尹寶蓉，袁紅松，黃 娟，歐陽也能，鄭仕超

(湖南省湘潭市氣象局，湖南 湘潭 411100)

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2014年5月24—25日湘潭暴雨過程診斷分析

尹寶蓉，袁紅松，黃 娟，歐陽也能，鄭仕超

(湖南省湘潭市氣象局，湖南 湘潭 411100)

該文利用常規(guī)天氣圖、自動氣象站雨量資料、NCEP 1°×1°再分析資料、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)等資料對2014年5月24—25日湘潭出現(xiàn)的暴雨過程進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明，這次暴雨過程是大尺度與中尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，有強(qiáng)大的干侵入觸發(fā)；地面小低壓和中低層冷切尾部和暖切頂部的輻合，配合高空反氣旋輻散以及強(qiáng)大的干侵入作用，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動，使不穩(wěn)定能量得以釋放；強(qiáng)降水區(qū)具有典型的正負(fù)渦度柱、正負(fù)散度柱耦合雙偶結(jié)構(gòu)；暴雨過程以積狀云降水回波為主，具有明顯的中尺度特征，MCC、MCS發(fā)展強(qiáng)烈，而湘潭的強(qiáng)降水出現(xiàn)在MCS和MCC云團(tuán)的TBB最大處；分析干線位置和移動方向?qū)ο募緩?qiáng)對流暴雨落區(qū)預(yù)報有很好的指示意義。

暴雨；中尺度雨團(tuán)；干線；云圖；雷達(dá)

1 前言

暴雨是湖南主要災(zāi)害天氣之一[1-3]，暴雨天氣的發(fā)生和發(fā)展是大尺度與中小尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，暴雨預(yù)報是當(dāng)今天氣預(yù)報領(lǐng)域的一大難題，24 h以上時效暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率還很低。為此，中國氣象局《現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)發(fā)展指導(dǎo)意見》強(qiáng)調(diào)，要以多種觀測資料和數(shù)值產(chǎn)品的綜合應(yīng)用為基層，逐步從以天氣尺度分析為主的業(yè)務(wù)向天氣尺度與中尺度分析相結(jié)合的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換，要重點(diǎn)加強(qiáng)中尺度天氣分析，為暴雨等強(qiáng)對流天氣的短時臨近預(yù)報和災(zāi)害性天氣短期落區(qū)預(yù)報提供支持[4]。本文通過對2014年5月24—25日發(fā)生在湘潭的暴雨過程的多尺度天氣系統(tǒng)配置，雨團(tuán)活動情況及主要物理量診斷等方面進(jìn)行分析，從中找出此類暴雨發(fā)生發(fā)展的特征，以期為提高預(yù)報預(yù)警能力提供幫助。

2 天氣實(shí)況及影響

5月24日08時—26日08時湘潭出現(xiàn)了2014年入汛以來的最強(qiáng)降水過程，3個國家氣象站累計降水量：湘潭為89.7 mm、湘鄉(xiāng)43.3 mm、韶山69.9 mm；據(jù)110個區(qū)域自動氣象站資料統(tǒng)計(圖略)，過程平均降水量59 mm，有75站≥50 mm，其中6站≥100 mm，強(qiáng)降水主要集中在雨湖區(qū)和湘潭縣，最大降水量132.4 mm(雨湖區(qū)姜畬鎮(zhèn))。其中24日14時—25日14時全市出現(xiàn)65站暴雨， 6站大暴雨。湘潭此次暴雨過程局地差異大，主要以中等雨團(tuán)(小時雨量10～30 mm)[5]影響為主，最大雨強(qiáng)僅41.1 mm/h。降水過程有兩段：24日22時—25日01時出現(xiàn)在湘潭東北部；25日03—08時為降水范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)時段，首先從湘鄉(xiāng)西南部開始，逐漸移向東北方向，出現(xiàn)10站的中尺度暴雨(連續(xù)3h降水量≥50 mm，且其中1 h雨強(qiáng)≥30 mm)[5]。

