安徽北部一次局地特大暴雨過程的中尺度特征分析

蔡雄輝，邱學興 ，郭 婷 ，田 磊

（1.蚌埠市氣象局，安徽 蚌埠340300；2.安徽省氣象臺，安徽 合肥230031）

暴雨是重要的災害性天氣之一，常造成內澇、洪水、泥石流等自然災害，給人民生命財產安全和社會經濟發(fā)展帶來嚴重威脅，對暴雨的觀測分析和預報預警一直是國內外氣象工作者關注的焦點。

研究表明暴雨是在有利的天氣形勢和環(huán)境條件下形成，低空急流和超低空急流與暴雨的形成具有密切關系[1-4]，而純粹的短時強降水具有高的0 ℃和-20 ℃層，比較高的邊界層露點溫度[5]。早在20 世紀80 年代陶詩言[6]就指出梅雨鋒降水是多尺度系統(tǒng)相互作用的結果，中尺度對流系統(tǒng)往往是導致暴雨的直接影響系統(tǒng)[7]，邊界層輻合線是對流發(fā)生發(fā)展的重要因素之一，“后向傳播”機制是雷暴產生強降水的重要成因[8-12]。2014 年7 月19 日夜間黑龍江暴雨的研究表明中尺度對流雨帶沿邊界層輻合線生消[13]，2018 年北京“7·16”特大暴雨的研究也指出邊界層輻合線是對流觸發(fā)并逐漸組織成帶狀對流系統(tǒng)的關鍵影響因素，邊界層輻合線方向、低空急流軸、回波移動方向三者幾乎重疊是造成對流后向傳播和“列車效應”的有利條件[14]。

安徽北部地處黃淮之間，為平原地形，氣候屬于南北過渡帶，冷暖空氣活動頻繁，多極端天氣。據安徽氣象工作者統(tǒng)計，安徽淮北地區(qū)是短時強降水高發(fā)區(qū)，雨強≥50 mm/h 的強降水頻發(fā)，淮北地區(qū)出現(xiàn)概率最高，將其形成的天氣形勢歸納為低槽東移型、西北氣流型和臺風型3 類[15]，但針對極端降水的研究并不多。2018 年6 月27—28 日安徽北部局地出現(xiàn)特大暴雨，12 h 最大累計降水量達358 mm，并伴有雷雨大風，是一次極端強降水事件，造成蚌埠市縣大范圍城市內澇。為分析此次局地特大暴雨的形成原因，特別是對流的觸發(fā)和維持機制，本文利用地面加密自動站觀測、衛(wèi)星云圖、蚌埠雷達觀測和NCEP再分析等資料，分析強降水過程的中尺度特征，以期揭示此次局地特大暴雨的中小尺度特征，為今后類似強降水預報提供參考依據。

1 降水過程天氣實況

2018 年 6 月 27 日 18 時（北京時，下同）—28 日06 時，安徽北部出現(xiàn)一次局地特大暴雨，強降水中心主要在安徽蚌埠地區(qū)及其附近。28 日16 時過去24 h 包括加密自動站累計降水量有235 站≥50 mm、111 站≥100 mm、15 站≥250 mm。24 h 累計降水量最大的是固鎮(zhèn)站，達271.9 mm，破該站日降水量極值；最大加密站為蚌埠司陳站，為358.3 mm，其最大小時雨強達 97.7 mm/h（27 日 22—23 時）、最大10 min 降水量達 35 mm（27 日 22：05—22：15）。降水于27 日16 時前后開始，由一個局地普通對流單體引起，在和另一個單體合并之后發(fā)展。19 時對流迅速加強，降水隨之增強，并持續(xù)至28 日06 時，在此階段強降水落區(qū)緩慢南移，安徽北部最大小時降水量均達60 mm 以上，雨強≥20 mm/h 的站點數在20 站以上。07 時后降水仍持續(xù)但迅速南壓減弱，安徽北部地區(qū)降水結束。

