西南低涡造成湘中一次大暴雨天气过程的诊断分析

2013-09-29欧阳也能尹宝蓉游枭雄

中低纬山地气象 2013年5期

欧阳也能，尹宝蓉，辜倩，游枭雄，黄娟

(湖南省湘潭市气象局，湖南湘潭 411100)

1 引言

西南涡是影响我国东部、西南和华南天气的一个重要天气系统，它是对流层中下层的天气系统之一，产生于青藏高原东侧，属于冷性动力型中小尺度涡旋，其内具有强烈的上升运动。西南涡是青藏高原和四川盆地特殊的地形条件与有利的大尺度环流背景共同作用的产物，很多学者对其作了研究［1－5］，得到了一些成果。作为我国一种重要的暴雨天气系统，西南涡全年都有发生，但造成强降水或强对流天气的西南涡多出现在夏半年［2，3］。西南涡多在西南地区生消，在有利的环流形势下一些涡旋可以东移，主要影响我国江淮流域地区。

西南低涡是造成湖南暴雨的主要系统之一，但是每次低涡影响暴雨所发生的地方都不一样。本次湘中暴雨过程就是受东移的西南低涡影响的。本文利用多普勒天气雷达产品、NCEP 1°×1°的6 h再分析资料及FY－2E卫星TBB资料，对该过程的天气系统活动特征及规律进行综合分析，以探讨大暴雨的成因。

2 降水实况及灾情

2.1 降水实况

2013年5月14日08时—15日08时，湖南湘中偏北地区出现了大暴雨过程，主要表现为短时强降水。据全省自动雨量站资料统计(图1)，全省≥50 mm的站点共有468个，其中≥100 mm的站点107个。强降水范围主要集中在湘中东部和湘西北，有2个大暴雨中心，1个位于湘西吉首的北部，另1个位于湘中东部的湘潭—株洲北部。湘潭为大暴雨的中心，据湘潭市自动雨量站资料统计全市109个区域自动雨量站资料，有103个站≥50 mm，其中71个站≥100 mm，最大降水出现在韶山的东湖村182 mm。3个气象观测站均出现了大暴雨，雨量分别为湘潭 145.6 mm，湘乡 128.8 mm，韶山146.7 mm。

图1 2013年5月14日08时—15日08时降水实况图

下面以湘潭为代表分析这次大暴雨过程的特征。选取韶山东湖村、湘潭市雨湖区政府、湘潭县杨家桥镇为代表，做出逐小时雨量的直方图(图2)，从图2可以看出，这次过程主要降水时段出现在14日16时—15日02时的10 h内，15日02时后降水已明显减弱，韶山、湘乡1 h降水量小雨1 mm。最强降水时段出现在14日17时—15日00时，该时段内1 h雨量＞10 mm的站点均超过了20个，最大1 h降水为湘潭市区的黄龙水管所74.8 mm。

图2 强降水时段3个代表站的逐小时降水直方图

这次降水过程从西北向东南方向移动，15日14时降水首先从位于西北部的韶山开始。分析1 h降水量＞10 mm的站点数显示(如表1):15—16时韶山出现强降水，1h降水量＞10 mm的站点达到了13个，最大1 h降水为韶山的厚新村44 mm。随后降水范围向湘乡扩散，17—18时强降水均出现在湘乡北部和韶山西部，该小时内出现了28个＞10 mm的站点，最大降水量为湘乡的白田镇70.2 mm。而此时湘潭县南部和湘潭市区还没有出现降水。从19时开始，强降水逐渐向东、向南扩展。20—22时是强降水范围最广的2个小时，1 h雨量＞10 mm的站点数均超过了80个。

2.2 灾情

受暴雨、大暴雨和雷雨大风影响，湘潭全市多处出现房屋倒塌或受损、小型山体滑坡、塘基断裂和穿孔、电线杆和树木倒塌等灾情，上万亩早稻、蔬菜被水淹，多头牲畜死亡。城区多处出现内涝，多辆车辆在积水中熄火抛锚。湘江水位大幅上涨，16日08时湘潭段水位34.63 m，较暴雨前水位上涨近3 m。据市民政局统计，截止至16日14时，湘潭全市共20.32万人受灾，紧急转移安置7 320人，农作物受灾11 708.3 hm2，其中成灾5 444.5 hm2，绝收1 369.4 hm2，死亡牲畜55头，房屋倒塌683间，损坏941间，直接经济损失达13 958万元，其中农业经济损失6 245万元。

表1 逐小时雨量分布表 (单位:个)

