李 剛，吳古會，姚 浪，劉健平，劉元美

(1貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700)

0 引言

隨著全球氣候變暖加劇，極端高溫、低溫、干旱及暴雨等天氣事件也呈現(xiàn)出極端發(fā)展趨勢[1-4]。貴州位于青藏高原東部斜坡地帶，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，不但地形地貌復(fù)雜，且氣候異常多變，暴雨成為了主要的災(zāi)害性天氣之一[5-6]。在貴州暴雨經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，一直以來不但受到氣象及政府部門的極度重視，而且也是國內(nèi)外研究和關(guān)注的重點(diǎn)及熱點(diǎn)。盡管氣象部門對暴雨的預(yù)報存在著各種困難，但針對區(qū)域和季節(jié)性暴雨[7-10]，相關(guān)文獻(xiàn)在形成機(jī)理及實(shí)況監(jiān)測預(yù)警上都作了較為全面的探討，得到不少有意義的結(jié)論。

當(dāng)前對于貴州暴雨、極端性降水的發(fā)生發(fā)展以及模式偏差分析與檢驗(yàn)，已有一些研究成果[11-14]。通過大量資料分析，發(fā)現(xiàn)貴州的暴雨及降水主要出現(xiàn)在5—9月，且呈現(xiàn)出明顯的月季變化趨勢[15]。貴州地形復(fù)雜，受高原影響并有著季風(fēng)雨季特點(diǎn)，每年汛期開始早、持續(xù)時間長及暴雨頻繁等特征，且不同地形對降水承受能力有著明顯差異[16]。特別在厄爾尼諾年份，降水更是較為異常[17]。同時，貴州還受西風(fēng)帶及熱帶地區(qū)天氣系統(tǒng)共同影響[18]，中小尺度對流活動頻繁[19]。另一方面，畢節(jié)位于貴州西北部，受特殊地形及下墊面條件等外強(qiáng)迫作用[20]，使得其預(yù)報難度增大，如多數(shù)對流性降水及過程均是以畢節(jié)地區(qū)作為源地初生并東移發(fā)展，進(jìn)而影響貴州大部地區(qū)。

2020年7月7日，貴州西北部畢節(jié)出現(xiàn)了大暴雨天氣過程，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。其中，此次暴雨導(dǎo)致貴州西北部黔西市中坪鎮(zhèn)黃泥坡社區(qū)發(fā)生山體滑坡，共毀損房屋61棟，共134戶484人緊急撤離。針對本次貴州西北部畢節(jié)地區(qū)大暴雨降水過程，利用業(yè)務(wù)應(yīng)用的ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報資料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料、FY-4衛(wèi)星資料和地面及高低空觀測資料，對該暴雨過程的大尺度環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展、過程中各要素場特征的變化以及各尺度模式預(yù)報性能和表現(xiàn)進(jìn)行分析與探討，以期對今后地方暴雨預(yù)報提供相應(yīng)指導(dǎo)與參考。

1 降水實(shí)況

1.1 空間分布

受高空槽、低層切變以及地面弱冷空氣共同影響，7月5—11日貴州出現(xiàn)了一次自北向南的持續(xù)性暴雨天氣過程，從降水量上看，7月7—8日對貴州西北部畢節(jié)地區(qū)影響最為明顯(如圖1)，其強(qiáng)降水主要集中在畢節(jié)中部以南地區(qū)。此次過程于7日14時開始，8日20時趨于結(jié)束，期間累積降水量達(dá)暴雨50.0 mm的國家站有4站(黔西90.6 mm，織金89.3 mm，納雍74.5 mm，迤那55.8 mm)，大雨25.0～49.9 mm有3站，中雨1站，小雨3站；在區(qū)域站上，達(dá)大暴雨100.0 mm有40站，暴雨50.0～99.9 mm有106站，大雨25.0～49.9 mm有55個站，中雨10.0～24.9 mm，有75站，小雨158站，其中累積降水最大為納雍曙光187.4 mm。

圖1 2020年7月7日14時—8日20時累積降水實(shí)況Fig.1 Accumulated precipitation from 14∶00，July 7 to 20∶00，July 8，2020

從逐6 h實(shí)況累積降水演變分布上(圖略)，可看出降水為7日14時后開始影響貴州西北部地區(qū)，7日20時—8日02時最為集中，之后趨于減弱結(jié)束。圖中還看出，整個降水過程始于畢節(jié)中北部，并逐步東移的一個過程。

