湘西州致洪暴雨特征分析及预报概念模型的建立和检验

单 丹，吴志科，郑福维，米红波

（1.湖南省湘西土家族苗族自治州气象局，湖南 吉首 416000；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；3.湖南省气象局，长沙 410118）

湘西土家族苗族自治州位于云贵高原东侧、湖南省西北部，面积15 486 km2，武陵山脉由东北向西南斜贯全境，地貌以山原山地为主，兼有丘陵和小平原，属中亚热带季风湿润气候，具有明显的大陆性气候特征。该地主要气象灾害有暴雨洪涝、干旱、暴雪、低温、冰雹大风等，给湘西州农业生产和社会经济发展带来不同程度的影响，制约了湘西州经济的快速稳定发展。近年来，湘西州突发性、局地性暴雨呈多发和频发态势，对人民生命财产安全构成了较大的威胁［1，2］。因此，提高暴雨的监测预报能力，对防灾减灾和服务工农业生产有重要意义［3］。

1 资料与方法

1.1 基础资料及方法

资料来源于CMISS读取2013—2018年湘西土家族苗族自治州地面逐日降水资料，以及NCEP/FNL 1°×1°的6 h再分析资料。定义24 h降水量≥50 mm为暴雨，则前一日20：00至当天20：00累积雨量达到暴雨及以上量级则为一个暴雨日。利用天气学及物理量诊断方法进行天气分析，重点分析区域暴雨和局地暴雨，提取预报指标，建立概念模型。

1.2 暴雨过程划分

分析中，规定当全州1/2及以上自动站且4个及以上国家站出现暴雨，或者4个及以上国家站出现暴雨且至少有1个为大暴雨及以上量级，同时自动站日降水量达暴雨量级的需要全州1/3及以上站点，为1次区域暴雨；全州1/2以下自动站且2～3个国家站日降水量达暴雨级别或者仅1个国家站达到大暴雨及以上级别为1次局地暴雨。通过统计筛选，可以划分出18次区域暴雨，33次局地暴雨。

2 结果与分析

2.1 暴雨次数及占比统计结果

据统计表明，2013—2018年湘西州暴雨过程多出现在4—10月，从4月开始明显增多，主要集中于5—9月，占88.24%，其中以6月和7月最多。按旬统计也可以明显发现存在峰值，6月下旬至7月中旬占区域暴雨和局地暴雨总数的35.29%（表1）。1959—2010年湘西州出现区域大暴雨49次（2站以上日雨量100.0 mm），其中仅6月上旬末至7月中旬前就有37次之多，历史上的洪涝灾害大多发生在这一时期。

2.2 形势场

2.2.1 中高纬形势场 行星尺度天气系统为暴雨的发生发展提供了有利的环流背景，它的变动大致决定了暴雨发生的地点、强度和持续时间。影响湘西州暴雨的行星尺度天气系统有西风带长波大槽、阻塞高压、西太平洋副热带高压和热带环流等。这些行星尺度天气系统的组合和有利配置将形成暴雨发生的大尺度环流形势。

表1 湘西州2013—2018年4—10月逐旬区域暴雨和局地暴雨出现总次数及占比

图1给出湘西州出现区域暴雨和局地暴雨期间高空的平均高度场。分析显示，200 hPa平均高度场上，湘西州区域暴雨期间，南亚高压中心位于青藏高原上空，脊线在20°—25°N，降雨区在脊线到副热带西风急流之间的辐散区中。其北侧约35°N存在明显的西风急流，湘西州均位于急流出口区右侧的强辐散场中，高空抽吸、通风作用强烈。急流核位于华北上空。局地暴雨时，南压高压特征不明显，位置偏南。西风急流特征显著，存在两个急流核，一个位于新疆西北部，另一个位于华北上空。

