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《贵州气象杂志》2016年第5期
摘要:
利用常规观测、加密自动站降水及NCEP1°×1°再分析资料，结合铜仁多普勒雷达观测资料对2015年7月14日夜间发生在贵州省松桃县的一次局地特大暴雨进行分析，结果发现:此次局地特大暴雨是发生在中层500hPa中低纬“ω”环流型稳定形势下;低层高湿高能环境为暴雨提供了充足的水汽和能量;地面弱冷空气入侵激发了对流的产生，是产生强降水的触发条件;梵净山地形对气流既有抬升又有增强气流辐合的作用，对流单体不断在其迎风坡产生;雷达回波显示对流回波单体沿着地面中尺度辐合线生成、发展、合并、移动和消亡，出现了明显的列车效应，地面辐合线对对流单体起着组织、加强和引导作用;暴雨区位于850hPa暖式切变线南侧、地面冷锋前部、地面中尺度辐合线北侧，而地面中尺度辐合线北侧1～1.5个纬距内是强降水的主要落区。
关键词:
暖式切变;暴雨落区;中尺度辐合线;地形作用;列车效应
1引言
由切变线引发的暴雨天气较为常见，尤其是暖式切变线引发的局地暴雨，对农业生产、交通运输等造成的影响不可忽视，不少气象学者对切变线进行了研究并取得了许多成果。朱乾根［1］对江淮切变线进行了分析研究并总结出切变线上降水的分布特征;张洪英等［2］研究发现低层冷式切变线是引发大暴雨的主要系统，暴雨主要产生在低空冷式切变线右侧、西南低涡的东北象限以及低空急流的左前方，也是高低空急流耦合区;栾怀德等［3］对一次低空暖切变线引发的暴雨天气过程进行了分析，并指出暴雨主要产生在暖切变线强盛时和转为冷槽时的变性阶段;杨晓霞等［4］研究指出低层暖式切变线辐合、暖平流以及中高层正涡度平流、侧向辐合和倾斜涡度发展，使垂直涡度增大、上升运动发展;吴国雄等［5］分析出高层具有高位涡的干冷空气侵入，将诱发低层中尺度涡旋发展上升运动增强，触发对流不稳定能量释放，产生强降水;杨成芳等［6］利用加密探测资料分析了冷式切变线类大暴雨的动力结构。张京英等［7］研究指出冷式切变线强回波单体或短带位于切变线南侧，而暖式切变线强回波单体或短带基本位于切变线雨带的中间;方翀等［8］对北京特大暴雨中尺度对流条件的研究表明，低层切变线与地面辐合线相交的地区，是对流单体初生和强烈发展的区域;杨晓霞等［9］研究发现有利的地形对局地短时极强降水有重要作用，低层暖式切变线和500hPa低槽的位置不同、中高层冷空气的侵入强度、位置不同造成强降水的强度位置也不同;侯淑梅等［10］对大气空间结构分析指出暖区暴雨发生时冷空气较强，伸展高度较高，暴雨区位于冷锋前1个纬距内、θse暖脊脊线与地面交点、强上升运动中心;孙兴池等［11］对纬向切变线的落区进行了精细化的分析，认为影响系统的空间结构及冷暖空气的相互作用对暴雨落区的精细化预报至关重要。以上气象学者及专家从切变线暴雨的分布特征、水汽条件、热力条件、动力结构、地形作用及大气空间结构等方面入手进行了研究，揭示了切变线暴雨的产生原因。然而，由于强降水天气是在天气尺度环流背景下由中小尺度系统直接影响产生，其降水范围小、强度大、突发性强、诱发因素多，对其发生时间、落区位置和强度大小的把握仍是目前预报中的难点，仍需要进一步的研究。此外，地域的差异，地形的不同导致的结果也不尽相同，比如文中梵净山的特殊地形对局地特大暴雨的形成有至关重要作用，因此对切变线暴雨的研究仍有必要。2015年7月14日20时—15日08时，受高空浅槽和低层暖式切变线的影响，贵州省松桃县出现了特大暴雨，强降水集中在22时—次日04时，其6h累计最大雨量梦溪站达246.9mm，最大小时雨强梦溪站为79.7mm。针对此次极端强降水贵州省铜仁市气象局及松桃县气象局及时暴雨红色预警，铜仁市气象局多次分区全网短信达200余万人次。本次强降水具有突发性强、降水集中、灾害性大的特点，松桃县出现了山体滑坡、城市内涝、房屋垮塌等灾害，全县12.5万余人受灾，紧急转移5518人，直接经济损失共1.21亿元。本文利用常规观测、加密自动站降水及NCEP1°×1°再分析资料，分别从水汽、动力、热力条件及地形作用几方面来作探讨，结合铜仁多普勒雷达分钟数据，与地面系统对比分析，揭示了产生短时极端降水的原因，为今后业务工作中预报此类暴雨提供参考，以达到防灾减灾的目的。
