1. 引言
暴雨天气引发的山洪泥石流、山体滑坡、城市内涝是影响湖南最主要的自然灾害，往往危及人们的财产和生命安全，造成严重的经济损失 [1] - [6] 。近年来许多学者对湖南汛期暴雨天气过程进行了大量研究，陈红专等 [2] 通过对2017年盛夏湖南一次持续性暴雨过程的水汽特征分析发现，低空急流强度和位置的变化与暴雨的强度和落区紧密相连，全球尺度的水汽输送和水汽辐合与持续性暴雨密切相关。刘红武等 [7] 对湖南一次暖区特大暴雨分析发现，地面辐合线为暴雨提供了触发机制。
2021年5月10日~12日邵阳市迎来了一次较为复杂的暴雨天气，并伴有冰雹和雷暴大风等强对流天气，本次过程共有三个县受灾，绥宁县共3.725万人口受灾，700余处山体滑坡，23条道路中断，2个乡镇电力中断，880.79公顷秧田和经济作物被淹，紧急转移3276人，105间房屋严重受损，1172间房屋一般受损，没有出现人员伤亡，直接经济损失4680万元。洞口县部分乡镇出现大风、冰雹、暴雨极端天气，直接经济损失385.3万元。隆回县损坏房屋62间，倒塌房屋10间，农作物受灾面积433.16公顷，绝收面积105.6公顷，直接经济损失1389.18万元。
2. 资料和方法
该文所用资料为2021年5月10日至12日自动站小时降水资料、常规观测资料、欧洲中心细网格和GRAPES-GFS数值模式产品、NCEP的逐6小时再分析资料(要素包括：70百帕比湿、850百帕比湿、K指数) ERA5逐小时再分析资料(要素包括：涡度场、散度场)，资料空间分辨率为1˚ × 1˚。通过分析找出暴雨强度变化的原因，对模式预报进行偏差分析，提高模式的订正能力。
3. 成因分析
3.1. 天气实况
2021年5月10日08时至11日08时(图1左)，主要降雨集中在10日夜间，邵阳市最大降水量为167.4毫米出现在绥宁动雷站，最大小时雨强出现在11日01时至02时绥宁谢庄站为68毫米，主要降雨时段集中在11日01时至05时。11日白天到晚上，降水明显减弱，全市以小到中雨为主，局地大雨。12日08时至13日08时(图1右)，邵阳市暴雨有14站，集中在绥宁12站和城步2站，最大降水量为67.1毫米出现在绥宁竹舟江，最大小时雨强出现在13日04时至05时绥宁动雷为43.7毫米，从1小时降雨量看，主要降雨时段集中在12日23时至13日06时。
Figure 1. Accumulated rainfall at automatic stations in Shaoyang City from 08:00 BT 10 May to 08:00 BT 11 May (left), Accumulated rainfall at automatic stations in Shaoyang City from 08:00 BT 12 May to 08:00 BT 13 May (right)
图1. 邵阳市5月10日08时至11日08时自动站累计雨量(左)和邵阳市5月12日08时至13日08时自动站累计雨量(右)
3.2. 环流形势
200百帕上黄河及以北有宽广的高空急流区稳定维持，10日湖南高空有明显辐散分流场，在20~30˚N附近有一30~50 m/s的高空急流，为暴雨的发生提供了有利的动力抬升条件，有利于低层切变线的发生发展；11日到12日高空转为一致西南气流，20~30˚N的急流发展，湖南处于其右侧，且风速场上有一定的辐散，有利于上升运动的维持。
500百帕主要表现为两槽一脊型，10日贝湖以东有−32℃的冷中心通过西北气流引导，使得弱冷空气南下，我国中高纬度为一致西北气流，青海东部和四川东部至云南有高空槽，华南和华中都处于槽前西南气流控制，在湘西南和广西北部西南气流达20 m/s以上；10日20时在川东有低涡生成，南支槽移动缓慢，11日自青藏高原东出的槽经向度减小，移速增快影响长江中下游地区，湖南一直处于较为平直的西风带中，12日中高纬环流平直，湖南地区没有明显冷空气配合，四川西北部有一东北–西南向的短波槽，青藏高原南侧有明显南支槽，南支槽前西南气流旺盛，其上有短波槽沿南支槽前移动。
700百帕一直有明显西南急流，10日在云南、贵州、湖南、江西以南地区有宽广的12 m/s以上西南急流，11日02时西南急流强度达20 m/s以上，10日700百帕西南急流强度和范围都明显强于12日，其西南急流随着高空槽东移逐渐向偏东方向移动；12日在云南、贵州、广西一带有明显12 m/s以上西南急流，其强度和范围均比10日偏弱，其急流区域明显较10日西南急流偏西，在13日02时开始中心出现20 m/s以上急流。
