2019年6—7月两湖流域雨情异常成因分析

王孝慈，李双君，孟英杰

(武汉中心气象台，湖北 武汉 430074)

引 言

每年6—7月是长江中下游地区持续性多雨期，称为梅雨期，梅雨期中国东部雨带主要在江南与淮河之间徘徊。两湖流域是指洞庭湖、鄱阳湖两大内陆淡水湖所覆盖区域，主要包括湖南、江西两省。两湖流域位于长江中游以南，位置偏西，在雨季区划分上属于华南与江淮雨季过渡带[1]，气候监测与预警业务上一般把这一区域北部划分到长江中游与江南梅雨范围，因其地理位置特殊，在梅雨期降水有自己的特点，雨季来的早，持续时间长。

梅雨期降水最显著的特征表现为雨带的季节性北跳和南退，加强梅雨期异常影响因子的研究，是深入分析梅雨期降水异常的基础，其中副热带高压脊线、南压高压脊线及东亚夏季风的推进是影响入梅、出梅的重要因子。东亚天气、气候异常与副热带高压(简称“副高”)异常有关，副高位置及强度的季节内异常直接造成东亚天气、气候异常[2-4]。东亚副热带大气扩张会导致长江以北降水增多，以南降水减少[5]。南压高压脊线位置偏南，会造成长江流域多雨，而其中心位于伊朗高原时，长江流域少雨[6-7]。南压高压中心位置较常年偏西时，会造成江淮地区梅雨偏多[8]，副热带夏季风强弱和推进速度影响入梅早晚[9-10]。陶诗言等[11]从副热带高压、南压高压、东亚夏季风之间的相互作用出发，揭示南压高压与西太副高在大陆的进退关系，提出南压高压东西振荡概念，指出梅雨期丰(枯)年受其影响[11]。南压高压、东亚副热带高压的强度、位置与淮河流域夏季降水关系密切[12]，副高脊线、南压高压脊线及夏季风北推时间是导致梅雨异常的主要因素[13-14]。

我国雨带自3月中旬起最先在两湖流域开始，然后向西、向东扩张，可见两湖流域在中国夏季降水中充当了重要角色，开展这一区域降水研究很有必要。2019年6—7月，两湖流域强降水等灾害性天气频发，雨量较同期历史偏多6～7成。6月上旬赣中发生强降水过程导致信江上中游、赣江上中游干支流发生超警戒洪水，形成了长江中游赣江2019年第1号洪水。截至7月18日出梅，两湖流域先后出现5次灾害性强降水过程，湘江、赣江多地水库超警戒水位，其中鄱阳湖湖口站超警戒水位历时13 d。本文对2019年两湖流域梅雨期降水异常偏多的影响因子进行分析探讨，以期为今后两湖流域出现大洪水的流域面雨量预报提供参考。

1 资料与方法

使用的资料包括：(1)长江水利网水库汛情资料以及收集自民政局的灾情数据，用以分析2019年入汛以来两湖流域的灾情、汛情；(2)长江流域735个国家气象观测站雨量资料用来分析两湖流域雨情特征；(3)NCEP/NCAR再分析资料(空间分辨率2.5°×2.5°，包括2019年逐日、逐月平均数据、1981—2010年的气候日/月平均数据)，以及NCEP FNL再分析资料(空间分辨率1°×1°，时间分辨率6 h)等，对环流形势、梅雨锋结构、水汽、热动力条件等进行诊断分析，从而揭示湘赣地区异常降水的可能原因；(4)长江流域多普勒天气雷达拼图资料，用以分析个例中的回波结构形态等。

短时强降水定义为雨强≥20 mm·h-1的降水[15]，本文以站点出现雨强超过20 mm·h-1的短时强降水作为可能发生灾害性强降水的指标。

两湖流域分区定义：依据长江水利委员会对长江流域进行的39个区域划分和命名[16](图1)，洞庭湖流域包括洞庭湖区(洞庭湖所在区域)、沅江、资水、澧水、湘江5个区域；鄱阳湖流域包括鄱阳湖区(鄱阳湖所在区域)、赣江、抚河、饶河、信江、修水6个区域。

