2018年7月5日江淮暴雨发生发展机制的模拟及诊断

祝维聪 闵锦忠 王黎娟 沈菲菲

(南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室， 南京 210044)

引 言

我国江淮流域处于季风区[1]，夏季降水频率高、强度大、受各类因素影响较多。夏初时节在湖北宜昌以东28°～35°N之间的江淮流域会出现连阴雨天气，降水量很大，称为“梅雨”[2]。梅雨期间，天气系统较为复杂，各年暴雨形成原因也不尽相同，因此深入探究其发生发展机制对于提高预报准确率、减轻灾害等方面具有重要意义。

目前国内外对于江淮地区梅雨期间强降水过程的研究已取得一系列成果。从大尺度环流背景的角度，陶诗言等[3]深入分析了梅雨与亚洲上空大尺度环流变化在气候上的关联，认为亚洲高空西风急流的季节变化与梅雨期的开始和结束具有密不可分的联系。孙建华等[4]对1998、2001年夏季6—7月环流和降水进行深入分析，提出1998年中高纬度双阻形势有利于冷空气南下，对“二度梅”的形成有重要作用；东亚沿岸大槽的产生和西风急流的迁移，对“二度梅”副高在短时间的南压发挥了巨大的作用，它们都能够充当“二度梅”发生的重要预报因子。金荣花等[5]对2007年梅汛期异常降水的大尺度环流成因分析展开深入研究，结果表明，阻塞高压的频繁出现和副带季风涌的异常强盛为梅雨锋维持和加强提供了非常理想的条件。YUAN， et al[6]提出，梅雨降水所对应的时空分布很大程度上表现出分散的特点，而且具有双峰结构的特性，梅雨期降水非常充足，暴雨出现的频率达到较高的水平，中尺度系统通常会导致比较典型的强降水。范艺媛[7]通过场相似法对极端强降水雨型进行了有效的扩展，进而构建强降水分型模型库，所有分型强降水的分布状况都与极端雨型对应的空间分布非常相近。

从中小尺度系统影响的角度，Hoecker[8]发现低空急流呈现出非常显著的日变化特征：在该地区清晨风速提升到极限值，主要凸显出“超地转”的特点；日出后风速不断减小，而且其结构愈加难以明晰，在白天主要体现出“次地转”的特点；而接近入夜时，其再一次组织变强。孙淑清等[9]研究指出，低空急流通过风场的强烈非地转作用产生中尺度波动，触发流场中中尺度天气系统的变化从而导致暴雨的产生。丁一汇[10]提出低空急流与梅雨锋暴雨的形成具有诸多关联之处。许小峰等[11]结合相关实例进行分析，发现低空急流的产生是导致暴雨的关键要素。马旭林等[12]利用WRF模式模拟分析发现，倾斜垂直涡度的发展是造成低空涡旋生成和发展的动力机制，充足的湿有效能量和凝结潜热的释放为本次大降水过程提供了物质条件。王欢等[13]利用非静力中尺度数值预报模式MM5对2003年一次江淮梅雨锋暴雨进行模拟发现，对称不稳定可能是构成中尺度系统的重要机制，而针对弱对流不稳定区来讲，湿位涡的斜压项发挥了最为核心的作用。李敏等[14]利用WRF模式对梅雨锋暴雨进行数值模拟与诊断分析，发现除了对流不稳定能量的发展以外，倾斜位涡的发展也很重要。沈新勇等[15]研究表明，凝结加热作用很大程度上促进了低层入流、高层出流的垂直结构，而且它与间接垂直反环流具有非常紧密的联系，在加快高空动能下传的同时，使系统前方对流不稳定性增加，新的对流单体易于触发。张舒阳等[16]则通过水汽及凝结潜热的诊断分析表明，高空槽的抽吸作用与潜热反馈的配合表现在向中层输送水汽及向高层输送热量。

在梅雨期间有较强代表性的暴雨过程中，用于机理研究的个例仍停留在数年前，随着时间的推移，中尺度系统在气候响应之下也发生了一定变化，近年来观测资料更加精细化，模式准确度也不断提升，针对近两年江淮暴雨的数值模拟及诊断分析或能探索出其不同的特征。本文即以上述原因，深入探究2018年7月5日江淮地区一次迅猛暴雨过程中系统的发生发展机制。

