湖南省深秋一次罕见持续性暴雨过程诊断分析

刘红武 唐林 廖春花

摘要：利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料，对2014年10月27日至11月1日发生在湖南省中北部的一次罕见持续性暴雨天气过程进行了综合分析。结果表明，副高强度及其位置、孟加拉湾低槽活动情况及东高西低形势是引起此次暴雨天气过程的大尺度环流背景;高层辐散、低层辐合及强烈的上升运动为暴雨的发生提供了有力的动力抬升条件;低空西南急流的建立和维持为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。整个强降水过程冷空气活动较弱，暴雨主要发生在西南急流左侧的水汽辐合区。此次深秋暴雨集中发生在2个阶段，第一个阶段发生在东路冷空气影响下的大气层结稳定状态下，持续时间长;第二个阶段则是西路冷空气入侵，是在对流不稳定状态下产生的持续时间短。

关键词：深秋暴雨;西南低涡;高低空急流;罕见;湖南省

中图分类号：P446         文献标识码：A

文章编号：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

湖南省屬亚热带季风性湿润气候类型，受东亚季风影响，是中国暴雨多发省份之一。湖南省雨季一般集中在4—6月，春季和夏季暴雨日数和日平均降水较多，而秋季和冬季降水较少[1]，对暴雨的研究也基本集中在4—9月的汛期，极少涉及秋季暴雨的研究。

近年来，已有不少学者对秋季暴雨的形成机理进行了一些研究分析， 孙欣等[2]对辽宁省秋季一次暴雨天气进行了诊断分析，指出中尺度气旋、高低空急流、次级环流上升支、地面高水汽含量湿区、高假相当位温出现的时间、强度、位置和结构决定了暴雨的时间与落区;冯建民等[3]对干旱区一次连阴雨过程中暴雨天气的多普勒雷达图像进行了分析，发现4条多单体回波带和1条飑线由西南向东北方向移动的“列车效应”是暴雨形成的主要原因，同时多单体回波带和飑线存在明显差异;刘勇等[4]对陕西省中南部一次秋季连阴雨中区域性暴雨成因进行了分析，发现暴雨系统的层结特征与夏季暴雨相比有明显的差异，低层锋区附近的强水汽辐合是秋季区域性暴雨产生的主要机制;胡淑兰等[5]从天气学角度分析了2005年陕西省秋季连阴雨中暴雨天气的天气特征，认为其强度和落区与中尺度扰动有密切关系; 郁淑华[6]、陈丽芳等[7]强调了低空急流产生的强水汽输送和动力不稳定对秋季连阴雨中暴雨形成的重要作用;段旭等[8]分析了中尺度系统对秋季大暴雨的作用。此外，有学者对秋季暴雨的成因也进行了分析[9-15]，而对湖南省秋季暴雨研究甚少。因此，为更多地了解湖南省秋季暴雨特征，更好地开展秋季暴雨过程的预报，本研究选取2014年10月27日至11月2日发生在湖南省中北部的一次持续性罕见暴雨天气过程，利用常规气象观测资料、中尺度自动站资料及NCEP1°×1°再分析资料，从大尺度环境场、物理量场进行诊断分析，以期为湖南省秋季暴雨过程预报业务提供有益的参考。

1 天气实况

2014年9月中下旬至10月中旬，受气温偏高、降水偏少的影响，湖南省气象干旱逐步发展，全省共有90个县（市）出现气象干旱，其中发生重旱的有29个县（市），发生特旱的有12个县（市），随着10月下旬至11月初中北部出现了一次历史同期罕见持续性暴雨天气过程，气象干旱才明显缓和。

据湖南省97个常规观测雨量站统计，2014年10月27日8：00（北京时，下同）至11月2日8：00，中北部地区出现了区域性暴雨、局地大暴雨（图1）。过程累积全省平均雨量为90.5 mm，降水量超过50 mm的测站有70个，超过100 mm的测站有25个，超过200 mm的测站有2个，单站最大日降水量为129.5 mm（10月28日，石门），单站最大过程降水量为245.0 mm（吉首）。

从逐日降水情况分析可看出（表1 ），整个过程以暴雨为主，强降水集中在2个时段，分别是10月27日8：00至30日8：00，10月31日8：00至11月1日8：00。第一个阶段强降水落区稳定维持在湘北地区，10月28日8：00至30日8：00是整个过程的最强降水时段，单日出现了20站次暴雨，2站次大暴雨，最大为石门的129.5 mm。第二个阶段强雨带南压至湘中一带，呈准东西向，强度有所减弱。据统计，此次过程有多个县（市）达到极端降水标准，其中有2个县（市）24 h累积降水量达到极端标准，有8个县（市）48 h累积降水量达到极端标准，有11个县（市）72 h累积降水量达到极端标准，有13个县（市）96 h累积降水量达到极端标准，有16个县（市）过程最大连续5 d降水量达到极端标准，有9个县（市）过程降水量达到极端标准。