3 大尺度环流分析

分析5月14日08时形势，500 hPa在四川东部—贵州西部为低槽位置，同时，在湘中—湘东南也有一个小槽;而700 hPa为304 dagpm，850 hPa为140 dagpm的闭合低涡，均位于四川东南部，两层低涡的位置几乎重合，且范围较狭窄。从低涡延伸出来的700 hPa和850 hPa的暖式切变位于30°N附近，两层的切变线相隔很近。同时中低层的西南急流已经形成，湘东北处于急流出口(图3a)。到14日20时，闭合的等值线已经减弱消失，但人字形切变有所东移，中心南压到湘西北，850 hPa的暖式切变明显南压，且切变范围变大，700 hPa暖式切变仅东移，没有南压，切变的范围也变大，此时位于湘潭市西北角的韶山降水有所减弱。而地面有弱冷空气扩散南下，冷高压中心位于陕西境内。地面辐合线从湘北经湘中，到20时南压到湘中偏南位置(图3b)。

此次大暴雨过程是典型的西南低涡东移所引发的暴雨，暴雨就发生在西南低涡东移时700 hPa暖式切变的南侧，850 hPa暖式切变的北侧，特别与14时地面辐合线的南侧位置较吻合。由于低涡范围较小，切变线范围小，中低层切变位置几乎重合，强降水的范围也较小且持续时间短。

4 物理量分析

4.1 水汽条件分析

利用NECP 1°×1°的再分析资料，14日02时(图略)850 hPa在重庆境内有个强的水汽辐合中心，而湘潭市处于水汽通量的大值区内，在贵州南部—广西形成了一条水汽通道，而湖北东部处于干区，湘潭处于干湿交界等比湿线密集区内。700 hPa湘西有个强水汽辐合区。到08时，850 hPa的强水汽辐合中心依然在重庆，而水汽通道从广西—贵州伸入湘西北，湘西处于湿度大值区。而700 hPa的强水汽辐合区向北移动到常德—益阳南部—长沙，呈西北—东南向，而贵州—广西为水汽辐散区，同时，贵州—广西境内是一个湿度较大的区域。14日14时(图4a)，850 hPa在湘东北—江西中部有个水汽辐合中心，水汽通道从广西—湘西南，700 hPa(图4c)水汽辐合中心在长沙—湘潭，但是湘东北还处于湿度较小的范围内，有弱上干下湿的形势，此时韶山已经开始出现对流性降水。14日20(图4b、4d)两层的水汽辐合均迅速增强，在湘潭所处的湘中偏东位置形成了强水汽辐合中心，700 hPa的辐合中心开始移入江西北部，850 hPa的强中心在湘东与江西交界。由此说明在过程发生前有个明显的增湿的过程，水汽经过广西—贵州南部输送到湖南，在湘中偏北位置辐合，为这次大暴雨天气过程提供充沛的水汽条件。

图3 2013年5月14日08时(a)、20时(b)实况分析图

图4 2013年5月14日14时850 hPa(a)、14月20时(b)700 hPa，14日14时(c)、14日20时(d)的水汽通量散度(色斑)，水汽通量(等值线)

4.2 整层大气可降水量分析

此次大暴雨过程范围较广，持续时间不长，在如此短时间内造成如此大的降水，在湘潭历史上属于罕见的。为了更好的分析造成这次大暴雨的原因，分析NECP资料中整层大气可降水量(如图5)。14日02时，整层大气可降水量的大值区从广东、广西伸入湘南，湘北处于大值区与低值区的交界，到14日08时，可降水量大值区向东北扩展，整个湖南均处于大值区内，而湘潭处于中心值的东北侧，14日14时，中心略湘北抬，整个湘东半部均处于大值区内，中心值达到4.5kg·m－2，14日20时大值区略东移，但湘潭仍处于大值区内。从08时—20时12 h内湘潭均处于整层大气可降水的中心区内，可降水量非常大也是产生强降水的有利水汽条件。

图5 整层大气可降水量((a)为14日08时，(b)为14日20时)

4.3 动力条件

图6给出2013年5月14日湘潭大暴雨点(112°E、27.8°N)涡度、散度时间—高度垂直剖面图。从图6a中可见，14日08时前700～200 hPa均为正涡度区，从08时开始，正涡度区向下发展，14日14时200 hPa以下均为正涡度区，在400 hPa存在一个大的正涡度中心，此时高空负涡强度达到最强，中心值为－3×10－5·s－1，形成中下层正涡度、高层负涡度的空间配置。

