懷化地區一次大暴雨過程兩個降雨階段對比分析

彭艷青，王 強，鞠亮亮，陳紅專，王光明

(湖南省懷化市氣象局,湖南 懷化 418000)

0 引言

暴雨在大部分時候是一種災害性天氣，持續時間長、強度大的暴雨可能會給人民生產生活帶來一定的影響甚至威脅到人的生命。一直以來暴雨都是預報業務的難點之一。以往有許多氣象工作者[1-10]對暴雨進行了全面的研究并得出了大量有意義的結論，其中姚蓉等[1]對2015年4月3日湖南出現的一次大范圍不同類型強對流天氣過程進行了分析，指出短時強降水發生時具有低質心和高效降水效率及列車效應特征；肖安等[2]對2016年華南地區一次大暴雨過程空報的原因進行了分析，指出假相當位溫(θse)等值線密集區(鋒區)偏北，不穩定能量弱，能量條件不利于繼續出現較強降水；陳紅專等[3]對湘西北一次大暴雨過程中尺度結構特征進行了分析，指出地面中尺度輻合線的維持和地形的阻擋有利于暖濕氣流的抬升。但是各個地方的暴雨指標不完全相同，且大家對一次過程的不同階段進行對比研究較少。因此，本文利用常規觀測資料、多普雷雷達資料、區域自動氣象站資料以及NCEP再分析資料，對懷化地區2018年6月19—22日大暴雨過程兩個不同的降雨階段進行對比分析，尋求有預報意義的指標，以期為今后的強降水天氣預報提供一定的參考依據。

1 天氣過程降雨特點

2018年6月19—22日懷化市中南部地區出現了一次暴雨、大暴雨天氣過程，此次過程最大累積雨量出現在懷化南部的會同站，達259.3 mm，最大小時降雨量也出現在該站，達79.7 mm(出現在6月19日22—23時)。從這次過程的降雨分布(圖1)來看，整個過程共持續了4 d，持續時間長、累積雨量大、降雨范圍廣，可分為兩個降雨階段：第一階段，19日和20日降水主要集中在懷化中南部地區；第二階段，21日和22日降雨主要集中在懷化中部偏西地區，且第一階段降雨范圍及累積雨量明顯較第二階段大。

圖1 2018年6月19—22日逐日雨量(a、19日，b、20日，c、21日，d、22日)和累積雨量(e、19日08時—23日08時)分布圖(單位：mm)Fig.1 Daily rainfall(a,19June,b, 20June,c, 21June,d,22June)and Cumulative rainfall from 19June to 22June2018(e) of Huaihua(unit: mm)

選取兩個降雨階段的代表性站點，對比兩站降雨時序圖(圖2)可以看出，兩個階段降雨都表現出明顯的短時強降水特點，第一階段洪江熟坪出現了4個時次小時雨強>20 mm的短時強降水，第二階段小時雨強>20 mm僅有兩個時次，持續時間較第一階段短。

圖2 2018年6月19日20時—20日20時洪江熟坪和6月22日20時—23日20時麻陽和平溪小時雨量時序圖(單位：mm)Fig.2 Hourly precipitation of Shu ping meteorological observation from 20∶00 BT 19June to 20∶00 BT 20June2018(a) and He ping xi meteorological observation from 20∶00 BT 22June to 20∶00 BT 23June2018(b)(unit: mm)

從兩個階段短時強降雨的分布(圖3)來看，第一階段短時強降雨分布范圍明顯較第二階段廣；第一階段在懷化中部略偏南的洪江、會同地區小時雨強達50～80 mm，第二階段沒有出現超過50 mm的短時強降雨，可見第一階段降雨強度較第二階段強。

圖3 兩階段短時強降雨分布圖(a、2018年6月19日08時—21日08時，b、6月21日08時—23日08時)Fig.3 The short-time strong rainfall distribution from 08∶00 BT 19June to 08∶00 BT 21June2018 (a)and the short-time strong rainfall distribution from 08∶00 BT 21June to 08∶00 BT 23June2018(b)