1 实况分析

1.1 降水实况

本次江淮暴雨为江苏2018年入梅之后的最强降水，长江西部地区和淮河流域地区量级较大，一部分地区出现了雷暴天气。7月5日00时至6日00时(世界时，下同)，南京、常州、扬州、镇江、宿迁、淮安、盐城、连云港等地区的55个县(市、区)的588个乡镇累计雨量超过50 mm，其中218个乡镇超过100 mm，占总站数的17%，最大为258.1 mm(仪征马集)，达特大暴雨量级，最大小时雨强76.2 mm(浦口顶山街道，5日10—11时)。

利用中国自动站与CMORPH融合的逐时降水量0.1°网格数据集进行降水量观测值统计，图1a—c分别给出了华东中部地区2018年7月4日18时—5日00时、5日00—06时以及5日06—12时的6 h累计降水量分布。7月4日18时—5日00时雨带主要呈东西带状，极值中心出现在河南南部和安徽江苏北部。随着时间的推移，降水极值中心逐渐向东南方向移动，5日00—06时出现在江苏省北部的宿迁市附近和江苏省西部的南京市附近，中心值最大达100 mm以上。

图1 2018年7月华东中部地区小时累计降水量(单位：mm)：(a)4日18时—5日00时；(b)5日00—06时；(c)5日06—12时；(d)4日12时—5日12时

1.2 雷达回波实况

由图2可知，7月4日22时开始，南京与安徽交界地带之间产生对流单体，一直到5日00时，对流单体逐渐东移并缓慢发展。自5日00时开始，A处对流单体移动至苏皖交界中部并逐渐连接形呈线状，B处对流单体连接成片，强度较强。00时42分开始，两处对流带均东移至江苏境内，中心强度均达55 dBZ以上。随着时间的推移，B处块状回波移至镇江、常州一带，强度逐渐减弱，并于5日02时开始分散为多个对流单体，03时基本消散为大范围的团状对流；而A处该条强线状回波则继续发展增强，5日01—03时为A处线状中尺度对流系统(MCS)强盛时期，04时后，B处强回波带独立成对流单体后在向东移动过程中，再次连接为线状回波。整体来看，本次强降水过程中，对流系统生命史约为7 h。

图2 华东地区雷达回波实况(单位：dBZ)：(a)4日23时；(b)5日00时；(c)5日01时；(d)5日02时；(e)5日03时；(f)5日04时

1.3 天气形势分析

2018年，梅雨期出现的时间具有滞后性，梅雨期的时间大概减少了10 d，梅雨量在一定程度上降低，强降水中心分散，雨带位置不稳定。2018年7月上旬欧亚中高纬地区环流型为多波型，诸多区域产生了典型的低压槽，其中比较具有代表性的包括欧洲东部、鄂霍茨克海等，远东一带存在阻塞高压。另外，我国中纬度地区环流从整体而言表现出平直的特点，而且存在西高东低的态势。在我国南方，副高主要表现为带状分布，主体位于西太平洋洋面上，北界位于35°N附近。在低空急流和江淮气旋的影响下，我国中东部出现较强的降水过程。从环流形势上分析，本次过程中，大尺度背景为江淮地区的暴雨提供了有利的发生发展条件。环流形势分析数据采用水平分辨率为0.25°×0.25°的NCEP每6 h一次的GFS(Global Forecasting System)分析场资料。由图3可以看到，两槽一脊的环流型较为明显，南支槽不断发展提供渗透南下的冷空气，与副高外围西南暖湿气流的水汽输送配合，带来持续性强降水过程。低层辐合、高层辐散，不稳定能量的积聚及水汽输送等因素为此次暴雨提供了有利的动力、热力条件(图略)。

图3 7月4日18时(a)和5日06时(b)500 hPa风场、位势高度场(黑线；单位：gpm)、温度场(红线；单位：℃)及相对湿度(阴影；单位：%)

2 数值模拟

2.1 试验方案设计

利用WRFv4.0模式对2018年7月5日的江淮暴雨进行数值模拟。采用水平分辨率为0.25°×0.25°的NCEP每6 h一次的GFS分析场资料作为背景场，并应用ARW非静力平衡动力框架。采用双重双向嵌套方案，从2018年7月4日12时至5日12时共积分24 h，选取(35°N，110°E)为模式积分区域中心，粗网格格距为9 km，水平格点数为697×646；细网格格距为3 km，水平格点数为878×661；垂直方向为42层，模式层顶高为50 hPa。内外两层选用同样的参数化方案(细网格不采用积云对流参数化方案)，具体方案为：微物理过程方案采用WSM6方案[17]、长波辐射方案采用Rapid Radiative Transfer Model(RRTM)方案、短波辐射方案采用Dudhia方案、近地面层采用Monin-Obukhov方案、陆面过程方案采用Noah陆面模式方案、边界层方案采用Yousei University(YSU)方案[18]。

