2015年6月湖南一次暴雨天气过程分析

欧阳小娟

(南京信息工程大学继续教育学院大气科学系，江苏南京 210044)



2015年6月湖南一次暴雨天气过程分析

欧阳小娟

(南京信息工程大学继续教育学院大气科学系，江苏南京 210044)

湖南是暴雨较为频发的地区，暴雨天气过程较多，对2015年6月湖南省的一次暴雨天气过程进行分析，以明确该次暴雨天气过程的特点。此次暴雨天气过程前期降水强，后期减弱南压，主要是受高空南支槽和中低层切变影响，地面有弱冷空气侵入地面倒槽之中，冷暖空气交汇，是一次较为典型的低涡冷槽型暴雨天气过程。高空急流与中低层急流通过强烈的垂直运动互相促进，急流的加强不断输送水汽，在湖南地区建立了持续的水汽通道，暴雨区域假相当位温等值线密集，有利于形成明显的深厚湿对流环境场，促进暴雨的形成和持续发展；在600～1 000 hPa，假相当位温都随高度升高而减小，表明该地上空为对流不稳定区域，K指数及不稳定能量都较大，低层辐合抬升，触发不稳定能量释放，形成多个连续的对流云团不断东移，有利于暴雨的维持和发展，从而造成了该次大范围的暴雨天气过程。

水汽；切变线；对流云团；湖南省

1　暴雨过程概述

暴雨产生的洪水时常造成中小河流水位上涨、山塘水库垮塌、农田毁坏、 公路交通受阻，很容易诱发山洪、泥石流等地质灾害，每年因暴雨及其引发的次生灾害造成国家社会经济和人民生命财产的损失都非常巨大[1]。暴雨是我国淡水资源的重要来源之一，它带来的充沛降水对于工农业生产生活及生态系统的平衡是不可或缺的。湖南属于亚热带地区，处于东亚季风气候区的北侧，湖南特殊的地形特点并且离太平洋较为靠近，境内大部分地区为山地和丘陵，地形起伏，两侧为较大山系，形成喇叭口地形，有利于北方冷空气进入，湖南天气既有大陆性气候的冷空气频繁、日照丰富，又有海洋性气候的台风活动多、降雨旺盛，因此，湖南每年都会发生大范围暴雨天气过程，造成洪涝灾害的损失也是巨大的[2]。据资料统计，湖南省平均每年暴雨洪涝受灾面积达40万hm2，成灾面积在20万hm2以上。每年 4月份之后，随着季风活动增强，湖南雨水开始迅速增多，通常将4～9月称为汛期，进入汛期后，阴雨天数多，较大范围大雨、暴雨频繁发生。 2015年6月份，湖南省降雨较多，共出现了多次大范围区域性暴雨天气过程，全省6月份累计降雨量平均为236 mm，高于历史同期，局地最大累积雨量达500 mm左右(图1)。

图1　湖南省2015年6月1日8：00～6月30日8：00累计降雨量Fig.1　Cumulative precipitation in Hunan Province on 8：00 from June 1 to 30，2015

1.1过程特点2015年6月6～8日，全省平均降雨量为45.5 mm，主要的强降雨集中在湘中及偏北地区，7日强降雨落区位于湘中以北地区，出现了成片的暴雨区，气象站最大24 h雨强为113.8 mm(桃源)，8日暴雨区位于湘中(图2)。据中小尺度自动站统计，全省特大暴雨(>200 mm)站点3个，大暴雨(100.0～199.9 mm)站点189个，暴雨(50.0～99.9 mm)站点1 038个。洪江托口单日降雨量最大达227.2 mm(7日8:00～8日8:00)。

图2　湖南省2015年6月6～8日过程降雨量实况Fig.2　Actual situation of rainfall in Hunan Province from June 6 to 8，2015

1.2过程灾情该次过程共造成长沙、湘潭、常德、益阳、岳阳等地区共147.10万人受灾，山体滑坡2处，3.80万人紧急转移安置，2.62万余人需紧急生活救助；1 700余间房屋倒塌，7 600余间不同程度损坏；农作物受灾面积9.45万hm2，其中绝收0.85万hm2；直接经济损失10.4亿元。怀化、张家界、常德、岳阳、邵阳、娄底等地区重复受灾。

