2017年湖南一次極端降雨過程特征及成因分析

許 霖 ，姚 蓉 *，陳紅專 ，蘇 濤 ，周 莉

（1.湖南省氣象臺，湖南 長沙410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，湖南 長沙410118；3.懷化市氣象局，湖南 懷化 419599）

暴雨是湖南最主要的災(zāi)害性天氣之一，湖南處于季風影響區(qū)，主汛期暴雨過程頻繁，而極端降雨、持續(xù)強降雨則多出現(xiàn)在6—7月，其致災(zāi)性尤為嚴重，常導致洪澇災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害及城市積澇的發(fā)生。近年來我國學者對暴雨和極端降水天氣過程在時空變化特征[1-6]、天氣學診斷分析[7-13]、數(shù)值模擬[14-19]及預報方法探討[20-23]等方面都做了廣泛的研究，這些成果對于強降雨的成因和預報有重要指示作用。高濤等[4]分析了中國近50 a來極端降水事件，發(fā)現(xiàn)極端降水事件的頻率和強度均有升高的趨勢，但存在明顯的區(qū)域差異：長江中下游、東南地區(qū)和西北的部分區(qū)域極端降水有增加趨勢，而華北、東北和西南的部分地區(qū)有減少趨勢。極端降水總是在有利的大尺度環(huán)流背景下，引發(fā)中小尺度對流性天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的。武文博等[7]通過對1961—2014年中國東部地區(qū)降水資料和NCEP再分析資料進行分析，發(fā)現(xiàn)極端降水的變化與大氣內(nèi)部的動力作用和能量的傳播有密切的關(guān)系。岳甫璐等[14]利用WRF中尺度模式對2012年7月21—22日發(fā)生在北京的極端降水過程進行了數(shù)值模擬，探討了地形改變后對此次暴雨過程的影響。然而，極端降雨是小概率事件，日常業(yè)務(wù)值班中常對降水極端性的估計和強降水持續(xù)時間的預報都存在不足，此外，數(shù)值預報模式對強降雨的預報和模擬能力有限，且其發(fā)生機理尚未完全明了，因此極端降雨預報問題仍是目前業(yè)務(wù)預報和服務(wù)工作面臨的極具挑戰(zhàn)的難題。

2017年6月22日—7月2日湖南出現(xiàn)了一次罕見的大范圍持續(xù)暴雨、大暴雨過程，共有73縣市出現(xiàn)極端降水事件。受強降雨影響，湘江發(fā)生了流域性特大洪水，資水及沅江發(fā)生了大洪水，湘江、資水、沅江3條河流洪水同時在洞庭湖相遇，形成了洞庭湖區(qū)大洪水。雖然對此次強降水過程的落區(qū)和移動特點有較好的預報，但對其極端性的把握明顯不足，因此有必要對此類極端降水天氣成因做深入的分析。本文利用常規(guī)探測資料、NCEP/NCAR再分析資料、株洲炎陵自動站資料，分析該過程的背景場和極端降水成因，并探討湖南特殊地形對降水的影響，通過總結(jié)極端降水形成的關(guān)鍵因子，以期提高湖南極端降雨的預報預警準確率，為預報及服務(wù)提供科學的參考依據(jù)。

1 降水特征

1.1 極端降水特征

本輪過程持續(xù)時間長達11 d，創(chuàng)湖南歷史新高；此外，日雨量和累積雨量共有73縣市達極端降水標準（基于湖南省地方標準《湖南極端降水事件監(jiān)測方法與判別指標》[24]，利用百分位法選取長期降水序列高于90%的百分位值作為閾值，當指標值達到或超過對應(yīng)閾值時，認為該值是極端值，所表征的事件為極端事件）。本文根據(jù)強降雨帶基本穩(wěn)定少動的時段作為強降雨階段劃分標準，將本輪過程分為3個階段：6月22—25日強降水主要位于湘中以北地區(qū)，6月26—28日主要影響湘南地區(qū)，6月29日—7月2日強雨帶北抬至湘中以北及湘西南地區(qū)。省內(nèi)共有111縣市2247站累計雨量超過200 mm，其中92縣市1307站超過300 mm，62縣市618站超過400 mm，36縣市183站超過500 mm，13縣市28站超過600 mm，6個站超過700 mm，最大為923.8 mm，出現(xiàn)在婁底漣源安平。全省平均過程降雨量292.4 mm，較常年同期（81.74 mm）偏多257.8%，位居1951年以來歷史同期第一高位。

