一次高压坝背景下秋季对流性暴雨天气过程分析

Process in Autumn under the Background of High Pressure Dam

摘要: 为进一步认识副热带高压控制条件下秋季对流性暴雨的发生发展机制，本文利用常规气象观测资料、区域自动站资料、NCEP 1˚ × 1˚逐6 h再分析资料，从环流背景、影响系统以及水汽、热力、动力诊断入手，对2021年9月6日傍晚到夜间贵州东部大范围对流性暴雨天气过程进行综合分析。结果表明：1) 此次对流性暴雨天气过程是在副高西伸北抬形成高压坝的背景下，中高纬冷涡低槽与高原东移的短波槽在四川东部同位相合并加强东移，引导低层切变线和地面冷空气南下，冷空气从贵州西北部和湖南西部入侵，在贵州东部地区形成两个冷池，冷池出流与前部的暖湿空气强烈交汇，触发对流性暴雨。2) 过程环境风较弱，水汽辐合主要集中850 hPa及以下，暴雨发生前弱偏南风从南海输送水汽，暴雨发生期间，水汽主要来源于本地，暴雨发生在850 hPa准南北向切变线附近的强水汽辐合区。3) 贵州东部850 hPa及以下为准南北向假相当位温高能舌控制，中层700~600 hPa有低能舌侵入，大气暖湿极不稳定，暴雨落区分布在准南北向等值线密集的能量锋区偏向高能区一侧。4) 锋生加强和涡度低层辐合、中高层辐散的动力配置，为暴雨的产生提供了动力条件，函数正值区与850 hPa切变线移动和分布一致，暴雨发生在锋生函数正值中心值达最大、锋生最强之后，强降雨随着锋生函数值减小而减弱，暴雨落区分布在准南北向锋生函数正值中心前沿等值线密集区。

Abstract: In order to further understand the occurrence and development mechanism of convective rainstorm in autumn under the control of subtropical high, this paper uses conventional meteorological observation data, regional automatic station data, and NCEP 1˚ × 1˚ 6 h reanalysis data to compre-hensively analyze the large-scale convective rainstorm weather process in the east of Guizhou from the evening to the night of September 6, 2021, starting with the circulation background, influence system, water vapor, heat and dynamic diagnosis. The results show that: 1) This convective rainstorm weather process is under the background that the subtropical high extends westward and uplifts northward to form a high-pressure dam. The mid high latitude cold vortex trough and the short wave trough moving eastward from the plateau are in the same phase in eastern Sichuan, strengthening and moving eastward, leading the low-level shear line and the cold air on the ground to the south. Cold air invades from northwest Guizhou and western Hunan, forming two cold pools in eastern Guizhou. The outflow of the cold pool strongly intersects with the warm and humid air in the front, trigger convective rainstorm. 2) The process environment wind is weak, and the water vapor convergence is mainly concentrated at 850 hPa and below. Before the rainstorm, the weak southerly wind transports water vapor from the South China Sea. During the rainstorm, the water vapor mainly comes from the local area, and the rainstorm occurs in the strong water vapor convergence area near the quasi north-south shear line at 850 hPa. 3) In the east of Guizhou, 850 hPa and below are controlled by quasi south-north pseudo equivalent potential temperature high energy tongue. In the middle layer of 700~600 hPa, there is low energy tongue intrusion. The atmosphere is warm and humid, and extremely unstable. The rainstorm area is distributed in the energy front area with dense quasi south-north is olines to the side of high energy area. 4) The dynamic configuration of frontogenesis enhancement and vorticity low-level convergence and mid-high level divergence provides the dynamic conditions for the generation of heavy rain. The positive value area of the function is consistent with the movement and distribution of the 850 hPa shear line. The heavy rain occurs after the central value of the positive value of frontogenesis function reaches the maximum and the frontogenesis is the strongest. The heavy rain weakens with the decrease of the value of fronto-genesis function. The heavy rain area is distributed in the isoline dense area at the front of the posi-tive value of the quasi-north frontogenesis function.

