习水河流域两次局地特大暴雨成因对比分析

肖 蕾，郭晓超，万雪丽，邹承立

(1.贵州省遵义市气象局，贵州 遵义 563002；2.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

习水河流域两次局地特大暴雨成因对比分析

肖 蕾1，郭晓超1，万雪丽2，邹承立1

(1.贵州省遵义市气象局，贵州 遵义 563002；2.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及雷达、卫星等资料，对2013年6月21日和2014年8月11日遵义市习水河流域两次局地特大暴雨的天气形势场，热力、动力和水汽条件，结合地形特征进行对比分析。结果表明：①6.21暴雨大陆高压控制我国中东部地区，受高压阻挡，低层低涡切变主要影响四川中东部，低涡未整体东移，仅850 hPa冷式切变影响遵义西北部；8.11暴雨降水区中低层处于槽前正涡度区，高层200 hPa处于南亚高压脊线附近，垂直方向上存在正向环流圈，受副高稳定维持阻挡，中低层低涡切变及地面辐合线东移缓慢，较长时间停留在强降水区域。②两次过程雷达回波反射率因子均呈带状分布，且回波移动方向与带状回波长轴一致，具有典型的“列车效应”，剖面显示均为低质心结构，降水效率高。③6.21暴雨能量条件比8.11暴雨好，但水汽条件和动力条件不及8.11暴雨。④受习水河谷地形影响，6.21暴雨和8.11暴雨强降雨落区分别与习水河谷赤水段和习水段走向一致。

特大暴雨；低涡；低空急流；列车效应；地形影响

1 引言

暴雨量级以上的强降水是诱发山洪、滑坡、泥石流等地质灾害的主要原因。近年来，习水河流域强降水呈现多发趋势，且具有突发性强、强度大、雨量分布极其不均匀的显著特征，加上特殊的地形地貌特征，近年来因暴雨引发的山洪、滑坡、泥石流等地质灾害危害严重，造成巨大的人员伤亡和财产损失[1]。许多学者对两次或多次暴雨过程的环流形势、物理量场，雷达回波和卫星云图特征开展对比分析[2-7]，研究广泛而深入，成果丰富，为强降水预报提供技术支撑；也有许多学者对暴雨与地形的相关关系做了研究[8-9]，表明山区及河谷地形对强降水有明显增幅作用，使降水效率更高，雨强更大。吴翠红等[10]利用湖北省加密自动站资料、常规观测资料等，分析了2012年6月29日、7月4日湖北省两次大暴雨过程中峡谷地形的增幅机制特征对比，表明受峡谷地特殊地形影响，冷暖空气相互对峙并配合峡谷地形的阻挡作用，迫使近地层水平流场、垂直流场发生改变，同时流入峡谷的地面气流与复杂地形相互作用，在峡谷内产生局地气旋性小环流或气流汇合区，地形性涡旋的生成对降水增幅起到关键作用；于小鼎等多位学者[10-11]对北京“7.21”特大暴雨开展研究，认为低质心的高效降水以及明显的列车效应是北京极端降水的重要原因。习水位于贵州北部，地处大娄山山系西北坡与四川盆地南缘的过渡地带，东连贵州桐梓县、重庆綦江区，西接贵州赤水市，南近贵州仁怀市、四川古蔺县，贵州北部习水地区为喀斯特地貌，海拔高差大，其独特的地形地貌抗御自然灾害的能力弱，一旦发生极端降雨，极易形成山洪、滑坡、泥石流等地质灾害及次生灾害。因此，对山区局地暴雨的继续深入研究很有必要。本文针对贵州北部习水河流域2013年6月20—21日(以下简称“6.21暴雨”)和2014年8月10—11日(以下简称“8.11暴雨”)两次特大暴雨过程进行对比分析，分析暴雨的成因和机理，寻找该区域极端降水的预报着眼点，为今后暴雨预报提供可参考的依据。

