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(zāi)害性天氣之一，貴州西南部地區(qū)是貴州暴雨的中心之一，而且貴州西南部由于山地地形復(fù)雜、破碎的特點，強降水(暴雨以上)不但會形成山洪災(zāi)害，導(dǎo)致農(nóng)田被淹，糧食減產(chǎn)，而且是滑坡、泥石流等重大地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素。對貴州暴雨近年來一些學(xué)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(wèi)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(fā)性大暴雨過程進(jìn)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(jìn)行了數(shù)值模擬，利用模式輸出的基本物理量分析了相當(dāng)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(qū)出現(xiàn)的一次大范圍強對流性天氣過程與高低空急流的關(guān)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(jìn)一步研究，以提高對該區(qū)域暴雨的認(rèn)識。

2012年5月21日夜間，貴州西南部出現(xiàn)一次強降雨天氣過程，本文綜合利用常規(guī)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(wèi)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(wěn)定特征進(jìn)行了分析，得到一些結(jié)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(qū)出現(xiàn)大范圍強降水，鄉(xiāng)鎮(zhèn)有多個大暴雨，強降水主要出現(xiàn)在21日20時—22日08時。從6 h降水分析最強降水出現(xiàn)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(guī)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(cè)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(qū)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(dá)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(qū)，隨著冷空氣的南壓，輻合區(qū)也南壓。降水區(qū)與輻合區(qū)的位置相當(dāng)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(fā)生發(fā)展的可能觸發(fā)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(fù)合體(MCC)的東移發(fā)展、β中尺度強對流云團(tuán)的發(fā)展以及二者的合并創(chuàng)造了有利條件。

根據(jù)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(tǒng)有中低層的低渦切變和地面冷鋒。

3 衛(wèi)星云圖及TBB分析

暴雨天氣的發(fā)生發(fā)展除了受環(huán)流背景影響外，主要受中小尺度系統(tǒng)的制約。很多研究表明:暴雨過程與中尺度云團(tuán)、中尺度對流復(fù)合體密切相關(guān)［6－7］，以下使用國家衛(wèi)星中心 FY2d衛(wèi)星紅外輻射相當(dāng)黑體亮度溫度(TBB)資料，分析此次暴雨過程中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)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(tuán)維持，該云團(tuán)呈圓形結(jié)構(gòu)，10時30分中心TBB最低值達(dá)到193 k(－80℃)，但整個云團(tuán)面積僅有約3×104km2，當(dāng)日午后，云團(tuán)開始發(fā)展擴大，14時30分，TBB最低值已達(dá)到188 k(－85℃)，該云團(tuán)的西南象限曲率和梯度最大，TBB＜221 k(－52℃)的面積達(dá)到6×104km2以上，＜241 k(－32℃)的面積達(dá)到1×105km2，到17時30分，云團(tuán)發(fā)展為橢圓型結(jié)構(gòu)，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(tuán)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(dá)1.6×106km2以上，TBB＜221 k(－52℃)的面積達(dá)到8×104km2，說明該云團(tuán)已發(fā)展成為一個MCC(中尺度對流復(fù)合體)［9］，此時貴州西北部開始出現(xiàn)降水，之后云團(tuán)繼續(xù)向西南壓，貴州中西部降水隨之開始，云團(tuán)此后中心強度有所減弱，但冷云區(qū)面積范圍擴大，在22日凌晨后，云團(tuán)覆蓋了貴州除東部邊緣外的大部分地區(qū)，強中心正好影響貴州西南部，TBB＜241 k(－32℃)的云區(qū)在貴州呈西南—東北向，面積繼續(xù)擴大，TBB＜221 k(－52℃)的云區(qū)就在貴州西南部，此時貴州西南部降水最強，此后在云團(tuán)邊緣逐漸發(fā)展出絮狀結(jié)構(gòu)，到22日04時30分后TBB最強中心移出貴州進(jìn)入廣西北部，云團(tuán)圓形結(jié)構(gòu)逐漸消失，MCC結(jié)構(gòu)不復(fù)存在(圖1)。

