劉 沈，潘 陽(yáng)，歐晉輝，高永娜

(1.湖南省永州市氣象臺(tái)，湖南 永州 425000;2.湖南省株洲市氣象局，湖南 株洲 412000)

1 引言

暴雨是湖南最主要的災(zāi)害性天氣，特別是持續(xù)性暴雨所造成的災(zāi)害更為嚴(yán)重。冬末春初，北方冷空氣開始減弱，但仍有一定強(qiáng)度且活動(dòng)頻繁，南方的暖濕空氣開始活躍，冷暖空氣交匯形成鋒面，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，常產(chǎn)生較強(qiáng)的暴雨天氣。研究表明，相對(duì)穩(wěn)定的大尺度環(huán)流形勢(shì)、充足的水汽、對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放和再生是持續(xù)性暴雨產(chǎn)生的必要條件［1］。暴雨危害大，是氣象科研部門研究及各級(jí)氣象臺(tái)站預(yù)報(bào)的重點(diǎn)。近年來(lái)氣象科研人員在暴雨成因方面作了大量的研究工作，在大尺度環(huán)流背景與中小尺度系統(tǒng)的相互作用、高低空急流、低渦、位渦與對(duì)流渦度矢量、螺旋度、不穩(wěn)定等方面的研究上取得重要成果［2］。自動(dòng)氣象站及新一代多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)資料的研究應(yīng)用和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展，為氣象預(yù)報(bào)員提供了越來(lái)越多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，使預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率得到了明顯提高［3－6］。但暴雨具有較強(qiáng)的局地性、突發(fā)性、復(fù)雜性，預(yù)報(bào)難度較大，當(dāng)前的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率仍難以滿足社會(huì)需求。總結(jié)與研究疑難暴雨個(gè)例，診斷分析暴雨成因，有利于提高暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、高空探測(cè)資料以及NCEP再分析資料，對(duì)2012年3月4—5日發(fā)生在永州市的暴雨過(guò)程進(jìn)行了分析，揭示了暴雨過(guò)程的形成機(jī)理，希望能夠?qū)τ乐荼┯曛卸唐诘念A(yù)報(bào)有所幫助。

2 天氣實(shí)況

2012年3月4日08時(shí)—5日08時(shí)，永州市11縣區(qū)國(guó)家氣象觀測(cè)站累積雨量有8站超過(guò)50 mm，達(dá)到暴雨量級(jí)，其中江永站為最大，其24 h雨量達(dá)到102.3 mm。根據(jù)永州市區(qū)域自動(dòng)站網(wǎng)的雨量統(tǒng)計(jì)，4日08時(shí)—5日08時(shí)全市暴雨站點(diǎn)120個(gè)，其中大暴雨4個(gè)，最大降水量在江永縣的朝陽(yáng)電站，過(guò)程雨量為112.0 mm。此次暴雨過(guò)程是永州市2012年入汛以來(lái)的首次暴雨天氣，過(guò)程的顯著特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，累積降水量大。南部降水強(qiáng)于北部，且小時(shí)雨量在時(shí)間分布上呈不均勻的特點(diǎn)，具有對(duì)流單體降水特征，江永站4日23—24時(shí)雨強(qiáng)為21.1 mm/h。

3 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

從3月1－5日500 hPa 5 d平均高度場(chǎng)(圖1)可以看出，歐亞中高緯維持兩槽一脊，南北向的高壓脊位于烏拉爾山地區(qū)，西伯利亞到貝加爾湖一帶維持寬廣的低壓橫槽，巴爾喀什湖附近有較強(qiáng)冷空氣堆積，中緯度氣流以西南氣流為主。巴爾喀什湖附近不斷有短波槽分裂并東移，與高原槽疊加，加強(qiáng)了南支系統(tǒng)的發(fā)展，逐步建立了來(lái)自孟加拉灣—印度洋水汽輸送帶。孟加拉灣附近維持的西南氣流為降水提供了充足的水汽來(lái)源。

