贵州沿河县两次极端强降水的对比分析

2020-06-12冉仙果付瑞滢皮小雯

中低纬山地气象 2020年2期

冉仙果,胡萍,付瑞滢,陈超,皮小雯

(1.贵州省沿河土家族自治县气象局，贵州沿河 565300；2.贵州省铜仁市气象局，贵州铜仁 554300；3.贵州省碧江区气象局，贵州铜仁 554307)

0 引言

暴雨是影响我国的主要重大灾害性天气现象之一[1]。沿河县地处贵州高原东北边缘斜坡、大娄山脉和武陵山脉交错地带，乌江由南至北将沿河县分割为西北、东南两大部分，西北部属大娄山脉，东南部属武陵山脉。最高海拔1 462 m，最低海拔225 m。由于地形复杂，近年来沿河县暴雨频发，造成灾害严重。暴雨过程的突发性、局地性强，出现的时间及强度的预报难度较大[2]，而暴雨能造成严重的灾害[3]，常常引发山体滑坡、山洪、泥石流等,导致公路损毁、房屋倒塌、电力和通讯中断、大量耕地被冲毁,损失惨重[4]。王福侠[5]等指出充足的水汽输送、强的动力条件和高降水效率是极端降水的原因之一。朱乾根[6]等研究发现低空急流和高空西风急流的耦合是强暴雨发生的重要原因。王茂书等[7]通过分析发现垂直速度、涡度和假相当位温等物理因子在暴雨过程中表现得很明显，是预报持续性暴雨的重要手段。做好县级区域性的汛期暴雨预报和暴雨特征分析是经济建设、防汛抗旱等防灾减灾工作的迫切需求[8]。本文利用自动站观测资料对沿河县城区历史暴雨天气过程进行筛选，查找出沿河县城测站近10 a来24 h降水量两次极端暴雨天气过程，并针对沿河县的这两次暴雨天气进行研究，以求探索出沿河县极端暴雨的发生发展机制。针对EC模式对极端暴雨的强降水预报能力究竟如何，对典型降水“6·20”过程作分析检验，分析环流形势及暴雨落区预报，为预报员订正EC模式产品提供参考，以期提高暴雨预报的准确率，提前做好防范措施，减少暴雨灾害带来的损失。

1 资料与方法

利用自动站降水资料查找出近10 a发生在沿河县24 h降水量两次极端大暴雨天气过程，通过常规观测资料、地面区域站、多普勒天气雷达资料和NCEP再分析资料对沿河县出现的两次大暴雨天气过程进行天气形势分析，对比两次天气过程的物理量场和热力条件及雷达回波特征，找出两次暴雨天气过程的发生发展机制和异同点；对典型个例2016年6月20日(简称“6·20”过程)过程的数值模式预报作检验，以期提高预报的准确率。

2 降水概况

2016年6月20日沿河县城测站日降水量达到135.7 mm。此次过程自18日夜间开始，于21日06时结束，强降雨时段集中在19日夜间—20日白天，暴雨落区在沿河县大部、德江县中北部，大暴雨中心在沿河县中部。沿河县城测站累计雨量达161.7 mm，最大小时雨强为23.6 mm；最大日降雨量为沿河县甘溪桥262.2 mm，最大小时雨强55.5 mm。此次暴雨过程持续时间长，造成沿河县灾害受灾人口31 409人，农作物受灾面积752 hm2，因灾倒塌房屋21户51间，严重损坏房屋 27户61间，一般损坏房屋69户147间，经济损失721万元。

2019年6月22日(简称“6·22”过程)，沿河县城测站日降水量167.7 mm，突破历史极值，是近60 a以来气象记录最高值。强降雨时段集中在22日白天，暴雨落区在铜仁市中北部，大暴雨中心集中在沿河县中部、德江县中北部，最大日降雨量为德江县坳田221.7 mm，最大小时雨强108 mm；沿河县城测站最大小时雨强为42.6 mm。此次暴雨过程范围广，强度强，造成洪涝灾害重，沿河县因灾死亡3人，失踪3人，受灾人口59 748人，倒塌房屋7户35间，严重损坏房屋19户61间，一般损坏房屋39户139间，农作物受灾面积2 488 hm2，直接经济损失达16 262万元。

