怀化地区一次大暴雨过程两个降雨阶段对比分析

彭艳青，王 强，鞠亮亮，陈红专，王光明

(湖南省怀化市气象局,湖南 怀化 418000)

0 引言

暴雨在大部分时候是一种灾害性天气，持续时间长、强度大的暴雨可能会给人民生产生活带来一定的影响甚至威胁到人的生命。一直以来暴雨都是预报业务的难点之一。以往有许多气象工作者[1-10]对暴雨进行了全面的研究并得出了大量有意义的结论，其中姚蓉等[1]对2015年4月3日湖南出现的一次大范围不同类型强对流天气过程进行了分析，指出短时强降水发生时具有低质心和高效降水效率及列车效应特征；肖安等[2]对2016年华南地区一次大暴雨过程空报的原因进行了分析，指出假相当位温(θse)等值线密集区(锋区)偏北，不稳定能量弱，能量条件不利于继续出现较强降水；陈红专等[3]对湘西北一次大暴雨过程中尺度结构特征进行了分析，指出地面中尺度辐合线的维持和地形的阻挡有利于暖湿气流的抬升。但是各个地方的暴雨指标不完全相同，且大家对一次过程的不同阶段进行对比研究较少。因此，本文利用常规观测资料、多普雷雷达资料、区域自动气象站资料以及NCEP再分析资料，对怀化地区2018年6月19—22日大暴雨过程两个不同的降雨阶段进行对比分析，寻求有预报意义的指标，以期为今后的强降水天气预报提供一定的参考依据。

1 天气过程降雨特点

2018年6月19—22日怀化市中南部地区出现了一次暴雨、大暴雨天气过程，此次过程最大累积雨量出现在怀化南部的会同站，达259.3 mm，最大小时降雨量也出现在该站，达79.7 mm(出现在6月19日22—23时)。从这次过程的降雨分布(图1)来看，整个过程共持续了4 d，持续时间长、累积雨量大、降雨范围广，可分为两个降雨阶段：第一阶段，19日和20日降水主要集中在怀化中南部地区；第二阶段，21日和22日降雨主要集中在怀化中部偏西地区，且第一阶段降雨范围及累积雨量明显较第二阶段大。

图1 2018年6月19—22日逐日雨量(a、19日，b、20日，c、21日，d、22日)和累积雨量(e、19日08时—23日08时)分布图(单位：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)

选取两个降雨阶段的代表性站点，对比两站降雨时序图(图2)可以看出，两个阶段降雨都表现出明显的短时强降水特点，第一阶段洪江熟坪出现了4个时次小时雨强>20 mm的短时强降水，第二阶段小时雨强>20 mm仅有两个时次，持续时间较第一阶段短。

图2 2018年6月19日20时—20日20时洪江熟坪和6月22日20时—23日20时麻阳和平溪小时雨量时序图(单位：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)

从两个阶段短时强降雨的分布(图3)来看，第一阶段短时强降雨分布范围明显较第二阶段广；第一阶段在怀化中部略偏南的洪江、会同地区小时雨强达50～80 mm，第二阶段没有出现超过50 mm的短时强降雨，可见第一阶段降雨强度较第二阶段强。

图3 两阶段短时强降雨分布图(a、2018年6月19日08时—21日08时，b、6月21日08时—23日08时)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 大尺度环流背景

在怀化强降雨发生前，2018年6月18日20时，从贵州到两湖地区有地面倒槽强烈发展。19日08时，欧亚中高纬为两槽一脊形势，西槽在西西伯利亚，东槽由东北向南伸展，两槽之间是深厚的脊向北伸展；在中低纬，500 hPa上，副高588线退居海上，在副高北侧的河南经湖北东部到湖南东部一带有高空槽东出，怀化处在槽后西北气流中，700 hPa为西南气流控制，850 hPa西南急流从广西向湖南北部地区一直伸展到湖北东部地区，怀化站风速达16 m/s，在湖北东部到湖南西北部有一条冷式切变线存在，925 hPa切变线位置与850 hPa切变线接近，且在广西、湖南地区有大于10 m/s超低空急流存在，低层西南急流存在为强降雨提供充足的水汽和能量条件，同时地面有冷空气堆积在河套地区，冷锋位于东北地区，在高空偏北气流引导下，地面冷空气南下，侵入倒槽，导致在江苏南部、安徽南部及湖北东南部到湖南西北部及贵州一带形成准静止锋，触发对流发展，准静止锋位置与850 hPa及925 hPa切变线位置接近，较强降雨出现在各层系统重叠的湖北西南部、湖南西北部地区。随着各层系统逐渐东移南压，雨区也随之东移南压。到20日08时(图4a)，500 hPa高空槽东移至安徽到江西一带，700 hPa仍为西南气流控制，850 hPa、925 hPa切变线以及地面准静止锋南压至怀化南部地区，此时由于冷暖气流势力相当，各层系统维持时间较长，强降雨在怀化南部地区一直维持到21日08时。

