湖南省两次副高控制下暴雨过程诊断分析

2020-10-09蒋帅周莉尹依雯

湖北农业科学 2020年15期

蒋帅周莉尹依雯

摘要：利用湖南国家基本气象站、区域站站点资料及NCEP再分析资料，对比分析了2018年7月19日（“0719”）和9月4日（“0904”）2次在副高（副热带高压）控制下湖南省发生的强降水过程，得到4点结论，①两次过程副高均较为强盛，但位置差异较大，“0719”副高主体为偏东型，“0904”副高主体为偏西型。925 hPa切变对强降水落区具有较好的指示意义;②二者的降水落区与水汽通量辐合区较为一致，降水区中低层为对流不稳定层结，700～500 hPa为中性层结，有利于降水的发生;③通过水汽追踪方法，发现2次过程的水汽来源不同，“0719”过程水汽主要来源于西太平洋地区，“0904”过程水汽则主要来源于印度洋地区;④在物理量方面，“0719”过程水汽能量垂直分为上干冷下暖湿的不稳定层结，但过程垂直上升运动、辐合辐散、相对涡度配置较浅薄，主要集中在中低层;“0904”过程湿层深厚，此外，受冷空气影响存在明显的锋区，一方面与暖湿气流汇合产生辐合上升，另一方面抬升暖湿气流，使上升运动加强，触发不稳定能量，过程垂直上升运动区向上延伸的高度较“0719”更高，低层辐合层深厚，相对涡度上传更大，对应降水强度更大。

关键词：副高（副热带高压）;强降水;水汽;湖南省

中图分类号：S162.5;P457.6 文獻标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）15-0028-09

Abstract： Based on the station of national， regional station data and NCEP reanalysis data， the two process of heavy precipitation in Hunan on July 19 （0719） and September 4 （0904） under the control of subtropical high were comparatively analyzed. The results show： ①The two process subtropical highs were relatively strong， but their positions were quite different. The main body of “0719” was easterly， while the main body of “0904” was westerly. 925 hPa shear had a good indicating significance for heavy precipitation areas; ② The middle and lower layers of the precipitation area were convective unstable stratification， and 700～500 hPa was neutral stratification， which was conducive to the occurrence and development of precipitation. ③ It is found that the water vapor sources in the two processes were different by the air parcel tracking method. Water vapor mainly came from the western Pacific region in “0719” process， and came from the Indian Ocean region in the process of “0904”. ④ In terms of quantities， the energy of water vapor was vertically divided into unstable stratification of upper dry cold and lower wet warm wet in the “0719” process. In addition， the process vertical rose motion， convergence and divergence， and relative vorticity configuration were shallow， mainly concentrated in the middle and low layers. In the “0904”process， the wet layer was thick in the vertical direction. Influenced by cold air， there was an obvious zone， on the one hand， convergence rose with the warm current rendezvous， lifting up on the other hand， to reinforce upward movement， trigger instability energy， and process of vertical ascending motion area extended upward height higher than the “0719”， low-level convergence layer deep， relative vorticity upload more， corresponding to the greater the rainfall intensity.

Key words： subtropical high; heavy rain; water vapor; Hunan province

暴雨是长江流域夏季多发且危害严重的灾害性天气，常造成严重的人员伤亡和经济损失，一直以来暴雨研究受到气象学家的高度关注[1-3]。湖南省是暴雨多发省份，暴雨有持续时间长、影响范围广和降水强度大等特点，致灾性强，常常引发山洪地质灾害和城市内涝等问题。目前，对湖南省暴雨天气的环流形势、影响系统等方面有较为系统的认识[4， 5]。毛冬艳等[6]研究表明，大暴雨是中尺度辐合线、中尺度低压和中尺度对流云团共同作用引发的;陈红专等[7]对比分析了2次低涡冷槽型暴雨的中尺度特征，发现水汽输送通道的建立和中低层水汽的大量集中为中尺度对流系统的发展提供了有利的环境条件;李峰等[8]研究表明，高低空急流的优势配置、耦合形势的建立以及高空急流右侧的强辐散场的存在为暴雨的发生提供了有利的环境条件。

