湘北地區(qū)2014年7月12～18日暴雨天氣過程技術(shù)總結(jié)

謝新權(quán)，田澤蕓，胡 饒

(湖南省常德市氣象局，湖南常德 415000)

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湘北地區(qū)2014年7月12～18日暴雨天氣過程技術(shù)總結(jié)

謝新權(quán)，田澤蕓，胡 饒

(湖南省常德市氣象局，湖南常德 415000)

2014年7月12～18日澧水流域、沅水流域上游及湘北連續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降水，由于降水持續(xù)時(shí)間長，強(qiáng)降水時(shí)段集中，導(dǎo)致嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害。針對(duì)這次天氣過程，通過對(duì)探空資料、地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料、FNL再分析資料和FY-2E衛(wèi)星資料等分析，結(jié)果表明，夏季東亞大槽的建立與維持，西南低渦東移和副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流的相互配置引發(fā)了這次強(qiáng)降水；TBB低值帶與強(qiáng)降水區(qū)域有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；西南渦東移路徑上地面潛熱通量的加入促進(jìn)西南渦發(fā)展，增強(qiáng)降水；強(qiáng)降水過程中湘北地區(qū)K指數(shù)維持28 ℃，假相當(dāng)位溫維持76 ℃，以上閾值可作為湘北強(qiáng)降水發(fā)生的閾值；低空螺旋度維持30×10-8hPa/s2，高空螺旋度維持-30×10-8hPa/s2，可作為湘北地區(qū)強(qiáng)降水動(dòng)力條件閾值；低層大氣受渦度平流和輻散影響為正值層，高層大氣受平流項(xiàng)影響為負(fù)值層，有利于大氣動(dòng)力對(duì)流加強(qiáng)；分析視熱源發(fā)現(xiàn)，低層暖源、高層冷源有利于熱對(duì)流活動(dòng)。

暴雨；成因；天氣形勢(shì)；物理量；渦度收支；視熱源

暴雨是湖南汛期面臨最為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，常伴隨洪澇災(zāi)害以及泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害[1]，提高暴雨監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)能力是國家防災(zāi)減災(zāi)的重大需求[2]，對(duì)暴雨的預(yù)報(bào)和研究也是氣象工作者長期關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。近些年來，很多氣象工作者通過各種統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬解釋暴雨發(fā)生的物理機(jī)制[3-4]。湘北地區(qū)的暴雨主要由臺(tái)風(fēng)、西南渦、低層切變線等系統(tǒng)引起的，其中西南渦東出造成的暴雨在所有造成湘北暴雨的個(gè)例中占有很大比重。有關(guān)西南渦的研究表明，西南渦東移后，配合西南季風(fēng)涌帶來的充沛水汽和不穩(wěn)定能量將直接導(dǎo)致當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生暴雨[5]。趙玉春等通過數(shù)值模擬指出，高原渦東移在四川盆地受地形影響誘發(fā)西南渦，降水凝結(jié)潛熱的加入才能使得西南渦充分發(fā)展[6]。另外，渦度收支也常用于對(duì)氣旋系統(tǒng)的研究[7]，有很多氣象工作者對(duì)此作了大量研究，得到很多用渦度收支解釋中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變的成果[8-10]。常德地處湖南北部，境內(nèi)有澧水和沅水兩大水系，強(qiáng)降水過程對(duì)兩大水系帶來嚴(yán)重影響，威脅到當(dāng)?shù)鼐用袢松碡?cái)產(chǎn)安全。2014年7月12～18日暴雨天氣過程造成湘北沅水流域持續(xù)超警戒水位，大量農(nóng)田、房屋被淹，居民被轉(zhuǎn)移安置，災(zāi)情嚴(yán)重，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 071.5萬元。筆者將從水汽條件、動(dòng)力條件、渦度收支及視熱源等角度來分析這次暴雨過程，以期為湘北的暴雨預(yù)報(bào)提供有一定指示意義的物理量。

1 資料與方法

云頂相當(dāng)黑體溫度(TBB)為FY-2E衛(wèi)星9210格式逐日等經(jīng)緯度資料，分辨率為0.1°×0.1°。常規(guī)探空資料、地面自動(dòng)氣象站常規(guī)資料、物理量場(chǎng)用于分析天氣形勢(shì)場(chǎng)、物理診斷量、渦度收支、視熱源。FNL全球再分析資料分析水汽條件、螺旋度、地面潛熱通量(垂直方向分26層，水平分辨率為1°×1°的逐6 h資料)。選擇石門、常德、漢壽分別代表常德市北部、中部、南部。

