湖南一次暖區極端特大暴雨多尺度特征分析

劉紅武，尹忠海，楊 令，徐靖宇，王青霞

(1.湖南省氣象臺，湖南 長沙 410118；2.湖南省益陽市氣象局，湖南 益陽 413000)

0 引言

隨著全球氣候變暖，中國的天氣和氣候極端事件發生頻率也出現變化，一些研究表明[1-3]，極端降水事件的頻率和強度均有升高的趨勢。湖南地處亞熱帶季風氣候區的長江中下游地區，是暴雨多發的省份之一，在汛期經常會出現極端降雨事件，造成洪澇、漬澇、滑坡等次生災害，對人民生命財產及社會經濟的可持續發展造成巨大影響。如2005年5月31日，湖南邵陽新邵太芝廟鄉的暴雨引發了嚴重山洪災害使太芝廟鄉死亡87人，重傷480人，倒塌房屋上萬間，造成直接經濟損失10 億元[4]； 2010年6月18—20日湖南極端暴雨過程具有突發性強、雨強大等特點，全省共11個地區20個縣市163.2萬人受災，8人死亡，7人失蹤，735人受傷，轉移人口23.6萬人，造成直接經濟損失約7.3億元；2016年5月4日，湖南出現極端降雨事件，道縣日雨量創歷史同期最高值，強降雨造成長沙、岳陽、常德等11市(自治州)45個縣(市、區)74.9萬人受災，6人死亡，直接經濟損失6.7億元。可見，極端降雨的致災性強，其影響也受到政府和社會各界的普遍關注。極端暴雨的產生是行星尺度、天氣尺度和中小尺度等多種尺度系統相互影響的結果[ 5]，因此極端暴雨預報是極其復雜的問題。近年來，氣象工作者在極端降雨事件的氣候特征及形成機理方面做了大量工作，取得許多研究成果[6-10]。矯梅燕等[11]對2003年7月3—4日淮河流域大暴雨的結構和維持機制作詳細分析，指出這場大暴雨是高層冷空氣與低層切變線相互作用而產生的梅雨鋒暴雨，中尺度系統在其中起了關鍵作用。孫建華等[12]對2012年7月21日發生在北京地區特大暴雨過程的天氣形勢、水汽來源和中尺度對流系統特征進行了研究，發現“7.21”北京暴雨是高低空與中低緯系統共同配合的結果。張劍明等[13]對湖南大暴雨天氣過程進行天氣學診斷分析認為，鋒面系統、低層氣流輻合線、高層輻散場、重力波及地形抬升作用均可觸發并維持對流系統，從而形成局地暴雨和大暴雨天氣。唐明暉等[14]分析了2010年6月18—20日湖南省大范圍暴雨過程“列車效應”的多普勒雷達特征，認為低質心、高效率的大面積降水回波(≥40 dBz)較長時間源源不斷從湘北經過產生的“列車效應”是導致湘中以北大范圍暴雨甚至大暴雨的主要原因；冷暖平流和輻合相疊加的徑向速度特征、中氣旋、低空急流的維持使“列車效應”得以長時間維持。李峰[15]等對2005年初夏湖南大暴雨的中尺度系統及其觸發、維持機制進行了診斷分析研究認為:高低空急流最佳配置，動力耦合關系建立為暴雨發生提供了有利的環境條件；中尺度系統在渝南、黔西生成后移入湖南停滯發展，加強了湖南上空動力不穩定條件。

2016年6月14日08時—16日08時，湘西、湘中及以南部分地區出現了較大范圍的暴雨天氣，湖南株洲1 h降水與24 h降水均打破建站以來日雨量歷史記錄。本輪強降雨共造成全省106.1萬人受災，因災死亡5人、失蹤8人，緊急轉移安置人口14.46萬人，需緊急生活救助人口1.02萬人，農作物受災面積59.3千hm2，絕收面積11.8千hm2，倒塌房屋1951間，嚴重損壞房屋7021間，直接經濟損失7.56億元。暴雨的發生是一個多尺度系統相互作用的復雜問題，本文將利用常規觀測資料、地面自動站資料、NCEP 1°× 1°再分析資料、FY-2C衛星資料及雷達資料，運用天氣學診斷方法綜合分析這次過程的多尺度特征，探討湖南此類極端暴雨形成的機理，以期為這類暴雨預報提供一些參考依據。

