湖南一次持續(xù)性極端暴雨過程成因分析

楊志軍，向鋼，唐佐陽，向偉，唐婭瓊，王晶晶

（1.湖南省邵陽市氣象局，湖南 邵陽422000；2.湖南省岳陽市氣象局，湖南 岳陽414000）

前言

持續(xù)性暴雨過程由于其持續(xù)時(shí)間長，影響范圍廣，給人民群眾帶來了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此其發(fā)生發(fā)展機(jī)理一直是科學(xué)界研究的重點(diǎn)[1]?？茖W(xué)家對(duì)多地持續(xù)性暴雨進(jìn)行了系統(tǒng)地研究[2-4]，鮑名[5]利用50 年逐日降水資料統(tǒng)計(jì)分析了影響我國幾種持續(xù)性暴雨的大尺度環(huán)流條件。林愛蘭[6]等重新定義了廣東暴雨日指標(biāo)，分析了廣東51a 持續(xù)性暴雨變化特征，診斷了持續(xù)性暴雨過程的環(huán)流和水汽輸送特征。黃榮輝[7]等對(duì)長江流域洪澇災(zāi)害和持續(xù)性暴雨發(fā)生特征和成因進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)1977年之后長江持續(xù)性暴雨增多，且持續(xù)性暴雨都發(fā)生在“鞍”型環(huán)流場(chǎng)下。汪匯潔[8]等分類研究了我國南方近30 年區(qū)域持續(xù)性暴雨過程。劉國忠[9]等基于配料法和概念模型探究了廣西持續(xù)性暴雨的預(yù)報(bào)方法。陳彩珠[10]等分析了福建典型持續(xù)性暴雨過程的大氣低頻變化特征并建立了福建持續(xù)性暴雨的大氣低頻擾動(dòng)概念模型。

2017 年6 月22～7 月2 日，湖南省出現(xiàn)了歷史罕見的持續(xù)性強(qiáng)降水過程（簡稱“6·22”持續(xù)暴雨過程），此過程降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，發(fā)生了嚴(yán)重洪澇、山洪、泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，共造成全省12市州的105 縣（市）受災(zāi)。受災(zāi)人口達(dá)411.4 萬，因?yàn)?zāi)死亡10人，房屋倒塌8645間，房屋損毀91971間，共306.8×103hm3作物受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)82.6億元。這次暴雨過程給湖南人民帶來了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，而持續(xù)性暴雨是此次致洪成災(zāi)的直接原因。目前，研究湖南持續(xù)性暴雨過程的文章較少。因此，對(duì)此次持續(xù)性極端暴雨過程進(jìn)行深入研究具有重要的意義。

1 資料與方法

該文所用資料為6月22日～7月2日湖南省地面加密自動(dòng)站降水觀測(cè)資料、常規(guī)降水觀測(cè)資料，NCEP/NCAR 的逐6 小時(shí)FNL 再分析資料[11]（要素包括：500hPa 位勢(shì)高度、850hPa 風(fēng)場(chǎng)、700hPa 風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)），資料分辨率為1°×1°。通過對(duì)比分析三個(gè)不同降水時(shí)段的環(huán)流形式和物理量場(chǎng)，找出各時(shí)段強(qiáng)降水分布和強(qiáng)度變化的原因。

2 成因分析

2.1 降水實(shí)況

持續(xù)性極端暴雨過程自6 月22 日開始，持續(xù)到7月2日結(jié)束，其降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，為歷史所罕見，多站破歷史極值。其降雨時(shí)空分布特征分析如下：湖南省97個(gè)國家氣象觀測(cè)站中，有6站累計(jì)雨量超過500mm（辰溪576.1 mm、瀘溪504.4 mm、安化521.9、臨 湘 514.9mm、平 江 525.8mm、長 沙567.3mm），14 站為400～500 mm，18 站為300～400 mm，其他站累計(jì)降水均在100 mm以上。持續(xù)暴雨過程大致分為強(qiáng)、弱、強(qiáng)三階段:6 日22 日20 時(shí)～26 日08 時(shí)，大暴雨最先開始于湘中偏北，暴雨中心位于湘西偏北的懷化；6日26日08時(shí)～29日08時(shí)，暴雨雨帶開始南移至湘中以南，降水有所減弱，暴雨中心位于湘南的邵陽南部、永州北部；6月29日08時(shí)～7月2日20 時(shí)暴雨雨帶北抬增強(qiáng)，范圍擴(kuò)大，出現(xiàn)兩個(gè)暴雨中心，分別位于湘中偏北的長沙和湘西偏北的懷化。強(qiáng)降雨帶呈北—南—北型擺動(dòng)。

