一次大暴雨過程中孝感市南北部降水明顯差異的成因分析

鄧凱

摘要 ? ?利用高空地面氣象站觀測資料、FY2G衛星云圖、EC細網格和GRAPES_GFS模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格點資料，對2019年6月20日孝感市大暴雨過程北部和南部地區降水明顯差異的成因進行了分析。結果表明，此次孝感市大暴雨過程南北部地區降水差異，是在有利的環流背景及大尺度影響系統下，與中尺度系統共同作用的結果。強降水是由一個中尺度對流云團發展產生的，強對流云團中心與強降水中心并不是一一對應關系，強降水出現在中尺度對流云團西邊尾部邊緣的云頂亮溫水平梯度最大的地方。南北部地區降水差異與925 hPa中尺度切變線密切相關，在925 hPa垂直速度、水汽通量散度和對流有效位能的分布上有明顯的反映，南部地區強烈上升運動、水汽大量輻合和大量不穩定能量釋放是南部地區強降水發生的重要因素，北部地區情況正好相反，因而降水較弱。

關鍵詞 ? ?大暴雨;衛星云圖;中尺度系統;物理量診斷;湖北孝感

中圖分類號 ? ?P458.121.1 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）20-0191-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

孝感市位于湖北省東北部，管轄7個縣市區，北部地區包括大悟縣、安陸市、孝昌縣3個縣市，南部地區包括云夢縣、應城市、孝南區、漢川市4個縣市區。2019年6月20日8：00至21日8：00，孝感市出現了一次大暴雨天氣過程，暴雨區出現在南部的漢川、孝南、云夢，其中漢川站出現了特大暴雨，而北部的大悟、安陸僅下了小到中雨。這種降水強度南北部地區的明顯差異，給暴雨預報造成了很大的難度。為了進一步提高類似暴雨過程的預報水平，本文利用高空地面氣象站觀測資料、FY2G衛星云圖、EC細網格和GRAPES_GFS模式高分辨率再分析格點資料，對此次大暴雨過程北部和南部地區降水明顯差異的成因進行了分析。

1 ? ?降水概況

2019年6月20日8：00至21日8：00，孝感全市24 h降水量分布不均勻（圖1），南部地區的孝南站、云夢站出現了暴雨，其中孝南站50.2 mm、云夢站79.9 mm，漢川站出現了特大暴雨，為256.0 mm，而北部地區的大悟站、安陸站僅下了小到中雨，其中安陸站為小雨9.1 mm、大悟站為中雨16.8 mm。孝感全市108個區域氣象觀測站中，有15個站出現了日降水量>100 mm的大暴雨，均出現在南部地區。從降水時間分布來看，強降水主要出現在20日下半夜，即21日2：00—7：00（圖2），在這5 h中，漢川國家氣象觀測站和漢川市汈汊湖區域氣象觀測站累計降水量分別為222.9 mm和169.4 mm，分別占其日降水量的87.1%和89.9%，小時最大降水量出現在21日3：00—4：00，漢川市汈汊湖站最大，為69.9 mm，漢川站次之，為65.1 mm。

2 ? ?環流背景及影響系統

6月20日20：00 500 hPa天氣圖上（圖3），歐亞中高緯地區為“兩槽一脊”型，東經80°東邊至巴爾喀什湖以東有一長波槽，鄂霍次克海至亞洲沿海為低渦低槽區，兩槽之間，貝加爾湖到蒙古為一高壓脊。副熱帶高壓脊線位于北緯21°附近，588 dagpm線位于衢州—南昌—長沙—懷化—威寧一線。500 hPa圖上，亞洲沿海的低渦低槽轉動，帶動中低層和地面弱冷空氣從東海南下;亞洲沿海的低渦低槽區后、貝加爾湖到蒙古高壓脊前的偏北氣流，與副熱帶高壓北部的西南氣流交匯，為中低層江淮變線的生成與發展提供了有利的大尺度環流背景。6月21日8：00 500 hPa副熱帶高壓減弱南退，中低層江淮變線東移南壓，孝感市強降水過程隨之結束。

