湘北地區2014年7月12～18日暴雨天氣過程技術總結

謝新權，田澤蕓，胡 饒

(湖南省常德市氣象局，湖南常德 415000)

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湘北地區2014年7月12～18日暴雨天氣過程技術總結

謝新權，田澤蕓，胡 饒

(湖南省常德市氣象局，湖南常德 415000)

2014年7月12～18日澧水流域、沅水流域上游及湘北連續出現強降水，由于降水持續時間長，強降水時段集中，導致嚴重的暴雨洪澇災害。針對這次天氣過程，通過對探空資料、地面自動氣象站觀測資料、FNL再分析資料和FY-2E衛星資料等分析，結果表明，夏季東亞大槽的建立與維持，西南低渦東移和副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流的相互配置引發了這次強降水；TBB低值帶與強降水區域有很好的對應關系；西南渦東移路徑上地面潛熱通量的加入促進西南渦發展，增強降水；強降水過程中湘北地區K指數維持28 ℃，假相當位溫維持76 ℃，以上閾值可作為湘北強降水發生的閾值；低空螺旋度維持30×10-8hPa/s2，高空螺旋度維持-30×10-8hPa/s2，可作為湘北地區強降水動力條件閾值；低層大氣受渦度平流和輻散影響為正值層，高層大氣受平流項影響為負值層，有利于大氣動力對流加強；分析視熱源發現，低層暖源、高層冷源有利于熱對流活動。

暴雨；成因；天氣形勢；物理量；渦度收支；視熱源

暴雨是湖南汛期面臨最為嚴重的氣象災害之一，常伴隨洪澇災害以及泥石流、山體滑坡等次生災害[1]，提高暴雨監測、預測能力是國家防災減災的重大需求[2]，對暴雨的預報和研究也是氣象工作者長期關注的重點內容。近些年來，很多氣象工作者通過各種統計分析和數值模擬解釋暴雨發生的物理機制[3-4]。湘北地區的暴雨主要由臺風、西南渦、低層切變線等系統引起的，其中西南渦東出造成的暴雨在所有造成湘北暴雨的個例中占有很大比重。有關西南渦的研究表明，西南渦東移后，配合西南季風涌帶來的充沛水汽和不穩定能量將直接導致當地產生暴雨[5]。趙玉春等通過數值模擬指出，高原渦東移在四川盆地受地形影響誘發西南渦，降水凝結潛熱的加入才能使得西南渦充分發展[6]。另外，渦度收支也常用于對氣旋系統的研究[7]，有很多氣象工作者對此作了大量研究，得到很多用渦度收支解釋中尺度系統發展演變的成果[8-10]。常德地處湖南北部，境內有澧水和沅水兩大水系，強降水過程對兩大水系帶來嚴重影響，威脅到當地居民人身財產安全。2014年7月12～18日暴雨天氣過程造成湘北沅水流域持續超警戒水位，大量農田、房屋被淹，居民被轉移安置，災情嚴重，直接經濟損失達8 071.5萬元。筆者將從水汽條件、動力條件、渦度收支及視熱源等角度來分析這次暴雨過程，以期為湘北的暴雨預報提供有一定指示意義的物理量。

1 資料與方法

云頂相當黑體溫度(TBB)為FY-2E衛星9210格式逐日等經緯度資料，分辨率為0.1°×0.1°。常規探空資料、地面自動氣象站常規資料、物理量場用于分析天氣形勢場、物理診斷量、渦度收支、視熱源。FNL全球再分析資料分析水汽條件、螺旋度、地面潛熱通量(垂直方向分26層，水平分辨率為1°×1°的逐6 h資料)。選擇石門、常德、漢壽分別代表常德市北部、中部、南部。

2 降水實況和天氣形勢

2.1 降水實況2014年7月12～18日貴州至湘北一帶連續出現了強降水過程，過程累積降水量達100.2 mm。貴州境內普降大到暴雨，局部大暴雨，懷化境內累積降水量為162.6 mm，吉首境內累積降水量高達230.6 mm，張家界境內累積降水量為120.1 mm。