1.2 中尺度降水特征

本輪降雨過程中出現(xiàn)了大范圍短時強降水，表1為強降雨過程的3個階段不同強度雨強發(fā)生站次。第一階段6月22日20時—25日20時強降雨時段小時雨強≥20 mm有2471站次，≥50 mm有119站次；第二階段6月25日20時—28日20時湘南強降雨時段小時雨強≥20 mm有276站次，≥50 mm僅有4站次；第三階段6月28日20時—7月2日20時強降雨時段小時雨強≥20 mm有2513站次，≥50 mm有117站次。從表1中可以看出，第一、三階段降水強度大，出現(xiàn)短時強降水站次多，多中尺度雨團活動，第二階段湘南降水強度最小，且出現(xiàn)站次明顯偏少，對流性降水偏弱。

2 極端降水成因

2.1 有利的大氣環(huán)流背景

過程期間東亞中高緯大氣環(huán)流以經(jīng)向環(huán)流為主，呈一脊一槽型，貝加爾湖為阻高，阻高前部低渦帶動橫槽緩慢南壓，西太平洋副高較為穩(wěn)定，脊線較長時間維持在23°~24°N，較常年位置偏南，帶狀副高與北方冷渦對峙，導致了梅雨鋒雨帶在湖南擺動。此外，副高邊緣存在高不穩(wěn)定能量和充沛的水汽輸送，在有利的大尺度環(huán)流背景與天氣尺度系統(tǒng)強迫、中低層低渦及切變線、地面輻合線等中小尺度系統(tǒng)影響和觸發(fā)下，導致湖南持續(xù)暴雨和大暴雨的發(fā)生。

2.2 高低空急流配置

在過程的第一階段，200 hPa南亞高壓呈東西向帶狀控制從青藏高原到長江以南的廣大區(qū)域，其北側(cè)為高空槽，高空西風急流位置偏北。低空西南風急流在過程開始時就已經(jīng)建立，位置偏南，位于廣西境內(nèi)，在過程前期不斷加強北推，23日20時西南低空急流北推到湘北（圖1a），長沙站西南風達20 m/s，懷化站16 m/s。但由于高空急流位置偏北，高低空急流的耦合形式?jīng)]有建立，暴雨區(qū)的強上升運動主要來自低空急流北側(cè)的強風速輻合以及切變線上的風向切變，因此暴雨主要位于低空急流的出口區(qū)。24日08時（圖1b），西南低空急流仍維持在湘中以北，其北側(cè)強上升運動導致湘中偏北地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨和大暴雨。24日08時后，低空急流明顯減弱南退，雨帶南移到湘中以南地區(qū)，200 hPa高空槽后高空急流逐漸減弱消失。

第二階段，低空急流減弱消失，切變維持在湘中以南，200 hPa高空槽進一步加深，槽前西風急流轉(zhuǎn)為西南風高空急流并南壓，從26日20時的配置可看出（圖2a），湖南位于西南風高空急流入口區(qū)的右側(cè)，但由于低空急流消失，并沒有建立高低空急流的耦合形勢，27日20時（圖2b），槽前高空急流進一步南壓，湖南仍處在高空急流入口區(qū)的右側(cè)，同時高空槽西側(cè)西北氣流開始加強，但由于低空西南風較弱，高低空急流耦合形勢并沒有建立。

