2015年秋冬季湖南省一次典型暴雨天氣過程特征及其成因分析

周莉 周慧 蔡榮輝

摘要：綜合利用NCEP/NCAR的1°×1°全球同化數據系統分析資料、地面站點資料和多普勒雷達觀測資料，對2015年11月10-13日湖南省的一次秋季強降水過程進行分析。結果表明，此次強降水過程是2015年秋季降水發生范圍最廣、持續時間最長的一次強降水過程，主要發生在湘南地區。烏拉爾山脊線加強，孟加拉灣低槽的東移，地面北部的高壓加強，并且向西南方向擴展，使得冷空氣不斷補充南下到湘南地區，由于孟加拉灣的低壓系統使得北部的高壓不能迅速向西南移動，從而形成冷暖勢力在湘南上空對峙，為暴雨的發生和維持提供了有利的環流背景；暴雨區位于低空急流軸的左前方，從孟加拉灣而來的西南暖濕氣流與來自北方的冷空氣在湘南交匯，形成持續穩定的輻合上升運動，為此次強降水的發生提供了水汽和動力條件，其中850 hPa的水汽是此次區域性暴雨的主要輸送源；此次強降水主要還是以穩定性降水為主，與夏季典型暴雨明顯的不穩定層結特征有所差異；能量鋒區較強，鋒前偏南風強盛，該暴雨過程表現為鋒后降水，垂直螺旋度正值中心的變化對地面氣旋中心的變化以及強降水的發生有較好的指示意義。

關鍵詞：秋冬季暴雨；成因分析；垂直螺旋度

中圖分類號：P458.3 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）20-0060-09

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.014 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on NCEP/NCAR's 1°×1° global assimilation data， systematic analysis data， ground station data and Doppler radar observation data， the autumn heavy rainfall process in Hunan on 10-13 November 2015 is analyzed. The results show that the heavy rainfall process is the most widespread and longest lasting heavy rainfall process in autumn 2015， mainly occurring in southern Hunan. Ural ridge strengthened eastward trough in the bay of Bengal， high ground north strengthened， and extended to the southwest， the continuous supply of cold air southward to the southern region， due to the low pressure system makes the pressure not north of the bay of Bengal to move rapidly from southwest， and the formation of air forces in Southern Hunan confrontation over the favorable circulation environment for the rainstorm occurrence and maintenance； The left front rainstorm area is located in the low level jet axis， southwest warm air from the bay of Bengal and the cold air from the north to South intersection， the formation provides moisture and dynamic conditions for convergence steady rise of the heavy rainfall，which 850 hPa is the main source of regional water vapor transport the rainfall； The heavy rainfall is mainly in stability，the characteristics of unstable stratification are different from those of typical summer rainstorms are different. The energy front area is stronger， and the front wind is stronger than the south wind. The rainstorm process is post frontal precipitation. The change of the positive helix center has a good indication for the change of the ground cyclone center and the occurrence of heavy rainfall.

Key words： autumn and winter rainstorm； genetic analysis； vertical helicity

暴雨天氣的發生往往會對當地造成巨大的經濟損失，以往關于暴雨的研究大多集中在汛期[1-5]，而近年來，湖南省頻繁出現秋季持續性暴雨天氣[6，7]，這樣的災害性天氣與汛期暴雨相比，更容易引發滑坡、山洪和泥石流等次生災害，且其發生發展機制也有著自身不同的特點[8，9]，但對湖南省秋季暴雨的研究缺乏足夠的重視，因此分析秋季連續暴雨的形成機理，對更加準確地進行暴雨預報、最大程度地減少次生災害帶來的損失有非常重要的意義。

