安顺一次罕见秋季特大暴雨天气分析

曾 妮 ，方 鹏，何莉阳，刘思洋，王兴菊

(1.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000；2.广西壮族自治区气候中心，广西 南宁 530000)

0 引言

暴雨是我国最常见的灾害性天气之一，常常引起山体滑坡、泥石流和城市内涝等灾害，对人们的生命、财产等造成严重损失。许多气象工作者对暴雨天气的影响系统、环境条件、环流形势等进行分析和研究[1-5]。赵思雄等[6]对华北和北京的一次大暴雨过程分析发现，暖(湿)输送带自南向北推进对华北和北京地区的水汽通量辐合至关重要。邓承之等[7]对一次西南涡特大暴雨过程中MCS的演变特征进行分析，发现中低层西南风或南风急流的增强、低空及地面暖湿入流的增强均有利于MCS的增强。杜小玲等[8]分析贵州望谟的一次暴雨天气，发现锋生造成的强降水出现在锋区南侧和暖湿空气北侧的强上升运动区。夏季(6—8月)是贵州暴雨天气过程最为集中的季节，秋季(9—11月)是贵州暴雨天气过程逐渐减少、雨季逐步结束的季节。曾妮等[9]对安顺市大暴雨的时空分布特征进行分析，发现2009—2019年11a间9月安顺市出现大暴雨的天数仅为5 d。2020年9月14日安顺市出现特大暴雨天气过程，其影响范围和累计雨量超过了安顺市秋季暴雨的历史极值。因此，本文利用FNL 1°×1°再分析资料、FY-2F卫星TBB资料及常规气象观测资料，对2020年9月14日安顺市暴雨天气过程的成因进行分析，以期为提高安顺地秋季暴雨预报及服务水平提供参考。

1 过程概况

2020年9月13日20时—14日20时(简称14日，下同)，安顺市出现全年影响范围最广的暴雨天气，全市除紫云县南部以外，普降暴雨到大暴雨，局地特大暴雨(图1a)。由图看出，此次暴雨天气过程共出现特大暴雨4站、大暴雨54站、暴雨80站，最大累计降水量为紫云县白石岩站的258.7mm。此次暴雨天气过程的影响范围和大暴雨以上量级的降水站次，突破安顺市秋季暴雨的历史极值。

对出现特大暴雨的站点进行逐小时雨量分析(图1b)发现，此次暴雨过程的对流性不是很强，在降水最强的时段(14日01—07时)小时雨强大多在20～40 mm·h-1之间，仅有3个时次小时雨强超过40 mm·h-1，最大小时雨强为镇宁县炳云的47.1 mm·h-1，14日07时以后以稳定性降水为主。此次暴雨天气过程的短时强降水(小时雨强≥20 mm·h-1)持续时间和稳定性降水持续时间均较长，是造成全市大范围出现暴雨—大暴雨的主要原因。

图1 安顺市2020年9月13日20时—14日20时累计降水量(a)、特大暴雨站点逐小时降水量(b)

2 大气环境条件分析

2.1 天气形势

9月13日08时(图2a)，200 hPa贵州处于南亚高压东部脊区，高层辐散的抽吸作用利于低层气流辐合上升；500 hPa副热带高压脊线位于25°N附近，西脊点位于75°E附近，南支槽位于四川西部—云南西部，贵州处于槽前西南气流中；700 hPa切变线位于陕西南部—四川中北部以及云南西部，贵州受4～6 m·s-1的偏西气流影响；850 hPa四川西部低涡切变建立，贵州处于低涡切变南侧的偏南气流中，风速为2～4 m·s-1。20时(图2b)，500 hPa副热带高压略有西伸，同时南支槽加深，其北段东移到四川东部；700 hPa原位于陕西南部—四川中北部的切变线由南北向转为东西向，位于四川北部—重庆北部，西南气流增强到8～12 m·s-1；850 hPa低涡切变稳定维持，偏南气流增加到4～6 m·s-1。从海平面气压场看出(图略)，08时有弱冷空气从东北方向渗透影响贵州，17时冷高压分裂南下，在湖北和湖南的交界处形成1个高压中心，冷空气影响强度增强。

图2 13日08时(a)和20时(b)中尺度环境场

从500 hPa环流形势演变看出，14日02时之前(图3a～d)安顺一直在副热带高压的控制范围内，且西南气流较弱。02—08时(图3d～e)副热带高压逐渐南压到贵州南部，引导短波槽东移，且西南气流明显增强，为降水效率的提高提供了有利的降水条件。此期间对流性降水特征最明显，出现特大暴雨的4个站点，其短时强降水持续时间为3～6 h。

图3 500 hPa高度场(单位：dagpm，红线为副热带高压特征线)和风场(单位：m·s-1)变化趋势(a：13日08时，b：13日14时，c：13日20时，d：14日02时，e：14日08时，f：14日14时)

