偏東風和地形的相互作用對湖南極端強降水的影響分析

昌立偉，賈岸斌，黃卓禹

(1.湖南省岳陽市氣象局,湖南 岳陽 414001;2.湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000；3.湖南省婁底市氣象局,湖南 婁底 417000)

0 引言

暴雨是在有利的環境背景下各種中尺度天氣系統相互作用的產物，而地形是天氣系統中局部異常天氣產生的一個主要因素, 在局地強降水形成、發展中起著舉足輕重的作用。廖菲等[1]和付超等[2]曾指出地形降水增強的理論機制；也指出不同尺度的地形與大氣的相互作用不一，大尺度地形，比如青藏高原，體現為動力和熱力作用、影響甚廣；對于中尺度地形，比如太行山脈和雪峰山脈，主要體現在動力作用；局地的地形熱力有利于降水的增強；對于小尺度地形，比如南方的山丘，主要以上坡峰降水為主，地形強迫抬升輻合和局地的潛熱釋放是降水發生的主要機制。有許多專家就一個過程中地形的影響進行了詳細研究，矯梅燕等[3]指出低層東氣流在與太行山地形的抬升的相互作用形成垂直次級環流圈是北京西部山區強降水產生和維持的主要物理機制。趙玉春等[4]指出大別山和皖南山區中尺度地形相互結合，容易通過激發山脈波產生MCSs,同時受地形阻擋，使MCSs的移動減慢，并在一定程度上增強了MCSs，有利于MCSs的形成和維持。丁青蘭等[5]指出在山前區及喇叭口地形的影響下，邊界層輻合線的長時間維持是造成北京局地短時暴雨的重要原因。雷蕾等[6]指出低層偏東風冷空氣侵入以及暖濕空氣在冷空氣和地形相互作用下強迫抬升是強對流天氣的主要觸發機制。崔春光等[7]指出小尺度的幕阜山的“抬高”的摩擦輻合作用很可能是這場鄂東特大暴雨強降水持續的一個重要因素；而中尺度的大別山對氣流的阻擋作用是導致迎風坡降水增強的主要機制；此外也進行了大量的地形對降水的影響數值模擬[8-12]。

2018年6月19日湖南的中部邵陽—婁底地區出現一次極端強降水天氣過程，此次強降水就發生在中小尺度地形相結合而形成的喇叭口地形中，地形雨降水特征明顯，降水強度大并具有極端性；在以往對湖南的強降水研究中雖有涉及地形影響，但只有簡單地闡述地形的理論作用，而沒有結合個例進行更為深入的研究，因此看似簡單的地形作用，非常有必要深入理解中尺度地形是如何作用于大氣環流，如何觸發引起強降水的，希望對今后這類局地對流天氣的預報、預警有一定的借鑒。

本文所用的資料主要包括加密自動站雨量、地面、高空實況資料、FY-2G衛星TBB和NCEP每日4次的全球再分析資料(FNL，1°×1°)。

1 降水實況

在湖南的邵陽—婁底一線有這樣一個特殊的地帶，在其西側矗立著湖南省最大的一座山—雪峰山(圖1a)，呈東北—西南走向，平均海拔高度在1 000 m以上，主峰海拔在1 900 m以上，與太行山脈一樣是典型的中尺度地形；在其北側即邵陽與婁底交界處則是由雪峰山脈延伸出的高度不一的余脈，其平均海拔高度為800～1 000 m左右，是典型的南方小尺度地形。中小尺度地形的互相結合就構成了邵陽—婁底附近的典型的喇叭口地形。此喇叭口地形也是湖南強降水多發的地段[13]。

2018年6月19日08時—20日08時(北京時，下同)，就是在這個喇叭口地形附近出現了極端強降水，有12個鄉鎮日降水量超過200 mm，最大累計降雨量出現在新邵縣大坪為264.5 mm(圖1b)，國家氣象站邵東、新邵日降水量分別為230.1 mm和167.6 mm，均突破日最大降水量歷史極值。對比湖南的地形圖(圖1a)可以看出，整個強降水區沿著雪峰山前分布，強降水中心主要集中在山體峽口入口處，強降水中心與喇叭口地形相對應，地形雨特征明顯。從邵東、新邵兩個國家氣象站極端強降水的逐小時分布可以看出(圖1b右框)，強降水是從19日11時開始至19日23時結束，期間多個時次出現了小時雨強>30 mm的短時強降水，在自動區域站上監測到19日20時洞口古樓站小時雨強達75.6 mm。

