蔣帥 尹依雯

（湖南省岳陽市氣象局，岳陽 414000）

0 引言

為推動深入實施促進中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略，促進長江中游城市群一體化發(fā)展和長江全流域開發(fā)開放，國務院于2014年4月批復成立洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)（以下簡稱洞庭湖區(qū)）。洞庭湖區(qū)位于長江中游地區(qū)，屬于亞熱帶季風區(qū)，降水豐沛，加之其水陸分布、地理特征獨特，除廣闊的洞庭湖水體外，內湖內河及港汊眾多，使得湖區(qū)洪澇災害頻發(fā)[1]，城市內澇時有發(fā)生，這對該地區(qū)的經濟、社會生活造成了重大影響[2-3]。

持續(xù)性暴雨事件降雨量大、持續(xù)期長，因而經常引發(fā)洪澇災害，對經濟和生命財產造成的損失較大，如1998和1999年的長江流域洪澇[4-5]，2007年的淮河流域洪澇[4]。胡婭敏等[6]研究了河南“75·8”強降水事件的極端異常特征。發(fā)現強降水事件是在中高緯度環(huán)流異常和臺風共同作用下發(fā)生的，貝加爾湖以東阻塞高壓和副熱帶高壓（以下簡稱副高）合并阻擋了7503號臺風北上。河南“75·8”強降水的水汽來源與7503號臺風具有十分密切的聯系。周慧等[7]分析了2016年7月湖南一次極端持續(xù)性暴雨成因，結果表明：中緯度高空槽的東移、帶狀分布且穩(wěn)定少動的副高為中低層西南低渦不斷生成發(fā)展及“人”字型切變線的維持提供了有利的環(huán)流條件；低空、超低空西南急流異常旺盛，中尺度對流發(fā)展旺盛是造成持續(xù)性降水重要原因。孫建華等[8]利用HYSPLIT模式，對中國江淮流域持續(xù)性暴雨過程的江南型和江北型過程的水汽源地進行分析。發(fā)現江淮流域的持續(xù)性降雨過程中，來自南方的水汽輸送主要受索馬里越赤道急流、孟加拉灣南部和印度尼西亞群島附近越赤道氣流，以及西太平洋副高這些系統(tǒng)的影響。

2017年6月29日—7月1日洞庭湖地區(qū)出現了罕見的持續(xù)性暴雨過程，加之上游四水流域來水，洪峰在洞庭湖遭遇，形成惡劣形勢，洞庭湖3471 km一線大堤全線超警，這給當地經濟社會造成嚴重危害。鑒于以上原因本文針對2017年6月29日—7月1日的持續(xù)性暴雨展開分析，重點分析了暴雨發(fā)生發(fā)展的高低空配置和物理量場。以便認識洞庭湖此次持續(xù)性暴雨特征，為做好持續(xù)性暴雨預報預測提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用的資料包括洞庭湖地區(qū)國家站、區(qū)域站站點資料[9]，以及NCEP再分析資料（時間分辨率6 h一次，水平分辨率為2. 5°×2.5°）中的大氣環(huán)流資料，變量包括1000～10 hPa（共17層）上的位勢高度、溫度、緯向風和經向風，1000～300 hPa各層比濕及1000～100 hPa的各層垂直速度。

1.2 軌跡模擬方案

選擇模擬區(qū)域：洞庭湖地區(qū)域（28°—30.5°N，110.5°—114°E），初始場水平分辨率為0.5°×0.5°，垂直共三層（模擬初始點為90個）。模擬日期為強降水時段2017年6月29日08時（北京時，下同）—7月1日20時。由于水汽主要存在于大氣對流層的中低層，因此本文選取3000、1500、700 m，分別代表700、850、925 hPa，作為HYSPLIT的模擬的初始高度。后向模擬氣塊三維軌跡時間長度為264 h（11 d），每6 h輸出氣塊的位置，并插值得到相應位置的空氣塊的物理屬性（相對濕度、溫度、高度），每隔6 h所有軌跡模擬初始點重新后向模擬追蹤264 h[10]。

