一次特大暴雨过程的环境场特征诊断分析

刘 洋，钱贞成

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)



一次特大暴雨过程的环境场特征诊断分析

刘 洋，钱贞成*

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)

摘要利用降水资料、卫星资料、NCEP再分析资料、韩国天气图资料以及探空资料，从天气形势、中尺度特征和环境场特征等方面分析了2014年8月31日发生在重庆的一次特大暴雨过程。结果表明，高、低空急流、切变线、地面冷高压共同作用导致了暴雨发生；MCS是降水的直接影响系统，MCS的发展演变对于预报暴雨的强度和落区具有良好的指示意义；探空资料计算的对流指数对对流过程的发生演变有一定的指示意义，大气在垂直方向上上冷下暖、上干下湿的配置结构有利于对流性不稳定的增强；副高外围暖湿空气是输送暖平流的主要物理机制；强降水发生于MPV1等值线零线和MPV2强负值中心南侧等值线密集区附近，对应对流不稳定和斜压不稳定的叠置区域；MPV1零线对于降水的预报有一定的指示意义，MPV2负值区与辐合区紧密联系。

关键词暴雨；环流形势；中尺度系统；探空分析；温湿场特征；湿位涡特征

暴雨是影响我国的主要灾害性天气，许多学者对其进行了研究，并取得了一定的研究成果[1-3]。地处四川盆地东南部的重庆属亚热带季风性湿润气候，域内地势起伏较大。夏季短时突发暴雨或持续性暴雨往往导致严重的滑坡、泥石流等次生灾害，给人民群众的生产、生活造成严重危害。笔者利用常规气象资料、NCEP再分析资料、卫星资料、探空资料，从天气形势、中尺度特征和环境场特征等方面对2014年8月31日发生在重庆云阳地区的一次特大暴雨过程进行了分析，以期为提升暴雨预报水平提供理论依据。

1雨情概况

2014年8月31日21：00～9月1日22：00，我国重庆北部地区出现一次特大暴雨过程。过程期间，重庆地区8个区县共89个雨量站达到暴雨量级，4区县共51个雨量站达大暴雨量级。强降水中心位于重庆市云阳县(31.26°N、108.92°E)。云阳县12 h雨量达210 mm以上(图1a)，突破云阳县有气象记录以来的12 h降水纪录；9月1日07：00雨强甚至达38 mm/h(图1b)。整个降水过程具有范围小、雨量大、雨势强等明显的中尺度特征。

图1　云阳县2014年8月31日22：00～9月1日10：00总降水量(a)和1日02：00～14：00逐小时降水量(b)Fig.1　Total precipitation(a)from 22：00 Aug.31 to 10：00 Sep.1 and hourly precipitation(b)during 02：00-14：00 on Sep.1，2014

2天气形势分析

9月1日08：00 200 hPa(图2a)，槽线位于外兴安岭以西、贝加尔湖以东，呈东北—西南走向延伸至新疆中部；南亚高压脊线位于27° N附近，东伸脊点位于125° E附近。在南亚高压和槽线的共同夹挤作用下，32°～42° N形成了较强的西风急流带；急流核位于内蒙古与陕西交界，强度达50 m/s以上；重庆云阳地区位于急流核出口区右侧，高空辐散气流对低层产生了较强的抽吸作用。700 hPa(图2b)，四川与重庆交界处存在低涡，其对应切变线位于31°N附近，近似呈纬向分布；在切变线与副热带高压共同作用下，重庆中部地区形成强度在15 m/s以上的急流核；切变线南、北两侧气流构成气旋式切变，气流辐合上升。云阳地区位于切变线南侧、低空急流轴左侧、高空急流出口区右侧。低空急流不断地向云阳地区输送水汽、热量、动量、不稳定能量。高、低空急流之间的耦合作用有利于上、下层空气质量调整，对对流的发展和维持有重要意义。

9月1日08：00，重庆云阳地区地面处于冷锋北部、冷高压后部的偏北冷空气控制下(图3)。偏北冷空气在低层形成冷垫，强迫低空偏南暖湿空气沿冷垫抬升，为暴雨的发生提供了动力触发条件。

