梵净山东南侧夏季暖区暴雨中尺度系统演变与环境场特征个例分析

聂云，周继先，杨帆，杨群，杜小玲

(1.贵州省铜仁市气象局，铜仁554300；2.贵州省气象台，贵阳550002)

引言

梵净山地处贵州省铜仁市的松桃、江口、印江三县交界处，是云贵高原向湘西丘陵过渡斜坡上的第一高峰。受梵净山地形影响，每到汛期，梵净山区局地暴雨频发，造成当地城镇内涝、山洪灾害，成为铜仁市防汛重点。如2015年7月14日夜间，梵净山东侧松桃县出现局地短时特大暴雨，造成全县停水停电、城区内涝、交通瘫痪，直接经济损失高达4.58 亿元(方标等，2016)。梵净山区暴雨过程的发生大多受高空槽、中低层切变线与地面明显冷空气共同影响，对其研究较多(杨群等，2016；方标等，2016)；而对该地区雨强大、雨量集中、对流性质明显的暖区暴雨(黄土松等，1986；张芹等，2018；伍志方等，2018)则研究甚少。此类暴雨在梵净山地形作用下极易造成强的地表径流而引发重大灾害。因此，对发生在梵净山区的暖区暴雨个例成因进行诊断分析，有利于加深对此类极端暴雨事件的深入理解。

暖区暴雨的定义最早由黄土松等(1986)针对华南前汛期暴雨提出，此类暴雨发生时华南一带无锋面存在，也不受冷空气或变性冷高压控制。暖区暴雨多出现在华南地区，但在我国偏北地区的锋前、暖切变线南侧、副高外围也会出现(杨晓霞等，2009；吕伟绮等，2017；金晓青等，2018)。马月枝等(2017)分析河南新乡一次暖区特大暴雨的成因指出，500 hPa低涡和700 hPa暖切变线是造成暖区极端强降水的主要影响系统。汪玲瑶等(2018)通过统计分析将发生在地面冷锋或850 hPa暖切变线南侧100～300 km且不受明显冷空气或台风等热带系统直接影响造成的江南地区暴雨定义为江南暖区暴雨。周明飞等(2014)对比分析贵州初夏两次暖区暴雨时，将无冷空气影响贵州、贵州受暖性低压或偏南气流影响产生的暴雨定义为贵州暖区暴雨。2016年7月3—4日在铜仁市梵净山东南侧出现一次局地特大暴雨过程(以下简称“7·3”梵净山暴雨过程)，过程最大累积雨量376.6 mm，最大雨强101 mm·h-1，极端强降雨导致万山、江口、碧江等区县山洪、城镇内涝等灾害，给当地人民生命财产造成重大损失。该过程发生在850 hPa 暖切变线南侧的偏南暖湿气流中，低层无明显冷空气影响，边界层浅薄冷平流侵入未改变其上部暖湿空气的环境条件，与陈玥等(2016)建立的长江中下游地区暖切变型暖区暴雨类似，且与周明飞等(2014)定义的贵州暖区暴雨基本一致，也是主要考虑有无冷锋或明显冷空气直接影响贵州。对此次过程，各级气象台站之前都报了暴雨，但对降水极端性预估不足，加上数值模式对此类暴雨预报能力有限，使其预报难度明显增大，有必要对该个例进行分析和总结。因此，本文利用常规气象观测资料、FY-2E气象卫星云顶亮温(TBB)资料、铜仁多普勒天气雷达资料、区域自动气象站资料与NECP/NCAR 1°×1°逐6 h 全球再分析资料，对“7·3”梵净山暴雨过程的降水特点、环流背景以及中尺度对流系统演变与环境场特征展开分析，探讨梵净山地形对强降水的影响和作用，以期加深对此类暖区极端降雨的认识，为提高贵州山区极端暴雨预报水平提供有价值的参考依据。

1 暴雨过程概述

2016 年7 月3 日08 时(北京时，下同)—4 日08 时，贵州大部地区出现降雨，全省累积雨量大于150 mm的大暴雨区集中在梵净山东南侧的江口、碧江、万山和玉屏等区县，250 mm 以上的特大暴雨区位于江口、万山和碧江3 个区县(图略)。从3 日08 时—4 日08 时铜仁市24 h累积雨量分布图上可见(图1a)，铜仁有122个自动站(含区域站)累积降雨量在50 mm 以上，其中位于梵净山东南侧的自动站占92%，且累积雨量超过200 mm 的26 个站均位于梵净山东南侧的碧江区(10站)、万山区(9站)和江口县(7站)；过程最大累积降雨量376.6 mm，出现在江口老屋区域站，该站7月4日00—01时出现本次过程最大雨强101 mm·h-1，这在当地有气象记录以来极为少见。

