摘要: 本文利用自动站实况降水观测资料、NCEP再分析资料以及探空资料，分别对2022年5月29~30日以及6月4~6日永州地区的两次强降水天气过程从实况、环流形势、水汽条件、动力条件、热力条件以及不稳定能量方面进行了对比分析，结果表明：两次强降水过程均受空中槽以及地面锋面系统过境影响，第一次过程降水强度较大且降水分布范围较广，覆盖永州大部地区，第二次降水过程持续时间较长，强度相较于第一次过程较弱，且主要集中在永州中部以及北部地区，分布范围相对较小；与第一次降水过程相比，第二次降水过程天气系统维持时间较长，强度相较于第一次较弱；水汽条件方面，两次强降水过程中永州地区的水汽辐合过程均较为显著，为强降水的持续提供了有利水汽条件。第二次强降水过程中，水汽通量散度大值区分布范围更广，但中心强度较低，且第二次降水过程中整层大气可降水量以及比湿大值区分布范围也较广，表明第二次强降水过程期间大气湿度较大，降水持续时间较长；动力条件方面，两次强降水过程，在永州地区均出现低空辐合、高空辐散运动，其产生的抽吸作用利于垂直上升运动的加强和维持，为强降水天气的发生发展提供了较为有利的动力条件，第一次强降水过程中，永州地区上空垂直速度以及散度场的变化更快，大气垂直运动更为剧烈，湍流运动更强，且大气的辐合区更为深厚，这也表明第一次强降水过程大气的不稳定度更高，降水过程更为集中，而第二次降水过程强度较弱；热力条件方面，对比分析发现这两次强降水天气过程，均具有较为有利的高温高湿的不稳定条件，而在第二次的强降水天气过程中，其假相当位温以及K指数大值区分布范围更广，且持续时间更长，表明第二次降水过程的持续时间也较长；不稳定能量方面，在这两次强降水过程期间，永州地区上空均积累了大量不稳定能量，为强降水的发生发展提供了较为有利的动力以及热力条件，与第二次强降水过程相比，第一次强降水天气过程中，永州地区上空的不稳定能量更为深厚，表明其降水过程强度更强，降水更为集中。
Abstract: In this paper, the formation and development process of two heavy precipitation weather processes in Yongzhou area on May 29~30 and June 4~6,2022 were compared and analyzed from the aspects of actual situation, circulation situation, water vapor condition, dynamic condition, thermal condition and unstable energy by using the actual precipitation observation data of automatic station, NCEP reanalysis data and sounding data. The results show that the two heavy precipitation processes are affected by the transit of air trough and surface frontal system. The precipitation intensity of the first process is large, and the distribution range of precipitation is wide, covering most areas of Yongzhou, and the duration of the second precipitation process is long. The intensity is weaker than the first process and is mainly concentrated in the central and northern regions of Yongzhou, with a relatively small distribution range. Compared with the first precipitation process, the weather system of the second precipitation process lasted longer and the intensity was weaker than that of the first precipitation process. In terms of water vapor conditions, the water vapor convergence process in Yongzhou area during the two heavy precipitation processes is more significant, which provides favorable water vapor conditions for the continuation of heavy precipitation. During the second heavy precipitation process, the large value area of water vapor flux divergence is wider, but the center intensity is lower, and the large value area of precipitable water vapor and specific humidity in the whole atmosphere during the second heavy precipitation process is also wider, indicating that the atmospheric humidity during the second heavy precipitation process is larger, and the precipitation duration is longer. In terms of dynamic conditions, low-altitude convergence and high-altitude divergence occurred in Yongzhou during the two heavy rainfall processes. The pumping effect was conducive to the strengthening and maintenance of vertical ascending motion, which provided favorable dynamic conditions for the occurrence and development of heavy rainfall weather. During the first heavy rainfall process, the vertical velocity and divergence field over Yongzhou changed faster, the vertical motion of the atmosphere was more intense, the turbulent motion was stronger, and the convergence zone of the atmosphere was deeper, which also indicated that the atmosphere was more unstable during the first heavy rainfall process, the precipitation process was more concentrated, and the intensity of the second precipitation process was weaker. In terms of thermal conditions, comparative analysis found that these two heavy precipitation weather processes have more favorable unstable conditions of high temperature and high humidity. In the second heavy precipitation weather process, the distribution range of the pseudo-equivalent potential temperature and the large value area of the K index is wider, and the duration is longer, indicating that the duration of the second precipitation process is also longer. In terms of unstable energy, during the two heavy precipitation processes, a large amount of unstable energy was accumulated over Yongzhou area, which provided favorable dynamic and thermal conditions for the occurrence and development of heavy precipitation. Compared with the second heavy precipitation process, the unstable energy over Yongzhou area was deeper during the first heavy precipitation process, indicating that the precipitation process was stronger, and the precipitation was more concentrated.
