2012年3月4—5日湖南永州市暴雨成因分析

劉 沈，潘 陽，歐晉輝，高永娜

(1.湖南省永州市氣象臺，湖南 永州 425000;2.湖南省株洲市氣象局，湖南 株洲 412000)

1 引言

暴雨是湖南最主要的災害性天氣，特別是持續(xù)性暴雨所造成的災害更為嚴重。冬末春初，北方冷空氣開始減弱，但仍有一定強度且活動頻繁，南方的暖濕空氣開始活躍，冷暖空氣交匯形成鋒面，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，常產生較強的暴雨天氣。研究表明，相對穩(wěn)定的大尺度環(huán)流形勢、充足的水汽、對流不穩(wěn)定能量的釋放和再生是持續(xù)性暴雨產生的必要條件［1］。暴雨危害大，是氣象科研部門研究及各級氣象臺站預報的重點。近年來氣象科研人員在暴雨成因方面作了大量的研究工作，在大尺度環(huán)流背景與中小尺度系統(tǒng)的相互作用、高低空急流、低渦、位渦與對流渦度矢量、螺旋度、不穩(wěn)定等方面的研究上取得重要成果［2］。自動氣象站及新一代多普勒天氣雷達觀測資料的研究應用和數值天氣預報的發(fā)展，為氣象預報員提供了越來越多的基礎數據和預報產品，使預報準確率得到了明顯提高［3－6］。但暴雨具有較強的局地性、突發(fā)性、復雜性，預報難度較大，當前的預報準確率仍難以滿足社會需求。總結與研究疑難暴雨個例，診斷分析暴雨成因，有利于提高暴雨預報準確率。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、高空探測資料以及NCEP再分析資料，對2012年3月4—5日發(fā)生在永州市的暴雨過程進行了分析，揭示了暴雨過程的形成機理，希望能夠對永州暴雨中短期的預報有所幫助。

2 天氣實況

2012年3月4日08時—5日08時，永州市11縣區(qū)國家氣象觀測站累積雨量有8站超過50 mm，達到暴雨量級，其中江永站為最大，其24 h雨量達到102.3 mm。根據永州市區(qū)域自動站網的雨量統(tǒng)計，4日08時—5日08時全市暴雨站點120個，其中大暴雨4個，最大降水量在江永縣的朝陽電站，過程雨量為112.0 mm。此次暴雨過程是永州市2012年入汛以來的首次暴雨天氣，過程的顯著特點是持續(xù)時間較長，累積降水量大。南部降水強于北部，且小時雨量在時間分布上呈不均勻的特點，具有對流單體降水特征，江永站4日23—24時雨強為21.1 mm/h。

3 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

從3月1－5日500 hPa 5 d平均高度場(圖1)可以看出，歐亞中高緯維持兩槽一脊，南北向的高壓脊位于烏拉爾山地區(qū)，西伯利亞到貝加爾湖一帶維持寬廣的低壓橫槽，巴爾喀什湖附近有較強冷空氣堆積，中緯度氣流以西南氣流為主。巴爾喀什湖附近不斷有短波槽分裂并東移，與高原槽疊加，加強了南支系統(tǒng)的發(fā)展，逐步建立了來自孟加拉灣—印度洋水汽輸送帶。孟加拉灣附近維持的西南氣流為降水提供了充足的水汽來源。

自3月1日開始，中低層切變線就在湖南省南北擺動，前期低層西南風較小，沒有建立西南急流。由圖2看出，從3日20時開始，中低層西南急流開始建立，最大風速在26 m/s以上，急流位置在南嶺一帶。200 hPa高空急流軸位于湖南省北部—湖北一帶，出口右側為負渦度平流區(qū)，呈反氣旋性環(huán)流，大氣在此層為輻散場，500 hPa槽前最大西南風速帶的右側也為輻散場，而中低層切變線附近以及最大西南風風速帶左側為較強的輻合場，這種高空輻散、低空輻合的環(huán)流特征為此次暴雨過程提供了較強的動力抬升條件。500 hPa、700 hPa以及850 hPa西南氣流將孟加拉灣—印度洋充沛的水汽源源不斷地向北輸送。另外，主體位于蒙古一帶的冷空氣不斷小股南下，影響長江流域一帶，小股南下冷空氣也迫使暖空氣抬升，加強了鋒線附近的上升運動。因此，此次強降水是由500 hPa西風槽、中低層切變線以及地面弱冷空氣合理配置而造成的。高低空急流的輻合輻散作用為強降水提供了充足的水汽和動力條件。

