湖南省兩次副高控制下暴雨過程診斷分析

2020-10-09 10:18:33蔣帥周莉尹依雯

湖北農業科學 2020年15期

蔣帥周莉尹依雯

摘要：利用湖南國家基本氣象站、區域站站點資料及NCEP再分析資料，對比分析了2018年7月19日（“0719”）和9月4日（“0904”）2次在副高（副熱帶高壓）控制下湖南省發生的強降水過程，得到4點結論，①兩次過程副高均較為強盛，但位置差異較大，“0719”副高主體為偏東型，“0904”副高主體為偏西型。925 hPa切變對強降水落區具有較好的指示意義;②二者的降水落區與水汽通量輻合區較為一致，降水區中低層為對流不穩定層結，700～500 hPa為中性層結，有利于降水的發生;③通過水汽追蹤方法，發現2次過程的水汽來源不同，“0719”過程水汽主要來源于西太平洋地區，“0904”過程水汽則主要來源于印度洋地區;④在物理量方面，“0719”過程水汽能量垂直分為上干冷下暖濕的不穩定層結，但過程垂直上升運動、輻合輻散、相對渦度配置較淺薄，主要集中在中低層;“0904”過程濕層深厚，此外，受冷空氣影響存在明顯的鋒區，一方面與暖濕氣流匯合產生輻合上升，另一方面抬升暖濕氣流，使上升運動加強，觸發不穩定能量，過程垂直上升運動區向上延伸的高度較“0719”更高，低層輻合層深厚，相對渦度上傳更大，對應降水強度更大。

關鍵詞：副高（副熱帶高壓）;強降水;水汽;湖南省

中圖分類號：S162.5;P457.6 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）15-0028-09

Abstract： Based on the station of national， regional station data and NCEP reanalysis data， the two process of heavy precipitation in Hunan on July 19 （0719） and September 4 （0904） under the control of subtropical high were comparatively analyzed. The results show： ①The two process subtropical highs were relatively strong， but their positions were quite different. The main body of “0719” was easterly， while the main body of “0904” was westerly. 925 hPa shear had a good indicating significance for heavy precipitation areas; ② The middle and lower layers of the precipitation area were convective unstable stratification， and 700～500 hPa was neutral stratification， which was conducive to the occurrence and development of precipitation. ③ It is found that the water vapor sources in the two processes were different by the air parcel tracking method. Water vapor mainly came from the western Pacific region in “0719” process， and came from the Indian Ocean region in the process of “0904”. ④ In terms of quantities， the energy of water vapor was vertically divided into unstable stratification of upper dry cold and lower wet warm wet in the “0719” process. In addition， the process vertical rose motion， convergence and divergence， and relative vorticity configuration were shallow， mainly concentrated in the middle and low layers. In the “0904”process， the wet layer was thick in the vertical direction. Influenced by cold air， there was an obvious zone， on the one hand， convergence rose with the warm current rendezvous， lifting up on the other hand， to reinforce upward movement， trigger instability energy， and process of vertical ascending motion area extended upward height higher than the “0719”， low-level convergence layer deep， relative vorticity upload more， corresponding to the greater the rainfall intensity.

Key words： subtropical high; heavy rain; water vapor; Hunan province

暴雨是長江流域夏季多發且危害嚴重的災害性天氣，常造成嚴重的人員傷亡和經濟損失，一直以來暴雨研究受到氣象學家的高度關注[1-3]。湖南省是暴雨多發省份，暴雨有持續時間長、影響范圍廣和降水強度大等特點，致災性強，常常引發山洪地質災害和城市內澇等問題。目前，對湖南省暴雨天氣的環流形勢、影響系統等方面有較為系統的認識[4， 5]。毛冬艷等[6]研究表明，大暴雨是中尺度輻合線、中尺度低壓和中尺度對流云團共同作用引發的;陳紅專等[7]對比分析了2次低渦冷槽型暴雨的中尺度特征，發現水汽輸送通道的建立和中低層水汽的大量集中為中尺度對流系統的發展提供了有利的環境條件;李峰等[8]研究表明，高低空急流的優勢配置、耦合形勢的建立以及高空急流右側的強輻散場的存在為暴雨的發生提供了有利的環境條件。