2 天氣背景分析

2.1 高空環(huán)流背景

27 日08 時西太平洋副熱帶高壓（簡稱“西太副高”）588 線位于沿淮附近，安徽北部受東北冷渦后部西北氣流控制。在東北冷渦溫壓結構不對稱、大氣斜壓性強時，冷渦的西、西南、南至東南部易發(fā)生強對流天氣[16]。這種形勢有利于不穩(wěn)定能量的積累，是皖北地區(qū)常見的強對流天氣形勢。27 日20 時，西太副高略有南落，588 線位于江淮之間，安徽北部仍受冷渦后部的西北氣流控制，850 hPa 低槽位于皖西北的豫皖交界附近，落后于高空槽，為前傾槽結構，槽前西南急流風速 12～14 m/s（圖 2a）。925 hPa 安徽北部位于超低空西南急流的出口左側。低空急流、超低空急流均能源源不斷輸送暖濕氣流，而高空位于槽后有干冷平流，位勢不穩(wěn)定層結建立并維持，易觸發(fā)對流。28 日08 時850 hPa 低槽東移南壓到沿淮一帶，系統(tǒng)移動緩慢維持時間長。200 hPa 南亞高壓東伸，安徽北部上空等高線和風場均為疏散狀，即高空位于分流區(qū)，有明顯的輻散。

2.2 水汽條件和熱力條件

27 日20 時安徽北部地區(qū)的大氣可降水量達到了70 kg/m2左右，大氣絕對含水量充足（圖3a）。在27 日20 時阜陽探空站上（圖3b），露點溫度在20 ℃以上的高度達到了828 hPa，850～400 hPa 的溫度露點差基本＜4 ℃，接近飽和、濕層深厚。850 和925 hPa西南風風速＞12 m/s，低空急流和超低空急流為暴雨區(qū)源源不斷輸送水汽和不穩(wěn)定能量。這些均為特大暴雨提供了充足的水汽條件。

圖1 6 月27 日16 時—28 日16 時安徽北部累計降水量（a 單位：mm）和蚌埠市司陳站逐小時雨量、最大小時降水量和逐小時≥20 mm/h 站點數（b）

圖3 6 月 27 日 20 時大氣可降水量（a，單位：kg/m2）和阜陽站探空圖（b）

在同一探空圖上，CAPE（convective available potential energy，對流有效位能）值達 1 922 J/kg，修正到以地面作為抬升層，則CAPE 值達3 393 J/kg。安徽省氣象臺研究成果表明[15]，雖然中等強度的CAPE 值有利于極端強降水，但西北氣流型的短時強降水中75%的CAPE 值＞2 000 J/kg，這是與其他類型的短時強降水有較大區(qū)別的地方。自由對流高度約在859 hPa，平衡高度達100 hPa，CAPE 值區(qū)域狹長。如果到以850 hPa 作為起始抬升層，則CAPE值為2 067 J/kg，抬升凝結高度在837.5 hPa，自由對流高度833.5 hPa，離抬升層很近，即邊界層只要有一些擾動便可以觸發(fā)強對流。K 指數為45 ℃，K 指數雖然是不穩(wěn)定能量參數，但和安徽降水之間有更好的對應關系，據統(tǒng)計皖北地區(qū)K 指數達到36 ℃以上就有利于出現(xiàn)暴雨。SI 指數為-5.82 ℃，非常有利于出現(xiàn)強對流天氣，0 ℃層的高度在5.3 km 左右，-20 ℃層高度達8.8 km，暖云層深厚。探空風廓線上，700 hPa 高度以下風向隨高度順轉且風速隨高度減小，700 hPa 以上順轉不明顯。0～6 km 垂直風切變約為 14 m/s，0～1 km 垂直風切變約為 8 m/s，這些均有利于對流的維持。700 hPa 附近為偏西風且風速最小，即引導氣流的方向向東且偏弱。

上述分析表明，安徽北部有以下幾個特征：（1）西太副高外圍和前傾槽使大氣層結強烈的不穩(wěn)定，熱力條件非常有利于出現(xiàn)強降水對流天氣，低層低槽還可以起到觸發(fā)對流的作用。（2）濕層十分深厚，低空急流、超低空急流既為暴雨區(qū)供應水汽和不穩(wěn)定能量，同時還能觸發(fā)對流單體。（3）引導氣流方向向東且較弱、暖云層深厚。（4）200 hPa 高空位于分流區(qū)。（5）天氣尺度系統(tǒng)移動緩慢，影響時間長。

