楊云蕓 劉紅武 蘇濤胡燕鐘聲 王曉雷

(1 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410118; 2 湖南省氣象臺(tái),長沙 410118；3 湖南省新邵縣氣象局,新邵 410007)

引言

一直以來受地形和氣候條件的共同影響，暴雨是湖南省的主要災(zāi)害性天氣，暴雨日數(shù)多、主汛期時(shí)間長是湖南雨季的主要特點(diǎn)。特別是在城市化進(jìn)程的加快和地球不斷變暖的共同作用下，極端性的強(qiáng)降水次數(shù)頻發(fā)而且強(qiáng)度有所增加[1-4]。有學(xué)者指出極端降水造成的洪澇災(zāi)害已對中國各大城市造成了嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響，并就如何應(yīng)對提出了相應(yīng)的措施[5]。隨著衛(wèi)星、雷達(dá)各類產(chǎn)品越來越多地應(yīng)用到識(shí)別降水云團(tuán)和預(yù)判降水量的領(lǐng)域中，對強(qiáng)降雨的發(fā)展和雨帶移動(dòng)的深入分析提供了有效支撐[6-8]。如萬曉敏[9]等通過對風(fēng)云衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)資料的模擬評估，衛(wèi)星資料對強(qiáng)降水落區(qū)及強(qiáng)度有一定的指導(dǎo)意義。蘇愛芳[10]等指出風(fēng)云衛(wèi)星、雷達(dá)等可以對不同性質(zhì)和發(fā)展階段的暴雨云團(tuán)有指示作用。張雅斌[11]等指出TBB中心與3 h正變壓有較好對應(yīng)關(guān)系，暴雨多集中于對流云團(tuán)之間TBB梯度大值區(qū)。我國不少氣象學(xué)者針對中國不同區(qū)域強(qiáng)降水天氣發(fā)生的天氣尺度環(huán)流特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和總結(jié)[12-16]。蔡榮輝[17]等指出湖南致洪暴雨降水的階段性特征受水汽通量、比濕等物理量的水平及垂直分布影響。陳紅專[18]等通過對湖南盛夏一次暴雨過程研究分析得知持續(xù)性暴雨的發(fā)生發(fā)展需要各系統(tǒng)有效配置和穩(wěn)定維持，特別是水汽及低空急流。

但是目前針對多影響系統(tǒng)的強(qiáng)降水過程的研究相對較少，為加強(qiáng)湖南汛期強(qiáng)降水發(fā)生機(jī)理的研究，本文運(yùn)用多種觀測和再分析資料對湖南2019年6月6—10日強(qiáng)降水過程進(jìn)行深入分析研究，探究多系統(tǒng)影響下強(qiáng)降水過程特點(diǎn)、形成機(jī)理，希望為今后湖南汛期強(qiáng)降水的預(yù)警預(yù)報(bào)提供一定的參考。

1 資料與方法

本文采用2019年6月6—10日常規(guī)高空、地面氣象資料、湖南區(qū)域自動(dòng)站資料、雷達(dá)產(chǎn)品及衛(wèi)星資料及每天4次的1°×1°的NCEP/NCAR再分析資料，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對湖南省降水情況進(jìn)行分析，揭示了此次過程的降水分布和災(zāi)情實(shí)況；利用天氣學(xué)診斷方法對溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素進(jìn)行討論，揭示出此次降水特征分布；利用雷達(dá)、衛(wèi)星等高分辨率資料探討中尺度云團(tuán)的演變情況和過程的對流性特征；通過對螺旋度、位渦、鋒生函數(shù)等物理量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合有效位能、抬升指數(shù)等對流潛勢指數(shù)綜合分析強(qiáng)降水過程的動(dòng)力、熱力條件。