一般情況下，受副高（副熱帶高壓）控制時為晴好天氣，不容易產生降水。然而觀測事實表明，在副高控制下也常有強降水、強對流天氣發生[9]。劉屹岷等[10-12]研究發現，用經典的下沉運動去解釋副高的動力結構存在局限性，因為下沉運動中心與副高中心并不對應，下沉運動中心出現在高壓東部偏北的氣流中，500 hPa上西太平洋副高的西部為上升運動區;張樹民等[13]對比分析了江蘇省2次在副高控制下的強對流天氣，發現當有足夠強的抬升機制時，500 hPa副熱帶高壓脊線附近也會觸發強對流天氣，強對流天氣發生在925 hPa切變線和地面輻合線附近;尹紅萍等[14]分析了副高控制下強對流天氣的特征，結果表明副熱帶高壓型強對流天氣較易出現在副高的北側;柯文華等[15]對副高控制下的短時暴雨進行診斷分析，發現中層弱冷平流是觸發短時暴雨的觸發機制，“喇叭口”地形對降水增幅、逆風區對對流的維持和加強都起到了十分重要的作用。

在日常工作中，副高控制下的強降水、強對流天氣是預報工作的難點和重點，容易出現漏報和錯報。相對于有關臺風暴雨、梅雨鋒暴雨等的研究而言，有關在副高控制下暴雨天氣的研究較少，尤其是預報、預警方法的研究和預報指標的提煉還不夠，難以滿足暴雨預報業務的需求。因此，本研究對比分析了2018年2次在副高控制下的暴雨過程，分別是7月19日和9月4日，旨在增強該地對在副高控制下暴雨發生的天氣形勢、物理量的認識，從而提高對此類天氣的預報、預警水平。

1 資料與方法

1.1 資料

資料來源于湖南國家基本氣象站、區域站站點資料、NCEP再分析資料，包括fnl資料（https：//rda.ucar.edu）和GBL資料（https：//ready.arl.noaa.gov/gbl_reanalysis.php）。

1.2 軌跡模式介紹

采用由NOAA Draxle等開發的供質點軌跡、擴散及沉降分析用的綜合模式HYSPLIT_4.9[16]。HYSPLIT_4.9模式分析氣流軌跡的思路是假設氣塊隨風飄動，以氣塊一個時間步長的運動為例，氣塊的最終位置由其初始位置（P）和第一猜測位置（[P]）之間的平均速度計算得到。氣塊的第一猜測位置：

式中，Δt 為時間步長，要求一個時間步長內氣塊的移動距離不超過0.75個格距，即Δt<0.75倍Umax，Umax為最大風速，研究選取的時間步長Δt為6 h，[V（P，t）]為實際風速。需要指出的是HYSPLIT_4.9模式采用的是地形坐標，因此輸入的氣象數據在垂直方向上需要被內插到地形追隨坐標系統，水平方向則保持其原有格式。

2 天氣實況及環流背景

2.1 天氣實況

第一次降水過程發生在2018年7月19日（下面稱“0719”），強降水主要出現在19日03—19時，主要降水落區集中在湘西南，出現多個暴雨站點，最大累計降水量出現在懷化市溆浦縣（27.92°N，110.57°E），達67.2 mm，最大小時雨強出現在19日16時的桃源縣茶庵鋪站，達50.6 mm。第二次降水過程發生在2018年9月4日（下面稱“0904”），強降水主要出現在4日03—13時，為大到暴雨，局地大暴雨，降水帶集中在湘西北至湘東南一線，主要降水落區集中在湘西北，最大累計降水量出現在湘西州龍山縣（29.64°N，109.42°E），達144.2 mm，最大小時雨強出現在4日05時的桑植縣上洞街站，達73.4 mm。這2次強降水過程不管是在降水量級還是降水落區上都存在差異（圖1），將從環流形勢、物理量診斷進行對比分析。

