引言

山洪地质灾害是山洪暴发给人类社会系统所带来的危害，包括溪河洪水泛滥、泥石流、山体滑坡等造成的人员伤亡、财产损失、基础设施毁坏以及环境资源破坏等。山洪地质灾害与其他自然灾害一样，致灾因素具有自然和经济社会的双重属性，表现为它的形成与发展主要受降雨、地形地质及人类经济社会活动的影响。通常暴雨引发山洪，山洪诱发山体崩塌、泥石流等地质灾害，因此，暴雨等诱发山洪地质灾害的气象条件分析是灾害预报预警的前提(薛建军等，2005)。目前，国内外有许多学者对山洪地质灾害形成的气象条件进行了分析，取得了一些卓有成效的成果。解明恩等(2005)对云南泥石流灾害与气象环境的关系进行了分析，得出了云南滑坡泥石流发生的区域临界雨量指标，提出了滑坡泥石流灾害的气象监测预警方法，余峙丹等(2010)和王锡稳等(2004)分别对发生在云南和甘肃的特大泥石流灾害个例的气象条件进行了分析，获得了灾害的气象成因，以上研究成果在山洪地质灾害风险评估中发挥了重要作用。由于山洪地质灾害具有区域性和复杂性，仅有这些研究还是远远不够的，有必要对不同区域山洪地质灾害形成的气象条件进行更广泛深入研究。广西位于云贵高原东南边缘，属云贵高原向东南沿海丘陵过渡地带，地处两广丘陵西部，南临北部湾海面。整体地势自西北向东南倾斜，山岭连绵、岭谷相间、山体庞大，四周高山环绕，周高中低，呈盆地状。具有山地多、平原少、岩溶广布的地貌特征(广西丘陵山区农业气候资源及其合理利用课题组，1997；莫大同，1994)。广西又受亚热带季风气候影响，位于我国三大强降雨区之一的华南暴雨区，每年4—6月华南前汛期暴雨多发、雨势猛(陶诗言，1980；诸葛秀华等，1981；李真光等，1981；周秀骥等，2003；王德英，2008；吴兴国，2000)，在广西特殊地形地貌下极易产生山洪地质灾害。本文利用常规观测、卫星云图、雷达探测以及自动站雨量等资料，通过气象学原理结合对比分析的方法，对本世纪发生在桂西北山区两次最严重山洪地质灾害气象条件进行对比分析(梁生俊等，2012；杨晓霞等，2012)，揭示天气尺度及中小尺度特征，找出此类天气的预报着眼点, 建立预报思路和方法，从而对山洪地质灾害作出提前预报预警。

1 天气及灾害概况

2010年6月27日20时至28日20时(北京时，简称“6.28”)，广西西北部百色、河池两市交界的桂西北地区出现了一场特大暴雨天气过程(图 1a)，据27日20时至28日20时区域自动气象观测站雨量统计，凌云县周边大部区域自动气象站雨量≥100 mm，3站雨量≥250 mm，强降雨中心位于凌云县东部的东合乡(图 1c)，雨量为367.8 mm，是该区域有气象记录以来最大的24 h雨量，雨带及灾害呈东西向，降雨为单峰型。28日01—08时为集中降雨时段，东合乡8 h雨量达363.2 mm，01—07时连续7 h雨团值＞30 mm·h^-1，02和05时强降雨高峰雨团值＞70 mm·h^-1(图略)。过程最大雨团值出现在06时凌云南部的百色市龙川镇，为107.1 mm·h^-1，监测到了该区域的历史最大雨团值，最大过程雨量与最大雨团出现在不同位置，灾害出现在最大过程雨量处的东合乡(图 1c)。灾害区的北面为贵州高原余脉，东面为都阳山脉，西面为凌云东面的小山脉，灾害区位于凌云东面小山脉的下坡区，为漏斗型地形，该区域的地质结构为喀斯特岩溶地貌区，诱发了山体滑坡和坍塌地质灾害。期间，地震部门还监测到该区域发生了一千三百多次有感小地震群，影响近两个月。据地震专家介绍，此次震群是暴雨诱发的构造地震，震级小，次数多，在广西历次地震中比较罕见。

