東風波引發的湖南南部強暴雨過程分析

蔣麗敏 付煒 彭艷青 李菁華

（1 永州市氣象局，永州 425000；2 株洲市氣象局，株洲 412000；3 懷化市氣象局，懷化 418000）

0 引言

1940年Riehl[1]最早根據加勒比海地區的氣象資料歸納出了東風波的經典模型，指出壞天氣發生在槽后。但影響我國的東風波結構由于受到西南氣流的影響，與經典模型略有不同[2]，強對流及強降水在東風波槽前、槽后均出現過。

因東風波引發的強天氣情況比較復雜，這些年來我國諸多學者專家對其展開研究，沈杭鋒等[3]指出當有低層的中尺度輻合線出現時易觸發或加強對流天氣，缺乏低層系統配合時難觸發強天氣；劉麗君等[4]通過分析一次影響海南島的東風波暴雨，指出東風波天氣下配合低空東風急流的出現激發次級環流有利于降水的增幅，同時低空東風急流也是暴雨所需水汽的最大提供者；諸多研究[5-9]也證實，在單純的東風波影響下降水強度一般不強，當東風波與西南季風或低渦或其他天氣系統相互作用時，可造成較大范圍強降水，另外地形的影響也很重要[10-12]，地形強迫抬升及對暖濕氣流的阻擋作用、沿海喇叭形超淺海河口港灣的狹管效應等，都對降水有一定的增幅作用。為進一步加強對東風波強降水的認識，諸多學者專家通過物理量進行診斷分析，王忠東等[13]、曹楚等[14]皆指出在渦度場以及垂直螺旋度與暴雨或強降水的落區也有很好的對應關系；顧思南等[15]也表示風暴相對螺旋度演變能夠提前預報東風波強降水的落區，但提前的時效較短。

近年來對東風波強降水的研究發現了這些事實，在天氣預報業務中得到應用，但東風波影響下的降水天氣突發性強、尺度較小、發展迅速，預報預警難度大，需要進一步深化以及更系統的研究。2016年8月12—13日湖南南部的強降水過程，使得部分城區積水，農作物受損、房屋及道路被摧毀，造成較大經濟損失，是近十年來對湘南影響最大的一次東風波暴雨過程。本文對此次暴雨過程進行分析，以期加深對東風波暴雨的認識，找出預報著眼點，為今后監測與防范此類天氣過程提供參考。

1 東風波暴雨天氣形勢實況分析

2016年8月11日凌晨，中國臺灣附近的東風波發展加強，自東向西移動，陸續經過廣東中北部、廣西東北部、中部等地，影響華南地區，13日白天掠過廣西南部進入北部灣。受其影響，華南北部地區出現了大到暴雨局地大暴雨的天氣，雨帶自東向西擴展，相繼影響多省。最強降水時段出現在12日08時至13日08時（圖1），三個強降水中心分別位于廣東中西部、湖南南部和廣西中部，最大累積降水量達264.9 mm（圖1紅點處，廣東清遠佛岡縣境內），最大小時雨強達103.3 mm（12日16—17時，廣西梧州蒼梧縣境內），湖南南部強降水中心累計雨量為157.2 mm。此次過程以短時強降水為主，具有影響范圍廣、降水效率高 、移動快、強降水分布不均等特點，上述地區都出現了不同程度的致災現象，這也是近十年來影響湘南地區范圍最廣、強度最大的一次東風波暴雨天氣過程。

圖1 2016年8月12日08時至13日08時降水實況（單位：mm） Fig. 1 Accumulated precipitation from 08:00 BT 12 to 08:00 BT 13 August 2016 (unit: mm)

