2017年6月上旬江蘇南部一次極端暴雨過程分析

黃文彥，雷正翠*，俞劍蔚，姚麗娜，吳建秋，慕熙昱

（1.常州市氣象局，江蘇 常州 213022；2.江蘇省氣象臺，江蘇 南京 210008；3.江蘇省氣象科學研究所，江蘇 南京 210009）

暴雨是我國最常見的災害性天氣之一，江蘇省為暴雨事件頻發地區，連續或極端暴雨常帶來洪澇災害，給社會經濟和人民生產生活造成嚴重影響。江蘇的極端暴雨多發于臺風影響期間或梅雨期內，6月上旬一般處在梅汛期前，較少出現極端暴雨，但2017年6月上旬江蘇南部卻出現了一次區域性極端暴雨過程，暴雨中心常州日降水量達234.1 mm，超過6月上旬旬降水量歷史極值（186.2 mm），造成了嚴重城市內澇，帶來了較大經濟損失。

關于極端暴雨成因分析的研究成果很多，厄爾尼諾事件[1]或副熱帶高壓異常偏強[2]是極有利的氣候背景，天氣尺度和中尺度系統的相互作用使降水區長時間維持強的上升運動，為極端降水提供動力條件[3-5]。曾勇等[3]對新疆西部出現的一次極端特大暴雨過程進行了分析，認為中尺度對流云團生成后在引導氣流的作用下不斷向北移動發展，是造成暴雨的直接系統。栗晗等[4]對河南“7·19”豫北罕見特大暴雨降水特征及極端性進行了分析，發現多個地面中尺度氣旋移動造成的“列車效應”是導致局地特大暴雨的主要原因。源源不斷地水汽輸送是產生極端降水的必要條件之一[6-9]。廖曉農等[9]對2012年7月21日北京歷史罕見的特大暴雨進行了分析，認為產生長時間強降水的重要原因是邊界層以上大氣高濕特征一直維持。此外，大氣穩定度的變化[10-12]、冷空氣的影響[13-14]和地形[15-16]等也是產生極端暴雨的一些重要原因。甘璐等[10]對北京兩次特大暴雨過程進行對比分析得出“7·20”過程前期高空有厚度“爆增效應”，抑制了對流發展，而“7·21”過程整層厚度下降，前期冷空氣從高層侵入華北地區，表現為明顯的斜壓性，有利于對流發展。趙大軍等[13]研究結果表明強降水區位于干侵入指數等值線密集帶靠近其負值區一側，當干侵入指數正負中心的零線越靠近，降水越趨于增強。

大部分極端暴雨的研究集中在華北[17-19]、西南[20-22]和西北[23-26]地區，主要從水汽輸送特征[17，20，22，25]、環流形勢和中尺度系統特征[18-19，21，24，26]以及不穩定條件[23]等方面進行了研究，得出了許多有意義的成果。但不同地區極端暴雨產生的具體原因有一定差異，江蘇在夏季也常有極端暴雨出現，目前針對江蘇地區未受臺風影響且處在梅雨期外的極端暴雨研究較少，因此有必要加強研究。2017年6月上旬在江蘇南部出現了一次區域性極端暴雨事件，多個站點打破同期日降水量記錄，且出現在梅雨期之前，因此對這次過程進行診斷分析有重要意義。本文主要從形勢背景場、弱冷空氣影響、大氣穩定度、雷達回波特征和水汽收支等方面得出造成這次極端暴雨的主要原因，并與該區域同期其他暴雨事件進行對比分析，為極端降水的預報提供一些有用的信息。

1 資料與方法

降水實況空間分布資料使用中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）提供的自動站與CMORPH降水產品融合的降水數據集，空間分辨率為0.1°×0.1°；降水時間序列資料使用氣象觀測站的逐10 min和逐小時降水量。強降水的原因分析使用ERA-Interim再分析資料，時間分辨率為6 h，空間分辨率為0.5°×0.5°。雷達資料使用常州多普勒雷達站觀測得到的垂直風廓線（VWP）和反射率因子（R）。

