西南低渦造成湘中一次大暴雨天氣過程的診斷分析

歐陽也能，尹寶蓉，辜 倩，游梟雄，黃 娟

(湖南省湘潭市氣象局，湖南 湘潭 411100)

1 引言

西南渦是影響我國東部、西南和華南天氣的一個重要天氣系統(tǒng)，它是對流層中下層的天氣系統(tǒng)之一，產(chǎn)生于青藏高原東側(cè)，屬于冷性動力型中小尺度渦旋，其內(nèi)具有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動。西南渦是青藏高原和四川盆地特殊的地形條件與有利的大尺度環(huán)流背景共同作用的產(chǎn)物，很多學(xué)者對其作了研究［1－5］，得到了一些成果。作為我國一種重要的暴雨天氣系統(tǒng)，西南渦全年都有發(fā)生，但造成強(qiáng)降水或強(qiáng)對流天氣的西南渦多出現(xiàn)在夏半年［2，3］。西南渦多在西南地區(qū)生消，在有利的環(huán)流形勢下一些渦旋可以東移，主要影響我國江淮流域地區(qū)。

西南低渦是造成湖南暴雨的主要系統(tǒng)之一，但是每次低渦影響暴雨所發(fā)生的地方都不一樣。本次湘中暴雨過程就是受東移的西南低渦影響的。本文利用多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品、NCEP 1°×1°的6 h再分析資料及FY－2E衛(wèi)星TBB資料，對該過程的天氣系統(tǒng)活動特征及規(guī)律進(jìn)行綜合分析，以探討大暴雨的成因。

2 降水實(shí)況及災(zāi)情

2.1 降水實(shí)況

2013年5月14日08時—15日08時，湖南湘中偏北地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨過程，主要表現(xiàn)為短時強(qiáng)降水。據(jù)全省自動雨量站資料統(tǒng)計(jì)(圖1)，全省≥50 mm的站點(diǎn)共有468個，其中≥100 mm的站點(diǎn)107個。強(qiáng)降水范圍主要集中在湘中東部和湘西北，有2個大暴雨中心，1個位于湘西吉首的北部，另1個位于湘中東部的湘潭—株洲北部。湘潭為大暴雨的中心，據(jù)湘潭市自動雨量站資料統(tǒng)計(jì)全市109個區(qū)域自動雨量站資料，有103個站≥50 mm，其中71個站≥100 mm，最大降水出現(xiàn)在韶山的東湖村182 mm。3個氣象觀測站均出現(xiàn)了大暴雨，雨量分別為湘潭 145.6 mm，湘鄉(xiāng) 128.8 mm，韶山146.7 mm。

圖1 2013年5月14日08時—15日08時降水實(shí)況圖

下面以湘潭為代表分析這次大暴雨過程的特征。選取韶山東湖村、湘潭市雨湖區(qū)政府、湘潭縣楊家橋鎮(zhèn)為代表，做出逐小時雨量的直方圖(圖2)，從圖2可以看出，這次過程主要降水時段出現(xiàn)在14日16時—15日02時的10 h內(nèi)，15日02時后降水已明顯減弱，韶山、湘鄉(xiāng)1 h降水量小雨1 mm。最強(qiáng)降水時段出現(xiàn)在14日17時—15日00時，該時段內(nèi)1 h雨量＞10 mm的站點(diǎn)均超過了20個，最大1 h降水為湘潭市區(qū)的黃龍水管所74.8 mm。

圖2 強(qiáng)降水時段3個代表站的逐小時降水直方圖

這次降水過程從西北向東南方向移動，15日14時降水首先從位于西北部的韶山開始。分析1 h降水量＞10 mm的站點(diǎn)數(shù)顯示(如表1):15—16時韶山出現(xiàn)強(qiáng)降水，1h降水量＞10 mm的站點(diǎn)達(dá)到了13個，最大1 h降水為韶山的厚新村44 mm。隨后降水范圍向湘鄉(xiāng)擴(kuò)散，17—18時強(qiáng)降水均出現(xiàn)在湘鄉(xiāng)北部和韶山西部，該小時內(nèi)出現(xiàn)了28個＞10 mm的站點(diǎn)，最大降水量為湘鄉(xiāng)的白田鎮(zhèn)70.2 mm。而此時湘潭縣南部和湘潭市區(qū)還沒有出現(xiàn)降水。從19時開始，強(qiáng)降水逐漸向東、向南擴(kuò)展。20—22時是強(qiáng)降水范圍最廣的2個小時，1 h雨量＞10 mm的站點(diǎn)數(shù)均超過了80個。

