低涡影响下湖南一次致洪极端暴雨过程成因分析

2023-01-08刘红武蔡荣辉

高原山地气象研究 2022年4期

胡燕 , 刘红武 , 蔡荣辉 , 苏涛 , 张霞

（1. 湖南省气象台, 长沙 410006；2. 气象防灾减灾湖南省重点实验室, 长沙 410006；3. 河南省气象台, 郑州 450000）

引言

湖南地处湿润的亚热带季风气候区，盛夏季风活跃，年均降雨量超过1200 mm[18]，近50 a 统计表明湖南主汛期极端暴雨过程发生频次呈上升趋势[19-20]。近年来，针对湖南极端暴雨天气，气象工作者已开展了诸多相关研究。例如，彭莉莉等[21]通过多年统计归纳出湖南汛期极端暴雨过程发生的6 类环流形势，刘红武等[22]发现7月湖南极端暴雨过程多为西南地区东移低涡造成。2019年7月6～9日受低涡影响湖南中南部出现一次极端性的致洪暴雨过程（下文简称“7.8”暴雨过程），导致湘江流域干流及一级支流洣水三段共6 处发生决堤，17 人死亡或失踪，直接经济损失达55.9 亿元。已有气象工作者从水汽输送、中尺度对流演变角度分析了此次暴雨过程[23-24]，提高了对此次暴雨水汽特征等方面的认识，但对于过程的物理机制及主要影响系统演变均需进一步开展针对性研究。因此，本文利用NCEP 再分析资料和地面自动站观测数据，在分析大尺度环流背景的基础上，探讨了此次暴雨过程的成因，以期为提升低涡影响下湖南极端暴雨预报水平提供科技支撑。

1 数据和方法

研究资料选用了湖南省境内3540个区域自动站逐时降雨数据、97个国家基本站逐日降雨数据和空间分辨率为1°×1°的NCEP 逐6 h 再分析资料，通过分析涡度、散度、垂直螺旋度等动力因子的演变特征，探讨其对低涡类暴雨的作用机制。

2 雨情概况

2019年“7.8”暴雨过程持续时间长，累计雨量大，强降雨落区重叠，具有显著极端性。7月6日20 时～9日20 时湖南平均降雨量达109.5 mm（图1a），居1951年以来历史同期排名第一，历史距平百分率达412%，最大累计降雨量达509.8 mm（株洲龙潭村），最大小时雨强72.7 mm（茶陵，7日09～10 时）。湖南省超过75% 的国家站降雨量较历史同期异常偏多，尤其是湖南东南部区域比历年同期偏多20 倍以上，衡山、衡东、衡阳等共计30 县、市日降雨量突破有气象记录以来最大值（图1b～c）。同时，降雨还存在明显的日变化，图1d 给出了“7.8”过程中湘江流域共1785个观测站平均的逐6 h 降雨量演变。如图所示，强降雨峰值均出现在凌晨，分别为8日02～08 时、8日20 时～9日02 时和9日02～08 时，表现出“潇湘夜雨”特征。

图1 2019年7月6日20 时～9日20 时湖南累计降雨量（a）和历史距平（b）空间分布（单位：mm)；近69 a 湖南同期降雨量距平百分率演变（c）；“7.8”暴雨过程湘江流域平均的逐6 h 降雨量演变（d）

3 极端暴雨环流特征

极端暴雨天气往往是多尺度天气系统相互作用的结果。选取“7.8”暴雨过程中最强降雨发生前（6日08～20时）、发展（6日20时～9日20时）、减弱（9日20时～10日08时）三个阶段，讨论此次过程中主要影响系统的演变特征。