干侵入指數（DI）的計算參照了姚秀萍和彭廣[27]的方法：

式中，V為水平風速，T為溫度，PV為位渦，θse為假相當位溫，若DI>0，表明有干侵入的存在。相當位渦（EPV）為Moore等[28]的定義：

其中，g為重力加速度，η 為絕對渦度，θse為假相當位溫，若EPV<0，表明大氣具有條件性的對稱不穩定。水汽收支方程[29]為：

其中方程左端第一項為水汽局地變化項，左端第二項為水平散度項，左端第三項為垂直輸送項，右端一項為水汽凝結項，在強降水過程中水平散度項和垂直輸送項起到重要作用。垂直上升運動引起的潛熱加熱率使用了Raymond[30]和Emanuel等[31]的方法，該方法的公式為：

式中，θ 指位溫，θse指假相當位溫，γm指濕絕熱遞減率，γd指干絕熱遞減率。

2 降雨實況

強降水主要集中在江蘇和安微兩省，雨帶近似東西走向（圖1a）。日降水量超過100 mm的大暴雨區主要位于江蘇省長江以南地區，有2站日降水量超過250 mm，其中最大雨量中心為常州金壇站，達265.3 mm。江蘇南部南京站破日降水量歷史記錄，南京浦口站和鎮江句容站破6月日降水量歷史記錄，常州站和常州金壇站破6月上旬日降水量歷史記錄，具有一定的極端性。

圖1b為2個達到特大暴雨級別站點（金壇和句容站）的逐小時降水量分布，這次極端降水過程從10日03時開始一直持續到10日19時，2個特大暴雨站均出現了5個時次以上的短時強降水，最大小時雨強均超過40 mm，可見本次降水過程具有強的對流性特征。圖1c為2個站最強小時雨強內逐10 min降水量分布，與逐小時降水量分布相類似，逐10 min降水量分布也呈現出顯著的不均勻性。

3 大氣環流和水汽條件特征

為了更加清晰地得出造成這次極端強降水的環流形勢特征，分析了2017年6月上旬天氣形勢平均場與近30 a 6月上旬平均場之間的差異。200 hPa（圖2a）在我國東部40°N以南地區出現一反氣旋，以北地區為一氣旋，反氣旋北部和氣旋南部的異常西風加強了高空的西風急流，其中強的異常偏西風位于渤海灣的東側，達到12 m·s-1以上，整個江蘇南部正好位于異常偏西風入口區的右側，也即加強的西風急流入口區的右側，有利于該地區長時間維持高空輻散，從而加強垂直上升運動。500 hPa（圖2b）在我國東南沿海地區出現異常反氣旋環流，表明該時期副熱帶高壓偏強，異常反氣旋環流西側為異常的低壓槽，低壓槽前部和反氣旋環流后部的西南氣流有利于將暖濕氣流直接輸送到蘇南地區。中高緯度在東北地區東部出現異常低壓環流，表明該時段東北冷渦偏強，此外在蒙古國地區有弱的異常高壓環流，低壓環流后部和高壓環流前部異常偏北風有利于弱冷空氣往我國東南部輸送，而江蘇地區正位于西南暖濕氣流和北部弱冷空氣輸送交匯地帶，這有利于降水強度的加強。700 hPa（圖2c）和850 hPa（圖2d）形勢與500 hPa相似，偏強的副熱帶高壓西北側的西南氣流與東北冷渦西南側的西北氣流交匯于江蘇省，且850 hPa上在該地區出現異常風場切變，為強降水的產生提供動力條件。

分析2017年6月上旬850 hPa比濕和水汽通量散度平均場與近30 a 6月上旬平均場的差異可知（圖3），35°N以北地區水汽條件大都不如常年，且大部分區域為強的水汽通量輻散區，不利于水汽的集中；而35°N以南地區水汽條件好于常年，該區域的比濕大都較常年偏高約1 g·kg-1，且大部區域為強的水汽通量輻合區，為強降水提供了有利的水汽條件。

4 物理量特征

圖1 2017年6月9日20時—10日20時累積降水量（a）、金壇和句容站逐小時降水量（b）以及金壇和句容站最強小時雨強內逐10 min降水量（c）

圖2 2017年6月上旬平均200 hPa（a）風場（箭頭，單位：m·s-1）和風速大小（等值線，單位：m·s-1）以及500 hPa（b）、700 hPa（c）、850 hPa（d）風場（箭頭，單位：m·s-1）和高度場（等值線，單位：gpm）與近30 a 6月上旬平均場差異

