6.30山区对流性暴雨成因机制与漏报分析

1、“6.30”山区对流性暴雨成因机制及漏报分析Analysis of “6.30” Mountainous convective rainstorm formation mechanism and its Missing Report 杜其成（黄山市气象台，安徽 黄山 245021）摘要：利用地面自动站、雷达、FY-2E红外卫星云图以及LAPS等资料，对2013年6月30日发生在皖南山区的一次局地、突发性的对流性暴雨过程的成因和预报失误原因进行了分析；结果表明：由中尺度地面辐合线和中气旋触发形成的MCS是这次过程的直接影响系统；中高层的干空气侵入有利于对流不稳定层结的形成与发展，导致对流性暴雨产

2、生；强降水中心出现在对流云团发展强盛到成熟阶段，落区位于MCS的中心附近或头边界；同时，地形阻挡产生强迫上升运动对MCS的发展起到促进和加强作用。这次暴雨过程漏报的主要原因是：大尺度天气形势配置不是很有利，对中层干侵入的分析不够深入和未能充分运用中小尺度的LAPS资料。关键词：MCS，对流性暴雨，中尺度辐合线，漏报Abstract: With the automatic weather station, radar, FY-2E infrared satellite images and LAPS data, the causes of a local sudden Convective st

3、orm process in South Anhui mountainous area on June 30, 2013 and its prediction errors were analyzed. The results showed that the MCS that triggered by surface mesoscale convergence line and cyclone is a direct impact the system of the process; in mid- and -upper level dry air intrusion is propitiou

4、s to the formation and development of unstable stratification of severe convective, which lead to the convective rainstorm; Severe precipitation emerges at developing and mature stages of mesoscale convective cloud clusters, falling area is located in the MCS near the center or head boundary; meanwh

5、ile, an upward motion forced by the topographic barrier has promotion and strengthen to the development of MCS. The main reason for the missing prediction is that large-scale synoptic configuration is not very favorable, the analysis of middle dry air intrusion is not deep enough and failed to make

6、full use of small and medium scale LAPS data.Keyword: MCS, Convective rainstorm, mesoscale convergence line, missing prediction引言暴雨是皖南的主要气象灾害之一，尤其是突发性强、持续时间短、范围小、强度大的对流性暴雨极易引发山洪、滑坡、泥石流等次生灾害1。多年来，气象工作者对灾害性暴雨天气过程的典型个例研究较多，但对山区局部短时强降水的个例分析相对较少。2013年6月30日07时至10时黄山地区出现一次暴雨，局部乡镇大暴雨天气过程，其中徽州区部分乡镇3h降水量超过100

7、 mm。这次突发对流性暴雨导致山洪爆发，造成12人死亡，引起国内多家媒体关注与报道，作为地市级气象预报工作者身感预报工作责任重大；另外，地市级预报员不能仅局限于依赖于欧洲的数值预报，要灵活运用多家中小尺度的精细化数值预报,如LAPS，INCA等等；同时也要注重分析地面多要素自动站的观测资料，这样才能把地市级预报做的更细、更准。本文利用自动站资料、卫星云图、雷达，LAPS资料，对此次过程的动力条件、水汽条件、层结条件、雷达回波以及中尺度MCS特征进行分析，总结了暴雨过程漏报的原因，为今后山区局部对流性暴雨的预报与服务提供参考。一.强降水概况图1 6.30重灾乡镇的雨量时序图（单位：mm）2013

8、年6月30日黄山市部分区县遭遇强降雨袭击，据乡镇自动站观测资料显示，30日2时至14时超过100毫米的降水主要位于徽州区北部、黄山区北部和休宁县部分乡镇；强中心位于徽州区境内，平均降雨量110.9毫米，强降水时段主要集中在30日8：00-10：00两个小时内，图1给出了受灾严重的三个乡镇雨量时序图，其中洽舍乡、杨村乡、龙门乡等两个小时降水量超过100毫米，雨强非常大。截至7月1日市民政局先后接到黄山区、休宁县、歙县、徽州区、黟县灾情报告，全市受灾人口17.5万人，因灾死亡9人，失踪3人，紧急转移安置28728人；此次强降雨造成徽州区10座水库（全区共17座水库）超汛限水位，6座水库溢流；其中杨