此次過程強降水地形雨特征分布明顯，強降水區集中、局地性強、對流性明顯且持續時間長、造成山前多地出現了極端性強降水；受強降水影響，湖南邵陽的多個鄉鎮出現了輕—中度氣象洪澇。

2 大尺度環流背景

2018年6月19日20時(圖2a)，500 hPa中高緯的環流經向度大，表現為兩槽一脊型，東部槽由東北地區延伸至淮河流域，溫度槽落后于高度槽，利于槽后冷空氣向南入侵，中低緯副高退居洋面，其西部脊線位于110°E附近，湖南處于沒有明顯的西風槽的弱天氣尺度背景下；在850 hPa湖南中部有北部偏北氣流與南側的偏南氣流而形成明顯的切變線，大尺度環流形勢的穩定利于偏北風與偏南的切變線的長時間維持。

從2018年6月19日20時強降水時期的地面天氣填圖可以看出(圖2 b)，湖南處于地面暖倒槽內，20時地面氣溫仍處于30 ℃左右，在強降水中心附近存在地面輻合線，且在此后時間仍穩定維持。中高緯的槽后冷平流侵入到地面暖倒槽內，利于強對流天氣的觸發。

圖1 湖南省地形分布圖(a),2018年6月19日08時—20日08時累積降水量圖(b，右框內為代表站逐小時雨量，單位:mm)Fig.1 (a) topographic distribution map of hunan.(b) cumulative precipitation figure of hunan province from 0800 hours on June 19, 2018 to 0800 hours on June 20, 2018 (in the right box is the hourly rainfall of the representative station, unit :mm)

圖2 2018年6月19日20時天氣形勢圖(a)500 hPa位勢高度場、500 hPa溫度場和850 hPa的風場(黑色等值線表示位勢高度,單位:dagpm;紅色等值線表示溫度,單位:℃;注：陰影表示850 hPa的地形高度), (b)地面天氣填圖Fig.2 shows the weather situation at 20∶00 on June 19, 2018.(a) 500hPa geopotential height field, 500 hPa temperature field and 850 hPa wind field (black contours indicate geopotential height, unit:dagpm; Red represent temperature contour, the unit: ℃; (b) surface weather mapping

3 強降水云團的空間分布特征

此次極端強降水的對流云系發展旺盛，影響范圍較廣，但將其與對應時刻前1 h雨量對比分析可以看出，同等強度的對流云系所對應的地面降水卻有較大差別(圖3)。在夜間強對流云圖從發展到旺盛持續時間長達8 h，期間分別在邵陽—懷化交界處即雪峰山脈的西南段附近和株洲—湘潭—婁底東部一線即湖南中東部的平原地帶有旺盛的對流云團發展，19日19時，東側的對流云團發展旺盛，但短時強降水出現在地形峽口的入口處；19日20時，兩側對流云團最小TBB均在72 ℃以下，而雪峰山脈附近卻出現了>50 mm/h的降水，東側小時雨強則不到25 mm；同樣對比19日21時—20日01時的TBB與過去1 h 的雨強，依然可以看出東側的小時雨強均在25 mm以下，而同等強度下，地形峽口西側入口和東側入口均存在>50 mm/h的短時強降水，其中在19日20—23時還出現70 mm/h 以上的短時強降水。同等強度的對流云團在量級上存在顯著差異，地形影響前側附近的異常強的短時強降水可能與地形的增幅作用有關聯。

圖3 2018年6月19日19時—20日01時(a-h)逐小時TBB(陰影，單位:℃)和過去1 h湖南地區加密自動站雨量(填值,黑色是≥25, 紅色是≥50，單位:mm)疊加圖Fig.3 on June 19, 2018, 19—20 01 (a-h) one by one hour TBB (shadow, unit: ℃) and in the past 1 h hunan province encryption automatic rainfall station(fill in value, black is 25 or more, a red is 50 or more, unit: mm) stacking chart

