受两路冷空气共同影响下的铜仁暴雨特征分析

杨 群，胡 萍，张李娟，陈 军

(贵州省铜仁市气象局,贵州 铜仁 554300)

0 引言

冷空气南下形成锋面是触发暴雨常见的天气系统之一，国内学者对于暴雨研究中，认为冷空气的侵入能够诱发中小尺度天气系统的发展。刘会荣和李崇银[1]指出，冷空气能使暴雨区上空的垂直运动更旺盛。何立富等[2]研究指出，冷空气容易触发边界层能量锋区附近的中尺度对流系统。汤鹏宇等[3]认为，冷空气使得暴雨区上空的大气不稳定度和气旋性涡度增强，有利于中尺度系统发展。陈鹏等[4]研究指出，弱冷空气的侵入使得中小尺度对流系统发展旺盛，进而产生强降水天气。谌芸等[5]对北京“7.21” 特大暴雨过程的分析认为, 在地面锋面影响阶段, 地面偏东风和低空西南急流的垂直切变有利于强对流的组织化, 锋面触发更大的短时强降水。李玉梅等[6]发现低层至中高层深厚的偏东气流输送水汽和暖湿不稳定能量，较强锋面的抬升作用使不稳定能量释放导致强降水。张芳华等[7]和蒙伟光等[8]也强调在锋面过程中, 锋生与降水发展有着紧密关系,对中尺度对流系统的发展起组织作用。可见冷暖空气的相互作用对暴雨具体的落区有重要影响。目前来说暴雨落区的预报一直还是天气预报的难点，也是预报员一直关注和研究的重点。不少学者研究发现，暴雨发生的落区和强度跟相应的物理量指标有一定关系。周雪松等[9]在统计山东暴雨预报指标中发现，不同范围的暴雨对水汽、动力及对流不稳定条件的要求有所不同。肖艳林等[10]在分析贵州静止锋背景下暴雨集中分布在准静止锋附近及其偏南一侧，同时得出暴雨落区与垂直上升运动大值中心有较好的对应。任丽等[11]分析副热带高压北侧暖锋暴雨指出，强降水区与水汽散度通量正值区及水汽垂直螺旋度负值区相对应。前人研究指出，冷空气侵入有利于中尺度系统发展，进而产生强降水天气，相关的物理量能较好地反映出强降雨的落区。因此本文希望找到铜仁受冷空气影响下，暴雨过程的影响系统演变与降雨的关系，以及物理量要素对暴雨落区的指示作用。

2019年6月和2020年3月铜仁出现了4次受地面两路冷空气同时南下时发生的落区相近的暴雨过程。针对这4次暴雨过程，EC模式能较好模拟其环流形势，但对于降雨落区预报均出现偏差，这也导致了错误的预报订正指引。其中6月8日数值预报暴雨强度偏强，落区偏北，南部漏报，北部空报；6月12日暴雨强度偏强，落区偏南，北部漏报；28日北部落区预报正确，但强度偏强，东部漏报；2020年3月26日EC预报中到大雨，量级偏小。因此对于此类暴雨，我们需要找到暴雨发生的主要影响环流形势和暴雨落区相关的物理量要素，以期能找到在类似的环流背景下，暴雨落区预报的参考要素。

1 降雨概况

2019年6月7—9日，11—12日，27—29日和2020年3月26—27日铜仁出现4次落区相近的暴雨过程。24 h大雨及以上降雨落区出现在铜仁西北部沿河和德江，东部的江口、碧江、玉屏、万山地区。6月7日20时— 9日08时暴雨过程，最大小时雨强为44.7 mm，西部暴雨出现在8日06—09时，持续时间为4 h，东部暴雨出现在8日22—9日08时。6月11—12日暴雨最大小时雨强为35.1 mm，西北部强降雨发生在12日07—14时，东部强降雨发生在12日凌晨到傍晚20时左右。2019年6月27日20时— 29日08时暴雨过程，最大小时雨强为碧江瓦屋55.1 mm，西北部暴雨主要发生在28日07—12时，东部暴雨发生在28日17时—29日04时左右。2020年3月26—27日降雨从夜间02时左右开始发生，持续到08时后逐渐减弱，东部和西部短时强降雨时段均集中在04—08时之间，最大小时雨强为38.1 mm。

图1 2019年6月7日20时—9日08时(a)、6月11日20时—12日20时(b)、6月27日20时—29日08时(c)、2020年3月26日20时—27日20时(d)铜仁降雨落区Fig.1 Tongren rainfall area from 20:00 on June 7 to 08:00 on June 9 (a), 20:00 on June 11 to 20:00 on June 12 (b), 20:00 on June 27 to 08:00 on June 29,2019(c), and 20:00 on March 26 to 20:00 on March 27,2020(d)