图1 长江流域中两湖流域划分及命名Fig.1 Division and nomenclature of the Two-Lake Basin in the Yangtze River Basin

湿位涡：把饱和大气中水汽凝结潜热的作用考虑到位涡的分析中，它的正负分别代表冷空气和不稳定的暖湿气流[17]，零等值线所在位置表示有冷暖气流的交汇。可以分为垂直分量MPV1和水平分量MPV2，计算公式为：

式中：θe(K)为相当位温；MPV1代表对流稳定性，当MPV1<0时，表征对流不稳定；MPV2表示锋区的强弱，MPV2的绝对值越大，大气斜压性越大，越易引起垂直涡度的增长，导致强降水发生或加剧[18]；g(m·s-2)为重力加速度，取值9.8 m·s-2，f为地转涡度，且f=Ωsinφ(其中φ为纬度)。

E指数用来表征气团中能量和湿度的大小[19]，E(K)值越大气团所具能量越大，所含水汽越多。其表达式定义为：

(2)

式中：θse850、θse700、θse500(K)分别为850、700、500 hPa假相当位温；△θ58表示500 hPa与850 hPa假相当位温差值，当△θ58>0时，表征位势稳定，当△θ58<0时，表征位势不稳定。

2 6—7月两湖流域灾、汛情

2019年入汛以来，两湖流域强降水过程多发，多地受灾严重，特别是位于强降水中心的湘江、赣江等地，灾情更为重大：江西等地70个县(市、区)489.4万人受灾，27人死亡，5人失踪，农作物受灾面积325.80×103hm2，直接经济损失110.7亿元；湖南等地53个县(市、区)199万人受灾，6人死亡，1人失踪，农作物受灾面积143.25×103hm2，直接经济损失42.3亿元。

根据湖南省和江西省水情网资料，2019年长江中游汛情较往年提前，两湖流域防汛形势异常严峻。从6月开始，受持续降雨影响，赣江、湘江、资水、沅江等部分河段及支流发生明显涨水过程，有11个站点水位在警戒线以上，江西赣江支流湖水、梅江、桃江等3条中小河流出现建站以来最大洪水。

7月上旬末，湘江干流及支流洣水、渌水、涓水等11条河流发生超警戒以上洪水，其中支流渌水发生超历史洪水，7月中旬初两湖流域再次出现强降水，各站水位快速上涨。汛情最严峻的洞庭湖流域、湘江全线超警，衡阳站和湘潭站超保证水位。

3 6—7月两湖流域主要降水过程

图2为1961—2019年6—7月湘江、赣江平均面雨量年际变化。可以看出，1990—2019年赣江和湘江平均面雨量分别为331.2、374.5 mm。2019年6—7月湘江、赣江平均面雨量为1961年有历史记录以来最高，分别达587.9、696.2 mm，均远超1990—2019年平均值。2019年夏汛期两湖流域共经历5次较大的强降水过程，从赣江、湘江2019年6—7月面雨量日变化(图3)可以看出，6月影响两湖流域的强降水过程主要有2次，分别出现在6—10日、20—25日。其中，6—10日洞庭湖中南部、鄱阳湖大部地区普遍出现暴雨或大暴雨；20—25日鄱阳湖大部、洞庭湖中北部出现强降水。7月影响两湖流域的3次强降水主要出现在上中旬，分别为3—5日、7—9日、12—14日。其中6月2次过程赣江的日面雨量大于湘江，7月3次过程湘江日面雨量则明显大于赣江，2个流域过程峰值出现时间基本一致，强降水中心主要位于洞庭湖流域东南部和鄱阳湖流域中东部。整个梅雨期，梅雨锋锋面中心位置基本位于25°N—28°N之间，即长时间维持在湘赣中游一带，具体雨情如表1所示。