圖3 2017年6月上旬平均850 hPa比濕（等值線，單位：g·kg-1）和水汽通量散度（陰影，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1）與近30 a 6月上旬平均場差異

10日02時強降水開始前，32.5°N附近低層輻合場相對較弱，高層輻散場垂直伸展高度也較薄，垂直上升運動也相對較弱。10日08時和14時強降水期間（圖4a、4b）700 hPa以下出現數值為-10×10-5s-1的輻合中心，700 hPa以上出現6×10-5s-1的輻散中心，且輻合和輻散的垂直伸展高度都較高，從而帶來了強上升運動，垂直速度中心數值超過-15 Pa·s-1。10日20時700 hPa以下強輻合區依舊存在，但高層強輻散區明顯變薄，向上僅伸展到500 hPa附近，上升運動強度也顯著減弱。由此可見，強垂直上升運動從08時前后一直持續到14時前后，為強降水提供了有利的動力條件。10日08時和14時強降水期間（圖4c，4d），32.5°N附近700 hPa以下比濕均在9 g·kg-1以上，同時出現強水汽通量輻合，中心數值＜-10×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，因此較長時間的強上升運動同時配合充足的水汽條件和強的水汽輻合有助于極端降水的出現。以上分析表明通過ERA再分析資料得出的最強垂直上升運動區和水汽通量輻合中心區集中在32.5°N附近，向北偏離實際強降水區約1°左右（圖1a），因此ERA再分析資料對此次過程的分析具有一定的系統偏差。

趙大軍等[13]和韋英英[14]研究表明，干冷空氣入侵對暴雨的發生起著重要作用。10日08時600 hPa溫度平流空間分布可以看到（圖5a），114°E以東地區以暖平流為主，強的冷平流主要集中在35°N附近的黃土高原，該地區又有小股冷空氣向東向南影響到江蘇省的中西部地區，中心冷平流強度在-0.8×10-4K·s-1，說明中層有弱冷空氣侵入。如果鋒生函數＞0，則表明該地區有鋒生的可能。由鋒生函數空間分布可知（圖5b），江蘇省的西部和強上升中心32.5°N附近鋒生函數為正值，說明這些地區出現鋒生。同時，32.5°N附近江蘇西部冷平流和冷鋒鋒生強度要明顯強于東部，與實況中的江蘇南部西側降水明顯強于東側一致。可見，鋒生區、冷平流區和強降水區有很好的對應關系，當高層干冷空氣逐漸向低層受暖濕氣流控制的江蘇省入侵時，上干冷、下暖濕的配置加強了位勢不穩定，有助于對流的產生和發展，也使得暴雨增強。

圖4 2017年6月10日08時和14時沿120°E垂直速度（a，b，等值線，單位：Pa·s-1）、散度（a，b，陰影，單位：10-5 s-1）、比濕（c，d，等值線，單位：g·kg-1）和水汽通量散度（c，d，陰影，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1）緯度—高度剖面

圖5 2017年6月10日08時600 hPa溫度平流（a，單位：10-4 K·s-1）和鋒生函數空間分布（b）

這次強降水過程中有干冷空氣侵入，干侵入指數綜合了冷平流、相對濕度和位渦等相關物理量，對強降水區域具有一定的指示意義。干侵入指數若為正值，則表明有干侵入出現。10日08時600 hPa干侵入指數分布表明（圖6a），江蘇省北部的干侵入指數為負值，即這些地區沒有干侵入存在。較明顯的干侵入區主要集中在32.5°N附近，與冷鋒鋒生區和強垂直上升運動區相吻合，表明中層干侵入對這次降水的增幅有一定作用。冷空氣的加入還會帶來大氣穩定度的變化，特別是條件性的對稱不穩定能帶來強的傾斜對流，而傾斜對流往往導致強降水。相當位渦（EPV）對條件性的對稱不穩定具有一定的指示意義，若EPV ＜0，則表明大氣具有條件性的對稱不穩定。10日08時600 hPa相當位渦空間分布（圖6b）在江蘇北部為大的正值區，表明大氣層結是條件性的對稱穩定，不利于斜上升運動的發展，而在冷鋒鋒生區和干侵入區的32.5°N附近EPV的值＜-1 PVU，即該地區存在明顯的條件性對稱不穩定，從而加強斜上升運動，有利于強降水的發生。