2.2 災(zāi)情

受暴雨、大暴雨和雷雨大風(fēng)影響，湘潭全市多處出現(xiàn)房屋倒塌或受損、小型山體滑坡、塘基斷裂和穿孔、電線桿和樹木倒塌等災(zāi)情，上萬畝早稻、蔬菜被水淹，多頭牲畜死亡。城區(qū)多處出現(xiàn)內(nèi)澇，多輛車輛在積水中熄火拋錨。湘江水位大幅上漲，16日08時湘潭段水位34.63 m，較暴雨前水位上漲近3 m。據(jù)市民政局統(tǒng)計(jì)，截止至16日14時，湘潭全市共20.32萬人受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移安置7 320人，農(nóng)作物受災(zāi)11 708.3 hm2，其中成災(zāi)5 444.5 hm2，絕收1 369.4 hm2，死亡牲畜55頭，房屋倒塌683間，損壞941間，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)13 958萬元，其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失6 245萬元。

表1 逐小時雨量分布表 (單位:個)

3 大尺度環(huán)流分析

分析5月14日08時形勢，500 hPa在四川東部—貴州西部為低槽位置，同時，在湘中—湘東南也有一個小槽;而700 hPa為304 dagpm，850 hPa為140 dagpm的閉合低渦，均位于四川東南部，兩層低渦的位置幾乎重合，且范圍較狹窄。從低渦延伸出來的700 hPa和850 hPa的暖式切變位于30°N附近，兩層的切變線相隔很近。同時中低層的西南急流已經(jīng)形成，湘東北處于急流出口(圖3a)。到14日20時，閉合的等值線已經(jīng)減弱消失，但人字形切變有所東移，中心南壓到湘西北，850 hPa的暖式切變明顯南壓，且切變范圍變大，700 hPa暖式切變僅東移，沒有南壓，切變的范圍也變大，此時位于湘潭市西北角的韶山降水有所減弱。而地面有弱冷空氣擴(kuò)散南下，冷高壓中心位于陜西境內(nèi)。地面輻合線從湘北經(jīng)湘中，到20時南壓到湘中偏南位置(圖3b)。

此次大暴雨過程是典型的西南低渦東移所引發(fā)的暴雨，暴雨就發(fā)生在西南低渦東移時700 hPa暖式切變的南側(cè)，850 hPa暖式切變的北側(cè)，特別與14時地面輻合線的南側(cè)位置較吻合。由于低渦范圍較小，切變線范圍小，中低層切變位置幾乎重合，強(qiáng)降水的范圍也較小且持續(xù)時間短。

4 物理量分析

4.1 水汽條件分析

利用NECP 1°×1°的再分析資料，14日02時(圖略)850 hPa在重慶境內(nèi)有個強(qiáng)的水汽輻合中心，而湘潭市處于水汽通量的大值區(qū)內(nèi)，在貴州南部—廣西形成了一條水汽通道，而湖北東部處于干區(qū)，湘潭處于干濕交界等比濕線密集區(qū)內(nèi)。700 hPa湘西有個強(qiáng)水汽輻合區(qū)。到08時，850 hPa的強(qiáng)水汽輻合中心依然在重慶，而水汽通道從廣西—貴州伸入湘西北，湘西處于濕度大值區(qū)。而700 hPa的強(qiáng)水汽輻合區(qū)向北移動到常德—益陽南部—長沙，呈西北—東南向，而貴州—廣西為水汽輻散區(qū)，同時，貴州—廣西境內(nèi)是一個濕度較大的區(qū)域。14日14時(圖4a)，850 hPa在湘東北—江西中部有個水汽輻合中心，水汽通道從廣西—湘西南，700 hPa(圖4c)水汽輻合中心在長沙—湘潭，但是湘東北還處于濕度較小的范圍內(nèi)，有弱上干下濕的形勢，此時韶山已經(jīng)開始出現(xiàn)對流性降水。14日20(圖4b、4d)兩層的水汽輻合均迅速增強(qiáng)，在湘潭所處的湘中偏東位置形成了強(qiáng)水汽輻合中心，700 hPa的輻合中心開始移入江西北部，850 hPa的強(qiáng)中心在湘東與江西交界。由此說明在過程發(fā)生前有個明顯的增濕的過程，水汽經(jīng)過廣西—貴州南部輸送到湖南，在湘中偏北位置輻合，為這次大暴雨天氣過程提供充沛的水汽條件。

