貴州沿河縣兩次極端強降水的對比分析

冉仙果,胡 萍,付瑞瀅,陳 超,皮小雯

(1.貴州省沿河土家族自治縣氣象局，貴州 沿河 565300；2.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；3.貴州省碧江區(qū)氣象局，貴州 銅仁 554307)

0 引言

暴雨是影響我國的主要重大災害性天氣現(xiàn)象之一[1]。沿河縣地處貴州高原東北邊緣斜坡、大婁山脈和武陵山脈交錯地帶，烏江由南至北將沿河縣分割為西北、東南兩大部分，西北部屬大婁山脈，東南部屬武陵山脈。最高海拔1 462 m，最低海拔225 m。由于地形復雜，近年來沿河縣暴雨頻發(fā)，造成災害嚴重。暴雨過程的突發(fā)性、局地性強，出現(xiàn)的時間及強度的預報難度較大[2]，而暴雨能造成嚴重的災害[3]，常常引發(fā)山體滑坡、山洪、泥石流等,導致公路損毀、房屋倒塌、電力和通訊中斷、大量耕地被沖毀,損失慘重[4]。王福俠[5]等指出充足的水汽輸送、強的動力條件和高降水效率是極端降水的原因之一。朱乾根[6]等研究發(fā)現(xiàn)低空急流和高空西風急流的耦合是強暴雨發(fā)生的重要原因。王茂書等[7]通過分析發(fā)現(xiàn)垂直速度、渦度和假相當位溫等物理因子在暴雨過程中表現(xiàn)得很明顯，是預報持續(xù)性暴雨的重要手段。做好縣級區(qū)域性的汛期暴雨預報和暴雨特征分析是經(jīng)濟建設、防汛抗旱等防災減災工作的迫切需求[8]。本文利用自動站觀測資料對沿河縣城區(qū)歷史暴雨天氣過程進行篩選，查找出沿河縣城測站近10 a來24 h降水量兩次極端暴雨天氣過程，并針對沿河縣的這兩次暴雨天氣進行研究，以求探索出沿河縣極端暴雨的發(fā)生發(fā)展機制。針對EC模式對極端暴雨的強降水預報能力究竟如何，對典型降水“6·20”過程作分析檢驗，分析環(huán)流形勢及暴雨落區(qū)預報，為預報員訂正EC模式產(chǎn)品提供參考，以期提高暴雨預報的準確率，提前做好防范措施，減少暴雨災害帶來的損失。

1 資料與方法

利用自動站降水資料查找出近10 a發(fā)生在沿河縣24 h降水量兩次極端大暴雨天氣過程，通過常規(guī)觀測資料、地面區(qū)域站、多普勒天氣雷達資料和NCEP再分析資料對沿河縣出現(xiàn)的兩次大暴雨天氣過程進行天氣形勢分析，對比兩次天氣過程的物理量場和熱力條件及雷達回波特征，找出兩次暴雨天氣過程的發(fā)生發(fā)展機制和異同點；對典型個例2016年6月20日(簡稱“6·20”過程)過程的數(shù)值模式預報作檢驗，以期提高預報的準確率。

2 降水概況

2016年6月20日沿河縣城測站日降水量達到135.7 mm。此次過程自18日夜間開始，于21日06時結(jié)束，強降雨時段集中在19日夜間—20日白天，暴雨落區(qū)在沿河縣大部、德江縣中北部，大暴雨中心在沿河縣中部。沿河縣城測站累計雨量達161.7 mm，最大小時雨強為23.6 mm；最大日降雨量為沿河縣甘溪橋262.2 mm，最大小時雨強55.5 mm。此次暴雨過程持續(xù)時間長，造成沿河縣災害受災人口31 409人，農(nóng)作物受災面積752 hm2，因災倒塌房屋21戶51間，嚴重損壞房屋 27戶61間，一般損壞房屋69戶147間，經(jīng)濟損失721萬元。

