西太平洋副熱帶高壓控制下湖南一次短時強降水成因分析

蘭明才，周 莉，蔣 帥，尹依雯，許 霖

（1.湖南省氣象臺，湖南 長沙 410118；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410118；3.湖南省岳陽市氣象局，湖南 岳陽 414000）

引言

湖南地處東亞季風區(qū)，同時受亞熱帶季風氣候影響，短時強降水事件頻發(fā)，因其降水強度大，在季風季節(jié)往往造成城市內(nèi)澇、山洪、泥石流等多種災害，給社會經(jīng)濟發(fā)展造成嚴重影響［1-2］。湖南三面環(huán)山，東有羅霄山脈，南有南嶺，西有武陵和雪峰山脈，中部多為丘陵和盆地，北部為洞庭湖平原，復雜的馬蹄型地形環(huán)境給湖南短時強降水精準化預報帶來挑戰(zhàn)［3-6］，提升短時強降水的預報能力對湖南防災減災意義重大。

長江中下游地區(qū)春、夏季短時強降水一般在西太平洋副熱帶高壓（簡稱“西太副高”）、低渦和低空急流等多種系統(tǒng)共同影響下發(fā)生［7-9］，作為東亞夏季風的主要環(huán)流系統(tǒng)，西太副高發(fā)揮著重要作用，它將熱帶海洋的水汽輸送到東亞地區(qū)，促使偏南暖濕氣流與冷空氣易在西太副高西部邊緣交匯形成雨帶［10-12］，東亞夏季風的建立和撤退與西太副高的季節(jié)和季節(jié)內(nèi)變化密切相關(guān)，因此西太副高對長江中下游乃至東亞地區(qū)的降水有重要影響［13-15］。除西太副高、低空急流等大尺度影響系統(tǒng)外，有組織的中尺度對流系統(tǒng)是長江中下游地區(qū)對流性暴雨的直接影響系統(tǒng)［16-21］，而典型的環(huán)流配置則為中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供高能高濕和強上升運動等環(huán)境條件，有利于短時強降水的發(fā)生。

研究發(fā)現(xiàn)，夏季西太副高脊附近的下沉氣流抑制了副高控制區(qū)的局地降水，并對東亞雨帶北擴起到調(diào)節(jié)作用，不易產(chǎn)生短時強降水天氣，一般來說西太副高西伸所到之處對應晴天［22-25］。但觀測事實表明，西太副高控制區(qū)短時強降水天氣時有發(fā)生，在業(yè)務預報中容易漏報，尤其是局地短時特大暴雨，給長江中游地區(qū)夏季短時暴雨預報帶來更大挑戰(zhàn)。西太副高控制下的短時強降水歷時短、雨強大、降水集中，具有明顯的中尺度特征［26-27］，但缺乏明顯的槽、急流等大尺度特征，與湖南汛期暴雨的一般概念模型有所不同［28-29］，在業(yè)務預報中對此類短時強降水的預報能力有限及其突發(fā)災害的應變能力不足。為進一步加深對西太副高控制下湖南短時強降水的認識，探究其成因和觸發(fā)機制，本文選取2018年9月6日發(fā)生在湖南的一次西太副高控制下的短時強降水過程，分析其天氣學特征和中尺度對流系統(tǒng)形成及發(fā)展機制，凝煉西太副高控制下的短時強降水形成原因，以期為預報業(yè)務提供思路。

1 數(shù)據(jù)

所用資料主要包括：（1）湖南省97個國家基本氣象觀測站和3400余個自動氣象觀測站逐小時降水量；（2）NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）逐6 h再分析資料，包括位勢高度場、風場、比濕、相對濕度、垂直速度、假相當位溫、渦度等物理量，空間分辨率為1°×1°；（3）郴州站多普勒天氣雷達 觀 測 資 料；（4）FY-2F衛(wèi) 星 逐1 h云 頂亮 溫（black body temperature，TBB）資料；（5）長沙、懷化、郴州站探空數(shù)據(jù)。中國及其省（市、區(qū)）行政邊界基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2017）3320號的標準地圖制作，底圖無修改。

