一次地形加強貴州暖區暴雨成因分析

滕 林，安海全,賀德軍，陳 軍，夏昌基

(1.貴州省劍河縣氣象局，貴州 劍河 556400；2.貴州省雷山縣氣象局，貴州 雷山 557100；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300)

1 引言

貴州省位于 24°37′～29°13′N，103°36′～109°35′E之間， 地處云貴高原的東斜坡，地貌雄峻，地勢西高東低，平均海拔1 100 m。 地貌的顯著特征是山地多，山地和丘陵占全省總面積的 92.5%，其中喀斯特地貌面積達 61.9%。由于貴州地處低緯高原山區，山區地形容易觸發局地強對流暴雨天氣的發生，暴雨精細化落區預報難度較大，因而貴州暴雨預報歷來是氣象工作的難點和社會關注的熱點。貴州的氣象工作者已研究表明貴州暴雨的環流系統主要有西南渦、低空切變、高低空急流、副熱帶高壓、高空槽等[1-3]，并通過幾代氣象工作者的總結研究得出了對預報業務具有指導作用的貴州預報員手冊[4]。預報員手冊指出貴州暴雨過程的天氣類型主要有：冷鋒低槽型、兩高切變及低渦切變型、長江橫切變型(梅雨鋒型)、南支槽型、臺風倒槽型。但近年來暖區暴雨逐漸成為氣象部門關注的熱點。對于暖區暴雨的研究，我國華南地區較多[5-9]，如陳翔翔等[5]將華南暖區暴雨的環流系統劃分為切變線型、低渦型和偏南風風速切變輻合型(簡稱偏南風型) 3大類型。夏茹娣等[6]研究分析了華南鋒前暖區暴雨β中尺度系統環境特征，指出暴雨具有多尺度特征，并與季風活動、邊界層的影響和地形的動力作用等有關。張曉美等[7]認為暴雨與連續生消的Mβcss的活動直接相關。葉朗明等[8]認為β中尺度對流系統(MCS)連續生成形成類似的列車效應是暴雨產生的直接原因。華南暖區暴雨的最大特點是降水強度大，一般比鋒面暴雨大3～5倍[9]。目前對發生在貴州的暖區暴雨的研究相對較少，且貴州預報員手冊也沒有分類給出一定的預報指標。陳軍等[10]對貴州一次暖區持續性區域大暴雨成因分析表明，降水易發生在低空急流左側和熱低壓東部第一象限和第四象限疊加區內。周明飛等[11]參考華南暖區暴雨定義了貴州暖區暴雨為無冷空氣影響貴州，貴州處于暖性低壓或偏南氣流，影響時產生的暴雨。由于貴州暖區暴雨多數發生在鋒前偏南風或熱低壓區，有時候出現在環境風條件較弱或天氣尺度系統配置不清晰情況下，預報難度大，常常造成暴雨漏報，且暖區降水不同于大尺度抬升條件下的鋒面降水，其暴雨落區的確定和量級的把握尚有不足，因此本文將利用常規觀測資料、地面加密自動站降水資料、FNL再分析資料(1°×1°)以及黔東南三穗C波段多普勒天氣雷達資料、FY-2G衛星TBB資料，對環流形勢不明顯的暖區暴雨進行分析，特別是在山區探討地形增幅作用，期待能對預報員手冊的內容進行補充,以期在今后預報業務中遇到類似天氣過程時能提供一些預報思路和參考。