一般情况下，受副高（副热带高压）控制时为晴好天气，不容易产生降水。然而观测事实表明，在副高控制下也常有强降水、强对流天气发生[9]。刘屹岷等[10-12]研究发现，用经典的下沉运动去解释副高的动力结构存在局限性，因为下沉运动中心与副高中心并不对应，下沉运动中心出现在高压东部偏北的气流中，500 hPa上西太平洋副高的西部为上升运动区;张树民等[13]对比分析了江苏省2次在副高控制下的强对流天气，发现当有足够强的抬升机制时，500 hPa副热带高压脊线附近也会触发强对流天气，强对流天气发生在925 hPa切变线和地面辐合线附近;尹红萍等[14]分析了副高控制下強对流天气的特征，结果表明副热带高压型强对流天气较易出现在副高的北侧;柯文华等[15]对副高控制下的短时暴雨进行诊断分析，发现中层弱冷平流是触发短时暴雨的触发机制，“喇叭口”地形对降水增幅、逆风区对对流的维持和加强都起到了十分重要的作用。

在日常工作中，副高控制下的强降水、强对流天气是预报工作的难点和重点，容易出现漏报和错报。相对于有关台风暴雨、梅雨锋暴雨等的研究而言，有关在副高控制下暴雨天气的研究较少，尤其是预报、预警方法的研究和预报指标的提炼还不够，难以满足暴雨预报业务的需求。因此，本研究对比分析了2018年2次在副高控制下的暴雨过程，分别是7月19日和9月4日，旨在增强该地对在副高控制下暴雨发生的天气形势、物理量的认识，从而提高对此类天气的预报、预警水平。

1 资料与方法

1.1 资料

资料来源于湖南国家基本气象站、区域站站点资料、NCEP再分析资料，包括fnl资料（https：//rda.ucar.edu）和GBL资料（https：//ready.arl.noaa.gov/gbl_reanalysis.php）。

1.2 轨迹模式介绍

采用由NOAA Draxle等开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的综合模式HYSPLIT_4.9[16]。HYSPLIT_4.9模式分析气流轨迹的思路是假设气块随风飘动，以气块一个时间步长的运动为例，气块的最终位置由其初始位置（P）和第一猜测位置（[P]）之间的平均速度计算得到。气块的第一猜测位置：

式中，Δt 为时间步长，要求一个时间步长内气块的移动距离不超过0.75个格距，即Δt<0.75倍Umax，Umax为最大风速，研究选取的时间步长Δt为6 h，[V（P，t）]为实际风速。需要指出的是HYSPLIT_4.9模式采用的是地形坐标，因此输入的气象数据在垂直方向上需要被内插到地形追随坐标系统，水平方向则保持其原有格式。

2 天气实况及环流背景

2.1 天气实况

第一次降水过程发生在2018年7月19日（下面称“0719”），强降水主要出现在19日03—19时，主要降水落区集中在湘西南，出现多个暴雨站点，最大累计降水量出现在怀化市溆浦县（27.92°N，110.57°E），达67.2 mm，最大小时雨强出现在19日16时的桃源县茶庵铺站，达50.6 mm。第二次降水过程发生在2018年9月4日（下面称“0904”），强降水主要出现在4日03—13时，为大到暴雨，局地大暴雨，降水带集中在湘西北至湘东南一线，主要降水落区集中在湘西北，最大累计降水量出现在湘西州龙山县（29.64°N，109.42°E），达144.2 mm，最大小时雨强出现在4日05时的桑植县上洞街站，达73.4 mm。这2次强降水过程不管是在降水量级还是降水落区上都存在差异（图1），将从环流形势、物理量诊断进行对比分析。

2.2 环流背景分析

“0719”过程中，200 hPa中高纬度呈西高东低的形势，贝湖以西为低压槽，槽缓慢东移发展，东北地区为脊区。200 hPa南亚高压东伸至中国黄海和东海上空，湖南省湘西南处于辐散区（图略）。500 hPa西太平洋副高呈东西带状分布，19日02时120°E脊线位于34°N附近，588 dagpm线控制华东、华中南部及江南北部地区，湖南省大部分地区在588 dagpm线范围内，湘西南位于副高南侧边缘附近，有利于对流性降水的发生。在7月19日08时，“安比”中心位于浙江省象山县东南方向约1 370 km的海面上，也就是20.2°N、131°E，近中心最大风速20 m/s（8级风，热带风暴级），中心最低气压995 hPa，且不断向中国东南沿海靠近，强度不断加强，有利于台风北侧东风带水汽输送（图2）。在低层环流场上，湖南省受700 hPa和850 hPa高压后部偏东南气流控制。19日08时，925 hPa湘西南有切变线形成（图3），地面有弱辐合线存在。随着中高层东风波西进，切变西移。

