2019 年江蘇兩次江淮氣旋暴雨大風(fēng)過程分析

顏佳任，王偉健，張紅華，史達(dá)偉

(連云港市氣象局，江蘇 連云港 222006)

引言

江淮氣旋是發(fā)生在中國長江中下游地區(qū)和淮河流域的氣旋性渦旋，生命史大于12h，具有明顯的冷、暖鋒結(jié)構(gòu)，一般春季和初夏活動最為昌盛［1-2］。江淮氣旋是影響中國江蘇地區(qū)降水的重要天氣系統(tǒng)，它的活動可能帶來大風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣［3-4］，因此江淮氣旋一直是氣象業(yè)務(wù)研究的熱點［5-6］。

江淮氣旋大致可以分為靜止鋒上的波動和倒槽鋒生產(chǎn)生的氣旋兩類，前一類是高空平直氣流的擾動配合地面靜止鋒發(fā)展起來的，后者則是在已有的高空槽上發(fā)展起來的，形成之初沒有明顯的鋒區(qū)［7］。對于江淮氣旋的研究一般分為統(tǒng)計類分析和個例研究兩類，而且多以個例類為主［8］。毛程燕等［9］指出低壓系統(tǒng)的發(fā)展與冷空氣活動有較好的對應(yīng)關(guān)系。李斌等［10］首次提出江淮氣旋暴雨的主降雨中心和次降雨中心的降雨分布特點，發(fā)現(xiàn)江淮氣旋次降雨中心也可以產(chǎn)生暴雨和雷電大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。古文保和屈梅芳［11］指出暴雨發(fā)生區(qū)域有正渦度中心相配合。陳筱秋等［12］研究得出，暴雨區(qū)南北兩支次級環(huán)流圈的存在有利于強上升運動的維持。張曉紅等［13］研究一次春季江淮氣旋暴雨過程發(fā)現(xiàn)，暴雨區(qū)一般位于氣旋移動路徑的左前方。對強對流雷暴大風(fēng)的研究有很多［14-16］，但對江淮氣旋的研究主要側(cè)重于降水，對于其發(fā)展變化對風(fēng)的影響研究較少。因此，本文不僅對兩次江淮氣旋過程的異同進行分析，更著重于分析兩次氣旋發(fā)展過程中大風(fēng)的差異。

1 資料與方法

使用逐小時雷達(dá)基本反射率拼圖產(chǎn)品、江蘇省地面觀測自動站日降水量和日極大風(fēng)速風(fēng)向資料和逐6h 的NCEP 0.25°×0.25°再分析資料，從溫度平流、渦度平流和云水混合比等物理量對發(fā)生在江蘇地區(qū)的2019 年3 月19—20 日和2019 年4 月8—9日的兩次江淮氣旋產(chǎn)生的暴雨大風(fēng)過程進行分析，重點分析兩次江淮氣旋入海前后發(fā)展的差異以及造成暴雨大風(fēng)異同點的原因。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣實況簡介

從江蘇全省范圍看，“0320”與“0409”過程均產(chǎn)生了全省范圍的降水，兩次過程降水分布特征都表現(xiàn)為北多南少，暴雨都發(fā)生在淮河以北。“0320”過程在徐州東部、宿遷北部、連云港南部以及鹽城北部等地區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性的暴雨?！?409”過程在徐州西北部、宿遷的西南部與東北部地區(qū)出現(xiàn)相對分散的暴雨分布。

從全省8 級以上極大風(fēng)速空間分布上看，“0320”過程僅在江蘇省東北部沿海以及南京北部出現(xiàn)8 級大風(fēng)，大風(fēng)出現(xiàn)時間相對分散，以對流性大風(fēng)為主。“0409”過程在江蘇省東北部沿海，以及沿江蘇南等地區(qū)出現(xiàn)了范圍較大的8～9 級大風(fēng)，出現(xiàn)時間整體集中在中午前后，為對流性大風(fēng)和氣旋大風(fēng)兩者疊加。

綜上所述，“0320”與“0409”過程均產(chǎn)生了全省范圍的降水，暴雨都集中在淮河以北，“0320”過程暴雨區(qū)集中，“0409”過程暴雨區(qū)相對分散。“0320”過程產(chǎn)生了分散性的8 級以上對流大風(fēng)，而“0409”過程則產(chǎn)生覆蓋全省大部分地區(qū)的8～9 級區(qū)域性大風(fēng)。

