西太平洋副热带高压控制下湖南一次短时强降水成因分析

兰明才，周 莉，蒋 帅，尹依雯，许 霖

（1.湖南省气象台，湖南 长沙 410118；
2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118；
3.湖南省岳阳市气象局，湖南 岳阳 414000）

湖南地处东亚季风区，同时受亚热带季风气候影响，短时强降水事件频发，因其降水强度大，在季风季节往往造成城市内涝、山洪、泥石流等多种灾害，给社会经济发展造成严重影响［1-2］。湖南三面环山，东有罗霄山脉，南有南岭，西有武陵和雪峰山脉，中部多为丘陵和盆地，北部为洞庭湖平原，复杂的马蹄型地形环境给湖南短时强降水精准化预报带来挑战［3-6］，提升短时强降水的预报能力对湖南防灾减灾意义重大。

长江中下游地区春、夏季短时强降水一般在西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）、低涡和低空急流等多种系统共同影响下发生［7-9］，作为东亚夏季风的主要环流系统，西太副高发挥着重要作用，它将热带海洋的水汽输送到东亚地区，促使偏南暖湿气流与冷空气易在西太副高西部边缘交汇形成雨带［10-12］，东亚夏季风的建立和撤退与西太副高的季节和季节内变化密切相关，因此西太副高对长江中下游乃至东亚地区的降水有重要影响［13-15］。除西太副高、低空急流等大尺度影响系统外，有组织的中尺度对流系统是长江中下游地区对流性暴雨的直接影响系统［16-21］，而典型的环流配置则为中尺度对流系统的发生发展提供高能高湿和强上升运动等环境条件，有利于短时强降水的发生。

研究发现，夏季西太副高脊附近的下沉气流抑制了副高控制区的局地降水，并对东亚雨带北扩起到调节作用，不易产生短时强降水天气，一般来说西太副高西伸所到之处对应晴天［22-25］。但观测事实表明，西太副高控制区短时强降水天气时有发生，在业务预报中容易漏报，尤其是局地短时特大暴雨，给长江中游地区夏季短时暴雨预报带来更大挑战。西太副高控制下的短时强降水历时短、雨强大、降水集中，具有明显的中尺度特征［26-27］，但缺乏明显的槽、急流等大尺度特征，与湖南汛期暴雨的一般概念模型有所不同［28-29］，在业务预报中对此类短时强降水的预报能力有限及其突发灾害的应变能力不足。为进一步加深对西太副高控制下湖南短时强降水的认识，探究其成因和触发机制，本文选取2018年9月6日发生在湖南的一次西太副高控制下的短时强降水过程，分析其天气学特征和中尺度对流系统形成及发展机制，凝炼西太副高控制下的短时强降水形成原因，以期为预报业务提供思路。

所用资料主要包括：（1）湖南省97个国家基本气象观测站和3400余个自动气象观测站逐小时降水量；
（2）NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）逐6 h再分析资料，包括位势高度场、风场、比湿、相对湿度、垂直速度、假相当位温、涡度等物理量，空间分辨率为1°×1°；
（3）郴州站多普勒天气雷达 观 测 资 料；
（4）FY-2F卫 星 逐1 h云 顶亮 温（black body temperature，TBB）资料；
（5）长沙、怀化、郴州站探空数据。中国及其省（市、区）行政边界基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2017）3320号的标准地图制作，底图无修改。

2.1 天气实况

2018年9月6日湖南出现一次短时强降水天气过程，强降水发生时段为07：00—20：00（北京时，下同），湘中及其以北地区小到中雨为主，部分地区出现大雨和暴雨，湘南地区为中到大雨，局地出现暴雨到大暴雨［图1（a）］。其中，大雨167站，暴雨44站，大暴雨2站，最大累计降水量（114.1 mm）出现在郴州市临武县的万水乡三十六湾站，该站降水主要集中在13：00—14：00（82.4 mm）［图1（b）］。从表1看出，全省区域站1 h降水量大于等于20 mm的有203站，大于等于50 mm的有19站，最大小时雨量同样出现在万水乡三十六湾站，为82.4 mm；
3 h降水量大于等于50 mm的有93站，最大3 h雨量出现在邵阳武冈市，为103.4 mm。

