2018, Vol. 37 
2. 贵州省思南县气象局, 思南 565100;
3. 贵州省黔东南州气象局, 凯里 556000;
4. 贵州省气象台, 贵阳 550002
2. Sinan Meteorological station of Guizhou Province, Sinan 565100;
3. Qiandongnan Meteorological Office of Guizhou Province, Kaili 556000;
4. Guizhou Meteorological Observatory, Guiyang 550002
梅雨锋暴雨一直是我国长江流域夏季天气预报和服务的重点，也是实时预报业务中的难点，因此成为国内气象科研或业务工作者一直关注的重要内容之一。张小玲等[1]根据1980—1999年梅雨锋上暴雨活跃的区域、性质、尺度的不同，将我国夏季梅雨锋暴雨概括为三种类型，即梅雨锋上β中尺度对流性暴雨、梅雨锋东部(115°E以东)初生气旋暴雨、梅雨锋西端(鄂西、湘西及四川)深厚高空低压槽前持续性暴雨。熊秋芬等[2]研究指出，2003年7月9—10日长江流域梅雨锋东段和西段暴雨的影响系统不完全相同，梅雨锋西段(西起贵州北部)降水是500 hPa槽前切变线产生的持续性降水。谌伟等[3]分析指出，2008年7月22日梅雨锋西段襄阳特大暴雨与其北侧超低空东北风急流、南侧南风急流之间辐合的加强联系紧密。杜小玲[4]研究认为，梅雨锋西段暴雨是静止锋暴雨的特殊形式，将其定义为在梅雨期梅雨锋西段影响贵州时因低涡或切变影响而在梅雨锋西段触发的暴雨；此外，杜小玲等[5]还对2014年7月13—17日贵州梅雨锋西段持续性暴雨的环境场特征及贵阳极端降水成因进行了分析，并构建了此次梅雨锋西段持续性暴雨的天气学模型。
贵州地形复杂，天气多变，暴雨或大暴雨频发，是当地夏季主要的灾害天气之一[6]。黔东南属于全省暴雨多发区，其一旦成灾，往往造成重大经济损失。如2000年6月20—22日黔东南都柳江流域持续3 d的暴雨天气，诱发榕江、从江等县特大洪灾，造成直接经济损失2.6亿元。对以往黔东南地区的暴雨过程，当地预报员也作过一些总结性研究。顾欣等[7]研究揭示黔东南地区有两个大暴雨中心，一个位于雷公山西侧的丹寨县和麻江县境内，另一个在锦屏县，且暴雨多出现在夜间。池再香等[8]研究指出，副热带高压位置变化对黔东南暴雨落区有很好的指示作用。滕林等[9]诊断分析2015年6月7—8日黔东南区域性强降水个例表明，强降水落区位于地面辐合线和850 hPa切变线之间。这些研究从一定程度上揭示归纳了黔东南暴雨的特征与预报着眼点，但对黔东南梅雨锋西段暴雨预报的指导能力有限，尤其是黔东南地形环境复杂、地质条件多样，暴雨特别是梅雨锋西段暴雨形成机理复杂，基于现有认识和方法，对其准确预报难度很大。因此，仍有必要综合运用区域自动站、气象卫星等高时空分辨率资料，对黔东南近年来发生的典型或非典型暴雨个例进行深入研究。
2015年6月17—18日发生在黔东南地区的大暴雨天气过程(以下简称“6.18”黔东南暴雨)是在梅雨锋西段缓慢南压至黔东南区域的背景下受低空切变线影响触发的，属于典型的梅雨锋西段暴雨[4]。为了揭示“6.18”黔东南暴雨过程的环流背景以及触发暴雨的中尺度对流系统的结构演变特征与其发生发展的有利环境条件，本文使用常规气象观测资料、区域自动站资料、FY-2C云顶亮温(TBB)资料以及NCEP每日6 h间隔的1°×1°再分析资料，对该过程进行了诊断分析，重点探讨强降雨和大暴雨落区集中在清水江流域的原因，以期加深对贵州梅雨锋西段暴雨天气的认识，提高当地暴雨预报准确率，为开展中小流域防汛和安全度汛气象服务提供参考依据。
1 降水实况与灾情2015年6月17日20时—18日20时(北京时，下同)贵州出现全省性降雨，24 h累积降雨量大于50 mm的区域主要集中在贵州中南部(图 1a)。国家自动站降水实况显示，该过程暴雨区呈准东西带状分布，降水中心位于清水江流域，涉及凯里、三穗、麻江等12个县市，其中5站为暴雨，2站为大暴雨，大暴雨出现在麻江站和凯里站，其24 h累积雨量分别为164.6 mm和151.7 mm。同期区域自动站降水实况显示，黔东南62个乡镇112站雨量达到暴雨以上量级，其中29个乡镇43个站达到大暴雨量级，最大雨量(193.9 mm)出现在凯里市万潮镇，台江县南宫镇次之(175.6 mm)。最大小时雨量为73.9 mm，出现在麻江县坝芒乡。从位于暴雨中心的万潮、南宫区域站逐小时雨量图(图 1b)上可见，该过程强降雨时段主要集中在夜间至凌晨(17日22时—18日06时)，且强降雨中尺度系统自西向东影响黔东南；万潮站18日00—05时小时雨量均在10 mm以上，有4个时次在20 mm以上，最大雨强54.6 mm·h-1；南宫站18日01—06时小时雨量均在10 mm以上，有3个时次在20 mm以上，最大雨强达61.1 mm·h-1。黔东南州民政局统计资料显示，此次暴雨过程造成剑河、凯里、麻江等14个县市不同程度受灾，受灾总人口达24.2万，农作物受灾面积7 459.8 hm2，直接经济损失约38 732.3万元，因灾死亡6人、失踪1人。该过程雨强大、持续时间长，强降雨造成沪昆铁路贵定至凯里段一度中断运行以及清水江流域洪水暴涨，致使三板溪水电站水位急超警戒水位，为缓解大坝压力，该水电站于6月18日开闸泄洪。
