冷鋒前后銅仁兩次不同類型暴雨天氣過程對比分析

張祝 楊群 茅海祥 付瑞瀅 張李娟 冉光鏡

摘要 2016年5月6—8日受地面冷鋒前、后不同天氣系統(tǒng)影響，銅仁連續(xù)發(fā)生了兩次不同特點的強降水過程。利用常規(guī)氣象觀測資料、自動站資料、NCEP 再分析資料及衛(wèi)星、雷達資料，對這兩次強降水天氣過程的大尺度環(huán)流背景和熱力及水汽輸送條件、中小尺度特征進行對比分析。結(jié)果表明： 冷鋒前后，由于溫濕條件不同、系統(tǒng)配置不同，中小尺度系統(tǒng)強度不同，導(dǎo)致銅仁發(fā)生了不同的天氣現(xiàn)象。5月6日強降水是一次強對流天氣過程，降雨強度大，前期水汽條件較差呈“上干下濕”狀，且能量充足，大氣層結(jié)不穩(wěn)定觸發(fā)了強對流天氣的發(fā)生，強回波伸展高度遠遠超過0℃和-20℃層高度，呈現(xiàn)回波懸垂和弱回波區(qū)特征，并伴隨有強的中氣旋出現(xiàn)，則利于局地暴雨、冰雹出現(xiàn);5月8日夜間以穩(wěn)定性降水為主，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，暴雨前、后濕層都較厚，且低空存在西南急流，為暴雨提供了重要的水汽和動力條件。同時回波強度較弱，伸展高度低，以液態(tài)降水為主。

關(guān)鍵詞 暴雨;對比分析;強對流

中圖分類號：P458 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）05–0043–05

暴雨是銅仁汛期主要氣象災(zāi)害，受地形影響，常常在夜間突發(fā)局地強降雨天氣，容易造成山洪、滑坡、泥石流和城鎮(zhèn)內(nèi)澇等災(zāi)害。因此，研究暴雨的發(fā)生發(fā)展機理仍然是氣象工作者的重點工作內(nèi)容。但銅仁災(zāi)害性暴雨天氣常常由午后暖區(qū)對流降雨和系統(tǒng)性穩(wěn)定降雨兩種天氣引起。這兩種災(zāi)害天氣在其形成的大尺度環(huán)流背景和物理機制方面有許多相似之處，如強位勢不穩(wěn)定、不穩(wěn)定能量大量釋放的擾動機制、豐富的水汽供應(yīng)等。但是，在天氣預(yù)報中兩者又有不同點，如不穩(wěn)定能量的強度、水汽的分布狀態(tài)、云團的強度和伸展高度等。對于暴雨的研究，有不少學(xué)者從環(huán)流配置方面入手，得出利于出現(xiàn)暴雨的中尺度環(huán)境場，在高低空環(huán)流的有利配置下，才有利于出現(xiàn)暴雨天氣[1-4]。從物理量診斷分析得出，暴雨發(fā)生的物理量指標(biāo)及暴雨發(fā)展時物理量的演變情況，暴雨的發(fā)生需要有充足水汽、潛在的不穩(wěn)定能量和適當(dāng)?shù)挠|發(fā)條件[5-7]。

對于伴有冰雹、強雷電等暴雨天氣時，常常要考慮是否存在有利于出現(xiàn)強對流天氣的天氣背景。從溫濕場特征條件、能量條件等方面分析，周后福等[8]分析了基于穩(wěn)定度和能量指標(biāo)作強對流天氣的短時預(yù)報指標(biāo)，得出73.8% 的對流發(fā)生前， A指數(shù)≥10℃，K指數(shù)≥35℃，或者兩個指標(biāo)同時滿足;能量平衡高度較高，隨著位勢不穩(wěn)定能量的增大， 出現(xiàn)強對流天氣的可能性也增大。陳濤等[9]對南方春季強對流過程中影響對流發(fā)展的環(huán)境場特征分析，指出伴隨冰雹、大風(fēng)出現(xiàn)的天氣，中高層較干，且具有較強的垂直切變，環(huán)境場氣旋式旋轉(zhuǎn)相對深厚;而濕層相對深厚，高低空急流的耦合機制更明顯，則短時強降水較明顯。同時配合雷達、衛(wèi)星等探測方法，可以從中小尺度特征來分析，判斷是否伴有強對流天氣發(fā)生。袁鵬飛等[10]在研究冰雹的雷達回波分析時，得出在適宜冰雹生成發(fā)展的0℃層高度下，強度>55 dBz的回波高度高于-20℃層高度，VIL值>60 kg/m2， 回波頂高>12 km，有中氣旋出現(xiàn)等，是降雹的可靠信號。