圖3 2013年5月14日08時(a)、20時(b)實(shí)況分析圖

圖4 2013年5月14日14時850 hPa(a)、14月20時(b)700 hPa，14日14時(c)、14日20時(d)的水汽通量散度(色斑)，水汽通量(等值線)

4.2 整層大氣可降水量分析

此次大暴雨過程范圍較廣，持續(xù)時間不長，在如此短時間內(nèi)造成如此大的降水，在湘潭歷史上屬于罕見的。為了更好的分析造成這次大暴雨的原因，分析NECP資料中整層大氣可降水量(如圖5)。14日02時，整層大氣可降水量的大值區(qū)從廣東、廣西伸入湘南，湘北處于大值區(qū)與低值區(qū)的交界，到14日08時，可降水量大值區(qū)向東北擴(kuò)展，整個湖南均處于大值區(qū)內(nèi)，而湘潭處于中心值的東北側(cè)，14日14時，中心略湘北抬，整個湘東半部均處于大值區(qū)內(nèi)，中心值達(dá)到4.5kg·m－2，14日20時大值區(qū)略東移，但湘潭仍處于大值區(qū)內(nèi)。從08時—20時12 h內(nèi)湘潭均處于整層大氣可降水的中心區(qū)內(nèi)，可降水量非常大也是產(chǎn)生強(qiáng)降水的有利水汽條件。

圖5 整層大氣可降水量((a)為14日08時，(b)為14日20時)

4.3 動力條件

圖6給出2013年5月14日湘潭大暴雨點(diǎn)(112°E、27.8°N)渦度、散度時間—高度垂直剖面圖。從圖6a中可見，14日08時前700～200 hPa均為正渦度區(qū)，從08時開始，正渦度區(qū)向下發(fā)展，14日14時200 hPa以下均為正渦度區(qū)，在400 hPa存在一個大的正渦度中心，此時高空負(fù)渦強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，中心值為 －3×10－5·s－1，形成中下層正渦度、高層負(fù)渦度的空間配置。

圖6 2013年5月14日14時沿湘潭暴雨區(qū)27.8°N的渦度(a)、散度(b)時間—高度垂直剖面圖 (單位:10－5·s－1)

分析散度時間—剖面圖表明(圖6b)，從14日14時開始，500 hPa以下的負(fù)散度和500 hPa以上的正散度都迅速增強(qiáng)，到14日20時，200 hPa形成了一個強(qiáng)輻散中心，中心值為3×10－5s－1，而900 hPa形成了一個強(qiáng)的輻合中心，中心值為－2×10－5s－1，形成明顯的低層輻合、高層輻散形勢。而6h后低層的輻合明顯減弱消失，高層的輻散也明顯減弱，強(qiáng)降水也明顯減弱。

這種中低層輻合、高層輻散的配置結(jié)構(gòu)，有利于中低層高濕氣流被抽吸到高層，從而增加局地對流不穩(wěn)定性。

綜上分析表明，低層正渦度(輻合)迅速發(fā)展時段正好是強(qiáng)降水開始并維持時段;暴雨中心低層正渦度(輻合)、高層負(fù)渦度(輻散)的垂直結(jié)構(gòu)，對暴雨的產(chǎn)生和維持起重要作用。但是這次暴雨過程輻合輻散的中心強(qiáng)度并不算強(qiáng)，但是降水量級卻很大，其中原因有待進(jìn)一步分析。且耦合形勢的持續(xù)時間比較短，也是這次過程持續(xù)時間并不長的原因之一。

4.4 穩(wěn)定度分析

強(qiáng)降雨的發(fā)生需要高能量的條件，而高溫高濕環(huán)境對應(yīng)著高能量場。θse(假相當(dāng)位溫)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量，θse的分布反映了大氣中能量的分布。θse的高值區(qū)為高能區(qū)，θse場中等值線密集區(qū)又為能量鋒區(qū)，而暴雨的發(fā)生需要有能量鋒區(qū)的存在［7］。