自3月1日開始，中低層切變線就在湖南省南北擺動(dòng)，前期低層西南風(fēng)較小，沒有建立西南急流。由圖2看出，從3日20時(shí)開始，中低層西南急流開始建立，最大風(fēng)速在26 m/s以上，急流位置在南嶺一帶。200 hPa高空急流軸位于湖南省北部—湖北一帶，出口右側(cè)為負(fù)渦度平流區(qū)，呈反氣旋性環(huán)流，大氣在此層為輻散場(chǎng)，500 hPa槽前最大西南風(fēng)速帶的右側(cè)也為輻散場(chǎng)，而中低層切變線附近以及最大西南風(fēng)風(fēng)速帶左側(cè)為較強(qiáng)的輻合場(chǎng)，這種高空輻散、低空輻合的環(huán)流特征為此次暴雨過(guò)程提供了較強(qiáng)的動(dòng)力抬升條件。500 hPa、700 hPa以及850 hPa西南氣流將孟加拉灣—印度洋充沛的水汽源源不斷地向北輸送。另外，主體位于蒙古一帶的冷空氣不斷小股南下，影響長(zhǎng)江流域一帶，小股南下冷空氣也迫使暖空氣抬升，加強(qiáng)了鋒線附近的上升運(yùn)動(dòng)。因此，此次強(qiáng)降水是由500 hPa西風(fēng)槽、中低層切變線以及地面弱冷空氣合理配置而造成的。高低空急流的輻合輻散作用為強(qiáng)降水提供了充足的水汽和動(dòng)力條件。

4 物理場(chǎng)分析

產(chǎn)生暴雨的主要物理?xiàng)l件是充足的源源不斷的水汽、大氣層結(jié)的不穩(wěn)定、強(qiáng)盛而持久的氣流上升運(yùn)動(dòng)。對(duì)本次暴雨過(guò)程發(fā)生時(shí)的物理?xiàng)l件進(jìn)行分析，反映強(qiáng)降水落區(qū)及強(qiáng)度分布特點(diǎn)。

4.1 相對(duì)濕度

由圖3看出，濕度大值區(qū)主要集中在850 hPa及以下，整個(gè)過(guò)程相對(duì)濕度均在85%以上，其中4日08時(shí)，濕度大值區(qū)迅速向上伸展，高度達(dá)到300 hPa左右，且在400 hPa左右出現(xiàn)了次大值區(qū)(84%左右)。隨著整層濕度的加大，永州市自北向南開始出現(xiàn)強(qiáng)降水。截止到5日08時(shí)，整層濕度明顯減小，只在低層存在高濕區(qū)，永州市強(qiáng)降水也趨于結(jié)束。

圖3 沿111.6°E、25.5°N的相對(duì)濕度剖面

此外，3日08時(shí)左右，對(duì)流層中高層有明顯的干冷空氣平流侵入，且逐漸向低層擴(kuò)展，一直持續(xù)到4日08時(shí)。研究認(rèn)為，干冷空氣侵入是源于對(duì)流層高層下沉至低層的高位渦低濕空氣，它在氣旋的爆發(fā)性發(fā)展、暴雨的增幅、位勢(shì)不穩(wěn)定的增強(qiáng)、中氣旋的產(chǎn)生發(fā)展等方面起著重要的促進(jìn)作用［7－9］。干層的存在有利于對(duì)流不穩(wěn)定能量在低層的積聚，對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放可以將低層的暖濕氣流向上輸送至較高的層次，有利于降水的發(fā)生。

由圖4看出，強(qiáng)降水時(shí)段(4日08時(shí)—5日08時(shí))500 hPa比濕值在1.8～2.8 g/kg，700 hPa比濕值在6.0～6.4 g/kg，低層850 hPa比濕值在7.2～8.6 g/kg，比濕值從上自下逐漸遞增，與相對(duì)濕度的時(shí)空分布相對(duì)應(yīng)。

圖4 沿111.6°E、25.5°N的比濕剖面(單位:k/kg)

4.2 水汽通量及水汽通量散度

從3月1日開始，湖南省一直處于水汽通量的大值區(qū)。4日08時(shí)，850 hPa水汽通量場(chǎng)(圖5)大值區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，數(shù)值也明顯增加，中心強(qiáng)度達(dá)到0.014 kg/(hPa·cm·s)，且中心位置由湘北移至湘南—兩廣一帶。大值中心分為2個(gè)，分別位于兩廣沿海交界和我國(guó)東海洋面，大體呈西南以及偏東方位分布。根據(jù)其分布認(rèn)為，此次過(guò)程，水汽來(lái)源主要是來(lái)自孟加拉灣沿高原東部東北上的西南氣流，東海水汽輸送較弱，南海附近存在一個(gè)低值區(qū)，對(duì)水汽輸送基本無(wú)貢獻(xiàn)。