2 大尺度環流背景

在懷化強降雨發生前，2018年6月18日20時，從貴州到兩湖地區有地面倒槽強烈發展。19日08時，歐亞中高緯為兩槽一脊形勢，西槽在西西伯利亞，東槽由東北向南伸展，兩槽之間是深厚的脊向北伸展；在中低緯，500 hPa上，副高588線退居海上，在副高北側的河南經湖北東部到湖南東部一帶有高空槽東出，懷化處在槽后西北氣流中，700 hPa為西南氣流控制，850 hPa西南急流從廣西向湖南北部地區一直伸展到湖北東部地區，懷化站風速達16 m/s，在湖北東部到湖南西北部有一條冷式切變線存在，925 hPa切變線位置與850 hPa切變線接近，且在廣西、湖南地區有大于10 m/s超低空急流存在，低層西南急流存在為強降雨提供充足的水汽和能量條件，同時地面有冷空氣堆積在河套地區，冷鋒位于東北地區，在高空偏北氣流引導下，地面冷空氣南下，侵入倒槽，導致在江蘇南部、安徽南部及湖北東南部到湖南西北部及貴州一帶形成準靜止鋒，觸發對流發展，準靜止鋒位置與850 hPa及925 hPa切變線位置接近，較強降雨出現在各層系統重疊的湖北西南部、湖南西北部地區。隨著各層系統逐漸東移南壓，雨區也隨之東移南壓。到20日08時(圖4a)，500 hPa高空槽東移至安徽到江西一帶，700 hPa仍為西南氣流控制，850 hPa、925 hPa切變線以及地面準靜止鋒南壓至懷化南部地區，此時由于冷暖氣流勢力相當，各層系統維持時間較長，強降雨在懷化南部地區一直維持到21日08時。

6月21日20時(圖4b)，500 hPa南支槽在貴州中部發展，懷化處在槽前西南氣流中，副高加強西伸至沿海一帶，700 hPa為一致的西南氣流，850 hPa切變線北抬至懷化北中部地區，地面準靜止鋒隨著地面高壓的變性而消失，湖南處在地面變性高壓底后部，強降雨主要集中在850 hPa切變線附近，由于地面無冷空氣配合，加之中低層風速較小，切變也由南北風冷式切變轉為偏南風與偏東風切變，輻合強度明顯減弱，這一階段的降雨強度也較第一階段明顯減弱，隨著副高進一步西伸北進，低層切變也隨之北抬，雨帶北移減弱。到23日整個降雨過程結束。

圖4 2018年6月20日08時(a)和2018年6月21日20時形勢配置圖(b)Fig.4 analysis of weather situation at 08∶00 BT 20June2018(a) and 20∶00 BT 21June2018

3 環境場條件分析

3.1 水汽條件

通過對各層次的水汽條件進行分析，發現925 hPa的水汽通量與水汽通量散度對這次過程降水落區及強度有更佳的指示意義，這次過程的水汽主要從孟加拉灣經西南氣流輸送而來，來自孟加拉灣較強的水汽通道一直維持到6月22日20時。

第一階段，19日20時(圖5a)，懷化中南部地區925 hPa比濕均在16～18 g/kg以上，這一帶水汽通量相對較大，南北兩支氣流在這一帶交匯，導致這一帶水汽高度集中，形成-10×10-5g·cm-1·hPa-1·s-1的強水汽通量輻合中心，位于該中心附近的懷化南部會同、洪江地區出現了較強降雨，會同站小時雨強達79.7 mm；20日02時(圖5b)，水汽通量大值區及水汽通量輻合中心略有減弱南壓，雨帶隨之略有減弱南壓，到21日02時(圖5c)水汽通量大值區及水汽通量輻合中心移至懷化南部與貴州、廣西交界一帶，強降雨區隨之移動；這一階段中，16～18 g/kg比濕大值區、水汽通量大值區及水汽通量輻合中心在懷化南部地區維持時間長，使得這一帶水汽充沛，造成這一帶持續強降雨的出現。

第二階段，22日20時(圖5d)，降水集中地區925 hPa比濕在16～18 g/kg，水汽輸送較第一階段弱，水汽集中程度也較第一階段小，到23日08時，水汽輸送與集中程度進一步減弱，降雨過程隨之減弱并趨于結束。

對比兩階段水汽條件，第一階段比濕大值區、水汽通量大值區及水汽通量輻合中心在懷化南部維持時間較第二階段長，且水汽輸送與集中程度較第二階段強，導致第一階段降雨強度較第二階段強、強降雨持續時間較第二階段長。

