2012年9月澧水上游罕見秋汛致洪暴雨特征分析

黃駿等

摘要

利用水文、氣象資料和NCEP格點(diǎn)資料，對2012年9月澧水上游罕見秋汛致洪暴雨過程特征作分析的同時，并展開了對澧水上游致洪暴雨特征規(guī)律的分析。結(jié)果表明，澧水上游發(fā)生致洪暴雨的面雨量臨界值為121.4 mm；此次致洪暴雨過程的500 hPa環(huán)流形勢為典型的“兩槽一脊”型分布，中尺度影響系統(tǒng)為深厚的西南渦系統(tǒng)，西南渦前有支較強(qiáng)的暖濕急流為致洪暴雨提供充足水汽，水汽源地為南海、孟加拉灣，這一環(huán)流形勢特點(diǎn)是澧水上游致洪暴雨普遍性規(guī)律特征；副高的位置與澧水上游致洪暴雨的強(qiáng)度和持續(xù)時間有關(guān)；低層輻合高層輻散的散度特征、中低層的正渦度特征和深厚的垂直上升運(yùn)動特征為此次致洪暴雨的發(fā)生提供了動力條件，長時間>35 ℃的K指數(shù)為致洪暴雨提供充足的不穩(wěn)定能量。

關(guān)鍵詞澧水上游；致洪暴雨；面雨量；環(huán)流特征；物理量診斷

中圖分類號S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）36-12991-04

2012年9月中旬澧水上游暴發(fā)了歷史同期罕見的秋汛，澧水張家界段洪峰達(dá)到了50年一遇，9月澧水上游桑植降雨總量也創(chuàng)了歷史新高，全市遭受了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4 270萬元。大的洪澇災(zāi)害對國家和人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為了弄清暴雨與洪水的關(guān)系，許多學(xué)者對此進(jìn)行過研究。歷史上對澧水流域暴雨分析的文獻(xiàn)較多[1-4]，但對澧水上游致洪暴雨的分析較少。筆者在此利用水文、氣象資料和NCEP格點(diǎn)資料對2012年9月中旬澧水上游罕見秋汛致洪暴雨過程進(jìn)行分析，以期得出一些有意義的結(jié)論。

1致洪暴雨特征分析

1.1致洪暴雨的定義

為了便于后續(xù)的表述與分析，首先給出致洪暴雨的定義。致洪暴雨是指能造成江河水位明顯上漲且達(dá)到警戒水位以上的暴雨。“七五”長江三峽致洪暴雨攻關(guān)研究曾給致洪暴雨一個比較確切的定義式[5]，即

FTR=∫S∫LIstdSdt+BQ，

式中，F(xiàn)TR表示致洪暴雨強(qiáng)度的量；Ist、dS和dt分別表示強(qiáng)降水的強(qiáng)度、面積和歷時，三者的綜合效果，描述了致洪暴雨的氣象成因，所以是致洪暴雨重要的氣象參數(shù)； BQ 籠統(tǒng)地表示前期基礎(chǔ)降水量，它是一個復(fù)雜的函數(shù)，可認(rèn)為是與前期江河底水或起漲流量、流域內(nèi)土壤濕潤狀況、下墊面特征、水庫分布、地表徑流和流域匯流特性以及下

游

頂托效應(yīng)等多種水文和地理因素有關(guān)，從而給致洪暴雨的確定帶來頗大困難。此外，某一地域洪澇災(zāi)害出現(xiàn)與否，除了上述自然因素之外，還涉及水庫調(diào)度、防洪能力等人為因素。

