黃駿等

摘要

利用水文、氣象資料和NCEP格點資料，對2012年9月澧水上游罕見秋汛致洪暴雨過程特征作分析的同時，并展開了對澧水上游致洪暴雨特征規(guī)律的分析。結(jié)果表明，澧水上游發(fā)生致洪暴雨的面雨量臨界值為121.4 mm；此次致洪暴雨過程的500 hPa環(huán)流形勢為典型的“兩槽一脊”型分布，中尺度影響系統(tǒng)為深厚的西南渦系統(tǒng)，西南渦前有支較強(qiáng)的暖濕急流為致洪暴雨提供充足水汽，水汽源地為南海、孟加拉灣，這一環(huán)流形勢特點是澧水上游致洪暴雨普遍性規(guī)律特征；副高的位置與澧水上游致洪暴雨的強(qiáng)度和持續(xù)時間有關(guān)；低層輻合高層輻散的散度特征、中低層的正渦度特征和深厚的垂直上升運動特征為此次致洪暴雨的發(fā)生提供了動力條件，長時間>35 ℃的K指數(shù)為致洪暴雨提供充足的不穩(wěn)定能量。

關(guān)鍵詞澧水上游；致洪暴雨；面雨量；環(huán)流特征；物理量診斷

中圖分類號S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）36-12991-04

2012年9月中旬澧水上游暴發(fā)了歷史同期罕見的秋汛，澧水張家界段洪峰達(dá)到了50年一遇，9月澧水上游桑植降雨總量也創(chuàng)了歷史新高，全市遭受了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4 270萬元。大的洪澇災(zāi)害對國家和人民生命財產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為了弄清暴雨與洪水的關(guān)系，許多學(xué)者對此進(jìn)行過研究。歷史上對澧水流域暴雨分析的文獻(xiàn)較多[1-4]，但對澧水上游致洪暴雨的分析較少。筆者在此利用水文、氣象資料和NCEP格點資料對2012年9月中旬澧水上游罕見秋汛致洪暴雨過程進(jìn)行分析，以期得出一些有意義的結(jié)論。

1致洪暴雨特征分析

1.1致洪暴雨的定義

為了便于后續(xù)的表述與分析，首先給出致洪暴雨的定義。致洪暴雨是指能造成江河水位明顯上漲且達(dá)到警戒水位以上的暴雨?！捌呶濉遍L江三峽致洪暴雨攻關(guān)研究曾給致洪暴雨一個比較確切的定義式[5]，即

FTR=∫S∫LIstdSdt+BQ，

式中，F(xiàn)TR表示致洪暴雨強(qiáng)度的量；Ist、dS和dt分別表示強(qiáng)降水的強(qiáng)度、面積和歷時，三者的綜合效果，描述了致洪暴雨的氣象成因，所以是致洪暴雨重要的氣象參數(shù)； BQ 籠統(tǒng)地表示前期基礎(chǔ)降水量，它是一個復(fù)雜的函數(shù)，可認(rèn)為是與前期江河底水或起漲流量、流域內(nèi)土壤濕潤狀況、下墊面特征、水庫分布、地表徑流和流域匯流特性以及下

游

頂托效應(yīng)等多種水文和地理因素有關(guān)，從而給致洪暴雨的確定帶來頗大困難。此外，某一地域洪澇災(zāi)害出現(xiàn)與否，除了上述自然因素之外，還涉及水庫調(diào)度、防洪能力等人為因素。