2.2 模拟结果检验

将实况和细网格模拟的24 h累计降水量进行对比，以检验模拟结果。图4a、b分别为7月4日12时—5日12时实况及模拟的24 h累计降水量。可以看到，实况雨带与模拟的累积降水分布总体均呈东—西走向，模拟的降水范围略小于实况，但是二者的降水极值相当。模拟的24 h最大降水中心较实况偏北0.5个纬度，雨量大于100 mm的强降水区范围相当；降水次值中心较实况略偏西1个经度，雨量大于100 mm的强降水区范围略小。由对比可以看出，模拟结果总体上反映出了降水的强度和雨带的走向，并较为成功地还原此次江淮暴雨的降水过程，模拟效果理想，因此可以用来分析其发生发展过程。本文将利用模式细网格的输出资料，对本次江淮暴雨进行诊断分析，以探究其发生发展机制。

图4 7月4日12时—5日12时24 h累计降水量(单位：mm)：(a)实况；(b)WRFv4.0模式细网格模拟

3 模拟结果诊断分析

3.1 高低空急流

图5a显示由7月5日00时的850 hPa流场反映出对流层低层中利于暴雨过程发生发展的因素。广西省东部至安徽中西部存在较强低空急流，最大风速超过18 m·s-1，将孟加拉湾暖湿气流源源不断地往华东地区输送，为此次江淮地区降水过程提供必要的热力与水汽条件。阴影区域为风速大于8 m·s-1的区域，5日00时，江淮地区低层有一东北—西南走向的低空急流，中心最大风速达16 m·s-1，急流轴大风核位于安徽地区。此时强烈的江淮切变加深发展，对应地面飑线系统初具雏形，降水开始增强。图5b则通过200 hPa风场反映高空急流的辐散作用，南亚高压东移至长江流域上空，7月4日18时东探至120°E(图略)，随后有所西移，但在强降水过程中始终保持比较稳定的位置。4日00时至5日06时，35°～46°N区域内存在一条西北—东南走向的高空急流带，急流核逐渐东移至河北境内(图略)，江淮地区位于高空急流入口区的右后方，后随高空急流东移出海，降水逐渐减弱。高低空急流的耦合，为本次降水过程提供了有利的上升运动和水汽条件。

图5 7月5日00时850 hPa(a)、200 hPa(b)风场(风杆一节为4 m·s-1)、温度场(红色虚线；单位：℃)及急流区(阴影；单位：m·s-1)

3.2 水汽条件

通过前文分析可知，本次降水过程中，西南暖湿气流对江淮地区的水汽输送为强降水提供了充足的水汽，从850 hPa的相对湿度分布(图6)看，湿舌位于豫南—皖北一线，河南南部与安徽北部均处于相对湿度大于90%的湿区，低层显著湿区随时间东探，水汽条件丰沛，有利于降水加强。

图6 7月4日(a)12时和(b)18时850 hPa相对湿度分布(单位：%)

对流系统下暴雨的维持需要水汽的持续供应，水汽通量可以较好表征层结中水汽的输送与汇聚情况。由图7b可以看出，5日00时，850 hPa水汽通量大值带呈西南—东北走向，东侧大值中心位于安徽西部，700 hPa(图7a)下大值中心随高度向东北探，极值大于20×g·s-1·cm-1·hPa-1，水汽在西南风引导下向暴雨落区输送。

图7 7月5日00时700 hPa(a)、850 hPa(b)高度的水汽通量(阴影；单位：g·s-1·cm-1·hPa-1)以及4日18时(c)和5日00时(d)850 hPa高度水汽通量散度(阴影；单位：10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)

水汽通量的数值与方向只能表征暴雨过程中的水汽来源、水汽输送和部分天气系统间的关系，而暴雨具体落区和雨量等级则与水汽通量散度的关系更为密切。区域内水汽通量散度仅由该区域周界上的水汽通量所决定，与区域内的水汽通量无关，如果水汽通量散度为正，则表明有水汽流失，水汽通量散度为负则表明有水汽集聚[19]。如图7c所示，4日18时，水汽通量辐合大值区位于安徽北部一带，西南地区存在多个水汽通量辐合中心，强度达到-18×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1。5日00时(图7d)，水汽通量辐合区东移，急流带也延伸至苏皖交界处，有利于强降水维持，是5日00时前后暴雨落区位于江苏北部靠近安徽一带的原因。