2.2 环流背景

图1 2018年9月6日07:00—20:00湖南省自动站累计雨量（a，单位：mm）和11:00—17:00三十六湾站逐小时降水量（b）Fig.1 The accumulative precipitation at automatic weather stations of Hunan Province from 07:00 BST to 20:00 BST(a,Unit:mm)and hourly precipitation at Sanshiliuwan station from 11:00 BST to 17:00 BST(b)on September 6,2018

表1 2018年9月6日07：00—20：00湖南省区域自动站降水统计Tab.1 The statistics of rainfall at regional automatic weather stations of Hunan Province from 07：00 BST to 20：00 BST on September 6，2018

图2 2018年9月6日08：00（a、c）和14：00（b、d）500 hPa（a、b）和925 hPa（c、d）位势高度场（等值线，单位：dagpm）及风场（风向杆，单位：m·s-1）Fig.2 Geopotential height field（isolines，Unit：dagpm）and wind field（wind shafts，Unit：m·s-1）at 500 hPa（a，b）and 925 hPa（c，d）at 08：00 BST（a，c）and 14：00 BST（b，d）on September 6，2018

图2为2018年9月6日08：00、14：00的500 hPa和925 hPa位势高度场和风场。可以看出，6日500 hPa湘北地区处于西太副高北部。08：00，500 hPa西太副高呈块状分布并控制湖南至福建地区，中高纬地区低压槽东移发展，引导槽后冷空气南下［图2（a）］；
700 hPa湖南受偏南和偏西南气流控制，弱切变线位于湖北北部（图略）；
925 hPa湘中以南存在较明显的风速风向辐合区［图2（c）］；
地面上，位于贝加尔湖以西的冷高压中心气压达1032.5 hPa，湖南处于冷高压底部，锋面自北向南影响湘南（图略）。14：00，西太副高仍控制着湖南地区［图2（b）］，850 hPa与700 hPa环流形势较为相似，弱切变线位于湘南（图略），925 hPa湘中以南的辐合区略有南移［图2（d）］，辐合区位置与降水区有较好的对应关系。6日20：00，辐合区南移出湖南；
7日02：00，湖南高低空一致转为北风（图略），降水结束。

2.3 中尺度对流系统特征

6日07：30，湖南受西太副高控制且无明显系统［图3（a）］；
12：30，受地面辐合线的动力抬升作用，湘西有小块对流云团出现，而湘南有大片的对流云团发展，中心云顶亮温达-68℃，结构较分散，云团最大直径约200 km［图3（b）］；
15：30，对流云团扩大，基本控制了湘南地区，云团最大直径为400 km，中心云顶亮温达-76℃，形成中尺度对流系统并达到鼎盛阶段，尽管其组织性不强，但在分裂后又在原地不断产生新的对流云团［图3（c）］，给湘南地区带来较长时间的降水；
22：00以后，对流云团迅速减弱消失［图3（d）］。

图4 2018年9月6日08：00沿三十六湾站（112.55°E，25.27°N）的比湿（a，单位：g·kg-1）、相对湿度（b，单位：%）和假相当位温（c，单位：K）经向垂直剖面Fig.4 The meridional vertical section of specific humidity（a，Unit：g·kg-1），relative humidity（b，Unit：%）and pseudo-equivalent potential temperature（c，Unit：K）along Sanshiliuwan station（112.55°E，25.27°N）at 08：00 BST on September 6，2018

