冷锋前后铜仁两次不同类型暴雨天气过程对比分析

张祝 杨群 茅海祥 付瑞滢 张李娟 冉光镜

摘要 2016年5月6—8日受地面冷锋前、后不同天气系统影响，铜仁连续发生了两次不同特点的强降水过程。利用常规气象观测资料、自动站资料、NCEP 再分析资料及卫星、雷达资料，对这两次强降水天气过程的大尺度环流背景和热力及水汽输送条件、中小尺度特征进行对比分析。结果表明： 冷锋前后，由于温湿条件不同、系统配置不同，中小尺度系统强度不同，导致铜仁发生了不同的天气现象。5月6日强降水是一次强对流天气过程，降雨强度大，前期水汽条件较差呈“上干下湿”状，且能量充足，大气层结不稳定触发了强对流天气的发生，强回波伸展高度远远超过0℃和-20℃层高度，呈现回波悬垂和弱回波区特征，并伴随有强的中气旋出现，则利于局地暴雨、冰雹出现;5月8日夜间以稳定性降水为主，大气层结比较稳定，暴雨前、后湿层都较厚，且低空存在西南急流，为暴雨提供了重要的水汽和动力条件。同时回波强度较弱，伸展高度低，以液态降水为主。

关键词 暴雨;对比分析;强对流

中图分类号：P458 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）05–0043–05

暴雨是铜仁汛期主要气象灾害，受地形影响，常常在夜间突发局地强降雨天气，容易造成山洪、滑坡、泥石流和城镇内涝等灾害。因此，研究暴雨的发生发展机理仍然是气象工作者的重点工作内容。但铜仁灾害性暴雨天气常常由午后暖区对流降雨和系统性稳定降雨两种天气引起。这两种灾害天气在其形成的大尺度环流背景和物理机制方面有许多相似之处，如强位势不稳定、不稳定能量大量释放的扰动机制、丰富的水汽供应等。但是，在天气预报中两者又有不同点，如不稳定能量的强度、水汽的分布状态、云团的强度和伸展高度等。对于暴雨的研究，有不少学者从环流配置方面入手，得出利于出现暴雨的中尺度环境场，在高低空环流的有利配置下，才有利于出现暴雨天气[1-4]。从物理量诊断分析得出，暴雨发生的物理量指标及暴雨发展时物理量的演变情况，暴雨的发生需要有充足水汽、潜在的不稳定能量和适当的触发条件[5-7]。

对于伴有冰雹、强雷电等暴雨天气时，常常要考虑是否存在有利于出现强对流天气的天气背景。从温湿场特征条件、能量条件等方面分析，周后福等[8]分析了基于稳定度和能量指标作强对流天气的短时预报指标，得出73.8% 的对流发生前， A指数≥10℃，K指数≥35℃，或者两个指标同时满足;能量平衡高度较高，随着位势不稳定能量的增大， 出现强对流天气的可能性也增大。陈涛等[9]对南方春季强对流过程中影响对流发展的环境场特征分析，指出伴随冰雹、大风出现的天气，中高层较干，且具有较强的垂直切变，环境场气旋式旋转相对深厚;而湿层相对深厚，高低空急流的耦合机制更明显，则短时强降水较明显。同时配合雷达、卫星等探测方法，可以从中小尺度特征来分析，判断是否伴有强对流天气发生。袁鹏飞等[10]在研究冰雹的雷达回波分析时，得出在适宜冰雹生成发展的0℃层高度下，强度>55 dBz的回波高度高于-20℃层高度，VIL值>60 kg/m2， 回波顶高>12 km，有中气旋出现等，是降雹的可靠信号。

2016年5月6—8日，铜仁连续出现了2次不同类型的暴雨天气过程，5月6日午后到夜间铜仁出现较强的冰雹、大风、暴雨天气;而5月8日夜间以短时强降水为主，无强雷电、冰雹天气。主要利用常规观测资料、卫星、雷达、自动雨量站等加密观测资料和NCEP/NCAR1°×1°再分析资料，对两次暴雨天气过程进行对比分析，得出两种类型暴雨天气的特征，为以后暴雨预报提供参考。

1 天气概况和资料

2016年5月6日下午到夜间（简称“5·6”）铜仁市北部沿河、德江、松桃等地出现暴雨到大暴雨，并伴有雷雨大风、冰雹天气。从6日13：00至7日08：00全市自动站累计雨量来看（图1a），全市392个雨量站中，大暴雨有34站，沿河的中界乡最大达153 mm，暴雨有63站。大暴雨主要集中在沿河、德江、松桃等地。6日傍晚到夜间全市人影防雹作业11次，用弹219发。