统计分析铜仁市辖10 个国家气象站和376 个区域自动站逐小时雨量资料显示，本次过程大致分为三个阶段：初始阶段(3日08—22时)，各时次雨强超过20 mm·h-1的站点数均不足13 站(含区域站，下同)，仅20 时和22 时有个别站雨强超过50 mm·h-1，强降雨相对较分散，雨势相对较弱；强盛阶段(3 日22 时—4 日07时)，各时次雨强超过20 mm·h-1的站点数均在20站以上，强降雨在江口县、碧江区、万山区持续时间长达9 h，且大多数时次最大雨强均在50 mm·h-1以上，特别是4 日00—01 时上述区域降雨达到最强，其中江口、碧江大部分站点雨强超过30 mm·h-1，个别站达100 mm·h-1以上；减弱阶段(4 日07 时以后)，雨强迅速减弱到15 mm·h-1以下，强降雨逐渐结束。

图1 2016年7月3日08时—4日08时铜仁市24 h累积雨量(单位:mm)分布(a，红色菱形为累积雨量大于200 mm站点；空心五角星为老屋站)以及老屋站逐小时雨量(单位:mm)变化(b)Fig.1(a)The 24-hour accumulated precipitation(unit:mm)in Tongren Municipality of Guizhou Province and(b)hourly rainfall(unit:mm)at Laowu station in Jiangkou County from 08:00 BT 3 to 08:00 BT 4 July 2016.In(a)red diamonds denote the stations with accumulated precipitation greater than 200 mm,and hollow five-pointed star marks Laowu station.

以过程最大雨量所在的江口县坝盘镇为例，图1b 给出 该 镇 老 屋站7 月3 日08 时—4 日08 时逐小时雨量变化。从中看到，降雨从7 月3 日14 时一直持续到4 日08 时，期间小时雨量出现波动，除4 日01 时的主峰之外，还存在3 日16 时、20 时和4 日06 时多个次峰，其中初始阶段(3 日14—22 时)有4 个时次雨强超过15 mm·h-1，最大雨强32.8 mm·h-1；强盛阶段(3日22时—4 日07 时)有5 个时次雨强超过20 mm·h-1，且在4日01—03 时连续3 h 雨强超过40 mm·h-1，分别为101.0 mm·h-1、41.2 mm·h-1和40.4 mm·h-1。可见，“7·3”梵净山暴雨过程属于梵净山区极端暴雨事件，其降雨强度大、雨量集中，中尺度特征明显。

2 环流形势与影响系统

“7·3”梵净山暴雨过程发生期间，500 hPa 中高纬地区维持“两槽一脊”形势，高压脊位于贝加尔湖附近(50°—60°N)，贝加尔湖以东为宽广高空槽区，高空槽发展深厚，在500—200 hPa上均表现明显(图略)。7月3 日08 时暴雨发生前(图略)，中纬度西南地区北部受大陆高压脊控制，西北太平洋副热带高压(以下简称副高)主体位于海上且少动(120°E 脊线位置稳定在28°N附近)，西南地区东部位于两高之间的高空槽区，低压槽处于四川东北至东南部；3日20时暴雨发生的初始阶段(图2a)，500 hPa位于川东的低槽发展东移至湖南西北部至广西北部，铜仁位于高空槽后，受冷平流影响，由于高空槽逐渐逼近稳定维持的副高，使两者间相互作用渐趋明显；受副高阻挡，3日20时—4日08时500 hPa 高空槽加深(图略)，并一直维持在湖南西北部至广西北部一带，同时槽后西北气流加强，冷平流增强使铜仁上空大气不稳定度加大，有利于对流继续发展。

图2 2016年7月3日20时梵净山暴雨过程主要天气系统配置(a)与地面形势场(b)(图a、b中D分别表示700 hPa低涡和地面低压系统；图b中G表示地面高压系统)Fig.2(a)Superposition of the major weather influencing systems and(b)surface situation field at 20:00 BT on 3 July 2016 during the heavy rainfall event occurred in Fanjing Mountain.In(a)and(b)the symbols“D”indicate the low vortex at 700 hPa and the surface low pressure,respectively.In(b)the symbol“G”indicates the surface high pressure.

分析高层200 hPa环流形势可知，3日08时暴雨发生前(图略)，重庆中部至四川东南部有西风槽；3 日14时(图略)，西风槽发展东移至重庆东部到贵州西北部，铜仁受槽前西南偏西气流影响，此时怀化站(位于铜仁东侧湖南西部)和河池站(位于铜仁南侧广西北部)的风向为西南偏西风和西北偏西风，风速分别为12 m·s-1和8 m·s-1，铜仁位于槽前风向风速辐散区；3日20时暴雨发生时段，西风槽东移至湖北西南部到贵州东北部，铜仁受槽前西南偏西气流影响，此时河池风向为西北风，而怀化风向维持的同时风速增至16 m·s-1，铜仁位于西风槽前明显的分流辐散区内(图2a)，高空风辐散强烈，3日夜间辐散继续加强。铜仁上空200 hPa 强烈的“辐散抽吸”作用有助于维持并加强中低层大气辐合上升运动，这对该地区对流发展维持也十分有利。