图4是2018年9月6日08：00沿过程最大累计降水量三十六湾站（112.55°E，25.27°N）的比湿、相对湿度和假相当位温经向垂直剖面。可以看出，6日08：00，28°N以南地区850 hPa以下比湿等值线密集，其值在15 g·kg-1以上；
受冷空气影响，32°N—33°N范围存在湿度锋区［图4（a）］，对应切变线及冷空气南下位置，湘南地区出现短时强降水。同时，相对湿度大于60%的高湿区从地面一直延伸到对流层顶［图4（b）］，北方干冷空气和南海暖湿空气在湘东南地区交汇，干冷空气从底层楔入，暖湿空气被迫抬升，利于不稳定能量积蓄，且整个降水过程中湘东南始终处于水汽辐合区，降水强度大，925 hPa水汽辐合区与降水落区较为一致（图略）。由于冷空气补充南下，08：00，850～700 hPa假相当位温密集带位于28°N附近，对应锋面位置，锋面前侧因低层干冷空气侵入，使得25°N—28°N范围内348 K假相当位温特征线向上凸起，有显著的上升运动；
同时，湘南地区（25°N附近）925～700 hPa假相当位温随高度递减［图4（c）］，表明中低层为对流性不稳定层结，而700～500 hPa为中性层结。值得注意的是，25°N—28°N范围850 hPa以下假相当位温存在多个上凸和下凹，正对应着多个上升与下沉运动，与湘南地区东西向多条雨带有较好的对应关系。

表2统计了上述3站08：00和20：00的对流物理量参数，包括对流有效位能（convective availablepotential energy，CAPE）、对流抑制能量（convective inhibition，CIN）、K指数、沙氏指数（Showalter index，SI）、对流性稳定度指数（instability convection index，IC）、对流温度（convective temperature，Tc）、抬升凝结高度（lifting condensation level，LCL）和自由对流高度（level of free convection，LFC）。可以看出，郴州、怀化站Tc低且湖南中低层水汽丰富，冷空气侵入叠加热力抬升促使对流天气更易发生。尽管怀化、郴州站2个时刻对流物理量参数值不完全一致，但总体上08：00（暴雨发生前）暴雨区K≥39℃、CAPE＞600.0 J·kg-1、CIN＜100.0 J·kg-1、SI＜-1.0℃、IC＜-10.0℃、LCL较低，易形成质心较低的高效降水云团。由于LFC和Tc较低，午后在太阳辐射增温作用下气温易达到对流发生的临界温度而触发对流天气。长沙站K指数、SI和IC条件虽好，但CAPE为0.0 J·kg-1、Tc约36℃（远大于最高气温），很难触发对流天气。

表2 2018年9月6日08：00和20：00郴州、怀化、长沙探空站对流物理量参数统计Tab.2 The statistics of convective physical parameters at Chenzhou，Huaihua and Changsha radiosonde stations at 08：00 BST and 20：00 BST on September 6，2018

图5是2018年9月5—7日三十六湾站（112.55°E，25.27°N）垂直速度、散度和涡度的时间-高度剖面及6日14：00天气形势示意图。可以看出，6日08：00，三十六湾站低层垂直速度为正，且存在一定的正涡度区但厚度较薄，而中高层为垂直速度较弱的负值区；
14：00，垂直上升速度增加，最大上升速率为0.68 m·s-1，低层散度转为负值，且向上伸至500 hPa附近，低层辐合、高层辐散有利于上升运动的维持。从6日14：00天气形势图不难看出，850 hPa及以上天气系统位置偏北，湖南强降水的动力触发系统为925 hPa切变线和地面辐合线。随着锋面移近，锋面辐合使得正涡度增大、辐合增强且向上延伸。总体而言，湖南上空垂直运动增强，有利于涡度向上输送，中低层辐合不断加强，配合高层辐散，利于上升运动的维持和降水的增强。

图5 2018年9月5—7日三十六湾站（112.55°E，25.27°N）垂直速度（a，单位：Pa·s-1）、散度（b，单位：10-4 s-1）和涡度（c，单位：10-5 s-1）的时间-高度剖面以及6日14：00天气形势示意图（d）Fig.5 The time-height section of vertical velocity（a，Unit：Pa·s-1），divergence（b，Unit：10-4 s-1）and vorticity（c，Unit：10-5 s-1）at Sanshiliuwan station（112.55°E，25.27°N）from 5 to 7 September and sketch map of weather situation at 14：00 BST on September 6（d），2018