2 結果

2.1 實況及天氣形勢演變

2.1.1 實況

為了深入分析洞庭湖地區(qū)持續(xù)性暴雨特征，選取了2017年6月29日—7月1日的洞庭湖地區(qū)的一次少見的特大暴雨過程。從過程雨量分布來看（圖1a），空間分布整體呈現北少南多，除松滋、荊州、公安、石門、澧縣外，其他站點均大于或等于50 mm。洪湖、岳陽、赫山和安化沿線以南均超過了200 mm，安化、平江超過了300 mm。從區(qū)域站統(tǒng)計來看，此次過程50～100 mm達69站次，100～250 mm達390站次，250～500 mm達79站次。另外選取了岳陽站（29.4°N，113.1°E）和汨羅站（28.9°N，113.1°E）作時間序列圖。圖1b為岳陽站和汨羅站6月29日09時—7月1日20時的逐小時降水圖。從圖中可以看出此次強降水主要對應兩次強降水時段，分別是29日晚至30時上午（第一階段）和30日晚上至1日白天（第二階段），岳陽和汨羅均有多時次降水超過20 mm/h，前一個階段的降水強度要大于后一階段。

圖1 2017年6月29日—7月1日洞庭湖地區(qū)累計降水（a），岳陽站和汨羅站逐小時降水（b）Fig. 1 Accumulated precipitation from June 22 to July 1 (a)and hourly precipitation at Yueyang and Miluo stations (b)in 2017

2.1.2 環(huán)流背景

持續(xù)性暴雨的發(fā)生必須要相對穩(wěn)定的大尺度環(huán)流背景，影響系統(tǒng)有可能在同一地區(qū)反復出現或沿同一路徑移動，從而造成很大的累積雨量。此次過程中低緯西太平洋副高穩(wěn)定維持，洞庭湖地區(qū)處于副高西側的強水汽輸送帶中，有利于水汽源源不斷往暴雨區(qū)輸送。

分析天氣尺度系統(tǒng)配置及其演變發(fā)現，第一階段6月29日20時高空200 hPa為分流輻散區(qū)，有利于加強高空散熱和通風，進而加強對流云團的發(fā)生發(fā)展。500 hPa副高南壓至廣東至福建一帶。高空低槽多波動，高空槽位于湖北至湖南西部，洞庭湖區(qū)處于槽前偏西南氣流控制下，中低空西南急流位于湘中一帶。30日08時，200 hPa輻散維持。500 hPa副高穩(wěn)定維持，高壓泵效應明顯。夜間伴隨低槽發(fā)展加強，低渦系統(tǒng)發(fā)展深厚（700、850 hPa），位于湖北東部地區(qū)。中低層700、850 hPa切變線北推，呈人字形分布。另外切變線南側的急流和925 hPa超低空急流在夜間顯著發(fā)展，急流近乎平行切變線。洞庭湖地區(qū)處于850、925 hPa出口區(qū)的左側，有利于洞庭湖地區(qū)上空水汽輻合抬升。以上系統(tǒng)配置造成洞庭湖區(qū)第一階段強降水發(fā)生。

第二階段6月30日20時，對應200 hPa為穩(wěn)定的輻散區(qū)，提供持續(xù)的抽吸作用。500 hPa副高有所南壓，新生低槽呈南北向且緩慢東移，位于湖南省西部。中低層切變位于湖北西部和湖南北部。7月1日08時，夜間低槽東移且順轉加強，低渦東移南壓，其南側的中低層切變線南擺，系統(tǒng)發(fā)展深厚。925 hPa超低空急流猛烈發(fā)展，洞庭湖地區(qū)處于超低空急流出口區(qū)，存在明顯的風速輻合，有利于強降水云團發(fā)生發(fā)展。以上系統(tǒng)配置造成了洞庭湖區(qū)第二階段強降水發(fā)生。

