湖南省冬汛期两次暴雨天气过程对比分析

黄娟 范绍佳 周莉

摘要：利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析资料，从环流形势、水汽、动力以及不稳定层结4个方面，对比分析2015年11月发生在湖南省两次秋冬季暴雨天气过程。结果表明，两次暴雨过程与异常的大尺度环流背景有关。副高面积偏大强度偏强有利于水汽沿着副高西南侧汇入湖南省，极涡的强度较常年平均异常偏强，使得冷空气强度偏强，南下的强冷空气与北上的暖湿气流交汇，引发强降水天气过程。地面倒槽和中低层低涡切变是两次强降水过程的主要影响系统，过程2地面倒槽强度较强、范围较广且移动缓慢，对应中低层低涡切变强度较大，过程1地面倒槽和中低层低涡切变无论是强度、范围还是持续时间都不及过程2。700 hPa的水汽是两次区域性暴雨的主要输送源，过程1水汽主要来源于南海，过程2来源于孟加拉湾，且水汽条件强于过程1。过程1垂直上升运动区向上延伸的高度更高，低层辐合层深厚，锋区较强，有不稳定能量积累。过程2主要以稳定性降水为主，垂直上升运动、辐合辐散配置较浅薄，主要集中在中低层。

关键词：冬汛期暴雨; 对比分析; 天气过程;湖南省

中图分类号：P458.3            文献标识码：A

文章編号：0439-8114（2020）10-0044-009

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.10.009            开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on the NCEP/NCAR reanalysis data with resolution of 1°×1° and from four aspects of circulation situation， water vapor， dynamics and unstable stratification， a comparative analysis of the two rainstorms in Hunan province in November 2015 is maked. The results show that the two rainstorms are related to the abnormal large-scale circulation background. The province large area and strong intensity of subtropical high are beneficial for water vapor to converge into Hunan province along the southwest side of subtropical high. The intensity of polar vortex is stronger than the annual average， which makes the intensity of cold air stronger. The strong cold air in the south intersects with the warm and wet air in the north， causing the heavy precipitation weather process. Ground inverted trough and low-level eddy shear are the main influence systems of the two heavy precipitation processes. In process 2， the ground inverted trough has strong intensity， wide range and slow movement， and corresponds to the low-level eddy shear intensity. In process 1， the ground inverted trough and the low-level eddy shear intensity， range and duration are lower than those in process 2. The water vapor of 700 hPa is the main transport source of the two regional rainstorms. The water vapor of process 1 is mainly from the South China Sea and process 2 is from the Bay of Bengal， and the water vapor condition is stronger than that of process 1. In process 1， the vertical upward motion zone extends upward at a higher altitude， with deep convergence layer in the lower layer， strong frontal zone and unstable energy accumulation. In process 2， stable precipitation is dominant， vertical upward motion， convergence and divergence are shallow， mainly concentrated in the middle and low levels.

Key words： rainstorm in winter flood season; comparative analysis; weather process; Hunan province

暴雨是常见的灾害性天气之一。在夏季由于大气的动力、热力、水汽等条件更有利于强降水的产生，因而多数暴雨产生在夏季[1-8]。近年来，湖南省频繁出现秋季持续性暴雨天气[9，10]，这样的灾害性天气较汛期暴雨更容易引发滑坡、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[11-13]。目前，国内外对秋冬季暴雨的形成机理已经进行了很多研究。贺哲等[14]利用常规观测资料、加密观测资料对2011年河南省连续两个暴雨日进行了对比分析，结果表明这两次暴雨的落区均呈狭长带状，副热带高压与低槽的相互作用使冷暖气团在河南省上空交汇。张芳华等[15]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入口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。周慧等[16]综合利用多源资料及NCEP/NCAR再分析资料，对2015年11月10―12日湘江流域冬季罕见的暴雨过程进行分析，发现孟加拉湾低槽东移、西太平洋副高强度偏强、脊线稳定维持在20°N附近、近地面东部冷高压与向东移动的暖低压在湘江流域对峙为此次强降水的发生提供了有利的环流背景。强降水发生在大气层结稳定的状态，旺盛的西南暖湿气流与冷空气在湘江流域交汇，配合持续稳定的辐合上升运动等条件，造成了湘江流域罕见的冬季暴雨天气过程。何芬等[17]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受南支槽东移、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。陆秋霖等[18]利用自动站雨量资料以及NECP FNL分析资料，分别对广西冬季2次农业致灾暴雨2016年1月27―28日和2013年12月13―16日进行实况分析、天气学分析和湿位涡诊断分析，发现暴雨发生在MPV1正值区前侧的负值区或0值附近和MPV2负值中心南侧的低值区内。唐振飞等[19]分析了2015年1月13日发生在福建省的1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，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。Yokoi等[20]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。本研究对比分析2015年11月发生在湖南省的两次秋冬季暴雨天气过程，以揭示此次暴雨的特征及其成因，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  资料与方法