2 環(huán)流背景與中尺度系統(tǒng)特征

2.1 天氣實況

2018年9月6日湖南出現(xiàn)一次短時強降水天氣過程，強降水發(fā)生時段為07：00—20：00（北京時，下同），湘中及其以北地區(qū)小到中雨為主，部分地區(qū)出現(xiàn)大雨和暴雨，湘南地區(qū)為中到大雨，局地出現(xiàn)暴雨到大暴雨［圖1（a）］。其中，大雨167站，暴雨44站，大暴雨2站，最大累計降水量（114.1 mm）出現(xiàn)在郴州市臨武縣的萬水鄉(xiāng)三十六灣站，該站降水主要集中在13：00—14：00（82.4 mm）［圖1（b）］。從表1看出，全省區(qū)域站1 h降水量大于等于20 mm的有203站，大于等于50 mm的有19站，最大小時雨量同樣出現(xiàn)在萬水鄉(xiāng)三十六灣站，為82.4 mm；3 h降水量大于等于50 mm的有93站，最大3 h雨量出現(xiàn)在邵陽武岡市，為103.4 mm。

2.2 環(huán)流背景

圖1 2018年9月6日07:00—20:00湖南省自動站累計雨量（a，單位：mm）和11:00—17:00三十六灣站逐小時降水量（b）Fig.1 The accumulative precipitation at automatic weather stations of Hunan Province from 07:00 BST to 20:00 BST(a,Unit:mm)and hourly precipitation at Sanshiliuwan station from 11:00 BST to 17:00 BST(b)on September 6,2018

表1 2018年9月6日07：00—20：00湖南省區(qū)域自動站降水統(tǒng)計Tab.1 The statistics of rainfall at regional automatic weather stations of Hunan Province from 07：00 BST to 20：00 BST on September 6，2018

圖2 2018年9月6日08：00（a、c）和14：00（b、d）500 hPa（a、b）和925 hPa（c、d）位勢高度場（等值線，單位：dagpm）及風場（風向桿，單位：m·s-1）Fig.2 Geopotential height field（isolines，Unit：dagpm）and wind field（wind shafts，Unit：m·s-1）at 500 hPa（a，b）and 925 hPa（c，d）at 08：00 BST（a，c）and 14：00 BST（b，d）on September 6，2018

圖2為2018年9月6日08：00、14：00的500 hPa和925 hPa位勢高度場和風場。可以看出，6日500 hPa湘北地區(qū)處于西太副高北部。08：00，500 hPa西太副高呈塊狀分布并控制湖南至福建地區(qū)，中高緯地區(qū)低壓槽東移發(fā)展，引導槽后冷空氣南下［圖2（a）］；700 hPa湖南受偏南和偏西南氣流控制，弱切變線位于湖北北部（圖略）；925 hPa湘中以南存在較明顯的風速風向輻合區(qū)［圖2（c）］；地面上，位于貝加爾湖以西的冷高壓中心氣壓達1032.5 hPa，湖南處于冷高壓底部，鋒面自北向南影響湘南（圖略）。14：00，西太副高仍控制著湖南地區(qū)［圖2（b）］，850 hPa與700 hPa環(huán)流形勢較為相似，弱切變線位于湘南（圖略），925 hPa湘中以南的輻合區(qū)略有南移［圖2（d）］，輻合區(qū)位置與降水區(qū)有較好的對應關(guān)系。6日20：00，輻合區(qū)南移出湖南；7日02：00，湖南高低空一致轉(zhuǎn)為北風（圖略），降水結(jié)束。