图1 2013—2018年湘西州区域暴雨（a）和局地暴雨（b）期间中高纬度平均形势场

500 hPa平均高度场上，中高纬地区均呈两槽一脊型。区域暴雨期间，阻高位于贝加尔湖东北侧，一条槽线位于内蒙—青海—四川一线，另一条更深的槽线位于东北—华北上空。湘西州被“584”线控制。此外，温度场与高度场的槽脊位置重合，这种环流型利于槽后冷空气向降水区输送。随着高空槽的东移南压，冷空气随着与稳定少动的副高边缘输送的暖湿气流交汇，更有利于降水的发生。局地暴雨期间，两槽分别位于乌拉尔山附近以及贝加尔湖东侧。当青藏高原西部有低槽生成时，它可与乌拉尔山大槽或贝加尔湖大槽结合。在其上有分裂的槽东移，按位置不同表现为西北槽、高原槽或南支槽，是直接影响下游地区降水的短波系统。

通过对比分析，区域暴雨和局地暴雨期间，高空环流形势均存在200 hPa高空急流、500 hPa呈现两槽一脊的现象，但是位置和强度有所不同。区域暴雨期间，阻高强度略强，高空槽强度略深且位置临近关键区（关键区域的高空槽是引导冷空气能否影响湘西州的关键因素），副高偏强，位置偏东偏北，南亚高压更稳定且明显存在。

2.2.2 中低纬形势场 杨群［4］对贵州铜仁的暴雨天气过程做了归纳分析，初步总结归纳出5种基本模型，即冷锋低槽型暴雨、长江横切型暴雨（梅雨型）、低涡切变型暴雨、台风倒槽型暴雨和两高切变型暴雨天气过程。湘西州的暴雨天气与铜仁市相近。其中，冷锋低槽型暴雨最为常见（除被副热带高压稳定控制，无冷空气影响时，其余时段均有发生）；长江横切型暴雨主要集中在6—7月，副热带高压控制在22°N附近，湘西州处于副热带高压外围较强西南气流中；低涡切变型暴雨主要出现在5—6月，四川低涡东移影响湘西州，造成影响的主要是西南涡发展后的偏东路径。如果西南涡取偏东路径，低涡在暴雨过程开始前常东移至宜宾附近，大多情况下沿着切变线向东移动，经贵州北部地区进入湖南北部、江西南部一带，最后减弱消失（有的能东移至长江下游一带），低涡切变的移动往往伴随强MCS群不断生消并沿长江东移，此情形常导致湘西州出现强降水；台风倒槽型暴雨在9月最易发生，但是近年来，特别是2018年，台风发生较多，各月均有分布，且深入内陆往西影响的增多；至于两高切变型暴雨则较少造成大范围的区域暴雨。

图2 2013—2018年湘西州区域暴雨（a.700 hPa；b.850 hPa）和局地暴雨（c.700 hPa；d.850 hPa）期间中低纬平均风场（单位：m/s）

通过分析区域暴雨和局地暴雨的700 hPa和850 hPa平均风场（图2）发现，700 hPa风场在区域暴雨期间，湘西州西北侧有一低涡辐合存在，湘西州境内存在一条东北至西南向的切变线，南侧至长江口沿岸存在明显的风速辐合（图2a），同时850 hPa上的低涡辐合及切变线位置较700 hPa略偏南，低涡位置的右前方也存在风速辐合（图2b）；而在局地暴雨期间，湘西州西侧有风速辐合和弱的暖式切变存在，西南急流不明显（图2c、图2d）。低涡的东部和东南部最有利于暴雨，所以低涡位于四川、贵州和重庆时最有利于出现暴雨。

2.3 物理条件分析

2.3.1 水汽条件 大气中的水汽主要来自低空，90%以上的水汽集中在对流层中低层，且其分布随高度迅速递减，因此低层大气中的水汽对暴雨起决定性作用。研究发现，暴雨发生之前，特别是暴雨发生之前几小时到暴雨发生时，大气中水汽的含量增加较快［2］。所以，对于暴雨而言，中、低空水汽含量的多寡及中层水汽增量的变化对降水量的影响较大。