2 天氣過程及災(zāi)情實(shí)況

2019年6月6—10日的湖南強(qiáng)降水天氣過程，具有持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、累計(jì)雨量大、降雨強(qiáng)度強(qiáng)等特點(diǎn)(圖1)。除湘西北外，全省大部分雨量超過50 mm，共有583個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過100 mm，30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過200 mm，最大為株洲市茶陵縣嚴(yán)塘鎮(zhèn)的304.3 mm。過程期間每天均有站點(diǎn)達(dá)到暴雨和大暴雨(圖2)，其中8日暴雨多達(dá)576站次，最大日雨量為9日08:00至10日08:00永州市江永縣瓦扎灣的233.4 mm，6日17時(shí)邵陽隆回高坪的最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)86.1 mm，東安6月9日1 d降水量161.4 mm，突破歷史極值。截止6月11日，據(jù)湖南省應(yīng)急廳救災(zāi)保障處統(tǒng)計(jì)強(qiáng)降水帶來直接經(jīng)濟(jì)損失8.4億元。

圖1 湖南省2019年6月6日08:00至10日08:00累計(jì)降雨量實(shí)況

圖2 湖南省2019年6月6—9日逐日暴雨、大暴雨站數(shù)

3 降雨大尺度環(huán)流背景分析

本次強(qiáng)降水過程500 hPa是兩槽一脊的單阻形勢(圖3)，兩低壓槽位于烏拉爾山西側(cè)的東歐平原及我國東北，高壓脊位于巴爾喀什湖和貝加爾湖之間。烏山西部低槽后有-20 ℃冷中心，在冷平流的作用下不斷加深東移，同時(shí)兩湖之間高壓脊在暴雨過程發(fā)生期間(6—10日)不斷加強(qiáng)發(fā)展且平均正距平達(dá)60～80 gpm。8—9日降雨最強(qiáng)時(shí)段脊內(nèi)正距平最大達(dá)100 gpm以上，脊前東北低渦也在此時(shí)達(dá)最大負(fù)距平(60～80 gpm)，低渦旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其尾部冷高壓南下與暖濕氣流交匯造成湖南強(qiáng)降雨。整個(gè)強(qiáng)降水主要分為暖區(qū)暴雨、中層冷平流入侵暴雨、鋒面暴雨3個(gè)階段。

圖3 2019年6月6—10日500 hPa高度場和距平場(a),7日500 hPa高度場和距平場(b)(黑色實(shí)線為500 hPa位勢高度場等值線，紅色為氣候平均值，單位：gpm，間隔4 gpm；色斑為500 hPa位勢高度距平場)

第1階段：7日20:00中高緯歐亞長波槽脊位置偏北、發(fā)展較慢，而洋面上副高呈東西帶狀分布，西脊點(diǎn)位于95°E，較歷年同期偏西24個(gè)經(jīng)度，5880 gpm 線北界至25°N ，比歷年同期偏北5個(gè)緯度。東移時(shí)槽前正渦度平流與副高5880 gpm邊緣暖濕氣流相遇，從而加大大氣不穩(wěn)定度。湖南處于200 hPa急流出口區(qū)右側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)內(nèi)和700 hPa低空急流北側(cè)輻合區(qū)內(nèi)，有利于強(qiáng)降雨發(fā)生。7日20:00 地面低壓倒槽發(fā)展旺盛，輻合線在中南部地區(qū)擺動(dòng)，強(qiáng)降雨主要發(fā)生在925 hPa切變線以南、西南急流出口處及輻合線東側(cè)最不穩(wěn)定區(qū)域，符合典型的暖區(qū)暴雨形勢。

第2階段：強(qiáng)降雨從8日開始發(fā)展，雨區(qū)范圍擴(kuò)大至全省，共出現(xiàn)了15個(gè)國家站次的暴雨、3站次大暴雨。8日20:00中高緯槽脊明顯加強(qiáng)發(fā)展，東北低渦加強(qiáng)，低槽向西側(cè)傾斜使環(huán)流經(jīng)向度加大，尾部旋轉(zhuǎn)帶下的冷高壓南下。副高南撤至洋面上，中低緯低槽逐漸東出，槽前正渦度平流加強(qiáng)了湘中及以南的輻合上升運(yùn)動(dòng)。700 hPa西南急流位于湘南，最大風(fēng)速12 m/s。850 hPa從08:00—20:00維持雙低渦切變，其南側(cè)暖濕氣流加大了熱力不穩(wěn)定度，而北側(cè)有偏東北冷平流從洞庭湖侵入。925 hPa切變線與地面輻合線位置接近重合，維持在湘東—湘西南且略有擺動(dòng)，動(dòng)力、熱力條件的配合有利于強(qiáng)降水出現(xiàn)。8日20:00最大正變壓中心位于湘西一帶，9日02:00南移至湘西南，9日08:00東移至湘東南地區(qū)，最大值超過2.4 hPa，與強(qiáng)降水落區(qū)十分吻合，對預(yù)報(bào)暴雨具有較好指示意義。