暴雨期间，低层850—925 hPa始终有暖切变线维持。其中3 日14 时(图略)，850 hPa暖切变线位于贵州北部，从广西南部至湖南西部建立了一支12～16 m·s-1西南低空急流，铜仁位于暖切变线南侧、低空急流左前端，碧江、松桃、江口等区县开始出现分散强降雨(雨强大于10 mm·h-1)；3日20时(图2a)，850 hPa暖切变线维持在贵州中北部至湖南北部一带，强的西南低空暖湿气流(达12～18 m·s-1)使贵州东部形成高湿区(700 hPa比湿大于12 g·kg-1，850 hPa 比湿大于16 g·kg-1)，且500 hPa以下温度露点差均小于2 ℃，说明大气呈近饱和高湿状态，梵净山东侧925 hPa 边界层开始出现偏东风与偏南风中尺度辐合线，边界层动力抬升作用促使对流发展；3日夜间850—925 hPa暖切变线维持，低空急流持续为暴雨区输送充沛水汽，同时高空槽后冷平流与低空偏南暖湿气流叠加造成大气对流不稳定增大，使对流组织化发展和降水加强。需要说明的是，根据压高公式(盛裴轩等，2003)计算，925 hPa所在高度约680 m，而铜仁市梵净山东侧地处云贵高原东部边缘，海拔高度相对较低，且铜仁市位于梵净山东侧的5 个区县有81.5%的气象站海拔高度在680 m 以下。因此，在梵净山地形影响下，本文对925 hPa资料的分析是有意义的。

地面图上(图2b)，“7·3”梵净山暴雨过程期间，新疆、青海、内蒙一带维持低压系统，北方无冷锋南下，贵州为均压场(间隔2.5 hPa贵州省区域内只能分析出1条等压线)控制，无明显冷空气影响。

综上分析表明，500 hPa 高空槽和850 hPa 暖切变线是“7·3”梵净山暴雨过程主要的天气尺度影响系统，副高的阻挡作用使850 hPa 暖切变线较长时间影响铜仁是特大暴雨产生的关键；在季风云系和低层辐合切变系统共同作用下，低空急流携带的水汽在梵净山东南侧辐合上升，与高层200 hPa 强的“辐散抽吸”作用耦合，为强降雨提供了充沛水汽和良好动力抬升条件；而高空冷平流叠加低空暖湿气流加大了大气对流不稳定。“7·3”梵净山暴雨过程发生在850 hPa暖切变线南侧的偏南暖湿气流中；地面上，暴雨发生前后北方无冷锋南下，贵州为低压系统控制，使该过程成为贵州梵净山区一次极端暖区暴雨过程。

3 暖区暴雨中尺度对流系统演变特征

3.1 中尺度对流云团活动与强降雨的关系

“7·3”梵净山暴雨过程由若干中尺度对流云团连续影响造成。利用FY-2E TBB资料及铜仁各站逐小时降水资料对中尺度对流云团演变进行跟踪分析，并将水平尺度20～250 km、生命史3 h及以上、云顶亮温(TBB)达-32 ℃及以下的中尺度对流云团定义为β中尺度对流系统MβCS(叶朗明和苗俊峰，2014)。7 月3 日08—14时(图略)，850 hPa贵州中西部暖切变线南侧有多个对流小云团生成，并在500 hPa 高空槽引导下缓慢东移；3日15时(图3a)，上述对流云团在东移过程中逐渐合并发展为3个β中尺度对流云团A、B、C，且3个云团呈准东西向带状分布，此时云团A主体位于梵净山东南侧的碧江、江口一带，其中心TBB值降至-59 ℃，15—16 时(图略)云团A 继续东移加强，云顶中心TBB达-62 ℃，16—17时(图略)该云团减弱快速向东移出铜仁；结合对图1b 的分析可知，云团A 对暴雨区的主要影响时段为3日14—17时，最强降雨时段出现在14—16 时(最大小时雨量34.6 mm)，该时段20 mm·h-1以上强降雨站点集中在云团A中心附近及其后侧TBB等值线梯度大值区。3日17时(图略)，云团B东移至铜仁南部并开始影响暴雨区，云团结构较松散，造成的降水较弱(雨强不足10 mm·h-1)，17—19 时云团B 在东移过程中其云顶TBB≤-41 ℃的面积从120 km×110 km减小至60 km×60 km，但云团B结构变得密实，云顶中心TBB值由-54 ℃降至-60 ℃以下，该云团造成的降水增强，最大雨强从9.8 mm·h-1(16—17时)增至41.6 mm·h-1(18—19 时)；3 日19—22 时发展旺盛的云团B 移速变慢，造成江口、碧江、万山等地大范围强降雨，相应时段各时次最大雨强达41.6～71.5 mm·h-1，强降雨区位于云团B后侧TBB等值线梯度大值区；与此同时，该时段云团C在500 hPa槽后西北气流引导下主体东南移，云团D(图3b)在云团C 的北侧触发后，与云团C 相互作用东移发展。3 日22 时(图略)，云团B 向东移出铜仁，云团D 东移至铜仁西南部，其主体与云团C分离；3日22时—4日01时云团D东移过程中与梵净山东南侧本地触发的小对流云团合并加强，4日01时云团D发展成结构密实、近似圆形的MβCS(图3c)，云顶中心TBB达-66 ℃，云顶TBB≤-41℃的面积达150 km×150 km，发展旺盛的云团D移动缓慢，对梵净山东南侧的影响一直持续到4日04时，期间各时次最大雨强达52.5～101.0 mm·h-1，其中4 日00—01 时江口县坝盘镇出现本次暴雨过程最大小时雨量(101.0 mm)；该MβCS在江口、碧江、万山等地停留时间长达6 h(3日22时—4日04时)，成为造成“7·3”梵净山暴雨过程最主要的中尺度对流系统，20 mm·h-1以上强降雨出现在云团D 中心附近及其后侧TBB等值线梯度大值区。4 日04 时(图略)，对流云团D主体移出铜仁，其后侧铜仁中南部本地触发3 个γ中尺度对流云团，4 日04—05 时这3 个云团合并加强，迅速发展成β中尺度对流云团E，4 日05—06 时云团E 中心TBB达-64 ℃(图3d)，对梵净山东南侧的影响一直持续到4日08时，最强降雨主要出现在云团E发展到成熟阶段(4 日05—07 时)，20 mm·h-1以上强降雨站点位于对流云团E 中心附近及其后侧TBB等值线梯度大值区。4 日08 时后，云团E 向东移出铜仁，铜仁上空无TBB≤-32 ℃的对流云团(图略)，强降雨过程趋于结束。

