湖南省冬汛期兩次暴雨天氣過程對比分析

黃娟 范紹佳 周莉

摘要：利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析資料，從環流形勢、水汽、動力以及不穩定層結4個方面，對比分析2015年11月發生在湖南省兩次秋冬季暴雨天氣過程。結果表明，兩次暴雨過程與異常的大尺度環流背景有關。副高面積偏大強度偏強有利于水汽沿著副高西南側匯入湖南省，極渦的強度較常年平均異常偏強，使得冷空氣強度偏強，南下的強冷空氣與北上的暖濕氣流交匯，引發強降水天氣過程。地面倒槽和中低層低渦切變是兩次強降水過程的主要影響系統，過程2地面倒槽強度較強、范圍較廣且移動緩慢，對應中低層低渦切變強度較大，過程1地面倒槽和中低層低渦切變無論是強度、范圍還是持續時間都不及過程2。700 hPa的水汽是兩次區域性暴雨的主要輸送源，過程1水汽主要來源于南海，過程2來源于孟加拉灣，且水汽條件強于過程1。過程1垂直上升運動區向上延伸的高度更高，低層輻合層深厚，鋒區較強，有不穩定能量積累。過程2主要以穩定性降水為主，垂直上升運動、輻合輻散配置較淺薄，主要集中在中低層。

關鍵詞：冬汛期暴雨; 對比分析; 天氣過程;湖南省

中圖分類號：P458.3 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）10-0044-009

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.10.009 ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the NCEP/NCAR reanalysis data with resolution of 1°×1° and from four aspects of circulation situation， water vapor， dynamics and unstable stratification， a comparative analysis of the two rainstorms in Hunan province in November 2015 is maked. The results show that the two rainstorms are related to the abnormal large-scale circulation background. The province large area and strong intensity of subtropical high are beneficial for water vapor to converge into Hunan province along the southwest side of subtropical high. The intensity of polar vortex is stronger than the annual average， which makes the intensity of cold air stronger. The strong cold air in the south intersects with the warm and wet air in the north， causing the heavy precipitation weather process. Ground inverted trough and low-level eddy shear are the main influence systems of the two heavy precipitation processes. In process 2， the ground inverted trough has strong intensity， wide range and slow movement， and corresponds to the low-level eddy shear intensity. In process 1， the ground inverted trough and the low-level eddy shear intensity， range and duration are lower than those in process 2. The water vapor of 700 hPa is the main transport source of the two regional rainstorms. The water vapor of process 1 is mainly from the South China Sea and process 2 is from the Bay of Bengal， and the water vapor condition is stronger than that of process 1. In process 1， the vertical upward motion zone extends upward at a higher altitude， with deep convergence layer in the lower layer， strong frontal zone and unstable energy accumulation. In process 2， stable precipitation is dominant， vertical upward motion， convergence and divergence are shallow， mainly concentrated in the middle and low levels.

Key words： rainstorm in winter flood season; comparative analysis; weather process; Hunan province

暴雨是常見的災害性天氣之一。在夏季由于大氣的動力、熱力、水汽等條件更有利于強降水的產生，因而多數暴雨產生在夏季[1-8]。近年來，湖南省頻繁出現秋季持續性暴雨天氣[9，10]，這樣的災害性天氣較汛期暴雨更容易引發滑坡、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[11-13]。目前，國內外對秋冬季暴雨的形成機理已經進行了很多研究。賀哲等[14]利用常規觀測資料、加密觀測資料對2011年河南省連續兩個暴雨日進行了對比分析，結果表明這兩次暴雨的落區均呈狹長帶狀，副熱帶高壓與低槽的相互作用使冷暖氣團在河南省上空交匯。張芳華等[15]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入口區右側的強輻散區也有利于暴雨的形成。周慧等[16]綜合利用多源資料及NCEP/NCAR再分析資料，對2015年11月10―12日湘江流域冬季罕見的暴雨過程進行分析，發現孟加拉灣低槽東移、西太平洋副高強度偏強、脊線穩定維持在20°N附近、近地面東部冷高壓與向東移動的暖低壓在湘江流域對峙為此次強降水的發生提供了有利的環流背景。強降水發生在大氣層結穩定的狀態，旺盛的西南暖濕氣流與冷空氣在湘江流域交匯，配合持續穩定的輻合上升運動等條件，造成了湘江流域罕見的冬季暴雨天氣過程。何芬等[17]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受南支槽東移、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。陸秋霖等[18]利用自動站雨量資料以及NECP FNL分析資料，分別對廣西冬季2次農業致災暴雨2016年1月27―28日和2013年12月13―16日進行實況分析、天氣學分析和濕位渦診斷分析，發現暴雨發生在MPV1正值區前側的負值區或0值附近和MPV2負值中心南側的低值區內。唐振飛等[19]分析了2015年1月13日發生在福建省的1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，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。Yokoi等[20]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。本研究對比分析2015年11月發生在湖南省的兩次秋冬季暴雨天氣過程，以揭示此次暴雨的特征及其成因，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 ?資料與方法

