2014年5月24—25日湘潭暴雨过程诊断分析

2015-03-20尹宝蓉袁红松欧阳也能郑仕超

中低纬山地气象 2015年6期

关键词：东移中尺度涡度

尹宝蓉，袁红松，黄娟，欧阳也能，郑仕超

(湖南省湘潭市气象局，湖南湘潭 411100)

2014年5月24—25日湘潭暴雨过程诊断分析

尹宝蓉，袁红松，黄娟，欧阳也能，郑仕超

(湖南省湘潭市气象局，湖南湘潭 411100)

该文利用常规天气图、自动气象站雨量资料、NCEP 1°×1°再分析资料、卫星云图、雷达等资料对2014年5月24—25日湘潭出现的暴雨过程进行诊断分析。结果表明，这次暴雨过程是大尺度与中尺度天气系统相互作用的结果，有强大的干侵入触发；地面小低压和中低层冷切尾部和暖切顶部的辐合，配合高空反气旋辐散以及强大的干侵入作用，导致了强烈的垂直上升运动，使不稳定能量得以释放；强降水区具有典型的正负涡度柱、正负散度柱耦合双偶结构；暴雨过程以积状云降水回波为主，具有明显的中尺度特征，MCC、MCS发展强烈，而湘潭的强降水出现在MCS和MCC云团的TBB最大处；分析干线位置和移动方向对夏季强对流暴雨落区预报有很好的指示意义。

暴雨；中尺度雨团；干线；云图；雷达

1 前言

暴雨是湖南主要灾害天气之一[1-3]，暴雨天气的发生和发展是大尺度与中小尺度天气系统相互作用的结果，暴雨预报是当今天气预报领域的一大难题，24 h以上时效暴雨预报准确率还很低。为此，中国气象局《现代天气业务发展指导意见》强调，要以多种观测资料和数值产品的综合应用为基层，逐步从以天气尺度分析为主的业务向天气尺度与中尺度分析相结合的业务转换，要重点加强中尺度天气分析，为暴雨等强对流天气的短时临近预报和灾害性天气短期落区预报提供支持[4]。本文通过对2014年5月24—25日发生在湘潭的暴雨过程的多尺度天气系统配置，雨团活动情况及主要物理量诊断等方面进行分析，从中找出此类暴雨发生发展的特征，以期为提高预报预警能力提供帮助。

2 天气实况及影响

5月24日08时—26日08时湘潭出现了2014年入汛以来的最强降水过程，3个国家气象站累计降水量：湘潭为89.7 mm、湘乡43.3 mm、韶山69.9 mm；据110个区域自动气象站资料统计(图略)，过程平均降水量59 mm，有75站≥50 mm，其中6站≥100 mm，强降水主要集中在雨湖区和湘潭县，最大降水量132.4 mm(雨湖区姜畲镇)。其中24日14时—25日14时全市出现65站暴雨， 6站大暴雨。湘潭此次暴雨过程局地差异大，主要以中等雨团(小时雨量10～30 mm)[5]影响为主，最大雨强仅41.1 mm/h。降水过程有两段：24日22时—25日01时出现在湘潭东北部；25日03—08时为降水范围最广、强度最强时段，首先从湘乡西南部开始，逐渐移向东北方向，出现10站的中尺度暴雨(连续3h降水量≥50 mm，且其中1 h雨强≥30 mm)[5]。

此次暴雨过程造成湘潭市多处地势低洼和排水不畅地段出现短时积水；早稻处于幼穗分化期，短时间水淹影响不大，但蔬菜受淹损失较大。据民政局统计，全市2 985人因此受灾，紧急转移安置86人，246.5 hm2农作物受灾，其中13.5 hm2绝收，倒塌房屋10间，损坏房屋70间，直接经济损失108万元，其中农业经济损失90万元。