3中尺度特征分析

9月1日03：00(图4a)，重庆及周边趋于受3个中-β尺度对流云团(A、B、C)控制，对流云区之间为宽阔的层状云区。04：00(图4b)，对流云团A稳定维持，B和C及其对应雨带分别向东和东北移动，且在移动过程中前沿不断有新的对流云核生成。05：00(图4c)，对流云团A、B、C边缘相连，云阳上空东、西两侧各存在一个TBB<-68 ℃的冷中心，涡旋云系发展趋于成熟。雨带的强度和落区与中小尺度系统(MCSs)存在紧密联系，即降水强度随着TBB冷中心发展而增加，降水中心略微滞后于TBB冷中心。06：00(图4d)，涡旋云系发展至最强阶段，此时MCSs形态表现为椭圆形，长轴与短轴比达最小；云阳东、西两侧冷中心合并，强度加强至-72 ℃以下；雨团中心位于TBB冷中心与温度梯度大值区之间的偏北冷空气入流一侧，降水强度达45 mm/h。31°～32° N新生成的中-β尺度对流云团(D)东移过程中不断发展加强。08：00(图4f)，涡旋云系趋于减弱，此时涡旋云系主体面积增大，MCSs内部TBB梯度减小，TBB<-52 ℃的大值区开始分散，冷中心TBB上升；对应此时雨团范围增大，强度减弱。对流云团D东移并与涡旋云系主体相连后进一步发展加强并在川渝交界处激发出新的雨团(图4h)。随后对流雨团和雨带进一步东移，进一步影响重庆北部地区(图4i)。

注：等值线代表位势高度场(dagpm)；阴影代表急流场(m/s)；风向标代表风场(m/s)。Note：Contour line represents potential height field(dagpm)；shadow represents stream field(m/s)；wind vane represents wind field(m/s). 图2　2014年9月1日08：00 200 hPa(a)和700 hPa(b)位势高度场、急流场、风场Fig.2　200 hPa(a)and 700 hPa(b)potential height field，stream field and wind field at 08：00 on Sep.1,2014

注：等值线为气压(hPa)。Note：Contour line represents pressure(hPa).图3　2014年9月1日08：00地面形势Fig.3　Ground situation at 08：00 on Sep.1, 2014

由此可见，涡旋云系在发展、成熟、减弱阶段均伴随有MCSs的生消和移动。MCSs与降水紧密联系，是降水的直接影响系统。雨团的强度与TBB冷中心强度密切相关。雨团的发展演变通常滞后于与其相对应的MCSs，雨团的中心位于TBB冷中心与温度梯度大值区之间的偏北冷空气入流一侧，这与前人的研究结论是一致的[4-6]。由于雨团强度与TBB冷中心强度的相关性以及雨团中心相对于TBB冷中心的滞后性，因此MCSs的发展演变对于预报暴雨的强度和落区具有良好的指示意义。

注：a.03：00；b.04：00；c.05：00；d.06：00；e.07：00；f.08：00；g.09：00；h.10：00；i.11：00.阴影代表TBB分布，单位为℃；等值线代表降水量，单位为mm。Note：a.03：00；b.04：00；c.05：00；d.06：00；e.07：00；f.08：00；g.09：00；h.10：00；i.11：00.Shadow represents TBB distribution，unit is ℃；Contour line represents precipitation，unit is mm.图4　2014年9月1日TBB分布和降水Fig.4　TBB distribution and precipitation on Sep.1，2014

4环境场特征分析

4.1探空资料分析选取强降水发生区域附近的重庆市沙坪坝探空站探空资料分析降水过程的环境场特征。8月31日20：00(图5a)，450 hPa至地面为深厚的湿层(相对湿度≥80%)，500 hPa至地面为不稳定层；500 hPa以下存在较强的风垂直切变，低层风向随高度发生明显顺转，低空暖平流的存在加剧了低层不稳定能量的积累，CAPE值达1 348 J/kg；300 hPa以上状态曲线趋近于干绝热线，温度露点差随高度急剧增大，表明300 hPa以上空气湿度急剧减小；此时温湿场在垂直方向呈现出上干下湿、上冷下暖的配置，对流性不稳定性加强；此时K指数达38 ℃，SI指数达-1.5 ℃，SWEAT指数达251，强对流发生的潜势已经十分明显。9月1日08：00(图5b)，850～400 hPa受较强西南风控制，表明测站处于槽前，槽前盛行的上升运动作为外部强迫触发了对流运动；此时SI指数达-4.1 ℃，SWEAT指数达277，K指数达42 ℃，对流指数表明对流发展强烈；但此时CAPE值仅有1 139 J/kg，CAPE偏小的原因可能是此时对流天气已经发生，对流有效位能已经大幅释放。

4.2温湿场特征分析从9月1日08：00 850 hPa温度平流场和风场分布(图6)来看，副高外围暖湿空气是输送暖平流的主要物理机制，暖平流中心位于四川与重庆交界处，强度达15×10-5(K·m)/s以上。山东附近的冷高压底部的偏东冷空气和位于102° E附近脊线前部偏北冷空气是输送冷平流的主要物理机制，冷平流中心位于四川北部地区，强度达-15×10-5(K·m)/s以上。云阳地区处于冷、暖平流交汇处，副高外围暖湿空气沿低层冷垫爬升冷凝，水汽与能量大量积累，大气斜压性极强，对流不稳定性强烈发展[7]。

