一次低渦影響武漢短歷時暴雨過程診斷分析

毛以偉 (武漢中心氣象臺，湖北武漢430074)

短歷時暴雨是湖北省危害較大的氣象災害，是造成山洪和城市內(nèi)澇的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，武漢短歷時暴雨年均3次，而武漢暴雨日數(shù)年均5次。短歷時暴雨年次數(shù)雖較少，但由于其具有突發(fā)性強、雨強大、預報難、預防難、致災重等顯著特點，對人民生產(chǎn)生活造成很大影響。2007年5月31日凌晨，罕見暴雨襲擊武漢，創(chuàng)下1956年有完整氣象記錄以來5月最高值，其中05:00小時雨量達94 mm;據(jù)武漢市水務局排查，當天該市中心城區(qū)20多處有明顯積水，最深處積水達2 m。2013年7月6～7日，武漢市遭遇強降雨，中心城區(qū)普降大暴雨，其中7日06:00～08:00雨量為76.2 mm，受降雨漬水影響，49處路段交通受阻，暴雨還造成武漢10個地下車庫里至少500輛汽車被淹受損。可見開展短歷時強降水災害性天氣規(guī)律研究，對于防御其可能造成的災害有著積極意義。

關于短歷時暴雨，國內(nèi)外專家均開展了具體研究［1－4］。Bruce等［1］對氣候脆弱性和適應氣候變化進行了專門研究，認為溫哥華機場短歷時強降水呈增加趨勢。ZHANG等［3］對我國東部暖季極端小時降水的時空分布特征進行了研究，指出可能是因為白天地球表面太陽輻射加熱作用，造成我國南方、北方、東北方以及云南小時降水大于本站第95百分位的極端降水事件的最大出現(xiàn)頻率為午后和(或)傍晚;而高原上有組織的對流系統(tǒng)傳播則是四川西部的高原夜間最大的原因。于翡等［5］對引發(fā)武漢嚴重洪澇的一次強降水中尺度系統(tǒng)特征進行了研究，認為中尺度的渦旋及其東側(cè)的切變線是造成武漢地區(qū)局地強降水的直接影響系統(tǒng)。筆者在學習借鑒以上研究成果的基礎上，針對武漢短歷時暴雨，緊緊圍繞短歷時暴雨成因的主導系統(tǒng)配置和環(huán)境條件(水汽和不穩(wěn)定條件)的醞釀、變化來研究。

1 資料及降雨實況

1.1 資料選取 采用武漢臺站1998年7月20～23日的雨量自記逐時觀測資料進行統(tǒng)計1 h和3 h累計雨量，通過NCEP 1.0°×1.0°分析資料進行處理或計算得到1998年7月20～23日中短歷時暴雨過程的對流有效位能、風場、比濕、垂直速度等;選取武漢出現(xiàn)短歷時暴雨時段附近的21日08:00、22日08:00與12 h內(nèi)沒有短歷時暴雨發(fā)生的20日08:00的高空形勢場進行對比分析;并配合MICAPS常規(guī)資料和要素場以及紅外云圖資料，研究短歷時暴雨特征和成因，探討了預報著眼點。

1.2 降雨實況 1998年7月20～22日鄂東大部出現(xiàn)暴雨、部分地區(qū)大暴雨。武漢3 d雨量分別為145.5、158.8、153.1 mm，21日20:00～22日20:00雨量為285.7 mm，居武漢歷史第3 位。其中 21 日 05:00、06:00、11:00、22 日 10:00、11:00小時雨量均超過了30 mm，尤其是21日06:00小時雨量達91 mm(圖1)，實為罕見。

2 高空形勢分析

500 hPa高空圖上，在高原東部四川盆地一帶有低渦向東南方向(貴州)移動，貴州一帶有明顯的氣旋性環(huán)流發(fā)展，同時在30°N附近有低值系統(tǒng)東傳，鄂東武漢等地由一致的西風轉(zhuǎn)為西偏南風。副高位于華南沿海，呈東西帶狀分布。21日08:00湖北西部、22日08:00湖北中部有短波活動，副高逐漸東撤。20日08:00，湖北東部為冷區(qū)，高原以東及四川盆地為顯著的暖區(qū)。在短波槽東移的同時，也伴隨著暖舌的東擴和槽中正渦度的東移。而湖北東部、南部至華南沿海為冷區(qū)，隨著暖舌東擴和東部冷區(qū)的西伸，在湖北造成冷暖交匯，輻合加劇，到22日08:00，500 hPa湖北省被冷區(qū)逐漸包圍，冷暖區(qū)的轉(zhuǎn)換，也意味著一次強降水過程的減弱或結(jié)束?？梢?，此次短歷時暴雨是高原短波槽和四川盆地低渦移出，并促使暖舌自西向東伸展與湖北東部上空冷空氣輻合交匯過程中所發(fā)生的強降雨過程。

