湖南省深秋一次罕見(jiàn)持續(xù)性暴雨過(guò)程診斷分析

劉紅武 唐林 廖春花

摘要：利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料和NCEP 1°×1°再分析資料，對(duì)2014年10月27日至11月1日發(fā)生在湖南省中北部的一次罕見(jiàn)持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，副高強(qiáng)度及其位置、孟加拉灣低槽活動(dòng)情況及東高西低形勢(shì)是引起此次暴雨天氣過(guò)程的大尺度環(huán)流背景;高層輻散、低層輻合及強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)為暴雨的發(fā)生提供了有力的動(dòng)力抬升條件;低空西南急流的建立和維持為暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽條件。整個(gè)強(qiáng)降水過(guò)程冷空氣活動(dòng)較弱，暴雨主要發(fā)生在西南急流左側(cè)的水汽輻合區(qū)。此次深秋暴雨集中發(fā)生在2個(gè)階段，第一個(gè)階段發(fā)生在東路冷空氣影響下的大氣層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)下，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng);第二個(gè)階段則是西路冷空氣入侵，是在對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間短。

關(guān)鍵詞：深秋暴雨;西南低渦;高低空急流;罕見(jiàn);湖南省

中圖分類號(hào)：P446 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）15-0037-07

Abstract： Based on the conventional meteorological observation data and 1 °× 1 ° NCEP reanalysis data， a comprehensive analysis of a rare continuous heavy rain weather process occurred in the central and northern Hunan province from October 27 to November 1 was carried out， 2014. The results showed that the intensity and location of the subtropical high， the activity of the low trough in the Bay of Bengal， and the east-west high-low situation were the large-scale circulation backgrounds that caused the heavy rain process; The high-level divergence， low-level convergence and strong ascending motion provided powerful dynamic lifting conditions for the rainstorm; The establishment and maintenance of the low-level southwest jet provided abundant water vapor conditions for the rainstorm. During the whole heavy rainfall process， the cold air activity was weak， and the rainstorm mainly occured in the water vapor convergence area on the left side of the southwest jet. The heavy rain in late autumn mainly occured in two stages. The first stage was the stable atmospheric stratification under the influence of the cold air from the east road， with a long duration; The second stage was the invasion of the cold air from the west road， with a short duration under the convective instability.

Key words： heavy rain in late autumn; southwest low vortex; high and low jet; uncommon; Hunan province

湖南省屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候類型，受東亞季風(fēng)影響，是中國(guó)暴雨多發(fā)省份之一。湖南省雨季一般集中在4—6月，春季和夏季暴雨日數(shù)和日平均降水較多，而秋季和冬季降水較少[1]，對(duì)暴雨的研究也基本集中在4—9月的汛期，極少涉及秋季暴雨的研究。

近年來(lái)，已有不少學(xué)者對(duì)秋季暴雨的形成機(jī)理進(jìn)行了一些研究分析， 孫欣等[2]對(duì)遼寧省秋季一次暴雨天氣進(jìn)行了診斷分析，指出中尺度氣旋、高低空急流、次級(jí)環(huán)流上升支、地面高水汽含量濕區(qū)、高假相當(dāng)位溫出現(xiàn)的時(shí)間、強(qiáng)度、位置和結(jié)構(gòu)決定了暴雨的時(shí)間與落區(qū);馮建民等[3]對(duì)干旱區(qū)一次連陰雨過(guò)程中暴雨天氣的多普勒雷達(dá)圖像進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)4條多單體回波帶和1條颮線由西南向東北方向移動(dòng)的“列車(chē)效應(yīng)”是暴雨形成的主要原因，同時(shí)多單體回波帶和颮線存在明顯差異;劉勇等[4]對(duì)陜西省中南部一次秋季連陰雨中區(qū)域性暴雨成因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)暴雨系統(tǒng)的層結(jié)特征與夏季暴雨相比有明顯的差異，低層鋒區(qū)附近的強(qiáng)水汽輻合是秋季區(qū)域性暴雨產(chǎn)生的主要機(jī)制;胡淑蘭等[5]從天氣學(xué)角度分析了2005年陜西省秋季連陰雨中暴雨天氣的天氣特征，認(rèn)為其強(qiáng)度和落區(qū)與中尺度擾動(dòng)有密切關(guān)系; 郁淑華[6]、陳麗芳等[7]強(qiáng)調(diào)了低空急流產(chǎn)生的強(qiáng)水汽輸送和動(dòng)力不穩(wěn)定對(duì)秋季連陰雨中暴雨形成的重要作用;段旭等[8]分析了中尺度系統(tǒng)對(duì)秋季大暴雨的作用。此外，有學(xué)者對(duì)秋季暴雨的成因也進(jìn)行了分析[9-15]，而對(duì)湖南省秋季暴雨研究甚少。因此，為更多地了解湖南省秋季暴雨特征，更好地開(kāi)展秋季暴雨過(guò)程的預(yù)報(bào)，本研究選取2014年10月27日至11月2日發(fā)生在湖南省中北部的一次持續(xù)性罕見(jiàn)暴雨天氣過(guò)程，利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、中尺度自動(dòng)站資料及NCEP1°×1°再分析資料，從大尺度環(huán)境場(chǎng)、物理量場(chǎng)進(jìn)行診斷分析，以期為湖南省秋季暴雨過(guò)程預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供有益的參考。

