2017年7月广西柳州一次特大暴雨过程成因分析

蓝柳茹 刘蕾 李亚琴 苏小玲

摘要  利用常规观测资料、区域自动站资料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料和雷达资料，对柳州2017年7月1—2日的特大暴雨过程进行诊断分析。结果表明，此次强降雨发生在西太平洋副热带高压和南亚高压稳定维持的环流背景下，由高空槽、低涡切变、中低空急流和地面冷空气共同影响产生。前期降水主要在柳州北部，为暖区暴雨，降水“列车”效应和地形抬升作用显著;后期降水强度更强，主要在柳州南部，为锋面降水，对流性降水明显。低空急流尤其是超低空急流为暴雨提供了充足的水汽。在南压高压东侧的强烈“抽吸”作用下水汽上升运动强烈发展，为暴雨提供了有利的动力條件。暴雨发生前不稳定能量累积和中层干冷空气侵入造成的深厚不稳定层结触发了明显的短时强降水。

关键词 高空槽;低涡切变;超低空急流;干冷空气;深厚的不稳定层结

中图分类号：P458.121.1 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）01-045-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.01.018

The Cause Analysis of an Extremely Heavy Rain storm in Liuzhou， Guan gxi Zhuang Autonomous Region in July 2017

LAN Liu-ru  et al（Liuzhou Meteorological Bureau， Liuzhou， Guangxi 545001）

Abstract Based on conventional meteorological data， regional automatic station data， NCEP/NCAR FNL 1°×1° reanalysis data and Doppler radar data， diagnostic analysis of the server heavy rainfall occurred in Liuzhou during 1-2 July 2017 was discussed. The results showed that the heavy rainfall occurred under the circulation background that Western Pacific Subtropical high and South Asia high remained stable. The upper trough， vortex shear line， the jet at the middle lower level and surface cold air gave rise to the excessive rainfall. The prior period rain was warm sector rainfall， locating primarily in the north of Liuzhou， the remarkable rain “train” effect and topographic lifting played an important part in it. The later period rainfall was frontal precipitation， mainly situating in the south of Liuzhou， which was more fierce than the former. Convective precipitation was evident in later period. The low level jet produced plentiful vapor for the formation and continuation of rain gush， especially the supply of the ultra low level jet. Severe ascending air developed strongly under the influence of the “pumping” action in the east of South Asia high， which offered favorable dynamic conditions for the heavy rainfall. The accumulation of atmosphere instability energy before the storm and the deep instability stratification caused by the invasion of the dry cold air triggered obvious short time strong rainfall.

Key words   Upper trough; Vortex shear line; Ultra？鄄low？鄄level jet; Dry cold air;Deep instability stratification

暴雨是我国主要自然灾害之一，常引发洪水泛滥、滑坡、泥石流等次生灾害。柳州市处于华南，位于广西中部偏东北，夏季受东南、西南季风和南海季风的影响，是广西暴雨多发区。柳州地势北高南低，以山地和丘陵地貌为主，北部为云贵高原东南缘，西北部地处九万大山山脉，这使得来自南部的暖湿气流进入柳州后，受北部山脉阻挡而聚集，易产生对流天气，并引发洪涝灾害[1-2]。

华南暴雨的研究备受学者关注，目前已有不少研究成果[3-9]。司东等[10]认为2005年6月华南强降水和印度季风区降水的共同作用使得副高加强西伸。李博等[11]的地形试验表明，华南地区数百米的山地可影响到对流层中上层环流变化，通过改变局地地形，在特定区域将造成近地层辐合与上升运动的增强。覃卫坚等[12]指出由桂林市、柳州市北部组成的区域是广西高的暴雨同时发生区域，该区域同一天发生暴雨的频率达到40%以上。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第 5 次评估报告[13]指出，自19世纪中期有观测记录以来，全球年平均气温上升了0.8℃左右。但有研究发现全球年平均表面温度上升趋势自1998年以来显示出停滞状态，即变暖趋缓（hiatus）现象[14]，引起了国际社会的广泛关注。近年来，气候的自然变化和人类活动造成极端天气气候异常事件增多，伍红雨等[15]指出1961—2008年华南平均年和前汛期的暴雨强度有微弱增加趋势，特别是2005年以来升幅明显。因此在当前新的气候背景下有必要加深对柳州暴雨过程的研究。