1. 引言

副高活动对我国雨带的影响至关重要，许多专家和气象工作从不同角度对这类春夏副高外围和副高控制下的暴雨天气过程作了大量研究 [1] - [6] 。肖贻青等 [5] 对夏季副高控制下的暴雨天气过程进行分析研究，认为冷空气侵入使副高内聚集的大量不稳定能量强烈释放，是暴雨产生的机制。覃靖等 [6] 从卫星、雷达资料、中尺度特征、物理量诊断等方面对不同地区春季和夏季的对流性暴雨的成因进行了分析总结，这类暴雨具有对流性特征显著、突发性强、雨强大、持续时间短、破坏力强、造成的洪涝灾害重等特点，MαCS和MβCS是暴雨的直接影响系统。贵州处于云贵高原东部，季风活动明显，暴雨天气主要出现在3~10月，其中又以夏季风活跃的5~7月最为集中。造成贵州暴雨的天气系统主要有高空槽(高原槽、南支槽、北支槽)、高低空急流、副热带高压(以下简称副高)、低涡(切变线)、台风倒槽、锋面(冷锋、静止锋)、地面辐合线、热低压等。在这些天气系统中，副高活动对其它系统的影响尤为突出，它会影响南海季风的爆发，低空急流的形成，高空槽的移动等，特别是春夏季副高的进退与北抬直接关系着西风槽的移动、水汽的输送，对暴雨的落区和强度有重要作用，一般情况下，暴雨落区在副高西北侧与冷锋交汇地带 [7] 。贵州对流性暴雨通常发生在5月到8月，而秋季(9~10月)出现的暴雨多为冷锋低槽型暴雨，低层大多有冷锋或静止锋配合，雨强相对较小 [7] [8] ，而在副高高压坝控制下产生的秋季对流性暴雨较少。

2021年9月6日17时至7日8时在副高高压坝控制下的贵州东部铜仁市、黔东南州出现一次对流性暴雨天气过程，降雨强度大、单点持续时间短、暴雨引发的洪涝灾害重。为进一步认识此次副高高压坝控制条件下的秋季对流性暴雨天气过程的发生发展机制，本文利用常规气象观测资料、区域自动站资料以及NCEP 1˚ × 1˚逐6 h再分析资料，从环流背景、影响系统以及水汽、热力、动力条件诊断等方面进行总结分析，以期能对类似暴雨天气过程的预报提供参考。

2. 暴雨过程概况及灾情

2021年9月6日17时至7日8时贵州东部铜仁市、黔东南州17县(市)出现28站大暴雨、124站暴雨(图1(a))，国家站江口、三穗、榕江出现大暴雨，剑河、玉屏、镇远出现暴雨，过程最大累计降雨量江口县太平乡山塘169.5 mm。此次暴雨天气过程突出的特点：一是暴雨落区呈少见的南北向分布，雨强普遍大、对流性特征显著，共有264站次出现雨强 ≥ 20 mm∙h⁻¹的短时强降雨，其中，5站次雨强超过80 mm∙h⁻¹，6站次超过70 mm∙h⁻¹，10站超次过60 mm∙h⁻¹，16站次超过50 mm∙h⁻¹，26站次超过40 mm∙h⁻¹，70站次超过30 mm∙h⁻¹，131站次超过20 mm∙h⁻¹ (图1(b))，最大雨强为锦屏县三江镇小江87.2 mm∙h⁻¹ (图1(c))；二是持续时间短、降雨高度集中，强降雨主要集中在6日20时至7日3时，多数站点强降雨持续时间仅有1~3 h。三是灾情较重。据黔东南州应急管理局不完全统计，此次暴雨和大暴雨天气造成岑巩、三穗、锦屏、榕江等县部分房屋倒塌或损毁、道路塌方、农田冲毁等灾情，仅三穗、榕江直接经济损失就达30万元。