1 降水特點

6月14—16日，湖南中部和南部出現了暴雨、部分大暴雨、局地特大暴雨天氣過程(圖1)，主要降雨發生在14日夜間至15日白天。經統計，6月14日20時—15日20時，全省區域氣象自動站過程降水量≥100.0mm的站數有220個，≥200.0 mm的站數有18個，≥300.0 mm的站數有1個，最大降水出現在衡山縣長春鎮，為365.9 mm；株洲區域氣象自動站過程降水量≥50.0 mm的站數有109個，≥100.0 mm的站數有57個，≥200.0 mm的站數有7個，最大降水出現在石峰區石峰公園的289.5 mm，株洲本站出現特大暴雨，為257.6 mm，突破1964年6月17日的歷史極值(195.7 mm)。從自動站逐小時降雨量可以看到，株洲市強降雨主要集中在15日06—08時，最大小時雨強出現在株洲石峰區清水塘(圖1b)，為114.4 mm，其次是石峰公園，為86.3 mm，株洲國家觀測站為72.2 mm(15日05時)和61.4 mm(06時)； 15日05—08時3 h降雨為162.2 mm；5日01—13時12 h降雨量達251.5 mm。

圖1 湖南省2016年6月14日08時—16日08時降雨實況圖(a)與株洲市3個代表站15日00—16時逐小時雨量(b)(單位：mm)Fig.1 The total precipitation in Hunan from 08∶00 BT 14 to 08∶00 BT 16 June 2016(a) and hourly precipitation 00∶00 to 16∶00 BT 15 June at Shifeng, Zhuzhou and Qingshuitang stations (b) (unit:mm)

2 大尺度環流形勢

暴雨發生前的2016年6月13日08時(圖略)，亞洲中高緯為兩槽一脊型，哈薩克斯坦和雅庫茨克地區形成了兩個切斷低渦，中心強度分別達到5 560 gpm 和5 640 gpm，貝加爾湖西部建立起一個強盛的阻塞高壓，其中心值為5 760 gpm，在阻高東部到雅庫茨克低渦之間的南部地區為一寬廣的橫槽區，橫槽南側我國西部高原上為5 840 gpm的高值區。中低緯度地區副高穩定維持在華南，在孟加拉灣地區有一較為深厚的低壓槽。20時貝加爾湖西部阻高崩潰，橫槽開始轉豎，蒙古西部形成閉合的低值中心，隨后帶動冷空氣向西偏南方向移動到我國華北地區，與雅庫茨克低渦連成一條橫跨我國中東部的階梯槽，槽后冷平流帶動北方冷空氣緩慢擴散南下。此時副高略有東移南撤，其584特征線位于福建北部至江西中南部、湖南中南部至貴州南部。

圖2 2016年6月14日20時(a)與15日08時高空主要影響系統配置綜合圖(b)Fig.2 Superposition of the major weather influencing systems in upper air at 20∶00 BT on 14 June (a)and 08∶00 BT on 15 June 2016(b)

14日20時，湖南中南部200 hPa位于高空急流軸南側，強烈輻散(偏西風減弱)有利于抽吸作用的長時間存在(圖2a)。500 hPa從我國東北地區經華北、山西、陜西、四川東部一直延伸到貴州的階梯槽，帶著弱冷空氣滲透影響我國中東部地區，湖南中南部地區位于584線附近，此后低槽向東緩慢移動過程中，副高位置基本不變。700 hPa切變線位于湘中及以北，850 hPa切變線位于湘南，15日08時北推，西南急流建立，郴州站達到16 m/s(圖2b))。925 hPa在湘中偏東北有低渦生成，此時長沙站溫度為24 ℃，比周邊地區高3～4 ℃，15日08時低渦切變線南落，同時超低空急流建立，郴州站達到10 m/s。15日20時整層系統均東移南壓，雨帶緩慢東移南壓。

中高緯度兩槽一脊形勢發生轉變及副高南撤的環流背景情況下，阻高崩潰形成的階梯槽帶動冷空氣南下與南支槽前的暖濕氣流在湖南交匯，是造成強降雨的主要天氣尺度原因。

進一步分析暴雨發生前后的地面形勢場發現：強降雨發生前，15日02時地面冷鋒位于華東至湖北中部(圖3a)，特大暴雨區位于鋒面南側暖區內，距離大約500 km左右；至15日08時(圖3b)，冷鋒雖有南壓，但仍距離強降雨中心200 km左右，而此時最強降雨時段已過。由此可見，此次極端強降雨發生在地面冷鋒南側的暖區內，且地面輻合線清晰可見，其穩定少移的特點為強降雨的發生提供了觸發條件。

圖3 2016年6月15日02時(a)與15日08時地面形勢場(b)Fig.3 Ground plots at 02∶00 BT on 15 June (a)and 08∶00 BT on 15 June 2016(b)

