2021 年盛夏孝感市一次大暴雨天氣過程中尺度特征分析

鄧 凱，羅金芳，周 婷，姜 敏

（湖北省孝感市氣象局，湖北 孝感 432000）

暴雨是一種中尺度現象，是在有利環流背景下由多種尺度天氣系統共同作用的結果［1］。隨著氣象資料日益豐富，對于長江中游和湖北境內盛夏大暴雨天氣的環流特征和物理成因的研究不斷深入［2-5］，其主要影響系統通常為高低空急流、低渦、切變線和西風帶冷槽、臺風低壓或倒槽等。張家國等［6］分析了2008 年7 月1 日鄂東北特大暴雨過程中尺度擾動系統的發生發展、暴雨中尺度對流系統（MCS）結構特征以及地形對中尺度系統的影響，吳翠紅等［7］分析了湖北省中尺度暴雨與中尺度天氣系統的關系，有87%中尺度暴雨有干線（露點鋒）的影響。

孝感市位于湖北省東北中部，長江以北，漢江以東，位于武漢市西北方，與武漢市毗鄰；地跨北緯30°23＇—31°52＇，東經113°19＇—114°35＇，全境南北長約163 km，東西寬約122 km；下轄大悟縣、安陸市、孝昌縣、云夢縣、應城市、孝南區、漢川市等7 個縣（市、區）。2020 年8 月11 日20 時至12 日20 時，孝感市出現了一次大暴雨天氣過程，該次強降水過程來勢猛、強度大、災情重。本研究利用常規天氣圖資料、區域自動氣象站資料、FY4 衛星紅外云圖、雷達回波、EC 細網格和GRAPES_GFS 模式（0.25°×0.25°）客觀分析資料，對2021 年8 月12 日孝感市大暴雨天氣過程中尺度系統活動特征進行了分析，以便進一步認識孝感市大暴雨中尺度對流系統活動特征，為孝感市大暴雨分析研究和預警預報提供參考。

1 天氣實況及災情

2021 年8 月11 日20 時至12 日20 時，孝感 市出現了一次大暴雨天氣過程，大暴雨主要出現在孝感中部地區（圖1），全市7 個國家氣象觀測站24 h 降水量為云夢199.6 mm、孝南178.7 mm、應城118.0 mm、安陸91.1 mm、大悟61.9 mm、孝昌57.4 mm、漢川0.6 mm，其中云夢站降水量最大為199.6 mm；全市130個鄉鎮區域自動站監測顯示，有47 個站出現了≥100 mm 大暴雨，34 站出現暴雨，最大降水量為云夢縣伍洛230.8 mm，孝南區新鋪220.0 mm 次之。從降水空間分布來看（圖1），孝感市中北部普降暴雨到大暴雨，大暴雨主要出現在孝感市中部地區的云夢、孝南、應城、安陸、孝昌5 個縣（市、區）。從降水時間分布來看，強降水主要出現在12 日07—12 時（圖2），在這期間，云夢伍洛站、云夢站和孝南站累計降水量分別為211.3、170.4 和163.9 mm，分別占其日降水量的91.5%、85.4%和91.7%；區域自動氣象站最大小時雨強出現在云夢縣伍洛，為98.1 mm（12 日08—09 時），國家氣象觀測站最大小時雨強出現在孝南，為81.3 mm（12 日10—11 時）。

圖1 孝感 市2021 年8 月11 日20 時至12 日20 時24 h降水量分布

圖2 2021 年8 月11 日20 時 至12 日20 時逐 時降 水量 變化

此次強降水來勢猛、雨量大，時間集中，導致孝感市孝南區、應城市、云夢縣、安陸市、孝昌縣、臨空區、雙峰山部分鄉鎮農作物受災和農房損壞，孝感市、云夢縣、應城市城區部分道路和小區積水嚴重。據統計，受強降水影響，全市累計受災人口33.4 萬人；緊急避險7 050 人，緊急轉移安置人口1 377 人；農作物受災面積1.8 萬hm2，農作物成災面積0.96萬hm2，農作物絕收面積0.3 萬hm2；倒塌房屋12 戶32 間；直接經濟損失5.4 億元，其中農業損失1.46 億元，家庭財產損失3.29 億元。