2015年自11月以来湖南省出现了长达1个多月的连阴雨天气，其中，11月7―8日（简称过程1）和15―17日（简称过程2）发生了两次典型的秋冬季暴雨天气过程。本研究利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析资料，从环流形势、水汽、动力以及不稳定层结4个方面，对2015年11月发生在湖南省的两次秋冬季暴雨天气过程进行对比分析。

2  天气实况与环流背景分析

2.1  降水实况

两次暴雨过程降水量随时间的演变如图1所示，过程1持续时间为2 d，湖南省全省平均降水量分别为3.9和13.2 mm，过程2持续时间为3 d，全省平均降水量分别为12.5、22.5和10.7 mm，过程2降水强度较过程1更大。

两次暴雨过程中降水量最大一天（分别为11月8日和16日）的降水量空间分布见图2。由图2可以看出，8日的降水主要分布在湘中及以南地区，湘中一带以小到中雨为主，湘东南地区降水量较大，以大到暴雨为主，有7个台站的24 h降水量超过50 mm，达到暴雨级别，其中永州大部、郴州西南部降水量最强。16日湖南省全省都有降水发生，强降水大值区主要位于湘中偏南一带，以大到暴雨为主，其中有6个站点降水量超过50 mm，达到暴雨级别，其他地区降水量较少，且降水量向湘北和湘南逐渐递减，湘北和湘南地区以小雨为主。对比两次强降水过程不难发现，过程1为局地性降水，而过程2降水范围更广，持续时间更长，强度也更大。

2.2  环流背景分析

2015年11月中上旬，湖南省暴雨天气频发，主要与异常的大尺度环流背景有关。西太平洋副热带高压（简称副高）是东亚地区最重要的环流系统，并且此次连阴雨过程持续时间较长，因此，本研究就反映副高的两个主要指数即西太平洋副高面积指数和西太平洋副高强度指数进行了分析，从相对于30年的气候平均态的距平值不难发现，西太平洋副高面积（图3a）和强度变化（图3b）一致，皆是近35年中的极大值，可见当副高面积偏大，强度偏强时，有利于水汽沿着西太平洋副高西南侧汇入湖南省，引发强降水。从2015年11月北半球500 hPa高度场（图4a）及其相对于气候平均态的距平（图4b）也进一步验证，副高强度较常年平均异常偏大，而极涡的强度同样较常年平均异常偏强，使得冷空气强度偏强，南下的强冷空气与北上的暖濕气流交汇，引发强降水天气过程。

分析两次过程500 hPa高度场和风场的分布，由图5可以看出，对于过程1乌拉尔山的东亚大槽强度较大，厚度较深，而欧亚大陆的脊强度也较强，同时在中国青藏高原东部有弱槽出现并向东移，槽西部的西北气流能够将冷空气向湖南省输送。对于过程2，东亚地区表现为两脊一槽的环流形势，乌拉尔山和中国东北部是两个强度较强的槽，而之间为一个弱脊，同样在青藏高原东部有一个弱槽向湖南省移动，将暖湿气流输送到湖南省。两次强降水过程副高的脊线位置都比较固定，维持在20°N―22°N，脊线位置较平均态偏北，使得副高西侧的西南暖湿气流源源不断地由南海和西太平洋向湖南省输送水汽，因此11月的两次强降水过程与副高的强度和面积在特定位置上的周期震荡有关。进一步验证当副高面积偏大，强度偏强时，更容易引发强降水。不同的是过程2的西伸脊点在15日达到70°E附近，较过程1偏西。

