一次特大暴雨過程的環境場特征診斷分析

劉 洋，錢貞成

(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

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一次特大暴雨過程的環境場特征診斷分析

劉 洋，錢貞成*

(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

摘要利用降水資料、衛星資料、NCEP再分析資料、韓國天氣圖資料以及探空資料，從天氣形勢、中尺度特征和環境場特征等方面分析了2014年8月31日發生在重慶的一次特大暴雨過程。結果表明，高、低空急流、切變線、地面冷高壓共同作用導致了暴雨發生；MCS是降水的直接影響系統，MCS的發展演變對于預報暴雨的強度和落區具有良好的指示意義；探空資料計算的對流指數對對流過程的發生演變有一定的指示意義，大氣在垂直方向上上冷下暖、上干下濕的配置結構有利于對流性不穩定的增強；副高外圍暖濕空氣是輸送暖平流的主要物理機制；強降水發生于MPV1等值線零線和MPV2強負值中心南側等值線密集區附近，對應對流不穩定和斜壓不穩定的疊置區域；MPV1零線對于降水的預報有一定的指示意義，MPV2負值區與輻合區緊密聯系。

關鍵詞暴雨；環流形勢；中尺度系統；探空分析；溫濕場特征；濕位渦特征

暴雨是影響我國的主要災害性天氣，許多學者對其進行了研究，并取得了一定的研究成果[1-3]。地處四川盆地東南部的重慶屬亞熱帶季風性濕潤氣候，域內地勢起伏較大。夏季短時突發暴雨或持續性暴雨往往導致嚴重的滑坡、泥石流等次生災害，給人民群眾的生產、生活造成嚴重危害。筆者利用常規氣象資料、NCEP再分析資料、衛星資料、探空資料，從天氣形勢、中尺度特征和環境場特征等方面對2014年8月31日發生在重慶云陽地區的一次特大暴雨過程進行了分析，以期為提升暴雨預報水平提供理論依據。

1雨情概況

2014年8月31日21：00～9月1日22：00，我國重慶北部地區出現一次特大暴雨過程。過程期間，重慶地區8個區縣共89個雨量站達到暴雨量級，4區縣共51個雨量站達大暴雨量級。強降水中心位于重慶市云陽縣(31.26°N、108.92°E)。云陽縣12 h雨量達210 mm以上(圖1a)，突破云陽縣有氣象記錄以來的12 h降水紀錄；9月1日07：00雨強甚至達38 mm/h(圖1b)。整個降水過程具有范圍小、雨量大、雨勢強等明顯的中尺度特征。

圖1　云陽縣2014年8月31日22：00～9月1日10：00總降水量(a)和1日02：00～14：00逐小時降水量(b)Fig.1　Total precipitation(a)from 22：00 Aug.31 to 10：00 Sep.1 and hourly precipitation(b)during 02：00-14：00 on Sep.1，2014

2天氣形勢分析

9月1日08：00 200 hPa(圖2a)，槽線位于外興安嶺以西、貝加爾湖以東，呈東北—西南走向延伸至新疆中部；南亞高壓脊線位于27° N附近，東伸脊點位于125° E附近。在南亞高壓和槽線的共同夾擠作用下，32°～42° N形成了較強的西風急流帶；急流核位于內蒙古與陜西交界，強度達50 m/s以上；重慶云陽地區位于急流核出口區右側，高空輻散氣流對低層產生了較強的抽吸作用。700 hPa(圖2b)，四川與重慶交界處存在低渦，其對應切變線位于31°N附近，近似呈緯向分布；在切變線與副熱帶高壓共同作用下，重慶中部地區形成強度在15 m/s以上的急流核；切變線南、北兩側氣流構成氣旋式切變，氣流輻合上升。云陽地區位于切變線南側、低空急流軸左側、高空急流出口區右側。低空急流不斷地向云陽地區輸送水汽、熱量、動量、不穩定能量。高、低空急流之間的耦合作用有利于上、下層空氣質量調整，對對流的發展和維持有重要意義。

9月1日08：00，重慶云陽地區地面處于冷鋒北部、冷高壓后部的偏北冷空氣控制下(圖3)。偏北冷空氣在低層形成冷墊，強迫低空偏南暖濕空氣沿冷墊抬升，為暴雨的發生提供了動力觸發條件。