2012年5月20日20时至22日20时(北京时，简称“5.22”)，也是在广西西北部百色、河池两市交界桂西北地区出现了一场特大暴雨天气过程(图 1b)，据20日20时至22日20时区域自动气象观测站雨量统计，凌云县及毗连区大部区域自动气象站雨量≥100 mm，6站雨量≥250 mm，凌云县南部伶站乡和北部玉洪乡(图 1c)先后出现两个强降雨中心，过程雨量分别为352.7和359.3 mm，雨带及灾害呈南北向，降雨为双峰型。20—21日出现了以凌云县南部伶站乡为中心的第一轮强降雨，伶站乡24 h雨量达227.9 mm，21日03—06时为集中降雨时段，05时出现最大雨团值83.3 mm·h^-1，灾害主要发生在伶站乡以南区域(图 1c)，灾害区西北面为岑王老山，北面为凌云东面的小山脉，东西两侧为小高地，南面为较为低矮的平坦地带，为向南开口的马蹄型地形，其间澄碧河由北向南流向右江，灾害区位于河流地区，由于降雨强，河水爆满，诱发了洪水泛滥，农作物严重受损。21—22日出现了以凌云县北部玉洪乡为中心的第二轮强降雨，玉洪乡24 h雨量达302.6 mm，22日03—06时为集中降雨时段，05时出现最大雨团值100.7 mm·h^-1，灾害主要发生在玉洪乡附近(图 1c)，灾害区北面为贵州高原余脉，西面为岑王老山，东面为凌云东面的小山脉，灾害区位于岑王老山下坡处南北向的狭窄区域，该区域无明显河流经过且为土质地质结构，诱发了山洪地质灾害，造成了重大人员伤亡。

两次强降雨过程均发生在凌云县及毗连区东巴凤(东兰、巴马、凤山)一带，也就是通常所说的桂西北暴雨区，降雨既为暴雨以上降雨又具有短历时强降雨并伴有雷电等强对流特征，过程最大雨量＞350 mm，过程最大雨团值和致灾区最大雨团值分别＞100 mm·h^-1和＞70 mm·h^-1且出现在凌晨05— 06时，集中降雨时段为凌晨02—06时。灾害开始于后半夜，发生在过程雨量最大和地质条件脆弱区，不同的地质状况对应了不同的灾害类型。灾害性天气总体具有区域小、降雨时段集中、过程雨量及雨团值大、短历时降雨强及引发的次生灾害重等特点。从雨强和灾害影响持续时间可以看出，“6.28”暴雨灾害更强，“5.22”灾害发生在凌云县从南到北的乡镇(伶站到玉洪)，暴雨灾害范围更大(图 1c)。

2 环流形势演变特征和主要影响系统 2.1 环流形势演变特征

两次过程强降雨发生期间，500 hPa(图略)欧亚中高纬度环流形势呈两脊一槽型，乌拉尔山以东的西伯利亚西部和亚洲东岸的中高纬度地区为高压脊，贝加尔湖地区为低槽，乌拉尔山以东的高压脊前不断有冷空气自北冰洋南下，使贝加尔湖出现切断低压，低压发生替换，在替换过程中，原来的长波槽蜕变为短波槽，引导冷空气南下，与此同时，孟加拉湾上空有南支槽把大量暖湿空气输送到华南地区，与北方冷空气相交绥，为暴雨产生提供了有利的环流条件，这是广西西风带暴雨500 hPa典型环流特征。200 hPa(图略)南亚高压中心位于孟加拉湾至西南地区，脊线向东南扩展，贯穿广西上空，高空急流核位于30°N以北河套地区，广东附近出现气流分流区，广西处于分流区右侧东北气流中，形成了暴雨区上空有利的辐散条件。暴雨灾害发生前2010年5月21—25日和2012年5月16—20日西南季风已经爆发，暴雨灾害发生期间850 hPa(图略)从索马里开始的越赤道气流加强，西南季风趋于活跃，从印度洋至中南半岛至南海一带有活跃的季风槽云系，持续活跃的西南季风给暴雨区带来能量和水汽的聚集。

