20°N附近，恩施州處于低槽底部，降水逐漸減弱。此后雖然因中緯度不斷有小槽東移，在21—23日之間給恩施造成降水，但大范圍強降水時段已經結束。

圖2 500hPa位勢高度場與風場疊加圖(單位：dagpm，m/s)(a)2016年6月19日08時(b)2016年6月19日20時Fig.2 500hPa potential height and wind (unit: dagpm, m/s)(a)2016061908 (b) 2016061920

3.2 中低層系統

在槽前正渦度平流和低層暖平流的共同作用下，低層不斷減壓并產生輻合上升運動，18日20時(圖略)700 hPa在四川盆地形成西南低渦，850 hPa氣旋性環流也在重慶西部發展加強。在槽前西南氣流的引導作用下，19日08時(圖略)700 hPa西南渦東移到重慶西部，850 hPa氣旋性環流已經閉合。19日14時(圖3a、b)受副熱帶高壓阻擋作用，西南渦穩定維持在重慶中部，700 hPa和850 hPa的西南渦結構完整清楚，垂直方向上偏移不大，說明該時段西南渦在垂直方向上發展非常深厚，同時西南渦東南部的西南暖濕氣流和副熱帶高壓外圍的西南氣流輻合，700 hPa風速發展到14 m/s，850 hPa風速增大至12 m/s，風向風速的輻合均增大并達到急流強度，不斷向恩施州輸送水汽與不穩定能量。此時恩施州正好處于西南渦暖式切變線和副高外圍低空急流之間的強烈上升運動區域，該時段也是恩施州強降水的集中階段。

圖3 2016年6月19日14時流場與風場疊加圖(單位：m/s)(a)700 hPa(b)850 hPaFig.3 (a) the flow and the wind at 2016061914 (unit:m/s)(a)700 hPa(b)850 hPa

3.3 高空和地面

此次降水過程中200 hPa南亞高壓位置穩定，恩施州一直處于南亞高壓東部脊線附近的分流區中，圖4a給出了19日14時的200 hPa流場，可以看到分流區正好位于恩施州南部上空，高層輻散的抽吸作用使低層輻合上升作用進一步加強。從地面圖(圖4b)可以看到在槽前正渦度平流作用下，華中到華北都處于低壓帶中，在重慶形成一個閉合低壓中心并穩定維持。恩施正好位于低壓中心東部，與高低空急流耦合，是形成暴雨的有利條件。同時受槽前正渦度平流和低渦東移影響，在恩施州東南部鶴峰誘發出一個中尺度低壓，該中低壓在高空輻散場的作用下產生了強輻合作用，形成強烈的垂直上升運動，造成了該時段的短時強降水。

圖4 2016年6月19日14時200 hPa高空(a)和海平面氣壓(b)(單位：hPa，間隔2.5 hPa)Fig.4 (a) 200 hPa flow and the sea level pressure at 2016061914 (unit: hPa, interval 2.5 hPa)