从“0904”来看，9月4日08时，200 hPa受南亚高压东部脊线控制，对流层存在明显的辐散区，有利于抽吸和散热。500 hPa中高纬度呈两槽一脊的环流形势，巴湖以东为一低压槽，另一低压中心位于中国东北地区，两低之间为高压脊区控制（图2）。500 hPa东北地区冷槽后部的偏北气流有利于引导地面冷空气南下渗透至湖南省，对应在河套附近存在冷高压中心，强度为1 016 hPa，夜间有冷空气自东北向西南渗透至湖南省湘西北。9月4日02时，500 hPa上，588 dagpm线呈东西带状分布，控制着湖南省大部分地区;14时，588 dagpm线有所东移，控制全省;强降水落区湘西北始终处于副高控制下。在700 hPa，4日02时，湖南省大部分地区受西北气流控制，对应925 hPa上，02时和08时湘西北存在暖式切变（图3），辐合区持续时间较长，14时辐合区显著减弱，对应降水减小。850 hPa与925 hPa较为类似。此外，地面东路冷空气侵入，与湘西北偏南气流汇合，在08时形成地面辐合线，有利于触发降水发生。

以上2次降水过程副高均较为强盛，但位置有较大差异，“0719”副高主体为偏东型，强降水落区湘西南处于副高南侧的东风波气流中，925 hPa切变和地面辐合线有利于触发强降水发生。与“0719”过程不同，“0904”副高主体为偏西型，位置偏西偏南，强降水落区湘西北始终处于副高控制下。850 hPa、925 hPa存在弱切变线。此外地面存在冷空气侵入，有利于触发湘西北强降水发生。

3 物理量诊断

为了进一步探究副高控制下暴雨的特点，下面将从水汽、动力、不稳定条件等物理量方面对这2次降水过程进行对比、归纳、分析。

3.1 水汽条件

3.1.1 比湿和相对湿度条件选取怀化市溆浦县、湘西州龙山县（经纬度如实况介绍），分别沿其所在经度做剖面。从比湿的垂直经向剖面上可以看到（图4），2次过程发生前850 hPa及以下都处在大于14 g/kg的高比湿区中，且维持到暴雨过程结束。不同于“0719”过程，“0904”过程受冷空气南下影响，在33°N以南地区形成湿度锋区，或称露点锋区（图4b），对应地面锋区的位置。从相对湿度的垂直经向剖面上可以看到（图4c、图4d），2次过程中低层处在相对湿度大于60%的高湿区中。“0719”过程开始前，19日02时，湘西南上空高湿区接近700 hPa，随后相对湿度向上增强;19日08时，湖南省700 hPa以上为干区，700 hPa以下为湿区（图4c）;19日20时，中低层相对湿度迅速减小，对应降水逐渐减弱。“0904”过程中（图4d），湿层厚度明显高于“0719”过程，相对湿度大于60%的区域一直延伸到500 hPa附近，对应强降水站点30°N附近，高湿度区可延伸至200～300 hPa。此外，在“0904”可以很明显看到北方干冷空气和南方暖湿空气的交界面，冷空气从底下契入，南方的暖湿空气被迫抬升，有利于降水增强。随着冷空气的进一步南下，湖南省上空相对湿度减小，降水停止。

3.1.2 水汽通量散度从水汽通量散度（图5）来看，19日02时，有一水汽通量辐合大值区位于湘西，最大辐合区强度小于-4×10-7 g/（cm2hPa·s），为降水提供水汽辐合条件;14时辐合中心东移影响湘西南地区，但强度减弱，这与降水落区有较好地对应。“0904”过程中，4日02时，湖南省湘西北、湘中部分地区均为辐合区，强辐合中心位于湘西北，最强辐合区值小于-4×10-7 g/（cm2·hPa·s）;4日08時，辐合区范围缩小，最强辐合区值小于-3×10-7 g/（cm2·hPa·s），位于湘西北至湘中地区，呈西北-东南走向;4日14时，辐合强度进一步缩小减弱，降水停止。