2.2 環流背景分析

“0719”過程中，200 hPa中高緯度呈西高東低的形勢，貝湖以西為低壓槽，槽緩慢東移發展，東北地區為脊區。200 hPa南亞高壓東伸至中國黃海和東海上空，湖南省湘西南處于輻散區（圖略）。500 hPa西太平洋副高呈東西帶狀分布，19日02時120°E脊線位于34°N附近，588 dagpm線控制華東、華中南部及江南北部地區，湖南省大部分地區在588 dagpm線范圍內，湘西南位于副高南側邊緣附近，有利于對流性降水的發生。在7月19日08時，“安比”中心位于浙江省象山縣東南方向約1 370 km的海面上，也就是20.2°N、131°E，近中心最大風速20 m/s（8級風，熱帶風暴級），中心最低氣壓995 hPa，且不斷向中國東南沿?？拷?，強度不斷加強，有利于臺風北側東風帶水汽輸送（圖2）。在低層環流場上，湖南省受700 hPa和850 hPa高壓后部偏東南氣流控制。19日08時，925 hPa湘西南有切變線形成（圖3），地面有弱輻合線存在。隨著中高層東風波西進，切變西移。

從“0904”來看，9月4日08時，200 hPa受南亞高壓東部脊線控制，對流層存在明顯的輻散區，有利于抽吸和散熱。500 hPa中高緯度呈兩槽一脊的環流形勢，巴湖以東為一低壓槽，另一低壓中心位于中國東北地區，兩低之間為高壓脊區控制（圖2）。500 hPa東北地區冷槽后部的偏北氣流有利于引導地面冷空氣南下滲透至湖南省，對應在河套附近存在冷高壓中心，強度為1 016 hPa，夜間有冷空氣自東北向西南滲透至湖南省湘西北。9月4日02時，500 hPa上，588 dagpm線呈東西帶狀分布，控制著湖南省大部分地區;14時，588 dagpm線有所東移，控制全省;強降水落區湘西北始終處于副高控制下。在700 hPa，4日02時，湖南省大部分地區受西北氣流控制，對應925 hPa上，02時和08時湘西北存在暖式切變（圖3），輻合區持續時間較長，14時輻合區顯著減弱，對應降水減小。850 hPa與925 hPa較為類似。此外，地面東路冷空氣侵入，與湘西北偏南氣流匯合，在08時形成地面輻合線，有利于觸發降水發生。

以上2次降水過程副高均較為強盛，但位置有較大差異，“0719”副高主體為偏東型，強降水落區湘西南處于副高南側的東風波氣流中，925 hPa切變和地面輻合線有利于觸發強降水發生。與“0719”過程不同，“0904”副高主體為偏西型，位置偏西偏南，強降水落區湘西北始終處于副高控制下。850 hPa、925 hPa存在弱切變線。此外地面存在冷空氣侵入，有利于觸發湘西北強降水發生。

3 物理量診斷

為了進一步探究副高控制下暴雨的特點，下面將從水汽、動力、不穩定條件等物理量方面對這2次降水過程進行對比、歸納、分析。

3.1 水汽條件

3.1.1 比濕和相對濕度條件選取懷化市溆浦縣、湘西州龍山縣（經緯度如實況介紹），分別沿其所在經度做剖面。從比濕的垂直經向剖面上可以看到（圖4），2次過程發生前850 hPa及以下都處在大于14 g/kg的高比濕區中，且維持到暴雨過程結束。不同于“0719”過程，“0904”過程受冷空氣南下影響，在33°N以南地區形成濕度鋒區，或稱露點鋒區（圖4b），對應地面鋒區的位置。從相對濕度的垂直經向剖面上可以看到（圖4c、圖4d），2次過程中低層處在相對濕度大于60%的高濕區中?！?719”過程開始前，19日02時，湘西南上空高濕區接近700 hPa，隨后相對濕度向上增強;19日08時，湖南省700 hPa以上為干區，700 hPa以下為濕區（圖4c）;19日20時，中低層相對濕度迅速減小，對應降水逐漸減弱?！?904”過程中（圖4d），濕層厚度明顯高于“0719”過程，相對濕度大于60%的區域一直延伸到500 hPa附近，對應強降水站點30°N附近，高濕度區可延伸至200～300 hPa。此外，在“0904”可以很明顯看到北方干冷空氣和南方暖濕空氣的交界面，冷空氣從底下契入，南方的暖濕空氣被迫抬升，有利于降水增強。隨著冷空氣的進一步南下，湖南省上空相對濕度減小，降水停止。