2 降水預報與實況對比分析

5月26日中央氣象臺及貴州省氣象臺的預報結論為：26日20時—27日20時貴州省各地多云有分散陣雨或雷雨，東北部地區午后有35 ℃以上的高溫天氣(圖1a)，各市州氣象臺的預報為多云有分散陣雨，沒有預報有暴雨天氣過程。從實況(圖1b)看5月26日20時—27日12時，貴州省中南部和東北部受到一次強降雨天氣影響，共出現200 mm以上降水8站點，大暴雨2縣16鄉鎮，暴雨4縣74鄉鎮，大雨8縣133鄉鎮，強降水區域主要分布在黔東南州中西部、黔南州中部、安順市北部、銅仁市中部、貴陽市南部。選取黔東南24 h降雨量超過200 mm的8個站點作為代表站分析小時雨強變化趨勢(圖1c)可知，此次暴雨過程主要出現在夜間，強降水主要集中在27日00—01時和27日04—06時兩個時段，最大雨強為榕江平陽94.5 mm/h(27日04—05時)及桃江92.7 mm/h(27日00—01時)，其中雷山縣高巖鄉在27日05—08時降雨達212.8 mm。從實況降雨分布圖和預報圖對比分析來看，此次過程中央氣象臺、貴州省氣象臺、各市州氣象臺預報出現了明顯的失誤，完全沒有預報出來。

圖1 貴州省5月26日20時至27日20時降雨量分布圖(a),預報落區圖(b)，黔東南雨量超過200 mm逐小時降雨量演變情況(c) (單位：mm)Fig. 1 Rainfall distribution map (a), forecast fall plot (b),rainfall over 200 mm, hourly rainfall evolution in Qiandongnan province from 20 to 27 May 26th in Guizhou (c)(unit: mm)

3 預報失誤原因分析

3.1 天氣形勢分析

分析26日08時中尺度環境場(圖2a)，500 hPa河套至四川有一短波槽，副熱帶高壓(以下簡稱副高)588線穩定維持在華南地區，副高少動是暴雨前期(26日08—20時)主要環流形勢；700 hPa暴雨前期(川中存在切變系統，昆明附近有小槽，未來切變南壓，小槽東移；850 hPa貴州中南部到華南大部地區為12～14 m/s低空急流控制，重慶東部到長江中下游中北部一線有低渦切變，西南低空急流的建立不僅攜帶了來自南海充沛的暖濕水汽，同時強勁的西南風也導致貴州中北部的低渦切變南下受阻。暴雨臨近時(26日20時，圖2b)，500 hPa在川東的高空槽東移，黔東南一直處于槽前和副高西北邊緣的西南暖濕氣流中；700 hPa，川西有一暖低渦，云南東部的小槽與位于川東的切變結合，在川東上空形成“人”字形低渦切變系統，貴州維持西南氣流，黔東南處于急流的左側，貴州除西部地區外，其余地區T-Td≤2 ℃，表明暴雨發生前水汽飽合；850 hPa暴雨臨近時切變南壓至貴州中部一線，開始影響黔東南，切變南側風速雖有所減小，變為12m/s，但是由西南風轉為偏南風，更有利于取近道從南海輸送水汽。切變線北側的風速變為4 m/s，切變線附近風速風向輻合明顯，貴州大部分地區T-Td<2 ℃，其中貴陽T-Td=0 ℃，完全達到飽合狀態，貴州水汽充沛，黔東南處于暖式切變線附近，輻合明顯。到27日08時之后(圖略)，500 hPa高空槽已移至湖南省，貴州處于槽后西北氣流控制，低層雖然有切變維持在貴州南部，但強度已經大大減弱，降水隨之也減弱。

綜上所述，此次局地特大暴雨發生前期500 hPa副高穩定少動，暴雨臨近時影響槽東移，中低層切變線南壓及暖濕氣流輻合加強觸發了暴雨的發生。

圖2 2015年5月26日08時中尺度環境場(a)、26日20時中尺度環境場(b)Fig.2 08∶00 in May 26, 2015,mesoscale environmental field (a) and 26 day 20 time mesoscale environmental field (b)