3.1.3 水汽来源诊断分析选取2次过程降水最强的站点，分别是溆浦县、龙山县（经纬度如实况介绍），利用美国NOAA开发的HYSPLIT-4.9模式模拟2次过程相应站点的水汽来源轨迹，模拟初始高度选择5 000、3 000、1 500 m，大致分别代表500、700、850 hPa的水汽来源。如图6所示，“0719”过程，500 hPa上的气块（红线）来源于副高控制的日本上空，高度较高，水汽含量较少。此次过程水汽主要来源于西太平洋地区（蓝线，绿线），850 hPa水汽来源于西太平洋沿副高南侧的偏东气流，700 hPa水汽来源于大洋洲的东北部，越过赤道后由偏东气流输送至降水区。“0904”过程水汽均来源于印度洋地区，且水汽的初始位置高度较低，水汽含量对应较为丰富。与“0719”过程不同的是500 hPa水汽来源于中南半岛西侧，位置较低，水汽含量丰富，有利于中高层的水汽输送，这也是后一次过程中高层水汽好于前一次的重要原因。

通过对水汽的诊断分析，发现2次降水过程降水落区与925 hPa水汽通量辐合区较为一致，且水汽条件较好，850 hPa以下比湿均大于14 g/kg，700 hPa以下相对湿度均大于60%，但是水汽的来源有所不同。“0719”过程水汽主要来源于西太平洋地区，“0904”过程水汽主要来源于印度洋地区。此外，“0904”过程受冷空气抬升影响，高相对湿度区向上延伸的较高，850 hPa以下有等比湿密集区，容易形成露点锋，更有利于触发强降水的发生。

3.2 动力条件

垂直运动是成云致雨的关键因素，降水的强度一般与中低层的上升运动有关。研究同样选取2次降水过程降水最强的点，分别是溆浦县、龙山县。从时间垂直速度上可以看出（图7a），“0719”过程中，19日02时低层出现上升区，白天垂直速度向上发展，700 hPa以下均为负值区，上升速度最强为-0.3 Pa/s。对应时间散度剖面（图7c）;19日02时—14时700 hPa以下为负值区，有利于低层辐合，对应相对涡度925 hPa之下为正涡度区（图7e），这与前面环流场分析的925 hPa存在切变线一致。700 hPa至500 hPa多为辐散区，850 hPa至700 hPa为负涡度区，低层辐合高层辐散的配置有利于上升运动的维持。19日20时，低层转为辐散，对应降水减弱。“0904”过程中4日02—14时，垂直速度剖面负值区向上延伸到300 hPa附近，对应垂直上升运动较前一次过程加强，最大上升速度为-0.21 m/s（图7b）。在时间散度剖面上看到（图7d），4日凌晨到14时700 hPa以下散度为负值，相对涡度为正值，对应低层辐合，700 hPa以上情况相反。14时后，低层辐散增强，低层出现负涡度区，对应垂直上升运动区在14时开始明显下降至700 hPa以下（图7f），降水逐渐减弱停止。

综上所述，2次降水过程中，垂直上升运动、辐合辐散、相对涡度配置与降水时段都有较好地对应。“0719”过程垂直上升运动、辐合辐散、相对涡度配置较浅薄，主要集中在中低层，“0904”过程垂直上升运动区向上延伸的高度更高，低层辐合层深厚，相对涡度上传越大，对应降水强度越大。

