貴州西南部一次暖區暴雨不穩定性分析

吳哲紅，王興菊，陳貞宏，楊忠明

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

1 引言

暴雨是貴州省的主要災害性天氣之一，貴州西南部地區是貴州暴雨的中心之一，而且貴州西南部由于山地地形復雜、破碎的特點，強降水(暴雨以上)不但會形成山洪災害，導致農田被淹，糧食減產，而且是滑坡、泥石流等重大地質災害的主要誘發因素。對貴州暴雨近年來一些學者作了研究:毛冬艷等［1］利用地面加密觀測資料、貴州自動站雨量資料、FY22C衛星紅外輻射亮度溫度(TBB)資料等，對2006年6月12日夜間貴州南部突發性大暴雨過程進行了中尺度分析。張潤瓊等［2］利用MM5中尺度模式對貴州一次暴雨天氣過程進行了數值模擬，利用模式輸出的基本物理量分析了相當位溫并計算出了濕位渦正壓、斜壓項的值。凌燕等［3］研究了黔東南地區出現的一次大范圍強對流性天氣過程與高低空急流的關系。

但對于貴州西南部暴雨的研究總體仍較少，因此有必要對貴州西南部暴雨的特征進一步研究，以提高對該區域暴雨的認識。

2012年5月21日夜間，貴州西南部出現一次強降雨天氣過程，本文綜合利用常規觀測資料，日本再分析JRA－25的6 h資料(分辨率為1.25°×1.25°)、國家氣象中心衛星紅外輻射亮度溫度(TBB)資料等，對本次過程的動力、水汽、中尺度及不穩定特征進行了分析，得到一些結論。

2 天氣實況及背景形勢分析

2012年5月21日—22日貴州省西部西南部地區出現大范圍強降水，鄉鎮有多個大暴雨，強降水主要出現在21日20時—22日08時。從6 h降水分析最強降水出現在21日20時—22日02時，中心在省的中西部，22日02時—08時降水中心向東南移動到省的南部。

對常規觀測實況資料的分析表明:500 hPa 21日亞洲中高緯為兩脊一槽形勢，新疆附近為一低槽，高原到貴州多短波槽，新疆的低槽東移過程中帶動中低緯小槽東移，21日08時—20時云南—貴州有低槽東移，到21日20時云南—貴州已是西北氣流(圖略);700 hPa 21日08時在云、貴川交界處有西南渦東移影響，從四川南部到云南西部為低渦切變，西南渦切變從21日20時以后向東南移，到22日08時低渦中心在貴州西南部，在貴州南部形成一條近東西向的切變，850 hPa 21日08時在四川南部有低渦切變影響，在貴州省西北部形成一條切變，該切變基本維持，到22日在貴州南部形成了一個低渦，高層南亞高壓中心在高原南部，貴州處于南亞高壓東側的輻散氣流中(圖略)，在這種形勢下，貴州處于低層輻合、高層輻散的區域，對于降水的動力條件極為有利，很多研究表明，低層強烈的低層輻合、高層輻散的配置造成強而持久的上升運動，是貴州暴雨過程重要的動力條件［4－5］。

地面為鞍形場，新疆附近有一中心為1 027.5 hPa的冷高壓，其前部的冷鋒21日08時到達四川北部，隨后冷鋒南壓，到21日20時冷鋒開始影響貴州北部，長江中下游一直到東部沿海還有一中心為1 017.5 hPa的高壓，貴州處于東西高，南北低的低壓帶中，類似阻塞形勢，21日08時貴州西南部受熱低壓影響，從21日08時開始貴州西北部就存在氣流的輻合，隨著冷鋒南壓，貴州西北部的輻合隨之南壓，由于西南部的熱低壓阻擋，在貴州西南部形成一個輻合區，隨著冷空氣的南壓，輻合區也南壓。降水區與輻合區的位置相當一致。毛冬艷［1］等人的研究表明:地面低壓和中尺度輻合線先于暴雨形成，是局地暴雨發生發展的可能觸發機制，地面α中尺度低壓帶配合α中尺度緯向切變線的生成為中尺度對流復合體(MCC)的東移發展、β中尺度強對流云團的發展以及二者的合并創造了有利條件。

根據以上分析，此次過程為一次冷鋒切變型強降雨，主要影響系統有中低層的低渦切變和地面冷鋒。

3 衛星云圖及TBB分析

暴雨天氣的發生發展除了受環流背景影響外，主要受中小尺度系統的制約。很多研究表明:暴雨過程與中尺度云團、中尺度對流復合體密切相關［6－7］，以下使用國家衛星中心 FY2d衛星紅外輻射相當黑體亮度溫度(TBB)資料，分析此次暴雨過程中尺度系統的發生發展及特征。

