2021年5月宿遷市一次暖區強降水過程的診斷分析

劉玲 徐昝敏 殷華 仲杰 邵月紅

摘要 2021年5月14—15日宿遷地區強降水過程具有短時雨強大、強降水持續時間短的特點。本文利用自動觀測站逐時常規地面資料、MICAPS高空資料、NECP FNL 1°×1°逐6小時的全球再分析資料、雷達回波、衛星云圖資料，從水汽、動力、熱力不穩定以及雷達衛星等方面對此次降水過程進行了診斷分析。結果表明：影響宿遷地區的弓形回波自西南向東北推進，強度高達57 dBZ，加上雨滴的拖曳作用產生的下擊暴流，給該地區帶來大風和強降水天氣;宿遷地區處于切邊線南側西南暖濕流場中，隨著高空冷渦甩下的冷空氣侵入，冷暖氣流交匯，產生暖切變型短時強降水;低層輻合、高層輻散的形勢，加上底層高能高濕的配置，有利于不穩定能量的釋放，導致強降水的發生。

關鍵詞 暖區強降水;物理診斷;雷達回波;高能高濕

中圖分類號：P458 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）08–0019–05

Diagnostic Analysis of Warm-sector Heavy Preci-pitation over the Suqian Area in May 2021

LIU Ling et al（Siyang Meteorological Bureau， Suqian， Jiangsu 223800）

Abstract From May 14 to 15 in 2021， the heavy precipitation process had remar-kable characteristics such as short sharp precipitation intensity and short duration intense precipitation in Suqian area. Applying with meteorological observation data from conventional weather stations and intensive automatic weather stations， NCEP FNL reanalysis data （resolution： 1°×1°）， Radar data， Satellite cloud image data， a diagnostic analysis about the heavy precipitation had been carried out from various aspects including the water vapor， dynamic and thermal instability， radar and satellite. This results research of diagnostic analysis turned out that Bow echo advancing from southwest to Northeast in Suqian area had an intensity as high as 57 dBZ. This Bow echo process alonging with downburst due to the drag of raindrops brought strong winds and heavy precipitation to the area. The Suqian area in the process was located on the south side of the tangent line of southwesterly warm and wet flow field. With the invasion of the cold air thrown by the high-altitude cold vortex， the cold and warm air mass converged in this area and produced warm shear type short-term heavy precipitation. The situation about convergence （divergence） at the bottom （top） and the configuration of high-energy and high-humidity at the bottom operated in favour of the release of unstable energy， eventually? resulting in the occurrence and development of heavy precipitation.

Key words Warm-sector heavy prec-ipitation; Physical diagnosis; Radar echo; High energy and high humidity

暖區強降水具有短時雨強大、突發性強的特點，易引發局地暴雨及洪澇等次生災害[1-3]。伴隨著強降水出現的雷雨大風、暴雨等天氣，常常給農林業和人民生產生活等帶來嚴重的損失。前汛期，北方冷空氣勢力逐漸減弱，但仍頻繁南下入侵華東地區。同時，產生于印度洋上的大量水汽通過西南季風向東北方向輸送，形成西南暖濕氣流，冷暖氣流的頻繁交匯，使淮河流域暴雨頻發。短時強降水和暴雨的預警預報一直是淮河地區防汛的工作重點，加之中、低緯天氣及副熱帶季風的共同影響，該地區短時強降水發生和發展的機制相對復雜[4-5]。

長期以來，我國氣象工作者非常重視對淮河流域暴雨的預報研究，并在環流特征、水汽輸送、熱力不穩定、雷達回波、數值模式及預報業務應用等方面開展了大量研究工作，并取得了一定的研究成果[6-8]。梁鈺等[9]利用自動站觀測資料，從環流背景出發研究淮河流域連續性暴雨出現的成因，發現連續性暴雨與500 hPa高空環流、低空氣流、切變線等因素密切相關。郝瑩等[10]利用多個數值模式分析研究了不同時間尺度暴雨預報的時效性，表明了淮河流域暴雨的預報在12 h和24 h時間尺度上，EC模式產品的預報最優，而臨近預報INCA模式具有相對優勢。潘欣[11]則通過氣候因子指數研究了淮河流域極端降水的演變特征，研究結果表明：流域出現極端降水的平均發生時間呈現提前趨勢，這一趨勢使人們更加關注汛期前期短時強降水和暴雨等強對流天氣。暴雨常常是由若干個中小尺度系統不斷產生、合并及持續發展所致的，研究暴雨的成因離不開對中小尺度天氣系統的研究[12]。從以上工作來看，大多數研究者主要集中在對暴雨單一系統開展研究，目前針對多系統影響下的暖區強降水過程的研究相對較少，因此從這一點出發進行深入的研究和探討十分有意義[13]。

