极端对流性暴雨是指1 h雨量大于等于50 mm或3 h雨量大于等于100 mm或24 h雨量大于等于200 mm的降水事件（俞小鼎，2013）。极端对流性暴雨是贵州汛期（4—9月）常见的灾害性天气，往往造成城市瞬时内涝及山洪、滑坡、泥石流等次生灾害，给人民生命财产安全、交通运输等带来严重威胁。造成贵州极端对流性暴雨的天气类型主要有5类，分别为辐合线锋生、冷锋、梅雨锋、暖区暴雨、台风倒槽，辐合线锋生暴雨占比高达3~4成（杜小玲，2013）。辐合线是由两种不同温度、湿度、风向的气流汇合而成，包括冷锋、露点锋、海风锋和雷暴出流边界等，大多数风暴起源于辐合线附近（Wilson and Schreiber，1986；Wilson et al.，1992）。研究指出，海陆风、海风锋、不同性质下垫面热力差异在近地层形成的中尺度辐合线对暴雨和强对流天气有触发作用（陶诗言，1980；刘国强等，2018；王坚红等，2019；叶朗明等，2019；于碧馨等，2020；任丽和杨艳敏，2021；许敏等，2022）。数值模拟从更精细的物理动力结构角度也揭示了地面辐合线活动触发强天气的过程（王坚红等，2017；陈德花等，2018；田畅等，2019；冯晋勤等，2022；胡振菊等，2022）。在高空槽背景下，地面辐合线与低层切变线或地面弱冷空气相结合，诱发辐合线锋生，或在辐合线上产生中小尺度的涡旋，从而导致强降水发生（杜小玲等，2013a；杜小玲等，2013b；杨秀庄等，2016）。因此，在合适的层结状态和水汽条件下，边界层辐合线的演变或进入另一辐合区与强天气发生发展、降雨云带生成密切相关（李青春等，2011；王彦等，2011；丑士连等，2019）。可见，边界层辐合线是暴雨发生发展的动力条件之一，是暴雨临近预报的关键。

贵州地处云贵高原东部爬坡地段，地形地貌特征复杂，暴雨预报一直是预报业务的重点和难点。近几年模式预报检验及经验总结发现，对于斜压性较明显的冷锋系统造成的暴雨过程模式和主观订正预报效果都较理想，但对于受下垫面影响较大的地面辐合线造成的暴雨过程预报能力较差。贵州丰富的下垫面属性造成边界层辐合线活动频繁，辐合线锋生暴雨过程具有突发性强、降水强度大、局地性明显等特征，数值模式和预报员对此类暴雨预报能力非常有限，需要充分应用各种加密观测资料对其中尺度特征进行分析，拓宽认识，提升预报能力。鉴于此，本文针对2021年5月10日午后至夜间贵州东部及北部的一次辐合线锋生极端暴雨天气过程，利用地面常规观测资料及加密观测资料、探空观测资料、FY-2G卫星红外云图、多普勒天气雷达探测资料以及ERA5再分析资料，细致分析此次过程中尺度特征，初步探讨其成因，以期加深对此类暴雨过程的认识，提高预报准确率。

使用贵州省85个气象站逐小时地面常规观测资料及3 228个区域自动站逐小时加密降水量资料、高空探测资料以及FY-2G卫星逐30 min云顶亮温、三穗站CINRAD-CD多普勒天气雷达逐6 min反射率因子资料和欧洲中期天气预报中心第五代（ERA5）逐小时大气再分析资料（水平分辨率为0.25°×0.25°）。文中涉及的行政边界地图基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2019）3266号的标准地图制作，底图无修改。文中时间均为北京时。

2021年5月10日08：00至11日08：00，贵州北部和东部出现一次局地性暴雨天气过程[图1（a）]，2个乡镇累积雨量超过200 mm（达到贵州特大暴雨等级）、9个县40个乡镇为100~199.9 mm（大暴雨）、27个县182个乡镇为50~99.9 mm（暴雨），同时23个县（市、区）伴有107站次冰雹（图略），过程最大降水量为275.5 mm（锦屏县铜鼓站）。过程降水出现在10日16：00至11日06：00，主要集中在10日18：00至11日02：00。从暴雨中心铜鼓站逐小时降水量变化[图1（b）]可知，10日18：00—20：00、10日23：00至11日02：00降水最强盛，对应时段最大小时雨量分别为51.4、68.3 mm。此次暴雨过程极端性强，1 h降水量超过50 mm，24 h累积降水量超过200 mm，是自2009年贵州加密自动站布设以来最早的特大暴雨，同时伴有强对流天气，对流性强降水特征明显。