2016年5月8日夜间（简称“5·8”），随着冷空气的南压，在锋后铜仁中部一线又出现暴雨天气，无伴随强雷电和冰雹等强对流天气发生。从8日20：00至9日08：00全市区域加密自动站累计雨量来看（图1b），大暴雨有8站，其中高新区雨量最大为122 mm;暴雨有76站，大暴雨主要集中在江口、松桃南部与碧江北部地区。

所用资料主要有常规观测资料、Ncep1°×1°再分析资料和自动站、雷达等非常规观测资料，对两次过程进行分析。

2 两次暴雨过程的天气环流形势

2016年5月6日08：00（图2a），500 hPa我国东北地区为一低涡，高原中部有槽，同时南支槽位于孟加拉湾，不断分裂短波槽东移，南支波动比较活跃，贵州地区为高压脊控制;700 hPa、850 hPa四川北部至四川南部有低涡生成，两广地区西南风明显增强，最大达到18 m/s。地面上冷锋位置偏北，贵州受热低压控制，地面辐合线位于贵州北部一线，铜仁处于西南风与东北风的交汇区。铜仁地区6日白天气温较高，空气闷热，大气处于高温高湿的状态。6日午后随着高空槽的东移，带动冷平流的南下，川东低涡逐渐发展，对流天气在地面辐合线附近生成发展。

而5月8日20：00（图2b），地面冷锋南压至贵州西部地区，铜仁转为为锋后冷空气影响。从地形配合风场来看（图2d），东北风自湘西地势较低的低洼地带向铜仁地势较高地区吹，这样东北风受地形阻挡，利于气流抬升，从而在铜仁地势较高处东侧的低洼地带降水发生。同时高空500 hPa高空槽位于川北地區，700 hPa切变线位于川东，850 hPa切变线位于贵州北部，两广低空急流北抬至贵州中南部地区，铜仁处于高空槽前，850 hPa切变线附近，低空急流左侧，利于降雨天气发生。

由此可见，“5·6”暴雨过程中，500 hPa上空受高压脊控制，高原有高空槽东移，地面为热低压控制。此次过程主要受中低层切变线和地面弱冷空气入侵影响，降水主要发生在中低层的暖切变线及地面辐合线附近，以暖区对流降水为主。“5·8”暴雨过程中，500 hPa上空处于高空槽前的西南气流控制下，850 hPa切变线位于铜仁中部一线，地面冷锋南压到贵州西部铜仁处于锋后，在这种形势下，降水主要集中在冷锋后，低空急流西南暖湿气流北侧与850 hPa切变线附近，由于东北风从低洼地带向地势较高处流动，利于强降雨在地势较高处的东侧发生。

3 两次暴雨过程的温湿条件对比分析

3.1 对流不稳定能量条件分析

3.1.1 对流有效位能（CAPE） 在对流可能发生的环境中，对流有效位能是一个与环境联系最为密切的热力学变量，广泛应用于国内外强对流天气的诊断分析[11]。

当气块受外力抬升，气块的重力小于浮力时，一部分位能可以释放，由于这部分位能对大气对流有积极的作用，并可以转化为大气动能，故称其为对流有效位能简称CAPE。计算公式为：

式中，EL为平衡高度，LFC为自由对流高度;Tvp为气块虚温;Tve为环境虚温。

图3为2016年5月6日08：00和5月8日20：00两次暴雨过程发生前的对流有效位能。可以看到，在“5·6”对流性暴雨过程中，铜仁境内CAPE值为1 500 J/kg以上，铜仁上空有强的对流不稳定能量。而“5·8”暴雨过程过程铜仁上空对流有效位能CAPE值为0 J/kg，大气处于稳定状态。因此，“5·6”暴雨发生前大气处于强的对流不稳定状态下，当有一定的触发机制形成时，利于强对流天气发生，而“5·8”暴雨过程大气处于稳定状态，不利于强对流天气发生。

3.1.2 假相当位温（） 大气的温湿条件是中尺度对流系统产生暴雨的首要前提，反映了大气的温湿状况。假相当位温（）也是表征大气不稳定的一个重要因子，>0为不稳定区。图4为2016年5月6日08：00与5月8日20：00 850 hPa与500 hPa 之差。由图可知，“5·6”暴雨发生前，850 hPa与500 hPa假相当位温差值，铜仁境内高达25℃～27℃，铜仁处于温湿不稳定区域内。而“5·8”暴雨过程发生前，8日20：00 850 hPa与500 hPa 之差仅为18℃左右，与6日暴雨过程相比，相差7℃～9℃，大气层结状态相对稳定，不利于强对流天气发生。

