2015年秋冬季湖南省一次典型暴雨天气过程特征及其成因分析

周莉 周慧 蔡荣辉

摘要：综合利用NCEP/NCAR的1°×1°全球同化数据系统分析资料、地面站点资料和多普勒雷达观测资料，对2015年11月10-13日湖南省的一次秋季强降水过程进行分析。结果表明，此次强降水过程是2015年秋季降水发生范围最广、持续时间最长的一次强降水过程，主要发生在湘南地区。乌拉尔山脊线加强，孟加拉湾低槽的东移，地面北部的高压加强，并且向西南方向扩展，使得冷空气不断补充南下到湘南地区，由于孟加拉湾的低压系统使得北部的高压不能迅速向西南移动，从而形成冷暖势力在湘南上空对峙，为暴雨的发生和维持提供了有利的环流背景；暴雨区位于低空急流轴的左前方，从孟加拉湾而来的西南暖湿气流与来自北方的冷空气在湘南交汇，形成持续稳定的辐合上升运动，为此次强降水的发生提供了水汽和动力条件，其中850 hPa的水汽是此次区域性暴雨的主要输送源；此次强降水主要还是以稳定性降水为主，与夏季典型暴雨明显的不稳定层结特征有所差异；能量锋区较强，锋前偏南风强盛，该暴雨过程表现为锋后降水，垂直螺旋度正值中心的变化对地面气旋中心的变化以及强降水的发生有较好的指示意义。

关键词：秋冬季暴雨；成因分析；垂直螺旋度

中圖分类号：P458.3 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）20-0060-09

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.014 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on NCEP/NCAR's 1°×1° global assimilation data， systematic analysis data， ground station data and Doppler radar observation data， the autumn heavy rainfall process in Hunan on 10-13 November 2015 is analyzed. The results show that the heavy rainfall process is the most widespread and longest lasting heavy rainfall process in autumn 2015， mainly occurring in southern Hunan. Ural ridge strengthened eastward trough in the bay of Bengal， high ground north strengthened， and extended to the southwest， the continuous supply of cold air southward to the southern region， due to the low pressure system makes the pressure not north of the bay of Bengal to move rapidly from southwest， and the formation of air forces in Southern Hunan confrontation over the favorable circulation environment for the rainstorm occurrence and maintenance； The left front rainstorm area is located in the low level jet axis， southwest warm air from the bay of Bengal and the cold air from the north to South intersection， the formation provides moisture and dynamic conditions for convergence steady rise of the heavy rainfall，which 850 hPa is the main source of regional water vapor transport the rainfall； The heavy rainfall is mainly in stability，the characteristics of unstable stratification are different from those of typical summer rainstorms are different. The energy front area is stronger， and the front wind is stronger than the south wind. The rainstorm process is post frontal precipitation. The change of the positive helix center has a good indication for the change of the ground cyclone center and the occurrence of heavy rainfall.

Key words： autumn and winter rainstorm； genetic analysis； vertical helicity

暴雨天气的发生往往会对当地造成巨大的经济损失，以往关于暴雨的研究大多集中在汛期[1-5]，而近年来，湖南省频繁出现秋季持续性暴雨天气[6，7]，这样的灾害性天气与汛期暴雨相比，更容易引发滑坡、山洪和泥石流等次生灾害，且其发生发展机制也有着自身不同的特点[8，9]，但对湖南省秋季暴雨的研究缺乏足够的重视，因此分析秋季连续暴雨的形成机理，对更加准确地进行暴雨预报、最大程度地减少次生灾害带来的损失有非常重要的意义。