3. 环流背景和影响系统演变

500 hPa图上，9月4~5日亚洲中高纬度地区为两脊一槽形势，巴尔喀什湖及以北地区和我国东北地区分别为高压脊控制，贝加尔湖西部地区的冷槽发展东移，冷槽在贝加尔湖附近加强形成低涡东移，中低纬度地区副高先减弱东退后加强西伸北抬，高原上有短波槽东移。5日20时巴尔喀什湖附近的高压加强东伸，前部的冷涡槽加深东移，中低纬地区副高588 dpgm等值线西脊点由贵州中东部地区西伸至高原东部，北界北抬至四川中部，河套到川西有短波槽东移。6日8时中高纬冷涡中心维持，南段冷槽东移南压到河套东部，与高原东移的短波槽在四川东部同位相合并加强，引导中低空切变线和地面冷空气南下，副高继续加强西伸与高原高压打通形成高压坝，592 dpgm等值线由江西东部西伸至广西东部，贵州受弱西南气流影响；20时至7日8时受菲律宾附近的第13号台风“康森”东移影响，高压坝稳定维持，川东冷槽东移为主(图2(a))，槽底南压到贵州北部，贵州偏南气流逐渐减小为2~4 m∙s⁻¹。对应中低层6日8时广西到贵州为副高西侧弱偏南气流影响，风速为4~10 m∙s⁻¹，四川东部切变缓慢东移南压，700 hPa切变线呈东北西南向，6日8时~7日8时切变线在重庆中部到贵州中北部地区稳定维持(图2(b))，而850 hPa切变线6日20时东移南压到贵州东部地区，切变线西段偏北风较强，移速较快，切变线由原西北风与西南风辐合转为西北风与东北风辐合，风速减弱为2~6 m∙s⁻¹，切变线由东北西南向转为南北向(图2(c))，比湿由13 g∙kg⁻¹增大到16 g∙kg⁻¹，同时从华北经湖北有明显冷舌入侵贵州，表明贵州已受冷空气影响。地面图上，冷空气从贝加尔湖地区分裂南下，经河套西部从四川盆地和两湖盆地入侵贵州，6日8~17时(图2(d)，图2(e))冷空气先由四川盆地南下，从西北路径影响贵州中西部地区，贵州东部地区午后气温升到30℃以上，积聚了大量不稳定能量；17时至7日2时(图2(f))冷空气由湖南入侵贵州东部地区，受西北路径和东北路径两股冷空气夹击，同时配合850 hPa南北向切变线共同影响，触发不稳定能量强烈释放，产生大范围对流性暴雨。

(a) (b) (c)

Figure 1. Distribution map of cumulative rainfall during the process from 17:00 on September 6th to 8:00 on September 7th, 2021 (a), distribution of rain intensity stations at different levels (b) and the timing chart of rainfall in Jinping Sanjiang Xiaojiang with maximum rain intensity (c) (unit: mm)

图1. 2021年9月6日17:00至7日8:00过程降雨量分布图(a)、不同程度雨强站次分布(b)和最大雨强锦屏三江小江降雨量时序图(c) (单位：mm)

Figure 2. 500 hPa (a),700 hPa (b), 850 hPa (c) at 20:00 and surface at 14:00 (d), 17:00 (e), 20:00 (f) on September 6th, 2021. Note: black solid line: contour line or isobaric line; red dotted line or solid line: isothermal line; brown solid line: groove line; brown short double solid line: 700 hPa shear line; red short double solid line: 850 hPa shear line; green tooth line: saturated humidity line such as 700 hPa or 850 hPa; blue double tooth line: ground cold front; the black figure on the left side of the wind vane: temperature dew point difference (unit: ˚C), the black figure on the right side of the wind vane: specific humidity (unit: g∙kg⁻¹), and the green figure on the right side of the wind vane: temperature difference between 700 hPa or 850 hPa and 500 hPa (unit: ˚C); red number of ground situation map: temperature (unit: ˚C)