表1 湖南省6月22日20時—7月2日20時雨強統(tǒng)計

第三階段，低層西南風加強，850 hPa低空急流重新建立并向北推進，與此同時200 hPa東西向的南亞高壓斷裂，南亞高壓中心西移到青藏高原和印度半島之間，高空槽進一步加深，槽前與槽后的高空急流也加強南壓。29日20時（圖3a），200 hPa西側(cè)的西北風高空急流往東南方向推進到我國西南地區(qū)東部，湖南處于西側(cè)高空急流出口區(qū)的左側(cè)和東側(cè)高空急流入口區(qū)的右側(cè)，兩支高空急流輻散區(qū)的疊加有利于高空強抽吸作用的加強，同時湘中以北地區(qū)處在低空急流出口的北側(cè)，高低空急流的耦合形勢建立，高空急流入口區(qū)的直接環(huán)流的上升支與低空急流出口區(qū)的間接環(huán)流的上升支重合，加強次級環(huán)流的形成，增強了暴雨區(qū)的上升運動，導致湘中以北出現(xiàn)大范圍暴雨和大暴雨，第三階段持續(xù)時間最長、暴雨區(qū)范圍最廣，與耦合形勢的建立密切相關(guān)。耦合形勢一直維持到30日20時（圖3b），之后湘西南的低空急流南撤到廣西北部，1日20時低空急流進一步往東南方向移動，高空兩支急流合并成一支，湘東南仍然維持高低空急流的耦合形勢，湘東南仍有較強降水發(fā)生。

圖 1 200 hPa全風速（黑色等值線，≥30 m/s，單位：m/s）、850 hPa全風速（紅色等值線，≥12 m/s，單位：m/s）以及其后24 h降雨量（色斑，單位：mm）（a為23日08時；b為24日08時）

圖2 200 hPa與850 hPa全風速以及之后24 h降雨量（a為26日20時；b為27日20時）

2.3 熱力與不穩(wěn)定條件

假相當位溫θse垂直剖面清楚地顯示鋒面活動和不穩(wěn)定層結(jié)的情況，因此對比分析了此次過程不同階段θse和垂直速度的剖面圖。在第一個階段，從23日 20時沿 110°E 的剖面圖發(fā)現(xiàn)（圖 4a），θse具有鞍形場結(jié)構(gòu)：暴雨區(qū)北側(cè)為θse等值線密集帶（鋒區(qū)），鋒區(qū)在500 hPa以下呈陡立狀，500 hPa以上向北傾斜。鋒區(qū)的動力強迫有利于低層能量和水汽向上輸送，同時θse的陡立區(qū)容易出現(xiàn)渦度的傾斜發(fā)展，是渦旋發(fā)展的重要區(qū)域；暴雨區(qū)低層為θse大值區(qū)，存在向高層伸展的高θse舌區(qū)，為對流不穩(wěn)定層結(jié)；中層θse等值線稀疏并向下凹，呈漏斗狀分布，為中性層結(jié)；高層為穩(wěn)定層結(jié)。強垂直上升運動出現(xiàn)在鋒前暖區(qū)中，其結(jié)構(gòu)也呈陡立狀，θse的這種垂直分布是典型的有利于對流性天氣產(chǎn)生的模型。分析相對濕度和垂直速度的剖面圖（圖4b）可以發(fā)現(xiàn)，暴雨區(qū)存在從低層直達高層的相對濕度＞90%的深厚飽和氣柱，與強上升運動形成互耦結(jié)構(gòu)，飽和氣柱南北跨度大，湖南區(qū)域大都位于此高度高濕區(qū)內(nèi)，暴雨就發(fā)生在鋒前高溫高濕的不穩(wěn)定層結(jié)和強上升運動區(qū)。

