2021 年盛夏孝感市一次大暴雨天气过程中尺度特征分析

邓 凯，罗金芳，周 婷，姜 敏

（湖北省孝感市气象局，湖北 孝感 432000）

暴雨是一种中尺度现象，是在有利环流背景下由多种尺度天气系统共同作用的结果［1］。随着气象资料日益丰富，对于长江中游和湖北境内盛夏大暴雨天气的环流特征和物理成因的研究不断深入［2-5］，其主要影响系统通常为高低空急流、低涡、切变线和西风带冷槽、台风低压或倒槽等。张家国等［6］分析了2008 年7 月1 日鄂东北特大暴雨过程中尺度扰动系统的发生发展、暴雨中尺度对流系统（MCS）结构特征以及地形对中尺度系统的影响，吴翠红等［7］分析了湖北省中尺度暴雨与中尺度天气系统的关系，有87%中尺度暴雨有干线（露点锋）的影响。

孝感市位于湖北省东北中部，长江以北，汉江以东，位于武汉市西北方，与武汉市毗邻；地跨北纬30°23＇—31°52＇，东经113°19＇—114°35＇，全境南北长约163 km，东西宽约122 km；下辖大悟县、安陆市、孝昌县、云梦县、应城市、孝南区、汉川市等7 个县（市、区）。2020 年8 月11 日20 时至12 日20 时，孝感市出现了一次大暴雨天气过程，该次强降水过程来势猛、强度大、灾情重。本研究利用常规天气图资料、区域自动气象站资料、FY4 卫星红外云图、雷达回波、EC 细网格和GRAPES_GFS 模式（0.25°×0.25°）客观分析资料，对2021 年8 月12 日孝感市大暴雨天气过程中尺度系统活动特征进行了分析，以便进一步认识孝感市大暴雨中尺度对流系统活动特征，为孝感市大暴雨分析研究和预警预报提供参考。

1 天气实况及灾情

2021 年8 月11 日20 时至12 日20 时，孝感 市出现了一次大暴雨天气过程，大暴雨主要出现在孝感中部地区（图1），全市7 个国家气象观测站24 h 降水量为云梦199.6 mm、孝南178.7 mm、应城118.0 mm、安陆91.1 mm、大悟61.9 mm、孝昌57.4 mm、汉川0.6 mm，其中云梦站降水量最大为199.6 mm；全市130个乡镇区域自动站监测显示，有47 个站出现了≥100 mm 大暴雨，34 站出现暴雨，最大降水量为云梦县伍洛230.8 mm，孝南区新铺220.0 mm 次之。从降水空间分布来看（图1），孝感市中北部普降暴雨到大暴雨，大暴雨主要出现在孝感市中部地区的云梦、孝南、应城、安陆、孝昌5 个县（市、区）。从降水时间分布来看，强降水主要出现在12 日07—12 时（图2），在这期间，云梦伍洛站、云梦站和孝南站累计降水量分别为211.3、170.4 和163.9 mm，分别占其日降水量的91.5%、85.4%和91.7%；区域自动气象站最大小时雨强出现在云梦县伍洛，为98.1 mm（12 日08—09 时），国家气象观测站最大小时雨强出现在孝南，为81.3 mm（12 日10—11 时）。

图1 孝感 市2021 年8 月11 日20 时至12 日20 时24 h降水量分布

图2 2021 年8 月11 日20 时 至12 日20 时逐 时降 水量 变化

此次强降水来势猛、雨量大，时间集中，导致孝感市孝南区、应城市、云梦县、安陆市、孝昌县、临空区、双峰山部分乡镇农作物受灾和农房损坏，孝感市、云梦县、应城市城区部分道路和小区积水严重。据统计，受强降水影响，全市累计受灾人口33.4 万人；紧急避险7 050 人，紧急转移安置人口1 377 人；农作物受灾面积1.8 万hm2，农作物成灾面积0.96万hm2，农作物绝收面积0.3 万hm2；倒塌房屋12 户32 间；直接经济损失5.4 亿元，其中农业损失1.46 亿元，家庭财产损失3.29 亿元。