2.2 物理量診斷分析

2.2.1 水汽條件

對流層中低層水汽通道的建立和水汽的大量集中為對流系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利的水汽和不穩(wěn)定條件，進而引發(fā)強降水的發(fā)生發(fā)展。從中低層850 hPa水汽通量圖（圖2）上可以發(fā)現，6月29日20時的水汽通量大值區(qū)位于廣西至湖南一帶，但強度較弱，其水汽通量散度通量同樣較弱（圖3）。夜間水汽輸送發(fā)展增強，且從水汽通量散度來看，6月30日08時洞庭湖地區(qū)南部存在顯著負值區(qū)，較6月29日20時明顯增強，水汽輻合旺盛發(fā)展（圖3）。對應實況上，6月29日20—6月30日08時在洞庭湖地區(qū)南部出現大暴雨和局地特大暴雨天氣。6月30日下午到20時（圖略），水汽通量有所減弱，并有所南壓，對應洞庭湖地區(qū)雨強減小。6月30日20時水汽通量較弱，7月1日凌晨，水汽輸送強度再次增強，洞庭湖地區(qū)存在較強的水汽輻合（圖3），但較上階段輻合相對較弱，輻合區(qū)域較小，對應實況降水強度也弱于上階段。7月2日水汽通量減弱（圖略），位置東移南壓，對應水汽輻合減弱東移南落（圖3），降水減弱結束。以上分析表明，850 hPa水汽通量增強（減弱）對強降水來臨（結束）具有較好指示意義，此外水汽強輻合帶（中心）對暴雨落區(qū)有較好對應關系。

圖2 2017年6月29日20時（a）、30日08時（b）、30日20時（c）和7月1日08時（d）850 hPa水汽通量（單位：10-5 g/（cm·hPa·s））Fig. 2 850 hPa water vapor flux (unit: 10-5 g/(cm·hPa·s)) at 20:00 BT 29 June (a), 08:00 BT 30 June (b),20:00 BT 30 June (c) and 08:00 BT 1 July 2017 (d)

圖3 同圖2，但為水汽通量散度（陰影）分布（單位：10-5 g/（cm2·hPa·s））Fig. 3 Same as Fig.2, but for divergence (shading) distribution of moisture flux (unit:10-5 g/(cm2·hPa·s) )

為了分析此次持續(xù)性暴雨過程的水汽輸送來源，本文利用HYSPLIT模式模擬此次過程中水汽輸送路徑和各源地輸送貢獻，軌跡模擬方案如方法介紹。本文根據文獻[10]劃分了歐亞大陸、局地、印度洋、孟灣—南海和太平洋水汽源地（圖4a）。從圖4b可以看到，水汽來源主要位于海洋地區(qū)，一支起源于印度洋地區(qū)，包括印度西部或為索馬里地區(qū)和印度洋中部地區(qū)，二者經由印度洋東北部共同輸送至洞庭湖地區(qū)；另一支起源于南海附近經由中南半島地區(qū)輸送水汽。太平洋水汽輸送主要起源于菲律賓，輸送軌跡相對較少。從各源地水汽輸送貢獻來看（圖4b），歐亞地區(qū)和局部地區(qū)的北方源地的沒有水汽輸送，主要輸送源地為南方的海洋源地，包括印度洋、孟加拉灣—南海、太平洋地區(qū)。從圖4c可以看到，印度洋水汽為最重要的水汽輸送源地，濕（干）空氣輸送貢獻達70.1%（73.6%），其次是孟加拉灣—南海，占20.0%（16.6%），再次是太平洋地區(qū)9.9%（9.8%）。

2.2.2 動力條件

圖4 水汽源地劃分（a）、強降水時段水汽輸送軌跡（b）、各源地水汽輸送貢獻（c）Fig. 4 Classification of water vapor source (a), trajectory of water vapor transport during heavy precipitation (b), and contribution of each source to water vapor transport (c)

高低空急流是暴雨發(fā)生、發(fā)展最重要的大尺度動力環(huán)境因素，特別是低空急流作為一種動量、熱量和水汽的高度集中帶，被認為是給中緯度暴雨提供水汽和動量的最重要的機制。本文基于汨羅站對應經度113.1°E作各層風速時間—緯度剖面圖（圖5）分析此次過程發(fā)現，這次過程中高低空急流耦合明顯，從200 hPa（圖5a）看，高空急流表現為前期強度偏弱，后期增強，對應南亞高壓脊線（偏西風位置）有所南征，同樣具有兩次急流顯著加強過程，最大急流風速達18 m/s。700 hPa同樣具有兩次急流加強過程，但前一次明顯較后一次位置偏北，強度更強，這與前一次降水更強相對應。不難發(fā)現，暴雨發(fā)生區(qū)域在切變線南側，急流軸左側，具有顯著的梅雨特征。從同一時段汨羅站逐小時降雨量（圖1b）可以發(fā)現，對應兩次西南急流的加強，洞庭地區(qū)也有兩次較強的降雨過程，汨羅站最強小時降雨量達55.7 mm/h（6月30日06—07時）。7月1日20時隨著急流減弱南壓，雨勢減弱，雨帶南壓。