第3階段：9日20:00隨著東北冷渦逐漸入海，長江中下游及以南大部分地區(qū)處于槽后西北氣流中。湖南中南部仍處于700 hPa雙低渦切變東南側(cè)，為低層暖濕中層干冷的不穩(wěn)定層結(jié)，前傾槽使系統(tǒng)斜壓性加強(qiáng)，有利于對流性強(qiáng)降雨發(fā)生。冷鋒于10日凌晨壓至湘東南，對流性降水逐漸轉(zhuǎn)為鋒面暴雨。隨著東北冷渦主體入海，副高明顯南撤至洋面，全省大部分地區(qū)處于槽后西北氣流控制中，過程基本結(jié)束。

4 雷達(dá)特征分析

2019年6月8日晚湘西南出現(xiàn)了區(qū)域性大暴雨，分析發(fā)現(xiàn)列車效應(yīng)特征明顯，回波帶成東西向(圖4a)，強(qiáng)回波中心達(dá)45 dBz以上。強(qiáng)回波中心西南側(cè)有新回波持續(xù)觸發(fā)生成，東移為主緩慢南壓，且回波帶的走向和引導(dǎo)氣流的夾角較小，造成南壓的速度緩慢。

從對應(yīng)0.5°仰角速度圖上(圖4b)可知第一個(gè)距離圈內(nèi)負(fù)速度的面積大于正速度，表征了明顯的輻合風(fēng)場，中低層有利的輻合使得回波帶穩(wěn)定維持。抬高仰角到3.4°(圖5a)有以準(zhǔn)西風(fēng)為主的明顯正負(fù)速度大值區(qū)(約4.5 km)。結(jié)合VWP資料(圖5b)，5.5 km左右(紅色方框)為偏西風(fēng)主，近地面為偏北風(fēng)，1.5～5.5 km以上為西南風(fēng)，表明底層有弱冷空氣侵入造成了風(fēng)向的順轉(zhuǎn)，垂直風(fēng)切變使得回波具有一定的對流性。從對應(yīng)的垂直剖面(圖略)可知強(qiáng)回波具有一定的低質(zhì)心特征(40 dBz明顯低于0 ℃層高度)，因此降水效率非常高，導(dǎo)致了邵陽局地大暴雨。

圖4 2019年6月8日21:30邵陽組合反射率因子(a)、0.5°仰角徑向速度圖(b)

圖5 2019年6月8日21:30 邵陽4.3°仰角徑向速度圖(a)、20：01—21：00VWP圖(b)

5 雨團(tuán)與云團(tuán)分析

從2019年6月6日衛(wèi)星資料分析，降雨云團(tuán)主要從午后在湖南境內(nèi)生成與發(fā)展，主要為分散塊狀對流云，然后東移并緩慢南壓移出湖南省，強(qiáng)降雨位于湘北。7日切變線仍然位于湘北，但貴州西部有低渦存在，午后到傍晚對流云團(tuán)在湘南生成發(fā)展，夜間東移出湖南。與此同時(shí)，傍晚在貴州西部低渦位置觸發(fā)有新生云團(tuán)，在緩慢東移過程中不斷發(fā)展壯大，約在8日04:00發(fā)展為MCC(圖6a)，其云團(tuán)東部開始影響湘西，但進(jìn)入湘西后MCC減弱為切變云系。8日08:00，-52 ℃區(qū)域變成“人”字形，造成湘西局地大暴雨，8日15:00在湘中重新發(fā)展，云頂TBB小于-52 ℃區(qū)域迅速增大， 東移至與江西交界處時(shí)，發(fā)展極為旺盛并重新成為MCC結(jié)構(gòu)(圖6b)。隨著MCC東移至江西，其尾部在湘中又有對流云團(tuán)新生，為切變云系。8日20:00，貴州南部觸發(fā)有兩個(gè)對流云團(tuán)，在東移發(fā)展過程中合并組織化為MCC(圖6c)影響湘西南，并與湖南境內(nèi)的切變云系相互反饋后經(jīng)歷發(fā)展變形合并，9日08:00又重新演變?yōu)橐粋€(gè)MCC云圖(圖6d)，造成05:00—08:00湘西南有10站次超過100 mm的大暴雨?？梢娫谧顝?qiáng)降雨時(shí)段，強(qiáng)降雨均是由MCC所造成的。