目前，国内外对秋冬季暴雨的形成机理已经做了很多研究。张芳华等[10]基于观测资料和NCEP再分析资料，并结合中尺度数值模拟，对2012年1月14-15日中国江南和华南冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定进行诊断分析发现，南支锋区上短波槽东移配合低层冷空气活动，在江南南部到华南地区形成了明显的锋生过程，构成了有利于暴雨过程的天气尺度环流背景；来自孟加拉湾异常充沛的水汽输送形成了冷季暴雨所必需的水汽条件，异常强盛的高空急流人口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。何芬等[11]利用气象观测站1960年12月至2008年2月的暴雨资料，分析了福建省冬季暴雨的时空特征及主要影响天气系统，发现冬季暴雨主要是南支槽东移、切变线维持和冷空气南下影响所致，冬季暴雨的产生与充沛的水汽、对流不稳定和辐合上升运动密切相关，但大气层结比汛期暴雨要稳定得多，冬季暴雨异常与500 hPa大气环流和赤道中东太平洋海温异常关系密切。唐振飞等[12]利用1°×1°逐6 h的NCEP再分析资料、地面常规观测资料以及向外长波辐射（OLR）数据，分析了2015年1月13日发生在福建省的一次罕见暴雨过程，发现冬季暴雨发生的水汽主要来自西北太平洋上低空东南急流的建立和高空弱的辐散形势稳定维持对暴雨的发生发展起到重要作用。垂直螺旋度能很好反映出低層系统发展，与强降水落区有很好的对应关系。高层等熵面位涡密集带的移动和发展预示着强降水中心的变化。李彩玲等[13]利用广东省遥测站资料，常规高空、地面资料以及NCEP 1°×1°再分析资料，对2011年11月广东省2次秋季暴雨天气过程的环流背景、水汽条件、热力和动力学特征等进行对比分析，发现暴雨的发生、维持和消失主要与大陆冷高压、南海低值系统密切相关，物理量的空间分布与暴雨落区有很好对应关系。韩小令等[14]对贵州省2010年一次冬季暴雨极端天气的诊断分析发现，在暴雨发生期间，静止锋是一个加强北抬的过程，在静止锋加强的过程中促使了水汽辐合、上升运动发展以及低层辐合等产生暴雨的有利条件发展。Yokoi等[15]通过个例发现越南秋季大暴雨是由于寒潮过程的东北风与热带的南风辐合引起的。但对湖南省秋季暴雨的发生发展机制鲜有研究。

2015年11月中上旬，湖南省出现了长时间的连阴雨天气，期间还有多次暴雨产生，省内多个台站降水突破了历史极值。全过程累计降水量以湘东南地区为最多。此次持续性的强降水主要受3次天气过程的影响，值得关注的是，第2次过程中，湘东南24 h的累计降水量超过了100 mm。此次暴雨是2015年秋冬季一次比较典型的暴雨，相比于夏季降雨具有不同的特征。本研究使用NCEP 1°×1°分辨率的再分析资料、雷达等资料对发生在2015年秋季湖南省的一次暴雨进行研究，以揭示此次暴雨的特征及其发展演变，同时找出季节暴雨天气预报的着眼点，为减轻洪涝灾害和提高秋冬季暴雨预报准确率提供参考依据。

1 天气实况与降水特征

2015年11月中上旬，湖南省出现了长时间的连阴雨天气，期间还有多次暴雨产生，图1b给出了2015年11月7-19日湖南省区域平均24 h降水量的时间变化，可见此次湖南省降水经历3次主要的强降水过程，分别为7-8日、10-12日和15-17日。其中第2次降水过程的降水最为强烈，11日单日的累计降水量区域平均达到了35 mm。由2015年降水时间纬度变化的剖面（图1a）也可以看出，第1次强降水向北扩展的范围较小，大于10 mm降水仅能够达到26°N，说明此次过程并不是大范围强降水，属于局地强降水，且主要集中在湘南地区，维持了大约1 d。第2次降水过程的强度更强，持续时间更久，大于20 mm降水的范围向北推进到整个湖南地区，大值区依旧处在湘南地区，持续的时间达到3 d，且越往北持续的时间越短。强降水的大值区主要位于湘南地区。第3次强降水较第2次强降水弱，但降水分布较为均匀，在湖南地区整个28°N以南降水都超过20 mm，且降水随时间缓慢向北移动。

3次暴雨过程中最大暴雨日降水量的空间分布见图2，即第1过程为8日，第2过程为11日，第3过程为16日。可以看到，8日（图2a）降水主要分布在湘东南地区，并且沿东北方向降水量逐渐减少，湘东南地区有7个台站的24 h降水量超过50 mm，达到暴雨级别。11日（图2b）强降水落区呈南北向结构，强降水落区位于湘南地区（基本位于111°E-113°E、25°N-26°N），有20个台站日降水量达到了暴雨级别，其中永州市有两个台站日降水超过100 mm，达到大暴雨级别。16日（图2c）降水分布与之前两个过程分布差异较大，强降水大值区主要位于湘中，降水向湘北和湘南逐渐递减，湘中地区的降水量都在25 mm以上，达到暴雨级别的台站有6个。由于第二个过程的暴雨强度最大，持续时间长，并且灾害也较为严重，因此本研究主要针对此次秋季暴雨过程的成因进行分析。

