淮河流域2003年7月20-22日暴雨过程分析研究

金浩宇，鞠 琴，郝振纯，刘 晶，荣艳淑

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.南京水利科学研究院，南京 210029)

淮河流域地处中国东部，中国南北划分亦由秦岭淮河作为分界线。由于流域60%以上处于平原地区，河水流速缓慢，夏季易受梅雨台风气候的影响，容易发生暴雨洪水灾害[1-3]。毕宝贵等[4]利用NCEP再分析资料研究了淮河流域2003年7月3-4日暴雨过程，得出7条有关暴雨形成的天气原因。赵淑芳等[5]通过对淮河流域2015年6月24日暴雨过程分析，表明较强的上升运动把水汽输送到高层，有利于暴雨的产生。辜旭赞等[6]利用T213L31模式大气资料，通过天气学凝结函数降水、水汽通量散度降水、对流不稳定降水和气块(团)不稳定降水四种降水方式对淮河流域2007年7月暴雨过程进行了诊断计算分析。唐娟等[7]利用常规观测资料、NCEP每日4次的再分析资料，从环流背景、水汽条件、动力条件等方面进行分析，总结了2010年6月7-10日淮河流域暴雨成因。王晓芳[8]分析了2007年7月8-9日淮河暴雨中MCS活动对天气系统和降水的影响。宋巧云等[9]对2003年7月4-6日淮河流域出现的暴雨过程利用中尺度数值模式WRF输出的结果进行了诊断分析，结果表明该模式能较好展现暴雨中尺度天气系统的发生、发展、加强及衰减变化。

淮河流域多年平均降水量约为883 mm，但降水有年际变化大分布不均匀的特点[10,11]。2003年淮河年降雨量达1 282 mm，比常年偏多4成，居新中国成立以来第四位[8]。其中，淮河水系降水总量达1 331 mm，而6月下旬到7月中旬降水量累计达400～600 mm，比常年同期偏多近两倍。本文对2003年7月20-22日淮河流域一次暴雨过程进行研究，着重分析了产生此处暴雨的原因及暴雨中心处信阳和东台两地的天气系统变化。对淮河流域夏季暴雨产生原因及暴雨灾害预报和防治方面都具有重要的参考意义。

1 数据介绍

降水资料来源于淮河流域25个降水站记录的数据，记录时长为12 h，一天数据分为20∶00-8∶00，8∶00-20∶00两个时段。天气分析资料来源于NCEP/NCAR再分析数据，该数据集分为等压面资料、地面资料、通量资料3种类型。数据以压缩二进制的NCDF (Netware Communication Data Format)格式进行存储。本文研究淮河流域降水形成过程用到的NCEP/NCAR再分资料为等压面资料中的位势高度、垂直速度、相对湿度、比湿、纬向风速、经向风速等数据集。

2 降水过程分析

2003年6月下旬到7月中旬，淮河流域先后出现7次强降水过程，降水量大，强降水集中，汛期发展迅速，是继1991年淮河流域大暴雨事件后又一次重大暴雨洪水事件[12]。2003年7月20-22日的降水过程如图1所示，每日降水按20∶00-

图1 淮河流域2003年7月20日降水过程Fig.1 The precipitation process of Huaihe River Basin from 20 July, 2003

8∶00，8∶00-20∶00分两次记录累积降水量。从图1(a)可以看出从19日20时到20日8时降水主要集中在淮河上游信阳、固始地区中心雨量分别达9.8 mm和10.2 mm，而20日8∶00-20∶00流域降水范围减少，降水集中在信阳地区，但降水量显著上升达21.6 mm。20日20∶00到21日8∶00，降水中心东移，且出现多个次降水中心，其中阜阳雨量站测得的降水量最大，达56.5 mm。21日8时到20时，流域降水达到顶峰，几乎全流域范围内都有降水产生，其中降水中心信阳地区降水量达60.3 mm，次降水中心许昌地区降水量达42.2 mm，阜阳地区降水量达38.6 mm，商丘地区降水量达34.2 mm，淮河干流蚌埠地区降水量达到32.1 mm，盱眙地区则达33 mm。整个流域内不仅降水范围大而且降水量也大。21日20时到22日8时降水主要集中于流域中下游，流域上游大暴雨过程基本结束，降水中心在东台地区，降水量达39.5 mm，其中降水次中心宿县地区降水量达17.1 mm，蚌埠地区降水量达15.9 mm。22日8时到20时流域内大部分降水已经消停，主要降水在流域下游东台地区，降水量达15.4 mm，但由于降水位置远离淮河主要干支流，所以对流域洪水形成贡献不大，本轮20-22日降水基本结束。本次降水过程从西向东发展，在21日8∶00到20∶00达到顶峰后逐渐消退，其中流域上游信阳地区3日降水累积量达117.4 mm，为流域内此轮降水最多的地方。