3 天气形势分析

3.1 环流背景

24日08时(图2a)，湘潭处在副高边缘，高层湿度小，中低层湿度大，其中700 hPa低槽后部有温度槽配合，地面图上我国西南地区有一低压倒槽。14时地面图上湘潭处两高之间的低压辐合带中，增温增湿明显。24日20时(图2b)，副高位置稳定少动，700 hPa低槽东移南压，温度槽仍落后高度槽，且对应925 hPa上的温度脊，850 hPa贵州西北—湖南北部有横切变，广西中部—湖南西部有急流建立，地面西南倒槽发展，冷锋维持在长江中下游北岸，湘潭处在高空槽底部、700 hPa冷切尾部和850 hPa暖切顶部的辐合区及地面辐合带中，降水开始并加强。25日08时(图2c)，副高略有南压，700 hPa低槽东移入海，湘潭处在槽后偏北气流中，广西北部—湖南西南部有急流；850 hPa转为冷式切变，维持在湘西北—贵州东南部，急流加强东移，地面冷锋位置少动，冷空气主体明显南移，湘潭处在低槽后部，强降水趋于减弱。14时受地面冷空气南下影响，系统东移减弱，湘潭的降水逐渐停止。

图1 湘潭市降水雨团分布图(a)和中尺度暴雨站小时降水量情况图(b，站点从SW→NE)

图2 2014年5月24日08时(a)、24日20时(b)、25日08时(c)、25日20时(d)高空形势图

3.2 中尺度分析

从长沙24日20时的探空图(图3a)看出，大气层结处于不稳定状态，上干下湿；分析天气图发现(图3b)，湘潭高空3层均处在暖区温度脊中，但上冷下暖，500 hPa和925 hPa温差为26℃，干线位于山东中部—河南中部—甘肃中东部；850 hPa和700 hPa低槽位置相近，位于长江以北，后部均有温度槽配合，其中700 hPa温度槽对应925 hPa温度脊，且落后于高度槽，促使低槽发展东移；地面处于低压辐合区内。

25日08时850 hPa和700 hPa两层低槽东移入海，湘潭处于槽后，700 hPa干线随槽后偏北气流侵入本地，使之成为显著干区(长沙站露点温度从20时的10℃下降为-26℃，干侵入达36℃)。有研究认为，干冷空气侵入对位势不稳定能量的增强、气旋的爆发性发展、暴雨的增幅及中气旋的发生发展等起着重要的促进作用[6-8]。湘潭处在西南倒槽中，高温高湿的不稳定环境，中层强大的干侵入触发，造成25日03—08时出现中尺度暴雨，暴雨落区出现在干线南侧、700 hPa冷切尾部和850 hPa暖切顶部辐合区及地面倒槽中。

这次暴雨过程是大尺度与中尺度天气系统相互作用的结果，有强大的干侵入触发。由于地面小低压及700 hPa冷切尾部和850 hPa暖切顶部的辐合，加上高空反气旋辐散以及强大的干侵入作用，导致了强烈的垂直上升运动，使不稳定能量得以释放，造成强对流天气。分析干线位置及移动方向，对夏季强对流暴雨落区预报有很好的指示意义。

图3 2014年5月24日20时探空图(a)、24日20时和25日08时700 hPa中分析图(b)

图4 850 hPa风场(流线)和水汽通量散度(色斑，单位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)和比湿(等值线，单位：g/kg);

4 物理量诊断分析

4.1 水汽条件

根据“规划”中提出2020年要建设666. 67千 hm2棉花高产区，单产达到2 250 kg/hm2，高产棉区占种植总面积的30%。2025年实现1 066. 67千hm2棉花高产区，约占种植总面积的50%。设定情景B：2020年实现666. 67千 hm2棉花高产高效区，单产2 250 kg/hm2，2025年建成1 066. 67千hm2棉花高产高效区，按照2020年单产年均增长率2. 06%估算，2025年单产达2 490 kg/hm2。