2　天气形势分析

2.1大气环流形势及影响系统此次暴雨天气过程，副高与西风槽分别稳定维持在华南到川渝交界处一带，有利于副高与西风槽之间的西南气流长时间维持，中低层西南低涡是影响此次暴雨天气过程的主要系统。6月7日8：00，500 hPa亚欧大陆中高纬度为纬向环流，乌拉尔山东部有一个冷涡中心，南支槽位于四川贵州一带，湖南中北部处于槽前的西南气流之中；7日20：00，500 hPa南支槽东移，副高北抬；700 hPa切变南压至湘北，850 hPa低涡中心也南压至湖南中北部，切变线位于湖南中部偏北，西南急流形成，位置与700 hPa切变线基本重合，湘东正好位于西南急流出口左侧，高空辐散、低空辐合形成强烈抽吸作用，有利于上升运动的发展。此外，地面冷空气渗透南下，形成冷暖气流的交汇，有利于暴雨的形成和发展。至 8日晚，随着南支槽东移，中低层切变线开始南压至湘南，强雨带随着系统东移南压至湘南，降雨强度也迅速减弱(图3)。

图3　2015年6月7日8：00 500 hPa高度场、850 hPa风场叠加及天气系统配置Fig.3　The 500 hPa height field，850 hPa wind field overlay and weather system configuration on 8：00 of June 7，2015

2.2大气物理量特征场此次暴雨天气过程从水汽条件、动力条件以及热力条件3个方面来看都非常有利，笔者选取相应的物理量场进行分析，探讨物理量变化对暴雨的指示作用，分析此次暴雨天气过程中各物理量对暴雨发生发展的不同作用。

2.2.1水汽条件。水汽是强降水的主要组成成分，只有源源不断的水汽供应才能使得强降水得以发生和持续。影响湖南地区的水汽来源主要有3支：一支来自孟加拉湾的西南水汽输送；另一支来自南海的偏南水汽输送；第三支是西风带的水汽输送[3]。在云贵高原与青藏高原的相互作用下，来源孟加拉湾的水汽很容易在湖南地区聚集，使得该地区的水汽通量出现辐合。

此次暴雨天气过程是6月7日上午从湘西北开始自北向南逐步移动的一次强降雨天气过程，7日晚～8日白天降雨在湘中以北地区达到最强。从8日8：00的水汽通量和水汽通量散度(图4)来看，此次过程的水汽主要是来源自印度孟加拉湾，湖南正好处于水汽输送中心带；同时北部也有冷空气南下，在湘中以北形成南北气流交汇的区域，产生了强烈的水汽辐合，在湘中以北一线形成了明显水汽辐合区，其中在湘西和湘东北有一个较大的水汽辐合中心区存在，2个水汽辐合中心区域的存在使得水汽在强烈的动力抬升条件下，很容易触发不稳定能量并释放，为暴雨的发生发展提供了非常有利的不稳定条件，在后续的12 h内，水汽通量散度的大值区基本维持在湘中以北地区，大部均在-12×10-5g/(cm2·hPa·s)区域内，此时暴雨也主要出现在湘中以北地区。20:00之后，水汽通量大值区快速南压，同时强度减弱，暴雨区域也随之移至湖南南部，随着水汽辐合减弱，降雨强度迅速减弱。因此，来自孟加拉湾较强的西南气流为湖南提供了充足的水汽，保证了暴雨发生和发展所需的水汽条件，该水汽输送带的水汽输送一直维持到8日晚，以后水汽通量散度较之前时段已明显减弱，水汽的辐合也迅速减弱，降水也随之减弱并停止。因此，此次暴雨天气过程水汽主要来自孟加拉湾，形成西南急流向湖南地区输送，湖南水汽输送带的建立为暴雨发展提供了持续的水汽，水汽通量和水汽的辐合中心对暴雨有较好的指示作用，对流层低层水汽输送带的建立和持续为暴雨的发生发展提供了有利的水汽和不稳定条件。