此次局地暴雨过程发生在850~500 hPa低涡切变背景影响下。500 hPa高纬地区维持两槽一脊环流型，副热带高压（简称“副高”）脊线位于20°N以南，588 dagpm线位于华南沿海地区，四川东部有一低涡，其西北侧高原槽引导弱冷空气东移南下，有利于低涡维持或加强，另一高原槽位于云南东部104°E附近，贵州受槽前西南偏西气流控制。从5月10日20：00环流形势配置[图2（a）]可知，低涡中心位势高度始终维持575 dagpm，结合涡度场（图略），低涡强度增强，低涡切变分别位于四川绵阳—西昌、四川巴中—湖北宜昌一线；700 hPa上，川东有低涡影响，低涡中心位势高度为304 dagpm，较08：00（305 dagpm）略有加强，低涡切变线西段位于川东南、东段位于四川遂宁—重庆酉阳—湖北宜昌一线，切变线北侧由东南风（08：00）转为偏北或偏东风，贵阳由偏西风转为20 m∙s^-1的强西南风，并在贵州北部及东部形成明显的风速切变辐合区；850 hPa上，川东低涡中心位势高度为140 dagpm，较08：00（141 dagpm）有所加强，低涡切变线分别位于四川泸州—贵州遵义—湖南吉首、四川泸州—贵州毕节一线，东段切变线北侧东南风（08：00）转为东北风，其南侧偏南风分量增大，辐合增强，南风急流建立，急流轴位于桂东至湖南怀化一带，桂东北处于急流轴出口区左前侧。11日08：00（图略），500、700、850 hPa低涡中心位势高度（分别为576、306、144 dagpm）增加，强度减弱，切变线东移（湖南怀化850 hPa仍为西南风影响）。10日20：00地面辐合线位于贵州毕节—贵阳—凯里锦屏一线，较08：00略有南移，至11日02：00，辐合线稳定少动。结合地面降水和天气实况形势可知，这是高原短波槽和低涡切变背景下在地面辐合线附近发生发展起来的暴雨过程。

5月10日20：00，怀化站订正（抬升到逆温层顶925 hPa）的探空廓线[图2（b）]显示，大气湿层深厚，可伸展到对流层顶，近地层露点温度达23 ℃，表明水汽含量高；850、700 hPa比湿分别为15、10 g∙kg^-1，超过贵州偏东部地区强降水的水汽阈值（杜小玲，2013）。从强对流参数（表略）可知，订正后的对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）为1 576 J∙kg^-1，沙氏指数和抬升指数分别为-4.25、-15.1 ℃，具有一定的对流抑制能量，但由于500 hPa以下风随高度顺转，500~400 hPa风随高度逆转，即不稳定性持续增强，具备强对流天气发生的不稳定潜势条件。

实况显示，此次过程降水主要集中在10日18：00至11日02：00，且降水的阶段性加强特征明显。因此，中尺度对流云团活动分两个阶段影响贵州。第一阶段为10日16：00—20：00（图略），16：00开始有对流云团在地面辐合线附近生成，并迅速扩展东移，18：00—20：00冷云面积扩大，其中心云顶亮温（Temperature Black Body，TBB）由-32 ℃降至-45 ℃，生成多个范围几公里至几十公里、持续1~2 h时间尺度的雨团，小时雨量多为10.0~30.0 mm，最强时段（18：00—19：00）小时雨量达51.4 mm（出现在锦屏县铜鼓站），强降水主要分布在云团西侧TBB梯度大值区。第二阶段为10日21：00至11日02：00，该阶段在中-α尺度冷云区降水分布极不均匀，出现多个较小尺度的雨团（图3）。10日21：00[图3（a）]，分别在遵义市东南部和黔东南州东北部附近有对流云团A、B新生，中心TBB均在-32 ℃以下，且中心西侧及南侧有多个较小尺度的雨团发展；22：00[图3（b）]，云团A向东北方向扩展，且强度增强，中心TBB低于-40 ℃，而云团B稳定少动，强度也有所增强，同时贵州西北部有对流云团C新生发展，其中心西侧和南侧TBB梯度大值区有较小尺度的雨团形成，此时雨量比前一时次有所增大，云团C西南侧雨量最大为59.6 mm；23：00[图3（c）]，云团A、C东移，强度维持不变，而云团B移出贵州，小时雨量以20.0~40.0 mm居多，云团B西南侧雨量最大为52.9 mm。11日00：00[图3（d）]，云团A、C在遵义市南部至黔东南州北部合并为东西向云带，其云团中心TBB均低于-44 ℃，且云带西侧有云团D新生发展，此时云带对应的降水增强，小时雨量最大为55.0 mm，雨团分布在云带中心南侧或西侧TBB梯度大值区；01：00[图3（e）]，云团D东移并入东西向云带，云带中心继续增强，其TBB低于-48 ℃，降水随之进一步增强，云带南侧最大雨量达67.4 mm；02：00[图3（f）]，遵义市南部至黔东南州北部的云带东移，强度维持不变，而降水有所增强，最大小时雨量达68.3 mm，雨带位于云带中心TBB梯度大值区一侧；02：00以后雨带随云带东移，强度减弱，至05：00云带主体移出贵州，贵州降水过程趋于结束。第二阶段对流云团也是在地面辐合线附近生成发展，辐合线西段不断有对流云团生成东移，并与辐合线东段云团合并，使得对流云团维持加强合并成东西向云带，相应地不断有雨团沿着地面辐合线自西向东扩展，造成东西向的带状暴雨区。

