1. 引言
暴雨是湖南汛期常见的灾害性天气之一，常引发洪涝灾害，导致滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害、中小河流水位暴涨、城市内涝、农作物受损等，近十年来湖南汛期暴雨多发生在夜间，具有非常典型的夜雨特征，夜间暴雨的发生给防灾减灾救灾带来了一定的困难。
李珊珊等 [1] 研究表明夏季暴雨多与大气对流不稳定和对称不稳定有密切关系；郑世林等 [2] 指出冷暖空气对峙形成近于垂直地面的假相当位温θse陡立锋区使降水增强；肖云清等 [3] 研究表明强降水均发生在假相当位温θse等值线密集区，对流层中低层MPV1和MPV2负极值中心的强度和维持时间以及变化对局地暴雨的预报有一定指示作用；杨杰等 [4] 指出，暴雨发生前、发生期间，对流层低层MPV1 < 0、MPV2 > 0且MPV1呈“正负值区垂直迭加”配置；殷菲 [5] 等研究表明，强降水主要位于700 hPa湿位涡MPV1、MPV2项的正负值交界处，并且暴雨中心偏向MPV1负值区，对流层低层MPV1 < 0、MPV2 > 0 的配置可作为降水落区的判断依据；魏蕾等 [6] 指出2018年“05.07”广州暴雨触发机制之一为暴雨之前及期间广州上空中层干冷中心的存在造成中层持续有干冷空气入侵；狄潇泓等 [7] 指出斜压锋生作用的逐渐增强导致不稳定条件增强，进而导致上升运动发展，是产生本次短时暴雨天气的根本原因；束艾青等 [8] 研究表明暴雨发生前中高层冷层云结构维持增加了大气的不稳定度，850百帕比湿达到12 g/kg；崔宇等 [9] 指出整层比湿较大、700 hPa水汽通量散度的辐合为暴雨提供了有利的水汽条件；黄翠银等 [10] 指出假相当位温能够判断未来强降雨的落区；徐亚钦等 [11] 指出强降水与中低层锋生区有较好对应；李姝霞等 [12] 指出副热带高压边缘暖湿气流加强和冷空气影响是产生大暴雨的有利环境场；吴雪亚等 [13] 指出暴雨发生前对流有效位能突增，大气中可转换对流有效位能迅速上升，为暴雨提供不稳定能量；梅一清等 [14] 指出海洋的水汽输入供应了充足的水汽；周文等 [15] 研究表明侧偏南气流发展，为强降水发生提供充足的水汽条件，同时因暖湿气流的增强使得鸡场镇低层对流不稳定性增强。
2018年5月1日和6日湖南出现2次典型夜间暴雨过程，将2018年5月1日暴雨过程记为“5.1”过程，2018年5月6日暴雨过程记为“5.6”过程，“5.1”过程最大累计降雨量151.9 mm、最大小时雨强70.9 mm、全省暴雨以上量级有137站次，“5.6”过程最大累计降雨量146.2 mm、最大小时雨强59.4 mm、全省暴雨以上量级有299站次。本文重点分析两次夜间暴雨发生的天气形势，对流不稳定性和环境场相关物理量演变特征，为以后汛期夜间暴雨的预报预警提供一定的参考。
2. 数据与方法
本文所使用数据包括2018年5月1日和6日湖南省国家站和区域站地面逐小时降水观测资料、FNL (水平分辨率0.25˚ × 0.25˚)逐 6h再分析资料、欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料ERA-5再分析资料(其时间分辨率1 h、水平分辨率0.25˚ × 0.25˚、垂直方向1000~100 hPa共27层)，选取2018年5月1日和6日发生在湖南两次夜间暴雨，分别对两次夜间暴雨天气过程的天气形势进行对比分析，对流不稳定性环境场水汽条件、假相当位温、垂直速度、湿位涡等物理量进行对比研究，找出两次夜间暴雨相关异同点。
湿位涡物理量不仅表征了大气动力和热力特性，而且考虑了水汽条件，湿位涡可以分析动力、热力、水汽条件与暴雨间的关系，本文采用参考文献1、3、5、6中湿位涡计算方法。
3. 暴雨过程实况
“5.1”、“5.6”两次暴雨过程具有典型的夜间暴雨特征。“5.1”过程暴雨以上落区主要出现在雪峰山脉以东地区，其小时雨强比“5.6”过程大，暴雨集中，累计雨量大，暴雨站次相比“5.6”过程略偏少；“5.6”过程小时雨强略偏小，暴雨范围广、暴雨站次多。