1.2致洪暴雨過程水文、氣象特征分析

2012年9月澧水上游（河源至桑植為澧水上游，在此主要分析桑植縣境內(nèi)）有2次大暴雨過程，分別是9日和12日。9日桑植站降雨量達(dá)132.9 mm，創(chuàng)歷史同期桑植降雨量最高記錄；12日桑植站降雨量為106.4 mm，為歷史同期第三位。12日桑植縣的大暴雨使得澧水上游支流和干流洪水暴漲，桑植水文站最高水位為259.24 m，超出警戒水位2.74 m，最大洪峰流量為6 100 m3/s，位于歷史第三位。然而處于歷史同期第一位的9日大暴雨并未造成桑植水文站超警戒水位?？梢妴握颈┯昊虼蟊┯旰茈y描述致洪暴雨特征。對比分析2次過程降雨量實(shí)況分布（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，9日桑植縣中部一帶普降暴雨局部大暴雨，大暴雨主要集中桑植縣城附近一帶，12日桑植全縣境內(nèi)普降暴雨到大暴雨，表明澧水上游致洪暴雨與其面上的降雨量情況有關(guān)，面雨量能更好地描述致洪暴雨特征。因此，筆者利用面雨量來定義致洪暴雨和描述致洪暴雨特征。

面雨量是指某一時段內(nèi)一定面積上的平均雨量。面雨量可表示為：

P=1A∫APdA，

式中，P為面雨量，A為特定區(qū)域的面積，P為有限元dA上的雨量。面雨量的計(jì)算方法很多，主要有泰森多邊形法、逐步訂正格點(diǎn)法、三角形法、算術(shù)平均法、格點(diǎn)法、等雨量線法等。方慈安等指出在流域雨量站點(diǎn)相同的條件下，不同計(jì)算方法所得到的面雨量計(jì)算結(jié)果在湖南省差異不大[6]。因此，在此采用簡單易行的算術(shù)平均法來計(jì)算面雨量。利用氣象自動站資料分別計(jì)算出9日澧水上游面雨量為72.5 mm，12日為148.2 mm。計(jì)算結(jié)果解釋了9日桑植單站降雨量創(chuàng)同期歷史新高而未出現(xiàn)超警戒水位的情況，同時也表明澧水上游要產(chǎn)生致洪暴雨其面雨量需達(dá)到一定的臨界值。

為了找到澧水上游發(fā)生致洪暴雨的臨界面雨量值，在此統(tǒng)計(jì)了桑植水文站歷史上超過警戒水位的暴雨過程及其降雨量情況。因1998年賀龍電站的投入使用和桑植水文站的遷站，在此僅統(tǒng)計(jì)1998年以來的超過警戒水位的暴雨過程。由表1可知，1998年以來澧水上游共出現(xiàn)5次致洪暴雨過程，分別是1998年7月22日、2003年7月8日、2008年8月15日、2012年9月12日和2013年6月6日（以下分別簡稱為“98.722”，“03.708”，“08.815”，“12.912”和“13.606”）， “98.722”最高水位最高，為266.27 m，超出警戒水位9.77 m，為1998來以來最嚴(yán)重的致洪暴雨過程；“03.708”最高水位是259.58 m，超出警戒水位3.08 m，處于1998年以來歷史第二位；“12.912” 最高水位是259.24 m，超出警戒水位2.74 m，處于1998年以來歷史第三位。由水文雨量資料統(tǒng)計(jì)的5次致洪暴雨降雨量情況（表2）可見，5次致洪暴雨過程中“98.722”面雨量最大， “03.708”面雨量次之， “12.912”面雨量再次，“08.815”面雨量最小，為121.4 mm。由最高水位與面雨量分析表明，最高水位與面雨量有一定的正相關(guān)性。筆者暫時把最小的面雨量121.4 mm作為澧水上游發(fā)生致洪暴雨的臨界面雨量值。對這5次過程的前5日雨量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)“98.722”、“08.815”和“12.912”3次過程前5日有暴雨過程（上述8個雨量站中至少有一站次暴雨），“03.708”和“13.606”2次過程前5日無中雨以上降水過程或無降水。分析表明澧水上游致洪暴雨的發(fā)生與前期是否有降水相關(guān)不大，主要與致洪當(dāng)日的大暴雨強(qiáng)度呈正相關(guān)性。