2017年7月1—2日的柳州特大暴雨过程使全城多处被淹、江河水位上涨超警，严重影响了人民生活和经济发展。笔者利用Micaps常规观测资料、区域自动站资料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料，对该过程的环流背景、动力、热力等方面进行诊断分析，以期揭示此次暴雨过程的成因机制。

1 降水概况

2017年7月1—2日，柳州市出现了一次大范围强降水。6月30日20：00至7月2日20：00，柳州市范围内158个自动站中，过程累计降水大于100 mm的站点49个，大于250 mm的站点1个，出现在鹿寨县中渡镇（275.8 mm），最大雨强106.4 mm（2日10：00）也位于该镇（图1）。从雨量分布来看，东部降水多于西部。

该过程的主要特点为降水强度猛、影响范围广、持续时间长。强降水时段分为两段：前段为6月30日20：00至7月1日20：00，低层切变线从30日20：00左右进入黔贵交界并在此徘徊，强降水主要集中在北部的三江、融安和融水（图2a），其中大暴雨13站、暴雨20站，最大累积雨量位于三江丹州镇牛浪坡林场（223 mm），最大雨强为59.9 mm，出现在融安县的大浪镇（1日04：00）;后段为7月1日20：00至7月2日20：00，北面切变线引导雨带从2日00：00左右南下进入柳州南部，并向偏东南方向移动，降水强度在柳城、鹿寨、柳州、柳江明显增强（图2b），特大暴雨1站，大暴雨28站、暴雨60站，最大累计降雨量为263.6 mm，最大雨強为106.4 mm（2日10：00），均出现在鹿寨中渡镇。

2 大气环流形势分析

6月30日20：00（图3a），200 hPa在陕西东南部—贵州中部有一深槽，500 hPa有一低槽处于湖南西部至黔桂交界处，槽前有1～2 gpm的负变高，槽后为正变高，意味该槽在未来东移，柳州位于槽前正涡度平流中，有利于上升运动发展。850 hPa在重庆有一低涡，伴有冷式切变位于贵州东部至百色一带，地面辐合线位于黔桂交界处，切变线南侧偏南气流将南海水汽源源不断地向北输送，850～700 hPa低空急流在广西东北部建立，低空急流的脉动是对流云发展的动力条件之一。柳州北部正位于高空槽前、低层切变线右侧、低空急流左侧、地面辐合线附近与低层湿舌左前方重叠的区域，降水十分有利。

7月1日08：00（图3b），200 hPa深槽东移至湖北西部—贵州中东部， 500 hPa槽东移至湖北东部—桂林—柳州中部，850 hPa切变线仍未明显南压，500 hPa槽相对于低层切变线前倾，表明850～500 hPa大气不稳定。地面辐合线已南压至融安、融水南部。西南急流强度明显增大，最大风速中心在桂林站，700 hPa达20 m/s，850 hPa达24 m/s，范围向东南伸展到广西中东部，同时500 hPa中空急流和925 hPa超低空西南急流出现，超低空急流是暴雨所需水汽的最大提供者，对暴雨起着决定性作用。从6月30日20：00至7月1日08：00看，高低层的影响系统均在柳州北部上空，与其最强降水时段相对应，且是在低层南风中的暖区降水。

7月1日20：00（图3c），200 hPa高空槽底向东南伸展，低层切变线仍在黔桂交界，但500 hPa高空槽东移出柳州，中空和低空急流强度明显减弱，范围收缩到广西东南部，超低空急流消失，因此1日白天至夜间降水强度有所减弱，处于间歇期。

7月2日08：00（图4a），200 hPa高空槽底略东移至桂林西北部—河池东部，500 hPa又有一低槽在广西西北部建立，两槽位置接近，说明槽深厚，柳州再次处于槽前负涡度平流中，高层辐散加强。850 hPa切变线南压至桂林南部—柳州中南部—崇左，地面辐合线南移至柳州南部—防城港，两系统在柳州中南部叠加，强烈的辐合触发暖湿气流抬升。低空急流继续维持，中空急流和超低空急流再次出现，水汽供应愈加充沛。可见自2日08：00起，柳州南部由于影响系统的南压逼近，低空急流增强，降水开始逐渐增强，而北部逐渐减弱。2日20：00（图4b），高空槽已东移到广西东南部，850 hPa切变线和地面辐合线已南压出柳州，急流减弱东移，柳州高低层受偏北气流控制，降水基本结束。