综上所述，此次暴雨天气过程的主要影响系统为高空槽和中低层低涡切变线。在强降水发生前，500 hPa贵州受副热带高压控制，且处于副热带高压北侧，低层为辐合区，高层为辐散区[10]，利于上升运动发展和能量积累。强降水发生期间副热带高压快速南压，引导短波槽东移。从08时和20时的实况看出南风较弱，不利于水汽的输送，但从图7a看出，13日20时以后南风逐渐增强，到14日02时急流建立，为暴雨的产生提供有利的条件。

2.2 环境条件

由于对流云团在云南生成，并东移影响安顺，且安顺位于昆明和贵阳之间，因此对昆明站和贵阳站的T-lnp图进行分析。13日08时(图略)，昆明站和贵阳站的湿层均从近地面伸展到200 hPa，T-Td≤2 ℃，大气接近饱和。同时，抬升凝结高度LCL较低，在800 hPa以下，暖云层较厚，降水效率高，700 hPa以下风随高度顺转，暖平流明显，利于低层上升运动的发展。13日20时，湿层维持，昆明站从近地面到500 hPa转为西南气流影响(图4a)，贵阳站的暖平流较08时有所增强，500 hPa以下T-Td≤1 ℃，大气的饱和程度增加(图4b)。

图4 13日20时T-lnp图(a：昆明站，b：贵阳站)

由表1可见，2个时次贵阳站的对流有效位能CAPE几乎为0，但昆明站的对流有效位能CAPE从1203.3 J·kg-1增加到1590.1 J·kg-1。13日20时与08时相比，抬升指数LI从负值变为正值，表明爆发对流的可能性增大。沙氏指数SI始终小于3 ℃，利于阵雨的产生[10]。抬升凝结高度LCL降低到870 hPa附近，暖云层增厚，有利于降水效率的提高。同时，贵阳站的K指数从34.7 ℃增加到36.6 ℃，达到安顺市出现暴雨时K指数的多年同期平均阈值(≥35 ℃)[11]。

表1 昆明站和贵阳站探空物理量值

综上可知，对流云团生成的区域，其水汽、能量和抬升条件均较好，在对流云团东移影响的区域，大气层结不稳定，湿层深厚，对流层中低层的暖平流使低层暖湿空气辐合抬升，利于降水云团的发展。

3 物理量场分析

3.1 水汽条件

分析强降水发生前后的比湿和水汽通量散度。700 hPa层上，13日08时，贵州比湿在10 g·kg-1以上，其中贵州中西部地区的比湿在11 g·kg-1以上，安顺处于湿舌中(图5a)，20时大于11 g·kg-1的湿舌范围增大(图5b)，且维持到14日02时(图5c)，之后湿舌范围逐渐减小，直到14日08时湿舌范围明显减小，但仍控制安顺市南部(图5d)。850 hPa层上，贵州中西部和南部的比湿一直维持在13 g·kg-1以上，从13日20时—14日08时安顺一直处于比湿梯度大值区，且比湿达到14～15 g·kg-1(图5e～h)。从850 hPa水汽通量散度场看出：13日08时—14日08时强水汽辐合中心稳定维持在安顺(图6a～d)，且13日20时—14日02时辐合强度增强，其中心值达-8·10-5g·hPa-1·cm-2·s-1(图6b～c)。以上数值均超过安顺市出现暴雨的多年同期平均阈值[11]。

图5 700 hPa(上)和850 hPa(下)比湿分布(单位：g·kg-1)(a、e：13日08时，b、f：13日20时，c、g：14日02时，d、h：14日08时)

图6 850 hPa水汽通量散度(填色，单位：10-5g·hPa-1·cm-2·s-1)和风场(单位：m·s-1)变化趋势(a：13日08时，b：13日20时，c：14日02时，d：14日08时)

综上所述，在强降水发生期间安顺处于高湿区中，且强的水汽辐合中心一直稳定维持在安顺，使低空急流输送过来的水汽和本地的水汽在安顺上空辐合，为暴雨的产生提供了充分的水汽供应条件。

3.2 动力和热力条件

从紫云县白岩站的风场、垂直速度和假相当位温的时间—高度剖面图(图7a)看出，在13日14时前大气无明显的上升运动，13日14时以后上升运动开始发展并逐渐增强，到14日02时达到最强。强上升运动从近地面伸展到200 hPa，且在700 hPa和450 hPa附近形成2个强中心，其中心值达-2.1 Pa·s-1，14日08时以后上升运动逐渐减弱。随着上升运动的增强，对流层中、低层的南风也随之增强，14日02时在700 hPa和850 hPa有急流建立。假相当位温θse能综合表征大气的湿热能和不稳定度条件。从图中看出不管是强降水发生前后，还是强降水发生期间，θse均在75 ℃以上，表明降水区处于高能高湿的环境中，且13日14时—14日02时高能舌从近地面伸展到600 hPa附近且θse/Z<0。紫云县白岩站的降水发生在13日21时—14日13时期间，其中最强降水时段出现在14日02—09时，与上升运动和南风的增强时段及高能舌的影响时段相对应。

