玉屏县2018-07-01强降水天气过程机制分析

廖洪敏，何 为，石 薇，武金霖，罗俊祎，胡 蓉

(贵州省玉屏侗族自治县气象局，贵州 玉屏 554000)

0 引言

随着全球变暖，各种极端天气事件发生了明显变化。近50 a我国区域降水总体呈现南多北少，东多西少的气候特征[1]。贵州位于我国西南地区云贵高原东部，贵州地区海拔高，纬度较低，地形复杂，在西南季风和东亚季风的共同影响下，地域气候特征差异明显，气候多变，旱涝灾害频发。近50 a，贵州地区降水主要呈现南多北少的分布特征，贵州高原地区降水量有下降的趋势，但汛期日降水量略有上升，贵州地区汛期强降水事件频次有所增加[2-5]。夏季副热带高压的稳定是形成持续性暴雨的重要大气环流条件，不同尺度系统之间存在着相互作用并相互制约。大气层结的稳定性以及地形作用都对暴雨的形成和维持起到重要作用[6-7]。

铜仁市位于贵州东北部武夷山地区，地形以山地为主。降水相对于南部地区较少，但短时强降水过程造成的灾害仍然不可小觑，短时强降水由于较高的降水量易引发洪涝灾害，对社会生活、农业生产产生重大影响，造成严重经济损失。暴雨降水时间短，降水强度大，汛期暴雨灾害严重危及人民生活[8-9]。

玉屏县地理特殊，处于铜仁最南部，黔东南州最北处，根据多年经验，影响铜仁、黔东南州的天气系统基本上从玉屏边缘擦边而过，影响系统的位置变化存在不确定性，因此玉屏的暴雨预报相对困难。2018年7月1日玉屏县大暴雨天气过程具有局地性，回波突然增强并在玉屏上空维持，因此从省、市、县三级都存在漏报，为了解本次大暴雨天气过程的影响原理，本文对玉屏县此次强降水天气过程机制进行分析，为玉屏县强降水的天气预报及防灾减灾提供理论依据。

1 资料和方法

使用2018年7月1日08时—7月2日08时贵州省铜仁市玉屏县站点总降水量资料。2018年7月1日00时—7月2日18时的ECMWF的再分析资料ERA-interim，时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，使用的物理变量包括多层水平风、位势高度、比湿、相对湿度、气温、垂直速度。

从大气环流背景、水汽条件、动力条件和不稳定条件等角度对此次强降水过程进行分析，应用基本的分析方法，理解认识产生强降水过程的物理机制，总结强降水的触发条件，并加深对贵州东北部地区强降水事件的认识。

2 天气实况

2018年7月1日08时—2日08时，玉屏县普降大到暴雨，局地大暴雨，其中丙溪1站大暴雨，玉屏、混寨、安坪、翁阳等7站暴雨，其余站为大雨。以丙溪累计降水量122.2 mm最大。强降雨主要集中在1日16—22时之间，1 h最大雨量：丙溪82.2 mm(19—20时)、大兴48.9 mm(17—18时)。灾害情况：此次洪涝灾害共造成269 hm2农田受灾，严重损坏房屋19间，一般损坏为10间，其中严重损坏农房数8户，一般损坏农房数4户。无人员伤亡。农作物受灾269 hm2，其中农作物受灾97 hm2，农作物绝收为10 hm2。直接经济损失199.8万元，其中农业损失189.5万元，家庭财产损失10.3万元。

3 雷达回波分析

2018年7月1日16时，镇远、岑巩地区开始生成回波，并逐渐加强维持，17时左右减弱，18—19时又进一步加强，并在玉屏南部维持。在降水的最强时段(图1)，回波维持2 h，玉屏周边区县基本不存在较强的回波。根据丙溪处反射率因子剖面图(图2)，对流发生的高度较低，没有冰雹形成。21时33分回波开始减弱，22时左右趋于结束。下文将分析本次强对流事件生成和维持的机制。

图1 强降水过程最强时段0.5仰角反射率因子(右下角红字为时间)Fig.1 0.5 Elevation angle reflectivity factor in the climax stage of heavy precipitation (the red text in the lower right corner denotes time)