2环流形势
2．1高空形势
7月14日20时500hPa高空图上(图略)贝加尔湖南侧有一低涡，低涡南测延伸一条槽线，槽线经河套地区—四川西部，其中四川境内的槽转为横槽，槽后有冷平流，槽前有暖平流。副高位于西太平洋上，副高西侧为一热带低压，四川横槽与海上热带系统之间为一高压脊，两低一高形势形成“ω”环流型。700hPa(图1a)暖切变线位于长江中上游川西—湖北一带，松桃位于切变线南侧西南风暖平流区里，西南风速10m/s，850hPa(图1c)暖切变线位于黔北—湘北一带，松桃位于切变线南侧西南风暖平流区里，西南风速4m/s，松桃强降水位于其南侧。15日08时，500hPa图上横槽维持少动，略有南压，热带低压发展略有东移，584线脊线位置略向东北方向移动，“ω”环流形势仍然维持。700hPa(图1b)暖切变线东移到长江中下游湖北—安徽一带，此时低涡已形成，低涡西南侧冷切变线位于重庆南部—贵州中部一带，松桃位于切变线南侧西南气流里，西南风速增至14m/s，850hPa(图1d)暖切变线也东移到湖北—安徽一带，冷切变线南压至重庆南部—贵州东南部一带，松桃位于切变线南侧西南气流里，西南风速已达到16m/s。综上可知，从14日20时—15日08时500hPa两低一高的“ω”环流形势维持，低空西南风速跃增，暖平流增强，松桃受暖式切变线影响，强降水位于切变线南侧。
2．2地面形势
14日白天，贵州省受热低压控制，热低压中心位于云南东部，贵州东部铜仁最高气温达34～36℃，松桃县处于热低压1000hPa控制区偏东部，白天气温达到35℃。14日20时，热低压减弱，贵州省西北部弱空气缓慢向南渗透，冷高压中心值为1007.5hPa，地面冷锋位于省西北部边沿，1000hPa等压线仍然控制贵州省，此时贵州省中部一线地面形成向东北伸展的低压倒槽，地面中尺度辐合线开始形成，松桃处于地面中尺度辐合线北侧，地面观测资料显示21时松桃开始降水，降水在辐合线附近产生。14日23时(图2a)，西北冷空气继续渗透，中心强度增强，中心值达1010hPa，地面冷锋进一步向东南方向移动至省西北部遵义、毕节境内，锋面附近降水沿着锋面产生且分散;地面低压倒槽减弱西退，低压中心1000hPa线西退至云南中部，1002.5hPa线控制贵州省，松桃仍然位于地面辐合线附近，23时3h降水(图2d)显示地面降水较强且位于辐合线附近北侧。15日02时(图2b)，贵州省西北部冷高压有所减弱，高压中心值变为1007.5hPa，地面冷锋略向东南移动，进入遵义、毕节中部，锋面附近降水增强，降水分散;地面低压倒槽增强东进，1000hPa线控制贵州省，松桃仍然位于地面辐合线附近，3h降水(图2e)增强并位于辐合线附近北侧。15日05时(图2c)，地面冷高压维持不变，冷锋继续向东南方向移动至铜仁西北部、遵义南部、贵阳和安顺中部，锋面附近降水维持，但地面低压倒槽继续增强东进，向东北方向伸展，1000hPa线仍然控制贵州省，松桃仍然位于地面辐合线附近，3h降水减弱(图2f)，降水位于辐合线附近北侧。15日08时(图略)，冷高压维持，但地面低压1000hPa范围减小，在松桃东侧形成低压中心，势力减弱，冷空气向东南方向快速移动，地面冷锋移至铜仁南部、黔东南北部、黔南北部一带，松桃强降水结束，地面辐合线南压，松桃境内由偏东气流转为西北气流。从以上分析可知，从14日20时—15日05时，地面冷锋从贵州省西北方向进入，05时到达铜仁西北部，松桃未受冷锋影响，属于西南风里的暖区降水;与此同时，从14日21时—15日05时松桃强降水持续，降水发生在地面辐合线附近;地面低压倒槽经历弱、变强、强、变弱的过程、其突变阶段与强降水具有一定的对应关系。
3水汽与能量条件
