池州市一次汛期暴雨過程診斷分析

肖湛臻，周黃貞，田 慷，楊春雷*

(1.湖北省宜昌市氣象局，湖北宜昌 443000；2.安徽省池州市氣象局，安徽池州 247000)

汛期暴雨具有降水集中、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，常常引起城市內(nèi)澇、地質(zhì)災(zāi)害等各類次生災(zāi)害，對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)造成極大威脅。為此許多氣象工作者做了大量研究工作：陶詩(shī)言等[1]分析指出，夏季導(dǎo)致洪澇的持續(xù)性暴雨是西太平洋副熱帶高壓、季風(fēng)涌、冷空氣以及青藏高原東傳的短波槽共同作用的結(jié)果。江曉燕等[2]對(duì)一次梅雨鋒暴雨的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展機(jī)理的數(shù)值研究表明，β中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展演變與中尺度低空輻合流場(chǎng)和高空輻散流場(chǎng)相伴隨。尹潔等[3]研究指出，西南急流增強(qiáng)和干冷空氣活動(dòng)對(duì)暴雨有加強(qiáng)作用。郝瑩等[4]對(duì)典型強(qiáng)降水的雷達(dá)特征進(jìn)行分析，將強(qiáng)降水分為低質(zhì)心和高質(zhì)心結(jié)構(gòu)，其中低質(zhì)心降水占80%。吳照憲等[5]對(duì)2013年汛期皖南山區(qū)的一次強(qiáng)降水天氣過程研究后，指出熱帶風(fēng)暴對(duì)副高有頂托作用，激發(fā)暖濕氣流的北抬，為強(qiáng)降水提供了充沛的水汽條件。

雖然對(duì)暴雨的研究成果頗多，但在實(shí)際業(yè)務(wù)中汛期暴雨依然是預(yù)報(bào)難點(diǎn)。為了提高對(duì)此類暴雨過程的認(rèn)識(shí)，有必要對(duì)新近發(fā)生的暴雨過程進(jìn)行深入研究，筆者擬對(duì)2015年7月22—25日出現(xiàn)在皖南沿江地區(qū)的一次大暴雨過程進(jìn)行研究，分析大暴雨發(fā)生的環(huán)境條件和物理機(jī)制，以期為提高暴雨預(yù)報(bào)能力提供參考。

1 過程概況與特點(diǎn)

2015年7月22日20：00—25日20：00，除東至縣中西部小片區(qū)域外，池州市普降大暴雨，全市共有111個(gè)雨量站降水超過100.0 mm，其中12個(gè)雨量站降水超過250.0 mm，最大降水出現(xiàn)在東至縣泥溪鄉(xiāng)河廟，為368.6 mm。

此次降水主要特點(diǎn)是降水時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)降水區(qū)較為集中。22日夜間至23日白天，暴雨站點(diǎn)主要出現(xiàn)在青陽(yáng)縣境內(nèi)，最大累計(jì)雨量青陽(yáng)樂園村為177.5 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)為75.5 mm。降水短暫停歇后，于23日夜間至24日白天達(dá)到最強(qiáng)，23日24：00雨帶逐漸南壓過江至池州市，全市自北向南出現(xiàn)暴雨到大暴雨，最大小時(shí)雨強(qiáng)為東至縣河廟的96.6 mm；6 h降水最大為東至縣馬坑，達(dá)到198.1 mm。24日雨帶繼續(xù)南壓，暴雨點(diǎn)僅出現(xiàn)在東至縣境內(nèi)，最大累計(jì)雨量為71.7 mm。

2 環(huán)流形勢(shì)