2 暴雨实况和环流特征

2.1 暴雨实况

2013年6月20日20时—21日05时，贵州省遵义市习水、赤水出现强雷雨天气，其中降水量超过50 mm以上的雨量站17个，最大为习水长嵌村206.4 mm，暴雨以上区域主要集中在习水县境内，强降雨雨带东起习水县隆兴镇，西止赤水长期镇，沿习水河赤水段呈东南—西北向分布。强降雨时间主要集中在20日22时至21日03时，持续5 h。

2014年8月10日20时—11日08时，遵义市习水县出现极端强降雨，有2个乡镇降水量达到特大暴雨量级，6个乡镇达到大暴雨量级，17个乡镇达到暴雨量级，过程最大降雨量333.2 mm，突破有气象记录以来该地的历史极值，强降雨主要集中在习水河两侧，沿习水河谷呈西南—东北向带状分布。强降水时段主要集中在10日22时至11日04时，持续7 h。

两次过程均出现在夜间至凌晨，8.11暴雨降雨特点呈现历时短、强度大、雨量分布极不均匀，造成灾害重。强降雨持续时间仅为7 h，最大小时雨强81.2 mm出现在21日02—03时大坡乡，且大坡乡持续4 h雨量超过20 mm，连续2 h雨强超过60 mm。强降雨区域主要集中在习水河流域，习水县东部乡镇仅为中雨量级，由于河道上游及两侧山坡降雨量大量汇集于习水河内，导致河水猛涨，使得河流下游的洪涝灾害重。

2.2 环流特征

6.21暴雨期间，500 hPa中高纬为“两槽一脊”，高压脊位于贝加尔湖，贝湖西侧80°E附近，38～70°N之间为深厚低槽(简称“巴湖低槽”)，在我国新疆地区形成闭合572 dagpm线环流，高压脊东侧低槽位于鄂霍次克海到我国东北地区(图1a)。巴湖低槽是本次特大暴雨过程的重要引导系统，其分裂小槽南下到高原东侧，与孟加拉湾低值系统在云南东部形成的低压倒槽打通，云南东部到贵州西部处于槽前正涡度区，有利于该区域上升运动的发展，而贵州东部则受我国中东部地区大陆高压后部的偏东南气流控制。巴湖低槽分裂小槽引导低层低涡切变发展，而低层850 hPa长江流域处在大陆高压底部吹偏东风，与南海来的东南气流在四川中东部形成辐合，随着地面强冷空气南下，在川渝北部地区形成东西走向冷锋，导致低涡的形成和发展，由于我国中东部受强大的大陆高压控制，加之后期副热带高压的西伸增强与大陆高压打通形成强大高压系统，整个过程低涡并未移出四川，仅仅是低层850 hPa的冷式切变影响遵义西北部赤水、习水。

8.11暴雨500 hPa上(图1b)亚欧中高纬为“多波动型”，中西伯利亚冷涡分裂低槽南下影响我国，位于河套以西至川南一线的低槽是500 hPa影响贵州的主要系统，贵州省受槽前西南气流控制。槽前正涡度平流使得低层低涡的发展，在重庆西部形成低涡缓慢东移，同时在强降雨期间副高588 dagpm线稳定维持在华南到江南东部，导致低涡东移缓慢，低涡冷式切变线在遵义市西部习水境内停留时间较长。200 hPa贵州北部处于南亚高压脊线附近强辐散区，高层辐散抽吸作用有利于对流上升运动的加强。地面资料显示，在8月10日23时到11日05时，贵州省西部到重庆南部辐合线一直维持，呈东北—西南走向，长时间停留在习水河流域。

(a) (b) 图1 2013年6月20日20 时(a) 和2014年8月11日20 时(b) 500 hPa高度场 (实线，单位: dagpm)、 温度场分布(虚线，单位: ℃)和风场(风向杆，单位：m/s)Fig.1 The distribution of 500 hPa height (solid line, unit: dagpm), the temperature field distribution (dashed line, unit:℃) and wind (wind rod, unit: m/s) at 20∶00,June 20,2013(a) and at 20∶00,August11, 2014 (b)