1. 引言
近年来，我国极端降水事件逐年增多，夏季区域性的极端暴雨天气常会带来严重的洪涝灾害或山洪地质灾害，给人民生命财产造成巨大威胁。有学者已从水汽输送、动力特征、形成机理等多方面开展了极端降水过程的相关研究[1] [2]，对预报该类暴雨具有重要的指导意义[3]。湖南位于亚热带季风区，境内以山地和丘陵地貌为主，三面环山，属于典型的南方多雨区[4]，受地理和气候因素影响，湖南主汛期暴雨过程集中，近年极端性强降水事件表现为上升趋势[5]。刘红武等对湖南两次灾害性暴雨过程研究表明，两次过程环流形势场存在明显差异，受双低涡、切变线共同影响[6]，胡燕等[7]对湖南中南部地区的一次致洪极端暴雨过程研究表明，此次极端暴雨具有显著极端性和“潇湘夜雨”的变化特征，在副高长时间稳定、主体异常偏南的环流背景下。蒋丽敏等对近十年来影响湘南地区范围最广、强度最强、受灾最强的一次东风波暴雨天气过程研究显示，强降水期间，南亚高压逐渐由西部型转东部型，副热带高压西伸发展成带状分布控制我国中东部，其南侧形成强盛的偏东风波动，并在偏东风气流中诱生出低涡[8]。陈红专[9]对湖南极端降水的气候特征及天气系统分型研究表明，湖南省区域性极端降水过程主要发生在5~8月，按主要影响系统分为五类 ，即西南涡暖式切变线型、冷槽切变线型、台风型、副热带高压边缘型和一致南风型。兰明才等[10]研究发现：在强盛的西太平洋副热带高压脊区内，丰沛的水汽、较强的不稳定能量及一定的抬升条件可触发短时强降水天气。以上研究对湖南全省强降水从气候、个例诊断分析等方面进行的研究增进了对湖南省强降水特征、强降水前后环流背景及诊断量特点的总结，但是针对位于湘南的永州地区强降水特点认识有限。湖南永州位于湖南省南部，气候特征主要是亚热带湿润气候，四季分明，冬季温和，夏季炎热，年降水量多，降水主要集中在夏季的梅雨季节和台风季节。本文基于NCEP再分析资料、永州地区各气象站实况资料，对2022年5月29~30日以及6月4~6日永州地区的两次强降水天气过程进行诊断分析，旨在为当地强降水预报及防灾减灾工作提供参考。
2. 资料与方法
本文利用2022年5月29~30日(下文简称过程一)以及6月4~6日(下文简称过程二)的两套资料：NCEP再分析资料，分辨率为1˚ × 1˚，观测时次为每日的02时、08时、14时、20时；降水量资料采用国家观测站降水资料，该资料的时间分辨率为1小时，该资料由国家气象局信息中心提供。全文中的时次如无特别说明，均为北京时间，且全文中的图表如无特别说明，均为利用NCEP再分析资料处理所得到。
3. 两次降水过程实况分析
2022年5月27日20:00~6月6日20:00湖南永州地区连续出现两次大到暴雨天气过程，部分时段出现大暴雨，期间全市平均累计降水量为123.3 mm，累计降水量超过100 mm的站点达到243个，超过200 mm的站点为19个，最大降水量出现在江永县上木源站为292.9 mm，最大小时雨强为71.3 mm/h，于5月30日12:00出现在零陵区菱角塘镇杉树山站。由此可知，这两次强降水天气过程，分布较为集中，强度较强，部分站点降水量达到大暴雨等级，破坏力较大。由24小时降水分布可知(图1)，这两次强降水过程的主要降水时段分别出现在，5月29日20:00~30日20:00 (图1(a)、(b))以及6月4日20:00~6月6日20:00 (图1(c)~(f))，在此期间均出现区域性暴雨或大暴雨过程。第一次强降水过程开始时(图1(a))，5月28日降水主要分布在永州南部地区，其24小时降水量为25~50 mm，部分站点超过50 mm，至5月30日(图1(b))，强降水覆盖永州大部地区，永州北部地区部分站点24小时降水量超过100 mm，降水强度较大且较为集中；第二次强降水过程开始时(图1(c)、(d))，全市大部降水量均较小，仅在永州中部地区出现25~50 mm的降水，至6月5日(图1(e))，在永州北部及中部地区出现强降水过程，部分站点降水为50~100 mm，南部地区降水仍较小，至6月6日(图1(f))，强降水过程趋于结束，6日24小时降水主要集中在永州中北部地区，此次降水过程持续时间较长，强度较弱。