3.3 不稳定条件

3.3.1 假相当位温假相当位温θse垂直剖面可以清楚地显示不稳定层结以及锋面活动的情况，因此下面将分析2次过程中θse剖面。研究分别沿2次强降水落区经度（110.57°E，109.42°E）做纬度-高度剖面。“0719”过程中，19日08时（图8a）700 hPa以下假相当位温随高度迅速递减，表明中低层大气层结为对流不稳定层结，700～500 hPa湘西南上空假相当位温在332～336 K，等值线稀疏，为中性层结;对应相对湿度（图4c），湖南省上空700 hPa以下为相对湿度大于60%的高湿区，700 hPa以上为干区，这种上干冷下暖湿的层结，构成了层结不稳定，容易触发强对流发生，为暴雨提供能量与不稳定条件。“0904”过程中，4日08时（图8b）假相当位温的密集带位于32°N附近，密集带以南为假相当位温的高值区，对应南方的暖湿空气，密集带以北为假相当位温的低值区，对应北方干冷空气。在冷锋前的暖区中，700 hPa以下假相当位温随高度递减，表明中低层大气为对流不稳定层结，中层700～500 hPa为中性层结。冷空气的入侵，暖湿空气被迫抬升，触发不稳定能量，形成暴雨，降水位于冷锋前等值线密集的暖区中。

综上所述，2次过程都有触发强对流天气发生的有利条件——对流不稳定层结，其中“0719”过程存在热力不稳定层结，“0904”过程存在明显的锋区，有冷空气入侵，一方面与暖湿气流汇合产生辐合上升，另一方面抬升暖湿气流，使上升运动加强，触发不稳定能量，降水增强。

3.3.2 探空曲线及环境参数选取邻近降水区的探空站点，“0719”选取怀化站，“0904”选取恩施站。“0719”过程中7月19日08时怀化站的探空曲线可以看到（图9a），水汽垂直结构呈上干下湿的“喇叭口”分布状态，湿层位于600 hPa以下;低层925 hPa附近存在一定的对流抑制能量，有利于不稳定能量的积蓄。9月4日08时恩施站的探空曲线可以看到（图9b），“0904”过程湿层比“0719”深厚，湿层伸展可达400 hPa附近，有利于更强降水的形成。

为了解强降水过程期间对流参数，分别分析了怀化站、恩施站的K指数、SI（沙氏指数）、CAPE（有效位能）、CIN（一直能量）、TCL-P（抬升凝结高度）、LFC-P（自由对流高度）及Tg（对流温度）（表1）。从2次降水过程可以看出，K指数在36～40 ℃，條件较好。SI在7月19日08时、9月4日08时小于-1，有利于对流发生发展。2次过程都具有一定的CAPE，能量条件较好，“0719”过程中的对流有效位能CAPE值高于“0904”过程。二者的TCL-P、LFC-P均较低，容易形成质心较低的高效率降水云团。从对流温度来看，“0904”对流温度较小，仅为25.0 ℃，更有利于降水的触发。

4 小结

从环流形势、水汽、动力以及不稳定层结4个方面，对比分析了2次在副高控制下发生的强降水过程，得到以下结论。

1）2次过程副高均较为强盛，但位置有较大差异，“0719”副高主体为偏东型，强降水落区湘西南处于副高南侧的东风波气流中;“0904”副高主体为偏西型，位置偏西偏南，强降水落区湘西北始终处于副高控制中。925 hPa切变对强降水落区有较好指示意义。

2）在水汽方面，降水落区与水汽通量辐合区较为一致，2次过程850 hPa以下为比湿大于14 g/kg、700 hPa以下为相对湿度均大于60%的高湿区;“0719”过程水汽主要来源于西太平洋地区，水汽垂直分布上干下湿。“0904”过程水汽主要来源于印度洋地区，湿层深厚，有利于降水强度加大。

3）2次降水过程中，垂直上升运动、辐合辐散、相对涡度配置与降水时段都有较好地对应。“0719”过程垂直上升运动、辐合辐散、相对涡度配置较浅薄，主要集中在中低层，“0904”过程垂直上升运动区向上延伸的高度更高，低层辐合层深厚，相对涡度上传越大，对应降水强度越大。

4）2次过程中，700 hPa以下假相当位温随高度递减，中低层为对流不稳定层结，700～500 hPa为中性层结;不同的是，“0719”过程存在上干下湿的热力不稳定层结，且具备触发热对流的有利条件;“0904”过程受冷空气影响，存在明显的锋区，一方面与暖湿气流汇合产生辐合上升，另一方面抬升暖湿气流，使上升运动加强，触发不稳定能量，降水强于“0719”过程。

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