圖6 2019年6月8日04:00(a)、8日20:00(b)、9日02:00(c)和9日08:00(d)的紅外云圖

6 環(huán)境場條件分析

6.1 動(dòng)力條件

從物理量經(jīng)向剖面(圖7a)可以看出，較強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)(9日08:00)，湘中(27°N附近)有一個(gè)深厚的垂直運(yùn)動(dòng)區(qū)，強(qiáng)上升中心超過3.5×10-2m·s-1位于700～600 hPa附近，1×10-2m·s-1以上的顯著上升區(qū)主要在湖南境內(nèi)。同時(shí)有合適散度場與之配合，29°N以南700 hPa以下存在低層輻合，400 hPa以上有輻散中心，中間則表現(xiàn)為弱輻合輻散區(qū)。散度場空間分布和垂直速度對應(yīng)較好， 強(qiáng)上升中心與無輻散層相對明顯。將物理量進(jìn)行區(qū)域平均，得出湖南區(qū)域平均垂直速度和散度隨時(shí)間的變化(圖7b)，揭示出了有利抬升條件出現(xiàn)的時(shí)間主要在8—9日，說明低層輻合、高層輻散的環(huán)流配置為暴雨的發(fā)生創(chuàng)造了較好的動(dòng)力背景場。

圖7 2019年6月9日08:00垂直速度和散度經(jīng)向剖面(a),2019年6月6—11日垂直速度和散度時(shí)間剖面(b)(陰影：垂直速度，等值線：散度，單位：10-5·s-1)

從螺旋度和流場的分布(圖8a)可知，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)環(huán)流結(jié)構(gòu)較為清晰，850 hPa以下偏南氣流十分強(qiáng)盛，與北側(cè)偏北擾動(dòng)相遇于28°N以南地區(qū)，輻合線位置隨高度基本不變并伸展到600 hPa，造成強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，形成顯著次級環(huán)流。螺旋度的分布表現(xiàn)是低層有最大值超過2×10-6m·s-2的正螺旋度中心，高層是負(fù)中心，對應(yīng)著向上伸展的垂直運(yùn)動(dòng)和高低層有利的渦旋運(yùn)動(dòng)。位渦分布圖(圖8b)顯示，位渦異常區(qū)主要位于福建—廣西一帶，與此次過程的降雨帶重點(diǎn)覆蓋區(qū)域相對應(yīng)。湖南的大部表現(xiàn)為大于1 PVU(1 PVU=106m2·K·s-1·kg-1下同)的位渦分布，為當(dāng)?shù)氐膹?qiáng)降水提供了有利的條件和環(huán)境。

圖8 2019年6月9日08:00垂直螺旋度(陰影)和流場(W×100)經(jīng)向剖面(a),低層位渦分布(b)

通過以上討論可知西南低空急流是低層輻合的關(guān)鍵因子，其輸送的暖濕氣流使得華南地區(qū)存在低渦異常。除了低空急流，冷空氣也對此次強(qiáng)降水過程起到了重要作用，從南北溫差(圖9a)看出8日上午有一正溫差中心，表明南北溫差加大，已經(jīng)有冷空氣開始影響湘北地區(qū)。9日白天轉(zhuǎn)換為負(fù)溫差中心，意味著冷空氣逐漸南下開始影響湘南地區(qū)。溫差的剖面圖清楚地顯示了8—9日冷空氣南下影響湖南的過程，溫差中線主要存在于850 hPa以下，說明冷空氣相對淺薄主要影響低層。

圖9 2019年6月7—11日08:00南北溫差時(shí)間剖面(a),2019年6月9日08:00低層水平鋒生函數(shù)分布(b)

