2015年一次强对流天气中尺度特征及水汽输送

万雪丽，朱文达，曾莉萍，周明飞

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)



2015年一次强对流天气中尺度特征及水汽输送

万雪丽，朱文达，曾莉萍，周明飞

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

利用高空、地面实况探测、观测资料以及NCEP再分析资料，针对2015年5月7日夜间贵州出现的大范围强对流天气过程的中尺度特征及产生暴雨的水汽输送进行分析，结果表明：这次强对流天气是在有利的大尺度环流背景下生成的多个中尺度对流云团中产生，地面中尺度辐合区加强了对流的发展，冷空气的侵入增强了对流天气的剧烈程度，来自北部湾和阿拉伯海的水汽输送为暴雨天气的产生提供了所需的水汽条件。

强对流；中尺度特征；水汽输送

1 引言

强对流天气通常由中小尺度天气系统产生[1]，具有突发性强、发展迅速、影响范围小、容易致灾等特点，出现时往往会产生雷暴大风、冰雹、短时暴雨等灾害性天气，有时甚至伴有龙卷。段旭、董海萍、慕建利等[2-4]的研究表明中尺度系统是产生强降水的直接原因，刘勇等[5]对发生在陕中的一次龙卷过程研究中发现龙卷的发生与地面中尺度辐合线有关，梁俊平等[6]的研究表明强风暴回波沿着地面辐合线移动。池再香等[7]在研究贵州西部强降水过程时指出，贵州西部强降水与中尺度云团、中低层西南涡以及切变线的活动密切相关。

贵州地处青藏高原东侧，纬度较低，春季回温较快，加之省内丘陵山地纵横，地势起伏，因此春季是贵州强对流天气多发的时段，极易出现雷雨大风、冰雹等剧烈的灾害性天气。同时，由于贵州距离孟加拉湾和南海较近，5月随着西南季风的增强，来自上述地区的水汽输送加强，贵州雨季开始[1]，局地强降雨特征逐渐显著，此时虽然暴雨出现频率不高，但是局地降雨强度较大，常会出现小时雨强超过50 mm的降雨，引发局地的洪涝、滑坡、泥石流等次生灾害。2012年4月12日贵州就出现了当年的首场暴雨天气[8]。张艳梅、白慧等[9-10]对近30 a的暴雨天气进行分析，揭示了贵州夏季和主汛期暴雨的气候特征，吴哲红、伍红雨等[11-12]分别对贵州2004年和2005年5月的两次暴雨过程进行了分析，揭示了5月贵州暴雨天气发生的有利环境及中尺度条件。本文对2015年5月7日夜间贵州突发的强对流天气进行分析，揭示降水云团的中尺度特征，地面流场演变对降雨的影响，以及产生暴雨的水汽来源,为临近预报预警提供参考。

2 强对流天气实况

2015年5月7日夜间贵州出现入汛以来第一场大范围的强对流天气，贵州中部及以北以东地区出现大到暴雨局地大暴雨。雷雨天气伴随着冰雹、大风、短时强降雨等一起出现，闪电频次达18 290次，最大冰雹直径达到29 mm，最大瞬时风速达到29 m/s(表1)，最大小时雨强达到78.7 mm，20 h累计最大雨量达到159.7 mm(图1)。这次强对流天气致使75 382人受灾，转移安置365人，倒塌房屋250间，损坏房屋931间，直接经济损失6 759万元。

表1 雷暴大风和冰雹出现的时间

图1 a：短时强降雨实况，b：降雨实况Fig.1 a:Observation of short-time heavy precipitation,b:Observation of precipitation

3 环境条件

3.1 环流背景

强对流天气发生前7日08时(北京时，下同)(图略)，副热带高压在20°N以南呈东西向带状分布，受西风带波动的影响，副热带高压在北半球的非洲到南亚之间分裂成3个中心，分别位于大西洋到非洲半岛、孟加拉湾到中南半岛、南海到西太平洋，这使得青藏高原南侧偏西气流上多波动槽东移。700 hPa和850 hPa在四川东部达县至西昌之间有切变维持，利于切变南侧随着偏南气流北上的水汽在贵州上空聚集，为贵州产生降水天气提供有利的水汽辐合。同时，850 hPa从北部湾至重庆一带的偏南气流在7日白天到夜间从6～10 m/s增加到8～12 m/s，加强了贵州上空的水汽输送。200 hPa上贵州处于高空急流入口区右侧，是有利于上升运动发展的区域。地面场上自川陕南下的冷空气在7日夜间自北向南影响贵州，为强对流天气的发生提供了动力条件。