2015年自11月以來湖南省出現了長達1個多月的連陰雨天氣，其中，11月7―8日（簡稱過程1）和15―17日（簡稱過程2）發生了兩次典型的秋冬季暴雨天氣過程。本研究利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析資料，從環流形勢、水汽、動力以及不穩定層結4個方面，對2015年11月發生在湖南省的兩次秋冬季暴雨天氣過程進行對比分析。

2 ?天氣實況與環流背景分析

2.1 ?降水實況

兩次暴雨過程降水量隨時間的演變如圖1所示，過程1持續時間為2 d，湖南省全省平均降水量分別為3.9和13.2 mm，過程2持續時間為3 d，全省平均降水量分別為12.5、22.5和10.7 mm，過程2降水強度較過程1更大。

兩次暴雨過程中降水量最大一天（分別為11月8日和16日）的降水量空間分布見圖2。由圖2可以看出，8日的降水主要分布在湘中及以南地區，湘中一帶以小到中雨為主，湘東南地區降水量較大，以大到暴雨為主，有7個臺站的24 h降水量超過50 mm，達到暴雨級別，其中永州大部、郴州西南部降水量最強。16日湖南省全省都有降水發生，強降水大值區主要位于湘中偏南一帶，以大到暴雨為主，其中有6個站點降水量超過50 mm，達到暴雨級別，其他地區降水量較少，且降水量向湘北和湘南逐漸遞減，湘北和湘南地區以小雨為主。對比兩次強降水過程不難發現，過程1為局地性降水，而過程2降水范圍更廣，持續時間更長，強度也更大。

2.2 ?環流背景分析

2015年11月中上旬，湖南省暴雨天氣頻發，主要與異常的大尺度環流背景有關。西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）是東亞地區最重要的環流系統，并且此次連陰雨過程持續時間較長，因此，本研究就反映副高的兩個主要指數即西太平洋副高面積指數和西太平洋副高強度指數進行了分析，從相對于30年的氣候平均態的距平值不難發現，西太平洋副高面積（圖3a）和強度變化（圖3b）一致，皆是近35年中的極大值，可見當副高面積偏大，強度偏強時，有利于水汽沿著西太平洋副高西南側匯入湖南省，引發強降水。從2015年11月北半球500 hPa高度場（圖4a）及其相對于氣候平均態的距平（圖4b）也進一步驗證，副高強度較常年平均異常偏大，而極渦的強度同樣較常年平均異常偏強，使得冷空氣強度偏強，南下的強冷空氣與北上的暖濕氣流交匯，引發強降水天氣過程。

分析兩次過程500 hPa高度場和風場的分布，由圖5可以看出，對于過程1烏拉爾山的東亞大槽強度較大，厚度較深，而歐亞大陸的脊強度也較強，同時在中國青藏高原東部有弱槽出現并向東移，槽西部的西北氣流能夠將冷空氣向湖南省輸送。對于過程2，東亞地區表現為兩脊一槽的環流形勢，烏拉爾山和中國東北部是兩個強度較強的槽，而之間為一個弱脊，同樣在青藏高原東部有一個弱槽向湖南省移動，將暖濕氣流輸送到湖南省。兩次強降水過程副高的脊線位置都比較固定，維持在20°N―22°N，脊線位置較平均態偏北，使得副高西側的西南暖濕氣流源源不斷地由南海和西太平洋向湖南省輸送水汽，因此11月的兩次強降水過程與副高的強度和面積在特定位置上的周期震蕩有關。進一步驗證當副高面積偏大，強度偏強時，更容易引發強降水。不同的是過程2的西伸脊點在15日達到70°E附近，較過程1偏西。

