一次大暴雨過程中孝感市南北部降水明顯差異的成因分析

鄧凱

摘要 ? ?利用高空地面氣象站觀測資料、FY2G衛(wèi)星云圖、EC細(xì)網(wǎng)格和GRAPES_GFS模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格點(diǎn)資料，對2019年6月20日孝感市大暴雨過程北部和南部地區(qū)降水明顯差異的成因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，此次孝感市大暴雨過程南北部地區(qū)降水差異，是在有利的環(huán)流背景及大尺度影響系統(tǒng)下，與中尺度系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。強(qiáng)降水是由一個(gè)中尺度對流云團(tuán)發(fā)展產(chǎn)生的，強(qiáng)對流云團(tuán)中心與強(qiáng)降水中心并不是一一對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水出現(xiàn)在中尺度對流云團(tuán)西邊尾部邊緣的云頂亮溫水平梯度最大的地方。南北部地區(qū)降水差異與925 hPa中尺度切變線密切相關(guān)，在925 hPa垂直速度、水汽通量散度和對流有效位能的分布上有明顯的反映，南部地區(qū)強(qiáng)烈上升運(yùn)動、水汽大量輻合和大量不穩(wěn)定能量釋放是南部地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生的重要因素，北部地區(qū)情況正好相反，因而降水較弱。

關(guān)鍵詞 ? ?大暴雨;衛(wèi)星云圖;中尺度系統(tǒng);物理量診斷;湖北孝感

中圖分類號 ? ?P458.121.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）20-0191-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

孝感市位于湖北省東北部，管轄7個(gè)縣市區(qū)，北部地區(qū)包括大悟縣、安陸市、孝昌縣3個(gè)縣市，南部地區(qū)包括云夢縣、應(yīng)城市、孝南區(qū)、漢川市4個(gè)縣市區(qū)。2019年6月20日8：00至21日8：00，孝感市出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過程，暴雨區(qū)出現(xiàn)在南部的漢川、孝南、云夢，其中漢川站出現(xiàn)了特大暴雨，而北部的大悟、安陸僅下了小到中雨。這種降水強(qiáng)度南北部地區(qū)的明顯差異，給暴雨預(yù)報(bào)造成了很大的難度。為了進(jìn)一步提高類似暴雨過程的預(yù)報(bào)水平，本文利用高空地面氣象站觀測資料、FY2G衛(wèi)星云圖、EC細(xì)網(wǎng)格和GRAPES_GFS模式高分辨率再分析格點(diǎn)資料，對此次大暴雨過程北部和南部地區(qū)降水明顯差異的成因進(jìn)行了分析。

1 ? ?降水概況

2019年6月20日8：00至21日8：00，孝感全市24 h降水量分布不均勻（圖1），南部地區(qū)的孝南站、云夢站出現(xiàn)了暴雨，其中孝南站50.2 mm、云夢站79.9 mm，漢川站出現(xiàn)了特大暴雨，為256.0 mm，而北部地區(qū)的大悟站、安陸站僅下了小到中雨，其中安陸站為小雨9.1 mm、大悟站為中雨16.8 mm。孝感全市108個(gè)區(qū)域氣象觀測站中，有15個(gè)站出現(xiàn)了日降水量>100 mm的大暴雨，均出現(xiàn)在南部地區(qū)。從降水時(shí)間分布來看，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在20日下半夜，即21日2：00—7：00（圖2），在這5 h中，漢川國家氣象觀測站和漢川市汈汊湖區(qū)域氣象觀測站累計(jì)降水量分別為222.9 mm和169.4 mm，分別占其日降水量的87.1%和89.9%，小時(shí)最大降水量出現(xiàn)在21日3：00—4：00，漢川市汈汊湖站最大，為69.9 mm，漢川站次之，為65.1 mm。

2 ? ?環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

6月20日20：00 500 hPa天氣圖上（圖3），歐亞中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”型，東經(jīng)80°東邊至巴爾喀什湖以東有一長波槽，鄂霍次克海至亞洲沿海為低渦低槽區(qū)，兩槽之間，貝加爾湖到蒙古為一高壓脊。副熱帶高壓脊線位于北緯21°附近，588 dagpm線位于衢州—南昌—長沙—懷化—威寧一線。500 hPa圖上，亞洲沿海的低渦低槽轉(zhuǎn)動，帶動中低層和地面弱冷空氣從東海南下;亞洲沿海的低渦低槽區(qū)后、貝加爾湖到蒙古高壓脊前的偏北氣流，與副熱帶高壓北部的西南氣流交匯，為中低層江淮變線的生成與發(fā)展提供了有利的大尺度環(huán)流背景。6月21日8：00 500 hPa副熱帶高壓減弱南退，中低層江淮變線東移南壓，孝感市強(qiáng)降水過程隨之結(jié)束。