4 中尺度特征

4.1 衛星云圖分析

此次過程恩施州降水受多個雨團活動影響，降水強度分布十分不均勻。18日夜間(圖略)受西南氣流影響，鶴峰東南部有云團發展，受其影響該地開始產生降水，至早上08時15分，該云團逐漸發展，云頂亮溫已低至-48.2 ℃，給鶴峰東南部帶來了短時強降水，鶴峰國家站和大溪自動站07—09時連續兩個時次的小時降水量均在30 mm/h以上，該云團在未來3 h移到五峰境內停滯。同時，西南渦外圍云團也東移到咸豐上空，并于10時15分(圖5a)達到較強程度，咸豐境內云頂亮溫小于-52 ℃的冷云面積達1.6×103km2，該云團不斷東移，范圍擴大。受副高和地形共同影響，13時15分(圖5b)該獨立云團逐漸發展成NE-SW向云帶，強中心位于鶴峰，并向兩邊不斷擴展，西與低渦主體云系相接，東與五峰強降水云團相連，并繼續發展加強，此時建始和咸豐也有對流云團生成并不斷發展。15時15分(圖5c)，建始、咸豐云團也逐漸和該低渦云帶連接并發展壯大，最低云頂亮溫達-61.2℃，恩施州內云頂亮溫低于-52 ℃的冷云面積達到8.0×103km2，至17時15分(圖5d)發展至本次過程的最強階段，云頂亮溫達-70.2 ℃，恩施州內云頂亮溫小于-52 ℃的冷云面積達4×103km2，但云團主體偏南，受影響較大區域主要是來鳳和鶴峰，云團發展最強時段對應地面中低壓影響時段。21時15分(圖略)，低渦云團主體移出恩施州，但此時低渦后部冷切東移在南部湘西生成一對流云團，并不斷發展擴大，云頂亮溫達-66.2 ℃，影響來鳳南部邊界，導致來鳳邊界降水達到60.4 mm/h，但由于該云團主體在湘西，影響范圍、時間相對都較小。此后受高空波動影響，恩施州南部仍有持續降水，但降水強度明顯減弱，強降水持續時間也不長。從以上分析表明，恩施州此次降水主要有3個不同的影響階段：低渦外圍云系降水、低渦前部暖切降水、低渦后部冷切降水。

4.2 雷達回波演變

陳鮑發通過分析2次有逆風區現象的強對流天氣的多普勒雷達回波特征,認為逆風區不僅是暴雨判據, 也是強對流天氣的判據[13]。6月18日夜間(圖略)受低渦前西南氣流影響，恩施州南部開始有零散無組織的弱回波生成并向東北方向移動，給恩施州部分地區帶來間斷小雨，局部伴有短時強降水。

圖5 FY2E TBB圖(單位：K)(a：2016年6月19日10時15分；b： 19日13時15分；c： 19日15時15分；d： 19日17時15分，紅點即為恩施站)Fig.5 FY2E TBB (unit: K) (a:20160619 10∶15;b:13∶15; c:15∶15; d:17∶15; the red point is Enshi)

19日07—09時回波發展加強，回波強度大部在30～40 dBz之間，局部達48 dBz，主要為層狀云回波中鑲嵌積狀云回波，因此以混合性降水為主，雖然該回波強度不大，但降水效率很高，該時段共有6站小時雨量在30 mm以上。受副高影響，該回波在19日10時17分(圖6a)發展為NW-SE向帶狀回波，同時西南渦外圍云團回波也東移到咸豐境內，同時刻的雷達速度圖上可以看到明顯的逆風區，10時42分(圖6b)的雷達速度圖尤為明顯，回波一直沿東北方向移動，且為明顯的層積混合回波，給咸豐帶來了明顯降水。到13時32分，恩施州西南部回波發展為逗點狀回波并逐漸加強(圖6c)，東南部鶴峰則為明顯的層積混合回波，回波強度達48 dBz，同時鶴峰也出現了明顯的逆風區(圖6d)，對應的則是明顯的小時強降水，該時刻最大小時雨強達49.3 mm/h。16時16分(圖6f)低渦云系已移動到鶴峰境內，速度圖反映回波在此時形成強烈的輻合，與地面中低壓對應，低渦云系繼續東移并逐漸形成列車效應(圖6e)，混合型回波在鶴峰不斷經過，導致該地持續了較長時間的強降水，這是導致本次累積降水較大的直接原因。20時(圖略)低渦后部冷切回波東移影響來鳳，回波發展旺盛，最強回波達53 dBz，造成此次過程最大的小時雨強(來鳳上寨60.4 mm/h)，但對恩施州影響范圍相對較小，主要影響來鳳邊界，該冷切回波在東移過程中還影響了鶴峰，導致19日夜間鶴峰東南部仍然有持續降水。此次過程雷達回波強度并不強，但降水效率很高，因此在實際工作中雷達資料需與實況資料進行對比分析。

5 環境場特征

5.1 熱力條件

圖6 恩施雷達反射率因子圖和速度圖(單位：dBz)(a：2016年6月19日10時17分；b： 10時42分；c： 13時56分；d： 13時32分；e： 17時05分f： 16時16分)Fig.6 Enshi radar reflectivity and speed (unit: dBz) (a:20160619 10∶17; b:10∶42; c:13∶56; d:13∶32; e:17∶05;f:16:)