圖5 4日08時(shí)850 hPa水汽通量

由圖6看出，從3日20時(shí)開始，低層水汽輻合場(chǎng)高度逐漸增加，且強(qiáng)度也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。4日08時(shí)，低層925 hPa出現(xiàn)輻合大值區(qū)，中心值－17×10－7g/(hPa·cm2·s)，延伸高度在 550 hPa左右，其上存在較弱輻散區(qū)。4日20時(shí)，輻合值雖有減小，但延伸高度達(dá)到450 hPa左右，且高層出現(xiàn)輻散中心。暴雨區(qū)強(qiáng)降水階段就集中在4日20時(shí)—5日08時(shí)。5日08時(shí)之后，低層輻合，高層輻散的形勢(shì)雖然存在，但輻合場(chǎng)高度明顯降低，輻散場(chǎng)向下擴(kuò)展，預(yù)示降水趨于結(jié)束。

圖6 沿111.6°E、25.5°N的水汽通量散度剖面

4.3 散度及渦度分析

分析3月2日以來(lái)暴雨中心(25.5°N、111.6°E)的散度場(chǎng)(圖7)與渦度場(chǎng)(圖8)時(shí)空分布?？梢钥闯?，永州強(qiáng)降水前期(3日20時(shí)左右)，低層雖然存在負(fù)散度，但高度在800 hPa以下，700 hPa左右存在弱正散度中心。4日08時(shí)—5日08時(shí)，高層輻散對(duì)應(yīng)的正散度與低層輻合對(duì)應(yīng)的負(fù)散度都強(qiáng)烈發(fā)展。低層負(fù)散度延伸高度在400 hPa左右，中心值在 －18～ －12×10－5s－1之間。高層正散度中心位置在250 hPa左右，中心值達(dá) 32 ×10－5s－1，且降水過(guò)程期間一直維持。高層正散度對(duì)應(yīng)的輻散強(qiáng)于低層負(fù)散度對(duì)應(yīng)的輻合，使得高層的抽吸作用更有利于低層輻合的發(fā)展維持。

從渦度場(chǎng)的時(shí)空分布來(lái)看，4日20時(shí)前，低層正渦度層較淺薄，延伸高度在800 hPa左右，中心強(qiáng)度在9～12×10－5s－1。高層負(fù)渦度較深厚，700 hPa以上基本為負(fù)渦度層。4日20時(shí)后，低層正渦度開始強(qiáng)烈發(fā)展，截止到5日08時(shí)，500 hPa正渦度值達(dá)到30×10－5s－1，且高層300 hPa存在次大值中心，強(qiáng)度在24×10－5s－1。本次過(guò)程中低層正渦度與高層負(fù)渦度的較好配合時(shí)段在4日20時(shí)—5日08時(shí)，與暴雨區(qū)的強(qiáng)降水集中時(shí)段相對(duì)應(yīng)，尤其在5日凌晨，暴雨區(qū)的江永站附近有短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生。

4.4 假相當(dāng)位溫

θse場(chǎng)能表征大氣能量特點(diǎn)。從θse時(shí)空剖面(圖9)可以看出，低層850 hPa及以下等θse線密集，呈水平分布。4日08時(shí)前后700～500 hPa有高能舌向下伸展，說(shuō)明中高層暖濕氣流加強(qiáng)，預(yù)示將有強(qiáng)降水產(chǎn)生。4日20時(shí)—5日08時(shí)期間，700～500 hPa層出現(xiàn)高能值中心，表明本層結(jié)內(nèi)存在θse隨高度減少的不穩(wěn)定趨勢(shì)，與強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段對(duì)應(yīng)。

圖9 沿111.6°E、25.5°N 的 θse剖面(單位:℃)

5 小結(jié)

①本次過(guò)程是由500 hPa西風(fēng)槽、中低層切變線以及地面弱冷空氣合理配置而造成的。高低空急流的輻合輻散作用為強(qiáng)降水提供了充足的水汽和動(dòng)力條件。

②高濕區(qū)中高層干冷空氣平流的侵入有利于對(duì)流不穩(wěn)定能量的積聚，是觸發(fā)本次強(qiáng)降水的重要條件之一。

③來(lái)自孟加拉灣的水汽在永州市附近輻合，高層水汽通量輻散加強(qiáng)了低層的水汽輻合。

④強(qiáng)降水期間暴雨區(qū)上空高層正散度(負(fù)渦度)與低層負(fù)散度(正渦度)的垂直分布，非常有利于低層輻合和垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。高層負(fù)渦度輻散與低層正渦度輻合相配合的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，是觸發(fā)此次暴雨的動(dòng)力機(jī)制。

⑤永州市附近維持假相當(dāng)位溫大值區(qū)，聚集了大量的不穩(wěn)定熱力能量。

⑥本次預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)有強(qiáng)降水維持時(shí)間長(zhǎng)，局地性強(qiáng)，定點(diǎn)和定量難以把握;強(qiáng)降水的地域分布不均勻，給暴雨精細(xì)化預(yù)報(bào)帶來(lái)了困難。

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