“5.1”过程暴雨主要出现在2日2时至8时(见图1)，≥50 mm以上站点主要位于湘中以南雪峰山脉以东的邵阳、永州、衡阳等地区，“5.1”过程全省暴雨量级122站次、大暴雨量级15站次，最大为永州市东安县南桥站151.9 mm (见图3)，1小时雨量 ≥ 50 mm的短时强降水有18站，最大小时雨强为70.9 mm，出现在2日05~06时。
“5.6”过程自北向南出现一次西风槽影响下的系统性暴雨过程(见图2)。6日白天，湘中及以北地区的湘西、怀化、常德、益阳、岳阳等地区出现暴雨，全省暴雨量级53站次，最大常德桃源县郑家驿镇寺坪97.7 mm，最大小时雨强62.9 mm，出现在6日19时至20时娄底市双峰县走马街。6日夜间，暴雨落区南压，湘中以南的怀化、邵阳、永州、衡阳、株洲等地区出现区域性暴雨，夜间暴雨站数大于白天，全省暴雨量级288站次、大暴雨量级11站次(见图3)，最大为衡阳市祁东县双桥146.2 mm，最大小时雨强59.4 mm，出现在7日2时~3日永州市零陵区水口山。
Figure 1. Precipitation distribution from 08:00 on the 1st to 08:00 on the 2nd in “5.1” process (unit: mm)
图1. “5.1”过程1日08时至2日08时降水量分布(单位：mm)
Figure 2. Precipitation distribution from 08:00 on the 6th to 08:00 on the 7th in the “5.6” process (unit: mm)
图2. “5.6”过程6日08时至7日08时降水量分布(单位：mm)
Figure 3. Hourly rainfall of Yongzhou Nanqiao station and Hengyang Shuangqiao station during “5.1” and “5.6” (unit: mm)
图3. “5.1”过程永州南桥站、“5.6”过程衡阳双桥站逐小时降雨量(单位：mm)
4. 天气形势分析
“5.1”过程湖南受584 dagpm线控制下在东部高空槽与南支低槽共同作用下，中低层切变线南压，并伴有12 m/s左右低空西南气流，西南急流强度较“5.6”过程西风槽影响下的急流强度偏弱，地面图上白天有明显低压倒槽发展，夜间随着北方冷空气南下，冷暖空气在湘中地区产生强的斜压锋生，夜间产生暴雨，此种暴雨类型在业务工作中容易引起漏报。“5.6”过程中，湖南西部有明显高空槽东移，中低层切变线东移南压，低空西南急流旺盛达20 m/s以上，地面图上有地面辐合线，在夜间中低层环流配合下产生暴雨，西风槽暴雨范围明显比“5.1”过程宽，暴雨站点数多于“5.1”过程。
5. 对流不稳定性分析
从两次过程探空图(图略)可以看出，暴雨发生前，1日20时怀化站、6日20时郴州站两站探空图均呈上干下湿喇叭口型，“5.1”过程600百帕以上呈有明显干冷空气，“5.6”过程700百帕以上有明显干冷空气，两次过程中层及以上均有干冷空气侵入。对流有效位能CAPE值分别为739.8 J/kg，1502.4，“5.6”过程的不稳定能量明显高于“5.1”过程，“5.6”过程低层有明显暖湿平流高层配合干冷平流，使大气不稳定性增强，其不稳定性明显强于“5.1”过程。说明夜间随着中层干冷空气侵入，造成强的对流性不稳定，易造成夜间出现暴雨。
从表1的1日永州市东安县南桥站和表2的6日衡阳市祁东县双桥站两次过程的暴雨中心的K指数、TT指数、PW、CAPE等指数看，从1日14时到2日02时，K指数从34增加到36，TT指数维持46，PW从42.9 mm增加到48.9 mm，而CAPE1日14时达到825，到了2日02时随着降水伴随不稳定能量释放，CAPE值减小到CAPE。6日，从14时到20时，K指数由35增加到40，TT指数由46增加到47，PW由44.5增加到50.5 mm。从以上对比分析可以看出，两次过程夜间大气对流性不稳定均比白天强，大气可降水量PW比白天高，但6日的K、TT、PW指数、CAPE比1日偏高，大气不稳定比1日更强，所以实况6日的暴雨量级站次比1日多。