4 物理場分析

產生暴雨的主要物理條件是充足的源源不斷的水汽、大氣層結的不穩(wěn)定、強盛而持久的氣流上升運動。對本次暴雨過程發(fā)生時的物理條件進行分析，反映強降水落區(qū)及強度分布特點。

4.1 相對濕度

由圖3看出，濕度大值區(qū)主要集中在850 hPa及以下，整個過程相對濕度均在85%以上，其中4日08時，濕度大值區(qū)迅速向上伸展，高度達到300 hPa左右，且在400 hPa左右出現(xiàn)了次大值區(qū)(84%左右)。隨著整層濕度的加大，永州市自北向南開始出現(xiàn)強降水。截止到5日08時，整層濕度明顯減小，只在低層存在高濕區(qū)，永州市強降水也趨于結束。

圖3 沿111.6°E、25.5°N的相對濕度剖面

此外，3日08時左右，對流層中高層有明顯的干冷空氣平流侵入，且逐漸向低層擴展，一直持續(xù)到4日08時。研究認為，干冷空氣侵入是源于對流層高層下沉至低層的高位渦低濕空氣，它在氣旋的爆發(fā)性發(fā)展、暴雨的增幅、位勢不穩(wěn)定的增強、中氣旋的產生發(fā)展等方面起著重要的促進作用［7－9］。干層的存在有利于對流不穩(wěn)定能量在低層的積聚，對流不穩(wěn)定能量的釋放可以將低層的暖濕氣流向上輸送至較高的層次，有利于降水的發(fā)生。

由圖4看出，強降水時段(4日08時—5日08時)500 hPa比濕值在1.8～2.8 g/kg，700 hPa比濕值在6.0～6.4 g/kg，低層850 hPa比濕值在7.2～8.6 g/kg，比濕值從上自下逐漸遞增，與相對濕度的時空分布相對應。

圖4 沿111.6°E、25.5°N的比濕剖面(單位:k/kg)

4.2 水汽通量及水汽通量散度

從3月1日開始，湖南省一直處于水汽通量的大值區(qū)。4日08時，850 hPa水汽通量場(圖5)大值區(qū)范圍明顯擴大，數值也明顯增加，中心強度達到0.014 kg/(hPa·cm·s)，且中心位置由湘北移至湘南—兩廣一帶。大值中心分為2個，分別位于兩廣沿海交界和我國東海洋面，大體呈西南以及偏東方位分布。根據其分布認為，此次過程，水汽來源主要是來自孟加拉灣沿高原東部東北上的西南氣流，東海水汽輸送較弱，南海附近存在一個低值區(qū)，對水汽輸送基本無貢獻。

圖5 4日08時850 hPa水汽通量

由圖6看出，從3日20時開始，低層水汽輻合場高度逐漸增加，且強度也呈增長趨勢。4日08時，低層925 hPa出現(xiàn)輻合大值區(qū)，中心值－17×10－7g/(hPa·cm2·s)，延伸高度在 550 hPa左右，其上存在較弱輻散區(qū)。4日20時，輻合值雖有減小，但延伸高度達到450 hPa左右，且高層出現(xiàn)輻散中心。暴雨區(qū)強降水階段就集中在4日20時—5日08時。5日08時之后，低層輻合，高層輻散的形勢雖然存在，但輻合場高度明顯降低，輻散場向下擴展，預示降水趨于結束。