2 资料说明

利用常规观测雨量自动站资料、NCEP(1.0°×1.0°)再分析资料，EC细网格(0.25°×0.25°)预报初始场等资料，对铜仁4次暴雨过程形成原因和影响暴雨落区的因子进行分析。

3 环流背景场形势分析

3.1 高空环流背景

通过分析4次暴雨过程的环流形势，发现暴雨发生时，500 hPa中高纬为两槽一脊形势，在70°E和120°E附近分别有一槽，95°E附近为一脊。四川东部有高空槽东移，副高588线南北摆动未控制贵州，贵州受高空槽前西南或偏西气流影响，贵州处于槽前西南气流中，利于水汽向北输送。700 hPa贵州中北部—湖北南部或贵州西部—重庆南部—湖北一线受切变线影响，广西—湖南中南部西南急流建立，铜仁处于急流左侧，切变线南侧附近。850 hPa长江中下游到贵州中北部为一条横切变线或湖北—重庆—贵州北部为低涡切变线，广西—湖南西南急流建立，风速达12～18 m·s-1，铜仁处于西南急流左侧，850 hPa切变线附近。

3.2 地面冷空气南下形成锢囚形势

从地面形势场(图2)来看，4次暴雨过程中，地面上均有从青海、甘肃地区冷空气堆积，在冷空气南下时受秦岭、天山山脉阻挡气流出现分支，一股从四川盆地以西北路径南下，受到青藏高原以及云贵高原阻挡，向东推进贵州北部以及重庆南部地区；一股从湖北平原地区以东北路径南下，向贵州东部回流进入铜仁地区。四川盆地和湖北南下的冷空气，在贵州东部和重庆交汇，迫使贵州境内暖空气抬升，在重庆附近形成“Ω”形势，凸起的暖低压区位于重庆中部，形成地面锢囚锋形势[12]。2019年6月8日从西路南下的冷空气等值线相比东路南下的等值线密集，且东路南下的冷空气向南弯曲的等值线未进入铜仁，则西路冷空气相对强。同样6月28日冷空气以西北路径南下，地面风速达6～8 m·s-1，东北路径回流南下的东北风仅为2～4 m·s-1，则冷空气以西北路径直驱而下，冷暖空气中心值相差9 hPa，东路冷空气向南弯曲等值线略偏北未进入铜仁境内。 6月8日和28日冷高压中心位于甘肃西南部，强度为1009～1012 hPa，暖低压中心位于重庆西北部，中心为1000～1002 hPa，冷空气以西路侵入为主，冷暖空气中心相差9～10 hPa，这两次的大暴雨点出现在铜仁东部，持续时间为48 h。2019年6月12日和2020年3月27日东路冷空气向南弯曲的等值线影响铜仁东北部，且冷空气从湖北以东北路径进入贵州铜仁的等值线，较四川进入贵州毕节的等值线更为密集，说明锋区梯度更大，东路冷空气比西路强。冷空气堆积中心位于青海东南部，中心强度为1019 hPa，重庆暖中心略南压中心为1006～1008 hPa，冷暖空气中心相差10 hPa以上，这两次在铜仁西北部出现局地大暴雨，持续时间为24 h。由此可见，当冷空气在甘肃堆积以西路南下为主时，利于铜仁东部出现较强的降雨，降雨持续时间长，雨强相对也大；当冷空气在青海东部堆积，以东路南下为主时，利于铜仁西部出现较强的降雨，降雨持续时间相对短，雨强相对较西路南下冷空气的弱。

图2 2019年6月8日20时(a)、6月12日08时(b)、6月28日20时(c)、2020年3月27日02时(d)地面气压场，→为冷空气方向， □为锢囚锋形成区域Fig.2 Surface pressure field at 20:00 on June 8，2019(a),08:00 on June 12，2019(b), 20:00 on June 28，2019(c), and 02:00 on March 27，2020 (d)，→is the direction of cold air, □is the area of occlusion front