6月20日20：00 700 hPa低空西南急流位于安慶—南昌—郴州—桂林—河池一線，最大風(fēng)速16 m/s;850 hPa江淮地區(qū)上海—南京—武漢—宜昌—達(dá)縣一沙坪壩有一明顯暖式切變線，切變線南側(cè)為西南風(fēng)、北側(cè)吹偏東風(fēng)，低空西南急流位于南昌—長沙—桂林—河池一線，最大風(fēng)速12 m/s;700 hPa和850 hPa在江淮地區(qū)還存在明顯的風(fēng)速輻合，如700 hPa武漢、安慶為西南偏西風(fēng)12 m/s和14 m/s，而其北邊的南陽、阜陽均為偏西風(fēng)4 m/s，江淮地區(qū)風(fēng)速輻合強(qiáng)度大。6月21日8：00，隨著副熱帶高壓減弱南退，中低層和地面弱冷空氣南下，925 hPa江淮切變線轉(zhuǎn)為冷式切變線，切變線南壓至武漢以南，武漢轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，強(qiáng)降水南壓移出孝感市。地面天氣圖上，大暴雨發(fā)生以前6月20日14：00，地面暖倒槽迅速發(fā)展，湖北省大部增暖降壓明顯，武漢站24 h變溫變壓分別為+6.0 ℃、-4.6 Pa，荊州站24 h變溫變壓分別為+4.0 ℃、-4.4 Pa，大暴雨發(fā)生以后6月21日14：00，湖北省大部降溫增壓明顯，武漢站24 h變溫變壓分別為-10.0 ℃、+2.9 Pa，荊州站24 h變溫變壓分別為-10.0 ℃、+4.3 Pa。本次大暴雨過程的主要影響系統(tǒng)為中低層暖切變線、低空西南急流、地面暖倒槽和冷空氣。

3 ? ?降水差異的成因分析

3.1 ? ?中尺度對流云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展分析

利用半小時(shí)一次的FY2G紅外云圖資料，對本次大暴雨產(chǎn)生的中尺度對流云團(tuán)進(jìn)行了分析（圖4），6月20日18：00在中低層江淮切變線上，在江漢平原的鐘祥、潛江兩地分別生成了γ中尺度云團(tuán)B、C，同時(shí)在孝感市東邊的黃陂生成了一個(gè)γ中尺度云團(tuán)D，見圖4（a）。19：00紅外云圖上，位于鄂西北的β中尺度云團(tuán)A開始減弱，見圖4（b），并且其強(qiáng)度一直在減弱、范圍持續(xù)在縮小，至21日1：00完全消失;與此同時(shí)，位于江漢平原的鐘祥和潛江兩地的中尺度云團(tuán)B、C開始發(fā)展加強(qiáng)，見圖4（b），B云團(tuán)向東移動，C云團(tuán)向南移動，其云頂最低溫度達(dá)到-79 ℃，另外，位于黃陂的γ中尺度云團(tuán)D也開始發(fā)展，漢川上空也開始生成了一個(gè)γ中尺度云團(tuán)E。其后，中尺度云團(tuán)B、C、D、E繼續(xù)發(fā)展，并逐步匯合在一起，至20日21：00，融合發(fā)展成為一β中尺度云團(tuán)F，見圖4（c），其中心位于天門附件，云團(tuán)邊界清晰、發(fā)展旺盛，其云頂最低溫度達(dá)到-81 ℃。隨后，中尺度云團(tuán)F不斷向東移動，其內(nèi)部γ中尺度云團(tuán)有生有消，但總體穩(wěn)定、主體東移，至21日4：00，中尺度云團(tuán)F主體已移到黃岡地區(qū)，見圖4（d），僅有F的西邊尾部位于漢川。至21日8：00，中尺度云團(tuán)全部東移南壓，孝感市強(qiáng)降水停止。