2 降水實(shí)況和天氣形勢(shì)

2.1 降水實(shí)況2014年7月12～18日貴州至湘北一帶連續(xù)出現(xiàn)了強(qiáng)降水過程，過程累積降水量達(dá)100.2 mm。貴州境內(nèi)普降大到暴雨，局部大暴雨，懷化境內(nèi)累積降水量為162.6 mm，吉首境內(nèi)累積降水量高達(dá)230.6 mm，張家界境內(nèi)累積降水量為120.1 mm。

降水過程具有以下特點(diǎn)：①持續(xù)時(shí)間長。12～18日長江流域不間斷產(chǎn)生降水，強(qiáng)降水以黔東和湘西北為中心。12日強(qiáng)降水發(fā)生在湘西地區(qū)，湖南省吉首普降大雨，部分地區(qū)暴雨，湘北地區(qū)也產(chǎn)生強(qiáng)降水，13日湘西、湘北降水減弱，14～15日強(qiáng)降水主要在沅水流域上游和湘西一帶，吉首和懷化部分地方降水量達(dá)200 mm以上。16日晚隨著西太平洋副熱帶高壓緩慢西伸北抬，西北側(cè)的低渦切變系統(tǒng)也隨之緩慢東移北抬，強(qiáng)降水北抬至湘北，湘北澧水流域上游張家界出現(xiàn)大暴雨。17日強(qiáng)降水主要在湘西北及湘北，澧水流域普降暴雨，部分地區(qū)大暴雨。②強(qiáng)降雨時(shí)段集中，該降水過程，湘北地區(qū)過程累計(jì)降水量主要貢獻(xiàn)時(shí)段為16～17日。此輪降雨過程中，最大降雨量達(dá)60.6 mm/h。

2.2 天氣形勢(shì)分析2014年7月12～18日500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)(圖1)，中高緯為兩槽一脊型，烏拉爾山為低槽區(qū)，貝加爾湖為高壓脊，鄂霍次克海-雅庫茨克地區(qū)存在低渦，亞洲東岸為槽區(qū)，我國東部受到貝加爾高壓脊前和東亞低槽槽后控制，這種環(huán)流形勢(shì)有利于北方冷空氣南下至長江流域。西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)在26°N附近，副熱帶高壓強(qiáng)盛，有利于西南水汽沿副熱帶高壓外圍深入內(nèi)陸。

湘北地區(qū)12日和16日分別為2次強(qiáng)降水時(shí)段，13日有短暫間歇，以下分別分析12日和16日08：00天氣系統(tǒng)。 12日(圖2a)，500 hPa槽線平直，經(jīng)向度小，850 hPa重慶地區(qū)上空存在低渦切變，切變線沿著長江流域分布，從重慶延伸至安徽境內(nèi)，西南渦沿切變線東移對(duì)湘北產(chǎn)生影響；副熱帶高壓外圍西南急流強(qiáng)盛，急流北端延伸至安徽境內(nèi)，常德市處于低空急流左側(cè)；地面有弱冷空氣滲透南下。綜合分析可見，12日的降水主要受到西南渦東移、低空切變線和地面弱冷空氣共同作用而產(chǎn)生。16日(圖2b)，湖南省處于500 hPa南支槽前，短波槽經(jīng)向度較大，副熱帶高壓減弱南退，副熱帶高壓外圍西南急流出口由安徽南退至常德市上空；850 hPa低空急流出口左側(cè)強(qiáng)烈輻合，配合地面南下冷空氣，產(chǎn)生強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，結(jié)合充沛水汽條件導(dǎo)致16日強(qiáng)降水。16日累計(jì)降水量較12日大，一方面由于500 hPa槽更深，經(jīng)向度增大，且850 hPa低空急流出口左側(cè)剛好在常德市上空，另一方面地面冷空氣更強(qiáng)，增強(qiáng)了大氣的斜壓性，動(dòng)力抬升條件更有利，因此更有利的高低空系統(tǒng)配置導(dǎo)致16日降水更強(qiáng)。

