引言

低层气流走向对特定地区地形暴雨的形成极为关键，国内外不少专家在这方面已有许多研究成果。孙继松(2005)从大气运动基本方程出发，讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响，认为当垂直于山体的气流随高度减小时，地形的作用表现为迎风坡上水平辐合，造成气旋式涡度增强，产生风场切变，从而对迎风坡降水带来明显的增幅作用。也有研究表明(丁兰青等，2009；马玉芬等，2012；朱红芳等，2015；章翠红等，2018)，边界层辐合线及低层东南风遇山脉抬升后对局地强降水的触发作用非常明显。刘裕禄等(2017)研究指出，山脉地形迎风坡处因地形抬升速度与地面辐合线相配合使得降雨增强，以水汽收支方法诊断计算降雨增量可达6成。李超等(2018)分析认为，中尺度地形与西南涡前部偏南暖湿气流输送共同作用易诱发强降水。近年来，随着观测资料精度提高和数值模式快速发展，地形对降水影响的数值模拟研究有了进一步发展，相关地形降水敏感性试验研究结果(李侃等，2014；刘蕾等，2015；段静鑫等，2018)表明，地形迎风坡气流抬升辐合对局地强降水具有增幅作用。此外，国外学者的相关研究也较多。Roe (2005)系统概括了气流过山引起地形降水的7个主要动力响应机制，最简单的地形降水动力机制是迎风坡上升气流遇山时地形强迫抬升，降水在迎风坡处增强、背风坡处减弱，若大气层结较稳定或过山气流较弱，低层气流在山脉附近形成阻塞，从而加强其上层气流的抬升作用。Houze (2012)在总结以往相关研究后对这些动力机制再次进行细化，将气流在地形复杂迎风坡面上升分为4种情形，其中主要有两种:一是深厚极不稳定气团或大尺度系统(如锋)中的轻微不稳定气团，遇山抬升超过其自由对流高度后发展成特别旺盛的积雨云，且其云顶极高；二是由于大气热力作用，浮力不稳定导致山前大量降水云团爆发。上述成果对指导地形暴雨研究具有重要作用，但因地域差异、地形复杂和下垫面不同，每年同一地形导致的暴雨其强度、落区仍是预报业务工作的难点，加上数值预报对地形暴雨的预报能力有限，预报员对其很难把握，容易导致暴雨漏报。因此，加强此类暴雨天气的系统性分析总结、找出可预报性因子和方法显得尤为重要。

梵净山位于贵州省东北部铜仁市境内，是武陵山脉主峰，2018年成功编入世界自然遗产名录。该山脉为准南北向，其主体南北长约30 km、东西宽约18 km，最高海拔2 572 m，位于850 hPa层次之上，其东侧相对较平，海拔500~800 m。春夏之际梵净山东侧常产生局地大暴雨天气(图 1)，并导致其下游碧江区、江口县、松桃县中小河流水位暴涨、山体滑坡及城镇内涝，给当地人民群众生命财产造成重大损失。为此，本文立足低层偏东气流，选取梵净山东侧强降水落区形态接近的4次强降水过程进行合成分析，通过大气运动基本方程，分析探讨偏东气流对梵净山地形降水的影响，总结此类强降水形成机制和可预报性方法，为今后此类强降水天气预报提供参考依据。

1 资料与方法

本文使用的资料包括: (1)贵州省铜仁市10个区(县)国家站与371个加密自动站逐小时降水、风场资料，该资料均经过了质量控制处理；(2)铜仁CINRAD/CD多普勒天气雷达监测产品，雷达站位于铜仁市碧江区川硐镇云盘村杨石坡，其馈源高度为790.6 m，采集数据时使用降水模式进行体扫(VCP21)；(3) NCEP/NCAR再分析资料，时间分辨率为6 h，空间分辨率为1°×1°，垂直高度共17层。

本文选取的梵净山东侧强降水落区形态接近的4次强降水过程发生在2015—2019年之间，首先，对4次过程期间的高度场、风场及水汽场进行合成分析，使合成后的环流形势场接近4次过程发生时的实况场；然后，重点探讨了低层偏东气流与地形共同作用下强降水形成机制，并归纳出低层偏东气流影响下梵净山东侧强降水概念模型。需要说明的是，上述4次暴雨天气过程均发生在铜仁雷达站西侧，梵净山东侧无山脉遮挡，降水发生在距雷达站约60 km半径范围内。