Figure 1. Yongzhou 2022 (a) May 28; (b) May 30; (c) June 2; (d) June 4; (e) June 5; (f) Distribution of 24-hour precipitation on June 6 (Unit: mm)
图1. 永州2022年(a) 5月28日；(b) 5月30日；(c) 6月2日；(d) 6月4日；(e) 6月5日；(f) 6月6日24小时降水量分布(单位：mm)
4. 环流背景
4.1. 高空环流形势分析
过程一，从500 hPa图上分析此次永州地区强降水过程的环流形势，5月29日20时(图2(a))，永州地区降水过程开始时，在贝加尔湖东南侧至我国内蒙古东北部地区有一闭合的气旋中心，由其中心伸出一槽线，位于我国内蒙古东北部–辽东半岛–山东半岛–华中地区一线，永州地区受槽前西南气流影响，且由于副热带高压的西伸北抬，持续将来自孟加拉湾以及我国南海地区的水汽向湖南省南部地区输送，由温度场可知，温度槽落后于高度槽，有利于气旋的发展，为强降水天气的形成和发展提供了有利的水汽以及热力条件。至30日08时(图2(b))，气旋向东移动，此时其中心位于我国内蒙古东北部以及东北西北部地区，槽线位于我国内蒙古东北部–辽东半岛–山东半岛–东南沿海地区一线，永州地区此时处于槽后西北气流与槽前西南气流切变的区域，随着空中槽的移动，永州地区上空的大气不稳定度逐渐增大，大气湍流运动增强，充足的水汽以及有利的动力条件有利于强降水的进一步发展。在700 hPa上，29日20时(图2(c))，气旋中心位于我国内蒙古东北部以及东北西部地区，槽线位于我国内蒙古东北部–辽东半岛–山东半岛–东南沿海地区一线，此时永州地区受西南气流影响，大量暖湿气流输送至华中地区，同样为强降水的发展提供了较为充沛的水汽，在700 hPa上同样等温线落后于等高线，槽后冷平流与槽前暖平流交汇，进一步为强降水的发展提供了有利热力条件。至30日08时(图2(d))，随着天气系统的移动，此时气旋中心位于我国内蒙古东北部与黑龙江西北部地区，槽线也进一步向东南方向移动，永州地区处于槽区位置，为强降水的维持提供了有利条件。随着气旋的移动和发展，在对流层中层风场出现辐合，配合一股弱冷空气南下，同时由风场的分析可知，在此次强降水天气过程中，永州地区处于槽后西北气流与槽前西南气流切变区，这也为强降水天气的发展提供了有利的动力条件，同时持续的西南气流也为降水的持续提供了充沛的水汽。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 2. May 2022 (a) 20:00 on May 29; (b) 500 hPa at 08:00 on May 30; (c) 20:00 on May 29; (d) The 700 hPa height field (unit: dagpm), wind field (unit: m/s ) and temperature field (unit: ˚C, “·” is the position of Yongzhou) at 08:00 on May 30
图2. 2022年5月(a) 29日20时；(b) 30日08时500 hPa；(c) 29日20时；(d) 30日08时700 hPa高度场(单位：dagpm)、风场(单位：m/s)以及温度场(单位：˚C，“·”为永州地区位置)