2.1500hPa環(huán)流形勢(shì)從圖1可以看出，此次過程的主要影響系統(tǒng)有西太平洋副熱帶高壓、內(nèi)蒙低渦及其底部的高空槽和西太平洋上的熱帶氣旋。受熱帶氣旋的頂托影響，7月23日副高加強(qiáng)北抬，其脊線位于22°N附近，584 dagpm線位于安徽境內(nèi)的長(zhǎng)江北部。內(nèi)蒙中部有低渦發(fā)展，其底部的低槽延伸至貴州中部，配合溫度場(chǎng)來看，溫度槽落后于高度槽，預(yù)示著高空槽將繼續(xù)加深發(fā)展；由于副高加強(qiáng)，高空槽移動(dòng)非常緩慢。到24日08：00，高空槽略有東移，584 dagpm線稍有南壓，與長(zhǎng)江基本重合。同時(shí)500 hPa上有冷空氣南下，在皖南山區(qū)形成一個(gè)-4 ℃的冷堆。

2.2700和850hPa環(huán)流形勢(shì)700 hPa山東北部到廣西西南部的切變線穩(wěn)定維持，引導(dǎo)低層系統(tǒng)沿切變線方向移動(dòng)。由850 hPa形勢(shì)(圖2)可見，23日低渦中心位于湖北中部，逐漸向東北偏東方向移動(dòng)，24日08：00移至六安市；低層西南氣流逐漸增強(qiáng)，出現(xiàn)12 m/s的西南急流。

2.3海平面氣壓場(chǎng)從圖3可看出，長(zhǎng)江中下游沿江地區(qū)有低值系統(tǒng)自西向東移動(dòng)，至24日08：00，低值系統(tǒng)移至滁州境內(nèi)，池州市位于其西南部的低槽中。

圖2 2015年7月23日20:00(a)和24日08:00(b)850 hPa歐洲中心流場(chǎng)Fig.2 850 hPa European center flow field at 20:00 on July 23(a) and 08:00 on July 24(b) in 2015

圖3 2015年7月23日20:00(a)和24日08:00(b)海平面氣壓場(chǎng)Fig.3 Sea level pressure field at 20:00 on July 23(a) and 08:00 on July 24(b) in 2015

3 中尺度分析

利用23日20：00和24日08：00的探空資料和EC細(xì)網(wǎng)格資料進(jìn)行中尺度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，23日20：00安慶站700 hPa溫度露點(diǎn)差為12 ℃，有明顯的干區(qū)，而低層濕度較大，850、925 hPa的比濕分別為15和17 g/kg。24日08:00，池州整層濕度都很大，700 hPa及以下各層的比濕均超過10 g/kg，且中低層均出現(xiàn)急流，500 hPa鄂東和皖西地區(qū)出現(xiàn)明顯的干區(qū)，低層有溫度槽出現(xiàn)，925和850 hPa的低渦中心位于淮南附近，切變線分別延伸至贛北和鄂東南地區(qū)，池州位于低渦切變線前部的高低空急流區(qū)中。

24日白天低渦逐漸東移，強(qiáng)降水趨于結(jié)束，但500 hPa形勢(shì)未發(fā)生明顯的變化，24日白天到25日池州仍有對(duì)流性天氣出現(xiàn)。通過分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)降水時(shí)段高層有冷空氣擴(kuò)散南下，在低層切變線上不斷有中尺度低渦系統(tǒng)激發(fā)生成，隨即沿切變線向東北方向移動(dòng)，在切變線及其東側(cè)輻合明顯，23日夜間低層氣流逐漸增強(qiáng)，到24日08：00 925 hPa的急流正對(duì)東至和石臺(tái)交界處，由于地形影響，該地區(qū)輻合上升運(yùn)動(dòng)更加明顯，因此在該地區(qū)出現(xiàn)6 h 198.1 mm的降水。

4 物理量分析

4.1水汽條件研究表明，充足的水汽是產(chǎn)生暴雨的重要條件，但僅靠本地的水汽供應(yīng)，是很難形成暴雨的，因此必須要有持續(xù)穩(wěn)定的水汽輸入，才能促使暴雨形成。此次暴雨過程湖南東部至江西一線有較強(qiáng)盛的西南氣流維持，皖南地區(qū)850 hPa急流中心風(fēng)速達(dá)16 m/s(圖4a)，低空西南急流將水汽源源不斷向長(zhǎng)江中下游輸送，為此次暴雨的產(chǎn)生提供水汽來源。24日02：00池州西南部的大氣整層可降水量達(dá)到70 kg/m2(圖5)，并一直維持到14：00，從而產(chǎn)生持續(xù)性降水。

