2019年5月湖北東部一次大暴雨過程診斷分析

黃思先，王 保*，翟紅楠

（1.鄂州市氣象局，湖北 鄂州436000；2.武漢市氣象局，湖北 武漢430040）

湖北東部地區江河水網密布，地理特征復雜，暴雨天氣對農業生產、城市交通以及人民生命財產安全造成極大的危害[1-2]。暴雨作為一種重要的天氣過程，一直是國內外研究的重點，對暴雨形成機理到監測預測等的理論和方法進行研究，得到了許多有價值的成果[3-20]。黃榮輝等[20]對長江流域洪澇災害和持續性暴雨發生特征和成因進行了研究，發現1977年之后長江持續性暴雨增多，且持續性暴雨都發生在“鞍”型環流場下。王新敏等[21]研究指出，500 hPa正渦度平流是西南渦生成、發展的重要因素，渦度場與垂直速度同相對應強降水旺盛期，強上升運動區和暴雨區吻合較好。蘇愛芳等[22]研究指出，對流性暴雨易產生在中尺度對流系統（MCS）發生發展期，其落區位于MCS云頂亮溫低值中心附近及后側梯度大值區。顧佳佳等[23]研究指出強降水主要由低渦云系中不斷生成發展的中尺度對流云團造成，其落區與云頂亮溫（TBB）梯度大值區對應且靠近其低值中心。胡容等[24]研究指出水汽螺旋度高值區和水汽散度通量低值區都與強降水區域有較好的對應關系，且有較好的時間相關性，對強降水落區和降水系統的移動發展有一定的指示意義。尹潔等[25]指出強盛水汽及輻合上升運動、低層西南風急流加強、中層弱冷空氣活動、對流不穩定層結加劇、地面輻合線維持少動等多種因素的共同疊加作用導致了這次持續性暴雨的發生和維持。廖移山等[26]對襄樊特大暴雨的診斷分析認為，高空急流及其右側輻散區的維持有利于低層的上升運動和暴雨的持續。馬月枝等[27]研究指出特大暴雨區在強降水開始前和持續期間其上空始終保持深厚濕層，強降水時段特大暴雨區存在超低空急流。

在全球氣候變暖的背景下，湖北東部地區極端暴雨事件時有發生。目前有關暴雨形成機理的研究較多，但單獨針對湖北東部地區的研究還比較少，而且在實際的預報服務中針對湖北東部地區的暴雨落區和雨量預報的依據還存在不足。因此本文對2019年5月25日發生在湖北東部的一次大暴雨天氣過程的環流背景、水汽條件、動力條件、不穩定條件以及云圖特征等進行診斷分析研究，擬揭示此次暴雨發生的原因和特征，以期為湖北東部地區暴雨過程的研究和預報提供參考。

1 資料說明及降水實況

1.1 資料說明

本文采用資料有：NCEP 1°×1°格距fnl（Final Operational Global Analysis）逐6 h再分析資料、國家衛星氣象中心提供的FY-2F逐時云頂亮溫（TBB）資料、國家氣象站常規探空和地面氣象觀測資料、湖北省區域氣象自動站資料，文中各物理量場由NCEP再分析資料提取或計算得到。