6月20日20：00 700 hPa低空西南急流位于安慶—南昌—郴州—桂林—河池一線，最大風速16 m/s;850 hPa江淮地區上海—南京—武漢—宜昌—達縣一沙坪壩有一明顯暖式切變線，切變線南側為西南風、北側吹偏東風，低空西南急流位于南昌—長沙—桂林—河池一線，最大風速12 m/s;700 hPa和850 hPa在江淮地區還存在明顯的風速輻合，如700 hPa武漢、安慶為西南偏西風12 m/s和14 m/s，而其北邊的南陽、阜陽均為偏西風4 m/s，江淮地區風速輻合強度大。6月21日8：00，隨著副熱帶高壓減弱南退，中低層和地面弱冷空氣南下，925 hPa江淮切變線轉為冷式切變線，切變線南壓至武漢以南，武漢轉為西北風，強降水南壓移出孝感市。地面天氣圖上，大暴雨發生以前6月20日14：00，地面暖倒槽迅速發展，湖北省大部增暖降壓明顯，武漢站24 h變溫變壓分別為+6.0 ℃、-4.6 Pa，荊州站24 h變溫變壓分別為+4.0 ℃、-4.4 Pa，大暴雨發生以后6月21日14：00，湖北省大部降溫增壓明顯，武漢站24 h變溫變壓分別為-10.0 ℃、+2.9 Pa，荊州站24 h變溫變壓分別為-10.0 ℃、+4.3 Pa。本次大暴雨過程的主要影響系統為中低層暖切變線、低空西南急流、地面暖倒槽和冷空氣。

3 ? ?降水差異的成因分析

3.1 ? ?中尺度對流云團的發生發展分析

利用半小時一次的FY2G紅外云圖資料，對本次大暴雨產生的中尺度對流云團進行了分析（圖4），6月20日18：00在中低層江淮切變線上，在江漢平原的鐘祥、潛江兩地分別生成了γ中尺度云團B、C，同時在孝感市東邊的黃陂生成了一個γ中尺度云團D，見圖4（a）。19：00紅外云圖上，位于鄂西北的β中尺度云團A開始減弱，見圖4（b），并且其強度一直在減弱、范圍持續在縮小，至21日1：00完全消失;與此同時，位于江漢平原的鐘祥和潛江兩地的中尺度云團B、C開始發展加強，見圖4（b），B云團向東移動，C云團向南移動，其云頂最低溫度達到-79 ℃，另外，位于黃陂的γ中尺度云團D也開始發展，漢川上空也開始生成了一個γ中尺度云團E。其后，中尺度云團B、C、D、E繼續發展，并逐步匯合在一起，至20日21：00，融合發展成為一β中尺度云團F，見圖4（c），其中心位于天門附件，云團邊界清晰、發展旺盛，其云頂最低溫度達到-81 ℃。隨后，中尺度云團F不斷向東移動，其內部γ中尺度云團有生有消，但總體穩定、主體東移，至21日4：00，中尺度云團F主體已移到黃岡地區，見圖4（d），僅有F的西邊尾部位于漢川。至21日8：00，中尺度云團全部東移南壓，孝感市強降水停止。

總體來講，本次孝感市大暴雨過程是由一個中尺度對流云團產生，其中尺度對流云團的發生、發展和移動，與本次過程的降水范圍和時間基本相對應。從圖4可以看出，中尺度對流云團位置偏南，孝感市北部（特別是大悟）基本上都處在中尺度對流云團影響范圍以外，造成了孝感市北部地區降水偏弱。值得注意的是，強對流云團中心與強降水中心并不是一一對應關系，強對流云團中心于20日22：00位于漢川上空，但22：00前后漢川市降水強度并不很強（圖2），由圖4（d）可看出，漢川處在中尺度對流云團西邊尾部邊緣時，云團邊緣的云頂亮溫水平梯度達到1.7 ℃/km，即21日3：00—4：00，漢川出現了小時最大降水量65.1 mm（圖2），由此可見，中尺度對流云團西邊尾部邊緣的云頂亮溫梯度最大的地方，很可能出現強降水天氣。

3.2 ? ?中尺度系統分析

一般認為，暴雨是在幾種尺度系統相互作用的情況下發生發展的，而中小尺度系統則是其產生的最直接的系統[1-2]。孝感市位于江漢平原東北部至鄂東北中部，全境南北長約163 km，東西寬約122 km，屬于天氣學概念的中尺度范疇。通過分析中高層的影響系統發現，大尺度系統不能很好地解釋本次孝感市大暴雨的南北部降水明顯差異的原因，因而利用EC細網格模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格點資料和地面加密觀測料，對此次大暴雨過程的中尺度系統特征進行了分析。

通過分析發現，此次孝感市大暴雨的中尺度影響系統，在近地面層925 hPa和地面反映比較明顯（圖5）。20日8：00在925 hPa圖上，長沙至武漢有一偏南風低空急流（D線），最大風速14 m/s，925 hPa低空急流在大暴雨發生前開始暴發。20日16：00在地面圖上，孝昌—應城—天門—沙洋有東北至西南的風向幅合線（C線），長度200 km左右，輻合線位于孝感市西南部。EC細網格模式再分析格點資料顯示，20日8：00在925 hPa圖上江漢平原至鄂東北為一致的偏南風，21日8：00（大暴雨結束）在925 hPa圖上江漢平原至鄂東北又轉為一致的偏北風，而在強降水發生前6 h，即20日20：00在925 hPa圖上，有一明顯的東西向中尺度切變線（A線），切變線穿過孝感市中部，位于紅安—孝昌—安陸—京山—鐘祥一線，長度約200 km，中尺度切變線北側吹偏東風、南側吹西南風，切變線上還存在明顯的風速幅合;與此同時地面圖上，江漢平原至鄂東北出現一條干線（露點鋒）（B線）。