2.3 中尺度對流系統(tǒng)特征

6日07：30，湖南受西太副高控制且無明顯系統(tǒng)［圖3（a）］；12：30，受地面輻合線的動力抬升作用，湘西有小塊對流云團出現(xiàn)，而湘南有大片的對流云團發(fā)展，中心云頂亮溫達-68℃，結(jié)構(gòu)較分散，云團最大直徑約200 km［圖3（b）］；15：30，對流云團擴大，基本控制了湘南地區(qū)，云團最大直徑為400 km，中心云頂亮溫達-76℃，形成中尺度對流系統(tǒng)并達到鼎盛階段，盡管其組織性不強，但在分裂后又在原地不斷產(chǎn)生新的對流云團［圖3（c）］，給湘南地區(qū)帶來較長時間的降水；22：00以后，對流云團迅速減弱消失［圖3（d）］。

3 水汽條件和穩(wěn)定度特征

圖4 2018年9月6日08：00沿三十六灣站（112.55°E，25.27°N）的比濕（a，單位：g·kg-1）、相對濕度（b，單位：%）和假相當位溫（c，單位：K）經(jīng)向垂直剖面Fig.4 The meridional vertical section of specific humidity（a，Unit：g·kg-1），relative humidity（b，Unit：%）and pseudo-equivalent potential temperature（c，Unit：K）along Sanshiliuwan station（112.55°E，25.27°N）at 08：00 BST on September 6，2018

圖4是2018年9月6日08：00沿過程最大累計降水量三十六灣站（112.55°E，25.27°N）的比濕、相對濕度和假相當位溫經(jīng)向垂直剖面?？梢钥闯?，6日08：00，28°N以南地區(qū)850 hPa以下比濕等值線密集，其值在15 g·kg-1以上；受冷空氣影響，32°N—33°N范圍存在濕度鋒區(qū)［圖4（a）］，對應切變線及冷空氣南下位置，湘南地區(qū)出現(xiàn)短時強降水。同時，相對濕度大于60%的高濕區(qū)從地面一直延伸到對流層頂［圖4（b）］，北方干冷空氣和南海暖濕空氣在湘東南地區(qū)交匯，干冷空氣從底層楔入，暖濕空氣被迫抬升，利于不穩(wěn)定能量積蓄，且整個降水過程中湘東南始終處于水汽輻合區(qū)，降水強度大，925 hPa水汽輻合區(qū)與降水落區(qū)較為一致（圖略）。由于冷空氣補充南下，08：00，850～700 hPa假相當位溫密集帶位于28°N附近，對應鋒面位置，鋒面前側(cè)因低層干冷空氣侵入，使得25°N—28°N范圍內(nèi)348 K假相當位溫特征線向上凸起，有顯著的上升運動；同時，湘南地區(qū)（25°N附近）925～700 hPa假相當位溫隨高度遞減［圖4（c）］，表明中低層為對流性不穩(wěn)定層結(jié)，而700～500 hPa為中性層結(jié)。值得注意的是，25°N—28°N范圍850 hPa以下假相當位溫存在多個上凸和下凹，正對應著多個上升與下沉運動，與湘南地區(qū)東西向多條雨帶有較好的對應關(guān)系。

表2統(tǒng)計了上述3站08：00和20：00的對流物理量參數(shù)，包括對流有效位能（convective availablepotential energy，CAPE）、對流抑制能量（convective inhibition，CIN）、K指數(shù)、沙氏指數(shù)（Showalter index，SI）、對流性穩(wěn)定度指數(shù)（instability convection index，IC）、對流溫度（convective temperature，Tc）、抬升凝結(jié)高度（lifting condensation level，LCL）和自由對流高度（level of free convection，LFC）?？梢钥闯觯恢?、懷化站Tc低且湖南中低層水汽豐富，冷空氣侵入疊加熱力抬升促使對流天氣更易發(fā)生。盡管懷化、郴州站2個時刻對流物理量參數(shù)值不完全一致，但總體上08：00（暴雨發(fā)生前）暴雨區(qū)K≥39℃、CAPE＞600.0 J·kg-1、CIN＜100.0 J·kg-1、SI＜-1.0℃、IC＜-10.0℃、LCL較低，易形成質(zhì)心較低的高效降水云團。由于LFC和Tc較低，午后在太陽輻射增溫作用下氣溫易達到對流發(fā)生的臨界溫度而觸發(fā)對流天氣。長沙站K指數(shù)、SI和IC條件雖好，但CAPE為0.0 J·kg-1、Tc約36℃（遠大于最高氣溫），很難觸發(fā)對流天氣。