3.2 能量條件

在暴雨發生前，地面倒槽發展，有利于對流層低層增溫增濕和不穩定能量積累。第一階段，19日20時(圖6a)，850 hPa假相當位溫(θse)等值線密集帶(鋒區)位于湘中偏北及懷化北部地區，能量鋒區較強，有利于觸發強對流天氣，懷化中南部地區假相當位溫在358K以上，位于能量鋒前的高能舌區內，且這一帶850 hPa與500 hPa假相當位溫差(Δθse850-500)達12～16 K，層結極不穩定，強降雨就發生在能量鋒前高溫高濕的不穩定層結中，21日08時之前，懷化南部一直處在能量鋒前的高能舌內，Δθse850-500在8 K以上，對應了第一階段懷化南部持續強降雨天氣，21日08時之后，由于強降雨導致能量釋放，能量鋒區明顯減弱，高能舌的強度也減弱，第一階段降雨結束。

第二階段，22日20時(圖6b)，能量鋒區位于湖北及湘東北地區，懷化中部略偏西一帶假相當位溫為352～354 K，這一帶Δθse850-500在2～4 K，高能舌維持時間較短、不穩定能量較第一階段偏弱，且能量鋒區位置偏北，導致這一階段強降水持續時間較第一階段短，降水強度也較第一階段弱。

3.3 動力條件

由于這次過程的兩個階段強降雨都出現在110°E附近，因此對散度和垂直速度沿110°E的經向垂直剖面進行分析。第一階段，20日02時(圖7a)，強降水集中的懷化中南部地區(實心三角形標記處)，700 hPa以下為負散度，約為-3×10-5s-1，700 hPa以上為正散度，為“低層輻合、高層輻散”結構，同時這一帶垂直上升速度達0.6 Pa/s，強上升氣流伸展高度達400 hPa以上；第二階段； 22日20時(圖7b)，強降水集中的懷化中部偏西地區(實心方框標記處)，700 hPa以下為輻合區，700～

圖5 925 hPa水汽通量(矢量箭頭，單位： g·cm-1· hPa-1·s-1)、水汽通量散度(色斑，單位：10-7g·cm-2· hPa-1·s-1)和比濕(等值線，單位：g/kg)疊加圖(a、19日20時，b、20日02時，c、21日02時，d、22日20時)Fig.5 Water vapor flux(Vector arrow，unit: g·cm-1· hPa-1·s-1) and its divergence (Coloring,unit: 10-7g·cm-2· hPa-1·s-1)and Specific humidity(Contour,unit: g/kg) at 925 hPa (a,20∶00 BT 19June b,02∶00 BT 20June c,02∶00 BT 21June d,20∶00 BT 22June)

圖6 850 hPa假相當位溫(等值線，單位：K)及其與500 hPa假相當位溫差(Δθse850-500，色斑，單位：K)疊加圖(a、19日20時，b、22日20時)Fig.6 Potential pseudo-equivalent temperature at 850 hPa (Contour,unit:K) and Δθse850-500 (Coloring,unit: K) (a,20∶00 BT 19June b,20∶00 BT 22June)

400 hPa為輻散區，400～200 hPa為弱輻合區，結構較為復雜，雖然這一帶垂直上升速度達0.6 Pa/s，但強上升氣流伸展高度僅達600 hPa。可見，在一定的水汽與熱力條件下，低層輻合、高層輻散的動力結構更有利于動力抽吸及強降雨的持續，同時，垂直上升速度大值區伸展高度與降水強度也有一定的對應關系。

為進一步分析降雨區上空的上升運動，分別選取兩階段中降水較集中時次，分析沿110°E經向垂直環流剖面，第一階段，19日20時(圖8a)，在20～28°N，有一垂直環流,在22～28°N為垂直環流的上升支，而懷化中南部地區(26～27°N之間)正處于該上升支中，上升氣流將低空暖濕氣流向上輸送，有利于對流不穩定發展，在這一階段的強降雨中，環流中心北側的上升支能達到200 hPa以上高度；第二階段，23日02時(圖8b)，垂直環流位于26～31°N，懷化中部地區(27～28°N)處于該垂直環流上升支中，但這一階段降水區上升支只能達到500 hPa的高度。

由上述分析可見，強降水區往往出現在垂直環流的上升運動支，且該上升運動支能達到的高度與降水強度有一定的關系。

圖7 散度(等值線，單位：10-5·s-1)和垂直速度(色斑，單位：Pa/s)沿110°E經向垂直剖面(a，20日02時；b，22日20時)Fig.7 The divergence(contour，unit：10-5·s-1)and vertical velocity(Coloring，unit: Pa/s) along 110°E longitudinal section(a,02∶00 BT 20June b,20∶00 BT 22June)