1.2 降水實況

2019年5月25日08時—26日08時，湖北東部出現一次大暴雨天氣過程（圖1a）。本次大暴雨過程主要有4個強降水時段，第一個時段為25日15—18時，強降水主要位于湖北東部的中部一線；第二個時段為25日20—23時，強降水主要位于湖北東部西側；第三個時段為26日00—02時，強降水主要位于湖北東部北側和南側；第四個時段為26日03—06時，強降水主要位于湖北東部南側咸寧市。國家氣象站過程累積降水量＞100mm的有21站，＞150mm的有6站；過程最大累積降水量為209.3 mm，出現在仙桃，逐小時雨量分布見圖1b，超過20mm的小時雨量達到4個時次；區域自動氣象站過程累積降水量＞100mm的有464站，＞150mm的有116站，過程最大累積降水量為275.7 mm，出現在潛江漁洋鎮。國家氣象站最大雨強為60.3 mm/h，區域自動氣象站最大雨強為81.2 mm/h，都于25日22時分別出現在監利縣和潛江市漁洋鎮。大暴雨期間區域自動氣象站小時雨強≥20mm/h有37站，其中26日00時最多，達到102站，其次是25日16時，為53站。本次大暴雨天氣過程具有持續時間長、影響范圍廣、雨量強度大的特點。受強降水影響，湖北東部部分縣市出現嚴重城市內澇，部分地區出現交通癱瘓、電力中斷、房屋倒塌等災情，部分農田出現漬澇。

圖1 5月25日08時—26日08時湖北省國家氣象站降水分布（a）和仙桃氣象站小時雨量分布（b）

2 環流背景及影響系統

2019年5月24日20時500 hPa高度場上，亞歐中高緯為兩槽兩脊的環流形勢，高壓脊位于烏拉爾山和東亞東岸，兩槽分別位于歐洲西岸和貝加爾湖附近。中緯度在華北—四川盆地附近為低槽。25日08時，貝加爾湖南部低槽不斷加深，東部脊維持穩定，華北低槽略有東移，盆地低槽維持穩定。25日20時，中高緯貝加爾湖低槽東移至蒙古以東，其南部不斷有小槽分裂南下控制華北地區，盆地低槽維持穩定略有東移，東部脊略有東移。26日08時，中高緯系統位置基本維持穩定，但貝加爾湖以東低槽南部逐漸加深并東移，盆地槽東移至湖北東部，之后隨著中緯度低槽進一步東移，降水結束。分析25日02時—26日08時700 hPa和850 hPa流場（圖2），700 hPa上有西南低渦從四川盆地移出，低渦中心于25日20時—26日02時在湖北中西部穩定維持，湖北東部位于低渦東南部，受西南風控制，風速＞12 m·s-1，此后隨著低渦向東北方向移動移出湖北，湖北東部逐漸由西南風轉為西北風；25日20時之前850 hPa受穩定西南急流控制，急流位于湖南東部，急流核風速達到16 m·s-1以上，湖北東部位于急流出口區前部，有強烈的風速輻合，到26日02時湖北中北部出現低渦，此時湖北東部受低渦東南側西南急流控制，風速輻合明顯，隨著低渦逐漸東移，湖北東部轉受西北氣流控制。500 hPa低槽、700 hPa和850 hPa西南低渦及西南急流是造成此次大暴雨的天氣尺度影響系統，受下游高壓脊的阻擋作用，中低層低渦和急流長時間影響湖北東部，造成強降水維持較長時間。

圖2 5月25日14時和20時700 hPa（a、b），850 hPa（c、d）流場（流線）和風速場（陰影，單位：m·s-1）

3 暴雨過程診斷分析

3.1 水汽條件

大暴雨的產生需要大量的水汽輸送及輻合，并且要有較小的溫度露點差。對850 hPa水汽通量、水汽通量散度和溫度露點差診斷計算表明，25日08時（圖3a），湖北東部及以南地區存在一支西南向的水汽輸送通道，在湖北東部水汽通量值達到20 g·（cm·hPa·s）-1，并且存在水汽通量散度值＜-6×10-5g·（cm2·hPa·s）-1的水汽輻合中心，湖北東部溫度露點差＜4℃，部分地區甚至＜2℃，表明此時空氣處于飽和狀態。14時，湖北東部水汽通量輸送、水汽輻合以及＜4℃的溫度露點差仍然維持。到20時，湖北東部水汽通量輸送和水汽輻合明顯減弱，但湖北東部中南部地區溫度露點差進一步減小到2℃左右，此條件為后續強降水提供了有利條件。26日02時（圖3b），湖北東部西南向水汽通量又增大到20 g·（cm·hPa·s）-1左右，存在一個＜-7×10-5g·（cm2·hPa·s）-1的水汽輻合中心，＜4℃的溫度露點差區域仍在湖北東部維持，并且＜2℃的區域移到中北部。此后隨著時間推移湖北東部水汽通量輸送和水汽輻合逐漸減小，湖北東部溫度露點差也逐漸增大到8℃以上。