综上可知，10日21：00至11日02：00为对流云团生成发展、合并加强主要阶段，也是贵州强降水主要形成和加强阶段，伴随云团发展加强，小时雨量相应增大，且在对流云团合并后降水继续增强，对流云带形成后雨团也随之合并成雨带，降水达到最强。

为进一步揭示中尺度对流云团内部结构，分析本次过程强降水中心雨强最强的两个阶段雷达回波特征（图4）。第一阶段，10日18：02[图4（a）]，沿地面辐合线在黔东南州北部至东部有分散的回波单体，锦屏附近存在混合型降水回波，其范围较小、结构松散、强度低于40 dBZ；18：29[图4（b）]，上述混合型降水回波范围扩大，呈东西向带状分布，其上有多个对流单体迅速发展，在中心回波强度超过55 dBZ的单体影响下18：50—19：00铜鼓站（109.31°E，26.57°N）雨量达28.4 mm；随后，混合型降水回波沿着地面辐合线向东移动，持续影响铜鼓地区2 h左右，给该地区带来87.3 mm的降水。第二阶段，10日23：02[图4（c）]，沿地面辐合线在黔东南州中北部、铜仁市南部、遵义市东南部受多单体回波影响，单体回波中心强度均超过50 dBZ，相应10 min降水量超过10.0 mm，而铜鼓附近回波较弱，但其西侧有多个强单体发展并向东移动，持续影响铜鼓地区；10日23：30（图略），黔东南州中北部及铜仁市南部的多单体回波已形成东西向回波带，中心强度超过50 dBZ，受其影响，10 min雨量超过20.0 mm，最强为47.1 mm（11日00：50—01：00）；11日01：27[图4（d）]，上述多单体回波带略有减弱，逐10 min雨量最强仍超过10.0 mm，而铜鼓附近的多单体回波带持续增强，中心强度超过60 dBZ，10 min雨量最大达36.2 mm（01：50—02：00），受东移的强回波持续影响，铜鼓站该时段的小时雨量达最大（68.3 mm）。此阶段受多单体强回波自西向东持续影响，贵州东部和北部形成东西向暴雨区，最强降水中心3 h累积雨量达132.1 mm，暴雨区走向与地面辐合线基本一致。

结合上述两个最强时刻，过最强单体中心沿雷达径向（与地面辐合线方向基本一致）做反射率因子垂直剖面[图4（e）、（f）]。可以看出，第一阶段10日18：29，雷达回波呈倾斜结构，50 dBZ以上强回波伸展高度至5.0 km左右，怀化站探空资料显示，0 ℃层高度为4.7 km，-20 ℃层高度为7.9 km，50 dBZ以上强回波位于0 ℃层以下，表明此处强降水以暖云降水为主；第二阶段11日01：27，50 dBZ以上强回波伸展到8.0 km高度以上，且表现为回波倾斜和悬垂结构，降水明显增强，同时还伴有冰雹出现。

综上可知，本次暴雨过程强对流特征明显，位于地面辐合线附近的对流单体自西向东移动，且在辐合线西段有对流单体不断新生，在东移过程中不断与其东侧的对流单体合并加强，持续影响辐合线沿线地区，形成准东西向强雨带，回波加强合并过程中伴随着降水的显著增强。