2 环流形势及影响系统

从8 月12 日08 时500 hPa 环流形势来看，500 hPa 欧亚中纬地区以纬向环流为主，环流形势比较平直，中国东北沿海一带有一低槽，该槽引导弱冷空气经东路南下至长江中游一带。此时，500 hPa 东经120°E 副高脊线位于25°N 附近，其588 线跨过长江，位于南京-阜阳-南阳-安康-成都一线，高原上有一南支低槽。东北槽后引导的弱冷空气，与副高边缘西北部的西南气流，上述两支冷暖气流在长江中下游交汇，为该次大暴雨过程提供了有利的环流背景。

从高空综合可以看出，8 月10—13 日500 hPa副高有一个南北摆动过程，10 日08 时至11 日08 时副高加强北抬，东经110—120°E 的588 线平均北抬了约5 个纬度，11 日08 时至12 日08 时副高加强西伸，588 线西伸脊点由105°E 伸展至88°E，但11 日08时 至12 日08 时副 高北端588 线维 持稳定，588 线位于南京-阜阳-南阳-安康-成都一线；12 日08 时至13 日08 时副高又明显减弱、南落东退，这期间，东经120°E 副高脊线位置稳定在25°N 左右。

受500 hPa 东北槽影响，中低层有弱冷空气渗透至江淮流域，在700 hPa 和850 hPa 上江淮流域出现明显降温区（图3），如12 日08 时700 hPa 南阳、章丘24 h 变 温均为-3.4 ℃，850 hPa 郑州24 h 变温为-3.1 ℃。

图3 8 月12 日08 时700 hPa（a）和850 hPa（b）24 h 变温

11 日20 时 至12 日08 时 低层（700 hPa 和850 hPa）在长江中游、长江以北维持一东西向暖式切变线，位于安庆-武汉-宜昌-达州一线，暖式切变线正好处于孝感市上空。受较强盛的副高影响，在低层暖式切变线的南侧虽然没有形成风速≥12 m/s的西南急流，但11 日至12 日随着副高的加强西伸，西南风仍然有所发展，如700 hPa 11 日08 时怀化、长沙的风速分别为4、2 m/s，至12 日08 时分别达到10、8 m/s，850 hPa 11日08时怀化、长沙的风速分别为6、4 m/s，至12 日08 时分别达到10、8 m/s，形成了一条西南东北向的西南大风速轴，特别是在低层暖式切变线的北侧，偏东风急流发展，如850 hPa 11 日08 时南阳偏东风速为6 m/s，至12 日08 时达到12 m/s。上述切变线北侧的偏东风急流，与切变线南侧发展的西南风，为孝感市大暴雨的发生提供了充沛水汽条件、动力条件和不稳定条件。12 日20 时后，随着副高减弱南落东退，低层切变线南压至长江南岸，位于安徽南部、江西北部、湖南西北部一带，孝感市的强降水随之结束。

综上所述，本次孝感市大暴雨过程，是在盛夏副高的一个南北摆动的过程中，较强盛的副热北部边缘之下，低层暖式切变线、切变线北侧低层偏东风急流与南侧发展的西南风、弱冷空气等共同作用的结果，随着副高的东退减弱，中低层切变线南压，孝感市强降水也随之结束。

3 中尺度对流系统（MCS）发展演变

从FY4 卫 星8 月11 日20 时至12 日20 时红 外卫星云图演变来看，孝感市大暴雨过程是由一个中尺度对流系统（MCS）造成的，该系统发源于鄂西北东部至鄂东北西部（襄阳东部至随州南部），成熟于鄂西北东部至鄂东北中部，以后MCS 东移南压影响孝感市，导致孝感市强降水发生。