1 天氣實(shí)況

2014年9月中下旬至10月中旬，受氣溫偏高、降水偏少的影響，湖南省氣象干旱逐步發(fā)展，全省共有90個(gè)縣（市）出現(xiàn)氣象干旱，其中發(fā)生重旱的有29個(gè)縣（市），發(fā)生特旱的有12個(gè)縣（市），隨著10月下旬至11月初中北部出現(xiàn)了一次歷史同期罕見(jiàn)持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程，氣象干旱才明顯緩和。

據(jù)湖南省97個(gè)常規(guī)觀測(cè)雨量站統(tǒng)計(jì)，2014年10月27日8：00（北京時(shí)，下同）至11月2日8：00，中北部地區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨、局地大暴雨（圖1）。過(guò)程累積全省平均雨量為90.5 mm，降水量超過(guò)50 mm的測(cè)站有70個(gè)，超過(guò)100 mm的測(cè)站有25個(gè)，超過(guò)200 mm的測(cè)站有2個(gè)，單站最大日降水量為129.5 mm（10月28日，石門(mén)），單站最大過(guò)程降水量為245.0 mm（吉首）。

從逐日降水情況分析可看出（表1 ），整個(gè)過(guò)程以暴雨為主，強(qiáng)降水集中在2個(gè)時(shí)段，分別是10月27日8：00至30日8：00，10月31日8：00至11月1日8：00。第一個(gè)階段強(qiáng)降水落區(qū)穩(wěn)定維持在湘北地區(qū)，10月28日8：00至30日8：00是整個(gè)過(guò)程的最強(qiáng)降水時(shí)段，單日出現(xiàn)了20站次暴雨，2站次大暴雨，最大為石門(mén)的129.5 mm。第二個(gè)階段強(qiáng)雨帶南壓至湘中一帶，呈準(zhǔn)東西向，強(qiáng)度有所減弱。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次過(guò)程有多個(gè)縣（市）達(dá)到極端降水標(biāo)準(zhǔn)，其中有2個(gè)縣（市）24 h累積降水量達(dá)到極端標(biāo)準(zhǔn)，有8個(gè)縣（市）48 h累積降水量達(dá)到極端標(biāo)準(zhǔn)，有11個(gè)縣（市）72 h累積降水量達(dá)到極端標(biāo)準(zhǔn)，有13個(gè)縣（市）96 h累積降水量達(dá)到極端標(biāo)準(zhǔn)，有16個(gè)縣（市）過(guò)程最大連續(xù)5 d降水量達(dá)到極端標(biāo)準(zhǔn)，有9個(gè)縣（市）過(guò)程降水量達(dá)到極端標(biāo)準(zhǔn)。

2 大尺度環(huán)流形勢(shì)與影響系統(tǒng)特征

2.1 500 hPa環(huán)流場(chǎng)