4 中小尺度地形對強降水的影響

4.1 地形對大尺度環流的影響

中小尺度地形對氣流的影響主要體現在使氣流繞地形流動和被迫爬升, 并且容易使中低層的暖濕氣流在中尺度地形迎風坡造成氣旋性輻合,對降水產生明顯的增幅作用[1-2]。此次極端強降水除了以上有利的大尺度背景場外,從上述對流云團的演變可以看出中尺度的天氣系統的發生發展是造成此次強降水的直接原因。這種系統的發生發展主要取決于當地的地形條件及大尺度背景場,具有很強的局地性和突發性。

從圖4a強降水時刻的緯向垂直環流可以看出，強降水中心位于迎風坡處，其上空強的垂直上升速度延伸至400 hPa附近,表明對流發展旺盛，此外在20～25°N中低層為一致的偏南風，偏南氣流在經過中小尺度地形時南風出現了中斷，而在強降水中心的北側則是中高層偏北氣流逐漸滲透至地面，受地形阻擋，氣流被迫輻合抬升，在喇叭口地形的迎風坡上形成明顯的輻合抬升氣流；此外在垂直環流上則表現為北側中高層冷空氣滲入至低層的暖濕氣流中，加大對流不穩定，利于強對流天氣的觸發，而兩者的匯合點正對應強降水區。另外從圖4b極端強降水中心的水平風場沿著時間—高度垂直剖面可以看出，在19日08時低層均表現為一致的南風，從19日20時900 hPa以下轉為東北風直至降水結束，尤其是19日20時前后偏北風量明顯大，這也證明極端強降水中心有干冷空氣的侵入，因此在水平環流上強降水中心表現為偏南暖濕氣流和東北干冷空氣的輻合區。而地面淺薄的東風氣流的長時間維持是造成中尺度輻合線長期維持在強降水中心的主要原因。

4.2 地形和偏東風的相互作用對降水的影響

從上述分析可以看出，在中小尺度地形的影響下，近地面的偏南風出現了明顯的中斷，此外在強降水時刻北側也出現了明顯的轉向，而偏東風與偏南風的水平氣流的輻合是中尺度切變線和地面中尺度輻合線維持的主要原因，因此非常有必要分析偏東風與地形相互作用對降水的影響。

從圖5a極端強降水中心溫度平流的時間—高度垂直剖面圖可以看出，18日夜間900 hPa以下開始由暖平流轉為淺薄的冷平流，到19日20時900 hPa以下的冷平流強度達到-12×10-5k·s-1，這股淺薄的冷平流的形成正是由于中層東北風的侵入造成的；分析近地面的冷暖氣層分布可以看出(圖5b)，19日14時即強對流天氣發生前，湖南境內近地面氣溫均在30 ℃以上，邵陽強降水中心附近的氣溫甚至高達34 ℃以上，表明近地面暖倒槽發展旺盛，到19日20時隨著偏東風的侵入，強降水中心附近形成明顯的假相當位溫的密集低值區。表明中層偏東風攜帶干冷空氣侵入近地面發展旺盛的暖倒槽內，觸發了暖倒槽中不穩定能量的釋放，是此次強對流天氣發展旺盛的主要觸發機制。

圖4 (a)2018年6月19日20時極端強降水中心沿27.33°N的經向風與擴大-100倍的合成流場和經度—高度垂直剖面圖(b)極端強降水中心27.33°N，111.41°E的水平風的時間—高度垂直剖面圖(單位：m·s-1)Fig.4 (a) on June 19, 20, 2018 extreme strong precipitation center along the meridional wind and extension of 27.33°N-100 times the synthesis of the flow field and the longitude-height of the vertical section(b)Extreme strong precipitation center 27.33°N,111.41°E level wind-highly vertical section (unit: m·s-1)

圖5 (a)極端強降水中心27.33°N，111.41°E的溫度平流時間—高度垂直剖面圖(單位:10-5k·s-1)(b)2018年6月19日20時1 000 hPa的假相當位溫(單位:K)和6月19日14時1 000 hPa的氣溫(單位:℃)Fig.5 (a) strong extreme precipitation center 27.33°N,111.41°E temperature advection time-height of the vertical section (unit: 10-5 k·s-1) (b) on June 19, 2018, 20 1000 hpa off quite a bit when temperature (unit: K), and 14 June 19, when the temperature of 1000 hpa (unit: ℃)