图3 2016年7月3日15：00(a)、19：00(b)和4日01：00(c)、06：00(d)FY-2E红外云图与相应时刻前1 h雨量大于等于20 mm的站点(绿色圆点)分布(等值线为云顶亮温，单位：℃；A、B、C、D、E表示对流云团)Fig.3 The FY-2E infrared images and the distribution of stations(green dots)of prior-1 h rainfall greater than or equal to 20 mm at(a)15：00 BT,(b)19：00 BT on 3 and(c)01：00 BT,(d)06：00 BT on 4 July 2016.Contours denote brightness temperature(unit：℃),and symbols A,B,C,D and E denote convective cloud clusters.

综上分析可知，“7·3”梵净山暴雨过程由4个中尺度对流云团连续影响造成，其中云团D 影响时间最长、造成的降雨强度最大，是本次特大暴雨最主要的中尺度对流系统。强降雨主要发生在对流云团发展到成熟阶段，强降雨出现在对流云团中心附近及其后侧TBB等值线梯度大值区。这提示预报员在实际预报业务中注意，在有利的环流背景下，要高度关注多个排列呈带状分布的中尺度对流云团，当对流云团的移动方向与云团的带状排列走向一致时，多个对流云团连续影响常会在暴雨区形成明显的叠加效应。

3.2 雷达回波演变与强降雨的关系

铜仁雷达组合反射率因子产品显示，7月3日10时玉屏南部开始出现块状对流回波(图略)，3日10—14时(图略)该回波受偏南气流引导向东北方向移动发展，中心强度达50 dBz，对流性质明显，造成梵净山东南侧玉屏、万山、碧江等区县强降水，最大雨强41.5 mm·h-1(万山区岩院子区域站)；结合对图3 分析可知，3 日14时—4 日08 时对流云团A、B、D 和E 连续影响梵净山东南侧暴雨区，对应该时段铜仁雷达反射率因子产品显示(图略)，850 hPa暖切变线南侧的梵净山暴雨区不断有对流单体生成，同时从铜仁西南部不断有块状对流回波东移与梵净山东南侧本地触发的对流单体合并、加强形成强回波带，中心强度超过40 dBz，强回波对江口、碧江、万山等地连续影响形成明显“列车效应”是造成此次特大暴雨的重要原因。

结合对图1 和图3 的分析可知，对流云团D 造成的雨强最大、持续时间最长(3 日22 时—4 日04 时)，对“7·3”梵净山特大暴雨的产生起主要作用。因此，对云团D 影响暴雨区时段的铜仁雷达产品进行重点分析。雷达组合反射率产品显示(图略)，3日22时—4日04时不断有强度为35 dBz左右的块状回波从思南、石阡一带东移，在梵净山东南侧与本地触发的对流单体合并加强，回波中心强度维持在40～55 dBz，表明此次暴雨过程的反射率因子回波类型属于积状云为主的混合降水回波(俞小鼎等，2006)。分析该过程最强降水时次(4 日00—01 时)雷达反射率因子表明，4 日00∶37 的0.5°仰角反射率因子图上(图4a)，江口、碧江、万山上空维持大范围强度超过30 dBz的对流回波带，其中镶嵌多个强度超过40 dBz的块状积云降水回波；沿图4a中黑色实线的反射率因子垂直剖面图(图4b)显示，强度超过35 dBz的强回波伸展高度达8 km，而大于40 dBz的回波集中在0 ℃层(5.4 km)高度以下，且回波质心低(在3 km以下)，说明反射率因子主要由液态雨滴的后向散射造成，属于典型强降水型对流回波(俞小鼎等，2013)。