利用湖南省97个台站观测资料，NCEP 1°×1°分辨率的格点再分析资料，主要对其中第2个阶段，11-13日的暴雨进行了研究，以揭示秋季暴雨的特征及其发展演变，同时从机制上研究其暴发的成因，为准确预报秋季暴雨提供一些参考。

2 大尺度环流背景

2.1 高空形势特征

此次暴雨发生前，2012年11月11日8时（图3a），东亚500 hPa环流形势特征为两脊一槽的环流形势，乌拉尔山和中国东北为高压脊控制，在孟加拉湾有一个弱的槽区，并不断分裂出小槽东移。在中国中部地区出现一个弱脊，引导西南气流向中国南部输送水汽。到12日8时（图3b），乌拉尔山脊加深，随着强冷空气的侵入，强冷平流使得高空槽加深东移，副热带高压也开始断裂，华中地区的弱脊已经移动到中国东部地区，槽后的冷空气与副热带高压西北侧的西南暖湿气流在湘南地区交汇，为暴雨的发生和维持提供了有利的环流背景和充足的水汽条件。

2.2 地面形势特征

从地面形势场上可以看到，在11日2时（图4a），在中国东北部有一个强的冷高压中心，同时在孟加拉湾存在一个弱的低压。到12日2时（图4b），中国北部的高压加强，并且向西南方向扩展，使得冷空气不断补充南下到湘南地区，由于孟加拉湾的低压系统使得北部的高压不能迅速向西南移动，从而使得冷暖势力在湘南上空对峙。因此，孟加拉湾的低压和中国东部的高压是使辐合区保持稳定的关键系统。这两个时刻地面形势的变化不大，能够产生稳定的降水。到13日2时（图4c）冷空气加强继续向西南方向移动，在14日2时（图4d），冷空气完全控制湖南地区，天气形势稳定，降水消失。

3 暴雨天气过程气象成因分析

3.1 水汽及水汽输送特征

研究指出[16-18]，水汽及其输送条件对暴雨的发生发展有着极其关键的作用。从11日20时850 hPa图5可以看出，低空有一条来自中国南海的西南急流，中心风速超过了15 m/s，湘东南地区位于急流轴前方偏左一侧，这条低空急流一方面为暴雨区输送了大量的暖湿气流和不稳定能量，另一方面在急流左前侧的气旋性涡度在此处形成强烈的风场辐合，使得低层低值系统发展并产生上升运动，有利于暴雨天气的发生。从700 hPa的相对湿度分布也可以看出（图6），从11日2时到14日2时，从孟加拉湾到中国南部地区，都有一条狭长的相对湿度大值带。其中，在12日2时达到最大，整个湘南地区都在90%以上，基本处于饱和状態。随着冷空气的渗透南下，偏西风转变为西北风，与西南风在湘南地区辐合，形成明显切变。此后，湿度大值区逐渐向东移动，到14日2时，相对湿度的大值区已经远离湖南地区，这与强暴雨发生的时间一致，表明充足的水汽给此次暴雨的发生提供了必要条件。低层850 hPa的相对湿度较700 hPa大，从11日2时至13日2时，湘南地区相对湿度都在95%以上，其中在12日2时达到最大，到14日2时，湖南地区的相对湿度减少，这与暴雨强度随时间变化也较为一致。

通过分析水汽通量和水汽通量散度（图7），进一步发现，从11日2时开始，湘西南地区已经被弱的辐合区所控制，且存在一条从南海向湘南输送水汽的水汽输送带，到12日2时达到最强，强的辐合带呈带状沿广西中部一直延伸到湘西南地区，其中湘西南地区水汽通量散度超过了-6×10-7 g/（cm2·hPa·s），水汽辐合使得暴雨区水汽含量增加。但由于受中国东部地面冷高压的控制，该水汽带并未能够向更北的地区输送水汽，使得暴雨主要集中在湘南地区。到13日2时，随着北风的加强，以及西南气流的减弱，使得达到湘南地区的水汽减少，湖南省境内水汽辐合明显减弱，且辐合中心随之向东南方向移动。到14日2时，水汽输送带依旧存在，但水汽通量开始减弱，并且水汽输送以及辐合中心逐渐向东移动。到14日2时，来自南海的水汽输送带消失，但有一条来自孟加拉湾的水汽输送带，此水汽带只经过广西和广东地区，未能达到湖南地区，随之伴随着辅合中心移动到广东、福建地区，湖南省境内无水汽通量的辐合，对应湘南此次强降水过程趋于结束。此次降水过程降水的大值区也是由湘南向东南方向移动，总的来说，低层850 hPa水汽通量值较大，水汽辐合较强且散度的时空分布特征与强降水的时空分布特征基本吻合。说明底层850 hPa的水汽是此次区域性暴雨的主要输送源。