图2. 2021年9月6日20:00 500 hPa (a)、700 hPa (b)、850 hPa (c)和地面14:00 (d)、17:00 (e)、20:00 (f)形势图。注：黑色实线：等高线或等压线；红色虚线或实线：等温线；棕色实线：槽线；棕色短双实线：700 hPa切变线；红色短双实线：850 hPa切变线；绿色齿线：700 hPa或850 hPa等饱和湿度线；蓝色双锯齿线：地面冷锋；风向杆左侧黑色数字：温度露点差(单位：℃)，右侧黑色数字：比湿(单位：g∙kg⁻¹)，右侧绿色数字：700 hPa或850 hPa与500 hPa的温差(单位：℃)；地面形势图红色数字：气温(单位：℃)

4. 物理量诊断分析

4.1. 水汽条件

4.1.1. 边界层水汽通量散度与风场演变

图3是边界层850 hPa和925 hPa水汽通量散度和风场演变图，由图3可知，6日8~14时暴雨天气发生前，切变线呈东北西南向由重庆南压到贵州铜仁西部到黔南州西部一线，切变线后部西北风风速为6~10 m∙s⁻¹，切变线前部偏南风风速为2 m∙s⁻¹左右，弱偏南风从南海向贵州输送水汽，水汽辐合区集中在切变线附近，850 hPa和925 hPa各有2个强水汽辐合中心，分别位于遵义、铜仁交界和贵阳东部与黔南州西部交界地区，中心值分别达到−6×10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹、−7 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹ (图3(a)，图3(b))和−5 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹和−6 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹ (图3(e)，图3(f))。由于冷空气先从四川盆地南下影响贵州中西部地区，且切变线北侧的偏北风偏强，切变线西段南压偏快，20时在西北和东北两路冷空气的夹击影响下，切变线和强水汽辐合区东移南压到铜仁江口到黔东南三穗到榕江一线，呈准南北向，切变线西侧西北风风速仍为4~10 m∙s⁻¹，东侧东北风风速为2~4 m∙s⁻¹，850 hPa强水汽辐合中心位于黔东南州西南部地区，中心值增强为−9 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹ (图3(c))，925 hPa强水汽辐合中心位于重庆东部到铜仁北部，中心值增强为−9 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹ (图3(g))。此时，贵州东部地区强降雨天气发展增强，20~21时铜仁江口县城和江口县太平云舍分别出现了86.9 mm和80.1 mm的短时强降雨。西北风与东北风对峙形成的准南北向切变线和强水汽辐合在贵州东部地区稳定维持到7日2时(图3(d)，图3(h))。铜仁境内强降雨从20时开始维持到23时，黔东南州境内强降雨从21时开始自北向南持续到7日3时，7日0~1时锦屏三江镇小江出现本次过程最强短时强雨87.2 mm。2时后切变线和水汽辐合区逐渐南压黔东南州南部，2~3时榕江县城出现35.2 mm短时强降雨以后降雨明显减弱，3时切变线和水汽辐合区南压到广西北部，贵州转东北风控制，过程趋于结束。从边界层风场演变还可以看出，6日20时后贵州为西北风和东北风控制，低层南海水汽输送通道被切断，暴雨区水汽主要来自本地，暴雨发生在850 hPa南北向切变线附近的强水汽辐合区。

Figure 3. 6-hour evolution chart of 850 hPa ((a)~(d)) and 925 hPa ((e)~(h)) water vapor flux divergence (unit: 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹) and wind field from 8:00 on September 6, 2021 to 2:00 on September 7, 2021

图3. 2021年9月6日8时~7日2时逐6 h的850 hPa ((a)~(d))和925 hPa ((e)~(h))水汽通量散度(单位：10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹)及风场演变图