降水過程具有以下特點：①持續時間長。12～18日長江流域不間斷產生降水，強降水以黔東和湘西北為中心。12日強降水發生在湘西地區，湖南省吉首普降大雨，部分地區暴雨，湘北地區也產生強降水，13日湘西、湘北降水減弱，14～15日強降水主要在沅水流域上游和湘西一帶，吉首和懷化部分地方降水量達200 mm以上。16日晚隨著西太平洋副熱帶高壓緩慢西伸北抬，西北側的低渦切變系統也隨之緩慢東移北抬，強降水北抬至湘北，湘北澧水流域上游張家界出現大暴雨。17日強降水主要在湘西北及湘北，澧水流域普降暴雨，部分地區大暴雨。②強降雨時段集中，該降水過程，湘北地區過程累計降水量主要貢獻時段為16～17日。此輪降雨過程中，最大降雨量達60.6 mm/h。

2.2 天氣形勢分析2014年7月12～18日500 hPa平均位勢高度場(圖1)，中高緯為兩槽一脊型，烏拉爾山為低槽區，貝加爾湖為高壓脊，鄂霍次克海-雅庫茨克地區存在低渦，亞洲東岸為槽區，我國東部受到貝加爾高壓脊前和東亞低槽槽后控制，這種環流形勢有利于北方冷空氣南下至長江流域。西太平洋副熱帶高壓西脊點在26°N附近，副熱帶高壓強盛，有利于西南水汽沿副熱帶高壓外圍深入內陸。

湘北地區12日和16日分別為2次強降水時段，13日有短暫間歇，以下分別分析12日和16日08：00天氣系統。 12日(圖2a)，500 hPa槽線平直，經向度小，850 hPa重慶地區上空存在低渦切變，切變線沿著長江流域分布，從重慶延伸至安徽境內，西南渦沿切變線東移對湘北產生影響；副熱帶高壓外圍西南急流強盛，急流北端延伸至安徽境內，常德市處于低空急流左側；地面有弱冷空氣滲透南下。綜合分析可見，12日的降水主要受到西南渦東移、低空切變線和地面弱冷空氣共同作用而產生。16日(圖2b)，湖南省處于500 hPa南支槽前，短波槽經向度較大，副熱帶高壓減弱南退，副熱帶高壓外圍西南急流出口由安徽南退至常德市上空；850 hPa低空急流出口左側強烈輻合，配合地面南下冷空氣，產生強烈上升運動，結合充沛水汽條件導致16日強降水。16日累計降水量較12日大，一方面由于500 hPa槽更深，經向度增大，且850 hPa低空急流出口左側剛好在常德市上空，另一方面地面冷空氣更強，增強了大氣的斜壓性，動力抬升條件更有利，因此更有利的高低空系統配置導致16日降水更強。

3 TBB對強降水的響應

從7月12～14日湖南上空TBB空間分布(圖3)可知，TBB低值區呈西南—東北走向的帶狀分布，強雨帶也是西南—東北走向的帶狀分布，二者空間分布保持一致。從圖4可知，12日常德地區北部澧水流域TBB<-10 ℃，中部地區、南部地區TBB約-20 ℃。結合圖1分析，12日北部站點石門站累計降水量約為18 mm，中部站點常德累計降水量約21 mm，南部漢壽日累計降水量達40 mm，可見TBB值越低，對應站點的降水量越大。13日為降水間歇期，對應的圖4中TBB值明顯升高，升高約20 ℃左右；14日降水增強，圖3c中各站TBB值下降至-20 ℃。圖4中TBB變化呈現近似一個周期正弦曲線結構，有一個波峰和波谷，圖5中3站降水變化也呈現近似單周期的正弦曲線結構。13日TBB值處于波峰，對應降水間歇期；15日TBB值處于波谷，日累計降水處于高值。從強度分析，最小TBB值發生時段為15日，而最強降水發生時段為16日，TBB最低值時間超前于最強降水發生時間，這可能與大氣強對流活動有關。TBB最低值對應時段對流活動最強，強烈的上升運動，一方面導致云頂高度達到很高的位置，云頂黑體亮溫很低，另一方面強烈的上升運動不利于雨滴的下落，因此當對流活動減弱后，云頂塌陷，TBB回升，被強上升氣流托舉的大量雨滴降落。