圖6 沿111.6°E、25.5°N的水汽通量散度剖面

4.3 散度及渦度分析

分析3月2日以來暴雨中心(25.5°N、111.6°E)的散度場(圖7)與渦度場(圖8)時空分布?？梢钥闯觯乐輳娊邓捌?3日20時左右)，低層雖然存在負散度，但高度在800 hPa以下，700 hPa左右存在弱正散度中心。4日08時—5日08時，高層輻散對應的正散度與低層輻合對應的負散度都強烈發(fā)展。低層負散度延伸高度在400 hPa左右，中心值在 －18～ －12×10－5s－1之間。高層正散度中心位置在250 hPa左右，中心值達 32 ×10－5s－1，且降水過程期間一直維持。高層正散度對應的輻散強于低層負散度對應的輻合，使得高層的抽吸作用更有利于低層輻合的發(fā)展維持。

從渦度場的時空分布來看，4日20時前，低層正渦度層較淺薄，延伸高度在800 hPa左右，中心強度在9～12×10－5s－1。高層負渦度較深厚，700 hPa以上基本為負渦度層。4日20時后，低層正渦度開始強烈發(fā)展，截止到5日08時，500 hPa正渦度值達到30×10－5s－1，且高層300 hPa存在次大值中心，強度在24×10－5s－1。本次過程中低層正渦度與高層負渦度的較好配合時段在4日20時—5日08時，與暴雨區(qū)的強降水集中時段相對應，尤其在5日凌晨，暴雨區(qū)的江永站附近有短時強降水產生。

4.4 假相當位溫

θse場能表征大氣能量特點。從θse時空剖面(圖9)可以看出，低層850 hPa及以下等θse線密集，呈水平分布。4日08時前后700～500 hPa有高能舌向下伸展，說明中高層暖濕氣流加強，預示將有強降水產生。4日20時—5日08時期間，700～500 hPa層出現(xiàn)高能值中心，表明本層結內存在θse隨高度減少的不穩(wěn)定趨勢，與強降水發(fā)生時段對應。

圖9 沿111.6°E、25.5°N 的 θse剖面(單位:℃)

5 小結

①本次過程是由500 hPa西風槽、中低層切變線以及地面弱冷空氣合理配置而造成的。高低空急流的輻合輻散作用為強降水提供了充足的水汽和動力條件。

②高濕區(qū)中高層干冷空氣平流的侵入有利于對流不穩(wěn)定能量的積聚，是觸發(fā)本次強降水的重要條件之一。

③來自孟加拉灣的水汽在永州市附近輻合，高層水汽通量輻散加強了低層的水汽輻合。

④強降水期間暴雨區(qū)上空高層正散度(負渦度)與低層負散度(正渦度)的垂直分布，非常有利于低層輻合和垂直運動的發(fā)展。高層負渦度輻散與低層正渦度輻合相配合的動力結構，是觸發(fā)此次暴雨的動力機制。

⑤永州市附近維持假相當位溫大值區(qū)，聚集了大量的不穩(wěn)定熱力能量。

⑥本次預報中的難點有強降水維持時間長，局地性強，定點和定量難以把握;強降水的地域分布不均勻，給暴雨精細化預報帶來了困難。

［1］陶詩言.中國之暴雨［M］.北京:科學出版社，1980:25－50.

［2］孫淑清，周玉淑.近年來我國暴雨中尺度動力分析研究進展［J］.大氣科學，2007，31(6):1171 －1188.

［3］王鵬云，李澤椿.災害天氣和中尺度氣象學研究［J］.氣象科技，2001，29(1):10 －14.

［4］王玨，張家國，萬玉發(fā).多尺度合成的降水臨近預報技術［J］. 氣象科技，2008，36(5):524－528.

［5］張家國，王玨，王葉紅.用中尺度數值模式診斷強風暴潛勢研究［J］.氣象科技，2008，36(2):130 －134.

［6］李霖，黃永玉，江彩英.福建北部持續(xù)性暴雨個例分析［J］. 氣象科技，2008，36(5):197－201.

［7］于玉斌，姚秀萍.干侵入的研究及其應用進展［J］.氣象學報，2003，61(6):669 －778.

［8］劉會榮，李崇銀.干侵入對濟南“7.18”暴雨的作用［J］.大氣科學，2010，34(2):374－386.

［9］張學賢，張玉民，王德育.干侵入在皖北暴雨天氣過程中的特征分析［J］.安徽農業(yè)科學，2011，39(14):8435－8438.