湖南一次強降水天氣過程分析

楊云蕓 劉紅武 蘇濤胡燕鐘聲 王曉雷

(1 氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118; 2 湖南省氣象臺,長沙 410118；3 湖南省新邵縣氣象局,新邵 410007)

引言

一直以來受地形和氣候條件的共同影響，暴雨是湖南省的主要災害性天氣，暴雨日數(shù)多、主汛期時間長是湖南雨季的主要特點。特別是在城市化進程的加快和地球不斷變暖的共同作用下，極端性的強降水次數(shù)頻發(fā)而且強度有所增加[1-4]。有學者指出極端降水造成的洪澇災害已對中國各大城市造成了嚴重的社會經(jīng)濟影響，并就如何應對提出了相應的措施[5]。隨著衛(wèi)星、雷達各類產(chǎn)品越來越多地應用到識別降水云團和預判降水量的領(lǐng)域中，對強降雨的發(fā)展和雨帶移動的深入分析提供了有效支撐[6-8]。如萬曉敏[9]等通過對風云衛(wèi)星云導風資料的模擬評估，衛(wèi)星資料對強降水落區(qū)及強度有一定的指導意義。蘇愛芳[10]等指出風云衛(wèi)星、雷達等可以對不同性質(zhì)和發(fā)展階段的暴雨云團有指示作用。張雅斌[11]等指出TBB中心與3 h正變壓有較好對應關(guān)系，暴雨多集中于對流云團之間TBB梯度大值區(qū)。我國不少氣象學者針對中國不同區(qū)域強降水天氣發(fā)生的天氣尺度環(huán)流特征進行了統(tǒng)計分析和總結(jié)[12-16]。蔡榮輝[17]等指出湖南致洪暴雨降水的階段性特征受水汽通量、比濕等物理量的水平及垂直分布影響。陳紅專[18]等通過對湖南盛夏一次暴雨過程研究分析得知持續(xù)性暴雨的發(fā)生發(fā)展需要各系統(tǒng)有效配置和穩(wěn)定維持，特別是水汽及低空急流。

但是目前針對多影響系統(tǒng)的強降水過程的研究相對較少，為加強湖南汛期強降水發(fā)生機理的研究，本文運用多種觀測和再分析資料對湖南2019年6月6—10日強降水過程進行深入分析研究，探究多系統(tǒng)影響下強降水過程特點、形成機理，希望為今后湖南汛期強降水的預警預報提供一定的參考。

1 資料與方法

本文采用2019年6月6—10日常規(guī)高空、地面氣象資料、湖南區(qū)域自動站資料、雷達產(chǎn)品及衛(wèi)星資料及每天4次的1°×1°的NCEP/NCAR再分析資料，利用統(tǒng)計學方法對湖南省降水情況進行分析，揭示了此次過程的降水分布和災情實況；利用天氣學診斷方法對溫、壓、濕、風等氣象要素進行討論，揭示出此次降水特征分布；利用雷達、衛(wèi)星等高分辨率資料探討中尺度云團的演變情況和過程的對流性特征；通過對螺旋度、位渦、鋒生函數(shù)等物理量進行計算，結(jié)合有效位能、抬升指數(shù)等對流潛勢指數(shù)綜合分析強降水過程的動力、熱力條件。

2 天氣過程及災情實況

2019年6月6—10日的湖南強降水天氣過程，具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、累計雨量大、降雨強度強等特點(圖1)。除湘西北外，全省大部分雨量超過50 mm，共有583個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過100 mm，30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過200 mm，最大為株洲市茶陵縣嚴塘鎮(zhèn)的304.3 mm。過程期間每天均有站點達到暴雨和大暴雨(圖2)，其中8日暴雨多達576站次，最大日雨量為9日08:00至10日08:00永州市江永縣瓦扎灣的233.4 mm，6日17時邵陽隆回高坪的最大小時雨強達86.1 mm，東安6月9日1 d降水量161.4 mm，突破歷史極值。截止6月11日，據(jù)湖南省應急廳救災保障處統(tǒng)計強降水帶來直接經(jīng)濟損失8.4億元。

圖1 湖南省2019年6月6日08:00至10日08:00累計降雨量實況

圖2 湖南省2019年6月6—9日逐日暴雨、大暴雨站數(shù)