1.2致洪暴雨過程水文、氣象特征分析

2012年9月澧水上游（河源至桑植為澧水上游，在此主要分析桑植縣境內(nèi)）有2次大暴雨過程，分別是9日和12日。9日桑植站降雨量達(dá)132.9 mm，創(chuàng)歷史同期桑植降雨量最高記錄；12日桑植站降雨量為106.4 mm，為歷史同期第三位。12日桑植縣的大暴雨使得澧水上游支流和干流洪水暴漲，桑植水文站最高水位為259.24 m，超出警戒水位2.74 m，最大洪峰流量為6 100 m3/s，位于歷史第三位。然而處于歷史同期第一位的9日大暴雨并未造成桑植水文站超警戒水位?？梢妴握颈┯昊虼蟊┯旰茈y描述致洪暴雨特征。對比分析2次過程降雨量實況分布（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，9日桑植縣中部一帶普降暴雨局部大暴雨，大暴雨主要集中桑植縣城附近一帶，12日桑植全縣境內(nèi)普降暴雨到大暴雨，表明澧水上游致洪暴雨與其面上的降雨量情況有關(guān)，面雨量能更好地描述致洪暴雨特征。因此，筆者利用面雨量來定義致洪暴雨和描述致洪暴雨特征。

面雨量是指某一時段內(nèi)一定面積上的平均雨量。面雨量可表示為：

P=1A∫APdA，

式中，P為面雨量，A為特定區(qū)域的面積，P為有限元dA上的雨量。面雨量的計算方法很多，主要有泰森多邊形法、逐步訂正格點法、三角形法、算術(shù)平均法、格點法、等雨量線法等。方慈安等指出在流域雨量站點相同的條件下，不同計算方法所得到的面雨量計算結(jié)果在湖南省差異不大[6]。因此，在此采用簡單易行的算術(shù)平均法來計算面雨量。利用氣象自動站資料分別計算出9日澧水上游面雨量為72.5 mm，12日為148.2 mm。計算結(jié)果解釋了9日桑植單站降雨量創(chuàng)同期歷史新高而未出現(xiàn)超警戒水位的情況，同時也表明澧水上游要產(chǎn)生致洪暴雨其面雨量需達(dá)到一定的臨界值。

為了找到澧水上游發(fā)生致洪暴雨的臨界面雨量值，在此統(tǒng)計了桑植水文站歷史上超過警戒水位的暴雨過程及其降雨量情況。因1998年賀龍電站的投入使用和桑植水文站的遷站，在此僅統(tǒng)計1998年以來的超過警戒水位的暴雨過程。由表1可知，1998年以來澧水上游共出現(xiàn)5次致洪暴雨過程，分別是1998年7月22日、2003年7月8日、2008年8月15日、2012年9月12日和2013年6月6日（以下分別簡稱為“98.722”，“03.708”，“08.815”，“12.912”和“13.606”）， “98.722”最高水位最高，為266.27 m，超出警戒水位9.77 m，為1998來以來最嚴(yán)重的致洪暴雨過程；“03.708”最高水位是259.58 m，超出警戒水位3.08 m，處于1998年以來歷史第二位；“12.912” 最高水位是259.24 m，超出警戒水位2.74 m，處于1998年以來歷史第三位。由水文雨量資料統(tǒng)計的5次致洪暴雨降雨量情況（表2）可見，5次致洪暴雨過程中“98.722”面雨量最大， “03.708”面雨量次之， “12.912”面雨量再次，“08.815”面雨量最小，為121.4 mm。由最高水位與面雨量分析表明，最高水位與面雨量有一定的正相關(guān)性。筆者暫時把最小的面雨量121.4 mm作為澧水上游發(fā)生致洪暴雨的臨界面雨量值。對這5次過程的前5日雨量進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)“98.722”、“08.815”和“12.912”3次過程前5日有暴雨過程（上述8個雨量站中至少有一站次暴雨），“03.708”和“13.606”2次過程前5日無中雨以上降水過程或無降水。分析表明澧水上游致洪暴雨的發(fā)生與前期是否有降水相關(guān)不大，主要與致洪當(dāng)日的大暴雨強(qiáng)度呈正相關(guān)性。

