淮北入汛以來一場暴雨過程分析

許永姿　王琳佳　劉升

摘要利用現有地面加密自動氣象站、探空、雷達等資料，從天氣學和物理量診斷分析等方面，對2011年7月18～19日淮北地區暴雨過程的大氣環流、影響系統、物理量特點等進行系統分析。結果表明，此次暴雨過程是典型的槽前類天氣尺度暴雨，副熱帶高壓勢力相對較強，高空和低空均受槽前西南氣流影響，850、700和500 hPa低槽位置比較接近，200 hPa安徽處于分流區，有輻散場與之配合；地面圖上，暴雨發生前安徽處于暖低壓區，氣壓值大多低于1 000 hPa，安徽在暴雨發生前處偏南風中，地面要素場表現為高溫高濕的特征；深厚低槽前部的上升運動為暴雨的發展提供了有利條件；有利的濕度條件使槽前類強對流在產生大風的同時，在暖區一側常伴有明顯的適時強降雨；中低層強烈的輻合上升運動和高層輻散氣流的強烈“抽吸”作用，也是暴雨強度強、持續時間長的重要原因之一。

關鍵詞暴雨；診斷分析；環流形勢；物理量場

中圖分類號S161.6文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）28-150-04

暴雨常造成江河洪水和區域內澇，易造成人員傷亡和重大財產損失，淮北地區是暴雨多發區。多年來氣象專家對不同地區的暴雨形成機制進行了大量研究，在暴雨強度和落區預報方面總結了很多寶貴經驗[1-4]。淮北位于安徽北部，地處蘇豫皖三省交界處，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，降水主要集中在6～8月份，由于降水量的相對集中，且各月分配不均，易發洪澇等災害；近年來暴雨出現的頻率明顯增加，暴雨帶來的洪澇災害也在加重[5]。2011年7月18～19日淮北地區的強降水過程造成淮北大部分地區出現暴雨、大暴雨，此次強降水天氣過程具有影響范圍大、短時降雨強、強降水集中等特點。筆者在此利用現有地面加密自動氣象站、探空、雷達等資料，從天氣學和物理量診斷分析等方面對此次暴雨過程的大氣環流、影響系統、物理量特點等進行系統分析，總結出預報經驗和教訓為今后暴雨預報做好積累。

1天氣實況分析

1.1雨量過程7月18日00：00～20日12：00淮北地區出現了2011年入汛以來第一場大暴雨天氣過程（圖1）。淮北大部分地區普降大到暴雨，降雨強度大、范圍廣，強降水集中在18日08：00～20日08：00。從降雨的空間分布來看，強降雨中心軸為東北—西南沿鋒線走向，兩側基本對稱，這是一個尺度較大的雨團所造成。

1.2暴雨時空分布分析此次暴雨的時空分布發現，降雨從蕭縣開始，經宿州市，持續到泗縣，是一個含有多個中尺度的雨帶系統，集中降雨時段是18日08：00～20日08：00，19日20：00略有減弱。從逐3 h降雨分布可以看到，引起強降雨的中尺度對流系統多是單體的對流系統，在這種系統中包含多個處在不同發展階段的對流單體，這一點在云圖和雷達回波特征圖上有非常清楚的表現；從暴雨中心的時間分布來看，中尺度對流系統是自西向東移動的，且最強的對流出現在中尺度系統的西側，說明在中尺度系統的西側不斷有新對流單體生成，這些單體生成后并不斷隨環流風向向東移動。

2大氣環流和影響系統分析

2.1環流形勢及地面氣壓場特征7月18日中高緯環流維持兩槽一脊型，兩槽分別位于巴湖和貝湖南部，在120°～130°E有阻塞高壓存在，形勢穩定。冷空氣不斷從貝湖向南擴散，朝鮮半島南部有臺風，西太平洋副熱帶高壓位置穩定，副高脊線穩定在17°～20°N。槽前短波攜帶小股干冷空氣向東伸展，提供了中層干冷空氣入侵條件，對強對流天氣生成有利。海平面氣壓圖上，強對流天氣發生前安徽處于暖低壓區，氣壓值大多低于1 000 hPa，安徽在強天氣發生前為偏南風控制，地面要素場上表現為高溫高濕的特征。深厚低槽前部的上升運動為強對流的發展提供了有利條件；有利的濕度條件使槽前類強對流在產生大風的同時，在暖區一側也造成有明顯的短時強降雨。

2.2高低空環流配置特征從7月19日08：00歐洲EC預報場資料繪制的暴雨區域對流層高層和中低層環流配置（圖2）可以看出，副熱帶高壓勢力相對較強，高低空均受槽前西南氣流影響，850、700和500 hPa低槽位置比較接近，200 hPa安徽處于分流區，有較強輻散場與之配合。200 hPa風場（圖2d）顯示，急流軸位于25°～45°N，110°E以西和120°E以東各有一個風速>30 m/s的急流中心，沿淮淮北位于東部入口處右后方的正渦度平流和輻散區，有利于對流云的發展[5]。