3.3 动力条件

除了充沛的水汽，暴雨的形成和维持还需要动力抬升因素，涡度与散度能有效表征动力抬升条件。7月5日00时由涡度沿118°E的垂直剖面(图8a)可知，涡度沿高度分布主要呈低层正涡度、高层负涡度，在32°～33°N之间，存在一深厚的正涡管。

4日18时暴雨落区上空呈低层辐合高层辐散的态势，但整体强度较弱(图略)。5日00时，降水增强，由散度沿118°E的垂直剖面(图8b)可以看出，在对流区，32°～33°N之间存在强烈辐散，沿对流层中层斜升至对流层高层，辐散中心位于300～400 hPa(8～10 km高度)处，辐散区两侧存在补偿辐合，辐合辐散强度均达50×10-5s-1。加之暴雨区整层的正涡管，会产生伸展至对流层顶的强烈上升运动，对飑线系统的强降水及落区的发生发展提供有利的动力条件。

图8 7月5日00时涡度(a)和散度(b)沿118°E的垂直剖面(单位：10-5s-1)

3.4 热力条件

假相当位温可以综合表征大气温度和湿度的情况，对气团性质的判定有指示作用，且在确定锋面位置、讨论能量发展方面有重要意义，可视为诊断分析暴雨过程的热力条件。由图9a可以看出，5日00时，850 hPa下苏皖与山东的交界地带存在假相当位温等值线的密集带，与地面的梅雨锋相对应。等值线密集带南侧存在3个强度达360 K以上的高能中心，苏皖交界的中部及安徽西侧的极大值区是影响本次降水的主要因素。随着时间的推移，5日06时，高能中心逐渐南移连接成片，密集带则东移出海(图略)。

由图9b可见，密集带随高度向北倾斜，850 hPa下，31°～32.6°N存在高能区，能量聚集，暴雨落区的低层受高温高湿暖气团控制。28°～32°N区域，对流层中低层假相当位温随高度减小，存在对流不稳定，对流活动强烈；32°～33°N区域，即暴雨主要落区内，对流层中层近似于中性层结，假相当位温线近于垂直，说明400～700 hPa存在剧烈的垂直上升运动，不稳定能量于低层不断向上输送；而对流层中高层则处于稳定层结。位势不稳定与较高的能量区域为本次强降水过程提供了有利的发生发展环境。

图9 7月5日00时850 hPa假相当位温水平分布(a)及其沿118.5°E垂直剖面(b)(单位：K)

3.5 湿位涡分析

在不稳定机制分析中，对流性不稳定与条件性不稳定是在暴雨过程中常采用的两种分析机制，Hoskins[20]提出，湿位涡可作条件对称不稳定的判据，当湿位涡为负值，对应大气存在条件对称不稳定。湿位涡这一物理量不仅表征了大气的动力、热力属性，而且考虑了水汽作用，对湿位涡进行诊断，能够寻求各热力和动力及水汽条件与降水的关系，可进一步揭示暴雨形成机制与暴雨的强度和落区等。

湿位涡的表达式为：

。

(1)

其中：ζ为垂直涡度；f为地转涡度；θse为假相当位温，湿位涡的单位为PVU(1 PVU=1×10-6m2·K·s-1·kg-1)。

右式中第一项为MPV1，为湿位涡的湿正压项，表示惯性稳定性和对流稳定性的共同作用，通常绝对涡度为正值，大气对流稳定时，MPV1为正值；大气对流不稳定时，MPV1为负值。右式中第二项为MPV2，为湿位涡的湿斜压项，由水平风的垂直切变和湿斜压性决定。将湿位涡分解为正压与斜压两部分，能够更直观了解到大气斜压性与正压性的相互作用。

图10为4日21时、5日00时、5日03时925 hPa湿位涡正压部分MPV1、斜压部分MPV2的水平分布以及MPV1沿118°E的垂直剖面，其中黑色实线为3 h 累计降水量10 mm的等值线。由图10d可以看出，7月4日21时，在强降水发生发展过程中，淮河流域的MPV1基本维持低层负值、中层正值的形势，正负中心极值强度均大于2 PVU，对应大气呈低层对流不稳定、中层对流稳定的状态，低层不稳定能量持续积蓄。由图10d—f可以看出，本次强降水过程中，不稳定大气主要集聚于850 hPa以下的高度，在垂直剖面上，与既往暴雨机理分析对湿位涡选择的700 hPa高度相比，本次过程不稳定能量位置较低，故水平分布采用925 hPa高度下的湿位涡分布进行分析。