注：图中箭头代表水汽通量，单位：g/(cm·hPa·s)；阴影区代表水汽通量散度，单位：10-7·g/(cm2·hPa·s)叠加。Note：arrow represented water-vapor flux，with the unit of g/(cm·hPa·s)；shadow region was water-vapor flux divergence，with the unit of 10-7·g/(cm2·hPa·s).图4　2015年6月8日8：00 850 hPa水汽通量和水汽通量散度Fig.4　The overlay chart of 850 hPa water-vapor flux and water-vapor flux divergence on 8：00 of June 8，2015

2.2.2动力条件。 动力抬升是暴雨发生发展的触发条件，强的上升运动有利于暴雨天气的发生和持续，可从涡度、散度及急流等物理量特征来分析此次暴雨天气过程的动力触发条件。

7日20：00，整个中低层湖南均处于正涡度区，至500 hPa也为正涡度，到200 hPa为负涡度，这种低层正涡度高层负涡度分布，说明是低层辐合、高层辐散，从而形成强烈的垂直上升运动，有利于暴雨的形成和发展[4]，随后中低层正涡度增大，最大值约为13×10-5/s，大值区域有所南移，暴雨区域也随之南压到湘中一带。此次暴雨天气过程均出现了强的正涡度，正涡度中心出现的位置、时间同暴雨出现的地区、时间比较一致，正涡度强弱变化的区域和暴雨发生发展区域也非常一致，并且涡度发生发展到最强和降水的发生发展到最强也是较为一致的，暴雨发生的时段和强弱同涡度大小有着很好的对应关系，此次暴雨天气过程中，高层负涡度、低层正涡度的配置是非常有利于垂直上升运动的发展(图5)。

图5　2015年6月7日20：00 200(a)、850 hPa(b)涡度场Fig.5　Vorficity fields of 200(a)and 850 hPa(b)on 20：00 of June 7，2015

从散度场来看，7日20：00低层存在强烈的辐合，中心位于湘中以北区域，因此，低层大气辐合，高层大气的强烈辐散，有利于垂直运动的发展，促进暴雨的发生和持续发展(图6)。

图6　2015年6月7日20：00 200(a)、850 hPa(b)散度场Fig.6　The 200(a)and 850 hPa(b)divergence fields on 20：00 of June 7，2015

研究和实践都表明，高低空急流是暴雨发生、发展最重要的大尺度动力环境因素，特别是高低空急流作为一种动量、热量和水汽的高度集中带，被认为是给中纬度暴雨提供水汽和动量的最重要的机制[5-6]。分析此次湖南暴雨过程发现，这次暴雨过程中，高中低空急流对暴雨的发展影响也是非常大的。湖南暴雨区一般是发生在高空急流右侧和低空急流的左侧[6]，低空急流带来大量南方的暖湿空气，在暴雨区低空形成强的水汽输送带。在此次暴雨天气过程中，从200 hPa高空急流和850 hPa低空急流综合图(图7)来看，8日高空已经形成的急流轴，也就是高空急流核，最大风速在40 m/s以上，高空急流主要形成强烈辐散作用[7]，从低空急流来看，8日低空急流风速一般大于13 m/s，其两侧有很强的水平风速切变[7]，最大达16 m/s，低空急流在暴雨的形成和发展过程中不断输送水汽，为暴雨的发生发展创造了有利条件。此次暴雨天气过程中，暴雨发生区域正好位于高空急流的右侧及低空急流的左侧，因此暴雨得以发生并持续发展。

注：蓝色虚线，等值线间隔为5，风速≥24 m/s；红色实线，等值线间隔为2，风速≥13 m/s。Note：As for the blue dash line，isoline interval was 5，wind speed ≥24 m/s.As for the red solid line，isoline interval was 2，wind speed ≥ 13 m/s.图7　2015年6月8日8：00(a)、20：00(b)200 hPa高空急流和850 hPa的低空急流叠加Fig.7　The 200 hPa upper-level jet stream and 850 hPa low level jet stream on 08：00(a)and 20：00(b)of June 8，2015