Table 1. “5.1” process Nanqiao station, Dong’an County, Yongzhou City
表1. “5.1”过程永州市东安县南桥站
Table 2. “5.6” process Shuangqiao station, Qidong County, Hengyang City
表2. “5.6”过程衡阳市祁东县双桥站
6. 物理量分析
6.1. 水汽通量和水汽通量散度
暴雨的发生需要源源不断的水汽输送到暴雨区，并在暴雨区形成水汽的辐合聚集，乔春贵 [16] 等提出水汽的输送有两个要素，一是需要有水汽源，二是需要有大气环流输送和涡动输送的配合。
从图4可以看出，两次过程850百帕以下均有较强的水汽输送通道和强的水汽通量散度辐合，在北部均出现了偏北风冷空气南下，有利于低层锋生，增加大气斜压性。不同的是，“5.6”过程850百帕以下有强的水汽通量，≥10 × 10−6 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1以上的水汽输送通道层次比“5.1”过程层次厚，强度强；“5.1”过程的水汽通量散度辐合大值区的层次比“5.6”过程厚，但辐合强度“5.6”大于“5.1”；同时
Figure 4. Vertical profiles of water vapor flux (unit: g∙hPa−1∙cm−1∙s−1) and water vapor flux divergence (unit: g∙hPa−1∙cm−2∙s−1) at 110˚E at 02:00 on the 2nd and 112˚E at 00:00 on the 7th
图4. 2日02时110˚E、7日00时112˚E水汽通量(单位：g∙hPa−1∙cm−1∙s−1)和水汽通量散度(单位：g∙hPa−1∙cm−2∙s−1)垂直剖面图
北部的偏北风南下时大小也明显不同，由于“5.1”属于副高边缘的暴雨过程，所以只需要在中低层有弱的冷空气扩散南下就能造成暴雨，而“5.6”属于高空槽前暴雨过程，由于有强烈的西南气流向北输送，所以北部冷空气强度也明显大于“5.1”。
6.2. 比湿和相对湿度
从图5分析看，两次过程暴雨发生时2 g/kg的等比湿线均出现了向高层升高的现象，说明暴雨发生时由于低层辐合抬升运动强烈，造成大量水汽向高层抬升聚集，从低层14 g/kg的等比湿线看，暴雨发生时也有向高层略抬升现象，不同的是“5.6”过程14 g/kg的等比湿线抬升到850百帕以上，而“5.1”过程主要位于850附近，说明“5.6”过程的抬升运动更加强烈，水汽条件比“5.1”过程更有利于暴雨发生。
Figure 5. Variation characteristics of specific humidity (isoline, unit: g/kg) and relative humidity (shadow map, unit:%) in the rainstorm center from 20:00 on May 1 to 07:00 on May 2 (left) and from 20:00 on May 6 to 07:00 on May 2 (right) (coordinate axis universal time)
图5. 5月1日20时至2日07时(左)、6日20时至2日07时(右)暴雨中心比湿(等值线，单位：g/kg)和相对湿度(阴影图，单位：%)变化特征(横坐标轴为世界时)
6.3. 假相当位温和垂直速度