过程一，在500 hPa上，6月5日20时(图3(a))，槽线位于我国内蒙古东部–东北中部–朝鲜半岛西部–我国东南沿海–华中南部地区一线，且在湖南省南部地区为西南气流，为强降水天气的发生发展提供了大量暖湿气流，同时槽后西北气流引导冷空气南下，冷暖空气在上述地区交汇，为强降水的发生发展提供了较好的水汽以及热力条件，此时副热带高压与第一次强降水过程相比势力较弱。至6日08时(图3(b))，槽线进一步向东移动，发展至朝鲜半岛–我国东海–华中南部地区一线，冷空气也进一步东移，此时永州地区位于槽线附近，冷暖空气在该地区交汇进一步加剧，为强降水的持续提供了较为有利的条件，同时由温度场可知，温度场仍落后于高度场，冷暖平流的交汇也为强降水的发展提供了有利热力条件。在700 hPa上，5日08时(图3(c))，同样在内蒙古东北部至东北西部地区形成了一闭合的气旋性环流，此时槽线位于我国内蒙古东北部–辽东半岛–黄东海–东南沿海–华中南部地区一线，永州地区仍处于槽前西南气流区域，持续的偏南气流为降水区输送了大量暖湿气流，有利于强降水的发展。至6日20时(图3(d))，由于副热带高压势力较弱，槽线移动较快，此时槽线位于日本西北部–我国东海–东南沿海–华南北部地区一线，永州地区此时同样处于槽线附近，冷暖空气交汇加剧。在此次强降水过程中，空中槽不断向东移动，槽后西北气流引导冷空气向东发展移动，冷暖空气在湖南省南部地区交汇，这些均为强降水的发生发展提供了有利的条件。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 3. June 2022 (a) 20:00 on 5th; (b) 08:00 on 6th 500 hPa; (c) 08:00 on 5th; (d) 20:00 on 6th 700 hPa; Height field (unit: dagpm), wind field (unit: m/s ) and temperature field (unit: ˚C, “·” is the location of Yongzhou)
图3. 2022年6月(a) 5日20时；(b) 6日08时500 hPa；(c) 5日08时；(d) 6日20时700 hPa；高度场(单位：dagpm)、风场(单位：m/s)以及温度场(单位：˚C，“·”为永州地区位置)
4.2. 地面环流形势分析
过程一，2022年5月29日08时(图4(a))，低压系统中心位于我国内蒙古东南部地区，其中心最低气压低于992.5 hPa，锋面系统位于内蒙古东南部–辽宁省西部–渤海–华北西部–华中地区一线，永州地区位于锋前位置，持续的西南风为此次强降水过程输送了大量暖湿气流，同时由于高空槽后西北气流引导冷空气的移动，湖南省南部地区的海平面气压先升高后降低。高层干冷、中低层暖湿的配置增加了大气层的不稳定性，有利于对流性强降水天气的发生。至29日20时(图4(b))，低压系统进一步向东北方向移动，其中心位于黑龙江省北部附近，此时永州地区的海平面气压开始逐渐降低，且随着锋面系统的靠近，冷暖空气的交汇也进一步加剧，这些均有利于永州地区强降水天气过程的持续。由此可知，随着地面锋面系统不断向东移动，冷暖空气在湖南省南部地区交汇较为显著，大气层结不稳定性增大，导致此次永州地区产生强降水天气，且强度较强。过程二，2022年6月5日08时(图4(c))，有两个低压系统，分别位于我国内蒙古东南部以及东南沿海地区，其中心气压分别低于997.5以及1000 hPa，永州同样位于锋面系统前部。至6日20时(图4(d))，低压系统已移动至朝鲜半岛南部海域地区，此时锋面位于我国东海–东南沿海–华南地区一线，永州地区位于锋面系统后部，在湖南省南部的大范围地区随着锋面系统的移动，冷暖空气交汇加剧，进一步为强降水天气的持续提供了有利条件。由此可知，此次永州地区的强降水天气是由地面低压系统靠近，锋面过境导致的，且永州地区处于锋区位置，与第一次降水过程相比，此次天气过程持续时间较长，导致此次强降水天气过程持续时间较长，但强度相较于第一次较弱。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 4. 2022 (a) 08:00 on May 29; (b) 20:00 on May 29; (c) 08:00 on June 5; (d) 20:00 on June 5; Surface pressure field (unit: hPa, “·” is the location of Yongzhou)
图4. 2022年(a) 5月29日08时；(b) 5月29日20时；(c) 6月5日08时；(d) 6月5日20时；地面气压场(单位：hPa，“·”为永州地区位置)