2016年5月6—8日，銅仁連續(xù)出現(xiàn)了2次不同類型的暴雨天氣過程，5月6日午后到夜間銅仁出現(xiàn)較強的冰雹、大風(fēng)、暴雨天氣;而5月8日夜間以短時強降水為主，無強雷電、冰雹天氣。主要利用常規(guī)觀測資料、衛(wèi)星、雷達、自動雨量站等加密觀測資料和NCEP/NCAR1°×1°再分析資料，對兩次暴雨天氣過程進行對比分析，得出兩種類型暴雨天氣的特征，為以后暴雨預(yù)報提供參考。

1 天氣概況和資料

2016年5月6日下午到夜間（簡稱“5·6”）銅仁市北部沿河、德江、松桃等地出現(xiàn)暴雨到大暴雨，并伴有雷雨大風(fēng)、冰雹天氣。從6日13：00至7日08：00全市自動站累計雨量來看（圖1a），全市392個雨量站中，大暴雨有34站，沿河的中界鄉(xiāng)最大達153 mm，暴雨有63站。大暴雨主要集中在沿河、德江、松桃等地。6日傍晚到夜間全市人影防雹作業(yè)11次，用彈219發(fā)。

2016年5月8日夜間（簡稱“5·8”），隨著冷空氣的南壓，在鋒后銅仁中部一線又出現(xiàn)暴雨天氣，無伴隨強雷電和冰雹等強對流天氣發(fā)生。從8日20：00至9日08：00全市區(qū)域加密自動站累計雨量來看（圖1b），大暴雨有8站，其中高新區(qū)雨量最大為122 mm;暴雨有76站，大暴雨主要集中在江口、松桃南部與碧江北部地區(qū)。

所用資料主要有常規(guī)觀測資料、Ncep1°×1°再分析資料和自動站、雷達等非常規(guī)觀測資料，對兩次過程進行分析。

2 兩次暴雨過程的天氣環(huán)流形勢

2016年5月6日08：00（圖2a），500 hPa我國東北地區(qū)為一低渦，高原中部有槽，同時南支槽位于孟加拉灣，不斷分裂短波槽東移，南支波動比較活躍，貴州地區(qū)為高壓脊控制;700 hPa、850 hPa四川北部至四川南部有低渦生成，兩廣地區(qū)西南風(fēng)明顯增強，最大達到18 m/s。地面上冷鋒位置偏北，貴州受熱低壓控制，地面輻合線位于貴州北部一線，銅仁處于西南風(fēng)與東北風(fēng)的交匯區(qū)。銅仁地區(qū)6日白天氣溫較高，空氣悶熱，大氣處于高溫高濕的狀態(tài)。6日午后隨著高空槽的東移，帶動冷平流的南下，川東低渦逐漸發(fā)展，對流天氣在地面輻合線附近生成發(fā)展。

而5月8日20：00（圖2b），地面冷鋒南壓至貴州西部地區(qū)，銅仁轉(zhuǎn)為為鋒后冷空氣影響。從地形配合風(fēng)場來看（圖2d），東北風(fēng)自湘西地勢較低的低洼地帶向銅仁地勢較高地區(qū)吹，這樣?xùn)|北風(fēng)受地形阻擋，利于氣流抬升，從而在銅仁地勢較高處東側(cè)的低洼地帶降水發(fā)生。同時高空500 hPa高空槽位于川北地區(qū)，700 hPa切變線位于川東，850 hPa切變線位于貴州北部，兩廣低空急流北抬至貴州中南部地區(qū)，銅仁處于高空槽前，850 hPa切變線附近，低空急流左側(cè)，利于降雨天氣發(fā)生。