分析水汽通量散度和溫度露點差沿30°N緯向垂直剖面可知，25日08時（圖3c），在湖北東部650 hPa以下存在水汽輻合區，湖北東部的西側輻合中心位于950 hPa以下，其中心值為-6×10-5g·（cm2·hPa·s）-1，其東側輻合中心位于900 hPa附近，中心值為-8×10-5g·（cm2·hPa·s）-1，900 hPa以上和950 hPa以下溫度露點差都＜4℃，其中700 hPa以上溫度露點差＜1℃，空氣趨于飽和。14時，湖北東部水汽輻合和低溫度露點差條件維持，在其西側975 hPa附近又有一個輻合中心生成，其東側輻合中心略有下移。20時，湖北東部東西兩側水汽輻合中心略有外移，整個東部上空水汽輻合明顯減小，但低溫度露點差仍然維持。26日02時（圖3d），湖北東部水汽輻合明顯加強，850 hPa以下水汽通量散度＜-5×10-5g·（cm2·hPa·s）-1，并且在湖北東部的西側975 hPa、中部900～1000 hPa和東側900 hPa處存在中心值＜-7×10-5g·（cm2·hPa·s）-1的水汽輻合中心，500 hPa以下整層溫度露點差都＜3℃，僅900 hPa附近溫度露點差相對較高。此后隨著時間推移，湖北東部500 hPa以下水汽輻合明顯減弱，850 hPa以上溫度露點差逐漸增大，由對流層中下層整層飽和變為僅下層飽和。

圖3 5月25日08時（a、c）和26日02時（b、d）水汽通量場（矢量，單位：g·（cm·hPa·s）-1）、水汽通量散度場（單位：10-5 g·（cm2·hPa·s）-1）以及溫度露點差（陰影，單位：K）

3.2 動力條件

高低層大氣渦度、散度以及垂直速度的合理配置能給大暴雨產生和發展提供有利的條件。對25日08時—26日14時112°～116°E、29°～31°N區域平均渦度、平均散度和平均垂直速度進行分析（圖4a，4b），高層負的平均渦度在25日20時之前維持在300 hPa以上，其下為弱的負平均渦度，從25日14時開始隨著高空槽和西南渦東移，中層400 hPa及以下正平均渦度逐漸向下層發展并且強度不斷增大，這種低層正渦度、高層負渦度的配置有利于觸發較強的上升運動，對降水的產生和發展有著重要的作用。隨著高低層轉為一致的較強正的平均渦度，表明此時高空槽、低空低渦逐漸位相重合，有利于降水的維持，到26日08時，整層平均渦度迅速減小，此時高中低層系統移出湖北東部。對于平均散度而言，26日08時之前其在400 hPa以上維持長時間的正散度，正中心位于200 hPa附近，400 hPa以下維持負散度，26日02時之前中心位于600 hPa附近，26日20時之后低層平均散度負值區明顯下移，中心位于800～900 hPa，高層輻散低層輻合的配置明顯向對流層下層壓縮，這種對流層非常明顯的高層輻散低層輻合配置也進一步觸發上升運動，有利于對流不穩定導致強降水發生和維持。對于平均垂直速度，其在26日02時之前在400～500 hPa之間一直維持上升運動中心，在02時上升運動中心有明顯下移，中心下移到700 hPa。高層負渦度、低層正渦度的配置催生了高層輻散低層輻合的散度配置，同時高層輻散低層輻合又反過來促進了高層負渦度低層正渦度配置的維持，通過暴雨區上下層渦度和散度的配置，其低層渦度逐漸增加，輻合加強，有利于垂直上升運動加強，觸發了暴雨區整個對流層較強的上升運動，上升運動又有利于將低層的水汽和熱量向高層輸送，促進對流運動的增強。