两次过程暴雨落区相同，总降雨量相当，都以短时强降水天气为主，并伴有大风、雷电等强对流天气。“6·20”过程持续时间长，最大降雨量更大，而“6·22”过程小时雨强大，降雨强度强，范围更广，致灾更为严重。

3 两次大暴雨过程对比分析

3.1 天气形势对比分析

分析“6·20”过程的高低空系统配置，属于暖式低涡切变型。20日08时(图2a)，500 hPa上冷涡位于贝湖西部，高空槽东移南压，位于湖北西部—重庆东南部—贵州中部—云南东部一带，副高南退至湘南—桂中东一带，副高脊线位于20°N，西伸脊点在105°E，控制华南、华东地区，沿河县位于槽前，受副高外围西南气流影响，槽前西南气流风速增加，孟湾和南海源源不断的输送水汽；700 hPa低涡东移至重庆北部，南支切变在省西北部，西南急流加强，风速达16 m/s；850 hPa低涡东移至重庆东南部，位于沿河附近，南支切变在沿河中部，西南急流维持在20 m/s，顶部在湖北东部；沿河县位于中低空急流左侧，利于暴雨区的水汽输送和能量的提供；地面四川热低压减弱至1 002.5 hPa，辐合线在铜仁中部，沿河县位于辐合线北侧。

分析“6·22”过程的高低空系统配置，属于冷式低涡切变型，为后倾槽形势。22日08时(图2b)，500 hPa上中高纬两槽一脊形势，暖脊位于贝湖东侧120°E附近，副高北侧的波动槽位于四川东部，副高脊线位于25°N，西伸脊点在90°E，控制整个华南地区，沿河县位于副高北侧偏西气流中，有孟湾水汽的输送；700 hPa西南涡东移南压至重庆西南部，东北急流加强至14 m/s，急流顶部在重庆北部，西南急流加强，顶部在湖南中部；850 hPa上低涡位于沿河县西部，冷支切变在长江流域，东北急流、西南急流加强；沿河县在中低层切变及东北急流与西南急流之间，受黄海和孟湾的水汽输送及能量条件的影响；地面上沿河县受热低压控制，中心值为1 000 hPa，在贵州省中部有辐合线生成，沿河位于辐合线北部，弱冷锋在陕西南部，沿河县受到东北路径冷空气的渗透影响，较好的抬升触发条件引起大暴雨过程的发生。

从两次大暴雨过程的天气形势对比来看，都是低涡切变型暴雨，“6·20”过程为暖式低涡切变型，无冷空气的影响，西南急流占主导，而“6·22”过程为冷式低涡切变型，且地面有东北路径的冷空气的渗透影响，东北急流与西南急流势力相当。

图2 2016年6月20日08时(a)和2019年6月22日08时(b)系统配置Fig.2 System configuration at 08∶00 (a) on June 20, 2016 and 08∶00 on June 22, 2019 (b)

3.2 水汽条件分析

暴雨的发生，不但要有充沛的水汽，还要有源源不断的水汽输送并在强对流区域辐合[9]；而水汽的辐合主要由低层水汽通量辐合造成，尤其是800 hPa以下的边界层中占很大比重，可达1/2以上[10]。

3.2.1 比湿和相对湿度分析从比湿场来看，“6·20”过程中20日08时沿河县700 hPa(图3a)上比湿为12 g·kg-1，切变线位于贵州省西北部，沿河县位于切变线东南侧，850 hPa(图3b)的比湿为15 g·kg-1，相对湿度均在90%以上；“6· 22”过程中22日08时沿河县700 hPa(图3c)的比湿为13 g·kg-1，850 hPa(图3d)的比湿为16～17 g·kg-1，低涡在遵义东南部处，沿河位于低涡东北侧；中低层西南风风速较“6·20”过程的小，但比湿较大。

从相对湿度场分析来看，“6·20”过程中，19日08时—21日02时中低层相对湿度均为90%，在19日夜间伸展到400 hPa高度；“6·22”过程中，20日00时—21日02时中低层相对湿度在90%以上，伸展高度更高，但时间较短。

3.2.2 水汽通量及水汽通量散度分析图4为两次过程700 hPa的水汽通量场，20日08时(图4a)，水汽通量中心位于湖南西部，中心值为30 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通道路径为广西—湖南—江西—浙江一带；22日08时(图4b)，水汽通量中心位于广西北部，中心值为24 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通道路径为广西—广东—福建一带。