9、村乡、富溪乡、洽舍乡、呈坎镇等灾区水位迅速上升，造成山洪暴发、塌方等灾害。二. 山区对流性暴雨成因2.1迎风坡地形有利强降水发生地形对降水的增幅作用主要包括两方面2：一是地形辐合，二是抬升作用，抬升作用在于它能强迫暖湿空气上升，从而触发对流发生，形成对流云团3；分析黄山市地形特点和6月30日08时低层950hPa风矢量（如图2），发现黄山山脉对此次降水的作用不仅仅为迎风坡的抬升，还与山脉对气流的阻挡产生的辐合有关；图2中红框为杨村、呈坎、洽舍等强降水落区，其中杨村乡因强降水引发了山洪爆发。首先，地形表面迎风坡对气流的抬升速度可由公式计算4， 式中为地表面的地形抬升速度，h、分别为地形高度、地面

10、风场和地面空气密度。用Laps资料计算06:0011:00时地形抬升速度（图略），06:0011:00时黄山山脉以南的迎风坡都维持较明显的抬升速度，08:00时达到最大值-0.8pa/s。其次，黄山市的地形比较复杂，四周环山，中间是一块低洼地带，杨村乡海拔超过400米，位于黄山山脉半山腰上，低层的偏南气流受到黄山山麓南侧地形阻挡作用使低层偏南气流的风速逐渐减小，在杨村附近产生风速辐合。风场辐合加上迎风坡的抬升作用，造成杨村乡08-09时和09-10时分别35mm/h、78.3mm/h的短时强降水，可见边界层内中小尺度的地形阻挡产生的辐合和迎风坡抬升对降水都有很明显的增幅作用5。 图2 黄山市地

11、形高度和LAPS的30日08时950hPa风矢量2.2地面风场特征分析6月30日0.20×0.20LAPS地面格点风场（如图3），在08：00时，黄山区的龙门乡以南有一约50公里长的中尺度地面辐合线，另外一条辐合线位于徽州区的杨村乡至歙县东部一带，长度约80公里；这两条地面辐合线是8：00-9：00的强降水的动力触发条件。9：00时，上述的两条地面辐合线仍然存在，不同的是在龙门乡与杨村之间出现了一条南北向的中尺度地面辐合线，此条地面辐合线与上述的两条辐合线分别相交于龙门乡和杨村，并在此区域停滞不动2小时左右，而这两个乡镇正是灾情严重的强降水的中心。 (a) 08:00 (b) 09:

12、00图3 LAPS的地面格点风场 地面辐合线所经之地几乎均出现了30mm/h的强降水，中尺度辐合线与强降水的发生区域基本一致，另外，辐合线相交的位置一般是中小尺度系统发展最强的地方；与后面将要叙述的中尺度MCS和雷达强回波中心有很好的对应关系；由此可见，地面中尺度辐合线是这次过程的触发系统。2.3探空分析干侵入是指从对流层顶附近下沉至低层的干空气，专家研究表明，干侵入有重要的动力作用，在气旋的爆发性发展、暴雨的增幅、位势不稳定的增强、中气旋的产生发展等方面有很好的促进作用,中高层的干冷空气下传,叠置在低空暖湿气流之上，释放大量的能量，有利于对流性暴雨的发生发展6。对流性暴雨一般产生在高温高湿并

13、具有强位势不稳定的区域7，为了分析方便，首先选位于强降水中心南北的两个探空点，一个位于黄山区站号296（30.5N,118E），另一个位于歙县站号266（30N,118.5E），这两个探空点相距约50公里，有利于分析中小尺度的大气层结。图4 08时LAPS的探空（左：296 右：266）图5 09时LAPS的探空（左：296 右：266）图6 10时LAPS的探空（左：296 右：266）综合分析8-10时三个时次的LAPS探空曲线( 图4-图6) 可看出,8-10时两个探空站上空风向随高度顺时针旋转，为暖平流，抬升凝结高度较低；不同是 6月30 日08-10 时黄山区上空大气层结特点是上干冷