25日08時（圖4c）沿114°E垂直經向環流剖面在湖北東部以南有偏南風輸送，湖北東部上空200 hPa以下為強烈的上升運動，14時湖北東部上空的偏南風和上升運動維持，20時600 hPa以下以偏南風為主，上升運動明顯減弱，600 hPa以上上升運動維持，26日02時（圖4d）湖北東部上升運動從1000 hPa延伸到200 hPa，整層以上升運動為主，之后湖北東部對流層上升運動逐漸減弱，轉為一致的偏北氣流。

圖4 5月25日08時—26日14時112°～116°E、29°～31°N區域平均渦度（陰影，單位：10-5 s-1）、平均散度（線條，單位：10-5 s-1）（a）及垂直速度（單位Pa·s-1）（b）分布和25日08時（c）、26日02時（d）沿114°E垂直經向環流（流線，垂直方向速度×（-30））剖面

3.3 不穩定條件

假相當位溫可用來表征大氣的熱力性質，溫度平流能直接引起大氣熱力結構的變化，兩者的配置可以產生大暴雨所需的不穩定條件。對大范圍較強降水發生前25日08和20時假相當位溫和溫度平流垂直分布進行分析，08時（圖5a）湖北東部上空假相當位溫在450～850 hPa處存在＜342 K的冷區，850 hPa以下存在＞345 K的暖區，形成明顯的上冷下暖層結結構；湖北東部上空在600～900 hPa存在中心值＞8×10-5K·s-1的暖平流，中心位于700 hPa附近，與低層西南暖濕氣流輸送相對應，600 hPa以上存在中心值＜-2×10-5K·s-1的冷平流，中心位于550 hPa，形成低層暖平流高層冷平流的溫度平流配置。20時（圖5b）湖北東部上空假相當位溫在550～850 hPa處存在＜340 K的冷區，850 hPa以下存在＞344 K的暖區，對流層中低層上冷下暖層結結構明顯；湖北東部上空在550～900 hPa基本為一致的弱暖平流，550 hPa以上為冷平流，也形成了低層暖平流高層冷平流的溫度平流配置。在大范圍較強降水發生前的溫度和溫度平流配置有利于在湖北東部產生對流不穩定。

圖5 5月25日08時（a）和20時（b）沿30°N假相當位溫（線條，單位：K）和溫度平流（陰影，單位：10-5 K·s-1）垂直剖面

5月25日20 時，湖北東部地區武漢站K指數為37.1℃，A指數為19.4℃。自由對流高度位于975.5 hPa，有利于抬升運動的發展，整個對流層濕度很大，700 hPa以下風隨高度順轉，表明低層有暖平流。上述探空條件表明在大暴雨發生時，整個大氣層有很強的不穩定能量，為產生強對流天氣提供了有利條件。