从两次过程发生前水汽通量散度沿108.2°E的垂直剖面(图略)，“6·20”过程的20日02时，沿河县水汽辐合抬升至650 hPa，其上为水汽辐散区域，辐合中心位于28～28.6°N上空850 hPa高度处，中心值达-50×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1；“6·22”过程的22日02时，沿河县750 hPa以下为水汽辐合抬升，其上有水汽辐散，27.6～28.4°N上空850 hPa高度处为辐合中心，中心值为-80×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。

图3 2016年6月20日08时700 hPa(a)、850 hPa(b)和2019年6月22日08时700 hPa(c)、850 hPa(d)的风场和比湿场分布Fig.3 Distribution of wind field and specific wet field at 08∶00 700 hPa (a) and 850 hPa (b) on June 20, 2016 and 08∶00 hPa (c) and 850 hPa (d) on June 22, 2019

图4 2016年6月20日08时(a)和2019年6月22日08时(b)700 hPa水汽通量场Fig.4 At 08∶00 on June 20, 2016 (a) and on June 22, 2019 at 08∶00 (b) 700 hPa water vapor flux field

从两次大暴雨过程的水汽条件对比来看，发现两次过程都有充足的水汽供应，“6·22”过程的比湿较“6·20”过程大；有很好的水汽输送通道建立，但水汽通道的路径不一样，“6·20”过程的水汽通量值较“6·22”过程的大，且位置略偏北，且大暴雨落区都处于水汽通量梯度大的区域，湿舌伸展的左侧；沿河县的辐合中心均在850 hPa高度处，“6·20”过程的水汽辐合中心值较“6·22”过程的小，但“6·20”过程的水汽辐合抬升高度更高，沿河县处于低层强辐合、高层辐散区域。

3.3 抬升条件分析

图5给出两次过程沿沿河县城测站(28.5°N，108.5°E)的垂直速度等值线时序图，从图5a 中可见“6·20”过程沿河县在降雨过程中从900～300 hPa均上升运动区，在800～500 hPa附近为较强的上升区，最大抬升运动中心出现在20日02时，高度在600 hPa附近，强度达-55 Pa·s-1，之后逐渐减弱；“6·22”过程(图5b)从900～200 hPa均为上升运动区，在850～400 hPa附近为较强的上升区，最大抬升运动中心出现在22日08时，600 hPa有一个辐合上升运动中心，强度达-80 Pa/s，在14时转为辐散下沉运动。

可以看出，强上升运动为暴雨的发生提供了有利的动力条件，但较强降雨的发生有提前性，且“6·22”过程的辐合强度较“6·20”过程大，辐合中心抬升高度相当。

图5 沿河县站2016年6月19日08时—21日02时(a)和2019年6月21日08时—23日02时(b)垂直速度(单位：Pa·s-1)时序图Fig.5 Yanhe County Station June 19, 2016 08∶00 to 21∶00 (a) and June 21, 20∶08 to 23∶00 (b) Vertical Speed (Unit: Pa·s-1) Timing Chart

3.4 热力条件分析

由图6的假相当位温剖面图来看，“6·20”过程(图6a)的19日20时，沿河县能量值达到最大，350 K伸展到300 hPa，处于假相当位温梯度区，最大值在近地层附近达到369 K，且在700 hPa高度有上升运动辐合中心；“6·22”过程(图6b)的20日08时，沿河县350 K以上伸展高度与“6·20”过程相当，假相当位温梯度更大，最大值在近地层附近达到372 K，且在沿河县西侧600 hPa高度有强上升运动辐合中心。

图6 2016年6月19日20时(a)和2019年6月22日08时(b)假相当位温(单位：Pa·s-1)沿28.5°N，的剖面图(实线为假相当位温等值线，虚线为垂直速度等值线)Fig.6 Cross-sectional view of the pseudo-equivalent temperature (unit: Pa·s-1) along 28.5°N at 20 o'clock (a) on June 19, 2016 and 08 o'clock on June 22, 2019 (the solid line is False equivalent temperature contour, dashed line is vertical velocity contour)