2 强降水落区与环流形势 2.1 强降水落区

第一次过程出现在2015年5月14日18:00 (北京时，下同)—15日01:00，贵州铜仁梵净山山脉东侧江口县北侧和松桃县境内发生区域性强降水天气(图 2a)，强降水区呈东北—西南向带状分布，7 h累积雨量1站为特大暴雨(松桃县黑湾河站，265.5 mm)、3站为大暴雨、15站为暴雨；第二次过程于2015年7月14日21:00—15日06:00出现在梵净山山脉东侧松桃县境内(图 2b)，9 h累积雨量8站为大暴雨(最大在松桃县尖岩站，224.4 mm)、19站为暴雨；第三次过程于2016年6月1日20:00—2日02:00出现在梵净山山脉东侧江口县北部和松桃县境内(图 2c)，6 h累积雨量1站为大暴雨(江口县快场站，109.0 mm)、11站为暴雨；第四次过程于2019年6月21日20:00—22日03:00出现在梵净山山脉东侧江口县北部及松桃县南部(图 2d)，7 h累积雨量9站为暴雨(最大在江口试验场站，95.2 mm)。上述4次强降水过程的时空分布特点是: (1)降水持续时间短；(2)强降水均出现在梵净山山脉东侧，局地性强，且较为集中，山脉西侧降水不明显，而接近山顶的梵净山雨量站均未出现降水；(3)山脉东侧均有2个明显的降水中心，一个位于梵净山山脚，另一个离山脚不远。

以上特点在4次强降水过程中均较明显。由此推断，这种看似偶然的降水落区分布特征与梵净山地形应有联系。因此，选取4次过程强降水带中心站点降水量，将梵净山地形与之叠加，其结果见图 3。从中看出，4次过程山顶雨量均为0，随着地形海拔降低，降水逐渐增大，山脚附近(地形坡度突增点附近)出现强降水区，远离山脉不远处又出现一弱降水区，接着又是一强降水区，此降水落区分布可能与梵净山地形有关。

2.2 环流形势合成分析

对上述4次梵净山东侧强降水过程进行分析发现，其环流形势可概括为低涡切变型，因强降水均发生在夜间20:00左右，所以对该时刻4次强降水过程作合成分析。图 4给出梵净山4次强降水过程500、700、850 hPa高度场与相对湿度场合成图以及地面气压场与10 m风场合成图。

从图 4中看到，500 hPa上(图 4a)，贵州西北部有一高空槽，槽线从四川北部延伸至云南北部；700 hPa上(图 4b)，低涡切变线位于四川中部至湖北北部，贵州处于切变线南侧西南气流中，西南风6~8 m·s^-1，贵州东部相对湿度在80%以上；850 hPa上(图 4c)，贵州西北部边缘存在一低涡，从低涡中心延伸出的暖式切变线位于贵州中北部至湖南北部，贵州东部梵净山处于切变线附近，明显受偏东气流影响，风速为10 m·s^-1的偏南风在此转向为偏东气流，且水汽在此辐合，水汽充沛；地面图上(图 4d)，贵州受热低压控制，从10 m高风场上看到地面存在一条中尺度辐合线，从贵州西北部伸至铜仁南部直至湖南中部，辐合线北侧为偏东气流，贵州地面无明显锋面存在。

以上合成分析结果表明，高空槽、低空切变线、地面中尺度辐合线是强降水产生的主要影响系统。4次过程梵净山均处于地面中尺度辐合线附近，近地面受偏东风气流影响，到850 hPa逐渐转为偏南风，这种低层偏东气流对梵净山东侧强降水的形成究竟有何作用？为何只在东侧产生强降水？下文对此分析如下。

3 山脉东侧强降水的形成机制 3.1 迎风坡气流的上升与辐合

孙继松(2005)研究指出，对于南北向山脉，当大气低层存在一层浅薄偏东气流且气流u分量随高度减小时，可以利用大气运动方程组来证明气流在迎风坡具有辐合上升作用。假设在远离山坡的方向有一支东风气流u₀，山脉高度为Z₀，Z₀以上气流转为西风气流，那么不考虑气流在y方向上变化时，由连续方程可得

$ \frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial w}{\partial z}=0 $

(1)