3中尺度特征分析

9月1日03：00(圖4a)，重慶及周邊趨于受3個中-β尺度對流云團(A、B、C)控制，對流云區之間為寬闊的層狀云區。04：00(圖4b)，對流云團A穩定維持，B和C及其對應雨帶分別向東和東北移動，且在移動過程中前沿不斷有新的對流云核生成。05：00(圖4c)，對流云團A、B、C邊緣相連，云陽上空東、西兩側各存在一個TBB<-68 ℃的冷中心，渦旋云系發展趨于成熟。雨帶的強度和落區與中小尺度系統(MCSs)存在緊密聯系，即降水強度隨著TBB冷中心發展而增加，降水中心略微滯后于TBB冷中心。06：00(圖4d)，渦旋云系發展至最強階段，此時MCSs形態表現為橢圓形，長軸與短軸比達最小；云陽東、西兩側冷中心合并，強度加強至-72 ℃以下；雨團中心位于TBB冷中心與溫度梯度大值區之間的偏北冷空氣入流一側，降水強度達45 mm/h。31°～32° N新生成的中-β尺度對流云團(D)東移過程中不斷發展加強。08：00(圖4f)，渦旋云系趨于減弱，此時渦旋云系主體面積增大，MCSs內部TBB梯度減小，TBB<-52 ℃的大值區開始分散，冷中心TBB上升；對應此時雨團范圍增大，強度減弱。對流云團D東移并與渦旋云系主體相連后進一步發展加強并在川渝交界處激發出新的雨團(圖4h)。隨后對流雨團和雨帶進一步東移，進一步影響重慶北部地區(圖4i)。

注：等值線代表位勢高度場(dagpm)；陰影代表急流場(m/s)；風向標代表風場(m/s)。Note：Contour line represents potential height field(dagpm)；shadow represents stream field(m/s)；wind vane represents wind field(m/s). 圖2　2014年9月1日08：00 200 hPa(a)和700 hPa(b)位勢高度場、急流場、風場Fig.2　200 hPa(a)and 700 hPa(b)potential height field，stream field and wind field at 08：00 on Sep.1,2014

注：等值線為氣壓(hPa)。Note：Contour line represents pressure(hPa).圖3　2014年9月1日08：00地面形勢Fig.3　Ground situation at 08：00 on Sep.1, 2014

由此可見，渦旋云系在發展、成熟、減弱階段均伴隨有MCSs的生消和移動。MCSs與降水緊密聯系，是降水的直接影響系統。雨團的強度與TBB冷中心強度密切相關。雨團的發展演變通常滯后于與其相對應的MCSs，雨團的中心位于TBB冷中心與溫度梯度大值區之間的偏北冷空氣入流一側，這與前人的研究結論是一致的[4-6]。由于雨團強度與TBB冷中心強度的相關性以及雨團中心相對于TBB冷中心的滯后性，因此MCSs的發展演變對于預報暴雨的強度和落區具有良好的指示意義。

注：a.03：00；b.04：00；c.05：00；d.06：00；e.07：00；f.08：00；g.09：00；h.10：00；i.11：00.陰影代表TBB分布，單位為℃；等值線代表降水量，單位為mm。Note：a.03：00；b.04：00；c.05：00；d.06：00；e.07：00；f.08：00；g.09：00；h.10：00；i.11：00.Shadow represents TBB distribution，unit is ℃；Contour line represents precipitation，unit is mm.圖4　2014年9月1日TBB分布和降水Fig.4　TBB distribution and precipitation on Sep.1，2014

4環境場特征分析

4.1探空資料分析選取強降水發生區域附近的重慶市沙坪壩探空站探空資料分析降水過程的環境場特征。8月31日20：00(圖5a)，450 hPa至地面為深厚的濕層(相對濕度≥80%)，500 hPa至地面為不穩定層；500 hPa以下存在較強的風垂直切變，低層風向隨高度發生明顯順轉，低空暖平流的存在加劇了低層不穩定能量的積累，CAPE值達1 348 J/kg；300 hPa以上狀態曲線趨近于干絕熱線，溫度露點差隨高度急劇增大，表明300 hPa以上空氣濕度急劇減小；此時溫濕場在垂直方向呈現出上干下濕、上冷下暖的配置，對流性不穩定性加強；此時K指數達38 ℃，SI指數達-1.5 ℃，SWEAT指數達251，強對流發生的潛勢已經十分明顯。9月1日08：00(圖5b)，850～400 hPa受較強西南風控制，表明測站處于槽前，槽前盛行的上升運動作為外部強迫觸發了對流運動；此時SI指數達-4.1 ℃，SWEAT指數達277，K指數達42 ℃，對流指數表明對流發展強烈；但此時CAPE值僅有1 139 J/kg，CAPE偏小的原因可能是此時對流天氣已經發生，對流有效位能已經大幅釋放。