6月21日20时(图4b)，500 hPa南支槽在贵州中部发展，怀化处在槽前西南气流中，副高加强西伸至沿海一带，700 hPa为一致的西南气流，850 hPa切变线北抬至怀化北中部地区，地面准静止锋随着地面高压的变性而消失，湖南处在地面变性高压底后部，强降雨主要集中在850 hPa切变线附近，由于地面无冷空气配合，加之中低层风速较小，切变也由南北风冷式切变转为偏南风与偏东风切变，辐合强度明显减弱，这一阶段的降雨强度也较第一阶段明显减弱，随着副高进一步西伸北进，低层切变也随之北抬，雨带北移减弱。到23日整个降雨过程结束。

图4 2018年6月20日08时(a)和2018年6月21日20时形势配置图(b)Fig.4 analysis of weather situation at 08∶00 BT 20June2018(a) and 20∶00 BT 21June2018

3 环境场条件分析

3.1 水汽条件

通过对各层次的水汽条件进行分析，发现925 hPa的水汽通量与水汽通量散度对这次过程降水落区及强度有更佳的指示意义，这次过程的水汽主要从孟加拉湾经西南气流输送而来，来自孟加拉湾较强的水汽通道一直维持到6月22日20时。

第一阶段，19日20时(图5a)，怀化中南部地区925 hPa比湿均在16～18 g/kg以上，这一带水汽通量相对较大，南北两支气流在这一带交汇，导致这一带水汽高度集中，形成-10×10-5g·cm-1·hPa-1·s-1的强水汽通量辐合中心，位于该中心附近的怀化南部会同、洪江地区出现了较强降雨，会同站小时雨强达79.7 mm；20日02时(图5b)，水汽通量大值区及水汽通量辐合中心略有减弱南压，雨带随之略有减弱南压，到21日02时(图5c)水汽通量大值区及水汽通量辐合中心移至怀化南部与贵州、广西交界一带，强降雨区随之移动；这一阶段中，16～18 g/kg比湿大值区、水汽通量大值区及水汽通量辐合中心在怀化南部地区维持时间长，使得这一带水汽充沛，造成这一带持续强降雨的出现。

第二阶段，22日20时(图5d)，降水集中地区925 hPa比湿在16～18 g/kg，水汽输送较第一阶段弱，水汽集中程度也较第一阶段小，到23日08时，水汽输送与集中程度进一步减弱，降雨过程随之减弱并趋于结束。

对比两阶段水汽条件，第一阶段比湿大值区、水汽通量大值区及水汽通量辐合中心在怀化南部维持时间较第二阶段长，且水汽输送与集中程度较第二阶段强，导致第一阶段降雨强度较第二阶段强、强降雨持续时间较第二阶段长。

3.2 能量条件

在暴雨发生前，地面倒槽发展，有利于对流层低层增温增湿和不稳定能量积累。第一阶段，19日20时(图6a)，850 hPa假相当位温(θse)等值线密集带(锋区)位于湘中偏北及怀化北部地区，能量锋区较强，有利于触发强对流天气，怀化中南部地区假相当位温在358K以上，位于能量锋前的高能舌区内，且这一带850 hPa与500 hPa假相当位温差(Δθse850-500)达12～16 K，层结极不稳定，强降雨就发生在能量锋前高温高湿的不稳定层结中，21日08时之前，怀化南部一直处在能量锋前的高能舌内，Δθse850-500在8 K以上，对应了第一阶段怀化南部持续强降雨天气，21日08时之后，由于强降雨导致能量释放，能量锋区明显减弱，高能舌的强度也减弱，第一阶段降雨结束。

第二阶段，22日20时(图6b)，能量锋区位于湖北及湘东北地区，怀化中部略偏西一带假相当位温为352～354 K，这一带Δθse850-500在2～4 K，高能舌维持时间较短、不稳定能量较第一阶段偏弱，且能量锋区位置偏北，导致这一阶段强降水持续时间较第一阶段短，降水强度也较第一阶段弱。

3.3 动力条件

由于这次过程的两个阶段强降雨都出现在110°E附近，因此对散度和垂直速度沿110°E的经向垂直剖面进行分析。第一阶段，20日02时(图7a)，强降水集中的怀化中南部地区(实心三角形标记处)，700 hPa以下为负散度，约为-3×10-5s-1，700 hPa以上为正散度，为“低层辐合、高层辐散”结构，同时这一带垂直上升速度达0.6 Pa/s，强上升气流伸展高度达400 hPa以上；第二阶段； 22日20时(图7b)，强降水集中的怀化中部偏西地区(实心方框标记处)，700 hPa以下为辐合区，700～