2019年6月22日(簡稱“6·22”過程)，沿河縣城測站日降水量167.7 mm，突破歷史極值，是近60 a以來氣象記錄最高值。強降雨時段集中在22日白天，暴雨落區(qū)在銅仁市中北部，大暴雨中心集中在沿河縣中部、德江縣中北部，最大日降雨量為德江縣坳田221.7 mm，最大小時雨強108 mm；沿河縣城測站最大小時雨強為42.6 mm。此次暴雨過程范圍廣，強度強，造成洪澇災害重，沿河縣因災死亡3人，失蹤3人，受災人口59 748人，倒塌房屋7戶35間，嚴重損壞房屋19戶61間，一般損壞房屋39戶139間，農(nóng)作物受災面積2 488 hm2，直接經(jīng)濟損失達16 262萬元。

兩次過程暴雨落區(qū)相同，總降雨量相當，都以短時強降水天氣為主，并伴有大風、雷電等強對流天氣?！?·20”過程持續(xù)時間長，最大降雨量更大，而“6·22”過程小時雨強大，降雨強度強，范圍更廣，致災更為嚴重。

3 兩次大暴雨過程對比分析

3.1 天氣形勢對比分析

分析“6·20”過程的高低空系統(tǒng)配置，屬于暖式低渦切變型。20日08時(圖2a)，500 hPa上冷渦位于貝湖西部，高空槽東移南壓，位于湖北西部—重慶東南部—貴州中部—云南東部一帶，副高南退至湘南—桂中東一帶，副高脊線位于20°N，西伸脊點在105°E，控制華南、華東地區(qū)，沿河縣位于槽前，受副高外圍西南氣流影響，槽前西南氣流風速增加，孟灣和南海源源不斷的輸送水汽；700 hPa低渦東移至重慶北部，南支切變在省西北部，西南急流加強，風速達16 m/s；850 hPa低渦東移至重慶東南部，位于沿河附近，南支切變在沿河中部，西南急流維持在20 m/s，頂部在湖北東部；沿河縣位于中低空急流左側(cè)，利于暴雨區(qū)的水汽輸送和能量的提供；地面四川熱低壓減弱至1 002.5 hPa，輻合線在銅仁中部，沿河縣位于輻合線北側(cè)。

分析“6·22”過程的高低空系統(tǒng)配置，屬于冷式低渦切變型，為后傾槽形勢。22日08時(圖2b)，500 hPa上中高緯兩槽一脊形勢，暖脊位于貝湖東側(cè)120°E附近，副高北側(cè)的波動槽位于四川東部，副高脊線位于25°N，西伸脊點在90°E，控制整個華南地區(qū)，沿河縣位于副高北側(cè)偏西氣流中，有孟灣水汽的輸送；700 hPa西南渦東移南壓至重慶西南部，東北急流加強至14 m/s，急流頂部在重慶北部，西南急流加強，頂部在湖南中部；850 hPa上低渦位于沿河縣西部，冷支切變在長江流域，東北急流、西南急流加強；沿河縣在中低層切變及東北急流與西南急流之間，受黃海和孟灣的水汽輸送及能量條件的影響；地面上沿河縣受熱低壓控制，中心值為1 000 hPa，在貴州省中部有輻合線生成，沿河位于輻合線北部，弱冷鋒在陜西南部，沿河縣受到東北路徑冷空氣的滲透影響，較好的抬升觸發(fā)條件引起大暴雨過程的發(fā)生。

從兩次大暴雨過程的天氣形勢對比來看，都是低渦切變型暴雨，“6·20”過程為暖式低渦切變型，無冷空氣的影響，西南急流占主導，而“6·22”過程為冷式低渦切變型，且地面有東北路徑的冷空氣的滲透影響，東北急流與西南急流勢力相當。

圖2 2016年6月20日08時(a)和2019年6月22日08時(b)系統(tǒng)配置Fig.2 System configuration at 08∶00 (a) on June 20, 2016 and 08∶00 on June 22, 2019 (b)

3.2 水汽條件分析

暴雨的發(fā)生，不但要有充沛的水汽，還要有源源不斷的水汽輸送并在強對流區(qū)域輻合[9]；而水汽的輻合主要由低層水汽通量輻合造成，尤其是800 hPa以下的邊界層中占很大比重，可達1/2以上[10]。

