湖南省深秋一次罕見持續性暴雨過程診斷分析

劉紅武 唐林 廖春花

摘要：利用常規氣象觀測資料和NCEP 1°×1°再分析資料，對2014年10月27日至11月1日發生在湖南省中北部的一次罕見持續性暴雨天氣過程進行了綜合分析。結果表明，副高強度及其位置、孟加拉灣低槽活動情況及東高西低形勢是引起此次暴雨天氣過程的大尺度環流背景;高層輻散、低層輻合及強烈的上升運動為暴雨的發生提供了有力的動力抬升條件;低空西南急流的建立和維持為暴雨的產生提供了充沛的水汽條件。整個強降水過程冷空氣活動較弱，暴雨主要發生在西南急流左側的水汽輻合區。此次深秋暴雨集中發生在2個階段，第一個階段發生在東路冷空氣影響下的大氣層結穩定狀態下，持續時間長;第二個階段則是西路冷空氣入侵，是在對流不穩定狀態下產生的持續時間短。

關鍵詞：深秋暴雨;西南低渦;高低空急流;罕見;湖南省

中圖分類號：P446 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）15-0037-07

Abstract： Based on the conventional meteorological observation data and 1 °× 1 ° NCEP reanalysis data， a comprehensive analysis of a rare continuous heavy rain weather process occurred in the central and northern Hunan province from October 27 to November 1 was carried out， 2014. The results showed that the intensity and location of the subtropical high， the activity of the low trough in the Bay of Bengal， and the east-west high-low situation were the large-scale circulation backgrounds that caused the heavy rain process; The high-level divergence， low-level convergence and strong ascending motion provided powerful dynamic lifting conditions for the rainstorm; The establishment and maintenance of the low-level southwest jet provided abundant water vapor conditions for the rainstorm. During the whole heavy rainfall process， the cold air activity was weak， and the rainstorm mainly occured in the water vapor convergence area on the left side of the southwest jet. The heavy rain in late autumn mainly occured in two stages. The first stage was the stable atmospheric stratification under the influence of the cold air from the east road， with a long duration; The second stage was the invasion of the cold air from the west road， with a short duration under the convective instability.

Key words： heavy rain in late autumn; southwest low vortex; high and low jet; uncommon; Hunan province

湖南省屬亞熱帶季風性濕潤氣候類型，受東亞季風影響，是中國暴雨多發省份之一。湖南省雨季一般集中在4—6月，春季和夏季暴雨日數和日平均降水較多，而秋季和冬季降水較少[1]，對暴雨的研究也基本集中在4—9月的汛期，極少涉及秋季暴雨的研究。

近年來，已有不少學者對秋季暴雨的形成機理進行了一些研究分析， 孫欣等[2]對遼寧省秋季一次暴雨天氣進行了診斷分析，指出中尺度氣旋、高低空急流、次級環流上升支、地面高水汽含量濕區、高假相當位溫出現的時間、強度、位置和結構決定了暴雨的時間與落區;馮建民等[3]對干旱區一次連陰雨過程中暴雨天氣的多普勒雷達圖像進行了分析，發現4條多單體回波帶和1條颮線由西南向東北方向移動的“列車效應”是暴雨形成的主要原因，同時多單體回波帶和颮線存在明顯差異;劉勇等[4]對陜西省中南部一次秋季連陰雨中區域性暴雨成因進行了分析，發現暴雨系統的層結特征與夏季暴雨相比有明顯的差異，低層鋒區附近的強水汽輻合是秋季區域性暴雨產生的主要機制;胡淑蘭等[5]從天氣學角度分析了2005年陜西省秋季連陰雨中暴雨天氣的天氣特征，認為其強度和落區與中尺度擾動有密切關系; 郁淑華[6]、陳麗芳等[7]強調了低空急流產生的強水汽輸送和動力不穩定對秋季連陰雨中暴雨形成的重要作用;段旭等[8]分析了中尺度系統對秋季大暴雨的作用。此外，有學者對秋季暴雨的成因也進行了分析[9-15]，而對湖南省秋季暴雨研究甚少。因此，為更多地了解湖南省秋季暴雨特征，更好地開展秋季暴雨過程的預報，本研究選取2014年10月27日至11月2日發生在湖南省中北部的一次持續性罕見暴雨天氣過程，利用常規氣象觀測資料、中尺度自動站資料及NCEP1°×1°再分析資料，從大尺度環境場、物理量場進行診斷分析，以期為湖南省秋季暴雨過程預報業務提供有益的參考。