2.2 環(huán)流形勢(shì)

大尺度環(huán)流條件是制約暴雨發(fā)生、發(fā)展的重要因素之一。暴雨都是在有利的環(huán)流背景下發(fā)生的[12-14]。持續(xù)性暴雨經(jīng)常出現(xiàn)在長波系統(tǒng)穩(wěn)定少動(dòng)時(shí)期，天氣尺度和中尺度降水系統(tǒng)出現(xiàn)在同一地區(qū)或沿相同路徑移動(dòng)時(shí)，將造成很大的累積雨量[15]。王東海[16]等通過分析多次華南前汛期暴雨大尺度環(huán)流條件，發(fā)現(xiàn)500hPa 高度場(chǎng)負(fù)異常出現(xiàn)在華北、東北地區(qū)時(shí)，冷空氣活動(dòng)將比較頻繁，而當(dāng)孟加拉灣出現(xiàn)負(fù)異常時(shí)，則暖濕氣流輸送旺盛，從而有利于華南持續(xù)性暴雨的發(fā)生發(fā)展。

圖1 為6 月22 日20 時(shí)～26 日08 時(shí)，6 月26 日14時(shí)-29日08時(shí)，6月29日14時(shí)～7月2日20時(shí)三階段500hPa平均高度場(chǎng)和850hPa風(fēng)場(chǎng)，圖中矩形框區(qū)域?yàn)楹鲜?。從圖（1a）中可以看到中高緯地區(qū)（35°～55°N）為一槽一脊的環(huán)流形式，貝加爾湖到新疆北部為高空脊控制，東北及華北地區(qū)有一較深橫槽，副熱帶高壓脊線穩(wěn)定維持在30°N 附近，湖南西側(cè)不斷有短波槽東移，高空形勢(shì)對(duì)長江中下游暴雨的形成較為有利。850hPa 平均風(fēng)場(chǎng)上存在一支從廣西延伸至長江中下游的低空急流，湘北位于低空急流左側(cè)，槽區(qū)為東西向切變，切變線在湘中以北擺動(dòng)。圖1b為第二階段平均環(huán)流形式，中高緯仍維持一槽一脊的環(huán)流形式，橫槽開始轉(zhuǎn)豎。雖湖南上空低槽加深，但副高減弱南壓，850hPa的低空急流消失，大風(fēng)速帶南壓，水汽輸送也隨之減弱，導(dǎo)致此階段降水減弱。后期（圖1c）橫槽已轉(zhuǎn)豎，且進(jìn)一步加深，帶動(dòng)冷空氣南下，副高位于東部沿海，阻擋湖南上空深厚的高空槽東移，導(dǎo)致高空槽長時(shí)間維持在湖南上空；850hPa 西南風(fēng)增強(qiáng)，低空急流重新出現(xiàn)，最大平均風(fēng)速達(dá)到14m·s-1?？傮w來看，湖南此次持續(xù)性暴雨是在低空急流和高空槽共同作用下發(fā)生的。

2.3 低空急流的演變特征

劉鴻波[17]等認(rèn)為低空急流是所有天氣系統(tǒng)中與降水關(guān)系最為緊密的系統(tǒng)。丁治英[18]等統(tǒng)計(jì)2005～2008年華南暖區(qū)暴雨發(fā)現(xiàn)，5月和6月的各類暖區(qū)暴雨與850hPa急流關(guān)系密切。低空急流是向中緯度暴雨和強(qiáng)風(fēng)暴提供水汽和動(dòng)量的最重要機(jī)制[19]，同時(shí)也是對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立和維持者、不穩(wěn)定能量的觸發(fā)者[20]。從2.2節(jié)中可看到低空急流與湖南該次持續(xù)性暴雨關(guān)系密切，故本節(jié)重點(diǎn)分析低空急流在其過程中的作用。