图6 2013年5月14日14时沿湘潭暴雨区27.8°N的涡度(a)、散度(b)时间—高度垂直剖面图 (单位:10－5·s－1)

分析散度时间—剖面图表明(图6b)，从14日14时开始，500 hPa以下的负散度和500 hPa以上的正散度都迅速增强，到14日20时，200 hPa形成了一个强辐散中心，中心值为3×10－5s－1，而900 hPa形成了一个强的辐合中心，中心值为－2×10－5s－1，形成明显的低层辐合、高层辐散形势。而6h后低层的辐合明显减弱消失，高层的辐散也明显减弱，强降水也明显减弱。

这种中低层辐合、高层辐散的配置结构，有利于中低层高湿气流被抽吸到高层，从而增加局地对流不稳定性。

综上分析表明，低层正涡度(辐合)迅速发展时段正好是强降水开始并维持时段;暴雨中心低层正涡度(辐合)、高层负涡度(辐散)的垂直结构，对暴雨的产生和维持起重要作用。但是这次暴雨过程辐合辐散的中心强度并不算强，但是降水量级却很大，其中原因有待进一步分析。且耦合形势的持续时间比较短，也是这次过程持续时间并不长的原因之一。

4.4 稳定度分析

强降雨的发生需要高能量的条件，而高温高湿环境对应着高能量场。θse(假相当位温)是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量，θse的分布反映了大气中能量的分布。θse的高值区为高能区，θse场中等值线密集区又为能量锋区，而暴雨的发生需要有能量锋区的存在［7］。

分析5月14日14时θse和垂直上升速度沿27.8°N纬度—高度剖面图(图7a)，850 hPa垂直速度剖面图看，112°E上空有个强上升运动中心，而从θse的垂直剖面图分析106°～112°E θse呈现经典的“Ω”型，且向东向上凸起，暴雨区内850 hPa以下都在350 K以上，表明了对流层低层是高温高湿区，它不但是产生暴雨所必需的水汽输送带，也是造成暴雨强对流所必需的位势不稳定能量的输送者。为了进一步了解这次强降水天气过程的位势不稳定特征，对500 hPa的θse和850 hPa的θse的差值(以下简称 θse500～850)进行分析(图 7b)，湘西、湘南处于θse500～850的大值区，湘中处于该大值区的东北侧，且湘东北梯度较大，即湘中处于强对流不稳定区与弱对流不稳定区的交界区。说明暴雨发生前存在着强的对流不稳定，而低层不稳定配合强的上升运动，造成了强烈的湿对流不稳定，是大暴雨的产生的原因之一。

图7 5月14日14时:(a)为θse(等值线)，垂直速度(色斑)，(b)为850 hPa与500 hPaθse的差值

为了更好的分析暴雨区的上升运动，沿27.8°N制作垂直速度的剖面图(如图8)分析，14日08时(图略)，缺口西侧(108°～110°E)为上下一致的上升气流，强上升运动中心值达到－1.5 Pa·s－1，而缺口附近还处于上下一致的下沉气流中，最大下沉速度达到0.5 Pa·s－1，随着系统的东移，强上升运动区东移，到14日14时，上升运动发展到缺口附近105°～116°E，最大上升速度达到了－3.6 Pa· s－1，强上升运动中心的高度达到400 hPa。14日20时，强上升运动中心依然维持在111.5 ～114.5°E，中心强度增加到－4.0 Pa·s－1。强上升运动持续6 h以上，大暴雨就出现在这6 h内。说明强上升运动时段与区域对应着这次过程强降水时段和落区，上升运动越强，说明对流非常旺盛，配合充沛的水汽条件，降水越强，上升运动减弱，降水随之减弱。

图8 14日14时(a)，20时(b)沿27.8°N 垂直速度剖面图

5 卫星资料分析

分析卫星云图可知，这次过程是一个典型的mcc云图生产发展成熟东移消散的过程。图9是5月14日17时—22时逐小时TBB云团，云图上出现了典型的U型缺口。18时位于湘东北有个U型缺口出现，1 h后，U缺口西端的强对流云团强度不断增强，范围不断增大，向缺口位置移动，不断将缺口缩小。到20时U型缺口向东移动，缺口西端、南段形成了一个典型的MCC云团，之后该MCC云团缓慢的向东偏北的方向移动。本次暴雨过程就发生在U型缺口不断被填塞，形成MCC的过程中，强降水的落区就落在U型缺口的缺口处。所以云团上的U型缺口对强降水的预报及落区的把握有很好的指示意义。U形缺口边缘清晰，亮温梯度大，是对流云系强烈发展的一个信号。