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，江淮流域出現了2013年入梅以來持續時間最長、范圍最大、降水強度最大且雷暴持續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。結果表明，梅雨鋒上發展的中尺度系統是造成此次江淮地區產生大暴雨和長時間對流天氣的主要天氣系統；對流天氣過程中，東北—西南向的高能區配合強烈的上升運動，為對流的發展提供了不穩定和動力機制；鋒區附近均有較強的上升運動，使得對流單體能不斷產生，且急流軸的存在為對流發展提供了良好的水汽輸送環境，使得對流持續發展能夠有充足的水汽。

關鍵詞 大暴雨；雷暴；物理量場；天氣形勢；成因分析

中圖分類號 SB161.6文獻標識碼 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行了大量的研究［1-4］，如程鐵軍等通過對長江中下游地區特大雷暴暴雨的分析，發現大暴雨是由高層冷空氣疊加在底層急流左前側高濕區至上產生持續的對流降水所造成［2］；姜麟等通過對江蘇一次夏季強雷暴天氣過程的綜合分析得出，強雷暴在垂直方向上與鋒生函數、假相當位溫、渦度散度的某些分布特征有較好的對應關系［3］。由于副熱帶高壓的北抬，每年的6月中下旬至7月上中旬江淮地區進入梅雨季節，暴雨和雷暴是梅雨期的重要災害性天氣，且梅雨期降水范圍廣、雨量大、持續時間長，易對人們的生命財產和國民經濟造成嚴重危害。鑒于其重要性，氣象學者也對梅雨進行了許多研究［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行了分析，發現低空西南急流是產生暴雨的重要因子［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有東北冷渦逐漸發展東移；在我國的中低緯度地區，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交匯，為此次暴雨伴雷暴過程提供了有利的環流背景場。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，在江淮地區有一條東北—西南向的切變線生成、發展，在切變線北側的偏北氣流使得冷空氣能夠源源不斷地輸送至江淮地區，切變南側的暖濕氣流交匯于江淮地區，從而造成了此次江淮地區的暴雨伴雷暴天氣過程。由此可知，東北冷渦的發展東移，使得冷空氣南下，與西南暖濕氣流在江淮地區交匯，為此次大暴雨伴雷暴天氣提供了良好的環流背景場，且隨著系統的緩慢東移南壓，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有一條明顯的地面輻合線，強降水區和雷暴落區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，為此次暴雨伴雷暴的發生提供了上下層較好的環流條件。

圖32013年7月5日08：00華東地區地面流場分布

2 物理量特征分析

2.1 不穩定機制

從7月5日08：00 850 hPa假相當位溫和垂直速度分布（圖4）可以看出，淮河以南地區θ﹕e>340 K，表明淮河以南地區均處于高溫高濕的環境中，高能區位于云貴高原至江淮之間，呈東北—西南向分布，在江淮地區高能區的北側和南側各有一個等θ﹕e密集帶，即能量鋒區，北側位于沿淮一帶，能量鋒區寬度約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，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為強烈的上升運動，說明江淮地區底層不僅有高溫高濕的不穩定氣團，且有使得高溫高濕氣團向上輸送的強烈上升運動。從7月5日08：00假相當位溫和經向環流沿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的中下層中具有一定的正壓性；在梅雨鋒內700 hPa以下相對周圍來說是高能區，其鋒區南側有θ﹕e的高值區，說明是高溫高濕區，與圖4中高能區南側的等θ﹕e密集帶相對應，但這一地區在垂直環流上沒有上升氣流，因此這一地區近乎沒有對流發生。在梅雨鋒內，干冷空氣在鋒區北側與暖濕氣流交匯，并引起強烈的上升運動， 因此此次暴雨和雷暴天氣就發生在梅雨鋒的中北部。而經向環流顯示，在梅雨鋒內有強烈的上升運動，上升運動一直延續至400 hPa以上，且鋒區北部的下沉氣流區里鋒區較遠，說明此次冷空氣入侵為擴散型冷空氣，冷空氣主體偏北導致了此次降水過程中降水帶南壓緩慢，是導致暴雨和長時間雷暴的主要原因。綜上所述可知，能量鋒區是此次對流發展的重要強迫因子，強迫主要發生在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假相當位溫和垂直速度分布

圖5 2013年7月5日08：00假相當位溫和經向環流沿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邊緣附近；隨系統向東東南方向緩慢移動，急流軸也緩慢地隨之移動，強對流帶也位于急流的北側邊緣。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，5日08：00 850 hPa江淮以及沿江地區水汽通量>12 g/(cm·hPa·s)（圖6b），與急流圖相比較可以發現，強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中陰影區為急流區，風速≥12 m/s。

圖6 2013年7月5日08：00 850 hPa風場和急流(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流的關系，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較強，在低緯度地區向偏東方向輸送水汽，其主體與西太平洋副熱帶高壓西側

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，從而為該地區的降水和雷暴帶來強水汽輸送。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中帶來的孟加拉灣水汽。

3強對流天氣的持續

以上主要分析了對流發生時期的動力以及水汽條件，此次降水過程雨量大、持續時間長，雷暴持續時間也較長，因此，以下主要分析此次對流過程持續的原因。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，5日08：00之后高能區中心略有南移，中心值區位于31°~32°N一帶，該地區附近為此時間段內對流發展的重要區域，說明整個對流期間，對流發展所需的能量較充沛；強烈的上升區域與高能中心相對應，且強烈的上升運動將底層的能量帶向高層，為對流的發展提供了持續的動力，是對流能長時間發展的重要原因。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鋒區附

注：圖a中陰影區為上升速度。

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，而高層為負渦度、輻散區；尤其在32°N區，附近底層正渦度區的維持，高層強輻散區和低層強輻合區在垂直方向上配合，使得該地區的上升運動得以維持。從圖9可以看出，該地區附近均存在急流軸以及強水汽輸送帶，而對流發展的區域位于急流軸和水汽輸送帶的北側邊緣附近，說明在整個強對流發生期間，急流軸的存在為對流發展提供了良好的水汽輸送環境，使得對流持續發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。

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 結論

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

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

（3）鋒區附近對流層中低層始終為正渦度區和強輻合區，高層為負渦度和強輻散區，且存在時間較長；這種形勢使得在對流發展期間空中均有較強的上升運動，誘發對流單體不斷產生。在整個強對流發生期間，急流軸的存在為對流發展提供了良好的水汽輸送環境，使強對流天氣能持續發展。

參考文獻

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［2］ 程鐵軍,張蘇.長江中下游地區特大雷暴暴雨的診斷分析及預報［J］.氣象,2001，27(10):25-27.

［3］ 姜麟,王衛芳,韓桂榮,等.江蘇一次夏季強雷暴天氣過程的綜合分析［J］.氣象科學,2006(3):316-322.

［4］ 黃麗萍,管兆勇,陳德輝,等.基于高分辨率中尺度氣象模式的實際雷暴過程的數值模擬試驗［J］.大氣科學,2008，32(6):1341-1351.

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［7］ 趙玉春.梅雨鋒對引發暴雨的中尺度對流系統發生發展影響的研究［J］.大氣科學,2011，35(1):81-94.

［8］ 趙嫻婷,魏建蘇,朱定真.急流在梅雨期持續暴雨過程中的作用［J］.氣象科學,2011(2):211-216.

［9］ WILSON J W,MUELLER C K.Nowcasts of thurderstorm initiation and evolution［J］.Wea Forecasting,1993,8:113-131.