综上所述，对比永州地区两次受空中槽以及地面锋面系统过境影响的强降水天气过程，由环流形势分析可知，过程一降水过程，随着气旋的移动和发展，在对流层中层风场出现辐合，配合一股弱冷空气南下，这些都是有利于中尺度天气系统发生的一些基本条件。同时由风场的分析可知，在此次强降水天气过程中，永州地区处于槽后西北气流与槽前西南气流切变区，这也为强降水天气的发展提供了有利的动力条件，同时持续的西南气流也为强降水的维持提供了充沛的水汽；随着地面锋面系统不断向东移动，冷暖空气在湖南省南部地区交汇较为显著，大气层结不稳定性增大，导致此次永州地区强降水天气过程的强度较强。在过程二强降水过程中，空中槽不断向东移动，槽后西北气流引导冷空气向东发展移动，冷暖空气在湖南省南部地区交汇，为强降水的发生发展提供了有利的条件；在地面上，此次永州地区的强降水天气是由地面低压系统靠近，锋面过境导致的，且永州地区处于锋区位置，与第一次降水过程相比，第二次降水过程中天气系统维持时间较长，强度相较于第一次较弱。
5. 物理量诊断分析
5.1. 水汽条件分析
850 hPa水汽通量散度(图5)的分析发现，2022年永州地区的两次强降水过程均有较强的水汽聚集过程。过程一，5月29日20时(图5(a))，随着空中槽以及地面锋面系统的靠近，水汽通量散度的辐合中心位于贵州省南部地区，辐合中心强度超过了−50 × 10−6 kg/m2·s，且在湖南省南部以及贵州省南部地区均有较为显著的水汽聚集过程，表明此时在上述地区的水汽含量较为充沛，且在降水发生期间水汽辐合一直维持。通过风场分析可知，湖南省南部地区为稳定的西南气流，持续将孟加拉湾以及我国南海的水汽向降水区输送，为强降水的发展提供了较为有利的水汽条件。之后随着空中槽的移动，水汽通量散度的辐合中心也逐渐向东移动，至30日08时(图5(b))，水汽通量散度的辐合中心已经分裂为两个，分别位于湖南省东南部以及江西省东北部至福建省西北部地区，其中心强度仍超过了−40 × 10−6 kg/m2·s且水汽持续向湖南省南部地区输送。在此次强降水过程中，永州地区的水汽辐合过程较为显著，为强降水的发生和持续提供了有利的水汽条件。过程一，6月4日20时(图5(c))，水汽通量散度的辐合中心位于湖南省中北部地区，其中心强度超过了−30 × 10−6 kg/m2·s，与第一次降水过程相比，水汽通量散度的大值区分布范围较广，中心强度较低，表明此次强降水过程的强度较小。同样由风场分析可知，此次强降水过程期间，湖南省南部地区仍受较为稳定的西南气流影响，为上述地区不断输送暖湿气流，为强降水的持续提供了有利水汽条件。至5日08时(图5(d))，水汽通量散度的辐合中心进一步向东北方向移动，此时位于湖南省东北部至贵州省西部地区，永州地区仍有较为显著的水汽聚集过程。由此可知，在此次产生强降水的时段内永州地区的水汽辐合过程仍较为显著，同样为强降水的持续提供了有利水汽条件。与第一次强降水过程相比，第二次降水过程中的水汽通量散度大值区分布范围更广，但中心强度较低，这也与前文对两次强降水过程的实况分析较为一致，即第一次降水过程的强度更强，持续时间较短；第二次强降水过程的强度较小，持续时间较长。
进一步通过整层大气可降水量以及比湿分析这两次永州地区的强降水过程的水汽条件，可以看到，过程一，5月29日20时(图6(a))，在我国华中、华南以及东南沿海地区整层大气可降水量较大，其中西南地区最大，其中心最大值超过150 kg/m2，湖南省南部地区也超过了130 kg/m2，比湿超过了14 g/kg，表明此时湖南省南部地区大气湿度较大，为强降水的发生提供了较为有利的水汽条件。至30日08时(图6(b))，湖南省南部地区的整层大气可降水数值仍超过130 kg/m2，表明在该区域的水汽条件仍较好，有利于强降水天气的持续。过程二，6月4日20时(图6(c))，我国华中、华南、西南以及东南大部地区的整层大气可降水量均超过140 kg/m2，且在上述地区比湿均超过14 g/kg，其中永州地区整层大气可降水量接近140 kg/m2，这表明由于槽前西南气流的影响，有大量水汽不断输送至降水区，导致此次强降水过程持续时间较长。