4.1.2. 水汽通量散度演变与短时强降雨的关系

分析暴雨到大暴雨站点的水汽通量散度与降雨量时序图可知，暴雨发生前和发生期间，强水汽辐合区主要集中在850 hPa附近，强降雨出现时间滞后于水汽辐合最大值出现时间2~5 h。以国家站三穗、榕江为例，三穗站和榕江站分别位于黔东南州东部和南部，冷空气影响时间不同。地面冷空气在6日20时后影响三穗，水汽辐合最强时段出现在18时至22时，中心值达到−6 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹，而强降雨集中时段在21~23时，分别出现55.7 mm∙h⁻¹和50.1 mm∙h⁻¹的短时强降雨，强降雨出现时间较水汽辐合最强时段滞后3 h左右(图4(a))；而冷空气影响榕江的时间在23时后，水汽辐合最强时段出现在19~21时，中心值达到−8 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹，强降雨集中时段在7日0~3时，连续3 h出现30 mm∙h⁻¹以上的短时强降雨，强降雨出现时间较水汽辐合最强时间滞后5 h左右(图4(b))。虽然水汽辐合最大值较强降雨时间明显滞后，但相对湿度最大值与强降雨出现时间一致。

Figure 4. Time sequence of water vapor flux and rainfall at Sansui (a) and Rongjiang (b) stations from September 6 to 7, 2021 (unit: 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹)

图4. 2021年9月6日至7日三穗 (a)、榕江 (b)站水汽通量、降雨量时序图(单位：10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹)

4.2. 能量条件

分析暴雨过程期间边界层假相当位温演变图可知，700 hPa到地面贵州东部地区始终为高能舌控制，中心区为340~364 K等值线控制，6日20时至7日2时随着西北路径和东北路径冷空气的夹击影响，850 hPa到地面的高能区范围逐渐缩小并且由东北西南向转为南北向分布，贵州东部高能区大于348 K，地面高能区大于352 K，铜仁江口、黔东南岑巩、三穗、榕江等暴雨到大暴雨区主要分布在假相当位温等值线密集的能量锋区偏向高能区一侧(图5(a)~(d))，暴雨落区与能量锋区分布一致。从暴雨区上空假相当位温时间垂直剖面图来看，暴雨发生前，地面到700 hPa为高能舌控制，高能中心达356 K，700~600 hPa有小于332 K低能舌入侵(图5(e)，图5(f))，高、低能中心差值达24 K，大气层结上干冷、下暖湿极不稳定，有利于对流性暴雨天气发生。从边界层温度场演变(图5(g)，图5(h)，图5(i))来看，在西北和东北两路冷空气夹击影响下，贵州西部和湖南西部分别有冷池向贵州东部移动，在冷池前部铜仁江口，黔东南州岑巩、镇远、三穗、天柱、锦屏、剑河、台江、榕江等一线形成南北向狭长的高温高温区，冷池出流与前部的暖湿空气强烈交汇，触发对流性暴雨发生。

Figure 5. Distribution map of pseudo equivalent potential temperature on the ground every 6 hours from 8:00 on September 6 to 2:00 on September 7, 2021 (a)~(d), and time sequence diagram of pseudo equivalent potential temperature of Sansui (e) and Rongjiang (f) (Unit: K)

图5. 2021年9月6日8:00至7日2:00地面逐6 h假相当位温分布图(a)~(d)和三穗 (e)、榕江 (f)假相当位温时序图(单位：K)

4.3. 动力条件分析

4.3.1. 锋生函数分析

锋生函数是指表征水平运动、垂直运动、非绝热变化和摩擦诸因素对锋生作用的物理量，它描述了

水平位温梯度随质点运动的变化率，其表达式为 $\text{F}=\frac{\delta T}{\delta t}\left(\text{Tn}\right)$ ，当F > 0时表示锋生，当F < 0时表示锋消

