恩施州一次暴雨过程的多尺度分析

汪川乂，廖小华，张 丽

(1.湖北省恩施州气象局，湖北 恩施 445000;2.湖北省十堰市气象局，湖北 十堰 442000;3.湖北省武汉市气象局，湖北 武汉 430000)

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恩施州一次暴雨过程的多尺度分析

汪川乂1，廖小华2，张 丽3

(1.湖北省恩施州气象局，湖北 恩施 445000;2.湖北省十堰市气象局，湖北 十堰 442000;3.湖北省武汉市气象局，湖北 武汉 430000)

该文利用NCEP再分析场资料、常规气象观测资料、地面加密自动站资料、卫星雷达资料等多种资料，从大尺度环流背景、中尺度特征以及环境条件等多个角度对恩施州2016年6月19—20日的一次暴雨过程进行分析，并得到以下结论：此次过程是在中高纬两槽一脊的稳定环流形势下，高空槽和副热带高压共同作用，配合西南涡和高低空急流发生的,副高的阻挡作用导致此次降水持续时间长，其位置偏南导致降水主要分布在恩施州南部；列车效应致使混合型回波不断在鹤峰经过，结合较高的降水效率，是导致本次累积降水较大的直接原因；逆风区对恩施州短时强降水有明显的指示作用，中低压对局地短时强降水的预警具有重要意义；在有利的天气尺度抬升条件下，热力、水汽、动力条件是此次降水过程具有强对流特征的根本原因，地形也为此次降水增幅提供了有利条件。

暴雨；多尺度；分析

1 引言

暴雨是一种危害性极大的气象灾害，给社会生产带来了巨大的损失。经统计，2004—2011年，我国暴雨洪涝灾害为各灾种中对经济影响最大的灾害[1]。邵末兰通过普查湖北省1961—2006年气象灾害资料，发现暴雨及其衍生灾害为湖北最严重的气象灾害之一，恩施因暴雨造成的直接经济损失占全部气象灾害经济损失的比例高达46%[2]。基于暴雨的严重危害，众多气象学者从其生成机理、气候特征、预报预警、数值模拟等多方面进行了研究，并得到很多有益结论[3-7]。林建发现21世纪以来南方地区暴雨过程明显增多，但以短持续性强降水过程为主[8]。孙淑清指出西南涡是造成中国暴雨的一种重要天气尺度系统[9]。

恩施州位于湖北省西南边陲，境内山峦叠聚，更有长江的一级支流清江穿流而过，可谓地势复杂。作为恩施自治州的主要灾害性天气之一[10]，暴雨也引起了本地气象工作者的重视[11-12]。2016年6月18日，湖北省梅雨期拉开序幕，同时也给恩施州带来了一次极端暴雨天气过程，其中鹤峰长岭、大坪等地过程雨量超过400 mm，此次极端暴雨灾害事件不仅对恩施州工农业产生了直接影响，还诱发了山洪、滑坡、城市内涝等次生灾害，导致恩施州各地不同程度受灾。此次过程，鹤峰站2 d累积雨量位居历史第二位，在历史上少见，因此本文利用NCEP再分析资料、气象常规观测资料以及卫星、雷达等多种资料，对该过程进行了多尺度分析，以探讨此次过程发生的成因。由于该过程强降水时段主要集中在19日08时—20日08时，因此本文主要针对该时段内天气特征及成因进行分析。

2 降水实况

2016年6月18日夜间，恩施州自南向北转雨，降水持续到23日。经统计，19日08时—20日08时全州342个自动站中有167站暴雨，59站大暴雨，6站特大暴雨，暴雨站数占比67.8%，24 h累积雨量最大站点为鹤峰长岭站(322.4 mm)。图1a给出了该时段恩施州加密自动站的降水情况，可见此次降水南多北少，自东南向西北呈逐渐递减趋势，州南部形成一条NE-SW向的强降水带。此次降水具有明显的短时强降水特征(小时雨强超过20 mm/h)，分析鹤峰长岭站和来凤沙坝站19日04时到20日13时的小时单站降雨情况(图1b)，发现有多个雨团活动，小时雨强大，两站均有超过40.0 mm/h的小时降水，同时从图中可见强降水的持续时间较长，从19日16时—20日05时两站基本每小时均有较强降水，也正是长时间的强降水直接导致了鹤峰和来凤的极端累积降水。因此，这是一次历史少见、影响范围广、降水强度大、持续时间长、并伴有强对流特征的一次强降水事件。