3.2 地形與中尺度輻合線

地形對降水的作用不可忽視，研究表明，喇叭口地形的機械挾擠效應造成的氣流輻合可增強降水，且地形迎風坡具有抬升作用，對暴雨有明顯的增幅作用[12-16]。雷公山是苗嶺山脈的主峰，地處雷山、臺江、劍河、榕江4縣之間，雷公山的最高峰海拔2 178.8 m，位于雷山縣城東32 km處，大致呈準東北—西南走向，局部近于南北，呈長條狀展布。西南—東北走向的清水江及西北—東南走向的都柳江穿越其間，形成向南或東南開口的地形喇叭口(圖3a)。26日20時(圖3b)河套地區有一低壓系統，新疆地區為高壓系統，在貴州西南部有一熱低壓系統，黔東南位于熱低壓東北部，地面中尺度輻合線在貴州中部一線，位置為水城—凱里—天柱，呈東—西走向，黔東南地面風場為偏東風。26日23時(圖3c)熱低壓減弱填塞，地面中尺度輻合線在貴州中部偏南位置。27日02時(圖3d)熱低壓繼續減弱填塞東退北抬至盤縣，地面中尺度輻合線依然在貴州中部一線，黔東南位于熱低壓東部，黔東南中部以北的風向由偏東風變為東北風，同時在貴州北部有一小型高壓環流系統，高壓東部吹偏北風，有利于弱冷空氣南下觸發對流發生，此時雷山、大塘、永樂處于熱低壓東部，輻合線南側風向為偏南風，雷公山迎風坡地形對偏南氣流具有抬升作用。27日05時(圖3e)熱低壓減弱填塞略東退至安順鎮寧縣，地面中尺度輻合線略南壓，位于六枝—都勻—雷山—榕江，雷山縣風向已由東北風變為偏北風，黔東南州中西部輻合明顯，且輻合加強。由于桃江、平陽等鄉鎮分別位于地形喇叭口的入口和喇叭口內，加上雷公山東南側的平陽鎮海拔為350 m，因而在雷公山與平陽之間形成一狹窄通道，低層偏南風可通過“狹管效應”而增強風速，而雷山站在26日20時—27日05時，風向由偏東風變為東北風到逐漸轉為偏北風，表明地面輻合線北側偏北風入侵加強。輻合線附近的風向逐漸變為偏北風與偏南風，表明輻合是逐漸加強的，而強降水發生在26日23時—27日06時，由此可推測輻合線附近輻合加強對降水加強起到了明顯的作用。雷山大塘鄉位于地面偏東風與偏南風的切變線北側，即地面中尺度輻合線略偏北側，切變線一直延伸至雷公山東南側迎風坡中部，受高大地形影響輻合線在此中斷，隨著低空偏南風速的躍增，地面切變線兩側風向逐漸變為“對吹”，輻合加強。狹管效應使得雷公山東側偏北氣流分量加大，與偏南風的輻合加強。另外，輻合中心的氣流受到迎風坡地形的抬升作用，使得降水強度加強。27日08時(圖3f)熱低壓繼續減弱填塞,輻合線已位于黔東南南部，此時貴州的降雨已開始減弱。

綜上所述，此次暴雨發生熱低壓區，為典型的暖區暴雨，輻合線一直在清水江流域附近擺動，特別是較長時間維持在黔東南西部的雷山附近，雷公山山脈阻擋增強了氣流輻合和加強抬升，加上地面輻合線輻合加強，使雷公山西南側產生特大暴雨。

圖3 黔東南州地形圖(a)(★表征兩個特大暴雨中心)；26日20時(b)；26日23時(c)；27日02時(d)；27日05時(e) ；27日08時(f) 地面環流形勢圖Fig.3 Qiandongnan topographic map (a) (★characterization of two rainstorm center); 26, 20; 26 (b) 23 (c); 27, 02; 27 (d) 05 (e); 27, 08 (f) surface circulation situation map