2 環流形勢及影響系統

從8 月12 日08 時500 hPa 環流形勢來看，500 hPa 歐亞中緯地區以緯向環流為主，環流形勢比較平直，中國東北沿海一帶有一低槽，該槽引導弱冷空氣經東路南下至長江中游一帶。此時，500 hPa 東經120°E 副高脊線位于25°N 附近，其588 線跨過長江，位于南京-阜陽-南陽-安康-成都一線，高原上有一南支低槽。東北槽后引導的弱冷空氣，與副高邊緣西北部的西南氣流，上述兩支冷暖氣流在長江中下游交匯，為該次大暴雨過程提供了有利的環流背景。

從高空綜合可以看出，8 月10—13 日500 hPa副高有一個南北擺動過程，10 日08 時至11 日08 時副高加強北抬，東經110—120°E 的588 線平均北抬了約5 個緯度，11 日08 時至12 日08 時副高加強西伸，588 線西伸脊點由105°E 伸展至88°E，但11 日08時 至12 日08 時副 高北端588 線維 持穩定，588 線位于南京-阜陽-南陽-安康-成都一線；12 日08 時至13 日08 時副高又明顯減弱、南落東退，這期間，東經120°E 副高脊線位置穩定在25°N 左右。

受500 hPa 東北槽影響，中低層有弱冷空氣滲透至江淮流域，在700 hPa 和850 hPa 上江淮流域出現明顯降溫區（圖3），如12 日08 時700 hPa 南陽、章丘24 h 變 溫均為-3.4 ℃，850 hPa 鄭州24 h 變溫為-3.1 ℃。

圖3 8 月12 日08 時700 hPa（a）和850 hPa（b）24 h 變溫

11 日20 時 至12 日08 時 低層（700 hPa 和850 hPa）在長江中游、長江以北維持一東西向暖式切變線，位于安慶-武漢-宜昌-達州一線，暖式切變線正好處于孝感市上空。受較強盛的副高影響，在低層暖式切變線的南側雖然沒有形成風速≥12 m/s的西南急流，但11 日至12 日隨著副高的加強西伸，西南風仍然有所發展，如700 hPa 11 日08 時懷化、長沙的風速分別為4、2 m/s，至12 日08 時分別達到10、8 m/s，850 hPa 11日08時懷化、長沙的風速分別為6、4 m/s，至12 日08 時分別達到10、8 m/s，形成了一條西南東北向的西南大風速軸，特別是在低層暖式切變線的北側，偏東風急流發展，如850 hPa 11 日08 時南陽偏東風速為6 m/s，至12 日08 時達到12 m/s。上述切變線北側的偏東風急流，與切變線南側發展的西南風，為孝感市大暴雨的發生提供了充沛水汽條件、動力條件和不穩定條件。12 日20 時后，隨著副高減弱南落東退，低層切變線南壓至長江南岸，位于安徽南部、江西北部、湖南西北部一帶，孝感市的強降水隨之結束。

綜上所述，本次孝感市大暴雨過程，是在盛夏副高的一個南北擺動的過程中，較強盛的副熱北部邊緣之下，低層暖式切變線、切變線北側低層偏東風急流與南側發展的西南風、弱冷空氣等共同作用的結果，隨著副高的東退減弱，中低層切變線南壓，孝感市強降水也隨之結束。

3 中尺度對流系統（MCS）發展演變

從FY4 衛 星8 月11 日20 時至12 日20 時紅 外衛星云圖演變來看，孝感市大暴雨過程是由一個中尺度對流系統（MCS）造成的，該系統發源于鄂西北東部至鄂東北西部（襄陽東部至隨州南部），成熟于鄂西北東部至鄂東北中部，以后MCS 東移南壓影響孝感市，導致孝感市強降水發生。