對(duì)于持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程，大尺度環(huán)流形勢(shì)與暴雨的形成密切相關(guān)。10月27日20：00的500 hPa圖上（圖略）亞歐大陸中高緯為兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)。兩槽分別位于巴爾咯什湖與亞洲東部，均為深厚冷性槽，移動(dòng)緩慢，冷空氣源源不斷補(bǔ)充南下;貝加爾湖附近為一寬廣高壓暖脊控制。對(duì)比10月27日至11月2 日500 hPa平均高度場(chǎng)及距平場(chǎng)（圖2）分析發(fā)現(xiàn)，此次過(guò)程中高緯度的槽脊較歷年同期深厚，有利于南北冷暖氣流的交綏;副高主體寬廣，588線北界位于華南中部22°N，西脊點(diǎn)達(dá)90°E，較歷年同期偏西10個(gè)經(jīng)度，異常偏強(qiáng);江南、華中地區(qū)均處于副高邊緣不穩(wěn)定區(qū)域。從逐日的高度場(chǎng)分析，孟加拉灣一直維持低值區(qū)，且不斷分裂小槽發(fā)展，東移至川東地區(qū)，有利于下游產(chǎn)生降水。此外，洋面上低值系統(tǒng)較歷年同期平均偏北偏強(qiáng)，有利于洋面水汽輸送。

2.2 西南急流

分析湖南省懷化探空站高空風(fēng)-時(shí)間剖面圖（圖3a）發(fā)現(xiàn)，10月27日8：00至11月1日20：00期間 700 hPa一直維持強(qiáng)盛的西南急流，10月29日20：00之前風(fēng)速基本維持在18 m/s以上，且最大風(fēng)速達(dá)20 m/s;850 hPa在湘北一直存在強(qiáng)風(fēng)速輻合帶或切變。10月29日20：00之前，西南急流在850 hPa維持14 m/s以上，與強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)間相對(duì)應(yīng)，10月30日8：00隨著西南風(fēng)速減弱，降水強(qiáng)度也隨之減小，至11月2日8：00轉(zhuǎn)北風(fēng)后降水基本結(jié)束。

從暴雨區(qū)700 hPa平均風(fēng)場(chǎng)（圖3b）可以看出，在強(qiáng)降水發(fā)生之前，西南氣流從10月27日2：00的1 m/s迅速加強(qiáng)至28日14：00的18 m/s，至31日20：00一直維持12 m/s以上的風(fēng)速。西南急流長(zhǎng)時(shí)間維持為持續(xù)暴雨的發(fā)生提供了充沛的水汽。

2.3 地面冷空氣

此次持續(xù)性暴雨過(guò)程先后受東、西兩路冷空氣影響。首先是東路冷空氣，從10月27日開(kāi)始持續(xù)至31日。一般來(lái)說(shuō)，東路冷空氣對(duì)湖南省天氣主要有2個(gè)方面的影響，一是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，二是地面溫度低，特別是海拔低的地方會(huì)出現(xiàn)持續(xù)性的低溫天氣。10月26日20：00（圖4a），地面冷高壓中心位于內(nèi)蒙古東部，中心強(qiáng)度達(dá)1 040 hPa，從冷高壓底部分裂出冷空氣，在500 hPa脊前偏北氣流引導(dǎo)下不斷向華北至華中地區(qū)擴(kuò)散，10月27日2：00開(kāi)始持續(xù)影響湘北，溫度從31 ℃驟降至14 ℃，降水逐漸加強(qiáng)，且低溫天氣持續(xù)至整個(gè)降水過(guò)程。西路冷空氣對(duì)湖南省影響持續(xù)時(shí)間短，天氣能快速轉(zhuǎn)好。此次過(guò)程是在東路冷空氣減弱后，西路冷空氣開(kāi)始影響。11月1日8：00（圖4b），冷高壓位于蒙古國(guó)西北部，中心強(qiáng)度為1 045 hPa，高壓底部等壓線密集，且不斷分裂小高壓，南下速度快;至11月2日20：00，冷高壓主體南落，降水基本結(jié)束。