200 hPa上顯示（圖略），11日20時之后位于90°E以西和江淮地區的兩個1260 dagpm高壓中心合并加強，12日08時呈帶狀從江淮地區一直延伸到青藏高原，高壓中心于12日20時向東越過90°E，中心加強到1264 dagpm，呈塊狀穩定在90°E以東，南亞高壓由西部型轉東部型的過渡階段，屬帶狀型過程[16]。500 hPa，11日08時（圖略）副熱帶高壓位于我國中東部，588 dagpm西脊點至川西高原，脊線位于30°N附近，日本島到山東半島附近有592 dagpm中心，臺灣以北洋面和閩浙沿海為偏東氣流，在700 hPa上達急流強度，臺灣海峽附近對流層中低層形成東風波；12日08時（圖2a），中高緯西風槽經向度減小，副高中心強度減弱、范圍縮小，由塊狀結構逐漸轉為帶狀，并繼續西伸，西脊點至青藏高原東部，副高南側偏東風有組織性加強，在其引導下，700 hPa急流伸展到贛北（南昌站東東南風14 m·s?1），東風波系統由東向西移動，中南半島、南海一帶西南季風加強北上與偏東氣流在粵東地區誘生出低渦（地面圖上表現為粵贛交界處有低壓系統生成，該處ΔP24（24小時變壓）達 ?5 hPa，圖略），此時降水強度增加，低渦經過之處陸續出現暴雨（12日11—14時在廣西境內ΔP3（3小時變壓）負值 中心達3.2 hPa，有利于地面輻合。圖略）；13日08時，700 hPa低渦向西南方向移至廣西南部，東風波波槽減弱，渦東側由東東南急流轉為偏東風（郴州站12日20時東東南風14 m·s?1，13日08時東風10 m·s?1），至此華南地區降水減弱，過程趨于結束。

圖2 2016年8月12日08時（a）、8月13日08時（b）500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）及700 hPa風場（風向桿，單位：m·s?1） Fig. 2 500 hPa height field (contour, unit: dagpm) and 700 hPa wind field (barb, unit: m·s-1) at (a) 08:00 BT 12; (b) 08:00 BT 13 August 2016

12日08時粵東地區誘生出低渦，東風波槽線位于粵贛交界，位于槽前的郴州站探空圖（圖3a）顯示，風隨高度順轉，低層1000～500 hPa有較強的垂直風切變，400～250 hPa盛行偏東風，200 hPa轉為東南風，低層東風分量隨高度增加，基本氣流的垂直切變為東風切變，降水主要發生在東風波槽前。雷達圖（圖略）上已有強積云降水回波移向郴州站，郴州站將出現較強降水，該站K指數為41 ℃，SI達 ?2.41 ℃，圖3b中顯示在925～400 hPa存在 和 （符號含義見圖3），表明大氣處于條件不穩定層結狀態，濕層較為深厚，對流條件理想，有利于東風波槽前出現強降水。

圖3 2016年8月12日08時郴州站探空圖（a）和位溫（單位：℃）垂直分布圖（b）（圖b中綠色曲線為位溫線θ、棕色曲線為假相當位溫線θse、藍色曲線為飽和假相當位溫線θ*se） Fig. 3 T-logp profiles of temperature (a, blue curve, unit: ℃); dew point temperature (b, green curve, unit: ℃); wind (a, barb, unit: m·s-1); potential temperature (b, green curve, unit: ℃); pseudo-equivalent potential temperature (b, brown curve, unit: ℃); saturation pseudo-equivalent potential temperature (b, blue curve, unit: ℃) at Chenzhou Station at 08:00 BT 12 August 2016

此次暴雨過程發生在南亞高壓在由西部型轉東部型的過渡階段，東風波出現在副高南側，中低層配合有低渦、低空急流等天氣系統，暴雨主要發生在低渦中心附近及東風波槽前區域。

2 水汽條件分析

東風波暴雨的形成除了與東風波本身強度和環境場等因素相關外，還與水汽輸送關系密切，水汽輸送對東風波系統的維持及降水強度都有重要影響。圖4d顯示湘南地區在12日白天水汽輸送最為強盛，其中12日16時前后水汽輻合最劇烈，現對影響湘南地區最強降水時期8月12日白天（圖4a），特別是16時前后的水汽特征（圖4b）進行分析。