經分析發現，暴雨中心具有低層輻合、高層輻散的特點，強輻散中心位于300 hPa附近，650 hPa以下為輻合，在低層輻合對應正渦度，高層輻散對應負渦度。低層輻合、高層輻散加強了暴雨區的上升運動。中低層強烈的輻合上升運動和高層輻散氣流的強烈“抽吸”作用，是暴雨強度強、持續時間長的重要原因之一[1]。在115°～119°E存在強烈的上升運動，上升運動從對流層低層一直到對流層高層，最大的上升運動區位于700～850 hPa。在上升運動兩側為下沉運動，形成2個緯向垂直環流圈，上升直達對流層頂向東西2個方向輻散產生下沉運動，兩支下沉氣流在近地面輻合，從而產生高低空急流耦合而引發的次級環流。較強烈的上升運動為對流的發生發展提供了動力條件，并觸發高溫高濕氣流的能量釋放。

3中尺度結構特征分析

由前面天氣形勢分析可知，高低空有著不同的形勢特征，這些為暴雨的預報提供了重要的參考。但對于這種強降水過程，中小尺度的降水落區和預警預報起到了更較為關鍵的作用。為此，下面著重從中小尺度特征方面對影響強降水過程進行分析。

3.1中尺度系統的對流云團演變特征從高原東側沿長江中上游到淮河流域不斷有對流系統生成，并迅速東移，根據衛星遙測資料分析發現，宿州地區中尺度對流云團的云頂亮溫低于-65 ℃的云區對應10 mm/h以上的降雨；對流云團的移動方向基本和低空急流的流場方向一致，說明低空急流對水汽和能量的輸送起著非常重要的作用，它既為暴雨的產生提供充足的水汽，又使得雨區低層增暖增濕，從而引起對流不穩定的加強。從7月18日早晨開始，在流域西部河南中東部有小的對流系統發展，在隨后的時間內不斷發展加強，形成淮北地區持續數小時的強降雨，18日12：00～16：00強降雨中心集中在淮北西部，在21：00合并成一條東北—西南向的云帶，從河南延伸至安徽、江蘇，并逐漸向東南方向移動，云帶中的對流有減弱。從FY2C云頂亮溫分布可以看到，19日凌晨到上午淮北有一小于230 K的相當黑體亮溫低值中心，從地面加密自動觀測站上看，強降雨中心與相當黑體中心重合。

3.2風場垂直結構選取暴雨中心點（117°E、34°N），分析7月18日00：00～19日20：00風場垂直剖面發現，對流層到下邊界有明顯的氣旋切變，低層為偏南風，風隨高度出現強烈的順轉，有利于強對流發展。

4物理量診斷分析

4.1水汽和層結條件特征

從降水時間段的水汽和層級條件來分析，淮北降水區域上空有一塊西北—東南向的水汽輻合區，18日08：00強度弱、范圍小，此時降雨也剛剛開始，20：00水汽輻合區明顯擴大，中心強度有所加大，降雨強度對應也加強，范圍進一步擴大（圖3a）；23：00水汽輻合中心強度增強至-14×10-5 g/（cm2·hPa·s），直至19日08：00在沿淮淮北一直維持水汽輻合大值區，范圍逐漸擴大，強度不斷加強（圖3b）。這與19日08：00強降雨有很好的對應關系。20日08：00，淮北由輻合轉為輻散，對應此時的降雨基本過程結束。

4.2熱力特征在暴雨期間，500 hPa高層33°N附近有假相當位溫向中低層延伸，而低層有假相當位溫高值區向上伸展，北方干冷冷空氣南下與偏南暖濕氣流在34°N附近形成鋒區，344 K等θse線上下貫通，說明高層有冷空氣下滑，33°N地區700 hPa以下為對流不穩定區，存在θse的高值區，是能量聚積區。鋒區附近等θse線密集且陡峭，鋒區南側中低層的高濕區為對流不穩定層，假相當位溫高達345 K（圖4）。根據濕位渦的守恒特征[4]，誘發傾斜渦度發展的過程中，θse面的傾斜將導致垂直渦度的顯著發展，且傾斜越大氣旋性渦度增長越強，所以鋒區南側的中低層是氣旋性渦度最易發展區域。因此，低層冷空氣南下加劇了淮北地區渦度發展，增強了水汽輻合，使得大氣不穩定能量增加。由于在沿淮淮北存在很強的上升運動，冷暖空氣相遇，使得該地區對流得到強烈發展。θse場的這種分布貫穿了整個強降雨過程，過程中θse的密集區相對穩定，暴雨落區對應在θse密集區偏向暖空氣一側。此外，中層干冷空氣入侵使得上干下濕更為明顯，淮北上空中低層將變得更為不穩定，一旦配合有中小尺度系統激發，降水很可能會十分激烈。