4.2溫濕場特征分析從9月1日08：00 850 hPa溫度平流場和風場分布(圖6)來看，副高外圍暖濕空氣是輸送暖平流的主要物理機制，暖平流中心位于四川與重慶交界處，強度達15×10-5(K·m)/s以上。山東附近的冷高壓底部的偏東冷空氣和位于102° E附近脊線前部偏北冷空氣是輸送冷平流的主要物理機制，冷平流中心位于四川北部地區，強度達-15×10-5(K·m)/s以上。云陽地區處于冷、暖平流交匯處，副高外圍暖濕空氣沿低層冷墊爬升冷凝，水汽與能量大量積累，大氣斜壓性極強，對流不穩定性強烈發展[7]。

由暴雨過程中沿31.25° N的溫度平流和相對濕度的垂直剖面(圖7)可見，8月31日20：00，102° E上空150 hPa存在強度達-28×10-5(K·m)/s的冷平流中心。云陽地區(31.26°N、108.92°E)450 hPa以下為深厚的濕區(相對濕度≥80%)，450～200 hPa受干區(相對濕度<80%)控制，濕度場由低層至高層呈現低濕高干的垂直分布形態，不穩定能量開始積累。9月1日02：00，原102° E上空冷平流向低空伸展，向東部擴散；受干冷空氣擴散影響，暴雨區上空冷平流中心下移至550 hPa，干區向低層伸展；同時副高加強了低層暖濕空氣輸送，位于800 hPa的暖中心強度增至24×10-5(K·m)/s；對流層中、低層溫濕場在垂直方向上梯度極大，大氣層結極不穩定，不穩定能量大量積累，此時云陽縣CAPE值達2 436 J/kg。9月1日08：00，108°～120° E上空多個呈帶狀排列的冷平流中心傾斜伸入114° E以西暖平流區底部，干冷空氣入侵，動力抬升暖濕空氣致使對流強烈發展；原102° E上空冷平流擴散至暴雨區上空，與受抬升的暖平流相遇，兩者強度均明顯減弱，暴雨區上空300 hPa以上受弱暖平流控制；此時濕區呈現倒“V”型，低層干舌嵌入高層濕區之中，濕度場呈現“上濕下干”的配置，這是由于此時對流強烈發展，上升運動將來自低層的暖濕空氣不斷地向高層輸送，導致低層空氣濕度減小而高層空氣濕度加大。9月1日14：00，干、濕區向東偏移，低層暖平流強烈發展并向東移動，冷平流向下伸展并向東擴散，受此影響雨區東移南壓，云陽地區偏離降水中心。

注：a.31日20：00；b.1日02：00；c.1日08：00；d.1日14：00。等值線代表溫度平流[10-5(K·m)/s]；陰影代表相對濕度(%)。Note：a.20：00 Aug.31；b.02：00 Sep.1；c.08：00 Sep.1；d.14：00 Sep.1.Contour line represents temperature advection[10-5(K·m)/s]；shadow represents relative humidity(%). 圖7　2014年8月31日～9月1日沿31.25° N的溫度平流和相對濕度垂直剖面Fig.7　Temperature advection，relative humidity and vertical section along 31.25°N during Aug.31-Sep.1，2014

圖8　2014年9月1日08：00 800 hPa濕位渦MPV1(a)、降水量(b)以及800 hPa濕位渦MPV2和風場(c)Fig.8　800 hPa MPV1(a),precipitation(b) and 800 hPa MPV2 and wind field (c) at 08:00 on Sep.1,2014

4.3濕位渦特征分析從9月1日08：00 800 hPa濕位渦正壓項(MPV1)的分布(圖8a)來看，32°N以南被若干個MPV1負值中心控制，表明低緯地區對流層低層暖濕空氣輸送強烈，大氣低層為對流不穩定狀態；MPV1正值區從山東、河北南部延伸至32° N以北地區，表明山東、河北地區有干冷空氣向低緯地區輸送；干冷空氣向低緯輸送導致在32.5° N附近形成4個呈“弓”狀排列的MPV1正值中心，其中重慶北部的MPV1正值中心強度達0.7 PVU；強降水就發生在MPV1等值線密集的零值線附近(圖8b)，這里正是冷暖空氣相交匯的地帶，垂直渦度強烈發展。可見，從低層MPV1的分布基本可以確定冷暖空氣的活動范圍，MPV1等值線密集的零線對于降水的落區和走向的預報有一定的指示意義。