3 強降雨環境條件分析

3.1 水汽條件

14日08時(圖略)，700 hPa水汽通量從中南半島東部到南海西部經桂、黔到湘西南有一條東西向帶狀水汽通道，20時該水汽通道轉為西西南—東東北方向，在懷化西南部形成一個-5×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的水汽通量散度大值區。之后，水汽通量強度繼續加強，懷化南部水汽通量散度大值區向北移并進一步擴展，到15日08時(圖4a)，在湖南境內有2個負值中心，分別位于邵陽、長珠潭一帶。與此同時，850 hPa東北風加強，與西南風在湘中一帶對峙，預示著冷空氣已從底層開始影響湖南。提取特大暴雨區株洲站附近(28°N、113°E)水汽通量散度隨時間高度的變化圖可見(圖4b)，14日08時500 hPa附近水汽通量散度增加到-0.6×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1左右，隨后大值區增加但是高度降低，并于15日00時600～700 hPa出現大于-2.4×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的大值區，到04時左右進一步下降到850 hPa以下，其值增至-3.6×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1以上。由此可見水汽通量散度由高層向低發展，并迅速增加，從而產生了株洲地區的特大暴雨。

3.2 動力條件

從特大暴雨的株洲站附近(28°N、113°E)渦度、散度和垂直速度時間—高度剖面圖可見(圖5)，6月14日20時—15日20時，株洲上空400～100 hPa有小于-6.5×10-5s-1負渦度區；正渦度區位于600 hPa以下層，14日20時—15日00時，正渦度加強向中層伸展至400 hPa，其下的渦度值迅速增加，到了15日08時，850 hPa上中心值大于8×10-5s-1。散度分布與渦度較一致，14日20時開始，500 hPa往上為輻散區，14日20時—15日08時，500～100 hPa層有兩個大值區中心，其最大值為2.5×10-5s-1左右，600 hPa 以下為輻合區, 并逐步加強。07—10時株洲站高層輻散比低層輻合要強，為3×10-5s-1，表明高層輻散形成的抽吸效應加強了低層輻合和對流上升運動。暴雨區上空的對流上升運動區強烈發展到200 hPa以上，最大中心在500 hPa上，極值小于-1.1Pa·s-1，它們共同作用觸發了中尺度擾動產生和發展。

圖4 2016年6月15日08時850 hPa水汽通量(風向桿，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)與水汽通量散度(陰影，單位：10-7g·s-1·cm-2·hPa-1)(a)和6月14—16日08時28°N、113°E水汽通量散度時間—高度剖面圖(b)Fig.4 The water vapor flux(wind barb, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (shaded,unit:10-7g·s-1·cm-2·hPa-1) at 850 hPa at 08∶00 BT on 15 June 2016(a) and height-time cross section of water vapor flux divergence at heavy rain center(28°N,113°) from 08∶00 BT 14 to 16 June 2016

圖5 2016年6月14—16日28°N、113°E渦度(a)，散度(b)，垂直速度(c)和時間—高度剖面圖(單位: 10-5s-1)Fig.5 The vortex (a) ,divergence (b) and vertical velocity(c) at heavy rain center(28°N,113°) from 08∶00 BT 14 to 16 June 2016(unit:10-5s-1)

3.3 熱力條件

這次大暴雨過程雨強度大、歷時短，伴有雷電，屬對流性暖區暴雨。15日08時850 hPa的假相當位溫(θse)和比濕分別達到350 K和16 g/kg以上(圖6a)，大氣處于高溫高濕狀態。從暴雨區上空θse 垂直廓線可看出(圖6b)，6月15日08時θse廓線在500～700 hPa遞增, 層結穩定，700～1 000 hPa遞減，層結不穩定。大氣中低層處于上干冷、下暖濕的不穩定層結，且暴雨區Δθse(500-850)<0，有利于強對流的發生。14時，θse廓線在925～700 hPa之間為迅速遞增的趨勢，此時中低層層結趨于穩定，長株潭的暴雨天氣結束。從CAPE分布(圖略)可見，暴雨前14日20時，長沙站CAPE為1 859 J·kg-1，提前于暴雨6 h出現，對暴雨的發生地點有一定預見性。15日08時，長沙站CAPE減小到183.9 J·kg-1，此后, 大范圍雷雨發生, 不穩定能量釋放，CAPE迅速繼續減小。θse差值變化和CAPE增大變化均超前強降雨, 對強對流性暴雨預報有指示意義。