两次过程的海平面气压形势、925 hPa高度场和风场如图6、图7所示，对于过程1而言，在7日8时湖南省的西北處有一低压倒槽，此低压倒槽一直向东南方向移动并且经过湘南地区，至8日8时，低槽已经移动到与湘南地区同一纬度的地区。此倒槽的存在是此次强降水发生的主要环流背景。对应925 hPa高度场和风场，7日8时还未出现明显的辐合区，到8日8时在湘南地区出现弱的辐合切变，为此次过程提供辐合抬升条件。过程2与过程1类似，在青藏高原东部有一低槽向东南地区移动，影响湖南省，但此次过程的低槽强度较强、范围较广且移动缓慢，对应925 hPa高度场和风场，15日8时，湘中偏北存在一条弱的切变线，且逐渐加强南压，到16日8时在湘中偏南地区出现一个闭合低涡，因此过程2强降水的范围较过程1广，持续时间也较过程1长。

3  物理量诊断分析

3.1  水汽条件

两个过程850 hPa相对湿度、水汽通量和水汽通量散度的分布如图8所示。从水汽条件来看，对于过程1，7日8时，有一水汽通量辐合大值区位于湘西北，且存在一条从南海向其输送水汽的水汽输送带，最大辐合区强度小于-6×10-7 g/（cm2·hPa·s），配合湘北地区的湿区，为降水提供水汽辐合条件，到8日8时相对湿度大于95%的湿区范围扩大，辐合中心东移影响湘西南地区， 且强度加深， 达-7×10-7 g/（cm2·hPa·s），这与降水落区有较好的对应。对于过程2，15日8时，来自南海的水汽输送带较弱，大部分水汽来源于孟加拉湾地区，整个湘中及其以北地区都被相对湿度大于95%的湿区覆盖，水汽通量辐合区面积与过程1相比更大，到16日8时，尽管湿区范围缩小，但水汽辐合增强，在湘中偏西一带形成强的水汽通量辐合大值区，强度达-6×10-7 g/（cm2·hPa·s）。

2个过程700 hPa相对湿度、水汽通量和水汽通量散度的分布如图9所示。对于过程1，7日8时，有一水汽通量辐合大值区位于湘东，且存在一条从孟加拉湾向其输送水汽的水汽输送带，最大辐合区强度小于-3×10-7 g/（cm2·hPa·s），同时湘东地区的相对湿度也较大，达90%，到8日8时相对湿度大于90%的湿区范围扩大，辐合中心东移影响湘南地区，且强度加深，达-5×10-7 g/（cm2·hPa·s），这与降水落区有较好的对应。对于过程2，15日8时，整个湘中及其以北地区都被相对湿度大于90%的湿区覆盖，水汽通量辐合区面积与过程1相比更大，到16日8时，水汽辐合增强，在湘中偏西一带形成强的水汽通量辐合大值区，强度达-5×10-7 g/（cm2·hPa·s）。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。总的来说，尽管低层850 hPa水汽辐合较强且相对湿度值较大，但700 hPa水汽辐合的时空分布特征与强降水的时空分布特征基本吻合，可见700 hPa的水汽是两次区域性暴雨的主要输送源。

3.2  动力条件

动力抬升是暴雨发生的触发条件，系统性的上升运动有利于暴雨天气的发生和维持[8]，从涡度、垂直螺旋度和散度来分析此次过程的动力条件，沿着两次过程的强降水中心3个物理量的时间高度剖面如图10所示。对于过程1（图10a），从散度场可以看到在强降水发生期间，700 hPa以下为辐合层，但强度较弱，500 hPa以上为显著的散度正值区，其中8日8时的散度能够达4×10-5 g/（cm2·hPa·s），表明有强烈的辐散。这种低层辐合高层辐散的配置有利于垂直上升运动的发展。同时，垂直螺旋度的指标也与暴雨的发生高度吻合，垂直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，在500～600 hPa有正的垂直螺旋度，在高层550 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，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[8，21-23]。对于过程2（图10b），从散度场可以看到在强降水发生期间，850 hPa以下为辐合层，强度较过程1明显加强，700 hPa以上为显著的散度正值区，这种低层辐合高层辐散的配置有利于垂直上升运动的发展。同时，垂直螺旋度在强降水发生时刻都表现为明显的正值，尤其是在16日8时前后，整层都表现为显著的垂直螺旋度正值区，在600 hPa处出现-100×10-6 m/s2的大值中心，强度明显大于过程1。两次过程的动力条件分析表明，暴雨期间的低层辐合有旋转上升气流、高层辐散存在强烈的旋转下沉气流，对暴雨的发展和维持起重要作用。