3 云圖和雷達分析

3.1 云圖特征分析

27 日 18：30—28 日 05：30 的衛(wèi)星云圖演變可見（圖4）。16：30 在安徽固鎮(zhèn)附近有對流云團生成并向東發(fā)展，18：30 該云團位于蘇皖交界處（圖4a 中B 云團），同時在上游安徽蒙城附近有新的對流云團生成（圖 4a 中 A 云團），19：30 兩個云團合并并顯著發(fā)展（圖4b 中C 云團），使云團范圍擴大強度變強。此后該云團持續(xù)發(fā)展，呈橢圓形結構形式，云團后部不斷有新的云系生成并合并到主體云團中（圖4c 中畫圈處）。04：30 之后更是逐漸延伸出一條新的云系（圖4d、4e），并得到了發(fā)展加強（圖4f）。云團后部伸出的云系是新的對流單體在不斷生成并向東發(fā)展，存在后向傳播，只是新生單體和風暴主體十分靠近，很快與風暴主體合并發(fā)展連在一起。通過演變可以看到新單體生成的源地始終在安徽蒙城附近，這種后向傳播的作用造成暴雨云團后部始終穩(wěn)定少動，27 日 18：00—28 日 06：30 一直維持在安徽北部的沿淮附近，導致強降水在安徽北部的蚌埠地區(qū)及附近持續(xù)發(fā)生，維持時間達12 h 并形成局地特大暴雨，07：30 后云團才開始加速南壓。

圖4 FY-2E 紅外衛(wèi)星云圖

3.2 雷達觀測分析

23：18 時降水最強時段蚌埠雷達反射率因子剖面圖可以看到（圖5a），有6 個單體側向排列，為典型的線（帶）狀對流，其中1~5 號單體均是低質心單體，＞45 dBZ 的反射率因子高度主要集中在5 km 以下，即使最強的6 號單體，最強的反射率因子中心也在5 km 左右，而0 ℃層的高度在5.3 km 左右，降水具有低質心暖云降水特征。圖5b 為蚌埠雷達22：33 的0.5°仰角反射率因子疊加STI 產品，圖中強回波呈西北—東南向的帶狀回波，而風暴的移動方向基本也是西北—東南方向，移動方向與長軸方向基本一致。回波演變過程中，在主體回波帶后部的蒙城、渦陽、利辛等地區(qū)附近（圖5b 紅圈）不斷有新的單體生成，并加強、合并到風暴主體中，存在明顯后向傳播。新生單體離風暴主體后部較近且發(fā)展迅速，很快與風暴主體合并，因而表現(xiàn)為不斷補充，這與云圖特征一致。

圖5c、5d 分別為最強降水時段的蚌埠雷達風廓線和0.5°仰角徑向速度圖。邊界層強垂直風切變：300～900 m 由東北風轉為西南風，風向隨高度強烈逆轉，表明近地層有強的冷平流，其上為西南暖濕入流氣流，這是邊界層內雷暴高壓的出流邊界強迫抬升暖濕空氣的表現(xiàn)，穿過雷暴冷高壓中心位置畫速度剖面，零速度線高度可達1.5 km 以上，輻合線強迫抬升高度超過自地面抬升的自由對流高度。同時由于低層風向轉變，0～6 km 垂直風切變增強，垂直風切變的增強有利于對流組織成線狀[17]。850 hPa 左右西南風速隨時間增強，表明急流和暖濕輸送在增強，雷達站西南部風速大于東北部風速，表明低層有風速輻合。700 hPa 為偏西風且風速較小，表明向東的引導氣流偏弱。維持的時間長，也說明系統(tǒng)影響時間長。

圖5 蚌埠雷達圖

4 地面加密資料分析

分析加密自動站資料發(fā)現(xiàn)有非常明顯的中尺度特征，雷暴高壓和邊界層輻合線始終存在并與強降水相互作用，降水的各個階段與雷暴高壓、邊界層輻合線的演變階段相對應。下面將結合雷達資料就雷暴高壓和邊界層輻合線的形成（27 日 16：00—17：00）、維持（17：00—28 日 07：00）、減弱消亡（07：00 之后）階段的演變過程進行分析。

4.1 形成階段

最初階段表現(xiàn)為地面出現(xiàn)冷中心。15：30 在安徽固鎮(zhèn)縣西邊出現(xiàn)兩個孤立新生單體并向東發(fā)展（圖 6a），15：40 出現(xiàn)對流出現(xiàn)降水，16：10 兩個單體合并，降水增強，同時地面氣溫驟降出現(xiàn)冷中心（圖6b、6c），地面冷中心與降水中心一致。在此時雖然出現(xiàn)地面冷高壓，但風場仍為環(huán)境風場的西南風，沒有出現(xiàn)向外輻散的流場。

16：50 伴隨著降水增強，地面冷高壓也在增強，冷中心范圍擴大，出現(xiàn)輻散流場并與環(huán)境風場形成半包圍狀的邊界層輻合線（圖6d）。尤其是冷高壓西到西南部的偏東、東南氣流與環(huán)境場西南風形成的輻合線最明顯。在冷暖交界處溫度梯度大，形成等溫線密集帶，邊界層輻合線（加粗虛線，下同）的走向與等溫線密集帶基本一致并偏向暖側。此時邊界層輻合線和降水中心位置靠近并位于淮河以北。