2環(huán)流形勢及中尺度系統(tǒng)的特征

2.1 環(huán)流形勢特征

2012年9月11日20：00 500 hPa高空圖（圖2a）上，亞歐中高緯為典型的兩槽一脊分布，脊位于西西伯利亞一帶，烏拉爾山地區(qū)為低槽，另一低槽位于內(nèi)蒙古東到川西地區(qū)，澧水上游位于此槽前，該形式一直維持，直到12日20：00，澧水上游逐漸轉(zhuǎn)槽后，降雨減弱。這種形勢有利于冷暖空氣持續(xù)南下，與南方暖濕氣流在澧水上游地區(qū)交匯，導(dǎo)致此次致洪暴雨的發(fā)生。為了研究此次致洪暴雨過程環(huán)流形勢是否具有普遍性，分析比較了其余4次致洪暴雨過程環(huán)流形勢（圖2b、c、d），“98.722”過程因與“03.708”過程年環(huán)流形勢相似圖略，通過分析發(fā)現(xiàn)，5次致洪暴雨過程中高緯環(huán)流形勢均為“兩槽一脊”型分布，但不同過程槽脊位置有差異，澧水上游的直接影響系統(tǒng)是低槽，低槽位置有利于冷空氣持續(xù)南下，與南方暖濕氣流在澧水上游地區(qū)交匯；副高位置偏東且穩(wěn)定少動，易形成持續(xù)性的極端暴雨，表明副熱帶高壓的位置與暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時間有關(guān)系。如1998年和2003年的持續(xù)性致洪暴雨過程。

2.2切變線與西南渦的演變

僅有有利的大尺度環(huán)境條件是不夠的，還必須有中低層中尺度系統(tǒng)的配合。如2014年10月下旬罕見大暴雨過程500 hPa環(huán)流形勢雖有致洪暴雨的環(huán)流特征，但未造成澧水上游桑植水文站超警戒水位，究其原因中低層中尺度系統(tǒng)配合不好。為了揭示此次致洪暴雨過程的成因，在此對中低層中尺度系統(tǒng)進(jìn)行必要的分析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在此次澧水上游致洪暴雨期間，與暴雨直接有關(guān)的中尺度系統(tǒng)是一條沿湘西北的東北—西南走向分布的切變線，還有在這條切變線上發(fā)生發(fā)展的西南渦系統(tǒng)。2012年9月11日08：00 700 hPa高度圖（圖3a）上，我國西北地區(qū)為一高壓，長江中下游為副高控制，兩高之間形成了一條沿豫西到川東的東北—西南走向分布的切變線，在川東與渝西交界的地方有3 110 m的閉合低壓中心已經(jīng)形成，即西南渦此時已形成。西南渦西北側(cè)有冷平流侵入，南側(cè)有副高西北側(cè)的西南暖濕氣流源源不斷補(bǔ)充能量，易于西南渦發(fā)展維持，其后西南渦沿著切變線緩慢東移，到11日20：00，西南渦移至重慶地區(qū)，澧水上游受西南渦前第一象限的暖式切變影響，對應(yīng)澧水上游逐漸開始降雨，12日08：00西南渦穩(wěn)定維持并沿切變緩慢東移，直至 12日14：00澧水上游變?yōu)橐粭l東北西南向的切變線影響，12日20：00切變線南壓澧水上游轉(zhuǎn)偏西北氣流影響。850 hPa也為西南渦系統(tǒng)，各時次中心位置較700 hPa略偏南，表明西南渦系統(tǒng)向西傾斜的斜壓深厚系統(tǒng)。西南渦影響時段為澧水上游最強(qiáng)降雨時段，1 h最大降雨量為28.4 mm，出現(xiàn)在桑植縣橋自灣，12日14：00后隨著西南渦的填塞減弱為切變線，降雨逐漸減弱，到20：00，隨著切變線移出，降雨停止。同樣為了研究澧水上游致洪暴雨的中尺度特征普遍性，對其余4次致洪暴雨過程和2014年10月下旬罕見暴雨過程中低層中尺度系統(tǒng)作比較分析發(fā)現(xiàn)，其余4次致洪暴雨過程中低層也為沿切變線東移的西南渦系統(tǒng)影響，而2014年10月下旬罕見大暴雨過程700 hPa為較強(qiáng)的西南氣流，僅850 hPa為“人”字切變，無西南渦系統(tǒng)出現(xiàn)，這是與5次致洪暴雨過程不同的地方?？梢?，澧水上游致洪暴雨的發(fā)生中低層必須有深厚的西南渦系統(tǒng)。對這一時期的流場結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，沿湘西北有一條東北—西南走向的風(fēng)場切變線，沿此切變線上有中尺度的渦旋西南渦（圖3b） ，切變線南側(cè)有很強(qiáng)的西南氣流，這支西南氣流的源地可以追溯到南海、孟加拉灣。