表2 2018年9月6日08：00和20：00郴州、懷化、長沙探空站對流物理量參數(shù)統(tǒng)計Tab.2 The statistics of convective physical parameters at Chenzhou，Huaihua and Changsha radiosonde stations at 08：00 BST and 20：00 BST on September 6，2018

4 大尺度動力條件和觸發(fā)機制

圖5是2018年9月5—7日三十六灣站（112.55°E，25.27°N）垂直速度、散度和渦度的時間-高度剖面及6日14：00天氣形勢示意圖?？梢钥闯?，6日08：00，三十六灣站低層垂直速度為正，且存在一定的正渦度區(qū)但厚度較薄，而中高層為垂直速度較弱的負值區(qū)；14：00，垂直上升速度增加，最大上升速率為0.68 m·s-1，低層散度轉(zhuǎn)為負值，且向上伸至500 hPa附近，低層輻合、高層輻散有利于上升運動的維持。從6日14：00天氣形勢圖不難看出，850 hPa及以上天氣系統(tǒng)位置偏北，湖南強降水的動力觸發(fā)系統(tǒng)為925 hPa切變線和地面輻合線。隨著鋒面移近，鋒面輻合使得正渦度增大、輻合增強且向上延伸。總體而言，湖南上空垂直運動增強，有利于渦度向上輸送，中低層輻合不斷加強，配合高層輻散，利于上升運動的維持和降水的增強。

圖5 2018年9月5—7日三十六灣站（112.55°E，25.27°N）垂直速度（a，單位：Pa·s-1）、散度（b，單位：10-4 s-1）和渦度（c，單位：10-5 s-1）的時間-高度剖面以及6日14：00天氣形勢示意圖（d）Fig.5 The time-height section of vertical velocity（a，Unit：Pa·s-1），divergence（b，Unit：10-4 s-1）and vorticity（c，Unit：10-5 s-1）at Sanshiliuwan station（112.55°E，25.27°N）from 5 to 7 September and sketch map of weather situation at 14：00 BST on September 6（d），2018

與典型的汛期強降水過程相比，此次過程的大尺度動力強度較弱，但由于抬升凝結(jié)高度和自由對流高度較低，且低空對流抑制能量較弱（表2），使得對流觸發(fā)不需要太強的抬升機制，僅近地面層的輻合抬升就足以觸發(fā)對流性降水。

受弱冷空氣影響，6日08：00，懷化、邵陽、永州、郴州一帶有一條地面輻合線，受近地面輻合線引起的抬升作用，懷化、永州地區(qū)有小塊對流云團生成發(fā)展并向北緩慢移動；11：00，地面輻合線略有北抬，湘中以南出現(xiàn)降水并逐漸發(fā)展加強；14：00，地面輻合線南壓，湘中以南地區(qū)降水持續(xù)；17：00，地面輻合線南移越過湘南，湖南降水逐漸減弱消失（圖6）?？梢?，近地面輻合抬升是觸發(fā)此次短時強降水的重要機制。

結(jié)合探空物理量參數(shù)（表2）發(fā)現(xiàn)，郴州、懷化的對流溫度較低（低于當日最高氣溫）利于午后熱對流產(chǎn)生，熱力抬升作用同樣有利于觸發(fā)短時強降水，而長沙對流溫度較高（高于當日最高氣溫），午后升溫不足以觸發(fā)熱對流。