850百帕上，10日过程属于低层低涡切变线南压造成的暴雨，12日过程属于转为偏南风过程中暖式切变线北抬形成的暖区暴雨。
两次过程中海平面气压场具有明显不同，10日过程中地面在贵州西部地区有一低压中心，其前部有低压倒槽发展，湖南中南部有一明显地面辐合线，此次过程中我国地面气温持续偏高，出现30℃以上的高温，绥宁县最高达到了33℃，大气能量充沛，西北冷空气自西北向东南入侵我市，冷暖气流激烈交汇；12日地面转为偏南气流，属于偏南气流向北推进过程中暖式切变线配合风速辐合产生的暴雨。
从图2中尺度分析图可以看出，10日降水具有典型西风槽暴雨特点，暴雨区域集中，强度大，暴雨区位于高空槽前、低空西南急流顶端、冷式切变线右侧和地面辐合线附近，中低层有冷空气扩散到东部沿海，然后又回流到湖南地区与暖湿气流配合；11日高空槽东移，低层切变线南压，大雨带移至湘东南；12日暴雨较10日明显偏少，暴雨区域主要位于山脉迎风坡，中低层没有冷空气配合。
Figure 2. Mesoscale analysis on May 10th (left), Mesoscale analysis on May 12th (left)
图2. 5月10日中尺度分析(左)和5月12日中尺度分析(右)
我们选取了10日20时怀化站与桂林站的T-logP图，相较于怀化站，桂林站更靠南，与绥宁县的实际情况更接近，从怀化站T-logP图(图3左)可以看到湿层深厚，有明显暖平流，易产生短时强降水；桂林站(图3右)中层有明显干空气卷入，0~3 km垂直风切变很大；桂林站的CAPE值达到了2345.6 J/kg，怀化站CAPE值为1719.1 J/kg；虽然桂林站0℃层高度位置较高，但当对流有效位能充足时，仍能产生大冰雹。
Figure 3. T-logP of Huaihua Station at 20:00 on the 10th (Left), T-logP of Guilin Station at 20:00 on the 10th (right)
图3. 10日20时怀化站T-logP图(左)和10日20时桂林站T-logP图(右)
3.3. 物理量分析
从10日22时700百帕比湿(图4左)可以看出，10日过程暴雨发生前，700百帕怀化到邵阳地区达9 g/kg以上，11日00时850百帕比湿(图4右)达15 g/kg以上、暴雨中心16 g/kg，说明700百帕比湿9 g/kg和850百帕比湿15 g/kg是满足暴雨的一个指标。
从11日02时、13日02时K指数分布(图5)看，10日08时湖南中南部地区K指数35℃以上，11日02时湖南中部偏南地区K指数在40℃以上，13日02时湘西南南部和湘南南部K指数在38℃以上，暴雨更易发生在K指数较为极端的区域。
Figure 4. 700 hPa humidity at 22:00 on the 10th (unit: g/kg), 850 hPa humidity at 00:00 on the 11th (unit: g/kg)
图4. 10日22时700百帕比湿(单位：g/kg)和11日00时850百帕比湿(单位：g/kg)
Figure 5. K-index at 02:00 on the 11th (unit: ℃), K-index at 02:00 on the 13th (unit: ℃)
图5. 11日02时K指数(单位：℃)和13日02时K指数(单位：℃)
Figure 6. Vorticity time-section of Suining Donglei station (unit: 10−5s−1)
图6. 绥宁动雷站涡度时间剖面图(单位：10−5s−1)
从图6暴雨中心涡度时间剖面图看，700百帕以下出现负值涡度，925到850百帕负值最大达到−20 × 10−5 s−1，700百帕到600百帕为正值涡度，从400百帕向上维持正值涡度，从11日01时开始，925百帕以下的负涡度越来越大，700百帕到600百帕的正值涡度逐渐向0 × 10−5 s−1靠近，说明中低层气旋性涡旋在增强，辐合加强，高层涡度正值达10 × 10−5 s−1以上，反气旋性涡旋明显加强，高层有强辐散，低层辐合配合高层的强辐散，具有明显的抽吸作用，与小时雨强最大时相对应，使暴雨可以维持较长时间。