由暴雨过程中沿31.25° N的温度平流和相对湿度的垂直剖面(图7)可见，8月31日20：00，102° E上空150 hPa存在强度达-28×10-5(K·m)/s的冷平流中心。云阳地区(31.26°N、108.92°E)450 hPa以下为深厚的湿区(相对湿度≥80%)，450～200 hPa受干区(相对湿度<80%)控制，湿度场由低层至高层呈现低湿高干的垂直分布形态，不稳定能量开始积累。9月1日02：00，原102° E上空冷平流向低空伸展，向东部扩散；受干冷空气扩散影响，暴雨区上空冷平流中心下移至550 hPa，干区向低层伸展；同时副高加强了低层暖湿空气输送，位于800 hPa的暖中心强度增至24×10-5(K·m)/s；对流层中、低层温湿场在垂直方向上梯度极大，大气层结极不稳定，不稳定能量大量积累，此时云阳县CAPE值达2 436 J/kg。9月1日08：00，108°～120° E上空多个呈带状排列的冷平流中心倾斜伸入114° E以西暖平流区底部，干冷空气入侵，动力抬升暖湿空气致使对流强烈发展；原102° E上空冷平流扩散至暴雨区上空，与受抬升的暖平流相遇，两者强度均明显减弱，暴雨区上空300 hPa以上受弱暖平流控制；此时湿区呈现倒“V”型，低层干舌嵌入高层湿区之中，湿度场呈现“上湿下干”的配置，这是由于此时对流强烈发展，上升运动将来自低层的暖湿空气不断地向高层输送，导致低层空气湿度减小而高层空气湿度加大。9月1日14：00，干、湿区向东偏移，低层暖平流强烈发展并向东移动，冷平流向下伸展并向东扩散，受此影响雨区东移南压，云阳地区偏离降水中心。

注：a.31日20：00；b.1日02：00；c.1日08：00；d.1日14：00。等值线代表温度平流[10-5(K·m)/s]；阴影代表相对湿度(%)。Note：a.20：00 Aug.31；b.02：00 Sep.1；c.08：00 Sep.1；d.14：00 Sep.1.Contour line represents temperature advection[10-5(K·m)/s]；shadow represents relative humidity(%). 图7　2014年8月31日～9月1日沿31.25° N的温度平流和相对湿度垂直剖面Fig.7　Temperature advection，relative humidity and vertical section along 31.25°N during Aug.31-Sep.1，2014

图8　2014年9月1日08：00 800 hPa湿位涡MPV1(a)、降水量(b)以及800 hPa湿位涡MPV2和风场(c)Fig.8　800 hPa MPV1(a),precipitation(b) and 800 hPa MPV2 and wind field (c) at 08:00 on Sep.1,2014

4.3湿位涡特征分析从9月1日08：00 800 hPa湿位涡正压项(MPV1)的分布(图8a)来看，32°N以南被若干个MPV1负值中心控制，表明低纬地区对流层低层暖湿空气输送强烈，大气低层为对流不稳定状态；MPV1正值区从山东、河北南部延伸至32° N以北地区，表明山东、河北地区有干冷空气向低纬地区输送；干冷空气向低纬输送导致在32.5° N附近形成4个呈“弓”状排列的MPV1正值中心，其中重庆北部的MPV1正值中心强度达0.7 PVU；强降水就发生在MPV1等值线密集的零值线附近(图8b)，这里正是冷暖空气相交汇的地带，垂直涡度强烈发展。可见，从低层MPV1的分布基本可以确定冷暖空气的活动范围，MPV1等值线密集的零线对于降水的落区和走向的预报有一定的指示意义。

从MPV2分布(图8c)来看，31°～33° N存在呈纬向分布的狭长的MPV2负值区域，负中心位于陕、渝、鄂交界处，强度增强至-0.7 PVU。这是由于此时低空急流加强导致的风垂直切变增强和暖湿空气输送加强导致的θse水平梯度加大所致。可见MPV2负值中心的变化指示了低空急流和风垂直切变的发展。根据湿位涡理论[8]，风垂直切变的增强必然导致垂直涡度的强烈增长，进而引发强烈的上升运动。强降水就发生在MPV2强负值中心南侧等值线密集区附近(图8b)。MPV2负值区位置与副高北侧偏西气流和高压底部偏东空气形成的辐合区有极强的对应关系，可见MPV2负值区与辐合区紧密联系，低层强烈的辐合使上升运动得以维持和加强。

5结论

(1)特大暴雨过程中，低空急流所携带的动量、热量、水汽、不稳定能量为暴雨提供了热力条件、水汽条件；地面冷高压后部的偏北冷空气嵌入副高外围暖湿空气下层形成冷垫，冷垫强迫抬升低空偏南暖湿空气，为此次过程提供了动力触发条件；切变线加剧了低层辐合，促进了对流运动的发展；重庆云阳地区处于高空急流出口区右侧、低空急流轴左侧，高、低空急流的耦合作用有利于上升运动的维持及加强。