导致孝感市大暴雨发生的中尺度对流系统（MCS），其发生发展可分为发展阶段、成熟阶段、移动阶段3 个阶段（图4）。

图4 卫星云图演变

发展阶段大约经历了3 h，11 日21：45 分，在随州南部出现一对流云团A（图4a1），水平尺度约30×15 km2，云顶亮温最低为-57.4 ℃，之后在对流云团A发展的同时，11 日23：15 分，在其西偏北的襄阳东南部、东偏南的随州广水附近，分别出现了2 个β 中尺度的流云团B 和C（图4a2），其中对流云团B 水平尺度为45×60 km2，云顶亮温最低为-63.8 ℃，而后，对流云团C 东移减弱消失，对流云团B 强烈发展，对流云团A 并入迅速扩张加强的云团B，于12 日01：00发展为一椭圆形β 中尺度对流系统D（图4a3），其云团密实，边界清晰，椭圆长轴呈西北-东南走向，水平尺度约为180×100 km2，云顶亮温最低为-68.2 ℃。在发展阶段，中尺度对流云团迅速发展，云顶温度不断降低，水平尺度激剧扩大，但其主体位置位于鄂西北东部至鄂东北西部，稳定不动。

成熟阶段从12 日01：00 开始，大约经历了5 h。这期间，中尺度对流系统D 进一步发展，处于准静止状态（图4b），从12 日01：00 至06：00，中尺度对流云团D 不断向北向东扩展，并略有东移，其云团西南边界清晰，呈弧形，而东北边有较强的卷云羽发展。至12 日06：00，中尺度对流云团D 水平尺度达到220×190 km2，云顶亮温最低为-72.9 ℃，其主体位于鄂西北东部至鄂东北中部。在中尺度对流云团成熟发展阶段，随州市南部出现了特大暴雨，其中随县柳林站4：00—6：00 连续2 h 雨强超过100 mm。

移动阶段从12 日06：00 开始，中尺度对流云团D 明显开始东移南压，影响孝感市（图4c）。从12 日08：00 至11：00，中尺度对流云团覆盖整个孝感市，云团西边边界清晰，呈弧形，而东边边界模糊，卷云羽进一步发展。至12 日11：00，中尺度对流云团D水平尺度达到240×120 km2，云顶亮温最低为-71.3 ℃，其主体位于孝感市和武汉市，造成云梦县伍洛12 日08—09 时雨强达98.1 mm，孝南12 日10—11 时雨强达81.3 mm。12 日14：00 以后，中尺度对流云团东移南压移出孝感市，孝感市降水减弱。

4 β 中尺度对流强回波分析

孝感市强降水发生在12 日06 时以后（图2）。12 日06 时以前，在涡旋状回波团发展过程中，中尺度对流强回波（≥45 dBz，图7 组合反射率图为红色）不断生成发展，如图5a1 中的3 个中尺度对流单体回波A、B、C，造成鄂西北东部至鄂东北西部（襄阳市宜城、随州市随县）特大暴雨的发生。12 日06 时以后，该涡旋状回波团东移，与江汉平原东北部向东北方向发展移动的对流回波D 结合，并开始影响孝感市。12 日07—09 时，在涡旋状回波团的东南端，生成了一弓形指状β 中尺度对流强回波E，自西北向东南移动，先后影响安陆、应城、云梦，12 日08 时30分，弓形指状强回波水平尺度约40×15 km2，回波最强处达50 dBz（图5a2），造成云梦县伍洛12 日08—09 时降水量达98.1 mm。12 日09—11 时，该弓形指状回波继续东移南压，影响孝南区，12 日10 时48分，弓形回波E 最强处仍达50 dBz（图5a3），造成孝南12 日10—11 时降水量达81.3 mm。12 日12 时以后，涡旋状回波团范围整体收缩，与其西南方向发展的对流单体相连接，形成一逗点状的回波（图5a4），逐渐移出孝感市并且强度不断减弱，孝感市强降水随之结束。