3.3 热力条件和不稳定能量特征

由大气层结△θse（500～850 hPa）的时间经向剖面（图11）可以看出，2个过程的强降水大气层结相似，30°N以北△θse（500～850 hPa）>0 ℃，表明大气层结处于对流稳定状态，在低层没有明显的不稳定能力存在，大气层结稳定，这种稳定的大气层结不利于对流的发展，30°N以南，△θse（500～850 hPa）都小于0 ℃，过程1△θse（500～850 hPa）达-12.5 ℃，过程2△θse（500～850 hPa）达-10 ℃，表明大气都处于对流不稳定的状态，这种不稳定的大气层结极易发生强降水。值得一提的是，两次过程△θse（500～850 hPa）的负值中心皆位于暴雨最强时段之前，表明△θse（500～850 hPa）小于0 ℃这一指标对两次暴雨过程的预报预警有较好的指示意义。

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伴随强的对流降水[8]，结合假相当位温（θse）和垂直速度沿112°E的垂直剖面（图12）来分析两次过程的热力条件。对于过程1，在25°N以北θse等值线相当密集，能量锋区较强，在湖南省呈随高度的增加而减少的趋势，表明有不稳定能量在积累。锋前为一致偏南风，但强度不强，有一定的上升运动，一方面将暖湿气流带到高空，积累不稳定能量，另一方面还能够为强降水的发生提供动力条件。对于过程2，同样在25°N以北有θse等值线密集区，但密集程度不如过程1，表明能量锋区较过程1弱。锋前偏南风强盛，伴有较强的上升运动，强的上升中心值高达-3 Pa/s，将暖湿气流带到高空，积累不稳定能量，为强降水的发生提供动力条件。

K指数[K=（T850 hpa-T500 hpa）+Td850 hpa-（T-Td）700 hpa]能够反映大气的层结稳定状况，K指数越大表明层结越不稳定。两次过程K指数的时间演变如图13所示，对于过程1，在暴雨发生区域（24.5°N―27.0°N）K指数在全降水时段皆超过了36 ℃， 7日20时至8日20时K指数超过37 ℃，表明过程1层结不稳定，能量条件较好。对于过程2，K指数明显小于过程1，全降水时段K指数都未超过36 ℃，大部分地区K指数较小，说明尽管大气中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。

4  小结

本研究利用NCEP/NCAR分辨率1°×1°的再分析资料，从环流形势、水汽、动力以及不稳定层结4个方面，对2015年11月发生在湖南省两次典型秋冬季暴雨天气过程进行对比分析，得到以下结论。

1）两次暴雨过程与异常的大尺度环流背景有关。副高面积和强度指数皆是近35年中的极大值，当副高面积偏大强度偏强时，有利于水汽沿着副高西南侧汇入湖南省，极涡的强度较常年平均异常偏强，使得冷空气强度偏强，南下的强冷空气与北上的暖湿气流交汇，引发强降水天气过程。

2）地面倒槽和中低层低涡切变是两次强降水过程的主要影响系统，但强度、范围和持续时间有差异。过程2地面倒槽强度较强、范围较广且移动缓慢，对应中低层低涡切变强度较大，过程1地面倒槽和中低层低涡切变无论是强度、范围还是持续时间都不及过程2，因此过程2强降水的范围与过程1相比更广，持续时间也较过程1长。

3）在水汽方面，尽管低层850 hPa水汽辐合较强且相对湿度较大，但700 hPa强的水汽辐合的时空分布特征与强降水的时空分布特征基本吻合，可见700 hPa的水汽是两次区域性暴雨的主要输送源。过程1水汽主要来源于南海，过程2来源于孟加拉湾，且水汽条件强于过程1。

4）两次过程的动力条件分析表明，暴雨期间的低层辐合有旋转上升气流、高层辐散存在强烈的旋转下沉气流，对暴雨的发展和维持起重要作用。对比两次过程的动力条件，过程1垂直上升运动区向上延伸的高度更高，低层辐合层深厚，过程2垂直上升运动、辐合辐散配置较浅薄，主要集中在中低层。

5）过程1能量锋区较强，有不稳定能量在积累，锋前为一致偏南风，但强度不强，有一定的上升运动，上升运动一方面将暖湿气流带到高空，积累不稳定能量，此外能够为强降水的发生提供动力条件。过程2主要以稳定性降水为主，不稳定能量条件较过程1弱。

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