由此可見，“5·6”暴雨過程中，500 hPa上空受高壓脊控制，高原有高空槽東移，地面為熱低壓控制。此次過程主要受中低層切變線和地面弱冷空氣入侵影響，降水主要發(fā)生在中低層的暖切變線及地面輻合線附近，以暖區(qū)對流降水為主?！?·8”暴雨過程中，500 hPa上空處于高空槽前的西南氣流控制下，850 hPa切變線位于銅仁中部一線，地面冷鋒南壓到貴州西部銅仁處于鋒后，在這種形勢下，降水主要集中在冷鋒后，低空急流西南暖濕氣流北側(cè)與850 hPa切變線附近，由于東北風(fēng)從低洼地帶向地勢較高處流動，利于強降雨在地勢較高處的東側(cè)發(fā)生。

3 兩次暴雨過程的溫濕條件對比分析

3.1 對流不穩(wěn)定能量條件分析

3.1.1 對流有效位能（CAPE） 在對流可能發(fā)生的環(huán)境中，對流有效位能是一個與環(huán)境聯(lián)系最為密切的熱力學(xué)變量，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外強對流天氣的診斷分析[11]。

當(dāng)氣塊受外力抬升，氣塊的重力小于浮力時，一部分位能可以釋放，由于這部分位能對大氣對流有積極的作用，并可以轉(zhuǎn)化為大氣動能，故稱其為對流有效位能簡稱CAPE。計算公式為：

式中，EL為平衡高度，LFC為自由對流高度;Tvp為氣塊虛溫;Tve為環(huán)境虛溫。

圖3為2016年5月6日08：00和5月8日20：00兩次暴雨過程發(fā)生前的對流有效位能?？梢钥吹?，在“5·6”對流性暴雨過程中，銅仁境內(nèi)CAPE值為1 500 J/kg以上，銅仁上空有強的對流不穩(wěn)定能量。而“5·8”暴雨過程過程銅仁上空對流有效位能CAPE值為0 J/kg，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，“5·6”暴雨發(fā)生前大氣處于強的對流不穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)有一定的觸發(fā)機制形成時，利于強對流天氣發(fā)生，而“5·8”暴雨過程大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，不利于強對流天氣發(fā)生。

3.1.2 假相當(dāng)位溫（） 大氣的溫濕條件是中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生暴雨的首要前提，反映了大氣的溫濕狀況。假相當(dāng)位溫（）也是表征大氣不穩(wěn)定的一個重要因子，>0為不穩(wěn)定區(qū)。圖4為2016年5月6日08：00與5月8日20：00 850 hPa與500 hPa 之差。由圖可知，“5·6”暴雨發(fā)生前，850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫差值，銅仁境內(nèi)高達25℃～27℃，銅仁處于溫濕不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。而“5·8”暴雨過程發(fā)生前，8日20：00 850 hPa與500 hPa 之差僅為18℃左右，與6日暴雨過程相比，相差7℃～9℃，大氣層結(jié)狀態(tài)相對穩(wěn)定，不利于強對流天氣發(fā)生。

3.2 水汽條件對比分析

在降雨區(qū)整層飽和時，700 hPa比濕≥8 g/kg，850 hPa附近比濕≥14 g/kg，有利于暴雨天氣出現(xiàn)。由此，從NCEP再分析資料計算銅仁暴雨區(qū)域（107.5～109.4°E，27.5～29.5°N）平均的比濕時序圖分析（圖5a），2016年5月6日20：00暴雨發(fā)生時，銅仁上空低層900 hPa以下比濕為16 g/kg以上，850 hPa的比濕達到了13～14 g/kg，700 hPa比濕為8 g/kg，500 hPa比濕為2～3 g/kg，因此中低層濕層相對深厚。但相對來說，低層濕度明顯大于中層濕度值，整層大氣濕度呈現(xiàn)“上干下濕”狀態(tài)。而5月8日暴雨發(fā)生前，8日20：00中層700 hPa以下比濕都為10～11 g/kg，雖然低層850 hPa比濕較6日有所減小，但總體來看，中低層濕度還是較大，濕層有所增厚，有利于出現(xiàn)暴雨。

同時，從銅仁區(qū)域平均的相對濕度演變（圖5b）可以看到，“5·6”暴雨發(fā)生前，5月6日08：00～20：00 800 hPa以下相對濕度≥80%，以上層次相對濕度<70%，較低，呈現(xiàn)“上干下濕”的狀態(tài)。隨著降雨的發(fā)生，6日20：00后整層的濕度增大，從低層1 000 hPa到200 hPa的相對濕度都在80%以上，濕層非常深厚，利于暴雨發(fā)生。而“5.8”暴雨過程，無論是暴雨發(fā)生前和發(fā)生后，其600 hPa以下層次>90%的相對濕度值，從7日08：00開始維持到9日08：00，此次暴雨過程，空氣濕度較大，濕層較為深厚。