目前，國內外對秋冬季暴雨的形成機理已經做了很多研究。張芳華等[10]基于觀測資料和NCEP再分析資料，并結合中尺度數值模擬，對2012年1月14-15日中國江南和華南冬季暴雨過程中的鋒生與條件對稱不穩定進行診斷分析發現，南支鋒區上短波槽東移配合低層冷空氣活動，在江南南部到華南地區形成了明顯的鋒生過程，構成了有利于暴雨過程的天氣尺度環流背景；來自孟加拉灣異常充沛的水汽輸送形成了冷季暴雨所必需的水汽條件，異常強盛的高空急流人口區右側的強輻散區也有利于暴雨的形成。何芬等[11]利用氣象觀測站1960年12月至2008年2月的暴雨資料，分析了福建省冬季暴雨的時空特征及主要影響天氣系統，發現冬季暴雨主要是南支槽東移、切變線維持和冷空氣南下影響所致，冬季暴雨的產生與充沛的水汽、對流不穩定和輻合上升運動密切相關，但大氣層結比汛期暴雨要穩定得多，冬季暴雨異常與500 hPa大氣環流和赤道中東太平洋海溫異常關系密切。唐振飛等[12]利用1°×1°逐6 h的NCEP再分析資料、地面常規觀測資料以及向外長波輻射（OLR）數據，分析了2015年1月13日發生在福建省的一次罕見暴雨過程，發現冬季暴雨發生的水汽主要來自西北太平洋上低空東南急流的建立和高空弱的輻散形勢穩定維持對暴雨的發生發展起到重要作用。垂直螺旋度能很好反映出低層系統發展，與強降水落區有很好的對應關系。高層等熵面位渦密集帶的移動和發展預示著強降水中心的變化。李彩玲等[13]利用廣東省遙測站資料，常規高空、地面資料以及NCEP 1°×1°再分析資料，對2011年11月廣東省2次秋季暴雨天氣過程的環流背景、水汽條件、熱力和動力學特征等進行對比分析，發現暴雨的發生、維持和消失主要與大陸冷高壓、南海低值系統密切相關，物理量的空間分布與暴雨落區有很好對應關系。韓小令等[14]對貴州省2010年一次冬季暴雨極端天氣的診斷分析發現，在暴雨發生期間，靜止鋒是一個加強北抬的過程，在靜止鋒加強的過程中促使了水汽輻合、上升運動發展以及低層輻合等產生暴雨的有利條件發展。Yokoi等[15]通過個例發現越南秋季大暴雨是由于寒潮過程的東北風與熱帶的南風輻合引起的。但對湖南省秋季暴雨的發生發展機制鮮有研究。

2015年11月中上旬，湖南省出現了長時間的連陰雨天氣，期間還有多次暴雨產生，省內多個臺站降水突破了歷史極值。全過程累計降水量以湘東南地區為最多。此次持續性的強降水主要受3次天氣過程的影響，值得關注的是，第2次過程中，湘東南24 h的累計降水量超過了100 mm。此次暴雨是2015年秋冬季一次比較典型的暴雨，相比于夏季降雨具有不同的特征。本研究使用NCEP 1°×1°分辨率的再分析資料、雷達等資料對發生在2015年秋季湖南省的一次暴雨進行研究，以揭示此次暴雨的特征及其發展演變，同時找出季節暴雨天氣預報的著眼點，為減輕洪澇災害和提高秋冬季暴雨預報準確率提供參考依據。

1 天氣實況與降水特征

2015年11月中上旬，湖南省出現了長時間的連陰雨天氣，期間還有多次暴雨產生，圖1b給出了2015年11月7-19日湖南省區域平均24 h降水量的時間變化，可見此次湖南省降水經歷3次主要的強降水過程，分別為7-8日、10-12日和15-17日。其中第2次降水過程的降水最為強烈，11日單日的累計降水量區域平均達到了35 mm。由2015年降水時間緯度變化的剖面（圖1a）也可以看出，第1次強降水向北擴展的范圍較小，大于10 mm降水僅能夠達到26°N，說明此次過程并不是大范圍強降水，屬于局地強降水，且主要集中在湘南地區，維持了大約1 d。第2次降水過程的強度更強，持續時間更久，大于20 mm降水的范圍向北推進到整個湖南地區，大值區依舊處在湘南地區，持續的時間達到3 d，且越往北持續的時間越短。強降水的大值區主要位于湘南地區。第3次強降水較第2次強降水弱，但降水分布較為均勻，在湖南地區整個28°N以南降水都超過20 mm，且降水隨時間緩慢向北移動。

3次暴雨過程中最大暴雨日降水量的空間分布見圖2，即第1過程為8日，第2過程為11日，第3過程為16日。可以看到，8日（圖2a）降水主要分布在湘東南地區，并且沿東北方向降水量逐漸減少，湘東南地區有7個臺站的24 h降水量超過50 mm，達到暴雨級別。11日（圖2b）強降水落區呈南北向結構，強降水落區位于湘南地區（基本位于111°E-113°E、25°N-26°N），有20個臺站日降水量達到了暴雨級別，其中永州市有兩個臺站日降水超過100 mm，達到大暴雨級別。16日（圖2c）降水分布與之前兩個過程分布差異較大，強降水大值區主要位于湘中，降水向湘北和湘南逐漸遞減，湘中地區的降水量都在25 mm以上，達到暴雨級別的臺站有6個。由于第二個過程的暴雨強度最大，持續時間長，并且災害也較為嚴重，因此本研究主要針對此次秋季暴雨過程的成因進行分析。