图2 分别给出了“7.8”暴雨过程中对应三个阶段的大气环流形势。分析可知，暴雨发生前（图2a、d），对流层上部200 hPa 南亚高压呈东西带状分布，主体在青藏高原-云贵高原，500 hPa 中高纬为两槽一脊的经向环流，东北冷涡中心达560 dagpm，强大的冷涡与贝湖东部阻高对峙，中低纬西太平洋副热带高压主体在海上，呈块状分布，586 dagpm 控制华南一带，西南地区不断有短波槽东出影响，850 hPa 低涡在贵州望谟附近生成，稳定少动。暴雨发展阶段（图2b、e），200 hPa南亚高压主体东界点延伸至113°E 一带，湖南中南部位于南亚高压边缘分流的辐散区，高空抽吸促使低层低涡得到发展。500 hPa 中高纬东北冷涡入海，环流调整成一槽一脊型，槽向南发展与云贵高原槽同位相叠加，经向度加大、低槽斜压性增强。副高588 dagpm脊线位于18°N 附近，较历年同期偏南达8～10个纬度（图略），湖南中南部地区处副高西北侧边缘不稳定气流中，中低空低涡前部。随着低槽东移，带动低涡沿切变线向东南方向移至湖南中南部，副高北侧边缘源源不断的西南气流又使低涡东部的南风急流稳定维持，从两广地区延伸至湖南中南部的低空急流也为低涡附近提供水汽和暖湿不稳定能量。暴雨减弱阶段（图2c、f），南亚高压主体迅速西撤至云贵高原以西，500 hPa 高空槽和中低层低涡移出湖南地区，低空急流南撤至粤闽一带，过程结束。

图2 “7.8”暴雨过程三个阶段（从左至右依次对应6日08 时、8日20 时和9日20 时）的大气环流形势（a～c. 等值线表示200 hPa 位势高度，单位：dagpm；d～f. 等值线表示500 hPa 位势高度，单位: dagpm；填色表示200 hPa 急流，单位：m/s；箭矢表示850 hPa 风场，单位: m/s ）

综上可知，西太平洋副高较常年同期显著偏南偏弱，低槽带动低涡东出，对流层上层抽吸作用促使低空低涡发展，高低空系统相互作用导致极端暴雨的发生。

4 低涡演变对极端降水的作用

4.1 低涡维持时间长

本文讨论的低涡是指850 hPa 上具有气旋性风场结构，并存在闭合等压线，直径200～500 km 的低值系统。此次过程中低涡对极端性暴雨起到重要作用，图3 给出“7.8”暴雨过程中不同时刻850 hPa 风场与涡度的空间分布。从低涡演变特征可见，6日20 时（图3a）贵州南部有气旋式环流形成，对应大片正涡度区，低涡形成。7日08 时（图3b）低涡移至湘黔交界，闭合环流出现强度为6×10-5s-1的正涡度中心，低涡右前方西南气流加强，低涡同时获得加强。8日14时（图3c）受强盛的西南季风影响低涡中心略有北推，气旋式曲率增大，东段暖式切变位于湖南中北部区域，曲率最大处与涡度大值区相对应；8日20 时（图3d）暖式切变上小低涡活跃，湖南西南部、中东部出现两个气旋式闭合环流，涡度也出现两个对应大值中心，中东部涡度显著增大至8×10-5s-1；另外，该时刻风场分布表明源于孟加拉湾的水汽先以西南路径途经中南半岛传输至南海，再转为偏南气流输送至低涡东侧，暖湿不稳定水汽输送带的建立也是低涡强烈发展的主要原因之一。9日02 时（图3e）两个涡度中心与闭合环流均维持强度，位置略有南压，低涡稳定维持到14 时（图3f），过程中强大的低涡影响湖南持续时间长达64 h，是导致极端暴雨主要原因之一。9日20 时之后，湖南西南部低涡减弱消失，中东部低涡东移至赣北。

图3 “7.8”暴雨过程不同时刻850 hPa 风场（风向杆，单位：m/s）与涡度（填色，单位：10-5s-1）的空间分布（a. 6日20 时，b. 7日08 时，c. 8日14 时，d. 8日20 时，e. 9日02 时，f. 9日14 时）

