沿河县近20年低涡切变型暴雨过程研究

蔡成瑶，张东琴，黄红伟，田竞慧，严宏文，滕 林

1.沿河土家族自治县气象局，贵州沿河 565300；2.夏河县气象局，甘肃夏河747100 ,3.松桃苗族自治县，贵州松桃 554100

沿河县（28.12°～29.05°N，108.03°～108.63°E）位于云贵高原向湘西丘陵和四川盆地过渡的东北边缘斜坡和大娄山脉与武陵山脉交错地带，地势西北部和东南部高，中部低，由西北、东南向中部乌江河谷倾斜，为南宽北窄的狭长区域。由于地形复杂，沿河县近年来暴雨频发，且突发性、局地性强，降水出现时间、强度及降水范围预报难度较大，常常引发山体滑坡等惨重损失。统计近20年的典型暴雨过程发现，有近60%的过程是由低涡切变引起的，本研究对近20年典型低涡切变型暴雨个例进行分析，以期找出沿河低涡切变型暴雨发生发展的规律和降水系统物理机制与物理量指标，寻找此类过程的预报着眼点，以期加强对沿河低涡切变型暴雨的认识，为此类暴雨过程的预报提供指导。

1 资料和方法

首先利用2010—2019年沿河县22个考核指标站的降水资料，将不少于8个考核站（乡镇测站）R24≥50 mm且其中有一个站最大R24≥100 mm作为一个典型区域性暴雨个例的遴选标准，挑选了20次暴雨个例。其中，2000—2009年因还未建有区域站，以国家站降水资料为准统计。根据2000—2019年的常规、非常规观测资料，通过统计和类聚的方法找出低涡切变型暴雨过程的环流特征和物理量预报指标。

2 造成沿河暴雨过程的主要环流型

通过MICAPS高空、地面资料分析挑选的20次暴雨过程发生时的高低空主要影响系统和环流特征发现，影响沿河县近20年区域性暴雨发生的环流型有3种主要类型，其中（1）低涡切变型共12例，占总个例的60%；（2）长江横切变型3例，占总个例的15%；（3）冷锋低槽型5例，占总个例的25%。

3 低涡切变型暴雨的特征

3.1 低涡切变型暴雨出现时间的特征

通过低涡切变型暴雨出现时间统计发现，低涡切变型暴雨过程发生在6—9月，主要集中于6—8月，其中6月出现频率最高，有7次（59%），7月、9月各出现了1次（8%），8月出现了3次（25%）。

3.2 低涡切变型暴雨的环流形势

通过对12次典型个例的环流形势分析，得出低涡切变型暴雨过程的环流形势（图1）。对比过程发生前后环流变化，通过归纳分析发现，低涡切变型暴雨基本表现为500 hPa高原上有低槽东移影响贵州，随着过程的发展，副高略微东移南退，副高脊线基本稳定在22°～27°N之间，控制两广一带；700 hPa上，川南一带低涡东移发展，并在川东南或铜仁上空一带有切变线存在，大多伴随着12 m/s的急流；850 hPa环流形势图上，贵州北部边缘—重庆南部一带有低涡，沿河县一般位于其北支低涡切变线附近或南侧，南支切变东侧，沿河县上空西南风通常可达12 m/s以上。

图1 沿河县低涡切变型暴雨环流系统配置

北支切变南侧常伴随强盛的西南暖湿急流，对沿河暴雨的发生提供强有力的水汽输送；耿建武等[2]研究表明：地面中尺度辐合线稳定维持为暴雨发生提供了稳定的触发条件，暴雨一般发生在地面中尺度辐合线北侧。从地面场来看，暴雨发生时贵州中部一带存在地面中尺度辐合线，沿河县处于辐合线北侧。

4 沿河县低涡切变型暴雨过程对应的环境参数

暴雨的发生需要充沛的水汽供应，吕克利等[3]计算表明：单靠当地已有的水分是不可能形成暴雨的，还要有源源不断的水汽输送并在强对流区域辐合。而水汽的辐合主要是由于低层水汽通量辐合造成的[4]。有了充足的水汽条件输送以外，还需要一定的动力条件才能在水汽辐合的过程中实现抬升、凝结产生降水，中低层辐合、高层辐散的配置结构才有利于中低层高湿气流被抽吸到高层，从而增加局地对流不稳定性[5]。

提取和计算2010—2019年低涡切变型暴雨过程发生前（前一日20:00）、发 生 时（当 日08:00）、发 生 后（当 日20:00）3个时期，沿河周边3个站点（贵阳、怀化、沙坪坝）的水汽条件、动力条件及不稳定能力条件物理量数据。提取MICAPS中physic的12个物理量场，包括比湿、温度露点差、水汽通量散度、K指数、SI指数、垂直速度等资料，采用统计、聚类的方法总结暴雨发生前、发生时、发生后周边站点物理量的变化情况，得出暴雨预报的物理量指标。