5月21日白天在貴州西北部一直有一個對流云團維持，該云團呈圓形結構，10時30分中心TBB最低值達到193 k(－80℃)，但整個云團面積僅有約3×104km2，當日午后，云團開始發展擴大，14時30分，TBB最低值已達到188 k(－85℃)，該云團的西南象限曲率和梯度最大，TBB＜221 k(－52℃)的面積達到6×104km2以上，＜241 k(－32℃)的面積達到1×105km2，到17時30分，云團發展為橢圓型結構，東西略窄，南北略寬，邊緣整齊，此時TBB中心值維持在190 k以下，云團強中心沿曲率和梯度最大處移動到貴州中西部，＜241k(－32℃)的面積達1.6×106km2以上，TBB＜221 k(－52℃)的面積達到8×104km2，說明該云團已發展成為一個MCC(中尺度對流復合體)［9］，此時貴州西北部開始出現降水，之后云團繼續向西南壓，貴州中西部降水隨之開始，云團此后中心強度有所減弱，但冷云區面積范圍擴大，在22日凌晨后，云團覆蓋了貴州除東部邊緣外的大部分地區，強中心正好影響貴州西南部，TBB＜241 k(－32℃)的云區在貴州呈西南—東北向，面積繼續擴大，TBB＜221 k(－52℃)的云區就在貴州西南部，此時貴州西南部降水最強，此后在云團邊緣逐漸發展出絮狀結構，到22日04時30分后TBB最強中心移出貴州進入廣西北部，云團圓形結構逐漸消失，MCC結構不復存在(圖1)。

根據以上分析，在21日傍晚發展為MCC的中尺度強云團造成貴州西南部強降水，滿足MCC冷云區面積的條件在貴州約維持了10 h以上，云團沿最初發展時TBB曲率最大處和梯度最大處的方向移動發展，在形成MCC后強降水開始，之后TBB中心強度有所減弱，TBB強中心位置與強降雨位置對應，維持在貴州西南部約5～6 h，當云團圓形結構消失，TBB強中心減弱移出貴州后，云系逐漸減弱消散，降水減弱停止。

4 動力和水汽條件分析

4.1 鋒面及地面輻合區的作用分析

本次過程中發現在降水過程中有θse密集和陡立區，但陡立區在降水區以北，前面對于大尺度背景的分析表明本次降水過程中北方有冷鋒南下，但對θse垂直剖面的分析表明冷鋒并未直接影響降水區，在貴州南部700 hPa以下，有一暖區，降水區直接受到暖區的影響，表明此次降水為一次鋒前暖區暴雨:21日20時，θse密集和陡立區在30°N以北，降水區上空600～300 hPaθse隨高度減小，表明此處為對流不穩定區域，22日02時，該區域層次下降，且演變為對流中性區域，說明降水前期對流不穩定能量較強，后期為對流基本中性(圖2)，到22日08時θse密集和陡立區南壓至28°N(圖略)，此時貴州的強降水已經結束，暖區內從地面到中層都為濕度飽和區，并且隨著垂直上升運動的發展該飽和區向上發展，降水減弱后該飽和區層次降低。

對地面流場的分析表明在降水開始前貴州西部地面已經存在中尺度輻合線，中尺度輻合線上產生明顯的南北氣流輻合，并隨時間南移(圖3)，該輻合區附近產生強烈的輻合上升運動是暴雨產生的重要的動力條件之一。

4.2 垂直環流結構及垂直渦度的發展

吳國雄等［9］對濕斜壓過程中渦旋垂直渦度的發展做了較深入的研究，指出當θe面陡立時，大氣無論是濕對稱不穩定或對流不穩定，濕等熵面的傾斜能引起垂直渦度的增長從而導致暴雨發生;暴雨區南、北兩側的正、反垂直環流構成了中尺度次級環流圈的垂直結構特征。

通過對本次降水期間垂直環流的分析，暖鋒區域內為強烈的上升運動區，在暖區內和冷鋒前分別有垂直渦度發展，在垂直上升區的北側產生一次級環流，從21日20時—22日08時，垂直正渦度強烈發展(圖4)，由于垂直渦度的發展，激發出次級環流，對于降水的持續有重要作用。

4.3 高低空急流的作用

本次過程低空急流主要是在850 hPa的南風急流，高空急流主要是存在于200 hPa的西風急流，21日20時，850 hPa有一支中心達到10 m/s的南支急流，在其左側有強烈的上升運動區(圖5)，200 hPa有一支中心達到65 m/s的高空偏西風急流，貴州西部處于該急流的右側，也為強烈的上升運動區(圖6)，低空急流在過程中強度和位置基本維持，而高空急流中心則向西移動，貴州西南部處于低空急流出口左側，高空急流出口的右側，此處有強烈的上升運動，對于暴雨的產生和維持有重要作用。