3.2 水汽条件对比分析

在降雨区整层饱和时，700 hPa比湿≥8 g/kg，850 hPa附近比湿≥14 g/kg，有利于暴雨天气出现。由此，从NCEP再分析资料计算铜仁暴雨区域（107.5～109.4°E，27.5～29.5°N）平均的比湿时序图分析（图5a），2016年5月6日20：00暴雨发生时，铜仁上空低层900 hPa以下比湿为16 g/kg以上，850 hPa的比湿达到了13～14 g/kg，700 hPa比湿为8 g/kg，500 hPa比湿为2～3 g/kg，因此中低层湿层相对深厚。但相对来说，低层湿度明显大于中层湿度值，整层大气湿度呈现“上干下湿”状态。而5月8日暴雨发生前，8日20：00中层700 hPa以下比湿都为10～11 g/kg，虽然低层850 hPa比湿较6日有所减小，但总体来看，中低层湿度还是较大，湿层有所增厚，有利于出现暴雨。

同时，从铜仁区域平均的相对湿度演变（图5b）可以看到，“5·6”暴雨发生前，5月6日08：00～20：00 800 hPa以下相对湿度≥80%，以上层次相对湿度<70%，较低，呈现“上干下湿”的状态。随着降雨的发生，6日20：00后整层的湿度增大，从低层1 000 hPa到200 hPa的相对湿度都在80%以上，湿层非常深厚，利于暴雨发生。而“5.8”暴雨过程，无论是暴雨发生前和发生后，其600 hPa以下层次>90%的相对湿度值，从7日08：00开始维持到9日08：00，此次暴雨过程，空气湿度较大，湿层较为深厚。

4 中小尺度系统对比分析

4.1 中尺度卫星特征分析

从卫星红外云图来看，5月6日10：00（图6a）为两片云系组成：一是四川东部地区对应为川东的700 hPa和850 hPa的低涡对流云团，二是贵州东南部与湖南、广西对流云团对应低空急流的北侧风速切变区生成的云图。铜仁地区为地面热低压控制，无对流云图影响，利于地面气温的上升。下午14：00随着气温的升高达31℃～32℃，比周围其他地区气温高2℃～4℃。由于处于晴空区的铜仁气温较周围其他地区高，在高空大气温度层结相似的情况下，造成了晴空区对流不稳定能量的增加。此时从6日14：00云图发现，在铜仁大部分地区开始有对流云图生成发展，可见边界层的非均匀加热产生的温度梯度，利于局地辐合热对流的发展。在6日21：00，随着四川东部低涡的东移南压，南北两团云系合并发展，至7日05：00（图6b）合并成MCS持续影响铜仁北部地区，造成雷电、冰雹、暴雨天气发生。

5月8日夜间随着地面冷锋南压，铜仁转为锋后东北气流影响。在高空槽前，中低层冷切变线附近，仍然有对流云团生成。8日22：00（图6c）贵州中部地区有对流云团生成发展，同时四川南部也有对流云团影响。9日02：00（图6d）随着低空急流的增强北抬，贵州中部生成的云团向东向北抬东移发展，四川对流云团随低涡东移南压而南移，两块云团合并影响铜仁地区，直到9日06：00才北抬移出铜仁区域。

4.2 雷达回波强度特征分析

4.2.1 反射率因子分析 从雷达反射率因子强度来看，两次大暴雨过程均以混合云降水為主，降水区上覆盖着大面积的层状云回波，其中的中小尺度对流云团的发生发展导致了大暴雨的发生。但是从“5·6”这7日02：43组合反射率因子（图7a）来看，其中心强度达60 dBz以上，最强中心伸展高度至8 km，远远超过了当天0℃层高度4.9 km，且超过了-20℃层高度的7.8 km，有利于冰雹的生成。从沿最强回波中心作剖面来看（图7b），其回波形态呈现回波悬垂，弱回波区特征，则产生冰雹的可能性增加。而“5·8”大暴雨主要以稳定降水为主，由于持续的较强回波影响，而形成大暴雨天气。从8日22：25江口境内反射率因子来看（图7c），最强反射率因子回波强度在40 dBz左右，其伸展高度在4 km以下，伸展高度较低，不利于出现冰雹等强对流天气。