圖4 2016年8月12日08—20時（北京時）平均（a）、12日16時（北京時）（b）整層水平水汽通量（箭頭，單位：103 g·cm?1·s?1）及整層水汽通量散度（填色，單位：10?4 g·cm?2·s?1）、沿圖4b中藍實線的水平水汽通量（箭頭，單位：10 g·cm?1·s?1·hPa?1）及水汽通量散度（填色，單位：10?6 g·cm?2·s?1·hPa?1）的斜向垂直剖面（c）、圖4b中紅十字處的水平水汽通量（箭頭，單位：10 g·cm?1·s?1·hPa?1）及水汽通量散度（填色，單位：10?6 g·cm?2·s?1·hPa?1）的時間高度剖面（d） Fig. 4 Water vapor flux (vector, unit: 103 g·cm-1·s-1) and water vapor flux divergence (shaded, unit: 10-4 g·cm-2·s-1) in whole level average from 08:00 to 20:00 BT 12 August 2016 (a); at 16:00 BT 12 August 2016 (b); slant-vertical section of water vapor flux (vector, unit: 10 g·cm-1·s-1·hPa-1) and water vapor flux divergence (shaded, unit: 10-6 g·cm-2·s-1·hPa-1) (c); Time-Height profile of water vapor flux (vector, unit: 10 g·cm-1·s-1·hPa-1) and water vapor flux divergence (shaded, unit: 10-6 g·cm-2·s-1·hPa-1) (d)

整層平均水平水汽通量（圖4a，8月12日08—20時的平均量，積分為1000～300 hPa）的分布顯示，此次暴雨水汽輸送通道主要有兩個，一是孟加拉灣經中南半島、南海向華南沿海及西太平洋輸送，即西南季風的輸送；二是西太平洋副熱帶高壓邊緣偏東氣流向西輸送。此次過程前期副熱帶高壓南側偏東氣流輸送水汽貢獻值大，在最強降水時期，孟加拉灣向華南輸送的水汽通量加大（前期華南地區西南風和偏西風的水汽通量值小，圖略），低渦進入廣西后再次以偏東風的水汽輸送為主（圖略）。圖4b顯示水汽通量大值區集中在東風波動明顯區、誘生低渦經過的北側。隨著誘生低渦逐漸西移至廣東中北部，水汽通量大值區西擴至湘桂交界，水汽通量中心值≥8×103g·cm?1·s?1，位于誘生低渦正北側。東南沿海、粵贛湘桂地區的水汽輸送強，但水汽通量輻合區集中在有限的區域內?；浵婀鸾唤缣幱谒?×103g·cm?1·s?1以上的大值區中，且水汽通量強輻合區位于誘生低渦附近的粵中地區及粵桂交界的北部，最強輻合中心達?3.5×10?4g·cm?2·s?1，其次是湖南南部，此時強降雨區也位于湖南南部 。

沿著兩個水汽輻合中心作垂直剖面進行分析（圖4c，沿[21°N，117°E]到[29°N，108°E]），強水汽通量散度在500 hPa以下，水平水汽輸送最強出現在低層700 hPa以下。湖南南部（25°N～26°N），水汽通量中心值≥18×10 g·cm?1·s?1·hPa?1，對應的水汽輻合區位于800 hPa以下，最強輻合中心在925 hPa層，≤?25×10?6g·cm?2·s?1·hPa?1，圖4d（[25.2°N，112.3°E]的時間－高度剖面）亦顯示出強水汽輻合層在800 hPa以下，最強時段在低渦位于廣東中北部的8月12日16時左右，此時湘南處東風波槽前，由于副高南側攜帶大量水汽的低層東北急流的較長時間維持，造成了湖南南部暴雨，局地大暴雨天氣。廣東中北部（23.5°N—25°N）850 hPa以下以來自孟加拉灣經中南半島、南海等地的西南風和偏南風的水汽輸送為主，850 hPa以上西南風和偏南風與來自西北太平洋的東北風共同為其輸送水汽，水汽輻合中心在925 hPa上，最強達?25×10?6g·cm?2·s?1·hPa?1且水汽輻合區延伸到500 hPa以上，整層水汽輻合厚度比湘南大得多，低層西南風的維持加強了位于廣東中北部的低渦，更強的動力條件，使得水汽輻合深厚，整層水汽通量輻合高于湘南，引發廣東中北部出現區域性暴雨，局地大暴雨、特大暴雨。