宿遷地處淮河流域，作為沿淮城市，宿遷汛期降雨量直接影響到沂沭泗流域（淮河流域內獨立水系）的水位[14-15]。考慮到目前研究表明極端強降水的出現時間有所提前，且淮河流域極易受到高低緯系統的共同影響，深入分析研究2021年汛期前期一次暖區短時強降水，探究多系統影響下暖區強降水過程特點及形成機理，為宿遷地區及沿淮城市群的暖區暴雨預報提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

采用2021年5月14—15日宿遷地

區122個自動觀測站逐小時常規地面資料、MICAPS高空資料、NECP FNL 1°×1°逐6 h的全球再分析資料、雷達回波、衛星云圖資料。

1.2 短時強降水、暴雨和暖區降水定義

一般稱1 h內某地降水量超過20 mm的降水過程為短時強降水，具有突發性、降水時段集中的特點。氣象學上規定12 h累積降水量達到30 mm或以上或24 h累計降水量達到50 mm或以上的降水稱為暴雨。

排除殘留低壓系統或者臺風的直接影響導致的降水過程，根據以往的研究結果，將發生于鋒面以南或者低空切變線以南的暖濕氣流中的降水定義為暖區降水[16]。根據暖區降水的定義，可以將其分為4種類型：冷鋒型、暖切變型、副高邊緣Ⅰ型（單日型）以及副高邊緣Ⅱ型（連續型）。

2 降水分布特征

2021年5月14—15日宿遷市出現暴雨天氣過程（圖1）。13日夜間開始出現降水，主要集中在宿遷市西南部，14—15日隨著天氣系統發展加強東移，暴雨出現在宿遷市中南部地區，并出現短時強降水過程，造成了嚴重的交通堵塞。從圖中可以看出，整個降水過程的最大累積降水量出現在沭陽縣沂濤鎮104.9 mm。其中，14—15日出現多個短時強降水過程，主要集中在14日的凌晨、15日的9：00～10：00和10：00～11：00之間，多個觀測站1 h累積雨量超過20 mm，最高出現在泗洪縣的雙溝鎮峰山社區（35.6 mm）。此次降水過程表現為短時雨強大、強降水持續時間短的特點。

3 環流形勢

2021年5月14日20：00 500 hPa（圖2），暖脊沖向東北，長江中下游為冷中心控制，東北冷渦底部多短波槽，長江中下游地區位于500 hPa槽前，槽上有冷平流。15日08：00，槽東移加強，位于四川—湖北一帶，使得槽前西南風加強，正渦度平流增強，利于低空系統的輻合抬升。14日20：00 700 hPa（圖3）低渦位于四川一帶，隨著低渦東移和冷切東移南壓，至15日08：00，低渦位于蘇魯豫皖交界一帶，700 hPa西南急流軸位于廣西中北部—江西南部—江蘇南部。從（圖4）的圖上可以看出，14日20：00低空西南風急流從華南伸向長江中下游，低空急流中心強度達20 m/s，江蘇北部存在切變線，低空低渦，動力抬升力強，850 hPa長江中下游為暖脊和濕區控制;至15日08：00，850 hPa切變線緩慢南壓，同時宿遷市南北氣流開始強盛，淮北地區為等溫線密集的高空鋒區。由此可見，伴隨著高空冷渦的旋轉，渦后冷空氣南下與西南暖濕氣流相互作用、相互交綏，在長江中下游地區出現了短時強降水過程。