图3给出湘西州两种类型暴雨期间的日平均大气可降水量分布。对比可知，当发生暴雨时，湘西州上空的大气可降水量均达到45 mm以上，大部分地区≥50 mm，这表明当动力及抬升条件较好时，上空水汽充沛，可产生明显降水。区域暴雨期间，大部分区域的日平均大气可降水量最大值超过55 mm（图3a）；局地暴雨发生时，该数值仅在小范围内接近55 mm（图3b）。因此，大气可降水量大于45 mm可作为判断湘西州是否会发生暴雨的参考值，而大部分大气可降水量是否达到55 mm可以作为区分区域暴雨和局地暴雨的指标之一。

图3 2013—2018年湘西州区域暴雨（a）和局地暴雨（b）日平均大气可降水量分布（单位：mm）

研究指出，暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成的［5］。湘西州出现区域暴雨时，700 hPa比湿≥10 g/kg（图4a），850 hPa比湿≥12 g/kg（图4b）；局地暴雨发生时，700 hPa比湿数值较小（图4c），850 hPa比湿≥12 g/kg（图4d）。实际上，当出现暴雨时，除了相当高的比湿外，还必须有充分的水汽供应，因为只靠某一地区大气中所含的水汽凝结降水量很小。由湘西州出现暴雨时的水汽通量及其散度分布（图5）可知，当湘西州发生暴雨时，水汽通量和散度的大值区均在上游地区的贵州、四川境内，不同之处在于发生区域暴雨期间的850 hPa水汽大值区位置更接近湘西州且强度更强，925 hPa水汽大值区位置较局地暴雨偏南。850 hPa水汽来自孟加拉湾输送的西南急流和南海的偏南急流，925 hPa水汽主要来自南海的偏南气流。

2.3.2 动力条件 图6给出湘西州暴雨期间各层的垂直速度分布，分析表明暴雨期间850～300 hPa各层的垂直速度在湘西州表现为一致的上升趋势（自上而下略西斜），垂直速度大值中心呈块状分布，区域暴雨期间的整体强度较局地暴雨期间强，最强上升区分别位于700 hPa和850 hPa。

据朱乾根等［5］的研究，当发生暴雨时往往伴有低空急流，有低空急流无暴雨或有暴雨无低空急流只占少数。陈娟等［6］研究发现，1.0～2.5 km高度的西南急流增强或减弱与下游降水的增强与减弱有较好的相关性，较低层1.0～1.5 km高度的西南急流增强与下游降水的增强关系更密切。通过将急流分解为西风急流（U）和南风急流（V），进一步对比两者在不同暴雨期间的作用和地位。

当发生区域暴雨期间，在湖南中南部经江西大部分区域至江浙与福建部分区域存在带状分布的西风气流风速大值区，湘西州中北部处于风速梯度大值区北侧的风速辐合区与偏东气流的南侧构成的风向辐合区内（图7a）；在V分量上体现为一致的较强南风（图7b）。局地暴雨期间（图7c、图7d）U、V分量呈块状分布，湘西州的切变线主要表现为东北风和西南风的对吹，其中V分量上明显看到在贵州境内有10 m/s以上的风速区，但在湘西州境内整体较小。对比来看，暴雨发生时期U分量强度均大于V分量。由此可知，在700 hPa西南急流中U分量占主导地位。图8给出湘西州发生暴雨期间（图8a、图8b）850 hPa急流的U、V平均风速，当区域暴雨期间，U、V分量均在长江中下游以南表现为西风气流，以北为东风气流，最强梯度区汇合于28°～29°N（即切变线以南北分布为主）；而在局地暴雨发生期间（图8c、图8d），湘西州以东风和南风为主，且均处于2个风速大值区内。朱乾根等［5］指出低空西风急流有利于在暴雨区低空形成高湿区，从而利于对流不稳定层结，但它对暴雨区的水汽供应不起作用，从而与湘西州上空U分量为负值不起冲突。对比结合分析，850 hPa西南急流中U、V分量所占比例基本相当。

图4 2013—2018年湘西州区域暴雨（a.700 hPa；b.850 hPa）和局地暴雨（c.700 hPa；d.850 hPa）期间比湿分布（单位：g/kg）