图4 2016年7月4日00：37铜仁雷达0.5°仰角反射率因子(a)与沿图a中黑实线的反射率因子垂直剖面(b)，以及同日00：26(c)、00：58(d)1.5°仰角径向速度(图c中黑色椭圆区为小尺度风向切变或辐合区；图d中黑色椭圆区为±10 m·s-1极大风速中心)Fig.4(a)Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 0.5°elevation angle from Tongren radar at 00：37 BT on 4 July 2016 and(b)vertical cross sections of radar reflectivity factor(unit:dBz)along the black solid line in(a).Radial velocities(unit:m·s-1)at 1.5°elevation angle from Tongren radar at(c)00：26 BT and(d)00：58 BT on 4 July 2016.In(c)the black elliptic area marks the area with wind direction shear or convergence,and in(d)the black ellipses denote the centers with maximum wind speed of greater than or less than 10 m·s-1.

此外，分析4日00—01时铜仁雷达径向速度图发现，4日00∶16—00∶37在特大暴雨中心江口县坝盘镇附近1.5°仰角图上有明显的小尺度风向切变或辐合(图4c)，并持续3 个体扫，该时段坝盘镇附近回波强度维持在40 dBz 左右，当日00∶10—00∶40 老屋站逐10 min雨量分别达17.9 mm、23.2 mm和20.3 mm，说明边界层小尺度风向切变或辐合区的存在加强了上升运动，使低层水汽辐合抬升增强、雨强增大。另外，降雨强盛阶段，1.5°仰角径向速度图显示(图4d)，梵净山东南侧维持±10 m·s-1的速度对，近地层形成“准东北风急流”，其作用主要体现在两个方面：一是自松桃、凤凰南下的东北偏东风沿梵净山东侧向南流，与从玉屏、新晃北上的偏南暖湿气流在江口、碧江、万山一带形成稳定的近地层中尺度风向辐合区，有利于对流在该区域触发、加强和组织化发展；二是近地层偏北风分量的存在造成浅薄冷平流入侵，促使暖区内暖湿空气抬升和不稳定能量释放形成强降水。

4 暖区暴雨中尺度对流系统发生发展的环境条件

4.1 水汽条件与不稳定条件

分析7月3日08—20时高空实况资料(图略)可知，700—925 hPa 上均有偏南低空急流建立，铜仁受低空急流左侧偏南气流影响，低层强的偏南风将充沛水汽输送到铜仁，使其上空850 hPa比湿由16 g·kg-1增大到17 g·kg-1、700 hPa比湿由4 g·kg-1迅速增至12 g·kg-1；3日20时700—925 hPa该区域温度露点差减小至0.5～1.0 ℃，500 hPa温度露点差为2 ℃，说明此区域水汽非常充沛，湿层深厚，中低层大气呈近饱和状态，有利于强降水持续。

进一步分析水汽条件发现，3日20时降雨初始阶段(图略)，850 hPa从南海到梵净山东南侧为一致偏南风，水汽通道上偏南风速为8～10 m·s-1，暴雨区水汽辐合明显，辐合强度达(-9～-12)×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2；4 日02 时降雨强盛阶段(图5a)，850 hPa 水汽通道上偏南风加强至8～12 m·s-1，水汽输送进一步增强，同时在梵净山东南侧暴雨区上空有中尺度低涡切变系统生成，加大了低层辐合动力抬升作用，使暴雨区水汽辐合增强至(-12～-15)×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，有利于强降雨发展。此外，分析图5a中水汽通量分布特征发现，梵净山地形对低空偏南气流携带水汽向北输送起阻挡作用，使梵净山东南侧形成10～18 g·s-1·cm-1·hPa-1的水汽通量等值线密集区，该区域与850 hPa 中尺度低涡切变系统和水汽辐合中心对应较好。

图5 2016年7月4日02时850 hPa风场(箭矢，单位:m·s-1)、水汽通量(等值线，单位:g·s-1·cm-1·hPa-1)与水汽通量散度(填色区，单位:10-8g·s-1·hPa-1·cm-2；仅给出水汽辐合值)叠加图(a)，以及沿27.6°N经暴雨中心的温度平流(单位:10-5K·s-1)纬向剖面图(b)图a中黑色遮蔽区为高度大于1 500 m的地形；图b中，垂直虚线表示暴雨中心(109.0°E，27.6°N)位置，黑色遮蔽区为高原地形Fig.5(a)Superposition of wind field(arrows,unit:m·s-1),water vapor flux(contours,unit:g·s-1·cm-1·hPa-1)and water vapor flux divergence(color-filled areas,unit:10-8g·s-1·hPa-·1cm-2,and only the water vapor convergence values were given),and(b)zonal cross section of temperature advection(unit:10-5K·s-1)along 27.6°N across heavy rainfall center at 850 hPa at 02:00 BT on 4 July 2016.In(a)the black shaded areas denote the terrain with height greater than 1 500 m.In(b)the vertical dashed line marks the heavy rain center(109.0°E,27.6°N),and the black shaded area denotes the plateau terrain.