3 TBB對(duì)強(qiáng)降水的響應(yīng)

從7月12～14日湖南上空TBB空間分布(圖3)可知，TBB低值區(qū)呈西南—東北走向的帶狀分布，強(qiáng)雨帶也是西南—東北走向的帶狀分布，二者空間分布保持一致。從圖4可知，12日常德地區(qū)北部澧水流域TBB<-10 ℃，中部地區(qū)、南部地區(qū)TBB約-20 ℃。結(jié)合圖1分析，12日北部站點(diǎn)石門站累計(jì)降水量約為18 mm，中部站點(diǎn)常德累計(jì)降水量約21 mm，南部漢壽日累計(jì)降水量達(dá)40 mm，可見TBB值越低，對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的降水量越大。13日為降水間歇期，對(duì)應(yīng)的圖4中TBB值明顯升高，升高約20 ℃左右；14日降水增強(qiáng)，圖3c中各站TBB值下降至-20 ℃。圖4中TBB變化呈現(xiàn)近似一個(gè)周期正弦曲線結(jié)構(gòu)，有一個(gè)波峰和波谷，圖5中3站降水變化也呈現(xiàn)近似單周期的正弦曲線結(jié)構(gòu)。13日TBB值處于波峰，對(duì)應(yīng)降水間歇期；15日TBB值處于波谷，日累計(jì)降水處于高值。從強(qiáng)度分析，最小TBB值發(fā)生時(shí)段為15日，而最強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段為16日，TBB最低值時(shí)間超前于最強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)間，這可能與大氣強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)有關(guān)。TBB最低值對(duì)應(yīng)時(shí)段對(duì)流活動(dòng)最強(qiáng)，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，一方面導(dǎo)致云頂高度達(dá)到很高的位置，云頂黑體亮溫很低，另一方面強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)不利于雨滴的下落，因此當(dāng)對(duì)流活動(dòng)減弱后，云頂塌陷，TBB回升，被強(qiáng)上升氣流托舉的大量雨滴降落。

4 物理量診斷分析

4.1 水汽條件分析由圖6可見，整個(gè)長江流域?yàn)楦邼駞^(qū)，比濕已超過10 g/kg，湘北地區(qū)比濕已超12 g/kg；分析水汽通量散度場(chǎng)可知，自西南向東北方向有一條帶狀水汽匯，湘西北為水汽匯中心，水汽通量散度值達(dá)-7 g/(cm2·hPa·s)。由于常德處于高濕區(qū)，同時(shí)有源源不斷的水汽進(jìn)行輸送和補(bǔ)充，使得常德地區(qū)水汽條件特別好。

4.2 潛熱分析分析圖7可知，16日湖南地區(qū)有2個(gè)潛熱通量中心，一個(gè)在湘西，最大值達(dá)30 W/m2，另一個(gè)中心在湘北地區(qū)，潛熱通量最大值達(dá)35 W/m2。潛熱是水汽凝結(jié)為水滴而向大氣釋放的熱量，潛熱通量中心也應(yīng)對(duì)應(yīng)著強(qiáng)降水中心。潛熱通量大表明加熱大氣程度越強(qiáng)，增加大氣總能量。趙玉春等研究指出潛熱通量能夠使得其上空的西南渦充分發(fā)展[6]。16日西南渦東移至湘北地區(qū)，湘北地面潛熱通量較強(qiáng)，潛熱的加入促進(jìn)西南渦發(fā)展，促進(jìn)降水強(qiáng)度增強(qiáng)，據(jù)實(shí)況降水顯示，湘北地區(qū)16日為強(qiáng)降水主要集中時(shí)段，很好地驗(yàn)證以上結(jié)論。