两次暴雨过程怀化站探空资料对比分析(图略): 两次大暴雨过程的热力条件相当，有利于短时强降水的发生。“6·20”过程20日08时怀化站探空CAPE值为709.5，SI指数为0.64，K指数为38，LI指数为-0.53，850 hPa为西南急流，为暴雨区提供水汽和热力输送；从垂直方向风切变发现整层为暖平流输送，属于暖性强降水。“6·22”过程怀化站探空CAPE值为763.9，SI指数达到1.22，K指数达到36，LI指数为-1.65，850 hPa为西南急流，与“6·20”过程一致，从垂直方向风切变发现低层暖平流，高层冷平流，这种高低空平流配置有利于中低层不稳定能量的堆积。

3.5 雷达回波特征分析

“6·20”过程的主要降水时段在19日夜间到20日白天，“6·22”过程的主要降水时段在22日白天。这里针对主要降水时段应用多普勒雷达资料的回波特征作对比分析。

2016年6月19日20时03分在沿河县西部有强对流回波生成，中心值达40 dBz，不断向东北方向移动，21时33分开始影响沿河县城测站，沿河县西南部不断有对流回波生成发展，形成列车效应，23时59分(图7a)，对流云团合并成带状回波，移向为东北方向，径向速度图上风随高度顺转，整层为暖平流，20日00时30分(图7b)在沿河西部有对流回波不断生成发展，01时12分范围扩大，02时14分35 dBz以上的回波主体移至沿河县城测站，03时01分在沿河中北部有新的对流回波生成发展，06时38分有40 dBz以上的回波主体移至沿河县城测站，最大回波强度在45 dBz以上，07时10分(图7c)继续加强，不断东北移向影响，直至09时51分开始范围减小，11时14分回波强度逐渐减弱。

此次过程是不断有对流回波在沿河上游生成并沿切变线方向移动发展，形成列车效应，铜仁市中部有地面辐合线影响，沿河县处于辐合线北侧，为沿河县的降水提供了抬升触发条件。

图7 2016年6月19日23时59分—20日07时10分铜仁多普勒天气雷达组合反射率因子(a-c)Fig.7 June 23, 2016, 23∶59 to 20∶07, 07∶10, Tongren Doppler weather radar combined reflectivity factor (a-c)

2019年6月22日04时37分在沿河县西部有强对流回波生成开始影响沿河县西部，06时39分40 dBz(图8a)以上的回波主体移至沿河县城测站，最大回波强度达50 dBz，在其南侧有势力相当的对流回波共同朝东北向移动，06时45分合并成一条回波雨带，不断加强，此时降雨加强，07时14分(图8b)最大回波强度达55 dBz，08时23分沿河西部有强对流回波生成发展并朝偏东方向移动，从08时50分的径向速度图来看，低层风随高度顺转有暖平流，中高层风随高度逆转有冷平流，且有东北方向的冷锋过雷达站；08时58分(图8c)回波主体移至沿河县城测站，强回波持续影响至09时50分，此时降雨陡增，最大小时雨强发生在09—10时，达42.6 mm，10—13时34分有30 dBz的对流回波持续影响，13时40分，带状对流回波生成发展成飑线，开始影响沿河西部，朝东南方向移动，致使14—15时时段降水增加，15时24分回波强度逐渐减弱。

图8 2019年6月22日06时39分—14时26分铜仁多普勒天气雷达组合反射率因子(a-c)Fig.8 Combined reflection rate factor (a-c) of Tongren Doppler weather radar from June 6 to 14∶26 on June 22, 2019

此次过程是切变线上不断有对流回波沿偏东方向移动发展，有东北路径冷空气南下，形成列车效应，且有飑线回波朝东南方向移动发展，铜仁市西南部有地面低压辐合线生成影响，沿河县处于低压辐合线北侧，为沿河县的强对流降水提供了抬升触发条件。

4 EC数值模式环流形势检验分析

为了更准确的预报暴雨过程的发生时间及暴雨落区，针对EC模式对极端暴雨的强降水预报能力究竟如何，本文检验分析了两次极端降水过程，以“6·20”暖式低涡切变型暴雨过程作为典型个例，应用Micaps资料和地面常规观测资料，检验分析了EC模式对暴雨的高低空配置及落区的预报结果，评估EC模式对本次极端暴雨过程的预报能力，并对模式预报低涡切变强降水提供反馈意见，以期为今后业务应用和模式优化提供依据。