4 物理量診斷分析

4.1 水汽條件分析由圖6可見，整個長江流域為高濕區，比濕已超過10 g/kg，湘北地區比濕已超12 g/kg；分析水汽通量散度場可知，自西南向東北方向有一條帶狀水汽匯，湘西北為水汽匯中心，水汽通量散度值達-7 g/(cm2·hPa·s)。由于常德處于高濕區，同時有源源不斷的水汽進行輸送和補充，使得常德地區水汽條件特別好。

4.2 潛熱分析分析圖7可知，16日湖南地區有2個潛熱通量中心，一個在湘西，最大值達30 W/m2，另一個中心在湘北地區，潛熱通量最大值達35 W/m2。潛熱是水汽凝結為水滴而向大氣釋放的熱量，潛熱通量中心也應對應著強降水中心。潛熱通量大表明加熱大氣程度越強，增加大氣總能量。趙玉春等研究指出潛熱通量能夠使得其上空的西南渦充分發展[6]。16日西南渦東移至湘北地區，湘北地面潛熱通量較強，潛熱的加入促進西南渦發展，促進降水強度增強，據實況降水顯示，湘北地區16日為強降水主要集中時段，很好地驗證以上結論。

4.3 K指數和假相當位溫由圖8a可見，16日湘北地區CAPE值約700 J/kg，CAPE大值帶呈西南—東北走向，最大值處在湖北東北部，為1 700 J/kg，對流活動強盛。從圖8b可知湘北地區K指數維持28 ℃，貴州東部、湘中一線甚至達36 ℃以上，強降水區域的K指數均高于28 ℃；分析假相當位溫可知湘北地區維持76 ℃，貴州和湖南均大于76 ℃，處于高能區，也是強降水區。綜合以上可知，CAPE值、K指數、假相當位溫大值帶均呈現西南—東北走向，與強降水分布一致。16日為湘北強降水集中日，雖然CAPE值不大，但K指數和假相當位溫均很高，這些可作為湘北強降水暴發的物理診斷量指標，有一定指示意義。

4.4 螺旋度分析暴雨可由穩定性降水長時間維持而產生，也可由強對流性降水短時間內產生，夏季暴雨過程常包含以上2種降水。強降水需要強盛的垂直上升運動能將低層的水汽和能量向高空輸送，因此，動力抬升條件是暴雨云團一個基本影響因子。渦度是反映氣塊旋轉程度的物理量，垂直螺旋度可以綜合表征大氣在垂直方向上旋轉上升運動特征，以上二者對強對流天氣、暴雨等災害性天氣有一定的預報指示作用。從12日沿28.3° N 、105°～112° E做的垂直螺旋度垂直剖面圖(圖9a)可看出，垂直螺旋度呈下正上負分布，高低空分別存在極值中心，低層800 hPa為30×10-8hPa/s2的正中心，高層450 hPa 為-30×10-8hPa/s2的負中心，低層正、高層負的垂直螺旋度分布有利于垂直運動發展。16日沿29.44° N、108°～114° E做的垂直螺旋度垂直剖面(圖9b)顯示，垂直螺旋度也呈現下正上負的分布。可見，12、16日暴雨過程動力條件充足，垂直上升運動強，且維持時間長。

4.5 渦度收支分析從圖10可看到，降水區域的700 hPa以下主要受到渦度水平平流項A和渦度水平輻散B作用，形成渦度收支正值層，最大值約2×10-9s-2，其他兩項量級很小。從大氣低層一直到500 hPa均是正渦度；400～100 hPa為負渦度，最大值達-14×10-9s-2，主要貢獻項為平流項。通過分析，上述渦度垂直分布有利于高層增壓輻散、低層減壓輻合，從而促使中尺度對流云團的發展，也增強雨強，同時降水實況顯示16日為最強降水時段，可見這種渦度垂直分布對強降水的發生有很大的貢獻。

4.6 視熱源分析視熱源為單位質量空氣增溫率。由圖11可見，700 hPa以下，大氣受到局地變化和垂直輸送影響，為負層，850 hPa為最強負值層，值約為-3 K/12h；700～500 hPa視熱源逐漸變暖，500～300 hPa視熱源為強負層，400 hPa存在-8 K/12h的冷源，這種大氣中、高層干冷視熱源結構有利于大氣熱對流活動。綜合分析，視熱源主要受到平流項影響最大，局地變化的影響次之，垂直輸送項量級最小，中層相對暖、低層和高層為冷中心配置有利于對流發展。

