湘西州致洪暴雨特征分析及預報概念模型的建立和檢驗

單 丹，吳志科，鄭福維，米紅波

（1.湖南省湘西土家族苗族自治州氣象局，湖南 吉首 416000；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；3.湖南省氣象局，長沙 410118）

湘西土家族苗族自治州位于云貴高原東側、湖南省西北部，面積15 486 km2，武陵山脈由東北向西南斜貫全境，地貌以山原山地為主，兼有丘陵和小平原，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，具有明顯的大陸性氣候特征。該地主要氣象災害有暴雨洪澇、干旱、暴雪、低溫、冰雹大風等，給湘西州農業生產和社會經濟發展帶來不同程度的影響，制約了湘西州經濟的快速穩定發展。近年來，湘西州突發性、局地性暴雨呈多發和頻發態勢，對人民生命財產安全構成了較大的威脅［1，2］。因此，提高暴雨的監測預報能力，對防災減災和服務工農業生產有重要意義［3］。

1 資料與方法

1.1 基礎資料及方法

資料來源于CMISS讀取2013—2018年湘西土家族苗族自治州地面逐日降水資料，以及NCEP/FNL 1°×1°的6 h再分析資料。定義24 h降水量≥50 mm為暴雨，則前一日20：00至當天20：00累積雨量達到暴雨及以上量級則為一個暴雨日。利用天氣學及物理量診斷方法進行天氣分析，重點分析區域暴雨和局地暴雨，提取預報指標，建立概念模型。

1.2 暴雨過程劃分

分析中，規定當全州1/2及以上自動站且4個及以上國家站出現暴雨，或者4個及以上國家站出現暴雨且至少有1個為大暴雨及以上量級，同時自動站日降水量達暴雨量級的需要全州1/3及以上站點，為1次區域暴雨；全州1/2以下自動站且2～3個國家站日降水量達暴雨級別或者僅1個國家站達到大暴雨及以上級別為1次局地暴雨。通過統計篩選，可以劃分出18次區域暴雨，33次局地暴雨。

2 結果與分析

2.1 暴雨次數及占比統計結果

據統計表明，2013—2018年湘西州暴雨過程多出現在4—10月，從4月開始明顯增多，主要集中于5—9月，占88.24%，其中以6月和7月最多。按旬統計也可以明顯發現存在峰值，6月下旬至7月中旬占區域暴雨和局地暴雨總數的35.29%（表1）。1959—2010年湘西州出現區域大暴雨49次（2站以上日雨量100.0 mm），其中僅6月上旬末至7月中旬前就有37次之多，歷史上的洪澇災害大多發生在這一時期。

2.2 形勢場

2.2.1 中高緯形勢場 行星尺度天氣系統為暴雨的發生發展提供了有利的環流背景，它的變動大致決定了暴雨發生的地點、強度和持續時間。影響湘西州暴雨的行星尺度天氣系統有西風帶長波大槽、阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓和熱帶環流等。這些行星尺度天氣系統的組合和有利配置將形成暴雨發生的大尺度環流形勢。

表1 湘西州2013—2018年4—10月逐旬區域暴雨和局地暴雨出現總次數及占比

圖1給出湘西州出現區域暴雨和局地暴雨期間高空的平均高度場。分析顯示，200 hPa平均高度場上，湘西州區域暴雨期間，南亞高壓中心位于青藏高原上空，脊線在20°—25°N，降雨區在脊線到副熱帶西風急流之間的輻散區中。其北側約35°N存在明顯的西風急流，湘西州均位于急流出口區右側的強輻散場中，高空抽吸、通風作用強烈。急流核位于華北上空。局地暴雨時，南壓高壓特征不明顯，位置偏南。西風急流特征顯著，存在兩個急流核，一個位于新疆西北部，另一個位于華北上空。