图2 强降水过程最强时段丙溪处反射率因子剖面图(右下角红字为时间)Fig.2 Cross-sectional of reflectivity factor in the climax stage of the strong precipitation at Bingxi (the red text in the lower right corner denotes time)

4 大气环流背景

对流层中低层大气环流显示，7月1日12时500 hPa位势高度场(图3a)亚洲中高纬地区为“两槽一脊”型，青海东南部与四川西北部交界附近以及江苏附近存在高空槽，孟加拉湾地区存在反气旋性切变，中国东海东南部存在闭合性低压。玉屏县附近上空为西南气流与偏西气流的交汇处，云南省与贵州省交界附近为槽，在500 hPa位势高度场上，玉屏县位于槽前脊后，为西南风控制，西南气流将暖湿的水汽输送至玉屏县附近，提供充足的水汽条件。700 hPa位势高度场(图3b)中国东海东南部存在闭合性低压，低纬地区为平直西风带，孟加拉湾地区为反气旋性切变，云南省与贵州省交界附近有明显的西北风—西南风切变，玉屏县位于低空槽前脊后，通过孟加拉湾地区的“西南风—西风带—西南风”将暖湿水汽输送至玉屏县。850 hPa位势高度场(图3c)与700 hPa类似，云贵两省交界处存在西北风—西南风切变，孟加拉湾地区的南风气流向贵州地区输入充沛的水汽。

7月2日12时500 hPa位势高度场(图3d)与7月1日12时大气环流背景相似，孟加拉湾地区仍为反气旋性环流，但风场加强，云南地区为西北气流主导，贵州省为西南气流控制，两省交界附近的槽加深。700 hPa位势高度场(图3e)孟加拉湾地区为明显的反气旋性切变，风速较7月1日12时加强，贵州东北部位于槽前脊后，在云南、贵州附近的槽加深，整个贵州仍为西南气流主导，有明显的切变线在云贵两省附近，水汽被西南风输送至玉屏县。850 hPa位势高度场(图3f)贵州地区出现偏北风，意味着水汽条件不利于降水。

综上所述，从7月1日12时—7月2日12时，玉屏县对流层中层(500 hPa)受西南风主导。在贵州省与云南省交界处，对流层低层(700 hPa和850 hPa)存在明显的西北风—西南风的切变，这是导致暴雨形成的主要天气系统。贵州东北部玉屏县位于槽前脊后，槽前正涡度平流有利于地面气旋发展，地面辐合加强，高空辐散，上升运动加强，垂直运动有利于对流降水的触发。此外，700 hPa西南风有利于将来自孟加拉湾的暖湿空气输送至玉屏县地区。

5 热力作用

5.1 水汽条件

强降水事件的发生除了需要具备有利的大尺度环流条件(风场、环流场)外，水汽条件也是重要因子。从相对湿度的时间演变—高度场来看(图4),从7月1日06时开始，对流层中低层(800～850 hPa)已经具备充足的水汽条件，相对湿度在90%以上，从低层到高层数值降低，而到400 hPa以上之后又逐渐增加，推测低层水汽增加后，垂直运动将低层的水汽向上输送至200 hPa左右产生辐散运动。

图3 2018年7月1日12时—2日12时500 hPa、700 hPa、850 hPa位势高度场(黑色等值线，单位：gpdm)Fig.3 Geopotential height (black contour, Unit: gpdm) and wind field (vector, Unit: m·s-1) at 500 hPa,700 hPa，850 hPa on 12∶00 p.m. July 1, 2018 and 12∶00 p.m. July 2, 2018

对流层低层最大相对湿度出现在7月1日18时之后(100%)，而200 hPa出现的最大相对湿度也是在7月1日18时之后(100%)，维持至7月2日00时，湿度条件很好地对应玉屏县在7月1日20—21时出现最大降雨量。7月2日00时开始，高层的相对湿度逐渐减小，这说明高层的水汽逐渐减少，降水强度将开始减弱。

图4 2018年7月1日00时—7月2日18时，玉屏县相对湿度(单位：%)的时间演变—高度图Fig.4 Temporal evolution-height profile of relative humidity over Yuping County (Unit: %) from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018ht