从武汉多普勒雷达经向速度可以发现，在涡旋状回波团内部不断有中尺度气旋产生，2 日08 时30分，在云梦县中部、大悟县南部分别出现一中尺度气旋（图5b），中尺度气旋的发生发展，造成强烈的垂直上升运动，有利于强降水发生，12 日08—09 时云梦县伍洛降水量达98.1 mm、大悟县夏店降水量达46.8 mm。从孝南12 日10—11 时出现最强降水时段的三维反射率因子剖面图来看，其45 dBz 以上的强回波都位于0 ℃层（5.5 km）以下（图5c），回波质心较低，表现为暖云主导型对流降水，具有热带降水型特征。

5 中尺度系统分析

利用区域自动气象站加密观测资料、EC 细网格和GRAPES_GFS 模式（0.25°×0.25°）客观分析资料，对本次大暴雨过程的中尺度系统进行了初步分析。《湖北省中尺度暴雨天气分析图集》分析了湖北省中尺度暴雨与中尺度天气系统的关系，有87%中尺度暴雨有干线（露点锋）的影响。通过分析发现，一般出现在中尺度暴雨的干线（露点锋），在本次大暴雨过程中没有明显反映；在常规天气图分析中，在低层暖式切变线上看不出明显的低涡环流，而在中尺度分析上表现突出。

12 日02 时从地面到低层襄阳生成一中尺度低涡（图6），辐合区从地面一直延伸到700 hPa，辐合系统深厚，对强降水的发生起到了抬升触发作用和对流系统组织作用。之后，整层中尺度辐合区向东南移动，至12 日08 时，位于随州南部至荆门东北部强度有所加强，辐合中心更加明显，风速水平切变加大，因而造成了襄阳市宜城和随州市随县的特大暴雨发生。12 日08 时850 hPa 垂直速度图上，广水附近有一个中心达-535×10-2Pa/s 的上升运动区，850 hPa 水汽能量散度图上，安陆附近有一个中心达-298×10-8g/（cm2·hPa·s）的水汽辐合区（图7），说明在深厚的中尺度低涡（中气旋）作用下，中尺度上升运动和水汽辐合非常显著。而后，整层中尺度辐合区向东移动，给孝感市造成了大暴雨天气，至12日14 时，辐合区位于孝感市安陆至云梦一带。之后，中尺度辐合区发生填塞减弱，低层中尺度低涡南压，而地面中尺度气旋逐渐减弱。随着中尺度辐合区的南压和减弱，至12 日14 时，中尺度对流云团和逗点状的回波逐渐移出孝感市。

图7 8 月12 日08 时850 hPa 垂直速度和水汽能量散度分布

6 结论

孝感市该次大暴雨过程是盛夏期副高的一个南北摆动过程中，在较强盛的副高北部边缘之下，中低层暖式切变线、切变线北侧低层偏东风急流发展与南侧的西南风加强、弱冷空气等共同作用的结果。

孝感市大暴雨天气是由一个中尺度对流系统（MCS）发生发展移动造成的，中尺度对流系统经历了发展阶段、成熟阶段、移动阶段3 个阶段，其发源于鄂西北东部至鄂东北西部，成熟于鄂西北东部至鄂东北中部，中尺度对流系统（MCS）东移南压影响孝感市，导致孝感市强降水发生。

孝感市短时强降水是涡旋状回波团东南端的一弓形指状β 中尺度对流强回波造成的，水平尺度约40×15 km2，回波最强处达50 dBz；在涡旋状回波团内部不断有中尺度气旋产生，强回波质心较低，表现为暖云主导型对流降水，具有热带降水型特征。

在中低层暖式切变线上生成发展移动的从地面到低层深厚的中尺度低涡（中气旋），是此次孝感市大暴雨过程最主要的中尺度天气系统，一般出现在中尺度暴雨的干线（露点锋），在该次大暴雨过程中没有明显反映。