3.2.1 比濕和相對濕度分析 從比濕場來看，“6·20”過程中20日08時沿河縣700 hPa(圖3a)上比濕為12 g·kg-1，切變線位于貴州省西北部，沿河縣位于切變線東南側(cè)，850 hPa(圖3b)的比濕為15 g·kg-1，相對濕度均在90%以上；“6· 22”過程中22日08時沿河縣700 hPa(圖3c)的比濕為13 g·kg-1，850 hPa(圖3d)的比濕為16～17 g·kg-1，低渦在遵義東南部處，沿河位于低渦東北側(cè)；中低層西南風風速較“6·20”過程的小，但比濕較大。

從相對濕度場分析來看，“6·20”過程中，19日08時—21日02時中低層相對濕度均為90%，在19日夜間伸展到400 hPa高度；“6·22”過程中，20日00時—21日02時中低層相對濕度在90%以上，伸展高度更高，但時間較短。

3.2.2 水汽通量及水汽通量散度分析 圖4為兩次過程700 hPa的水汽通量場，20日08時(圖4a)，水汽通量中心位于湖南西部，中心值為30 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通道路徑為廣西—湖南—江西—浙江一帶；22日08時(圖4b)，水汽通量中心位于廣西北部，中心值為24 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通道路徑為廣西—廣東—福建一帶。

從兩次過程發(fā)生前水汽通量散度沿108.2°E的垂直剖面(圖略)，“6·20”過程的20日02時，沿河縣水汽輻合抬升至650 hPa，其上為水汽輻散區(qū)域，輻合中心位于28～28.6°N上空850 hPa高度處，中心值達-50×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1；“6·22”過程的22日02時，沿河縣750 hPa以下為水汽輻合抬升，其上有水汽輻散，27.6～28.4°N上空850 hPa高度處為輻合中心，中心值為-80×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。

圖3 2016年6月20日08時700 hPa(a)、850 hPa(b)和2019年6月22日08時700 hPa(c)、850 hPa(d)的風場和比濕場分布Fig.3 Distribution of wind field and specific wet field at 08∶00 700 hPa (a) and 850 hPa (b) on June 20, 2016 and 08∶00 hPa (c) and 850 hPa (d) on June 22, 2019

圖4 2016年6月20日08時(a)和2019年6月22日08時(b)700 hPa水汽通量場Fig.4 At 08∶00 on June 20, 2016 (a) and on June 22, 2019 at 08∶00 (b) 700 hPa water vapor flux field

從兩次大暴雨過程的水汽條件對比來看，發(fā)現(xiàn)兩次過程都有充足的水汽供應，“6·22”過程的比濕較“6·20”過程大；有很好的水汽輸送通道建立，但水汽通道的路徑不一樣，“6·20”過程的水汽通量值較“6·22”過程的大，且位置略偏北，且大暴雨落區(qū)都處于水汽通量梯度大的區(qū)域，濕舌伸展的左側(cè)；沿河縣的輻合中心均在850 hPa高度處，“6·20”過程的水汽輻合中心值較“6·22”過程的小，但“6·20”過程的水汽輻合抬升高度更高，沿河縣處于低層強輻合、高層輻散區(qū)域。

3.3 抬升條件分析

圖5給出兩次過程沿沿河縣城測站(28.5°N，108.5°E)的垂直速度等值線時序圖，從圖5a 中可見“6·20”過程沿河縣在降雨過程中從900～300 hPa均上升運動區(qū)，在800～500 hPa附近為較強的上升區(qū)，最大抬升運動中心出現(xiàn)在20日02時，高度在600 hPa附近，強度達-55 Pa·s-1，之后逐漸減弱；“6·22”過程(圖5b)從900～200 hPa均為上升運動區(qū)，在850～400 hPa附近為較強的上升區(qū)，最大抬升運動中心出現(xiàn)在22日08時，600 hPa有一個輻合上升運動中心，強度達-80 Pa/s，在14時轉(zhuǎn)為輻散下沉運動。