综上，此次暴雨是由东移加深的高原槽引导低涡切变线和地面弱冷空气，配合中低空急流导致的。西太平洋副热带高压在华南沿海的稳定维持（图5a）导致高空槽和切变线移动缓慢，降水时间较长。200 hPa柳州处于南亚高压东部分流区以及急流入口处右后方（图5b），高层辐散抽吸利于垂直运动发展。与前期环流对比，后期高空槽更深厚，低层切变线和地面辐合线均叠加在柳州中南部，高低层系统整体配置更好，因此其降水强度比前段北部降水更剧烈。

3 物理量诊断分析

3.1 水汽条件

充足的水汽是形成暴雨的必要条件。850 hPa广西大部比湿达14 g/kg以上（图6a），700 hPa比湿（图6b）大部达9 g/kg以上，湿舌呈西南—东北向，尤其是柳州南部处于高值中心附近，表明在降水过程中水汽充沛。另外，6月30日20：00桂林和7月2日08：00梧州T？鄄logp图（图7）显示桂东北上空湿层深厚，T-Td≤4℃的湿层可伸展到400 hPa以上。

水汽通量散度表示水汽集中程度。如图8所示，6月30日20：00桂北开始处于水汽辐合区，有分散的短时强降水出现，水汽通量散度大值区位于切变线附近，即黔桂交界处。7月1日02：00—08：00，虽低层切变线稳定少动，但其南侧西南风中有明显风速辐合，水汽通量辐合大值区仍在桂北，但水汽辐合中心缓慢东移至三江附近且停滞，强度明显增强，中心值达-12×10-8 g/（cm2·hPa·s），此阶段柳州北部降水强度达到最大，最大小时雨强在融水大浪镇（59.9 mm）。之后随着水汽辐合大值区南移减小，柳州北部降水趋于减弱。

在后段南部降水中，随着切变线南压，水汽通量辐合大值区在7月1日20：00已南移鹿寨—柳州—来宾一带，随后停滞并逐渐增大，在2日08：00达到最大，为-9×10-8 g/（cm2·hPa·s），2日14：00之后，水汽通量辐合中心已南移至广西中南部，强度明显减弱。2日08：00—14：00，柳州南部降水强度达到最大，多站达50 mm以上，最大出现在鹿寨中渡镇（6 h累计雨量为189.5 mm）。可见925 hPa的水汽通量及其散度的演变与此次暴雨过程有很好的对应关系，此外，从水汽通量看，水汽源地有2个，分别在孟加拉湾和南海，以南海为主，水汽通量大值区位于广西中东部，在一定程度上也促使柳州东部降水强于西部。

3.2 动力条件

暴雨的产生还需要强的上升运动。图9是降雨过程前后两阶段的暴雨中心三江牛浪坡林场（a）和鹿寨中渡镇（b）上空垂直速度随时间的变化。6月30日20：00开始，牛浪坡林场上空的上升运动明显增强，整层都是上升运动，并在7月1日02：00—14：00达到最强，为-240×10-2 Pa/s，中心位于900～800 hPa，上升运动的增大使水汽不断向上空输送，凝结成雨，从而降水增幅、降水强度达到最大，7月1日20：00以后上升运动开始明显减弱，降水也随之减小。而鹿寨中渡镇上空的垂直速度随时间的演变恰好与三江牛浪坡林场相反，后半段随着雨带的南压，在7月1日20：00后整层有明显的上升运动，尤其在7月2日06：00—11：00达到最强，最大值为-100×10-2 Pa/s，位于800～700 hPa，同時在300 hPa还存在一个上升速度大值中心，为-80×10-2 Pa/s，比牛浪坡林场高层的垂直速度明显较大，这在一定程度上说明中渡镇在整层的动力条件上更好，24 h降水量也比牛浪坡林场多40 mm。