利用NECP 1°×1°的再分析资料(图4)看出，24日14时850 hPa在广西—湖南中部形成了一条水汽通道，湘北出现一个强的水汽辐合中心；从比湿的分布来看，湖北西部为干区，湖南东部处于湿度大值区，湘潭市处于水汽通量和湿度的大值区内，说明湿度条件很好。

24日20时，850 hPa在湘西和湘东北各有一个水汽辐合中心，而广西—湖南中部水汽通道维持，湘潭水汽输送条件很好。25日02时，由于北方干冷空气侵入湘北，水汽辐合中心南压至湘西—湘南，湘中以北湿度减小，在湘北形成明显的湿度锋区，此时湘潭市开始出现短时强降水。25日08时西南气流加强，在湘西北地区出现强的水汽辐合中心，而湘东北为辐散区；湿度锋区进一步南压减弱，湘潭的强降水趋于减弱。湿度锋区的南压过程，正好对应湘潭市03—08时的强降水时段。

4.2 动力条件分析

从图5可知，24日14时，暴雨区为低层正涡度(负散度)和高层负涡度(正散度)，是典型的暴雨涡散场耦合模式[1-4]。20时之后，正涡度区向上发展，到25日02时，对流层925～700 hPa之间正涡度加大，在900 hPa形成一个中心，中心强度达4×10-5s-1，而高空的负涡度也在加强，在400 hPa附近形成一个-6×10-5s-1的中心；同时，900 hPa 以下的负散度加强，形成一个中心值达-3×10-5s-1的强辐合中心，500 hPa附近正散度明显加大，中心值为2×10-5s-1，低层辐合高空强烈辐散，湘潭对流上升运动发展强烈，出现雷电、短时强降水等强对流天气，一直持续到08时。08时之后，低层正涡度减少，正散度加大，强降水减弱。由此可见，强降水区对应一个从地面—对流层顶的正负涡度柱耦合、正负散度柱耦合的典型双耦结构，构成产生暴雨的动力机制。这种耦合结构在暴雨发生前已出现，这对此类暴雨预报预警有指示意义，这次短时暴雨出现在正负涡度和正负散度发展到最强趋于减弱的时间段内。

图5 暴雨区(112～113°E，27～28°N)的平均涡度(a)和散度(b)的时间-高度剖面图(单位：10-5m/s)

图6 5月25日02时(a)、08时(b)的850 hPa假相当位温(色斑，单位：K)和700 hPa垂直速度(等值线，单位：Pa·s-1)

4.3 热力及不稳定条件分析

由850 hPa假相当位温(θse)和700 hPa垂直速度的叠加图可知，24日14时(图略)，θse的高值区在广西西部，并向东北伸展，湖南省除湘西北外，θse>354 K，表明低层为高温高湿区，此时垂直上升区位于湘西南及湘中以北。24日20时(图略)，θse的高值区在广西西部和贵州南部，并向东伸展，湘西、湘南相对较高，垂直上升区位于湘西、湘中以北，在西部湘黔交界处和湘东北各有一个中心。25日02时(图6a )湘西、湘中以南处于θse高值区内，垂直上升区在湘中偏北开始发展并东移南压，不稳定层结配合强烈的垂直上升运动造成湘潭出现雷电、短时强降水。08时(图6b)上升中心南压至衡阳，其南北两侧各有一个下沉中心，其中南侧的下沉中心速度达0.6 Pa·s-1，形成上升和下拽两支气流，此时强降水南压至湘潭县南部和衡阳地区，湘潭市北部降水逐渐减弱。由此可见，高温高湿配合强烈的垂直上升运动是产生这次暴雨的原因之一，降水增强时段与上升速度增强时段有较好的对应关系，而且对流性的强降水与上升和下拽两支气流密切相关。