綜合上述分析，在中高層大尺度系統引導下，特別是500 hPa亞洲沿海低渦低槽轉動、700 hPa和850 hPa江淮切變線、低空西南急流影響下，由于地面幅合線、925 hPa低空急流等的觸發作用，加上弱冷空氣南下江準流域產生擾動，使得20日18：00江漢平原的鐘祥、潛江的中尺度對流云團發展，見圖3（a），至20日20：00中尺度對流云團在925 hPa中尺度切變線、地面干線等的激發下，進一步加強東移，至21：00發展形成一β中尺度云，見圖3（c），其中心位于天門至漢川，由于孝感市北部位于925 hPa中尺度切變線的北邊，對流發展受到抑制，因而降水強度比較弱。

3.3 ? ?物理量診斷分析

利用EC細網格和GRAPES_GFS模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格點資料，對產生強對流天氣的動力、水汽和不穩定因子等進行了分析，發現925 hPa垂直速度、水汽通量散度和對流有效位能對本次孝感市大暴雨南北部地區降水的差異有較好的診斷作用。

3.3.1 ? ?垂直速度分析。從圖6可以看出，在6月20日20：00 925 hPa的P坐標垂直速度場中，在中尺度切變線以北，即孝感市北部地區為弱的下沉氣流，而在中尺度切變線以南，即孝感市南部地區為上升氣流，漢川站附近垂直速度為 -35 Pa·s-1，孝南至武漢黃陂有一垂直速度為-100 Pa·s-1的上升運動中心。在孝感市這一中尺度范圍中，形成了一個北部為下沉氣流、南部為上升氣流的中尺度環流，有利于孝感市南部地區的強對流天氣發展，而不利于北部地區強對流天氣發展。

3.3.2 ? ?水汽通量散度分析。分析20日20：00 925 hPa水汽通量散度（圖7），在強降水發生前6 h，孝感市南北部地區水汽通量散度存在著明顯的差異，北部地區為水汽通量輻散區，大悟站附近水汽通量散度為60×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1，而孝感市南部地區為水汽通量輻合區，漢川站附近水汽通量散度為-65×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1，應城北部有一水汽通量散度為-100×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1的強水汽輻合中心。在孝感市這一中尺度范圍中，南部為水汽輻合區，為該地區強降水提供了水汽條件，有利于強降水發展，而北部地區為水汽輻散區，不利于強降水發展。

3.3.3 ? ?對流有效位能分析。對流有效位能（CAPE）對強對流天氣的發生有較好的指示意義[3-4]。分析孝感市本次大暴雨過程的CAPE變化可知（圖8），6月20日8：00，孝感全市CAPE值都比較小，大氣比較穩定，大悟站附近為270 J/kg、漢川站附近為500 J/kg。至20日20：00，CAPE值迅速增大，南部地區出現一個2 300 J/kg的大值中心，位于漢川站附近，大悟站附近為563 J/kg、漢川站附近為2 300 J/kg，12 h變量大悟站為293 J/kg、漢川站為1 800 J/kg，漢川站的增量為大悟站的6倍多，說明南部地區不穩定能量大量積累。至21日8：00，孝感全市CAPE值迅速減小，南北地區均在200 J/kg以下，說明此時不穩定能量已經釋放完畢，對應地面的強降水也隨之結束。由以上分析可知，本次孝感市南北部地區降水差異，與CAPE值有關，CAPE值大的南部地區，有強降水發生，CAPE值小的北部地區，降水較弱，南部地區CAPE值迅速減小，南部地區強降水也隨之結束。

4 ? ?結論

（1）本次孝感市大暴雨過程南北部地區降水差異，是在有利的環流背景及大尺度影響系統下，與中尺度系統共同作用的結果，中尺度系統主要是925 hPa中尺度切變線、低空急流、地面輻合線和干線（露點鋒）等。

（2）南部地區的強降水是由一個中尺度對流云團發展產生的，強對流云團中心與強降水中心并不是一一對應關系，強降水出現在中尺度對流云團西邊尾部邊緣的云頂亮溫水平梯度最大的地方，本次過程達1.7 ℃/km。

（3）南北部地區降水差異與925 hPa中尺度切變線密切相關，在925 hPa垂直速度、水汽通量散度和對流有效位能的分布上有明顯的反映，南部地區強烈上升運動、水汽大量輻合和大量不穩定能量釋放是南部地區強降水發生的重要因素，北部地區情況正好相反，所以降水較弱。

5 ? ?參考文獻

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