2013年7月一次江淮暴雨成因分析

楊秀梅，馬敏勁，朱安豹

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，甘肅　蘭州　730000)

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2013年7月一次江淮暴雨成因分析

楊秀梅，馬敏勁，朱安豹

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，甘肅蘭州730000)

2013年7月4—7日江淮地區(qū)出現(xiàn)了入梅以來的第一次持續(xù)性暴雨，造成江淮地區(qū)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。利用歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)逐6 h的1°×1°再分析資料、FY-2F衛(wèi)星云量資料和江淮地區(qū)72個氣象站逐日降水資料，對此次暴雨過程的成因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在500 hPa以徑向環(huán)流為主的背景形勢下，江淮地區(qū)上空緩慢移近梅雨鋒的西南渦是此次降水過程的關(guān)鍵系統(tǒng)。高空急流、500 hPa高空槽、西南低空急流、西南渦、邊界層急流和梅雨鋒共同作用形成深厚的輻合層，低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了大氣的抽吸作用，造成強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動。邊界層強(qiáng)的垂直風(fēng)切變觸發(fā)了對流不穩(wěn)定能量的釋放。來自孟加拉灣和南海的水汽通過西南超低空急流向江淮地區(qū)輸送，為江淮地區(qū)帶來水汽和熱力條件。南方暖空氣和北方冷空氣交匯于江淮地區(qū)，形成假相當(dāng)位溫密集帶，產(chǎn)生天氣尺度的上升運(yùn)動，雨帶主要位于密集帶的南側(cè)，可作為雨區(qū)預(yù)報的參考。

高空槽；持續(xù)性暴雨；西南渦；假相當(dāng)位溫

引　言

暴雨是氣象災(zāi)害中最嚴(yán)重、最常發(fā)生的災(zāi)害之一，中國是多暴雨的國家，在東南沿海尤其頻繁[1-5]。梅雨期是江淮流域一年中最主要的降水時段，期間的降水雨強(qiáng)大、風(fēng)力小，易造成澇災(zāi)和城市水患。梁萍等[6]研究表明，梅雨是東亞大氣環(huán)流季節(jié)過渡時期或大氣環(huán)流突變的產(chǎn)物。然而，梅雨期的環(huán)流形勢不能直接產(chǎn)生暴雨，其中行星尺度和天氣尺度系統(tǒng)大致決定雨帶的位置、強(qiáng)度和持續(xù)時間，而中尺度系統(tǒng)是形成暴雨的直接系統(tǒng)，主要有中尺度低渦、切變線等。多種復(fù)雜的多尺度系統(tǒng)共同作用是產(chǎn)生暴雨的重要前提。韓桂榮等[7]認(rèn)為，在暴雨過程中，低層風(fēng)場的輻合作用是低層水汽快速集中的主要動力，低層充沛的水汽再通過氣旋中強(qiáng)上升氣流被輸送到對流層中高層，形成較厚的水汽飽和層，為暴雨的產(chǎn)生提供源源不斷的水汽。金少華等[8]指出，切變線附近的輻合云帶內(nèi)生成的中尺度對流云團(tuán)所產(chǎn)生的“列車效應(yīng)”導(dǎo)致了暴雨的發(fā)生。胡伯威等[9]研究表明，梅雨鋒上的強(qiáng)降水過程絕大多有低渦相伴出現(xiàn)。另外，中尺度高、低空急流系統(tǒng)是暴雨產(chǎn)生的關(guān)鍵系統(tǒng)，為暴雨區(qū)提供水汽，可看作一沿急流軸順時針旋轉(zhuǎn)的渦管[10]；高空西風(fēng)急流主要是建立和維持高空的對稱不穩(wěn)定，引起高空動量下傳，為對流向高空發(fā)展和加強(qiáng)提供動力條件[11]。以上研究為暴雨預(yù)報提供了參考，但暴雨尤其是持續(xù)性強(qiáng)暴雨的產(chǎn)生還存在很多不確定性，給暴雨預(yù)報帶來困難。