水汽通量(水汽通量散度)的时间演变—高度场(图5)中，从7月1日00时开始有水汽通量的汇入，数值在7～10 g·s-1·hPa-1·cm-1之间，直到7月2日00时，水汽通量数值在对流层低层超过18 g·s-1·hPa-1·cm-1，玉屏县地区存在源源不断的水汽汇入，这是形成暴雨的必备条件之一。在7月2日12时之后仍存在较大的水汽通量，但仅有水汽从源地汇入玉屏地区仍不足以解释暴雨的生成，同时需要水汽通量辐合才能形成上升运动，继而导致强降水。

7月1日00时玉屏县地区开始出现水汽辐合，7月1日06时在对流层低层800 hPa左右达到最大值在-4×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，7月1日18时—7月2日00时，对流层高层200 hPa左右出现较强的水汽辐散。这说明在7月1日00时之后开始出现水汽汇入并伴随着水汽辐合，7月1日18时以后低层出现强的水汽辐合，高空水汽辐散，这与相对湿度的分布相匹配，所以导致强对流的爆发。到7月2日00时，又在750 hPa附近出现一个水汽辐合的大值中心，辐合中心较之前的位置略微抬升，强度约为-5×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，但是高层的水汽辐散并不明显，说明此时降水强度减弱。在7月2日12时之后高层的水汽辐散已经消失，850 hPa有明显的辐散，700 hPa有较弱的辐合，这种水汽通量散度的分布是不能维持暴雨的。

图5 2018年7月1日00时—7月2日18时玉屏县水汽通量(阴影)与水汽通量散度(等值线)的时间演变—高度图Fig.5 Temporal evolution-height profile of water vapor flux (shading) and water vapor flux divergence (contour) over Yuping County from 12∶00 p.m.July 1 to 18∶00 p.m.July 2, 2018

5.2 假相当位温条件

假相当位温随高度的变化可以反映大气层结稳定度的状况，当假相当位温随高度升高而减小时，说明大气对流不稳定，易发生对流性天气。

假相当位温的时间演变—高度图(图6)显示，7月1日的00时出现对流不稳定现象，假相当位温在400 hPa以下随高度升高而降低，假相当位温最小值出现在7月1日18时—7月2日00时之间，位于550 hPa附近。同时对流最不稳定时间出现在7月1日18时—7月2日00时附近，由于此时间段内的假相当位温的垂直梯度最大，即大气处于最不稳定的状态。这样的对流不稳定条件配合着水汽汇入以及对流层低层强烈的水汽通量辐合(高层辐散)，有利于触发强降水事件。

图6 2018年7月1日00时—7月2日18时，玉屏县假相当位温(单位：K)的时间演变—高度图Fig.6 Temporal evolution-height profile of potential pseudo-equivalent temperature (unit: K) over Yuping County from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018. Abscissa axis is temporal evolution, ordinate axis is height

5.3 湿静力能(MSE)

如若MSE随高度减小，表示大气不稳定；反之，则为稳定。MSE在对流层低层及高层数值较大，在对流层中层数值较小，呈“弓状”结构(图7a)，即在7月1日00时玉屏县地区对流层低层存在对流不稳定条件。在图7b～7d的异常MSE垂直廓线中，重力势能gz的量级相对于其他几项较小，所以在此不做讨论。对流层中低层(850～500 hPa)MSE受潜热能主导，高层(400～100 hPa)受内能主导。

7月1日00时的MSE最小值位于550 hPa左右，从7月1日12时开始，低层(850～750 hPa)不稳定加强，而750～600 hPa左右，不稳定稍减弱，600～400 hPa增强。在7月2日00时，低层不稳定增强达到最大(850～750 hPa变化1.5×103J/kg)，同时中层不稳定也达到最大，这种不稳定状况伴随着本次玉屏县最强对流的出现，随后7月2日12时不稳定状态衰减，不稳定状况与降水的同步表明MSE的变化可以解释降水的发生和发展。

6 动力作用

6.1 垂直运动条件

触发强降水事件除了需要充分的大尺度环流和水汽条件外，还须具备有利对流发生的动力条件。首先，垂直运动是导致强对流发生的一个充分必要条件，垂直运动一方面会向上输送水汽、热量、动量等，另一方面由于垂直运动与大气的绝热变化和水平辐合辐散紧密联系，所以分析垂直运动是理解强降水发生机制的重要因子。