4 中小尺度特征分析

4.1 中尺度雨團

此次降水分為對流性和穩定性降水，分析逐時降水量發現，無論對流性還是穩定性降水，小時降水量的分布都存在β中尺度雨團(圖7)。15日01時，株洲西北部開始降水，雨強為 30 mm·h-1左右，04時降雨區移至株洲市附近，在其西部和東北部各分別出現雨強35 mm·h-1和15 mm·h-1的降水，10 mm·h-1以上的降水范圍在200 km以上(圖7a)，05時雨區面積加大，雨強達70 mm·h-1以上( 圖7b，石峰公園、株洲站)，06時以后雨勢逐漸減弱，且有分散的多個中尺度雨團。09時開始強雨區成帶狀，但從圖7中可看出，帶狀強雨區中鑲嵌著雨強更強的中尺度雨團，尺度約為幾十公里，屬中β尺度系統。

圖6 2016年6月15日08時850 hPa假相當位溫(等值線，單位：K)和比濕(色斑，單位：g/kg)(a)和長沙站假相當位溫垂直剖面圖(b)(單位: ℃)Fig.6 The potential Pseudo-equivalent Temperature (solid line,unit:K) and specific humidity (shaded,unit∶g/kg) at 850hPa at 08∶00 BT on 15 June 2016(a) and vertical profilep of seudo equivalent temperature at Changsha(b) (unit:℃)

圖7 2016年6月15日04時—09時湖南自動站逐時降水量分布(單位:mm)(a)04時，(b)05時，(c)09時Fig.7 Timely precipitation distribution of Hunan automatic station from 04∶00 to 09∶00 BT on 15 June 2016(unit:mm)(a)04∶00，(b)05∶00，(c)09∶00

4.2 降雨云團特征

根據區域自動站的降水資料分析，株洲站(見圖8中的“+”)出現短時強降水的時段主要集中在06—08時，從衛星云圖TBB資料發現(圖8)，05時在株洲站附近新生有一中γ尺度的云團，株洲站位于云團西部邊緣，此時降水開始加強，同時在其正下方存在一個新發展的中γ尺度的云團，兩者結構緊密，互相作用，在其右下方有一個中β尺度處于成熟階段的云團；到06時株洲附近的中尺度云團與其正下方的云團發生了合并，使得云團迅速發展，TBB亮溫值小于-60 ℃達到中β尺度，株洲站位于云團西部亮溫梯度大值區邊緣，而06—07時是株洲站雨強的最大值時候，符合強降水出現時的衛星云圖特征[16]，而原來位于株洲右下方(江西境內)云團穩定少動，變化亦不大，但小于-52 ℃云體與其左側的已連結了一起，預示著兩者已經發生了相互作用；到07時，05時存在的3個對流云團完全融合成為一體，云頂TBB<-60 ℃范圍達到中α尺度，對流云團達到成熟階段，株洲站仍處于云團西部邊緣的TBB梯度大值區，可見最強降雨發生在發展到成熟階段，但云頂高度與前兩個時次相比，并沒有特別明顯的提升，這在預報中應特別引起重視；到08時，株洲仍處于云團的西部，但云團結構變得較為松散，TBB梯度明顯減弱，雨強也隨之減小；參考MCC的定義[5]，從02—08時在廣西中北部至湖南西南部一直維持有MCC云團，在05—08時其外部云體與影響株洲站降水的云團連結在一起，構成一條水汽輸送通道，可能是造成短時強降水發生原因之一。隨后，MCC云團逐步減弱消散，湖南中部的MCS擴大，但結構松散，云頂高度變低，株洲站演變成為一般性降水，并逐漸結束。

由上述分析可知，強降水主要出現在中尺度云團的發生發展到成熟階段，并伴隨3個中小尺度云團相互融合，暴雨落區位于云團的西部邊緣的TBB梯度大值區，而在不遠處存在MCC，其對周邊對流云團的發展可能起到正反饋作用。

圖8 2016年6月14日21時(a)、14日22時(b)、14日23時(c)、15日00時(d)的FY-2F的TBB云圖演變(單位: ℃)Fig.8 TY-2F satellite hourly TBB for cloud evolution at 21∶00(a),22∶00(b),23∶00(c),24∶00(d) BJ on 14 June 2016(unit:℃)

4.3 雷達回波分析

從長沙雷達站資料分析，15日株洲的降水出現在6月15日01—15時，出現短時強降水的時段主要集中在06—08時。04時，降水回波從株洲北部開始自西向東發展，并且回波發展較為迅速， 04時53分(圖9a)，強回波主體已經開始影響株洲北部，45 dBz以上的回波呈帶狀分布，最強回波強度達到55 dBz；垂直液態水含量(VIL)在市區北部達到14 g/m2，回波頂高(ET)發展較高，最高伸展到了12 km，說明整個對流回波發展較為旺盛。速度圖上(圖9b)，整個回波呈現“S”形的暖平流特征，株洲市區處在風向輻合區內，且0.5°、1.5°、2.4°仰角速度圖上存在明顯的逆風區，使得回波有持續較長時間的可能。

