湖南一次暖区极端特大暴雨多尺度特征分析

刘红武，尹忠海，杨 令，徐靖宇，王青霞

(1.湖南省气象台，湖南 长沙 410118；2.湖南省益阳市气象局，湖南 益阳 413000)

0 引言

随着全球气候变暖，中国的天气和气候极端事件发生频率也出现变化，一些研究表明[1-3]，极端降水事件的频率和强度均有升高的趋势。湖南地处亚热带季风气候区的长江中下游地区，是暴雨多发的省份之一，在汛期经常会出现极端降雨事件，造成洪涝、渍涝、滑坡等次生灾害，对人民生命财产及社会经济的可持续发展造成巨大影响。如2005年5月31日，湖南邵阳新邵太芝庙乡的暴雨引发了严重山洪灾害使太芝庙乡死亡87人，重伤480人，倒塌房屋上万间，造成直接经济损失10 亿元[4]； 2010年6月18—20日湖南极端暴雨过程具有突发性强、雨强大等特点，全省共11个地区20个县市163.2万人受灾，8人死亡，7人失踪，735人受伤，转移人口23.6万人，造成直接经济损失约7.3亿元；2016年5月4日，湖南出现极端降雨事件，道县日雨量创历史同期最高值，强降雨造成长沙、岳阳、常德等11市(自治州)45个县(市、区)74.9万人受灾，6人死亡，直接经济损失6.7亿元。可见，极端降雨的致灾性强，其影响也受到政府和社会各界的普遍关注。极端暴雨的产生是行星尺度、天气尺度和中小尺度等多种尺度系统相互影响的结果[ 5]，因此极端暴雨预报是极其复杂的问题。近年来，气象工作者在极端降雨事件的气候特征及形成机理方面做了大量工作，取得许多研究成果[6-10]。矫梅燕等[11]对2003年7月3—4日淮河流域大暴雨的结构和维持机制作详细分析，指出这场大暴雨是高层冷空气与低层切变线相互作用而产生的梅雨锋暴雨，中尺度系统在其中起了关键作用。孙建华等[12]对2012年7月21日发生在北京地区特大暴雨过程的天气形势、水汽来源和中尺度对流系统特征进行了研究，发现“7.21”北京暴雨是高低空与中低纬系统共同配合的结果。张剑明等[13]对湖南大暴雨天气过程进行天气学诊断分析认为，锋面系统、低层气流辐合线、高层辐散场、重力波及地形抬升作用均可触发并维持对流系统，从而形成局地暴雨和大暴雨天气。唐明晖等[14]分析了2010年6月18—20日湖南省大范围暴雨过程“列车效应”的多普勒雷达特征，认为低质心、高效率的大面积降水回波(≥40 dBz)较长时间源源不断从湘北经过产生的“列车效应”是导致湘中以北大范围暴雨甚至大暴雨的主要原因；冷暖平流和辐合相叠加的径向速度特征、中气旋、低空急流的维持使“列车效应”得以长时间维持。李峰[15]等对2005年初夏湖南大暴雨的中尺度系统及其触发、维持机制进行了诊断分析研究认为:高低空急流最佳配置，动力耦合关系建立为暴雨发生提供了有利的环境条件；中尺度系统在渝南、黔西生成后移入湖南停滞发展，加强了湖南上空动力不稳定条件。

2016年6月14日08时—16日08时，湘西、湘中及以南部分地区出现了较大范围的暴雨天气，湖南株洲1 h降水与24 h降水均打破建站以来日雨量历史记录。本轮强降雨共造成全省106.1万人受灾，因灾死亡5人、失踪8人，紧急转移安置人口14.46万人，需紧急生活救助人口1.02万人，农作物受灾面积59.3千hm2，绝收面积11.8千hm2，倒塌房屋1951间，严重损坏房屋7021间，直接经济损失7.56亿元。暴雨的发生是一个多尺度系统相互作用的复杂问题，本文将利用常规观测资料、地面自动站资料、NCEP 1°× 1°再分析资料、FY-2C卫星资料及雷达资料，运用天气学诊断方法综合分析这次过程的多尺度特征，探讨湖南此类极端暴雨形成的机理，以期为这类暴雨预报提供一些参考依据。