3物理量診斷分析

3.1 水汽條件

分析此次致洪暴雨過程的水汽通量和水汽通量散度的變化過程發(fā)現(xiàn)，此次致洪暴雨過程的水汽來源于孟加拉灣和南海。11日20：00 850 hPa水汽通量圖上，來自孟加拉灣和南海的水汽被輸送到了暴雨區(qū)上空，水汽輸送通道建立；12日08：00（圖4），由南向北輸送到暴雨區(qū)的水汽通量明顯增大，到14 ：00，水汽通量大值區(qū)維持、位置東移南壓，輸送通道也明顯偏東。由圖5可見，暴雨區(qū)上空水汽通量散度輻合時間為11日20：00～12日14：00，維持輻合時間較長，輻合中心最大值為-80×10-5 g/（cm2·hPa·s）；12日20：00，水汽輻合中心下降，強(qiáng)度減弱，此次致洪暴雨過程降雨減弱。可見，暴雨區(qū)上空長時間的水汽輸送并輻合為暴雨的形成和持續(xù)提供了充足的水汽。

3.2動力條件

分析此次致洪暴雨過程期間各時次的散度、渦度和垂直速度沿110°E的剖面圖發(fā)現(xiàn)，各時次特征基本一致，只是強(qiáng)度變化有所差異。選擇了強(qiáng)度最大、特征表現(xiàn)最明顯的12日08：00進(jìn)行分析，散度圖（圖6a）上，以700 hPa為分界，其下為輻合、其上為輻散，低層中心最大輻合值為-6×10-5s-1，這種低層輻合高層輻散的配置非常有利于垂直上升運(yùn)動的發(fā)展；渦度圖（圖6b）上，850 hPa以下為負(fù)渦度，850～600 hPa為正渦度，正渦度中心值為6×10-5s-1，600 hPa以上又表現(xiàn)為負(fù)渦度，其中心值為-4×10-5s-1，這種正負(fù)渦度配置極易造成上升運(yùn)動；對應(yīng)的垂直速度圖（圖6c）上，表現(xiàn)為整層大氣為上升運(yùn)動，最大值為-1.5×10-2 hPa/s。

3.3熱力不穩(wěn)定條件

K指數(shù)對暴雨的預(yù)報(bào)具有較好的指示作用。一般地，當(dāng)K>35 ℃時，大氣層結(jié)變得很不穩(wěn)定了，易發(fā)生強(qiáng)對流天氣。K值越大，表示大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。11

4結(jié)論

（1）面雨量能有效地定義和描述澧水上游致洪暴雨，澧水上游發(fā)生致洪暴雨的面雨量臨界值為121.4 mm。

（2）澧水上游致洪暴雨的500 hPa環(huán)流形勢具有典型的

“兩槽一脊”型分布，致洪暴雨的直接影響系統(tǒng)是低槽，低槽

位置有利于冷空氣持續(xù)南下，與南方暖濕氣流在澧水上游地區(qū)交匯。副高位置偏東且穩(wěn)定少動，易形成持續(xù)性的極端暴雨，表明副熱帶高壓的位置與暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時間有關(guān)系。

（3）澧水上游致洪暴雨的中尺度影響系統(tǒng)為深厚的西南渦系統(tǒng)，西南渦前有較強(qiáng)的暖濕急流為致洪暴雨提供充足水汽。水汽源地主要為南海、孟加拉灣。

（4）此次致洪暴雨過程是在“兩槽一脊”的典型大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的，水汽來源于南海和孟加拉灣，低層輻合高層輻散的散度特征、中低層的正渦度特征和深厚的垂直上升運(yùn)動特征為致洪暴雨的發(fā)生提供了動力條件，長時間>35 ℃的K指數(shù)為致洪暴雨提供充足不穩(wěn)定能量條件。

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