1 天氣實況

2014年9月中下旬至10月中旬，受氣溫偏高、降水偏少的影響，湖南省氣象干旱逐步發展，全省共有90個縣（市）出現氣象干旱，其中發生重旱的有29個縣（市），發生特旱的有12個縣（市），隨著10月下旬至11月初中北部出現了一次歷史同期罕見持續性暴雨天氣過程，氣象干旱才明顯緩和。

據湖南省97個常規觀測雨量站統計，2014年10月27日8：00（北京時，下同）至11月2日8：00，中北部地區出現了區域性暴雨、局地大暴雨（圖1）。過程累積全省平均雨量為90.5 mm，降水量超過50 mm的測站有70個，超過100 mm的測站有25個，超過200 mm的測站有2個，單站最大日降水量為129.5 mm（10月28日，石門），單站最大過程降水量為245.0 mm（吉首）。

從逐日降水情況分析可看出（表1 ），整個過程以暴雨為主，強降水集中在2個時段，分別是10月27日8：00至30日8：00，10月31日8：00至11月1日8：00。第一個階段強降水落區穩定維持在湘北地區，10月28日8：00至30日8：00是整個過程的最強降水時段，單日出現了20站次暴雨，2站次大暴雨，最大為石門的129.5 mm。第二個階段強雨帶南壓至湘中一帶，呈準東西向，強度有所減弱。據統計，此次過程有多個縣（市）達到極端降水標準，其中有2個縣（市）24 h累積降水量達到極端標準，有8個縣（市）48 h累積降水量達到極端標準，有11個縣（市）72 h累積降水量達到極端標準，有13個縣（市）96 h累積降水量達到極端標準，有16個縣（市）過程最大連續5 d降水量達到極端標準，有9個縣（市）過程降水量達到極端標準。

2 大尺度環流形勢與影響系統特征

2.1 500 hPa環流場

對于持續性暴雨天氣過程，大尺度環流形勢與暴雨的形成密切相關。10月27日20：00的500 hPa圖上（圖略）亞歐大陸中高緯為兩槽一脊環流形勢。兩槽分別位于巴爾咯什湖與亞洲東部，均為深厚冷性槽，移動緩慢，冷空氣源源不斷補充南下;貝加爾湖附近為一寬廣高壓暖脊控制。對比10月27日至11月2 日500 hPa平均高度場及距平場（圖2）分析發現，此次過程中高緯度的槽脊較歷年同期深厚，有利于南北冷暖氣流的交綏;副高主體寬廣，588線北界位于華南中部22°N，西脊點達90°E，較歷年同期偏西10個經度，異常偏強;江南、華中地區均處于副高邊緣不穩定區域。從逐日的高度場分析，孟加拉灣一直維持低值區，且不斷分裂小槽發展，東移至川東地區，有利于下游產生降水。此外，洋面上低值系統較歷年同期平均偏北偏強，有利于洋面水汽輸送。

2.2 西南急流

分析湖南省懷化探空站高空風-時間剖面圖（圖3a）發現，10月27日8：00至11月1日20：00期間 700 hPa一直維持強盛的西南急流，10月29日20：00之前風速基本維持在18 m/s以上，且最大風速達20 m/s;850 hPa在湘北一直存在強風速輻合帶或切變。10月29日20：00之前，西南急流在850 hPa維持14 m/s以上，與強降水發生時間相對應，10月30日8：00隨著西南風速減弱，降水強度也隨之減小，至11月2日8：00轉北風后降水基本結束。