兩次過程的海平面氣壓形勢、925 hPa高度場和風場如圖6、圖7所示，對于過程1而言，在7日8時湖南省的西北處有一低壓倒槽，此低壓倒槽一直向東南方向移動并且經過湘南地區，至8日8時，低槽已經移動到與湘南地區同一緯度的地區。此倒槽的存在是此次強降水發生的主要環流背景。對應925 hPa高度場和風場，7日8時還未出現明顯的輻合區，到8日8時在湘南地區出現弱的輻合切變，為此次過程提供輻合抬升條件。過程2與過程1類似，在青藏高原東部有一低槽向東南地區移動，影響湖南省，但此次過程的低槽強度較強、范圍較廣且移動緩慢，對應925 hPa高度場和風場，15日8時，湘中偏北存在一條弱的切變線，且逐漸加強南壓，到16日8時在湘中偏南地區出現一個閉合低渦，因此過程2強降水的范圍較過程1廣，持續時間也較過程1長。

3 ?物理量診斷分析

3.1 ?水汽條件

兩個過程850 hPa相對濕度、水汽通量和水汽通量散度的分布如圖8所示。從水汽條件來看，對于過程1，7日8時，有一水汽通量輻合大值區位于湘西北，且存在一條從南海向其輸送水汽的水汽輸送帶，最大輻合區強度小于-6×10-7 g/（cm2·hPa·s），配合湘北地區的濕區，為降水提供水汽輻合條件，到8日8時相對濕度大于95%的濕區范圍擴大，輻合中心東移影響湘西南地區， 且強度加深， 達-7×10-7 g/（cm2·hPa·s），這與降水落區有較好的對應。對于過程2，15日8時，來自南海的水汽輸送帶較弱，大部分水汽來源于孟加拉灣地區，整個湘中及其以北地區都被相對濕度大于95%的濕區覆蓋，水汽通量輻合區面積與過程1相比更大，到16日8時，盡管濕區范圍縮小，但水汽輻合增強，在湘中偏西一帶形成強的水汽通量輻合大值區，強度達-6×10-7 g/（cm2·hPa·s）。

2個過程700 hPa相對濕度、水汽通量和水汽通量散度的分布如圖9所示。對于過程1，7日8時，有一水汽通量輻合大值區位于湘東，且存在一條從孟加拉灣向其輸送水汽的水汽輸送帶，最大輻合區強度小于-3×10-7 g/（cm2·hPa·s），同時湘東地區的相對濕度也較大，達90%，到8日8時相對濕度大于90%的濕區范圍擴大，輻合中心東移影響湘南地區，且強度加深，達-5×10-7 g/（cm2·hPa·s），這與降水落區有較好的對應。對于過程2，15日8時，整個湘中及其以北地區都被相對濕度大于90%的濕區覆蓋，水汽通量輻合區面積與過程1相比更大，到16日8時，水汽輻合增強，在湘中偏西一帶形成強的水汽通量輻合大值區，強度達-5×10-7 g/（cm2·hPa·s）。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。總的來說，盡管低層850 hPa水汽輻合較強且相對濕度值較大，但700 hPa水汽輻合的時空分布特征與強降水的時空分布特征基本吻合，可見700 hPa的水汽是兩次區域性暴雨的主要輸送源。

3.2 ?動力條件

動力抬升是暴雨發生的觸發條件，系統性的上升運動有利于暴雨天氣的發生和維持[8]，從渦度、垂直螺旋度和散度來分析此次過程的動力條件，沿著兩次過程的強降水中心3個物理量的時間高度剖面如圖10所示。對于過程1（圖10a），從散度場可以看到在強降水發生期間，700 hPa以下為輻合層，但強度較弱，500 hPa以上為顯著的散度正值區，其中8日8時的散度能夠達4×10-5 g/（cm2·hPa·s），表明有強烈的輻散。這種低層輻合高層輻散的配置有利于垂直上升運動的發展。同時，垂直螺旋度的指標也與暴雨的發生高度吻合，垂直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，在500～600 hPa有正的垂直螺旋度，在高層550 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，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[8，21-23]。對于過程2（圖10b），從散度場可以看到在強降水發生期間，850 hPa以下為輻合層，強度較過程1明顯加強，700 hPa以上為顯著的散度正值區，這種低層輻合高層輻散的配置有利于垂直上升運動的發展。同時，垂直螺旋度在強降水發生時刻都表現為明顯的正值，尤其是在16日8時前后，整層都表現為顯著的垂直螺旋度正值區，在600 hPa處出現-100×10-6 m/s2的大值中心，強度明顯大于過程1。兩次過程的動力條件分析表明，暴雨期間的低層輻合有旋轉上升氣流、高層輻散存在強烈的旋轉下沉氣流，對暴雨的發展和維持起重要作用。