6月18日恩施州地面氣溫不斷升高，州內各國家站氣溫都在30 ℃以上，前期較高的基礎溫度積累了大量不穩定能量，并在此次過程中釋放造成強降水。從19日08時恩施站探空圖可以分析得到(圖略)，T850-500為26 ℃，說明恩施上空為上冷下暖結構，K指數為44 ℃，CAPE值達410.8 J/kg，而中等強度CAPE比極端的CAPE更有利于高降水率的形成[14]。圖7a給出了恩施站18日20時—20日20時假相當位溫時間剖面圖，可以看出19日08時—20日02時恩施上空700 hPa以上為假相當位溫小值區，700 hPa以下為假相當位溫帶狀大值區，假相當位溫隨高度減小，即大氣狀態為不穩定層結。同時從19日14時850 hPa假相當位溫分布圖可以看出(圖7b)恩施州處于假相當位溫高能舌區，說明低層大氣具有高溫高濕性質。低層高能高濕大氣在不穩定的環境條件下，受到動力抬升作用，出現了具有強對流特征的降水。

5.2 水汽條件

受副高外圍西南暖濕氣流影響，恩施州水汽充足。由2016年6月19日08時850 hPa比濕場(圖略)可恩施州比濕達16 g/kg，同時700、850 hPa相對濕度均在90%以上，另外從探空圖也可得知恩施500 hPa以下T-Td幾乎為0，即整層大氣濕層十分深厚，可見相對濕度和絕對濕度都較高。圖8a給出了恩施站點2016年6月18日20時—20日20時水汽通量散度時間剖面圖，可見在20日02時之前恩施從底層到高空水汽都是明顯的輻合狀態，而19日08—20時是水汽輻合發展最旺盛的階段，也是降水最強的階段，說明水汽通量輻合對于強降水有較好的指示作用。對比同時刻的850 hPa水汽通量散度分布圖發現，恩施州位于水汽輻合大值區，且輻合區域正好是低渦活動區域，可見此次輻合是在低渦作用下發生的。

圖7 假相當位溫圖(a：2016年6月18日20時—20日20時假相當位溫時間剖面圖；b：19日14時850 hPa假相當位溫分布圖)Fig.7 these (a:2016061820—2016062020; b:2016061914 850 hPa)

圖8 水汽通量散度圖(a：2016年6月18日20時—20日20時水汽通量散度時間剖面圖(世界時)；b：19日14時850 hPa水汽通量散度分布圖Fig.8 vapor flux divergence (a:20160618 20∶00—20160620 20∶00(the world); b:20160619 14∶00 850 hPa)

5.3 動力條件

由19日08時(圖略)恩施站探空圖可知恩施零度層高度較高(約5 km)，即此次降水主要以暖云降水為主，降水效率很高，同時抬升凝結高度很低，即主要有一點抬升條件便能成云致雨，而SI指數為-5.65 ℃，表明動力條件較好。圖9a給出了恩施站點2016年6月18日20時—20日20時垂直速度時間剖面圖，可見整個過程恩施都有較好的抬升條件，其中19日14—20時中低層抬升條件都比較好，這也是強降水持續時間較長的一個原因，另外從19日14時的垂直速度分布圖可見垂直速度大值區主要位于恩施州南部，因此此次過程強降水區域也主要位于恩施州南部，而在鶴峰還存在一個垂直速度的大值中心，該大值中心正好可以與同時刻的地面中低壓對應。

圖9 垂直速度圖:(a)2016年6月18日20時—20日20時垂直速度時間剖面圖(世界時)；(b)19日14時850 hPa垂直速度分布圖)Fig.9 vertical velocity (a:2016061820—2016062020(the world); b:2016061914850 hPa)