图1(a)2016年6月19日08时—20日08时恩施州降水量空间分布(单位：mm)(b)2016年6月19日04时—20日13时鹤峰长岭、来凤沙坝单站降水时间分布(单位：mm)Fig.1 (a)spatial distribution of precipitation in Enshi 2016061908—2016062008(unit: mm)(b)Changling,Shaba precipitation 2016061904—2016062013 (unit: mm)

3 大尺度特征分析

3.1 环流背景

分析500 hPa环流形势，2016年6月18日20时(图略)欧亚中高纬呈两槽一脊环流形势，乌拉尔山东部75°E附近的低涡稳定维持在40°N以北，并从中分离小槽南下，东北冷涡位于122°E、46°N附近，两槽之间环流形势宽广平直，中纬度四川盆地到兰州一带已受到乌山低涡分离的低槽影响，副热带高压呈带状分布，北抬至85°E、25°N附近与大陆高压对峙。6月19日08时(图2a)，乌山低涡略有东移，中纬度低槽已东移至重庆西部并不断加深，恩施州位于高空槽前的辐合区域，西太副高东退到93°E、23°N附近后稳定维持，阻挡高空槽东移，在高空槽与副高共同作用下，恩施出现了强烈降水，由于副高略微偏南，导致强降水区域主要位于恩施州南部一带。19日20时(图2b)可见副高稳定维持，高空槽略有东移，低槽和副高之间辐合加强，槽前西南急流最大达到20m/s，导致恩施州强降水持续发展。20日08时(图略)，随着东北低涡东移入海，副高脊线也东退到108°E、20°N附近，恩施州处于低槽底部，降水逐渐减弱。此后虽然因中纬度不断有小槽东移，在21—23日之间给恩施造成降水，但大范围强降水时段已经结束。

图2 500hPa位势高度场与风场叠加图(单位：dagpm，m/s)(a)2016年6月19日08时(b)2016年6月19日20时Fig.2 500hPa potential height and wind (unit: dagpm, m/s)(a)2016061908 (b) 2016061920

3.2 中低层系统

在槽前正涡度平流和低层暖平流的共同作用下，低层不断减压并产生辐合上升运动，18日20时(图略)700 hPa在四川盆地形成西南低涡，850 hPa气旋性环流也在重庆西部发展加强。在槽前西南气流的引导作用下，19日08时(图略)700 hPa西南涡东移到重庆西部，850 hPa气旋性环流已经闭合。19日14时(图3a、b)受副热带高压阻挡作用，西南涡稳定维持在重庆中部，700 hPa和850 hPa的西南涡结构完整清楚，垂直方向上偏移不大，说明该时段西南涡在垂直方向上发展非常深厚，同时西南涡东南部的西南暖湿气流和副热带高压外围的西南气流辐合，700 hPa风速发展到14 m/s，850 hPa风速增大至12 m/s，风向风速的辐合均增大并达到急流强度，不断向恩施州输送水汽与不稳定能量。此时恩施州正好处于西南涡暖式切变线和副高外围低空急流之间的强烈上升运动区域，该时段也是恩施州强降水的集中阶段。

图3 2016年6月19日14时流场与风场叠加图(单位：m/s)(a)700 hPa(b)850 hPaFig.3 (a) the flow and the wind at 2016061914 (unit:m/s)(a)700 hPa(b)850 hPa