4 暴雨物理量診斷分析

4.1 水汽條件

強降水的形成往往需要充足的水汽，大氣整層的可降水量作為產生降水的物質基礎，反映了宿遷市上空大氣的可降水量。從14日08：00開始，湖北—安徽—江蘇三省上空的整層可降水量（PWAT）維持在60 kg/m2左右，同時隨著高空系統的東移發展，至14日20：00和15日08：00湖南—湖北的局部地區的PWAT達70 kg/m2左右，伴隨著西南氣流的強盛，位于西南部地區的水汽被源源不斷地輸送到宿遷市，為強降水的發生發展提供了水汽條件。從14日08：00、20日和15日08：00的850 hPa比濕分布圖（圖5）可知，比濕大值區的分布和PWAT的大值區相吻合。14日08：00開始，宿遷市上空的比濕在12 g/kg左右，隨著來自西南的水汽供應，比濕開始增加，到15日08：00逐步達到14 g/kg，宿遷市近地面一直處于濕層中，伴隨著高空干冷空氣的侵入，有利于短時強降水的發生，同時比濕大值區的分布也與降水落區分布一致。

除了PWAT、比濕等水汽條件外，對流層底層水汽通道的建立也是產生強降水至關重要的一項因素。在暴雨發生的過程中，造成強降水所需的水汽往往由底層強盛的西南氣流提供，大量水汽源源不斷地輸送至降水區。14—15日三個時段的水汽通量和風場分布（圖6），可以看出14日開始，來自西南的水汽通量開始不斷增加，14日20：00整個水汽通量核強度達到最大，隨著西南氣流的旺盛，至15日08：00，位于西南的水汽通量強度達2×10-3 g/（s.hPa.cm），低層大的水汽通量成為對流性強降水產生前的水汽積聚，西南部10：00開始產生短時強降水并持續。隨著水汽輻合區的東移，降雨落區也開始向東北方向移動，到15日14：00暴雨中心逐漸從宿遷向東北方向移動，雨勢逐漸減弱。

4.2 動力條件

P坐標系下的垂直速度Omega（ω）可以直觀地顯示強降水發生時的動力條件。從15日08：00時沿34°N經向垂直速度—高度剖面圖（圖7）可以看出，宿遷市在強降水發生前，垂直上升運動從近地面一直延伸至400 hPa附近，低層最大ω值為-1.6 hPa/s，上升運動強烈。同時，從渦度時序—高度剖面圖上可以看出，14—15日一直維持在底層正渦度、高層負渦度的垂直結構，是典型的的暴雨發生垂直環流結構。14日前期低層的渦度增至12×10-5s-1，正渦度的增加有利于近地面減壓，同時上層高空槽前表現為正渦度平流，地面低壓發展;14日后期到15日前期正渦度值有所減小，此時降水也存在間歇過程;15日08：00后，正渦度開始增加，地面低壓繼續發展，中心輻合，上升條件得到發展，降水發生在低層正渦度帶上，利于宿遷市09：00之后短時雨強的出現。

高低層散度場的配置是影響此次強降水過程的重要因素，此次降水過程中，最強短時強降水（1 h 35.6 mm）發生前15日08：00的200 hPa和850 hPa的散度分布圖（圖8）。圖中可以看出，宿遷市處于低層輻合、高層輻散的形勢場中，低層存在大的輻合區，輻合中心最大值為-8×10-5s-1，上升運動強烈。高低空的耦合作用加上西南暖濕氣流的水汽輸送使得宿遷市處于暖濕的大氣層結中，底層水汽輻合抬升有利于不穩定能量的釋放，造成強降水的發生。

4.3 熱力不穩定條件

假相當位溫作為表征大氣不穩定能量的一個溫濕特征量，850 hPa等壓面上假相當位溫的變化反映了冷暖空氣的活動情況，假相當位溫高值區的變化對應著強降水落區的變化。從14—15日3個時間段的假相當位溫分布圖（圖9）可以看出，14日08：00 假相當位溫開始增大，其數值維持在340～350 K左右，到20：00高能舌端位于江淮之間。θse越高，加之西南急流的相互配合，宿遷上空的濕熱程度越高，產生的降水就更為激烈。到15日08：00，隨著上方冷空氣的侵入，整個高能區有所南落，但θse的值仍維持在345 K左右，宿遷市處于高能高濕的配置下，為后續產生短時強降水提供了非常有利的條件。