4.2 位涡对极端暴雨的响应特征

位涡可表征大气动力和热力属性，能较好地反映低涡造成的极端暴雨发展、减弱过程。图4 给出“7.8”暴雨过程发展阶段不同时刻位涡、风场以及降水的空间分布。7日08 时，850 hPa（图4a、d）黔南出现强度达0.4 PVU 的位涡中心，位涡大值区范围东扩至湖南，低涡移入湖南中南部，气旋性闭合环流清楚，且低涡前部西南气流强盛，达20 m/s以上，低涡右前侧、湖南东南部出现对流性暴雨。8日20 时（图4b、e）长江以南区域出现非对称分布的正、负位涡中心区域，湘东南、湘西南为2个结构紧实的块状正位涡中心，将湘中以南大片正位涡区连接成东北-西南向宽广的位涡带，最大值达0.6 PVU，湘北处于东西向分布的负位涡带上。结合850 hPa 风场看，此时北方冷空气侵入，与偏南暖湿气流形成冷式切变对峙，切变线上低涡活跃、湖南东部低涡强度大于西南部低涡，对应6 h 降雨分布，湖南中部以南降雨范围扩大，东北-西南向的暴雨区位于低涡冷式切变南侧、西南气流风速辐合区，与大的正位涡中心相对应。9日02 时（图4c、f），正位涡中心移至湘东南地区，增大至0.7 PVU 以上，湘北负位涡中心也增大至-0.4 PVU，偏北气流与偏南气流交汇加强，暴雨中心出现在正位涡中心区域内。到9日20 时（图略），湘东南为大片负位涡区，负中心达-0.3 PVU，正位涡区东移南压出湖南，低涡消失且降雨迅速减弱。

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图4 “7.8”暴雨过程发展阶段不同时刻（从左至右依次对应7日08 时、8日20 时和9日02 时）850 hPa 位涡、风场以及降水的空间分布（a～c. 填色表示位涡，单位：1PVU=1×10-6m2·K·s-1·kg-1；风向杆表示风场，单位: m/s；d～f. 填色表示降水，单位：mm）

上述分析表明：位涡带呈不对称中心对峙时，正位涡中心增大至0.6 PVU 且结构紧实，则低涡加强，强降水响应发生。

5 冷空气对降雨的影响

此次极端暴雨过程具有明显的对流性特点，短时降雨强度大。为分析冷空气对此次过程降雨的影响，图5 给出“7.8”暴雨过程中发展阶段不同时刻地面气压场、温度场和风场的空间分布。强降雨发展阶段（图5a），地面低压强烈发展，倒槽向北扩展至长江流域以南，地面风场上贵州苗岭山脉至湖南雪峰山脉一带有直径约200 km 的中小尺度低压生成，与该时次低涡位置对应，说明低涡向下延伸发展且厚度加大，降雨在低压环流中心南侧附近开始发展。最强降雨阶段（图5b），地面低压倒槽南压至湘南一带，冷空气以中路路径从洞庭湖加速南下进入低压区内，地面浅薄的冷空气加入使低涡斜压性加大、低涡发展，该时次850 hPa 湖南南部仍为强劲西南风（图3d），冷暖气流交汇，降雨获得加强，强雨带位于冷锋后部与3 h正负变压交界处。9日08 时（图5c），锋面压至两广北部，湖南区域转为偏北气流，较强降雨落于锋线北侧附近。9日20 时之后，冷空气进一步南下（图略），降雨逐渐减弱。

图5 “7.8”暴雨过程发展阶段不同时刻地面气压场（黑等值线，单位：hPa）、温度场（红等值线，单位：℃）和风场（风向杆，单位:m/s）的空间分布（a. 7日08 时，b. 8日20 时，c. 9日08 时）