4.3 K指數(shù)和假相當(dāng)位溫由圖8a可見，16日湘北地區(qū)CAPE值約700 J/kg，CAPE大值帶呈西南—東北走向，最大值處在湖北東北部，為1 700 J/kg，對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)盛。從圖8b可知湘北地區(qū)K指數(shù)維持28 ℃，貴州東部、湘中一線甚至達(dá)36 ℃以上，強(qiáng)降水區(qū)域的K指數(shù)均高于28 ℃；分析假相當(dāng)位溫可知湘北地區(qū)維持76 ℃，貴州和湖南均大于76 ℃，處于高能區(qū)，也是強(qiáng)降水區(qū)。綜合以上可知，CAPE值、K指數(shù)、假相當(dāng)位溫大值帶均呈現(xiàn)西南—東北走向，與強(qiáng)降水分布一致。16日為湘北強(qiáng)降水集中日，雖然CAPE值不大，但K指數(shù)和假相當(dāng)位溫均很高，這些可作為湘北強(qiáng)降水暴發(fā)的物理診斷量指標(biāo)，有一定指示意義。

4.4 螺旋度分析暴雨可由穩(wěn)定性降水長時(shí)間維持而產(chǎn)生，也可由強(qiáng)對(duì)流性降水短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，夏季暴雨過程常包含以上2種降水。強(qiáng)降水需要強(qiáng)盛的垂直上升運(yùn)動(dòng)能將低層的水汽和能量向高空輸送，因此，動(dòng)力抬升條件是暴雨云團(tuán)一個(gè)基本影響因子。渦度是反映氣塊旋轉(zhuǎn)程度的物理量，垂直螺旋度可以綜合表征大氣在垂直方向上旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)特征，以上二者對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣、暴雨等災(zāi)害性天氣有一定的預(yù)報(bào)指示作用。從12日沿28.3° N 、105°～112° E做的垂直螺旋度垂直剖面圖(圖9a)可看出，垂直螺旋度呈下正上負(fù)分布，高低空分別存在極值中心，低層800 hPa為30×10-8hPa/s2的正中心，高層450 hPa 為-30×10-8hPa/s2的負(fù)中心，低層正、高層負(fù)的垂直螺旋度分布有利于垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展。16日沿29.44° N、108°～114° E做的垂直螺旋度垂直剖面(圖9b)顯示，垂直螺旋度也呈現(xiàn)下正上負(fù)的分布?？梢?，12、16日暴雨過程動(dòng)力條件充足，垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，且維持時(shí)間長。

4.5 渦度收支分析從圖10可看到，降水區(qū)域的700 hPa以下主要受到渦度水平平流項(xiàng)A和渦度水平輻散B作用，形成渦度收支正值層，最大值約2×10-9s-2，其他兩項(xiàng)量級(jí)很小。從大氣低層一直到500 hPa均是正渦度；400～100 hPa為負(fù)渦度，最大值達(dá)-14×10-9s-2，主要貢獻(xiàn)項(xiàng)為平流項(xiàng)。通過分析，上述渦度垂直分布有利于高層增壓輻散、低層減壓輻合，從而促使中尺度對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展，也增強(qiáng)雨強(qiáng)，同時(shí)降水實(shí)況顯示16日為最強(qiáng)降水時(shí)段，可見這種渦度垂直分布對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有很大的貢獻(xiàn)。

4.6 視熱源分析視熱源為單位質(zhì)量空氣增溫率。由圖11可見，700 hPa以下，大氣受到局地變化和垂直輸送影響，為負(fù)層，850 hPa為最強(qiáng)負(fù)值層，值約為-3 K/12h；700～500 hPa視熱源逐漸變暖，500～300 hPa視熱源為強(qiáng)負(fù)層，400 hPa存在-8 K/12h的冷源，這種大氣中、高層干冷視熱源結(jié)構(gòu)有利于大氣熱對(duì)流活動(dòng)。綜合分析，視熱源主要受到平流項(xiàng)影響最大，局地變化的影響次之，垂直輸送項(xiàng)量級(jí)最小，中層相對(duì)暖、低層和高層為冷中心配置有利于對(duì)流發(fā)展。

5 結(jié)論和討論

(1)分析2014年7月12～18日湘北地區(qū)強(qiáng)降水過程的天氣形勢(shì)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，背景環(huán)流場(chǎng)中高緯為兩槽一脊型，貝加爾湖為高壓脊，有利于脊前北方冷空氣南下對(duì)長江流域產(chǎn)生影響。西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)在26°N附近，副熱帶高壓強(qiáng)盛，有利于西南水汽沿副熱帶高壓外圍向北輸送。夏季東亞大槽的建立維持，配合東移的西南低渦、低層風(fēng)切變和副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流引發(fā)了強(qiáng)降水，西南渦為這次中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣過程的主要影響系統(tǒng)。強(qiáng)勁西南低空急流和水汽輻合提供水汽條件，地面冷空氣活動(dòng)增強(qiáng)了大氣斜壓性。