4 中小尺度系統(tǒng)對比分析

4.1 中尺度衛(wèi)星特征分析

從衛(wèi)星紅外云圖來看，5月6日10：00（圖6a）為兩片云系組成：一是四川東部地區(qū)對應(yīng)為川東的700 hPa和850 hPa的低渦對流云團，二是貴州東南部與湖南、廣西對流云團對應(yīng)低空急流的北側(cè)風(fēng)速切變區(qū)生成的云圖。銅仁地區(qū)為地面熱低壓控制，無對流云圖影響，利于地面氣溫的上升。下午14：00隨著氣溫的升高達31℃～32℃，比周圍其他地區(qū)氣溫高2℃～4℃。由于處于晴空區(qū)的銅仁氣溫較周圍其他地區(qū)高，在高空大氣溫度層結(jié)相似的情況下，造成了晴空區(qū)對流不穩(wěn)定能量的增加。此時從6日14：00云圖發(fā)現(xiàn)，在銅仁大部分地區(qū)開始有對流云圖生成發(fā)展，可見邊界層的非均勻加熱產(chǎn)生的溫度梯度，利于局地輻合熱對流的發(fā)展。在6日21：00，隨著四川東部低渦的東移南壓，南北兩團云系合并發(fā)展，至7日05：00（圖6b）合并成MCS持續(xù)影響銅仁北部地區(qū)，造成雷電、冰雹、暴雨天氣發(fā)生。

5月8日夜間隨著地面冷鋒南壓，銅仁轉(zhuǎn)為鋒后東北氣流影響。在高空槽前，中低層冷切變線附近，仍然有對流云團生成。8日22：00（圖6c）貴州中部地區(qū)有對流云團生成發(fā)展，同時四川南部也有對流云團影響。9日02：00（圖6d）隨著低空急流的增強北抬，貴州中部生成的云團向東向北抬東移發(fā)展，四川對流云團隨低渦東移南壓而南移，兩塊云團合并影響銅仁地區(qū)，直到9日06：00才北抬移出銅仁區(qū)域。

4.2 雷達回波強度特征分析

4.2.1 反射率因子分析 從雷達反射率因子強度來看，兩次大暴雨過程均以混合云降水為主，降水區(qū)上覆蓋著大面積的層狀云回波，其中的中小尺度對流云團的發(fā)生發(fā)展導(dǎo)致了大暴雨的發(fā)生。但是從“5·6”這7日02：43組合反射率因子（圖7a）來看，其中心強度達60 dBz以上，最強中心伸展高度至8 km，遠遠超過了當(dāng)天0℃層高度4.9 km，且超過了-20℃層高度的7.8 km，有利于冰雹的生成。從沿最強回波中心作剖面來看（圖7b），其回波形態(tài)呈現(xiàn)回波懸垂，弱回波區(qū)特征，則產(chǎn)生冰雹的可能性增加。而“5·8”大暴雨主要以穩(wěn)定降水為主，由于持續(xù)的較強回波影響，而形成大暴雨天氣。從8日22：25江口境內(nèi)反射率因子來看（圖7c），最強反射率因子回波強度在40 dBz左右，其伸展高度在4 km以下，伸展高度較低，不利于出現(xiàn)冰雹等強對流天氣。

4.2.2 徑向速度圖分析 從雷達徑向速度產(chǎn)品可以看到，“5·6”大暴雨過程徑向速度圖上7日02：43在2.4°仰角上開始出現(xiàn)正負速度對（圖8a），正速度最大為21 m/s以上，負速度最大也達21 m/s以上，其旋轉(zhuǎn)速度則高達21 m/s以上。且這樣的速度對在下一體掃02：48時向下延伸至了1.5°仰角，說明在逐漸增強。到第三個體掃02：53最低仰角0.5°時也能看到其正速度值仍高達21 m/s以上，負速度為18 m/s以上的速度對，則在強回波中心附近形成了深厚的強中氣旋。而“5·8”大暴雨天氣在8日22：25在0.5°仰角上（圖8b），存在一定的正負速度對，最強旋轉(zhuǎn)速度也達20 m/s，但其伸展高度僅達1.5°仰角，則伸展高度較低。在下一體掃22：36正負速度對明顯減弱，則此次過程垂直上升旋轉(zhuǎn)高度較低，不利于強對流天氣出現(xiàn)。