利用湖南省97個臺站觀測資料，NCEP 1°×1°分辨率的格點再分析資料，主要對其中第2個階段，11-13日的暴雨進行了研究，以揭示秋季暴雨的特征及其發展演變，同時從機制上研究其暴發的成因，為準確預報秋季暴雨提供一些參考。

2 大尺度環流背景

2.1 高空形勢特征

此次暴雨發生前，2012年11月11日8時（圖3a），東亞500 hPa環流形勢特征為兩脊一槽的環流形勢，烏拉爾山和中國東北為高壓脊控制，在孟加拉灣有一個弱的槽區，并不斷分裂出小槽東移。在中國中部地區出現一個弱脊，引導西南氣流向中國南部輸送水汽。到12日8時（圖3b），烏拉爾山脊加深，隨著強冷空氣的侵入，強冷平流使得高空槽加深東移，副熱帶高壓也開始斷裂，華中地區的弱脊已經移動到中國東部地區，槽后的冷空氣與副熱帶高壓西北側的西南暖濕氣流在湘南地區交匯，為暴雨的發生和維持提供了有利的環流背景和充足的水汽條件。

2.2 地面形勢特征

從地面形勢場上可以看到，在11日2時（圖4a），在中國東北部有一個強的冷高壓中心，同時在孟加拉灣存在一個弱的低壓。到12日2時（圖4b），中國北部的高壓加強，并且向西南方向擴展，使得冷空氣不斷補充南下到湘南地區，由于孟加拉灣的低壓系統使得北部的高壓不能迅速向西南移動，從而使得冷暖勢力在湘南上空對峙。因此，孟加拉灣的低壓和中國東部的高壓是使輻合區保持穩定的關鍵系統。這兩個時刻地面形勢的變化不大，能夠產生穩定的降水。到13日2時（圖4c）冷空氣加強繼續向西南方向移動，在14日2時（圖4d），冷空氣完全控制湖南地區，天氣形勢穩定，降水消失。

3 暴雨天氣過程氣象成因分析

3.1 水汽及水汽輸送特征

研究指出[16-18]，水汽及其輸送條件對暴雨的發生發展有著極其關鍵的作用。從11日20時850 hPa圖5可以看出，低空有一條來自中國南海的西南急流，中心風速超過了15 m/s，湘東南地區位于急流軸前方偏左一側，這條低空急流一方面為暴雨區輸送了大量的暖濕氣流和不穩定能量，另一方面在急流左前側的氣旋性渦度在此處形成強烈的風場輻合，使得低層低值系統發展并產生上升運動，有利于暴雨天氣的發生。從700 hPa的相對濕度分布也可以看出（圖6），從11日2時到14日2時，從孟加拉灣到中國南部地區，都有一條狹長的相對濕度大值帶。其中，在12日2時達到最大，整個湘南地區都在90%以上，基本處于飽和狀態。隨著冷空氣的滲透南下，偏西風轉變為西北風，與西南風在湘南地區輻合，形成明顯切變。此后，濕度大值區逐漸向東移動，到14日2時，相對濕度的大值區已經遠離湖南地區，這與強暴雨發生的時間一致，表明充足的水汽給此次暴雨的發生提供了必要條件。低層850 hPa的相對濕度較700 hPa大，從11日2時至13日2時，湘南地區相對濕度都在95%以上，其中在12日2時達到最大，到14日2時，湖南地區的相對濕度減少，這與暴雨強度隨時間變化也較為一致。

通過分析水汽通量和水汽通量散度（圖7），進一步發現，從11日2時開始，湘西南地區已經被弱的輻合區所控制，且存在一條從南海向湘南輸送水汽的水汽輸送帶，到12日2時達到最強，強的輻合帶呈帶狀沿廣西中部一直延伸到湘西南地區，其中湘西南地區水汽通量散度超過了-6×10-7 g/（cm2·hPa·s），水汽輻合使得暴雨區水汽含量增加。但由于受中國東部地面冷高壓的控制，該水汽帶并未能夠向更北的地區輸送水汽，使得暴雨主要集中在湘南地區。到13日2時，隨著北風的加強，以及西南氣流的減弱，使得達到湘南地區的水汽減少，湖南省境內水汽輻合明顯減弱，且輻合中心隨之向東南方向移動。到14日2時，水汽輸送帶依舊存在，但水汽通量開始減弱，并且水汽輸送以及輻合中心逐漸向東移動。到14日2時，來自南海的水汽輸送帶消失，但有一條來自孟加拉灣的水汽輸送帶，此水汽帶只經過廣西和廣東地區，未能達到湖南地區，隨之伴隨著輔合中心移動到廣東、福建地區，湖南省境內無水汽通量的輻合，對應湘南此次強降水過程趨于結束。此次降水過程降水的大值區也是由湘南向東南方向移動，總的來說，低層850 hPa水汽通量值較大，水汽輻合較強且散度的時空分布特征與強降水的時空分布特征基本吻合。說明底層850 hPa的水汽是此次區域性暴雨的主要輸送源。

