2014年5月衡阳3次暴雨过程诊断分析

2015-05-04朱家亮邓建国

中低纬山地气象 2015年1期

关键词：低层急流强降水

朱家亮，贺科，邓建国，肖兰

(湖南省衡阳市气象局，湖南衡阳 421001)

2014年5月衡阳3次暴雨过程诊断分析

朱家亮，贺科，邓建国，肖兰

(湖南省衡阳市气象局，湖南衡阳 421001)

该文利用常规气象资料与NCEP再分析资料对2014年5月11日、22日和25日共3次发生在衡阳的暴雨过程进行诊断分析，结果表明：①3次暴雨发生前均具有地面倒槽发展，强降水区增温增湿明显，冷空气侵入与地面辐合线触发对流抬升。②第1次和第2次过程为高空槽配合中低层切变线影响，抬升运动明显，第3次过程为副高边缘暖区降水，低层的气流辐合触发了不稳定状态下气层的对流发展。③3次暴雨过程中水汽辐合区走势与天气系统相一致，水汽辐合中心指示强对流发展中心。④强上升运动区与强对流云团相对应，第1次和第2次过程中强上升运动区随高空槽自西向东移动，上升运动强于第3次过程，但第3次过程强上升运动中心高于第1次和第2次过程。⑤3次暴雨发生前低层湿暖，高层干冷；暴雨发生时，低层能量得到释放；大气层结转为稳定时，暴雨天气过程趋于结束。

暴雨；强对流；物理量；衡阳

1 引言

暴雨是衡阳的主要气象灾害之一。一次暴雨过程的降水总量并非由一次连续性降雨所组成，而是由于在此过程期间中尺度雨团不断生成和移动的结果[1]。中尺度雨团即为强对流天气的表现形式，其引起的降水强度大，局地性强，常引发山洪暴发、城市内涝、水库决堤，给工农业生产和人民生命财产带来严重的损失。对于暴雨的发生机制很多学者进行了细致研究，大量研究结果表明，暴雨的发生与水汽的辐合、大气不稳定层结、位势不稳定释放机制和高空急流密切相关[2-10]。历史资料显示，5月为衡阳降水最多的月份，产生暴雨的次数仅次于6月。本文利用常规气象资料与NCEP再分析资料对2014年5月发生在衡阳的3次暴雨过程进行诊断分析，以揭示5月影响衡阳的暴雨的天气形势特征与产生机制，为暴雨预报提供参考。

2 降水实况及灾情

2014年5月，衡阳先后发生了3次暴雨天气过程。区域自动站资料显示，5月10日20时—11日20时(以下简称过程1)，衡阳市出现8站次≥100 mm的大暴雨，59站次≥50 mm的暴雨，强降水主要分布在衡阳市中部地区，最大降水量128.2 mm出现在衡南县岐山办站；5月21日20时—22日20时(以下简称过程2)，衡阳市出现8站次≥100 mm的大暴雨，49站次≥50 mm的暴雨，强降水主要分布在衡阳市中北部及东南部地区，最大降水量120.8 mm出现在常宁市白沙站；5月24日20时—25日20时(以下简称过程3)，衡阳市出现6站次≥100 mm的大暴雨，49站次≥50 mm的暴雨，强降水主要分布在衡阳市北部地区，最大降水量129.0 mm出现在衡阳县大安站。从降水的空间分布来看，降水空间分布不均；过程1的3 h最大降水量86 mm发生在10日23时—11日02时的岐山办站，过程2的3 h最大降水量106 mm发生在22日01时—04时的白沙站，过程3的3 h最大降水量107 mm发生在25日09时—12时的大安站，3次暴雨过程表现出降水时段分布不均、降水强度大的特点。短时强降水造成降水集中区房屋倒塌，作物受灾，城市内涝，直接经济损失7 655万元。