總體來講，本次孝感市大暴雨過程是由一個(gè)中尺度對流云團(tuán)產(chǎn)生，其中尺度對流云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展和移動，與本次過程的降水范圍和時(shí)間基本相對應(yīng)。從圖4可以看出，中尺度對流云團(tuán)位置偏南，孝感市北部（特別是大悟）基本上都處在中尺度對流云團(tuán)影響范圍以外，造成了孝感市北部地區(qū)降水偏弱。值得注意的是，強(qiáng)對流云團(tuán)中心與強(qiáng)降水中心并不是一一對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)對流云團(tuán)中心于20日22：00位于漢川上空，但22：00前后漢川市降水強(qiáng)度并不很強(qiáng)（圖2），由圖4（d）可看出，漢川處在中尺度對流云團(tuán)西邊尾部邊緣時(shí)，云團(tuán)邊緣的云頂亮溫水平梯度達(dá)到1.7 ℃/km，即21日3：00—4：00，漢川出現(xiàn)了小時(shí)最大降水量65.1 mm（圖2），由此可見，中尺度對流云團(tuán)西邊尾部邊緣的云頂亮溫梯度最大的地方，很可能出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。

3.2 ? ?中尺度系統(tǒng)分析

一般認(rèn)為，暴雨是在幾種尺度系統(tǒng)相互作用的情況下發(fā)生發(fā)展的，而中小尺度系統(tǒng)則是其產(chǎn)生的最直接的系統(tǒng)[1-2]。孝感市位于江漢平原東北部至鄂東北中部，全境南北長約163 km，東西寬約122 km，屬于天氣學(xué)概念的中尺度范疇。通過分析中高層的影響系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，大尺度系統(tǒng)不能很好地解釋本次孝感市大暴雨的南北部降水明顯差異的原因，因而利用EC細(xì)網(wǎng)格模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格點(diǎn)資料和地面加密觀測料，對此次大暴雨過程的中尺度系統(tǒng)特征進(jìn)行了分析。

通過分析發(fā)現(xiàn)，此次孝感市大暴雨的中尺度影響系統(tǒng)，在近地面層925 hPa和地面反映比較明顯（圖5）。20日8：00在925 hPa圖上，長沙至武漢有一偏南風(fēng)低空急流（D線），最大風(fēng)速14 m/s，925 hPa低空急流在大暴雨發(fā)生前開始暴發(fā)。20日16：00在地面圖上，孝昌—應(yīng)城—天門—沙洋有東北至西南的風(fēng)向幅合線（C線），長度200 km左右，輻合線位于孝感市西南部。EC細(xì)網(wǎng)格模式再分析格點(diǎn)資料顯示，20日8：00在925 hPa圖上江漢平原至鄂東北為一致的偏南風(fēng)，21日8：00（大暴雨結(jié)束）在925 hPa圖上江漢平原至鄂東北又轉(zhuǎn)為一致的偏北風(fēng)，而在強(qiáng)降水發(fā)生前6 h，即20日20：00在925 hPa圖上，有一明顯的東西向中尺度切變線（A線），切變線穿過孝感市中部，位于紅安—孝昌—安陸—京山—鐘祥一線，長度約200 km，中尺度切變線北側(cè)吹偏東風(fēng)、南側(cè)吹西南風(fēng)，切變線上還存在明顯的風(fēng)速幅合;與此同時(shí)地面圖上，江漢平原至鄂東北出現(xiàn)一條干線（露點(diǎn)鋒）（B線）。

綜合上述分析，在中高層大尺度系統(tǒng)引導(dǎo)下，特別是500 hPa亞洲沿海低渦低槽轉(zhuǎn)動、700 hPa和850 hPa江淮切變線、低空西南急流影響下，由于地面幅合線、925 hPa低空急流等的觸發(fā)作用，加上弱冷空氣南下江準(zhǔn)流域產(chǎn)生擾動，使得20日18：00江漢平原的鐘祥、潛江的中尺度對流云團(tuán)發(fā)展，見圖3（a），至20日20：00中尺度對流云團(tuán)在925 hPa中尺度切變線、地面干線等的激發(fā)下，進(jìn)一步加強(qiáng)東移，至21：00發(fā)展形成一β中尺度云，見圖3（c），其中心位于天門至漢川，由于孝感市北部位于925 hPa中尺度切變線的北邊，對流發(fā)展受到抑制，因而降水強(qiáng)度比較弱。

3.3 ? ?物理量診斷分析

利用EC細(xì)網(wǎng)格和GRAPES_GFS模式高分辨率（0.25°×0.25°）再分析格點(diǎn)資料，對產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的動力、水汽和不穩(wěn)定因子等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)925 hPa垂直速度、水汽通量散度和對流有效位能對本次孝感市大暴雨南北部地區(qū)降水的差異有較好的診斷作用。