Figure 6. Variation characteristics of false equivalent potential temperature (isoline, unit: k) and vertical velocity (shadow map, unit: m/s) in the rainstorm center from 20:00 on May 1 to 07:00 on May 2 and from 20:00 on May 6 to 07:00 on May 2 (coordinate axis universal time)
图6. 5月1日20时至2日07时、6日20时至2日07时暴雨中心假相当位温(等值线，单位：K)和垂直速度(阴影图，单位：m/s)变化特征(坐标轴为世界时)
Figure 7. 850 hPa pseudo equivalent potential temperature (isoline, unit: k) and vertical velocity (color spot map, unit: m/s) map at 23:00 on May 1 and at 00:00 on May 7
图7. 5月1日23时、5月7日00时850百帕假相当位温(等值线，单位：K)和垂直速度(色斑图，单位：m/s)图
从图6和图7的850百帕假相当位温和垂直速度图可以看出，两次过程在其降水区北部均存在冷空气，冷空气前沿与暖湿气流汇合，偏北风冷空气与西南暖湿气流对峙，形成假相当位温密集带，表明在密集带前沿存在不稳定和斜压性。刘艳杰提出密集带与水平锋生大值区有较好的对应关系，从“5.1”过程看，此次过程属于副高584线控制下的降雨，降雨开始前，假相当位温密集带不如“5.6”过程强，假相当位温大值区达到346 K，切变线以南不存在西南急流，广西、广东到湖南南部的西南风速维持8 m/s，切变线以北的偏北风达10 m/s，这种南北风速对峙，一般出现在湖南受副高584线控制，北方有高空槽东移有冷空气南下，偏北风速达10 m/s以上时湖南地区有暴雨出现；从“5.6”过程看，此次过程属于典型西风槽东移造成的系统性降水，在切变线附近及以北存在东北西南向假相当位温密集带，湖南南部假相当位温大值区达到350 k，切变线以南存在强盛的西南急流，广西、广东到湖南南部西南风速达16 m/s以上，切变线以北地区的湖北地区东北风速达到12 m/s。
6.4. 湿位涡MPV1和MPV2
Figure 8. MPV1 at 02:00 on May 2 and 02:00 on May7 (terrain: black shadow map, isoline: MPV1, time: Beijing time)
图8. 5月2日02时、5月7日02时850百帕MPV1图(等值线：MPV1，时间：北京时)
Figure 9. 850 hPa MPV2 at 02:00 on May 2 and 02:00 on May 7 (isoline: MPV2, time: Beijing time)
图9. 5月2日02时、5月7日02时850百帕MPV2图(等值线：MPV2，时间：北京时)
湿位涡是反映动力、热力和水汽条件三者综合的物理量，与暴雨的产生有较好的相关性 [6]，本文利用湿位涡MPV1和MPV2项来分析暴雨发生时的特征。湿位涡单位为PVU (1 PVU = 10−6m2∙s−1∙K∙kg−1)。
图8为5月2日02时、5月6日23时MPV1图。从湿位涡MPV1看，两次过程中，图中A标志处暴雨中心上空相同点是，850百帕至650百帕之间为明显负值区，650百帕向上为明显正值区，850百帕以下偏北风入侵处有明显MPV1正值区；不同的是，“5.6”过程850百帕以下偏北风入侵处，MPV1正值较大区呈明显倾斜，梯度值明显强于“5.1”过程，说明“5.6”过程暴雨发生时850百帕以下冷空气强度要强于“5.1”过程，850百帕至650百帕之间为明显负值区强度要强于“5.1”过程，说明中低层暖湿气流伴随的水汽、动力条件要强于“5.1”过程，650百帕以上高正值湿位涡柱明显向下入侵，表明中上层冷空气与中低层负值区相互作用，促进不稳定能量和潜热释放，有利于暴雨的发生，这与魏蕾等 [1] 的结果较一致。