其上边界条件为u = 0，Z = Z₀，下边界为u = u₀，Z = 0。假设东风气流的垂直分布随高度线性减小，即满足

$ u(x, z, t)=u_{0}+k z(x) $

(2)

由上边界条件求出系数k，代入连续方程，得到水平辐散(∂u/∂x)和垂直速度积分(w_z)的表达式为

$ \frac{\partial u}{\partial x}=\frac{-u_{0}}{Z_{0}} \frac{\partial z}{\partial x} $

(3)

$ w_{z_{0}}=\int_{0}^{z_{0}} \frac{u_{0}}{Z_{0}} \frac{\partial z}{\partial x} \mathrm{d} z $

(4)

即地形迎风坡上升速度取决于低空最大东风层的风速大小和山体坡度，由于迎风坡∂z/∂x < 0，u₀ < 0，所以散度小于零，即山脉迎风坡低层具有水平辐合作用，因此有利于迎风坡产生强降水；而背风坡∂z/∂x >0，u₀ < 0，散度大于零，即背风坡有水平辐散作用，不利于产生强降水。那么，梵净山地形造成的散度和垂直运动到底有多大？梵净山最高海拔2 572 m，主体位于850 hPa层之上，由于偏东气流主要位于850 hPa之下，所以符合式(3)—(4)。

统计上述4次过程中梵净山山顶平均气压为771 hPa，因此最接近800 hPa。根据图 1海拔高度分布，梵净山山脉主体高度均在2 000 m以上，山脚平均高度600 m，山脉中心与山脚的平均水平距离约8.5 km，因此可计算出其坡度∂z/∂x为0.165，选取4次强降水过程产生前近地面站点偏东气流平均风速约4 m·s^-1、发生强降水时近地面阵风可能产生10 m·s^-1的偏东风来计算，得到的垂直速度、散度见表 1。

由表 1可知，地面偏东风如果达到10 m·s^-1时，地面迎风坡造成的垂直速度为1.65 m·s^-1，散度达到-12.0×10^-4 s^-1，但实际天气过程中，近地面阵风产生的风速有时可达到大风标准，如果降水时产生偏东阵风，则有利于地形抬升，对降水有正反馈作用。分析2019年6月21日强降水过程近地面自动站风场可知，当日21时，梵净山东侧临近4个自动站过去1 h极大风为一致的东北风，风速6 m·s^-1，此时梵净山东侧山脚实验场站1 h雨量8.5 mm；22时，4个自动站过去1 h极大风转为偏东风，风速增至8 m·s^-1，实验场站1 h雨量46.3 mm，降水强度明显增大；到23时，4个自动站过去1 h极大风转为东北风，风速维持8 m·s^-1，但实验场站1 h雨量减至34.5 mm，之后随着东北风减弱，偏东风分量减小，降水随之逐渐减弱。可见，低层偏东风较大时其与地形相互作用产生的抬升力不可忽略。因此，在近地层为一致东风时，在迎风坡可造成辐合上升，当与高层天气系统耦合时易触发强降水。

考虑到28°N线正好穿过梵净山山脉北端，图 5给出上述4次强降水过程期间20时沿28°N垂直速度纬向剖面图。从中可见，梵净山位于108.7°E附近，各次强降水发生过程中，梵净山东侧整个环境场均出现上升运动，110°E附近上空出现较强上升运动，梵净山东侧附近垂直速度在1~4 m·s^-1之间，这种上升运动是地形抬升与中高层天气系统抬升叠加所致。从风场看，4次强降水过程中梵净山东侧近地面环境风均为偏东风，到800 hPa其山顶附近才转为偏南风，且偏东风均随高度减弱，因此可使用公式(4)计算低层东风层产生的垂直速度。