2013年7月4—7日，江淮地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)的強(qiáng)降水過程，是自6月入梅以來持續(xù)時間最長、影響范圍最大、雷暴持續(xù)時間最長、降水強(qiáng)度最大的一次暴雨，連續(xù)4 d的累計降水量占整個夏季降水的10.3%，此次暴雨中心之一的武漢遭遇近5 a來的最強(qiáng)暴雨。本文利用2013年7月4—7日國家氣象信息中心提供的江淮地區(qū)(110°E—122°E、28°N—34°N)72個氣象站的逐日降水資料、FY-2F衛(wèi)星云量資料和歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)逐6 h再分析資料(1°×1°)[12]，對此次暴雨過程的環(huán)流背景及影響系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過高度場、風(fēng)場、比濕、垂直速度、渦度等物理量場探討強(qiáng)降水形成的物理機(jī)制，以期為江淮暴雨預(yù)報提供一定的依據(jù)和思路。

1　天氣實況

2013年7月4—7日，江淮地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)強(qiáng)降水，絕大多數(shù)地區(qū)4 d的累計降水量在60 mm以上，雨帶呈東西向帶狀分布，其中在安徽、湖北分別有2個強(qiáng)降水中心，造成合肥、武漢等城市出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇(圖1)。第一個中心是7月5日的合肥以南到長江中下游以北區(qū)域(圖1b)，有28個縣(市)24 h累計降水量超過50 mm，其中19個縣(市)達(dá)到暴雨量級，9個縣(市)達(dá)到大暴雨量級，安徽省六安、馬鞍山、蕪湖等地發(fā)生洪澇災(zāi)害，農(nóng)作物受災(zāi)面積大，房屋坍塌嚴(yán)重。隨著降水強(qiáng)度的增大，6—7日，第二個強(qiáng)降水中心出現(xiàn)且停滯在湖北地區(qū)(圖1c和圖1d)，安徽西南側(cè)的局部地區(qū)也為大到暴雨，其中鄂東北、漢江平原大部、鄂東南、鄂西南有中到大雨，局部地區(qū)有暴雨到大暴雨，其中有23個縣(市、區(qū))出現(xiàn)暴雨，16個縣(市、區(qū))為大暴雨，荊州區(qū)降雨量最大，24 h累計降水量達(dá)170 mm，造成湖北黃岡、孝感、鄂州、天門4市受災(zāi)，受災(zāi)人口達(dá)12.04萬，受災(zāi)農(nóng)田9.2×103hm2，倒塌房屋207間，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 616萬元人民幣。

2　天氣形勢分析

2.1高空環(huán)流形勢

從7月4日14:00(北京時，下同)500 hPa高度場看到(圖2a)，在歐亞中高緯的西西伯利亞和東北地區(qū)為低壓槽，2槽之間是高壓區(qū)。位于西西伯利亞地區(qū)的槽區(qū)冷平流不明顯，槽強(qiáng)度基本不變，位置略東移。東北地區(qū)附近有一深厚的冷性渦旋，并在三江平原地區(qū)切斷出一閉合中心，即東北冷渦，其中心強(qiáng)度為546 dagpm，同時在其后方的低壓帶上(河套地區(qū))有一小槽東移；西太平洋副熱帶高壓邊緣的576 dagpm北界位于安徽省中部，西界位于110°E，副熱帶高壓的強(qiáng)度偏強(qiáng)。5日14:00的500 hPa高度場中(圖2b)，位于河套北部的小槽與東北冷渦在我國東北向南至江淮地區(qū)合并成一大槽，槽的后部有正熱成風(fēng)渦度平流，使位于我國東北地區(qū)及日本海地區(qū)的槽繼續(xù)發(fā)展加深，且緩慢東移，此時副熱帶高壓減弱東移。可見，江淮地區(qū)由原來受低渦后部的西北氣流控制轉(zhuǎn)為受槽中偏西氣流和槽前偏西南氣流控制。位于中國渤海地區(qū)的部分東亞大槽槽后有明顯的冷平流，有利于槽加深，且轉(zhuǎn)為南北向。6日14:00(圖2c)，高緯地區(qū)的環(huán)流形勢仍為“2槽1脊”型，西西伯利亞地區(qū)為東北—西南向的槽，而大興安嶺北部是南北向的槽；在中緯地區(qū)，位于東亞地區(qū)的大槽被冷空氣切斷為南北兩支，北支槽移至日本海上空，南支槽變成南北向，并停留在我國陜西南部到重慶一帶，江淮地區(qū)受南支槽前的西南氣流影響。位于西西伯利亞地區(qū)的槽由于等溫線和等高線近乎平行，大氣的斜壓性很弱，槽變淺且迅速東移；而脊區(qū)的等溫線和等高線也近乎平行，脊不再發(fā)展且強(qiáng)度很弱，脊前部的槽也很弱。7日14:00(圖2d)，高緯地區(qū)環(huán)流形勢為“1槽1脊”型，貝加爾湖東南側(cè)為廣大的槽區(qū)，我國東北地區(qū)為脊控制；中緯地區(qū)，華北至江淮地區(qū)為一槽?？傊?，在7月5—7日，江淮地區(qū)為槽后西西北氣流和副高西北側(cè)的西南氣流交匯區(qū)，同時處于高空槽前的上升氣流區(qū)，為暴雨的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利的條件。