与典型的汛期强降水过程相比，此次过程的大尺度动力强度较弱，但由于抬升凝结高度和自由对流高度较低，且低空对流抑制能量较弱（表2），使得对流触发不需要太强的抬升机制，仅近地面层的辐合抬升就足以触发对流性降水。

受弱冷空气影响，6日08：00，怀化、邵阳、永州、郴州一带有一条地面辐合线，受近地面辐合线引起的抬升作用，怀化、永州地区有小块对流云团生成发展并向北缓慢移动；
11：00，地面辐合线略有北抬，湘中以南出现降水并逐渐发展加强；
14：00，地面辐合线南压，湘中以南地区降水持续；
17：00，地面辐合线南移越过湘南，湖南降水逐渐减弱消失（图6）。可见，近地面辐合抬升是触发此次短时强降水的重要机制。

结合探空物理量参数（表2）发现，郴州、怀化的对流温度较低（低于当日最高气温）利于午后热对流产生，热力抬升作用同样有利于触发短时强降水，而长沙对流温度较高（高于当日最高气温），午后升温不足以触发热对流。

图6 2018年9月6日08：00（a）、11：00（b）、14：00（c）、17：00（d）地面风场（单位：m·s-1）Fig.6 The surface wind field at 08：00 BST（a），11：00 BST（b），14：00 BST（c）and 17：00 BST（d）on September 6，2018（Unit：m·s-1）

图7是2018年9月6日湖南省及周边多普勒天气雷达3 km高度回波拼图演变。可以看出，6日08：00，怀化、永州有2块较强的降水回波缓慢向北移动；
13：00，郴州南部有零散的雷暴单体发展、合并，形成中-β尺度的回波单体，回波基本稳定维持在临武、宜章地区，造成暴雨天气。随后，永州地区的块状降水回波继续向北、向东发展，并影响永州北部、衡阳、郴州北部、株洲南部地区（图略），16：00降水回波的前部又有新的雷暴单体生成，并与原来的降水回波连成一线，逐渐发展成线状多单体回波，给上述地区带来强降水天气。18：00后，除株洲南部以外，湖南其他地区降水回波基本减弱消失。综上可见，湘中以南地区降水回波在11：00—18：00明显增强，这可能是午后近地面气温升高，不稳定能量增大，在地面辐合线和热力抬升共同作用下对流发展更加旺盛。

图7 2018年9月6日08：00（a）、13：00（b）、16：00（c）、18：00（d）湖南省及周边地区3 km高度多普勒天气雷达回波拼图（单位：dBZ）Fig.7 The mosaic map of Doppler radar echo at 3 km height in Hunan Province and its surroundings at 08：00 BST（a），13：00 BST（b），16：00 BST（c）and 18：00 BST（d）on September 6，2018（Unit：dBZ）

对于降水量最大的郴州地区，6日12：00以前，临武县中南部有分散的小块对流回波缓慢向北移动；
12：00后，在临武县北部（分散回波的前侧）有雷暴单体迅速生成发展，与原有的分散回波合并成较大范围的降水回波并维持。其中，13：16（图8），2.4°仰角上40 dBZ以上的回波位于临武县西北部且持续了17个体扫（约102 min）；
尽管回波顶高达14 km，但回波质心和强回波高度均在5 km以下。结合郴州探空资料（图略），0℃和-20℃层高度分别为5.5、8.8 km，说明此风暴单体降水为暖性高效降水。与此同时，累积液态水含量基本在10 kg·m-2以上，最大为30 kg·m-2，低层辐合维持时间较长，且高层有辐散，雷暴单体具有一定的组织性。结合最强降水时段的雷达风廓线（图略）发现，6日08：00，3个探空站400 hPa（7.6 km）以下环境风（水平风）和垂直风切变较小，基本为2～4 m·s-1，其中2～3 km高度上甚至出现静风，弱环境风尽管不利于对流组织化，却使风暴移速缓慢，有利于在同一地区形成长时间降水。