综上所述，此次过程中高层负涡度、正散度，低层正涡度、负散度的高低空配置以及高低空急流也是此次暴雨天气过程得以持续发展的重要原因。

2.2.3热力条件。热力条件是对流性降水发生的有利因子，而系统性的暴雨过程往往是伴随强烈的短时暴雨发生[8]。

从7日20：00长沙站T-lnP图(图8)可以看到，K指数为42 ℃，SI指数为-4.12，不稳定能量非常高，从风随高度的变化来看，700 hPa以下风向为顺时针转动，垂直风切变较大，因此低层增温增湿为主造成的不稳定，极大地促进了暴雨的发生和发展[9，10]。

根据假相当位温θse和垂直速度沿110°E的剖面图(图9)分析，7日θse等值线相当密集，能量锋区较强，中层θse 线向下凹，低层θse线向上凸起，形成类似鞍形的结构形势场[11]，从相应垂直速度来看，7～8日均有负垂直速度的大值区，其中心位于700～850 hPa附近，垂直伸展高度达到300 hPa，这样的鞍形场结构为典型的对流不稳定层结，形成强的垂直运动，从而产生强的对流性天气，有利于暴雨的发生和发展。

图8　2015年6月7日20：00长沙站T-lnPFig.8　The T-lnP of Changsha Station on 20：00 of June 7，2015

注：等值线，单位：K；阴影区，单位：Pa/s。Note： Unit of isoline was K；and unit in shadow area was Pa/s.图9　2015年7日20：00(a)、8日8：00(b)、8日20：00(c)假相当位温和垂直速度沿110°E的经向剖面Fig.9　Meridional cross-sections of potential pseudo-equivalent temperature and vertical speed on 20：00 of June 7(a)，08：00 of June 8(b)and 20：00 of June 8(c)，2015

3　卫星云图

此次暴雨过程一开始是贵州东部有小尺度的对流云团开始形成发展，并沿着副高边缘向东北方向移动进入湖南境内。从红外云图(图10)上可以看到，7日9：00开始，对流云系在湘西、湘北缓慢向东移动，降水范围及强度进一步向东扩大，湘北地区出现大范围的强降水，湘北部分地区出现了暴雨，至14：15，湖南北部强对流云团已经移至湘东北，而湖南西部又有对流云团发展增强，云团自西向东北方向移动，并形成了一个东北—西南向的强对流云带。因此，此次暴雨天气过程，主要是对流云团在移动过程中不断发展并有新的对流云团生成，呈现明显的“列车效应”[12]，促进了湘中以北暴雨的持续发展。

图10　2015年6月7日9：15(a)、14：15(b)FY2D可见光云图Fig.10　The FY2D visible cloud images on 9：15(a)and 14：15(b)of June 7，2015

4　多普勒雷达回波

此次暴雨天气过程，降水前期是积状云与层状云的混合型降水回波，后期是较单一的层状云为主的降水回波，总体上呈现出前期降水集中在湘中以北，后期降水南压至湘南，强度减弱的特征。从多普勒雷达回波(图11)上看，7日20：00湘西有一块混合降水回波向东北移动，强中心达到了45 dBz，该回波移速较快，回波强度大，降水效率高。怀化西部出现强降水回波，回波沿着承载层引导气流向偏东方向移动，辐合线附近不断有回波生成，回波有组织地排列，形成明显的“列车效应”。至8日7：30时，雨带已压至湘中偏北的位置，呈东北—西南向，雨带为以积状云降水为主的混合降水，该降雨带缓慢向东移动，降雨不断增强，“列车效应”明显，因此，“列车效应”也是此次暴雨过程持续发展的重要原因。

图11　2015年6月7日20：00常德(a)和8日7：30长沙(b)雷达组合反射率Fig.11　Radar combination reflectivity in Changde City on 20：00 of June 7(a)and in Changsha City on 7：30 of June 8，2015 (b)

一般而言，反射率因子越大，雨强就越大[13，14]，此次暴雨天气过程中，强回波中有多个对流单体呈线性排列，强回波区域高度较低，从7日 17：00常德雷达回波顶高可以看到(图12)，回波顶高度与暴雨区域也有很好的对应关系，7日湘北回波顶高达到8～10 km，在回波顶高较大的区域，基本都是暴雨发生的区域，8日回波顶高降低，降水强度也随之减弱。