導致孝感市大暴雨發生的中尺度對流系統（MCS），其發生發展可分為發展階段、成熟階段、移動階段3 個階段（圖4）。

圖4 衛星云圖演變

發展階段大約經歷了3 h，11 日21：45 分，在隨州南部出現一對流云團A（圖4a1），水平尺度約30×15 km2，云頂亮溫最低為-57.4 ℃，之后在對流云團A發展的同時，11 日23：15 分，在其西偏北的襄陽東南部、東偏南的隨州廣水附近，分別出現了2 個β 中尺度的流云團B 和C（圖4a2），其中對流云團B 水平尺度為45×60 km2，云頂亮溫最低為-63.8 ℃，而后，對流云團C 東移減弱消失，對流云團B 強烈發展，對流云團A 并入迅速擴張加強的云團B，于12 日01：00發展為一橢圓形β 中尺度對流系統D（圖4a3），其云團密實，邊界清晰，橢圓長軸呈西北-東南走向，水平尺度約為180×100 km2，云頂亮溫最低為-68.2 ℃。在發展階段，中尺度對流云團迅速發展，云頂溫度不斷降低，水平尺度激劇擴大，但其主體位置位于鄂西北東部至鄂東北西部，穩定不動。

成熟階段從12 日01：00 開始，大約經歷了5 h。這期間，中尺度對流系統D 進一步發展，處于準靜止狀態（圖4b），從12 日01：00 至06：00，中尺度對流云團D 不斷向北向東擴展，并略有東移，其云團西南邊界清晰，呈弧形，而東北邊有較強的卷云羽發展。至12 日06：00，中尺度對流云團D 水平尺度達到220×190 km2，云頂亮溫最低為-72.9 ℃，其主體位于鄂西北東部至鄂東北中部。在中尺度對流云團成熟發展階段，隨州市南部出現了特大暴雨，其中隨縣柳林站4：00—6：00 連續2 h 雨強超過100 mm。

移動階段從12 日06：00 開始，中尺度對流云團D 明顯開始東移南壓，影響孝感市（圖4c）。從12 日08：00 至11：00，中尺度對流云團覆蓋整個孝感市，云團西邊邊界清晰，呈弧形，而東邊邊界模糊，卷云羽進一步發展。至12 日11：00，中尺度對流云團D水平尺度達到240×120 km2，云頂亮溫最低為-71.3 ℃，其主體位于孝感市和武漢市，造成云夢縣伍洛12 日08—09 時雨強達98.1 mm，孝南12 日10—11 時雨強達81.3 mm。12 日14：00 以后，中尺度對流云團東移南壓移出孝感市，孝感市降水減弱。

4 β 中尺度對流強回波分析

孝感市強降水發生在12 日06 時以后（圖2）。12 日06 時以前，在渦旋狀回波團發展過程中，中尺度對流強回波（≥45 dBz，圖7 組合反射率圖為紅色）不斷生成發展，如圖5a1 中的3 個中尺度對流單體回波A、B、C，造成鄂西北東部至鄂東北西部（襄陽市宜城、隨州市隨縣）特大暴雨的發生。12 日06 時以后，該渦旋狀回波團東移，與江漢平原東北部向東北方向發展移動的對流回波D 結合，并開始影響孝感市。12 日07—09 時，在渦旋狀回波團的東南端，生成了一弓形指狀β 中尺度對流強回波E，自西北向東南移動，先后影響安陸、應城、云夢，12 日08 時30分，弓形指狀強回波水平尺度約40×15 km2，回波最強處達50 dBz（圖5a2），造成云夢縣伍洛12 日08—09 時降水量達98.1 mm。12 日09—11 時，該弓形指狀回波繼續東移南壓，影響孝南區，12 日10 時48分，弓形回波E 最強處仍達50 dBz（圖5a3），造成孝南12 日10—11 時降水量達81.3 mm。12 日12 時以后，渦旋狀回波團范圍整體收縮，與其西南方向發展的對流單體相連接，形成一逗點狀的回波（圖5a4），逐漸移出孝感市并且強度不斷減弱，孝感市強降水隨之結束。