另外，为进一步分析“7·3”梵净山暴雨过程的不稳定条件，图5b 给出4 日02 时(降雨强盛阶段)沿27.6°N经特大暴雨中心的温度平流纬向剖面图。从中看到，特大暴雨区(108.8°—109.3°E)西侧106°E附近500 hPa有-6×10-5K·s-1的冷平流中心，冷平流主要从西北方向向梵净山东南侧上空渗透；500 hPa以下至边界层上部为一致暖平流，结合本文第2节分析可知，随着西风槽东移，槽后暖脊发展加强使槽后西北风加大，高空冷平流输送加强，低层暖湿气流与高空冷平流叠置使暴雨区上空大气对流不稳定增大；此外，近地层在暴雨区的西侧有-2×10-5K·s-1的弱冷平流中心，结合文中第3.2 节中的分析结果，正好佐证了梵净山东侧近地层有“准东北风急流”受梵净山地形阻挡流向南，南下的偏北风携带浅薄弱冷平流侵入暴雨区，但这并未改变边界层上部暖湿空气环境，有利于触发对流和加大近地层水汽在暴雨区辐合抬升凝结。

4.2 探空环境参数

有研究表明(孙军等，2012；许爱华等，2014)，降水系统中暖云层越厚，越有利于高效率降水；环境大气相对湿度越大，雨滴蒸发率越小，越有利于高效率降水；暖云厚度可由抬升凝结高度至0 ℃层高度之间的厚度来估算。本文利用距暴雨区最近的怀化探空站资料，分析探空站及其上空一定范围内各气象要素垂直分布特征和有关物理量演变特征，探讨“7·3”梵净山暴雨过程中有利的探空环境条件。表1 给出7 月3日08时—4日08时怀化探空站有关物理参数。

表1 2016年7月3—4日不同时刻怀化探空站环境参数Table 1 The environmental parameters from Huaihua sounding station at different times from July 3 to 4 in 2016.

分析表1 可知，3 日08—20 时，K 指数由27 ℃增至40 ℃，其显著增大主要表现为中层700 hPa 水汽饱和程度显著增加，这在一定程度上反映出中低层水汽输送显著增大和大气热力不稳定加大。3日08—20时CAPE 由800 J·kg-1左右增大至1 200 J·kg-1(中等强度)以上，LI (绝对值)从-0.4 ℃增大至-2.5 ℃，说明该地区有较强对流不稳定能量积聚，且大气层结非常不稳定；4 日08 时不稳定能量释放，CAPE 迅速减小至465.8 J·kg-1，暴雨过程逐渐结束。

图6给出7月3日—4日不同时刻怀化探空站T－lnp图。结合表1对图6分析发现，3日14—20时，大气湿层(相对湿度≥80%)从800 hPa 上升至350 hPa，0 ℃层高度维持在5.0 km 以上，3 日20 时探空曲线显示(图6b)，500 hPa以下温度露点差T－Td≤2 ℃，且温度和露点曲线相互靠近，说明湿层和暖云层深厚；此外，3 日14 时—4 日08 时暴雨过程期间，抬升凝结高度(LCL)和自由对流高度(LFC) 均低于950 hPa (表1)，表明此次暖区暴雨的对流抬升高度低，同时在探空图上正CAPE 区呈“瘦高”型分布，CAPE 维持中等强度(1 300 J·kg-1左右)，这对形成高效率降水十分有利。另外，结合本文第2节的分析，3日14—20时，随着500 hPa高空槽过境，一方面对流层中层槽后西北气流与低层偏南气流均得到加强，使0—6 km 垂直风切变增大至11.2 m·s-1，而0—3 km 垂直风切变维持8.0 m·s-1左右，有利于气旋性辐合加强；另一方面，暴雨区上空冷暖平流同时加强，使850—500 hPa 温差达22～25 ℃(图略)，对流不稳定加大有利于中尺度对流系统发展加强。

上述分析表明，深厚暖云层和湿层、低层充沛水汽输送、异常偏低的LFC 和LCL 以及中等强度“瘦高”型CAPE 为“7·3”梵净山暴雨过程高效率降水提供了有利的探空环境；此外，3日夜间高空西北气流与低层偏南气流均加强，使暴雨区上空大气热力不稳定和垂直风切变增大，有利于850 hPa 中尺度低涡系统生成和发展，使低层辐合抬升作用加强，这对夜间强降雨发展具有指示意义。

4.3 边界层有利的触发和增强条件

许爱华等(2014)研究认为，边界层辐合线的动力扰动往往是强对流天气的重要触发者和组织者。分析探空和地面观测资料看到(图略)，“7·3”梵净山暴雨过程中梵净山东南侧925 hPa 至地面受东南风控制，而梵净山东北部维持东北风，梵净山东侧上述边界层风场形势下，一方面偏南风与偏北风相互作用使暴雨区形成稳定的边界层中尺度辐合线；另一方面，边界层东南气流在迎风坡强迫抬升可加强低层水汽辐合。到4 日08 时(图略)，梵净山东侧地面转为一致的东北风，暴雨过程结束。为了进一步探讨地面风场演变对梵净山东南侧降雨回波的可能影响，本文以铜仁各区县本站地面风场为代表，将铜仁雷达组合反射率产品与对应时刻地面风场进行叠加分析。图7给出7月3—4 日不同时刻地面风场与对应时刻铜仁雷达组合反射率因子。