圖1 2013—2018年湘西州區域暴雨（a）和局地暴雨（b）期間中高緯度平均形勢場

500 hPa平均高度場上，中高緯地區均呈兩槽一脊型。區域暴雨期間，阻高位于貝加爾湖東北側，一條槽線位于內蒙—青海—四川一線，另一條更深的槽線位于東北—華北上空。湘西州被“584”線控制。此外，溫度場與高度場的槽脊位置重合，這種環流型利于槽后冷空氣向降水區輸送。隨著高空槽的東移南壓，冷空氣隨著與穩定少動的副高邊緣輸送的暖濕氣流交匯，更有利于降水的發生。局地暴雨期間，兩槽分別位于烏拉爾山附近以及貝加爾湖東側。當青藏高原西部有低槽生成時，它可與烏拉爾山大槽或貝加爾湖大槽結合。在其上有分裂的槽東移，按位置不同表現為西北槽、高原槽或南支槽，是直接影響下游地區降水的短波系統。

通過對比分析，區域暴雨和局地暴雨期間，高空環流形勢均存在200 hPa高空急流、500 hPa呈現兩槽一脊的現象，但是位置和強度有所不同。區域暴雨期間，阻高強度略強，高空槽強度略深且位置臨近關鍵區（關鍵區域的高空槽是引導冷空氣能否影響湘西州的關鍵因素），副高偏強，位置偏東偏北，南亞高壓更穩定且明顯存在。

2.2.2 中低緯形勢場 楊群［4］對貴州銅仁的暴雨天氣過程做了歸納分析，初步總結歸納出5種基本模型，即冷鋒低槽型暴雨、長江橫切型暴雨（梅雨型）、低渦切變型暴雨、臺風倒槽型暴雨和兩高切變型暴雨天氣過程。湘西州的暴雨天氣與銅仁市相近。其中，冷鋒低槽型暴雨最為常見（除被副熱帶高壓穩定控制，無冷空氣影響時，其余時段均有發生）；長江橫切型暴雨主要集中在6—7月，副熱帶高壓控制在22°N附近，湘西州處于副熱帶高壓外圍較強西南氣流中；低渦切變型暴雨主要出現在5—6月，四川低渦東移影響湘西州，造成影響的主要是西南渦發展后的偏東路徑。如果西南渦取偏東路徑，低渦在暴雨過程開始前常東移至宜賓附近，大多情況下沿著切變線向東移動，經貴州北部地區進入湖南北部、江西南部一帶，最后減弱消失（有的能東移至長江下游一帶），低渦切變的移動往往伴隨強MCS群不斷生消并沿長江東移，此情形常導致湘西州出現強降水；臺風倒槽型暴雨在9月最易發生，但是近年來，特別是2018年，臺風發生較多，各月均有分布，且深入內陸往西影響的增多；至于兩高切變型暴雨則較少造成大范圍的區域暴雨。

圖2 2013—2018年湘西州區域暴雨（a.700 hPa；b.850 hPa）和局地暴雨（c.700 hPa；d.850 hPa）期間中低緯平均風場（單位：m/s）

通過分析區域暴雨和局地暴雨的700 hPa和850 hPa平均風場（圖2）發現，700 hPa風場在區域暴雨期間，湘西州西北側有一低渦輻合存在，湘西州境內存在一條東北至西南向的切變線，南側至長江口沿岸存在明顯的風速輻合（圖2a），同時850 hPa上的低渦輻合及切變線位置較700 hPa略偏南，低渦位置的右前方也存在風速輻合（圖2b）；而在局地暴雨期間，湘西州西側有風速輻合和弱的暖式切變存在，西南急流不明顯（圖2c、圖2d）。低渦的東部和東南部最有利于暴雨，所以低渦位于四川、貴州和重慶時最有利于出現暴雨。

2.3 物理條件分析

2.3.1 水汽條件 大氣中的水汽主要來自低空，90%以上的水汽集中在對流層中低層，且其分布隨高度迅速遞減，因此低層大氣中的水汽對暴雨起決定性作用。研究發現，暴雨發生之前，特別是暴雨發生之前幾小時到暴雨發生時，大氣中水汽的含量增加較快［2］。所以，對于暴雨而言，中、低空水汽含量的多寡及中層水汽增量的變化對降水量的影響較大。