6 动力因子诊断分析

垂直速度、散度能较好地反映大气动力特征，涡度可表征低涡的发展演变。图6 给出了湖南中部以南（24°～28°N、108°～114°E）区域平均的涡度、散度和垂直速度的高度-时间剖面。如图6a 所示，过程期间零涡度线最高达350 hPa，负涡度中心主要集中在200 hPa以上，500 hPa 以下到近地面均为正涡度，且300 hPa以下至边界层为持续上升运动。7日20 时，正涡度值逐渐增大，大值中心从对流层低层向中高层抬升，低涡向上、向下延伸发展；8日20 时～9日08 时，低涡垂直结构达到鼎盛时期，对流层中低层涡度显著加强，500 hPa 以下正涡度值超过3×10-5s-1，850 hPa 出现高达5×10-5s-1的最强正涡度中心，而200 hPa 附近负涡度也明显增大，同时垂直速度负值中心所在层次与正涡度中心接近，比涡度中心出现时刻提前6 h，表明强盛的中低层上升运动对低涡起到加强作用。到9日20 时，零涡度层迅速下降，对流层中低层至边界层正涡度呈梯度下降，低涡减弱，降雨量级降至小雨。

如图6b 所示，“7.8”暴雨过程中湖南中部以南区域存在持续的低层辐合、高层辐散不稳定层结。7日08 时，低涡移入湘黔交界时，400 hPa 以下均为辐合，300 hPa 以上为辐散，辐合中心位于850 hPa，垂直速度负值中心则位于对流层中层500 hPa；8日20 时，低涡进入鼎盛时，零散度线从350 hPa 下降至500 hPa，600～700 hPa 为弱的正散度，800 hPa 以下辐合加强，辐合中心达-2.0×10-5s-1；9日02 时，辐合中心高度继续下降至925 hPa，同时垂直速度负值中心下降至800 hPa，接近辐合中心，说明上升运动在此时达到最强，主要集中在中低层至边界层，且低层辐合强于高层辐散，近地层水汽汇聚于暴雨区；9日20 时，辐合、辐散均减弱，这与8日夜间出现最强降雨时段、9日20 时之后雨强减弱的降雨特点较为吻合。

图6 “7.8”暴雨过程湖南中部以南（24°～28°N、108°～114°E）区域平均的涡度、散度和垂直速度的高度-时间剖面（a. 填色表示涡度，单位：10-5s-1；b. 填色表示散度，单位：10-5s-1；等值线表示垂直速度，单位：10-2m·s-1）

综上可知，“7.8”暴雨过程的整个阶段均为“低层正涡度、高层负涡度”动力结构配置，中低层持续较强的上升运动使低涡发展强盛，同时低层辐合、高层辐散加大大气层结的不稳定，是导致极端暴雨发生的动力因素。

为更深入地分析此次极端暴雨过程的动力特征和环流结构，引入垂直螺旋度物理量。图7a 给出“7.8”暴雨过程垂直螺旋度的高度-时间剖面。如图所示，在降雨发生、发展阶段，螺旋度零线始终维持在400 hPa，对流层高层为明显的负垂直螺旋度，500 hPa以下的垂直螺旋度均为正值，呈现“低层正、高层负”的分布特点。低涡移入阶段（6日20 时～7日20 时），首先在700 hPa出现高于0.9 的正值中心、300 hPa 出现低于-0.3 的负值中心；低涡发展阶段（8日20 时～9日20 时），螺旋度正值中心从700 hPa 下降至850 hPa附近，中心值增大到2.7 以上，中心周围等值线密集，高层负螺旋度中心从300 hPa 抬高至200 hPa，表明对流系统发展更深厚，扩展高度更高，对流降水达到鼎盛时期。对比两个时段，前者与地面小时雨强最大值出现时段吻合，后者与湘江流域两个降雨峰值时段重叠，垂直螺旋度“正负中心对”出现时刻与强降水发生时间较吻合，其低层正值的大小与降水强度呈正相关，具有很好的指示作用。