4 6—7月两湖流域降水偏多成因

图4为2019年6—7月长江流域累计降水量实况分布。可以看出，2019年夏季主汛期长江流域强降水中心位于两湖流域，多地累计降水量达600～800 mm，局地达1000 mm以上；尤其是湘江、赣江等地，与历史同期相比偏多5～7成(图略)。考虑6—7月主要是梅雨期，因此从大尺度环流背景，包括西太平洋副热带高压、南压高压、西风急流、夏季风等，以及诱发灾害性天气的中尺度对流系统出发，分析2019年两湖流域降水异常偏多的可能原因。

4.1 降水偏多大尺度环流成因

4.1.1 南压高压

南压高压是中国夏季梅雨期天气系统的重要组成部分，其脊线位置与梅雨期降水关系密切，脊线位置的变动和高空急流的强度均影响降水落区和强度[13-14]。如图5所示，2019年夏季南压高压脊线与气候平均态相比明显偏南，除6月18日、29日左右出现2次短暂的北跳外，脊线位置均位于25°N以南地区，导致梅雨期主雨带集中于两湖流域。同时，东亚上空中高纬西风急流较往年偏强，西风急流每一次增强对应着南压高压脊线南落，使得位于副高北侧边缘的两湖流域较长时间处于冷暖交汇状态。由此可以看出，2019年夏季对流层高层的中高纬大气环流形势调整和北跳时间异于往年，进而影响对流层中层副高位置以及低层夏季风的推进时间，为两湖流域地区降水提供了有利的大尺度环流背景。

图2 1961—2019年6—7月赣江(a)、湘江(b)平均面雨量年际变化Fig.2 The annual variation of mean area rainfall of Xiangjiang (a) and Ganjiang (b) rivers from June to July during 1961-2019

图3 2019年6—7月湘江、赣江24 h累计面雨量日变化Fig.3 The daily variation of 24 hours accumulated area rainfall of Xiangjiang and Ganjiang rivers from June to July in 2019

表1 2019年6—7月5次天气过程雨情特征Tab.1 The features of 5 rainfall weather processes from June to July in 2019

图4 2019年6—7月长江流域累计降水量实况分布(单位：mm)Fig.4 The distribution of cumulative precipitation of the Yangtze River Basin from June to July in 2019 (Unit: mm)

图5 2019年6—7月200 hPa纬向风距平沿110°E—140°E的时间-纬度剖面(单位: m·s-1)(蓝色虚线为2019年南亚高压脊线，黑实线为1981—2010年气候平均南亚高压脊线)Fig.5 The latitude-time section of latitudinal wind anomaly along 110°E-140°E on 200 hPa from June to July in 2019 (Unit: m·s-1) (The blue dotted line is the south Asia high ridge line in 2019, and the black solid line is the climate average state during 1981-2010)

4.1.2 西太平洋副热带高压

西太平洋副热带高压的位置对中国夏季雨带分布有重要影响[20]，与之相关的众多特征指数中，副高脊线的位置与雨带对应最好，副高的第一次北跳通常代表长江中下游梅雨期降水的开始，雨带位置随脊线位置的变动而变动。图6为500 hPa位势高度场距平沿110°E—140°E的时间-纬度剖面。可以看出，2019年夏季副高脊线位置整体偏南，在3次北跳期间，伴有2次大幅度南落，对应梅雨期雨带长时间位于两湖流域。就1981—2010年气候平均而言，副高脊线一般在6月中旬前后由18°N第一次北跳至20°N—22°N。2019年6月6日，副高脊线出现了第一次北跳，湘赣北部位于副高北部边缘雨带中，江西省宣布入梅，较以往入梅偏早。受梅雨锋雨带影响，6月10日赣江上中游出现大暴雨天气，其干支流发生超警戒洪水，并形成了赣江第1号洪水。7月1日西太副高脊线再一次短暂北跳，至7月中旬，副高脊线稳定维持在20°N以南地区，湘赣中南部地区长时间位于副高北部边缘，对应梅雨锋主雨带长时间维持在湘赣地区，两湖流域区域性暴雨频发。同时，每一次脊线南落都对应中纬度高度场负距平的加强，表明在中高纬高空低槽偏强，两湖流域处于西风带槽底与副高交汇处，冷暖空气对峙频繁且强烈，大气斜压性增强，有利于区域性强降水的发生。