此次暴雨過程造成湘潭市多處地勢低洼和排水不暢地段出現(xiàn)短時積水；早稻處于幼穗分化期，短時間水淹影響不大，但蔬菜受淹損失較大。據(jù)民政局統(tǒng)計，全市2 985人因此受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移安置86人，246.5 hm2農(nóng)作物受災(zāi)，其中13.5 hm2絕收，倒塌房屋10間，損壞房屋70間，直接經(jīng)濟(jì)損失108萬元，其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失90萬元。

3 天氣形勢分析

3.1 環(huán)流背景

24日08時(圖2a)，湘潭處在副高邊緣，高層濕度小，中低層濕度大，其中700 hPa低槽后部有溫度槽配合，地面圖上我國西南地區(qū)有一低壓倒槽。14時地面圖上湘潭處兩高之間的低壓輻合帶中，增溫增濕明顯。24日20時(圖2b)，副高位置穩(wěn)定少動，700 hPa低槽東移南壓，溫度槽仍落后高度槽，且對應(yīng)925 hPa上的溫度脊，850 hPa貴州西北—湖南北部有橫切變，廣西中部—湖南西部有急流建立，地面西南倒槽發(fā)展，冷鋒維持在長江中下游北岸，湘潭處在高空槽底部、700 hPa冷切尾部和850 hPa暖切頂部的輻合區(qū)及地面輻合帶中，降水開始并加強(qiáng)。25日08時(圖2c)，副高略有南壓，700 hPa低槽東移入海，湘潭處在槽后偏北氣流中，廣西北部—湖南西南部有急流；850 hPa轉(zhuǎn)為冷式切變，維持在湘西北—貴州東南部，急流加強(qiáng)東移，地面冷鋒位置少動，冷空氣主體明顯南移，湘潭處在低槽后部，強(qiáng)降水趨于減弱。14時受地面冷空氣南下影響，系統(tǒng)東移減弱，湘潭的降水逐漸停止。

圖1 湘潭市降水雨團(tuán)分布圖(a)和中尺度暴雨站小時降水量情況圖(b，站點(diǎn)從SW→NE)

圖2 2014年5月24日08時(a)、24日20時(b)、25日08時(c)、25日20時(d)高空形勢圖

3.2 中尺度分析

從長沙24日20時的探空圖(圖3a)看出，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，上干下濕；分析天氣圖發(fā)現(xiàn)(圖3b)，湘潭高空3層均處在暖區(qū)溫度脊中，但上冷下暖，500 hPa和925 hPa溫差為26℃，干線位于山東中部—河南中部—甘肅中東部；850 hPa和700 hPa低槽位置相近，位于長江以北，后部均有溫度槽配合，其中700 hPa溫度槽對應(yīng)925 hPa溫度脊，且落后于高度槽，促使低槽發(fā)展東移；地面處于低壓輻合區(qū)內(nèi)。

25日08時850 hPa和700 hPa兩層低槽東移入海，湘潭處于槽后，700 hPa干線隨槽后偏北氣流侵入本地，使之成為顯著干區(qū)(長沙站露點(diǎn)溫度從20時的10℃下降為-26℃，干侵入達(dá)36℃)。有研究認(rèn)為，干冷空氣侵入對位勢不穩(wěn)定能量的增強(qiáng)、氣旋的爆發(fā)性發(fā)展、暴雨的增幅及中氣旋的發(fā)生發(fā)展等起著重要的促進(jìn)作用[6-8]。湘潭處在西南倒槽中，高溫高濕的不穩(wěn)定環(huán)境，中層強(qiáng)大的干侵入觸發(fā)，造成25日03—08時出現(xiàn)中尺度暴雨，暴雨落區(qū)出現(xiàn)在干線南側(cè)、700 hPa冷切尾部和850 hPa暖切頂部輻合區(qū)及地面倒槽中。

這次暴雨過程是大尺度與中尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，有強(qiáng)大的干侵入觸發(fā)。由于地面小低壓及700 hPa冷切尾部和850 hPa暖切頂部的輻合，加上高空反氣旋輻散以及強(qiáng)大的干侵入作用，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動，使不穩(wěn)定能量得以釋放，造成強(qiáng)對流天氣。分析干線位置及移動方向，對夏季強(qiáng)對流暴雨落區(qū)預(yù)報有很好的指示意義。