2.2 主要影响系统

“6.28”与“5.22”第一轮强降雨发生前，500和700 hPa强降雨区或以西有短波槽活动，槽附近的高度降低、气温升高，高度值分别降至584和308 dagpm，850 hPa蒙自、百色、河池、贵阳、宜宾高度降低、气温升高，在高原东南侧分析出上述站点围成的半包围低涡环流，低涡中心高度值下降至142 dagpm，850~500 hPa强降雨区附近或以西暖性低值系统发展旺盛。强降雨发生期间，“6.28”在滇黔桂交界区附近500 hPa(图 2a)和700 hPa(图 2b)槽加深为低涡，从850 hPa(图 2c)到500 hPa形成三层低涡形势，这是低涡暴雨的典型配置。“5.22”500 hPa(图 3a)和700 hPa(图 3b)槽只加深，但没有演变为低涡，形成了850 hPa(图 3c)低涡、700和500 hPa槽形势，这也是低涡暴雨类型之一。从700 hPa到500 hPa系统均为弱前倾形势，700和500 hPa槽或低涡附近气温降低，干冷空气侵入明显，上冷下暖的不稳定层结加强。强降雨区附近中低层温度露点差迅速减小，500~850 hPa出现了深厚湿层。“5.22”第二轮强降雨形势前后变化与第一轮类似，不同的是第二轮850 hPa的低涡位置偏东且有冷式切变南移影响暴雨区。此外，两次过程强降雨区东侧和南侧中低空偏南风加大，“6.28”强降雨区东侧河池站700和800 hPa偏南风分别增大为13和18 m·s^-1，出现了历史风速极大值和低空急流核, “5.22”强降雨区东南侧20日20时开始偏南风增大为6~10 m·s^-1，22日08时增大为偏南风急流。从以上分析可以看出，两次过程三轮强降雨均为低涡暴雨的演变形势，“6.28”的低涡更为典型且出现了急流核，使得暴雨灾害更为严重。

“6.28”与“5.22”第一轮强降雨的地面形势演变相似，暴雨发生前的14时地面图上(图 2d和图 3d), 出海高压位于东海或黄海以东洋面上，华南地区大部处于变性出海高压后部，等压线呈准南北向，存在东西向气压梯度，吹南风到东南风。“6.28”广西以阴雨天气为主，冷湿气流的特征明显，“5.22”以多云天气为主，高温、高湿特征明显。值得注意的是，云南东部到越南北部有西南暖低压发展，为干暖气流，在滇黔桂交界区干湿空气对峙，分析出干线(或露点锋区)，为暴雨形成提供了有利的触发机制。“5.22”第二轮强降雨，地面有冷空气入侵，冷锋南移影响广西，等压线转为东北—西南向，与850 hPa冷切变对应，地面为锋面降雨形势。

3 物理量场诊断分析 3.1 不稳定条件分析

从假相当位温(θ_se)的分析可以看出，两次暴雨过程前，850 hPa以下有明显高值舌区从南海或中南半岛向桂西延伸，925~1000 hPa高值中心θ_se≥90℃，桂西北850 hPa θ_se≥82℃，低层大气处于高温、高湿状态；从850~500 hPa桂西北θ_se迅速减小，平均(500 hPa-850 hPa)θ_se≤-10℃。K指数和Si指数从南海或中南半岛向桂西延伸分别为高值舌区和低值舌区，桂西北K指数和Si指数值分别≥40℃、≤-2.0℃，从以上判据可以看出，大气处于条件性不稳定状态。

分析暴雨区附近的探空站层结可以看出(表 1)，暴雨前，百色站T-logp图从925 hPa到100 hPa均为CAPE正值区(图略)，值迅速增加，“6.28”增加至3162.8 J·kg^-1，“5.22”两轮降雨前分别增至1859.1和2264.2 J·kg^-1，不稳定能量得到聚集；0℃层高度在5300 m附近，抬升凝结高度在850~925 hPa(“6.28”更低)，850~500 hPa温差均为24℃，地面露点＞22℃，0~6 km风矢量差＜7 m·s^-1，低空风速增大为＞7 m·s^-1，可降水量PW＞50 kg·m^-2 (“6.28”更大)。暴雨结束期，“6.28”T-logp图CAPE正值区迅速减小，其值迅速下降至1030.2 J·kg^-1，“5.22”第一轮降雨结束期CAPE正值区继续增大，其值增大致2924.0 J·kg^-1，第二轮降雨结束期CAPE正值区迅速减小，其值迅速下降至740.6 J·kg^-1，可见过程结束时湿对流有效位能才得到有效释放，同时其他有利于强降雨发生的层结特征也受到了破坏。此外，暴雨前风矢量图从1000 hPa到250 hPa热成风顺转，250 hPa以下均为暖平流，有利于暖湿气流的堆积，暴雨结束风矢量图500hPa以上热成风逆转，有冷平流入侵，上冷下暖对流不稳定层结十分明显(李云静等，2013；景丽等，2002)。