圖1（a）2017年6月22日20時(shí)～26日08時(shí)，（b）6月26日14時(shí)～29日08時(shí)，（c）6月29日14時(shí)～7月2日20時(shí)500hPa平均高度場(chǎng)（單位：gmp）和850hPa風(fēng)場(chǎng)（m/s），矩形框區(qū)域?yàn)楹鲜　?/p>

圖2a（見彩頁）為850hPa（109°～114°E）經(jīng)向平均低空急流隨時(shí)間的變化,可以看到850hPa 低空急流隨時(shí)間和緯度變化明顯。6 月22 日20 時(shí)～25 日14時(shí)低空急流一直存在，最大風(fēng)速值達(dá)到16 m·s-1，大值中心位于27.5°N附近，強(qiáng)降水中心位于急流北側(cè)；25日14時(shí)以后風(fēng)速開始減弱，急流消失，而此時(shí)第一階段的強(qiáng)降水也接近尾聲。在降水相對(duì)較弱的第二階段（26日08～-29日08時(shí)），急流較弱，位置偏南，強(qiáng)降水位置出現(xiàn)在湘中偏南，與急流位置對(duì)應(yīng)較好。29 日08 時(shí)以后低空急流明顯增強(qiáng)，中心最大風(fēng)速達(dá)到18m·s-1，風(fēng)速中心北抬，急流覆蓋范圍擴(kuò)大，第三階段強(qiáng)降水也開始增強(qiáng)，雨帶北抬，范圍擴(kuò)大。三個(gè)階段強(qiáng)降水中心均位于急流中心北側(cè)附近。

圖2b（見彩頁）為700hPa（109°～114°E）經(jīng)向平均低空急流隨時(shí)間的變化,可以看到700hPa 低空急流的變化與850hPa 類似。第一階段（6 月22 日20時(shí)-25日14時(shí)）急流位置到達(dá)29°N附近，強(qiáng)度雖較弱，但最大風(fēng)速值達(dá)到17m·s-1；26 日08 時(shí)～29 日08時(shí)700hPa急流處于最強(qiáng)階段，中心風(fēng)速達(dá)到18m·s-1，位置在27.5°N以南，與降水位置對(duì)應(yīng)較好，但與降水強(qiáng)度對(duì)應(yīng)較差，這與此階段850hPa水汽輸送較弱有關(guān)（圖3b，見彩頁）。29日08時(shí)以后急流中心北抬，急流覆蓋范圍擴(kuò)大，配合850hPa 較強(qiáng)的水汽輸送，使降水增強(qiáng)，雨帶北抬，范圍擴(kuò)大。在三個(gè)階段850hPa 風(fēng)場(chǎng)上，湖南地區(qū)均存在低層切變線，前兩個(gè)階段為冷式切變，第三階段為暖式切變。低空急流與低空切變線配合觸發(fā)了湖南此次持續(xù)性極端暴雨過程。

2.4 動(dòng)力特征

垂直運(yùn)動(dòng)有利于水汽的輻合抬升，可為強(qiáng)降雨提供有利的動(dòng)力條件[21]。圖3a（見彩頁）為懷化辰溪站（28.01°N,110.12°E）垂直速度的垂直時(shí)間剖面，“6·22”持續(xù)性暴雨期間，辰溪站暴雨中心從近地面到高層200hPa一直維持觸發(fā)對(duì)流運(yùn)動(dòng)的垂直氣流，700hPa以下始終存在速度大于-1.2Pa/s的垂直上升速度。強(qiáng)降水第一階段，6月22日20時(shí)～24日20時(shí)辰溪站近地面層和高層均為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，出現(xiàn)兩個(gè)上升運(yùn)動(dòng)中心，分別位于850hPa 和300hPa，它們的強(qiáng)度分別為-2Pa/s 和-1.6Pa/s。24 日20 時(shí)～29 日08 時(shí)，高低層上升運(yùn)動(dòng)中心均有所減弱。而從29日08時(shí)以后上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，從850hPa 一直延伸至250hPa 附近，中心強(qiáng)度達(dá)到-3.6Pa/s。辰溪站垂直速度隨時(shí)間的變化與強(qiáng)降雨變化一致，可見垂直上升氣流能夠在該次持續(xù)性極端暴雨過程中觸發(fā)對(duì)流持續(xù)發(fā)展。