3 天气过程分析

3.1 环流背景和影响系统

2002年5月-2003年2月全球经历了一次厄尔尼诺事件，关于厄尔尼诺现象影响我国降水的机制很多研究中都有论述，大多数研究都认为厄尔尼诺现象对中国降水的影响主要是以西太平洋副热带高压作媒介[13]。西副高脊线的南北变动对我国夏季主要雨带位置和旱涝分布有很大影响[14]。一般厄尔尼诺事件发生的次年江淮流域的长江以南淮河流域夏季降水会偏多[15]。

从图2(a)、(b)、(c)看出2003年7月20-22日500 hPa高度场上中国地区呈一脊一槽型，被高纬度低压和副热带高压控制，而两者边缘交汇处正好位于淮河流域上空。低压中心在贝加尔湖偏东位置，东北境内有一条低压槽势力较强，使得副热带高压被压制，副热带高压脊线处于北纬20°～25°左右，难以北跳。22日副热带高压北移，淮河流域大部分被副热带高压控制，流域降水也基本结束。7月20-22日三日平均位势高度图中副热带高压位置偏低[图2(d)]，而淮河流域上空正好为亚洲低压边缘和副热带高压边缘交汇处，形成低压暖锋，使得淮河流域成为位于高压北侧高空急流入口区南侧的上升运动区中，有利于淮河流域强降水的发生和维持。

3.2 水汽输送及比湿分布

暴雨的产生离不开源源不断输送到降水区的水汽，一般本地的水汽量很难支撑一场较大暴雨的产生。水汽的来源与输送直接关系到降水强度的大小，暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值后形成的。大气中的水汽大部分集中在对流层低层，水汽通过边界层向暴雨区集中输送，为暴雨天气的发生提供充足的水汽条件[16]。

从图3(a)可以看出，20日水汽输送通道有两条，一条是从南海经广东、江西湖南交界，到达湖北安徽河南大别山区，由于受到阻塞高压作用水汽没有北上，而是转向向东输送，该水汽方向偏淮河南岸。另一条水汽从孟加拉湾，经缅甸云南贵州湖南到湖北后与上一条水汽汇合，但整体水汽输送量占比较少，在21日该水汽通道已经消失。21日只有从南海输送到淮河流域的水汽通道，水汽输送量已经减弱，但淮河流域上空水汽得到聚集并没有向东继续移动，这也是21日全流域范围产生大暴雨的原因。22日水汽输送通道为沿中国沿海向北输送，水汽在韩国济州岛上空聚集，该水汽通道边缘经过淮河流域中下游地区，但水汽输送量不大。从图3(d)的三日总水汽输送图可以看出淮河流域是水汽通道经过区并且水汽在流域上空汇聚，为20-22日暴雨提供了充足水汽。

图3 2003年7月20日、21日、22日及三日平均850 hPa水汽输送[单位：kg/(m·s)]及风速(红色实线,单位：m/s)分布图Fig.3 Water vapor transport and wind speed distribution map on 850 hPa of July 20, 21, 22 and the average of the three days in 2003