700 hPa高空形勢與500 hPa高空形勢相同的是20日08:00 700 hPa高原東部、四川盆地一帶也有低渦活動。不同的是低渦的移動方向不一致。700 hPa低渦是沿東西向暖切變移出，是直接影響湖北大部地區(qū)(包括武漢)發(fā)生強降水的主要輻合條件。700 hPa溫度場與500 hPa一樣，在湖北中東部有一次西部暖舌東伸與東部冷空氣交匯并最終導致湖北東部為冷空氣控制的過程。21日08:00，在500 hPa溫度場上可清晰看到暖舌向湖北東南部至江西北部伸展，武漢位于東伸暖舌的左邊的冷暖交界處暖區(qū)一側(cè)，700 hPa暖舌位于武漢北側(cè)，武漢同樣位于冷暖交界處暖區(qū)。而22日08:00，500 hPa的暖舌越過武漢，在武漢以北向安徽中部至南京一帶伸展，東部冷區(qū)向鄂東伸展，武漢位于冷舌舌部，700 hPa暖舌則明顯回縮，武漢為冷區(qū)控制。之后，湖北中東部的降水也明顯減弱。

以上分析可見，500、700 hPa有明顯的冷暖氣流交匯，西部高溫高濕，東部相對干冷，武漢正好位于四川向鄂東南伸展的暖脊的暖區(qū)左側(cè)。受低渦氣旋性環(huán)流影響，其外圍的干冷空氣不斷向低渦環(huán)流中的暖濕氣流浸入，造成冷暖交匯，其后可明顯見到暖舌由武漢南邊北抬至武漢北邊(由四川盆地經(jīng)湖北西部向安徽中部伸展)，武漢位于暖舌右側(cè)，實現(xiàn)了一次由暖區(qū)向冷區(qū)的轉(zhuǎn)換。

3 低渦影響分析

3.1 700 hPa低渦分析 由圖2可見，高原東部至四川盆地有低渦向東移出。20日08:00低渦中心位于四川西部康定附近，中心值為303 dagpm，低渦外圍東部邊緣在重慶萬縣附近，湖北省大部(除恩施外)為高脊控制;21日08:00，由于低渦向南向東移動，低渦中心位于四川西昌附近，中心值為305 dagpm，低渦外圍東部邊緣在安徽西部壽縣附近，東南邊緣正好抵達武漢附近，原本控制湖北的高脊被低渦填充，武漢位勢高度下降了0.46 dagpm;此后，低渦繼續(xù)東移，且移動幅度很大。至22日08:00，低渦中心分裂為2個，一個位于四川東部資陽附近(306 dagpm)，另一個位于其東邊的湖北恩施地區(qū)(307 dagpm)，低渦東部邊緣南壓至安徽霍山附近，東南部邊緣則壓過武漢達通山、通城附近，至此低渦基本控制湖北全省。隨后，低渦繼續(xù)東移，23日08:00，其中一個低渦中心位于安徽宣城附近，另一個中心則在鄂西南發(fā)展加強(306 dagpm)，此低渦中心邊緣位于監(jiān)利、天門一線，離武漢較近。