3 降雨大尺度環(huán)流背景分析

本次強降水過程500 hPa是兩槽一脊的單阻形勢(圖3)，兩低壓槽位于烏拉爾山西側(cè)的東歐平原及我國東北，高壓脊位于巴爾喀什湖和貝加爾湖之間。烏山西部低槽后有-20 ℃冷中心，在冷平流的作用下不斷加深東移，同時兩湖之間高壓脊在暴雨過程發(fā)生期間(6—10日)不斷加強發(fā)展且平均正距平達60～80 gpm。8—9日降雨最強時段脊內(nèi)正距平最大達100 gpm以上，脊前東北低渦也在此時達最大負距平(60～80 gpm)，低渦旋轉(zhuǎn)帶動其尾部冷高壓南下與暖濕氣流交匯造成湖南強降雨。整個強降水主要分為暖區(qū)暴雨、中層冷平流入侵暴雨、鋒面暴雨3個階段。

圖3 2019年6月6—10日500 hPa高度場和距平場(a),7日500 hPa高度場和距平場(b)(黑色實線為500 hPa位勢高度場等值線，紅色為氣候平均值，單位：gpm，間隔4 gpm；色斑為500 hPa位勢高度距平場)

第1階段：7日20:00中高緯歐亞長波槽脊位置偏北、發(fā)展較慢，而洋面上副高呈東西帶狀分布，西脊點位于95°E，較歷年同期偏西24個經(jīng)度，5880 gpm 線北界至25°N ，比歷年同期偏北5個緯度。東移時槽前正渦度平流與副高5880 gpm邊緣暖濕氣流相遇，從而加大大氣不穩(wěn)定度。湖南處于200 hPa急流出口區(qū)右側(cè)強輻散區(qū)內(nèi)和700 hPa低空急流北側(cè)輻合區(qū)內(nèi)，有利于強降雨發(fā)生。7日20:00 地面低壓倒槽發(fā)展旺盛，輻合線在中南部地區(qū)擺動，強降雨主要發(fā)生在925 hPa切變線以南、西南急流出口處及輻合線東側(cè)最不穩(wěn)定區(qū)域，符合典型的暖區(qū)暴雨形勢。

第2階段：強降雨從8日開始發(fā)展，雨區(qū)范圍擴大至全省，共出現(xiàn)了15個國家站次的暴雨、3站次大暴雨。8日20:00中高緯槽脊明顯加強發(fā)展，東北低渦加強，低槽向西側(cè)傾斜使環(huán)流經(jīng)向度加大，尾部旋轉(zhuǎn)帶下的冷高壓南下。副高南撤至洋面上，中低緯低槽逐漸東出，槽前正渦度平流加強了湘中及以南的輻合上升運動。700 hPa西南急流位于湘南，最大風速12 m/s。850 hPa從08:00—20:00維持雙低渦切變，其南側(cè)暖濕氣流加大了熱力不穩(wěn)定度，而北側(cè)有偏東北冷平流從洞庭湖侵入。925 hPa切變線與地面輻合線位置接近重合，維持在湘東—湘西南且略有擺動，動力、熱力條件的配合有利于強降水出現(xiàn)。8日20:00最大正變壓中心位于湘西一帶，9日02:00南移至湘西南，9日08:00東移至湘東南地區(qū)，最大值超過2.4 hPa，與強降水落區(qū)十分吻合，對預報暴雨具有較好指示意義。

第3階段：9日20:00隨著東北冷渦逐漸入海，長江中下游及以南大部分地區(qū)處于槽后西北氣流中。湖南中南部仍處于700 hPa雙低渦切變東南側(cè)，為低層暖濕中層干冷的不穩(wěn)定層結(jié)，前傾槽使系統(tǒng)斜壓性加強，有利于對流性強降雨發(fā)生。冷鋒于10日凌晨壓至湘東南，對流性降水逐漸轉(zhuǎn)為鋒面暴雨。隨著東北冷渦主體入海，副高明顯南撤至洋面，全省大部分地區(qū)處于槽后西北氣流控制中，過程基本結(jié)束。

4 雷達特征分析

2019年6月8日晚湘西南出現(xiàn)了區(qū)域性大暴雨，分析發(fā)現(xiàn)列車效應特征明顯，回波帶成東西向(圖4a)，強回波中心達45 dBz以上。強回波中心西南側(cè)有新回波持續(xù)觸發(fā)生成，東移為主緩慢南壓，且回波帶的走向和引導氣流的夾角較小，造成南壓的速度緩慢。

從對應0.5°仰角速度圖上(圖4b)可知第一個距離圈內(nèi)負速度的面積大于正速度，表征了明顯的輻合風場，中低層有利的輻合使得回波帶穩(wěn)定維持。抬高仰角到3.4°(圖5a)有以準西風為主的明顯正負速度大值區(qū)(約4.5 km)。結(jié)合VWP資料(圖5b)，5.5 km左右(紅色方框)為偏西風主，近地面為偏北風，1.5～5.5 km以上為西南風，表明底層有弱冷空氣侵入造成了風向的順轉(zhuǎn)，垂直風切變使得回波具有一定的對流性。從對應的垂直剖面(圖略)可知強回波具有一定的低質(zhì)心特征(40 dBz明顯低于0 ℃層高度)，因此降水效率非常高，導致了邵陽局地大暴雨。