圖3 2014年5月24日20時探空圖(a)、24日20時和25日08時700 hPa中分析圖(b)

圖4 850 hPa風(fēng)場(流線)和水汽通量散度(色斑，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)和比濕(等值線，單位：g/kg);

4 物理量診斷分析

4.1 水汽條件

根據(jù)“規(guī)劃”中提出2020年要建設(shè)666. 67千 hm2棉花高產(chǎn)區(qū)，單產(chǎn)達(dá)到2 250 kg/hm2，高產(chǎn)棉區(qū)占種植總面積的30%。2025年實(shí)現(xiàn)1 066. 67千hm2棉花高產(chǎn)區(qū)，約占種植總面積的50%。設(shè)定情景B：2020年實(shí)現(xiàn)666. 67千 hm2棉花高產(chǎn)高效區(qū)，單產(chǎn)2 250 kg/hm2，2025年建成1 066. 67千hm2棉花高產(chǎn)高效區(qū)，按照2020年單產(chǎn)年均增長率2. 06%估算，2025年單產(chǎn)達(dá)2 490 kg/hm2。

利用NECP 1°×1°的再分析資料(圖4)看出，24日14時850 hPa在廣西—湖南中部形成了一條水汽通道，湘北出現(xiàn)一個強(qiáng)的水汽輻合中心；從比濕的分布來看，湖北西部為干區(qū)，湖南東部處于濕度大值區(qū)，湘潭市處于水汽通量和濕度的大值區(qū)內(nèi)，說明濕度條件很好。

24日20時，850 hPa在湘西和湘東北各有一個水汽輻合中心，而廣西—湖南中部水汽通道維持，湘潭水汽輸送條件很好。25日02時，由于北方干冷空氣侵入湘北，水汽輻合中心南壓至湘西—湘南，湘中以北濕度減小，在湘北形成明顯的濕度鋒區(qū)，此時湘潭市開始出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。25日08時西南氣流加強(qiáng)，在湘西北地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)的水汽輻合中心，而湘東北為輻散區(qū)；濕度鋒區(qū)進(jìn)一步南壓減弱，湘潭的強(qiáng)降水趨于減弱。濕度鋒區(qū)的南壓過程，正好對應(yīng)湘潭市03—08時的強(qiáng)降水時段。

4.2 動力條件分析

從圖5可知，24日14時，暴雨區(qū)為低層正渦度(負(fù)散度)和高層負(fù)渦度(正散度)，是典型的暴雨渦散場耦合模式[1-4]。20時之后，正渦度區(qū)向上發(fā)展，到25日02時，對流層925～700 hPa之間正渦度加大，在900 hPa形成一個中心，中心強(qiáng)度達(dá)4×10-5s-1，而高空的負(fù)渦度也在加強(qiáng)，在400 hPa附近形成一個-6×10-5s-1的中心；同時，900 hPa 以下的負(fù)散度加強(qiáng)，形成一個中心值達(dá)-3×10-5s-1的強(qiáng)輻合中心，500 hPa附近正散度明顯加大，中心值為2×10-5s-1，低層輻合高空強(qiáng)烈輻散，湘潭對流上升運(yùn)動發(fā)展強(qiáng)烈，出現(xiàn)雷電、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣，一直持續(xù)到08時。08時之后，低層正渦度減少，正散度加大，強(qiáng)降水減弱。由此可見，強(qiáng)降水區(qū)對應(yīng)一個從地面—對流層頂?shù)恼?fù)渦度柱耦合、正負(fù)散度柱耦合的典型雙耦結(jié)構(gòu)，構(gòu)成產(chǎn)生暴雨的動力機(jī)制。這種耦合結(jié)構(gòu)在暴雨發(fā)生前已出現(xiàn)，這對此類暴雨預(yù)報預(yù)警有指示意義，這次短時暴雨出現(xiàn)在正負(fù)渦度和正負(fù)散度發(fā)展到最強(qiáng)趨于減弱的時間段內(nèi)。