4 環境場分析

4.1 高溫高濕高能環境條件

平時的預報業務中經常會發現暖區暴雨影響系統與鋒面引起的穩定性強降水系統有所區別，預報征兆明顯較弱于鋒面暴雨，在弱的強迫抬升條件下為何會產生如此強度大、持續時間長的暴雨，或許與高濕高能環境和降水效率密切相關[10]。許珺等[17]研究指出暖區降水暴雨落區一般位于低層多層風速輻合的疊置區，低層高濕有利于降水效率的提高。從這次過程雷山高巖(108.16°E，26.33°N)各層平均相對濕度來看(圖4a)，暴雨發生前雷山上空的干空氣存在于200～600 hPa之間，而600 hPa以下因低空急流維持而存在高溫高濕區，27日02時過后從低層開始濕度逐漸增大，此時雷山出現了短時強降水。整個過程雷山上空持續呈現明顯“上干下濕”的不穩定層結。氣溫場上，中低層溫度較高，高溫高濕環境有利于降水效率的提高。對流有效位能CAPE指全位能轉化為動能的小部分能量，這部分能量對大氣有著積極的作用，轉化為氣塊動能從而產生上升運動。分析對流有效位能發現26日20時(圖4b)貴州中部以南地區的有效位能CAPE值達到了1 800 J·kg-1左右，到27日08時(圖4c)黔東南雷山的CAPE值變小為200 J·kg-1，有效位能釋放了大部分能量。從有效位能CAPE分析發現，在降水發生前期，CAPE值比較大，不穩定能量積聚，到降水產生及雨勢減弱停止時，有效位能CAPE值釋放。總之，高溫高濕高能的環境有利于降水效率的提高。

圖4 2015年5月26日08時—27日20時雷山高巖(108.16°E，26.33°N)平均相對濕度(實線，單位：%)及溫度(虛線，單位：℃)時間—高度剖面(a)、26日20時(b)、27日08時(c)對流有效位能CAPE(單位：J·kg-1)Fig.4 08∶00—27 May 26, 2015 20∶00 Renee high rock (108.16～E, 26.33～N) average relative humidity (solid line, unit:%) and temperature (dashed line, unit: C) time-height profile (a), 26, 20 (b), 27, 08 (c) CAPE (convective available potential energy unit: CAPE/J-kg-1)

4.2 強上升運動

強降水除了需要大量的水汽還需要較強的上升運動，特別對于短期強降水來說，一定存在著特別強盛的上升運動。對雷山高巖降水時期(以108.16°E, 26.33°N)的上升運動做剖面分析，發現27日02時(圖5)黔東南州上空900～250 hPa垂直速度為負值，有一個大的速度負值中心，表面雷山高巖上空上升運動非常強，且暴雨落區的對流層頂也為上升運動，有利于降水的發生。

圖5 2015年5月26日14時—27日14時雷山高巖(108.16°E，26.33°N)垂直速度隨時間垂直剖面(垂直速度單位：Pa/s)Fig.5 14∶00 May 26, 2015 - 27 day 14∶00 Renee high rock (108.16～E, 26.33～N) vertical velocity with time vertical (vertical speed unit:Pa/s)

4.3 強水汽供應

暴雨需要充足的水汽供應，在27日02時,700 hPa(圖6a)貴州省為水汽通量大值區，省西南部水汽通量為35 g/(cm2·hPa·s)，黔東南水汽通量為15 g/(cm2·hPa·s)。雷山西部的水汽通量大，東部的水汽通量小，在黔東南西部雷山縣有水汽通量的輻合。 27日02時850 hPa(圖6b)貴州南部水汽通量為大值區，西南急流在廣東、廣西、湖南建立，急流在廣西達到20 m/s，黔東南州位于西南急流的左前側，水汽來源來自南海，水汽通量最大值為70 g/(cm2·hPa·s)，切變線位于黔東南州，切變線南側的風速為12 m/s，北側風速為4 m/s。由此可見，在黔東南地區低空為強輻合區，低空水汽充沛維持高濕狀態，切變線兩側風速風向的輻合為暴雨的發生提供了充足的動力條件。