图5 925 hPa水汽通量(矢量箭头，单位： g·cm-1· hPa-1·s-1)、水汽通量散度(色斑，单位：10-7g·cm-2· hPa-1·s-1)和比湿(等值线，单位：g/kg)叠加图(a、19日20时，b、20日02时，c、21日02时，d、22日20时)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)

图6 850 hPa假相当位温(等值线，单位：K)及其与500 hPa假相当位温差(Δθse850-500，色斑，单位：K)叠加图(a、19日20时，b、22日20时)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为辐散区，400～200 hPa为弱辐合区，结构较为复杂，虽然这一带垂直上升速度达0.6 Pa/s，但强上升气流伸展高度仅达600 hPa。可见，在一定的水汽与热力条件下，低层辐合、高层辐散的动力结构更有利于动力抽吸及强降雨的持续，同时，垂直上升速度大值区伸展高度与降水强度也有一定的对应关系。

为进一步分析降雨区上空的上升运动，分别选取两阶段中降水较集中时次，分析沿110°E经向垂直环流剖面，第一阶段，19日20时(图8a)，在20～28°N，有一垂直环流,在22～28°N为垂直环流的上升支，而怀化中南部地区(26～27°N之间)正处于该上升支中，上升气流将低空暖湿气流向上输送，有利于对流不稳定发展，在这一阶段的强降雨中，环流中心北侧的上升支能达到200 hPa以上高度；第二阶段，23日02时(图8b)，垂直环流位于26～31°N，怀化中部地区(27～28°N)处于该垂直环流上升支中，但这一阶段降水区上升支只能达到500 hPa的高度。

由上述分析可见，强降水区往往出现在垂直环流的上升运动支，且该上升运动支能达到的高度与降水强度有一定的关系。

图7 散度(等值线，单位：10-5·s-1)和垂直速度(色斑，单位：Pa/s)沿110°E经向垂直剖面(a，20日02时；b，22日20时)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)

图8 19日20时(a)及23日02时(b)沿110°E的v-ω合成流场(v，单位为m/s；ω放大50倍，单位为Pa/s；灰色阴影为地形)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 中尺度滤波分析

为了研究叠加在大尺度环流场上的中尺度扰动，基于Barnes滤波原理，设计一套中尺度滤波方案，滤去低通滤波场得到中尺度流场。

滤波前的200 hPa流场上，6月20日02时—23日08时怀化均受偏北气流控制，无明显的辐散中心。滤波后，第一阶段，6月19日08时，在湘北出现一条东西向的辐散带，20日02时(图9a)，辐散带移到湘中偏南地区，怀化南部的会同地区正处在该辐散带上，20日14时，辐散范围减小；第二阶段，22日20时(图9b)，湘中地区出现辐散带，怀化中部地区正处在气流的辐散区内。

滤波前的850 hPa流场上，第一阶段，19日20时，在湖北东部有一个低涡，切变线呈东北—西南向经湘东北到达怀化北部地区，20日02时位于怀化地区的切变线消失，怀化中南部受西南气流控制；第二阶段，22日20时，在湘西北及怀化北部地区存在偏东风与偏南风的气流辐合区。滤波后，19日20时，湘东北到怀化北部及贵州东南部到怀化南部分别有一条中尺度辐合线生成，20日02时(图9c)，两条辐合线逐渐合并，位于200 hPa辐散带附近，处于200 hPa辐散带与850 hPa辐合带之间的怀化南部地区出现了强降雨；22日20时(图9d)，在湘西北、湘东北、湘中及贵州东部各存在一个中尺度涡旋，处在各涡旋之间的怀化北中部地区有一条中尺度辐合线生成，与此时200 hPa辐散带相交，怀化中部地区正处于相交区域内，出现了较强降雨。

从中尺度滤波分析可以发现，对流层低层的中尺度辐合线是造成这次强降雨过程的主要中尺度系统，高层辐散气流起到明显的抽吸作用，形成低层辐合，高层辐散的形势，有利于中尺度系统发生发展，强降雨出现在850 hPa中尺度辐合带与200 hPa中尺度辐散带之间。

4.2 地面辐合线

边界层辐合线是强对流天气重要的触发系统，分析地面图(图10)，第一阶段，6月19日08时—20日08时怀化地区一直有一条辐合线(准静止锋)存在并自北向南移动，且其移动速度较为缓慢，强降水位置与辐合线对应较好。而第二阶段，地面并无辐合线生成，这也导致了这次过程第一阶段降雨强度较第二阶段强。