3.3.1 ? ?垂直速度分析。從圖6可以看出，在6月20日20：00 925 hPa的P坐標(biāo)垂直速度場中，在中尺度切變線以北，即孝感市北部地區(qū)為弱的下沉氣流，而在中尺度切變線以南，即孝感市南部地區(qū)為上升氣流，漢川站附近垂直速度為 -35 Pa·s-1，孝南至武漢黃陂有一垂直速度為-100 Pa·s-1的上升運(yùn)動中心。在孝感市這一中尺度范圍中，形成了一個(gè)北部為下沉氣流、南部為上升氣流的中尺度環(huán)流，有利于孝感市南部地區(qū)的強(qiáng)對流天氣發(fā)展，而不利于北部地區(qū)強(qiáng)對流天氣發(fā)展。

3.3.2 ? ?水汽通量散度分析。分析20日20：00 925 hPa水汽通量散度（圖7），在強(qiáng)降水發(fā)生前6 h，孝感市南北部地區(qū)水汽通量散度存在著明顯的差異，北部地區(qū)為水汽通量輻散區(qū)，大悟站附近水汽通量散度為60×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1，而孝感市南部地區(qū)為水汽通量輻合區(qū)，漢川站附近水汽通量散度為-65×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1，應(yīng)城北部有一水汽通量散度為-100×10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1的強(qiáng)水汽輻合中心。在孝感市這一中尺度范圍中，南部為水汽輻合區(qū)，為該地區(qū)強(qiáng)降水提供了水汽條件，有利于強(qiáng)降水發(fā)展，而北部地區(qū)為水汽輻散區(qū)，不利于強(qiáng)降水發(fā)展。

3.3.3 ? ?對流有效位能分析。對流有效位能（CAPE）對強(qiáng)對流天氣的發(fā)生有較好的指示意義[3-4]。分析孝感市本次大暴雨過程的CAPE變化可知（圖8），6月20日8：00，孝感全市CAPE值都比較小，大氣比較穩(wěn)定，大悟站附近為270 J/kg、漢川站附近為500 J/kg。至20日20：00，CAPE值迅速增大，南部地區(qū)出現(xiàn)一個(gè)2 300 J/kg的大值中心，位于漢川站附近，大悟站附近為563 J/kg、漢川站附近為2 300 J/kg，12 h變量大悟站為293 J/kg、漢川站為1 800 J/kg，漢川站的增量為大悟站的6倍多，說明南部地區(qū)不穩(wěn)定能量大量積累。至21日8：00，孝感全市CAPE值迅速減小，南北地區(qū)均在200 J/kg以下，說明此時(shí)不穩(wěn)定能量已經(jīng)釋放完畢，對應(yīng)地面的強(qiáng)降水也隨之結(jié)束。由以上分析可知，本次孝感市南北部地區(qū)降水差異，與CAPE值有關(guān)，CAPE值大的南部地區(qū)，有強(qiáng)降水發(fā)生，CAPE值小的北部地區(qū)，降水較弱，南部地區(qū)CAPE值迅速減小，南部地區(qū)強(qiáng)降水也隨之結(jié)束。

4 ? ?結(jié)論

（1）本次孝感市大暴雨過程南北部地區(qū)降水差異，是在有利的環(huán)流背景及大尺度影響系統(tǒng)下，與中尺度系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，中尺度系統(tǒng)主要是925 hPa中尺度切變線、低空急流、地面輻合線和干線（露點(diǎn)鋒）等。

（2）南部地區(qū)的強(qiáng)降水是由一個(gè)中尺度對流云團(tuán)發(fā)展產(chǎn)生的，強(qiáng)對流云團(tuán)中心與強(qiáng)降水中心并不是一一對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水出現(xiàn)在中尺度對流云團(tuán)西邊尾部邊緣的云頂亮溫水平梯度最大的地方，本次過程達(dá)1.7 ℃/km。

（3）南北部地區(qū)降水差異與925 hPa中尺度切變線密切相關(guān)，在925 hPa垂直速度、水汽通量散度和對流有效位能的分布上有明顯的反映，南部地區(qū)強(qiáng)烈上升運(yùn)動、水汽大量輻合和大量不穩(wěn)定能量釋放是南部地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生的重要因素，北部地區(qū)情況正好相反，所以降水較弱。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

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