1.2 時間分布

區(qū)域自動區(qū)站資料顯示，2020年7月7日14時—8日20時小時雨強(qiáng)最大為84.8 mm/h，為織金縣三甲鄉(xiāng)，其次是黔西市鵝項井水庫81.7 mm/h。此外，小時雨強(qiáng)在50.0～80.0 mm間有12站，在30.0～50.0 mm間有52站，20.0～30.0 mm間有64個站，整個降水過程中短時強(qiáng)降水特征較為明顯。

為更好地了解過程的短時強(qiáng)降水特征，圖2給出降水量最大的國家站黔西、織金縣以及區(qū)域自動站納雍縣曙光鄉(xiāng)、織金縣三甲鄉(xiāng)的逐時演變，可看出降水主要集中在7日午后及夜間，其降水峰值主要集中在20時至次日03時左右。

圖2 7日14時—8日08時逐時降水量時間序列Fig.2 Sequence diagram of hourly rainfall from 14∶00，July 7 to 08∶00，July 8，2020

2 主要環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

2.1 環(huán)流形勢

從環(huán)流形勢上(圖3)，中高緯為明顯的兩槽一脊，東部低槽從我國東北一直延伸到西南，其南部位于重慶至貴州中部，中緯度西風(fēng)帶鋒區(qū)在河套東南部出現(xiàn)明顯分支，孟灣及南海一帶受副高控制，高原東南側(cè)對流層中高層存在顯著的反氣旋環(huán)流特征，地面貴州西部北有弱冷空氣侵入，從西到東部一帶存在明顯輻合。700 hPa上，來自孟灣的西南氣流和副高外圍氣流在云貴交匯，配合南壓高壓東南部的東北氣流，在川東一帶形成切變輻合系統(tǒng)。850 hPa上，貴州中東部存在顯著的急流區(qū)，最大風(fēng)速達(dá)20.0 m/s，貴州北部至西部一帶存在顯著切變線，配合地面冷空氣迫使暖濕氣流沿冷空氣墊抬升，觸發(fā)畢節(jié)地區(qū)對流性暴雨天氣過程發(fā)生發(fā)展。圖中還可以看出，影響貴州的中低層切變均位于500 hPa高空槽后，具有明顯的前傾結(jié)構(gòu)，反映出當(dāng)時大氣層結(jié)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 7月7日08時實(shí)況形勢配置圖Fig.3 High and low weather system configurationat 08∶00，July 7

2.2 高低空風(fēng)場

高、低空急流的配置對強(qiáng)降水天氣的產(chǎn)生有著極為重要的作用，高空急流的抽吸作用有利于上升運(yùn)動的維持和加強(qiáng)，是高空產(chǎn)生輻散的重要機(jī)制[21]，低空急流是水汽和能量的輸送者，高低空急流的耦合是暴雨或大暴雨產(chǎn)生的重要機(jī)制。

圖4(a)中，暴雨區(qū)(104.8°～106.5°E，26.0°～27.0°N)附近7日14時中低層800 hPa對應(yīng)著較強(qiáng)的風(fēng)速帶，風(fēng)力達(dá)10.0～12.0 m/s，并伴有明顯的上升運(yùn)動，到降水集中時段8日02時(圖4(b))，暴雨區(qū)中低層存在著明顯的急流建立，達(dá)12.0～15.0 m/s，上升運(yùn)動較上一時次更為顯著，表明此次過程中低層水汽和不穩(wěn)定能量得到有效輸送和明顯加強(qiáng)，進(jìn)一步說明該時段內(nèi)雨勢變強(qiáng)。(圖4(c))從7日14時降水過程逐漸開始，位于26°N暴雨區(qū)上空800 hPa的風(fēng)場逐漸加強(qiáng)，在8日05時左右達(dá)到峰值，與降水集中時段相對應(yīng)。因低層氣流通常伴隨著水汽和能量輸送，所以風(fēng)速增強(qiáng)和急流建立在一定程度上對降水產(chǎn)生和加強(qiáng)有很好的預(yù)示作用，從而低層風(fēng)速的增大在這次過程中起相當(dāng)重要的作用，它為暴雨區(qū)輸送大量水汽和能量。