圖1　2013年7月4日(a)、5日(b)、6日(c)、7日(d)24 h累計降水量分布(單位：mm)

圖2　2013年7月4日(a)、5日(b)、6日(c)、7日(d)14:00的500 hPa環(huán)流形勢(實線為高度場，單位：dagpm；虛線為溫度場，單位：℃；黑色粗實線是槽線；矩形框為江淮地區(qū)，下同)

2.2低空環(huán)流形勢

7月4日14:00 的850 hPa風(fēng)場上(圖3a)，從河北、河南至湖北一帶延伸出一條東北—西南向的冷式切變線，其兩側(cè)為偏北風(fēng)和西南風(fēng)切變，江淮地區(qū)受副熱帶高壓西北側(cè)的西南急流控制；同時河南北部有一低渦，在高空槽后西北氣流的引導(dǎo)下向東南方向移動。隨著偏北風(fēng)的加大，5日14:00(圖3b)，切變線南壓，呈準(zhǔn)水平分布，已移至江蘇、安徽、湖北、重慶一帶，控制區(qū)變大；河南北部的西南渦移出我國。四川盆地的背風(fēng)坡地形使得此地經(jīng)常有淺薄的擾動渦旋形成，在沒有一定的環(huán)流形勢配合下，這種小渦旋一般會在本地消失。然而，5日，四川地區(qū)位于高空槽前，槽前的正渦度平流促使四川盆地的小渦旋發(fā)展成低壓系統(tǒng)。Guo等[13]認(rèn)為，凝結(jié)潛熱加熱在西南渦的形成中起著非常重要的作用。7月4日降水釋放出大量的凝結(jié)潛熱，促使西南渦的形成，次日西南渦位于(108°E，30°N)，并沿著切變線向東移動，西南急流南撤，主體位于長江以南地區(qū)，江淮地區(qū)處于高層偏北干冷氣流和低層西南暖濕氣流的交綏地帶，上冷下暖的層結(jié)分布有利于層結(jié)不穩(wěn)定和強(qiáng)對流天氣發(fā)生。6日14:00(圖3c)，切變線的位置基本沒動，其兩側(cè)是東南風(fēng)和西南風(fēng)切變，湖北地區(qū)位于500 hPa高空槽前，槽前的正渦度平流為西南渦的維持和發(fā)展提供動力機(jī)制，西南渦位于(111°E，30.8°N)，暴雨中心在低渦前方、切變線的右側(cè)。西南渦在高空槽前西南氣流的引導(dǎo)下沿著切變線移動，西南急流穩(wěn)定維持。7日14:00(圖3d)，江淮切變線呈東北—西南向，位置有所北抬，低渦中心位于(115°E，31.5°N)，西南急流不斷向江淮地區(qū)輸送暖濕氣流；低空急流左側(cè)的輻合區(qū)和200 hPa高空急流左側(cè)的輻散區(qū)疊置，使得天氣尺度的垂直運(yùn)動得以持續(xù)發(fā)展，低渦中心附近深厚的輻合造成強(qiáng)的動力抬升機(jī)制?？梢姡敬伪┯赀^程是在西南渦的直接作用下，冷暖空氣長期對峙所致。從西南渦的移動路徑來看，連續(xù)3 d移動了約7個經(jīng)度，西南渦東側(cè)的副高明顯阻塞，導(dǎo)致中高層的偏西風(fēng)較弱，致使西南渦及雨帶移動緩慢，是形成此次暴雨過程的主要原因。

圖3　2013年7月4日(a)、5日(b)、6日(c)和7日(d)14:00的850 hPa風(fēng)場(單位：m·s-1)(粗實線為切變線，D是西南渦，粗虛線為西南急流邊界)