圖6 2017年6月10日08時600 hPa干侵入指數（a，單位：10-6PVU·s-1）和相當位渦空間分布（b，單位：PVU）

5 雷達資料分析

10日01時雷達回波自西向東移動開始影響常州，但此時回波強度還較弱，徑向風風廓線（VWP）地面到高空都為穩定的西南風，常州降水基本以主雨帶邊緣的層云降水為主。04時開始VWP（圖7a）近地層為東南風，向上逐漸轉變為西南風，有明顯的低空風切變。07時開始（圖7b）地面到高空有明顯的風向順時針切變，風速明顯加大，中層盛行穩定的西南急流，有利于降水系統的發展和維持。

從回波強度來看，04：29（圖8a）部分地區鑲嵌著積云帶的降水雨帶開始影響常州，之后降水回波不斷增強發展，9：03開始強度達45～55 dBZ的強降水回波源源不斷地經過常州（圖8b），形成明顯的列車效應，是產生極端降水的主要原因。

6 極端性分析

圖7 常州雷達站03：48—04：46（a）和07：00—07：59（b）VWP

圖8 04：29（a）、09：03（b）常州雷達站0.5°仰角反射率強度

6月上旬江蘇南部出現暴雨的次數總體并不多，以此次暴雨中心常州地區為例，20世紀90年代以后發生在6月上旬的暴雨過程共有12次，且其他年份11次暴雨量要比這次極端暴雨量少一半以上，可見此次過程相比于其他暴雨過程有顯著差異，具有明顯的極端性。2017年和其他年份11次6月上旬暴雨過程平均1 000～100 hPa水汽通量大小垂直積分分布可知（圖9），兩者在江蘇省的空間分布基本相似，都呈現出由南向北的遞減趨勢。2017年（圖9a）極端暴雨過程的整層水汽通量垂直積分在江蘇南部的數值超過8 g·cm-1·s-1，而其他年份11次（圖9b）暴雨過程的平均值僅為6 g·cm-1·s-1，因此2017年極端暴雨過程的總體水汽條件要明顯好于其他幾次暴雨過程。

源源不斷地水汽輸送是暴雨形成的必要條件之一，2017年和其他年份11次6月上旬暴雨過程平均沿120°E水汽收支方程中水平散度項和垂直輸送項的緯度—高度剖面可知（圖10），2017年水平散度項（圖10a）在32.5°N附近500 hPa以下均為負值，最小值＜-8×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，表明中低層有顯著的水平水汽通量的輻合，從而為強降水提供充足的水汽，其他年份11次暴雨過程中平均水汽輻合區（圖10b）僅維持在600 hPa以下，最小值＜-2.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，約為2017年的1/3，因此2017年水汽輻合強度和垂直伸展高度均大于其他年份。

垂直輸送項兩者同樣存在顯著差異，2017年（圖10c）700 hPa以下數值均為正值，最大值＞8×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，與水平散度項最小值的絕對值基本相等，表明低層水平輻合的水汽都往高層輸送，700 hPa以上負值區逐漸增多，說明低層水汽均被垂直輸送到700 hPa以上，最小值出現在500 hPa左右，數值低于-6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，其他年份垂直輸送項（圖10d）正負值轉換高度也約在700 hPa附近，但強度要明顯弱于2017年，低層往高層輸送的水汽值僅為2×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，高層獲得的水汽值也僅低于-1.5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，兩者均約為2017年的1/3。從水汽收支方程中水平散度項和垂直輸送項之和可知（圖10e，10f），兩者從地面到200 hPa以上都為負值，即獲得水汽，但2017年強水汽輻合中心的數值低于-4×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，而其他年份水汽輻合中心的數值＜-1.2×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，可見，2017年強降水區總的水汽輻合強度也為其他年份平均值的3倍。