圖6 2018年9月6日08：00（a）、11：00（b）、14：00（c）、17：00（d）地面風場（單位：m·s-1）Fig.6 The surface wind field at 08：00 BST（a），11：00 BST（b），14：00 BST（c）and 17：00 BST（d）on September 6，2018（Unit：m·s-1）

5 多普勒天氣雷達回波特征

圖7是2018年9月6日湖南省及周邊多普勒天氣雷達3 km高度回波拼圖演變?？梢钥闯?，6日08：00，懷化、永州有2塊較強的降水回波緩慢向北移動；13：00，郴州南部有零散的雷暴單體發(fā)展、合并，形成中-β尺度的回波單體，回波基本穩(wěn)定維持在臨武、宜章地區(qū)，造成暴雨天氣。隨后，永州地區(qū)的塊狀降水回波繼續(xù)向北、向東發(fā)展，并影響永州北部、衡陽、郴州北部、株洲南部地區(qū)（圖略），16：00降水回波的前部又有新的雷暴單體生成，并與原來的降水回波連成一線，逐漸發(fā)展成線狀多單體回波，給上述地區(qū)帶來強降水天氣。18：00后，除株洲南部以外，湖南其他地區(qū)降水回波基本減弱消失。綜上可見，湘中以南地區(qū)降水回波在11：00—18：00明顯增強，這可能是午后近地面氣溫升高，不穩(wěn)定能量增大，在地面輻合線和熱力抬升共同作用下對流發(fā)展更加旺盛。

圖7 2018年9月6日08：00（a）、13：00（b）、16：00（c）、18：00（d）湖南省及周邊地區(qū)3 km高度多普勒天氣雷達回波拼圖（單位：dBZ）Fig.7 The mosaic map of Doppler radar echo at 3 km height in Hunan Province and its surroundings at 08：00 BST（a），13：00 BST（b），16：00 BST（c）and 18：00 BST（d）on September 6，2018（Unit：dBZ）

對于降水量最大的郴州地區(qū)，6日12：00以前，臨武縣中南部有分散的小塊對流回波緩慢向北移動；12：00后，在臨武縣北部（分散回波的前側(cè)）有雷暴單體迅速生成發(fā)展，與原有的分散回波合并成較大范圍的降水回波并維持。其中，13：16（圖8），2.4°仰角上40 dBZ以上的回波位于臨武縣西北部且持續(xù)了17個體掃（約102 min）；盡管回波頂高達14 km，但回波質(zhì)心和強回波高度均在5 km以下。結(jié)合郴州探空資料（圖略），0℃和-20℃層高度分別為5.5、8.8 km，說明此風暴單體降水為暖性高效降水。與此同時，累積液態(tài)水含量基本在10 kg·m-2以上，最大為30 kg·m-2，低層輻合維持時間較長，且高層有輻散，雷暴單體具有一定的組織性。結(jié)合最強降水時段的雷達風廓線（圖略）發(fā)現(xiàn)，6日08：00，3個探空站400 hPa（7.6 km）以下環(huán)境風（水平風）和垂直風切變較小，基本為2～4 m·s-1，其中2～3 km高度上甚至出現(xiàn)靜風，弱環(huán)境風盡管不利于對流組織化，卻使風暴移速緩慢，有利于在同一地區(qū)形成長時間降水。

綜上可見，雷暴單體含有一定的水汽（液態(tài)含水量為10～30 kg·m-2），低仰角（3 km左右）下40～55 dBZ回波持續(xù)近2 h，且風暴移動緩慢，致使在同一地區(qū)形成長時間的強降水，是臨武縣出現(xiàn)大暴雨的原因，其中萬水鄉(xiāng)三十六灣站14：00的小時雨量達82.4 mm。