5 結(jié)論

利用常規(guī)氣象觀測資料、自動站資料、NCEP 再分析資料和衛(wèi)星、雷達資料，對銅仁5月6—8日連續(xù)出現(xiàn)的兩次暴雨過程進行了對比分析，兩次暴雨過程在熱力及水汽、能量條件、對流回波發(fā)展情況等方面存在差異，主要如下：

（1）5月6日此次過程主要受中低層低渦切變線影響，降水主要發(fā)生在中低層的暖切變線及地面輻合線附近，以冷鋒前暖區(qū)對流降水為主。此次過程前期水汽條件較差呈“上干下濕”狀，能量充足，大氣層結(jié)不穩(wěn)定觸發(fā)了強對流天氣的發(fā)生。四川與貴州合并的MCS對流云團持續(xù)影響銅仁，且強回波伸展高度遠遠超過0℃和-20℃層高度，呈現(xiàn)回波懸垂和弱回波區(qū)特征，并伴隨有強的中氣旋出現(xiàn)，則利于局地暴雨、冰雹出現(xiàn);

（2）5月8日暴雨過程中，500 hPa上空處于高空槽前的西南氣流控制下，850 hPa切變線位于銅仁中部一線，地面冷鋒南壓到貴州西部銅仁處于鋒后，在這種形勢下，降水主要集中在冷鋒后，低空西南暖濕急流北側(cè)與850 hPa切變線附近，東北風(fēng)從低洼地帶向地勢較高處流動，由于地形抬升作用，利于強降雨在地勢較高處的東側(cè)發(fā)生。低空西南急流為降水提供了重要的水汽和動力條件。由于大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，暴雨前、后濕層均水汽充足。加上不穩(wěn)定能量低，同時對流回波強度較弱，伸展高度低，不利于強對流天氣發(fā)生，以液態(tài)穩(wěn)定降水為主。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Comparative Analysis of Two Different Types of Rainstorms in Tongren Before and After the Cold Front

ZHANG Zhu et al（Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province， Tongren， Guizhou 554300）

Abstract Affected by different weather systems before and after the ground cold front on May 6～8， 2016， Tongren experienced two successive heavy precipitation processes with different characteristics. Using conventional meteorological observation data， automatic station data， NCEP reanalysis data and satellite and radar data， the large-scale circulation background， thermal and water vapor transport conditions， and medium- and small-scale characteristics of the two heavy precipitation weather processes were compared and analyzed. The results show that before and after the cold front， due to different temperature and humidity conditions， different system configurations， and different strengths of small and medium-scale systems， different weather phenomena occurred in Tongren. The heavy rainfall on May 6 was a severe convective weather process. The rainfall intensity was high， and the previous water vapor conditions were poor. It was “upper dry and lower wet”， and the energy was sufficient. The unstable atmospheric stratification triggered the occurrence of strong convective weather and strong echoes. The extension height far exceeds the height of the 0℃ and -20℃ layer， showing the characteristics of echo overhang and weak echo zone， and accompanied by strong mid-cyclone， which is conducive to the appearance of local heavy rain and hail; And on the night of May 8 stable precipitation is the main factor， the stratification of the atmosphere is relatively stable， the wet layer is thick before and after the heavy rain， and the southwest jet exists at low altitude， which provides important water vapor and dynamic conditions for the heavy rain. At the same time， the echo intensity is weak， the extension height is low， and it is mainly liquid precipitation.

Key words Heavy rain; Comparative analysis; Strong convection

基金項目 貴州省氣象局氣象科技開放研究基金項目（黔氣科合KF[2017] 15號）;中國氣象局預(yù)報員專項（CMAYBY2020-116）。

作者簡介 張祝（1978-），女，貴州銅仁，本科，工程師，主要從事天氣預(yù)報、氣象服務(wù)及相關(guān)業(yè)務(wù)管理工作。通信作者：楊群，（1983—），女，銅仁江口，副高級工程師，研究生，主要從事預(yù)報研究，E-mail：380115391@qq.com。

收稿日期 2021-02-27