圖4 7月7日沿26°N風(fēng)矢量場與全風(fēng)速垂直剖面圖及沿105°E 850 hPa全風(fēng)速時間-緯度剖面圖Fig.4 The vertical profile of wind vector and wind speedalong 26°N，and the time-zonal profile of wind speed along105°E at 850hPa on July 7

3 云圖特征

從衛(wèi)星云圖的演變過程可看出，圖5(a)中為7日13時紅外云圖，在貴州西北部畢節(jié)邊緣逐漸向MSC生成發(fā)展，過程中不斷東移南壓發(fā)展壯大，至8日01時發(fā)展范圍最大，云頂亮溫達(dá)最低和顏色最亮，即表示在01時對流云團(tuán)升展高度最高，發(fā)展最旺盛，過程中有較強(qiáng)的上升運(yùn)動維持，從而產(chǎn)生了這次暴雨過程，致使01時左右小時雨強(qiáng)達(dá)最強(qiáng)。

圖5 中尺度紅外云圖特征Fig.5 The meso-scale FY-4A IR image at13∶00 BT July 7 and 01∶00 BT July 8

4 物理量場分析

4.1 穩(wěn)定度分析

在整個大氣層結(jié)表現(xiàn)中，500 hPa以下T-Td<5 ℃ ，說明中低層大氣十分潮濕。從不穩(wěn)定能量及各類指數(shù)在暴雨發(fā)生前后的變化可以看出(表1、表2)，7日8時貴陽上空附近有較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，達(dá)1000.6 J/kg，到20時能量增至1606.2 J/kg，伴隨降水過程的開始能量逐步釋放，到8日08時減小到46.2 J/kg，過程中能量釋放達(dá)1596.2 J/kg；從K指數(shù)和Si指數(shù)的變化趨勢也表現(xiàn)了類似的特征，7日08時至20時是一個大氣變得更加不穩(wěn)定的過程，而到次日08時，K指數(shù)與Si指數(shù)向著大氣相對穩(wěn)定的方向變化。

表1 貴陽站各能量指數(shù)變化Tab.1 Variation of energy indexes at Guiyang Station

表2 威寧站各能量指數(shù)變化Tab.2 Variation of energy indexes at Weining Station

表2給出的是威寧站上空即暴雨區(qū)上游能量和大氣穩(wěn)定度的變化情況，其趨勢與表1貴陽站較為相似，過程能量釋放為1654.9 J/kg，超過貴陽站。

從暴雨區(qū)850 hPa的θse時間剖面上(圖略)。可看出暴雨區(qū)26°N處從14時開始存在θse大值區(qū)，達(dá)370 K以上并一定維持到20時，直到降水過程開始才逐步減少下降，8日02時后，θse低值區(qū)明顯下降到360 K，即暴雨區(qū)上空的不穩(wěn)定層結(jié)明顯減弱并漸趨于穩(wěn)定。

4.2 垂直運(yùn)動條件

圖6(a)和圖6(b)為散度和渦度在暴雨區(qū)的時間剖面圖，7日14時開始中低層和400 hPa的負(fù)散度逐步變小，500 hPa正散度逐漸增強(qiáng)，表明整個大氣層結(jié)中低層和高層都存在明顯的輻合，中層是輻散，整個過程較強(qiáng)狀態(tài)一直維持到8日02時，為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供較有利條件。圖6(b)中，中低層渦度中心值逐漸變強(qiáng)，高層為弱渦度或負(fù)渦度區(qū)，從而知整層非常有利大氣的上升。圖6(c)中，7日14時到8日02時，中低層大氣其上升運(yùn)動是一個不斷加強(qiáng)再減弱的過程，其大值區(qū)中對應(yīng)高空也存在另一個大值區(qū)，且出現(xiàn)時間與暴雨最強(qiáng)時段超前2～3小時，即在雨強(qiáng)最大最集中前2～3小時，整層大氣有著較深厚的垂直上升運(yùn)動對應(yīng)。此外，各要素也有著很好的配置，在上升運(yùn)動區(qū)(w<0)，有正渦度(ζ>0)與之對應(yīng)，極值區(qū)時段與暴雨區(qū)時段相符，隨著暴雨過程的結(jié)束，各物理量逐漸減弱。