3 物理量诊断分析

3.1 水汽条件

3.1.1 水汽含量 由于遵义本地无探空站，因此选取了周边宜宾、重庆沙坪坝、威宁、贵阳4个探空站资料，而威宁海拔高于850 hPa高度，故850 hPa无威宁测站的资料。统计发现(见表1)两次暴雨过程整层水汽含量都较高，达到遵义地区暴雨指标。暴雨发生期间，8.11比6.21比湿高，特别是暴雨区水汽输送通道上游的威宁、贵阳表现明显，8.11本地水汽条件更有利于出现较大雨量，这一点从两次过程最大雨量可以得到证实，6.21最大雨量为206.4 mm，而8.11最大雨量达到333.2 mm。

表1 2013年6月21日与2014年8月11日两次过程 500、700、850 hPa比湿对比(单位：g/kg)

3.1.2 水汽输送 Micaps实况资料850、700、500 hPa资料显示，两次过程均没有高低空急流存在，但从雷达速度廓线图得知，6.21暴雨在20日20时18分至21日03时20分之间1.6 km及以下存在超过12 m/s的东南风低空急流(图2a)，最大风速达到18 m/s。雷达速度廓线图同样显示，8.11暴雨在10日21时00分至11日02时38分，存在低空急流(图2b)，从径向速度图显示该时间段存在低空急流。从水汽通量和水汽通量散度，6.21暴雨强降雨区处于水汽通量大值中心右前侧顶端，水汽通量辐合中心位置偏西偏南(图2c)；8.11暴雨强降雨区域处于水汽通量中心左前侧顶端，水汽通量散度在黔桂交界有辐合中心，强降雨区域处于水汽通量等值线密集区(图2d)。

图2 6月21日01时13分(b)和8月10日23时11分(b)风廓线(单位：m/s)；6月20日20时和8月11日02时850 hPa 水汽通量(点线，单位：10-7g·cm-1·hPa-1·s-1)(c)和水汽通量散度(实线，单位：10-7g·hPa-1·cm-2·s-1)(d)Fig.2 June 21st 01∶13 (b) and August 10 th 23∶11 (b) wind profile (unit:m/s); June 20 th 20 and August 11th 02 850 hPa water vapor flux (line, unit:10-7.g/(cm*hPa*s)) (c) and water vapor flux divergence (solid line,unit:10-7.g/ (hPa*cm2*s)) (d)

3.2 动力因子分析

从6月20日20时850 hPa及以上高空图可见(图略)川东南至遵义市西北部存在正涡度中心，越往上层上升运动特征越不明显，说明低层有弱的上升运动。

而8.11暴雨中心良村镇(106.3°E、28.5°N)涡度垂直时间剖面(图3a)上可见，在11日02时强降雨发生时低层存在正涡度中心，对应400 hPa以上为负涡度，强上升运动到达300 hPa附近。10日20时垂直速度垂直空间剖面图(图3b)可见，贵州西北部从低层到400 hPa均为强的上升运动区，上升运动区到达200 hPa附近，垂直上升运动高度高，说明对流发展旺盛。这与实况贵州北部处于200 hPa南亚高压脊线附近强辐散区相对应。

3.3 热力和不稳定条件分析

6.21暴雨发生前的20日20时，贵州北部至陕甘南部为高能舌，贵州北部850 hPa能量值达到85 ℃。850 hPa与500 hPa假相当位温差值达到16～20 ℃，700 hPa与500 hPa假相当位温差值达到12～16 ℃(图3c)，说明有较高的不稳定能量存在。