3.3 不稳定能量条件

由6月30日20：00桂林和7月2日08：00梧州T？鄄logp图（图7）可知，两站的CAPE面积呈瘦高型，这种分布特征有利于强降水的发生，但不利于雷暴大风的出现。两站0～6 km都是一致较强的西南风，垂直风切变很弱，利于暴雨维持，但不利于高度组织化的深对流系统发展，因此此次过程大风雷暴天气现象不明显。两站风向从1 000～200 hPa顺转，暖平流势力强大。从表1可知，两站的K指数≥37℃，CAPE值较大，抬升凝结高度低于925 hPa，具有较高的平衡高度，说明对流所能伸展的高度高，这些环境条件容易出现短时强降水。

假相当位温是表征大气湿度、压力、温度的综合特征量。在沿109°E的假相当位温（θse）剖面图（图10）上，暴雨刚开始发生时（6月30日20：00），桂北在700 hPa以下θse随高度降低，表明大气低层为不稳定层结，且925 hPa附近等θse密集，说明低层集聚着较大不稳定能量。7月1日08：00，高层逐渐有干冷舌向下侵入柳州北部（25°～26°N附近）中层，近地面θse也减小，分布变疏，不稳定层结仍较浅薄。7月1日20：00，随着第一支高空槽移出，柳州中层已受干冷气团控制，降水释放凝结潜热使柳州（24°～26°N）低层θse增大到356 K，下层更暖湿，造成不稳定层结增厚到500 hPa，高低层θse梯度增大，此时前段降雨趋于结束，但不稳定能量在加大，为后段降雨储备好更大的不稳定能量。在后阶段降雨中，中层干冷空气自北向南的侵入增加了暴雨区上空的不稳定度，使深厚的不稳定层结持续（图10d～e），激发出的对流性降水更强，最大小时雨强高达106.4 mm，这在一定程度上也使后阶段降雨强度较前一阶段更大。

4 雷达回波分析

在前段柳州北部强降水期间，7月1日02：00—05：00大于40 dBZ的带状回波不断从西南面向东北方向移到柳州北部，并镶有 48 dBZ的回波核（图11a），明显的列车效应和北部山地的动力抬升造成融水西北部—三江东南部一线强降水;从零速度线分析，风向为西南风，并伴有大于20 m/s的正速度核，风随高度顺转有暖平流（图11b）。在后段柳州南部强降水中，较大的雨强出现在7月2日09：00—10：00，09：02呈折角的零速度线（图11c）表明锋面正在鹿寨北部—柳城一带过境，干冷的西北气流与暖湿的西南气流在此交汇剧烈，在低层柳江西南部有大于15 m/s的负风速核，且沿着径向往测站方向逐渐减小，表明柳州、柳江有西南风速辐合，此时强回波主要在锋面附近呈东—西带状以及西南风速辐合区呈东北—西南带状，回波中心强度达58 dBZ，表明有强烈的中尺度对流云团造成显著的短时强降水，中渡镇小时雨量超过100 mm。

5 结论

（1）此次暴雨是由青藏高原短波槽东移引导低层切变线，配合中低层西南风急流和冷空气的侵入引起。整个降水过程发生在西太平洋副热带高压和南亚高压稳定的环流背景下，中纬度低槽东移过程中受副高阻挡，降水时间较长。

（2）过程分为2个强降雨时段，前段暴雨在高空槽东移，地面辐合线配合西南风急流增大的过程中发生，强降水位于柳州北部，降水“列车效应”和地形动力抬升明显，属于暖区暴雨;后段暴雨由高空槽、低涡切变线、中低层急流、地面冷空气共同作用产生，强降水位于柳州南部，属于锋面降水。由于后段高空槽更深厚，低层切变线和地面辐合线均叠加在柳州中部、南部，有更深厚的不稳定层结和更强的垂直运动，短时强降水特征明显，导致降水强度比前段更剧烈。

（3）低空急流尤其是超低空急流的出现为暴雨提供充足的水汽，湿层深厚，南压高压东侧的分流辐散区与低层辐合促使垂直运动强烈发展，为暴雨发展提供有利的动力条件。强降水的强度、落区与925 hPa水汽通量辐合、强垂直上升运动中心有很好的对应关系，可指示暴雨落区的移动和发展。

（4）过程前期积蓄高温高湿的不稳定能量，降水过程中K指数较高，配合较低的抬升凝结高度和适中的垂直风切变，在中高层有干空气侵入低层使不稳定层结变深厚，导致暴雨过程中出现多次短时对流性强降水。

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