2013年7月5日大暴雨伴雷暴天氣的成因分析

劉延凱

（民航安徽空中交通管理分局氣象臺，安徽合肥 230051）お

2013年7月4日夜里至6日上午，江淮流域出現(xiàn)了2013年入梅以來持續(xù)時間最長、范圍最大、降水強(qiáng)度最大且雷暴持續(xù)時間最長的一次大暴雨伴雷暴天氣過程，針對此次過程，主要采用天氣形勢分析和物理量場診斷分析方法，力求揭示此次大暴雨伴雷暴的形成和維持的成因。結(jié)果表明，梅雨鋒上發(fā)展的中尺度系統(tǒng)是造成此次江淮地區(qū)產(chǎn)生大暴雨和長時間對流天氣的主要天氣系統(tǒng)；對流天氣過程中，東北—西南向的高能區(qū)配合強(qiáng)烈的上升運動，為對流的發(fā)展提供了不穩(wěn)定和動力機(jī)制；鋒區(qū)附近均有較強(qiáng)的上升運動，使得對流單體能不斷產(chǎn)生，且急流軸的存在為對流發(fā)展提供了良好的水汽輸送環(huán)境，使得對流持續(xù)發(fā)展能夠有充足的水汽。

關(guān)鍵詞 大暴雨；雷暴；物理量場；天氣形勢；成因分析

中圖分類號 SB161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06314-04

作者簡介

劉延凱（1972-），男，安徽合肥人，工程師，從事航空氣象研究。

收稿日期 20140521

長期以來，氣象工作者對暴雨以及雷暴進(jìn)行了大量的研究［1-4］，如程鐵軍等通過對長江中下游地區(qū)特大雷暴暴雨的分析，發(fā)現(xiàn)大暴雨是由高層冷空氣疊加在底層急流左前側(cè)高濕區(qū)至上產(chǎn)生持續(xù)的對流降水所造成［2］；姜麟等通過對江蘇一次夏季強(qiáng)雷暴天氣過程的綜合分析得出，強(qiáng)雷暴在垂直方向上與鋒生函數(shù)、假相當(dāng)位溫、渦度散度的某些分布特征有較好的對應(yīng)關(guān)系［3］。由于副熱帶高壓的北抬，每年的6月中下旬至7月上中旬江淮地區(qū)進(jìn)入梅雨季節(jié)，暴雨和雷暴是梅雨期的重要災(zāi)害性天氣，且梅雨期降水范圍廣、雨量大、持續(xù)時間長，易對人們的生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重危害。鑒于其重要性，氣象學(xué)者也對梅雨進(jìn)行了許多研究［5-8］,如趙嫻婷等通過對2010年7月9~14日暴雨過程中高低空急流的特點、配置及對暴雨的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)低空西南急流是產(chǎn)生暴雨的重要因子［8］。

1.1 高空天氣形勢

從2013年7月5日08：00 500 hPa位勢高度圖（圖1）可以看出，高緯度地區(qū)為“兩槽一脊”的形勢，高壓脊位于蒙古-貝加爾湖附近，西部槽位于天山以西，在西西伯利亞至我國東北地區(qū)有東北冷渦逐漸發(fā)展東移；在我國的中低緯度地區(qū)，588 dagpm線位于華東南部以及華南沿海一帶，由東北冷渦底部南伸的槽線位于遼東半島-山東半島-淮河一帶，其槽后的冷空氣與槽前、副高外圍的西南暖濕氣流正好在江淮地區(qū)交匯，為此次暴雨伴雷暴過程提供了有利的環(huán)流背景場。700 hPa形勢圖（圖1）與500 hPa相似，位于貝加爾湖以東的東北冷渦不斷東移并有所加深，冷渦的東移使得其后部的冷空氣沿著槽后的西北偏北氣流不斷向南擴(kuò)散，使得冷空氣能夠入侵到淮河以及沿江一帶。從7月5日08：00 850 hPa位勢高度和溫度分布圖（圖2）可以看出，東北冷渦后部有明顯的冷中心，且空中溫度槽落后于高度槽，冷渦明顯地加深并東移；受此東北冷渦影響，在江淮地區(qū)有一條東北—西南向的切變線生成、發(fā)展，在切變線北側(cè)的偏北氣流使得冷空氣能夠源源不斷地輸送至江淮地區(qū)，切變南側(cè)的暖濕氣流交匯于江淮地區(qū)，從而造成了此次江淮地區(qū)的暴雨伴雷暴天氣過程。由此可知，東北冷渦的發(fā)展東移，使得冷空氣南下，與西南暖濕氣流在江淮地區(qū)交匯，為此次大暴雨伴雷暴天氣提供了良好的環(huán)流背景場，且隨著系統(tǒng)的緩慢東移南壓，其降水帶和雷暴帶也隨之南壓，7月6日后期隨著冷空氣的減弱，此次降水和雷暴天氣也趨于平緩。