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图 1 2015年6月17日20时—18日20时贵州省24 h累积降雨量分布(a，单位: mm)与万潮、南宫区域站逐小时雨量变化(b，单位: mm) Fig. 1 (a) The 24-hour accumulated precipitation (unit: mm) in Guizhou province, and (b) hourly precipitation (unit: mm) at Wanchao and Nangon regional AWSs from 20:00 BT 17 to 20:00 BT 18 June 2015. |
综上分析表明，“6.18”黔东南暴雨过程降雨强度大、持续时间较长，且具有明显的中尺度特征，强降雨和大暴雨落区主要集中在清水江流域。
2 大尺度环流背景 2.1 高低空环流形势暴雨发生需要有利的高低空环境场配置。“6.18”黔东南暴雨期间500 hPa欧亚中高纬地区环流形势维持两槽一脊型，阻塞高压位于贝加尔湖地区(50°—60°N)，呈单阻型梅雨形势，有利于引导冷空气从贝加尔湖以东低压后部南下；中纬度地区副热带高压(以下简称副高)在华南地区稳定少动，其西伸脊点维持在(110°E，23°N)附近，青藏高原有波动浅槽发展东移，17日20时浅槽东移至湖北恩施至贵州毕节上空，黔东南受副高西北侧、槽前西南暖湿气流影响(图 2a)。对流层中低层，受低空急流和切变影响(图略)，17日08时700 hPa切变线位于渝东北至西昌一带并呈东北—西南向，其南侧从滇东南经桂西北到湘南有明显的西南急流，急流带与切变线近乎平行，20时切变线移至黔北至滇东北一带；17日08时，850 hPa切变线位于渝东北到西昌一带，其南侧桂北到湘东北维持一支20 m· s-1西南低空急流，黔东南受急流左前侧西南暖湿气流影响，20时切变线南压至湘北、铜仁、贵阳上空，西南急流也迅速向东南方向移动约1.5个纬距，急流中心强度有所减弱(14 m·s-1)，夜间急流中心强度加强至16 m·s-1，且偏南风分量加大，贵州位于比湿大于等于15 g·kg-1的高湿区；17日夜间低层切变线继续东移南压影响黔东南地区，暖湿气流与自贝加尔湖阻塞高压东侧低压后部南下的冷空气在黔东南上空交汇，造成大气层结不稳定，高温高湿大气在低空切变线附近辐合上升形成强对流是引发暴雨的主要原因之一。
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图 2 2015年6月17日20时500 hPa和200 hPa天气形势图 (a) 500 hPa高度场(等值线，单位: dagpm)与风场(风向杆)；(b) 200 hPa高度场(等值线，单位: dagpm)、风场(风向杆)与散度场(阴影区，单位: 10-5 s-1) Fig. 2 (a) Geopotential height field (contours, unit: dagpm) and wind field (barbs, unit: m·s-1) at 500 hPa, and (b) geopotential height field (contours, unit: dagpm), wind field (barbs, unit: m·s-1) and divergence field (shaded areas, unit: 10-5 s-1) at 200 hPa at 20:00 BT on 17 June 2015. |
分析高层200 hPa环流形势表明，17日20时(图 2b)，贵州上空受南亚高压控制，南亚高压东部脊线位于贵州中南部26.5°N附近呈准东西向，黔东南地区位于南亚高压东部脊附近，35°N附近有高空西风急流；200 hPa散度场上，黔东南清水江流域为明显的辐散区(中心强度4×10-5 s-1)。17日20时—18日02时(图略)，上述区域高空辐散随时间加强，辐散中心强度由4× 10-5 s-1增至8×10-5 s-1，辐散中心正好位于清水江流域，说明200 hPa暴雨区存明显辐散增幅，高层“抽吸作用”加强，有利于维持低层辐合补偿机制[10]，使清水江流域大气层结更趋潮湿和不稳定，有利于对流产生和维持。