3.3 高空和地面

此次降水过程中200 hPa南亚高压位置稳定，恩施州一直处于南亚高压东部脊线附近的分流区中，图4a给出了19日14时的200 hPa流场，可以看到分流区正好位于恩施州南部上空，高层辐散的抽吸作用使低层辐合上升作用进一步加强。从地面图(图4b)可以看到在槽前正涡度平流作用下，华中到华北都处于低压带中，在重庆形成一个闭合低压中心并稳定维持。恩施正好位于低压中心东部，与高低空急流耦合，是形成暴雨的有利条件。同时受槽前正涡度平流和低涡东移影响，在恩施州东南部鹤峰诱发出一个中尺度低压，该中低压在高空辐散场的作用下产生了强辐合作用，形成强烈的垂直上升运动，造成了该时段的短时强降水。

图4 2016年6月19日14时200 hPa高空(a)和海平面气压(b)(单位：hPa，间隔2.5 hPa)Fig.4 (a) 200 hPa flow and the sea level pressure at 2016061914 (unit: hPa, interval 2.5 hPa)

4 中尺度特征

4.1 卫星云图分析

此次过程恩施州降水受多个雨团活动影响，降水强度分布十分不均匀。18日夜间(图略)受西南气流影响，鹤峰东南部有云团发展，受其影响该地开始产生降水，至早上08时15分，该云团逐渐发展，云顶亮温已低至-48.2 ℃，给鹤峰东南部带来了短时强降水，鹤峰国家站和大溪自动站07—09时连续两个时次的小时降水量均在30 mm/h以上，该云团在未来3 h移到五峰境内停滞。同时，西南涡外围云团也东移到咸丰上空，并于10时15分(图5a)达到较强程度，咸丰境内云顶亮温小于-52 ℃的冷云面积达1.6×103km2，该云团不断东移，范围扩大。受副高和地形共同影响，13时15分(图5b)该独立云团逐渐发展成NE-SW向云带，强中心位于鹤峰，并向两边不断扩展，西与低涡主体云系相接，东与五峰强降水云团相连，并继续发展加强，此时建始和咸丰也有对流云团生成并不断发展。15时15分(图5c)，建始、咸丰云团也逐渐和该低涡云带连接并发展壮大，最低云顶亮温达-61.2℃，恩施州内云顶亮温低于-52 ℃的冷云面积达到8.0×103km2，至17时15分(图5d)发展至本次过程的最强阶段，云顶亮温达-70.2 ℃，恩施州内云顶亮温小于-52 ℃的冷云面积达4×103km2，但云团主体偏南，受影响较大区域主要是来凤和鹤峰，云团发展最强时段对应地面中低压影响时段。21时15分(图略)，低涡云团主体移出恩施州，但此时低涡后部冷切东移在南部湘西生成一对流云团，并不断发展扩大，云顶亮温达-66.2 ℃，影响来凤南部边界，导致来凤边界降水达到60.4 mm/h，但由于该云团主体在湘西，影响范围、时间相对都较小。此后受高空波动影响，恩施州南部仍有持续降水，但降水强度明显减弱，强降水持续时间也不长。从以上分析表明，恩施州此次降水主要有3个不同的影响阶段：低涡外围云系降水、低涡前部暖切降水、低涡后部冷切降水。

4.2 雷达回波演变

陈鲍发通过分析2次有逆风区现象的强对流天气的多普勒雷达回波特征,认为逆风区不仅是暴雨判据, 也是强对流天气的判据[13]。6月18日夜间(图略)受低涡前西南气流影响，恩施州南部开始有零散无组织的弱回波生成并向东北方向移动，给恩施州部分地区带来间断小雨，局部伴有短时强降水。

图5 FY2E TBB图(单位：K)(a：2016年6月19日10时15分；b： 19日13时15分；c： 19日15时15分；d： 19日17时15分，红点即为恩施站)Fig.5 FY2E TBB (unit: K) (a:20160619 10∶15;b:13∶15; c:15∶15; d:17∶15; the red point is Enshi)