根據(jù)以上分析，在21日傍晚發(fā)展為MCC的中尺度強云團(tuán)造成貴州西南部強降水，滿足MCC冷云區(qū)面積的條件在貴州約維持了10 h以上，云團(tuán)沿最初發(fā)展時TBB曲率最大處和梯度最大處的方向移動發(fā)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(yīng)，維持在貴州西南部約5～6 h，當(dāng)云團(tuán)圓形結(jié)構(gòu)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(qū)的作用分析

本次過程中發(fā)現(xiàn)在降水過程中有θse密集和陡立區(qū)，但陡立區(qū)在降水區(qū)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(qū)，在貴州南部700 hPa以下，有一暖區(qū)，降水區(qū)直接受到暖區(qū)的影響，表明此次降水為一次鋒前暖區(qū)暴雨:21日20時，θse密集和陡立區(qū)在30°N以北，降水區(qū)上空600～300 hPaθse隨高度減小，表明此處為對流不穩(wěn)定區(qū)域，22日02時，該區(qū)域?qū)哟蜗陆?，且演變?yōu)閷α髦行詤^(qū)域，說明降水前期對流不穩(wěn)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(qū)南壓至28°N(圖略)，此時貴州的強降水已經(jīng)結(jié)束，暖區(qū)內(nèi)從地面到中層都為濕度飽和區(qū)，并且隨著垂直上升運動的發(fā)展該飽和區(qū)向上發(fā)展，降水減弱后該飽和區(qū)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(jīng)存在中尺度輻合線，中尺度輻合線上產(chǎn)生明顯的南北氣流輻合，并隨時間南移(圖3)，該輻合區(qū)附近產(chǎn)生強烈的輻合上升運動是暴雨產(chǎn)生的重要的動力條件之一。

4.2 垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)及垂直渦度的發(fā)展

吳國雄等［9］對濕斜壓過程中渦旋垂直渦度的發(fā)展做了較深入的研究，指出當(dāng)θe面陡立時，大氣無論是濕對稱不穩(wěn)定或?qū)α鞑环€(wěn)定，濕等熵面的傾斜能引起垂直渦度的增長從而導(dǎo)致暴雨發(fā)生;暴雨區(qū)南、北兩側(cè)的正、反垂直環(huán)流構(gòu)成了中尺度次級環(huán)流圈的垂直結(jié)構(gòu)特征。

通過對本次降水期間垂直環(huán)流的分析，暖鋒區(qū)域內(nèi)為強烈的上升運動區(qū)，在暖區(qū)內(nèi)和冷鋒前分別有垂直渦度發(fā)展，在垂直上升區(qū)的北側(cè)產(chǎn)生一次級環(huán)流，從21日20時—22日08時，垂直正渦度強烈發(fā)展(圖4)，由于垂直渦度的發(fā)展，激發(fā)出次級環(huán)流，對于降水的持續(xù)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(fēng)急流，高空急流主要是存在于200 hPa的西風(fēng)急流，21日20時，850 hPa有一支中心達(dá)到10 m/s的南支急流，在其左側(cè)有強烈的上升運動區(qū)(圖5)，200 hPa有一支中心達(dá)到65 m/s的高空偏西風(fēng)急流，貴州西部處于該急流的右側(cè)，也為強烈的上升運動區(qū)(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(cè)，高空急流出口的右側(cè)，此處有強烈的上升運動，對于暴雨的產(chǎn)生和維持有重要作用。

5 濕位渦(MPV)與不穩(wěn)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(fā)現(xiàn)在降水過程中貴州西部中低層一直維持MPV負(fù)值區(qū)，表明貴州西部存在對稱不穩(wěn)定能量，在降水開始前MPV負(fù)值區(qū)就已經(jīng)存在，中心值最大，降水開始后中心數(shù)值減小，對垂直剖面的分析表明對稱不穩(wěn)定的層次最高僅能達(dá)到中層500 hPa左右。

