贵州西南部一次暖区暴雨不稳定性分析

吴哲红，王兴菊，陈贞宏，杨忠明

(1.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000;2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002)

1 引言

暴雨是贵州省的主要灾害性天气之一，贵州西南部地区是贵州暴雨的中心之一，而且贵州西南部由于山地地形复杂、破碎的特点，强降水(暴雨以上)不但会形成山洪灾害，导致农田被淹，粮食减产，而且是滑坡、泥石流等重大地质灾害的主要诱发因素。对贵州暴雨近年来一些学者作了研究:毛冬艳等［1］利用地面加密观测资料、贵州自动站雨量资料、FY22C卫星红外辐射亮度温度(TBB)资料等，对2006年6月12日夜间贵州南部突发性大暴雨过程进行了中尺度分析。张润琼等［2］利用MM5中尺度模式对贵州一次暴雨天气过程进行了数值模拟，利用模式输出的基本物理量分析了相当位温并计算出了湿位涡正压、斜压项的值。凌燕等［3］研究了黔东南地区出现的一次大范围强对流性天气过程与高低空急流的关系。

但对于贵州西南部暴雨的研究总体仍较少，因此有必要对贵州西南部暴雨的特征进一步研究，以提高对该区域暴雨的认识。

2012年5月21日夜间，贵州西南部出现一次强降雨天气过程，本文综合利用常规观测资料，日本再分析JRA－25的6 h资料(分辨率为1.25°×1.25°)、国家气象中心卫星红外辐射亮度温度(TBB)资料等，对本次过程的动力、水汽、中尺度及不稳定特征进行了分析，得到一些结论。

2 天气实况及背景形势分析

2012年5月21日—22日贵州省西部西南部地区出现大范围强降水，乡镇有多个大暴雨，强降水主要出现在21日20时—22日08时。从6 h降水分析最强降水出现在21日20时—22日02时，中心在省的中西部，22日02时—08时降水中心向东南移动到省的南部。

对常规观测实况资料的分析表明:500 hPa 21日亚洲中高纬为两脊一槽形势，新疆附近为一低槽，高原到贵州多短波槽，新疆的低槽东移过程中带动中低纬小槽东移，21日08时—20时云南—贵州有低槽东移，到21日20时云南—贵州已是西北气流(图略);700 hPa 21日08时在云、贵川交界处有西南涡东移影响，从四川南部到云南西部为低涡切变，西南涡切变从21日20时以后向东南移，到22日08时低涡中心在贵州西南部，在贵州南部形成一条近东西向的切变，850 hPa 21日08时在四川南部有低涡切变影响，在贵州省西北部形成一条切变，该切变基本维持，到22日在贵州南部形成了一个低涡，高层南亚高压中心在高原南部，贵州处于南亚高压东侧的辐散气流中(图略)，在这种形势下，贵州处于低层辐合、高层辐散的区域，对于降水的动力条件极为有利，很多研究表明，低层强烈的低层辐合、高层辐散的配置造成强而持久的上升运动，是贵州暴雨过程重要的动力条件［4－5］。

地面为鞍形场，新疆附近有一中心为1 027.5 hPa的冷高压，其前部的冷锋21日08时到达四川北部，随后冷锋南压，到21日20时冷锋开始影响贵州北部，长江中下游一直到东部沿海还有一中心为1 017.5 hPa的高压，贵州处于东西高，南北低的低压带中，类似阻塞形势，21日08时贵州西南部受热低压影响，从21日08时开始贵州西北部就存在气流的辐合，随着冷锋南压，贵州西北部的辐合随之南压，由于西南部的热低压阻挡，在贵州西南部形成一个辐合区，随着冷空气的南压，辐合区也南压。降水区与辐合区的位置相当一致。毛冬艳［1］等人的研究表明:地面低压和中尺度辐合线先于暴雨形成，是局地暴雨发生发展的可能触发机制，地面α中尺度低压带配合α中尺度纬向切变线的生成为中尺度对流复合体(MCC)的东移发展、β中尺度强对流云团的发展以及二者的合并创造了有利条件。

根据以上分析，此次过程为一次冷锋切变型强降雨，主要影响系统有中低层的低涡切变和地面冷锋。

3 卫星云图及TBB分析

暴雨天气的发生发展除了受环流背景影响外，主要受中小尺度系统的制约。很多研究表明:暴雨过程与中尺度云团、中尺度对流复合体密切相关［6－7］，以下使用国家卫星中心 FY2d卫星红外辐射相当黑体亮度温度(TBB)资料，分析此次暴雨过程中尺度系统的发生发展及特征。