5 雷達特征分析

5.1 組合反射率因子演變及垂直剖面特征分析

從雷達組合反射率因子演變可知，26日22時39分(圖7a)左右，福泉境內生成的對流單體在偏西氣流引導下東移南壓至雷山境內，最強回波達55 dBz。隨后雷山境內不斷有新的對流單體生成發展，新老對流單體不斷合并加強并長時間影響雷山、丹寨、榕江、臺江、劍河一帶。27日凌晨開始，在雷公山西南側有55 dBz強回波帶一直維持，降水強度迅速增大，至01時最大雨強達到92.2 mm/h，出現在桃江附近(圖7b)。之后回波逐漸減弱，雨強相對減小，但雷山境內仍有強度在40～50 dBz的回波經過，使得總累積降水不斷增多，暴雨區域范圍增大。04時以后，雷山境內的回波又開始增強(最大強度50 dBz)，超過45 dBz回波區域增大，影響雷山全縣，后續還有回波移來，“列車效應”顯著，雷山縣多站小時雨量超過了50 mm。04—05時在榕江平陽附近出現50 dBz 強回波，榕江平陽出現了94.5 mm/h的短時強降水(圖7c)。之后回波緩慢減弱移出，降水也隨之減弱。

圖6 2015年5月27日02時700 hPa(a)、850 hPa(b)水汽通量和風場疊加圖(實線，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1)Fig.6 02 700 hPa (a), 850 hPa (b), water vapor flux and wind field superimposed plot in May 27, 2015 (unit: g·hPa-1·cm-1·s-1)

以上分析可知，此次降水過程有兩個集中時段(27日00—01時和27日04—06時)，第一時段 “列車效應”顯著。“列車效應”于26日23時開始形成，丹寨-都勻不斷有回波生成東移經過雷山境內，被雷公山山脈阻擋，形成類似回波滯留，在南側有繞流，緩慢東移。經統計40～60 dBz強降水回波影響雷山區域持續時間長達到8～10 h，從而使雷山境內出現多站大暴雨和特大暴雨。此外，對比分析回波發展旺盛時期不同時刻的雷達組合反射率因子及對應垂直剖面圖(圖略)可知，此次降水過程強回波呈典型低質心、降水效率高的熱帶降水型特征。

圖7 雷達組合反射率因子演變情況26日22時39分(a)、27日01時17分(b)、04時58分(c)Fig.7 Radar combination reflectivity factor evolution, 26, 22∶39 (a), 27, 01∶17 (b), 04∶58 (c)

5.2 徑向速度及VWP垂直風場分析

強降雨發生初期，從26日21時41分1.5°仰角徑向速度圖來看(圖略)，1.5 km(850 hPa)以下高度層為“暖平流+輻合流場”結構，該流場配置有利于對流系統的發展。另在黔東南東部天柱縣境內有明顯“逆風區”存在，其與強回波區有很好的對應關系。從VWP產品來看(圖8a)，地面到3.7 km左右風向隨高度順轉，為暖平流，4.0～5.2 km和8.1 km以上高度為偏北風，說明中高層有干冷空氣入侵，對流不穩定增強。近地面風向由東北北逐漸轉為東北，即近地面風向與雷公山山脈夾角增大，垂直分量增大，有利于氣流在迎風坡堆積和強迫抬升。23時之后，在2 km高度左右出現一支徑向速度為10m/s的西南低空大風速帶或準急流帶，在這支準急流作用下，使得雷公山南側回波在其東側彎向東北，此時對應第一個降水集中時段，隨后準急流于27日02時之后在2.4°仰角圖上消失，回波帶在雷公山南側逐漸轉成平直東移，雷山、劍河境內“逆風區”雖有減弱，但在丹寨和雷山兩縣交界附近低層有明顯的風速輻合(圖8b黑色曲線)，使此區域有對流云團生成并東移。強降雨消散時期，從09時54分VWP產品知(圖8c)，7.3 km以上高度均為“ND”(無可靠資料)，且“ND”迅速向中低層拓展，形成穩定的“ND”層，葉愛芬[18]指出大暴雨結束前會出現穩定的“ND”層。此時雷達回波已移出黔東南，降雨明顯減弱已趨于結束。