圖3給出湘西州兩種類型暴雨期間的日平均大氣可降水量分布。對比可知，當發生暴雨時，湘西州上空的大氣可降水量均達到45 mm以上，大部分地區≥50 mm，這表明當動力及抬升條件較好時，上空水汽充沛，可產生明顯降水。區域暴雨期間，大部分區域的日平均大氣可降水量最大值超過55 mm（圖3a）；局地暴雨發生時，該數值僅在小范圍內接近55 mm（圖3b）。因此，大氣可降水量大于45 mm可作為判斷湘西州是否會發生暴雨的參考值，而大部分大氣可降水量是否達到55 mm可以作為區分區域暴雨和局地暴雨的指標之一。

圖3 2013—2018年湘西州區域暴雨（a）和局地暴雨（b）日平均大氣可降水量分布（單位：mm）

研究指出，暴雨是在大氣飽和比濕達到相當大的數值以上才形成的［5］。湘西州出現區域暴雨時，700 hPa比濕≥10 g/kg（圖4a），850 hPa比濕≥12 g/kg（圖4b）；局地暴雨發生時，700 hPa比濕數值較小（圖4c），850 hPa比濕≥12 g/kg（圖4d）。實際上，當出現暴雨時，除了相當高的比濕外，還必須有充分的水汽供應，因為只靠某一地區大氣中所含的水汽凝結降水量很小。由湘西州出現暴雨時的水汽通量及其散度分布（圖5）可知，當湘西州發生暴雨時，水汽通量和散度的大值區均在上游地區的貴州、四川境內，不同之處在于發生區域暴雨期間的850 hPa水汽大值區位置更接近湘西州且強度更強，925 hPa水汽大值區位置較局地暴雨偏南。850 hPa水汽來自孟加拉灣輸送的西南急流和南海的偏南急流，925 hPa水汽主要來自南海的偏南氣流。

2.3.2 動力條件 圖6給出湘西州暴雨期間各層的垂直速度分布，分析表明暴雨期間850～300 hPa各層的垂直速度在湘西州表現為一致的上升趨勢（自上而下略西斜），垂直速度大值中心呈塊狀分布，區域暴雨期間的整體強度較局地暴雨期間強，最強上升區分別位于700 hPa和850 hPa。

據朱乾根等［5］的研究，當發生暴雨時往往伴有低空急流，有低空急流無暴雨或有暴雨無低空急流只占少數。陳娟等［6］研究發現，1.0～2.5 km高度的西南急流增強或減弱與下游降水的增強與減弱有較好的相關性，較低層1.0～1.5 km高度的西南急流增強與下游降水的增強關系更密切。通過將急流分解為西風急流（U）和南風急流（V），進一步對比兩者在不同暴雨期間的作用和地位。

當發生區域暴雨期間，在湖南中南部經江西大部分區域至江浙與福建部分區域存在帶狀分布的西風氣流風速大值區，湘西州中北部處于風速梯度大值區北側的風速輻合區與偏東氣流的南側構成的風向輻合區內（圖7a）；在V分量上體現為一致的較強南風（圖7b）。局地暴雨期間（圖7c、圖7d）U、V分量呈塊狀分布，湘西州的切變線主要表現為東北風和西南風的對吹，其中V分量上明顯看到在貴州境內有10 m/s以上的風速區，但在湘西州境內整體較小。對比來看，暴雨發生時期U分量強度均大于V分量。由此可知，在700 hPa西南急流中U分量占主導地位。圖8給出湘西州發生暴雨期間（圖8a、圖8b）850 hPa急流的U、V平均風速，當區域暴雨期間，U、V分量均在長江中下游以南表現為西風氣流，以北為東風氣流，最強梯度區匯合于28°～29°N（即切變線以南北分布為主）；而在局地暴雨發生期間（圖8c、圖8d），湘西州以東風和南風為主，且均處于2個風速大值區內。朱乾根等［5］指出低空西風急流有利于在暴雨區低空形成高濕區，從而利于對流不穩定層結，但它對暴雨區的水汽供應不起作用，從而與湘西州上空U分量為負值不起沖突。對比結合分析，850 hPa西南急流中U、V分量所占比例基本相當。

圖4 2013—2018年湘西州區域暴雨（a.700 hPa；b.850 hPa）和局地暴雨（c.700 hPa；d.850 hPa）期間比濕分布（單位：g/kg）