圖6 蚌埠雷達 6 月 27 日 15：30 反射率因子（a）、16：10 反射率因子（b）、16：10 地面等溫線及風場（c）和 16：50 海平面氣壓及風場（d）

4.2 維持階段

隨著強降水的持續(xù)，冷高壓持續(xù)增強，對流風暴上游的邊界層輻合線向西、向外擴張，19：30 風暴后部（西部）的輻合線到達蒙城和利辛之間。27 日22—23 時是降水最強的時段，最大小時雨量和10 min 雨量就出現(xiàn)在這個時段，圖7a 為22：30 的溫度場和風場，此時冷中心進一步增強擴大，但中心仍位于沿淮淮北，邊界層輻合線呈西北—東南向，并與溫線密集帶暖邊界走向高度一致，風暴后部的輻合線仍位于蒙城和利辛之間，其北部擴張到了河南永城南部，南部擴張到了鳳陽以南。圖7b 為22：30海平面氣壓場和強降水的分布，地面高壓隨著降水的增加而增強，輻合線上均有降水出現(xiàn)，≥20 mm/h 的強降水雨帶位于輻合線冷側且大致與其平行，降水中心位于冷中心附近，雨帶后部與輻合線距離最近處 10～20 km。28 日 03：30（圖 7c，7d），從降水分布可以看到降水中心緩慢南壓到沿淮附近地區(qū)，風暴的后部南壓了10～20 km，與之對應的風暴后部的邊界層輻合線向西推進了約10 km，輻合線呈準靜止狀移動非常緩慢，與強降水雨帶距離增大到20～30 km，仍然很靠近，但東段已明顯的順轉南壓，與強降水雨帶距離超過60 km，輻合線由西北—東南向轉為西北偏北—東南偏南向。在此過程中，輻合線呈準靜止狀部位的位置與云圖上（圖4c、4d、4e、4f）云團主體后部伸出的新云系尾部位置相對應。結合加密雨量觀測來看，新生云系對應的地區(qū)也能產生50 mm/h 以上的強降水，并持續(xù)了3～4 h，表明靠近風暴后部的準靜止邊界層輻合線起到了很強且穩(wěn)定持久的觸發(fā)對流和加強暖濕氣流傾斜入流的作用。而邊界層輻合線東南段觸發(fā)的對流單體很少，表明遠離主體后的邊界層輻合線觸發(fā)作用減弱。

圖7 6 月 27 日 22：30 地面等溫線和風場（a）、6 月 27 日 22：30 海平面氣壓和 23 時 1 h 降水（b）、6 月 28 日 03：30 地面等溫線和風場（c）和 6 月 28 日 03：30 海平面氣壓和 04 時 1 h 降水（d）

4.3 南壓及減弱消亡階段

蚌埠雷達風廓線圖上（圖 8a），28 日 06：00 后高空引導氣流逐漸由偏西氣流轉為西北氣流，降水回波的移動方向逐漸由長軸轉向短軸方向；07：00 后邊界層輻合線、冷高壓和降水南壓速度加快，但南壓過程中邊界層輻合線快于降水和冷高壓；08：00 降水主要位于安徽江淮之間，安徽北部地區(qū)降水結束（圖8b）。降水南壓過程中邊界層輻合線和對流風暴的距離相對增大，但并未完全脫離，尤其輻合線西北段仍較靠近對流風暴，因此降水雖然減弱，但并沒有結束，該降水系統(tǒng)后來一直南壓到安徽沿江一帶并持續(xù)到當日下午，直到邊界層輻合線和降水中心距離過遠，大范圍冷墊阻斷了暖濕氣流的輸送，降水才迅速減弱、邊界層輻合線一同消失。