5月21日白天在贵州西北部一直有一个对流云团维持，该云团呈圆形结构，10时30分中心TBB最低值达到193 k(－80℃)，但整个云团面积仅有约3×104km2，当日午后，云团开始发展扩大，14时30分，TBB最低值已达到188 k(－85℃)，该云团的西南象限曲率和梯度最大，TBB＜221 k(－52℃)的面积达到6×104km2以上，＜241 k(－32℃)的面积达到1×105km2，到17时30分，云团发展为椭圆型结构，东西略窄，南北略宽，边缘整齐，此时TBB中心值维持在190 k以下，云团强中心沿曲率和梯度最大处移动到贵州中西部，＜241k(－32℃)的面积达1.6×106km2以上，TBB＜221 k(－52℃)的面积达到8×104km2，说明该云团已发展成为一个MCC(中尺度对流复合体)［9］，此时贵州西北部开始出现降水，之后云团继续向西南压，贵州中西部降水随之开始，云团此后中心强度有所减弱，但冷云区面积范围扩大，在22日凌晨后，云团覆盖了贵州除东部边缘外的大部分地区，强中心正好影响贵州西南部，TBB＜241 k(－32℃)的云区在贵州呈西南—东北向，面积继续扩大，TBB＜221 k(－52℃)的云区就在贵州西南部，此时贵州西南部降水最强，此后在云团边缘逐渐发展出絮状结构，到22日04时30分后TBB最强中心移出贵州进入广西北部，云团圆形结构逐渐消失，MCC结构不复存在(图1)。

根据以上分析，在21日傍晚发展为MCC的中尺度强云团造成贵州西南部强降水，满足MCC冷云区面积的条件在贵州约维持了10 h以上，云团沿最初发展时TBB曲率最大处和梯度最大处的方向移动发展，在形成MCC后强降水开始，之后TBB中心强度有所减弱，TBB强中心位置与强降雨位置对应，维持在贵州西南部约5～6 h，当云团圆形结构消失，TBB强中心减弱移出贵州后，云系逐渐减弱消散，降水减弱停止。

4 动力和水汽条件分析

4.1 锋面及地面辐合区的作用分析

本次过程中发现在降水过程中有θse密集和陡立区，但陡立区在降水区以北，前面对于大尺度背景的分析表明本次降水过程中北方有冷锋南下，但对θse垂直剖面的分析表明冷锋并未直接影响降水区，在贵州南部700 hPa以下，有一暖区，降水区直接受到暖区的影响，表明此次降水为一次锋前暖区暴雨:21日20时，θse密集和陡立区在30°N以北，降水区上空600～300 hPaθse随高度减小，表明此处为对流不稳定区域，22日02时，该区域层次下降，且演变为对流中性区域，说明降水前期对流不稳定能量较强，后期为对流基本中性(图2)，到22日08时θse密集和陡立区南压至28°N(图略)，此时贵州的强降水已经结束，暖区内从地面到中层都为湿度饱和区，并且随着垂直上升运动的发展该饱和区向上发展，降水减弱后该饱和区层次降低。

对地面流场的分析表明在降水开始前贵州西部地面已经存在中尺度辐合线，中尺度辐合线上产生明显的南北气流辐合，并随时间南移(图3)，该辐合区附近产生强烈的辐合上升运动是暴雨产生的重要的动力条件之一。

4.2 垂直环流结构及垂直涡度的发展

吴国雄等［9］对湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展做了较深入的研究，指出当θe面陡立时，大气无论是湿对称不稳定或对流不稳定，湿等熵面的倾斜能引起垂直涡度的增长从而导致暴雨发生;暴雨区南、北两侧的正、反垂直环流构成了中尺度次级环流圈的垂直结构特征。

通过对本次降水期间垂直环流的分析，暖锋区域内为强烈的上升运动区，在暖区内和冷锋前分别有垂直涡度发展，在垂直上升区的北侧产生一次级环流，从21日20时—22日08时，垂直正涡度强烈发展(图4)，由于垂直涡度的发展，激发出次级环流，对于降水的持续有重要作用。

4.3 高低空急流的作用

本次过程低空急流主要是在850 hPa的南风急流，高空急流主要是存在于200 hPa的西风急流，21日20时，850 hPa有一支中心达到10 m/s的南支急流，在其左侧有强烈的上升运动区(图5)，200 hPa有一支中心达到65 m/s的高空偏西风急流，贵州西部处于该急流的右侧，也为强烈的上升运动区(图6)，低空急流在过程中强度和位置基本维持，而高空急流中心则向西移动，贵州西南部处于低空急流出口左侧，高空急流出口的右侧，此处有强烈的上升运动，对于暴雨的产生和维持有重要作用。

5 湿位涡(MPV)与不稳定性分析

5.1 等压面上的MPV分析

对降水过程中MPV的分析发现在降水过程中贵州西部中低层一直维持MPV负值区，表明贵州西部存在对称不稳定能量，在降水开始前MPV负值区就已经存在，中心值最大，降水开始后中心数值减小，对垂直剖面的分析表明对称不稳定的层次最高仅能达到中层500 hPa左右。