3 物理?xiàng)l件分析

3.1 動(dòng)力條件

從湖南省暴雨區(qū)平均200、850 hPa散度-時(shí)序圖（圖5a）可以看出，從10月28日8：00開(kāi)始，暴雨區(qū)高層輻散、低層輻合的垂直結(jié)構(gòu)開(kāi)始建立。隨著時(shí)間的推移，這種結(jié)構(gòu)越來(lái)越明顯。10月30日高層輻散最顯著，低層一直維持一個(gè)輻合狀態(tài)，直至31日20：00高層輻散和低層輻合形勢(shì)基本結(jié)束，降水也趨于結(jié)束。

從暴雨區(qū)垂直速度（圖5b）來(lái)看，其變化與強(qiáng)降水的時(shí)間演變對(duì)應(yīng)較好，共有4個(gè)垂直速度上升中心，分別為10月28日8：00、29日2：00、30日2：00及11月1日14：00，其中10月30日的垂直速度上升中心位于400 hPa高度，中心值達(dá)到-0.7 m/s，與當(dāng)天暴雨區(qū)發(fā)生的強(qiáng)降水相對(duì)應(yīng);其他的中心位置在500～850 hPa，為暴雨的發(fā)生提供了動(dòng)力條件。因此，高層輻散、低層輻合垂直結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)時(shí)間維持及垂直上升速度的增大為此次湖南省持續(xù)性暴雨的發(fā)生提供了動(dòng)力條件。

3.2 水汽條件

有了強(qiáng)盛的動(dòng)力抬升條件，是否有水汽的輻合成為暴雨發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素，通過(guò)水汽通量散度及水汽通量來(lái)分析此次暴雨的水汽條件。圖6為暴雨區(qū)平均水汽通量散度隨高度、緯度、經(jīng)度的時(shí)間剖面圖，可以看出，這次持續(xù)性暴雨過(guò)程的發(fā)生發(fā)展與中低層水汽輻合的強(qiáng)弱有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

從時(shí)間-高度剖面圖（圖6a）可以看出，水汽通量散度與垂直速度一樣有4個(gè)中心，除11月1日的水汽通量散度中心位于700 hPa高度外，其余3個(gè)中心均位于850 hPa高度，說(shuō)明中低層水汽的多少影響著暴雨持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短;與實(shí)況對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，10月27日湘西北已經(jīng)出現(xiàn)了暴雨量級(jí)的降水，這與水汽通量27日從700 hPa開(kāi)始輻合密切相關(guān)。從時(shí)間-緯度剖面（圖6b）可以看出，10月27—30日水汽輻合帶位于28°N以北，10月31日至11月1日輻合帶逐漸南壓，南北移動(dòng)位置與強(qiáng)雨帶的位置吻合。從時(shí)間-經(jīng)度剖面圖（圖6c）可以看出，西部（110°—111°E）強(qiáng)水汽輻合主要集中在10月27日20：00至30日8：00，水汽通量散度達(dá)-3×10-7 ? ?g/（cm2·hPa ·s），而東部（113°—115°E）強(qiáng)水汽輻合則主要集中于28日20：00至31日8：00。由此可以看出，水汽通量散度中心的大小、出現(xiàn)的位置和時(shí)間與這次暴雨的強(qiáng)度、范圍相吻合，為本次持續(xù)性暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽條件。

水汽通量也是表征水汽條件的重要因子。圖7為10月27日20：00至11月1日20：00水汽通量及水汽通量散度。10月27日湘西北水汽通量為14 g/（cm·hPa ·s），水汽輻合也在湘西北明顯加強(qiáng)，降水從湘西北開(kāi)始發(fā)展。隨著低層西南風(fēng)的加強(qiáng)，其攜帶大量的暖濕氣流北上。10月28—30日水汽通量中心在湘中及以北地區(qū)維持，水汽輻合區(qū)主要位于水汽通量中心北側(cè)，強(qiáng)降水落區(qū)與水汽輻合區(qū)相吻合。總體來(lái)看，此次過(guò)程水汽通量大，水汽輻合強(qiáng)，并且輻合區(qū)域也很大，說(shuō)明低層水汽是持續(xù)性區(qū)域暴雨的主要輸送源，而低空急流的建立和發(fā)展直接影響暴雨的強(qiáng)度、范圍和持續(xù)時(shí)間。