在過程的第二個階段，隨著系統(tǒng)的南壓，強降雨帶也南壓到湘中以南，從27日20時沿113°E的θse剖面圖發(fā)現(xiàn)（圖5a），雖然在暴雨區(qū)北側(cè)也存在θse的密集區(qū)和鞍形場結(jié)構(gòu)，但鋒區(qū)呈傾斜狀向北和向高層伸展;與第一階段鋒區(qū)在500 hPa以下呈陡立狀的結(jié)構(gòu)明顯不同，上升運動區(qū)雖然也位于鋒前暖區(qū)中，也呈傾斜狀，但上升運動的強度較第一階段弱，相對濕度的剖面圖上（圖5b），鋒前也存在高濕區(qū)；因此雖然第二階段強降雨也出現(xiàn)在鋒前高溫高濕的不穩(wěn)定層結(jié)區(qū)，但降雨強度較第一階段弱。

第三階段雨區(qū)北抬到湘中以北地區(qū)，從29日20 時沿 113°E 的 θse剖面圖發(fā)現(xiàn)（圖 6a），θse的垂直結(jié)構(gòu)具有與第一階段類似的不穩(wěn)定層結(jié)，暴雨區(qū)北側(cè)存在θse的密集區(qū)和鞍形場結(jié)構(gòu)，中低層θse呈陡立狀，鋒前暖區(qū)也是高濕區(qū)（圖6b）。與第一階段的區(qū)別是，垂直上升運動區(qū)雖然也呈陡立狀，但上升運動的強度較第一階段弱，而且強上升運動區(qū)位置較高，位于400 hPa附近，另外中低層上升運動區(qū)之間有弱的下沉運動。在其后的演變中，強上升運動中心逐漸下降，30日20時強上升運動中心位于600 hPa附近，中心強度也逐漸加強。

圖 4 23日 20時沿 110°E 假相當位溫（等值線，單位：K）、垂直速度（色斑，單位；Pa/s）（a）和沿 110°E相對濕度（等值線）、垂直速度（色斑，單位；Pa/s）（b）

2.4 水汽異常

極端降水和持續(xù)強降水過程，常伴有超強的水汽輸送與匯合。從30 a平均和過程期間平均整層水汽通量上看（圖7），北澳冬季風水汽輸送較常年同期有所加強，達到 350 kg·m-1·s-1以上，南亞季風的水汽輸送大值中心較常年東移，在孟加拉灣上空達到600 kg·m-1·s-1以上，加之西太副高南側(cè)輸送至南海的東風水汽也有所加強，使得南海南部的水汽強度明顯提升。因此，來自孟灣、南海和副高南側(cè)的3條水汽通道源源不斷地將水汽輸送至湖南上空，使得湖南水汽較常年同期顯著增強，除湘西北外，其余大部分地區(qū)整層水汽通量達300 kg·m-1·s-1以上，其中湘南地區(qū)達 500 kg·m-1·s-1以上。

圖 5 27日 20時沿113°E 假相當位溫（等值線，單位：K）、垂直速度（色斑，單位：Pa/s）（a）和沿 113°E 相對濕度（等值線）、垂直速度（色斑，單位：Pa/s）（b）

圖 6 29日 20時沿113°E 假相當位溫（等值線，單位：K）、垂直速度（色斑，單位：Pa/s）（a）和沿 113°E 相對濕度（等值線）、垂直速度（色斑，單位：Pa/s）（b）

圖7 1981—2010年6月22日—7月2日平均整層水汽通量（a）和2017年6月22日—7月2日平均整層水汽通量（b）（單位：kg·m-1·s-1）

為了進一步分析不同階段水汽異常對極端降水的貢獻，對降水期間不同時段的大氣可降水量及其異常進行分析。大氣可降水量是指單位截面積垂直大氣柱內(nèi)所包含的水汽總量，6月22—24日湘中及以北地區(qū)整層可降水量超過55 mm，局地超過60 mm（圖8a），其中，24日整層可降水量超過常年同期2個標準差，具有顯著的正異常，實況顯示強降水主要集中在湘中以北區(qū)域；25日暴雨、大暴雨落區(qū)南壓至湘中一帶，與之相對應(yīng)湘中地區(qū)的整層可降水量超過60 mm（圖8b）；26—27日強降水落區(qū)進一步南壓，湘中及以南地區(qū)的整層可降水量超過50 mm（圖8c）；28—29日強降水北抬至湘中一帶，其整層可降水量達到50~60 mm；6月30日—7月1日整層可降水量超過55 mm的區(qū)域擴大至整個湘中、湘西南以及湘東北地區(qū)（圖8d），呈東北西南走向，其中湘東北地區(qū)整層可降水量超過60 mm，超過常年同期2個標準差，湘中、湘東北和湘西南出現(xiàn)大范圍大暴雨天氣；7月2日整層可降水量超過55 mm的范圍南壓至湘南地區(qū)，超過常年同期2個標準差，強降水主要出現(xiàn)在湘東南地區(qū)。由此可見，在此次強降水過程期間，整層可降水量的演變和實際降水對應(yīng)良好，具有較好的指示作用。