图12　2015年6月7日17：00常德多普勒雷达回波顶高Fig.12　Echo top hight of Doppler radar in Changde City on 17：00 of June 7，2015

从长沙多普勒雷达垂直风廓线产品(图13)可以看出，7日湘中以北地区低层(1.5 km高度以下)已转为偏北气流，表明此时低层有冷空气渗入，湘中以北上空存在明显的北风和西南风垂直切变，强回波带位于娄底、长沙一带，强回波高度在4 km左右。可见，在这次大暴雨过程中，冷空气的入侵[15]对暴雨的发生和持续发展有非常重要的催化剂作用[16，17]。

图13　2015年6月7日长沙多普勒雷达垂直风廓线产品Fig.13　Vertical wind profile products of Doppler radar in Changsha City on June 7，2015

5　数值预报模式在暴雨天气过程的检验分析

数值预报就是在给定初始条件和边界条件的情况下通过数值求解大气运动基本方程组的一种数值模拟，由已知初始时刻的大气状态预报未来时刻未知的大气状态。我国数值天气预报业务经过多年发展，已逐步从引进吸收与自主研发并重转入了自主研发、持续发展的新格局，在国家级初步构建了包括全球和区域模式预报系统、集合预报系统及专业数值预报系统在内的较为完整的数值预报体系。目前，欧洲中心数值预报是我国业务使用主要模式。加强对数值预报模式的检验，能有效提高对数值预报模式的订正能力，从而进一步提高暴雨预报能力。

对6月6～8日暴雨天气过程500 hPa中低纬环流场进行检验分析(图14)，可以发现EC24、48 h模式预报场与实际环流形势场基本一致，预报误差较小。在对高空槽线的预报中，EC模式24 h预报的位置与实况场比较一致。但是在对副热带高压位置和强度的模式预报中，模式与实况存在较大的差异，6～8日过程中，EC模式588线位于我国东部地区，而实况中588线向西延伸到孟加拉湾附近，EC模式预报场相对于实况比较，副高西伸脊点位置偏东，副高强度偏弱，并且随着预报时效的延长，在24、48 h预报中同样也出现了西伸脊点模式预报比实况位置要偏东的现象，即模式预报的副高偏弱。

注：黑线为实况场，蓝线、红线、绿线分别表示24、48、72 h预报。Note：Black line was actual field；blue line，red line and green line were prediction for 24，48 and 72 h，respectively.图14　EC模式6日20：00 500 hPa高度场预报与实况对比Fig.14　Comparison between prediction and actual situation at 500 hPa height field on 20：00 of June 6 under EC mode

对于高空环流低槽系统，EC模式预报稳定性较好，EC模式随时效临近预报强降雨强度逐渐减弱，对于584线低槽的预报情况，24～48 h预报低槽位置基本一致，72 h低槽预报位置较实况偏西。在实际预报中，应当关注模式临近时刻的调整，增加对短时强降雨的预报检验和订正(图15)。

注：黑线表示实况，红线、绿线、蓝线分别表示24、48、72 h预报。Note：Black line was actual situation；red line，green line and blue line were prediction for 24，48 and 72 h，respectively.图15　EC预报7日8:00 500 hPa高度场与实况对比Fig.15　Comparison between actual situation and 500 hPa height field on 8：00 of June 7 by EC prediction

从850 hPa风场6日8：00起预报检验来看(图16)，850 hPa风场切变线实况主要位于湘东北到湘西南南部一线，南侧西南急流最大风速有13 m/s，EC模式24 h预报切变线位置主要在湘西、湘北一线，切变线位置明显比实况偏北，南侧最大风速达14～15 m/s，强度略大于实况。

注：黑色表示实况，红色、绿色、蓝色分别表示24、48、72 h预报。Note：Black line was actual situation；red line，green line and blue line were prediction for 24，48 and 72 h，respectively.图16　EC预报6日8：00 850 hPa风场与实况对比Fig.16　Comparison between actual situation and 850 hPa wind field on 8：00 of June 6 by EC prediction