8.11暴雨发生前的10日20时850 hPa假相当位温场(图3d)得知，高能舌从云南向贵州延伸至重庆，遵义全市θse处在80 ℃以上的高能区内，700 hPa和500 hPa均处在以青藏高原地区高能中心的大范围高能区，贵州北部θse在72～80 ℃之间，850 hPa与500 hPa假相当位温差值达到10～12 ℃，700 hPa与500 hPa假相当位温差值达到10～12 ℃，有一定的不稳定能量存在，高温高湿有利于暴雨的形成和发展。就不稳定能量而言，6.21暴雨条件好于8.11暴雨。

4 雷达回波特征

6.21暴雨，20日23时00分，习水附近有回波单体生成，不断发展加强向西北方向移动，21日00时33分，回波单体后向又新生单体与之合并加强同时向西北方向移动经过强降雨区域长嵌等地。速度图20日21时09分至21日01时08分东南风速超过12 m/s，风随高度顺转，有暖平流，之后随着冷锋靠近，边界层冷平流入侵转为风随高度逆转，有冷平流。

8.11暴雨，8月10日20时习水县良村镇出现风暴单体，回波向东北方向移动，随后，在地面辐合线附近回波单体后方陆续有新生单体产生并向东北移动合并，21时29分，习水河流域已发展为结构紧密的带状回波。从10日21时57分到11日03时40分，良村镇出现持续性的40～50 dBz的强回波区，在此期间，良村镇出现了持续6 h短时强降水，其中有3 h雨强超过60 mm/h，且有2 h是连续出现的。可见良村镇的雨强强、持续时间长、累计雨量大，以至于致灾重。

图3 良村镇附近涡度垂直时间剖面(单位：l/s)(b),10日20时良村镇附近垂直速度空间剖面图(单位：hPa/s)(c); 6月20日20时和8月10日20时500 hPa与700 hPa(点线)和与850 hPa(实线)的假相当位温差(单位：℃)(d)Fig.3 The vorticity vertical time section near Liangcun Town (unit: l/s) (a), the vertical velocity space profile at August 10 th 20∶00 near Liangcun Town (unit: hPa/s) (b); the difference of potential pseudo-equivalent temperature between 500 hPa and 700 hPa (dot line)， between 500 hPa and 850 hPa (solid line) (unit:℃) at June 20 th 20∶00 (c)and August 10 th 20∶00 (d)

6.21暴雨与8.11暴雨强降雨区域雷达反射率因子均呈带状分布(图4a、5b)，且回波移动方向与带状回波长轴一致，具有典型的“列车效应”。俞小鼎等[12]指出，当飑线的移动速度矢量基本平行于其走向时，飑线中的强降水单体依次经过同一地点，即所谓的列车效应，产生大的累积雨量。两次特大暴雨过程从最大降雨区附近剖面显示，强回波中心集中在当时估算的0 ℃层以下，质心较低(图4c、4d)，研究表明，低质心结构降水效率较高[11-12]，降水系统中的暖云层越厚，越有利于高降水效率的产生[13]。从图4a、4b对照来看，6.21暴雨，表现出回波单体之间紧密度较为松散，对流发展高度在8 km以下，8.11暴雨，回波单体之间结构紧密，强回波中心质心较低，暖云层厚，回波顶高达到10 km以上，对流发展旺盛。这也是6.21暴雨不及8.11暴雨强度大的重要原因之一。

5 卫星云图

6.21暴雨整个过程贵州境内没有单独的云团发展(图5a)，而是四川地区发展起来的对流云团右边缘影响所致，强降雨出现在对流云团右边缘梯度较大的区域。从云顶亮温看，整个过程TBB在-30 ℃以上，说明贵州境内对流发展高度不高，对比分析发现，强降雨区域出现在TBB等值线密集的地区，这与安昕等[14]的研究结果一致。从水汽图像上得知，川南到滇北为大片白亮区域，20日21时开始遵义西部赤水西部边缘开始逐渐白亮增湿，之后有所东扩至习水西北部，维持到21日03时30分水汽图变暗，说明随着西北方向干冷平流的入侵，区域上空水汽含量开始变小，这与该地区强降雨时间吻合。