3.2 物理量参数特征

冷空气影响前，云贵之间有热低压发展，气温持续上升，为强对流天气发生提供了较好的热力条件。7日08时，贵州上空K指数达到38 ℃，Si指数达到-2 ℃，表征当时贵州上空已经处于热力不稳定状态，下午随着云贵热低压的发展，热力不稳定情况持续加强。7日08时，贵州区域CAPE达到421 J/kg，说明当时贵州区域已经储存了一定的能量，下午随着偏南气流的加强和云贵热低压的发展，水汽输送加强，本地气温上升，CAPE显著增加。假定当日大气垂直方向气温和水汽分布不变，以14时气温24 ℃订正探空，则当日CAPE在下午将升至1 716 J/kg，急剧增加的对流有效位能将为午后强对流天气发生提供所需的能量条件。7日08时，贵州上空0～400 hPa垂直风切变在2.8×10-3s-1，属于强垂直风切变，7日白天虽然热低压发展，但是地面观测贵州区域从08—20时一直维持2～4 m/s的偏南风，表明7日当天贵州上空维持强垂直风切变，有利于对流组织发展形成深对流出现强雷暴。当日08时0 ℃层高度在4 300～4 700 m之间，已经处于贵州降雹的有利高度[13]，当冷空气影响时0 ℃层高度还有可能下降，因此，当日0 ℃层高度持续处于冰雹天气出现的有利状态。

4 中尺度系统分析

4.1 降水及云团的中尺度特征

强对流云团7日17时(图2a)在四川甘洛附近生成，生成初期对流云团呈东西向椭圆状，面积约14 000 km2，中心云顶亮温-44 ℃，随后云团东移增强。20时(图2b)中心云顶亮温达到-54 ℃，云团东移过程中，高空环境风使得云砧向东伸展，云顶亮温梯度大值区位于对流云团西部，20时-32 ℃云砧亮温区覆盖贵州赤水市上空，范围达35 700 km2，但是此时赤水市未出现降雨或对流天气，强对流天气主要出现在四川省宜宾市附近的-52 ℃云顶亮温覆盖区域，21时(图略)-52 ℃云顶亮温区进入贵州边缘，其覆盖区随即出现降雨，22时(图2c)强对流云团继续东移发展加强，-32 ℃范围达78 760 km2，贵州境内赤水市附近云顶亮温低于-56 ℃的区域出现1 h 70 mm左右的强降雨。23时(图2d)对流云团中心云顶亮温低于-68 ℃，-32 ℃亮温面积达到约107 000 km2，在其移动前方云顶亮温-56 ℃覆盖区域偏向温度梯度大的一侧出现成片小时雨强大于30 mm的降雨，最大小时雨强达到68 mm，同时伴随29 m/s的雷暴大风(图3a、3c)。8日00时对流云团缓慢东南移，中心云顶亮温达到-72 ℃，-32 ℃区域面积达到约127 000 km2，在云团移动前方云顶亮温-56℃覆盖区域偏向温度梯度大值一侧出现73 mm/h强降雨及18 m/s的雷暴大风(图3b、3c)。同时，23时在贵州中部新生2个20 km×80 km和30 km×70 km的β中尺度对流云团，随后迅速合并发展，1 h后合并云团中心云顶亮温低于-40 ℃，尺度达到90 km×160 km，在对流云中心出现小时雨强57 mm的强降雨(图2d)。在其后的2 h上述2个对流云团分别在贵州北部和中部各自东移发展，到8日02时(图4a)，南北2云团合并，合并后的云团虽然边界松散，但是有3个低亮温中心，最低云顶亮温达到-72 ℃，另2个中心云顶亮温低于-64 ℃，在云顶亮温低于-60 ℃的区域对应地面均出现小时雨强超过30 mm的短时强降雨，在中心云顶亮温-72 ℃的云团内出现最大57 mm/h的强降雨和21 m/s的雷暴大风，在中心云顶亮温-64 ℃的云团内对应地面分别出现最大48 mm/h和52 mm/h的短时强降雨，以及直径14 mm的冰雹(图3d、4b)。此后合并后的云团缓慢东移，到04时，中心云顶最低亮温一直维持在-68～-72 ℃之间，在云顶亮温-56 ℃区域对应的地面连续出现超过50 mm/h的强降雨，最大达到76 mm/h，同时出现17 m/s和23 m/s雷暴大风以及直径29 mm的冰雹(图3d)。

图2 fy2E-TBB(单位：℃，等值线初始值为-24 ℃，等值线间隔4 ℃，-32 ℃和52 ℃等值线虚线加粗)(a：7日17时、b：7日20时、c：7日22时、d：7日23时)Fig.2 Fy2e-TBB (unit: ℃,the contour starts at -24 ℃, contour interval is 4 ℃, dashed lines for -32 ℃ and -52 ℃)(a:17∶00 7th, b:20∶00 7th, c:22∶00 7th, d:23∶00 7th)