圖7 2013—2018年湘西州區域暴雨（a、b）和局地暴雨（c、d）期間700 hPa上U（a、c）、V（b、d）平均風速分布（單位：m/s）

圖8 2013—2018年湘西州區域暴雨（a、b）和局地暴雨（c、d）期間850 hPa上U（（a、c）、V（b、d）平均風速分布（單位：m/s）

丁一匯［7］研究指出，低空急流主要以中尺度擾動的形式向暴雨區輸送動量、熱量和水汽，因此沿低空急流軸傳播的中尺度風速脈動或風速最大值甚至比低空急流本身更為重要。在湘西州發生區域暴雨期間，700 hPa（圖9a）和850 hPa（圖9c）均在重慶以西存在急流核，且該區域的風速強度明顯大于周邊范圍；局地暴雨期間，最大急流核位置（圖9b、圖9d）距離湘西州較遠，但在湘西州西側明顯存在風速大值區，與其東側形成明顯的風速輻合。這種低層存在的相對急流核區引起的強輻合在條件不穩定背景下將導致底層暖濕空氣抬升，超過凝結高度后空氣加速向上運動，引發強的上升運動，易產生對流降水。暴雨期間，整個湖南省區域（特別是偏東）在925 hPa（圖9e、9f）都存在急流，這為暴雨期間的水汽供應起到較大作用，同時也利于對流不穩定層結的建立和維持，起到觸發作用。

以上所述進而證實，（超）低空急流作為高動量、高能量和高水汽的集中帶與輸送帶，是為中緯度暴雨提供熱力學和動力學條件的重要天氣系統。在低空急流的前方或左前方易出現強輻合區，這對強對流的連續發展是有利的，可以較好地指導降水落區［8］。

圖9 2013—2018年湘西州區域暴雨（a.700 hPa；c.850 hPa；e.925 hPa）和局地暴雨（b.700 hPa；d.850 hPa；f.925 hPa）期間各層全風速分布（單位：m/s）

2.3.3 其他預報因子 其他物理量的對比分析結果（表2、圖10和圖11）顯示：湘西州區域暴雨期間，對流有效位能（CAPE）較小（圖10a），850 hPa和500 hPa兩層溫度差（T850hPa-500hPa）在18～20℃（圖11a），有一定的鋒區存在；中低層的位溫（θse）在340～350 K（圖12a），在28°—29°N存在低層負散度（正渦度）、高層正散度（負渦度）的耦合模式，有利于上升運動的強度和高度。局地暴雨期間，CAPE（圖10b）基本在1 000 J/kg以上，T850hPa-500hPa（圖11b）在25℃以上，能量鋒區不明顯，中低層的θse（圖12b）在330～345 K，但是從地面至500 hPa假相當位溫隨高度遞減，這將有利于對流性天氣發生；不穩定能量在500 hPa左右的中層受到抑制，容易形成低質心的降水，降水效率高，有利于局地暴雨產生。

2.4 暴雨預報概念模型的建立及檢驗

2.4.1 概念模型 當湘西州出現區域暴雨或者局地暴雨時，可以通過以下幾點提前預報：①500 hPa高度場為兩槽一脊的單阻型，東部沿海一線有大槽存在，上游有高空槽；②700 hPa有急流或者最大風帶存在，且常跨8個以上經距；在上游重慶或者貴州境內有低渦輻合，且湘西州境內往往有切變線；③湘西州上空大氣可降水量≥45 mm，大值區成片分布且湘西州南部有55 mm以上的大值中心存在；④850 hPa關鍵區（23°—29°N，103°—109°E）和925 hPa關鍵區（23°—27°N，102°—107°E）存在水汽通量及其散度大值區，此外，850 hPa比濕≥12 g/kg也可以作為預報暴雨的閾值標準之一；⑤湘西州上空垂直速度上升區一致，各層大值中心呈塊狀分布，區域暴雨期間最強上升區位于700 hPa附近，局地暴雨期間最強上升區位于800～850 hPa；⑥湘西州暴雨期間，南風強盛，往往有南北向或東北至西南向切變線存在；⑦700、850 hPa關鍵區（28°—32°N，103°—108°E）和925 hPa關鍵區（26°—30°N，110°—114°E）存在風速大值區（或急流核）；⑧區域暴雨期間對CAPE和T850hPa～500hPa要求不是很高，θse為340～350 K，28°—29°N存在低層負散度（正渦度）、高層正散度（負渦度）的耦合模式；局地暴雨期間CAPE達1 000 J/kg以上，T850hPa～500hPa≥25℃，能量鋒區和耦合模式均不明顯。以上提及的單個預報因子均為既非充分也非必要條件。