從暴雨區700 hPa平均風場（圖3b）可以看出，在強降水發生之前，西南氣流從10月27日2：00的1 m/s迅速加強至28日14：00的18 m/s，至31日20：00一直維持12 m/s以上的風速。西南急流長時間維持為持續暴雨的發生提供了充沛的水汽。

2.3 地面冷空氣

此次持續性暴雨過程先后受東、西兩路冷空氣影響。首先是東路冷空氣，從10月27日開始持續至31日。一般來說，東路冷空氣對湖南省天氣主要有2個方面的影響，一是持續時間長，二是地面溫度低，特別是海拔低的地方會出現持續性的低溫天氣。10月26日20：00（圖4a），地面冷高壓中心位于內蒙古東部，中心強度達1 040 hPa，從冷高壓底部分裂出冷空氣，在500 hPa脊前偏北氣流引導下不斷向華北至華中地區擴散，10月27日2：00開始持續影響湘北，溫度從31 ℃驟降至14 ℃，降水逐漸加強，且低溫天氣持續至整個降水過程。西路冷空氣對湖南省影響持續時間短，天氣能快速轉好。此次過程是在東路冷空氣減弱后，西路冷空氣開始影響。11月1日8：00（圖4b），冷高壓位于蒙古國西北部，中心強度為1 045 hPa，高壓底部等壓線密集，且不斷分裂小高壓，南下速度快;至11月2日20：00，冷高壓主體南落，降水基本結束。

3 物理條件分析

3.1 動力條件

從湖南省暴雨區平均200、850 hPa散度-時序圖（圖5a）可以看出，從10月28日8：00開始，暴雨區高層輻散、低層輻合的垂直結構開始建立。隨著時間的推移，這種結構越來越明顯。10月30日高層輻散最顯著，低層一直維持一個輻合狀態，直至31日20：00高層輻散和低層輻合形勢基本結束，降水也趨于結束。

從暴雨區垂直速度（圖5b）來看，其變化與強降水的時間演變對應較好，共有4個垂直速度上升中心，分別為10月28日8：00、29日2：00、30日2：00及11月1日14：00，其中10月30日的垂直速度上升中心位于400 hPa高度，中心值達到-0.7 m/s，與當天暴雨區發生的強降水相對應;其他的中心位置在500～850 hPa，為暴雨的發生提供了動力條件。因此，高層輻散、低層輻合垂直結構的長時間維持及垂直上升速度的增大為此次湖南省持續性暴雨的發生提供了動力條件。

3.2 水汽條件

有了強盛的動力抬升條件，是否有水汽的輻合成為暴雨發生發展的關鍵因素，通過水汽通量散度及水汽通量來分析此次暴雨的水汽條件。圖6為暴雨區平均水汽通量散度隨高度、緯度、經度的時間剖面圖，可以看出，這次持續性暴雨過程的發生發展與中低層水汽輻合的強弱有很好的對應關系。

從時間-高度剖面圖（圖6a）可以看出，水汽通量散度與垂直速度一樣有4個中心，除11月1日的水汽通量散度中心位于700 hPa高度外，其余3個中心均位于850 hPa高度，說明中低層水汽的多少影響著暴雨持續時間的長短;與實況對比分析發現，10月27日湘西北已經出現了暴雨量級的降水，這與水汽通量27日從700 hPa開始輻合密切相關。從時間-緯度剖面（圖6b）可以看出，10月27—30日水汽輻合帶位于28°N以北，10月31日至11月1日輻合帶逐漸南壓，南北移動位置與強雨帶的位置吻合。從時間-經度剖面圖（圖6c）可以看出，西部（110°—111°E）強水汽輻合主要集中在10月27日20：00至30日8：00，水汽通量散度達-3×10-7 ? ?g/（cm2·hPa ·s），而東部（113°—115°E）強水汽輻合則主要集中于28日20：00至31日8：00。由此可以看出，水汽通量散度中心的大小、出現的位置和時間與這次暴雨的強度、范圍相吻合，為本次持續性暴雨的發生發展提供了充足的水汽條件。