至5日08时(图6(d))，随着空中槽线以及地面锋面系统进一步向东移动，湖南省南部地区的整层大气可降水量超过140 kg/m2，进一步为强降水过程的持续提供了有利水汽条件。由此可知，永州地区在这两次强降水过程中，整层大气可降水量以及比湿均较大，与过程一相比，过程二中整层大气可降水量以及比湿大值区分布范围较广，表明第二次强降水过程期间大气湿度较大，降水持续时间较长。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 5. 2022 (a) May 29, 20:00; (b) 08:00 on May 30; (c) 20:00 on June 4; (d) 08:00 on June 5; Divergence of vapor flux at 850 hPa (fill color, unit: 10−6 kg/m2·s) and wind field (unit: m/s, “·” is the location of Yongzhou)
图5. 2022年(a) 5月29日20时；(b) 5月30日08时；(c) 6月4日20时；(d) 6月5日08时；850 hPa汽通量散度(填色，单位：10−6 kg/m2·s)以及风场(单位：m/s，“·”为永州地区位置)
(a) (b)
(c) (d)
Figure 6. 2022 (a) 20:00 on May 29; (b) 08 : 00 on May 30; (c) 20 : 00 on June 4; (d) 08:00 on June 5; The precipitable water vapor (isoline, unit: kg/m2 ) and specific humidity (fill color, unit: g/kg, “·” is the location of Yongzhou) in the whole layer of atmosphere
图6. 2022年(a) 5月29日20时；(b) 5月30日08时；(c) 6月4日20时；(d) 6月5日08时；整层大气可降水量(等值线，单位：kg/m2)以及比湿(填色，单位：g/kg，“·”为永州地区位置)
5.2. 动力条件分析
(a) (b)
Figure 7. 2022 (a) 08:00 on May 29~02:00 on May 31; (b) 08:00 June 4~20:00 June 6, the vertical velocity field (fill color, unit: Pa/s) and divergence field (isoline, unit: 10−6 s−1) of the height profile over time in Yongzhou
图7. 2022年(a) 5月29日08时~31日02时；(b) 6月4日08时~6日20时永州地区随时间高度剖面垂直速度场(填色，单位：Pa/s)以及散度场(等值线，单位：10−6 s−1)
充沛的水汽、较长时间的维持和强烈的上升运动是促使暴雨过程发生、发展的必要条件[11]，而散度、垂直速度通常被用以表征强降水过程中动力条件的强弱。由图7(a)可知，第一次降水过程，5月29日08时~30日02时，永州地区上空近地层至600 hPa以及500~300 hPa存在显著的垂直运动场正值区，表明该区域存在一定的垂直下沉运动。在近地层至600 hPa以及400~300 hPa上为散度正值区，表明该区域有辐散下沉运动。30日08时~30日20时，在近地层至400 hPa上为垂直运动场负值区，表明该区域存在垂直上升运动，且上升运动较为显著，其中心最小值超过−0.8 Pa/s，同时在300 hPa以上为垂直运动场正值区，表明在该区域存在垂直下沉运动，这种交替的上升下沉运动有利于强降水天气的发生发展。