西南低渦造成湘中一次大暴雨天氣過程的診斷分析

歐陽也能，尹寶蓉，辜 倩，游梟雄，黃 娟

(湖南省湘潭市氣象局，湖南 湘潭 411100)

1 引言

西南渦是影響我國東部、西南和華南天氣的一個重要天氣系統，它是對流層中下層的天氣系統之一，產生于青藏高原東側，屬于冷性動力型中小尺度渦旋，其內具有強烈的上升運動。西南渦是青藏高原和四川盆地特殊的地形條件與有利的大尺度環流背景共同作用的產物，很多學者對其作了研究［1－5］，得到了一些成果。作為我國一種重要的暴雨天氣系統，西南渦全年都有發生，但造成強降水或強對流天氣的西南渦多出現在夏半年［2，3］。西南渦多在西南地區生消，在有利的環流形勢下一些渦旋可以東移，主要影響我國江淮流域地區。

西南低渦是造成湖南暴雨的主要系統之一，但是每次低渦影響暴雨所發生的地方都不一樣。本次湘中暴雨過程就是受東移的西南低渦影響的。本文利用多普勒天氣雷達產品、NCEP 1°×1°的6 h再分析資料及FY－2E衛星TBB資料，對該過程的天氣系統活動特征及規律進行綜合分析，以探討大暴雨的成因。

2 降水實況及災情

2.1 降水實況

2013年5月14日08時—15日08時，湖南湘中偏北地區出現了大暴雨過程，主要表現為短時強降水。據全省自動雨量站資料統計(圖1)，全省≥50 mm的站點共有468個，其中≥100 mm的站點107個。強降水范圍主要集中在湘中東部和湘西北，有2個大暴雨中心，1個位于湘西吉首的北部，另1個位于湘中東部的湘潭—株洲北部。湘潭為大暴雨的中心，據湘潭市自動雨量站資料統計全市109個區域自動雨量站資料，有103個站≥50 mm，其中71個站≥100 mm，最大降水出現在韶山的東湖村182 mm。3個氣象觀測站均出現了大暴雨，雨量分別為湘潭 145.6 mm，湘鄉 128.8 mm，韶山146.7 mm。

圖1 2013年5月14日08時—15日08時降水實況圖

下面以湘潭為代表分析這次大暴雨過程的特征。選取韶山東湖村、湘潭市雨湖區政府、湘潭縣楊家橋鎮為代表，做出逐小時雨量的直方圖(圖2)，從圖2可以看出，這次過程主要降水時段出現在14日16時—15日02時的10 h內，15日02時后降水已明顯減弱，韶山、湘鄉1 h降水量小雨1 mm。最強降水時段出現在14日17時—15日00時，該時段內1 h雨量＞10 mm的站點均超過了20個，最大1 h降水為湘潭市區的黃龍水管所74.8 mm。

圖2 強降水時段3個代表站的逐小時降水直方圖

這次降水過程從西北向東南方向移動，15日14時降水首先從位于西北部的韶山開始。分析1 h降水量＞10 mm的站點數顯示(如表1):15—16時韶山出現強降水，1h降水量＞10 mm的站點達到了13個，最大1 h降水為韶山的厚新村44 mm。隨后降水范圍向湘鄉擴散，17—18時強降水均出現在湘鄉北部和韶山西部，該小時內出現了28個＞10 mm的站點，最大降水量為湘鄉的白田鎮70.2 mm。而此時湘潭縣南部和湘潭市區還沒有出現降水。從19時開始，強降水逐漸向東、向南擴展。20—22時是強降水范圍最廣的2個小時，1 h雨量＞10 mm的站點數均超過了80個。

2.2 災情

受暴雨、大暴雨和雷雨大風影響，湘潭全市多處出現房屋倒塌或受損、小型山體滑坡、塘基斷裂和穿孔、電線桿和樹木倒塌等災情，上萬畝早稻、蔬菜被水淹，多頭牲畜死亡。城區多處出現內澇，多輛車輛在積水中熄火拋錨。湘江水位大幅上漲，16日08時湘潭段水位34.63 m，較暴雨前水位上漲近3 m。據市民政局統計，截止至16日14時，湘潭全市共20.32萬人受災，緊急轉移安置7 320人，農作物受災11 708.3 hm2，其中成災5 444.5 hm2，絕收1 369.4 hm2，死亡牲畜55頭，房屋倒塌683間，損壞941間，直接經濟損失達13 958萬元，其中農業經濟損失6 245萬元。

表1 逐小時雨量分布表 (單位:個)