14、、下暖湿，700hPa以上有干侵入，CAPE值逐渐增大，LFC逐渐降低，大气层结不稳定；而歙县上空大气层结特点是整层大气处于饱和状态，湿度层深厚，无CAPE值，层结稳定。因此，在700hPa上空黄山区与歙县之间存在着干湿过渡区（即干线），不稳定能量与稳定能量过渡带（即CAPE梯度区）。这些特征表明，中高层干侵入叠置在低层暖湿空气上的结构形式加大了强降水区的对流不稳定，导致对流性天气的发生并加强，从而有利MCS的形成与发展。此次局地对流性暴雨过程的强降水落区正好位于这两个探空点之间的杨村、洽舍、呈坎、龙门等乡镇。另外，同样大小的CAPE值，CAPE形态与降水也有关系，若CAPE形态为长条形，中层

15、有干侵入易出现对流性暴雨；若CAPE形态为矮胖形，不利于产生对流性暴雨，多为雷雨大风、冰雹等强对流天气。2.4 中小尺度物理量分析山区局地暴雨开始前,低层高温高湿和不稳定能量的不断积累过程, 是形成局地对流性暴雨的必要条件。物理量场分析方法在强降水过程中具有较好的预报能力, 但在实际运用中需结合天气形势防止空报。此次3小时内降水达到100毫米以上的短时对流性暴雨由中小尺度系统所造成的。如此强的降水过程, 只有在不稳定能量释放和充足的水汽条件下才能形成。因此，运用LAPS资料中的K指数、SI指数、CAPE值、LCL等物理量对此次过程进行了详细诊断分析，29日20时至30日20时, 长江以南地面维

16、持在340350K之间，K指数大于40，Si指数稳定在-3<Si<0；另外,强降水区的气团抬升凝结高度较低。2.4.1大气稳定度分析分析黄山市各区县站6月30日08-10时的大气层结稳定度发现，K指数、Si指数对暴雨天气的发生、发展、结束有一定的指示意义（如表1），30日06时K指数突增到40以上，Si指数则维持在3<Si<-2，均达到起报暴雨的稳定度条件指标。30日06时降雨天气开始出现；8-10时K指数和Si指数条件,使对流性暴雨天气达到加强与维持；30日12时后，K指数下降和SI指数升高，不再满足暴雨天气所需的能量及稳定度条件，强降雨天气趋于结束。表1 黄山市区县

17、站2013年6月30日8时10时K 指数及Si 指数情况屯溪 祁门 歙县 黄山区 徽州区K8时 41.7 41.8 42.4 41.5 41.8 9时42.8 42.8 42.3 40 42.510时42.7 42.6 41.7 39 42.2Si8时 -2.8 -3.4 -3 -2 -2.79时-3.4 -3 -2.9 -1.8 -3.110时-3.4 -3 -2.7 -0.5 -2.9综上所述,K指数是反映低层稳定度和湿度条件的综合指标,K值越大,越有利于强降水的发生,但也不能太大,太大说明低层大气非常不稳定,演变为强对流天气,一般K指数参考值在3642之间；同样预报暴雨时SI指数参考值一

18、般取3<SI<0;SI值太小,说明气团极不稳定,容易形成雷雨大风和冰雹,不利于对流性暴雨产生。2.4.2 CAPE值特征分析 （a） (b) 图7 30日8-9时雨量和9时CAPE值（a）、9-10时雨量和10时CAPE值（b）CAPE值是反映不稳定能量的指标，有明显的季节特点，夏季大、冬季小；在预报暴雨或强对流仅从CAPE值的大小着手是不科学的。30日08时对流性暴雨发生前,黄山市周边的CAPE为1000J/Kg以上，有的甚至达到3000J/Kg，但均未出现明显的强降水；针对6.30此次局地对流性暴雨过程，分析CAPE分布与单小时雨量(如图7),从09时和10时的最大雨量点和CA