2.2 地面形势地面图上，17日08时(图 3a)，贵州大部受热低压控制，热低压中心位于贵州中南部，中心气压值998.8 hPa，江淮梅雨锋位于江南、湖南中部至贵州东北部一带并呈准东西向，其西段南压至贵州东北部；由于白天太阳辐射增温明显，地面热低压逐渐增强(中心气压997.3 hPa)控制贵州中南部大部地区，白天地面增温，地面热低压发展，偏南风加强，受暖空气影响和副高阻挡，梅雨锋西段云系一直维持在贵州中北部；17日14时(图略)，黔东南受地面热低压影响，大部分县市地面气温升至30 ℃以上，黔东南北部的施秉站较临近铜仁南部的石阡站气温高3 ℃，地面快速升温导致层结不稳定度增强[11]；17日20时(图 3b)，随着冷空气南下，太阳辐射减弱，地面气温下降，热低压强度减弱、范围缩小并西移至贵州西南部，同时伴随500 hPa高原浅槽东移引导冷空气从东北路径南下，冷空气增强，暖空气减弱，冷空气南下并配合低层切变线长时间维持与充沛的水汽辐合，使得梅雨锋西段缓慢南压并强烈发展而造成“6.18”黔东南暴雨。
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图 3 2015年6月17日08时(a)与20时(b)地面天气图 Fig. 3 The surface synoptic chart at (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT on 17 June 2015. |
江吉喜等[12]在研究青藏高原夏季对流云和中尺度对流系统时，将云顶亮温(TBB)为-32~-54 ℃的对流云称为一般对流云，TBB为-54~-64 ℃的对流云称为较强对流云，TBB≤-64 ℃的对流云可认为云顶已伸展过对流层顶，称为对流发展非常旺盛的极强对流云。肖递祥等[13]对四川攀西暴雨的中尺度对流系统(MCS)特征的研究表明，MCS是造成暴雨的直接影响系统。故本文以云顶TBB≤-32 ℃为对流云团的阈值，TBB越低，表明对流云云顶亮温越低，对流伸展高度越高，对流发展越旺盛。本文着重利用FY-2C逐小时TBB资料分析对流云团发生发展及其与黔东南清水江流域大暴雨的关系。图 4给出6月17—18日不同时次TBB演变。
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图 4 2015年6月17—18日不同时刻FY-2C云顶亮温(TBB)分布(阴影区TBB≤-32 ℃；A、B、C、D、E、F、H、I和J表示对流云团；黑色矩形框表示其内对流云团即将在下一时次合并发展；黑色箭头指向对流云团移出方向) (a) 17日17时；(b) 17日18时；(c) 17日21时；(d) 17日22时；(e) 17日23时；(f) 18日01时；(g) 18日02时；(h) 18日04时；(i) 18日10时 Fig. 4 Temperature (unit: ℃) of brightness blackbody (TBB) from FY-2C at (a) 17:00 BT, (b) 18:00 BT, (c) 21:00 BT, (d) 22:00 BT and (e) 23:00 BT on 17 and (f) 01:00 BT, (g) 02:00 BT, (h) 04:00 BT and (i) 10:00 BT on 18 June 2015. Shaded areas are areas with TBB≤-32 ℃. Symbols A, B, C, D, E, F, H, I and J indicate convective cloud clusters, black solid line rectangle denotes that the convective cloud clusters within it are about to merge at the next time, and black line with arrow directs to the moving direction of the convective cloud clusters. |