3 東風波發展的動力診斷

王堅紅等[17]通過對十次東風波的動力結構進行分析，指出正渦度區指示東風波槽位置，正渦度值的大小指示東風波強度；王忠東等[13]也指出，渦度場和垂直螺旋度均對東風波及其誘生低渦的演變過程有很好的指示意義。此次降雨的主要影響系統是東風波及其誘生低渦，通過對正渦度中心經過附近23.8°N（圖4a中的紅虛線）作緯向垂直剖面，對東風波及其誘生低渦的發展及動力結構進行分析。

東風波在掠過臺灣海峽過程中強度有所減弱，12日08時（圖5a），東風波槽西移進入粵東，因西南季風的卷入，在700 hPa上誘生出低渦（圖2a），正渦度中心亦是誘生低渦中心，此時正渦度值小，垂直上升運動弱，但垂直方向上風切變加大。12日14時誘生低渦進入廣東中北部后（圖5b），低層西南風加強到急流強度，厚度擴展到700 hPa左右，正垂直螺旋度中心也在700 hPa上，強度達14×10?9m·s?2，垂直風切變進一步加大，東風波槽強度迅速增加，900～300 hPa為較深厚的垂直上升區，與東風波波槽隨高度均向東傾斜，主雨帶位于低渦前側，距渦中心2個經距左右。12日20時（圖5c），700 hPa低渦移至兩廣交界的北部，西南風減弱，使得垂直風切變減弱，垂直上升區和輻合中心皆移到低渦前側，強度有所減弱，主雨帶距渦中心約3個經距。13日08時（圖5d），700 hPa低渦移至廣西南部（圖2b），正渦度中心在廣西中部，位置不重疊，西南季風減弱消失，垂直風切變小，東風波波軸隨高度略向西傾斜，正渦度區深厚，延伸到200 hPa，表現為深厚的波動特征，此時主雨帶位于波槽前0.5個經距左右。

圖5 2016年8月12日08時（a）、12日14時（b）、12日20時（c）、13日08時（d）（北京時）沿23.8°N（圖4a中紅虛線）的緯向垂直剖面（風羽為垂直方向的水平風，單位：m·s?1、填色區為正渦度區單位：10?5 s?1、等值線為垂直上升速度，單位：Pa·s?1、藍色三角為此時主雨帶的位置） Fig. 5 Latitude-vertical section of wind (barb, unit: m·s-1), positive vorticity (shaded, unit: 10-5 s-1) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) along 23.8°N at (a) 08:00 BT 12; (b) 14:00 BT 12; (c) 20:00 BT 12; (d) 08:00 BT 13 August 2016

此次深厚東風波暴雨渦度場對東風波槽的位置和強度有很好的指示作用，誘生低渦在進入廣西之前，垂直風切變大，低渦中心與正渦度中心對應較好，東風波波軸隨高度略向東傾，主雨帶距渦中心2～3個經距；進入廣西后，西南季風減弱，垂直風切變減弱，低渦與東風波槽位置有偏離，主雨帶在波槽前0.5個經距附近。此次過程中西南季風的卷入使得垂直風切變加大，東風波系統得以較長時間維持。強降水時段，東風波波軸隨高度略向東傾，主要降雨區位于誘生低渦經過的區域和低渦向北延伸的東風波槽前東北氣流區。

4 東風波發展的熱力診斷及與雨區的關系

本次過程具有降水效率高、分布不均等特點，預報預警難度大?，F通過出現誘生低渦12日08時至13日08時600 hPa的風場、正渦度平流及低層850 hPa的假相當位溫分布圖，將未來6小時出現較強降水的站點疊加進行分析（圖6），以期能對強降水的預報預警提供幫助。