19、PE值分布图上可以看出，强降水落区在CAPE梯度大且靠近CAPE低值区域的位置。因此,分析CAPE梯度对对流性暴雨落区预报有较好的指示意义。2.4.3抬升凝结高度特征抬升凝结高度LCL是指未饱和湿空气块干绝热上升，开始达到饱和凝结的高度。LCL越低，越有利于水汽的凝结；分析此次强降水中心三个站点的抬升凝结高度（见图8），结果表明：6-11时徽州区、歙县二个站点抬升凝结高度在200300米之间，抬升凝结高度低的位置与三个强降水中心基本吻合。对于LCL这个指标运用要分两种情况进行分析，第一种当LCL较高时，中小尺度系统的动力触发可能无法将饱和气块抬升到自由对流高度，此时需要大尺度的动力触发机制，如

20、锋面抬升、槽线、切变线、低压、低涡等系统将饱和气块向上抬升；第二种当LCL较低时，饱和湿空气块遇到中小尺度的地面辐合线、局地热低压、迎风坡地形等动力触发机制，饱和气块就容易被抬升到自由对流高度，然后气块自由向上运动，形成降水。图8 6-11时三个站点的抬升凝结高度时序通过以上分析，由于地形、边界层辐合线、地面辐合线等中小尺度系统属于低层浅薄性系统，一般LCL在500米以下，其抬升触发作用才明显。三卫星云图及雷达回波特征EC资料和常规天气图很难预报预警局地短时对流性暴雨,但时空分辨率高的静止气象卫星、多普勒雷达对识别与跟踪中尺度对流系统具有重要价值，尤其是对产生暴雨的中尺度对流系统MCS监测更有

21、效；不仅能观测大尺度云系分布, 而且可以观测中小尺度对流云团降水的发生、发展、成熟、消散的演变全过程。暴雨和强对流天气是在多种尺度系统相互作用的条件下发生的，在一定大尺度环流背景下由嵌入天气尺度的中小尺度系统直接造成8。“6.30”黄山局地对流性大暴雨过程发生在副高边缘，FY-2E红外云图显示，副高北侧外围不断有对流云团发展，此次对流性暴雨过程由一中尺度对流系统直接造成。3.1局地强降水和MCS特征分析FY-2E云图可以看到，30日白天在徽州区、歙县一带出现了孤立的中尺度的对流云团，之后逐渐向外扩展、增强，30日810时云系发展达到最旺盛，造成30日8-10时徽州区和休宁等多个乡镇一小时雨量超

22、过50mm的局地对流性大暴雨。 （a）8:00 (b)8:30 (c)09:00图9 8-9时每半小时FY-2E云图和8-9时雨量对直接影响徽州区等地强降水的云团进行分析, 首先，08时( 见图9a)在徽州区的杨村乡有云团A开始形成，并在原地逐渐发展加强；在歙县南部有一云团B，略弱于云团A。 08: 30( 见图9b) 云团A在向北移动过程中云团发展增强, 面积增大, 边界变得清晰, 云体变得密实, 覆盖了整个黄山区和徽州区；云团B向北移动到歙县北部，强度变化不大； 9: 00(见图9c),云团B开始发展增强，此时云团A和B连为一体，云体发展达到最强, 范围达1×1个纬距,形成了一个

23、成熟的MCS系统，位于黄山区、徽州区、歙县等区县上空，两个云团交汇区在杨村乡、洽舍、呈坎等乡镇附近。另外，分析8: 00-9: 00的1小时雨量和9时的云图，在云团A的头边界和中心分别有两个1小时雨量中心，一个强降水中心位于黄山区永丰乡73.4mm/ h，另一个对应徽州区杨村乡45mm/h.由于B云团发展比A云团要迟半个小时，所以B云团的雨量中心不太明显。 （a）9:30 (b)10:00 (c)10:30图10，9：30-10：30时每半小时FY-2E云图和9-10时雨量09: 00以后，A、B两个孤立的对流云团通过合并，形成一个新的对流云团C（如图10a），合并后的C云团得到了进一步的增强