分析5月14日14時θse和垂直上升速度沿27.8°N緯度—高度剖面圖(圖7a)，850 hPa垂直速度剖面圖看，112°E上空有個強(qiáng)上升運(yùn)動中心，而從θse的垂直剖面圖分析106°～112°E θse呈現(xiàn)經(jīng)典的“Ω”型，且向東向上凸起，暴雨區(qū)內(nèi)850 hPa以下都在350 K以上，表明了對流層低層是高溫高濕區(qū)，它不但是產(chǎn)生暴雨所必需的水汽輸送帶，也是造成暴雨強(qiáng)對流所必需的位勢不穩(wěn)定能量的輸送者。為了進(jìn)一步了解這次強(qiáng)降水天氣過程的位勢不穩(wěn)定特征，對500 hPa的θse和850 hPa的θse的差值(以下簡稱 θse500～850)進(jìn)行分析(圖 7b)，湘西、湘南處于θse500～850的大值區(qū)，湘中處于該大值區(qū)的東北側(cè)，且湘東北梯度較大，即湘中處于強(qiáng)對流不穩(wěn)定區(qū)與弱對流不穩(wěn)定區(qū)的交界區(qū)。說明暴雨發(fā)生前存在著強(qiáng)的對流不穩(wěn)定，而低層不穩(wěn)定配合強(qiáng)的上升運(yùn)動，造成了強(qiáng)烈的濕對流不穩(wěn)定，是大暴雨的產(chǎn)生的原因之一。

圖7 5月14日14時:(a)為θse(等值線)，垂直速度(色斑)，(b)為850 hPa與500 hPaθse的差值

為了更好的分析暴雨區(qū)的上升運(yùn)動，沿27.8°N制作垂直速度的剖面圖(如圖8)分析，14日08時(圖略)，缺口西側(cè)(108°～110°E)為上下一致的上升氣流，強(qiáng)上升運(yùn)動中心值達(dá)到－1.5 Pa·s－1，而缺口附近還處于上下一致的下沉氣流中，最大下沉速度達(dá)到0.5 Pa·s－1，隨著系統(tǒng)的東移，強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)東移，到14日14時，上升運(yùn)動發(fā)展到缺口附近105°～116°E，最大上升速度達(dá)到了 －3.6 Pa· s－1，強(qiáng)上升運(yùn)動中心的高度達(dá)到400 hPa。14日20時，強(qiáng)上升運(yùn)動中心依然維持在111.5 ～114.5°E，中心強(qiáng)度增加到 －4.0 Pa·s－1。強(qiáng)上升運(yùn)動持續(xù)6 h以上，大暴雨就出現(xiàn)在這6 h內(nèi)。說明強(qiáng)上升運(yùn)動時段與區(qū)域?qū)?yīng)著這次過程強(qiáng)降水時段和落區(qū)，上升運(yùn)動越強(qiáng)，說明對流非常旺盛，配合充沛的水汽條件，降水越強(qiáng)，上升運(yùn)動減弱，降水隨之減弱。

圖8 14日14時(a)，20時(b)沿27.8°N 垂直速度剖面圖

5 衛(wèi)星資料分析

分析衛(wèi)星云圖可知，這次過程是一個典型的mcc云圖生產(chǎn)發(fā)展成熟東移消散的過程。圖9是5月14日17時—22時逐小時TBB云團(tuán)，云圖上出現(xiàn)了典型的U型缺口。18時位于湘東北有個U型缺口出現(xiàn)，1 h后，U缺口西端的強(qiáng)對流云團(tuán)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，范圍不斷增大，向缺口位置移動，不斷將缺口縮小。到20時U型缺口向東移動，缺口西端、南段形成了一個典型的MCC云團(tuán)，之后該MCC云團(tuán)緩慢的向東偏北的方向移動。本次暴雨過程就發(fā)生在U型缺口不斷被填塞，形成MCC的過程中，強(qiáng)降水的落區(qū)就落在U型缺口的缺口處。所以云團(tuán)上的U型缺口對強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)及落區(qū)的把握有很好的指示意義。U形缺口邊緣清晰，亮溫梯度大，是對流云系強(qiáng)烈發(fā)展的一個信號。

圖9 14日17時－22時逐小時的TBB云圖

6 小結(jié)

①此次大暴雨過程是典型的西南低渦東移所引發(fā)的暴雨，暴雨就發(fā)生在西南低渦東移時700 hPa暖式切變的南側(cè)，850 hPa暖式切變的北側(cè)，特別與14時地面輻合線的南側(cè)位置較吻合。由于低渦范圍較小，切變線范圍小，中低層切變位置幾乎重合，所以能量非常集中，導(dǎo)致降水集中。

②在過程發(fā)生前有個明顯的增濕過程，水汽經(jīng)過廣西—貴州南部輸送到湖南，在湘中偏北位置輻合，為這次大暴雨天氣過程提供充沛的水汽條件。同時，整層大氣可降水量大，也是產(chǎn)生大暴雨的成因。

③衛(wèi)星云圖上典型的U型缺口，暴雨就發(fā)生在缺口處，缺口逐漸減小并形成一個強(qiáng)MCC云圖的過程，就是強(qiáng)降水發(fā)生的時段。

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