2.3邊界層特征

由于此次降水過程中南京(5日)、武漢(6日)先后出現(xiàn)強(qiáng)降水，造成嚴(yán)重城市內(nèi)澇，因此選取南京和武漢站的探空資料來分析邊界層特征。由南京站風(fēng)速的垂直變化可以看出(圖4a)，風(fēng)速在0.5～1.0 km高度范圍出現(xiàn)一極大值，其中08:00的風(fēng)速極大值達(dá)40 m·s-1，20:00達(dá)10 m·s-1，在邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨高度先增加后減小，具有明顯的“鼻狀”結(jié)構(gòu)。武漢站上空風(fēng)速也具有類似的“鼻狀”結(jié)構(gòu)(圖4b)，但與南京不同的是，7月6日20:00武漢站上空1.2 km以下存在很大的風(fēng)速垂直梯度?？梢?，邊界層內(nèi)存在很強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，觸發(fā)暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定能量釋放。另外，暴雨過程中南京上空925 hPa存在一支明顯的超低空急流帶(圖4c)，最大風(fēng)速超過16 m·s-1，急流軸呈東北—西南向，位于江淮地區(qū)東南部，且由邊界層一直延伸到對流層，超低空急流區(qū)有非常明顯的非地轉(zhuǎn)偏差，從而引起低層強(qiáng)風(fēng)速輻合，在對流觸發(fā)和維持中有重要作用，并對移至其上的西南渦有加強(qiáng)作用，使西南渦移速變慢，降水區(qū)域相對集中，有利于暴雨的形成。沿著此急流有一西南—東北向的水汽通量輻合帶，暴雨區(qū)對應(yīng)著水汽輻合中心，其水汽通量散度為-4×10-5kg·hPa-1·m-2·s-1，是此次降水的主要水汽通道，邊界層對水汽的輸送強(qiáng)度遠(yuǎn)大于對流層。風(fēng)場分布顯示，南京上空925 hPa有一西西北風(fēng)和西南風(fēng)的切變線，因其輻合作用產(chǎn)生了一支以偏南風(fēng)為主沿水汽輻合柱的上升氣流，使得暴雨中心的水汽輻合增強(qiáng)，降水強(qiáng)烈發(fā)展，在整個降水期間，邊界層始終是水汽的匯聚地，為降水的產(chǎn)生提供充足的水汽條件。6日20:00(圖4d)，超低空急流的主體移至東海地區(qū)，江淮地區(qū)的水汽輸送減弱，但強(qiáng)輻合區(qū)仍存在于超低空急流左側(cè)的強(qiáng)風(fēng)速切變區(qū)，水汽輻合區(qū)有明顯的中尺度特征，與武漢附近強(qiáng)降水的區(qū)域性特征有直接關(guān)系。武漢上空925 hPa以西南風(fēng)為主，且存在明顯的風(fēng)速切變，造成其上空水汽輻合柱的形成，大量的水汽匯聚為暴雨的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

圖4　2013年7月5日南京站(a)、6日武漢站(b)上空風(fēng)速隨高度變化(a，b，單位：m·s-1)及5日14:00(c)和6日20:00(d)925 hPa水汽通量散度場(單位：10-5 kg·hPa-1·m-2·s-1)和風(fēng)場(單位：m·s-1)(c， d)(黑色粗線為邊界層急流)

2.4云圖中尺度特征

分析FY-2F云量資料發(fā)現(xiàn)，從7月5日17:00開始在江蘇和安徽地區(qū)不斷有對流云團(tuán)生成(圖略)。至19:00(圖5a)，不斷發(fā)展加強(qiáng)為中尺度對流云團(tuán)，該云團(tuán)位于氣旋性風(fēng)場中，恰好為西北氣流和副熱帶高壓西北側(cè)的西南氣流的匯集區(qū)，大量的水汽和不穩(wěn)定能量在此集聚。21:00(圖5b)，中尺度對流云團(tuán)發(fā)展最旺盛，范圍有所擴(kuò)大。此云團(tuán)從開始形成到結(jié)束持續(xù)了5 h，江蘇、安徽地區(qū)的強(qiáng)降水主要是由該中尺度對流云團(tuán)造成，此日強(qiáng)降水中尺度對流云團(tuán)在夜間發(fā)展，白天減弱，這與西南渦的日變化相符合，與夜間云頂輻射冷卻，造成垂直結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定加強(qiáng)對流有關(guān)。