比湿反映空气中水汽含量，水汽的输送能改变比湿大小，是暴雨产生的重要指标。从图4(a)中可以看出在四川西部的横断山脉地区上空存在一个范围较大的湿空气气团，该气团边缘沿重庆湖北一直延伸到淮河上游源区的桐柏山地区，空气比湿在10～12 g/kg。21日[图4(b)]湿空气团有了很大发展，沿着重庆湖北安徽江苏一直到黄海有一条东西横向湿气带，比湿在12～14 g/kg，淮河流域上空被湿空气团笼罩。22日[图4(c)]淮河上游空气比湿下降到8～9 g/kg，淮河下游地区比湿较高在12 g/kg左右，整体上湿空气团在淮河流域已经渐渐消散。淮河中上游850 hPa上空三日累积比湿在36～40 g/kg之间[图4(d)]，下游地区比湿在31～36 g/kg之间，总体上空气湿度非常大，为淮河流域大暴雨的产生提供了条件。

3.3 动力条件

3.3.1 涡 度

暴雨的产生除了需要充足的水汽外还需要一定的天气条件，以降水集中的21日为例，如图5所示，低层850 hPa的正涡度为15～24 个单位，说明低层是辐合的，而高层200 hPa的负涡度为-40到-65个单位，说明高层是辐散的。这种低层辐合高层辐散的形势非常有利于降水的产生。

本次三日累积降水最多的是信阳地区，三日累积降水达117.4 mm，其地理坐标为东经114.05°，北纬32.13°。而22日降水最多的地区是东台地区，降水达54.9 mm，三日累积降水为63.3 mm，其地理坐标为东经120.32°，北纬32.87°。选择这两个地区作为暴雨形成原因的重点分析区域。从图6中信阳和东台涡度时间高度剖面可以看出，在低层750～650 hPa高度场之间是最大辐合发生的层间区，在高层250～150 hPa高度场之间是发生最大辐散的层间区。信阳地区最大辐合发生在20日13∶00至21日6∶00期间，东台地区最大辐合发生在21日18∶00至22日6∶00，根据降水的实测数据，信阳地区最大降水发生在21日8∶00至20∶00，东台地区最大降水发生在21日20时至22日8时，从中可以看出大辐合开始时间比大降水开始时间早12 h左右，大辐合结束时刻前后会有大暴雨产生。

图4 2003年7月20日、21日、22日及三日累积850 hPa比湿分布图(单位：g/kg)Fig.4 850 hPa specific humidity distribution map of July 20, 21, 22 and the average of the three days in 2003

图5 2003年7月21日850 hPa、200 hPa涡度场(单位：10-6/s)Fig.5 The vorticity field of 850 hPa; 200 hPa on July 20, 2003

图6 2003年7月20-22日信阳、东台涡度的时间高度剖面(单位：10-6/s)Fig.6 Vorticity temporal height profile of Xinyang and Dongtai from 20-22 July 2003

3.3.2 水汽通量及水汽通量散度

上述3.2节中表明淮河流域上空有一条东西走向的水汽通道，有源源不断的水汽向暴雨区输送。流域低空形成高温高湿环境，为对流的不稳定性创造了条件。强对流性水汽辐合的最大值一般出现在较高的高度场上，因而边界层的水汽输送和辐合对于暴雨尤其是持续性暴雨的产生非常重要[17]。水汽通量和水汽通量散度能定量描述水汽输送的方向、大小以及水汽在何处聚集。

从图7(a)可以看出信阳地区上空7月20-22日水汽通量变化，在900～800 hPa高度场间水汽上升最剧烈。从7月20日0∶00至21日14∶00该层一直存在水汽上升运动，21日14∶00后水汽上升运动减弱。水汽上升运动最强时刻发生在21日0∶00，发生在850hPa高度场上，其中心水汽通量值达9.6 g/(cm·hPa·s)，水汽通量主要发生在950～500 hPa层间。图7(b)是7月21日0∶00以信阳地区地理经度坐标114.05°为基准，对北纬25°～40°做剖面。从图中可以看出，有一条斜向北并伸向高层水汽输送强烈的通道，表明水汽是从南向北运移的，这与大尺度水汽输送方向吻合。水汽由于受到来自北方冷空气作用而向高层输送没有继续北上，有利于水汽的聚集及降水产生。水汽输送剧烈的开始高度场在950 hPa，而不是从地面开始，表明绝大部分水汽是直接从外界运移到淮河流域的。