因此，在高空环流形势场的预报中，EC模式对高空槽线的预报与实况场较为接近，但是在对副热带高压的预报强度与实况有点偏差，对低层风场的预报中，EC模式预报的切变线位置明显比实况较为接近，西南急流强度略大于实况，模式预报的切变位置与实况大致相当，在降水的模式预报中，模式较好地预报出了此次过程暴雨发生的时间和区域，但在暴雨的强度和落区上，和实况相比有一定的偏差。

6　结论

此次暴雨天气过程前期降水强、后期减弱，突发性强，范围广，持续时间长，造成了湖南大范围暴雨的发生。通过以上分析，得出如下结论：

(1)此次持续性暴雨过程是在高空槽、中低层切变线以及地面弱冷空气共同影响下产生的，对流强盛，地面有弱冷空气侵入造成冷暖气流交汇，都符合暴雨形成和发展的主要条件。

(2)充分的水汽条件是暴雨发生和发展的重要条件之一。此次暴雨过程中，湿层深厚，水汽条件充足，并且有冷空气渗入，湖南中北部的水汽辐合与暴雨发生区域和强度有很好的对应关系。

(3)高低层涡度和散度的配置所形成的抽吸作用有利于暴雨的发生和发展。低层正涡度对应的辐合要与高层负涡度对应的辐散有较好的配合，高层正散度与低层负散度的配置促进了垂直运动的发展。

(4)假相当位温、K指数、沙氏指数等与暴雨发生及发展呈显著相关，K指数、沙氏指数已达到湖南出现暴雨的指标条件；红外云图也是明显地表征了对流云团的发生和发展，对流云团的强度变化和移动路径也非常清晰地指示了暴雨发生的时间、强度和移动发展趋势。因此，关注对流云团的发展和移动轨迹也是暴雨预报的重要方法之一。

(5)多普勒雷达产品在短时强降水的监测以及短时临近预报中有重要的指示作用。此次暴雨天气过程中，“列车效应”的出现极大地促进了大范围暴雨的持续，回波顶高能充分反映暴雨强度和落区。因此，充分利用雷达观测资料也是暴雨预报的重要措施之一。

(6)数值预报在暴雨预报中起到了主要的作用，数值预报模式的准确度决定了预报的精准度。此次大范围暴雨天气过程中，整体来说数值预报模式准确度还是较高的，但是由于暴雨发生、发展也带有很多不确定因素，数值模式预报目前还不是很完美，特别是在暴雨精细化预报准确度方面还存在着一定的不确定性。因此，在暴雨预报工作中，要做好数值预报模式与实况的误差分析，并及时作出相应的订正。

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Analysis of a Heavy Rainfall Process in Hunan Province in June 2015

OUYANG Xiao-juan

(Department of Atmospheric Sciences, College of Continuing Education, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 210044)

Heavy rainfall is more frequent in Hunan Province. A heavy rainfall process in Hunan Province in June 2015 was analyzed in order to identify its characteristics. The early rainfall was relatively strong, and the late rainfall weakened and moved?southwards, which was mainly affected by the high altitude southern trough and low level shear line. A weak cold air invaded the ground inverse trough. Thus, the intersection of cold and warm air was a typical heavy rainfall process with low vortex cold trough type. Upper-level jet stream and low-level jet stream promoted each other through strong vertical movement, which continually strengthened the jet stream to transport water vapor. A continuous passage of water vapor was established in Hunan Area. Pseudo-equivalent temperature contours was intensive in the area of heavy rainfall, which was helpful to form a clear deep moist convection environmental field, and to promote the formation and sustainable development of heavy rainfall. Within the range of 600-1 000 hPa, pseudo-equivalent temperature decreased with the increase of height, showing that there was convective instability over the area. K index and unstable energy were both relatively large; low-level convergence uplifted, which triggered the release of instable energy, which led to the eastward movement of continuous convective cloud clusters. It was conducive to the maintenance and development of the heavy rainfall, resulting in a wide range of this rainstorm.

Water vapor; Shear line; Convective cloud clusters;Hunan Province

欧阳小娟(1971- )，女，湖南隆回人，助理工程师，从事天气观测和暴雨预报研究。

2016-05-30

S 161.6

A

0517-6611(2016)24-188-07