長沙望城一次大暴雨天氣過程成因分析

章婉奇,申天瑤,張 宇

(1.長沙市望城區(qū)氣象局，湖南 長沙 410203；2.長沙市氣象局，湖南 長沙 410000；3長沙市望城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 長沙 410203)

1 引言

全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣氣候事件多發(fā)頻發(fā)[1～3]，影響加重。根據(jù)2021年湖南省降水概況分析，當(dāng)年湖南天氣氣候異常，降水分布極為不均，雨水集中期明顯，全年出現(xiàn)兩段雨水集中期。第一段雨水集中期共出現(xiàn)7次降水過程，全省平均雨量308.4 mm，偏多90.7%，為1961年以來歷史同期最多。第二段雨水集中期強降雨過程持續(xù)時間長、影響范圍廣，暴雨強度達到“特強”級別。據(jù)國家氣候中心研究，2020～2021年秋冬季曾出現(xiàn)拉尼娜事件，表現(xiàn)為東太平洋明顯變冷，同時也伴隨著全球性氣候混亂，容易產(chǎn)生極端降水[4]，導(dǎo)致次生災(zāi)害頻發(fā)，因此分析暴雨產(chǎn)生原因?qū)ξ磥淼谋┯觐A(yù)報具有重要指導(dǎo)作用，大量研究結(jié)果表明，暴雨的發(fā)生與充分的水汽、較強的上升運動、地面輻合線、低空急流和地形等因素密切相關(guān)[5～15]。

據(jù)望城災(zāi)害風(fēng)險數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021年望城共遭遇16次暴雨，1次冰雹，多次雷電大風(fēng)強對流天氣等氣象災(zāi)害，對人民群眾、農(nóng)作物、林業(yè)、交通等構(gòu)成巨大威脅。研究暴雨的成因?qū)ν欠罏?zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。本文著重分析長沙市望城區(qū)汛期以來最強的一次強降水過程，尋找暴雨預(yù)報的著眼點。

2 天氣實況分析

2021年8月25日，望城出現(xiàn)今年以來最強的一次暴雨(圖1)，望城有10個區(qū)域站達到大暴雨量級(圖2)，最大降水量為靖港150.2 mm，最大1 h雨強為50.1 mm(圖3)，降雨過程主要出現(xiàn)在25日02:00～07:00，從25日02:00開始，04:00加強，07:00減弱。強降水集中發(fā)生在望城北部，伴有短時強降水(靖港、丁字灣等站點1 h降水量超過20 mm)天氣。

圖1 望城區(qū)2021年8月24日08時到8月25日08時自動站累計雨量

圖2 望城區(qū)2021年8月24日08時到8月25日08時自動站累計雨量前10名

圖3 望城區(qū)2021年8月24日08時到8月25日08時丁字灣街道雨量時序

3 天氣形勢分析

3.1 高空環(huán)流形勢分析

8月25日08:00，500 hPa中高緯為“兩槽一脊”型環(huán)流，兩個低槽分別位于新地島西部至波羅的海以南與新西伯利亞群島至我國河海一帶。我國內(nèi)蒙古至重慶一帶受東北冷渦低槽影響；湖南省位于高空槽前。由圖4分析高空形勢，可以看出：高空槽東移，東北冷渦沿著低槽由山西東部東移至湖南西北部與湖北西南部交界處，副熱帶高壓西伸至廣西中部。高空槽東移，容易給中、高緯度地區(qū)造成陰雨和大風(fēng)天氣。移動過程中受高壓所阻，高空槽將減速或停滯，可能造成持續(xù)性降水。這給此次暴雨的發(fā)生提供了充足的動力條件。

圖4 望城區(qū)8月24日20：00高空500 hPa等高線

3.2 中低層環(huán)流形勢分析

流場表示氣流的流動方向，能反應(yīng)大氣的輻合輻散趨勢。從 8月25日08:00中低空流場圖(圖5)分析來看，700 hPa、850 hPa、925 hPa切變線東移南壓至安徽中部-湖南中北部一線，且位置基本重合；25日凌晨開始850 hPa西南急流不斷加強，風(fēng)速達14 m/s。強降水落區(qū)基本位于低空切變線和850 hPa急流出口區(qū)附近，與望城北部的強降水區(qū)域相對應(yīng)。

圖5 望城區(qū)8月25日08：00中低空流場

3.3 地面形勢分析

從8月25日03:00地面形勢(圖6)分析，地面有弱冷空氣滲透，長沙北部-益陽桃江地面存在輻合線觸發(fā)對流能量，引發(fā)強降水。

圖6 望城區(qū)8月25日03：00地面形勢

4 物理環(huán)境條件分析

分析8月24日20:00的長沙站探空圖(圖7)：物理量指數(shù)CAPE值為0.2 J/kg,K指數(shù)為35.5 ℃，SI指數(shù)為1.06 ℃，CIN為242.5 J/kg，T850-T500=22.9 ℃。800～1000 m低層有逆溫層，有一定的對流抑制有效位能，說明20:00時大氣層結(jié)比較穩(wěn)定；25日凌晨開始大氣層結(jié)被地面輻合線擾動，不穩(wěn)定能量爆發(fā)。溫濕曲線顯示整層大氣濕度較大，為暴雨提供了充足的水汽供應(yīng)。垂直風(fēng)切變較弱，表明產(chǎn)生強對流天氣類型可能為短時強降水。高空500～600 hPa為偏西風(fēng)，風(fēng)速為5～14 m/s，利于對流單體的向東移動。