19日07—09时回波发展加强，回波强度大部在30～40 dBz之间，局部达48 dBz，主要为层状云回波中镶嵌积状云回波，因此以混合性降水为主，虽然该回波强度不大，但降水效率很高，该时段共有6站小时雨量在30 mm以上。受副高影响，该回波在19日10时17分(图6a)发展为NW-SE向带状回波，同时西南涡外围云团回波也东移到咸丰境内，同时刻的雷达速度图上可以看到明显的逆风区，10时42分(图6b)的雷达速度图尤为明显，回波一直沿东北方向移动，且为明显的层积混合回波，给咸丰带来了明显降水。到13时32分，恩施州西南部回波发展为逗点状回波并逐渐加强(图6c)，东南部鹤峰则为明显的层积混合回波，回波强度达48 dBz，同时鹤峰也出现了明显的逆风区(图6d)，对应的则是明显的小时强降水，该时刻最大小时雨强达49.3 mm/h。16时16分(图6f)低涡云系已移动到鹤峰境内，速度图反映回波在此时形成强烈的辐合，与地面中低压对应，低涡云系继续东移并逐渐形成列车效应(图6e)，混合型回波在鹤峰不断经过，导致该地持续了较长时间的强降水，这是导致本次累积降水较大的直接原因。20时(图略)低涡后部冷切回波东移影响来凤，回波发展旺盛，最强回波达53 dBz，造成此次过程最大的小时雨强(来凤上寨60.4 mm/h)，但对恩施州影响范围相对较小，主要影响来凤边界，该冷切回波在东移过程中还影响了鹤峰，导致19日夜间鹤峰东南部仍然有持续降水。此次过程雷达回波强度并不强，但降水效率很高，因此在实际工作中雷达资料需与实况资料进行对比分析。

5 环境场特征

5.1 热力条件

图6 恩施雷达反射率因子图和速度图(单位：dBz)(a：2016年6月19日10时17分；b： 10时42分；c： 13时56分；d： 13时32分；e： 17时05分f： 16时16分)Fig.6 Enshi radar reflectivity and speed (unit: dBz) (a:20160619 10∶17; b:10∶42; c:13∶56; d:13∶32; e:17∶05;f:16:)

6月18日恩施州地面气温不断升高，州内各国家站气温都在30 ℃以上，前期较高的基础温度积累了大量不稳定能量，并在此次过程中释放造成强降水。从19日08时恩施站探空图可以分析得到(图略)，T850-500为26 ℃，说明恩施上空为上冷下暖结构，K指数为44 ℃，CAPE值达410.8 J/kg，而中等强度CAPE比极端的CAPE更有利于高降水率的形成[14]。图7a给出了恩施站18日20时—20日20时假相当位温时间剖面图，可以看出19日08时—20日02时恩施上空700 hPa以上为假相当位温小值区，700 hPa以下为假相当位温带状大值区，假相当位温随高度减小，即大气状态为不稳定层结。同时从19日14时850 hPa假相当位温分布图可以看出(图7b)恩施州处于假相当位温高能舌区，说明低层大气具有高温高湿性质。低层高能高湿大气在不稳定的环境条件下，受到动力抬升作用，出现了具有强对流特征的降水。

5.2 水汽条件

受副高外围西南暖湿气流影响，恩施州水汽充足。由2016年6月19日08时850 hPa比湿场(图略)可恩施州比湿达16 g/kg，同时700、850 hPa相对湿度均在90%以上，另外从探空图也可得知恩施500 hPa以下T-Td几乎为0，即整层大气湿层十分深厚，可见相对湿度和绝对湿度都较高。图8a给出了恩施站点2016年6月18日20时—20日20时水汽通量散度时间剖面图，可见在20日02时之前恩施从底层到高空水汽都是明显的辐合状态，而19日08—20时是水汽辐合发展最旺盛的阶段，也是降水最强的阶段，说明水汽通量辐合对于强降水有较好的指示作用。对比同时刻的850 hPa水汽通量散度分布图发现，恩施州位于水汽辐合大值区，且辐合区域正好是低涡活动区域，可见此次辐合是在低涡作用下发生的。

图7 假相当位温图(a：2016年6月18日20时—20日20时假相当位温时间剖面图；b：19日14时850 hPa假相当位温分布图)Fig.7 these (a:2016061820—2016062020; b:2016061914 850 hPa)