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輻合有關。本文選取了汨羅站（28.9°N，113.1°E）分別做垂直速度、散度的時間—垂直剖面圖（圖6）。從垂直速度來看，同樣存在兩次較強的上升速度區(qū)（對應著兩次強降水階段），最大超過2 Pa/s。另外從散度時間—垂直剖面圖第一階段（6月29日20時至30日上午）中低層為負值區(qū)，以輻合為主，輻合層高度延伸至300 hPa，300 hPa以上高層為強輻散。從第二階段（6月30日晚上至7月1日白天）來看，7月1日凌晨存在低層（850 hPa以下）輻合強烈發(fā)展，但在400 hPa與700 hPa之間轉為正值區(qū)，對應輻散。這種低層輻合配合高層輻散有利于垂直運動的維持和加強進而觸發(fā)強降水的發(fā)生。移，洞庭湖區(qū)整個過程處于高空急流入口處右側，高空輻散條件較好且持續(xù)時間長。此外中低空急流的演變對暴雨的發(fā)展有明顯影響。從850 hPa（圖5c）可以發(fā)現，6月29日20時—7月1日20時江南有兩次明顯的西南氣流發(fā)展加強的過程，大值區(qū)超過20 m/s西南急流（最大風速出現在6月30日清晨和7月1日上午），而且西南氣流加強的同時伴有偏東風轉東風偏北氣流，氣流輻合區(qū)位于暴雨區(qū)北側，形成較強的暖式切變線，從而引起切變線南側、急流北側區(qū)域（強降水落區(qū)）的輻合增強。925 hPa急流發(fā)展也具有相同特

2.2.3 熱力條件

選取了洞庭湖區(qū)鄰近探空站點長沙站（黃花站）。分析6月29日20時T-logp圖（圖略）可以發(fā)現，LCL（抬升凝結高度）至0 ℃較為深厚，說明暖云層深厚，有利于形成高效率降水。其CAPE呈細長分布對應K指數為39 ℃，SI指數為-1.31 ℃，有利于短時降水的發(fā)生。6月30日08時雖然CAPE值減小，但由于低層急流加強，濕空氣的強烈輸送，增強中低層不穩(wěn)定能量和水汽累積，加強位勢不穩(wěn)定，對應K指數和SI指數增大，有利于降水維持，對應實況6月30日上午降水持續(xù)。6月30日20時，925 hPa至近地面旺盛暖濕氣流輸送形成低層逆溫，且形成一定大小CIN（195.9 J·kg-1），有利于低層的水汽和能量的積蓄。對應K指數和SI指數條件較好，有利于夜間降水增強。7月1日08時K指數為36 ℃，其他指數條件轉差，上午急流再次增強，對應白天CAPE增大至809.5 J·kg-1，降水在白天再次發(fā)展。隨著副高南落，急流南壓，能量和水汽轉弱，對應雨帶移出洞庭湖區(qū)。

2.3 中尺度特征分析

圖5 2017年6月28日08時至7月3日02時沿著113.1°E風場：（a）200，（b）700，（c）850，（d）925 hPa時間—緯度圖Fig. 5 Time-latitude diagram along the 113.1°E wind field: (a) 200, (b) 700, (c) 850, and (d) 925 hPa from 08:00 BT 28 June to 02:00 BT July 2017

圖6 2017年6月28日08時至7月3日02時汨羅站垂直速度（a，單位：Pa·s-1）、散度（b，單位：10-4 s-1）時間—垂直剖面圖Fig. 6 Time-vertical profile of vertical velocity(a, unit: Pa·s-1) and divergence (b: unit: 10-4·s-1) at Miluo Station from 08:00 BT 28 June to 02:00 BT July 2017