5 結論和討論

(1)分析2014年7月12～18日湘北地區強降水過程的天氣形勢場發現，背景環流場中高緯為兩槽一脊型，貝加爾湖為高壓脊，有利于脊前北方冷空氣南下對長江流域產生影響。西太平洋副熱帶高壓西脊點在26°N附近，副熱帶高壓強盛，有利于西南水汽沿副熱帶高壓外圍向北輸送。夏季東亞大槽的建立維持，配合東移的西南低渦、低層風切變和副熱帶高壓外圍西南暖濕氣流引發了強降水，西南渦為這次中尺度強對流天氣過程的主要影響系統。強勁西南低空急流和水汽輻合提供水汽條件，地面冷空氣活動增強了大氣斜壓性。

(2)風云FY-2E 云頂相當黑體亮溫低值空間上與強降水有很好的對應關系，隨著TBB減小，大氣對流活動強烈發展，時間上TBB最小值時段超前于降水最強時段，這對預報強降水時段有一定指示作用。

(3)湘北處于水汽匯中，有利于水汽聚集，地面潛熱促進西南渦發展，促進降水加強，湘北地區強降水發生時K指數達28 ℃，假相當位溫達76 ℃，以上兩閾值可作為強降水發生的指標。

(4)分析湘北地區螺旋度垂直方向分布發現，高層負螺旋度、低層正螺旋度，這種高層大氣輻散、低層大氣輻合的配置提供良好的動力條件，低空螺旋度達30×10-8hPa/s2，高空螺旋度達-30×10-8hPa/s2，可作為湘北地區強降水動力條件閾值。

(5)分析常德地區上空渦度收支發現，中低層受渦度平流項和渦度散度項影響，渦度收支為正，最大值約2×10-9s-2，高層受渦度平流項影響為負值層，負值達-14×10-9s-2，這種渦度收支的垂直分布有利于高層增壓輻散、低層減壓輻合，從而促使中尺度對流云團的發展，也增強雨強；分析視熱源發現低層大氣受到局地變化項和垂直輸送項影響，為冷源，冷中心值為-3 K/12h。從700～500 hPa受局地項、平流項、垂直輸送項共同影響，視熱源逐漸增大至0 K/12h左右，500～300 hPa受平流項影響，存在-8 K/12h的冷源，這種中層相對暖、低層和高層冷的配置有利于熱對流發展。

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The Analysis of 12-18 July 2014 Rainstorm in North Hunan Province

XIE Xin-quan, TIAN Ze-yun, HU Rao

(Changde Meteorological Bureau, Changde, Hunan 415000)

The Li water basin, Yuan water basin and their upstream had been attacked by rainstorm during 12-18 July 2014. Because of a longtime and strong precipitation, severe floods happened. Aiming at the process, we make use of the detection data, the ground automatic weather station data, the FNL data, the FY-2E satellite data to analysis the cause. The results of the study shows that the establishment and maintenance of east Asian large tanks in summer along with the warm moist air and the southwest vortex eastward trigger the heavy rain; TBB low band has a good correspondence with the heavy rainfall area; The southwest vortex will develop to enhance precipitation, when the latent heat flux join; In Changde City, the K index maintained 28℃and the pseudo-equivalent temperature maintained 76℃ during rainstorm. So, these two indicators can be used as heavy rainfall threshold. The helicity of lower maintained 30×10-8hPa/s2, at the same time, the helicity of upper maintained -30×10-8hPa/s2. These two indicators can be used as dynamic threshold in Changde City; The lower atmosphere is influenced by the advection and divergence of vorticity as a positive layer, the upper influenced by the vorticity advection as a negative layer, it is conducive to the dynamic convection; Through research on vertical distribution of apparent heat source, it is founded that the lower works as the cold source, the middle works as weak warming source, the high-level works as strong cold source, the vertical distribution above is conducive to the heat convection.

Rainstorm; Cause; Weather situation; Physical quantity; Vorticity budget; Apparent heat source

謝新權(1975- )，男，湖南常德人，工程師，從事短期天氣預報方法研究。

2015-02-11

S 161.6

A

0517-6611(2015)09-221-04