在925 hPa以及400~500 hPa附近形成了两个散度负值中心，其中心最小值分别超过−4以及−6 × 10−6 s−1，表明在该区域存在较为强烈的辐合上升运动。第二次强降水过程(图7(b))，6月4日08时~4日20时，在永州地区近地层至500 hPa之间存在较为深厚的垂直速度正值区，表明该区域存在强烈的垂直下沉运动，而在500~400 hPa上为垂直速度负值区，表明在该区域存在垂直上升运动。同时在850~700 hPa以及300 hPa附近存在两个散度负值中心，其中心最小值分别超过−6以及−8 × 10−6 s−1，永州地区上空的上升下沉运动较为强烈，湍流运动较强，为强降水天气的发生发展提供了有利条件。6日08时~6日20时，永州地区近地层至500 hPa上为垂直速度负值区，500 hPa以上为垂直速度正值区，这种交替的上升下沉运动同样为强降水的持续提供了有利的动力条件。
5.3. 热力条件分析
θse的数值越高，代表着对应的区域温度和湿度越高[12]，图8分别给出了2022年永州地区两次强降水过程中，假相当位温以及K指数的分布。第一次强降水过程，5月29日20时(图8(a))，永州地区处于槽前西南气流，为降水区输送了大量的暖湿气流，永州地区位于假相当位温的大值区东北侧，超过352 K，具备高能高湿的不稳定条件，在湖南省南部地区K指数也超过38℃，表明此时永州地区上空不稳定能量较为充沛，为强降水天气发生提供了较为有利的热力条件。至30日08时(图8(b))，永州地区附近假相当位温的数值仍较大，超过348 K，且K指数也维持在36℃~38℃之间，表明在该区域不稳定能量仍较为充沛。综上所述，由于空中槽以及地面锋面系统的过境，冷空气与南上的暖湿气流在湖南省南部地区交汇，从而加强了水汽在该区域的积聚，为永州地区强降水的发生、发展提供了有利的热力条件。第二次强降水过程，6月4日20时(图8(c))，永州地区的假相当位温较大，超过352 K，其K指数也超过38℃，同样具备高能高湿的不稳定条件。至5日08时(图8(d))，随着空中槽以及地面锋面系统的移动，冷暖空气交汇进一步加剧，此时永州地区上空的假相当位温的数值仍较大，表明此时不稳定能量仍较为充沛，为强降水的持续提供了较为有利的条件。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 8. 2022 (a) 20:00 on May 29; (b) 08:00 on May 30; (c) 20:00 on June 4; (d) The pseudo-equivalent potential temperature (isoline, unit: K) and K index (filling color, unit: ˚C, “·” is the location of Yongzhou area) at 08:00 on June 5
图8. 2022年(a) 5月29日20时；(b) 5月30日08时；(c) 6月4日20时；(d) 6月5日08时假相当位温(等值线，单位：K)以及 K指数(填色，单位：˚C，“·”为永州地区位置)
5.4. 不稳定能量
本文选取永州站的探空图(图9)，由探空的比湿曲线可以看出，第一次强降水过程，5月29日20时(图9(a))，850 hPa以下水汽含量在9 g/kg以上，说明近地层水汽条件好，且在近地层950~900 hPa上有逆温层，有利于不稳定能量的储存，此时CAPE值为2051 J/kg，表明永州地区在强降水发生前已积累了大量不稳定能量，同时在700 hPa附近存在显著的风切变，700 hPa以下为较为一致的西南风，为降水区输送了大量暖湿气流，与低层的干冷空气交汇，进一步为强对流天气形成提供了有利条件。至30日20时(图9(b))，逆温层进一步抬升至800~700 hPa附近，且层结曲线落后于状态曲线，说明此时不稳定能量得到进一步积累，且上干下湿，有利于强降水天气的持续。由此可知，在第一次强降水过程中，永州地区上空积累了大量不稳定能量，为强降水天气的发生发展提供了有利的动力以及热力条件。