表2 湘西州發生區域暴雨和局地暴雨期間的物理量對比

圖10 2013—2018年湘西州區域暴雨（a）和局地暴雨（b）期間對流有效位能（CAPE）分布（單位：J/kg）

圖12 2013—2018年湘西州區域暴雨（a）和局地暴雨（b）期間沿110°E緯向剖面

2.4.2 檢驗結果 根據總結的暴雨預報概念模型對2019年湘西州4—7月共121個樣本進行逐日檢驗。結果表明，區域暴雨準確預報3次，無漏報和空報；局地暴雨準確預報12次，漏報1次，空報1次。鑒于區域暴雨的特征更為突出，模式參考性更高，故而概念模型的應用更為有效；而在局地暴雨中，需要將概念模型的多條標準結合使用，通過檢驗可以在原有的概念模型上進一步得出一些實際應用的結論。例如，水汽通量及其散度剖面圖［一般看絕對值≥0.000 08 g/（cm2·hPa·s）］的大值重合區（基本相差不超過2個緯度）出現時次往往與局地暴雨發生時段相對應，且該重合區持續時間越長，發展成為區域暴雨的可信度越大（圖13a）；此外，垂直上升速度對于暴雨的預報有著較好的指示意義，其中區域暴雨期間垂直上升區可以從底層一直延伸到對流層頂，但是對強度要求不是很大，局地暴雨期間垂直速度強上升區更偏向中低層，數值往往較大（圖13b）。從各預報因子來看，局地暴雨漏報時，大氣可降水量、垂直速度和比濕等單個預報因子都不管用，此時需要特別關注強降水發生前后時次的風速脈動情況，即當預報因子不完全達標（或者接近概念模型標準）時，中低層存在強烈的風速輻合也需要分析。

圖13 2019年6月21—22日湘西州局地暴雨發展為區域暴雨時的水汽通量［實線，單位：g/（cm·hPa·s）］及水汽通量散度［色斑，單位：g/（cm2·hPa·s）］沿110°E的時序圖（a）和垂直速度時序圖（110°E，28°N）（b）

3 結論

通過對湘西土家族苗族自治州2013—2018年期間發生的暴雨進行分析，篩選出區域暴雨和局地暴雨過程，并根據暴雨生成的條件和影響因子建立了預報概念模型。結果表明，湘西州暴雨多發于兩槽一脊的單阻型，區域暴雨期間多發于東北至西南向的切變型，局地暴雨多發于南風與東風的暖切型；大氣可降水量對于暴雨預報有指示意義，且可以作為區分暴雨范圍大小的指標之一；當湘西州出現暴雨時，850 hPa比濕一般≥12 g/kg；水汽通量和水汽通量散度大值重合區（緯距相差在2°之內）出現時次往往是強降水發生時段，且大值重合區持續時間越長，暴雨發生的概率越大；700 hPa垂直速度大值中心可以較好地指示區域暴雨落區，而在局地暴雨期間800～850 hPa垂直速度大值中心的指示意義更佳；區域暴雨期間，垂直速度上升區可以從底層延伸至對流層頂，對中心值強度要求不大；局地暴雨發生時，垂直上升速度區更偏中低層，且往往有一個較大的中心值；700 hPa西南急流中U分量占主導地位，而在850 hPa西南急流中U、V分量所占比重基本相當，其中上游地區的V分量的變化對于湘西州的暴雨預報有較好的參考性；（超）低空急流有利于暴雨的發生和維持，這在中低層均有體現，且需特別關注風速脈動的輻合情況；區域暴雨對于單個預報因子的閾值要求不是很高，但是存在明顯的耦合模式或者不穩定層結，而在局地暴雨期間，常見的暴雨預報因子閾值均較大，反而耦合模式不明顯。