3.3 低压附近的垂直结构特征

分析垂直结构可知，低压伸展高度以及温湿特性、能量分布特征。沿着低压中心南侧29°N作纬向剖面，分析风场、比湿、假相当位温的垂直剖面分布可以发现，2019年6月8日(图3 a1)和6月28日(图3 c1)显示在104°E附近从地面到750 hPa为偏北风，对应了从700 hPa到地面的湿度相对低值区的干舌；108°E附近850 hPa以下为弱的偏东南风，对应了湿度自地面向高空伸展的湿舌。而在湿舌左侧107°E上空850 hPa与925 hPa之间形成气旋性垂直环流。假相当位温(θse)垂直剖面图(图3a2、3c2)显示，在104°E附近干区对应了θse的低值区，106～108°E低涡前侧的湿舌区对应θse的向上凸起的高值，在110°E附近干区又有自高空向下伸展的θse的低值区，则在107°E与110°E附近形成θse的高能区与低能区之间的能量锋区，106°E附近的能量锋区比110°E附近形成的能量锋区更为密集，强度相对更强，则利于冷空气向东侧持续影响，局地强降雨则在东侧110°E能量锋区附近形成。而2019年6月12日(图3 b1)和2020年3月27日(图3 d1)显示在104°E附近从地面到700 hPa为偏北风，对应了从700 hPa到地面的湿度相对低值区的干舌；108°E附近800 hPa以下为深厚的较强偏东风，对应了湿度自地面向高空伸展的湿舌；在湿舌左侧的107°E上空800 hPa与750 hPa之间形成了气旋性垂直环流。假相当位温(θse)的垂直剖面图(图3 b2、d2)显示，在104°E附近偏北风干区对应了θse的低值区，106°E低涡附近对应θse的向上凸起的高值区，在110°E附近又有自高空向下伸展的θse的低值区，在107°E与110°E附近形成θse能量锋区，但东侧110°E附近的能量锋区比107°E附近形成的能量锋区更为密集，强度相对更强，利于冷空气向西持续影响，局地强降雨则在西侧108°E能量锋区附近发生。

图3 2019年6月8日08时(a1)、6月12日02时(b1)、6月28日08时(c1)、2020年3月27日02(d1)时沿29°N的风场(单位：m·s-1)与比湿(单位：g·kg-1)； 2019年6月8日08时(a2)、6月12日02时(b2)、6月28日08时(c2)、2020年3月27日02时(d2)假相当位温(单位：K,实线表示低涡附近干、湿层最强处延伸，箭头表示低涡两侧低能区伸展方向，D为低涡位置)Fig.3 The Wind field along 29°N(units∶ m·s-1)and Specific humidity(units∶ g·kg-1) at 08:00 on June 8，2019(a1), 02:00 on June 12，2019(b1), 08:00 on June 28，2019(c1), and 02:00 on March 27，2020 (d1); The pseudo-equivalent potential temperature(units∶K，The solid line indicates the extension of the strongest dry and wet layers near the vortex，The arrow indicates the extension direction of the low energy region on both sides of the vortex，D is the position of low vortex)

由此发现，地面低压上空850 hPa附近低涡气旋前侧低层暖湿，高层干冷，后侧整层干冷，强降雨主要发生在低涡气旋前侧暖湿气流里。当东侧能量锋区较强，即东侧冷空气较强持续向西影响时，利于西部形成局地较强的降雨，相反则利于东部形成局地较强的降雨。

3.4 850 hPa低涡切变线附近对流云团生成发展

高守亭等[13]研究指出在边界层内的摩擦作用下, 较弱的低涡可导致明显的径向流动,使中心附近垂直运动达到中尺度垂直运动的量级。分析850 hPa风场和对应时段对流云团发展情况，可以更加了解850 hPa天气系统形成过程中降雨的落区情况。

从850 hPa风场和卫星TBB叠加分析可以发现，贵州西南风急流北抬与四川南下的偏北风交汇，在贵州毕节地区形成低涡，低涡东移过程中，暖切变线影响铜仁，对流云团在低涡东侧的暖切变线附近发展。2019年6月8日08时(图4a)低涡切变线在毕节维持，贵州西南部西南风急流减弱，东南部急流维持，对流云团在暖切变线南侧的急流区发展。6月12日08时(图4b)四川到湖北的偏北风维持，贵州南部西南气流增强为10～12 m·s-1，贵州中东部形成低涡切变线，此时对流云团在低涡南侧较强的西南气流里和东侧暖切变线附近发展。6月28日08时(图4c)低涡切变线南压至遵义境内，对流云团在低涡附近发展形成MCS，最强中心为-80 ℃。2020年3月27日08时(图4d)湖北—湖南北部偏东急流南压进入铜仁北部境内，风速为12 m·s-1，四川境内偏北气流风速为16 m·s-1，两股气流交汇于重庆至贵州北部地区形成低涡，此时在低涡东侧的偏东急流里，对流云团发展增强，云顶温度达到-70 ℃。同时对比分析了EC风场预报与对流云团生成发展，发现EC 850 hPa预报风场能很好地模拟预报出此类型低涡切变线系统的发生发展过程，低涡切变线对应的对流云团可以追溯到毕节与遵义附近，并沿着低涡冷切变线移动、发展。