2.2 環(huán)流背景

兩次過程江蘇省上空200hPa 高空急流都很強(圖略)，江蘇省均處于高空急流的入口區(qū)附近，“0409”過程江蘇省高空有分流區(qū)，兩次過程都具有有利于高空輻散的形勢背景。“0320” 過程，500hPa蒙古中部有一冷槽隨引導(dǎo)氣流向東移動，與高原槽合并。700hPa 和850hPa 在我國西南-華東地區(qū)有較強的低空急流，在系統(tǒng)東移過程中，850hPa 急流不斷增強，江蘇省北部暴雨區(qū)處于低渦東南象限以及低空急流的左前方。“0409”過程，500hPa 蒙古西部有一冷槽穩(wěn)定少動，高原東部東北-西南向高空槽東移斷裂減弱。700hPa 和850hPa 在我國西南-華東南部一帶有西南低空急流，急流隨系統(tǒng)不斷東移，強度變化不大。850hPa 在江蘇省北部可以看到明顯的閉合環(huán)流，且江蘇省淮河以北存在較強的暖脊，江蘇省北部暴雨區(qū)處于低渦移動前方和低空急流的左前方。

從兩次過程的地面圖上看(圖1)，“0320”過程為西南地區(qū)東部的低渦沿著500hPa 引導(dǎo)氣流向東偏北移動形成江淮氣旋，從湖北中部，經(jīng)河南東南部、安徽北部，在江蘇東北部進入黃海，入海后強度略有加強。“0409”過程是西南渦向東偏北方向伸展的倒槽在鋒生作用下產(chǎn)生的江淮氣旋，在安徽南部附近生成，并向東北偏東方向移動，在江蘇省東南部東移入海，入海后迅速加強。兩次過程暖鋒均較強，“0320”過程渦后冷鋒強度較“0409”過程明顯偏弱，氣旋入海后的增強程度明顯不同。

圖1 2019 年3 月20 日08 時(a)和20 時(b)、4 月9 日08 時(c)和20 時(d)海平面氣壓場及風(fēng)場

2.3 “0320”和“0409”過程差異

2.3.1 氣旋發(fā)展差異

500hPa 渦度平流和200hPa 輻散強度對低層系統(tǒng)減壓有著明顯的影響。從兩次過程中層的正渦度平流和高層的輻散區(qū)配合看(圖2)，“0320”過程的正渦度平流和幅散區(qū)自西南向東北移動，隨著時間的變化迅速減弱，移至江蘇省時渦度平流明顯減弱，輻散區(qū)也明顯減小?！?409”過程的正渦度與輻散區(qū)從安徽南部向江蘇省東北部移動，強度和范圍均有明顯增大，對于低層氣旋的增強更加有利。因此，“0409”過程中層的正渦度平流和高層的輻散區(qū)更有利于氣旋在江蘇省的發(fā)展。

圖2 2019 年3 月20 日02 時(a)、08 時(b)和4 月9 日02 時(c)、08 時(d)500hPa 高度場、正渦度平流和200hPa 散度

以850hPa 氣旋中心為0 點，向東向西10 個經(jīng)度作氣溫、云水混合比和風(fēng)的緯向剖面?！?320”過程從云水混合比的分布來看，入海前(圖3a)，主要云水中心分布在氣旋以東4～8 個緯度，位置較為集中，云水中心偏低，位于800hPa 高度附近。入海后(圖3b)云水中心分布在氣旋中心以東4 個緯度左右，表明氣旋的傾斜程度減弱，且云水中心向上發(fā)展，強度有所加強，中心位于500hPa 左右高度，與此對應(yīng)的低層風(fēng)速變化不明顯。氣旋入海后850hPa 以上的暖心結(jié)構(gòu)略有增強，850hPa 以下為冷心結(jié)構(gòu)變化不明顯。

“0409”過程在入海前(圖3c)云水中心分布較為分散，主要中心都位于700～850hPa 高度，在氣旋以西2 個緯度900hPa 高度上有較強的冷中心，中心溫度達(dá)-6℃，在氣旋以東有很強的暖中心，表明入海前氣旋后部就有較強的冷空氣侵入，因此氣旋發(fā)展非常迅速，入海后(圖3d)，氣旋迅速向上發(fā)展，但主要云水中心仍然位于700～850hPa 高度，并配合有明顯的暖中心，且在低層有明顯的東西對稱結(jié)構(gòu)，與經(jīng)典的溫帶氣旋入海后的發(fā)展一致，在低層有明顯的云水對稱結(jié)構(gòu)，低層氣旋外圍風(fēng)速顯著增大，有利于地面出現(xiàn)氣旋大風(fēng)。

圖3 “0320”過程入海前20 日08 時(a)、入海后14 時(b)和“0409”過程入海前9 日08 時(c)、入海后20 時(d)氣溫、云水混合比以及風(fēng)的緯向剖面