圖4 2019年6月8日21:30邵陽組合反射率因子(a)、0.5°仰角徑向速度圖(b)

圖5 2019年6月8日21:30 邵陽4.3°仰角徑向速度圖(a)、20：01—21：00VWP圖(b)

5 雨團與云團分析

從2019年6月6日衛(wèi)星資料分析，降雨云團主要從午后在湖南境內(nèi)生成與發(fā)展，主要為分散塊狀對流云，然后東移并緩慢南壓移出湖南省，強降雨位于湘北。7日切變線仍然位于湘北，但貴州西部有低渦存在，午后到傍晚對流云團在湘南生成發(fā)展，夜間東移出湖南。與此同時，傍晚在貴州西部低渦位置觸發(fā)有新生云團，在緩慢東移過程中不斷發(fā)展壯大，約在8日04:00發(fā)展為MCC(圖6a)，其云團東部開始影響湘西，但進入湘西后MCC減弱為切變云系。8日08:00，-52 ℃區(qū)域變成“人”字形，造成湘西局地大暴雨，8日15:00在湘中重新發(fā)展，云頂TBB小于-52 ℃區(qū)域迅速增大， 東移至與江西交界處時，發(fā)展極為旺盛并重新成為MCC結(jié)構(gòu)(圖6b)。隨著MCC東移至江西，其尾部在湘中又有對流云團新生，為切變云系。8日20:00，貴州南部觸發(fā)有兩個對流云團，在東移發(fā)展過程中合并組織化為MCC(圖6c)影響湘西南，并與湖南境內(nèi)的切變云系相互反饋后經(jīng)歷發(fā)展變形合并，9日08:00又重新演變?yōu)橐粋€MCC云圖(圖6d)，造成05:00—08:00湘西南有10站次超過100 mm的大暴雨。可見在最強降雨時段，強降雨均是由MCC所造成的。

圖6 2019年6月8日04:00(a)、8日20:00(b)、9日02:00(c)和9日08:00(d)的紅外云圖

6 環(huán)境場條件分析

6.1 動力條件

從物理量經(jīng)向剖面(圖7a)可以看出，較強降水發(fā)生時(9日08:00)，湘中(27°N附近)有一個深厚的垂直運動區(qū)，強上升中心超過3.5×10-2m·s-1位于700～600 hPa附近，1×10-2m·s-1以上的顯著上升區(qū)主要在湖南境內(nèi)。同時有合適散度場與之配合，29°N以南700 hPa以下存在低層輻合，400 hPa以上有輻散中心，中間則表現(xiàn)為弱輻合輻散區(qū)。散度場空間分布和垂直速度對應較好， 強上升中心與無輻散層相對明顯。將物理量進行區(qū)域平均，得出湖南區(qū)域平均垂直速度和散度隨時間的變化(圖7b)，揭示出了有利抬升條件出現(xiàn)的時間主要在8—9日，說明低層輻合、高層輻散的環(huán)流配置為暴雨的發(fā)生創(chuàng)造了較好的動力背景場。

圖7 2019年6月9日08:00垂直速度和散度經(jīng)向剖面(a),2019年6月6—11日垂直速度和散度時間剖面(b)(陰影：垂直速度，等值線：散度，單位：10-5·s-1)

從螺旋度和流場的分布(圖8a)可知，強降水發(fā)生時環(huán)流結(jié)構(gòu)較為清晰，850 hPa以下偏南氣流十分強盛，與北側(cè)偏北擾動相遇于28°N以南地區(qū)，輻合線位置隨高度基本不變并伸展到600 hPa，造成強烈上升運動，形成顯著次級環(huán)流。螺旋度的分布表現(xiàn)是低層有最大值超過2×10-6m·s-2的正螺旋度中心，高層是負中心，對應著向上伸展的垂直運動和高低層有利的渦旋運動。位渦分布圖(圖8b)顯示，位渦異常區(qū)主要位于福建—廣西一帶，與此次過程的降雨帶重點覆蓋區(qū)域相對應。湖南的大部表現(xiàn)為大于1 PVU(1 PVU=106m2·K·s-1·kg-1下同)的位渦分布，為當?shù)氐膹娊邓峁┝擞欣臈l件和環(huán)境。

圖8 2019年6月9日08:00垂直螺旋度(陰影)和流場(W×100)經(jīng)向剖面(a),低層位渦分布(b)