图4 2019年6月8日08时(a),2019年6月12日08时(b),2019年6月28日08时(c),2020年3月27日08时(d)850 hPa风场(单位：m·s-1)和卫星TBB叠加图(单位：℃)Fig.4 850 hPa Wind field (units∶ m·s-1) and Satellite TBB (units∶℃) at 08:00 on June 8，2019(a), 08:00 on June 12，2019(b), 08:00 on June 28，2019(c), and 08:00 on March 27，2020 (d)

由此可见，强降雨对流云团主要在850 hPa低涡切变线附近形成和发展，低涡切变线对应的对流云团，可以追溯到毕节与遵义附近，并沿着低涡冷切变线移动、发展。当低涡切变线附近偏南风较偏北风强时，对流云团在低涡东南侧的南风气流里和暖切变线附近发展增强；当低涡切变线附近偏东风气流较偏南风强时，对流云团在低涡东北侧的偏东北风气流里发展增强。因此850 hPa低涡切变线的形成时以及低涡附近风速的大小，可以很好地指示强降雨的形成发展。

4 梵净山地形对降雨落区的影响

在天气系统影响情况下，为什么强降雨主要出现在东南部和西北部，而在梵净山北侧和西侧附近区域没有形成较强的降雨？主要是受铜仁中部凸起梵净山地形影响，使得近地层气流分支发散。

从EC细网格10 m风场初始场资料叠加地形(图5)来看，6月8日08时和28日08时在低涡对流云团发展最强时，风的流场显示梵净山南侧西南风在向北吹的过程中，受梵净山阻挡出现分支绕流，一支在山的东侧北上，一支在山的西侧北上。西侧向北的气流受到贵州北部地形阻挡，在梵净山北侧与湖北、重庆的偏东气流汇合，从而在两股气流交汇区出现强降雨。而在梵净山西侧附近为发散气流，不利于降雨发生。梵净山东侧则形成绕流的西南气流与东南气流的暖切变线，切变线附近也出现降雨。2019年6月11日20时和2020年3月26日20时，从湖北—湖南的东北风南下吹进入贵州东北部时，气流受到梵净山阻挡出现分支绕流，一支在山的东侧南下绕过山的南部向西南部流去，同时在东侧有气流的汇合，一支在沿着山的西侧南下，在梵净山西侧附近出现明显的气流发散。西侧向南的气流与东侧向南的气流在铜仁西部汇合，又受到贵州西部地形阻挡，利于在梵净山西侧较远处的山前形成气流辐合抬升，在梵净山东侧的气流汇合区抬升，从而使得梵净山东侧和西部较远处出现较强降雨。由此可见，铜仁境内由于受梵净山地形影响，近地层无论是北上的西南气流还是南下的东北气流，在翻越梵净山的过程中均出现分支，而在山的东、西两侧较远处，由于气流的辐合和地形抬升作用，从而形成较强的降雨。从而在山的西侧临近处为下沉气流或辐散气流，不利于强降雨发生。

图5 2019年6月8日08时(a)，2019年6月12日02时(b)，2019年6月28日08时(c)，2020年3月26日20时(d)地形(阴影)与EC thin10m流场叠加图Fig.5 The terrain (shade) and EC thin10m stream line at 08:00 on June 8,2019(a), 02:00 on June 12,2019(b), 08:00 on June 28，2019(c), and 20:00 on March 26，2020 (d)

5 物理量特征演变对暴雨落区和强度的指示作用

从以上形势可以综合判断降雨利于出现在铜仁梵净山的东西两侧，但具体落区及降雨开始和结束时间还需进一步分析。水汽通量散度反映水汽集中情况[14]，垂直上升运动提供暴雨发生的动力条件，触发不稳定能量的释放，对流有效位能(CAPE)的积聚到释放对强降雨开始和结束有很好的指导意义[15]。