4.1 对流层中层

2016年6月20日08时500 hPa高空实况显示(图9a)，588线位于广西东南部，南支槽和北支槽分别位于省中部一带和河套下游。20时(图9b)588线西进至广西中部一带北支波动槽移至海上，南支槽略微南压，北段仍维持在沿河西部，且在川东有浅涡生成。

EC细网格模式(以下简称模式)不同起报时次均能预报出本次过程中588线、低槽及切变的演变。19日08时、20时起报预报20日08时的588线跟实况较相近，略偏东，南支槽较实况接近，且东移速度较实况慢，低涡发展强度较实况强，位置偏南。

图9 2016年6月20日08时(a)和20日20时(b)500 hPa低槽和588线实况与模式预报场(黑色实线为实况，粉色实线为模式19日08时起报，蓝色实线为模式19日20时起报)Fig.9 00∶00 on June 20, 2016 (a) and 20 o'clock on the 20th (b) 500 hPa low and 588 line live and mode prediction field The solid black line is live, the solid pink line is the pattern starting at 08∶00 on the 19th, and the blue solid line is the pattern starting at 20V00 on the 19th

4.2 对流层低层

20日08时700 hPa实况显示(图10a)，在重庆北部有低涡发展，南支切变位于省西北部边缘，西南急流风速达18 m·s-1，怀化风速达16 m·s-1；20时(图10b)，低涡切变略微东移北抬，西南急流略减弱至16 m·s-1，怀化站点风速维持不变。

19日08时、20时起报的700 hPa低涡、切变位置较实况偏南，19日20时起报的西南急流更接近实况，但切变北抬速度较快。20日08时850 hPa实况显示(图11a)，低涡东移至重庆东南部，南支切变位于省中部(沿河中部)，西南急流风速达18 m·s-1，怀化风速达18 m·s-1；20时(图11b)，低涡切变北抬至重庆中北部，西南急流略减弱，怀化站点风速维持不变。

19日08时起报的850 hPa低涡位置、急流较实况偏西，19日20时起报20日08时的低涡、切变位置及急流与实况相近，20日20时的低涡强度较实况偏西。

4.3 24 h雨量

图12a是“6·20”过程的降雨量，落区在中部以南，大暴雨中心在中南部，最大降雨量超过200 mm；19日08时(图12b)预报场暴雨落区在沿河南部、印江北部，较实况偏南，量级偏小；19日20时(图12c)预报场暴雨落区在德江中南部及沿河中南部，落区位置较实况接近，但量级偏小。

模式对“6·20”过程中高空槽的位置及副高脊线预报较好，低涡中心切变等主要影响系统位置、强度和移速预报与实况的差异导致了降水落区预报与实况的偏差，总体而言，19日20时的预报性能较19日08时的好，但由于系统预报较快，其量级较实况小。参考EC模式预报，对这次暴雨天气过程做出了很好的预报，落区基本正确，但位置偏南，且量级偏小。

图10 2016年6月20日08时(a)和20日20时(b)700 hPa低涡切变和低空急流实况与模式预报场红色实线为实况，粉色实线为模式19日08时起报，蓝色实线为模式19日20时起报Fig.10 At 08∶00 on June 20, 2016 (a) and at 20 o'clock on the 20th (b) 700 hPa low vortex shear and low-level jet flow and mode prediction field The solid black line is live, the solid pink line is the pattern starting at 08∶00 on the 19th, and the blue solid line is the pattern starting at 20∶00 on the 19th

图11 2016年6月20日08时(a)和20日20时(b)850 hPa低涡切变和低空急流实况与模式预报场红色实线为实况，粉色实线为模式19日08时起报，蓝色实线为模式19日20时起报Fig.11 00∶00 on June 20, 2016 (a) and 20 o'clock on the 20th (b) 850 hPa low vortex shear and low-level jet flow and mode prediction fieldThe red solid line is live, the pink solid line is the pattern starting at 08∶00 on the 19th, and the blue solid line is the pattern starting at 20∶00 on the 19th

图12 2016年6月19日20时—20日20时降雨量实况(a)和模式预报场(19日08时起报(b)，19日20时起报(c))Fig.12 June 20, 2016, 20∶00 to 20∶00 am, actual rainfall (a) and model forecasting field (from 08∶00 on the 19th (b), from 20∶00 on the 19th (c))