以850hPa 氣旋中心為0 點，向南向北5 個緯度作風(fēng)和相對渦度的經(jīng)向剖面(圖4)。從“0320”過程入海前后對比來看，相對渦度增強的不明顯，但范圍有所增大，氣旋后部的風(fēng)速中心減弱，氣旋前部的偏東風(fēng)增強，且高度下降至接近地面，但中心風(fēng)速也僅有12m·s-1，不足以產(chǎn)生氣旋大風(fēng)。

圖4 “0320”過程入海前20 日08 時(a)、入海后14 時(b)和“0409”過程入海前9 日08 時(c)、入海后20 時(d)相對渦度和風(fēng)的經(jīng)向剖面

“0409”過程中，氣旋入海前，緯向風(fēng)和相對渦度的經(jīng)向度較大，斜壓性明顯，氣旋前部偏東風(fēng)中心位于900hPa 高度，風(fēng)速16m·s-1，后部偏西風(fēng)中心高度位于600hPa，風(fēng)速22m·s-1。氣旋入海后快速發(fā)展，相對渦度中心向下向上發(fā)展，相對渦度大值區(qū)在氣旋中心附近垂直方向上延伸至800hPa 高度，系統(tǒng)經(jīng)向度減小，斜壓性減弱，氣旋后部偏西風(fēng)和氣旋前部偏東風(fēng)明顯增強，風(fēng)速中心高度明顯降低，尤其是氣旋后部偏西風(fēng)高度已延伸至近地面，中心風(fēng)速達(dá)18m·s-1，有利于氣旋性大風(fēng)的出現(xiàn)，實況也顯示此區(qū)域的沿江蘇南等地出現(xiàn)大范圍的8 級以上大風(fēng)。

從低層的溫度平流看，“0320” 過程隨著時間的發(fā)展渦前和西南急流帶來的暖平流發(fā)展明顯，大值區(qū)主要位于淮河以北，但氣旋發(fā)展時，并沒有明顯的冷平流與之配合，到氣旋移動至山東半島后，即氣旋影響過程趨于結(jié)束，渦后才有冷平流侵入，且強度較弱?！?409”過程，氣旋影響江蘇省時，不僅氣旋前部有明顯的西南急流帶來的暖平流，氣旋后部的冷平流也很強盛，且隨著氣旋的發(fā)展，氣旋前部的暖平流和氣旋后部的冷平流均迅速加強。綜上所述，“0320”過程冷平流不明顯，氣旋發(fā)展速度相對較慢，不利于氣旋大風(fēng)的產(chǎn)生?！?409”過程氣旋從生成至入海強度迅速增強，有利于氣旋大風(fēng)的發(fā)生發(fā)展。

2.3.2 降水差異

從700hPa 水汽通量散度與垂直運動的配合上看(圖略)，“0320”過程中水汽通量散度呈西南-東北分布，在江蘇省西大東小，上升運動主要集中在長江以北，沿淮淮北地區(qū)有大的上升運動中心，上升運動區(qū)區(qū)域性分布，這是“0320”過程產(chǎn)生區(qū)域性暴雨落區(qū)的重要原因之一?！?409”過程中水汽通量散度的大值區(qū)分布在山東、湖北、安徽以及江蘇省的北部和西南部。上升運動方面，江蘇省東北部地區(qū)和西南部地區(qū)較強，整體分布不均。由于“0409”過程的水汽通量散度和上升運動區(qū)域分布不均，配合程度不同，因此相對“0320”過程暴雨落區(qū)相對分散。兩次過程探空顯示徐州站的濕層深厚，南京站濕層相對淺薄，表明江蘇北部地區(qū)的濕層條件好于南部地區(qū)，為北部地區(qū)暴雨提供更有利的條件。兩次過程中降水與江淮氣旋的強度關(guān)系不大，而水汽和上升運動的配合程度的不同決定了這兩次過程中暴雨的強度和影響范圍。

2.3.3 大風(fēng)差異

從T-lnP 圖中分析(圖略)，南京站兩次過程中，500hPa 以上都有明顯的干層，0～6km 垂直風(fēng)切變達(dá)20m·s-1以上，上干下濕及較強垂直風(fēng)切變有利于產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣，而實況顯示兩次過程南京地區(qū)都出現(xiàn)了8 級以上大風(fēng)。徐州站“0320”過程500hPa 以上存在淺薄干層，0～6km 風(fēng)的垂直風(fēng)切變也達(dá)20m·s-1，徐州站出現(xiàn)7 級大風(fēng)，而“0409”過程整層濕層深厚，風(fēng)的垂直風(fēng)切變較小，更有利于出現(xiàn)強降水天氣。結(jié)合上述氣旋差異分析，“0320”過程氣旋大風(fēng)較弱，因此主要是個別站點產(chǎn)生對流性大風(fēng)天氣，而“0409”過程氣旋入海顯著增強，氣旋大風(fēng)增強，結(jié)合南京探空分析，對流性大風(fēng)疊加氣旋大風(fēng)使得沿江蘇南地區(qū)產(chǎn)生區(qū)域性大風(fēng)天氣。