4日15时开始，苏皖地区便处于MPV1负值区，极值中心位于皖北(图略)，但此时该地区均受东南气流影响，系统还未产生。4日21时开始(图10a)，一气旋性切变逐渐生成并随时间推移向东移动，西南气流控制苏皖地区，同时江苏北部被MPV1的负值区覆盖。5日00时，925 hPa的负值区不明显，此时，从垂直剖面看(图10e)低层的不稳定能量向上伸展至对流层中层，不稳定能量得到释放，飑线系统开始发展，这种“突跃”也为强降水过程提供了有利条件。5日03时(图10c)，3 h累计降水大值区位于苏皖交界中部，此时该区域内存在数个MPV1负极值中心，极值均达-2 PVU以下。在该过程中，由于急流轴左侧鄂豫一带始终处于MPV1正值区域且面积较大，导致4日期间，位于安徽地区的对流系统无法成型，5日00时开始江苏沿黄海一带MPV1正值区开始加强，在左右控制下，负值区停留速度放缓、强度加大，大气对流不稳定成为此处飑线系统发展成熟的强有力推力。由MPV2水平分布图可以看到，湿位涡斜压项的作用小于正压项，苏皖交界处存在多个块状MPV2正值区，强度亦达-2 PVU，但由于整体覆盖面积较小，且受东西两侧负值区域影响，整个对流系统发生发展相对较迅速、维持时间较短。

图10 925 hPa下湿位涡正压部分MPV1水平分布(a—c)，MPV1沿118°E的垂直剖面(d—f)，以及斜压部分MPV2水平分布(g—i)(阴影；单位：10-1 PVU)(其中黑色实线为3 h 累计降水量10 mm的等值线)：(a、d、g)4日21时；(b、e、h)5日00时；(c、f、i)5日03时

从5日03时的MPV1和MPV2水平分布可以看出，对于本次江淮暴雨过程，对流系统发展区的东西两侧均处于相反值区域，在不稳定能量受到两侧稳定能量夹击时，反馈到对流系统上即为短时内不稳定能量由于能量差值受到的影响，系统在00时后发展剧烈，同时由于这样的前后牵制，系统位置移动会较为缓慢，降水中心也停留在苏皖一带。与此同时，由于东西两侧能量值均趋于稳定且覆盖面积较大，导致飑线系统存留时间缩短，这也解释了本次江淮暴雨来势迅猛的原因。

4 结论

本文采用水平分辨率为0.25°×0.25°的NCEP每6 h一次的GFS分析场资料作为背景场，利用WRF模式，对2018年7月5日江淮暴雨过程进行了数值模拟及诊断分析，模拟结果很好地再现了本次江淮暴雨发生发展的演变过程。主要结论如下：

(1)本次强降水过程中，两槽一脊的环流型较为明显，南支槽不断发展提供渗透南下的冷空气，与副高外围西南暖湿气流的水汽输送配合，带来持续性强降水。

(2)高低空急流共同作用下带来的耦合，低层辐合高层辐散的态势，加之暴雨区整层的正涡管产生伸展至对流层顶的强烈上升运动，对飑线系统的强降水及落区的发生发展提供有利的动力条件。假相当位温综合表征大气温度和湿度的情况，其反映的位势不稳定与较高的能量区域，为本次强降水过程提供了有利的发生发展环境。

(3)本次江淮暴雨，湿舌位于豫南—皖北一线，低层显著湿区随时间东探。水汽通量和水汽通量散度也很好地指示了本次暴雨的来源、输送、落区、强度，水汽通量较好表征了层结中水汽在西南风引导下向暴雨落区输送与汇聚的情况。水汽通量辐合区逐渐东移，急流带延伸至苏皖交界处，有利于强降水维持，也是暴雨落区位于江苏北部靠近安徽一带的原因。

(4)湿位涡这一物理量能够综合反馈各热力和动力及水汽条件与降水的关系，在强降水发生发展过程中，淮河流域的MPV1基本维持低层负值、中层正值的形势，对应大气呈低层对流不稳定、中层对流稳定的状态，低层不稳定能量持续积蓄，为强降水过程提供有利条件。本次过程不稳定能量积聚位置较低，加之MPV1与MPV2均受东西两侧低值区“夹击”，是这次暴雨过程发展迅猛、维持较短的原因。

然而，本次过程中存在一强度较强、长度较短的飑线系统，由于模拟结果没有很好地将雷达回波展现出来，且模拟效果还存在一定偏差，后续工作将采用资料同化方法，将更多观测值同化进模式，进一步探究飑线系统与本次江淮暴雨之间的影响机制。