6 地形的影響

地形對于降水的作用也很重要，趙玉春分析了2007年7月9—10日皖南特大暴雨發現大別山和皖南山區中尺度地形構成的中尺度組合地形效應是皖南特大暴雨形成的重要原因[15]。恩施州山地眾多、地形復雜，而此次過程鶴峰降水最多除了與副高位置偏南有關以外，和當地地形也有很大關系。鶴峰位于恩施州東南部，地處迎風坡地，是湖北省有名的暴雨中心之一。當低渦外圍的西南氣流和副高外圍的暖濕氣流流經該地，受迎風坡地形影響被迫抬升，有一定觸發作用，另外水汽在此被迫凝結，也有明顯的降水增幅作用。

7 討論和結論

恩施州暴雨多發生在西風槽和西南渦共同作用下，但此次過程降水量之大，歷史少見。究其原因，其一是西風槽受副高阻擋移動緩慢，導致降水持續時間長；其二是深厚暖云層降水效率很高，結合較長的持續時間導致了超乎預計的極端降水；此外，地形也有一定作用。此次過程預報效果較好，但暴雨落區和量級仍然是此次過程預報的難點和疑點，就數值預報而言，EC、日本、T639的預報落區相對較準(GFS未報出)，鎖定鶴峰為暴雨中心，但忽略了來鳳南部的暴雨，降水量級也較實際偏少，且在主觀預報中也會考慮副高實際位置會否比數值預報更偏北。但通過此次過程的分析，發現地面中尺度低渦出現以后引起了持續時間較長的強降水，因此在前期預報量級偏小的情況下，根據中尺度低渦、逆風區等指示性指標結合實況資料發布訂正產品和預警信息十分必要。

本文利用多種資料，從多角度等對恩施州2016年6月19—20日的一次暴雨天氣過程進行分析，并得到以下結論：

①此次過程是在中高緯兩槽一脊的穩定環流形勢下，高空槽和副熱帶高壓共同作用，配合西南渦和高低空急流，從而形成的大范圍強降水。副熱帶高壓阻擋高空槽在恩施州西部停滯導致此次過程持續時間過長，其位置偏南導致降水主要分布在恩施州南部一帶。

②恩施州此次降水主要有3個不同的影響階段：低渦外圍云系降水、低渦前部暖切降水、低渦后部冷切降水。

③列車效應導致混合型回波不斷在鶴峰經過，結合較強的降水效率，是導致本次累積降水較大的直接原因。逆風區對恩施州短時強降水有明顯的指示作用。

④地面中低壓在雷達速度圖和垂直速度圖上都有體現，中低壓出現后正是該地強降水的集中階段，表明中低壓輻合作用強烈，對局地短時強降水的提前預警具有重要意義。

⑤在有利的天氣尺度抬升條件下，不穩定能量較高、水汽充足、動力抬升機制較好是此次降水過程具有強對流特征的根本原因，地形的增幅和觸發作用也為此次過程提供了有利條件。

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Multi-scale analysis of a rainstorm in Enshi

WANG Chuanyi1，LIAO Xiaohua2，ZHANG Li3

(1 Enshi Meteorological Bureau of Hubei Province, Enshi 445000, Hubei; 2 Shiyan Meteorological Bureau of Hubei Province, Shiyan 442000, Hubei; 3 Wuhan Meteorological Bureau of Hubei Province, Wuhan 430000,Hubei)

The NCEP re-analysis data, meteorological data, automatic meteorological station data, satellite and radar data were used to analyze the rainstorm from June 2016 19 to 20 in Enshi. The results show that: the rainfall occurred under the background of two troughs and one ridge, trough and subtropical high interaction, with the occurrence of the southwest vortex and the low-level jet; the subtropical high effect caused the precipitation to continue a long time, the higher position is the reason why the precipitation is most in the southern part of Enshi; the train effect to hybrid echo in Hefeng, combined with higher precipitation efficiency, leads to the long-time precipitation; adverse wind area has obvious indication of the strong precipitation. Under advantageous weather conditions, the heat, vapor and dynamic conditions are the basic reasons for the precipitation with strong convection characteristics, and the terrain also provides favorable conditions for the rainstorm.

rainstorm; multi-scale; analysis

1003-6598(2017)02-0040-08

2016-11-23

汪川乂(1990—)，女，助工，主要從事中短期預報方法研究，E-mail: enshiwcy@163.com。

P458.1+21.1

B