3.3 熱力條件和不穩定能量特征

由大氣層結△θse（500～850 hPa）的時間經向剖面（圖11）可以看出，2個過程的強降水大氣層結相似，30°N以北△θse（500～850 hPa）>0 ℃，表明大氣層結處于對流穩定狀態，在低層沒有明顯的不穩定能力存在，大氣層結穩定，這種穩定的大氣層結不利于對流的發展，30°N以南，△θse（500～850 hPa）都小于0 ℃，過程1△θse（500～850 hPa）達-12.5 ℃，過程2△θse（500～850 hPa）達-10 ℃，表明大氣都處于對流不穩定的狀態，這種不穩定的大氣層結極易發生強降水。值得一提的是，兩次過程△θse（500～850 hPa）的負值中心皆位于暴雨最強時段之前，表明△θse（500～850 hPa）小于0 ℃這一指標對兩次暴雨過程的預報預警有較好的指示意義。

熱力條件是對流性降水發生的有利因子，而系統性的暴雨過程往往伴隨強的對流降水[8]，結合假相當位溫（θse）和垂直速度沿112°E的垂直剖面（圖12）來分析兩次過程的熱力條件。對于過程1，在25°N以北θse等值線相當密集，能量鋒區較強，在湖南省呈隨高度的增加而減少的趨勢，表明有不穩定能量在積累。鋒前為一致偏南風，但強度不強，有一定的上升運動，一方面將暖濕氣流帶到高空，積累不穩定能量，另一方面還能夠為強降水的發生提供動力條件。對于過程2，同樣在25°N以北有θse等值線密集區，但密集程度不如過程1，表明能量鋒區較過程1弱。鋒前偏南風強盛，伴有較強的上升運動，強的上升中心值高達-3 Pa/s，將暖濕氣流帶到高空，積累不穩定能量，為強降水的發生提供動力條件。

K指數[K=（T850 hpa-T500 hpa）+Td850 hpa-（T-Td）700 hpa]能夠反映大氣的層結穩定狀況，K指數越大表明層結越不穩定。兩次過程K指數的時間演變如圖13所示，對于過程1，在暴雨發生區域（24.5°N―27.0°N）K指數在全降水時段皆超過了36 ℃， 7日20時至8日20時K指數超過37 ℃，表明過程1層結不穩定，能量條件較好。對于過程2，K指數明顯小于過程1，全降水時段K指數都未超過36 ℃，大部分地區K指數較小，說明盡管大氣中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。

4 ?小結

本研究利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析資料，從環流形勢、水汽、動力以及不穩定層結4個方面，對2015年11月發生在湖南省兩次典型秋冬季暴雨天氣過程進行對比分析，得到以下結論。

1）兩次暴雨過程與異常的大尺度環流背景有關。副高面積和強度指數皆是近35年中的極大值，當副高面積偏大強度偏強時，有利于水汽沿著副高西南側匯入湖南省，極渦的強度較常年平均異常偏強，使得冷空氣強度偏強，南下的強冷空氣與北上的暖濕氣流交匯，引發強降水天氣過程。

2）地面倒槽和中低層低渦切變是兩次強降水過程的主要影響系統，但強度、范圍和持續時間有差異。過程2地面倒槽強度較強、范圍較廣且移動緩慢，對應中低層低渦切變強度較大，過程1地面倒槽和中低層低渦切變無論是強度、范圍還是持續時間都不及過程2，因此過程2強降水的范圍與過程1相比更廣，持續時間也較過程1長。

3）在水汽方面，盡管低層850 hPa水汽輻合較強且相對濕度較大，但700 hPa強的水汽輻合的時空分布特征與強降水的時空分布特征基本吻合，可見700 hPa的水汽是兩次區域性暴雨的主要輸送源。過程1水汽主要來源于南海，過程2來源于孟加拉灣，且水汽條件強于過程1。

4）兩次過程的動力條件分析表明，暴雨期間的低層輻合有旋轉上升氣流、高層輻散存在強烈的旋轉下沉氣流，對暴雨的發展和維持起重要作用。對比兩次過程的動力條件，過程1垂直上升運動區向上延伸的高度更高，低層輻合層深厚，過程2垂直上升運動、輻合輻散配置較淺薄，主要集中在中低層。

5）過程1能量鋒區較強，有不穩定能量在積累，鋒前為一致偏南風，但強度不強，有一定的上升運動，上升運動一方面將暖濕氣流帶到高空，積累不穩定能量，此外能夠為強降水的發生提供動力條件。過程2主要以穩定性降水為主，不穩定能量條件較過程1弱。

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