3 大尺度環流分析

分析5月14日08時形勢，500 hPa在四川東部—貴州西部為低槽位置，同時，在湘中—湘東南也有一個小槽;而700 hPa為304 dagpm，850 hPa為140 dagpm的閉合低渦，均位于四川東南部，兩層低渦的位置幾乎重合，且范圍較狹窄。從低渦延伸出來的700 hPa和850 hPa的暖式切變位于30°N附近，兩層的切變線相隔很近。同時中低層的西南急流已經形成，湘東北處于急流出口(圖3a)。到14日20時，閉合的等值線已經減弱消失，但人字形切變有所東移，中心南壓到湘西北，850 hPa的暖式切變明顯南壓，且切變范圍變大，700 hPa暖式切變僅東移，沒有南壓，切變的范圍也變大，此時位于湘潭市西北角的韶山降水有所減弱。而地面有弱冷空氣擴散南下，冷高壓中心位于陜西境內。地面輻合線從湘北經湘中，到20時南壓到湘中偏南位置(圖3b)。

此次大暴雨過程是典型的西南低渦東移所引發的暴雨，暴雨就發生在西南低渦東移時700 hPa暖式切變的南側，850 hPa暖式切變的北側，特別與14時地面輻合線的南側位置較吻合。由于低渦范圍較小，切變線范圍小，中低層切變位置幾乎重合，強降水的范圍也較小且持續時間短。

4 物理量分析

4.1 水汽條件分析

利用NECP 1°×1°的再分析資料，14日02時(圖略)850 hPa在重慶境內有個強的水汽輻合中心，而湘潭市處于水汽通量的大值區內，在貴州南部—廣西形成了一條水汽通道，而湖北東部處于干區，湘潭處于干濕交界等比濕線密集區內。700 hPa湘西有個強水汽輻合區。到08時，850 hPa的強水汽輻合中心依然在重慶，而水汽通道從廣西—貴州伸入湘西北，湘西處于濕度大值區。而700 hPa的強水汽輻合區向北移動到常德—益陽南部—長沙，呈西北—東南向，而貴州—廣西為水汽輻散區，同時，貴州—廣西境內是一個濕度較大的區域。14日14時(圖4a)，850 hPa在湘東北—江西中部有個水汽輻合中心，水汽通道從廣西—湘西南，700 hPa(圖4c)水汽輻合中心在長沙—湘潭，但是湘東北還處于濕度較小的范圍內，有弱上干下濕的形勢，此時韶山已經開始出現對流性降水。14日20(圖4b、4d)兩層的水汽輻合均迅速增強，在湘潭所處的湘中偏東位置形成了強水汽輻合中心，700 hPa的輻合中心開始移入江西北部，850 hPa的強中心在湘東與江西交界。由此說明在過程發生前有個明顯的增濕的過程，水汽經過廣西—貴州南部輸送到湖南，在湘中偏北位置輻合，為這次大暴雨天氣過程提供充沛的水汽條件。

圖3 2013年5月14日08時(a)、20時(b)實況分析圖

圖4 2013年5月14日14時850 hPa(a)、14月20時(b)700 hPa，14日14時(c)、14日20時(d)的水汽通量散度(色斑)，水汽通量(等值線)

4.2 整層大氣可降水量分析

此次大暴雨過程范圍較廣，持續時間不長，在如此短時間內造成如此大的降水，在湘潭歷史上屬于罕見的。為了更好的分析造成這次大暴雨的原因，分析NECP資料中整層大氣可降水量(如圖5)。14日02時，整層大氣可降水量的大值區從廣東、廣西伸入湘南，湘北處于大值區與低值區的交界，到14日08時，可降水量大值區向東北擴展，整個湖南均處于大值區內，而湘潭處于中心值的東北側，14日14時，中心略湘北抬，整個湘東半部均處于大值區內，中心值達到4.5kg·m－2，14日20時大值區略東移，但湘潭仍處于大值區內。從08時—20時12 h內湘潭均處于整層大氣可降水的中心區內，可降水量非常大也是產生強降水的有利水汽條件。

圖5 整層大氣可降水量((a)為14日08時，(b)為14日20時)

4.3 動力條件

圖6給出2013年5月14日湘潭大暴雨點(112°E、27.8°N)渦度、散度時間—高度垂直剖面圖。從圖6a中可見，14日08時前700～200 hPa均為正渦度區，從08時開始，正渦度區向下發展，14日14時200 hPa以下均為正渦度區，在400 hPa存在一個大的正渦度中心，此時高空負渦強度達到最強，中心值為 －3×10－5·s－1，形成中下層正渦度、高層負渦度的空間配置。

圖6 2013年5月14日14時沿湘潭暴雨區27.8°N的渦度(a)、散度(b)時間—高度垂直剖面圖 (單位:10－5·s－1)

分析散度時間—剖面圖表明(圖6b)，從14日14時開始，500 hPa以下的負散度和500 hPa以上的正散度都迅速增強，到14日20時，200 hPa形成了一個強輻散中心，中心值為3×10－5s－1，而900 hPa形成了一個強的輻合中心，中心值為－2×10－5s－1，形成明顯的低層輻合、高層輻散形勢。而6h后低層的輻合明顯減弱消失，高層的輻散也明顯減弱，強降水也明顯減弱。