5 濕位渦(MPV)與不穩定性分析

5.1 等壓面上的MPV分析

對降水過程中MPV的分析發現在降水過程中貴州西部中低層一直維持MPV負值區，表明貴州西部存在對稱不穩定能量，在降水開始前MPV負值區就已經存在，中心值最大，降水開始后中心數值減小，對垂直剖面的分析表明對稱不穩定的層次最高僅能達到中層500 hPa左右。

圖5 2012年5月21日20時850 hPa全風速(陰影區為＞8 m/s的區域)和垂直速度疊加(10 hPa×s－1)

700 hPa 5月21日14時在貴州西部為大的MPV負值區，中心在貴州西北部，中心值達到－70 pvu，21日20時降水開始后MPV中心南移，中心值減小，22日02時，降水加大后MPV負值中心繼續南壓，中心數值進一步減小，強中心就在貴州西南部，08時該中心值移到廣西，貴州降水減小南移，可見強降水出現在MPV負值區中，與MPV負值中心移向一致。

圖6 2012年5月21日20時200 hPa全風速(陰影區＞20 m/s的區域)和垂直速度疊加(10 hPa×s－1)

沿105.5°E的MPV剖面上21日14時500 hPa以下在26°N以南為負值，表征暖濕空氣，26°N以北為正值，表征干冷空氣，在29～30°N之間有MPV密集陡立區，該陡立區隨時間向南移動，正值區切入負值區底部，負值區在正值區上面爬升，隨著降水開始和持續，正負值區數值均逐漸減小，21日20時—22日08時，25～26°N陡立區有所傾斜，線條更加密集，在26°以南低層負值中心的上部有一正值中心，形成了正負中心疊加的形勢，此時降水最大。

5.2 MPV1、MPV2分析

MPV1為濕位渦的垂直分量(正壓項)，其值取決于空氣塊絕對渦度的垂直分量和相當位溫垂直梯度的乘積，因為絕對渦度是正值，當大氣為對流不穩定時，MPV1＜0，若大氣為對流穩定時，則MPV1＞0;MPV2是濕位渦的水平分量(斜壓項)，它的數值由風的垂直切變(水平渦度)和θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性，濕位渦單位(pvu)是 10－6m－2s－1kg－1。

對MPV1、MPV2的分析表明 MPV1的數值較MPV2大一個量級，因此MPV中MPV1占主導地位。表明降水中對流不穩定能量起主要作用。

本次降水過程中貴州西部中低層MPV1始終＜0，在降水開始前負值區就已存在，且數值最大，降水開始后中低層繼續維持負值，中低層大氣始終是對流不穩定的，MPV1區負值的層次達到中層500 hPa附近。

對700 hPa MPV1的分析表明，在5月21日14時700 hPa貴州西北部MPV1中心值達到－70 pvu，表明過程開始前對流不穩定能量在午后發展最強，20時降水開始后對流不穩定能量開始消耗，MPV1負值中心數值開始減小，并向南移，MPV1的負值區與降水區分布基本一致，以上分析表明此次貴州西南部的強降水中低層有深厚的對流不穩定能量層，對流不穩定能量在降水開始后有消耗但始終維持(圖略)。

根據傾斜渦度發展理論，MPV1＜0，同時MPV2＞0，是有利于濕斜壓渦度發展的。吳國雄等人的研究表明，低層850 hPa或700 hPa上MPV1＜0同時MPV2＞0的區域與暴雨有較好的關系［9］，在本次個例中發現700 hPa在貴州西北部有MPV2負值密集區，該負值區的產生與此處的切變和低空急流有關，貴州西南部基本處于MPV2密集區前沿的0線附近，在降水最大的時候貴州西南部有弱的MPV2正值區發展(圖7、圖8)。所以本次降水過程中MPV1＞＞MPV2，對流不穩定能量起主要作用，700 hPa MPV負值中心的移向和中心數值與降雨落區和趨勢對應較好，降水發生在低層MPV1＜0，MPV2負值區前沿0線附近MPV2≥0的區域。

圖7 2012年5月22日02時700 hPa MPV1(實線)和MPV2疊加(虛線)(單位:1 pvu)

6 結論

①此次過程的影響系統主要是中低層的低渦切變和冷鋒，但降水發生在冷鋒前的暖區，為一次暖區暴雨。對云圖TBB的分析表明降水由MCC產生。地面中尺度輻合區產生的輻合、垂直渦度激發次級環流產生，高低空急流的耦合等作用是暴雨產生的動力條件。

圖8 2012年5月22日08時700 hPa MPV1(實線)和MPV2疊加(虛線)(單位:1 pvu)

②對濕位渦的分析表明降水中存在對稱不穩定能量，MPV1＞＞MPV2，因此主要以對流不穩定能量為主，在中低層存在深厚的對流不穩定能量區，在降水區附近有MPV密集陡立區，700 hPa MPV負值中心的移向和數值與降雨落區和趨勢對應較好，降水發生在低層MPV1＜0，MPV2負值區前沿0線附近MPV2≥0的區域。

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