第二次强降水过程，6月4日20时(图9(c))，永州站也存在显著的低空垂直风切变，有利于斜升气流的发展，此时 CAPE值为1245 J/kg，表明在强降水过程发生前也已经积累了较多的不稳定能量，有利于强降水的产生。至5日20时(图9(d))，随着强降水天气的持续，此时层结曲线落后于状态曲线的区域较大，表明此时仍存在大量不稳定能量，同时在近地层900~850 hPa之间存在逆温层，有利于不稳定能量的进一步积累。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 9. 2022 (a) 20:00 on May 29; (b) 20:00 on May 30; (c) 20:00 on June 4; (d) 20:00 on June 5, Yongzhou thermocline logarithmic pressure diagram
图9. 2022年(a) 5月29日20时；(b) 5月30日20时；(c) 6月4日20时；(d) 6月5日20时永州站探空
6. 小结
本文利用自动站实况降水观测资料、NCEP再分析资料以及探空资料，分别对2022年5月29~30日以及6月4~6日永州地区的强降水天气过程的形成、发展过程进行了对比分析，结果表明：(1) 过程一与过程二均受空中槽以及地面锋面系统过境影响，两次过程的分布范围、持续时间以及强度均有所差异，第一次过程降水强度较大且降水分布范围较广，覆盖永州大部地区，第二次降水过程持续时间较长，强度相较于第一次过程较弱，且主要集中在永州中部以及北部地区，分布范围相对较小；(2) 过程一随着气旋的移动和发展，在对流层中层风场出现辐合，配合一股弱冷空气南下，永州地区处于槽后西北气流与槽前西南气流切变区，这也为强降水天气的发展提供了有利的动力条件，同时持续的西南气流也为降水的持续提供了充沛的水汽；随着地面锋面系统不断向东移动，冷暖空气在湖南省南部地区交汇较为显著，大气层结不稳定性增大，导致此次永州地区强降水天气过程的强度较强。过程二空中槽不断向东移动，槽后西北气流引导冷空气向东发展移动，冷暖空气在湖南省南部地区交汇，为强降水的发生发展提供了有利的条件；在地面上，此次永州地区的强降水天气是由地面低压系统靠近，锋面过境导致的，且永州地区处于锋区位置，与第一次降水过程相比，第二次强降水过程，天气系统维持时间较长，降水持续时间也较长，但强度相较于第一次较弱；(3) 两次强降水过程中永州地区的水汽辐合过程均较为显著，为强降水的持续提供了有利水汽条件。第二次强降水过程中，水汽通量散度大值区分布范围更广，但中心强度较低。进一步分析，这两次强降水过程中，整层大气可降水量以及比湿均较大，与第一次降水过程相比，第二次降水过程中，整层大气可降水量以及比湿大值区分布范围较广，表明第二次强降水过程期间大气湿度较大，降水持续时间较长。由此可知，第一次降水过程的强度更强，持续时间较短；第二次强降水过程的强度较小，持续时间较长；(4) 两次强降水过程在永州地区均出现低空辐合、高空辐散运动，其产生的抽吸作用利于垂直上升运动的加强和维持，为强降水天气的发生发展提供了较为有利的动力条件。与第二次降水过程相比，第一次强降水过程中永州地区上空垂直速度以及散度场的变化更快，大气垂直运动更为剧烈，湍流运动更强，且大气的辐合区更为深厚；(5) 第一次强降水过程，由于空中槽线以及地面锋面系统过境，干冷气流与南上的暖湿气流在湖南省南部地区交汇，从而加强了水汽在降水区的积聚，为永州地区强降水的发生、发展提供了有利的热力条件；第二次强降水过程，随着空中槽线的移动，冷暖气团交汇进一步加剧，均有较为有利的高温高湿的不稳定条件，而在第二次的强降水天气过程中，其假相当位温以及K指数大值区分布范围更广；(6) 在这两次强降水过程期间，永州地区上空均积累了大量不稳定能量，为强降水的发生发展提供了较为有利的动力以及热力条件，与第二次强降水过程相比，第一次强降水天气过程中，永州地区上空的不稳定能量更为深厚，表明其降水过程强度更强，降水更为集中。
基金项目
湖南省气象局创新发展专项(CXFZ2024-QNZX03)。
NOTES
*通讯作者。