3.1.2 水汽通量散度從水汽通量散度（圖5）來看，19日02時，有一水汽通量輻合大值區位于湘西，最大輻合區強度小于-4×10-7 g/（cm2hPa·s），為降水提供水汽輻合條件;14時輻合中心東移影響湘西南地區，但強度減弱，這與降水落區有較好地對應?！?904”過程中，4日02時，湖南省湘西北、湘中部分地區均為輻合區，強輻合中心位于湘西北，最強輻合區值小于-4×10-7 g/（cm2·hPa·s）;4日08時，輻合區范圍縮小，最強輻合區值小于-3×10-7 g/（cm2·hPa·s），位于湘西北至湘中地區，呈西北-東南走向;4日14時，輻合強度進一步縮小減弱，降水停止。

3.1.3 水汽來源診斷分析選取2次過程降水最強的站點，分別是溆浦縣、龍山縣（經緯度如實況介紹），利用美國NOAA開發的HYSPLIT-4.9模式模擬2次過程相應站點的水汽來源軌跡，模擬初始高度選擇5 000、3 000、1 500 m，大致分別代表500、700、850 hPa的水汽來源。如圖6所示，“0719”過程，500 hPa上的氣塊（紅線）來源于副高控制的日本上空，高度較高，水汽含量較少。此次過程水汽主要來源于西太平洋地區（藍線，綠線），850 hPa水汽來源于西太平洋沿副高南側的偏東氣流，700 hPa水汽來源于大洋洲的東北部，越過赤道后由偏東氣流輸送至降水區。“0904”過程水汽均來源于印度洋地區，且水汽的初始位置高度較低，水汽含量對應較為豐富。與“0719”過程不同的是500 hPa水汽來源于中南半島西側，位置較低，水汽含量豐富，有利于中高層的水汽輸送，這也是后一次過程中高層水汽好于前一次的重要原因。

通過對水汽的診斷分析，發現2次降水過程降水落區與925 hPa水汽通量輻合區較為一致，且水汽條件較好，850 hPa以下比濕均大于14 g/kg，700 hPa以下相對濕度均大于60%，但是水汽的來源有所不同。“0719”過程水汽主要來源于西太平洋地區，“0904”過程水汽主要來源于印度洋地區。此外，“0904”過程受冷空氣抬升影響，高相對濕度區向上延伸的較高，850 hPa以下有等比濕密集區，容易形成露點鋒，更有利于觸發強降水的發生。

3.2 動力條件

垂直運動是成云致雨的關鍵因素，降水的強度一般與中低層的上升運動有關。研究同樣選取2次降水過程降水最強的點，分別是溆浦縣、龍山縣。從時間垂直速度上可以看出（圖7a），“0719”過程中，19日02時低層出現上升區，白天垂直速度向上發展，700 hPa以下均為負值區，上升速度最強為-0.3 Pa/s。對應時間散度剖面（圖7c）;19日02時—14時700 hPa以下為負值區，有利于低層輻合，對應相對渦度925 hPa之下為正渦度區（圖7e），這與前面環流場分析的925 hPa存在切變線一致。700 hPa至500 hPa多為輻散區，850 hPa至700 hPa為負渦度區，低層輻合高層輻散的配置有利于上升運動的維持。19日20時，低層轉為輻散，對應降水減弱?！?904”過程中4日02—14時，垂直速度剖面負值區向上延伸到300 hPa附近，對應垂直上升運動較前一次過程加強，最大上升速度為-0.21 m/s（圖7b）。在時間散度剖面上看到（圖7d），4日凌晨到14時700 hPa以下散度為負值，相對渦度為正值，對應低層輻合，700 hPa以上情況相反。14時后，低層輻散增強，低層出現負渦度區，對應垂直上升運動區在14時開始明顯下降至700 hPa以下（圖7f），降水逐漸減弱停止。

綜上所述，2次降水過程中，垂直上升運動、輻合輻散、相對渦度配置與降水時段都有較好地對應。“0719”過程垂直上升運動、輻合輻散、相對渦度配置較淺薄，主要集中在中低層，“0904”過程垂直上升運動區向上延伸的高度更高，低層輻合層深厚，相對渦度上傳越大，對應降水強度越大。