从表1可以看到，2019年6月7日08—14时铜仁境内CAPE从0～400 J·kg-1增大到900～1200 J·kg-1，此时段无降雨发生。7日14时—8日02时CAPE快速下降至260～280 J·kg-1，此时段内西部强降雨发生。到6月8日14时CAPE值再次增大达1000～2000 J·kg-1，此时段内西部降雨减弱，东部降雨开始，到8日20时CAPE快速减小100 ～430 J·kg-1，能量大量释放，对应在能量释放时段内，铜仁东部小时雨强达44.8 mm。对应6月8日14时前较强的上升运动主要集中在西部，最强的强度为-31～-37 hPa·s-1，水汽辐合中心强度为-22～-31×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1；而6月8日20时—9日08时强的上升运动区则集中在铜仁东部，最强强度为-116～-141 hPa·s-1，水汽辐合中心强度为-34～-68×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，东部动力抬升和水汽辐合强度均比西部强，从而导致东部降雨量比西部大。同样6月27日08—14时为CAPE的发展时段，14时增大为600～1600 J·kg-1，到28日02—08时CAPE值减小为400～550 J·kg-1，能量得到释放，对应时段内较强的上升运动主要集中在西部，最强的强度为-69 hPa·s-1，水汽辐合中心强度为-68～-69×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，西部出现持续强降雨；28日14时CAPE值再次增大到1400～2000 J·kg-1，西部降雨减小，28日20时CAPE开始减小，到29日08时减小为0～9 J·kg-1，较强的上升运动主要集中在东部，最强的强度为-82 hPa·s-1，水汽辐合中心强度为-68～-69×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，伴随着铜仁东部降雨增大。

表1 4次暴雨过程物理量演变特征Tab.1 The evolution characteristics of physical quantities in four rainstorm processes

6月11—12日由于有冷空气的影响，CAPE值增幅小，11日08—20时最大为597 J·kg-1，11日20时—12日08时CAPE逐渐减小时，铜仁降雨发生，且东部和西部均有强降雨发生。但发现较强的上升运动和水汽辐合主要集中在西部，则西部雨量相比东部大。2020年3月26日14—20时能量积聚，东部为1211 J·kg-1，西部为1176 J·kg-1；27日02—08时CAPE值减小为69～82 J·kg-1，能量释放，此时段内西部强上升运动中心为-150～-391 hPa·s-1，强的水汽辐合中心为-52～-81×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，比东部的上升运动-50～-88 hPa·s-1和水汽辐合中心-37～-41×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1明显偏强，强降雨发生时段内西部最大雨强为38.1 mm，东部最大雨强为24.7 mm。

以上分析可见，CAPE增大到减小的过程，对应了降雨的最强时段,对降雨的起止有一定的指示作用；低层850 hPa水汽通量散度辐合中心区和700 hPa强的上升运动区，对应了强降雨发生的区域，辐合强度越强,动力抬升运动越大，则对应的雨强越大。

6 结论

针对2019年6月和2020年3月出现在铜仁的4次暴雨落区相近的天气过程，从高空环流背景、地面形势、低涡结构特征、低涡附近降雨云团以及物理特征进行分析,得出以下结论：

① 4次强降雨过程超过25 mm的降雨集中在铜仁西北部和东部区域，而在梵净山西侧附临近区域降雨量较小。

②强降雨形成背景为高空500 hPa中高纬为两槽一脊的形势，贵州受高空槽前西南气流影响。地面上降雨发生前贵州为热低压控制，随着青海、甘肃地区的冷空气从四川盆地南下和湖北南下，两股冷空气在贵州东部和重庆交汇，使得贵州暖空气抬升，在重庆附近形成“Ω”形势，凸起的暖中心区位于重庆中部，形成地面锢囚锋形势。冷空气南下使得近地层等位温线梯度加大形成锋生，在辐合锋生情况下，形成对流降水。

③地面凸起暖低压区伸展高度达850 hPa附近形成重庆低涡，低涡前侧低层暖湿，中高层干冷，后侧整层干冷，强降雨主要发生在低涡前侧暖湿气流里。低涡附近对应的对流云团初生在毕节和遵义附近，然后沿着切变线北移至重庆西部，在低涡东、南侧的西南急流和东侧的东北风急流里发展，导致暴雨天气发生。

④EC数值形势预报能较好地模拟低涡的演变，但受到地形影响，使得降雨落区预报存在较大偏差。铜仁境内主要是受梵净山地形影响，近地层偏东气流南下时出现分支，在山的东、西两侧较远处形成辐合气流，从而导致较强的降雨发生。而在山的西侧临近处为下沉气流或辐散气流，不利于强降雨发生。

⑤分析物理量发现，对流有效位能值积聚到释放对强降雨的起止和强度有很好的指示意义；水汽辐合区与强降雨的发生区对应较好，强的上升运动区能更好地指示强降雨落区。

本文为此类型暴雨预报提供了思路和着眼点，但对于降雨量级跟具体的气象要素和物理量的大小关系值，还需要收集更多的个例来进一步细化分析研究。