1 降水特点

6月14—16日，湖南中部和南部出现了暴雨、部分大暴雨、局地特大暴雨天气过程(图1)，主要降雨发生在14日夜间至15日白天。经统计，6月14日20时—15日20时，全省区域气象自动站过程降水量≥100.0mm的站数有220个，≥200.0 mm的站数有18个，≥300.0 mm的站数有1个，最大降水出现在衡山县长春镇，为365.9 mm；株洲区域气象自动站过程降水量≥50.0 mm的站数有109个，≥100.0 mm的站数有57个，≥200.0 mm的站数有7个，最大降水出现在石峰区石峰公园的289.5 mm，株洲本站出现特大暴雨，为257.6 mm，突破1964年6月17日的历史极值(195.7 mm)。从自动站逐小时降雨量可以看到，株洲市强降雨主要集中在15日06—08时，最大小时雨强出现在株洲石峰区清水塘(图1b)，为114.4 mm，其次是石峰公园，为86.3 mm，株洲国家观测站为72.2 mm(15日05时)和61.4 mm(06时)； 15日05—08时3 h降雨为162.2 mm；5日01—13时12 h降雨量达251.5 mm。

图1 湖南省2016年6月14日08时—16日08时降雨实况图(a)与株洲市3个代表站15日00—16时逐小时雨量(b)(单位：mm)Fig.1 The total precipitation in Hunan from 08∶00 BT 14 to 08∶00 BT 16 June 2016(a) and hourly precipitation 00∶00 to 16∶00 BT 15 June at Shifeng, Zhuzhou and Qingshuitang stations (b) (unit:mm)

2 大尺度环流形势

暴雨发生前的2016年6月13日08时(图略)，亚洲中高纬为两槽一脊型，哈萨克斯坦和雅库茨克地区形成了两个切断低涡，中心强度分别达到5 560 gpm 和5 640 gpm，贝加尔湖西部建立起一个强盛的阻塞高压，其中心值为5 760 gpm，在阻高东部到雅库茨克低涡之间的南部地区为一宽广的横槽区，横槽南侧我国西部高原上为5 840 gpm的高值区。中低纬度地区副高稳定维持在华南，在孟加拉湾地区有一较为深厚的低压槽。20时贝加尔湖西部阻高崩溃，横槽开始转竖，蒙古西部形成闭合的低值中心，随后带动冷空气向西偏南方向移动到我国华北地区，与雅库茨克低涡连成一条横跨我国中东部的阶梯槽，槽后冷平流带动北方冷空气缓慢扩散南下。此时副高略有东移南撤，其584特征线位于福建北部至江西中南部、湖南中南部至贵州南部。

图2 2016年6月14日20时(a)与15日08时高空主要影响系统配置综合图(b)Fig.2 Superposition of the major weather influencing systems in upper air at 20∶00 BT on 14 June (a)and 08∶00 BT on 15 June 2016(b)

14日20时，湖南中南部200 hPa位于高空急流轴南侧，强烈辐散(偏西风减弱)有利于抽吸作用的长时间存在(图2a)。500 hPa从我国东北地区经华北、山西、陕西、四川东部一直延伸到贵州的阶梯槽，带着弱冷空气渗透影响我国中东部地区，湖南中南部地区位于584线附近，此后低槽向东缓慢移动过程中，副高位置基本不变。700 hPa切变线位于湘中及以北，850 hPa切变线位于湘南，15日08时北推，西南急流建立，郴州站达到16 m/s(图2b))。925 hPa在湘中偏东北有低涡生成，此时长沙站温度为24 ℃，比周边地区高3～4 ℃，15日08时低涡切变线南落，同时超低空急流建立，郴州站达到10 m/s。15日20时整层系统均东移南压，雨带缓慢东移南压。

中高纬度两槽一脊形势发生转变及副高南撤的环流背景情况下，阻高崩溃形成的阶梯槽带动冷空气南下与南支槽前的暖湿气流在湖南交汇，是造成强降雨的主要天气尺度原因。

进一步分析暴雨发生前后的地面形势场发现：强降雨发生前，15日02时地面冷锋位于华东至湖北中部(图3a)，特大暴雨区位于锋面南侧暖区内，距离大约500 km左右；至15日08时(图3b)，冷锋虽有南压，但仍距离强降雨中心200 km左右，而此时最强降雨时段已过。由此可见，此次极端强降雨发生在地面冷锋南侧的暖区内，且地面辐合线清晰可见，其稳定少移的特点为强降雨的发生提供了触发条件。

图3 2016年6月15日02时(a)与15日08时地面形势场(b)Fig.3 Ground plots at 02∶00 BT on 15 June (a)and 08∶00 BT on 15 June 2016(b)