圖6 2016年8月12日08時（a）、12日14時（b）、12日20時（c）、13日02時（d）（北京時）850 hPa假相當位溫θse（藍?紅色等值線，單位：K）、600 hPa風場（風羽，單位：m·s?1）、低渦中心（紅十字）及正渦度平流區（填色，單位：10?9 s?2）、未來6小時強降雨站點（藍點為≥25 mm、紅點為≥50 mm、紫點為≥100 mm，單位：mm） Fig. 6 Fields of 850 hPa pseudo-equivalent potential temperature (blue-red contour, unit: K), 600 hPa wind field (barb, unit: m·s-1) and positive vorticity advection (shaded, unit: 10-9 s-2, red crosses represent the vortex centres) and heavy rainfall stations for the next six hours (blue dots indicate above 20 mm; red dots indicate above 50 mm; purple dots indicate above 100 mm) at (a) 08:00 BT 12; (b)14:00 BT 12; (c) 20:00 BT 12; (d) 02:00 BT 13 August 2016

850 hPa假相當位溫θse顯示，低渦中心附近等θse線密集，高θse值區主要位于誘生低渦的北側及西側，隨東風波向西的系統性平流明顯，600 hPa的正渦度平流整體上呈波列分布。12日08時（圖6a），誘生低渦在廣東東南部，東風波波槽東傾明顯，未來6小時強雨區主要位于誘生低渦西側的能量鋒區（等θse線密集）偏暖一側及東風波波槽前3個經距左右的θse≥356 K區域內，當上述區域有正渦度平流存在時降水強度明顯增大；12日14時（圖6b），誘生低渦進入廣東中部，東風波波槽東傾不明顯，湖南南部為θse≥360 K的高值中心，未來6小時強雨區主要位于誘生低渦西側、東風波波槽前1～2個經距區域內的高θse值區，當正渦度平流大值與θse大值區重疊時，降水強度明顯加大；12日20時（圖6c）、13日02時（圖6d），西南風逐漸退出華南，強雨區皆位于低渦西側的能量鋒區偏高θse區附近。

此次過程中，強雨區一處位于低渦西側的能量鋒區偏高θse區附近，另一處位于東風波槽前θse大值區中，當槽前正渦度平流大值與θse大值區重疊時，降水強度增大明顯，這對強降水預報預警有很好的指示作用。

5 地形的影響

地形對降水強度、落區和災害天氣都具有重要影響[18]。此次過程中誘生低渦沿23.8°N一路西進，強降水區也主要位于23.8°N一帶，12日14—20時誘生低渦靠近山區時，移速減慢，對應的雨區西推速度變慢。產生兩處強降水中心，分別位于低渦西側對應梧州市北部（約23.8°N）和東風波槽前對應永州市東南部（約25.2°N）。

現主要分析湘南地區的降水（圖7a）。位于永州市東南部的降水中心6小時最大累計雨量達132.7 mm，小時雨強最大達57.9 mm·h－1（12日14—15時，源峰站）。源峰站位于九嶷山脈北部，海拔高度為401 m，周圍最近的兩個六要素站分別為藍山縣國家站（位于源峰站東北側，單程距離約3 km）和楠市林檢站（位于源峰站北側，單程距離約8 km）。6小時降水超過50 mm、100 mm的站點（圖中紅點、紫點）絕大部分位于湖南南部的萌渚嶺—九嶷山系一帶，此處地貌復雜多樣，山岡盆地相間分布，屬南嶺山脈緯向構造帶，主峰均在1500 m以上，九嶷山脈大體呈東西走向，與萌渚嶺山脈接壤處呈東北—西南走向，其中6小時降水超過100 mm的站點拔海高度均超過400 m。藍山縣區竹林站海拔高度達1159 m，相當于邊界層高度，低層西南風加強時，竹林站在12日12—15時的西南風達12 m·s?1以上，藍山站在13時之后由弱北風轉為東南風，并逐漸增強，14：18極大風速達11.8 m·s?1，13時之后因誘生低渦北側攜帶西太平洋水汽的偏北氣流影響到萌渚嶺—九嶷山北麓，楠市林檢站亦因喇叭口地形的影響，在13時之后轉西西北風，在14：06極大風速達7.4 m·s?1。偏東風和東南風與西西北風同時加強生成地形輻合線（圖中藍點、紅點密集區），到14時最強，降水與風速的加強幾乎同步，小時最大雨強就出現在14—15時。6小時50 mm以上的降水區大部分在地面輻合線附近，雷達圖（圖7b）顯示，輻合線附近有多個對流單體存在，皆體現出低質心降水回波的特征，這些對流單體不斷生消，維持了近6個小時（圖略）。