分析兩次過程的變壓梯度(圖略)可知，“0320”和“0409”過程江蘇省3h 變壓梯度最大時刻均出現(xiàn)在中午前后?！?320”過程中正變壓中心位置安徽中西部地區(qū)，3h 正變壓中心可達(dá)3.7hPa，負(fù)變壓中心位于江蘇省東北部近海海面，強度可達(dá)-4hPa，正負(fù)變壓中心呈西南-東北向。“0409”過程中，正變壓中心位于湖北省西部地區(qū)，強度大于6hPa，負(fù)變壓中心位于江蘇省東部近海海面，強度可達(dá)-4hPa。正負(fù)變壓中心呈現(xiàn)東-西向。相比而言，“0409”過程變壓梯度大于“0320”過程，變壓風(fēng)向由正中心向負(fù)中心，偏西風(fēng)為主。

從兩次過程14 時地表溫度上看，兩次過程江蘇省南北溫差都很大?！?320”過程中午前后全省溫度整體分布南高北低，從東北到西南遞增，贛榆站氣溫實況不足11℃，宜興站可達(dá)28℃以上，溫度梯度最大區(qū)域位于江蘇省東北沿海，是江蘇省東北沿海出現(xiàn)大風(fēng)的有利條件。“0409”過程中午前后，全省氣溫分布整體東南高西北低，從東南到西北遞減，徐州站實況溫度只有6℃，而蘇州南部溫度達(dá)到30℃左右，全省溫度梯度都較大，溫度梯度最大區(qū)域位于淮河以南，是沿江地區(qū)出現(xiàn)8 級以上大風(fēng)的有利條件。

綜上所述，預(yù)報江淮氣旋大風(fēng)天氣時，除了考慮對流天氣產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)，更要考慮氣旋入海后發(fā)展對大風(fēng)形成的貢獻，同時在氣旋影響過程除分析氣旋發(fā)展變化，對地面3h 變壓和溫度梯度的分析可進一步確定大風(fēng)影響的區(qū)域。

3 結(jié)論與討論

(1)兩次過程的環(huán)流形勢類似，“0320”過程西南急流強度明顯強于“0409”過程，“0409”過程地面熱力條件更好。“0320”過程蒙古中部冷槽強度雖強，但位置偏北，不利于引導(dǎo)冷空氣南下影響江蘇，“0409”過程蒙古西部冷槽穩(wěn)定少動，使得氣旋后部冷空氣得以源源不斷的補充，這可能是“0409”過程氣旋入海后強度增強程度超過“0320”過程的重要原因。

(2)水汽條件和垂直運動條件江蘇北部明顯好于江蘇南部，是兩次過程強降水區(qū)都落于蘇北的原因，“0320” 過程沿淮淮北地區(qū)有大的上升運動中心和水汽輻合中心，“0409” 過程水汽通量和上升運動區(qū)域分布不均，配合程度不同，因此相對“0320”過程暴雨落區(qū)相對分散。

(3)“0409”過程入海位置更偏南，受海上熱力條件，高層正渦度平流及較強冷平流的共同作用，氣旋入海后迅速發(fā)展，江淮氣旋進入成熟階段，氣旋后部風(fēng)速明顯增大，氣旋大風(fēng)疊加對流大風(fēng)是沿江蘇南地區(qū)區(qū)域性偏西大風(fēng)的主要原因?！?320”過程海上熱力條件、高層正渦度平流及低層冷平流都較弱，氣旋入海后發(fā)展不明顯，不利于氣旋大風(fēng)的產(chǎn)生，因此僅局部產(chǎn)生對流性大風(fēng)。

此次研究使用了云水混合比來研究氣旋發(fā)展的結(jié)構(gòu)特征，對氣旋如何演變有更直觀的認(rèn)識。當(dāng)研究江淮氣旋對江蘇的影響時，除考慮常規(guī)的水汽條件和垂直運動條件外，氣旋入海位置和溫度平流、渦度平流以及下墊面性質(zhì)的配合是導(dǎo)致暴雨大風(fēng)產(chǎn)生位置和強度的決定性因素。