图8 水汽通量散度图(a：2016年6月18日20时—20日20时水汽通量散度时间剖面图(世界时)；b：19日14时850 hPa水汽通量散度分布图Fig.8 vapor flux divergence (a:20160618 20∶00—20160620 20∶00(the world); b:20160619 14∶00 850 hPa)

5.3 动力条件

由19日08时(图略)恩施站探空图可知恩施零度层高度较高(约5 km)，即此次降水主要以暖云降水为主，降水效率很高，同时抬升凝结高度很低，即主要有一点抬升条件便能成云致雨，而SI指数为-5.65 ℃，表明动力条件较好。图9a给出了恩施站点2016年6月18日20时—20日20时垂直速度时间剖面图，可见整个过程恩施都有较好的抬升条件，其中19日14—20时中低层抬升条件都比较好，这也是强降水持续时间较长的一个原因，另外从19日14时的垂直速度分布图可见垂直速度大值区主要位于恩施州南部，因此此次过程强降水区域也主要位于恩施州南部，而在鹤峰还存在一个垂直速度的大值中心，该大值中心正好可以与同时刻的地面中低压对应。

图9 垂直速度图:(a)2016年6月18日20时—20日20时垂直速度时间剖面图(世界时)；(b)19日14时850 hPa垂直速度分布图)Fig.9 vertical velocity (a:2016061820—2016062020(the world); b:2016061914850 hPa)

6 地形的影响

地形对于降水的作用也很重要，赵玉春分析了2007年7月9—10日皖南特大暴雨发现大别山和皖南山区中尺度地形构成的中尺度组合地形效应是皖南特大暴雨形成的重要原因[15]。恩施州山地众多、地形复杂，而此次过程鹤峰降水最多除了与副高位置偏南有关以外，和当地地形也有很大关系。鹤峰位于恩施州东南部，地处迎风坡地，是湖北省有名的暴雨中心之一。当低涡外围的西南气流和副高外围的暖湿气流流经该地，受迎风坡地形影响被迫抬升，有一定触发作用，另外水汽在此被迫凝结，也有明显的降水增幅作用。

7 讨论和结论

恩施州暴雨多发生在西风槽和西南涡共同作用下，但此次过程降水量之大，历史少见。究其原因，其一是西风槽受副高阻挡移动缓慢，导致降水持续时间长；其二是深厚暖云层降水效率很高，结合较长的持续时间导致了超乎预计的极端降水；此外，地形也有一定作用。此次过程预报效果较好，但暴雨落区和量级仍然是此次过程预报的难点和疑点，就数值预报而言，EC、日本、T639的预报落区相对较准(GFS未报出)，锁定鹤峰为暴雨中心，但忽略了来凤南部的暴雨，降水量级也较实际偏少，且在主观预报中也会考虑副高实际位置会否比数值预报更偏北。但通过此次过程的分析，发现地面中尺度低涡出现以后引起了持续时间较长的强降水，因此在前期预报量级偏小的情况下，根据中尺度低涡、逆风区等指示性指标结合实况资料发布订正产品和预警信息十分必要。

本文利用多种资料，从多角度等对恩施州2016年6月19—20日的一次暴雨天气过程进行分析，并得到以下结论：

①此次过程是在中高纬两槽一脊的稳定环流形势下，高空槽和副热带高压共同作用，配合西南涡和高低空急流，从而形成的大范围强降水。副热带高压阻挡高空槽在恩施州西部停滞导致此次过程持续时间过长，其位置偏南导致降水主要分布在恩施州南部一带。

②恩施州此次降水主要有3个不同的影响阶段：低涡外围云系降水、低涡前部暖切降水、低涡后部冷切降水。

③列车效应导致混合型回波不断在鹤峰经过，结合较强的降水效率，是导致本次累积降水较大的直接原因。逆风区对恩施州短时强降水有明显的指示作用。

④地面中低压在雷达速度图和垂直速度图上都有体现，中低压出现后正是该地强降水的集中阶段，表明中低压辐合作用强烈，对局地短时强降水的提前预警具有重要意义。

⑤在有利的天气尺度抬升条件下，不稳定能量较高、水汽充足、动力抬升机制较好是此次降水过程具有强对流特征的根本原因，地形的增幅和触发作用也为此次过程提供了有利条件。

[1] 林琳.近30年我国主要气象灾害影响特征分析[D].兰州:兰州大学,2013:93.