5 卫星资料分析

分析5月25日01—09时逐小时TBB云图演变过程，25日01时(图7a)在贵州西部有一个中小尺度的强对流云团，中心TBB≤-70℃；湖南邵阳隆回、怀化沅陵、岳阳沅江有小的对流云团生成；江西西部靠近湖南边界也有一个TBB≤-70℃的强对流中心。02时(图7b)贵州西部云团迅速发展增大，并向东移动，在移动前方又有新的对流云团生成；在湘中及以北地区，有4个小尺度的对流云团MCC生成并迅速发展；江西的云团减弱南压。03时(图7c)，湘中的对流云团发展，其中有一个在娄底的西部，湘潭的西南部处其前方，此时娄底发生强的降水，湘潭西南强降水开始。04时(图7d)，贵州西部和湘中以北的对流云团继续发展东移，娄底西部的对流云团已影响湘潭西半部，强降水范围加大。05时(图7e)影响湘潭的对流云团往东北方向移动很快，中心强度也达到-70℃以下，局地雨强达30 mm/h以上。06时(图7f)贵州西部的MCS发展东移并逐渐影响湘西，而湘中以北的4个对流单体发展加强并形成一个新的MCS，湘潭受其影响，短时强降水加强，中尺度暴雨出现区域为TBB最强处。06—08时，西南部的MCS中心强度再次加强南扩，湘东云团有所南压，湘潭西部又有新的对流云团生成影响，强降水一直持续。至09时(图7j)湘西的对流云团与湘东的连在一起，南压至湘潭县南部和衡阳一带，湘潭强降水减弱。

图7 2014年5月25日01时(a)-09时(i)FY-2E TBB变化(色斑)(间隔1 h)

6 雷达回波演变特征

分析多普勒雷达产品(图略)表明，5月24日22时，在湘北和湘中以南各有一条不连续的强回波带，湘潭的湘乡有一小块强回波存在，中心强度在50 dBz以上。对应的基本速度图上，在湘潭的西部，即湘乡与韶山境内存在负速度大值区，在回波的移动过程中，该负速度的大值区一直存在，并向东移动。结合降水分析，24日22时—25日01时的强降水落区与强回波区及负速度的大值区相对应，快速自西向东移动。25日02时，湘北的强回波带已南压至益阳和岳阳南部，娄底东部有一块强回波，但均未影响湘潭。03时娄底的强回波东移至湘乡边界，回波强度在40 dBz以上，回波迅速发展加强，中心强度达55 dBz，湘乡西南部出现雷电和短时强降水。随着强回波带东移，湘潭自西南向东北陆续出现强对流天气。05时，影响湘潭东部的强回波东移到株洲境内，但湘乡西部出现新的一块积状云降水回波，且湘北的强回波带已南压至长沙。受湘乡西南部的强回波发展东移和北面强回波带的南压接连影响，湘潭市中东部06—08时出现短时暴雨，部分站点3 h降水量达50 mm以上。

此次暴雨过程是以积状云降水回波为主，强回波带移动速度很快，中心反射率因子达55 dBz，造成雷暴和短时强降水等强对流天气。

7 小结

①这次暴雨过程是由于地面小低压、冷切尾部和暖切顶部的辐合，加之高空反气旋辐散以及700 hPa强大的干侵入作用，导致了强烈的垂直上升运动，使不稳定能量得以彻底释放。且暴雨发生前，湘潭有明显的增温，一直处于高湿区，干侵入形成明显的湿度锋区，湿度锋区南压过程出现强降水。分析干线位置及移动方向，对强对流天气落区预报有很好的指示意义。

②强降水区对应一个从地面—对流屋顶的正负温度柱耦合，正负散度柱耦合的典型双耦结构，构成产生暴雨的动力机制。温度场、教度场耦合结构在暴雨发生前出现，对此类暴雨预报预警有指示意义。

③ 降水增强时段与垂直上升速度增强时段有较好的对应关系，对流性强降水与上升和下拽两支气流密切相关。

④ 此次暴雨过程是以积状云降水回波为主，具有明显的中尺度特征，MCC、MCS发展强烈，而湘潭的强降水出现在MCS和MCC云团的TBB最大处。

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