一次大暴雨过程中孝感市南北部降水明显差异的成因分析

邓凯

摘要    利用高空地面气象站观测资料、FY2G卫星云图、EC细网格和GRAPES_GFS模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格点资料，对2019年6月20日孝感市大暴雨过程北部和南部地区降水明显差异的成因进行了分析。结果表明，此次孝感市大暴雨过程南北部地区降水差异，是在有利的环流背景及大尺度影响系统下，与中尺度系统共同作用的结果。强降水是由一个中尺度对流云团发展产生的，强对流云团中心与强降水中心并不是一一对应关系，强降水出现在中尺度对流云团西边尾部边缘的云顶亮温水平梯度最大的地方。南北部地区降水差异与925 hPa中尺度切变线密切相关，在925 hPa垂直速度、水汽通量散度和对流有效位能的分布上有明显的反映，南部地区强烈上升运动、水汽大量辐合和大量不稳定能量释放是南部地区强降水发生的重要因素，北部地区情况正好相反，因而降水较弱。

关键词    大暴雨;卫星云图;中尺度系统;物理量诊断;湖北孝感

中图分类号    P458.121.1        文獻标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）20-0191-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

孝感市位于湖北省东北部，管辖7个县市区，北部地区包括大悟县、安陆市、孝昌县3个县市，南部地区包括云梦县、应城市、孝南区、汉川市4个县市区。2019年6月20日8：00至21日8：00，孝感市出现了一次大暴雨天气过程，暴雨区出现在南部的汉川、孝南、云梦，其中汉川站出现了特大暴雨，而北部的大悟、安陆仅下了小到中雨。这种降水强度南北部地区的明显差异，给暴雨预报造成了很大的难度。为了进一步提高类似暴雨过程的预报水平，本文利用高空地面气象站观测资料、FY2G卫星云图、EC细网格和GRAPES_GFS模式高分辨率再分析格点资料，对此次大暴雨过程北部和南部地区降水明显差异的成因进行了分析。

1    降水概况

2019年6月20日8：00至21日8：00，孝感全市24 h降水量分布不均匀（图1），南部地区的孝南站、云梦站出现了暴雨，其中孝南站50.2 mm、云梦站79.9 mm，汉川站出现了特大暴雨，为256.0 mm，而北部地区的大悟站、安陆站仅下了小到中雨，其中安陆站为小雨9.1 mm、大悟站为中雨16.8 mm。孝感全市108个区域气象观测站中，有15个站出现了日降水量>100 mm的大暴雨，均出现在南部地区。从降水时间分布来看，强降水主要出现在20日下半夜，即21日2：00—7：00（图2），在这5 h中，汉川国家气象观测站和汉川市汈汊湖区域气象观测站累计降水量分别为222.9 mm和169.4 mm，分别占其日降水量的87.1%和89.9%，小时最大降水量出现在21日3：00—4：00，汉川市汈汊湖站最大，为69.9 mm，汉川站次之，为65.1 mm。

2    环流背景及影响系统

6月20日20：00 500 hPa天气图上（图3），欧亚中高纬地区为“两槽一脊”型，东经80°东边至巴尔喀什湖以东有一长波槽，鄂霍次克海至亚洲沿海为低涡低槽区，两槽之间，贝加尔湖到蒙古为一高压脊。副热带高压脊线位于北纬21°附近，588 dagpm线位于衢州—南昌—长沙—怀化—威宁一线。500 hPa图上，亚洲沿海的低涡低槽转动，带动中低层和地面弱冷空气从东海南下;亚洲沿海的低涡低槽区后、贝加尔湖到蒙古高压脊前的偏北气流，与副热带高压北部的西南气流交汇，为中低层江淮变线的生成与发展提供了有利的大尺度环流背景。6月21日8：00 500 hPa副热带高压减弱南退，中低层江淮变线东移南压，孝感市强降水过程随之结束。

6月20日20：00 700 hPa低空西南急流位于安庆—南昌—郴州—桂林—河池一线，最大风速16 m/s;850 hPa江淮地区上海—南京—武汉—宜昌—达县一沙坪坝有一明显暖式切变线，切变线南侧为西南风、北侧吹偏东风，低空西南急流位于南昌—长沙—桂林—河池一线，最大风速12 m/s;700 hPa和850 hPa在江淮地区还存在明显的风速辐合，如700 hPa武汉、安庆为西南偏西风12 m/s和14 m/s，而其北边的南阳、阜阳均为偏西风4 m/s，江淮地区风速辐合强度大。6月21日8：00，随着副热带高压减弱南退，中低层和地面弱冷空气南下，925 hPa江淮切变线转为冷式切变线，切变线南压至武汉以南，武汉转为西北风，强降水南压移出孝感市。地面天气图上，大暴雨发生以前6月20日14：00，地面暖倒槽迅速发展，湖北省大部增暖降压明显，武汉站24 h变温变压分别为+6.0 ℃、-4.6 Pa，荆州站24 h变温变压分别为+4.0 ℃、-4.4 Pa，大暴雨发生以后6月21日14：00，湖北省大部降温增压明显，武汉站24 h变温变压分别为-10.0 ℃、+2.9 Pa，荆州站24 h变温变压分别为-10.0 ℃、+4.3 Pa。本次大暴雨过程的主要影响系统为中低层暖切变线、低空西南急流、地面暖倒槽和冷空气。