由表1可以看出，低涡切变型暴雨发生时的环境参数指标。水汽条件：中低层相对湿度≥90%、温度露点差≤5℃，700 hPa比湿≥10 g/kg，850 hPa比湿≥13 g/kg；热力参数：K指数＞30℃，SI指数≤0.3℃，零度层高度一般在5 000～5 500 m高度，抬升凝结高度在910～950 m高度之间。综上可以得出，水汽条件在暴雨发生时最大，动力条件和热力条件随着过程的发生，先逐渐增大再逐渐减小；CAPE值没有规律变化，统计过程中多次过程发生时为0，对暴雨的预报没有决定性的作用。

表1 沿河县低涡切变型暴雨过程的相关物理量预报指标

4.1 水汽条件

4.1.1 水汽含量 暴雨发生时700 hPa上比湿往往大于8 g/kg[6]。从挑选的个例物理量统计发现，过程期间沿河县上空，700 hPa比湿维持在10 g/kg以上，850 hPa比湿≥13 g/kg，湿度条件较好。

4.1.2 水汽输送 滕林等[7]研究表明，在高湿条件下，只有当水汽由源地输送到某地区，并且在该地区产生水平辐合，进而上升冷却凝结成雨，才能导致该地形成暴雨的水汽条件。而850hPa的水汽通量与降水联系更大[8]。以2016年6月25日暴雨过程为例，从低层水汽通量场和风场叠加图（图略）可以看出，沿河上空850 hPa上处于水汽通量大值区，在5～15 g/（cm2·s）之间，沿河位于12 m/s以上西南急流左前方，将水汽源源不断地向沿河地区输送，为暴雨过程的发生发展提供有利的水汽条件。

4.1.3 水汽辐合 水汽辐合主要表现在水汽通量散度上。分析水汽通量散度垂直剖面可以看到，沿河上空低层850hPa以下为水汽通量散度负值区，中高层处于水汽通量散度正值区，低层水汽辐合、中高层水汽辐散。

4.2 动力条件

当沿河县水汽条件充足时，强烈的上升运动则是暴雨过程发生的必要条件之一。从散度垂直剖面（图略）可以看出，沿 河 地 区（108.03°～108.63°E），低层辐合，中高层辐散。从涡度可以看 出，沿 河 地 区（28.12°～29.05°N范围内）上层受负涡度控制，其负最大值达-8×10-6s-1,而中低层受低涡影响，涡度为正，以气旋性环流为主。综上分析发现，这种高空辐散、低空气旋性辐合所造成的抽吸作用使得沿河地区的有显著的上升运动，有利于中低层高湿气流被抽吸到高层，从而增强局地对流不稳定性。

4.3 能量条件

对流有效位能（CAPE）指全位能可以转化为动能的那部分能量，这部分能量对大气有着积极作用，能够转化为气块动能从而产生上升运动[9]。通过近20年的个例分析，发现沿河发生大暴雨时的上空都处于高能高湿区，大部分过程发生时CAPE值较大，但也有些过程中CAPE值并不大，有个别的甚至始终为0，说明CAPE值不能直接判断有无暴雨过程的发生，其相关性较弱。

5 讨论

（1）沿河县低涡切变型暴雨过程的环流形势：500 hPa副高随着过程的发展略微东移南退，副高脊线稳定在22°～27°N之 间；700 hPa、850 hPa低涡切变系统明显，东移南下影响沿河，沿河多处于北支切变南侧；地面多热低压控制，存在中尺度辐合线。

（2）沿河县低涡切变性暴雨过程与水汽条件、动力条件关系密切，低层气旋性辐合，中高层辐散的配置所造成的抽吸作用使得沿河地区的有显著的上升运动，有利于将其低层水汽抽吸到高层，增强局地不稳定性。

（3）沿河县低涡切变性暴雨过程与不稳定能量条件有一定关系，K指数和SI指数随着过程的发展先逐渐增加，后逐渐减小；凝结高度基本稳定在910～950 m高度之间；与CAPE值相关性较小。

6 结论

造成低涡切变型暴雨过程发生条件为：（1）副高脊线稳定22°～27°N之间，高层低槽东移加深、中低层明显的低涡切变、加上地面中尺度辐合线的配合是主要环流形势；（2）中低层处于西南急流区或左侧、水汽含量大值区，有源源不断的水汽条件供应；（3）低层气旋性辐合、中高层辐散所造成“抽吸”作用使上升运动加剧，长时间维持上升气流使得降水持续；（4）暴雨过程的发生与凝结高度及K指数和SI指数有一定相关关系，随着过程的发展先逐渐增加后逐渐减小。