5月10日，位于滇东北的热低压发展，低压槽从滇东北延伸至贵州中部偏北一带，呈准东西向。强降水开始前10日16：00，毕节东部、贵阳北部到黔东南州北部边缘一线为准东西向的相对冷区，2 m气温为23~25 ℃，其北侧、南侧气温分别为27~30 ℃和30~33 ℃，存在明显的温度梯度，尤其黔东南州北部地区更明显[图5（a）]。16：00露点温度（T_d）分布[图5（b）]显示，贵州总体呈“西干东湿”分布，露点温度超过20 ℃的区域集中在贵州东部和北部，而中部东西向相对冷区及其周围为T_d大值区，其值在22 ℃以上，具有良好的对流和降水发生的低层湿度条件。结合本地预报经验（无明显冷空气影响，地面风场的辐合区呈线状分布时称之为地面辐合线），地面风场上，降水前16：00贵州中部存在清晰的准东西向地面辐合线[图5（c）]。随着降水和对流范围、强度增大，温度梯度的变化使得地面辐合线形状发生改变，甚至断裂成更小尺度的辐合中心（图略），从而造成强降水分布不均。至20：00，地面辐合线向西南方向移到贵州毕节—修文—黎平一线，这一阶段较明显的降水主要发生在辐合线东段（黔东南州中北部）。结合20：00的3 h变压[图5（d）]发现，黔东南州中北部强降水区为3~4 hPa正变压中心，说明第一阶段（10日16：00—20：00）地面降水导致降温、升压。

第二阶段10日21：00至11日02：00（图略），随着南风加强，地面辐合线略有北抬至贵州金沙—开阳—锦屏一线，辐合线附近的变压、露点温度等要素的差异没有第一阶段明显，但风场和温度场上仍能清晰地反映辐合线的存在，强降水集中在辐合线沿线，雨区呈准东西向带状分布。11日02：00以后，贵州大部地区转为弱北风，降水过程趋于结束（图略）。

综上所述，此次暴雨过程与地面辐合线有直接关系，主要降水区沿地面辐合线呈准东西向带状分布，局地强降水造成的降温使得变压更明显。

由环流形势分析可知，此次强降水天气过程是在高空低涡切变背景下产生，低涡切变线与地面中尺度辐合线耦合是对流发展主要动力（杨秀庄等，2016）。下文利用ERA5再分析资料，从水汽、能量、触发条件等方面做进一步分析。

5月10日贵阳和怀化探空廓线显示，大气湿层主要集中在850 hPa以下低层，08：00贵阳和怀化比湿分别为14、10 g·kg^-1，20：00贵阳比湿略有减小，怀化比湿明显增大，分别为13、15 g·kg^-1，即随着地面辐合线南侧南风增强，靠近急流轴的贵州东部地区水汽含量明显增加。降水加强前10日17：00 [图6（a）]，贵州中部地面辐合线南侧形成与温度密集带相对应的湿度和能量锋区；18：00[图6（b）]，降水开始加强，暴雨中心附近比湿增至20 g·kg^-1，对流有效位能由2 800 J·kg^-1增至3 400 J·kg^-1，局地不稳定能量增加可能与低层辐合造成的湿度增加有关（Rozoff et al.，2003）。结合10—11日水汽通量及其散度分布可知，10日白天来自南海的水汽输送逐渐增强（图略），至18：00[图6（c）]，贵州东部水汽通量中心值达0.3 g∙hPa^-1∙cm^-1∙s^-1，贵州东部和北部处于水汽通量辐合区，降水加强前水汽辐合造成湿度增加、湿层增厚，高湿区伸展到600 hPa高度（图略），有利于强降水发生。23：00[图6（d）]，随着切变线南侧南风逐渐增强，急流建立，地面辐合线南侧维持较强的不稳定能量，且水汽辐合加强，中心值达-6.0×10^-7 g∙hPa^-1∙cm^-2∙s^-1，强辐合中心逐步向东扩展，造成第二阶段（10日21：00至11日02：00）自西向东发展的强降水带。从两个强降水阶段的水汽条件演变看出，强南风和低空急流的水汽和能量输送是对流性降水持续的重要原因，暴雨区与水汽辐合区及高比湿区高度重合。

本次暴雨过程地面无明显冷空气影响，降水主要沿地面辐合线附近发生，受垂直次级环流强迫影响，地面有弱冷锋。锋生是引发次级环流的一个重要因素。因此，引入锋生函数分析本次暴雨过程的可能触发机制。根据有关文献（Hoskins and Bretherton，1972；Kato，1989），锋生函数由非绝热加热项、水平辐散项、水平变形项和与垂直运动有关的倾斜项4部分组成，其中非绝热加热项难以准确计算，倾斜项在辐合线锋生区较弱且为锋消，讨论锋生主要考虑水平项（杨秀庄等，2016）。本文采用的锋生函数公式（Bluestein，1993）如下：