图7 信阳地区水汽通量[单位：g/(cm·hPa·s)]时间高度剖面、纬度高度剖面、水汽通量散度[单位：10-5 g/(cm2·hPa·s)]时间高度剖面、纬度高度剖面Fig.7 Xinyang zone water vapor flux time height profile, latitudinal height profile; vapor flux divergence time height profile, latitude height profile

水汽通量的数值和方向只能表明暴雨过程中的水汽来源，以及水汽输送和某些天气系统间的关系。至于暴雨究竟出现在何处，雨量有多大等级，则与水汽通量散度的关系更为密切[18]。从图7(c)可以看出水汽在20日0∶00至21日12∶00聚集，在21日12∶00至22日24∶00消散，而降水主要发生在21日8∶00至20∶00，这也是水汽集聚末期和水汽开始消散初期，表明水汽状态从聚集转为消散期易产生暴雨。从图7(d)中可以看出纵向纬度方向上水汽聚集区主要在北纬28°～34°之间，而淮河流域以信阳地区所在经度纵切，范围在北纬31.8°～34.4°之间，这表明淮河流域上空是水汽的主要聚集区，这为暴雨的产生提供了有利条件。

3.3.3 垂直速度与散度

大气中能量的转换主要是通过垂直运动得以实现，垂直运动对水汽、热量、动量、涡度等物理量的输送及对天气系统的发展起着极为重要的作用[19]。对暴雨中心信阳地区做垂直速度和散度时间高度及纬度高度(时间选取在21日0：00)剖面，从图8(a)可以看出7月20日0∶00至21日12∶00在600～250 hPa高度场间有一个上升速度大值区，其最大上升速度达-0.2×10-3hPa/s，21日12∶00至22日24∶00大气上升运动减弱，没有出现大值区。与上升运动相对应7月20日0∶00至21日6∶00在700～550 hPa高度场间有较强辐合中心，中心强度达-0.6× 10-5/s，水汽上升运动与辐合相互配合为大降水提供有利条件。从图8(b)(沿东经114.05°剖面)可以看出发生垂直运动和水汽辐合大值区在北纬30°～35°重合，这大致也是淮河流域在东经114.05°的南北宽度，说明淮河流域上空大气存在较大的上升运动和辐合。

图8 信阳地区垂直速度(单位：10-3 hPa/s)、散度(注：白线为散度，单位：10-5/s)时间高度剖面、纬度高度剖面Fig.8 Vertical velocity and divergence (note: white solid line is divergence, unit: 10-5/s) time height profile; latitude height profile of Xinyang zone

3.3.4 假相当位温

图9 信阳地区θse时间高度剖面、纬度高度剖面(单位：K)Fig.9 θse time height profile and latitude height profile of Xinyang zone

4 结 论

通过对淮河流域2003年7月20-22日的一次暴雨过程分析发现淮河流域在该时期有一次自西向东的暴雨过程，大暴雨主要发生在7月21日8∶00至20∶00，信阳雨量站测得三日降水达117.4 mm，为流域内最大降水处。

从产生此次暴雨的天气系统分析发现，在内蒙古呼伦贝尔存在低涡，从吉林到朝鲜半岛被低压槽控制，副热带高压难以北跳且较常年同期位置偏南，在淮河流域上空有一条东西向的切变线。产生本次暴雨的水汽主要是来自南海，到达淮河流域上游后由于受到低压槽边缘阻挡转向向东传送，在淮河流域发生强烈的辐合，导致强降水的产生。

通过对信阳地区动力条件分析表明，在强降水产生前期都有较强的辐合和上升运动，垂直运动最活跃发生在550～500 hPa高度场之间，而水汽聚集发生850～600 hPa高度场之间。水汽先在低层聚集然后由于强烈的垂直运动使水汽向高层输送，水汽辐合中心与上升运动相配合，有利于水汽在高层进行聚集凝结从而产生暴雨。淮河流域由于地处平原河道坡降小，短时强降水容易使水位暴涨，需要预防河水漫堤的风险。

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