分析图 4可知，17日17时(图 4a)，贵州西部有3个较小的β中尺度对流云团(A、B、C)生成发展，其中心TBB值在-42~-60 ℃之间；湖南西北部存在一α中尺度对流云团(E)；贵州东北部新生一β中尺度对流云团(D)并不断发展，受其影响，黔东南东北部的三穗、岑巩、天柱等县出现降雨，并伴有雷电，此时云团D中心TBB值低于-60 ℃，表明该云团对流发展较旺盛。18时(图 4b)，贵州西部上述3个对流云团东移合并加强为β中尺度对流云团(F)，且对流云区面积不断扩大；湖南西北部云团E向后发展，与贵州东北部新生云团D合并加强为云团H。17日18—21时云团F不断东移发展；云团H经历了从发展到减弱的过程(图略)。21时(图 4c)，东移发展的云团F前边界处的黔东南西部有对流单体新生并发展成γ中尺度对流云团I。22时(图 4d)，云团I在原地发展并影响黔东南西部地区，云团I中心TBB值在-54~-64 ℃之间，该云团与其西侧的云团F顶部已相连接，此时对流云团I中心附近对应的清水江流域上游凯里老山站开始出现最大雨强为15.7 mm·h-1的强降水。23时(图 4e)，云团I缓慢东移并迅速发展为β中尺度对流云团，该云团结构密实，其中心TBB值低于-60 ℃，说明影响黔东南清水江流域的该云团对流发展已很旺盛，云团I造成的降水强度和范围继续增大，并伴随雨强大于20 mm·h-1的中尺度雨团开始形成，云团I中心附近的黄平县南部出现雨强为71.1 mm·h-1的短时强降水；此时对流云团I与其东西两侧的云团顶部相连接，呈合并加强趋势；之后，对流云团I继续缓慢东移，强度加强，TBB值低于-60 ℃的区域不断扩大，到18日00时(图略)，对流云团I中心东移至凯里、台江一带，位于该对流云团中心附近的凯里万潮镇、台江施洞镇雨强分别达到54.6 mm·h-1和46.2 mm·h-1，同时云团I造成的雨强超过10 mm·h-1的站数较前1 h明显增多。
上述分析说明对流云团I产生降水的效率高、强度大，该云团缓慢东移、发展以及后续合并加强与清水江流域强降雨关系密切。到18日00—01时(图 4f)，对流云团I与上述云团F、H逐渐合并成一个较大的α中尺度对流云团J，该云团呈爆发式增长，其中镶嵌若干γ、β中尺度对流云团，云团J中心TBB值低于-64 ℃；至此，一条长达数千公里的梅雨锋雨带形成，梅雨锋雨带上的云团J正是造成“6.18”黔东南清水江流域暴雨最主要的中尺度对流云团。18日01—06时(图 4g—h)，合并后发展旺盛的对流云团J缓慢东移南压，其主体长时间维持在黔东南清水江流域、呈准东西向带状分布，其中心TBB值维持在-64 ℃以下，各时次最大小时雨量达36.3~73.9 mm，该云团长时间维持在黔东南清水江流域是造成该地区大暴雨的直接原因。18日06—10时，云团J在向东南方向移动过程中迅速减弱、移速加快，其南移时给黔东南南部的黎平、从江、榕江等地带来一定强度的降雨。到18日10时(图 4i)，云团主体减弱并移出黔东南地区，此次强降雨过程结束。
综合上述分析结果，表 1给出“6.18”黔东南暴雨过程中对流云团同降雨强度和强降雨落区的关系。从中看到，该过程是由贵州西部若干γ或β中尺度对流云团新生、东移、合并与发展，黔东南本地若干γ或β中尺度对流云团新生、增强，以及湖南西北部α中尺度对流云团合并加强产生的；强降雨与对流云团强烈发展密切相关，强降雨主要发生在对流云团发展到成熟阶段，TBB降低过程与降雨增强过程较为一致，强降雨区位于对流云团TBB中心及其梯度大值区附近；对流发展旺盛的云团J，TBB低于-64 ℃的云区在18日00—06时一直维持在黔东南清水江流域，正好对应该区域强降雨时段，是造成该区域大暴雨的直接原因。
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表 1 2015年“6.18”黔东南暴雨过程中对流云团同降雨强度、强降雨落区的关系 Table 1 Relationship between the convective cloud clusters and the precipitation intensity and severe precipitation zone in the torrential rain event in Qiandongnan on 18 June 2015. |
假相当位温(θse)是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量，其分布反映大气中能量的分布。本文采用θse分析“6.18”黔东南暴雨过程中低层能量及能量锋区的分布与演变特征。6月17日14时暴雨发生前(图 5a)，地面热低压发展控制贵州中南部，850 hPa黔东南地区θse在356~360 K之间，高温高湿有利于不稳定能量积聚，以352 K为特征线，冷暖空气交汇于贵州北部形成明显的等θse密集带，对应贵州北部较强的水平能量锋区，对流云团在能量锋区南侧附近开始触发，在高能舌区内加强发展；18日02时(图 5b)，高空槽东移引导冷空气南下，352 K特征线南压至清水江流域以北，能量锋区逐渐向南发展并位于黔东南北部，黔东南大部受能量锋区南侧352~356 K的高能舌控制，由于冷暖空气强烈交汇，引起低层能量锋锋生[6]，配合低层切变的动力抬升作用，中尺度对流云团在锋区南侧高能区发展加强而产生强降雨，暴雨带位于能量锋区南侧清水江流域，暴雨带走向与能量锋区走向较为一致。