對回波發展較為旺盛的株洲西部進行剖面分析可見(圖10)，強回波發展高度在7 km以下，強度最大的回波接近地面，說明回波主要以低質心的降水回波為主，速度徑向剖面可見明顯的底層逆風區，且在逆風區前部有一股較強的斜升氣流存在，在底層輻合區上部存在風暴頂輻散特征，這種底層輻合高層輻散的回波特征加強了地面的上升運動，而斜升氣流的存在對于風暴的維持起到促進作用，使得整個風暴更好的維持和發展。

從05時16分中低層的徑向速度分析(圖11)，此時的降水回波發展較為旺盛的區域位于強回波前側的輻合區，從0.5°、2.4°仰角可以見到株洲中部偏北位置輻合較為明顯，且輻合并非是上下對稱結構，存在一定的傾斜；14.4°仰角出現了較強的風暴頂輻散結構特征，且高空風速較中低層也有明顯增加的趨勢。

從時間序列上分析(圖12)，降水在發展過程中具有明顯的列車效應，從反射率因子的發展可見，整個過程中強回波發展在株洲中部地區有重疊，強降水回波一直在株洲中部地區生消發展造成明顯的列車效應，這種低質心高效率的降水回波的長時間維持是造成株洲大暴雨的重要原因。

5 結論

本文利用多源資料對2016年6月14—15日發生在湖南株洲的一次極端特大暴雨過程進行了多尺度特征分析，主要結論如下：

圖9 2016年6月15日04時53分長沙雷達0.5°基本反射率因子(a，單位：dBz)和徑向速度圖(b，單位：m·s-1)Fig.9 Basic reflectivity factor (a,unit: dBz) and radial velocities (b,unit: m·s-1) at 04∶53 BJ on 15 June 2016 at 0.5°

圖10 2016年6月15日04時53分別沿8a、b黑線位置所做的反射率因子(a，單位：dBz)和徑向速度垂直剖面圖(b，單位：m·s-1)Fig.10 Vertical cross sections of radar reflectivity factor (unit: dBz) along the black line (a) in (fig.8a) and of radar radial velocities (unit: m·s-1) along the black line in (fig.8b) at 04∶53 BT on 15 June 2016 at 0.5°

圖11 2016年6月15日05時16分長沙雷達各層徑向速度(單位：m·s-1)： 0.5°(a)、2.4°(b)、14.4°(c)Fig.11 Radar radial velocities (unit: m·s-1) at 05∶16 BT on 15 June 2016 at 0.5°(a),(b)2.4°,14.4°(c)

圖12 2016年6月15日5時04分(a)、5時28分(b)、6時10分(c)、7時09分(d) 0.5°基本反射率因子(單位：dBz)Fig.12 Basic reflectivity factor at 5∶04(a),5∶28(b),6∶10(c),7∶09 (d) BJ on 15 June 2016 at 0.5°(unit: dBz)

①本次暴雨天氣過程中株洲市的日雨量與小時雨量均創株洲市建站以來的極值，是在兩槽一脊的大尺度環流背景下發生的，特大暴雨區位于地面冷鋒南側的暖區內，地面輻合線為主要的觸發系統。

②水汽、動力、熱力及能量條件等都表明株洲有著強降雨發生的條件，強降雨發生在急流加強的時段，且高層輻散要強于底層輻合，θse差值變化和CAPE 增大變化均超前強降雨12 h。

③中尺度云團特征顯示，株洲的強降雨由3個中γ尺度云團發展融合而成，主要出現在中尺度云團的發生發展到成熟階段，其落區位于云團西部邊緣的TBB梯度大值區，雖然在不遠處存在MCC，但降雨強度要小，由此可見，MCC周邊發展的對流云團的強降水也要引起足夠的重視，且容易預報失誤。

④雷達基本反射率產品顯示，強度最大的回波接近地面，說明回波主要以低質心的降水回波為主，且強降水回波在株洲中部地區生消發展造成明顯的列車效應。速度徑向剖面可見明顯的底層逆風區，且在逆風區前部有一股較強的斜升氣流存在，在底層輻合區上部存在風暴頂輻散特征，這種底層輻合高層輻散的回波特征加強了地面的上升運動，而斜升氣流的存在對于風暴的維持起到促進作用，使得整個風暴更好的維持和發展。