圖8 蚌埠雷達 6 月 28 日 06—07 時風廓線（a）及 6 月 28 日 07：30 地面風場和 08 時小時降水（b）

4.4 結合雷達分析邊界層輻合線的作用

圖9 為蚌埠雷達0.5°仰角反射率因子產品，其中紅色虛線為邊界層輻合線，亮紅圈為單體新生的主要區(qū)域。圖 9a、9b 為 6 月 27 日 20：30 前后的反射率因子和邊界層輻合線輻合線，主要有2 個特點：（1）對流單體主要在輻合線附近的冷側生成并東移，這在圖9b 中紅圈處表現(xiàn)非常明顯。（2）少數單體在輻合線以西生成，在東移到輻合線之前強度不強，但一旦東移到輻合線上就明顯增強，最終強回波均在輻合線的冷側。圖9c、9d 為22：30 前后的反射率因子和邊界層輻合線，此時輻合線西北部伸展到了河南永城南部，同樣圖9d 紅圈處的單體也均是沿著輻合線局地生成的，風暴南部的輻合線冷側也有單體新生，但發(fā)展不大很快消亡，28 日03：30 前后（圖9e、9f）的情況亦與之類似。在對流風暴略微南壓、渦陽北部到永城一帶的輻合線消亡后，該區(qū)域（圖9d上部紅圈）基本再無對流單體新生，這從側面進一步說明邊界層輻合線是重要的觸發(fā)機制。由以上分析可見：（1）邊界層輻合線有很強的觸發(fā)和維持、增強對流的作用。（2）邊界層輻合線呈準靜止部位（蒙城、利辛附近）的冷側是始終存在的、主要的對流單體新生和發(fā)展、增強的區(qū)域。

圖9 蚌埠雷達0.5°仰角反射率因子

綜合以上加密站、雷達圖的中尺度分析，有以下幾點特征：（1）雷暴高壓伴隨著降水出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨著降水的增強而增強、移動而移動，降水中心基本與雷暴高壓冷中心位置一致。（2）邊界層輻合線是雷暴高壓出流氣流與環(huán)境風場匯合形成的，也基本伴隨著強降水過程的始終，位于風暴后部的西北—西南段呈準靜止狀，西南—偏南段南壓相對較快。（3）邊界層中尺度輻合線與雷暴高壓溫線密集帶走向保持一致并偏向暖空氣一側。（4）對流單體主要在邊界層輻合線附近的冷側觸發(fā)或得到發(fā)展、增強，其與雷暴高壓的位置靠近時作用明顯，而距離增大后作用迅速減小。（5）后向傳播主要發(fā)生在邊界層輻合線準靜止部位附近的冷側。

5 結論和討論

在分析高低空天氣形勢、水汽條件、熱力條件基礎上，尤其是自動站加密觀測資料結合多普勒天氣雷達進行中尺度特征分析，得出以下結論：

（1）此次過程是在副高外圍、200 hPa 高空分流區(qū)及前傾槽結構的背景下，加上晴空輻射增溫，使大氣層結強烈不穩(wěn)定。低層高溫高濕，低空急流、超低空急流的發(fā)展增強均為特大暴雨的形成提供了充足的水汽和不穩(wěn)定能量。

（2）垂直風切變的增強使對流組織成線狀，高空引導氣流為弱的偏西風，對流風暴移動慢，移動方向和線狀對流長軸方向一致，并有明顯的后向傳播與合并發(fā)展，造成降水持續(xù)集中在安徽北部地區(qū)，形成特大暴雨。引導氣流轉為西北氣流并加強后，對流風暴移動方向轉向短軸，加速南壓，安徽北部降水結束。

（3）低的自由對流高度、狹長狀CAPE 值區(qū)域、強回波主要位于0 ℃層高度以下，暖云層深厚、合適的垂直風切變，這些都是高效率強降水的特征。

（4）雷暴高壓和邊界層輻合線的長期維持是此次過程的一個顯著特點，伴隨著降水過程的始終。邊界層輻合線是重要的觸發(fā)和維持機制，輻合線呈準靜止并位于風暴后部是造成持久少動的后向傳播的主要原因，也是造成此次過程的重要原因。

（5）降水主要位于邊界層輻合線附近的冷側，相比于高壓的位置，強降水中心落區(qū)與雷暴高壓冷中心位置更一致，而邊界層輻合線則與高壓冷池的暖邊界相匹配。邊界層輻合線和強降水之間的相互作用與這二者的相對位置有關，二者位置較靠近時邊界層輻合線和強降水皆能穩(wěn)定維持，距離增大后二者皆減弱至消失。

本文從天氣形勢、環(huán)境背景和中小尺度特征分析了2018 年6 月27—28 日安徽北部的一次局地特大暴雨過程。但為何地面環(huán)境風能長時間維持強的偏西或西南風，是不是和大別山區(qū)有關系？邊界層輻合線后半段和降水相對維持穩(wěn)定少動而前半段卻移動較快的原因，還有此次過程主要發(fā)生在夜里，最強時段在半夜前后，白天就迅速減弱，有明顯日變化，其原因又是什么？這些問題未能解答，仍有待進一步的分析研究。