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图 5 2015年6月17日14时(a)与6月18日02时(b) 850 hPa假相当位温(θse)分布(单位: K)，以及18日02时850 hPa与500 hPa温差(单位: ℃)分布(c)、500 hPa与850 hPa θse之差(单位: ℃)分布(d)。阴影代表地形高度大于1 500 m。 Fig. 5 The distribution of pseudo-equivalent potential temperature (θse, unit: K) at 850 hPa at (a) 14:00 BT 17 and (b) 02:00 BT 18 June 2015, (c) the temperature difference (unit: ℃) between 850 hPa and 500 hPa and (d) the θse difference (unit: ℃) between 500 hPa and 850 hPa at 02:00 BT 18 June 2015. Shaded areas represent the areas where the topography is greater than 1 500 m. |
暴雨的发生对大气层结不稳定度有一定要求，本文运用NCEP 1°×1°再分析资料计算分析850 hPa与500 hPa温度差(T850-500)分布特征。从图 5c中暴雨发生时段T850-500分布看出，暴雨区处于T850-500温度梯度大值区，且18日02时强降雨发生时段黔东南清水江流域T850-500为22~24 ℃；结合对500 hPa与850 hPa的θse之差(θse500-850)分布特征，6月17日08—20时暴雨发生前(图略)，暴雨区均处于θse500-850负值区且负值(绝对值)呈增加趋势，表明不稳定度增加；17日20时黔东南地区θse500-850为-8~-12 ℃，大气为对流不稳定；18日02时(图 5d)，清水江流域强降雨发生时段，暴雨区θse500-850为-6~-8 ℃，说明强降雨发生时段大气不稳定能量不断释放，大气不稳定度在降低，但仍保持较高的对流不稳定度。
T－lnp图能反映探空站及其上空一定范围内各种气象要素的垂直分布特征，对预报短时强降雨等强对流天气有较好的指导作用。本文以位于黔东南上游的贵阳探空站T－lnp图分析有关不稳定度参数的分布特征。6月17日08时暴雨发生前(图略)，探空站上空明显表现为“上干下湿，上冷下暖”的不稳定层结特征，但此时对流有效位能(CAPE)仅708.9 J·kg-1，随着午后地面热低压发展，地面温度不断升高，运用14时凯里国家站地面温度和露点温度对探空曲线进行订正后，CAPE上升至3151 J·kg-1，说明午后该地区已有较高对流不稳定能量积聚(图 6a)；到17日20时(图 6b)，K指数为43 ℃，沙氏指数(SI)为-4.1 ℃，维持中等强度的对流不稳定能量(CAPE为1537 J·kg-1)，500 hPa以下温度线和露点线相互靠近，表明湿层深厚，0—6 km为弱垂直风切变(7.0 m·s-1)，700 hPa以下风随高度顺转为暖平流，700—500 hPa风随高度逆转为冷平流，高层冷平流叠加在低层暖平流之上，使大气不稳定增大。上述特征有助判断黔东南地区出现高效率降水。
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图 6 2015年6月17日14时(a，采用地面温度和露点订正后)与20时(b)贵阳探空站T－lnp图 Fig. 6 T-lnp chart at Guiyang sounding station at (a, from that corrected by surface temperature and dew point) 14:00 BT and (b) 20:00 BT on 17 June 2015. |
充足的水汽输送及其在某区域的辐合上升是暴雨产生的必要条件[13]，而水汽的输送主要来源于对流层低层。利用常规高空观测资料，分析“6.18”黔东南暴雨低层(850 hPa)比湿场演变看到(图略)，从17日08时开始，贵州中南部处于高湿状态，比湿达17 g·kg-1；17日20时850 hPa高湿舌维持，该地区比湿略有上升(达18 g·kg-1)，重庆、湖北南部至贵州北部比湿为12~ 13 g·kg-1，而贵州中南部比湿高达17~18 g·kg-1，在贵州中北部为比湿梯度大值区，“6.18”黔东南暴雨区主要位于850 hPa干湿交界带比湿水平梯度大值区南部的高湿区。