3 天气形势

过程1：5月10日08时(图略)，500 hPa中纬度地区为两槽一脊型环流，我国大部处于宽广的槽区之中，槽呈后倾形势，槽线从河套以西一直延伸至桂东北；700 hPa川东有低涡发展，低涡东部西南急流旺盛，急流中心风速达22 m·s-1；850 hPa西南低涡中心位于重庆，由低涡中心延伸出两条“人”字形切变线，湖南大部处于西南急流控制之中，急流中心风速达24 m·s-1；地面上中心位于黔西南的暖低压发展旺盛，地面倒槽从低压中心延伸至苏北地区。5月10日20时(图1)，500 hPa高空槽东移，西南低涡东出，850～700 hPa西南急流维持，急流略有减弱，其中心风速为20 m·s-1，700 hPa切变线位于湘北—川南一线，850 hPa切变线呈东北西南向，从湘东北延伸至滇东，925 hPa有“人”字形切变，地面西南倒槽发展，冷锋移至豫北—湘西北—川南一线，在地面倒槽以北形成明显锋区，地面风在湘中地区辐合，湘中以南地区增温增湿明显。由此可知，20时的高低空配置使得气流在湘中及其以南地区强烈抬升，旺盛的西南急流带来充足水汽，地面倒槽的发展增加了气层的不稳定，冷空气侵入与地面辐合线触发了对流的发展。11日08时，随着高空槽东移北缩，中低层切变线南压至华南，冷锋过境，衡阳高空转为一致的偏北气流控制，强降水逐渐结束。

图1 5月10日20时高空系统综合图

(实线为500 hPa槽线；虚线为700 hPa切变线；点划线为850 hPa切变线；点线为925 hPa切变线；叉划线为地面辐合线；圆点线为地面倒槽；三角线为地面冷锋；细箭头线为700 hPa急流；粗箭头线为850 hPa急流)

过程2：5月21日08时(图略)，500 hPa中高纬地区为两槽一脊型环流，我国北方大部为弱的偏北气流控制，高原东部有低槽东出，低槽位于川东—黔中一线，湖南处于槽前暖湿西南气流控制之中；700 hPa西南急流位于南宁—桂林—长沙一线，急流中心风速达16 m·s-1，湘中以南地区有风速辐合；850 hPa切变线位于黔北至湘西北地区，切变线以南南宁—桂林—怀化一线为偏南急流，急流中心风速达14 m·s-1；地面西南地区有暖低压，湖南大部为低压环流的偏南气流控制。21日20时(图2)，500 hPa低槽东移，中低层切变线南压，700 hPa与850 hPa低空西南急流分别增强至18 m·s-1与16 m·s-1，925 hPa湘中地区有暖式切变线，地面有冷空气从湘东北侵入，气流在湘中以南地区辐合，200 hPa高空急流在湘南地区分流，形成低层辐合高层辐散的抽吸上升运动配置。由此可见，20时在有利高低空配置的条件下，冷空气侵入与地面辐合线触发了对流的发展。22日08时，随着高空转为槽后西北气流控制，850 hPa切变线移至湘南，降水逐渐减弱。

图2 5月21日20时高空系统综合图

(实线为500 hPa槽线；虚线为700 hPa切变线；点划线为850 hPa切变线；点线为925 hPa切变线；叉划线为地面辐合线；圆点线为地面倒槽；双箭头线为200 hPa急流；细箭头线为700 hPa急流；粗箭头线为850 hPa急流)

过程3：此次降水云团为5月24日晚在湘东地区形成并于25日08时南移影响衡阳北部地区。5月24日20时(图3)，副高加强，588等位势高度线

图3 5月24日20时高空系统综合图

(虚线为700 hPa切变线；点划线为850 hPa切变线；点线为925 hPa切变线；叉划线为地面辐合线；圆点线为地面倒槽；细箭头线为700 hPa流线；粗箭头线为850 hPa急流)

位于湘中以北地区(图略)，700 hPa与850 hPa切变线位于湘北，湘中以南地区700～850 hPa中低层为较为一致的西南气流控制，700 hPa风速为8 m·s-1，850 hPa风速为12 m·s-1，925 hPa在湘中地区有暖式切变线，地面倒槽发展，湘中以南地区有地面辐合线。25日08时，副高有所减弱，东路有冷空气沿着湘东北侵入，强对流云团在南移过程中得到加强，在湘中地区形成强降水。由此可知，此次暴雨过程为副高边缘暖区降水，低层气流的辐合触发了不稳定条件下气层的对流发展，冷空气的侵入使对流得到加强。25日20时随着中低层西南气流减弱，切变辐合减弱，降水结束。