這種中低層輻合、高層輻散的配置結構，有利于中低層高濕氣流被抽吸到高層，從而增加局地對流不穩定性。

綜上分析表明，低層正渦度(輻合)迅速發展時段正好是強降水開始并維持時段;暴雨中心低層正渦度(輻合)、高層負渦度(輻散)的垂直結構，對暴雨的產生和維持起重要作用。但是這次暴雨過程輻合輻散的中心強度并不算強，但是降水量級卻很大，其中原因有待進一步分析。且耦合形勢的持續時間比較短，也是這次過程持續時間并不長的原因之一。

4.4 穩定度分析

強降雨的發生需要高能量的條件，而高溫高濕環境對應著高能量場。θse(假相當位溫)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量，θse的分布反映了大氣中能量的分布。θse的高值區為高能區，θse場中等值線密集區又為能量鋒區，而暴雨的發生需要有能量鋒區的存在［7］。

分析5月14日14時θse和垂直上升速度沿27.8°N緯度—高度剖面圖(圖7a)，850 hPa垂直速度剖面圖看，112°E上空有個強上升運動中心，而從θse的垂直剖面圖分析106°～112°E θse呈現經典的“Ω”型，且向東向上凸起，暴雨區內850 hPa以下都在350 K以上，表明了對流層低層是高溫高濕區，它不但是產生暴雨所必需的水汽輸送帶，也是造成暴雨強對流所必需的位勢不穩定能量的輸送者。為了進一步了解這次強降水天氣過程的位勢不穩定特征，對500 hPa的θse和850 hPa的θse的差值(以下簡稱 θse500～850)進行分析(圖 7b)，湘西、湘南處于θse500～850的大值區，湘中處于該大值區的東北側，且湘東北梯度較大，即湘中處于強對流不穩定區與弱對流不穩定區的交界區。說明暴雨發生前存在著強的對流不穩定，而低層不穩定配合強的上升運動，造成了強烈的濕對流不穩定，是大暴雨的產生的原因之一。

圖7 5月14日14時:(a)為θse(等值線)，垂直速度(色斑)，(b)為850 hPa與500 hPaθse的差值

為了更好的分析暴雨區的上升運動，沿27.8°N制作垂直速度的剖面圖(如圖8)分析，14日08時(圖略)，缺口西側(108°～110°E)為上下一致的上升氣流，強上升運動中心值達到－1.5 Pa·s－1，而缺口附近還處于上下一致的下沉氣流中，最大下沉速度達到0.5 Pa·s－1，隨著系統的東移，強上升運動區東移，到14日14時，上升運動發展到缺口附近105°～116°E，最大上升速度達到了 －3.6 Pa· s－1，強上升運動中心的高度達到400 hPa。14日20時，強上升運動中心依然維持在111.5 ～114.5°E，中心強度增加到 －4.0 Pa·s－1。強上升運動持續6 h以上，大暴雨就出現在這6 h內。說明強上升運動時段與區域對應著這次過程強降水時段和落區，上升運動越強，說明對流非常旺盛，配合充沛的水汽條件，降水越強，上升運動減弱，降水隨之減弱。

圖8 14日14時(a)，20時(b)沿27.8°N 垂直速度剖面圖

5 衛星資料分析

分析衛星云圖可知，這次過程是一個典型的mcc云圖生產發展成熟東移消散的過程。圖9是5月14日17時—22時逐小時TBB云團，云圖上出現了典型的U型缺口。18時位于湘東北有個U型缺口出現，1 h后，U缺口西端的強對流云團強度不斷增強，范圍不斷增大，向缺口位置移動，不斷將缺口縮小。到20時U型缺口向東移動，缺口西端、南段形成了一個典型的MCC云團，之后該MCC云團緩慢的向東偏北的方向移動。本次暴雨過程就發生在U型缺口不斷被填塞，形成MCC的過程中，強降水的落區就落在U型缺口的缺口處。所以云團上的U型缺口對強降水的預報及落區的把握有很好的指示意義。U形缺口邊緣清晰，亮溫梯度大，是對流云系強烈發展的一個信號。

圖9 14日17時－22時逐小時的TBB云圖

6 小結

①此次大暴雨過程是典型的西南低渦東移所引發的暴雨，暴雨就發生在西南低渦東移時700 hPa暖式切變的南側，850 hPa暖式切變的北側，特別與14時地面輻合線的南側位置較吻合。由于低渦范圍較小，切變線范圍小，中低層切變位置幾乎重合，所以能量非常集中，導致降水集中。

②在過程發生前有個明顯的增濕過程，水汽經過廣西—貴州南部輸送到湖南，在湘中偏北位置輻合，為這次大暴雨天氣過程提供充沛的水汽條件。同時，整層大氣可降水量大，也是產生大暴雨的成因。

③衛星云圖上典型的U型缺口，暴雨就發生在缺口處，缺口逐漸減小并形成一個強MCC云圖的過程，就是強降水發生的時段。

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