3.2 比濕分析

3.2.1 925 hPa渦度和比濕。由圖3 可見，20 日08:00，四川盆地至湖北南部有一條長的濕舌存在，濕舌位于武漢的南邊;21日08:00，隨著低渦東移，暖切變在湖北中部一線自西向東穿過，濕舌也自西向東穿過湖北中部一線，武漢正好位于濕舌的前部，22日08:00濕舌依然存在;23日08:00，整個華中區(qū)域比濕均較大，東西伸展的濕舌基本不見蹤影。從比濕的大小來看，隨著高原東部低渦的發(fā)展、向東移出，湖北省水汽含量有一個明顯增加的過程，由20日08:00的10 g/kg顯著增加至21日08:00的12～14 g/kg，此后2 d較穩(wěn)定，雖然降雨量較大，但空氣中水汽含量不減少，水汽供應豐富。20日08:00～21日08:00還可以清晰看到與低渦發(fā)展移動、分裂相對應的正渦度中心的移動，并影響武漢。20日08:00，與低渦中心對應的正渦度中心位于高原東部四川西部，湖北中西部已經(jīng)有正渦度存在，武漢及其東北部為負渦度區(qū)，鄂東南為正渦度;21日08:00，四川盆地正渦度中心向南發(fā)展，湖北中部正渦度中心與向東北發(fā)展并與原來位于鄂東南的正渦度中心打通，武漢處于2個正渦度中心之間，并靠近湖北中部正渦度中心;22日08:00，原湖北中部正渦度中心分裂為一北一南2個中心，北部正渦度中心向東北部發(fā)展，武漢位于其東南部;23日08:00，湖北中部正渦度中心得到進一步加強并向南發(fā)展，高原東部經(jīng)四川向貴州、湖南的水汽輸送進一步加強，武漢處于正渦度中心的東北部，隨著低渦的進一步南壓，武漢的降水也顯著減弱。

3.2.2 比濕剖面。從武漢上空比濕的時間變化剖面圖(圖4)可以看到，20日08:00～23日08:00武漢上空比濕較大，且穩(wěn)定維持，特別是21日08:00，受低渦環(huán)流東部的西南急流影響，處于西南急流左前方與東南氣流交匯處的武漢上空比濕突然顯著增大，500 hPa比濕接近8 g/kg，這與其21日06:00突然降雨91 mm相對應。可見處于氣旋環(huán)流中的暖切變對于水汽的輻合加強有著重要作用。23日08:00，高層比濕有所下降，近地層則下降非常明顯，由原來的16 g/kg下降至12 g/kg左右，預示著降雨的明顯減弱，表明降雨量的減弱與低層和高層水汽的輸送明顯減弱有很大的關系。

以上分析可見，四川盆地至湖北東部有濕舌生成且穩(wěn)定維持，武漢位于濕舌的東端。過程發(fā)生前和發(fā)生中，925 hPa濕舌的根部(高原東部至四川盆地東部)比濕均達21 g/kg以上，只是發(fā)生前，濕舌向湖北東部伸展的16～18 g/kg區(qū)域還沒有連成整體，呈塊狀分布。過程發(fā)生中濕舌向湖北東部伸展的中心部分穩(wěn)定維持在16～18 g/kg。過程減弱趨于結(jié)束時，濕舌強度明顯減弱西撤南壓至貴州湖南北部一線，其根部(高原東部及至四川盆地東部)中心比濕下降至16～18 g/kg，而武漢已經(jīng)遠離濕舌中心區(qū)，比濕下降至12 g/kg左右。比濕剖面圖分析顯示，短歷時暴雨發(fā)生時，武漢上空比濕會突然增加，低層達16～18 g/kg，500 hPa可達6～8 g/kg或更高;低渦消失或南壓，925和500 hPa比濕顯著降低，經(jīng)過武漢的濕舌強度明顯減弱，預示著短歷時暴雨的結(jié)束。