圖3b（見彩頁）為6 月22 日20 時(shí)～7 月2 日20 時(shí)109°～114°E經(jīng)向平均850hPa垂直速度隨時(shí)間和緯度的變化圖。由圖可見25.5°～27°N和28°～30°N附近850hPa上升氣流一直維持，與強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)可分為強(qiáng)、弱、強(qiáng)三個(gè)階段。第一階段在25.5°～27°N和28°～30°N 附近出現(xiàn)兩個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)中心，中心強(qiáng)度分別達(dá)到-0.6Pa/s 和-1Pa/s，而27°～28°N 垂直速度較弱；25 日08 時(shí)以后兩個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)中心消失，此時(shí)湖南地區(qū)降水開始減弱。第二階段垂直上升速度一直較弱，在-0.2Pa/s左右；27日20時(shí)以后25.5°～27°N附近垂直運(yùn)動(dòng)中心重新出現(xiàn)，強(qiáng)度為-0.6Pa/s，本階段降水主要出現(xiàn)在27°N以南，降水也相對(duì)較弱。第三階段垂直上升運(yùn)動(dòng)中心范圍和強(qiáng)度均有所增大，最大垂直速度達(dá)到-1Pa/s?？傮w來說，垂直上升氣流區(qū)與強(qiáng)降水中心在時(shí)間和空間上都對(duì)應(yīng)很好，垂直上升氣流為此次持續(xù)性暴雨提供了很好的動(dòng)力條件。

從850hPa渦度場(chǎng)（圖4，見彩頁）演變來看，降水較強(qiáng)的第一階段，低空急流附近對(duì)應(yīng)正渦度帶，正渦度帶呈東北—西南向，正渦度帶與低空急流位置幾乎重合，兩個(gè)正渦度輻合中心分別位于湘東北和懷化，強(qiáng)度分別為5×10-5s-1和3×10-5s-1。正渦度中心氣流輻合上升強(qiáng)烈，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生，這與黃翠銀[17]等通過分析2013年廣西一次暴雨過程得出相似的結(jié)論。降水減弱南壓階段，低空急流附近的正渦度特征仍然明顯，正渦度帶也隨之南壓減弱，強(qiáng)度在2～3×10-5s-1之間（圖4b，見彩頁）。此后，隨著強(qiáng)降水雨帶北抬，正渦度帶也北抬，再次呈東北——西南向分布，正渦度中心又回到湘東北和懷化，強(qiáng)度都達(dá)到8×10-5s-1（圖4c，見彩頁）。

上述分析表明，低空急流活動(dòng)期間，有正渦度帶與低空急流配合。當(dāng)?shù)涂占绷鳒p弱南壓時(shí)，正渦度帶范圍縮小南壓，正渦度減弱明顯；低空急流的整個(gè)演變過程中，正渦度帶的覆蓋范圍較大、維持時(shí)間較長；低空急流附近有多個(gè)正渦度中心，有利于上升運(yùn)動(dòng)維持，從而帶來強(qiáng)降水。