3    降水差异的成因分析

3.1    中尺度对流云团的發生发展分析

利用半小时一次的FY2G红外云图资料，对本次大暴雨产生的中尺度对流云团进行了分析（图4），6月20日18：00在中低层江淮切变线上，在江汉平原的钟祥、潜江两地分别生成了γ中尺度云团B、C，同时在孝感市东边的黄陂生成了一个γ中尺度云团D，见图4（a）。19：00红外云图上，位于鄂西北的β中尺度云团A开始减弱，见图4（b），并且其强度一直在减弱、范围持续在缩小，至21日1：00完全消失;与此同时，位于江汉平原的钟祥和潜江两地的中尺度云团B、C开始发展加强，见图4（b），B云团向东移动，C云团向南移动，其云顶最低温度达到-79 ℃，另外，位于黄陂的γ中尺度云团D也开始发展，汉川上空也开始生成了一个γ中尺度云团E。其后，中尺度云团B、C、D、E继续发展，并逐步汇合在一起，至20日21：00，融合发展成为一β中尺度云团F，见图4（c），其中心位于天门附件，云团边界清晰、发展旺盛，其云顶最低温度达到-81 ℃。随后，中尺度云团F不断向东移动，其内部γ中尺度云团有生有消，但总体稳定、主体东移，至21日4：00，中尺度云团F主体已移到黄冈地区，见图4（d），仅有F的西边尾部位于汉川。至21日8：00，中尺度云团全部东移南压，孝感市强降水停止。

总体来讲，本次孝感市大暴雨过程是由一个中尺度对流云团产生，其中尺度对流云团的发生、发展和移动，与本次过程的降水范围和时间基本相对应。从图4可以看出，中尺度对流云团位置偏南，孝感市北部（特别是大悟）基本上都处在中尺度对流云团影响范围以外，造成了孝感市北部地区降水偏弱。值得注意的是，强对流云团中心与强降水中心并不是一一对应关系，强对流云团中心于20日22：00位于汉川上空，但22：00前后汉川市降水强度并不很强（图2），由图4（d）可看出，汉川处在中尺度对流云团西边尾部边缘时，云团边缘的云顶亮温水平梯度达到1.7 ℃/km，即21日3：00—4：00，汉川出现了小时最大降水量65.1 mm（图2），由此可见，中尺度对流云团西边尾部边缘的云顶亮温梯度最大的地方，很可能出现强降水天气。

3.2    中尺度系统分析

一般认为，暴雨是在几种尺度系统相互作用的情况下发生发展的，而中小尺度系统则是其产生的最直接的系统[1-2]。孝感市位于江汉平原东北部至鄂东北中部，全境南北长约163 km，东西宽约122 km，属于天气学概念的中尺度范畴。通过分析中高层的影响系统发现，大尺度系统不能很好地解释本次孝感市大暴雨的南北部降水明显差异的原因，因而利用EC细网格模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格点资料和地面加密观测料，对此次大暴雨过程的中尺度系统特征进行了分析。

通过分析发现，此次孝感市大暴雨的中尺度影响系统，在近地面层925 hPa和地面反映比较明显（图5）。20日8：00在925 hPa图上，长沙至武汉有一偏南风低空急流（D线），最大风速14 m/s，925 hPa低空急流在大暴雨发生前开始暴发。20日16：00在地面图上，孝昌—应城—天门—沙洋有东北至西南的风向幅合线（C线），长度200 km左右，辐合线位于孝感市西南部。EC细网格模式再分析格点资料显示，20日8：00在925 hPa图上江汉平原至鄂东北为一致的偏南风，21日8：00（大暴雨结束）在925 hPa图上江汉平原至鄂东北又转为一致的偏北风，而在强降水发生前6 h，即20日20：00在925 hPa图上，有一明显的东西向中尺度切变线（A线），切变线穿过孝感市中部，位于红安—孝昌—安陆—京山—钟祥一线，长度约200 km，中尺度切变线北侧吹偏东风、南侧吹西南风，切变线上还存在明显的风速幅合;与此同时地面图上，江汉平原至鄂东北出现一条干线（露点锋）（B线）。