图7 2016年7月3日15∶00(a)、17∶00(b)、19∶00(c)、23∶00(d)及7月4日01∶00(e)、05∶00(f)地面风场(风向杆，单位:m·s-1)与铜仁雷达组合反射率(填色区，单位:dBz)叠加图(红线为地面辐合线)Fig.7 Superposition of wind field(barbs,unit:m·s-1)in ground level and composite reflectivity factor(color-filled areas,unit:dBz)from Tongren radar at(a)15∶00 BT,(b)17∶00 BT,(c)19∶00 BT,(d)23∶00 BT on 3 and(e)01:00,(f)05∶00 on 4 July 2016.Red lines denote surface convergence lines.

分析图7 可知，对流回波带与地面中尺度辐合线(图中红线所示)有较好的对应关系。3日14时(图略)，在江口中部至碧江中部开始形成中尺度风向辐合区，在有利的环流背景下，预示着对流将在该中尺度辐合区附近触发和加强，到3日15时(图7a)，风向辐合区已有中心强度达45 dBz的对流回波带发展，该回波在辐合线附近持续3 h左右。3日17时(图7b)，江口南部出现强度为35 dBz的块状对流回波，回波位于地面中尺度辐合线南侧，3日17—19时，该对流回波沿地面中尺度辐合线附近发展并缓慢东移，19 时其中心强度达40 dBz 以上(图7c)，对暴雨区的影响一直持续到3 日22时。此期间，地面辐合线两侧风速为4～8 m·s-1，造成的最大小时雨量为71.5 mm (21—22 时万山敖寨站)。3 日夜间(图7d—f)，地面中尺度辐合线附近辐合明显加强，风速达8～10 m·s-1，有利于边界层水汽辐合增强和对流发展；雷达组合反射率产品显示，该时段30 dBz 以上回波范围明显扩大，其中4 日01 时(图7e)地面中尺度辐合线附近辐合强度达最大，其南侧东南风6～8 m·s-1，北侧东北风6～10 m·s-1，对应4 日00—01时雨强达最强(有20站雨强在20 mm·h-1以上，江口坝盘镇最大达101 mm·h-1)；4日07时以后(图略)，梵净山东南侧地面转为一致的4～12 m·s-1东北风，地面辐合线减弱消失，降雨回波快速南压移出铜仁，此次强降雨过程结束。

综上分析可知，3日14时—4日07时“7·3”梵净山暴雨过程中梵净山东南侧江口、万山、碧江中部一带稳定维持一条准东西向地面中尺度辐合线，降雨回波带位置与地面中尺度辐合线位置基本吻合，同时辐合线附近辐合增强对应雨强加大，表明地面中尺度辐合线附近较好的动力抬升条件和水汽辐合条件有助于强降雨回波生成、加强和维持，这为梵净山东南侧特大暴雨产生提供了有利的对流触发条件和降雨增幅条件；此外，3日夜间地面中尺度辐合线两侧风速均增大，使辐合线附近辐合抬升作用增强，这可能也是夜间降水增强的原因。

5 梵净山地形的影响作用

暴雨是一种中小尺度天气过程，受局地因子作用较大，尤其是山区复杂下垫面的动力和热力作用往往能触发暴雨并造成降水增幅。陈明等(1995)认为，地形性强迫抬升和辐合是触发暴雨和加强暴雨的重要机制；郭英莲等(2012)指出，地形对降水的触发作用包括地形迎风坡抬升触发和地形对近地层流场作用造成的辐合触发。梵净山山脉位于铜仁中部，其走向为北东北—南西南，全境山势挺拔，坡陡谷深。图8 给出3 日08 时—4 日08 时累积雨量与梵净山地形叠加图。

结合图1a 分析图8 可知，“7·3”梵净山暴雨过程中24 h 累积雨量大于50 mm 的区域主要分布在梵净山东南坡，而其西北侧降雨量普遍在50 mm以下。结合第4.3 节分析可知，暴雨期间铜仁碧江区中部及以南地区地面维持东南风或东南偏东风(图8箭头1)，而碧江区中部以北至松桃县一带地面为东风或东北风(图8箭头2)，使碧江中部至江口中部一带地面维持中尺度风向辐合区，为此次梵净山东南侧暴雨产生提供了有利的边界层动力抬升条件，使暴雨中尺度对流系统在地面辐合线附近触发、合并、加强和较长时间维持。此外，梵净山东南侧迎风坡和山谷地形处(A区)累积降雨量在150 mm以上，A区地形具有喇叭口特征，边界层气流从东北路径和东南路径进入“喇叭口”区，加大了暖湿气流的辐合强迫抬升并引发中小尺度气压扰动，使对流加强、雨势加大，形成过程雨量376.6 mm的特大暴雨中心；A 区西侧的梵净山东南侧迎风坡(B区)累积降雨量为50～150 mm，地形作用主要表现为迎风坡对偏东偏南暖湿气流的强迫抬升，对比A区降雨量，喇叭口地形对降水的增幅作用明显大于单纯迎风坡地形抬升；梵净山西侧和西北侧的背风坡(C区)累积降雨量在50 mm以下，C区地形强迫抬升不明显，累积雨量和雨强均偏小。