图9为5月2日02时、5月7日02时850百帕MPV2图。从湿位涡MPV2看，图中暴雨中心上空，有明显的MPV2正负值过渡，“5.6”过程正负值梯度值明显强于“5.1”过程，“5.1”过程中700百帕以上，MPV2负值要明显低于700百帕以下，说明“5.1”过程中主要是中高层的冷空气下传到低层与暖湿气流交汇，“5.6”过程中750百帕以下锋面处MPV2负值明显低于高层，说明低层冷暖空气辐合强度要高于高层。
7. 结论与讨论
本文通过对2018年5月1日和6日发生在湖南两次夜间暴雨进行分析探讨，得出了以下结论：
1) 两次过程均在夜间出现了暴雨，“5.1”过程暴雨以上落区主要出现在雪峰山脉以东地区，其小时雨强比“5.6”过程大，暴雨集中，累计雨量大，暴雨站次相比“5.6”过程略偏少；“5.6”过程小时雨强略偏小，暴雨范围广、暴雨站次多。
2) 两次过程属于两种不同的暴雨类型，“5.1”过程湖南受584 dagpm线控制下在东部高空槽与南支低槽共同作用下，中低层切变线南压，并伴有12 m/s左右低空西南气流，地面图上白天有明显低压倒槽发展，夜间随着北方冷空气南下，冷暖空气在湘中地区产生强的斜压锋生，此种暴雨类型在业务工作中容易引起漏报。“5.6”过程属于高空槽东移造成的系统性暴雨，中低层切变线东移南压，低空西南急流旺盛达20 m/s以上，地面图上有地面辐合线，高空槽型暴雨范围明显比“5.1”过程宽，暴雨站点数多于“5.1”过程。
3) 两次过程发生前，探空图均呈喇叭口型，说明中高层均有干冷空气侵入，“5.1”过程干冷空气向低层伸展的高度明显高于“5.6”过程，CAPE、K指数等在夜间明显增加，“5.6”过程K、TT、PW指数、CAPE等不稳定指数较“5.1”过程高，所以6日的暴雨量级站次比1日多。
4) 两次过程850百帕以下均有较强的水汽输送通道和强的水汽通量散度辐合，在北部均出现了偏北风冷空气南下，有利于低层锋生，增加大气斜压性。不同的是，“5.6”过程850百帕以下有强的水汽通量，≥10 × 10−6 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1以上的水汽输送通道层次比“5.1”过程层次厚；“5.1”过程的水汽通量散度辐合大值区的层次比“5.6”过程厚，但辐合强度“5.6”大于“5.1”。
5) 从比湿分析看，两次过程暴雨发生时2 g/kg的等比湿线均出现了向高层升高的现象，从低层14 g/kg的等比湿线看，暴雨发生时也有向高层略抬升现象，不同的是“5.6”过程14 g/kg的等比湿线抬升到850百帕以上，而“5.1”过程主要位于850附近，说明“5.6”过程的抬升运动更加强烈，水汽条件比“5.1”过程更有利于暴雨发生。
6) 两次过程整层均具有明显的上升运动，对流层中层“5.1”过程垂直速度明显大于“5.6”过程，说明“5.1”过程的类型暴雨上升运动强度大于高空槽型暴雨。两次过程在其降水区北部均存在冷空气，冷空气前沿与暖湿气流汇合，偏北风冷空气与西南暖湿气流对峙，形成假相当位温密集带，表明在密集带前沿存在不稳定和斜压性。
7) 从湿位涡MPV1看，从高层到低层两次过程均呈明显的正负正的分布特征，“5.6”过程的梯度值明显强于“5.1”过程；从湿位涡MPV2看，暴雨中心上空，有明显的MPV2正负值过渡，“5.6”过程正负值梯度值明显强于“5.1”过程；综合看“5.6”过程中冷暖空气辐合强度均要强于“5.1”过程，但平时预报中注意“5.1”过程类型。
基金项目
湖南省气象局预报员专项(XQKJ20C005)，湖南省气象局短平快课题(XQKJ20B009)。
参考文献