2.5高、低空急流對暴雨形成的作用

區(qū)域性大暴雨的出現(xiàn)一般與低空西南風(fēng)急流的維持與加強(qiáng)密切相關(guān)。7月5日之后的降水期間，副熱帶高壓穩(wěn)定維持，其西北側(cè)的對流層中低層始終存在低空急流，急流核的最大風(fēng)速>20 m·s-1，且與從孟加拉灣到我國江淮地區(qū)空氣飽和帶平行分布(圖略)。低空急流是高能高濕的載體[14]，7月5日14:00低空急流中心及其北側(cè)有一濕舌，與暴雨區(qū)正好重疊，有利于暴雨區(qū)低空形成高濕環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)暴雨區(qū)低空的對流不穩(wěn)定層結(jié)。另外，低空急流軸附近的水平風(fēng)速切變很大，其左側(cè)有氣旋性切應(yīng)力，有利于氣旋性渦旋的發(fā)生發(fā)展，從而形成較強(qiáng)的上升運(yùn)動，進(jìn)而促使不穩(wěn)定能量的釋放和暴雨的形成。江淮暴雨區(qū)位于低空西南風(fēng)急流軸的北側(cè)(圖6a)，在暴雨落區(qū)低空有明顯的風(fēng)切變，引起質(zhì)量和水汽的輻合，從而產(chǎn)生天氣尺度的上升運(yùn)動。

圖5　2013年7月5日19:00(a)和21:00(b)FY-2F云圖演變(單位：成)

圖6　2013年7月5日14:00的850 hPa矢量風(fēng)場(單位：m·s-1，黑色線為≥12 m·s-1的低空急流)與比濕場(單位：kg·kg-1，陰影為飽和區(qū))(a)和200 hPa矢量風(fēng)場(單位：m·s-1，黑色線為≥30 m·s-1的高空急流)(b)

根據(jù)地轉(zhuǎn)適應(yīng)理論，低空急流的這種中尺度現(xiàn)象，風(fēng)場是主動方面，沒有風(fēng)場的氣壓場是不能維持的[15]。由于對流層高層的動量下傳，促使其低層的急流加強(qiáng)，是低空西南風(fēng)急流得以維持的一個機(jī)制[14]。由于此次降水過程環(huán)流形勢較穩(wěn)定，連續(xù)3 d降水的物理機(jī)制相似，所以以5日14:00的物理量場為例進(jìn)行分析。由200 hPa風(fēng)場可以看出(圖6b)，在35°N—43°N范圍維持著一支強(qiáng)勁的西風(fēng)急流，該急流位于南亞高壓頂前的輻散區(qū)，急流核最大風(fēng)速>35 m·s-1，急流南側(cè)對應(yīng)的地面是江淮地區(qū)。在此次持續(xù)暴雨過程中，江淮地區(qū)上空200 hPa高空始終是強(qiáng)輻散區(qū)，大氣的抽吸作用為暴雨過程提供了動力機(jī)制。

3　物理量場的診斷分析

3.1水汽條件

暴雨的形成勢必要有源源不斷的水汽輸送，黃榮輝等[16]指出，東亞季風(fēng)區(qū)夏季水汽輸送主要由夏季風(fēng)攜帶的水汽平流引起。但僅有水汽輸送卻沒有大量聚集，一般不會形成強(qiáng)降水，因此通過計算水汽通量散度以了解水汽能否在某地匯聚輻合[17]。

圖7是2013年7月5日14:00的850 hPa水汽通量和水汽通量散度場。圖7a中，江淮地區(qū)為水汽通量大值區(qū)，副熱帶高壓西北側(cè)的西南氣流將水汽從孟加拉灣和南海向江淮地區(qū)輸送，江淮大部分地區(qū)的水汽處于飽和(比濕>0.014 kg·kg-1)狀態(tài)。暴雨區(qū)位于由西南向東伸的濕舌上和低空急流軸的左側(cè)，濕舌與低空急流緊密配合，在暴雨區(qū)上空形成濕平流區(qū)和水汽通量散度極小值區(qū)。圖7b中，江淮地區(qū)處于水汽通量散度的負(fù)值區(qū)，且有2個極值中心，一個是湖北，另一個是江蘇。西南急流軸左側(cè)風(fēng)切變引起的輻合使得水汽在江淮地區(qū)聚集，形成深厚的濕層，為暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量。另外，當(dāng)西南渦移動到厚厚的暖濕氣流之上時，西南渦中的上升運(yùn)動促使暖濕氣流凝結(jié)釋放潛熱，釋放的潛熱反過來又加強(qiáng)了西南渦中的上升運(yùn)動，最終使得西南渦發(fā)展加強(qiáng)。