注：(a)、(c)中的陰影區(qū)為小于0區(qū)域，(b)中的陰影區(qū)為大于0區(qū)域。其中：散度和渦度單位：10-6·s-1；垂直速度單位：10-1Pa·s-1。圖6 各要素場時間高度剖面圖Fig.6 The time-height profile of divergence，vorticity andvertical speed

4.3 水汽條件

圖7(a)中，暴雨區(qū)水汽含量異常豐富，850 hPa中低層比濕達(dá)到16.0～18.0 g/kg，700 hPa達(dá)9.0～12.0 g/kg，均突破當(dāng)?shù)乇┯曛笜?biāo)(850 hPa比濕達(dá)12.0 g/kg，700 hPa達(dá)8.0 g/kg)；從流場可以看到，在暴雨區(qū)存在明顯上升運(yùn)動和低偉度地區(qū)中低層存在東南氣流向暴雨區(qū)輸送，進(jìn)一步說明水汽條件不但非常充沛，還有源源不斷的補(bǔ)充。圖7(b)整層積分水汽通量來看，有兩條較大的水汽帶與來自正北路徑的冷空氣在貴州省西北部輻合，其中一條水汽輸送帶來自南海副高外圍的偏南氣流，占主要支配地位；另一條是來自孟灣西南氣流的水汽輸送。圖7(c)為水汽通量的時間演變，在暴雨區(qū)上空中低層存在一個水汽通量輸送的高值區(qū)，高度位于700～900 hPa間，從7日14時開始一直到8日02時，水汽的輸送不斷加強(qiáng)，說明在降水開始時暴雨區(qū)有較強(qiáng)的水汽源源不斷地補(bǔ)充，且看出降水最集中時段與水汽通量最強(qiáng)時段相對應(yīng)。圖7(d)表示整個過程中水汽的輻散輻合情況，與圖c有較好的對應(yīng)，即隨著水汽能量的增大，暴雨區(qū)的水汽通量輻合且不斷增加。特別在8日02時左右，水汽通量輸送與其輻合均為最旺盛階段，與暴雨區(qū)雨強(qiáng)最大最集中時段剛好對應(yīng)，之后隨著降水的逐漸減弱，水汽通量及其輻合也趨于減小。

圖7 7日20時沿106°E暴雨區(qū)上空比濕(單位：g/kg)風(fēng)場(單位：m/s)、整層積分水汽通量矢量(單位： 10-2·g·m·kg-1·s-1)、水汽通量及水汽通量散度(單位：10-8·g·cm-2·hPa-1·s-1)時間演變圖Fig.7 The profile of specific humidityand wind，the vector ofthe whole-layer integral vapor flux，and the time evolution ofvapor flux and vapor flux divergencealong 106°Eat 20∶00BT，7 July 2020

5 數(shù)值模式預(yù)報能力及檢驗(yàn)

5.1 形勢預(yù)報

從實(shí)況的發(fā)展演變來看，針對此次大暴雨過程ECMWF提供了很好的形勢預(yù)報。從ECMWF細(xì)網(wǎng)格6日20時起報的7日20時—8日20時高低空形勢預(yù)報中(圖略)，展現(xiàn)了此次過程發(fā)生時高低空各層配置和預(yù)報性能，均很好說明此次過程的可預(yù)報性及準(zhǔn)確性。圖中還展示從7日14時—8日20時500 hPa高空槽不斷南壓，由于副高外圍和高空槽后冷空氣共同影響，槽的東段南壓移動迅速，西段則較為緩慢，從而在貴州西北部影響較為強(qiáng)烈；700 hPa位于川東的低渦維持少動，貴州西北部維持西南氣流影響，于7日20時后加強(qiáng)并建立急流，為此次過程提供了豐富的水汽和能量輸送；850 hPa低層切變線于7日14時后在貴州西北部畢節(jié)地區(qū)北部形成，之后并逐步緩慢南壓，至8日20時移至畢節(jié)南部地區(qū)，在過程中造成了明顯持久的上升運(yùn)動，同時地面10米風(fēng)場顯示，7日夜間至8日凌晨存在明顯的地面輻合線，更有助于低層能量和水汽的輻合與集聚，促使短時強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展。