綜合探空物理量和各項熱力指數（表1）可以看出，從14日08：00開始沙式指數（Si）達到-1.7，大氣層結開始趨于不穩定，并且持續到15日Si均<0，表明此次降水過程會伴有雷暴天氣。同時，K指數一直維持在34℃及以上，說明此次降水過程濕度條件好，利于持續性降水，與上述的處于“暖濕”的配置一致;而對流有效位能CAPE相對較低，可能與春季大氣對流不穩定能量較小有關，說明此次降水過程很難發展成為成片的雷暴或出現局地冰雹等天氣;從SHR（0～6 km高度垂直風矢量差）值可以看出，宿遷上空存在較強的垂直風切變，有利于此次對流性降水的有組織化和維持;中低層溫差（T850-T500）維持在23℃左右，同時結合濕度分布可以得出，宿遷市上空一直處于暖濕的配置結構中;同時從探空資料得出，上空850 hPa以下風隨高度順轉，低層有深厚的暖平流。

綜上所述，此次對流性降水過程是存在一個上冷下暖的不穩定層結，加之高能高濕的配置，出現暖區強降水過程。

5 雷達回波及衛星云圖特征

出現此次短時強降水過程發生前，15日09：00在宿遷市西南部不斷有對流性回波生成（圖10），反射率因子（R）逐建增加至50 dBZ，到10：00逐漸發展成為弓形回波，最大反射率因子達57 dBZ。隨著回波向東北方向推進，其中南部逐漸變寬，北部逐漸變窄，加上移動過程中雨滴的拖曳作用出現弱的下擊暴流過程，在泗洪和泗陽交界處出現8級大風，風速達17.6 m/s。同時，強降水集中時段的雷達回波高度伸展到6 km左右，>40 dBZ的強回波從底層一直延伸至4 km附近，呈分散性排列，無明顯的列車效應，同時分析徐州站探空圖發現，0℃高度層位于4 478 m，說明強回波均在0℃以下并向下延伸至地面，為暖區低質心降水。到12：00左右，減弱后的回波主體逐漸移出宿遷市，西南方向仍不斷有分散性小回波生成，降水強度有所減弱，但仍有陣雨或雷雨維持，使得宿遷市累積雨量達到暴雨量級。

從回波頂高（ET）（圖10）來看，強降水集中時段回波頂高從8～9 km逐漸增加到12 km左右，個別站點高達14 km的強回波也遠遠不斷地進入到宿遷地區。09：00開始，垂直累積液態水（VIL）在出現大風前開始增加，VIL從24 kg/m2逐漸增加至51 kg/m2，在10：16出現明顯的峰值。

綜合對比宿遷市實時降水分布，可見R、ET和VIL的變化與短時強降水的出現時間相呼應，因此三者在雷雨大風出現前的變化特征對短時強降水及暴雨的預報、預警有很好的指示作用。

在雷達徑向速度（V）圖（圖11）上，V成反氣旋式旋轉，零等速線呈“s”風型，風隨高度順轉，有暖平流，對應著宿遷出現暖區降水，與上述暖區低質心降水相一致。西南部存在急流，速度，在34 m/s左右，增加了出現雷暴大風的可能性。

結合風云衛星云圖，對比14日夜間和15日的亮溫以及中層水汽差異。14夜間云頂亮溫為-35℃左右，云頂較低，水汽條件略差，同時在安徽西部有不斷新的云團生成并沿長江向東移生;15日08：00云頂亮溫為-60℃左右，云頂較高，水汽條件較為充足，在淮河以北有較弱的切變線，云系間有對流云團生成。整個云系的移動帶來的水汽輸送為15日09：00開始的強降水提供了很好的水汽供應。

6 結論

利用自動觀測站逐小時常規地面資料、MICAPS高空資料、NECP FNL 1°×1°逐6小時的全球再分析資料、雷達回波、衛星云圖資料對2021年5月宿遷地區一次暖區強降水過程進行了診斷分析。結果表明：