可以看出，強上升運動為暴雨的發(fā)生提供了有利的動力條件，但較強降雨的發(fā)生有提前性，且“6·22”過程的輻合強度較“6·20”過程大，輻合中心抬升高度相當。

圖5 沿河縣站2016年6月19日08時—21日02時(a)和2019年6月21日08時—23日02時(b)垂直速度(單位：Pa·s-1)時序圖Fig.5 Yanhe County Station June 19, 2016 08∶00 to 21∶00 (a) and June 21, 20∶08 to 23∶00 (b) Vertical Speed (Unit: Pa·s-1) Timing Chart

3.4 熱力條件分析

由圖6的假相當位溫剖面圖來看，“6·20”過程(圖6a)的19日20時，沿河縣能量值達到最大，350 K伸展到300 hPa，處于假相當位溫梯度區(qū)，最大值在近地層附近達到369 K，且在700 hPa高度有上升運動輻合中心；“6·22”過程(圖6b)的20日08時，沿河縣350 K以上伸展高度與“6·20”過程相當，假相當位溫梯度更大，最大值在近地層附近達到372 K，且在沿河縣西側(cè)600 hPa高度有強上升運動輻合中心。

圖6 2016年6月19日20時(a)和2019年6月22日08時(b)假相當位溫(單位：Pa·s-1)沿28.5°N，的剖面圖(實線為假相當位溫等值線，虛線為垂直速度等值線)Fig.6 Cross-sectional view of the pseudo-equivalent temperature (unit: Pa·s-1) along 28.5°N at 20 o'clock (a) on June 19, 2016 and 08 o'clock on June 22, 2019 (the solid line is False equivalent temperature contour, dashed line is vertical velocity contour)

兩次暴雨過程懷化站探空資料對比分析(圖略): 兩次大暴雨過程的熱力條件相當，有利于短時強降水的發(fā)生?！?·20”過程20日08時懷化站探空CAPE值為709.5，SI指數(shù)為0.64，K指數(shù)為38，LI指數(shù)為-0.53，850 hPa為西南急流，為暴雨區(qū)提供水汽和熱力輸送；從垂直方向風切變發(fā)現(xiàn)整層為暖平流輸送，屬于暖性強降水?！?·22”過程懷化站探空CAPE值為763.9，SI指數(shù)達到1.22，K指數(shù)達到36，LI指數(shù)為-1.65，850 hPa為西南急流，與“6·20”過程一致，從垂直方向風切變發(fā)現(xiàn)低層暖平流，高層冷平流，這種高低空平流配置有利于中低層不穩(wěn)定能量的堆積。

3.5 雷達回波特征分析

“6·20”過程的主要降水時段在19日夜間到20日白天，“6·22”過程的主要降水時段在22日白天。這里針對主要降水時段應用多普勒雷達資料的回波特征作對比分析。

2016年6月19日20時03分在沿河縣西部有強對流回波生成，中心值達40 dBz，不斷向東北方向移動，21時33分開始影響沿河縣城測站，沿河縣西南部不斷有對流回波生成發(fā)展，形成列車效應，23時59分(圖7a)，對流云團合并成帶狀回波，移向為東北方向，徑向速度圖上風隨高度順轉(zhuǎn)，整層為暖平流，20日00時30分(圖7b)在沿河西部有對流回波不斷生成發(fā)展，01時12分范圍擴大，02時14分35 dBz以上的回波主體移至沿河縣城測站，03時01分在沿河中北部有新的對流回波生成發(fā)展，06時38分有40 dBz以上的回波主體移至沿河縣城測站，最大回波強度在45 dBz以上，07時10分(圖7c)繼續(xù)加強，不斷東北移向影響，直至09時51分開始范圍減小，11時14分回波強度逐漸減弱。

此次過程是不斷有對流回波在沿河上游生成并沿切變線方向移動發(fā)展，形成列車效應，銅仁市中部有地面輻合線影響，沿河縣處于輻合線北側(cè)，為沿河縣的降水提供了抬升觸發(fā)條件。