2環(huán)流形勢及中尺度系統(tǒng)的特征

2.1 環(huán)流形勢特征

2012年9月11日20：00 500 hPa高空圖（圖2a）上，亞歐中高緯為典型的兩槽一脊分布，脊位于西西伯利亞一帶，烏拉爾山地區(qū)為低槽，另一低槽位于內(nèi)蒙古東到川西地區(qū)，澧水上游位于此槽前，該形式一直維持，直到12日20：00，澧水上游逐漸轉(zhuǎn)槽后，降雨減弱。這種形勢有利于冷暖空氣持續(xù)南下，與南方暖濕氣流在澧水上游地區(qū)交匯，導(dǎo)致此次致洪暴雨的發(fā)生。為了研究此次致洪暴雨過程環(huán)流形勢是否具有普遍性，分析比較了其余4次致洪暴雨過程環(huán)流形勢（圖2b、c、d），“98.722”過程因與“03.708”過程年環(huán)流形勢相似圖略，通過分析發(fā)現(xiàn)，5次致洪暴雨過程中高緯環(huán)流形勢均為“兩槽一脊”型分布，但不同過程槽脊位置有差異，澧水上游的直接影響系統(tǒng)是低槽，低槽位置有利于冷空氣持續(xù)南下，與南方暖濕氣流在澧水上游地區(qū)交匯；副高位置偏東且穩(wěn)定少動，易形成持續(xù)性的極端暴雨，表明副熱帶高壓的位置與暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時間有關(guān)系。如1998年和2003年的持續(xù)性致洪暴雨過程。

2.2切變線與西南渦的演變

僅有有利的大尺度環(huán)境條件是不夠的，還必須有中低層中尺度系統(tǒng)的配合。如2014年10月下旬罕見大暴雨過程500 hPa環(huán)流形勢雖有致洪暴雨的環(huán)流特征，但未造成澧水上游桑植水文站超警戒水位，究其原因中低層中尺度系統(tǒng)配合不好。為了揭示此次致洪暴雨過程的成因，在此對中低層中尺度系統(tǒng)進(jìn)行必要的分析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在此次澧水上游致洪暴雨期間，與暴雨直接有關(guān)的中尺度系統(tǒng)是一條沿湘西北的東北—西南走向分布的切變線，還有在這條切變線上發(fā)生發(fā)展的西南渦系統(tǒng)。2012年9月11日08：00 700 hPa高度圖（圖3a）上，我國西北地區(qū)為一高壓，長江中下游為副高控制，兩高之間形成了一條沿豫西到川東的東北—西南走向分布的切變線，在川東與渝西交界的地方有3 110 m的閉合低壓中心已經(jīng)形成，即西南渦此時已形成。西南渦西北側(cè)有冷平流侵入，南側(cè)有副高西北側(cè)的西南暖濕氣流源源不斷補(bǔ)充能量，易于西南渦發(fā)展維持，其后西南渦沿著切變線緩慢東移，到11日20：00，西南渦移至重慶地區(qū)，澧水上游受西南渦前第一象限的暖式切變影響，對應(yīng)澧水上游逐漸開始降雨，12日08：00西南渦穩(wěn)定維持并沿切變緩慢東移，直至 12日14：00澧水上游變?yōu)橐粭l東北西南向的切變線影響，12日20：00切變線南壓澧水上游轉(zhuǎn)偏西北氣流影響。850 hPa也為西南渦系統(tǒng)，各時次中心位置較700 hPa略偏南，表明西南渦系統(tǒng)向西傾斜的斜壓深厚系統(tǒng)。西南渦影響時段為澧水上游最強(qiáng)降雨時段，1 h最大降雨量為28.4 mm，出現(xiàn)在桑植縣橋自灣，12日14：00后隨著西南渦的填塞減弱為切變線，降雨逐漸減弱，到20：00，隨著切變線移出，降雨停止。同樣為了研究澧水上游致洪暴雨的中尺度特征普遍性，對其余4次致洪暴雨過程和2014年10月下旬罕見暴雨過程中低層中尺度系統(tǒng)作比較分析發(fā)現(xiàn)，其余4次致洪暴雨過程中低層也為沿切變線東移的西南渦系統(tǒng)影響，而2014年10月下旬罕見大暴雨過程700 hPa為較強(qiáng)的西南氣流，僅850 hPa為“人”字切變，無西南渦系統(tǒng)出現(xiàn)，這是與5次致洪暴雨過程不同的地方?？梢?，澧水上游致洪暴雨的發(fā)生中低層必須有深厚的西南渦系統(tǒng)。對這一時期的流場結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，沿湘西北有一條東北—西南走向的風(fēng)場切變線，沿此切變線上有中尺度的渦旋西南渦（圖3b） ，切變線南側(cè)有很強(qiáng)的西南氣流，這支西南氣流的源地可以追溯到南海、孟加拉灣。