3.2 动力条件分析

涡度场上，强降雨区正涡度值在700 hPa以下，强降雨区西侧有正涡度中心，对应了低涡或槽的大致位置，“6.28”和“5.22”最大中心值分别在700和850 hPa，400 hPa以上为负涡度值，最小中心值在150 hPa，从涡度值上看，“6.28”低层正涡度值更大，即气旋更强，“5.22”高层负涡度值更大，即反气旋更强，气旋性弯曲主要存在于850~700 hPa，强降雨发生在正涡度中心的东侧(即右侧)，中低层正涡度和高层负涡度的耦合加强，反映了中低层气旋性和高层反气旋性天气系统的加强, 有利于暴雨天气系统的维持。散度场上，强降雨区负散度值也在700 hPa以下，滇黔桂交界偏北位置925~850 hPa存在负散度中心，对应了切变线及低空急流出口的位置，最小中心值在850 hPa，“6.28”比“5.22”值要小得多，即“6.28”低层辐合更强，500 hPa以上为正散度值，辐合主要存在于边界层到850 hPa低层大气中，强降雨发生在辐合中心的东南。一方面低空辐合高空辐散耦合作用形成了强烈上升运动, 低层辐合必然引起上升运动, 而高层辐散又易引起低层辐合, 并使低层辐合得以维持, 高层辐散越强，低层辐合越强，从而使对流强烈发展。另一方面水汽的汇合主要也是靠低空流场的辐合，负散度和雨强成正相关。垂直速度场上，强降雨区925~150 hPa整层大气均为负速度，垂直剖面图上此处负速度层最厚(图 4)，在与负散度中心基本相同的位置850~400 hPa存在负速度中心，最小中心值在700 hPa，相应在青藏高原东南缘至中南半岛北部、广东大部、贵州中北部出现了三个正速度区，其中青藏高原东南缘为强整层正速度区，500~300 hPa有正速度中心，从而形成了以暴雨区附近为中心的上升区，青藏高原东南缘、广东大部、贵州中北部周边下沉区，为暴雨发生提供了有利的垂直环流机制，强降雨也发生在负速度中心的东南；暴雨结束时，正负速度区绝对值迅速减小(马学款等，2012；郑仙照等，2006)。

从以上分析可以看出，主要强辐合区在850 hPa，主要强上升区在700 hPa，气旋性涡旋最大在850~700 hPa，暴雨发生在负散度中心及负垂直速度中心的东南、正涡度中心的东侧(右侧)。