3.2 暴雨的動力、熱力及能量特征

螺旋度是表征大氣環境風場氣流沿運動方向旋轉程度和運動強弱的物理量，垂直螺旋度是垂直速度和垂直渦度決定的，能反映出大氣在垂直空間上的旋轉上升和運動特征。過暴雨中心做垂直螺旋度的剖面見圖8，可以看出，從11日2時開始，在800～900 hPa有正的螺旋度，在高層450 hPa處出現-60×10-6 m/s2的大值中心，垂直螺旋度的正值中心能夠很好地對應地面氣旋和低層切變線的移動和變化[19-21]。由于低層的螺旋度并不是很強， 因此降水強度較小。并且底層正螺旋度有向高層移動并且增強的趨勢，到11日2時，正螺旋度達到對流層且強度增強，并且持續時間較長，到強降水的大值時刻，12日2時，正螺旋度最大，達到140×10-6 m/s2，此刻的暴雨最為劇烈。到12日8時，正螺旋度開始減小，強降水逐漸減弱，到12日14時在750 hPa附近又出現一個正螺旋的大值區，中心強度有60×10-6 m/s2，在低層有一個負值中心，這樣的配置引發了新一輪的強降水。從13日2時開始，低層和高層均為零值線控制，降水趨于結束。以上分析表明，螺旋度能夠很好地表征此次強降水過程強度隨時間的變化，高層存在強烈的旋轉下沉氣流，而低層有旋轉上升氣流，這為暴雨發生提供了強大的動力條件。

冷暖空氣交匯一方面使得氣柱斜壓性增強，另一方面也有利于空氣輻合抬升，因此，暴雨天氣的發生一般來說需要有冷空氣來配合。在整個過程（圖9），華南地區都存在顯著的暖平流，強度維持在8×10-5 ℃/s。在11日2時，湖南省的東北部出現一股弱的冷空氣，強度為-2×10-5 ℃/s，后期隨著冷空氣南下，冷平流逐漸加強，湖南省的暖平流強度為4×10-5 ℃/s。到11日14時冷平流范圍進一步擴大，且強度逐漸加強，冷平流強度中心位于青藏高原北部，強度能夠達到-6×10-5 ℃/s。到湖南省的暖平流也有一定程度的增加。到12日2時，強降水的大值時刻，湖南省東北冷平流的強度加強，且冷平流強度與暖平流相接近，強度能夠達到-6×10-5 ℃/s，湖南省大部分的暖平流能夠增加到6×10-5 ℃/s。到12日14時，暖平流雖然增強，但暖平流的中心向東南方向移動，同時湖南省東北方向的冷平流減弱，預示此次強降水過程逐漸趨于結束。由此可見，影響湖南省強降水的冷空氣是從高原下達到湘西南地區，而湖南省西南部地區一直維持的暖濕空氣與南下而來的冷空氣在湘南地區形成交匯，是此次暴雨發生的主要機制。

熱力條件在強降水的發生和維持過程中發揮著重要作用。12日2時沿112°E經強降水中心的垂直速度和假相當位溫經向剖面見圖10。在25°N以北θse等值線相當密集，能量鋒區較強，鋒前偏南風強盛，該暴雨過程為鋒后降水。可以看到低層鋒面呈整體傾斜上升，因而暖濕氣流沿鋒面傾斜上升，？棕≤ -0.5 Pa/s的上升氣流從低層一直延伸到200 hPa，且南北跨越8個緯度，即23°N-31°N。在降水所在的緯度范圍內，θse等值線在750～500 hPa附近接近于垂直狀態，因而強的上升氣流也接近于垂直發展，基本維持在固定的緯度（25.5°N）。強的上升中心值高達-5 Pa/s，強的上升氣流可以將下層從南部而來的暖濕氣流帶到高空，使得湘南地區在此時段內能夠產生更大的降水量。