圖8 2015年5月26日21時41分垂直風廓線(a)、27日05時41分雷達1.5°徑向速度(b)、27日09時54分垂直風廓線(c)Fig.8 May 26, 2015 21∶41 vertical wind profile (a), 27 05∶41 1.5 degree radar radial velocity (b), 27 09∶54 vertical wind profile (c)

6 中尺度暴雨云團TBB演變特征

TBB是相當黑體溫度(Black Body Temperature)的英文縮寫，通常用來表示云頂亮溫。傅昺珊[19]等指出，TBB值越低，表明云頂高度越高，對流發展越劇烈。張書余[20]指出87. 3 %以上的暴雨發生在-63～-80 ℃的云頂亮溫區域 , 強降雨區總是位于云團東南側和云團前進的方向，而云團后部降雨較小。通過對最強降雨時段前后間隔1 h的風云2F衛星云圖TBB圖像分析知，26日23時30分(圖9a)雷山附近有中尺度對流云團生成，27日01時該云團發展(圖略)，TBB最低中心依然位于雷山上空，此時雷山出現第一次強降水。02時30分(圖9b)-68 ℃亮溫區面積擴大且與位于貴州安順、黔南的兩個對流云團開始合并，TBB為-52 ℃的冷云罩面積擴大，亮溫梯度加大，中心最低亮溫仍維持-68 ℃左右，并于05時30分時(圖9c)達到最大。雷山高巖位于云團東南側及其前進方向，此時雷山大塘高巖出現了第二次強降水。08時30分后(圖9d)，TBB為-52 ℃的冷云罩面積逐漸減小，同時云團中心亮溫逐漸減弱并向東南方向移動，亮溫梯度減小，直至11時30分(圖略)TBB為-52 ℃的冷云區移出黔東南地區。

圖9 2016年5月26日23時30分-27日08時30分(間隔3h)FY-2F衛星TBB圖像(單位：℃)(a)26日23時30分,(b)27日02時30分，(c)05時30分，(d)08時30分(★表征特大暴雨發生地)Fig.9 23∶30-27 May 26, 2016 08∶30 (3H interval) FY-2F TBB satellite image (unit: ℃) (a) 26, 23∶30 (b) 27, 02∶30 (c) 05∶30, (d) 08∶30 (★ characterization of torrential rain occurred.)

7 結論與討論

①此次局地特大暴雨發生前期500 hPa副高穩定少動，暴雨臨近時影響槽東移，中低層切變線南壓及暖濕氣流輻合加強觸發了暴雨的發生。

②此次暴雨發生地面輻合線附近，為暖區暴雨，輻合線一直在清水江流域附近擺動，特別是較長時間維持在黔東南西部的雷山附近，加上雷公山地形作用，使雷公山西南側產生了特大暴雨。

③暴雨落區垂直速度在對流層頂部都為負值，垂直上升運動強，低空水汽充沛，高溫高濕高能環境，有利于降水效率的提高。

④雷達資料顯示，此次過程為典型的低質心、降水效率高的熱帶降水型特征，多個對流單體不斷生消發展，在黔東南西部表現為明顯的“列車效應”。

⑤特大暴雨落區及強度與中尺度對流系統的生成、發展、移動、合并、停滯以及減弱有很好的對應關系，TBB≤-52 ℃冷云罩所覆蓋區域與大到暴雨落區基本一致。因此，TBB≤-52 ℃時需注意區域性強降水，TBB≤-68 ℃時特別注意大暴雨的可能。

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