圖1 2013年7月5日08：00 500 hPa（實線）和700 hPa（虛線）位勢高度

圖2 2013年7月5日08：00 850 hPa位勢高度和溫度場分布

1.2 地面資料分析

從7月5日08：00華東地區(qū)地面流場分布（圖3）可以看出，在安徽的中部至江蘇北部地區(qū)有一條明顯的地面輻合線，強(qiáng)降水區(qū)和雷暴落區(qū)正好位于輻合帶的附近，Wilson等研究表明約有一半的雷暴是在邊界層輻合線附近生成［9］，因此地面輻合線的存在配合高空系統(tǒng)，為此次暴雨伴雷暴的發(fā)生提供了上下層較好的環(huán)流條件。

圖32013年7月5日08：00華東地區(qū)地面流場分布

2 物理量特征分析

2.1 不穩(wěn)定機(jī)制

從7月5日08：00 850 hPa假相當(dāng)位溫和垂直速度分布（圖4）可以看出，淮河以南地區(qū)θ﹕e>340 K，表明淮河以南地區(qū)均處于高溫高濕的環(huán)境中，高能區(qū)位于云貴高原至江淮之間，呈東北—西南向分布，在江淮地區(qū)高能區(qū)的北側(cè)和南側(cè)各有一個等θ﹕e密集帶，即能量鋒區(qū)，北側(cè)位于沿淮一帶，能量鋒區(qū)寬度約300~400 km，近乎為東西帶狀分布，高能中心位于高空槽與切變線南側(cè)，為副高外圍暖濕氣流與冷空氣的交匯地帶；從上升氣流可以看出，7月5日08：00高能中心附近和能量鋒區(qū)為強(qiáng)烈的上升運動，說明江淮地區(qū)底層不僅有高溫高濕的不穩(wěn)定氣團(tuán)，且有使得高溫高濕氣團(tuán)向上輸送的強(qiáng)烈上升運動。從7月5日08：00假相當(dāng)位溫和經(jīng)向環(huán)流沿118°E的垂直分布（圖5）可以看出，等θ﹕e密集帶位于30°~35° N，且在300 hPa以下呈垂直狀分布，說明梅雨鋒在這一地區(qū)的中下層中具有一定的正壓性；在梅雨鋒內(nèi)700 hPa以下相對周圍來說是高能區(qū)，其鋒區(qū)南側(cè)有θ﹕e的高值區(qū)，說明是高溫高濕區(qū)，與圖4中高能區(qū)南側(cè)的等θ﹕e密集帶相對應(yīng)，但這一地區(qū)在垂直環(huán)流上沒有上升氣流，因此這一地區(qū)近乎沒有對流發(fā)生。在梅雨鋒內(nèi)，干冷空氣在鋒區(qū)北側(cè)與暖濕氣流交匯，并引起強(qiáng)烈的上升運動， 因此此次暴雨和雷暴天氣就發(fā)生在梅雨鋒的中北部。而經(jīng)向環(huán)流顯示，在梅雨鋒內(nèi)有強(qiáng)烈的上升運動，上升運動一直延續(xù)至400 hPa以上，且鋒區(qū)北部的下沉氣流區(qū)里鋒區(qū)較遠(yuǎn)，說明此次冷空氣入侵為擴(kuò)散型冷空氣，冷空氣主體偏北導(dǎo)致了此次降水過程中降水帶南壓緩慢，是導(dǎo)致暴雨和長時間雷暴的主要原因。綜上所述可知，能量鋒區(qū)是此次對流發(fā)展的重要強(qiáng)迫因子，強(qiáng)迫主要發(fā)生在700 hPa以下，344 K的高能舌在垂直上升運動的作用下一直延伸至700 hPa附近。

圖4 2013年7月5日08：00 850 hPa假相當(dāng)位溫和垂直速度分布

圖5 2013年7月5日08：00假相當(dāng)位溫和經(jīng)向環(huán)流沿118°E的垂直分布

2.2 水汽條件

在此次暴雨伴雷暴的過程中，對流層底層一直存在強(qiáng)勁的西南急流，7月5日08：00 850 hPa沿江江南南部一直有12 m/s以上的西南急流（圖6a），而雨帶位于急流的北側(cè)邊緣附近；隨系統(tǒng)向東東南方向緩慢移動，急流軸也緩慢地隨之移動，強(qiáng)對流帶也位于急流的北側(cè)邊緣。此次暴雨伴雷暴過程中850 hPa水汽通量分布顯示，降水期間850 hPa江淮流域一直處于水汽通量大值區(qū)，5日08：00 850 hPa江淮以及沿江地區(qū)水汽通量>12 g/(cm·hPa·s)（圖6b），與急流圖相比較可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)水汽輸送帶的走向呈東北—西南走向，與急流軸的走向一致。因此也可以斷定，此次暴雨伴雷暴過程所需大量水汽是在低空急流的作用下被輸送至江淮流域的。