探空图上(图略)，3次暴雨过程的大气温湿层结曲线均表现出上干下湿的喇叭口特征。表1为3次暴雨发生前部分描述大气层结稳定度的参数，表中k指数处于较大值，其值均大于38℃；SI指数均小于-1℃，CAPE 处于较大值，表明大气存在对流不稳定。21日20时郴州站k指数等于42℃，SI指数等于-4℃，当-6 ℃

表1 探空指数

从3次暴雨过程的影响系统可以看出，暴雨发生前地面倒槽发展，强降水区增温增湿明显，为强对流的发生积累不稳定能量，地面风场辐合线触发对流抬升；动力抬升方面，过程1和过程2为高空槽配合中低层切变线影响，整层气流辐合抬升运动明显，过程3为副高边缘暖区降水，低层的气流辐合触发了不稳定状态下气层的对流发展；3次暴雨过程中低层均有西南急流存在，过程3急流较弱，低空西南急流为强降水区提供充足水汽的同时，增加了大气层结的不稳定性；过程1有冷锋配合，过程2冷空气较弱，过程3冷空气的侵入加强了对流的发展。

4 物理量诊断

4.1 水汽通量散度

3次暴雨过程水汽输送通道相同，850 hPa～700 hPa为低空西南急流，即水汽来源于孟加拉湾，而低层925 hPa为偏南低空急流，即水汽来源于南海。由于降水的水汽供应主要来源于中低层的水汽输送，为了解强降水过程中水汽输送状况，主要分析850 hPa水汽通量散度。

由图4看出，10日20时，湘东北至湘西南为一带状水汽辐合区，水汽辐合区分布与该层次切变线位置相一致，辐合中心位于湘中，其强度为-100×10-5g·cm-2·s-1·pa-1；11日02时，随着切变线南压，辐合增强，水汽辐合中心区域向南扩大，中心强度增大到-120×10-5g·cm-2·s-1·pa-1，此时湘中地区降水达到最大，水汽辐合中心与强降水中心一致；11日08时，切变线南压至华南，水汽辐合区逐步移出湖南，湘中以南地区降水趋于结束。

图4 5月10—11日850 hPa水汽通量散度

由图5看出，21日20时，湖南大部为水汽辐合区，其中心位于湘东地区，水汽通量散度达-80×10-5g·cm-2·s-1·pa-1，此时湘中地区有东西向暖式切变线，水汽辐合中心即为对流发展旺盛区；22日02时，水汽辐合区范围减小，强度减弱，并南下到湘东南地区，降水减弱，桂东北地区有一水汽辐合强中心；22日08时，随着系统南压，湖南境内水汽辐合减弱，桂东北地区水汽辐合强中心缓慢向东发展。

图5 5月21—22日850 hPa水汽通量散度

由图6看出，24日20时，在湘西南和湘东北地区分别有水汽辐合中心，强度均在-50×10-5g·cm-2·s-1·pa-1左右，此时湘西南地区已产生较强降水；25日02时，湘西南地区水汽辐合中心向东扩展，湘中以南地区出现水汽辐合中心，中心强度达-45×10-5g·cm-2·s-1·pa-1；25日08时，随着湘西地区低涡东出，两个水汽辐合中心合并、加强，形成一个西北—东南向水汽辐合区，中心强度增大到-80×10-5g·cm-2·s-1·pa-1。由此可知，此时湖南境内的两个强降水中心与两个水汽辐合中心有很好的对应关系。

图6 5月24—25日850 hPa水汽通量散度

综上所述，3次暴雨过程中水汽辐合区走势与天气系统相一致，水汽辐合中心指示强对流发展中心，过程1低空西南急流比过程2和过程3的旺盛，水汽辐合亦比过程2和过程3的强。

4.2 垂直速度

3次强降水均发生在27°N附近，因此，沿27°N作垂直速度剖面图。

由图7看出，10日20时，112°E从地面到300 hPa高度为表征上升运动的负垂直速度强中心，其中心位于800～500 hPa高度，强度为-1.2 pa·s-1，强上升运动中心处于高空槽前，中低层切变线附近，上升运动区东部113°E上空为一下沉运动区，在垂直方向上形成次级环流，有利于对流发展；11日02时，随着系统东移，强上升运动中心东移至113°E上空，强度增大至-3 pa·s-1，上升运动强烈，由于降水作用，地面出现弱的下沉运动；11日08时，高空槽移出湖南，切变线南压，强上升运动中心进入江西，衡阳转为弱的下沉运动。