除水汽條件存在顯著差異外，本次極端降水過程中的垂直速度也與其他年份有明顯區別。2017年和其他年份11次6月上旬暴雨過程平均沿120°E垂直速度和潛熱加熱率的緯度—高度剖面分布表明（圖11），2017年（圖11a）強的垂直上升運動從底層一直伸展到200 hPa，而其他年份（圖11b）平均垂直上升運動主要集中在850～200 hPa，同時2017年垂直上升運動中心數值在-15 Pa·s-1左右，約為其他年份強上升運動平均值的3倍，因此2017年強降水過程中的上升運動相比于其他年份強度強且垂直伸展的厚度厚。垂直上升運動能帶來潛熱加熱，而潛熱加熱能正反饋于上升運動。由圖11可知2017年強上升運動區的潛熱加熱率最大值在1.2×10-4K·s-1左右，同樣是其他年份強潛熱加熱率平均值的3倍，2017年強的潛熱加熱也部分加強上升運動，從而引起強降水。

圖9 2017年（a）和其他年份11次6月上旬暴雨過程平均（b）1 000～100 hPa水汽通量大小垂直積分（單位：g·cm-1·s-1）

圖10 2017年和其他年份11次6月上旬暴雨過程平均沿120°E水汽收支方程中水平散度項（a，b，單位：10-5g·cm-2·hPa-1·s-1）、垂直輸送項（c，d，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1）及水平散度項和垂直輸送項之和（e，f，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1）緯度—高度剖面

圖11 2017年（a）和其他年份11次6月上旬暴雨過程平均（b）沿120°E垂直速度（等值線，單位：Pa·s-1）和潛熱加熱率（陰影，單位：10-4 K·s-1）緯度—高度剖面

夏季暴雨出現時經常會伴有地面氣旋的過境，2017年極端降水出現時地面有氣旋東移，其他年份6月上旬11次暴雨過程發生時，地面有6次出現了氣旋。圖12a～12c給出了不同暴雨過程對應地面氣旋路徑，2017年（圖12a）地面氣旋形成以后略有北折進入淮河上游，然后在安徽南折進入江蘇的南部。其他年份（圖12b，12c）6次氣旋路徑中僅有一次與2017年類似，先北上然后南下進入江蘇南部，其他5次過程氣旋路徑都是以北移或者東移為主，氣旋過境江蘇時并未出現明顯的南移。圖12d為夏季引起江蘇南部區域性暴雨的江淮氣旋路徑[32]，大部分氣旋在安徽開始有明顯的南折然后再進入江蘇，這一路徑和2017年的氣旋路徑相似，且其他年份6月上旬中唯一一次同樣類似的氣旋路徑給常州帶來的降水也是100 mm以上的大暴雨，因此2017年極端降水對應的氣旋路徑是易帶來強降水的氣旋路徑。

圖12 2017年（a）和其他年份（b，c）6月上旬暴雨過程對應的地面氣旋路徑以及夏季江蘇南部氣旋路徑（d）

7 結論

（1）2017年6月上旬江蘇南部極端暴雨過程強降水集中在江蘇和安微兩省，最強降水中心日降水量超過250 mm。暴雨區位于加強的200 hPa西風急流入口區的右側，700和850 hPa上偏強的副熱帶高壓西北側的西南氣流與東北冷渦西南側的西北氣流交匯于江蘇省，850 hPa在該地區出現異常風場切變，為極端強降水的發生提供了有利的天氣背景條件。35°N以南比濕大都較常年偏高1 g·kg-1，且江蘇南部為異常水汽通量輻合區，為強降水的發生提供了充足的水汽條件。

（2）強降水長時間維持是出現極端降水的重要原因之一。中層干侵入的出現對這次降水的增幅有一定作用。32.5°N附近江蘇西部冷平流和冷鋒鋒生強度明顯強于東部，造成了江蘇南部西側降水明顯強于東側。32.5°N附近存在明顯的條件性對稱不穩定，加強了斜上升運動，有利于強降水的發生。降水雨帶中嵌套的中尺度積云降水自西向東移動，在暴雨區形成列車效應，也是產生極端降水的原因之一。

（3）從水汽水平輻合強度、垂直輸送強度、總水汽輻合強度、垂直上升及潛熱加熱強度來講，2017年均為6月上旬同期其他暴雨過程的3倍。此外2017年極端降水對應的地面氣旋路徑為先東移北折進入淮河上游，然后在安徽南折進入江蘇南部，該路徑較易給江蘇南部帶來強降水。