圖7　2013年7月5日14:00的850 hPa水汽通量(a，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1)及其水汽通量散度(b，單位：10-5 kg·hPa-1·m-2·s-1)

3.2動力條件

天氣尺度的上升運(yùn)動較慢，不能在短時間內(nèi)將暖濕空氣輸送到自由對流高度，因此對流活動的觸發(fā)者是次天氣尺度或以下尺度的系統(tǒng)[18]。西南渦與暴雨形成有密切關(guān)系，在700 hPa或850 hPa表現(xiàn)最強(qiáng)。研究表明，西南渦與低槽或高空切變線相結(jié)合時容易產(chǎn)生暴雨[15]，低渦的發(fā)生發(fā)展將引起其東側(cè)氣流輻合和非平衡性的增強(qiáng)，導(dǎo)致低渦東部大暴雨的形成[19]。

從7月5日14:00風(fēng)場和垂直速度場上看(圖8a)，低渦位于氣流氣旋式切變和垂直上升運(yùn)動的交匯地帶。在重慶地區(qū)上空900～650 hPa之間，低渦附近散度場為輻合，且自低空到高空向后傾斜(黑色粗實線)，850 hPa輻合最強(qiáng)，其中心強(qiáng)度為-4×10-5s-1；輻散區(qū)在300 hPa附近，中心值為6×10-5s-1，正是200 hPa高空急流右側(cè)的輻散區(qū)。低空輻合、高空輻散，且高層輻散強(qiáng)于低層輻合，這種結(jié)構(gòu)配置有利于上升運(yùn)動和氣旋性渦度柱上空抽吸作用的加強(qiáng)，從而促進(jìn)中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展加強(qiáng)。然而，上升運(yùn)動最強(qiáng)的高度位于低渦上方600 hPa附近。低渦東北側(cè)的西南風(fēng)低空急流區(qū)(118°E附近)也存在一輻合區(qū)，輻合最強(qiáng)高度為900 hPa，700 hPa以上是輻散區(qū)，中心值是-2×10-5s-1，強(qiáng)度弱于低渦中心，對應(yīng)地面安徽地區(qū)有強(qiáng)降水，該階段的降水由低渦東南側(cè)的低空急流引起。6日14:00(圖略)，低渦移至湖北地區(qū)，為此次降水的第2階段。低層的輻合從邊界層一直延伸到600 hPa，相應(yīng)的上升運(yùn)動區(qū)發(fā)展到250 hPa，600 hPa附近上升運(yùn)動最強(qiáng)，中心值為-6×10-3hPa·s-1。低渦移動過程中，垂直上升運(yùn)動的厚度加大，輻散層的厚度也變大，低渦發(fā)展加強(qiáng)(圖8b)，對應(yīng)地面開始出現(xiàn)強(qiáng)降水，暴雨中心的日最大降水量超過90 mm，強(qiáng)降水中心在低渦移向的前方。7日14:00(圖略)，低渦仍在湖北地區(qū)上空，但強(qiáng)度略有減弱，此時地面降水達(dá)到最強(qiáng)，并出現(xiàn)2個強(qiáng)降水中心，一個在低渦附近，另一個遠(yuǎn)離低渦，其降水強(qiáng)度和范圍均大于低渦附近的降水。可見，7日的強(qiáng)降水與西南渦引起降水的位置并不一致，而是位于副熱帶高壓西北側(cè)的高溫濕舌區(qū)。當(dāng)西南渦前方出現(xiàn)副熱帶阻塞高壓時，不僅要關(guān)注低渦附近的降水，也要關(guān)注副高西北側(cè)的高溫濕舌區(qū)是否有強(qiáng)對流發(fā)生。

綜上所述，西南渦所在范圍的低空輻合、高空輻散垂直結(jié)構(gòu)對大氣有抽吸作用，從而加強(qiáng)了大氣的垂直運(yùn)動。西南渦移速緩慢，使得湖北地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)暴雨。

圖8　2013年7月5日14:00沿30.5°N散度場(實線，單位：10-5 s-1)、垂直速度場(陰影，單位：10-3 hPa·s-1)、風(fēng)場(風(fēng)矢量，單位：m·s-1)的緯向垂直剖面(a)及沿31°N、114.8°E散度(實線，單位：10-5 s-1)和垂直速度(陰影，10-3 hPa·s-1)的時間—高度剖面(b)(圖a中黑色粗線為西南渦的垂直結(jié)構(gòu))