3.2 迎风坡山脚附近正涡度的加强

Houze和Hobbs (1982)指出，由于存在水平风的垂直切变，从而形成一支水平轴的涡管，当上升气流发展后水平涡管向上凸起，于是形成两支旋转方向相反的垂直轴涡管。上述4次过程反映出水平涡管在上升气流的抬升作用下逐渐形成了垂直涡管，即其中存在水平涡度向垂直涡度的转化。丁治英等(2014)研究指出，水平方向的涡度中含w的项较小，水平风随高度变化较大，因此该项大小主要由水平风垂直切变决定，在对流层中低层若存在低空急流，风垂直切变值可达10^-3~10^-2 s^-1。考虑到梵净山东侧低层受偏东风影响，根据热成风原理，越往高层会逐渐转为偏南风或西南风，那么就存在气流v分量随高度增加，即y方向水平风产生垂直切变，则会形成x轴水平方向的涡管，由于偏东气流受梵净山高大地形阻挡，根据3.1节中的分析，迎风坡会形成抬升运动，使x轴水平方向的涡管向上凸起，山脉附近则形成两支旋转方向相反的垂直轴涡管。图 6给出梵净山东侧涡度转化情况，取x轴垂直于山脉，y轴平行于山脉，低层为偏东风(u₀)，由于u₀随高度减小，到一定高度变为0 (图 6显示在梵净山山顶Z₀附近高度转为一致的南风，东风分量为0)，则y轴方向上的南风(v)随高度增加，即产生y轴方向上的垂直切变，由于高层南风风速(v₂)大于低层南风风速(v₁)，则会形成指向山脉的水平涡管(x轴负方向，图中两条水平虚线)，由图 4c—d可知，这种指向山脉的水平涡管存在于地面中尺度辐合线附近与850 hPa切变线之间以南区域，因为该区域存在明显的南风切变，地面中尺度辐合线附近上空南风切变最大。由于山脚(a点)附近有较强地形抬升，则使水平涡管向上凸起转化为垂直涡度。在Z₀高度以上，由于南风随高度逐渐转为西南风，南风分量随高度减弱，产生相反方向的水平涡管(x轴正方向)抑制低层垂直于山脉的涡管，因此在Z₀高度附近垂直于山脉的水平涡管会形成两个与山脉垂直的涡管环流圈。图 6中两条垂直虚线之间为两个涡管环流圈正涡度区域，该区域位于山脉迎风坡山脚附近，若与中高层系统叠加则正涡区发展深厚，利于上升运动维持和强降水产生；两条垂直虚线之外为两个垂直涡度环流圈的负涡度区域，利于下沉气流维持，不利于强对流发展。

3.3 山脉东侧环境场高温高湿

高温高湿环境有利于不稳定层结的形成，一旦存在触发条件则会形成强对流天气。图 7分别给出梵净山东侧4次强降水过程产生时的假相当位温(θ_se)分布。从中看到，4次过程产生时，梵净山附近近地面形成了高温高湿环境，θ_se在356~364 K之间，等θ_se线在107°E附近向上凸起，对应于贵州省地面热低压发展区域。从图 4中可以看到，4次强降水过程中850 hPa以下梵净山东南侧均为偏南风，偏南风将南海上空的暖湿气流向北输送，暖湿气流到达梵净山东侧后与该地的偏东气流形成辐合，有利于在山脉东侧形成高温高湿环境，使得低层大气变得不稳定，一旦受地形抬升触发，不稳定能量将大量释放，有利于在山脉东侧产生强降水。

3.4 雷达回波特征分析

相关研究(方标等，2016；李小兰等，2016；杨群等，2016)指出，雷达降水回波在梵净山东侧触发后在高空槽引导下沿地面中尺度辐合线发展加强、传播东移，形成“列车效应”。这种中尺度辐合线加强后不断在山脚形成辐合上升，对流单体沿辐合线发展、形成列车效应，因此强降水带往往出现在与地面中尺度辐合线移动方向一致的位置。为了分析梵净山东侧强降水产生的机制，以上述4次过程中的第一次过程(2015年5月14日)为例，使用铜仁多普勒天气雷达组合反射率因子产品，对其强降水时段回波连续演变特征(图 8)分析如下。

2015年5月14日20:14 (图 8a)，梵净山东侧形成一条东北—西南向对流回波带，回波带上有多个对流单体，对流单体中心强度达50 dBz以上，回波带与地面中尺度辐合线对应；21:17 (图 8b)，先前东北—西南向对流回波带依然存在，梵净山东侧又新生对流单体，且其强中心达55 dBz，这表明梵净山东侧强降水存在明显的叠加作用，同时在松桃县南部又有对流回波新生并发展加强，中心强度达55 dBz，说明在地面中尺度辐合线附近触发了对流；22:12 (图 8c)，梵净山东侧又生成两个对流单体，中心强度达50 dBz以上，此时江口县北部开始生成多个对流单体，而松桃县南部强回波东移减弱；23:11 (图 8d)，梵净山东侧又生成多个小对流单体，此时江口县北部降水回波东移减弱消亡，雷达站西北方向可见多块新生的对流单体回波。因此，第一次过程梵净山东侧山脚强降水区是在低层偏东风环流背景下形成的，因地形迎风坡产生抬升辐合作用，多次触发强对流导致降水叠加，而远离迎风坡的多个强降水区，一方面是对流单体在地面中尺度辐合线附近不断触发、发展而形成，另一方面是对流单体沿地面中尺度辐合线东移形成“列车效应”而造成。