3.3 水汽条件分析

从水汽通量场可以看出，强降雨临近，南海北部和孟加拉湾上空开始出现水汽通量大值中心；强降雨期间，由于低层偏南风加大，850 hPa以下南海北部水汽通量中心值加大，南海北部至广西中西部出现了明显的水汽通量脊，从南海出现了强水汽输送带，由于高空槽东移及槽前西南风加大，700~500 hPa孟加拉湾至云南东部也出现了水汽通量脊，从孟加拉湾出现了水汽输送带，但850 hPa以下水汽通量值明显大于700 hPa以上，700 hPa以上水汽通量值迅速减小，强降雨区850~925 hPa水汽通量值＞10×10^-7 g·s^-1·hPa^-1·cm^-1，可见水汽输送主要来源于南海的低层大气。从比湿看，700 hPa以下较大，500 hPa以上迅速减小，强降雨区700 hPa以下比湿＞10 g·kg^-1，“6.28” 850~1000 hPa有以桂西北为中心的大比湿区，暴雨区1000、925和850 hPa比湿分别＞20 g·kg^-1、＞19 g·kg^-1、＞17 g·kg^-1，强降雨处于中心区，“5.22” 850~1000 hPa有以中越交界为中心的大比湿区，暴雨区比湿均＞15 g·kg^-1，强降雨处于中心区东北，可见暴雨区存在较深厚大比湿层，大气中水汽含量十分充足，“6.28”水汽含量更为充足，降雨效率更高。从水汽通量散度看，强降雨区负水汽通量散度在850 hPa以下，滇黔桂交界位置850~925 hPa存在负中心，“6.28”最小中心值在850 hPa，为-45.1×10^-7 g·s^-1·hPa^-1·cm^-2，“5.22”最小中心值在925 hPa，为-60.5×10^-7 g·s^-1·hPa^-1·cm^-2，可见强降雨区附近有强烈水汽辐合且主要存在于850 hPa以下低层大气中，强降雨发生在水汽辐合中心的东南(张端禹等，2010；罗建英等，2009；张俊岚等，2009)。

4 中尺度分析

通过卫星云图、雷达探测、自动站雨量等资料分析(陈翔等，2011；李向红等，2010；冯晋勤等，2010)发现，两次过程三轮强降雨的中尺度演变特征是基本一致的，但也有不同之处，现对“6.28”与“5.22”的2012年5月21—22日过程进行如下详细分析。

随着西南季风的加强北抬及高空槽的波动东移，暴雨前午后，FY-2E红外云图上云南东南部、中越交界有对流云团生成(图 5a和5b)。百色雷达速度图上桂西北中低层偏南风加大，在与云团相对应的位置，雷达探测到对流单体回波(图 7a和7b)。此后，云南东南部对流云团发展东移，中越交界对流云团发展北抬，向雷达站聚集，贵州西北部开始有对流云团生成。雷达速度图除了中低层维持偏南气流，西面、南面不断有小辐合区生消，与云团活动相对应，雷达探测到不断有对流回波生消东移和北抬。此时出现雨团值＜3 mm·h^-1降雨天气。

傍晚后，贵州西北部云团有组织的发展起来(图 5c和5d)；“6.28”在桂西北一带有新的对流云团生成，新生成的对流云团与云南东南部东移对流云团、中越交界北抬对流云团在桂西北发展为合并云团(图 5c)；“5.22”除了中越交界有对流云团北抬外，云南东南部对流云团减弱(图 5d)。“6.28”雷达站至强降雨区出现了东北气流与东南气流的辐合(图 6a)，有东北至西南向的线性对流回波产生(图 7c)，观测到雨团值为10~20 mm·h^-1；“5.22”雷达站附近以东南气流为主(图 6b)，雷达站东部有弱对流回波产生(图 7d)，观测到雨团值为5 mm·h^-1左右。

午夜后，贵州西北部云团迅速发展壮大、东南移，于02时左右发展为贵州西南部MCC云团(图 5e和5f)；“6.28”桂西北合并云团发展为MCC云团，两MCC云团边缘开始重叠，强降雨位于桂西北MCC云团中(图 5e)；“5.22”中越交界对流云团发展北抬，在桂西北形成带状云团，连接至贵州西南部MCC云团边缘，强降雨位于带状云团中(图 5f)。强降雨区上空为大片正速度区中存在负速度，为强烈对流辐合区(图 6c和6d)，产生了最强回波＞55 dBz的强回波区(图 7e和7f)，“6.28”发展为整体绕雷达站的涡旋状回波和由南向北移的单体回波(图 7e)，由于广西西北(图 1c)位于云贵高原东南缘，整个地势西高东低，自西北向东南倾斜，西风槽东移下坡加深，强降雨区位于东北至西南向岑王老山山脉的南缘，低层偏南气流由于迎风坡作用在此抬升加强，有利于对流在此发展，由南向北移动的回波经过强降雨区明显加强，产生了列车效应；“5.22”发展为东北—西南向的强线性回波(图 7f)，在特殊地形下加强、停滞。此时的中尺度雨团值达30~70 mm·h^-1。同时在雷达站的西北面有负速度区(图 6c和6d)和弱回波区(图 7e和7f)东或东南移切入，预示了贵州西南部冷空气的入侵，为后期强对流进一步发展提供了有利条件。