2 大尺度环流形势与影响系统特征

2.1 500 hPa环流场

对于持续性暴雨天气过程，大尺度环流形势与暴雨的形成密切相关。10月27日20：00的500 hPa图上（图略）亚欧大陆中高纬为两槽一脊环流形势。两槽分别位于巴尔咯什湖与亚洲东部，均为深厚冷性槽，移动缓慢，冷空气源源不断补充南下;贝加尔湖附近为一宽广高压暖脊控制。对比10月27日至11月2 日500 hPa平均高度场及距平场（图2）分析发现，此次过程中高纬度的槽脊较历年同期深厚，有利于南北冷暖气流的交绥;副高主体宽广，588线北界位于华南中部22°N，西脊点达90°E，较历年同期偏西10个经度，异常偏强;江南、华中地区均处于副高边缘不稳定区域。从逐日的高度场分析，孟加拉湾一直维持低值区，且不断分裂小槽发展，东移至川东地区，有利于下游产生降水。此外，洋面上低值系统较历年同期平均偏北偏强，有利于洋面水汽输送。

2.2 西南急流

分析湖南省怀化探空站高空风-时间剖面图（图3a）发现，10月27日8：00至11月1日20：00期间 700 hPa一直维持强盛的西南急流，10月29日20：00之前风速基本维持在18 m/s以上，且最大风速达20 m/s;850 hPa在湘北一直存在强风速辐合带或切变。10月29日20：00之前，西南急流在850 hPa维持14 m/s以上，与强降水发生时间相对应，10月30日8：00随着西南风速减弱，降水强度也随之减小，至11月2日8：00转北风后降水基本结束。

从暴雨区700 hPa平均风场（图3b）可以看出，在强降水发生之前，西南气流从10月27日2：00的1 m/s迅速加强至28日14：00的18 m/s，至31日20：00一直维持12 m/s以上的风速。西南急流长时间维持为持续暴雨的发生提供了充沛的水汽。

2.3 地面冷空气

此次持续性暴雨过程先后受东、西两路冷空气影响。首先是东路冷空气，从10月27日开始持续至31日。一般来说，东路冷空气对湖南省天气主要有2个方面的影响，一是持续时间长，二是地面温度低，特别是海拔低的地方会出现持续性的低温天气。10月26日20：00（图4a），地面冷高压中心位于内蒙古东部，中心强度达1 040 hPa，从冷高压底部分裂出冷空气，在500 hPa脊前偏北气流引导下不断向华北至华中地区扩散，10月27日2：00开始持续影响湘北，温度从31 ℃骤降至14 ℃，降水逐渐加强，且低温天气持续至整个降水过程。西路冷空气对湖南省影响持续时间短，天气能快速轉好。此次过程是在东路冷空气减弱后，西路冷空气开始影响。11月1日8：00（图4b），冷高压位于蒙古国西北部，中心强度为1 045 hPa，高压底部等压线密集，且不断分裂小高压，南下速度快;至11月2日20：00，冷高压主体南落，降水基本结束。

3 物理条件分析

3.1 动力条件

从湖南省暴雨区平均200、850 hPa散度-时序图（图5a）可以看出，从10月28日8：00开始，暴雨区高层辐散、低层辐合的垂直结构开始建立。随着时间的推移，这种结构越来越明显。10月30日高层辐散最显著，低层一直维持一个辐合状态，直至31日20：00高层辐散和低层辐合形势基本结束，降水也趋于结束。

从暴雨区垂直速度（图5b）来看，其变化与强降水的时间演变对应较好，共有4个垂直速度上升中心，分别为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，中心值达到-0.7 m/s，与当天暴雨区发生的强降水相对应;其他的中心位置在500～850 hPa，为暴雨的发生提供了动力条件。因此，高层辐散、低层辐合垂直结构的长时间维持及垂直上升速度的增大为此次湖南省持续性暴雨的发生提供了动力条件。

3.2 水汽条件

有了强盛的动力抬升条件，是否有水汽的辐合成为暴雨发生发展的关键因素，通过水汽通量散度及水汽通量来分析此次暴雨的水汽条件。图6为暴雨区平均水汽通量散度随高度、纬度、经度的时间剖面图，可以看出，这次持续性暴雨过程的发生发展与中低层水汽辐合的强弱有很好的对应关系。