强降雨的发生，不但要有充沛的水汽，还要有源源不断的水汽输送并在强降雨区上空辐合抬升凝结。图 7给出不同时次850 hPa风场、水汽通量场与水汽通量散度场。从中看到，17日20时(图 7a)，“6.18”黔东南暴雨发生前，850 hPa向贵州输送水汽的通道主要有两条，一条是来自南海的偏南暖湿气流携带的水汽，经中南半岛东部到南海西部折向北输送，再通过广西向北输送至贵州，另一条是来自孟加拉湾的偏南气流携带的水汽，经中南半岛西部向北输送，再通过云南折向东北输送到贵州；其中，在中南半岛东北部、桂西北和黔东南存在三个水汽通量中心，中心值分别达15、20、15 g·s-1·cm-1·hPa-1以上，这表明南海是此次暴雨的主要水汽源地。17日20时850 hPa风场上(图 7a)，在贵州西部、贵州东北部到湖南西北部分析出两个中尺度环流系统，对应上述地区水汽辐合强度超过9×10-8 g·s-1·hPa-1·cm-2，有利于对流云团发展和强降雨产生。17日20时—18日02时，随着夜间西南低空急流加强，850 hPa水汽通量大值区向北发展，并在贵州中南部形成一条准东西向水汽通量辐合带，18日02时暴雨发生时段(图 7b)，850 hPa黔东南地区水汽通量大值中心超过20 g·s-1·cm-1·hPa-1，水汽辐合中心强度超过-15×10-8 g·s-1·hPa-1·cm-2，风场上在黔东南清水江流域有明显的中尺度环流系统与水汽辐合中心相配合并长时间维持，这有利于充沛的水汽在清水江流域不断抬升凝结，从而导致17日夜间黔东南清水江流域持续性强降雨。对比图 1a可知，水汽通量辐合带、辐合中心与雨带、暴雨中心吻合较好，这对梅雨锋西段影响黔东南背景下的清水江流域暴雨定点预报有一定的指示意义。
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图 7 2015年6月17日20时(a)、18日02时(b) 850 hPa风场(箭矢)与水汽通量(等值线，单位: g·s-1·cm-1·hPa-1)、水汽通量散度(彩色阴影区为水汽辐合，单位: 10-8 g·s-1·hPa-1·cm-2)分布(黑色阴影区代表地形高度大于1 500 m) Fig. 7 Superposition of wind field (barbs, unit: m·s-1), water vapor flux (contours, unit: g·s-1·cm-1·hPa-1) and water vapor flux divergence (color shaded, unit: 10-8 g·s-1·hPa-1·cm-2) at (a) 20:00 BT 17 and (b) 02:00 BT 18 June 2015. Black shaded areas represent the areas where the topography is greater than 1 500 m. |
6月17日20时(图略)，850 hPa散度场上，贵州西南部存在一辐合中心，对应高层200 hPa为弱辐散区，此时贵州降雨主要出现在西南部。“6.18”黔东南暴雨主要发生在17日夜间至18日凌晨，以暴雨中心凯里市万潮区域站为代表(强降雨主要发生在18日00—05时)，分析万潮区域站降雨变化与其上空涡度、散度垂直分布演变之间的关系，以便进一步了解“6.18”黔东南暴雨过程发生的动力机制。图 8给出该过程发生前后暴雨中心(107.8°E，26.6°N)涡度、散度随时间的垂直演变特征。
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图 8 2015年6月17日14时—18日14时暴雨中心(107.8°E，26.6°N)涡度(a)与散度(b)时间-高度垂直剖面图(单位:10-5 s-1) Fig. 8 Height-time cross section of (a) velocity (unit: 10-5 s-1) and (b) divergence (unit: 10-5 s-1) at the torrential rain center (107.8°E, 26.6°N) from 14:00 BT 17 to 14:00 BT 18 June 2015. |