水汽是形成降水必不可少的条件。14日18时松桃本站相对湿度RH由62%突增至91%，23时RH由92%增至97%，15日00时RH已完全饱和达到98%，从15日00—05时水汽均达到饱和，最高达99%，近地面形成高湿状态。02时低层700hPa(图3a)水汽通道主要是孟加拉湾，水汽辐合位于急流轴左侧和其前部风速辐合的地方，松桃处于西南气流风速辐散区，水汽较少;而850hPa(图3b)水汽通道是南海，松桃位于西南急流顶部风速辐合区，水汽充足;08时700hPa(图略)切变线东移南压至铜仁西北部，西南急流东移北抬至湖南境内，松桃处于水汽辐散区，而850hPa(图略)切变线移至铜仁中部，松桃位于急流轴左侧水汽辐合区里，水汽充沛。14日白天，铜仁大部最高气温在34℃以上，能量较高;松桃附近怀化站14日20时探空图显示CAPE值达3954.4J/Kg，而对流抑制能量较小，K指数为35℃，大气中层较干，低层相对较湿，大气对流不稳定性较高，有利于雷暴的产生。综上可知，松桃产生强降水期间，低层具有高湿高能的环境，有利于强降水天气的产生。
4地形与中尺度辐合线
地形对降水的作用不可忽视，吴庆梅等［12］研究指出地形的抬升作用对暴雨有明显的增强作用，降水过程中有地形雨带的形成;朱素行等［13］研究指出中尺度山脉迎风、背风坡均以层云降水为主，层云降水强度在迎风坡强于背风坡，对流降水在迎风坡主要为浅对流，背风坡主要为深对流，对流降水强度在背风坡强于迎风坡;李子良等［14］研究指出地形降水是水汽、气流和地形相互作用而形成的，小山脉地形降水主要发生在山脉的迎风坡。铜仁市位于贵州省东北部，境内平均海拔在400～800m(图4)，最高为铜仁中部准南北走向的梵净山，海拔为2255m，可到达850hPa等压面，松桃县位于铜仁市东北部。从海拔等高线图可知梵净山与最东边的万山(海拔为884m)之间形成一狭窄通道，低层西南风可通过“狭管效应”而增强风速，观测表明，松桃10m风速14日21时为0.7m/s，22时为1.2m/s，23时为1.6m/s，15日00时为4.3m/s，01时风速为2.1m/s，02时风速为2.8m/s，03时风速为0.2m/s，04—05时为1.2m/s，06时又减弱为0.3m/s，风向由NNE逐渐转为NE，地面冷空气逐步加强。其上游铜仁站10m风速观测显示，20时—次日05时，风速逐渐增加，最大为2.9m/s，风向由SEE风逐渐转为SE风，与松桃的偏北风形成地面切变，即地面中尺度辐合线，这说明地面中尺度辐合线在20时开始形成，松桃位于辐合线北侧。700hPa西南风速从14日20时—15日08时由10m/s增至14m/s，同时850hPa西南风速由4m/s跃增至16m/s，而强降水发生在14日23时—15日03时，由此可推测低层西南风风速跃增对降水强度的加强起到了明显的促进作用。地面中尺度辐合线对局地对流天气的产生具有重要作用，陈军等［15］研究指出降水易发生在低空急流左侧和热低压东部第一象限和第四象限叠加区内，而强雷暴易发生在地面辐合线和850hPa切变线之间的热低压第一象限里;胡润山等［16］研究表明在满足对流发生的不稳定条件和水汽条件下，中尺度辐合线产生对流性局地强降水;李青春等［17］研究指出强降水与暖湿输送带上的地面切变线有关，近地面层辐合切变线的形成和发展与降雨云带的生成有密切关系;此外近地面层辐合线还会触发强降水发生［18－19］。14日20时松桃处于低空西南风暖区里，地面中尺度辐合线开始形成，松桃境内局部降水开始产生，松桃位于地面偏东风与偏南风的切变处北侧，即地面中尺度辐合线略偏北侧，切变线一直延伸至梵净山东侧迎风坡中部，受高大地形影响辐合线在此终断。随着低空西南风速的跃增，地面风速也增大，地面切变线两侧风速加大，辐合加强，降水加强。梵净山东侧切变线端点是触发强降水产生的源头(图4)，一方面，松桃境内大面积偏北风和偏东风在此汇合，狭管效应使得梵净山东侧偏北气流分量加大，与偏南风的辐合也就加强;另外一方面，端点辐合中心气流受到迎风坡地形的抬升作用，强烈的抬升作用使得降水强度加强。15日08时由于冷切变的东移，松桃转为偏北风，气流相比偏东风对地形的切变作用减小得多，辐合减弱，因此降水减弱。同时，地面冷锋下坡增温作用，锋消作用明显，因此06—08时松桃境内降水逐渐减弱。由上可知，地面中尺度辐合线是产生强降水的触发机制，梵净山山脉的阻挡不仅增强了气流的辐合，还对气流具有抬升作用，两个作用增强了降水的强度。