水汽通量表示水汽輸送的強(qiáng)度和方向，能很好地反映水汽輸送情況[6]。從水汽通量場(chǎng)上來看，24日凌晨從江西北部至皖南地區(qū)一直有一條西南—東北走向的水汽輸送帶維持，其中心值達(dá)到20 g/(cm·hPa·s)(圖4b)。然而從水汽通量的方向和數(shù)值，僅能了解暴雨過程的水汽來源和強(qiáng)度。至于暴雨究竟出現(xiàn)在何處，雨量有多大，則與水汽通量散度的關(guān)系更為密切。通過水汽通量散度的時(shí)間垂直剖面圖(圖6)發(fā)現(xiàn)，23日23:00水汽通量散度開始增大，24日08：00增至最大，在1 000～925 hPa達(dá)到-16×10-7g/(hPa·cm2·s)，隨后逐漸減弱，至17:00水汽輻合逐漸消散。

4.2熱力條件假相當(dāng)位溫(θse)是綜合表征大氣溫度、濕度的物理量，能反映大氣中濕斜壓能量的分布。23日20：00其高值區(qū)分布在長(zhǎng)江以南，24日02：00大于350 K的高值區(qū)西移北抬(圖7a)，至24日08：00高值區(qū)一直呈條狀分布在長(zhǎng)江中下游。從垂直分布圖上(圖7b)可以看到，24日02：00等θse密集帶位于30°N，即池州附近。等θse線密集帶的南部低層θse值較高，是暖濕空氣位勢(shì)不穩(wěn)定區(qū)，有能量聚集，而在密集帶北側(cè)則為低值區(qū)，為偏北干冷氣流，有阻擋暖濕氣流向北部擴(kuò)散、使低層輻合加強(qiáng)的作用。在垂直方向上對(duì)流層低層θse隨高度的升高而降低，也反映了該處大氣層結(jié)不穩(wěn)定性。

圖4 2015年7月24日02:00(a)和08:00(b) 850 hPa水汽通量場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)疊加[單位:g/(cm· hPa·s)]Fig.4 850 hPa water vapor flux field and wind field superposition at 02:00 (a) and 08:00 (b) on July 24, 2015

圖5 2015年7月24日02：00大氣整層可降水量(單位：kg/m2)Fig.5 Probable precipitation of the atmosphere whole layer at 02:00 on July 24,2015

圖6 2015年7月23—24日117°E、30°N水汽通量散度時(shí)間垂直剖面[單位:×10-7g/( hPa·cm2·s)]Fig.6 Time vertical profile of 117°E, 30°N water vapor flux divergence time from July 23 to 24, 2015

通過溫度平流可以了解冷暖空氣的交匯情況，并能分析出冷空氣的侵入路徑。24日02：00 700 hPa皖北和江蘇均為冷平流中心，中心強(qiáng)度達(dá)-10×10-3K/s(圖8a)，說明西北和東北方向都有冷空氣侵入。從垂直分布圖上看(圖8b)，23日下午開始850 hPa以下均受暖平流控制，925 hPa中心值達(dá)12×10-3K/s。24日02:00開始，700 hPa逐漸轉(zhuǎn)受冷平流控制，08:00 500 hPa以上也出現(xiàn)冷平流中心，達(dá)-3×10-3K/s，再次證明此次暴雨過程在700 hPa以上有弱冷空氣侵入，這種高層冷平流、低層暖平流的天氣形勢(shì)有利于對(duì)流的發(fā)生發(fā)展。