2.5 水汽特征

充沛的水汽供給及其在某區(qū)域的輻合上升是暴雨產(chǎn)生的重要條件，而水汽輸送往往依靠低空急流實(shí)現(xiàn)[22]。圖5（見彩頁）是三個(gè)不同降水時(shí)段850hPa的平均水汽通量，從圖5a 中可以看出，有一來自孟加拉灣穿過中南半島，經(jīng)南海到達(dá)華南及長江中下游的水汽通道，最強(qiáng)水汽中心位于印度半島附近，湖南地區(qū)為一水汽中心，中心值達(dá)到18g·s-1·cm-1·hPa-1。第二階段（圖5b，見彩頁）印度半島附近的水汽中心雖有加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到24g·s-1·cm-1·hPa-1，但隨著850hPa 急流消失，西南風(fēng)減弱，湖南地區(qū)水汽輸送減弱，水汽通道也有所南壓，與第二階段降水較為吻合。第三階段（圖5c，見彩頁）印度半島附近水汽中心強(qiáng)度維持在24g·s-1·cm-1·hPa-1，隨著850hPa 和700hPa 急流增強(qiáng)、北抬，湖南地區(qū)水汽輸送也迅速增加，中心位置達(dá)到22 g·s-1·cm-1·hPa-1，此階段湖南地區(qū)水汽輸送主要來自孟加拉灣的西南氣流和副高西側(cè)的東南氣流。總體來看，三個(gè)階段的水汽輸送與低空急流的配置是相對(duì)應(yīng)的，水汽輸送集中在中低層，水汽主要來源于孟加拉灣。副高西南側(cè)的水汽加入使第三階段湖南地區(qū)的水汽輸送最強(qiáng)，降水量和降水強(qiáng)度最大。在整個(gè)暴雨過程中，正是由于孟加拉灣及印度洋西南暖濕氣流的存在，將大量水汽源源不斷向湖南地區(qū)輸送，暴雨區(qū)對(duì)流層下層的水汽通量和水汽輸送才維持較高的強(qiáng)度。整個(gè)過程中對(duì)流層下層始終維持充足的水汽條件。

3 結(jié)論與討論

通過以上分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）湖南“6·22”持續(xù)性暴雨過程按雨帶變化可分為強(qiáng)、弱、強(qiáng)三階段。該過程是在橫槽轉(zhuǎn)豎帶動(dòng)冷空氣南下、副高偏強(qiáng)阻擋湖南上空深厚的高空槽東移，導(dǎo)致高空槽長時(shí)間維持在湖南上空的環(huán)流背景下產(chǎn)生的。

（2）低空急流隨時(shí)間和緯度的強(qiáng)弱及位置變化，影響降水強(qiáng)度和強(qiáng)降水位置。三個(gè)階段強(qiáng)降水中心均位于850hPa急流中心北側(cè)附近。109°～114°E經(jīng)向平均700hPa、850hPa低空急流的強(qiáng)度和位置隨時(shí)間和緯度變化明顯，第二階段700hPa急流最強(qiáng)，位置偏南，與降水位置對(duì)應(yīng)較好，與降水強(qiáng)度對(duì)應(yīng)較差。

（3）在三個(gè)階段850hPa 風(fēng)場(chǎng)上，湖南地區(qū)均存在低層切變線，前兩個(gè)階段為冷式切變，第三階段為暖式切變。低空急流與低空切變線配合觸發(fā)了該次持續(xù)性暴雨過程。垂直速度隨時(shí)間和空間的變化與強(qiáng)降雨的變化一致，垂直上升氣流能夠在持續(xù)性暴雨過程中觸發(fā)對(duì)流持續(xù)發(fā)展，為其提供了很好的動(dòng)力條件。

（4）850hPa 持續(xù)強(qiáng)勁的西南低空急流將孟加拉灣暖濕氣流經(jīng)南海源源不斷向湖南暴雨區(qū)輸送，并在暴雨區(qū)形成了持續(xù)的輻合上升運(yùn)動(dòng)。三個(gè)階段850hPa 低空急流的變化，導(dǎo)致低層水汽輸送也隨之出現(xiàn)強(qiáng)弱變化，特別是副高西側(cè)東南水汽的加入，使第三階段水汽輸送最強(qiáng)、降水量最大。低空急流活動(dòng)期間，有正渦度帶與低空急流配合，有利于上升運(yùn)動(dòng)維持，從而帶來強(qiáng)降水。