图7b 为9日02 时850 hPa 垂直螺旋度的空间分布。如图所示，湖南处于大范围的正值区域中，湖南中部以南强雨带对应区域出现两个正螺旋度大值中心，且中心附近梯度较大，该区域位于南岭山脉北麓。图7c 给出了9日02 时垂直螺旋度和流场沿113.5°E的高度-纬度剖面。如图所示，暴雨环流结构较为清晰，低纬偏南气流较强，与北侧偏北冷空气交汇于27°N附近，辐合线位置随高度向北倾斜，并伸展到600 hPa附近，造成强烈的上升运动，形成显著次级环流；螺旋度在800 hPa 附近出现正值中心，与气流辐合最强的层次相一致，低层正螺旋度中心最大值超过2.4×10-6m·s-2，高层是相对弱的负中心，对应着向上伸展的垂直运动和高低层有利的涡旋运动。

图7 “7.8”暴雨过程湖南中部以南（24°～28°N、108°～114°E）区域平均的垂直螺旋度的高度-时间剖面（a）、 7月9日02 时850 hPa垂直螺旋度的空间分布（b）以及垂直螺旋度和流场（垂直速度扩大100 倍）沿113.5°E 的高度-纬度剖面（c）（填色表示垂直螺旋度，单位：10-6 m·s-2；黑色流线表示850 hPa 流场）

7 水汽条件对极端降雨的影响

充足的水汽供应对强降水天气发生至关重要，水汽源汇和动力输送是约束水汽循环、影响水汽分布的有效机制。本节从“7.8”暴雨过程中不同阶段分析水汽三维空间的演变特征及其与暴雨强度的关系。

图8a 为“7.8”暴雨过程湖南中部以南（24°～28°N、108°～114°E）区域平均的水汽通量散度和比湿的高度-时间剖面。如图所示，暴雨区700 hPa 以下比湿均较大，850 hPa 比湿高于14 g/kg，近地面比湿最大达18 g/kg 以上，超过了湖南出现大暴雨的比湿阈值，可见大气低层水汽含量充沛。6日20 时～9日08 时为强降雨发展阶段，水汽在800 hPa以下的低层均表现为明显的水汽汇合，尤其在最强降雨时刻（8日20时～9日08 时）水汽汇合中心下降至925 hPa，水汽集聚于边界层，有利于大雨滴降至地面。图8b 为“7.8”暴雨过程沿113.5°E 的925 hPa 水汽通量散度的纬度-时间剖面。如图所示，925 hPa 水汽汇合中心自湖南中部向东南方向移动，最大水汽通量散度值于8日20 时出现在27°N附近，中心值达-72×10-6g·m·kg-1·s-2，水汽辐合最强时间、区域与暴雨最强时间、落区高度吻合。

图8 “7.8”暴雨过程湖南中部以南（24°～28°N、108°～114°E）区域平均的水汽通量散度（填色，单位：×10-6 g·m·kg-1·s-2）和比湿（等值线，单位：g·kg-1）的高度—时间剖面（a）和沿113.5°E 的925 hPa 水汽通量散度的纬度—时间剖面（b）

图9 给出了“7.8”暴雨过程中不同时刻整层水汽通量及散度的空间分布。强降雨发展阶段（图9a），暴雨区存在两支水汽输送通道，第一支来源于孟加拉湾的偏西气流；第二支来源于南海的西南气流，两支气流在两广地区汇合后以强劲的西南急流向低涡东部输送，在低涡右前侧出现水汽通量散度最大值达-12×10-6g·m·kg-1·s-2的辐合中心。到最强降雨时刻（图9b），第一支从孟加拉湾越中南半岛后的偏西气流加强，第二支从南海输送的西南气流变化不大，另外还存在一支显著的偏北气流输送至湘中一带，三支气流交汇在湖南中南部，水汽辐合带呈东北-西南向窄带分布，最大辐合中心达-9×10-6g·m·kg-1·s-2，对流性暴雨加强。9日14 时（图9c），水汽通量大值输送带东移南压，水汽通量散度中心已移出湖南，湖南境内以偏北输送带为主，之后雨强逐渐减小。