3 强降雨环境条件分析

3.1 水汽条件

14日08时(图略)，700 hPa水汽通量从中南半岛东部到南海西部经桂、黔到湘西南有一条东西向带状水汽通道，20时该水汽通道转为西西南—东东北方向，在怀化西南部形成一个-5×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的水汽通量散度大值区。之后，水汽通量强度继续加强，怀化南部水汽通量散度大值区向北移并进一步扩展，到15日08时(图4a)，在湖南境内有2个负值中心，分别位于邵阳、长珠潭一带。与此同时，850 hPa东北风加强，与西南风在湘中一带对峙，预示着冷空气已从底层开始影响湖南。提取特大暴雨区株洲站附近(28°N、113°E)水汽通量散度随时间高度的变化图可见(图4b)，14日08时500 hPa附近水汽通量散度增加到-0.6×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1左右，随后大值区增加但是高度降低，并于15日00时600～700 hPa出现大于-2.4×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的大值区，到04时左右进一步下降到850 hPa以下，其值增至-3.6×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1以上。由此可见水汽通量散度由高层向低发展，并迅速增加，从而产生了株洲地区的特大暴雨。

3.2 动力条件

从特大暴雨的株洲站附近(28°N、113°E)涡度、散度和垂直速度时间—高度剖面图可见(图5)，6月14日20时—15日20时，株洲上空400～100 hPa有小于-6.5×10-5s-1负涡度区；正涡度区位于600 hPa以下层，14日20时—15日00时，正涡度加强向中层伸展至400 hPa，其下的涡度值迅速增加，到了15日08时，850 hPa上中心值大于8×10-5s-1。散度分布与涡度较一致，14日20时开始，500 hPa往上为辐散区，14日20时—15日08时，500～100 hPa层有两个大值区中心，其最大值为2.5×10-5s-1左右，600 hPa 以下为辐合区, 并逐步加强。07—10时株洲站高层辐散比低层辐合要强，为3×10-5s-1，表明高层辐散形成的抽吸效应加强了低层辐合和对流上升运动。暴雨区上空的对流上升运动区强烈发展到200 hPa以上，最大中心在500 hPa上，极值小于-1.1Pa·s-1，它们共同作用触发了中尺度扰动产生和发展。

图4 2016年6月15日08时850 hPa水汽通量(风向杆，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1)与水汽通量散度(阴影，单位：10-7g·s-1·cm-2·hPa-1)(a)和6月14—16日08时28°N、113°E水汽通量散度时间—高度剖面图(b)Fig.4 The water vapor flux(wind barb, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (shaded,unit:10-7g·s-1·cm-2·hPa-1) at 850 hPa at 08∶00 BT on 15 June 2016(a) and height-time cross section of water vapor flux divergence at heavy rain center(28°N,113°) from 08∶00 BT 14 to 16 June 2016

图5 2016年6月14—16日28°N、113°E涡度(a)，散度(b)，垂直速度(c)和时间—高度剖面图(单位: 10-5s-1)Fig.5 The vortex (a) ,divergence (b) and vertical velocity(c) at heavy rain center(28°N,113°) from 08∶00 BT 14 to 16 June 2016(unit:10-5s-1)

3.3 热力条件

这次大暴雨过程雨强度大、历时短，伴有雷电，属对流性暖区暴雨。15日08时850 hPa的假相当位温(θse)和比湿分别达到350 K和16 g/kg以上(图6a)，大气处于高温高湿状态。从暴雨区上空θse 垂直廓线可看出(图6b)，6月15日08时θse廓线在500～700 hPa递增, 层结稳定，700～1 000 hPa递减，层结不稳定。大气中低层处于上干冷、下暖湿的不稳定层结，且暴雨区Δθse(500-850)<0，有利于强对流的发生。14时，θse廓线在925～700 hPa之间为迅速递增的趋势，此时中低层层结趋于稳定，长株潭的暴雨天气结束。从CAPE分布(图略)可见，暴雨前14日20时，长沙站CAPE为1 859 J·kg-1，提前于暴雨6 h出现，对暴雨的发生地点有一定预见性。15日08时，长沙站CAPE减小到183.9 J·kg-1，此后, 大范围雷雨发生, 不稳定能量释放，CAPE迅速继续减小。θse差值变化和CAPE增大变化均超前强降雨, 对强对流性暴雨预报有指示意义。