圖7 2016年6月19日23時59分—20日07時10分銅仁多普勒天氣雷達組合反射率因子(a-c)Fig.7 June 23, 2016, 23∶59 to 20∶07, 07∶10, Tongren Doppler weather radar combined reflectivity factor (a-c)

2019年6月22日04時37分在沿河縣西部有強對流回波生成開始影響沿河縣西部，06時39分40 dBz(圖8a)以上的回波主體移至沿河縣城測站，最大回波強度達50 dBz，在其南側(cè)有勢力相當?shù)膶α骰夭ü餐瘱|北向移動，06時45分合并成一條回波雨帶，不斷加強，此時降雨加強，07時14分(圖8b)最大回波強度達55 dBz，08時23分沿河西部有強對流回波生成發(fā)展并朝偏東方向移動，從08時50分的徑向速度圖來看，低層風隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，中高層風隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流，且有東北方向的冷鋒過雷達站；08時58分(圖8c)回波主體移至沿河縣城測站，強回波持續(xù)影響至09時50分，此時降雨陡增，最大小時雨強發(fā)生在09—10時，達42.6 mm，10—13時34分有30 dBz的對流回波持續(xù)影響，13時40分，帶狀對流回波生成發(fā)展成颮線，開始影響沿河西部，朝東南方向移動，致使14—15時時段降水增加，15時24分回波強度逐漸減弱。

圖8 2019年6月22日06時39分—14時26分銅仁多普勒天氣雷達組合反射率因子(a-c)Fig.8 Combined reflection rate factor (a-c) of Tongren Doppler weather radar from June 6 to 14∶26 on June 22, 2019

此次過程是切變線上不斷有對流回波沿偏東方向移動發(fā)展，有東北路徑冷空氣南下，形成列車效應，且有颮線回波朝東南方向移動發(fā)展，銅仁市西南部有地面低壓輻合線生成影響，沿河縣處于低壓輻合線北側(cè)，為沿河縣的強對流降水提供了抬升觸發(fā)條件。

4 EC數(shù)值模式環(huán)流形勢檢驗分析

為了更準確的預報暴雨過程的發(fā)生時間及暴雨落區(qū)，針對EC模式對極端暴雨的強降水預報能力究竟如何，本文檢驗分析了兩次極端降水過程，以“6·20”暖式低渦切變型暴雨過程作為典型個例，應用Micaps資料和地面常規(guī)觀測資料，檢驗分析了EC模式對暴雨的高低空配置及落區(qū)的預報結(jié)果，評估EC模式對本次極端暴雨過程的預報能力，并對模式預報低渦切變強降水提供反饋意見，以期為今后業(yè)務應用和模式優(yōu)化提供依據(jù)。

4.1 對流層中層

2016年6月20日08時500 hPa高空實況顯示(圖9a)，588線位于廣西東南部，南支槽和北支槽分別位于省中部一帶和河套下游。20時(圖9b)588線西進至廣西中部一帶北支波動槽移至海上，南支槽略微南壓，北段仍維持在沿河西部，且在川東有淺渦生成。

EC細網(wǎng)格模式(以下簡稱模式)不同起報時次均能預報出本次過程中588線、低槽及切變的演變。19日08時、20時起報預報20日08時的588線跟實況較相近，略偏東，南支槽較實況接近，且東移速度較實況慢，低渦發(fā)展強度較實況強，位置偏南。

圖9 2016年6月20日08時(a)和20日20時(b)500 hPa低槽和588線實況與模式預報場(黑色實線為實況，粉色實線為模式19日08時起報，藍色實線為模式19日20時起報)Fig.9 00∶00 on June 20, 2016 (a) and 20 o'clock on the 20th (b) 500 hPa low and 588 line live and mode prediction field The solid black line is live, the solid pink line is the pattern starting at 08∶00 on the 19th, and the blue solid line is the pattern starting at 20V00 on the 19th

4.2 對流層低層

20日08時700 hPa實況顯示(圖10a)，在重慶北部有低渦發(fā)展，南支切變位于省西北部邊緣，西南急流風速達18 m·s-1，懷化風速達16 m·s-1；20時(圖10b)，低渦切變略微東移北抬，西南急流略減弱至16 m·s-1，懷化站點風速維持不變。