圖8 19日20時(a)及23日02時(b)沿110°E的v-ω合成流場(v，單位為m/s；ω放大50倍，單位為Pa/s；灰色陰影為地形)Fig.8 The vertical cross section of v-ω synthetic flow field along 110°E(v,unit:m/s ；ω, Magnified 50 times，unit:Pa/s；Grey shadow area was terrain)(a, 20∶00 BT 19June b,02∶00 BT 23June)

4 中尺度特征分析

4.1 中尺度濾波分析

為了研究疊加在大尺度環流場上的中尺度擾動，基于Barnes濾波原理，設計一套中尺度濾波方案，濾去低通濾波場得到中尺度流場。

濾波前的200 hPa流場上，6月20日02時—23日08時懷化均受偏北氣流控制，無明顯的輻散中心。濾波后，第一階段，6月19日08時，在湘北出現一條東西向的輻散帶，20日02時(圖9a)，輻散帶移到湘中偏南地區，懷化南部的會同地區正處在該輻散帶上，20日14時，輻散范圍減小；第二階段，22日20時(圖9b)，湘中地區出現輻散帶，懷化中部地區正處在氣流的輻散區內。

濾波前的850 hPa流場上，第一階段，19日20時，在湖北東部有一個低渦，切變線呈東北—西南向經湘東北到達懷化北部地區，20日02時位于懷化地區的切變線消失，懷化中南部受西南氣流控制；第二階段，22日20時，在湘西北及懷化北部地區存在偏東風與偏南風的氣流輻合區。濾波后，19日20時，湘東北到懷化北部及貴州東南部到懷化南部分別有一條中尺度輻合線生成，20日02時(圖9c)，兩條輻合線逐漸合并，位于200 hPa輻散帶附近，處于200 hPa輻散帶與850 hPa輻合帶之間的懷化南部地區出現了強降雨；22日20時(圖9d)，在湘西北、湘東北、湘中及貴州東部各存在一個中尺度渦旋，處在各渦旋之間的懷化北中部地區有一條中尺度輻合線生成，與此時200 hPa輻散帶相交，懷化中部地區正處于相交區域內，出現了較強降雨。

從中尺度濾波分析可以發現，對流層低層的中尺度輻合線是造成這次強降雨過程的主要中尺度系統，高層輻散氣流起到明顯的抽吸作用，形成低層輻合，高層輻散的形勢，有利于中尺度系統發生發展，強降雨出現在850 hPa中尺度輻合帶與200 hPa中尺度輻散帶之間。

4.2 地面輻合線

邊界層輻合線是強對流天氣重要的觸發系統，分析地面圖(圖10)，第一階段，6月19日08時—20日08時懷化地區一直有一條輻合線(準靜止鋒)存在并自北向南移動，且其移動速度較為緩慢，強降水位置與輻合線對應較好。而第二階段，地面并無輻合線生成，這也導致了這次過程第一階段降雨強度較第二階段強。

圖9 Barness帶通濾波后的200 hPa (a、b，藍色線條為輻散帶)和850 hPa (c、d，紅色線條為輻合帶)中尺度流場(ac：2018年6月20日02時，bd：2018年6月22日20時)Fig.9 Mesoscale flow field by barness bandpass filter on 200 hPa (ab,The blue line is the divergence zone) and on 850 hPa (cd,The red line is a convergence zone) (ac,02∶00 BT 20June bd，20∶00 BT 22June)

圖10 2018年6月19日08時—20日08時間隔6 h地面輻合線(準靜止鋒)位置Fig.10 The ground convergence line (quasi stationary front) interval 6 hours from 08∶00 BT 19June to 08∶00 BT 20June2018