4 中小尺度特征分析

4.1 中尺度雨团

此次降水分为对流性和稳定性降水，分析逐时降水量发现，无论对流性还是稳定性降水，小时降水量的分布都存在β中尺度雨团(图7)。15日01时，株洲西北部开始降水，雨强为 30 mm·h-1左右，04时降雨区移至株洲市附近，在其西部和东北部各分别出现雨强35 mm·h-1和15 mm·h-1的降水，10 mm·h-1以上的降水范围在200 km以上(图7a)，05时雨区面积加大，雨强达70 mm·h-1以上( 图7b，石峰公园、株洲站)，06时以后雨势逐渐减弱，且有分散的多个中尺度雨团。09时开始强雨区成带状，但从图7中可看出，带状强雨区中镶嵌着雨强更强的中尺度雨团，尺度约为几十公里，属中β尺度系统。

图6 2016年6月15日08时850 hPa假相当位温(等值线，单位：K)和比湿(色斑，单位：g/kg)(a)和长沙站假相当位温垂直剖面图(b)(单位: ℃)Fig.6 The potential Pseudo-equivalent Temperature (solid line,unit:K) and specific humidity (shaded,unit∶g/kg) at 850hPa at 08∶00 BT on 15 June 2016(a) and vertical profilep of seudo equivalent temperature at Changsha(b) (unit:℃)

图7 2016年6月15日04时—09时湖南自动站逐时降水量分布(单位:mm)(a)04时，(b)05时，(c)09时Fig.7 Timely precipitation distribution of Hunan automatic station from 04∶00 to 09∶00 BT on 15 June 2016(unit:mm)(a)04∶00，(b)05∶00，(c)09∶00

4.2 降雨云团特征

根据区域自动站的降水资料分析，株洲站(见图8中的“+”)出现短时强降水的时段主要集中在06—08时，从卫星云图TBB资料发现(图8)，05时在株洲站附近新生有一中γ尺度的云团，株洲站位于云团西部边缘，此时降水开始加强，同时在其正下方存在一个新发展的中γ尺度的云团，两者结构紧密，互相作用，在其右下方有一个中β尺度处于成熟阶段的云团；到06时株洲附近的中尺度云团与其正下方的云团发生了合并，使得云团迅速发展，TBB亮温值小于-60 ℃达到中β尺度，株洲站位于云团西部亮温梯度大值区边缘，而06—07时是株洲站雨强的最大值时候，符合强降水出现时的卫星云图特征[16]，而原来位于株洲右下方(江西境内)云团稳定少动，变化亦不大，但小于-52 ℃云体与其左侧的已连结了一起，预示着两者已经发生了相互作用；到07时，05时存在的3个对流云团完全融合成为一体，云顶TBB<-60 ℃范围达到中α尺度，对流云团达到成熟阶段，株洲站仍处于云团西部边缘的TBB梯度大值区，可见最强降雨发生在发展到成熟阶段，但云顶高度与前两个时次相比，并没有特别明显的提升，这在预报中应特别引起重视；到08时，株洲仍处于云团的西部，但云团结构变得较为松散，TBB梯度明显减弱，雨强也随之减小；参考MCC的定义[5]，从02—08时在广西中北部至湖南西南部一直维持有MCC云团，在05—08时其外部云体与影响株洲站降水的云团连结在一起，构成一条水汽输送通道，可能是造成短时强降水发生原因之一。随后，MCC云团逐步减弱消散，湖南中部的MCS扩大，但结构松散，云顶高度变低，株洲站演变成为一般性降水，并逐渐结束。

由上述分析可知，强降水主要出现在中尺度云团的发生发展到成熟阶段，并伴随3个中小尺度云团相互融合，暴雨落区位于云团的西部边缘的TBB梯度大值区，而在不远处存在MCC，其对周边对流云团的发展可能起到正反馈作用。

图8 2016年6月14日21时(a)、14日22时(b)、14日23时(c)、15日00时(d)的FY-2F的TBB云图演变(单位: ℃)Fig.8 TY-2F satellite hourly TBB for cloud evolution at 21∶00(a),22∶00(b),23∶00(c),24∶00(d) BJ on 14 June 2016(unit:℃)

4.3 雷达回波分析

从长沙雷达站资料分析，15日株洲的降水出现在6月15日01—15时，出现短时强降水的时段主要集中在06—08时。04时，降水回波从株洲北部开始自西向东发展，并且回波发展较为迅速， 04时53分(图9a)，强回波主体已经开始影响株洲北部，45 dBz以上的回波呈带状分布，最强回波强度达到55 dBz；垂直液态水含量(VIL)在市区北部达到14 g/m2，回波顶高(ET)发展较高，最高伸展到了12 km，说明整个对流回波发展较为旺盛。速度图上(图9b)，整个回波呈现“S”形的暖平流特征，株洲市区处在风向辐合区内，且0.5°、1.5°、2.4°仰角速度图上存在明显的逆风区，使得回波有持续较长时间的可能。