从2019年6月500 hPa高度平均场(图7)看，欧亚大陆500 hPa中高纬呈“2槽1脊”形势，其中乌拉尔山和鄂霍茨克海为低压槽，贝加尔湖北部为高压脊，与气候平均态相比，槽(脊)偏低(高)60 gpm以上，说明阻塞形势明显，经向环流增强，冷空气较常年更活跃；500 hPa位势高度场与气候平均态相比偏高20 gpm左右，西伸脊点达到108°E，较常年偏西10个经度以上，脊线略偏南。这种环流形势有利于两湖流域斜压锋生，梅雨锋雨带长时间维持发展。与6月相比，7月整体形势略平缓(图略)，呈“2槽2脊”形势，阻塞活动明显偏弱，副高较气候平均态偏强、偏西，脊线偏南3～4个纬度。以7月12—14日两湖流域大暴雨过程为例，副高呈“东—西”带状分布，西伸脊点位于100°E以西。从2019年7月12日08:00至14日02:00(北京时，下同)588 dagpm线逐6 h变化(图8)来看，12日08:00至13日20:00 588 dagpm线较稳定，脊线位于18°N附近，稳定的环流背景有利于梅雨锋雨带长时间维持。

4.1.3 夏季风

夏季汛期降水的水汽主要依靠低纬度西南暖湿气流的向北输送，夏季风的北推进程与其息息相关。图9为2019年6—7月850 hPa风场、地面至850 hPa

图6 2019年6—7月500 hPa位势高度距平沿110°E—140°E的时间-纬度剖面(单位：gpm)(蓝色虚线为2019年副高脊线，黑实线为1981—2010年气候平均副高脊线)Fig.6 The latitude-time section of geopentential height anomaly along 110°E-140°E on 500 hPa from June to July in 2019 (Unit: gpm)(The blue dotted line is the subtropical high ridge line in 2019, and the black solid line is the climate mean state during 1981-2010)

图7 2019年6月500 hPa位势高度与气候平均位势高度的距平场(阴影)，2019年6月位势高度场(黑色实线)及1981—2010年气候平均位势高度场(黑色虚线)(单位：dagpm)(蓝色实线为2019年6月588 dagpm线，蓝色虚线为1981—2010年气候平均态588 dagpm线)Fig.7 The geopotential height anomaly field between climate average during 1981-2010 and June 2019 (the shaded area), the geopotential height field in June 2019 (the black solid lines), the climate average state of geopotential height field during 1981-2010 (the black dotted lines) on 500 hPa(the blue solid line for the 588 dagpm line in June 2019, the blue dotted line for its climate average state during 1981-2010)

图8 2019年7月12日08:00至14日02:00副高588 dagpm线逐6 h变化Fig.8 The 6-hour changes of 588 dagpm line of subtropical high from 08:00 BST 12 to 02:00 BST 14 July 2019

图9 2019年6—7月850 hPa风场(风矢量，单位：m·s-1)、地面至850 hPa垂直积分的水汽通量散度场(阴影，单位：10-5 kg·m-2·s-1)沿110°E—140°E的时间-纬度剖面Fig.9 The latitude-time section of wind field on 850 hPa (vectors, Unit: m·s-1) and the water vapor flux divergence field integrated from the ground to 850 hPa (the shade, Unit: 10-5 kg·m-2·s-1) along 110°E-140°E from June to July in 2019

垂直积分的水汽通量散度场沿110°E—140°E的时间-纬度剖面。可以看出，2019年夏季风于5月第2候爆发，较常年(5月23日左右)明显偏早，6月第1侯已推进至25°N以北，之后至7月第2侯均维持在20°N—30°N之间，为6—7月两湖流域持续性降水提供了充沛的水汽条件。