凌晨，“6.28”贵州MCC云团东南移中心减弱，并入桂西北MCC云团，形成范围更大、强度更强的云团，强降雨位于MCC云团中(图 5g)；“5.22”贵州MCC云团东南移，在桂西北与带状云系合并进一步加强，强降雨位于MCC云团东南侧(图 5h)；05时左右MCC发展为最强云团。雷达速度图穿过雷达站零速度带呈“S”型，表明暖平流输送明显，负速度东南移切入，在桂西北与正速度的相互作用，激发出了中尺度气旋，中尺度气旋的附近还激发出了小对流辐合区(图 6e和6f)，辐合区附近出现了回波强度＞60 dBz的最强对流回波(图 7g和7h)，此时出现了＞100 mm·h^-1中尺度最强雨团，降雨强度达到最强。此外，“6.28”雷达站东北和西南分别出现大正、负速度极值中心(即牛眼)，存在西南低空急流，表明正、负速度极值中心(即牛眼)，存在西南低空急流，表明水汽及能量的输送更强(图 6e)，也是“6.28”降水强于“5.22”的原因之一；“6.28”由于强降雨区位于强中尺度气旋西南侧、小辐合区附近，造成了更强回波由北向南移过强降雨区，形成了列车效应，“5.22”虽然也处于中尺度气旋西南侧，由于气旋较弱，强回波停滞。

分析还可以发现，“5.22”的2012年5月20—21日过程中尺度演变特征与“6.28”极为相似，区别在于“5.22“桂西北云团虽然发展壮大，但没有达到MCC标准，贵州西北部只有零散云团东南移并入桂西北云团，也是其降雨更小的主要原因。

此外，雷达强回波反射率因子垂直剖面图上(图 8a和8b)，＞50 dBz的强回波从地面至6 km(由于高山阻挡，”5.22“强回波及速度剖面的近地面看不见)，回波结构密实、质心低，降雨效率高，造成强降雨；回波顶整齐，无有界弱回波区，与雷雨大风、冰雹的强对流回波差异明显。速度剖面图上(图 8c和8d)，强回波低层有中尺度辐合，高层为辐散，造成强烈上升，有利于对流的发展和维持。从TBB资料分析可以看出，午后发展的对流云团附近出现TBB＜240 K小值区，合并后的暖性对流云团发展为TBB＜220 K的小值区，较强降雨此时开始。随着西北面冷性对流云团的发展并入，强降雨区为TBB＜200 K的小值区，到降雨最强盛05—06时，强降雨区为TBB＜180 K的小值区，此时最强雨团值>100.0 mm·h^-1，暴雨结束，TBB值增大。因此小于200 K可以作为短历时强降雨的指标(用TBB值反推)。

5 小结

(1) 强降雨发生在桂西北暴雨区，过程最大雨量＞350 mm，过程最大中尺度雨团值和致灾区最大中尺度雨团值分别＞100 mm·h^-1和＞70 mm·h^-1，集中降雨时段为02—06时。灾害开始于后半夜，发生在最大雨量和地质条件脆弱区，不同的地质状况对应了不同的灾害，灾害性天气具有区域小、降雨时段集中、雨量大、强度强及引发灾害重等特征。

(2) 暴雨发生在500 hPa欧亚呈两脊一槽型、200 hPa南亚高压脊线贯穿广西上空及季风云系活跃的背景下。高空为低涡或槽、地面为干线或锋面配置，属于低涡暴雨天气概念模型。

(3) 高空要素变化为雨前降压升温、后降温。不稳定能量及层结、低层辐合、中低层涡旋、暴雨区整层大气的上升运动、高温高湿及水汽强烈辐合是主要物理量特征。

(4) 云图上对流云团生成、合并对强降雨有指示意义，暴雨发生在云团合并发展阶段；TBB值＜200 K可以作为强降雨的指标。低质心强雷达回波产生的列车效应或回波停滞和地形作用是造成强降雨的重要因素，低层辐合、高层辐散导致了强烈的上升运动，有利于强对流的发展与维持。