圖5 2012年5月21日20時850 hPa全風(fēng)速(陰影區(qū)為＞8 m/s的區(qū)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(fù)值區(qū)，中心在貴州西北部，中心值達(dá)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(fù)值中心繼續(xù)南壓，中心數(shù)值進(jìn)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(xiàn)在MPV負(fù)值區(qū)中，與MPV負(fù)值中心移向一致。

圖6 2012年5月21日20時200 hPa全風(fēng)速(陰影區(qū)＞20 m/s的區(qū)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(fù)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(qū)，該陡立區(qū)隨時間向南移動，正值區(qū)切入負(fù)值區(qū)底部，負(fù)值區(qū)在正值區(qū)上面爬升，隨著降水開始和持續(xù)，正負(fù)值區(qū)數(shù)值均逐漸減小，21日20時—22日08時，25～26°N陡立區(qū)有所傾斜，線條更加密集，在26°以南低層負(fù)值中心的上部有一正值中心，形成了正負(fù)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(dāng)位溫垂直梯度的乘積，因為絕對渦度是正值，當(dāng)大氣為對流不穩(wěn)定時，MPV1＜0，若大氣為對流穩(wěn)定時，則MPV1＞0;MPV2是濕位渦的水平分量(斜壓項)，它的數(shù)值由風(fēng)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(shù)值較MPV2大一個量級，因此MPV中MPV1占主導(dǎo)地位。表明降水中對流不穩(wěn)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(fù)值區(qū)就已存在，且數(shù)值最大，降水開始后中低層繼續(xù)維持負(fù)值，中低層大氣始終是對流不穩(wěn)定的，MPV1區(qū)負(fù)值的層次達(dá)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(dá)到－70 pvu，表明過程開始前對流不穩(wěn)定能量在午后發(fā)展最強，20時降水開始后對流不穩(wěn)定能量開始消耗，MPV1負(fù)值中心數(shù)值開始減小，并向南移，MPV1的負(fù)值區(qū)與降水區(qū)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(wěn)定能量層，對流不穩(wěn)定能量在降水開始后有消耗但始終維持(圖略)。

根據(jù)傾斜渦度發(fā)展理論，MPV1＜0，同時MPV2＞0，是有利于濕斜壓渦度發(fā)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(qū)域與暴雨有較好的關(guān)系［9］，在本次個例中發(fā)現(xiàn)700 hPa在貴州西北部有MPV2負(fù)值密集區(qū)，該負(fù)值區(qū)的產(chǎn)生與此處的切變和低空急流有關(guān)，貴州西南部基本處于MPV2密集區(qū)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(qū)發(fā)展(圖7、圖8)。所以本次降水過程中MPV1＞＞MPV2，對流不穩(wěn)定能量起主要作用，700 hPa MPV負(fù)值中心的移向和中心數(shù)值與降雨落區(qū)和趨勢對應(yīng)較好，降水發(fā)生在低層MPV1＜0，MPV2負(fù)值區(qū)前沿0線附近MPV2≥0的區(qū)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(jié)論

①此次過程的影響系統(tǒng)主要是中低層的低渦切變和冷鋒，但降水發(fā)生在冷鋒前的暖區(qū)，為一次暖區(qū)暴雨。對云圖TBB的分析表明降水由MCC產(chǎn)生。地面中尺度輻合區(qū)產(chǎn)生的輻合、垂直渦度激發(fā)次級環(huán)流產(chǎn)生，高低空急流的耦合等作用是暴雨產(chǎn)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(wěn)定能量，MPV1＞＞MPV2，因此主要以對流不穩(wěn)定能量為主，在中低層存在深厚的對流不穩(wěn)定能量區(qū)，在降水區(qū)附近有MPV密集陡立區(qū)，700 hPa MPV負(fù)值中心的移向和數(shù)值與降雨落區(qū)和趨勢對應(yīng)較好，降水發(fā)生在低層MPV1＜0，MPV2負(fù)值區(qū)前沿0線附近MPV2≥0的區(qū)域。

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