从图7绥宁动雷站散度剖面图可以看出，01时开始，850百帕以下与600百帕以上整层转为负值散度，负值最大达−3 × 10−5 s−1，说明01时开始850百帕低层明显辐合，有利于低层水汽辐合抬升，上升运动加强，促进暴雨发生。
Figure 7. Divergence time-section of Suining Donglei station (unit: 10−5s−1)
图7. 绥宁动雷站散度时间剖面图(单位：10−5s−1)
3.4. 模式检验与偏差分析
从9日20时模式起报的10日08时至11日08时降水量与实况对比(图8)来看，EC预报的暴雨主要位于湘西和怀化北部、洞庭湖等湘中以北地区，EC预报的暴雨较实况南压的慢，所以造成怀化南部和邵阳西南部暴雨EC未报出来、并且对于大暴雨出现了漏报；GRAPES_GFS模式预报的暴雨落区主要位于
Figure 8. Precipitation forecast by various models at 20:00 on the 9th from 08:00 on the 10th to 08:00 on the 11th
图8. 9日20时各家模式起报的10日08时至11日08时降雨量
Figure 9. Precipitation forecast by various models at 20:00 on the 11th from 08:00 on the 12th to 08:00 on the 13th
图9. 11日20时各家模式起报的12日08时至13日08时降雨量
Figure 10. 12 h precipitation forecast by various models at 20:00 on the 10th from 20:00 on the 10th to 08:00 on the 11th and from 08:00 on the 11th to 20:00 on the 11th (left), 12 h precipitation forecast by various models at 08:00 on the 12th from 08:00 on the 12th to 20:00 on the 12th, from 20:00 on the 12th to 08:00 on the 13th and from 08:00 on the 13th to 20:00 on the 13th (right)
图10. 10日20时多模式起报的10日20时至11日08时、11日08时至11日20时的12小时降雨量(左)和12日08时多模式起报的12日08时至12日20时、12日20时至13日08时、13日08时至13日20时的12小时降雨量(右)
湘东偏北地区，与实况湘东地区出现的暴雨较为一致，而对于湘西南地区的暴雨大暴雨GRAPES_GFS模式明显漏报。从GRAPES-3KM、华东、华南中尺度模式看，中尺度模式预报的暴雨和大暴雨主要位于湘北地区，明显较实况偏北。
从11日20时模式起报的12日08时到13日08时降水量和实况对比(图9)来看，EC和GRAPES_GFS大尺度模式对暖区暴雨预报效果较差，从GRAPES-3KM、华东、华南中尺度模式看对于暖区暴雨有一定体现，但是与实况相比，明显暴雨预报与实况相比偏大。GRAPES-3KM对湘东南暴雨较实况相比较好，而对于邵阳西南部暴雨，GRAPES-3KM预报的暴雨落区明显偏北偏西。
从10日20时多模式起报的12小时降雨对比(图10左)来看，欧洲中心与GRAPES-GFS全球模式对于暴雨和大暴雨未体现，日本、德国预报了暴雨，但是暴雨位置与实况相比，有很大差异。从GRAPES-3km、广州、上海中尺度模式看，均预报了大暴雨中心，但是中心位置与实况相比有较大差距。
从12日08时多模式起报的12小时降雨对比(图10右)来看，欧洲中心与GRAPES-GFS全球模式对于绥宁、城步暴雨未有体现。广州、上海中尺度模式临近预报对于邵阳南部暴雨有体现，暴雨位置与实况一致性也较好。
从EC (图11)和GRAPES-GFS (图12)的500百帕高度场对比检验来看，10日20时初值场，EC较GRAPES-GFS更接近实况，EC在甘肃北部的弱脊预报偏弱，导致11日08时在湖北地区的槽较实况也偏弱，588线西段位置与实况相比位置过于偏东。GRAPES-GFS初值场存在相同的问题，且位于四川盆地的槽预报也有偏差，在11日08时，576等值线出现了两个短波槽与实况经向度较大的槽有很大差异，580线和584线在湖南一带的预报位置和实况偏差也较大。