同样，分析前述第二、三、四次过程的强降水形成机制表明(图略)，其结果与第一次过程大致相同。据此总结出梵净山东侧强降水区形成的三种主要机制，即迎风坡山脚多次触发对流形成雨量叠加效应、地面中尺度辐合线自身触发组织对流、回波沿地面中尺度辐合线东移形成“列车效应”。第一种机制是梵净山东侧山脚附近形成强降水中心的直接原因，第二、三种机制是远离梵净山山脉区域形成多个强降水中心的直接原因。

3.5 低层偏东气流影响下梵净山东侧强降水概念模型

综合上文分析结果，给出梵净山东侧低层偏东气流影响背景下的强降水天气概念模型(图 9): 500 hPa梵净山地区处于高空槽前西南气流中，700 hPa该地区为西南气流控制，850 hPa梵净山地区位于暖式切变线附近，该区域为高温高湿区，其东侧地面存在一条中尺度辐合线，辐合线北侧为偏东风，南侧为偏南风；由于低层偏东风与梵净山相互作用有利于山脚附近不断辐合抬升，山脚附近有正涡度区有利于山脚附近产生强降水，因此4次过程山脚附近均出现了强降水中心(图 2所示)，而远离山脚的区域，地面中尺度辐合线上的风速辐合造成多个小尺度辐合中心，并不断触发对流，同时对流随辐合线东移发展，从而导致辐合线附近出现多个强降水中心；高空小槽波动东移出梵净山区域，对应低层低涡切变线南压，梵净山东侧地面则转为偏北风，因抬升辐合条件失去，降水趋于结束。

4 结论与讨论

本文利用多种资料，对低层偏东气流下的贵州铜仁梵净山东侧4次强降水天气过程进行了分析，重点探讨了在低层偏东气流与地形共同作用下的强降水形成机制，主要结论如下：

(1) 低层偏东气流与地形的作用，与低层气流的u、v分量有关，当低层风速u分量随高度减小时，在迎风坡形成辐合上升，背风坡辐散下沉；当风速v分量随高度增加时，山脉上空形成指向山脉的水平涡管，在地形抬升力作用下涡管在山脚附近向上倾斜而产生正涡度分量，形成两个涡管环流圈，这种环流圈的形成加强了迎风坡山脚处的上升运动，当与中高层天气尺度系统耦合时，易在山脚处产生强降水。

(2) 梵净山东侧形成明显的偏东风与偏南风辐合区，环境场为假相当位温(θ_se)高值区，高温高湿环境使得大气变得不稳定，从而有利于山脉东侧产生强降水。

(3) 梵净山东侧强降水区的形成有三种机制，即迎风坡山脚多次触发对流形成雨量叠加效应、地面中尺度辐合线自身触发组织对流、回波沿地面中尺度辐合线东移形成“列车效应”。三种机制产生的降雨带与地面中尺度辐合线走向一致。

中小尺度地形对降水的影响非常复杂，导致迎风坡强降水形成的因素很多，本文重点分析了低层浅薄偏东气流（区别于台风影响、强冷空气南下等产生的深厚偏东气流）与地形的相互作用对强降水的影响，以及贵州梵净山东侧强降水产生的可能机制；另外，本文分析所用的再分析资料空间分辨率仍不足以突出地形的作用，特别是在地形作用下产生的局部抬升运动、次级环流等特征尚不能揭示清楚，下一步将针对此类中小尺度地形暴雨开展数值模拟研究，从而不断分析完善此类暴雨过程的形成机制。对于梵净山局地暴雨，当地预报员要重点关注低层偏东气流、地面热低压形成、中尺度辐合线及中高层系统东移后可能出现的耦合，若EC等数值模式预报场上有此类特征，可考虑预报其东侧山脚及沿地面辐合线一带将出现暴雨或大暴雨天气。