3.3 不穩定條件

3.3.1 假相當位溫假相當位溫θse垂直剖面可以清楚地顯示不穩定層結以及鋒面活動的情況，因此下面將分析2次過程中θse剖面。研究分別沿2次強降水落區經度（110.57°E，109.42°E）做緯度-高度剖面?！?719”過程中，19日08時（圖8a）700 hPa以下假相當位溫隨高度迅速遞減，表明中低層大氣層結為對流不穩定層結，700～500 hPa湘西南上空假相當位溫在332～336 K，等值線稀疏，為中性層結;對應相對濕度（圖4c），湖南省上空700 hPa以下為相對濕度大于60%的高濕區，700 hPa以上為干區，這種上干冷下暖濕的層結，構成了層結不穩定，容易觸發強對流發生，為暴雨提供能量與不穩定條件?！?904”過程中，4日08時（圖8b）假相當位溫的密集帶位于32°N附近，密集帶以南為假相當位溫的高值區，對應南方的暖濕空氣，密集帶以北為假相當位溫的低值區，對應北方干冷空氣。在冷鋒前的暖區中，700 hPa以下假相當位溫隨高度遞減，表明中低層大氣為對流不穩定層結，中層700～500 hPa為中性層結。冷空氣的入侵，暖濕空氣被迫抬升，觸發不穩定能量，形成暴雨，降水位于冷鋒前等值線密集的暖區中。

綜上所述，2次過程都有觸發強對流天氣發生的有利條件——對流不穩定層結，其中“0719”過程存在熱力不穩定層結，“0904”過程存在明顯的鋒區，有冷空氣入侵，一方面與暖濕氣流匯合產生輻合上升，另一方面抬升暖濕氣流，使上升運動加強，觸發不穩定能量，降水增強。

3.3.2 探空曲線及環境參數選取鄰近降水區的探空站點，“0719”選取懷化站，“0904”選取恩施站?！?719”過程中7月19日08時懷化站的探空曲線可以看到（圖9a），水汽垂直結構呈上干下濕的“喇叭口”分布狀態，濕層位于600 hPa以下;低層925 hPa附近存在一定的對流抑制能量，有利于不穩定能量的積蓄。9月4日08時恩施站的探空曲線可以看到（圖9b），“0904”過程濕層比“0719”深厚，濕層伸展可達400 hPa附近，有利于更強降水的形成。

為了解強降水過程期間對流參數，分別分析了懷化站、恩施站的K指數、SI（沙氏指數）、CAPE（有效位能）、CIN（一直能量）、TCL-P（抬升凝結高度）、LFC-P（自由對流高度）及Tg（對流溫度）（表1）。從2次降水過程可以看出，K指數在36～40 ℃，條件較好。SI在7月19日08時、9月4日08時小于-1，有利于對流發生發展。2次過程都具有一定的CAPE，能量條件較好，“0719”過程中的對流有效位能CAPE值高于“0904”過程。二者的TCL-P、LFC-P均較低，容易形成質心較低的高效率降水云團。從對流溫度來看，“0904”對流溫度較小，僅為25.0 ℃，更有利于降水的觸發。

4 小結

從環流形勢、水汽、動力以及不穩定層結4個方面，對比分析了2次在副高控制下發生的強降水過程，得到以下結論。

1）2次過程副高均較為強盛，但位置有較大差異，“0719”副高主體為偏東型，強降水落區湘西南處于副高南側的東風波氣流中;“0904”副高主體為偏西型，位置偏西偏南，強降水落區湘西北始終處于副高控制中。925 hPa切變對強降水落區有較好指示意義。

2）在水汽方面，降水落區與水汽通量輻合區較為一致，2次過程850 hPa以下為比濕大于14 g/kg、700 hPa以下為相對濕度均大于60%的高濕區;“0719”過程水汽主要來源于西太平洋地區，水汽垂直分布上干下濕?！?904”過程水汽主要來源于印度洋地區，濕層深厚，有利于降水強度加大。

3）2次降水過程中，垂直上升運動、輻合輻散、相對渦度配置與降水時段都有較好地對應?！?719”過程垂直上升運動、輻合輻散、相對渦度配置較淺薄，主要集中在中低層，“0904”過程垂直上升運動區向上延伸的高度更高，低層輻合層深厚，相對渦度上傳越大，對應降水強度越大。

4）2次過程中，700 hPa以下假相當位溫隨高度遞減，中低層為對流不穩定層結，700～500 hPa為中性層結;不同的是，“0719”過程存在上干下濕的熱力不穩定層結，且具備觸發熱對流的有利條件;“0904”過程受冷空氣影響，存在明顯的鋒區，一方面與暖濕氣流匯合產生輻合上升，另一方面抬升暖濕氣流，使上升運動加強，觸發不穩定能量，降水強于“0719”過程。

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