圖5 暴雨區(qū)(112～113°E，27～28°N)的平均渦度(a)和散度(b)的時間-高度剖面圖(單位：10-5m/s)

圖6 5月25日02時(a)、08時(b)的850 hPa假相當(dāng)位溫(色斑，單位：K)和700 hPa垂直速度(等值 線，單位：Pa·s-1)

4.3 熱力及不穩(wěn)定條件分析

由850 hPa假相當(dāng)位溫(θse)和700 hPa垂直速度的疊加圖可知，24日14時(圖略)，θse的高值區(qū)在廣西西部，并向東北伸展，湖南省除湘西北外，θse>354 K，表明低層為高溫高濕區(qū)，此時垂直上升區(qū)位于湘西南及湘中以北。24日20時(圖略)，θse的高值區(qū)在廣西西部和貴州南部，并向東伸展，湘西、湘南相對較高，垂直上升區(qū)位于湘西、湘中以北，在西部湘黔交界處和湘東北各有一個中心。25日02時(圖6a )湘西、湘中以南處于θse高值區(qū)內(nèi)，垂直上升區(qū)在湘中偏北開始發(fā)展并東移南壓，不穩(wěn)定層結(jié)配合強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動造成湘潭出現(xiàn)雷電、短時強(qiáng)降水。08時(圖6b)上升中心南壓至衡陽，其南北兩側(cè)各有一個下沉中心，其中南側(cè)的下沉中心速度達(dá)0.6 Pa·s-1，形成上升和下拽兩支氣流，此時強(qiáng)降水南壓至湘潭縣南部和衡陽地區(qū)，湘潭市北部降水逐漸減弱。由此可見，高溫高濕配合強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動是產(chǎn)生這次暴雨的原因之一，降水增強(qiáng)時段與上升速度增強(qiáng)時段有較好的對應(yīng)關(guān)系，而且對流性的強(qiáng)降水與上升和下拽兩支氣流密切相關(guān)。

5 衛(wèi)星資料分析

分析5月25日01—09時逐小時TBB云圖演變過程，25日01時(圖7a)在貴州西部有一個中小尺度的強(qiáng)對流云團(tuán)，中心TBB≤-70℃；湖南邵陽隆回、懷化沅陵、岳陽沅江有小的對流云團(tuán)生成；江西西部靠近湖南邊界也有一個TBB≤-70℃的強(qiáng)對流中心。02時(圖7b)貴州西部云團(tuán)迅速發(fā)展增大，并向東移動，在移動前方又有新的對流云團(tuán)生成；在湘中及以北地區(qū)，有4個小尺度的對流云團(tuán)MCC生成并迅速發(fā)展；江西的云團(tuán)減弱南壓。03時(圖7c)，湘中的對流云團(tuán)發(fā)展，其中有一個在婁底的西部，湘潭的西南部處其前方，此時婁底發(fā)生強(qiáng)的降水，湘潭西南強(qiáng)降水開始。04時(圖7d)，貴州西部和湘中以北的對流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展東移，婁底西部的對流云團(tuán)已影響湘潭西半部，強(qiáng)降水范圍加大。05時(圖7e)影響湘潭的對流云團(tuán)往東北方向移動很快，中心強(qiáng)度也達(dá)到-70℃以下，局地雨強(qiáng)達(dá)30 mm/h以上。06時(圖7f)貴州西部的MCS發(fā)展東移并逐漸影響湘西，而湘中以北的4個對流單體發(fā)展加強(qiáng)并形成一個新的MCS，湘潭受其影響，短時強(qiáng)降水加強(qiáng)，中尺度暴雨出現(xiàn)區(qū)域?yàn)門BB最強(qiáng)處。06—08時，西南部的MCS中心強(qiáng)度再次加強(qiáng)南擴(kuò)，湘東云團(tuán)有所南壓，湘潭西部又有新的對流云團(tuán)生成影響，強(qiáng)降水一直持續(xù)。至09時(圖7j)湘西的對流云團(tuán)與湘東的連在一起，南壓至湘潭縣南部和衡陽一帶，湘潭強(qiáng)降水減弱。