上述中低層偏東風的侵入有利于強對流天氣的觸發，而此次極端強降水天氣的出現還有一個重要原因就是強降水持續時間長，下面就這一點進行分析。從近地面1 000 hPa沿著強降水中心經度111.41°E的水平風場時間—緯度垂直剖面圖和整層大氣可降水量可以看出(圖6a)，27°N以南為偏南氣流影響，在強降水中心緯度(27.33°N)附近18日20時以前為偏南氣流影響，到19日08時之間轉為明顯的西南風與東北風的輻合，此中尺度切變線一直穩定維持到19日20時之后，期間，南側的偏南風還存在一個增大的過程；在強降水之后隨著南側南風的減弱，切變線開始迅速南落。表明，南側偏南氣流的加強及地形的阻擋作用有利于地形峽口處的中尺度切變線的長時間維持，南側偏南氣流的減弱則會使切變線迅速南移，降水雨帶也隨之南移。

另外從強降水時刻850 hPa和925 hPa的水平風場(圖6b、6c)可以看出，在此次強降水過程中，不存在典型的西南急流，到達湖南境內的最大西南風不到6 m/s，并且在強降水中心以北整層大氣可降水量都很小，而在強降水時刻整層大氣的可降水量卻均維持在60 kg·m-2以上(圖6a)，因此，強降水區異常旺盛的水汽含量極可能是南側攜帶的暖濕氣流在北移過程中受中尺度地形阻擋，而在強降水區形成明顯的水汽輻合造成的。

圖6 (a)1 000 hPa沿著111.41°E的水平風時間—緯度垂直剖面圖(單位:m·s-1)和整層大氣可降水量(單位: kg·m-2)(b)2018年6月19日20時850 hPa的水平風場(單位:m·s-1)與地形高度疊加(陰影,單位:m)(c) 2018年6月19日20時925 hPa的水平風場(單位:m·s-1)與地形高度疊加(陰影,單位:m)Fig.6 1 000 hpa along the latitude 111.41°E level wind-vertical section (unit:m·s-1) and the whole atmosphere can be precipitation (unit: kg·m-2) (b) horizontal wind field at 850 hPa at 20∶00 on June 19, 2018 (wind pole, unit:m·s-1) and terrain height overlay (shadow, unit:m) (c) horizontal wind field of 925 hPa at 20∶00 on June 19, 2018 (wind pole, unit:m·s-1) and terrain height overlay (shadow, unit:m)

另外從圖中可以看出，強降水中心的山脈高度多在800～1 000 m之間，這個高度對應的位勢高度大約為900 dagpm附近；從925 hPa的水平風場可以看出，在強降水中心的附近受中小尺度山脈的阻擋而在山脈的峽口處形成明顯的輻合切變線，而850 hPa的氣流在不受地形阻擋作用下，偏南氣流一直延伸至28°N，這也表明中尺度地形有利于中低層輻合切變線的形成和維持，而對于高于山脈的水平氣流影響不是很大。

5 結論和討論

湖南此次局地的極端強降水天氣是發生在大尺度環流形勢較穩定、沒有明顯的西風槽和西南急流的弱天氣尺度背景下，與以往強降水天氣不同，此次極端強降水持續時間長、降水強度大、地形雨特征明顯。本文通過多種資料結合分析，得出以下幾點結論。

①雖然是在弱的天氣尺度背景下，但穩定的環流形勢下北部西風槽后弱的偏北風的逐漸滲透與西太平洋副高西南側的西南氣流的結合有利于切變線的形成和維持。

②不同地形影響下同等強度的對流云團在量級上存在顯著差異，異常強的短時強降水出現在喇叭口地形附近或迎風坡處。

③低層淺薄的偏東風的滲入，以及中小尺度地形的阻擋和強迫抬升作用，是極端強降水區域出現異常旺盛的上升運動的主要原因。在垂直環流上則表現為北側中高冷空氣滲入至低層的暖濕氣流中，加大對流不穩定，利于強對流天氣的觸發。

④中層偏東風攜帶干冷空氣侵入近地面發展旺盛的暖倒槽內，觸發了暖倒槽中不穩定能量的釋放，是此次強對流天氣發展旺盛的主要觸發機制。地面淺薄的東風氣流的長時間維持、南側偏南氣流的加強及地形的阻擋作用有利于地形峽口處的中尺度切變線的長時間維持是強降水持續的主要原因。