图8 梵净山区2016年7月3日08∶00—4日08∶00累积雨量(黑色等值线，单位:mm)与地形高度(填色区，单位:m)A表示累积降雨量≥150 mm的区域，B表示迎风坡累积降雨量为50～150 mm的区域，C表示背风坡累积雨量小于50 mm的区域；红色三角形表示位于暴雨中心的老屋站，红色圆点表示累积雨量大于150 mm的站点；蓝色箭头线和棕色箭头线表示暴雨期间该区域下垫面主要风向；红色虚线表示山顶的走向及位置Fig.8 The 24-hour accumulated precipitation(black contours,unit:mm)from 08∶00 BT 3 to 08∶00 BT 4 July 2016 and terrain height(color-filled areas,unit:m)in the Fangjing mountains.symbols“A”marks the area with accumulated rainfall greater than or equal to150 mm“,B”marks the area with accumulated rainfall greater than 50 mm and less than 150 mm on the windward slope,and“C”marks the area with accumulated rainfall less than 50 mm on the lee ward slope.Red triangle denotes the Laowu station in the heavy rainfall center,and red dots denote the stations with cumulative rainfall greater than 150 mm.The blue and brown lines with arrows represent the main wind direction in the underlying surface during the heavy rainfall event.Red dashed line represents the ridge and position of the Fangjing Mountain top.

此外，暴雨发生期间，850 hPa 和700 hPa 均存在低空急流，925 hPa有超低空急流，使铜仁地区上空维持深厚湿层和充沛水汽。怀化探空资料(图6)显示，925 hPa在3日14时为西南风，3日20时风向转为东南风并维持到3 日夜间，对应此时段梵净山东南侧暴雨区地面辐合线南侧的东南风或东南偏东风(图8箭头1)，近地层风向与山脉走向近乎垂直，加强了夜间暖湿气流在迎风坡的强迫抬升，这一定程度上造成了夜间强降雨维持和雨强增大。

6 结论与讨论

本文利用多种资料，从降水特点、环流背景、中尺度对流系统演变与环境场特征对“7·3”梵净山暴雨过程进行了分析，并探讨了梵净山地形对此次强降雨过程的影响。主要得到如下几点结论：

(1)暴雨主要发生在500 hPa 高空槽区、低层暖切变线南侧、低空急流左前侧及高空200 hPa 分流辐散区，主要天气尺度影响系统为500 hPa高空槽和850 hPa暖切变线；该过程地面无明显冷空气影响，属于贵州梵净山极端暖区暴雨过程，过程降雨强度大、局地性强、中尺度特征明显。

(2)暴雨由4个对流云团连续影响造成，强降雨集中在对流云团中心及其后侧云顶TBB等值线梯度大值区；其中云团D影响时间最长、雨强最大，是造成此次特大暴雨最主要的中尺度对流系统。强降雨回波为积状云为主的混合降水回波，地面中尺度辐合线是边界层动力抬升触发的有利条件，强降雨回波在上述区域附近触发、合并、加强、东移，其连续影响形成明显的“列车效应”是产生特大暴雨的重要原因。

(3)深厚暖云层和湿层，低层充沛的水汽输送，异常偏低的LFC和LCL，以及中等强度“瘦高”型CAPE分布是该过程产生高效率降水的有利环境条件；3 日夜间高空冷平流与低层暖湿平流叠加，使大气更趋不稳定；边界层浅薄冷平流侵入未改变其上部暖湿结构，有利于对流触发、加强并加大边界层水汽向暴雨区输送。

(4)梵净山地形对水汽的向北输送具有阻挡作用，使水汽通量大值带、水汽辐合中心集中在其东南侧；同时边界层偏东风受山脉阻挡强迫抬升以及喇叭口地形的辐合作用，使得低层水汽抬升凝结，也是强降雨维持、雨强加大的重要原因之一。

实际业务中预报员对此次暖区暴雨的极端性预估不足，究其原因，主要有三点：(1)忽略了深厚暖云层和高湿环境下梵净山东南侧超低空偏东气流与偏南气流之间的辐合动力触发机制与中小尺度喇叭口地形的强迫抬升作用，对流和降雨往往会在上述区域加强或停滞；(2)在有利的环流背景下，夏季副高稳定维持，在0～6 h短时预报中对自贵州西部东移的多个呈准东西向带状分布的对流云团重视度不够，这些云团往往会对暴雨区造成连续影响而形成明显的叠加效应；(3)暴雨过程中0～2 h 临近预报，对地面区域站实况资料的重视和分析不够，特别是地面风场上中尺度辐合线的稳定存在，对流往往在地面中尺度辐合线附近触发或明显加强。