從MPV2分布(圖8c)來看，31°～33° N存在呈緯向分布的狹長的MPV2負值區域，負中心位于陜、渝、鄂交界處，強度增強至-0.7 PVU。這是由于此時低空急流加強導致的風垂直切變增強和暖濕空氣輸送加強導致的θse水平梯度加大所致。可見MPV2負值中心的變化指示了低空急流和風垂直切變的發展。根據濕位渦理論[8]，風垂直切變的增強必然導致垂直渦度的強烈增長，進而引發強烈的上升運動。強降水就發生在MPV2強負值中心南側等值線密集區附近(圖8b)。MPV2負值區位置與副高北側偏西氣流和高壓底部偏東空氣形成的輻合區有極強的對應關系，可見MPV2負值區與輻合區緊密聯系，低層強烈的輻合使上升運動得以維持和加強。

5結論

(1)特大暴雨過程中，低空急流所攜帶的動量、熱量、水汽、不穩定能量為暴雨提供了熱力條件、水汽條件；地面冷高壓后部的偏北冷空氣嵌入副高外圍暖濕空氣下層形成冷墊，冷墊強迫抬升低空偏南暖濕空氣，為此次過程提供了動力觸發條件；切變線加劇了低層輻合，促進了對流運動的發展；重慶云陽地區處于高空急流出口區右側、低空急流軸左側，高、低空急流的耦合作用有利于上升運動的維持及加強。

(2)渦旋云系在發展、成熟、減弱階段均伴隨有MCSs的生消和移動。MCSs是降水的直接影響系統，雨團的強度與TBB冷中心強度密切相關，雨團的中心位于TBB冷中心與溫度梯度大值區之間的偏北冷空氣入流一側。且由于雨團的發展演變通常滯后于與其相對應的MCSs，因此MCSs的發展演變對于預報暴雨的強度和落區具有良好的指示意義。

(3)探空資料計算的對流指數對對流過程的發生演變有一定的指示意義。強降水發生之前，大氣在垂直方向上上冷下暖、上干下濕的配置結構極為有利于對流性不穩定的增強。

(4)副高外圍暖濕空氣是輸送暖平流的主要物理機制。102°E以東脊線前部偏北冷空氣和山東附近冷高壓底部的偏東冷空氣是輸送冷平流的主要物理機制。102°E以東脊線前部干冷平流向低空伸展，使對流不穩定性加強；而山東附近冷高壓底部的偏東冷空氣入侵嵌入暖濕空氣底部，使對流運動觸發。

(5)強降水發生于冷、暖空氣交匯的MPV1等值線密集的零線附近和MPV2強負值中心南側等值線密集區附近，對應對流不穩定和斜壓不穩定的疊置區域。低層MPV1的分布基本可以確定冷暖空氣的活動范圍，MPV1等值線密集的零線對于降水的落區和走向的預報有一定的指示意義。MPV2負值中心的變化指示了低空急流和風垂直切變的發展，MPV2負值區與輻合區緊密聯系，強烈的輻合使上升運動得以維持和加強。

參考文獻

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基金項目國家自然科學基金項目(41475071)。

作者簡介劉洋(1991- )，男，黑龍江海倫人，碩士研究生，研究方向：中小尺度氣象學。*通訊作者，副教授，碩士生導師，從事中小尺度氣象學研究。

收稿日期2016-04-03

中圖分類號S 165+.29

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-242-05

Study on Environment Field Characteristics of a Heavy Rain Process

LIU Yang, QIAN Zhen-cheng*

(College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101)

AbstractUsing precipitation data, satellite data,NCEP reanalysis data, Korea Meteorological Administration data, sounding data, the extreme torrential rain in Chongqing on 31 August 2014 was analyzed from aspects of weather situation, mesoscale feature and environment field feature. The results indicated that the rainstorm is the result of high-level jet, low-level jet, shear line and surface cold high pressure;MCS is the direct influence system of this precipitation, the development of which has indication significance on forecasting the intensity and area of heavy rainfall;convective index indicates the evolution of the strong convective storm, temperature and humidity field presents ‘cold and dry in high-level, warm and moist in low-level’ in vertical direction, convective instability get much stronger; warm advection is transported by the warm moist air of tropical pressure periphery, cold advection is transported by the cold air in the northward path that lies at the front of the high-pressure ridge near 102°Eand eastward path that lies at the bottom of the cold anticyclone near Shandong; heavy rainfall occurred in the zero line of MPV1 and the dense isoline region nearthe negative center of MPV2, which is corresponding to the junction of convective instability and baroclinic instability;the zero isoline of MPV1 has indication significance on heavy rainfallforecasting, there is close connection between the negative center of MPV2 and the convergence zone.

Key wordsHeavy rainfall; Circulation situation; MCSs; Airsounding analysis; Temperature and humidity field feature; Moist potential vorticity feature