[9] 。由图6锋生函数演变可知，6日8~14时，冷锋先从四川盆地南下，自西北向东南移动，影响贵州中西部地区，呈东北西南向且中心值大于18 × 10⁻¹⁰ K∙m⁻¹∙s⁻¹的锋生函数大值区与850 hPa切变线和冷锋移动一致(图6(a)，图6(b))；20时从湖南境内有弱冷空气从东北路径影响贵州东部地区，锋生函数值达到最大，锋生最强，中心值大于40 × 10⁻¹⁰ K∙m⁻¹∙s⁻¹，此时，贵州东部的强降雨强烈发展增强，20~21时铜仁市江口县城及周边多站出现70 mm∙h⁻¹以上短时强降雨。由于西北路径冷空气较强，正锋生函数西段与切变线移动快，6日20时至7日2时期间，正锋生函数大值区由东北西南向逐渐转为准南北向(图6(c)，图6(d))，并在贵州东部地区稳定维持，该时段正是贵州东部强降雨集中时段，暴雨和大暴雨落区位于锋生函数正值区中心前沿等值线密集区。7日2时，锋生函数正值中心减小为30 × 10⁻¹⁰ K∙m⁻¹∙s⁻¹，此时强降雨明显减弱并趋于结束。

Figure 6. Distribution of frontogenesis function F at 850 hPa every 6 hours from 8:00 on September 6 to 2:00 on September 7, 2021 (a)~(d) (unit: 10⁻¹⁰ K∙m⁻¹∙s⁻¹)

图6. 2021年9月6日8:00至7日2:00 (a)~(d)逐6 h 850 hPa锋生函数F分布图(单位：10⁻¹⁰ K∙m⁻¹∙s⁻¹)

4.3.2. 涡度

分析涡度演变图(图略)可知，暴雨天气过程发生期间700 hPa到500 hPa为负涡度，850 hPa以下为正涡度，6日8~20时正负涡度中心自西北向东南移动，20时至7日2时正负涡度绝对值大值区维持在贵州东部地区，正负中心绝对值大于4 × 10⁴∙s⁻¹，2时准南北向的正涡度中心位于黔东南州中东部地区，但500 hPa负涡度中心南移广西，此时强降雨主要维持在黔东南州南部榕江、从江境内，但强度明显减弱。这种低层辐合，中高层辐散的动力配置，为暴雨的产生提供了动力条件。

5. 结论

1) 此次对流性暴雨天气过程是在副高588 dpgm等值线西伸北抬形成高压坝的背景条件下，中高纬冷涡低槽与高原东移的短波槽在四川东部同位相合并加强东移，引导低层切变线和冷空气南下，冷空气从贵州西北部和湖南西部两面夹击影响贵州东部地区，在两个冷池之间形成准南北向的高能高湿区，冷池出流与前部的暖湿空气强烈交汇，触发不稳定能量强烈释放，产生对流性暴雨天气。

2) 过程期间，环境风较弱，水汽辐合主要集中在850 hPa及以下，强水汽辐合中心小−6 × 10⁻⁷ g∙cm⁻²∙hPa⁻¹∙s⁻¹，暴雨发生前弱偏南气流从南海输送水汽，暴雨发生期间，南海水汽输送被切断，水汽主要来源于本地，暴雨发生在850 hPa南北向切变线附近的强水汽辐合区，暴雨出现时间滞后于水汽辐合最大值出现时间2~5 h。

3) 暴雨发生前和发生期间，贵州东部地区始终为假相当位温高能舌控制，850 hPa到地面的高能舌由东北西南向转为南北向分布，中层700~600 hPa低能舌侵入，高低能中心差值达24 K，使大气层结上干冷、下暖湿极不稳定，有利于对流性暴雨的发生。暴雨落区主要分布在准南北向假相当位温等值线密集的能量锋区偏向高能区一侧。

4) 锋生加强和涡度低层辐合、中高层辐散的动力配置，为暴雨的产生提供了动力条件，锋生函数正值区与850 hPa切变线移动和分布一致，锋生函数正值区强弱与降雨强度密切相关，强降雨发生在锋生函数正值中心值达到最大、锋生最强之后，锋生函数减弱，强降雨减弱，暴雨和大暴雨落区位于准南北向锋生函数正值中心前沿等值线密集区。

基金项目

黔东南州科技计划项目“基于区域自动站的黔东南‘两山’地区致灾暴雨研究”(黔东南科合基础[2022]09号)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。