对回波发展较为旺盛的株洲西部进行剖面分析可见(图10)，强回波发展高度在7 km以下，强度最大的回波接近地面，说明回波主要以低质心的降水回波为主，速度径向剖面可见明显的底层逆风区，且在逆风区前部有一股较强的斜升气流存在，在底层辐合区上部存在风暴顶辐散特征，这种底层辐合高层辐散的回波特征加强了地面的上升运动，而斜升气流的存在对于风暴的维持起到促进作用，使得整个风暴更好的维持和发展。

从05时16分中低层的径向速度分析(图11)，此时的降水回波发展较为旺盛的区域位于强回波前侧的辐合区，从0.5°、2.4°仰角可以见到株洲中部偏北位置辐合较为明显，且辐合并非是上下对称结构，存在一定的倾斜；14.4°仰角出现了较强的风暴顶辐散结构特征，且高空风速较中低层也有明显增加的趋势。

从时间序列上分析(图12)，降水在发展过程中具有明显的列车效应，从反射率因子的发展可见，整个过程中强回波发展在株洲中部地区有重叠，强降水回波一直在株洲中部地区生消发展造成明显的列车效应，这种低质心高效率的降水回波的长时间维持是造成株洲大暴雨的重要原因。

5 结论

本文利用多源资料对2016年6月14—15日发生在湖南株洲的一次极端特大暴雨过程进行了多尺度特征分析，主要结论如下：

图9 2016年6月15日04时53分长沙雷达0.5°基本反射率因子(a，单位：dBz)和径向速度图(b，单位：m·s-1)Fig.9 Basic reflectivity factor (a,unit: dBz) and radial velocities (b,unit: m·s-1) at 04∶53 BJ on 15 June 2016 at 0.5°

图10 2016年6月15日04时53分别沿8a、b黑线位置所做的反射率因子(a，单位：dBz)和径向速度垂直剖面图(b，单位：m·s-1)Fig.10 Vertical cross sections of radar reflectivity factor (unit: dBz) along the black line (a) in (fig.8a) and of radar radial velocities (unit: m·s-1) along the black line in (fig.8b) at 04∶53 BT on 15 June 2016 at 0.5°

图11 2016年6月15日05时16分长沙雷达各层径向速度(单位：m·s-1)： 0.5°(a)、2.4°(b)、14.4°(c)Fig.11 Radar radial velocities (unit: m·s-1) at 05∶16 BT on 15 June 2016 at 0.5°(a),(b)2.4°,14.4°(c)

图12 2016年6月15日5时04分(a)、5时28分(b)、6时10分(c)、7时09分(d) 0.5°基本反射率因子(单位：dBz)Fig.12 Basic reflectivity factor at 5∶04(a),5∶28(b),6∶10(c),7∶09 (d) BJ on 15 June 2016 at 0.5°(unit: dBz)

①本次暴雨天气过程中株洲市的日雨量与小时雨量均创株洲市建站以来的极值，是在两槽一脊的大尺度环流背景下发生的，特大暴雨区位于地面冷锋南侧的暖区内，地面辐合线为主要的触发系统。

②水汽、动力、热力及能量条件等都表明株洲有着强降雨发生的条件，强降雨发生在急流加强的时段，且高层辐散要强于底层辐合，θse差值变化和CAPE 增大变化均超前强降雨12 h。

③中尺度云团特征显示，株洲的强降雨由3个中γ尺度云团发展融合而成，主要出现在中尺度云团的发生发展到成熟阶段，其落区位于云团西部边缘的TBB梯度大值区，虽然在不远处存在MCC，但降雨强度要小，由此可见，MCC周边发展的对流云团的强降水也要引起足够的重视，且容易预报失误。

④雷达基本反射率产品显示，强度最大的回波接近地面，说明回波主要以低质心的降水回波为主，且强降水回波在株洲中部地区生消发展造成明显的列车效应。速度径向剖面可见明显的底层逆风区，且在逆风区前部有一股较强的斜升气流存在，在底层辐合区上部存在风暴顶辐散特征，这种底层辐合高层辐散的回波特征加强了地面的上升运动，而斜升气流的存在对于风暴的维持起到促进作用，使得整个风暴更好的维持和发展。