Figure 11. Comparison between the 500 hPa altitude field reported by EC at 00:00 (left) and 12:00 (right) at 20:00 on 10th and the actual field (live field: black line, forecast field: red line)
图11. 10日20时EC起报的00时(左)、12时(右) 500百帕高度场与实况场对比(实况场：黑色线，预报场：红色线)
Figure 12. Comparison between the 500 hPa altitude field reported by GRAPES-GFS at 00:00 (left) and 12:00 (right) at 20:00 on 10th and the actual field (live field: black line, forecast field: red line)
图12. 10日20时GRAPES-GFS起报的00时(左)和12时(右) 500百帕高度场与实况场对比(实况场：黑色线，预报场：红色线)
从GRAPES-GFS 850百帕风场检验(图13)来看，10日20时初值场，模式低涡和切变线位置与实况基本一致，华南大面积低空急流比实况偏强。11日08时，实况湖南怀化已经转为偏西风，而模式预报的风场为东南风，切变线位置比实况偏北，湖北地区冷空气较实况相比偏弱，导致切变线移动较实况移动偏慢，模式预报的暴雨也较实况偏北。
Figure 13. Comparison between the 850 hPa wind field and the actual field reported by GRAPES-GFS at 00:00 (left) and 12:00 (right) at 20:00 on 10th and the actual field (live field: black line, forecast field: red line)
图13. 10日20时GRAPES-GFS起报的00时(左)和12时(右) 850 hPa风场与实况场对比(实况场：黑色线，预报场：红色线)
从GRAPES-GFS 10米风场检验(图14)看，初值场风场与实况差异较小，到11日08时地面辐合线较实况比偏北，造成模式预报的降雨偏北。
Figure 14. Comparison between the 10 meter wind and the actual field reported by GRAPES-GFS at 00:00 (left) and 12:00 (right) at 20:00 on 10th and the actual field (live field: black line, forecast field: red line)
图14. 10日20时GRAPES-GFS起报的00时(左)和12时(右) 10米风与实况场对比(实况场：黑色线，预报场：红色线)
4. 结论与讨论
1) 此次暴雨是在高空槽东移、低空急流、低空切变线共同作用下发生的，地面倒槽发展、地面辐合线有效地触发了此次暴雨。
2) 白天地面倒槽的发展、地面辐合线对暖区暴雨、冰雹、雷暴大风等天气有一定的指示作用。
3) 当预报有无冰雹、或者预报冰雹大小时，不能只局限于0℃、−20℃层高度，要同时结合CAPE、K指数、垂直风切变、地面最高温度、地面辐合线来综合判断有无冰雹或冰雹尺寸。
4) 对于暴雨的强度和落区，全球模式临近时次的预报效果并不理想，而中尺度模式的临近预报对于暴雨、大暴雨有指示意义，但是在工作中要注意，有时候中尺度模式的大暴雨虽然能预报出来，但是大暴雨的落区需要进行订正。
5) 本次过程的GRAPES-GFS预报场来看，12小时至36小时预报时效的500百帕，与实况相比有很大的差异，尤其是对北方冷空气、高空槽的预报性能较差；从850百帕风场看，GRAPES-GFS的12小时预报时效对于北方的冷空气活动预报性能较差。
基金项目
湖南省气象局2022年研究型业务预报预测专项(XQKJ22C004)资助。