3.3 不穩(wěn)定層結(jié)

這次持續(xù)性暴雨過(guò)程是從10月27日白天開(kāi)始，從大氣層結(jié)（圖8）來(lái)看，10月27—28日湖南省大氣層結(jié)的Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）（500 hPa與850 hPa的假相當(dāng)位溫差）>0 K，大氣層結(jié)處于對(duì)流穩(wěn)定狀態(tài)。湘北由于降水的影響，溫度較低，沒(méi)有不穩(wěn)定能量釋放，以穩(wěn)定性降水為主。湘南由于前期溫度較高， 29日開(kāi)始有不穩(wěn)定能量的堆積，加之冷空氣南下及低層暖濕氣流加強(qiáng)，31日湘中地區(qū)大氣層結(jié) ? ? ? ? ? ? Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）=-15 K，表明湘中一帶有利于暴雨的產(chǎn)生。湘北、湘西北地區(qū)為正值，不利于暴雨的產(chǎn)生。實(shí)況是湘中出現(xiàn)局地暴雨天氣。

11月1日隨著不穩(wěn)定能量的釋放，全省又轉(zhuǎn)為對(duì)流穩(wěn)定狀態(tài)。從暴雨區(qū)大氣層結(jié)時(shí)序圖（圖9）可以看出，在暴雨過(guò)程開(kāi)始時(shí)段（10月27日）， ? ? ? ? ? Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）<0 K，以對(duì)流性降水開(kāi)始，能量快速釋放，繼而轉(zhuǎn)為穩(wěn)定性降水。10月28—29日雨帶在湘北維持，直至30日雨帶南壓，影響到前期溫度較高的湘中偏南地區(qū)，再次有對(duì)流性降水發(fā)生，但隨著不穩(wěn)定能量釋放，沒(méi)有新能量補(bǔ)充，降水過(guò)程也隨之停止。

3.4 溫度平流

結(jié)合溫度平流（圖10）和風(fēng)場(chǎng)（圖11）來(lái)看，10月28—30日湘北為暖平流區(qū)，且暖平流中心逐漸南壓。28日暖平流最強(qiáng)，中心約為27 ℃。從實(shí)況來(lái)看，28日降水在湘北地區(qū)出現(xiàn)了成片的大暴雨區(qū)。31日西南風(fēng)減弱，北風(fēng)加強(qiáng)，暖平流勢(shì)力減弱，湘北逐漸轉(zhuǎn)為冷平流控制，雨帶隨之南壓，集中在湘中偏南地區(qū)。11月1日北風(fēng)加大，帶動(dòng)冷空氣南下，全省轉(zhuǎn)冷平流控制，降水基本結(jié)束。

4 結(jié)論

此次湖南省秋季持續(xù)罕見(jiàn)暴雨具有影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水強(qiáng)度大等特點(diǎn)。通過(guò)分析可知，這次持續(xù)暴雨過(guò)程是在有利的大尺度條件下發(fā)生的。500 hPa中低緯度地區(qū)東高西低的形勢(shì)穩(wěn)定維持在整個(gè)暴雨階段，西太副高脊結(jié)較歷年同期異常偏北偏強(qiáng)，有利于洋面水汽輸送。暴雨發(fā)生在中低層切變線南側(cè)、低層急流最前端左側(cè)及地面輻合線附近。與夏季暴雨穩(wěn)定條件不同，這次秋季持續(xù)性暴雨是在大氣層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)生的。中層沒(méi)有明顯冷空氣活動(dòng)，低層弱冷空氣侵入，大氣層結(jié)處于對(duì)流穩(wěn)定狀態(tài)。高層輻散、低層輻合及強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)為暴雨的發(fā)生提供了有力的動(dòng)力抬升條件;低空西南急流的建立和維持為暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽條件，整個(gè)強(qiáng)降水過(guò)程冷空氣活動(dòng)較弱，主要發(fā)生在西南急流左側(cè)的水汽輻合區(qū)。

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