4.3 雷達回波特征分析

第一階段，6月19日22時，強降雨回波在會同地區發展并維持，組合反射率回波圖(圖11a)上，從貴州東部到懷化南部會同縣延伸出一條狹長的帶狀回波，反射率中心強度在45～50 dBz以上，強回波中心亦呈帶狀，反射率因子梯度大，回波帶呈準東西向移動；對應時次1.5°(圖11b)、2.4°(圖略)、3.4°(圖11c)仰角基本徑向速度圖上可以看到，強回波帶上空有輻合存在，且輻合抬升的伸展高度較高，有利于回波的生成和發展；沿線狀回波移動方向做剖面(圖11d)，有6個質心高度在4 km左右的對流單體呈線狀排列，其中心強度均在45 dBz以上，表現出明顯的“強回波低質心”特征，具有高效的降雨效率，對流單體移動方向與線狀回波帶移向基本平行，形成明顯的“列車效應”，加之風暴徑向移速僅為2 m/s，使得降雨單體依次經過會同地區，強降雨在同一地區高度疊加，致使會同縣出現了小時雨強達79.7 mm短時強降雨天氣。

第二階段降雨回波呈片狀分布，以中心強度為45 dBz左右的層積混合降雨回波為主，降雨強度較第一階段明顯減弱，但在懷化中部偏西的芷江、麻陽地區有出現小時雨強30 mm左右的短時強降雨天氣，從6月23日06時43分組合反射率圖(圖12a)上芷江、麻陽有45 dBz左右的強回波發展，在其上空0.5°仰角基本徑向速度圖(圖12b)對應有輻合存在，且4.3°仰角(圖12c)有輻散與之對應，中高層的輻散抽吸作用和低層輻合使得芷江、麻陽處回波加深發展，垂直剖面圖(圖12d)上高強度低質心回波特征，給芷江、麻陽帶來高效率的降雨，但是整個回波向北移動較快，無法在同一地區形成持續性強降雨，所以此階段累積降雨較第一階段弱。

圖11 懷化雷達站2018年6月19日22時24分組合反射率(a，單位：dBz)、1.5°(b)及3.4°(c)仰角雷達基本徑向速度圖(單位：m/s)、沿線狀回波移動方向剖面圖(d)Fig.11 Composite reflectivity factor(a,unit: dBz),Radial velocity at 1.5°(b) and 3.4°(c)elevation (unit: m/s),vertical cross section of radar reflectivity along moving direction of echo (d)of Huaihua radar station at 22∶24 BT 19June 2018

圖12 懷化雷達站2018年6月23日06時43分組合反射率(a，單位：dBz)、0.5°(b)及4.3°(c)仰角基本徑向速度圖(單位：m/s))、垂直剖面圖(d)Fig.12 Composite reflectivity factor(a,unit: dBz),Radial velocity (unit: m/s) at 0.5° elevation(b) and at 4.3°elevation(c),vertical cross section of radar reflectivity (d)of Huaihua radar station at 06:43 BT 23June 2018

5 結論

①總體來說此次強降雨天氣過程具有強度強、持續時間長、累積雨量大、降雨范圍廣等特點；具體分析來看，這次過程可以分為兩個階段，對比兩階段降雨，發現第一階段累積雨量更大、短時強降水強度更大、持續時間更長、分布范圍更廣。

②第一階段主要影響系統為850 hPa及925 hPa切變線與地面準靜止鋒，為鋒面降雨，而第二階段主要影響系統為南支槽、850 hPa及925 hPa切變線，表現為暖區降雨特點。

③強降雨出現在925 hPa比濕大于16 g/kg區域與水汽通量大值區及水汽通量輻合區疊加的區域。

④第一階段能量鋒前高溫高濕的不穩定層結有利于強降水的發生，第二階段能量鋒區位置偏北，不穩定能量較第一階段弱，因此降水強度較第一階段弱。

⑤低層輻合、高層輻散的結構更有利于動力抽吸及強降雨的持續，且垂直上升速度大值區伸展高度與降水強度有一定的對應關系；強降雨區往往出現在垂直環流的上升運動支，且該上升運動支能達到的高度與降水強度有一定的對應關系。

⑥中尺度濾波實驗能較好的分離出中尺度系統，對流層低層的中尺度輻合線是造成這次強降雨過程的主要中尺度系統，高層輻散氣流起到明顯的抽吸作用，形成低層輻合，高層輻散的形勢，有利于中尺度系統發生發展，強降雨出現在850 hPa中尺度輻合帶與200 hPa中尺度輻散帶之間。地面輻合線(靜止鋒)為這次過程第一階段的觸發系統。

⑦兩階段的雷達回波均表現出強回波低質心特征，單體最大強度達45～50 dBz以上，強回波中心高度位于4 km高度附近，但第一階段出現明顯“列車效應”、風暴徑向移速較慢，因此降水強度更大、持續時間更長。