3.2 暴雨的动力、热力及能量特征

螺旋度是表征大气环境风场气流沿运动方向旋转程度和运动强弱的物理量，垂直螺旋度是垂直速度和垂直涡度决定的，能反映出大气在垂直空间上的旋转上升和运动特征。过暴雨中心做垂直螺旋度的剖面见图8，可以看出，从11日2时开始，在800～900 hPa有正的螺旋度，在高层450 hPa处出现-60×10-6 m/s2的大值中心，垂直螺旋度的正值中心能够很好地对应地面气旋和低层切变线的移动和变化[19-21]。由于低层的螺旋度并不是很强， 因此降水强度较小。并且底层正螺旋度有向高层移动并且增强的趋势，到11日2时，正螺旋度达到对流层且强度增强，并且持续时间较长，到强降水的大值时刻，12日2时，正螺旋度最大，达到140×10-6 m/s2，此刻的暴雨最为剧烈。到12日8时，正螺旋度开始减小，强降水逐渐减弱，到12日14时在750 hPa附近又出现一个正螺旋的大值区，中心强度有60×10-6 m/s2，在低层有一个负值中心，这样的配置引发了新一轮的强降水。从13日2时开始，低层和高层均为零值线控制，降水趋于结束。以上分析表明，螺旋度能够很好地表征此次强降水过程强度随时间的变化，高层存在强烈的旋转下沉气流，而低层有旋转上升气流，这为暴雨发生提供了强大的动力条件。

冷暖空气交汇一方面使得气柱斜压性增强，另一方面也有利于空气辐合抬升，因此，暴雨天气的发生一般来说需要有冷空气来配合。在整个过程（图9），华南地区都存在显著的暖平流，强度维持在8×10-5 ℃/s。在11日2时，湖南省的东北部出现一股弱的冷空气，强度为-2×10-5 ℃/s，后期随着冷空气南下，冷平流逐渐加强，湖南省的暖平流强度为4×10-5 ℃/s。到11日14时冷平流范围进一步扩大，且强度逐渐加强，冷平流强度中心位于青藏高原北部，强度能够达到-6×10-5 ℃/s。到湖南省的暖平流也有一定程度的增加。到12日2时，强降水的大值时刻，湖南省东北冷平流的强度加强，且冷平流强度与暖平流相接近，强度能够达到-6×10-5 ℃/s，湖南省大部分的暖平流能够增加到6×10-5 ℃/s。到12日14时，暖平流虽然增强，但暖平流的中心向东南方向移动，同时湖南省东北方向的冷平流减弱，预示此次强降水过程逐渐趋于结束。由此可见，影响湖南省强降水的冷空气是从高原下达到湘西南地区，而湖南省西南部地区一直维持的暖湿空气与南下而来的冷空气在湘南地区形成交汇，是此次暴雨发生的主要机制。

热力条件在强降水的发生和维持过程中发挥着重要作用。12日2时沿112°E经强降水中心的垂直速度和假相当位温经向剖面见图10。在25°N以北θse等值线相当密集，能量锋区较强，锋前偏南风强盛，该暴雨过程为锋后降水。可以看到低层锋面呈整体倾斜上升，因而暖湿气流沿锋面倾斜上升，？棕≤ -0.5 Pa/s的上升气流从低层一直延伸到200 hPa，且南北跨越8个纬度，即23°N-31°N。在降水所在的纬度范围内，θse等值线在750～500 hPa附近接近于垂直状态，因而强的上升气流也接近于垂直发展，基本维持在固定的纬度（25.5°N）。强的上升中心值高达-5 Pa/s，强的上升气流可以将下层从南部而来的暖湿气流带到高空，使得湘南地区在此时段内能够产生更大的降水量。