3 地形對極端強降水的影響

湖南地勢復雜，東、南、西三面山地圍繞，中部丘崗起伏，北部平原、湖泊廣布，呈西高東低、南高北低、朝東北開口的不對稱馬蹄形盆地。雪峰山自西南向東北貫穿省境中部構(gòu)成了典型的環(huán)形層狀地貌。湖南的土地利用類型以農(nóng)田和森林為主，城市多分布在以長株潭為代表的經(jīng)濟區(qū)，岳陽、常德所在的洞庭湖區(qū)主要以水體和農(nóng)田為主，地面水覆蓋面積廣闊，水汽條件常年較好。

地形與氣流相互作用的影響下，容易形成致災(zāi)性大暴雨，為研究湖南地形與降雨的關(guān)系，選取了過程中日雨量200 mm以上站點的時段，討論不同地形對極端強降水的影響。

3.1 6月22日20時—6月23日20時

沿著強降水中心（岳陽站239 mm和臨湘站232.8 mm）作一條東北—西南走向的剖面（圖9），可以看到，日降水沿強降水中心的演變曲線上存在3個峰值，分別對應(yīng)圖9中的吉首、安化、岳陽3個大暴雨區(qū)，其中吉首附近（110°E，28.2°N）的峰值最小，安化附近（110.5°E，28.8°N）和岳陽附近（113.3°E，29.5°N）的降水較強。受低層偏西風的作用，安化附近的強降水區(qū)位于地形背風坡，山后的背風波擾動和動力渦旋對降水有加強作用；岳陽附近的迎風坡為降水提供了一定的抬升條件，但是該區(qū)域山地低矮，強降水受地形的影響相對較小，該區(qū)域的強降水主要與湖區(qū)合適的溫濕條件有關(guān)。

圖8 6月24日08時（a）、25日08時（b）、27日08時（c）、7月1日08時（d）大氣整層可降水量（單位：mm）

圖9 22日20時—23日20時地形（陰影，單位：km）疊加降水（曲線，單位：mm）沿強降水中心連線剖面

3.2 6月29日20時—6月30日20時

沿著強降水中心（平江站236.2 mm、安化站202.3 mm和瀘溪站215 mm）作一條東北—西南走向的剖面（圖10），可以看到，日降水沿強降水中心的演變曲線上存在2個明顯的峰值，分別對應(yīng)的是圖10中所示的安化、瀘溪大暴雨區(qū)和平江、汨羅大暴雨區(qū)，降水演變曲線的峰值寬度較大，說明大暴雨出現(xiàn)的范圍廣，強降水的影響區(qū)域大。從剖面圖的變化可以看出該時段內(nèi)的強降水與地形密切相關(guān)，峰谷交替、地形復雜的區(qū)域?qū)?yīng)著降水的峰值，兩個降水極值都出現(xiàn)在2個較高山峰之間的山區(qū)。