3.3假相當(dāng)位溫

在梅雨期，梅雨鋒附近的溫度梯度較弱而濕度梯度較強(qiáng)，因此假相當(dāng)位溫能較好地反映暖濕空氣和干冷空氣交界面的大氣特征。根據(jù)傾斜渦度發(fā)展理論，強(qiáng)假相當(dāng)位溫的水平梯度能夠造成傾斜渦度的發(fā)展，有利于中尺度低渦的形成發(fā)展[20]。

圖9為暴雨過程中梅雨鋒的經(jīng)向垂直剖面。7月5—7日假相當(dāng)位溫密集區(qū)(即梅雨鋒區(qū))的位置基本沒變，梅雨鋒南側(cè)為暴雨區(qū)(短粗線)。這3 d最強(qiáng)假相當(dāng)位溫密集帶位于700 hPa附近，梅雨鋒南側(cè)的暖濕空氣位于低層，鋒面北側(cè)的冷空氣范圍較大，中心高度在850 hPa附近。由于西南渦逆時針旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得暖濕空氣逆時針插入梅雨鋒冷氣團(tuán)一側(cè)的底部，從而形成上層干冷、下層濕熱的不穩(wěn)定層結(jié)。冷暖空氣交匯于30°N—32°N，形成傾斜的假相當(dāng)位溫強(qiáng)水平梯度區(qū)，暴雨區(qū)上空等值線陡立，為濕中性層結(jié)，等熵面傾斜，大氣水平風(fēng)垂直切變增強(qiáng)，導(dǎo)致垂直渦度顯著發(fā)展，上升運(yùn)動增強(qiáng)，進(jìn)而使西南渦得以維持和加強(qiáng)。梅雨鋒兩側(cè)的冷暖空氣長時間對峙，有利于持續(xù)性暴雨的產(chǎn)生。從圖9b可以看到，在30°N—32°N地面上空700～400 hPa范圍，在垂直方向存在近似的假相當(dāng)位溫等值區(qū)，這種濕中性區(qū)有利于能量的積累，且厚度越厚越有利于持續(xù)性暴雨的形成。

圖9　2013年7月5日14:00沿118°E(a)和6日(b)、7日(c)14:00沿114°E假相當(dāng)位溫的經(jīng)向垂直剖面(單位：K)(短粗線是暴雨區(qū))

上述分析可見，梅雨鋒為大規(guī)模上升運(yùn)動創(chuàng)造了條件，對移至其上的西南渦起到加強(qiáng)作用。因此，在梅雨鋒上發(fā)展加強(qiáng)的西南渦是形成此次暴雨的關(guān)鍵因素之一。另外，假相當(dāng)位溫的密集區(qū)對暴雨落區(qū)的預(yù)報有一定指示作用。

4　結(jié)論與討論

(1)此次暴雨發(fā)生在500 hPa以徑向環(huán)流為主的背景形勢下，江淮地區(qū)上空的西南渦是此次降水過程的關(guān)鍵系統(tǒng)。高空急流右側(cè)的輻散區(qū)、高空槽前正渦度平流的動力作用和低層西南渦、低空切變線等相互作用使多層輻合區(qū)疊置，保證天氣尺度的上升運(yùn)動強(qiáng)烈而持久。高空槽后的西北氣流向江淮地區(qū)輸送干冷氣流，低空急流輸送足量暖濕氣流，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，低空急流左側(cè)、低渦前方的強(qiáng)烈輻合使得此次降水的強(qiáng)度大、持續(xù)時間長。邊界層存在強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變，觸發(fā)暴雨區(qū)不穩(wěn)定能量釋放。

(2)此次暴雨過程中低空急流輸送的暖濕氣流為暴雨的產(chǎn)生提供充分的水汽條件和位勢不穩(wěn)定觸發(fā)機(jī)制；高空急流不斷為低空急流輸送動量，使得低空急流維持和發(fā)展。暴雨區(qū)位于低空急流北側(cè)輻合區(qū)和高空急流南側(cè)輻散區(qū)，二者耦合，使暴雨區(qū)有持久的上升作用。