3.3 衛(wèi)星云圖特征分析 21日05:00，在武漢與黃石間有一水平尺度100 km左右的中β尺度對流云團隨渦旋氣流向武漢移動，將影響武漢，06:00該云團向西移出武漢，07:00南昌至武漢間又一新生的水平尺度在250 km左右的中β尺度對流云團已經(jīng)影響武漢(06:00～07:00雨量91 mm)，08:00該云團又西移離開武漢(08:00～09:00雨量5 mm)，在中尺度渦旋氣流的西北與西南風交匯處(中尺度渦旋的東南部的貴州湖南交界處)、西南與東東南風交匯處(湖北中東部，武漢以西、以南)存在2個顯著的中尺度云團(圖5a)，影響江漢平原及鄂東南，水平尺度在400 km左右。09:00，黃石至武漢又有一新生的成長條狀的水平尺度在150 km左右的中β尺度對流云團，并影響武漢(09:00～10:00雨量15 mm)，此云團到13:00才完全離開武漢(武漢11:00、12:00 2 h雨量達59 mm)。22日08:00，在低渦環(huán)流的東南部、河南與湖北交界處的東風急流處各有一水平尺度在1 000 km左右的中α尺度的對流云團(圖5b)。西南急流中的中尺度對流云團分裂出水平尺度在100 km左右的中β尺度對流云團影響到咸寧和黃石一線，09:00該中β尺度對流云團在武漢南部西移至宜昌南部;10:00，又有一水平尺度在50 km左右的對流云團在南昌與黃石之間生成，緩慢西北移動，到12:00左右才結(jié)束(09:00～12:00武漢累計雨量93 mm);13:00，江漢平原南部至鄂東南一線(中心在武漢、江夏、黃石一帶)又有一水平尺度達500 km左右的中β尺度對流云團生成，14:00該云團加強，并影響到宜昌大部(12:00～14:00武漢累計雨量49 mm)，此后該對流云團明顯減弱。可見，在中尺度渦旋的西南急流和東風急流中，往往有幾十公里至幾百公里的中β尺度對流云團生成，尤其是西南急流左前方區(qū)域，受低渦中強的上升氣流影響，加之急流中攜帶的豐富水汽，容易造成短歷時強降水發(fā)生。

3.4 對流有效位能分析 分析此次過程對流有效位能的變化情況(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，在湖北中北部與河南南部、安徽中東部一帶一直存在著一個高值中心，中心位于安徽東部，高值中心值20～22日維持在3 000 J/kg，這一高值中心(中心值2 700 J/kg以上)在500 hPa正好對應著高空槽后強勁的西北氣流與副熱帶高壓外圍偏西氣流交匯區(qū)域(30°～33°N)，在低層則對應著暖切變東部(西南氣流與東南氣流交匯處)。23日中心西移至安徽與河南南部交界處，中心值下降至1 800 J/kg。另外在重慶附近一直有一個次高值中心，中心值為1 200～1 500 J/kg，20～22日位置相對固定，23日則明顯南落。武漢站的對流有效位能自20日08:00的1 800 J/kg逐日遞減至22日08:00的900 J/kg，23日08:00維持在900 J/kg左右。表明對流有效位能在強降雨期間是一個被消耗掉的過程，低渦的東移伴隨著動力抬升和水汽輻合，同時也消耗掉了大量的對流有效位能。

4 小結(jié)與討論

(1)1998年7月20～22日武漢的短歷時暴雨過程中，700 hPa四川盆地低渦(850、925 hPa也有)分裂出的小低渦中心沿湖北中部一線向東移出，造成湖北中部暖切變加強，輻合加強，小低渦攜帶的正渦度沿暖切變東移，造成處于西南氣流與東南氣流交匯處的武漢上空氣流輻合突然加強，并與武漢當?shù)馗邔α饔行荒軞鈭F相遇，武漢上空氣流輻合上升進一步加劇，同時高空500 hPa短波槽東移并配合明顯的西部暖濕氣流與東部干冷氣流在武漢上空交匯，并沿干冷氣流爬升，進一步造成中上層不穩(wěn)定加強，上升運動加劇，加之西南氣流攜帶的豐富水汽，從而造成武漢短歷時暴雨發(fā)生。

(2)衛(wèi)星云圖分析顯示，在中尺度渦旋的西南急流和東風急流中，往往有幾十公里至幾百公里的中β尺度對流云團生成，尤其是西南急流左前方區(qū)域，受低渦切變中強的上升氣流影響，加之急流中攜帶的豐富水汽，造成中尺度對流云團的一次發(fā)展都明顯對應著一次短歷時強降水發(fā)生。

(3)這次過程的主要水汽來源于西南急流輸送，強輻合作用主要在于低渦及其向東伸展的暖切變;主要動力作用在于中低層冷暖空氣交匯的抬升觸發(fā)作用和鄂東高對流有效位能的釋放。

(4)診斷分析顯示，短歷時暴雨發(fā)生過程中明顯伴隨著一次500、700 hPa武漢上空的冷暖轉(zhuǎn)換、比濕和CAPE值的明顯增長和減弱。

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