通過分析K指數的演變情況，可以進一步了解暴雨的不穩定性特征。K指數定義為K=（T850-T500）+Td850-（T-Td）700，其能夠反映大氣的層結穩定狀況，K指數越大，層結越不穩定。K指數與可能出現的雷暴活動存在一定的關系。11日2時到13日20時強降水過程K指數的時間緯向剖面見圖11。由圖11可以看出，從11日2時開始，只有湘南小部分地區的K指數在35 ℃以上，其中在12日2時的K指數超過了36 ℃，但大部分地區K指數較小，說明盡管大氣中存在一定的不穩定層結，為暴雨的發生、發展提供了一定的能量基礎，但不穩定能量較弱，主要還是以穩定層結為主，與夏季典型暴雨較強的不穩定層結的特征還是有較明顯區別。

濕位渦能夠綜合反映大氣的動力、熱力及水汽特征。因此，對濕位渦進行分析可以進一步了解暴雨過程的發展演變規律。濕位渦（MPV）分為兩部分，濕位渦的垂直分量（MPV1）和濕位渦的水平分量（MPV2），根據傾斜渦度發展理論，對流穩定度的減小、水平風垂直切變或濕斜壓度的增長均可引起氣旋性渦度的增加，從而導致強降水發展。由圖12可以看出，在12日2時，在23°N 700 hPa附近有MPV1<0的負值區，但范圍較小，強度較弱，表明此處產生了局地的較弱對流不穩定層結，并且配合有一定的上升運動，觸發了不穩定能量的釋放，因而產生了較弱的對流性降水，而其他地區MPV1均為正值，表明此次暴雨過程主要表現為穩定性降水。從MPV2的經向剖面可以看到從近地面沿鋒面為MPV2<0的負值帶，負值越大說明大氣的斜壓性越強，有利于氣旋性渦度的發展，利于暴雨的產生。可以看到湘南均為負值區，且負值中心強度較大，說明此次強降水與不穩定能量釋放關系較弱，而主要與MPV2負值區引起的斜壓不穩定發展有關。

3.3 雷達回波特征

此次過程降水的大值區位于湘西南的永州市境內，從永州市雷達組合反射率因子（圖13）來看，11日8時至13日20時有兩次最大反射率因子在50 dBZ以上，分別為11日9時13分50 dBZ和11日22時16分51 dBZ。回波頂高度基本在7～9 km，最大為10.7 km，而夏季一次較強過程往往能達18 km以上，因此這次過程回波頂不高。11日8時7分9.9°仰角反射率因子（圖13）4.0 km附近出現明顯的零度層亮帶，表明此時0 ℃高度大概在4 km左右。從11日20時28分至11日23時58分逐半小時0.5°仰角反射率因子可以發現，永州市境內不斷有對流風暴生成并向東移動，造成列車效應，導致東安縣、永州市區、冷水灘區、祁陽縣的持續降水。12日1時以后自廣西桂林全州縣不斷有回波向東北移動，同時永州市南部的江永縣、江華瑤族自治縣、道縣不斷有回波生成并向北移動，造成永州市北部大范圍的暴雨。12日下午降水回波南壓，造成永州市南部大范圍的暴雨，13日回波明顯減弱，降水也隨之減弱。

從11日8時13分0.5°仰角徑向速度（圖14a）可以看到，大致在雷達西側至南側50～100 km距離圈高度處存在輻合中心，該中心的旋轉速度將近10 m/s。抬高仰角到1.5°（圖14b）發現，冷空氣厚度1.6 km左右。綜合此次過程風場的高低空配置，地面為冷空氣控制，風速達到5～10 m/s，冷空氣厚度為1.6 km左右，1.6 km以上為偏南風控制，2.5～5.2 km風速在15 m/s以上。

4 小結

利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析資料、多普勒雷達觀測資料對2015年11月發生在湖南地區持續時間較長、強度較強的一次強降水過程及其成因進行分析，得到以下結論。

1）烏拉爾山脊線加強，孟加拉灣低槽的東移，地面北部的高壓加強，并且向西南方向擴展，使得冷空氣不斷補充南下到湘南地區，由于孟加拉灣的低壓系統使得北部的高壓不能迅速向西南移動，從而形成冷暖勢力在湘南上空對峙，為暴雨的發生和維持提供了有利的環流背景。

2）湘南位于低空急流軸的左前方，從孟加拉灣而來的西南暖濕氣流與來自北方的冷空氣在湘南交匯，形成持續穩定的輻合上升運動，為此次強降水的發生提供了水汽和動力條件，其中850 hPa的水汽是此次區域性暴雨的主要輸送源。

3）此次強降水主要還是以穩定性降水為主，與夏季典型暴雨不穩定層結特征有較明顯的差異。能量鋒區較強，鋒前偏南風強盛，該暴雨過程表現為鋒后降水。垂直螺旋度正值中心的變化對地面氣旋中心的變化以及強降水的發生有較好的指示意義。

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