图9 Barness带通滤波后的200 hPa (a、b，蓝色线条为辐散带)和850 hPa (c、d，红色线条为辐合带)中尺度流场(ac：2018年6月20日02时，bd：2018年6月22日20时)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)

图10 2018年6月19日08时—20日08时间隔6 h地面辐合线(准静止锋)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 雷达回波特征分析

第一阶段，6月19日22时，强降雨回波在会同地区发展并维持，组合反射率回波图(图11a)上，从贵州东部到怀化南部会同县延伸出一条狭长的带状回波，反射率中心强度在45～50 dBz以上，强回波中心亦呈带状，反射率因子梯度大，回波带呈准东西向移动；对应时次1.5°(图11b)、2.4°(图略)、3.4°(图11c)仰角基本径向速度图上可以看到，强回波带上空有辐合存在，且辐合抬升的伸展高度较高，有利于回波的生成和发展；沿线状回波移动方向做剖面(图11d)，有6个质心高度在4 km左右的对流单体呈线状排列，其中心强度均在45 dBz以上，表现出明显的“强回波低质心”特征，具有高效的降雨效率，对流单体移动方向与线状回波带移向基本平行，形成明显的“列车效应”，加之风暴径向移速仅为2 m/s，使得降雨单体依次经过会同地区，强降雨在同一地区高度叠加，致使会同县出现了小时雨强达79.7 mm短时强降雨天气。

第二阶段降雨回波呈片状分布，以中心强度为45 dBz左右的层积混合降雨回波为主，降雨强度较第一阶段明显减弱，但在怀化中部偏西的芷江、麻阳地区有出现小时雨强30 mm左右的短时强降雨天气，从6月23日06时43分组合反射率图(图12a)上芷江、麻阳有45 dBz左右的强回波发展，在其上空0.5°仰角基本径向速度图(图12b)对应有辐合存在，且4.3°仰角(图12c)有辐散与之对应，中高层的辐散抽吸作用和低层辐合使得芷江、麻阳处回波加深发展，垂直剖面图(图12d)上高强度低质心回波特征，给芷江、麻阳带来高效率的降雨，但是整个回波向北移动较快，无法在同一地区形成持续性强降雨，所以此阶段累积降雨较第一阶段弱。

图11 怀化雷达站2018年6月19日22时24分组合反射率(a，单位：dBz)、1.5°(b)及3.4°(c)仰角雷达基本径向速度图(单位：m/s)、沿线状回波移动方向剖面图(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

图12 怀化雷达站2018年6月23日06时43分组合反射率(a，单位：dBz)、0.5°(b)及4.3°(c)仰角基本径向速度图(单位：m/s))、垂直剖面图(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 结论

①总体来说此次强降雨天气过程具有强度强、持续时间长、累积雨量大、降雨范围广等特点；具体分析来看，这次过程可以分为两个阶段，对比两阶段降雨，发现第一阶段累积雨量更大、短时强降水强度更大、持续时间更长、分布范围更广。

②第一阶段主要影响系统为850 hPa及925 hPa切变线与地面准静止锋，为锋面降雨，而第二阶段主要影响系统为南支槽、850 hPa及925 hPa切变线，表现为暖区降雨特点。

③强降雨出现在925 hPa比湿大于16 g/kg区域与水汽通量大值区及水汽通量辐合区叠加的区域。

④第一阶段能量锋前高温高湿的不稳定层结有利于强降水的发生，第二阶段能量锋区位置偏北，不稳定能量较第一阶段弱，因此降水强度较第一阶段弱。

⑤低层辐合、高层辐散的结构更有利于动力抽吸及强降雨的持续，且垂直上升速度大值区伸展高度与降水强度有一定的对应关系；强降雨区往往出现在垂直环流的上升运动支，且该上升运动支能达到的高度与降水强度有一定的对应关系。

⑥中尺度滤波实验能较好的分离出中尺度系统，对流层低层的中尺度辐合线是造成这次强降雨过程的主要中尺度系统，高层辐散气流起到明显的抽吸作用，形成低层辐合，高层辐散的形势，有利于中尺度系统发生发展，强降雨出现在850 hPa中尺度辐合带与200 hPa中尺度辐散带之间。地面辐合线(静止锋)为这次过程第一阶段的触发系统。

⑦两阶段的雷达回波均表现出强回波低质心特征，单体最大强度达45～50 dBz以上，强回波中心高度位于4 km高度附近，但第一阶段出现明显“列车效应”、风暴径向移速较慢，因此降水强度更大、持续时间更长。