4 云圖特征分析

TBB是監測大氣對流活動的有效手段，通常TBB越低則對流活動越旺盛，也就能產生較強的降水[28]。分析大范圍暴雨天氣過程中尺度云頂亮溫TBB與降水對應關系（圖6），25日08時在湖北中南部江漢平原有兩個分離的對流云團生成，對應TBB≤-60℃。10時隨著對流云團逐漸合并東移，TBB維持-60℃以下，合并后的對流云團在直至15時一直影響湖北東部，其中心TBB維持在-60℃以下，該對流云團控制時段也為湖北東部降水較強時段。此后隨著對流云團逐漸東移減弱，湖北東部大范圍降水略有減弱。到18時，在湖北中南部又有一個TBB≤-60℃的中尺度對流云團生成，在其不斷東移過程中對流云團面積迅速擴大，在21時之前呈帶狀結構穩定影響湖北東部地區。22時帶狀對流系統分裂為東西兩部分，23時東部對流單體逐漸消亡，西部單體逐漸發展為近似圓形的中尺度對流系統。至26日02時大范圍TBB≤-50℃密實對流云團移出湖北東部，該中尺度對流系統在湖北東部自西南向東北緩慢移動，影響湖北東部達4 h之久，該時段內湖北東部小時雨強＞20mm的區域站數量為此次大暴雨過程峰值，其中26日00時TBB≤-60℃區域基本全部位于湖北東部，該時次雨強為此次大暴雨過程最強，有超過100個區域站小時雨強＞20mm·h-1。此后湖北東部TBB≤-50℃區域逐漸分散，降水相對減弱，到08時之后隨著云系逐漸東移，湖北強降水結束。

圖6 5月25日08時—26日00時FY-2F云頂亮溫TBB（陰影，單位：℃）

5 結論與討論

本文利用多源資料，從降水特征、天氣背景，降水發生發展時水汽、動力、不穩定條件以及中尺度特征等方面對2019年5月25—26日發生在湖北東部的一次大暴雨天氣過程進行了診斷分析，得出如下結論：

（1）本次大暴雨天氣過程具有持續時間長、雨量強度大、影響范圍廣的特點，大暴雨發生在500 hPa中高緯有低槽不斷分裂南下，盆地低槽穩定維持的有利環境條件下，在中低層有西南低渦、切變線和低空急流維持，大暴雨發生在低渦東南部和急流出口區前部。

（2）湖北東部及以南地區存在一支西南向的水汽輸送通道，在暴雨區有強烈的水汽輻合中心，650 hPa以下存在一致的水汽輻合區，輻合中心位于900～950 hPa，500 hPa以下整層溫度露點差都＜4℃，850 hPa以下水汽通量散度都＞-5×10-5g·（cm2·hPa·s）-1。

（3）暴雨區平均渦度在150 hPa以下均為正值，平均散度在400 hPa以上維持正值，其下平均散度維持負值，最強降水時段低層平均散度負值區明顯下移，高層負渦度低層正渦度的配置催生了高層輻散低層輻合的散度配置，低層渦度逐漸增加，輻合加強，有利于垂直上升運動加強，觸發了暴雨區整個對流層較強的上升運動，對降水的產生和發展有著重要的作用。

（4）暴雨區上空有明顯的上冷下暖結構，低層有暖平流，600 hPa以上有冷平流，形成低層暖平流、高層冷平流的溫度平流配置，溫度和溫度平流配置有利于在湖北東部產生對流不穩定。暴雨區上空大氣層有很強的不穩定能量，為產生強對流天氣提供了有利條件。降水云頂亮溫TBB≤-50℃區域與降水區對應，近似圓形的中尺度對流系統對湖北東部強降水十分有利，當TBB≤-60℃時，湖北東部出現大范圍強降水。

湖北東部地區強降水重點關注500 hPa東部沿海是否有高壓脊存在；700 hPa西南渦環流從四川盆地移出后是否在湖北中部地區穩定維持，低渦環流中心是否在湖北中北部延伸到低層850 hPa；湖北東部地區除了有水汽輻合中心還是否有水汽通道維持，負散度和上升運動區是否有下移趨勢；TBB≤-60℃的中尺度對流云團東移過程中是否能發展為近似圓形。除重點關注暴雨的有利大尺度天氣形勢、影響系統以及水汽條件、動力條件和中尺度對流系統的移動特點外，還應結合湖北東部地區雷達回波和地形特點等進行綜合分析，才能提高對湖北東部地區的暴雨落區和雨量預報的把握能力。另外文中所提出的結論僅由單個個例研究得出，要找出有關湖北東部地區大暴雨的普遍規律還有待對大量個例開展進一步驗證。