19日08時、20時起報的700 hPa低渦、切變位置較實況偏南，19日20時起報的西南急流更接近實況，但切變北抬速度較快。20日08時850 hPa實況顯示(圖11a)，低渦東移至重慶東南部，南支切變位于省中部(沿河中部)，西南急流風速達18 m·s-1，懷化風速達18 m·s-1；20時(圖11b)，低渦切變北抬至重慶中北部，西南急流略減弱，懷化站點風速維持不變。

19日08時起報的850 hPa低渦位置、急流較實況偏西，19日20時起報20日08時的低渦、切變位置及急流與實況相近，20日20時的低渦強度較實況偏西。

4.3 24 h雨量

圖12a是“6·20”過程的降雨量，落區(qū)在中部以南，大暴雨中心在中南部，最大降雨量超過200 mm；19日08時(圖12b)預報場暴雨落區(qū)在沿河南部、印江北部，較實況偏南，量級偏??；19日20時(圖12c)預報場暴雨落區(qū)在德江中南部及沿河中南部，落區(qū)位置較實況接近，但量級偏小。

模式對“6·20”過程中高空槽的位置及副高脊線預報較好，低渦中心切變等主要影響系統(tǒng)位置、強度和移速預報與實況的差異導致了降水落區(qū)預報與實況的偏差，總體而言，19日20時的預報性能較19日08時的好，但由于系統(tǒng)預報較快，其量級較實況小。參考EC模式預報，對這次暴雨天氣過程做出了很好的預報，落區(qū)基本正確，但位置偏南，且量級偏小。

圖10 2016年6月20日08時(a)和20日20時(b)700 hPa低渦切變和低空急流實況與模式預報場紅色實線為實況，粉色實線為模式19日08時起報，藍色實線為模式19日20時起報Fig.10 At 08∶00 on June 20, 2016 (a) and at 20 o'clock on the 20th (b) 700 hPa low vortex shear and low-level jet flow and mode prediction field The solid black line is live, the solid pink line is the pattern starting at 08∶00 on the 19th, and the blue solid line is the pattern starting at 20∶00 on the 19th

圖11 2016年6月20日08時(a)和20日20時(b)850 hPa低渦切變和低空急流實況與模式預報場紅色實線為實況，粉色實線為模式19日08時起報，藍色實線為模式19日20時起報Fig.11 00∶00 on June 20, 2016 (a) and 20 o'clock on the 20th (b) 850 hPa low vortex shear and low-level jet flow and mode prediction fieldThe red solid line is live, the pink solid line is the pattern starting at 08∶00 on the 19th, and the blue solid line is the pattern starting at 20∶00 on the 19th

圖12 2016年6月19日20時—20日20時降雨量實況(a)和模式預報場(19日08時起報(b)，19日20時起報(c))Fig.12 June 20, 2016, 20∶00 to 20∶00 am, actual rainfall (a) and model forecasting field (from 08∶00 on the 19th (b), from 20∶00 on the 19th (c))

5 結(jié)論

①“6·20”過程和“6·22”過程都屬于典型的低渦切變型暴雨，“6·20”過程屬于暖式低渦切變型，西南急流占主導，副高控制華南；“6·22”過程屬于冷式低渦切變型，東北急流和西南急流勢力相當，副高控制貴州中部以南，且有冷空氣滲透影響。

②大氣整層含水量越高、水汽通道越狹長及水汽輻合抬升強度越強，則對大暴雨的發(fā)生越有利。

③兩次過程降水量相當，降水量級相差的關鍵原因是“6·20”過程在沿河西部的“列車效應”的對流回波生成影響時間更長。

④EC模式能夠較好地預報出“6·20”過程中對流層中低層主要影響系統(tǒng)及其位置，隨著預報時效的臨近，預報的系統(tǒng)位置和移動與實況偏差減小。但由于數(shù)值模式的不確定性，對于暴雨的預報還有一定的難度，需要不斷提升預報能力，訂正預報，做出總結(jié)。