以7月12—14日两湖流域暴雨过程为例，12日20:00湘赣地区的地面至300 hPa整层积分水汽输送都很强(图10)，其中北部地区一直维持着一条西南—东北向的大值水汽输送带，中心值超过80 kg·m-1·s-1，其主要作用是将华南以南地区的水汽输送到长江中下游一带，这与许建玉等[21]分析的2003年淮河流域梅雨期水汽输送方向基本一致。而此时亚洲夏季风急流南风分量增大(图9)，为水汽输送带提供源源不断的水汽来源[22]。

综上所述，2019年夏季大气环流形势异于常年，南压高压和副高位置较常年位置偏南，强度偏强，系统2次短暂北跳之后长时间保持南落状态，梅雨锋长时间稳定维持在两湖流域，南压夏季风北推进程较常年偏早，为两湖流域提供持续稳定的水汽来源，是2019年夏季两湖流域累计面雨量为58 a以来最强的主要原因。

图10 2019年7月12日20:00整层积分水汽通量(阴影，单位：kg·m-1·s-1)Fig.10 The integrated water vapor flux of the whole layer at 20:00 BST 12 July 2019 (the shaded, Unit: kg·m-1·s-1)

4.2 灾害性天气频发可能成因

为进一步探讨2019年6—7月两湖流域降水异常偏多的成因，以7月12—14日两湖流域大暴雨过程为例，对梅雨锋引发强降水的中尺度对流系统环境物理量场等方面进行分析。

4.2.1 强降水频次空间分布

灾害性天气的产生与中尺度对流系统(MCS)的发生发展密切相关[23-24]，而MCS的分布与地面短时强降水分布接近[15]。图11为2019年6—7月长江流域1 h降水量≥20 mm站点频次分布。可以看出，2019年6—7月1 h降水量≥20 mm站点频次高发区位于两湖流域，尤其是资水、赣江、抚河、信江等地1 h降水量≥20 mm站点频次高达10次以上。这可能是因为冷暖气团长时间在两湖流域交汇，梅雨锋长期维持在湘赣中游附近，给该地区带来高温、高湿、高能的环境，这种环境利于中小尺度对流系统的触发、发展[25]。

4.2.2 雷达回波特征

从2019年7月13日08:00雷达组合反射率因子(图12)来看，湘赣地区有一条带状混合型降水回波稳定维持，大片层状云降水回波中不断有积状云降水回波发展，回波反射率因子强度达55 dBZ，并伴随多个中小尺度对流产生，单体发展高度达9 km左右。该回波带从7月12日生成并缓慢东移，在回波带西侧存在后向传播，不断有新生回波发展并入，使整条回波带移动速度缓慢，长时间维持在湘赣一带，降水效率较高，最大3 h累计雨量出现在13日08:00—10:00赣江中游的丰城站(116.8 mm)。

4.2.3 梅雨锋结构特征

梅雨期诱发强降水的中尺度对流系统常发生在梅雨锋附近或其南侧高温高湿区，暴雨落区与梅雨锋位置对应较好。7月12日08:00开始，梅雨锋稳定在27°N—30°N，呈纬向分布，这是造成此次暴雨过程范围广、累计雨量大的原因之一。沿梅雨锋中强降水带(114°E)对假相当位温(θse)做经度-高度垂直剖面(图13)，可以看出湘赣地区925～700 hPa对应高能中心，且梅雨锋坡度较大，近乎70°；由于梅雨锋附近满足湿位涡守恒，即倾斜越大，气旋性涡旋越强烈，有利于锋区内产生对流性暴雨。

图11 2019年6—7月长江流域1 h降水量≥20 mm站点频次分布(单位：次)(蓝色实线框为两湖流域)Fig.11 Frequency distribution of stations with 1 h precipitation equal to or more than 20 mm in the Yangtze River Basin from June to July 2019 (Unit: times)(the blue solid frame for the Two-Lakes Basin)

图12 2019年7月13日08:00雷达组合反射率因子(单位：dBZ)Fig.12 The radar combined reflectivity factor at 08:00 BST 13 July 2019 (Unit: dBZ)