通过分析K指数的演变情况，可以进一步了解暴雨的不稳定性特征。K指数定义为K=（T850-T500）+Td850-（T-Td）700，其能够反映大气的层结稳定状况，K指数越大，层结越不稳定。K指数与可能出现的雷暴活动存在一定的关系。11日2时到13日20时强降水过程K指数的时间纬向剖面见图11。由图11可以看出，从11日2时开始，只有湘南小部分地区的K指数在35 ℃以上，其中在12日2时的K指数超过了36 ℃，但大部分地区K指数较小，说明尽管大气中存在一定的不稳定层结，为暴雨的发生、发展提供了一定的能量基础，但不稳定能量较弱，主要还是以稳定层结为主，与夏季典型暴雨较强的不稳定层结的特征还是有较明显区别。

湿位涡能够综合反映大气的动力、热力及水汽特征。因此，对湿位涡进行分析可以进一步了解暴雨过程的发展演变规律。湿位涡（MPV）分为两部分，湿位涡的垂直分量（MPV1）和湿位涡的水平分量（MPV2），根据倾斜涡度发展理论，对流稳定度的减小、水平风垂直切变或湿斜压度的增长均可引起气旋性涡度的增加，从而导致强降水发展。由图12可以看出，在12日2时，在23°N 700 hPa附近有MPV1<0的负值区，但范围较小，强度较弱，表明此处产生了局地的较弱对流不稳定层结，并且配合有一定的上升运动，触发了不稳定能量的释放，因而产生了较弱的对流性降水，而其他地区MPV1均为正值，表明此次暴雨过程主要表现为稳定性降水。从MPV2的经向剖面可以看到从近地面沿锋面为MPV2<0的负值带，负值越大说明大气的斜压性越强，有利于气旋性涡度的发展，利于暴雨的产生。可以看到湘南均为负值区，且负值中心强度较大，说明此次强降水与不稳定能量释放关系较弱，而主要与MPV2负值区引起的斜压不稳定发展有关。

3.3 雷达回波特征

此次过程降水的大值区位于湘西南的永州市境内，从永州市雷达组合反射率因子（图13）来看，11日8时至13日20时有两次最大反射率因子在50 dBZ以上，分别为11日9时13分50 dBZ和11日22时16分51 dBZ。回波顶高度基本在7～9 km，最大为10.7 km，而夏季一次较强过程往往能达18 km以上，因此这次过程回波顶不高。11日8时7分9.9°仰角反射率因子（图13）4.0 km附近出现明显的零度层亮带，表明此时0 ℃高度大概在4 km左右。从11日20时28分至11日23时58分逐半小时0.5°仰角反射率因子可以发现，永州市境内不断有对流风暴生成并向东移动，造成列车效应，导致东安县、永州市区、冷水滩区、祁阳县的持续降水。12日1时以后自广西桂林全州县不断有回波向东北移动，同时永州市南部的江永县、江华瑶族自治县、道县不断有回波生成并向北移动，造成永州市北部大范围的暴雨。12日下午降水回波南压，造成永州市南部大范围的暴雨，13日回波明显减弱，降水也随之减弱。

从11日8时13分0.5°仰角径向速度（图14a）可以看到，大致在雷达西侧至南侧50～100 km距离圈高度处存在辐合中心，该中心的旋转速度将近10 m/s。抬高仰角到1.5°（图14b）发现，冷空气厚度1.6 km左右。综合此次过程风场的高低空配置，地面为冷空气控制，风速达到5～10 m/s，冷空气厚度为1.6 km左右，1.6 km以上为偏南风控制，2.5～5.2 km风速在15 m/s以上。

4 小结

利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析資料、多普勒雷达观测资料对2015年11月发生在湖南地区持续时间较长、强度较强的一次强降水过程及其成因进行分析，得到以下结论。

1）乌拉尔山脊线加强，孟加拉湾低槽的东移，地面北部的高压加强，并且向西南方向扩展，使得冷空气不断补充南下到湘南地区，由于孟加拉湾的低压系统使得北部的高压不能迅速向西南移动，从而形成冷暖势力在湘南上空对峙，为暴雨的发生和维持提供了有利的环流背景。

2）湘南位于低空急流轴的左前方，从孟加拉湾而来的西南暖湿气流与来自北方的冷空气在湘南交汇，形成持续稳定的辐合上升运动，为此次强降水的发生提供了水汽和动力条件，其中850 hPa的水汽是此次区域性暴雨的主要输送源。

3）此次强降水主要还是以稳定性降水为主，与夏季典型暴雨不稳定层结特征有较明显的差异。能量锋区较强，锋前偏南风强盛，该暴雨过程表现为锋后降水。垂直螺旋度正值中心的变化对地面气旋中心的变化以及强降水的发生有较好的指示意义。

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