24、，范围增大、中心更加密实，暴雨云团C的西、北两侧的边界更加光滑，且纹理结构清晰。9: 00-10: 00时徽州区的杨村乡、洽舍乡出现最强的降水 ( 83. 4mm/h和79.8mm/h），从1小时雨量和整点云图可以看出（图10b），云团C的中心与强降水中心是基本吻合的；10：30分云图显示（如图10c），云团C开始东移减弱，对徽州区杨村等乡镇的影响已结束。从云图的演变可以看出: 此次徽州区局部短时强降水是多个云团在移动过程中合并与发展引起的，说明对流云合并后短时间内系统是增强的，最终导致短时强降雨发生9。通过分析1小时雨量和整点云图，在一致的环境风条件下，积雨云的头边界、单个云团的中心、两个云

25、团合并后的中心一般是短时强降水落区。3.2局地对流性暴雨的雷达回波特征3.2.1组合反射率因子特征Gamache等使用雷达反射率因子将降水类型划分为层状云和对流云降水，他们认为当降水的雷达反射率因子大于38dBz时，降水云系为对流云降水10；这两类降水有着较大的区别：对流云降水强度大、含水量丰富、持续时间短；层状云降水雨强较小、含水量也较小，不足对流云降水的1/6、但持续时间长；雷达资料显示“6.30”强降水过程是由镶嵌在层状云中的对流云回波单体产生的，由于层状云和对流云单体的相互作用、相互依赖使得降水持续时间增长、强度增大。图11 8：00-10：00强降水时段雷达组合反射率因子从黄山雷达组

26、合反射率因子回波图上可以看出（如图11）, 08: 15 徽州区西北边宏村附近和黄山区的永丰乡等地出现了多个强回波单体, 中心强度均大于50 dbz,而杨村乡、洽舍乡回波强度相对较弱，但也达到45 dbz以上；到08: 50 永丰乡的南边和北边的对流单体合并后，强回波中心位于永丰乡，为50dbz60dbz；宏村的强回波东移过程中与杨村的强对流回波核进行了合并，强中心位于杨村，强回波面积加大且边界清晰；杨村附近的块状强回波一直稳定少动，并持续到9：32分； 到09: 50时，杨村、洽舍等地强回波呈涡旋状，其强度明显增强，中心强度达到了60 dbz以上。从徽州区多个乡镇的逐时降水资料 ( 图1)

27、, 可以看出在此时段徽州区出现了强降水，降水量均大于30mm, 其中杨村、洽舍每小时都超过50 mm以上；强回波区与山区短时强降水的落区有很好的对应关系11。3.2.2径向速度与中气旋特征 图12 8：00-10：00强降水时段径向速度V与中气旋M的叠加分析安庆雷达的径向速度V和中气旋M可以看出（如图12），速度场上表现为多处有明显的径向速度的辐合12。08: 14在宏村与皮园村之间有一径向速度对，正负速度中心均在20m/s以上,同时雷达自动分析出一中气旋F0；到9：35雷达给出了两个中气旋B0（位于太平湖以北）和U7（皮园村与许村之间），同时从径向速度场上也能分析出这两个中气旋；到9：47分

28、，中气旋B0消失，但在皮园村附近仍有一个中气旋F0，且强度大，此时径向正负速度在20 m/s。中气旋的存在表明对流系统具有较高的组织程度，不会很快消散，是对流性暴雨产生的重要指标，在速度场上出现气旋性辐合和中气旋的位置与时段,正是强降水发生的落区。因此，中气旋可以作为预报对流性暴雨的一个重要依据. 3.2.3回波顶高与垂直液态含水量特征雷达组合反射率图显示，6月30日7：00开始，在黄山区徽州区等地的层状云回波中出现了大于50dBz的对流云回波，8：00时逐渐发展强盛；跟踪永丰乡和杨村乡这两个强回波核，分析强回波发展过程中，其回波顶高和垂直液态含量水量的变化特征13。图13 6月30日8：39