图13 2019年7月13日08:00比湿(阴影，单位：g·kg-1)和θse(实线，单位：K)沿114°E的经度-高度剖面(红色实线框内为锋区)Fig.13 The longitude-height section of specific humidity (shadow, Unit: g·kg-1) and θse (solid line, Unit: K) along 114°E at 08:00 BST 13 July 2019(the solid red frame for frontal zone)

4.2.4 触发机制及环境条件

梅雨锋附近的高能高湿环境，有利于气团对流不稳定、位势不稳定的发展，是多发灾害性强天气的主要原因[26]。2019年7月13日850 hPa湿位涡的零等值线经过两湖流域地区，表明此处冷暖交汇显著。图14为2019年7月13日08:00 MPV、20:00 MPV2沿28°N的高度-纬度剖面。可以看出，强降雨区上空MPV在13日08:00 700 hPa附近为负值[图14(a)]，850 hPa附近为正值，底层均为负值，表明中低层有冷空气入侵。在湘赣交界处上空MPV1低层为负，高层为正，表明此区域对流不稳定(图略)，有利于中尺度对流系统触发。而MPV2在13日20:00负值达到最大[图14(b)]，表明大气斜压性增强，之后负值中心向下发展，并在MPV2向下发展期间，雨强达到最强[27]。

图15为2019年7月12日20:00平均E指数和△θ58分布。可以看出，7月12日20:00，长江流域中下游沿江以南地区处在△θ58负值区，与E指数230 K高值区重合，表明在湘江中下游、赣江流域大部有高能高湿且位势不稳定的气团存在，有利于强降水的发生。

综上所述，副高稳定少动，低层梅雨准静止锋切变线长时间维持，为两湖流域持续稳定的降水提供了有利的大尺度环境背景；湘赣地区高能高湿且对流不稳定、位势不稳定的环境特征是其多发灾害性强天气的主要原因。大尺度环流背景和中小尺度系统相互作用，导致2019年夏季两湖流域灾害性强降水频发，降水异常偏多。

图14 2019年7月13日08:00 MPV(a)、20:00 MPV2 (b)沿28°N的高度-纬度剖面(单位：10-6 m2·s-1·K·kg-1)Fig.14 The latitude-height sections of MPV (a) at 08:00 BST and MPV2 (b) at 20:00 BST along 28°N on 13 July 2019 (Unit： 10-6 m2·s-1·K·kg-1)

图15 2019年7月12日20:00平均E指数(实线)和△θ58(阴影)分布(单位：K)Fig.15 The distribution of average E index (solid line) and △θ58 (the shadow) at 20:00 BST 12 July 2019 (Unit: K)

5 结 论

(1)2019年6—7月两湖流域大暴雨过程频发，多伴随灾害性强对流天气，累积面雨量为近几十年来最高；长江中下游支流水位上升，众多水库超警戒线，灾情、汛情严重。

(2)2019年6—7月两湖流域雨带维持时间长。南压高压脊线及副高脊线位置整体偏南；高层南压高压和西风急流季节性北跳提前，中层副高北跳提前，2次短暂北跳之间伴有长时间南落，低层夏季风提前北推；同时，从低层到高层，源自华南地区的水汽输送带持续为两湖流域输送充沛的水汽。从高层到低层大气环流系统的共同作用，致使2019年6—7月主雨带稳定维持在湘赣地区，为两湖流域降水偏多提供了有利的大尺度环流背景。

(3)2019年6—7月梅雨期期间，梅雨锋稳定维持在湘赣中游，两湖流域爆发了5次强降水过程，同时梅雨锋锋面附近高温、高湿、高能的环境，使得大范围稳定降水带中多伴随中小尺度对流系统发展，短时强降水等对流活动多发，进一步增大了分区面雨量值，月累计面雨量创历史新高。对2019年7月12—14日典型梅雨过程分析表明，副高稳定少动，低层梅雨准静止锋、切变线长时间维持，湘赣地区上空高能高湿且对流不稳定、位势不稳定，有利于对流性强降水多发，为两湖流域降水偏多做出贡献。