6.2 水汽條件

水汽源匯和動(dòng)力輸送是約束水汽循環(huán)、影響水汽分布的有效機(jī)制，在夏季風(fēng)作用下湖南夏半年通常具有較好的水汽條件。水汽通量散度(圖10a)也能看出湘中地區(qū)存在明顯的水汽輻合，表示該區(qū)域內(nèi)有水汽匯合和聚集，比濕達(dá)14 g·kg-1左右表征絕對濕度條件較好。水汽演變(圖10b)則可以看出水汽通量散度中心和比濕脊重合在8—9日，為該時(shí)段的強(qiáng)降水提供了條件。

圖10 2019年6月9日08:00水汽通量散度(陰影)和比濕(等值線，單位：g·kg-1)分布(a),2019年6月6—11日水汽通量散度(陰影)和比濕(等值線，單位：g·kg-1)時(shí)間剖面(b)

6.3 熱力條件

大氣的熱力特征和不穩(wěn)定能量關(guān)系著強(qiáng)降水的維持，層結(jié)狀況和能量分布決定了對流是否能夠自主發(fā)展，對強(qiáng)降水的發(fā)生強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間有較好的指示作用。

8日20:00對流有效位能相對較大(圖11a)，湖南空間上為北低南高，南部最大值超過1500 J·kg-1。從區(qū)域平均的演變情況(圖11b)來看，前期不穩(wěn)定能量相對較大，因聚集的能量前期未過多釋放，8日白天不穩(wěn)定能量累積達(dá)到最大，區(qū)域平均值超過700 J·kg-1。隨著強(qiáng)降水的發(fā)生使得能量迅速釋放并在9日夜間降到300 J·kg-1以下，難以繼續(xù)維持強(qiáng)降水活動(dòng)，意味著強(qiáng)降水事件趨于結(jié)束。

圖11 2019年6月8日20:00對流有效位能CAPE分布(a),2019年6月6—11日湖南區(qū)域?qū)α饔行荒蹸APE隨時(shí)間演變(b)

8日20:00的抬升指數(shù)(圖12a)顯示湖南存在兩個(gè)負(fù)值中心，湘中地區(qū)尤為顯著，中心值小于-4 K，標(biāo)志著該區(qū)域?qū)咏Y(jié)相對不穩(wěn)定，且蘊(yùn)含著較大的能量。區(qū)域平均的演變情況(圖12b)顯示抬升指數(shù)在8—9日為波谷，8日白天表現(xiàn)最低且小于-3.5 K，抬升指數(shù)的變化趨勢也與降水狀態(tài)相對應(yīng)。

圖12 2019年6月8日20:00抬升指數(shù)LI分布(a),2019年6月6—11日湖南區(qū)域抬升指數(shù)LI隨時(shí)間演變(b)

7 結(jié)論與討論

(1)2019年6月6—10日的降水過程影響系統(tǒng)復(fù)雜多變，先后為地面暖低壓倒槽發(fā)展為暖切變線所造成的暖區(qū)降水，中層冷平流入侵的暴雨、低槽東出引導(dǎo)低層冷空氣分裂南下所造成的冷鋒暴雨。

(2)強(qiáng)降水過程中散度場的高低空分布與垂直速度對應(yīng)較好，強(qiáng)上升中心基本位于無輻散層附近。強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)環(huán)流結(jié)構(gòu)清晰，低緯偏南氣流與北側(cè)偏北擾動(dòng)相互作用，造成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，形成顯著次級環(huán)流。

(3)本次強(qiáng)降水過程中先后有多個(gè)對流云團(tuán)在湖南境內(nèi)發(fā)展、合并，且對流云團(tuán)的移動(dòng)路徑與雨帶位置的擺動(dòng)對應(yīng)性較好。特別是在最強(qiáng)降雨時(shí)段有“人”字形切變云系的形成，并且在移動(dòng)和發(fā)展過程中不斷有新的對流云團(tuán)經(jīng)歷初生和成熟階段，對流云的合并是造成強(qiáng)降水的重要因素之一。

(4)從雷達(dá)分析可知，本次降水過程中強(qiáng)回波中心達(dá)45 dBz，且40 dBz明顯低于0 ℃層高度具有低質(zhì)心降水特征，列車效應(yīng)明顯，南壓緩慢造成局地強(qiáng)降水。