综合上述分析，在中高层大尺度系统引导下，特别是500 hPa亚洲沿海低涡低槽转动、700 hPa和850 hPa江淮切变线、低空西南急流影响下，由于地面幅合线、925 hPa低空急流等的触发作用，加上弱冷空气南下江准流域产生扰动，使得20日18：00江汉平原的钟祥、潜江的中尺度对流云团发展，见图3（a），至20日20：00中尺度对流云团在925 hPa中尺度切变线、地面干线等的激发下，进一步加强东移，至21：00发展形成一β中尺度云，见图3（c），其中心位于天门至汉川，由于孝感市北部位于925 hPa中尺度切变线的北边，对流发展受到抑制，因而降水强度比较弱。

3.3    物理量诊断分析

利用EC细网格和GRAPES_GFS模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格点资料，对产生强对流天气的动力、水汽和不稳定因子等进行了分析，发现925 hPa垂直速度、水汽通量散度和对流有效位能对本次孝感市大暴雨南北部地区降水的差异有较好的诊断作用。

3.3.1    垂直速度分析。从图6可以看出，在6月20日20：00 925 hPa的P坐标垂直速度场中，在中尺度切变线以北，即孝感市北部地区为弱的下沉气流，而在中尺度切变线以南，即孝感市南部地区为上升气流，汉川站附近垂直速度为 -35 Pa·s-1，孝南至武汉黄陂有一垂直速度为-100 Pa·s-1的上升运动中心。在孝感市这一中尺度范围中，形成了一个北部为下沉气流、南部为上升气流的中尺度环流，有利于孝感市南部地区的强对流天气发展，而不利于北部地区强对流天气发展。

3.3.2    水汽通量散度分析。分析20日20：00 925 hPa水汽通量散度（图7），在强降水发生前6 h，孝感市南北部地区水汽通量散度存在着明显的差异，北部地区为水汽通量辐散区，大悟站附近水汽通量散度为60×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1，而孝感市南部地区为水汽通量辐合区，汉川站附近水汽通量散度为-65×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1，应城北部有一水汽通量散度为-100×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1的强水汽辐合中心。在孝感市这一中尺度范围中，南部为水汽辐合区，为该地区强降水提供了水汽条件，有利于强降水发展，而北部地区为水汽辐散区，不利于强降水发展。

3.3.3    对流有效位能分析。對流有效位能（CAPE）对强对流天气的发生有较好的指示意义[3-4]。分析孝感市本次大暴雨过程的CAPE变化可知（图8），6月20日8：00，孝感全市CAPE值都比较小，大气比较稳定，大悟站附近为270 J/kg、汉川站附近为500 J/kg。至20日20：00，CAPE值迅速增大，南部地区出现一个2 300 J/kg的大值中心，位于汉川站附近，大悟站附近为563 J/kg、汉川站附近为2 300 J/kg，12 h变量大悟站为293 J/kg、汉川站为1 800 J/kg，汉川站的增量为大悟站的6倍多，说明南部地区不稳定能量大量积累。至21日8：00，孝感全市CAPE值迅速减小，南北地区均在200 J/kg以下，说明此时不稳定能量已经释放完毕，对应地面的强降水也随之结束。由以上分析可知，本次孝感市南北部地区降水差异，与CAPE值有关，CAPE值大的南部地区，有强降水发生，CAPE值小的北部地区，降水较弱，南部地区CAPE值迅速减小，南部地区强降水也随之结束。

4    结论

（1）本次孝感市大暴雨过程南北部地区降水差异，是在有利的环流背景及大尺度影响系统下，与中尺度系统共同作用的结果，中尺度系统主要是925 hPa中尺度切变线、低空急流、地面辐合线和干线（露点锋）等。

（2）南部地区的强降水是由一个中尺度对流云团发展产生的，强对流云团中心与强降水中心并不是一一对应关系，强降水出现在中尺度对流云团西边尾部边缘的云顶亮温水平梯度最大的地方，本次过程达1.7 ℃/km。

（3）南北部地区降水差异与925 hPa中尺度切变线密切相关，在925 hPa垂直速度、水汽通量散度和对流有效位能的分布上有明显的反映，南部地区强烈上升运动、水汽大量辐合和大量不稳定能量释放是南部地区强降水发生的重要因素，北部地区情况正好相反，所以降水较弱。

5    参考文献

[1] 倪允琪，周秀骥.“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”取得的主要研究成果[J].地球科学进展，2006，21（9）：882-890.

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[3] 舒斯，韩芳蓉，许建玉.一次暴雨过程中湖北西北部和东北部降水差异的成因分析[J].大气科学学报，2015（2）：249-258.

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