圖7 2014年5月25日01時(a)-09時(i)FY-2E TBB變化(色斑)(間隔1 h)

6 雷達(dá)回波演變特征

分析多普勒雷達(dá)產(chǎn)品(圖略)表明，5月24日22時，在湘北和湘中以南各有一條不連續(xù)的強(qiáng)回波帶，湘潭的湘鄉(xiāng)有一小塊強(qiáng)回波存在，中心強(qiáng)度在50 dBz以上。對應(yīng)的基本速度圖上，在湘潭的西部，即湘鄉(xiāng)與韶山境內(nèi)存在負(fù)速度大值區(qū)，在回波的移動過程中，該負(fù)速度的大值區(qū)一直存在，并向東移動。結(jié)合降水分析，24日22時—25日01時的強(qiáng)降水落區(qū)與強(qiáng)回波區(qū)及負(fù)速度的大值區(qū)相對應(yīng)，快速自西向東移動。25日02時，湘北的強(qiáng)回波帶已南壓至益陽和岳陽南部，婁底東部有一塊強(qiáng)回波，但均未影響湘潭。03時婁底的強(qiáng)回波東移至湘鄉(xiāng)邊界，回波強(qiáng)度在40 dBz以上，回波迅速發(fā)展加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)55 dBz，湘鄉(xiāng)西南部出現(xiàn)雷電和短時強(qiáng)降水。隨著強(qiáng)回波帶東移，湘潭自西南向東北陸續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。05時，影響湘潭東部的強(qiáng)回波東移到株洲境內(nèi)，但湘鄉(xiāng)西部出現(xiàn)新的一塊積狀云降水回波，且湘北的強(qiáng)回波帶已南壓至長沙。受湘鄉(xiāng)西南部的強(qiáng)回波發(fā)展東移和北面強(qiáng)回波帶的南壓接連影響，湘潭市中東部06—08時出現(xiàn)短時暴雨，部分站點(diǎn)3 h降水量達(dá)50 mm以上。

此次暴雨過程是以積狀云降水回波為主，強(qiáng)回波帶移動速度很快，中心反射率因子達(dá)55 dBz，造成雷暴和短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣。

7 小結(jié)

①這次暴雨過程是由于地面小低壓、冷切尾部和暖切頂部的輻合，加之高空反氣旋輻散以及700 hPa強(qiáng)大的干侵入作用，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動，使不穩(wěn)定能量得以徹底釋放。且暴雨發(fā)生前，湘潭有明顯的增溫，一直處于高濕區(qū)，干侵入形成明顯的濕度鋒區(qū)，濕度鋒區(qū)南壓過程出現(xiàn)強(qiáng)降水。分析干線位置及移動方向，對強(qiáng)對流天氣落區(qū)預(yù)報有很好的指示意義。

②強(qiáng)降水區(qū)對應(yīng)一個從地面—對流屋頂?shù)恼?fù)溫度柱耦合，正負(fù)散度柱耦合的典型雙耦結(jié)構(gòu)，構(gòu)成產(chǎn)生暴雨的動力機(jī)制。溫度場、教度場耦合結(jié)構(gòu)在暴雨發(fā)生前出現(xiàn)，對此類暴雨預(yù)報預(yù)警有指示意義。

③ 降水增強(qiáng)時段與垂直上升速度增強(qiáng)時段有較好的對應(yīng)關(guān)系，對流性強(qiáng)降水與上升和下拽兩支氣流密切相關(guān)。

④ 此次暴雨過程是以積狀云降水回波為主，具有明顯的中尺度特征，MCC、MCS發(fā)展強(qiáng)烈，而湘潭的強(qiáng)降水出現(xiàn)在MCS和MCC云團(tuán)的TBB最大處。

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2014-08-25

尹寶蓉 (1970—)，女，高工，主要從事短期天氣預(yù)報工作。

1003-6598(2015)06-0034-05

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