式中：F（K∙m^-1∙s^-1）为水平锋生函数，F>0表示为锋生作用，F<0表示为锋消作用；θ（K）为位温；D（s^-1）为新坐标下总变形项，形变分量分别表示为Dx=∂u∂x-∂v∂y、Dy=∂v∂x+∂u∂y；β（°）为等温线与旋转轴的夹角；δ（s^-1）为散度。

过程第一阶段降水加强前10日19：00[图7（a）]，在地面辐合线附近有明显的锋生效应，中心值达7×10^-10 K∙m^-1∙s^-1，与辐合线西段的对流云单体区相对应；21：00—23：00（图略），黔东南州中北部为另一个锋生中心区，其强度由1×10^-10 K∙m^-1∙s^-1增至6×10^-10 K∙m^-1∙s^-1，对流云团、回波单体也相应发展增强。受强降水导致的降温增压和夜间增强的偏南暖湿气流共同影响，11日02：00地面辐合线附近仍维持明显的锋生（图略）。由锋生函数的经向垂直分布[图7（b）]看出，10日19：00暴雨中心铜鼓附近锋生主要集中在850 hPa以下近地层，这与杜小玲（2013）和杨秀庄等（2016）的研究结论“在无冷锋影响的暴雨过程中地面辐合线及其附近的锋生作用是其重要触发机制”一致。

10日不同时刻地面风场、温度场显示，午后开始贵州中部受准东西向地面辐合线影响，19：00垂直方向上在暴雨中心铜鼓附近西侧有一支下沉气流，850 hPa以下等温线向低层伸展，其东侧为一支上升气流，可伸展到700 hPa高度附近[图7（c）]，虽然气流上升高度不高，但由于自由对流高度较低，这支上升气流足以为暴雨发生提供有利的触发和抬升条件；在南北方向上形成了闭合环流，下沉支位于26°N以北，上升支则位于其南侧（即暴雨中心附近）[图7（d）]。降水加强第二阶段，同样在暴雨中心附近形成东西[图7（e）]和南北[图7（f）]向的垂直环流，上升支可伸展到400 hPa以上，这可能与南风急流建立引起的急流轴左前侧辐合增强有关，由于上升运动伸展较高，对流活动更加强烈，雨强达到最强，且伴有冰雹发生。

本文利用多源观测资料和ERA5再分析资料，对2021年5月10日贵州北部和东部极端暴雨过程的中尺度演变特征及其成因进行诊断分析，发现地面中尺度辐合线及其锋生作用在此次过程中扮演重要角色。主要结论如下：

（1）此次暴雨是一次发生在低涡切变背景下沿地面辐合线发生发展的天气过程。强盛的南风气流为中尺度对流系统发生发展提供了充足的水汽与能量条件，并与地面辐合线及其锋生、局地降水造成的降温增压相结合，使得辐合抬升加强，造成贵州东部和北部暴雨天气。

（2）强降水主要发生在对流云团发展加强阶段，对流云团合并阶段降水最强，这对降水增强有指示作用，暴雨区主要位于TBB低值中心西侧或南侧梯度大值区域。辐合线锋生引发的对流单体在其西侧频繁新生，并沿地面辐合线东移发展，在强锋生区对流最旺盛，造成准东西向带状暴雨区。在降水最强的两个阶段，雷达回波暖云和悬垂结构特征明显。

（3）强盛的水汽输送及辐合使得强降水区上空比湿增加、湿层增厚且伴有不稳定能量维持或增强，辐合线锋生引起暴雨区南北及东西向次级环流加强，上升气流的发展有助于不稳定能量释放，进而使中尺度对流系统维持和加强，导致降水增强。

需要指出的是，对于此类地面无冷锋影响的初夏辐合线锋生暴雨预报，在把握大尺度环流背景及主要影响系统前提下，应重点关注地面中尺度辐合线及其附近要素场变化，而南风强度变化及其带来的水汽和能量演变也至关重要。目前地面加密自动站提供了高时空精度信息，但由于高空观测资料时空精度的限制，加之贵州特殊的地理位置和复杂的地形地貌，不易判断垂直方向的环流和要素演变情况，从而难以把握强天气的发生发展细节和精确落区，还有待进行更细致深入的研究。