5雷达回波变化特征
多普勒雷达在短临预报和监测方面起着至关重要作用，不少专家和学者已对其降水估测和应用方面进行了许多研究［20－23］。14日20时，松桃地面由偏南风开始转为偏东风，地面中尺度辐合线开始形成，松桃处于辐合线附近，受辐合线北侧偏北风带来的弱冷空气触发作用，松桃西部局地对流泡开始产生。图中菱形符号位置是准南北走向的梵净山地形，对流回波不断在此生成、分裂、合并、东移、和传播，形成列车效应，导致松桃局地强降水发生。7月14日20时14分(图5a)回波图显示在梵净山东侧形成了3块对流回波，回波最强达到50dBz以上，此时梵净山东侧开始出现降水。北端的回波发展，向东北移动减弱消失，而南侧的回波不断发展向东北方向移动，新回波不断生成;21时17分(图5b)雷达回波显示新对流回波单体沿着梵净山东侧的迎风坡生成，并不断发展，回波排列成条状，条状回波由许多对流单体组成;21时48分(图5c)新的对流回波单体在条状回波东南侧生成，对流单体在地面辐合线的作用下，发展加强，并向条状回波靠拢、合并;00时46分(图5d)随着偏北风的加强，地面辐合线有所南压，条状对流回波在松桃境内有所南压，此时沿着辐合线附近出现一条雨带，最强小时雨强达60mm;01时48分(图5e)条状回波带继续维持发展，强度加强，此时松桃中部辐合线一带已出现两个强的对流中心，中心值大于60dBz，致使松桃梦溪小时雨量达到79.7mm，雨带达到最强;03时17分(图5f)梵净山西侧冷锋降水层状云回波开始靠近，松桃境内对流回波开始减弱，地面辐合线继续南压;07时38分(图略)冷锋已移至松桃中部，回波以层状云回波为主，松桃处于锋后，降水较弱，10时30分，冷锋移出松桃，降水停止。由此可知，辐合线北侧弱冷空气触发了松桃强降水的产生，对流回波沿着地面辐合线生成、发展、分裂、合并和传播，强降水主要位于地面辐合线的北侧，地面辐合线对对流回波单体起着组织、加强和引导作用。
6结论与讨论
①由于副高稳居西太平洋上使得中层500hPa中低纬“ω”环流型形势稳定、低层切变线维持，地面低压倒槽历经变强、变弱的过程，其突变的阶段与强降水时段具有一定的对应关系。
②低层高能高湿环境为暴雨提供了充足的水汽和能量，强降水发生前CAPE值达3954.4J/kg，K指数为35℃，大气中层较干，低层相对较湿，大气对流不稳定性较高，有利于强降水的产生。
③准南北走向的梵净山山脉阻断了地面中尺度辐合线，高大的梵净山地形(海拔2255m)迎风坡对偏东风和偏北风形成的汇合气流既有抬升又有增强气流辐合的作用，加剧了对流天气，对流单体不断在其迎风坡产生。
④地面中尺度辐合线北侧弱冷空气触发了局地对流泡的产生，雷达资料监测显示对流回波沿着地面辐合线生成、发展、分裂、合并和传播，地面辐合线对对流回波单体起着组织、加强和引导作用;暴雨区位于850hPa暖式切变线南侧、地面冷锋前部、地面中尺度辐合线北侧，而地面中尺度辐合线北侧1～1.5个纬距内是强降水的主要落区。文中根据地面加密观测小时资料和雷达分钟数据对局地降水的落区位置、锋面的位置及降水与地面中尺度辐合线和地形的位置关系进行了详细分析，揭示了产生局地大暴雨的成因。但是局地的梵净山高大地形影响作用仍需要进一步研究，尽管雷达回波可以清楚看到梵净山附近回波，但由于地面观测站点较少，梯度观测资料几乎没有，复杂的地形对降水的作用仍需要进一步探讨。
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作者:李小兰 陈军 喻义军 滕林 胡蓉 单位:贵州省玉屏县气象局 贵州省铜仁市气象局 贵州省印江县气象局 贵州省剑河县气象局