(2)涡旋云系在发展、成熟、减弱阶段均伴随有MCSs的生消和移动。MCSs是降水的直接影响系统，雨团的强度与TBB冷中心强度密切相关，雨团的中心位于TBB冷中心与温度梯度大值区之间的偏北冷空气入流一侧。且由于雨团的发展演变通常滞后于与其相对应的MCSs，因此MCSs的发展演变对于预报暴雨的强度和落区具有良好的指示意义。

(3)探空资料计算的对流指数对对流过程的发生演变有一定的指示意义。强降水发生之前，大气在垂直方向上上冷下暖、上干下湿的配置结构极为有利于对流性不稳定的增强。

(4)副高外围暖湿空气是输送暖平流的主要物理机制。102°E以东脊线前部偏北冷空气和山东附近冷高压底部的偏东冷空气是输送冷平流的主要物理机制。102°E以东脊线前部干冷平流向低空伸展，使对流不稳定性加强；而山东附近冷高压底部的偏东冷空气入侵嵌入暖湿空气底部，使对流运动触发。

(5)强降水发生于冷、暖空气交汇的MPV1等值线密集的零线附近和MPV2强负值中心南侧等值线密集区附近，对应对流不稳定和斜压不稳定的叠置区域。低层MPV1的分布基本可以确定冷暖空气的活动范围，MPV1等值线密集的零线对于降水的落区和走向的预报有一定的指示意义。MPV2负值中心的变化指示了低空急流和风垂直切变的发展，MPV2负值区与辐合区紧密联系，强烈的辐合使上升运动得以维持和加强。

参考文献

[1] 叶东.2010年豫北一次暴雨过程诊断分析[J].安徽农业科学，2013，41(13)：5823-5854.

[2] 陈健武.2013年7月6日安徽省一次大范围暴雨过程分析[J].安徽农业科学，2014，42(7)：2067-2071.

[3] 李柯星.一次典型的致灾暴雨成因分析[J].安徽农业科学，2015，43(4)：202-205.

[4] 慕建利，李泽椿，谌芸，等.一次陕西关中强暴雨中尺度系统特征分析[J].高原气象，2014，33(1)：148-161.

[5] 陈红专，叶成志，唐明晖.2011年6月湖南两次暴雨过程的中尺度特征对比分析[J].气象，2013，39(12)：1580-1590.

[6] 赵宇，崔晓鹏，高守亭.引发华北特大暴雨过程的中尺度对流系统结构特征研究[J].大气科学，2011，35(5)：945-962.

[7] 刘会荣，李崇银，周育锋.山东地区一次台风降水事件的干侵入特征分析[J].气候与环境研究，2011，16(3)：289-300.

[8] 寿邵文.位涡理论及其应用[J].气象，2010，36(3)：9-18.

基金项目国家自然科学基金项目(41475071)。

作者简介刘洋(1991- )，男，黑龙江海伦人，硕士研究生，研究方向：中小尺度气象学。*通讯作者，副教授，硕士生导师，从事中小尺度气象学研究。

收稿日期2016-04-03

中图分类号S 165+.29

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)13-242-05

Study on Environment Field Characteristics of a Heavy Rain Process

LIU Yang, QIAN Zhen-cheng*

(College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101)

AbstractUsing precipitation data, satellite data,NCEP reanalysis data, Korea Meteorological Administration data, sounding data, the extreme torrential rain in Chongqing on 31 August 2014 was analyzed from aspects of weather situation, mesoscale feature and environment field feature. The results indicated that the rainstorm is the result of high-level jet, low-level jet, shear line and surface cold high pressure;MCS is the direct influence system of this precipitation, the development of which has indication significance on forecasting the intensity and area of heavy rainfall;convective index indicates the evolution of the strong convective storm, temperature and humidity field presents ‘cold and dry in high-level, warm and moist in low-level’ in vertical direction, convective instability get much stronger; warm advection is transported by the warm moist air of tropical pressure periphery, cold advection is transported by the cold air in the northward path that lies at the front of the high-pressure ridge near 102°Eand eastward path that lies at the bottom of the cold anticyclone near Shandong; heavy rainfall occurred in the zero line of MPV1 and the dense isoline region nearthe negative center of MPV2, which is corresponding to the junction of convective instability and baroclinic instability;the zero isoline of MPV1 has indication significance on heavy rainfallforecasting, there is close connection between the negative center of MPV2 and the convergence zone.

Key wordsHeavy rainfall; Circulation situation; MCSs; Airsounding analysis; Temperature and humidity field feature; Moist potential vorticity feature