从13日20时沿紫云白岩站所作的温度平流纬向(图7b)和经向(图7c)剖面看出，暴雨发生前，紫云白岩站上空对流层低层为暖平流，中心位于800 hPa附近，其值为6·10-5K·s-1，对流层中层为冷平流，在白岩站的东北方向600 hPa附近有-3·10-5K·s-1的冷平流中心；低层暖平流有减压的作用，利于上升运动的发展，中层冷平流的侵入导致未饱和空气趋于饱和，降低了层结稳定度，为能量和潜热的释放提供有利条件，从而增强了上升运动[12]。

图7 紫云县白岩站风场(单位：m·s-1)、垂直速度(黑色等值线，单位：Pa·s-1)和假相当位温(红色等值线，单位：℃)时间—高度剖面(a)、13日20时沿25.84°N(b)和105.91°N(c)作紫云白石岩站温度平流(等值线，单位：10-5 K·s-1)纬向和经向剖面图

4 TBB演变特征

使用FY-2F卫星的逐小时TBB资料，分析此次暴雨天气过程的中尺度对流云团的演变特征。13日19时，在云南的东南部有2个中β尺度的对流云团移入贵州西南部，其最低云顶亮温为-50 ℃(图8a)。20时，对流云团迅速发展，TBB梯度明显增大，在黔西南州中东部和六盘水市西部，其最低云顶亮温达-60 ℃(图8b)；21—22时2个对流云团合并后向东北方向移动发展，并进入安顺(图略)。23时，在对流云团的TBB梯度大值区处出现短时强降水，关岭县谷目站小时雨强达42 mm·h-1，此时TBB≤52 ℃的冷云区较分散，主要位于六盘水和黔西南州西部一带(图8c)。13日23时—14日06时，对流云团在贵州西南部发展增强，影响范围逐渐扩大(图8c～f)。14日04时最低云顶亮温达到-60 ℃以下(图8e)。06时对流云团已发展到成熟阶段，强度达到最强，安顺大部被TBB≤52 ℃的冷云区覆盖(图8f)，由于对流云团移动缓慢，且强中心位于安顺上空，使得安顺出现持续时间较长的短时强降水，因此成为此次强降水天气的暴雨中心。06时以后对流云团开始减弱，云体逐渐变得松散，14日17时云团完全移出安顺(图8g～i)。

图8 FY-2F卫星TBB(单位：℃)演变(a：13日19时，b：13日20时，c：13日23时，d：14日02时，e：14日04时，f：14日06时，g：14日09时，h：14日12时，i：14日17时)

综上所述，此次暴雨过程是由2个中β尺度的对流云团合并发展成为1个中α尺度的对流云团，对流云团在生成阶段发展迅速，成熟以后减弱缓慢，生命史约为22 h，暴雨区与TBB≤55 ℃的区域对应较好。

5 结论

①此次暴雨天气过程的主要影响系统为高空槽和中低层低涡切变线，在强降水发生前，500 hPa上贵州受副热带高压控制，强降水发生期间副热带高压快速南压，引导短波槽东移，为暴雨的发生提供了有利的天气尺度背景条件。

②暴雨出现前，500 hPa以下T-Td≤1.0 ℃，大气接近饱和，700 hPa比湿在11 g·kg-1以上，850 hPa比湿在14 g·kg-1以上，强水汽辐合中心稳定维持在安顺，且14日02时低空急流建立，为暴雨的产生提供了充分的水汽条件，暴雨中心与水汽辐合中心相对应；暴雨区低层暖平流有减压的作用，利于上升运动的发展，中层冷平流的侵入导致未饱和空气趋于饱和，降低了层结稳定度，为能量和潜热的释放提供有利条件。

③强降水的发展与中尺度对流云团的发生、发展和演变有密切的关系，此次暴雨过程由2个中β尺度的对流云团合并发展成为1个中α尺度的对流云团，对流云团在生成阶段发展迅速，成熟以后减弱缓慢，生命史约为22 h，暴雨区与TBB≤55 ℃的区域对应较好，对流云团在安顺上空稳定少动，导致全市范围出现暴雨到特大暴雨。

④对流云团生成的区域，其水汽、能量和抬升条件均较好，在对流云团东移影响的区域，大气层结不稳定，湿层深厚，但能量条件较差，导致此次暴雨过程的对流性不是很强，在降水最强的时段小时雨强大多在20～40 mm·h-1之间，且仅有3个时次小时雨强超过40 mm·h-1。