從武漢多普勒雷達經向速度可以發現，在渦旋狀回波團內部不斷有中尺度氣旋產生，2 日08 時30分，在云夢縣中部、大悟縣南部分別出現一中尺度氣旋（圖5b），中尺度氣旋的發生發展，造成強烈的垂直上升運動，有利于強降水發生，12 日08—09 時云夢縣伍洛降水量達98.1 mm、大悟縣夏店降水量達46.8 mm。從孝南12 日10—11 時出現最強降水時段的三維反射率因子剖面圖來看，其45 dBz 以上的強回波都位于0 ℃層（5.5 km）以下（圖5c），回波質心較低，表現為暖云主導型對流降水，具有熱帶降水型特征。

5 中尺度系統分析

利用區域自動氣象站加密觀測資料、EC 細網格和GRAPES_GFS 模式（0.25°×0.25°）客觀分析資料，對本次大暴雨過程的中尺度系統進行了初步分析。《湖北省中尺度暴雨天氣分析圖集》分析了湖北省中尺度暴雨與中尺度天氣系統的關系，有87%中尺度暴雨有干線（露點鋒）的影響。通過分析發現，一般出現在中尺度暴雨的干線（露點鋒），在本次大暴雨過程中沒有明顯反映；在常規天氣圖分析中，在低層暖式切變線上看不出明顯的低渦環流，而在中尺度分析上表現突出。

12 日02 時從地面到低層襄陽生成一中尺度低渦（圖6），輻合區從地面一直延伸到700 hPa，輻合系統深厚，對強降水的發生起到了抬升觸發作用和對流系統組織作用。之后，整層中尺度輻合區向東南移動，至12 日08 時，位于隨州南部至荊門東北部強度有所加強，輻合中心更加明顯，風速水平切變加大，因而造成了襄陽市宜城和隨州市隨縣的特大暴雨發生。12 日08 時850 hPa 垂直速度圖上，廣水附近有一個中心達-535×10-2Pa/s 的上升運動區，850 hPa 水汽能量散度圖上，安陸附近有一個中心達-298×10-8g/（cm2·hPa·s）的水汽輻合區（圖7），說明在深厚的中尺度低渦（中氣旋）作用下，中尺度上升運動和水汽輻合非常顯著。而后，整層中尺度輻合區向東移動，給孝感市造成了大暴雨天氣，至12日14 時，輻合區位于孝感市安陸至云夢一帶。之后，中尺度輻合區發生填塞減弱，低層中尺度低渦南壓，而地面中尺度氣旋逐漸減弱。隨著中尺度輻合區的南壓和減弱，至12 日14 時，中尺度對流云團和逗點狀的回波逐漸移出孝感市。

圖7 8 月12 日08 時850 hPa 垂直速度和水汽能量散度分布

6 結論

孝感市該次大暴雨過程是盛夏期副高的一個南北擺動過程中，在較強盛的副高北部邊緣之下，中低層暖式切變線、切變線北側低層偏東風急流發展與南側的西南風加強、弱冷空氣等共同作用的結果。

孝感市大暴雨天氣是由一個中尺度對流系統（MCS）發生發展移動造成的，中尺度對流系統經歷了發展階段、成熟階段、移動階段3 個階段，其發源于鄂西北東部至鄂東北西部，成熟于鄂西北東部至鄂東北中部，中尺度對流系統（MCS）東移南壓影響孝感市，導致孝感市強降水發生。

孝感市短時強降水是渦旋狀回波團東南端的一弓形指狀β 中尺度對流強回波造成的，水平尺度約40×15 km2，回波最強處達50 dBz；在渦旋狀回波團內部不斷有中尺度氣旋產生，強回波質心較低，表現為暖云主導型對流降水，具有熱帶降水型特征。

在中低層暖式切變線上生成發展移動的從地面到低層深厚的中尺度低渦（中氣旋），是此次孝感市大暴雨過程最主要的中尺度天氣系統，一般出現在中尺度暴雨的干線（露點鋒），在該次大暴雨過程中沒有明顯反映。