图7 2013—2018年湘西州区域暴雨（a、b）和局地暴雨（c、d）期间700 hPa上U（a、c）、V（b、d）平均风速分布（单位：m/s）

图8 2013—2018年湘西州区域暴雨（a、b）和局地暴雨（c、d）期间850 hPa上U（（a、c）、V（b、d）平均风速分布（单位：m/s）

丁一汇［7］研究指出，低空急流主要以中尺度扰动的形式向暴雨区输送动量、热量和水汽，因此沿低空急流轴传播的中尺度风速脉动或风速最大值甚至比低空急流本身更为重要。在湘西州发生区域暴雨期间，700 hPa（图9a）和850 hPa（图9c）均在重庆以西存在急流核，且该区域的风速强度明显大于周边范围；局地暴雨期间，最大急流核位置（图9b、图9d）距离湘西州较远，但在湘西州西侧明显存在风速大值区，与其东侧形成明显的风速辐合。这种低层存在的相对急流核区引起的强辐合在条件不稳定背景下将导致底层暖湿空气抬升，超过凝结高度后空气加速向上运动，引发强的上升运动，易产生对流降水。暴雨期间，整个湖南省区域（特别是偏东）在925 hPa（图9e、9f）都存在急流，这为暴雨期间的水汽供应起到较大作用，同时也利于对流不稳定层结的建立和维持，起到触发作用。

以上所述进而证实，（超）低空急流作为高动量、高能量和高水汽的集中带与输送带，是为中纬度暴雨提供热力学和动力学条件的重要天气系统。在低空急流的前方或左前方易出现强辐合区，这对强对流的连续发展是有利的，可以较好地指导降水落区［8］。

图9 2013—2018年湘西州区域暴雨（a.700 hPa；c.850 hPa；e.925 hPa）和局地暴雨（b.700 hPa；d.850 hPa；f.925 hPa）期间各层全风速分布（单位：m/s）

2.3.3 其他预报因子 其他物理量的对比分析结果（表2、图10和图11）显示：湘西州区域暴雨期间，对流有效位能（CAPE）较小（图10a），850 hPa和500 hPa两层温度差（T850hPa-500hPa）在18～20℃（图11a），有一定的锋区存在；中低层的位温（θse）在340～350 K（图12a），在28°—29°N存在低层负散度（正涡度）、高层正散度（负涡度）的耦合模式，有利于上升运动的强度和高度。局地暴雨期间，CAPE（图10b）基本在1 000 J/kg以上，T850hPa-500hPa（图11b）在25℃以上，能量锋区不明显，中低层的θse（图12b）在330～345 K，但是从地面至500 hPa假相当位温随高度递减，这将有利于对流性天气发生；不稳定能量在500 hPa左右的中层受到抑制，容易形成低质心的降水，降水效率高，有利于局地暴雨产生。

2.4 暴雨预报概念模型的建立及检验

2.4.1 概念模型 当湘西州出现区域暴雨或者局地暴雨时，可以通过以下几点提前预报：①500 hPa高度场为两槽一脊的单阻型，东部沿海一线有大槽存在，上游有高空槽；②700 hPa有急流或者最大风带存在，且常跨8个以上经距；在上游重庆或者贵州境内有低涡辐合，且湘西州境内往往有切变线；③湘西州上空大气可降水量≥45 mm，大值区成片分布且湘西州南部有55 mm以上的大值中心存在；④850 hPa关键区（23°—29°N，103°—109°E）和925 hPa关键区（23°—27°N，102°—107°E）存在水汽通量及其散度大值区，此外，850 hPa比湿≥12 g/kg也可以作为预报暴雨的阈值标准之一；⑤湘西州上空垂直速度上升区一致，各层大值中心呈块状分布，区域暴雨期间最强上升区位于700 hPa附近，局地暴雨期间最强上升区位于800～850 hPa；⑥湘西州暴雨期间，南风强盛，往往有南北向或东北至西南向切变线存在；⑦700、850 hPa关键区（28°—32°N，103°—108°E）和925 hPa关键区（26°—30°N，110°—114°E）存在风速大值区（或急流核）；⑧区域暴雨期间对CAPE和T850hPa～500hPa要求不是很高，θse为340～350 K，28°—29°N存在低层负散度（正涡度）、高层正散度（负涡度）的耦合模式；局地暴雨期间CAPE达1 000 J/kg以上，T850hPa～500hPa≥25℃，能量锋区和耦合模式均不明显。以上提及的单个预报因子均为既非充分也非必要条件。