4.3動(dòng)力條件暴雨的產(chǎn)生除了需要充足的水汽供應(yīng)外，還需要?jiǎng)恿l件來維持對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展，表征動(dòng)力條件好壞的物理量有散度和垂直速度等[7]。分析散度場(chǎng)的時(shí)間垂直剖面(圖9a)發(fā)現(xiàn),23日14:00—24日20：00池州地區(qū)850 hPa以下始終存在輻合；隨著低渦的東移，輻合中心逐漸增強(qiáng)，于24日08：00達(dá)-8×10-5s-1，但輻合中心一直較低，維持在900 hPa附近。由垂直速度的時(shí)間剖面(圖9b)可知，24日02:00前池州市高空受下沉氣流控制，之后上升運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，至24日08:00，除500～700 hPa還有弱下沉運(yùn)動(dòng)外，1 000 hPa以上幾乎都為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，垂直速度的中心位于850 hPa，約為-1.5 Pa/s。綜上所述，池州市上空700～500 hPa有下沉輻散運(yùn)動(dòng)，說明該區(qū)域可能有冷空氣活動(dòng)，這也與上一節(jié)溫度平流分析中得出的中高層有弱冷空氣侵入的結(jié)論相互驗(yàn)證。

圖7 2015年7月24日02:00假相當(dāng)位溫(a)及沿117°E的假相當(dāng)位溫垂直剖面(b)(單位：K)Fig.7 False equivalent temperature (a) and along the 117 °E false equivalent temperature vertical profile (b) at 02:00 on July 24,2015

圖8 2015年7月24日02：00溫度平流(a)及沿117°E的溫度平流時(shí)間垂直剖面(b)(單位：×10-3K/s)Fig.8 Temperature advection (a) and 117°E temperature advection time vertical profile (b) at 02:00 on July 24,2015

圖9 2015年7月23—25日沿117°E、30°N的散度(a,10-5s-1)和垂直速度(b, Pa/s)時(shí)間垂直剖面Fig.9 Vertical profile of the divergence (a, 10-5s-1) and vertical velocity (b, Pa/s) along 117°E, 30°N from July 23 to 25, 2015

5 星云圖特征分析

紅外云圖(圖10a)顯示，我國(guó)中東部地區(qū)的云帶整體呈東北—西南走向，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)有發(fā)展旺盛的中尺度對(duì)流云團(tuán)覆蓋，在長(zhǎng)江以南多分散中小尺度對(duì)流單體。通過云頂亮溫可以判斷，長(zhǎng)江中下游地區(qū)中尺度對(duì)流云團(tuán)的西南部發(fā)展更為旺盛，云頂亮溫達(dá)到199 K，發(fā)展最旺盛處恰好位于池州上空。

水汽云圖(圖10b)顯示，西北太平洋在副高的控制下，表現(xiàn)為大范圍的暗區(qū)；長(zhǎng)江中下游地區(qū)中尺度對(duì)流云團(tuán)的水汽含量充沛，且伴隨強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，在云圖上表現(xiàn)為高白亮區(qū)，云頂亮溫達(dá)到197 K；在對(duì)流云團(tuán)的西側(cè)也存在明顯的暗區(qū)，說明對(duì)流云團(tuán)西側(cè)的水汽梯度明顯。

圖10 2015年7月24日02：00紅外云圖(a)和水汽云圖(b)Fig.10 Infrared cloud map (a) and water vapor cloud map (b) at 02:00 on July 24,2015

6 雷達(dá)特征分析

由雷達(dá)基本反射率(圖11a)可知，24日00:45左右，強(qiáng)回波主體已進(jìn)入池州境內(nèi)，其強(qiáng)度達(dá)到50 dBz，呈東北—西南帶狀分布，并向東移動(dòng)，形成“列車效應(yīng)”。

徑向速度圖(圖11b)顯示，皖南整體以西南氣流為主，在2 km高度西南氣流徑向速度已超過15 m/s，達(dá)到低空急流標(biāo)準(zhǔn)；零徑向速度線呈“S”型，說明低空有較強(qiáng)的暖平流；流入和流出2個(gè)強(qiáng)風(fēng)速區(qū)呈不對(duì)稱分布，說明在700 hPa上西南氣流存在氣旋式旋轉(zhuǎn)。此外在池州西北部存在一個(gè)中氣旋，其位置與反射率圖上強(qiáng)回波的位置基本一致，這也是造成局地強(qiáng)降水的原因之一。