8.11暴雨从10日16时15分贵州省西北部毕节地区开始有中尺度对流云团A发展(图5b)，并不断向东北方向扩展增强。22时在云团A的东北方向的习水有新的云团B生成，之后A、B不断发展壮大，到23时15分B云团覆盖了习水县大部地区，沿习水河习水境内段呈西南东北向椭圆状。11日01时A、B云团连接，B云团不断壮大，03时B云团从椭圆状逐渐转向圆形,之后边缘开始模糊，对流发展开始减弱，此时雨势也逐渐减弱，到06时30分对流云团迅速减弱，直至10时15分消失。从云顶亮温TBB看，在00时15分云团中心亮温达到-58 ℃，此时正是强降雨中心雨强很大的时段，良村镇雨强达到70 mm/h，强降雨时间内，习水大部亮温在-58～-30 ℃之间，说明云较顶高,对流旺盛，直到07时15分亮温低值中心东移出习水，强降雨趋于结束。分析发现，强降雨区域未出现在亮温低值中心而是在TBB等值线梯度大值区。

图4 6月 21日01时08分长嵌村附近雷达组合反射率(a)、8月10日23时32分雷达组合反射率(b)、6月21日01时08 分长嵌村雷达垂直剖面图(c)和8月10日22时55分良村镇雷达垂直剖面图(d)(箭头为回波移动方向)Fig.4 The radar reflectivity near Changqian village at June 21st 01∶08 (a), The radar reflectivity at August 10th 23∶32 (b), The radar vertical profile near Changqian village at June 21st 01∶08 (c) The radar vertical profile near Liangcun Town at August 10th 22∶55 (d) (arrows echo direction)

图5 6月21日20时30分(a)和8月11日00时45分红外云图(b); 6月21日02时(c)和 8月11日00时15相当黑体亮温TBB分布(d)(单位：℉)Fig.5 The infrared cloud image at June 21st 20∶30 (a) and August 11th 0∶45 (b); The distribution of equivalent blackbody temperature TBB at June 21st 2∶00 (c) and August 11th 0∶15 (d) (unit: ℃)

6 地形的作用

习水县处于大娄山山系西北坡与四川盆地南缘的过渡地带，境内属中山峡谷地貌，地势东高西低，习水河由习水段(西南—东北走向)和赤水段(东南—西北走向)组成(图6)，流域处于V型河谷地带。6.21暴雨强降雨雨带东起习水县隆兴镇，沿习水河谷(赤水段)呈东南—西北向分布，到赤水长期镇结束(见图6空心正方形区域)。8.11暴雨雨带沿习水河谷(习水段)呈西南—东北向带状分布，大暴雨雨带分布跟河谷走向较为一致(图6空心椭圆区域)。大量学者[11-16]针对河谷地形对暴雨的作用开展研究指出，河谷地形使水汽和能量聚集、地形抬升加强扰动，使降水效率更高、雨强更大。6.21暴雨，高层高压后部东南气流引导低层吹东南风，雷达资料显示回波单体为东南—西北向移动，与习水河(赤水段)走向一致；而8.11则是500 hPa槽前西南气流引导低层吹西南风，以至于回波移动方向呈现准西南—东北方向移动，风暴移动方向正好与习水河(习水段)河谷走向一致，习水河赤水段河谷相比习水段平坦得多(图6)，河谷地形对降水增幅作用8.11暴雨比6.21暴雨更为有利，这也是8.11暴雨比6.21暴雨强度大的重要原因之一。

图6 遵义市地形图(空心椭圆为8.11暴雨过程的大暴雨落区、空心长方形为6.21暴雨暴雨落区、 空心椭圆与正方形重合地区为6.21暴雨过程大暴雨落区)Fig.6 The Zunyi topographic map (Hollow ellipse: the heavy rain falling area of 8.11 heavy rain process; hollow rectangle: the rainstorm area of 6.21 heavy rain process; hollow oval and square overlap area: heavy rain falling area of 6.21 heavy rain process)