圖7 8月24日20時長沙站探空實況

5 雷達圖分析

由整個降雨過程的雷達圖可見，25日01:00開始益陽桃江至長沙北部一帶有對流云團生成，并且西段益陽的降水云團持續(xù)不斷發(fā)展東移。02:00西部益陽桃江不斷生成多個單體回波，自西向東移動，回波中心強度強，單體回波最大反射率因子超過55 dBz，03:30分形成列車效應(yīng)[12]影響寧鄉(xiāng)、望城(圖8)，望城北部有短時強降雨。04:00降水云團在東移過程中略向北移動，并且回波范圍逐漸擴大變塊狀。05:00，益陽生成的單體回波仍向東略偏北移動，但進入寧鄉(xiāng)東北部后有減弱趨勢。07:00，長沙北部回波減弱，但益陽南部仍有中心回波強度達50 dBz以上的片狀回波向東略北移動，同時在寧鄉(xiāng)東部逐漸有降水云團生成，回波在東北移動過程中強度逐漸減弱。12:00之后回波明顯減弱消散，本輪降水過程趨于結(jié)束。

圖8 8月25日 03:30(0.5°仰角基本反射率)

對03:30分最強雷達回波作垂直剖面圖(圖9)，此輪降水影響望城北部的最大回波強度達到60 dBz，降水中心在2 km高度，低層反射率強降水回波有明顯的列車效應(yīng)，呈帶狀分布，50 dBz的強降水回波為低質(zhì)心高效率降水回波。

6 地形分析

地形抬升對暴雨的形成十分重要[13～15]，陶詩言[15]認為地形的迎風(fēng)坡具有的動力和屏障作用使得氣流繞山流動和被迫爬升，在有利的大尺度環(huán)流背景下，地形抬升可作為不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)機制，形成中尺度暴雨。因此地形抬升作用是強降水短時臨近預(yù)報需要著重考慮的因素。

此次強降水過程望城北部有10個區(qū)域站6 h降水超過100 mm，達到大暴雨量級。從望城區(qū)地圖(圖10)來看，望城北部山區(qū)、丘陵較多，橋驛鎮(zhèn)又處于黑麋峰山前，特殊地形對西南氣流起到抬升輻合效應(yīng)。強降水發(fā)生時段，對流云團移動方向為西南東北向，環(huán)境風(fēng)為偏西風(fēng)，黑麋峰山脈西側(cè)為迎風(fēng)坡，強降水區(qū)在望城北部沿山地區(qū)穩(wěn)定少動。25日3:30強降水回波移動到丁字灣、橋驛等地之后，從雷達剖面圖(圖9)可看出丁字灣、橋驛等地的降水回波從近地面延伸至6～7 km高度，對應(yīng)了多地發(fā)生短時強降水，例如丁字灣03:00～04:001 h降雨量為50.1 mm，表明地形迎風(fēng)坡前降水增幅明顯，暴雨地形降水效應(yīng)顯著。

圖9 8月25日 03:30(0.5°仰角基本反射率)

圖10 望城區(qū)氣象防災(zāi)減災(zāi)圖

7 結(jié)語

此次大暴雨過程從8月25日凌晨開始，長沙北部-益陽桃江地面存在輻合線，輻合線不斷向東北方向推進，對流單體2點在輻合線西段生成后沿著輻合線方向東移北上，積雨云帶隨之生成與發(fā)展，4點副高繼續(xù)西伸北抬，使得雨帶逐漸北抬至益陽從而望城的暴雨趨于結(jié)束。

分析此次暴雨過程，總結(jié)出3點成因：①在高空場出現(xiàn)高空槽東移，中緯度短波槽迅速發(fā)展,東北冷渦引導(dǎo)冷空氣南下，低空西南氣流加強輸送的情況下，容易引發(fā)強降水，致災(zāi)風(fēng)險大。②8月份正值盛夏，空氣中存在較強不穩(wěn)定能量，一旦被地面輻合線或者冷空氣觸發(fā)，強烈冷暖氣流交匯，大面積災(zāi)害性暴雨就會形成。③山區(qū)地形導(dǎo)致的迎風(fēng)坡氣流抬升，更容易產(chǎn)生或增強局地降水的量級和范圍，極易導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害。因此預(yù)報山區(qū)天氣時，降雨量級應(yīng)適當(dāng)加強，提醒相關(guān)部門注意防范暴雨天氣導(dǎo)致的滯后地質(zhì)災(zāi)害。