通過以上討論可知西南低空急流是低層輻合的關(guān)鍵因子，其輸送的暖濕氣流使得華南地區(qū)存在低渦異常。除了低空急流，冷空氣也對此次強降水過程起到了重要作用，從南北溫差(圖9a)看出8日上午有一正溫差中心，表明南北溫差加大，已經(jīng)有冷空氣開始影響湘北地區(qū)。9日白天轉(zhuǎn)換為負溫差中心，意味著冷空氣逐漸南下開始影響湘南地區(qū)。溫差的剖面圖清楚地顯示了8—9日冷空氣南下影響湖南的過程，溫差中線主要存在于850 hPa以下，說明冷空氣相對淺薄主要影響低層。

圖9 2019年6月7—11日08:00南北溫差時間剖面(a),2019年6月9日08:00低層水平鋒生函數(shù)分布(b)

6.2 水汽條件

水汽源匯和動力輸送是約束水汽循環(huán)、影響水汽分布的有效機制，在夏季風作用下湖南夏半年通常具有較好的水汽條件。水汽通量散度(圖10a)也能看出湘中地區(qū)存在明顯的水汽輻合，表示該區(qū)域內(nèi)有水汽匯合和聚集，比濕達14 g·kg-1左右表征絕對濕度條件較好。水汽演變(圖10b)則可以看出水汽通量散度中心和比濕脊重合在8—9日，為該時段的強降水提供了條件。

圖10 2019年6月9日08:00水汽通量散度(陰影)和比濕(等值線，單位：g·kg-1)分布(a),2019年6月6—11日水汽通量散度(陰影)和比濕(等值線，單位：g·kg-1)時間剖面(b)

6.3 熱力條件

大氣的熱力特征和不穩(wěn)定能量關(guān)系著強降水的維持，層結(jié)狀況和能量分布決定了對流是否能夠自主發(fā)展，對強降水的發(fā)生強度、持續(xù)時間有較好的指示作用。

8日20:00對流有效位能相對較大(圖11a)，湖南空間上為北低南高，南部最大值超過1500 J·kg-1。從區(qū)域平均的演變情況(圖11b)來看，前期不穩(wěn)定能量相對較大，因聚集的能量前期未過多釋放，8日白天不穩(wěn)定能量累積達到最大，區(qū)域平均值超過700 J·kg-1。隨著強降水的發(fā)生使得能量迅速釋放并在9日夜間降到300 J·kg-1以下，難以繼續(xù)維持強降水活動，意味著強降水事件趨于結(jié)束。

圖11 2019年6月8日20:00對流有效位能CAPE分布(a),2019年6月6—11日湖南區(qū)域?qū)α饔行荒蹸APE隨時間演變(b)

8日20:00的抬升指數(shù)(圖12a)顯示湖南存在兩個負值中心，湘中地區(qū)尤為顯著，中心值小于-4 K，標志著該區(qū)域?qū)咏Y(jié)相對不穩(wěn)定，且蘊含著較大的能量。區(qū)域平均的演變情況(圖12b)顯示抬升指數(shù)在8—9日為波谷，8日白天表現(xiàn)最低且小于-3.5 K，抬升指數(shù)的變化趨勢也與降水狀態(tài)相對應。

圖12 2019年6月8日20:00抬升指數(shù)LI分布(a),2019年6月6—11日湖南區(qū)域抬升指數(shù)LI隨時間演變(b)

7 結(jié)論與討論

(1)2019年6月6—10日的降水過程影響系統(tǒng)復雜多變，先后為地面暖低壓倒槽發(fā)展為暖切變線所造成的暖區(qū)降水，中層冷平流入侵的暴雨、低槽東出引導低層冷空氣分裂南下所造成的冷鋒暴雨。

(2)強降水過程中散度場的高低空分布與垂直速度對應較好，強上升中心基本位于無輻散層附近。強降水發(fā)生時環(huán)流結(jié)構(gòu)清晰，低緯偏南氣流與北側(cè)偏北擾動相互作用，造成強烈的上升運動，形成顯著次級環(huán)流。

(3)本次強降水過程中先后有多個對流云團在湖南境內(nèi)發(fā)展、合并，且對流云團的移動路徑與雨帶位置的擺動對應性較好。特別是在最強降雨時段有“人”字形切變云系的形成，并且在移動和發(fā)展過程中不斷有新的對流云團經(jīng)歷初生和成熟階段，對流云的合并是造成強降水的重要因素之一。

(4)從雷達分析可知，本次降水過程中強回波中心達45 dBz，且40 dBz明顯低于0 ℃層高度具有低質(zhì)心降水特征，列車效應明顯，南壓緩慢造成局地強降水。