注：圖a中陰影區(qū)為急流區(qū)，風(fēng)速≥12 m/s。

圖6 2013年7月5日08：00 850 hPa風(fēng)場和急流(a)以及水汽通量［b,g/(cm·hPa·s)］分布

為了更好地了解水汽與大尺度環(huán)流的關(guān)系，通過計算整層垂直積分的水汽通量和水汽通量散度，來體現(xiàn)整個對流層流場和濕度場的分布情況。從7月5日整層水汽通量矢量圖（圖7）可以看出，孟加拉灣的西南季風(fēng)較強(qiáng)，在低緯度地區(qū)向偏東方向輸送水汽，其主體與西太平洋副熱帶高壓西側(cè)

圖72013年7月5日整層水汽通量和水汽通量散度圖

的東南氣流匯合后向北流去，并在淮河流域與南下的冷空氣交匯，從而為該地區(qū)的降水和雷暴帶來強(qiáng)水汽輸送。因此，可以說此次雷暴和暴雨所需的水汽主要來自于南海和西南季風(fēng)中帶來的孟加拉灣水汽。

3強(qiáng)對流天氣的持續(xù)

以上主要分析了對流發(fā)生時期的動力以及水汽條件，此次降水過程雨量大、持續(xù)時間長，雷暴持續(xù)時間也較長，因此，以下主要分析此次對流過程持續(xù)的原因。以118°E為例，從圖8a可以看出，7月5日02：00~6日08：00 30°~35°N為高能區(qū)，5日08：00之后高能區(qū)中心略有南移，中心值區(qū)位于31°~32°N一帶，該地區(qū)附近為此時間段內(nèi)對流發(fā)展的重要區(qū)域，說明整個對流期間，對流發(fā)展所需的能量較充沛；強(qiáng)烈的上升區(qū)域與高能中心相對應(yīng)，且強(qiáng)烈的上升運動將底層的能量帶向高層，為對流的發(fā)展提供了持續(xù)的動力，是對流能長時間發(fā)展的重要原因。從在118°E 850 hPa渦度時間緯度剖面（圖8b）可以看出，7月5日02：00~6日08：00鋒區(qū)附

注：圖a中陰影區(qū)為上升速度。

圖8 2013年7月5~6日在118°E的垂直速度和假相當(dāng)位溫(a)以及850 hPa渦度(b)的時間緯度剖面

近對流層中低層始終為正渦度、輻合區(qū)，而高層為負(fù)渦度、輻散區(qū)；尤其在32°N區(qū)，附近底層正渦度區(qū)的維持，高層強(qiáng)輻散區(qū)和低層強(qiáng)輻合區(qū)在垂直方向上配合，使得該地區(qū)的上升運動得以維持。從圖9可以看出，該地區(qū)附近均存在急流軸以及強(qiáng)水汽輸送帶，而對流發(fā)展的區(qū)域位于急流軸和水汽輸送帶的北側(cè)邊緣附近，說明在整個強(qiáng)對流發(fā)生期間，急流軸的存在為對流發(fā)展提供了良好的水汽輸送環(huán)境，使得對流持續(xù)發(fā)展能夠有充足的水汽，而不會因為降水的原因，使得水汽有所減少，影響對流的持續(xù)。

圖9 2013年7月5~6日在118°E的急流時間緯度剖面(a)和850 hPa水汽通量時間緯度剖面(b)

4 結(jié)論

（1）東北冷渦的發(fā)展東移，使冷空氣南下與西南暖濕氣流在江淮地區(qū)交匯，形成梅雨鋒，梅雨鋒上發(fā)展的中尺度系統(tǒng)是造成此次江淮地區(qū)產(chǎn)生大暴雨和長時間對流天氣的主要天氣系統(tǒng)。

（2）在暴雨天氣發(fā)生過程中，東北—西南向的高能區(qū)始終位于江淮流域，附近有大量的暖濕不穩(wěn)定空氣；暖濕空氣強(qiáng)烈的上升運動為對流的發(fā)展提供了不穩(wěn)定和動力機(jī)制。鋒區(qū)南側(cè)存在強(qiáng)勁的西南低空急流，急流的存在為對流區(qū)輸送了大量的水汽。

（3）鋒區(qū)附近對流層中低層始終為正渦度區(qū)和強(qiáng)輻合區(qū)，高層為負(fù)渦度和強(qiáng)輻散區(qū)，且存在時間較長；這種形勢使得在對流發(fā)展期間空中均有較強(qiáng)的上升運動，誘發(fā)對流單體不斷產(chǎn)生。在整個強(qiáng)對流發(fā)生期間，急流軸的存在為對流發(fā)展提供了良好的水汽輸送環(huán)境，使強(qiáng)對流天氣能持續(xù)發(fā)展。

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