圖7 2016年8月12日14時地面極大風向風速（a，風羽，單位：m·s?1；填色為地形高度，單位：m）、未來6小時強降水站點（紅點為≥50mm、紫點為≥100mm）、8月12日16：57永州雷達組合反射率圖（b） Fig. 7 (a) Fields of surface maximum wind (barb, unit: m·s-1) and heavy rainfall stations for the next six hours (red dots indicate above 50 mm; purple dots indicate above 100 mm) at 14:00 BT 12 August 2016 (Shadings indicate topography, unit: m); (b) combined reflectivity of Yongzhou Station at 16:57 BT 12 August 2016

這次過程中東風波波槽前的強降水與地形相關性顯著，攜帶西太平洋水汽的偏北氣流與萌渚嶺—九嶷山系相遇夾角大，且山脈坡度大，強降水中心主要出現在萌渚嶺—九嶷山北麓，另外，都龐嶺走向與邊界層暖濕氣流方向基本一致且地面風弱，都龐嶺附近降水較弱?？梢娚矫}走向與暖濕氣流來向的夾角對強降水的分布有一定影響，偏東風和東南風與西北風的地形輻合線的出現，使得降水云團的移動遲緩，配合迎風坡效應，低層暖濕氣流加強抬升，降水增幅明顯。

6 結論與討論

1）2016年8月12日這次過程是近十年來影響湘南地區范圍最廣、強度最強、受災最強的一次東風波暴雨天氣過程。強降水期間，南亞高壓逐漸由西部型轉東部型，500 hPa上副熱帶高壓西伸發展成帶狀分布控制我國中東部，其南側形成強盛的偏東風波動，并在偏東風氣流中誘生出低渦。主要降雨區位于誘生低渦經過的區域和低渦中心向北延伸的東風波槽前東北氣流區，西南季風的卷入使得垂直風切變加大，東風波系統得以較長時間維持。

2）此次暴雨水汽輸送通道主要有兩個，低渦附近降水以孟加拉灣輸送過來的西南方向的水汽為主，東風波槽前降水以西太平洋輸送過來的偏東方向的水汽為主。此次過程中渦度場對東風波槽的位置和強度有很好的指示作用，誘生低渦在進入廣西之前其中心與正渦度中心對應較好。東風波槽前的降水強度與正渦度中心強度的變化有直接關系，誘生低渦附近的降水強度與西南風強度關系密切。

3）此次過程強雨區一處位于低渦西側的能量鋒區偏高θse區附近，另一處位于東風波槽前θse大值區中，當槽前正渦度平流大值與θse大值區耦合時，降水強度將明顯增大，這對強降水預報預警有很好的指示作用。此外東風波引起的暴雨與地形相關性高，有利地形下，山脈走向與暖濕氣流來向的夾角大、出現地形輻合線等中尺度系統，降水增幅明顯，湘南山區雨量超過100 mm的站點均位于地面輻合線附近，拔海高度在400 m以上。本文中對地形的影響僅做定性分析，南嶺山脈山岡盆地交錯分布，地形復雜，對海拔高度、山脈坡度、下墊面水體、林區等與降水關聯程度并未作詳細的討論，將在未來工作中進行重點研究。