圖10 地形（陰影，單位：km）疊加降水（曲線，單位：mm）沿強降水中心連線剖面

為了更加直觀地展現(xiàn)地形與降水的關(guān)系，引入了地形坡度的概念，通常意義上的地形坡度是指地形海拔高度變化與水平距離的比值，表征地形的復雜和陡峭程度。沿強降水中心做剖面，求取該剖面上的地形坡度絕對值，得到地形坡度絕對值與降水的演變情況（圖11）。從圖11中可以看出地形坡度絕對值與降水量變化十分吻合，地形變化越劇烈降水強度越大。不同站點的降水日變化（圖12）顯示出，安化、瀘溪的降水演變特征相似，表現(xiàn)為全天均勻降水，降水時段長，這與西部地形相對復雜有關(guān)，復雜地形的存在常常會增加降水時長，使得降水趨于均勻；平江站降水時段集中，雨強很大，受天氣系統(tǒng)的影響相對明顯。

圖11 湖南地形坡度絕對值和降水（單位：mm）剖面

圖12 平江、安化、瀘溪3站降水（單位：mm）日變化對比

3.3 6月30日20時—7月1日20時

隨著降水雨帶逐漸向南發(fā)展，長沙和婁底大部分地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨，其中長沙日雨量238.2 mm，寧鄉(xiāng)日雨量218.9 mm。長沙、寧鄉(xiāng)地區(qū)山地低矮，強降水受地形的影響相對較小，該區(qū)域的強降水主要與天氣系統(tǒng)和湖區(qū)附近合適的溫濕條件有關(guān)。相對濕度飽和區(qū)呈現(xiàn)東北—西南走向，貫穿整個湘中地區(qū)，與暴雨帶位置一致，長沙、寧鄉(xiāng)為代表的湘東地區(qū)低層比濕＞18 g/kg，為該地區(qū)持續(xù)的強降水提供了充沛的水汽條件。

4 結(jié)論與討論

利用多種觀測資料以及NCEP再分析資料，選取一次湖南罕見的大范圍持續(xù)暴雨、大暴雨過程，針對其極端性進行了成因分析，得到以下結(jié)論：

（1）西太平洋副高穩(wěn)定少動，脊線位置較常年偏南，帶狀副高與北方冷渦對峙，導致梅雨鋒雨帶在湖南擺動；中低層低渦及切變線、地面輻合線等中小尺度系統(tǒng)是湖南持續(xù)暴雨和大暴雨發(fā)生的觸發(fā)條件。

（2）高低空急流提供了有利的動力條件。暴雨第一階段高空急流偏北，強上升運動來自低空急流北側(cè)的強風速輻合和風向切變；第二階段低空急流減弱消失，但高空急流南移，湘南位于高空急流入口區(qū)的右側(cè)輻散區(qū)；第三階段湖南處于西側(cè)高空急流出口區(qū)的左側(cè)和東側(cè)高空急流入口區(qū)的右側(cè)，兩支高空急流輻散區(qū)的疊加有利于高空抽吸作用的加強，同時低空急流再度加強北推，高低空急流的耦合有利于次級環(huán)流的形成，增強暴雨區(qū)的上升運動，導致湘中以北出現(xiàn)長時間、大范圍暴雨和大暴雨。

（3）3個階段暴雨區(qū)北側(cè)均存在θse的密集區(qū)和鞍型場結(jié)構(gòu)，鋒區(qū)的動力強迫有利于低層能量和水汽向上輸送，同時暴雨區(qū)存在深厚飽和氣柱，與強上升運動形成互耦結(jié)構(gòu)，高溫高濕的不穩(wěn)定層結(jié)和強上升運動有利于暴雨的產(chǎn)生。

（4）水汽異常偏高也是造成極端降水的一個重要原因。來自孟灣、南海和副高南側(cè)的3條水汽通道的輸送使得湖南水汽較常年同期顯著增強。其中降水最顯著的第一階段和第三階段中整層可降水量超過常年同期2個標準差，最大整層可降水量超過60mm，其大值區(qū)的演變與實際強降水區(qū)域?qū)?yīng)較好。

（5）湖南地勢復雜，地形對降水有一定的增幅作用。引入地形坡度概念后發(fā)現(xiàn)，地形坡度絕對值與降水量變化十分吻合，地形變化越劇烈降水強度越大，而復雜地形的存在常常會增加降水時長，使得降水趨于均勻。