图3 a：7日23时—8日00时强降雨，b：8日00—01时强降雨，c：7日夜间雷暴大风分布，d：7日夜间冰雹分布Fig.3 a: Short-time heavy precipitation from 23∶00 7th to 00∶00 8th, b: Short-time heavy precipitation from 00∶00 8th to 01∶00 8th,c:The distribution of thunderstorm and gale in 7th night, d:The distribution of hail in 7th night

图4 a：8日02时fy2E-TBB (单位：℃，等值线初始值为-24 ℃，等值线间隔4 ℃，-32 ℃和52 ℃等值线虚线加粗)，b：8日02—03时强降雨(单位：mm/h)Fig.4 a: Fy2e-TBB at 02∶00 8th (unit: ℃,the contour starts at -24 ℃, contour interval is 4 ℃, dashed lines for -32 ℃ and -52 ℃)b: The Short-time heavy precipitation from 02∶00 to 03∶00 8th(unit: mm/h)

4.2 地面中尺度系统的作用

分析地面流场可见，在7日20时(图5a)贵州中东部地区在大方—贵阳—剑河及大方—遵义—思南的扇形区域有一辐合带形成，至8日02时(图5b)该区域的辐合呈加强趋势，为强对流天气的形成和发展提供了逐渐增强的低层抬升条件。

从图5c、5d可见，冷空气在7日20时开始从遵义北部进入贵州，到8日02时冷空气南下接近贵州中部。分析图6a、6b可见，8日00时10分前后冷空气接近遵义市时，遵义市附近已经出现了10 mm以下的弱降雨，此时虽然有-1.2×10-3Pa/s的上升运动和-4×10-4kg/(m2·s·Pa)的水汽辐合，且到8日02时上升运动增强到-1.4×10-3Pa/s，水汽辐合加强到-6×10-4kg/(m2·s·Pa)，上升运动伸展到200 hPa附近，水汽辐合伸展到700 hPa附近，但是遵义市附近只在冷锋影响时出现了46.8 mm/h的降雨和18 m/s的雷暴大风，而在冷锋继续影响水汽辐合上升更强的时段只产生短时强降雨。遵义市附近在对流发展旺盛时期地面逐小时监测中观测到了雷暴高压的出现(图略)，说明此时在冷锋附近的遵义市对流云发展旺盛，由对流降水引发了雷暴大风。从图6c、6d可见，位于贵州西北部的大方县，在8日00时55分750 hPa以下出现了-1.0×10-3Pa/s的上升运动和-3×10-4kg/(m2·s·Pa)的水汽辐合，此时对应地面出现直径14 mm的冰雹和18.1 mm的降雨，而冷空气在01时之后开始影响大方县，01—03时冷空气继续影响，水汽辐合逐渐减小，上升运动虽然增强到-3×10-3Pa/s，但是大气积聚的能量已经释放，因此01—03时大方县出现了21.9 mm降雨，却没有出现更为剧烈的对流天气。 从图6e、6f可见，8日02时冷空气开始影响清镇市，由于冷锋的动力作用出现了-1.6×10-3Pa/s的上升运动，且伸展到了200 hPa，此时700 hPa以下已经有-8×10-3Pa/s的强水汽辐合，强的辐合上升一直持续到04时，03时22分地面观测到43.9 mm/h短时强降雨、直径29 mm的冰雹和23 m/s的雷暴大风，同时在地面逐小时监测中观测到了雷暴高压的出现(图略)，说明此段时间清镇市附近受地面辐合系统及冷空气共同影响对流云发展旺盛，由对流降水引发了短时强降雨、雷暴大风、强冰雹等剧烈天气。

从以上分析可知，当冷空气进入地面扇形辐合区，在遵义市和清镇市附近均加强了对流抬升，遵义市附近由于水汽辐合相对较弱，只出现了雷暴大风和短时强降雨，清镇市附近由于有强的水汽辐合参与，产生了雷暴大风、大冰雹、短时强降雨等更为强烈的对流天气，而大方县附近对流发生在冷空气影响之前，且位于地面辐合区的边缘，动力抬升作用较遵义市和清镇市附近弱，水汽辐合也比遵义市和清镇市附近弱且浅薄，因此只出现了冰雹和弱降雨。由此可见，对流降雨云团自贵州西部向东移动，在地面扇形区域的辐合带内对流云团显著发展，产生雷暴大风、冰雹以及短时强降雨。冷空气进入贵州以后加强了地面扇形区域辐合带内的动力抬升作用，产生了更为剧烈的雷暴大风及冰雹天气。

图5 a：7日20时地面流场，b：8日02时地面流场，c：8日02时850 hPa θse(单位：K)，d：8日08时850 hPa θse(单位：K)Fig.5 a: Surface flow at 20∶00 7th, b: Surface flow at 02∶00 8th,c: 850 hPa θse at 02∶00 8th, d: 850 hPa θse at 08∶00 8th