(3)西南超低空急流作為濕熱載體，將孟加拉灣和南海的水汽得以向江淮地區(qū)輸送，江淮地區(qū)上空劇烈持續(xù)的水汽通量輻合為持續(xù)性暴雨提供水汽和不穩(wěn)定條件，水汽通量散度負(fù)值區(qū)與降水區(qū)位置基本一致，當(dāng)西南渦移經(jīng)江淮地區(qū)時，有相應(yīng)的中尺度對流云團(tuán)發(fā)展，與強(qiáng)降水位置一致。

(4)西南渦所在的低空氣流輻合、高空輻散，這種垂直結(jié)構(gòu)對大氣有抽吸作用，加強(qiáng)了垂直運(yùn)動，垂直運(yùn)動最強(qiáng)的高度位于低渦輻合層頂部。

(5)南北方的暖冷空氣交匯于江淮地區(qū)，形成梅雨鋒，且向后方傾斜，形成天氣尺度的上升運(yùn)動；當(dāng)西南渦移近梅雨鋒時，西南渦強(qiáng)烈發(fā)展，移速緩慢，是形成此次持續(xù)性暴雨的主要原因，雨帶主體位于梅雨鋒南側(cè)，可作為雨區(qū)預(yù)報的參考。

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Cause Analysis on a Heavy Rainfall over the Yangtze-Huaihe Area in July 2013

YANG Xiumei, MA Minjin, ZHU Anbao

(CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,KeyLaboratoryofAridClimateChangeandReducingDisasterofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

A continuous heavy rainfall occurred in the Yangtze-Huaihe area from 5 to 7 July 2013. It was the first continuous rainstorm since the plum rain began, which caused flood disasters in the Yangtze-Huaihe area. Based on the ECMWF reanalysis data with 1°×1°spatial resolution, cloud cover data of FY-2F satellite and daily precipitation from 72 weather stations in the Yangtze-Huaihe area from 5 to 7 July 2013, the circulation characteristics and cause of the heavy rainfall were analyzed. The results showed that the slow-moving southwest vortex over the Yangtze-Huaihe region was critical to the persistent heavy rainfall under the background of the radial circulation on 500 hPa. When the southwest vortex moved close to the Meiyu front, the southwest vortex developed strongly and moved slowly. The high-level jet, upper-level trough on 500 hPa, low-level southwesterly jet, southwest vortex, boundary-layer jet and Meiyu front acted together to form deep convergence layer. The atmospheric vertical structure of the high-level divergence and low-level convergence strengthened the pumping action, and furtherly promoted the development of vertical movement. The strong vertical wind shear over the boundary layer triggered the convective instability release. The southwesterly jet in the boundary layer transported water vapor from the Bengal and South China Sea to the Yangtze-Huaihe region, which brought better vapor and thermal condition for the storm district. The intersection of warm air from the south and cold air from the north of China over the Yangtze-Huaihe area formed a dense zone of pseudo equivalent potential temperature, which resulted in the ascending motion with synoptic scale, and the rain belt mainly located in the south side of the dense zone of pseudo equivalent potential temperature, which could be a reference to the rain area forecast.

upper-level trough; continuous rainstorm; southwest vortex; pseudo equivalent potential temperature

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0700

2015-10-22；改回日期：2016-04-20

國家自然科學(xué)青年基金“蘭州日間穩(wěn)定邊界層生消機(jī)制及其環(huán)境效應(yīng)的數(shù)值模擬研究”(41205008)、中國氣象局蘭州干旱氣象研究所干旱氣象科學(xué)研究基金(IAM201209)和中央高校小額探索項目“西北地區(qū)復(fù)雜下墊面大氣邊界層高度數(shù)值模擬研究”(2022014zr0120)共同資助

楊秀梅(1990- )，女，甘肅會寧人，碩士研究生，主要從事空氣污染方面的研究. E-mail:18751977375@163.com

馬敏勁(1983- )，男，博士，云南昭通人，副教授，主要研究方向為大氣邊界層、空氣污染和數(shù)值模擬. E-mail:minjinma@lzu.edu.cn

1006-7639(2016)-04-0700-10DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0700

P458.1+21.1

A

楊秀梅，馬敏勁，朱安豹.2013年7月一次江淮暴雨成因分析[J].干旱氣象，2016，34(4)：700-709, [YANG Xiumei, MA Minjin, ZHU Anbao. Cause Analysis on a Heavy Rainfall over the Yangtze-Huaihe Area in July 2013[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):700-709],