从图 8a中可见，17日20时强降雨发生前，低层正涡度带主要位于700—925 hPa之间，且正涡度大值中心强度在4×10-5 s-1以下；17日23时低层正涡度中心强度超过5×10-5 s-1，万潮区域站开始出现降水，小时雨量为6.1 mm；18日00—05时强降雨发生时段，低层正涡度中心下移并维持在850 hPa附近，且中心强度达6× 10-5 s-1，对应此时段小时雨量均在10 mm以上。值得注意的是，17日23时—18日00时低层正涡度中心迅速下移至850 hPa附近，对应此时万潮区域站小时雨量达到最大(54.6 mm·h-1)，这表明850 hPa低层低涡系统的迅速发展有利于加强低层动力抬升作用和低层水汽辐合抬升凝结；18日05时之后，850 hPa附近正涡度快速减小，且正涡度中心值减小至6×10-5 s-1以下，对应万潮区域站小时雨量小于5.0 mm，以及强降雨趋于结束。
从图 8b中可见，17日20时强降雨发生前，低层850 hPa附近辐合中心强度低于-3×10-5 s-1，高层200 hPa附近辐散中心强度低于2×10-5 s-1；17日23时上述低层辐合中心强度超过-4×10-5 s-1，万潮站开始出现强度为6.1 mm·h-1的降水；18日00—05时强降雨发生时段(6个时次中有4个时次雨强在20 mm·h-1以上)，低层800 hPa以下为辐合，辐合中心维持在850 hPa附近，辐合中心强度维持在(-4~-5)×10-5 s-1；高空300 hPa以上为辐散，辐散中心维持在250—150 hPa之间，且高层辐散中心强度在4×10-5 s-1以上，同时高层辐散强度明显大于低层辐合强度，高层辐散抽吸作用增强，有利于该时段强降雨维持，其中17日23时—18日00时万潮站降雨最强(54.6 mm·h-1)，对应该时段高层强辐散中心维持在4×10-5 s-1以上，而低层850 hPa附近强辐合中心由-4×10-5 s-1加强至-5×10-5 s-1(低层辐合达到最强)，说明最强降雨出现在边界层动力辐合加强且趋于最强的时段；18日05时后，低层辐合快速减弱(-3×10-5 s-1)，对应强降雨结束。
综上分析可知，“6.18”黔东南暴雨过程强降雨产生在低层一定强度辐合(-4×10-5 s-1)叠加高层辐散(4× 10-5 s-1)以及低层维持一定强度的正涡度辐合(6×10-5 s-1)的有利配置下，低层辐合有利于气旋性涡度不断加大，高层辐散的抽吸作用使得辐合上升运动加强，气流上升凝结潜热不断释放使低层气压降低，又进一步促使低层低涡系统发展，进而形成更强的上升运动以维持产生强降雨所需的动力抬升条件。
4.3.2 垂直螺旋度分析相关研究表明，垂直螺旋度能反映大气在垂直方向的旋转特点和上升运动的强弱[14]；垂直螺旋度在大雨以上降雨产生期间和产生之后的变化比涡度、垂直速度更加敏感，说明垂直螺旋度对大雨以上强降雨天气的分析和预报有很好的指示效果[15]；螺旋度的演变对降雨落区、雨强有很好的指示作用[16]。分析850 hPa垂直螺旋度与风场表明，17日20时“ (6.18”黔东南暴雨发生前)在贵州西南部、贵州东北部为垂直螺旋度大值带(图略)，垂直螺旋度大值带位于切变线南侧与低空急流左侧的交汇区，结合对图 4的分析可知，对流云团在切变线附近触发，并向垂直螺旋度大值区移动和发展；18日02时“6.18”黔东南强降雨发生时段(图 9a)，随着切变线南压和急流加强，位于贵州东北部的垂直螺旋度大值带南移至贵州东南部且强度加强(中心强度达18×10-6 hPa·s-2以上)，螺旋度大值中心位于切变线南侧和低空急流左前侧的交汇区。根据垂直螺旋度公式-ξ×ω可知，上述垂直螺旋度大值区正是850 hPa切变线南侧和低空急流左前侧的正涡度叠加区(图 9a)，同时也是暖湿气流强气旋式旋转上升区，预示着黔东南地区有低层切变系统强烈发展形成的有利动力抬升条件，有利于该地区能量不断释放和强降雨产生，结合图 1分析可知，“6.18”黔东南强降雨主要发生在切变线南侧对应垂直螺旋度为8×10-6 hPa·s-2以上的大值带附近。
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图 9 2015年6月18日02时850 hPa风场(风向杆)与垂直螺旋度(黑色细实线，单位: 10-6 hPa·s-2)分布(a)以及沿107.8°E的垂直螺旋度(单位: 10-6 hPa·s-2)经向剖面图(b) 图a中，粗黑线表示切变线，箭头线表示低空急流，阴影区地形高度大于1 500 m；图b中，阴影区为高原地形 Fig. 9 (a) Superposition of wind field (barbs, unit: m·s-1) and vertical helicity (thin black line, unit: 10-6 hPa·s-2) at 850 hPa, and (b) meridional cross section of vertical helicity (unit: 10-6 hPa·s-2) along 107.8°E at 02:00 BT on 18 June 2015. In (a), the thick black line denotes the shear line, the line with arrow the low-level jet, and shaded areas represent the areas where the topography is greater than 1 500 m. In (b), shaded areas mark plateau terrain. |