(2)風(fēng)云FY-2E 云頂相當(dāng)黑體亮溫低值空間上與強(qiáng)降水有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著TBB減小，大氣對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)烈發(fā)展，時(shí)間上TBB最小值時(shí)段超前于降水最強(qiáng)時(shí)段，這對(duì)預(yù)報(bào)強(qiáng)降水時(shí)段有一定指示作用。

(3)湘北處于水汽匯中，有利于水汽聚集，地面潛熱促進(jìn)西南渦發(fā)展，促進(jìn)降水加強(qiáng)，湘北地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)K指數(shù)達(dá)28 ℃，假相當(dāng)位溫達(dá)76 ℃，以上兩閾值可作為強(qiáng)降水發(fā)生的指標(biāo)。

(4)分析湘北地區(qū)螺旋度垂直方向分布發(fā)現(xiàn)，高層負(fù)螺旋度、低層正螺旋度，這種高層大氣輻散、低層大氣輻合的配置提供良好的動(dòng)力條件，低空螺旋度達(dá)30×10-8hPa/s2，高空螺旋度達(dá)-30×10-8hPa/s2，可作為湘北地區(qū)強(qiáng)降水動(dòng)力條件閾值。

(5)分析常德地區(qū)上空渦度收支發(fā)現(xiàn)，中低層受渦度平流項(xiàng)和渦度散度項(xiàng)影響，渦度收支為正，最大值約2×10-9s-2，高層受渦度平流項(xiàng)影響為負(fù)值層，負(fù)值達(dá)-14×10-9s-2，這種渦度收支的垂直分布有利于高層增壓輻散、低層減壓輻合，從而促使中尺度對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展，也增強(qiáng)雨強(qiáng)；分析視熱源發(fā)現(xiàn)低層大氣受到局地變化項(xiàng)和垂直輸送項(xiàng)影響，為冷源，冷中心值為-3 K/12h。從700～500 hPa受局地項(xiàng)、平流項(xiàng)、垂直輸送項(xiàng)共同影響，視熱源逐漸增大至0 K/12h左右，500～300 hPa受平流項(xiàng)影響，存在-8 K/12h的冷源，這種中層相對(duì)暖、低層和高層冷的配置有利于熱對(duì)流發(fā)展。

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The Analysis of 12-18 July 2014 Rainstorm in North Hunan Province

XIE Xin-quan, TIAN Ze-yun, HU Rao

(Changde Meteorological Bureau, Changde, Hunan 415000)

The Li water basin, Yuan water basin and their upstream had been attacked by rainstorm during 12-18 July 2014. Because of a longtime and strong precipitation, severe floods happened. Aiming at the process, we make use of the detection data, the ground automatic weather station data, the FNL data, the FY-2E satellite data to analysis the cause. The results of the study shows that the establishment and maintenance of east Asian large tanks in summer along with the warm moist air and the southwest vortex eastward trigger the heavy rain; TBB low band has a good correspondence with the heavy rainfall area; The southwest vortex will develop to enhance precipitation, when the latent heat flux join; In Changde City, the K index maintained 28℃and the pseudo-equivalent temperature maintained 76℃ during rainstorm. So, these two indicators can be used as heavy rainfall threshold. The helicity of lower maintained 30×10-8hPa/s2, at the same time, the helicity of upper maintained -30×10-8hPa/s2. These two indicators can be used as dynamic threshold in Changde City; The lower atmosphere is influenced by the advection and divergence of vorticity as a positive layer, the upper influenced by the vorticity advection as a negative layer, it is conducive to the dynamic convection; Through research on vertical distribution of apparent heat source, it is founded that the lower works as the cold source, the middle works as weak warming source, the high-level works as strong cold source, the vertical distribution above is conducive to the heat convection.

Rainstorm; Cause; Weather situation; Physical quantity; Vorticity budget; Apparent heat source

謝新權(quán)(1975- )，男，湖南常德人，工程師，從事短期天氣預(yù)報(bào)方法研究。

2015-02-11

S 161.6

A

0517-6611(2015)09-221-04