水汽通量也是表征水汽條件的重要因子。圖7為10月27日20：00至11月1日20：00水汽通量及水汽通量散度。10月27日湘西北水汽通量為14 g/（cm·hPa ·s），水汽輻合也在湘西北明顯加強，降水從湘西北開始發展。隨著低層西南風的加強，其攜帶大量的暖濕氣流北上。10月28—30日水汽通量中心在湘中及以北地區維持，水汽輻合區主要位于水汽通量中心北側，強降水落區與水汽輻合區相吻合。總體來看，此次過程水汽通量大，水汽輻合強，并且輻合區域也很大，說明低層水汽是持續性區域暴雨的主要輸送源，而低空急流的建立和發展直接影響暴雨的強度、范圍和持續時間。

3.3 不穩定層結

這次持續性暴雨過程是從10月27日白天開始，從大氣層結（圖8）來看，10月27—28日湖南省大氣層結的Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）（500 hPa與850 hPa的假相當位溫差）>0 K，大氣層結處于對流穩定狀態。湘北由于降水的影響，溫度較低，沒有不穩定能量釋放，以穩定性降水為主。湘南由于前期溫度較高， 29日開始有不穩定能量的堆積，加之冷空氣南下及低層暖濕氣流加強，31日湘中地區大氣層結 ? ? ? ? ? ? Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）=-15 K，表明湘中一帶有利于暴雨的產生。湘北、湘西北地區為正值，不利于暴雨的產生。實況是湘中出現局地暴雨天氣。

11月1日隨著不穩定能量的釋放，全省又轉為對流穩定狀態。從暴雨區大氣層結時序圖（圖9）可以看出，在暴雨過程開始時段（10月27日）， ? ? ? ? ? Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）<0 K，以對流性降水開始，能量快速釋放，繼而轉為穩定性降水。10月28—29日雨帶在湘北維持，直至30日雨帶南壓，影響到前期溫度較高的湘中偏南地區，再次有對流性降水發生，但隨著不穩定能量釋放，沒有新能量補充，降水過程也隨之停止。

3.4 溫度平流

結合溫度平流（圖10）和風場（圖11）來看，10月28—30日湘北為暖平流區，且暖平流中心逐漸南壓。28日暖平流最強，中心約為27 ℃。從實況來看，28日降水在湘北地區出現了成片的大暴雨區。31日西南風減弱，北風加強，暖平流勢力減弱，湘北逐漸轉為冷平流控制，雨帶隨之南壓，集中在湘中偏南地區。11月1日北風加大，帶動冷空氣南下，全省轉冷平流控制，降水基本結束。

4 結論

此次湖南省秋季持續罕見暴雨具有影響范圍廣、持續時間長、降水強度大等特點。通過分析可知，這次持續暴雨過程是在有利的大尺度條件下發生的。500 hPa中低緯度地區東高西低的形勢穩定維持在整個暴雨階段，西太副高脊結較歷年同期異常偏北偏強，有利于洋面水汽輸送。暴雨發生在中低層切變線南側、低層急流最前端左側及地面輻合線附近。與夏季暴雨穩定條件不同，這次秋季持續性暴雨是在大氣層結穩定狀態下發生的。中層沒有明顯冷空氣活動，低層弱冷空氣侵入，大氣層結處于對流穩定狀態。高層輻散、低層輻合及強烈的上升運動為暴雨的發生提供了有力的動力抬升條件;低空西南急流的建立和維持為暴雨的產生提供了充沛的水汽條件，整個強降水過程冷空氣活動較弱，主要發生在西南急流左側的水汽輻合區。

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