3物理量診斷分析

3.1 水汽條件

分析此次致洪暴雨過程的水汽通量和水汽通量散度的變化過程發(fā)現(xiàn)，此次致洪暴雨過程的水汽來源于孟加拉灣和南海。11日20：00 850 hPa水汽通量圖上，來自孟加拉灣和南海的水汽被輸送到了暴雨區(qū)上空，水汽輸送通道建立；12日08：00（圖4），由南向北輸送到暴雨區(qū)的水汽通量明顯增大，到14 ：00，水汽通量大值區(qū)維持、位置東移南壓，輸送通道也明顯偏東。由圖5可見，暴雨區(qū)上空水汽通量散度輻合時間為11日20：00～12日14：00，維持輻合時間較長，輻合中心最大值為-80×10-5 g/（cm2·hPa·s）；12日20：00，水汽輻合中心下降，強(qiáng)度減弱，此次致洪暴雨過程降雨減弱。可見，暴雨區(qū)上空長時間的水汽輸送并輻合為暴雨的形成和持續(xù)提供了充足的水汽。

3.2動力條件

分析此次致洪暴雨過程期間各時次的散度、渦度和垂直速度沿110°E的剖面圖發(fā)現(xiàn)，各時次特征基本一致，只是強(qiáng)度變化有所差異。選擇了強(qiáng)度最大、特征表現(xiàn)最明顯的12日08：00進(jìn)行分析，散度圖（圖6a）上，以700 hPa為分界，其下為輻合、其上為輻散，低層中心最大輻合值為-6×10-5s-1，這種低層輻合高層輻散的配置非常有利于垂直上升運動的發(fā)展；渦度圖（圖6b）上，850 hPa以下為負(fù)渦度，850～600 hPa為正渦度，正渦度中心值為6×10-5s-1，600 hPa以上又表現(xiàn)為負(fù)渦度，其中心值為-4×10-5s-1，這種正負(fù)渦度配置極易造成上升運動；對應(yīng)的垂直速度圖（圖6c）上，表現(xiàn)為整層大氣為上升運動，最大值為-1.5×10-2 hPa/s。

3.3熱力不穩(wěn)定條件

K指數(shù)對暴雨的預(yù)報具有較好的指示作用。一般地，當(dāng)K>35 ℃時，大氣層結(jié)變得很不穩(wěn)定了，易發(fā)生強(qiáng)對流天氣。K值越大，表示大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。11

4結(jié)論

（1）面雨量能有效地定義和描述澧水上游致洪暴雨，澧水上游發(fā)生致洪暴雨的面雨量臨界值為121.4 mm。

（2）澧水上游致洪暴雨的500 hPa環(huán)流形勢具有典型的

“兩槽一脊”型分布，致洪暴雨的直接影響系統(tǒng)是低槽，低槽

位置有利于冷空氣持續(xù)南下，與南方暖濕氣流在澧水上游地區(qū)交匯。副高位置偏東且穩(wěn)定少動，易形成持續(xù)性的極端暴雨，表明副熱帶高壓的位置與暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時間有關(guān)系。

（3）澧水上游致洪暴雨的中尺度影響系統(tǒng)為深厚的西南渦系統(tǒng)，西南渦前有較強(qiáng)的暖濕急流為致洪暴雨提供充足水汽。水汽源地主要為南海、孟加拉灣。

（4）此次致洪暴雨過程是在“兩槽一脊”的典型大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的，水汽來源于南海和孟加拉灣，低層輻合高層輻散的散度特征、中低層的正渦度特征和深厚的垂直上升運動特征為致洪暴雨的發(fā)生提供了動力條件，長時間>35 ℃的K指數(shù)為致洪暴雨提供充足不穩(wěn)定能量條件。

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