（1）此次降水過程具有短時雨強大、強降水持續時間短的特點，最大小時雨強為35.6 mm。降水回波表現為弓形回波，自西南向東北方向移動并發展，強度高達57 dBZ;雷達徑向速度呈反氣旋式旋轉，有暖平流輸入;降水前云頂亮溫為-60℃左右，云頂較高，水汽條件較為充足。總體而言，此次降水實一次暖區低質心強降水過程。

（2）高層冷中心控制，低層西南暖濕氣流加強，宿遷市處于暖中心控制。隨著高空冷渦旋轉甩下的冷空氣與西南暖濕氣流相互交綏，加之江蘇北部的切變線南壓，使得宿遷市出現暖切變型短時強降水過程。

（3）高低空的耦合作用加上西南暖濕氣流的水汽輸送使得宿遷市處于上層干冷、下層暖濕的大氣層結中，底層水汽輻合抬升有利于不穩定能量的釋放，造成強降水的發生發展。低層存在高能高濕區，且位勢不穩定，有較強的低空急流，同時暖區的暖濕不穩定程度加強，受到外界強擾動的觸發，產生的短時強降水更為激烈。

針對此次強降水過程進行診斷分析，對暖區強降水的物理機制有一定的了解，但短時強降水的預報和落區仍需進一步研究，尤其是在日后的預報中需要加入模式的檢驗和訂正，在提高模式精度的同時，要進一步提升預報的準確度。后續工作正在對模式初始場和預報精度的改進進行研究，滿足預報業務化的要求。

參考文獻

[1] 桑友偉，孟蕾，周玉，等.1968—2018年湘北地區暴雨過程氣候特征及變化趨勢[J].科學技術與工程，2021， 21（9）： 3487-3494.

[2] 杭鑫，徐芬，單嬋，等.南京一次局地暴雨的風切變以及大氣結構特征研究[J].科學技術與工程，2015，15（9）：15-22.

[3] 王坤，張樹民，李敏，等.異常分析在長江中下游暴雨分析和預報中的應用[J].科學技術與工程，2020，20（7）：2546-2553.

[4] LIN A，ZHANG R，HE C.The relation of cross-equatorial flow during winter and spring with South China Sea summer monsoon onset[J].Int J Climatol，2017， 37（2）： 4576-4585.

[5] ZHANG Y Z，LI J P，XUE J Q，et al.Impact of the South China Sea Summer Monsoon on the Indian Ocean Dipole[J].J Climate， 2018（31）：6557-6573.

[6] 申高航，高安春，李君.雨滴譜及雙偏振雷達等資料在一次強降水過程中的應用[J].氣象，2021，47（6）：737-745.

[7] 何鈺，陳小華，李耀孫，等.云南省副熱帶高壓外圍類短時強降水的雷達回波特征[J].氣象，2021，47（4）：450-462.

[8] 趙淵明，漆梁波.短時強降水概率預報的多模式集成技術研究[J].氣象，2021， 47（5）：529-538.

[9] 梁鈺，王君，吳璐.淮河流域（河南段）連續性暴雨天氣分型及環流背景[J].氣象與環境科學，2019，42（2）：48-54.

[10] 郝瑩，王元，王皓，等.淮河流域不同時間尺度暴雨的多模式預報性能評估及洪水可預報性探討[J].氣象，2019，45 （7）：989-1000.

[11] 潘欣.淮河流域極端降水演變特征及模擬[D].南京：南京信息工程大學，2018.

[12] 李欣，張璐.青島地區短時強降水雷達回波特征與中小尺度系統分析[J].氣象科技，2020，48（3）：387-395.

[13] 何立富，陳濤，孔期.華南暖區暴雨研究進展[J].應用氣象學報，2016，27（5）：559-569.

[14] 鄭婧，陳娟，徐星生，等.一次低空急流加強下的暴雨過程成因分析[J].干旱氣象，2020，38（3）：411-422.

[15] 張樹民，吳海英，王坤，等.江蘇副高型強對流天氣特征及環境參數分析[J].科學技術與工程，2020，20（21）：8489-8495.

[16] 吳亞麗，蒙偉光，陳德輝，等.一次華南暖區暴雨過程可預報性的初值影響研究[J].氣象學報，2018，76（3）：323-342.

責任編輯：黃艷飛