29、回波顶高(a)和10：00回波顶高(b)从回波顶高的变化中可以看出（图13），8：39分永丰乡附近和杨村乡出现了两个回波顶高强中心，其中永丰乡回波顶高14.3km，杨村乡回波顶高12km以上，说明大片的层状云中在这两个乡出现了中小尺度对流云，永丰乡的对流云发展强度明显强于杨村乡的对流云；到10：00时，永丰乡的对流云东移到龙门乡的过程中明显减弱，回波顶高12km，而杨村乡的对流云在原地发展增大增强，回波顶高达14.3km。图14 6月30日8：39垂直液态含水量(a)和10：00垂直液态含水量(b)从垂直液态含量水量（图14）可以看出，在永丰乡和杨村乡有两个垂直液态含水量中心， 8：39分永丰

30、乡的空中的液态含量水量较大，中心约30kg/m2，杨村乡略小，约1025 kg/m2，而8-9时的永丰乡和杨村乡的实况雨量分别为79.3mm/h、35.4mm/h。到10:00时，永丰乡的垂直液态含水量随着对流云的东移，有所减弱，但中心仍存在，而杨村乡的垂直液态含水量随着对流云在原地的发展增强，快速增加到2555 kg/m2，而9-10时杨村乡的实况雨量也达到79mm/h。综合分析回波强度、回波顶高和垂直液态含水量发现，垂直液态含量水量随着回波强度的增加有明显的增加，并伴随着回波的减弱而减小。同时，雷达回波顶高随着回波强度增加而升高，并随着回波减弱而降低，说明云顶处于非稳定状态，符合对流云回波

31、特点；两种指标综合表明，这次强降水过程属于典型的对流云降水特征，另外，降水强度变化与回波顶高、垂直液态含水量的演变基本一致，这两个产品可以作为对流云降水预报预警的参考指标。四山区对流性暴雨漏报难点分析徽州区6.30大暴雨事件过去已经快一年，在这段时间内不断对此次导致山洪爆发的局地对流性暴雨进行总结与反思，认为6.30局地对流性暴雨漏报及其致洪原因有如下四点：1强降水的影响系统不典型，这次对流性暴雨过程的预报难点是大尺度环流形势的配置不是特别好，分析30日08时的500hPa高空图，西太平洋副热带高压控制着江南东南部地区，皖南山区处副热带高压北部边缘586线附近，850hPa低空急流经过皖南山区

32、，没有明显的西风带低槽过境；另外，中低层切变线不明显、地面没有冷空气影响，因此起报区域性强降雨的信号不是很明显。2. 预报员对短时的、突发性的中小尺度暴雨预报经验不足，过分依赖数值产品的降水预报；虽然T639、EC等数值产品在大尺度天气形势下的预报已经有很好的指示作用，但对生命周期短的中小尺度暴雨的预报还不稳定, 在预报过程中难度相对较大, 预报员往往容易出现漏报情况14。为此，预报员在今后大尺度系统来临前, 应注意分析在大尺度系统影响下的中小尺度系统的演变，做好中小尺度系统的短时临近预报预警。3. 未能充分利用各种预报资料和预报手段，尤其是地面观测资料和LAPS等数值预报产品资料应用不够；另外，对中小尺度暴雨预报有着很好指示作用的重要物理量没有仔细推敲, 是此次预报失败的原因之一。五 小结在大尺度系统发展过程中很容易在局部出现中小尺度系统，6.30此次中小尺度暴雨是在不稳定能量和充足的水汽条件下，由迎风坡地形强迫抬升、中尺度地面辐合线、干侵入、中气旋等系统共同影响造成的。（1）突发增强西南季风急流，在黄山山脉迎风坡产生剧烈上升运动，与中尺度地面辐合线的结合，为这次山区对流性暴雨提供了较好动力条件。西南季风急流为中尺度暴雨云团的发展, 提供了充足的水汽。（2）中层干空气侵入叠加在低空暖湿气流之上，提供了很好的扰动及强迫抬升作用，是这次山区对流性暴雨产生的主要原因之一；对干侵入作用