从时间-高度剖面图（图6a）可以看出，水汽通量散度与垂直速度一样有4个中心，除11月1日的水汽通量散度中心位于700 hPa高度外，其余3个中心均位于850 hPa高度，说明中低层水汽的多少影响着暴雨持续时间的长短;与实况对比分析发现，10月27日湘西北已经出现了暴雨量级的降水，这与水汽通量27日从700 hPa开始辐合密切相关。从时间-纬度剖面（图6b）可以看出，10月27—30日水汽辐合带位于28°N以北，10月31日至11月1日辐合带逐渐南压，南北移动位置与强雨帶的位置吻合。从时间-经度剖面图（图6c）可以看出，西部（110°—111°E）强水汽辐合主要集中在10月27日20：00至30日8：00，水汽通量散度达-3×10-7    g/（cm2·hPa ·s），而东部（113°—115°E）强水汽辐合则主要集中于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、出现的位置和时间与这次暴雨的强度、范围相吻合，为本次持续性暴雨的发生发展提供了充足的水汽条件。

水汽通量也是表征水汽条件的重要因子。图7为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日湘西北水汽通量为14 g/（cm·hPa ·s），水汽辐合也在湘西北明显加强，降水从湘西北开始发展。随着低层西南风的加强，其携带大量的暖湿气流北上。10月28—30日水汽通量中心在湘中及以北地区维持，水汽辐合区主要位于水汽通量中心北侧，强降水落区与水汽辐合区相吻合。总体来看，此次过程水汽通量大，水汽辐合强，并且辐合区域也很大，说明低层水汽是持续性区域暴雨的主要输送源，而低空急流的建立和发展直接影响暴雨的强度、范围和持续时间。

3.3 不稳定层结

这次持续性暴雨过程是从10月27日白天开始，从大气层结（图8）来看，10月27—28日湖南省大气层结的Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）（500 hPa与850 hPa的假相当位温差）>0 K，大气层结处于对流稳定状态。湘北由于降水的影响，温度较低，没有不稳定能量释放，以稳定性降水为主。湘南由于前期温度较高， 29日开始有不稳定能量的堆积，加之冷空气南下及低层暖湿气流加强，31日湘中地区大气层结             Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）=-15 K，表明湘中一带有利于暴雨的产生。湘北、湘西北地区为正值，不利于暴雨的产生。实况是湘中出现局地暴雨天气。

11月1日随着不稳定能量的释放，全省又转为对流稳定状态。从暴雨区大气层结时序图（图9）可以看出，在暴雨过程开始时段（10月27日），           Δ[θ]se（500 hPa-850 hPa）<0 K，以对流性降水开始，能量快速释放，继而转为稳定性降水。10月28—29日雨带在湘北维持，直至30日雨带南压，影响到前期温度较高的湘中偏南地区，再次有对流性降水发生，但随着不稳定能量释放，没有新能量补充，降水过程也随之停止。

3.4 温度平流

结合温度平流（图10）和风场（图11）来看，10月28—30日湘北为暖平流区，且暖平流中心逐渐南压。28日暖平流最强，中心约为27 ℃。从实况来看，28日降水在湘北地区出现了成片的大暴雨区。31日西南风减弱，北风加强，暖平流势力减弱，湘北逐渐转为冷平流控制，雨带随之南压，集中在湘中偏南地区。11月1日北风加大，带动冷空气南下，全省转冷平流控制，降水基本结束。

4 结论

此次湖南省秋季持续罕见暴雨具有影响范围广、持续时间长、降水强度大等特点。通过分析可知，这次持续暴雨过程是在有利的大尺度条件下发生的。500 hPa中低纬度地区东高西低的形势稳定维持在整个暴雨阶段，西太副高脊结较历年同期异常偏北偏强，有利于洋面水汽输送。暴雨发生在中低层切变线南侧、低层急流最前端左侧及地面辐合线附近。与夏季暴雨稳定条件不同，这次秋季持续性暴雨是在大气层结稳定状态下发生的。中层没有明显冷空气活动，低层弱冷空气侵入，大气层结处于对流稳定状态。高层辐散、低层辐合及强烈的上升运动为暴雨的发生提供了有力的动力抬升条件;低空西南急流的建立和维持为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件，整个强降水过程冷空气活动较弱，主要发生在西南急流左侧的水汽辐合区。

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