圖8 2018年9月6日13：16郴州站雷達2.4°仰角基本反射率（a，單位：dBZ）、1.5°仰角徑向速度（b，單位：m·s-1）、回波頂高（c，單位：km）、垂直積分液態(tài)水含量（d，單位：kg·m-2）及反射率（e，單位：dBZ）和徑向速度（f，單位：m·s-1）垂直剖面Fig.8 The base reflectivity on 2.4°elevation angle（a，Unit：dBZ），radial velocity on 1.5°elevation angle（b，Unit：m·s-1），echo top height（c，Unit：km），vertical integral liquid water content（d，Unit：kg·m-2）and vertical section of reflectivity（e，Unit：dBZ）and radial velocity（f，Unit：m·s-1）at Chenzhou radar station at 13：16 BST on September 6，2018

6 結(jié)論與討論

強盛的西太副高脊區(qū)內(nèi)不易觸發(fā)短時強降水天氣，且由于缺乏明顯的槽、低空急流等大尺度特征，其預報難度較湖南典型暴雨過程更大，容易漏報。本文利用地面自動站、多普勒天氣雷達觀測資料和FY-2F云頂亮溫及NCEP再分析資料等，針對2018年9月6日一次西太副高控制下的湖南短時強降水成因開展研究。總體上，在豐沛水汽、較高的不穩(wěn)定能量以及一定的抬升條件下，強盛的副高脊區(qū)反氣旋環(huán)流內(nèi)可觸發(fā)短時暴雨天氣。主要結(jié)論如下：

（1）此次過程大尺度環(huán)流形勢主要表現(xiàn)為500 hPa中高緯地區(qū)兩槽一脊，副高呈塊狀控制著湖南大部分地區(qū)，不斷加深的高空槽引導西北氣流南下，致使副高斷裂。

（2）此次過程觸發(fā)機制體現(xiàn)在兩方面：一是低層弱切變線配合地面中尺度輻合線引起近地面動力抬升觸發(fā)對流性降水；二是午后受太陽輻射增溫作用影響，地面氣溫達到對流發(fā)生的臨界溫度，能夠自由觸發(fā)熱對流。

（3）豐沛的水汽和較高的不穩(wěn)定能量為此次過程提供有利條件。弱冷空氣南下與暖濕氣流匯合產(chǎn)生輻合上升并形成鋒區(qū)，暖濕氣流受到抬升觸發(fā)不穩(wěn)定能量，中低層為能量較大的對流性不穩(wěn)定層結(jié)；低層比濕大且等值線密集，濕層深厚（高濕區(qū)向上延伸至對流層頂），降水落區(qū)與925 hPa水汽通量輻合區(qū)一致。

（4）盡管此次過程的動力條件較汛期典型強降水過程明顯偏弱，但正渦度及低層輻合區(qū)在降水發(fā)生后都有向上延伸的特點，有利于垂直上升運動的維持。另外，雷達回波質(zhì)心和強回波高度均較低，為明顯的低質(zhì)心高效降水回波。同時，環(huán)境風及其垂直切變小，不利于對流風暴有組織地發(fā)展，但雷暴單體移動緩慢，有利于降水在同一地區(qū)較長時間維持。

夏季，西太副高脊線伸至長江中下游，近地面輻合線的抬升作用導致該地區(qū)出現(xiàn)罕見的短時強降雨事件。目前，數(shù)值模式對此類天氣的預報能力較差，預報員對模式預報缺乏訂正能力，加之時間短促、致災性強，無法及時給出合理有效的應對措施。盡管本文僅是一次個例分析，但得到的定量化環(huán)境特征［即中低層為高濕高能區(qū)（q＞15 g·kg-1、CAPE＞600.0 J·kg-1、K≥39℃）以及午后地表氣溫超過對流溫度閾值、顯著的地面輻合線］可作為西太副高控制下的長江中下游地區(qū)短時暴雨事件的預報著眼點和技術(shù)指標，從而為預報業(yè)務提供思路。然而，對此類事件作出精準預報（降水發(fā)生時間和落區(qū)）仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，還需通過更多的個例建立此類事件的天氣概念模型，形成可供業(yè)務應用與借鑒的預報經(jīng)驗。