由图8看出，21日20时， 114°E上空有一强上升运动区，其中心位于700 hPa高度，强度达-4 pa·s-1，对流发展旺盛，由于对流云团于20时前经过衡阳，衡阳处于对流中心外围，上升运动较弱；22日02时，强上升运动区向西扩展至113°E上空，中心强度减弱至-0.9 pa·s-1，低层出现下沉运动，对流进入消散阶段；22日08时，上升运动区范围减小，强度减弱，112°E至113°E区域低层的下沉运动区向上扩展，降水趋于结束。

图7 5月10—11日沿27°N垂直速度剖面

图8 5月21—22日沿27°N垂直速度剖面

由图9看出，24日20时， 110°E上空有一上升运动区，其中心位于800～700 hPa高度，强度为-1 pa·s-1；25日02时上升运动区向西扩展，强度增大至-1.6 pa·s-1，此时111°～113°E区域分别出现一正一负的垂直运动中心，正负速度相伴有利于形成垂直方向上的次级环流，使得气流的垂直上升运动得以维持发展；25日08时，110°E上空上升运动区减弱，低层转为弱的下沉运动，113°E上空上升运动区范围扩大，从地面至200 hPa高度为一致的上升运动，其中心位于600～300 hPa高度，强度增大至-2.1 pa·s-1，此时对流云团进入衡阳北部并加强。

图9 5月24—25日沿27°N垂直速度剖面

综上所述，3次暴雨过程中强上升运动区与强对流云团相对应，过程1、过程2的强上升运动区随高空槽自西向东移动，上升运动强于过程3；过程3为副高边缘降水，强上升运动中心高于过程1、过程2，其上升运动发展至200 hPa高空，这是由于湘南地区200 hPa高空处于南亚高压控制之下，上高下低的配置使上升运动得以发展。

4.3 假相当位温

假相当位温是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量，其水平分布代表大气中能量的分布特征，垂直分布反应大气对流不稳定，常用Δθse(500-850)来表示大气的稳定度[13]。为探究3次暴雨过程中的大气层结稳定度情况，沿强降水区27°N作假相当位温垂直剖面。

由图10看出，10日20时，108°～113°E区域900 hPa以下高温高湿，高能中心θse>350 K，111°～112°E区域高能舌伸展至700 hPa高度，700～400 hPa高度θse递减，Δθse(500-850)<-9 K，低能气层叠加于高能气层之上，气块存在很大潜在不稳定，110°E上空有一向低层高能舌伸展的低能舌；11日02时，低能舌侵入高能舌，100°～114°E区域在800 hPa以下转为低能舌控制，112°E上空能量分布为低层低能，高层高能，大气层结变得稳定；11日08时，100°～114°E区域低能区范围向上扩展，其中心θse<317 K，Δθse(500-850)>0 K，大气层结稳定。21日20时，109°E低层有一低能中心，低能舌向东延伸至112°E上空，112°E低层为较薄的高能区，在900 hPa以下形成上低下高的不稳定能量分布特征，Δθse(500-850)<-6 K大气层结不稳定；22日02时，低能舌继续向东扩展，在112°E上空900 hPa以下出现低能中心，900～600 hPa高度为高能舌控制，大气层结逐渐稳定；22日08时，低能区向上扩展，Δθse(500-850)>0 K，能量释放后，大气层结变得稳定；24日20时，107°～115°E 700 hPa以下为高能区，其中心θse>360 K，高能层结深厚，112°～115°E区域700～400 hPa高度有一低能舌，其中心θse<335 K，Δθse(500-850)<-12 K，大气层结极不稳定；25日02时，受降水影响，低层高能区迅速减弱，高层低能区向下扩展，112°E低层维持高能状态；25日08时，112°E地区强降水发生前后，高层低能区继续向下扩展，低层维持高能状态，Δθse(500-850)<-3 K，大气层结不稳定。25日14时(图略)，112°E低层能量释放，高层θse增大，大气层结转为稳定状态。