7 结论与讨论

综合以上分析，两次过程在系统影响、雷达回波、地形因素等方面有一定相似性，也存在显著差异。

相似性：①均受高空槽、低空切变线和地面冷空气共同影响，系统移动过程中均受到东侧高压的阻挡；②强降雨期间都有低空急流的存在；③雷达回波均呈带状分布，有“列车效应”，剖面显示都为高降水效率的低质心结构；④卫星TBB资料显示强降雨均出现在亮温梯度大值区；⑤都不同程度受到习水河谷地形影响。

差异性：①6.21暴雨是在大陆高压强大及副高西伸增强背景之下，500 hPa巴湖低涡分裂低槽引导低层强冷空气南下，低层低涡切变在川东地区形成与维持所致；8.11暴雨副高稳定维持在华南沿海，高空低槽引导地面弱冷空气南下及低层低涡切变形成和发展东移影响，低层低涡切变及地面中尺度辐合线移动缓慢，在强降雨区较长时间停留。②6.21 暴雨我国长江中下游地区整层为高压控制，降水区处于高压后部东南气流区，对流伸展高度不高；8.11 暴雨500 hPa处于槽前正涡度区，高层处于200 hPa南亚高压脊线附近，垂直方向上存在正向环流圈，对流发展旺盛。③物理量条件分析，水汽条件和动力条件8.11暴雨均优于6.21暴雨，仅能量条件6.21暴雨高于8.11暴雨。④卫星云图显示，6.21暴雨TBB在-30 ℃以上，8.11暴雨TBB在-58～-30 ℃之间。⑤6.21暴雨回波移动为东南—西北向，8.11暴雨回波移动方向为西南—东北向，风暴移动方向正好分别与习水河谷赤水段和习水段V型河谷走向一致，河谷地形对降水增幅作用6.21暴雨不及8.11暴雨有利。

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Comparative analysis of the cause of two local extraheavy rainstorms in Xishui River Basin

XIAO Lei1,GUO Xiaochao1，WAN Xueli2，ZOU Chengli1

(1. Zunyi Meteorological Bureau of Guizhou Province，Zunyi 563002,China;2. Guizhou Meteorological Observatory，Guiyang 550002, China)

Based on conventional observation data, NCEP/NCAR reanalysis data , satellite imagery and radar data, comparative analysis on the weather situation, the heat, power and water vapor conditions for the two local extraordinary storm in Zunyi Xishui River Basin during June 21, 2013 and August 11, 2014 was done, combining with terrain features . The results show that: 1) 6.21, high pressure control in eastern China, stopped by high pressure, low vortex shear layer mainly affects the Middle East Sichuan, the whole vortex did not discernibly move eastward, only the 850hPa cold shear effect in northwestern Zunyi; 8.11, rainstorm precipitation area was located next to Trough the positive vorticity area in low-middle layer, high 200hPa in the vicinity of South Asia high ridge. There is a positive circulation on the vertical direction by the subtropical high, maintain stable block, low vortex shear and surface convergence line eastward slowly, stay a long time in the strong rainfall area. 2) the 6.21rainstorm energy condition is better than that of the 8.11 rainstorm, but the water vapor condition and the dynamic condition are less than the rainstorm of 8.11. 3) by the Xishui river valley topography, 6.21 rain and 8.11 heavy rain Rainfall zone were consistent respectively with Chishui section and Xishui section direction of Xishui valley.

extra heavy rainstorm; low vortex; low level jet; train effect; orographic influences

1003-6598(2017)01-0045-08

2016-10-13

肖蕾(1985—)，女，工程师，主要从事中短期天气预报研究工作,E-mali:414919975@qq.com。

黔气科合KF[2015]03号；遵气科合KF[2016]04号；遵气科合KF[2016]01号；2015年贵州省气象局创新团队项目。

P458.1+21.1

B