6月30日06—07時，洞庭湖區(qū)東部小時雨強達到50 mm/h以上的區(qū)域自動站18個，其中大于80 mm/h達5站，最大98.6 mm/h。從長沙雷達組合反射率因子來看（圖7），強回波總體呈東北—西南的帶狀分布，其移動方向和帶狀回波的走向夾角很小，利于維持較長的降水時間，最強回波在50～55 dBz。從0.5°徑向速度來看，06時12分（圖7c），在岳陽南部的湘陰和汨羅地區(qū)0.9 km高度（折角處）上存在一個東北—西南向的中尺度輻合性風切變，強降水回波（45 dBz以上）主要位于風切變以北的負速度一側，中低空急流強盛且穩(wěn)定維持，為短時暴雨提供豐富水汽。另外其以下0 m/s速度線呈S型，即為暖平流，有利于增強不穩(wěn)定層結，這與6月30日清晨急流旺盛發(fā)展有關；06時35分，風切變逐漸演化為輻合性的負速度逆風區(qū)，強降水回波主要位于逆風區(qū)，20 m/s以上的西南急流向下延展到0.7 km高度，此時伴有地面大風，超低空急流得到進一步增強；06時59分，負速度逆風區(qū)演化為正速度風場里的弱速度區(qū)（10 m/s以下），強降水回波主要位于弱速度區(qū)內，超低空西南急流減弱到15 m/s左右，1.5 km以下0 m/s速度線負速度區(qū)域大于正速度區(qū)域，為低層輻合流場。

分析暴雨區(qū)垂直剖面圖發(fā)現（圖8a），強回波中多個對流單體呈線形排列，此次降水過程為低質心強回波造成，其降水效率高，雨強大。在有利的天氣系統(tǒng)與中尺度天氣條件下，強回波中多個對流單體呈線

圖7 2017年6月30日06— 07時雷達基本反射率（a，b，c）和基本速度（d，e，f）圖（黃色實線為剖面線）Fig. 7 Radar basic reflectance (a, b, c) and basic velocity (d, e, f) map from 06:00 BT to 07:00 BT June 30 2017. Solid yellow line represents the section line

形排列，回波在長沙雷達站西北偏北地區(qū)（湘陰、汨羅和平江）生成，在500 hPa引導氣流的作用下，回波向偏東方向移動，并不斷有新生風暴，受其影響形成“列車效應”。從速度圖剖面圖上（圖8b）來看，強回波區(qū)對應速度圖剖面上存在顯著逆風區(qū)，從底層一直延伸到4 km上。該逆風區(qū)導致湘陰、汨羅短時強降雨（18站＞50 mm，06—07時），可見逆風區(qū)的存在與強降水的發(fā)生和維持密切相關。

3 結論

1）暴雨發(fā)生區(qū)域在切變線南側，急流軸左側。副高穩(wěn)定維持，有利于高低空急流耦合于長期洞庭湖區(qū)上空，此外高空槽波動，中低層低渦及其切變線發(fā)展，有利于暖濕氣流沿著切變線輻合抬升形成持續(xù)性暴雨天氣。

圖8 2017年7月1日06時23分強降水發(fā)生時對應基本反射率（a）和速度（b）的剖面圖Fig. 8 Section diagram of the corresponding basic emissivity (a) and velocity (b) diagram when heavy precipitation occurred at 06:23 BT 1 July 2017

2）從水汽條件來看，此次過程中印度洋水汽為最重要水汽輸送源地，其次是孟加拉灣—南海、太平洋地區(qū)。850 hPa水汽通量增強（減弱）對強降水來臨（結束）具有較好指示意義，此外水汽強輻合帶（中心）對暴雨落區(qū)有較好對應關系。

3）中低空急流的演變對暴雨的發(fā)展有明顯影響，中低層西南氣流加強具有兩次急流顯著加強過程，對應兩次強降水時段。高層洞庭湖處于南亞高壓脊線附近，高空輻散條件較好且持續(xù)時間長。低空急流強度演變、垂直上升運動和輻合輻散配置與降水變化有較好的對應關系。

4）混合降水回波維持的時間長，強回波因子對降水貢獻大。列車效應導致了強降水的形成，強降水落區(qū)的形成與列車效應的存在及其維持時間有密切關系。逆風區(qū)和急流的長時間維持與強降雨發(fā)生和維持密切相關。