[2] 邵末兰,向纯怡.湖北省主要气象灾害分类及其特征分析[J].暴雨灾害,2009,28(2):179-185.

[3] 谌伟,李武阶,邓红,等.2008—2011年湖北暖干类暴雨特征分析[J].气象与环境学报，2014，30(5):113-119．

[4] 杨毅，邱崇践.利用多普勒雷达资料分析一次强降水的中尺度流场.高原气象,2006，25(5):926-931.

[5] 张斌,张立凤,彭军,等.湖北鹤峰一次特大暴雨过程的数值模拟及偏差成因分析[J].暴雨灾害,2011,30(4)：343-348.

[6] 王雪莲,李英华,刘丽丽,等.卫星和雷达资料在暴雨数值预报中的应用研究[J].气象与环境学报,2015,31(1):4-19．

[7] 陈栋,黄荣辉,陈际龙.2015.我国夏季暴雨气候学的研究进展与科学问题[J].气候与环境研究,20(4):477-490.

[8] 林建,杨贵名.近30年中国暴雨时空特征分析[J].气象,40(7):816-826.

[9] 孙淑清,周玉淑.近年来我国暴雨中尺度动力分析研究进展[J].大气科学,2007,31(6):1 171-1 188.

[10] 罗菊英.近45年恩施自治州暴雨气候特征分析[A].第三届湖北省科技论坛气象分论坛暨2005年湖北省气象学会学术年会学术论文详细文摘汇集[C].武汉：湖北省气象局，2005.

[11] 宋世秀，周建山.清江上中游大暴雨与地形作用[J].湖北气象，1997(3):17-19.

[12] 郭奕涛,吴全省,闫永才,等.恩施州一次连续大暴雨天气过程成因分析[J].贵州气象,2010,34(S):27-30.

[13] 陈鲍发,魏鸣,柳守煜.逆风区的回波演变与强对流天气的结构分析[J].暴雨灾害,2008,27(2):127-134.

[14] 俞小鼎.强对流天气临近预报[M].北京：气象气版社,2010：81-82.

[15] 赵玉春,许小峰,崔春光.中尺度地形对梅雨锋暴雨影响的个例研究[J].高原气象,2012,31(5):1 268-1 282.

Multi-scale analysis of a rainstorm in Enshi

WANG Chuanyi1，LIAO Xiaohua2，ZHANG Li3

(1 Enshi Meteorological Bureau of Hubei Province, Enshi 445000, Hubei; 2 Shiyan Meteorological Bureau of Hubei Province, Shiyan 442000, Hubei; 3 Wuhan Meteorological Bureau of Hubei Province, Wuhan 430000,Hubei)

The NCEP re-analysis data, meteorological data, automatic meteorological station data, satellite and radar data were used to analyze the rainstorm from June 2016 19 to 20 in Enshi. The results show that: the rainfall occurred under the background of two troughs and one ridge, trough and subtropical high interaction, with the occurrence of the southwest vortex and the low-level jet; the subtropical high effect caused the precipitation to continue a long time, the higher position is the reason why the precipitation is most in the southern part of Enshi; the train effect to hybrid echo in Hefeng, combined with higher precipitation efficiency, leads to the long-time precipitation; adverse wind area has obvious indication of the strong precipitation. Under advantageous weather conditions, the heat, vapor and dynamic conditions are the basic reasons for the precipitation with strong convection characteristics, and the terrain also provides favorable conditions for the rainstorm.

rainstorm; multi-scale; analysis

1003-6598(2017)02-0040-08

2016-11-23

汪川乂(1990—)，女，助工，主要从事中短期预报方法研究，E-mail: enshiwcy@163.com。

P458.1+21.1

B