4.2.2 径向速度图分析 从雷达径向速度产品可以看到，“5·6”大暴雨过程径向速度图上7日02：43在2.4°仰角上开始出现正负速度对（图8a），正速度最大为21 m/s以上，负速度最大也达21 m/s以上，其旋转速度则高达21 m/s以上。且这样的速度对在下一体扫02：48时向下延伸至了1.5°仰角，说明在逐渐增强。到第三个体扫02：53最低仰角0.5°时也能看到其正速度值仍高达21 m/s以上，负速度为18 m/s以上的速度对，则在强回波中心附近形成了深厚的强中气旋。而“5·8”大暴雨天气在8日22：25在0.5°仰角上（图8b），存在一定的正负速度对，最强旋转速度也达20 m/s，但其伸展高度仅达1.5°仰角，则伸展高度较低。在下一体扫22：36正负速度对明显减弱，则此次过程垂直上升旋转高度较低，不利于强对流天气出现。

5 结论

利用常规气象观测资料、自动站资料、NCEP 再分析资料和卫星、雷达资料，对铜仁5月6—8日连续出现的两次暴雨过程进行了对比分析，两次暴雨过程在热力及水汽、能量条件、对流回波发展情况等方面存在差异，主要如下：

（1）5月6日此次过程主要受中低层低涡切变线影响，降水主要发生在中低层的暖切变线及地面辐合线附近，以冷锋前暖区对流降水为主。此次过程前期水汽条件较差呈“上干下湿”状，能量充足，大气层结不稳定触发了强对流天气的发生。四川与贵州合并的MCS对流云团持续影响铜仁，且强回波伸展高度远远超过0℃和-20℃层高度，呈现回波悬垂和弱回波区特征，并伴随有强的中气旋出现，则利于局地暴雨、冰雹出现;

（2）5月8日暴雨过程中，500 hPa上空处于高空槽前的西南气流控制下，850 hPa切变线位于铜仁中部一线，地面冷锋南压到贵州西部铜仁处于锋后，在这种形势下，降水主要集中在冷锋后，低空西南暖湿急流北侧与850 hPa切变线附近，东北风从低洼地带向地势较高处流动，由于地形抬升作用，利于强降雨在地势较高处的东侧发生。低空西南急流为降水提供了重要的水汽和动力条件。由于大气层结比较稳定，暴雨前、后湿层均水汽充足。加上不稳定能量低，同时对流回波强度较弱，伸展高度低，不利于強对流天气发生，以液态稳定降水为主。

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责任编辑：黄艳飞

Comparative Analysis of Two Different Types of Rainstorms in Tongren Before and After the Cold Front

ZHANG Zhu et al（Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province， Tongren， Guizhou 554300）

Abstract Affected by different weather systems before and after the ground cold front on May 6～8， 2016， Tongren experienced two successive heavy precipitation processes with different characteristics. Using conventional meteorological observation data， automatic station data， NCEP reanalysis data and satellite and radar data， the large-scale circulation background， thermal and water vapor transport conditions， and medium- and small-scale characteristics of the two heavy precipitation weather processes were compared and analyzed. The results show that before and after the cold front， due to different temperature and humidity conditions， different system configurations， and different strengths of small and medium-scale systems， different weather phenomena occurred in Tongren. The heavy rainfall on May 6 was a severe convective weather process. The rainfall intensity was high， and the previous water vapor conditions were poor. It was “upper dry and lower wet”， and the energy was sufficient. The unstable atmospheric stratification triggered the occurrence of strong convective weather and strong echoes. The extension height far exceeds the height of the 0℃ and -20℃ layer， showing the characteristics of echo overhang and weak echo zone， and accompanied by strong mid-cyclone， which is conducive to the appearance of local heavy rain and hail; And on the night of May 8 stable precipitation is the main factor， the stratification of the atmosphere is relatively stable， the wet layer is thick before and after the heavy rain， and the southwest jet exists at low altitude， which provides important water vapor and dynamic conditions for the heavy rain. At the same time， the echo intensity is weak， the extension height is low， and it is mainly liquid precipitation.

Key words Heavy rain; Comparative analysis; Strong convection

基金项目 贵州省气象局气象科技开放研究基金项目（黔气科合KF[2017] 15号）;中国气象局预报员专项（CMAYBY2020-116）。

作者简介 张祝（1978-），女，贵州铜仁，本科，工程师，主要从事天气预报、气象服务及相关业务管理工作。通信作者：杨群，（1983—），女，铜仁江口，副高级工程师，研究生，主要从事预报研究，E-mail：380115391@qq.com。

收稿日期 2021-02-27