4.3動力特征從7月18和19日的高低空渦度、散度分布圖可以明顯看到高層輻散、低層輻合的特征。在850 hPa渦度圖（圖5a）上，有一條東西向的正渦度帶位于淮河流域上空，正渦度大值區與江淮氣旋位置非常吻合。沿淮淮北200 hPa高空為輻散區（圖5b），對對流層低層有較強的抽吸作用，從而加強低層輻合上升運動，為降水的形成和發展提供了高空環境條件。隨著暴雨的出現，對流層中低層有大量凝結潛熱釋放，在低層風的輻合和凝結潛熱的共同影響和作用下，對流不穩定度增大，絕對溫度增大，從而促成低渦切變發展且維持，為產生新的強降水創造了極為有利的環流條件。

4.4其他物理量分析7月18日08：00徐州和阜陽的Tlog表明，淮北地區K指數在20 ℃左右，層結較穩定。T639模式預報12：00～20：00 K指數>30 ℃的大值區從河南信陽到安徽北部擴展，對流發生時對應K指數也增大至35 ℃，落區也對應35 ℃的等值區內。K指數和不穩定層結對強對流發生有指示作用。

18日08：00沙氏指數SI=-3 ℃，強天氣威脅指數（Isweat）為300，已經達到發生強天氣的指標。根據統計Isweat≥300，發生強雷暴且伴有風速≥25 m/s可能性非常大[6]，全總指數（TT>50 ℃，這些指數集中反映出災害性天氣發生的區域大氣層結極不穩定，已經具備了發生強對流天氣的潛在條件[7]。

5雷達資料分析

從雷達圖上看（圖略），7月18日14：21從阜陽到蒙城有一條有中β尺度對流回波，中心強度為55 dBz，回波頂高13 km。對流向東北迅速發展加強，同時，也有多個塊狀小對流出現，并不斷東移加強，面積逐漸增大，成為一條東南—西北向、中心達50 dBz以上、平均回波頂高達11 km的中尺度雨帶，19日12：00雨帶東移南壓后中心雨強減弱。同時在此次降水過程的多普勒速度場上還監測到多個中尺度氣旋。中尺度氣旋是超級單體風暴最本質的特征，也是預報強天氣的重要指標，結合水平和垂直反射率圖分析，雨帶中分布多個較強的γ中尺度超級單體風暴和多單體超級風暴。

6結論與討論

（1）此次暴雨過程是典型的槽前類天氣尺度暴雨，副熱帶高壓勢力相對較強，高空和低空均受槽前西南氣流影響，850、700和500 hPa低槽位置比較接近，200 hPa安徽處于分流區，有輻散場與之配合。地面圖上，暴雨發生前安徽處于暖低壓區，氣壓值大多低于1 000 hPa，安徽在暴雨發生前處偏南風中，地面要素場表現為高溫高濕的特征。深厚低槽前部的上升運動為暴雨的發展提供了有利條件；有利的濕度條件使槽前類強對流在產生大風的同時，在暖區一側常伴有明顯的適時強降雨。

（2）中低層強烈的輻合上升運動和高層輻散氣流的強烈“抽吸”作用，也是暴雨強度強、持續時間長的重要原因之一。

（3）針對這次暴雨的分析得知，暴雨發生前不穩定能量有一個加大的過程，K指數、沙氏指數及Isweat值有一定的指示意義；T639模式24 h預報對強降水落區有參考價值，但降水強度偏小。數值預報對形勢場、暴雨落區和強度預報不足，仍需繼續進一步加強特殊條件下出現異常強降水的科學研究和應對措施。

（4）對于突發性強、致災性強的中尺度系統，現有的天氣尺度預報模式對其預報能力存在明顯的局限性，一是24 h預報對系統有弱化的現象；二是時空分辨率低，對中尺度系統的預報能力不強。

參考文獻

[1] 桂海林，周兵，金榮花.2007年淮河流域暴雨期間大氣環流特征分析[J].氣象，2010（8）：8-18.

[2] 王翔，陸琴琴，姚宏偉.09年安徽淮北地區暴雨個例分析[C]//第三屆“淮河流域暴雨·洪水學術交流研討會”論文集.滁州，2010.

[3] 謝五三，田紅.近50年安徽暴雨氣候特征[J].氣象科技，2011（2）：160-164.

[4] 林確略，劉金裕，彭武堅.一次暴雨的濕位渦及條件性對稱不穩定分析[J].安徽農業科學，2011（27）：16878-16881.

[5] 于波，鮑文中，王東勇.安徽天氣預報業務基礎與實務[M].北京： 氣象出版社，2013：31.

[6] 陳鮑發.強天氣威脅指數（Isweat）在景德鎮市暴雨中的應用[C]//第.27屆中國氣象學會年會災害天氣研究與預報分會場論文集.中國氣象學會，2010.

[7] 孫明輝.強對流參數在雷暴天氣中的應用[C]//第27屆中國氣象學會年會災害天氣研究與預報分會場論文集.中國氣象學會，2010.