由图 1b可知，位于暴雨中心的凯里万潮镇(107.8°E，26.6°N)强降雨主要出现在18日00—05时，沿107.8°E作不同时次的垂直螺旋度经向剖面图。17日20时强降雨发生前(图略)，26°—27°N之间650 hPa以下为正螺旋度区，正螺旋度中心(4×10-6 hPa·s-2)在800 hPa附近，600 hPa以上为负螺旋度区，负螺旋度中心(-16× 10-6 hPa·s-2)在200 hPa附近，有利于低涡系统发生发展和随后的强降雨产生；18日02时强降雨发生时段(图 9b)，650 hPa以下的正螺旋度迅速增加，正螺旋度中心下移至850 hPa附近，中心值达12×10-6 hPa·s-2，650 hPa以上维持负螺旋度区，负螺旋度中心下移至250 hPa附近(达-20×10-6 hPa·s-2)，中高层负螺旋度中心与低层正螺旋度中心均位于26.6° N附近，与暴雨中心位置较吻合。
以上分析表明，暴雨中心强降雨发生时段对应低层650 hPa以下正螺旋度迅速增大，650 hPa以上维持强负螺旋度区，且低层正螺旋度中心和中高层负螺旋度中心均向下移动，这与张晨晖等[17]的研究结果“中低层正、高层负垂直螺旋度中心向低层移动导致地面降雨强度明显增强”的结论基本一致。此外，凯里万潮站强降雨发生时段对应低层正螺旋度快速增大，高层维持强负螺旋度，说明“6.18”黔东南暴雨发生在低层切变系统快速发展并配合高层强“辐散抽吸”的背景下，强烈的动力抬升导致不稳定能量释放和充沛水汽不断凝结，进而产生强降雨。
5 结论与讨论本文使用常规高空和地面观测资料、区域自动站资料、FY-2C云顶亮温资料与NCEP 1°×1°再分析资料，从环流背景、水汽条件、抬升条件、不稳定条件及中尺度系统演变等方面，对2015年6月17—18日发生在黔东南地区的典型梅雨锋西段暴雨进行了诊断分析。其主要结论如下：
(1) 欧亚中高纬500 hPa两槽一脊单阻型梅雨形势下，副高稳定在华南地区少动，贝加尔湖阻塞高压东侧低压后部偏北气流引导冷空气南下与副高西北侧西南暖湿气流在黔东南地区交汇，造成大气潮湿不稳定。同时，500 hPa短波槽东移配合低空切变系统和地面梅雨锋的动力抬升作用，对应200 hPa南亚高压东部脊强辐散，有利于维持潮湿不稳定条件下低层辐合抬升补偿机制，使梅雨锋西段云系强烈发展，并受副高阻挡而较长时间影响清水江流域，造成该区域持续强降水。
(2) 贵州西部若干γ或β中尺度对流云团新生、东移、合并与发展，黔东南本地若干γ或β中尺度对流云团新生、增强，以及湖南西北部的α中尺度对流云团，共同作用形成影响“6.18”黔东南暴雨的梅雨锋西段云系；强降雨主要发生在对流云团发展到成熟阶段，TBB降低过程与降雨增强过程较为一致。
(3) 白天地面热低压发展，对流不稳定能量积聚，暴雨云团在850 hPa θse能量锋区南侧附近触发，在高能舌区加强发展，暴雨区走向与能量锋区走向较一致。由于夜间低空急流加强，来自南海和孟湾的水汽在黔东南地区形成深厚湿层和高湿舌，低层有中尺度环流系统与水汽辐合中心相配合，在弱的垂直风切变环境条件下，有利于黔东南夜间强降雨发生。
(4) 强降雨发生时，对应低层正螺旋度中心、中高层负螺旋度中心均向下移动，且低层正螺旋度迅速增大，说明低层低涡切变系统的快速发展对此次暴雨发生起了重要作用。
(5) 低层850 hPa中尺度环流系统与水汽辐合带相配合，水汽通量辐合带、辐合中心与雨带、暴雨中心吻合较好，这对此次梅雨锋西段黔东南清水江流域暴雨的落区预报有一定的指示意义。
需要指出的是，类似“6.18”过程的梅雨锋暴雨往往发生在深厚的暖湿层中，水汽条件充沛，当地预报员今后遇到此类暴雨过程时，在掌握大尺度环流背景和主要影响系统的前提下，应重点分析未来24 h地面梅雨锋位置的演变，重点关注低空急流左前侧、地面梅雨锋附近850 hPa上中尺度环流系统与水汽通量辐合带相匹配的区域，上述区域往往对应着强降雨区。另外，黔东南复杂地形下暴雨的发生发展机制极为复杂，上述结论是对“6.18”黔东南梅雨锋西段大暴雨个例的诊断分析，本文的分析仍显不够，尤其是对黔东南复杂地形条件下此类暴雨过程的中小尺度环流结构特征，还有待进一步研究。
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