表2 湘西州发生区域暴雨和局地暴雨期间的物理量对比

图10 2013—2018年湘西州区域暴雨（a）和局地暴雨（b）期间对流有效位能（CAPE）分布（单位：J/kg）

图12 2013—2018年湘西州区域暴雨（a）和局地暴雨（b）期间沿110°E纬向剖面

2.4.2 检验结果 根据总结的暴雨预报概念模型对2019年湘西州4—7月共121个样本进行逐日检验。结果表明，区域暴雨准确预报3次，无漏报和空报；局地暴雨准确预报12次，漏报1次，空报1次。鉴于区域暴雨的特征更为突出，模式参考性更高，故而概念模型的应用更为有效；而在局地暴雨中，需要将概念模型的多条标准结合使用，通过检验可以在原有的概念模型上进一步得出一些实际应用的结论。例如，水汽通量及其散度剖面图［一般看绝对值≥0.000 08 g/（cm2·hPa·s）］的大值重合区（基本相差不超过2个纬度）出现时次往往与局地暴雨发生时段相对应，且该重合区持续时间越长，发展成为区域暴雨的可信度越大（图13a）；此外，垂直上升速度对于暴雨的预报有着较好的指示意义，其中区域暴雨期间垂直上升区可以从底层一直延伸到对流层顶，但是对强度要求不是很大，局地暴雨期间垂直速度强上升区更偏向中低层，数值往往较大（图13b）。从各预报因子来看，局地暴雨漏报时，大气可降水量、垂直速度和比湿等单个预报因子都不管用，此时需要特别关注强降水发生前后时次的风速脉动情况，即当预报因子不完全达标（或者接近概念模型标准）时，中低层存在强烈的风速辐合也需要分析。

图13 2019年6月21—22日湘西州局地暴雨发展为区域暴雨时的水汽通量［实线，单位：g/（cm·hPa·s）］及水汽通量散度［色斑，单位：g/（cm2·hPa·s）］沿110°E的时序图（a）和垂直速度时序图（110°E，28°N）（b）

3 结论

通过对湘西土家族苗族自治州2013—2018年期间发生的暴雨进行分析，筛选出区域暴雨和局地暴雨过程，并根据暴雨生成的条件和影响因子建立了预报概念模型。结果表明，湘西州暴雨多发于两槽一脊的单阻型，区域暴雨期间多发于东北至西南向的切变型，局地暴雨多发于南风与东风的暖切型；大气可降水量对于暴雨预报有指示意义，且可以作为区分暴雨范围大小的指标之一；当湘西州出现暴雨时，850 hPa比湿一般≥12 g/kg；水汽通量和水汽通量散度大值重合区（纬距相差在2°之内）出现时次往往是强降水发生时段，且大值重合区持续时间越长，暴雨发生的概率越大；700 hPa垂直速度大值中心可以较好地指示区域暴雨落区，而在局地暴雨期间800～850 hPa垂直速度大值中心的指示意义更佳；区域暴雨期间，垂直速度上升区可以从底层延伸至对流层顶，对中心值强度要求不大；局地暴雨发生时，垂直上升速度区更偏中低层，且往往有一个较大的中心值；700 hPa西南急流中U分量占主导地位，而在850 hPa西南急流中U、V分量所占比重基本相当，其中上游地区的V分量的变化对于湘西州的暴雨预报有较好的参考性；（超）低空急流有利于暴雨的发生和维持，这在中低层均有体现，且需特别关注风速脉动的辐合情况；区域暴雨对于单个预报因子的阈值要求不是很高，但是存在明显的耦合模式或者不稳定层结，而在局地暴雨期间，常见的暴雨预报因子阈值均较大，反而耦合模式不明显。