从垂直运动的时间演变—高度图(图8)发现，7月1日00时玉屏县出现上升运动，到7月1日06时先出现一个上升运动最大值区，中心位于450 hPa附近，强度可达到-0.2 hPa·s-1。在接下来的6 h内，低层700 hPa以下仍然是上升运动，但在600～300 hPa出现了下沉运动，由此对流分布导致的降水不会很强，上升运动只能将低层的水汽输送至700 hPa左右，而高层得不到充足的水汽，所以垂直运动配置在此时间段并不利于强降水的形成。从7月1日15时—7月2日06时，玉屏县上空为上升运动控制，上升运动迅速加强，低层上升运动明显强于之前的时刻，最大值可达到-0.4 hPa·s-1，在7月1日18时—7月2日00时，高层350 hPa附近有最大值约为-0.2 hPa·s-1，强烈的上升运动配合充足的水汽汇入以及对流不稳定条件，导致玉屏县发生强降水事件。

图7 (a)2018年7月1日00时玉屏县湿静力能的垂直廓线，(b)～(d)分别是7月1日12时、7月2日00时和7月2日12时与7月1日00时的差值(单位：103 J·kg-1)Fig.7 (a) The vertical profile of the MSE over Yuping County at 12∶00 p.m. July 1 2018, (b-d) is at 12 a.m. July 1, 12∶00 p.m. July 2, and 12 a.m. July 2 relative to MSE at 12∶00 p.m. July 1, respectively (unit: 103 J·kg-1)

图8 2018年7月1日00时—7月2日18时，玉屏县垂直运动(单位：hPa·s-1)的时间演变—高度图Fig.8 Temporal evolution-height profile of vertical velocity (unit: hPa·s-1) over Yuping County from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018. Abscissa axis is temporal evolution, ordinate axis is height

6.2 散度条件

由于垂直运动和大气的辐合辐散紧密相连，上升运动通常会伴随着低层辐合、高层辐散，反之下沉运动伴随低层辐散。分析散度场的演变对解释强降水发生机制具有重要作用，散度大于0代表大气辐散，小于0代表大气辐合。

散度的时间演变—高度图(图9)显示，从7月1日00时，配合着垂直上升运动，对流层低层出现水平辐合，并随高度升高而减小。至7月1日12时，中高层出现辐散运动，并随时间推移(至7月2日00时)加强，在200 hPa出现一个辐散中心，对应时间为7月1日18时—7月2日00时之间，大小约为6×10-5·s-1，对流层低层存在强的辐合运动，数值达到-5×10-5·s-1，低层的强辐合与高层的强辐散互相配合，有利于形成强烈的抽吸，加剧上升运动。结合垂直运动(图8)演变，7月1日18时—7月2日00时玉屏县存在强烈的上升运动，与对流层高低层的散度场相配合，对应于强降水发生的时段，说明动力条件是导致此次强降水发生的重要因子。

图9 2018年7月1日00时—7月2日18时玉屏县散度场(单位：10-5·s-1)的时间演变—高度图Fig.9 Temporal evolution-height profile of divergence (unit: 10-5·s-1) over Yuping County from 12∶00 p.m. July 1 to 18∶00 p.m. July 2, 2018. Abscissa axis is temporal evolution, ordinate axis is height

7 结论

①此次玉屏县强降水事件发生初期，对流层中低层为西南风，并存在西北风与西南风的切变线，槽前的正涡度平流有利于对流的触发，来自孟加拉湾的暖湿空气为强降水提供充足的水汽。

②此次强降水发生至结束期间，对流层中低层具备充足的水汽汇入，低层存在强的水汽通量辐合，高层为水汽通量辐散，有利于强降水发生。同时大气对流不稳定条件(假相当位温和MSE)也有利于强对流爆发。

③整个强降水过程中，玉屏县对流层低层始终存在垂直上升和辐合运动，并随时间加强，降水最强的时段内，低层辐合、高层辐散，上升运动达到最强，同时配合大气对流不稳定条件与水汽通量的辐合，导致对流在短时间内迅速得到发展，形成强降水。