综上可见，雷暴单体含有一定的水汽（液态含水量为10～30 kg·m-2），低仰角（3 km左右）下40～55 dBZ回波持续近2 h，且风暴移动缓慢，致使在同一地区形成长时间的强降水，是临武县出现大暴雨的原因，其中万水乡三十六湾站14：00的小时雨量达82.4 mm。

图8 2018年9月6日13：16郴州站雷达2.4°仰角基本反射率（a，单位：dBZ）、1.5°仰角径向速度（b，单位：m·s-1）、回波顶高（c，单位：km）、垂直积分液态水含量（d，单位：kg·m-2）及反射率（e，单位：dBZ）和径向速度（f，单位：m·s-1）垂直剖面Fig.8 The base reflectivity on 2.4°elevation angle（a，Unit：dBZ），radial velocity on 1.5°elevation angle（b，Unit：m·s-1），echo top height（c，Unit：km），vertical integral liquid water content（d，Unit：kg·m-2）and vertical section of reflectivity（e，Unit：dBZ）and radial velocity（f，Unit：m·s-1）at Chenzhou radar station at 13：16 BST on September 6，2018

强盛的西太副高脊区内不易触发短时强降水天气，且由于缺乏明显的槽、低空急流等大尺度特征，其预报难度较湖南典型暴雨过程更大，容易漏报。本文利用地面自动站、多普勒天气雷达观测资料和FY-2F云顶亮温及NCEP再分析资料等，针对2018年9月6日一次西太副高控制下的湖南短时强降水成因开展研究。总体上，在丰沛水汽、较高的不稳定能量以及一定的抬升条件下，强盛的副高脊区反气旋环流内可触发短时暴雨天气。主要结论如下：

（1）此次过程大尺度环流形势主要表现为500 hPa中高纬地区两槽一脊，副高呈块状控制着湖南大部分地区，不断加深的高空槽引导西北气流南下，致使副高断裂。

（2）此次过程触发机制体现在两方面：一是低层弱切变线配合地面中尺度辐合线引起近地面动力抬升触发对流性降水；
二是午后受太阳辐射增温作用影响，地面气温达到对流发生的临界温度，能够自由触发热对流。

（3）丰沛的水汽和较高的不稳定能量为此次过程提供有利条件。弱冷空气南下与暖湿气流汇合产生辐合上升并形成锋区，暖湿气流受到抬升触发不稳定能量，中低层为能量较大的对流性不稳定层结；
低层比湿大且等值线密集，湿层深厚（高湿区向上延伸至对流层顶），降水落区与925 hPa水汽通量辐合区一致。

（4）尽管此次过程的动力条件较汛期典型强降水过程明显偏弱，但正涡度及低层辐合区在降水发生后都有向上延伸的特点，有利于垂直上升运动的维持。另外，雷达回波质心和强回波高度均较低，为明显的低质心高效降水回波。同时，环境风及其垂直切变小，不利于对流风暴有组织地发展，但雷暴单体移动缓慢，有利于降水在同一地区较长时间维持。

夏季，西太副高脊线伸至长江中下游，近地面辐合线的抬升作用导致该地区出现罕见的短时强降雨事件。目前，数值模式对此类天气的预报能力较差，预报员对模式预报缺乏订正能力，加之时间短促、致灾性强，无法及时给出合理有效的应对措施。尽管本文仅是一次个例分析，但得到的定量化环境特征［即中低层为高湿高能区（q＞15 g·kg-1、CAPE＞600.0 J·kg-1、K≥39℃）以及午后地表气温超过对流温度阈值、显著的地面辐合线］可作为西太副高控制下的长江中下游地区短时暴雨事件的预报着眼点和技术指标，从而为预报业务提供思路。然而，对此类事件作出精准预报（降水发生时间和落区）仍然是一个巨大的挑战，还需通过更多的个例建立此类事件的天气概念模型，形成可供业务应用与借鉴的预报经验。

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