图6 左：水汽通量散度(阴影，单位10-4 kg/(m2·s·Pa))和假相当位温(等值线，单位K)叠加 右：垂直速度图(等值线，单位Pa/s)( a、b: 遵义市附近、c，d: 大方县附近、e，f:清镇市附近)Fig.6 Left: The vapor flux divergence (shaded, unit: 10-4 kg/(m2·s·Pa)) and pseudo-equivalent potential temperature (contour, unit:K)Right: The vertical velocity (contour, unit: Pa/s)(a,b: Around the city of ZunYi, c,d: Around the town of DaFang, e,f: Around the city of QingZhen)

5 水汽输送

5月7日夜间在贵州不仅产生了雷电、冰雹、大风等剧烈的对流天气，同时出现了大范围的暴雨天气。从产生暴雨所需的水汽的输送来看，850 hPa从北部湾向北输送到贵州的水汽和700 hPa从青藏高原南侧自阿拉伯海向东输送到贵州的水汽，这两支水汽给暴雨的产生提供了所需的水汽来源。

6日20时随着南风增强，850 hPa出现一支从北部湾向北的偏南气流，正是这支气流将水汽从北部湾向北输送(图略)，7日20时水汽输送明显加强，贵州处于水汽通量大值区(图7a)，贵州北部和西部开始出现水汽辐合，此后850 hPa的水汽辐合在贵州大部维持(图7b)，8日08时随着冷空气南压，截断水汽输送通道，从北部湾向北输送的水汽向东输送到江南地区，贵州暴雨天气完全结束。

700 hPa图上，青藏高原南侧在暴雨天气产生前就已经存在一支偏西风将阿拉伯海的水汽向东输送，这支水汽输送带在102°E附近折向东北，将水汽输送到了贵州境内(图7c、7d)，贵州一直处于水汽通量大值区，且一直有水汽辐合存在，7日20时以后水汽输送开始增强，贵州境内水汽辐合达到4×10-4kg/(m2·s·Pa)，8日02时水汽辐合增强到6×10-4kg/(m2·s·Pa)，该水汽输送一直持续到8日08时(图略)冷空气影响将该层水汽输送向南推到华南地区。

图7 水汽通量及水汽通量散度(阴影为水汽通量散度,单位10-4 kg/(m2·s·Pa)，矢量单位kg/(m·s·Pa)) a：7日20时850 hPa、b：8日02时850 hPa、c：7日20时700 hPa、 d：8日02时700 hPaFig.7 The vapor flux and The vapor flux divergence (shaded for vapor flux divergence, unit: 10-4 kg/(m2·s·Pa),vector unit is kg/(m·s·Pa))a: 850 hPa at 20∶00 7th, b: 850 hPa at 02∶00 8th, c: 700 hPa at 20∶00 7th, d: 700 hPa at 02∶00 8th

6 小结

①这次强对流天气主要由中α尺度对流云团产生，在对流云团TBB(云顶亮温)低于-52 ℃的梯度大侧区域是对应地面强对流产生区。云顶亮温低于-56 ℃的区域对应地面出现成片30 mm/h的降雨，以及大于50 mm/h的强降雨、雷暴大风、冰雹等剧烈的对流天气。当中β尺度对流云团快速发展时，云顶亮温低于-40 ℃的区域对应地面也出现了大于50 mm/h的强降雨。

②这次强对流天气发生时地面有明显的辐合区维持，在辐合区内强对流天明显加强。北方南下冷空气进入地面辐合区加强了动力抬升，使得强对流天气更加剧烈，地面出现了雷暴大风、大冰雹和短时强降雨。

③这次由强对流形成的暴雨，水汽主要来自北部湾和阿拉伯海，持续的水汽输送保证了产生暴雨所需的水汽。

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Mesoscale characteristics and transfer of water vapor of severe convective weather on May 7th2015

WAN Xueli，ZHU Wenda，ZENG Liping，ZHOU Mingfei

(Guizhou Provincial Meteorological Observatory, Guiyang 550002, China)

With observed data and NCEP/NCAR reanalysis data, it is investigated that the mesoscale characteristics and transfer of water vapor of severe convective weather occurred in wide areas of Guizhou on May 7th, 2015. It shows that the severe convective weather arising from the profitable large scale circulation situation generates a plurality of convective clouds. The convective is developed by mesoscale convergence at surface and enhanced by the incursion of cold air. The heavy rain occurred by the transfer of water vapor from the North bay and Arabia sea.

severe convective; mesoscale characteristics; transfer of water vapor

1003-6598(2016)06-0013-07

2016-04-18

万雪丽(1967—)，女，副高，主要从事天气预报业务及研究工作，E-mail:582617620@qq.com。

国家自然科学基金(41265005)和公益性行业科研专项(GYHY201506006)资助。

P458.1+21.1

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