注：a.24日00:45基本反射率；b.24日00:45徑向速度；c.23日23:30垂直積分液態(tài)含水量；d.24日00:45基本反射率垂直剖面Note:a.Basic reflectivity at 00:45 on July 24;b.Radial speed at 00:45 on July 24;c.Vertical integral liquid water content at 23:30 on July 23;d.Basic reflectance vertical profile at 00:45 on July 24圖11 2015年7月23—24日雷達(dá)回波Fig.11 Radar echoes from July 23 to 24,2015

此次過程最大的特點(diǎn)是降水強(qiáng)度大，從垂直積分液態(tài)含水量(圖11c)可以看出，23日23：30有一條中α尺度的雨帶位于池州市沿江地區(qū)，其平均液態(tài)含水量超過15 kg/m2，中心最大液態(tài)含水量達(dá)28 kg/m2。

沿雨帶的縱向?qū)走_(dá)基本反射率做垂直剖面(圖11d)，發(fā)現(xiàn)40 dBz以上的強(qiáng)回波基本位于5 km以下，回波中心超過60 dBz，均位于1 500 gpm以下，回波呈現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水典型的“低質(zhì)心”特點(diǎn)。

7 地形影響

暴雨雖然是在一定的天氣形勢(shì)下產(chǎn)生的，但地形對(duì)暴雨的強(qiáng)度以及落區(qū)等都有不可忽視的作用。同樣的天氣形勢(shì)下，迎風(fēng)坡的降水要比其他地區(qū)大。地形對(duì)降水的動(dòng)力作用主要表現(xiàn)為：地形的強(qiáng)迫抬升；地形使系統(tǒng)性的風(fēng)向發(fā)生改變，從而在某些地方產(chǎn)生地形輻合或輻散[8]。

由池州市地形圖(圖12)可以看出，池州市東南部是以九華山、牯牛降為主體的山區(qū)，中部為連綿起伏的丘陵區(qū)，北部沿江地區(qū)為洲圩區(qū)，地勢(shì)低平。對(duì)比雨量和地形疊加圖(圖13)可知，此次暴雨過程的強(qiáng)降水區(qū)主要集中在池州市南部，上述區(qū)域恰好是池州的山區(qū)及丘陵地區(qū)，與強(qiáng)降水落區(qū)吻合，而且南部地區(qū)迎風(fēng)坡降水普遍大于背風(fēng)坡，可見地形對(duì)降水有增幅作用。

圖12 池州市地形(單位：m)Fig.12 Chizhou topography

注：黑色數(shù)值為7月22—25日雨量(mm)；填色區(qū)域?yàn)楹０?m)Note:The black value is the rainfall (mm) on July 22-25;the color fill area is the altitude (m)圖13 池州市雨量與地形疊加Fig.13 Rainfall and terrain overlay of Chizhou City

8 結(jié)論

(1)此次大暴雨天氣是發(fā)生在大陸高壓和西太平洋副熱帶高壓之間的低槽前部，中高層有弱冷空氣侵入，低層切變線附近激發(fā)出多個(gè)中尺度低渦系統(tǒng)，并有規(guī)則地向東北方向移動(dòng)，在其附近造成了強(qiáng)降水。

(2)強(qiáng)降水區(qū)出現(xiàn)在低層急流軸的左前方，低層水汽接近飽和，中高層有弱冷空氣侵入，水汽、熱力、動(dòng)力等物理量與降水的強(qiáng)度變化和落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，低層暖平流、高層冷平流的上下層配置，以及低層輻合、高層輻散的耦合機(jī)制有利于暴雨的發(fā)展。

(3)雷達(dá)圖上有一條中α尺度雨帶東移影響池州，形成“列車效應(yīng)”。強(qiáng)回波區(qū)位于5 km及以下，呈現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水典型的“低質(zhì)心”特點(diǎn)。

(4)池州市南部的強(qiáng)降水時(shí)段，低空急流出口正對(duì)強(qiáng)降水區(qū)；對(duì)比池州地形與雨量疊加圖發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水區(qū)與山區(qū)吻合，且迎風(fēng)坡降水大于背風(fēng)坡，說明地形對(duì)強(qiáng)降水有一定的貢獻(xiàn)。