5.2 降水預(yù)報

考慮到全球模式對對流性降水表現(xiàn)的不足和中尺度模式穩(wěn)定性落后于全球預(yù)報模式，以及日常業(yè)務(wù)各模式的應(yīng)用綜合體現(xiàn)，全球預(yù)報模式對貴州降水落區(qū)有較好表現(xiàn)，而中尺度預(yù)報模式對降水量級表現(xiàn)較好，尤其是華南高分辨率中尺度預(yù)報模式，日常業(yè)務(wù)參考性更強(qiáng)。

圖8給出了過程中，全球預(yù)報模式ECMWF與不同高分辨率中尺度模式的24 h累積降水預(yù)報。圖中展示，全球模式較好地預(yù)報了此次過程的發(fā)生發(fā)展以及落區(qū)預(yù)報，但卻在降水量級上存在一定的差異。圖8(a)中，ECMWF降水預(yù)報在中南部系統(tǒng)顯著影響區(qū)域?qū)邓考夘A(yù)報偏小，在北部系統(tǒng)快速掃過區(qū)域卻預(yù)報了暴雨以上量級降水，與形勢預(yù)報在量級和區(qū)域上均存在一定偏差；圖8(b)中，華東中尺度模式在畢節(jié)中西部和北部考慮了暴雨和局地大暴雨的產(chǎn)生，在系統(tǒng)南壓過程中卻沒考慮畢節(jié)南部暴雨以上量級降水，同樣與形勢相比在落區(qū)上存在一定差異；圖8(c)中，華南中尺度預(yù)報模式，較好地預(yù)報了中部以南地區(qū)均有暴雨以上量級降水發(fā)生，與整個實(shí)況天氣及預(yù)報形勢較為吻合。鑒于各模式以往在貴州降水預(yù)報及量級的表現(xiàn)，因此在此次過程中，對公眾發(fā)布的降水預(yù)報其落區(qū)主要參考ECMWF、量級主體參考華南中尺度預(yù)報模式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整和主觀訂正，從而成功準(zhǔn)確地預(yù)報了此次大暴雨過程發(fā)生發(fā)展及降水量級與落區(qū)，收到了較好的服務(wù)效果，最大限度地減小了經(jīng)濟(jì)損失，得到了社會的高度認(rèn)可。

圖8 6日20時起報的7日20時—8日20時各模式24h累積降水量預(yù)報Fig.8 The forecast of 24h accumulated precipitation from 20∶00BT 7 to 20∶00 BT 8 July by different models

6 小結(jié)

本文運(yùn)用日常業(yè)務(wù)ECMWF(EC)細(xì)網(wǎng)格預(yù)報資料、NCEP/NCAR再分析資料、FY-4衛(wèi)星資料以及常規(guī)觀測資料，對2020年7月7日貴州西北部畢節(jié)地區(qū)大暴雨過程的環(huán)流形勢、要素場特征及各數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的釋用性能進(jìn)行了評估與分析，得到以下結(jié)論：

(1)此次大暴雨過程為高空槽東移南壓與低層切變配合地面弱冷空氣共同作用的結(jié)果，降水主要集中區(qū)發(fā)生在畢節(jié)地區(qū)中南部低層切變與地面輻合線附近。

(2) 整個影響系統(tǒng)主要是7日午后位于貴州西北部畢節(jié)北部MCS逐漸生成發(fā)展并逐步東移南壓，造成畢節(jié)中南部地區(qū)的大暴雨過程；降水時段主要集中在午后至夜間，過程表現(xiàn)了明顯的短時強(qiáng)降水特征，其中最大小時雨強(qiáng)達(dá)84.8 mm/h。

(3)暴雨發(fā)生在強(qiáng)的對流不穩(wěn)定層結(jié)和能量條件下，異常豐富的水汽含量、中低層水汽輸送與輻合和較強(qiáng)的上升運(yùn)動為此次暴雨提供了很好的條件。

(4)此次過程，EC數(shù)值預(yù)報在高、低層形勢預(yù)報中相對暴雨發(fā)生發(fā)展時段與落區(qū)上均展現(xiàn)了較好的配置和預(yù)報性能；通過不同尺度模式24 h累積降水預(yù)報檢驗(yàn)評估，EC預(yù)報模式在落區(qū)及華南中尺度預(yù)報模式在降水量級上均有著優(yōu)越的表現(xiàn)。即EC預(yù)報模式與華南中尺度模式在貴州西北部地區(qū)具有著較好的參考價值和業(yè)務(wù)實(shí)用性。