图5 2012年5月21日20时850 hPa全风速(阴影区为＞8 m/s的区域)和垂直速度叠加(10 hPa×s－1)

700 hPa 5月21日14时在贵州西部为大的MPV负值区，中心在贵州西北部，中心值达到－70 pvu，21日20时降水开始后MPV中心南移，中心值减小，22日02时，降水加大后MPV负值中心继续南压，中心数值进一步减小，强中心就在贵州西南部，08时该中心值移到广西，贵州降水减小南移，可见强降水出现在MPV负值区中，与MPV负值中心移向一致。

图6 2012年5月21日20时200 hPa全风速(阴影区＞20 m/s的区域)和垂直速度叠加(10 hPa×s－1)

沿105.5°E的MPV剖面上21日14时500 hPa以下在26°N以南为负值，表征暖湿空气，26°N以北为正值，表征干冷空气，在29～30°N之间有MPV密集陡立区，该陡立区随时间向南移动，正值区切入负值区底部，负值区在正值区上面爬升，随着降水开始和持续，正负值区数值均逐渐减小，21日20时—22日08时，25～26°N陡立区有所倾斜，线条更加密集，在26°以南低层负值中心的上部有一正值中心，形成了正负中心叠加的形势，此时降水最大。

5.2 MPV1、MPV2分析

MPV1为湿位涡的垂直分量(正压项)，其值取决于空气块绝对涡度的垂直分量和相当位温垂直梯度的乘积，因为绝对涡度是正值，当大气为对流不稳定时，MPV1＜0，若大气为对流稳定时，则MPV1＞0;MPV2是湿位涡的水平分量(斜压项)，它的数值由风的垂直切变(水平涡度)和θse的水平梯度决定，表征大气的湿斜压性，湿位涡单位(pvu)是 10－6m－2s－1kg－1。

对MPV1、MPV2的分析表明 MPV1的数值较MPV2大一个量级，因此MPV中MPV1占主导地位。表明降水中对流不稳定能量起主要作用。

本次降水过程中贵州西部中低层MPV1始终＜0，在降水开始前负值区就已存在，且数值最大，降水开始后中低层继续维持负值，中低层大气始终是对流不稳定的，MPV1区负值的层次达到中层500 hPa附近。

对700 hPa MPV1的分析表明，在5月21日14时700 hPa贵州西北部MPV1中心值达到－70 pvu，表明过程开始前对流不稳定能量在午后发展最强，20时降水开始后对流不稳定能量开始消耗，MPV1负值中心数值开始减小，并向南移，MPV1的负值区与降水区分布基本一致，以上分析表明此次贵州西南部的强降水中低层有深厚的对流不稳定能量层，对流不稳定能量在降水开始后有消耗但始终维持(图略)。

根据倾斜涡度发展理论，MPV1＜0，同时MPV2＞0，是有利于湿斜压涡度发展的。吴国雄等人的研究表明，低层850 hPa或700 hPa上MPV1＜0同时MPV2＞0的区域与暴雨有较好的关系［9］，在本次个例中发现700 hPa在贵州西北部有MPV2负值密集区，该负值区的产生与此处的切变和低空急流有关，贵州西南部基本处于MPV2密集区前沿的0线附近，在降水最大的时候贵州西南部有弱的MPV2正值区发展(图7、图8)。所以本次降水过程中MPV1＞＞MPV2，对流不稳定能量起主要作用，700 hPa MPV负值中心的移向和中心数值与降雨落区和趋势对应较好，降水发生在低层MPV1＜0，MPV2负值区前沿0线附近MPV2≥0的区域。

图7 2012年5月22日02时700 hPa MPV1(实线)和MPV2叠加(虚线)(单位:1 pvu)

6 结论

①此次过程的影响系统主要是中低层的低涡切变和冷锋，但降水发生在冷锋前的暖区，为一次暖区暴雨。对云图TBB的分析表明降水由MCC产生。地面中尺度辐合区产生的辐合、垂直涡度激发次级环流产生，高低空急流的耦合等作用是暴雨产生的动力条件。

图8 2012年5月22日08时700 hPa MPV1(实线)和MPV2叠加(虚线)(单位:1 pvu)

②对湿位涡的分析表明降水中存在对称不稳定能量，MPV1＞＞MPV2，因此主要以对流不稳定能量为主，在中低层存在深厚的对流不稳定能量区，在降水区附近有MPV密集陡立区，700 hPa MPV负值中心的移向和数值与降雨落区和趋势对应较好，降水发生在低层MPV1＜0，MPV2负值区前沿0线附近MPV2≥0的区域。

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