2018年春季兩次強(qiáng)天氣過(guò)程對(duì)比分析

邢麗田 吳棟橋 王能根 黃珊 周小涵

（湖北省咸寧市氣象局，咸寧 437100）

0 引言

湖北省咸寧市是暴雨災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，對(duì)暴雨研究也多集中在夏季或汛期，對(duì)春季暴雨研究較少。近年來(lái)咸寧春季暴雨頻發(fā)且致災(zāi)嚴(yán)重。如2016年出現(xiàn)5場(chǎng)暴雨，4月份提前進(jìn)入汛期，其中4月20—21日全市出現(xiàn)暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1197萬(wàn)元。2017年5月21—24日通城縣出現(xiàn)大暴雨，造成全縣直接經(jīng)濟(jì)損失1116萬(wàn)元。施望芝等對(duì)湖北省1998—2001年春季暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生春季暴雨的一些物理量及其值的結(jié)構(gòu)特征；胡燕平等對(duì)河南兩次春季區(qū)域性暴雨進(jìn)行診斷對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩次過(guò)程均表現(xiàn)為對(duì)流穩(wěn)定，與夏季暴雨有明顯的區(qū)別；楊曉霞等對(duì)山東省春季大暴雨的形成機(jī)制進(jìn)行了個(gè)例分析，認(rèn)為春季暴雨和夏季暴雨不同的是副熱帶系統(tǒng)較弱，西風(fēng)帶系統(tǒng)起主要作用，春季暴雨主要是受850 hPa低渦和地面氣旋及冷空氣的共同作用產(chǎn)生的；毛冬艷等認(rèn)為，對(duì)流層中低層大量的水汽輸送為大暴雨的形成提供了有利的環(huán)境條件；廖勝石等對(duì)一次華南暴雨過(guò)程中的水汽輸送和熱量進(jìn)行了研究，得出暴雨區(qū)的水汽主要發(fā)生在低層；王能根等對(duì)咸寧2002年一次區(qū)域性春季暴雨進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)降水發(fā)生前出現(xiàn)回暖過(guò)程，使大氣層結(jié)形成對(duì)流性不穩(wěn)定，而地面冷空氣南侵是造成這種不穩(wěn)定能量釋放的外因。

2018年4月22—23日，咸寧出現(xiàn)2018年首場(chǎng)全市性暴雨到大暴雨，過(guò)程降雨強(qiáng)度大、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失2205萬(wàn)元。5月6日，咸寧出現(xiàn)中到大雨，個(gè)別站點(diǎn)有暴雨，伴有雷電、大風(fēng)天氣，未造成明顯災(zāi)害。本文主要利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、NCEP 1°×1° 逐6小時(shí)再分析資料和咸寧地基微波輻射計(jì)資料，從天氣概況、天氣背景、影響系統(tǒng)、動(dòng)力、水汽、熱力等條件著手，重點(diǎn)對(duì)兩次降水過(guò)程產(chǎn)生和發(fā)展的物理量進(jìn)行分析，探究其差異和成因，以期為咸寧地區(qū)的災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和服務(wù)提供一定參考。

1 天氣概況

為便于分析，將4月22—23日和5月6日兩次過(guò)程分別簡(jiǎn)稱為“1804”過(guò)程和“1805”過(guò)程。“1804”過(guò)程降水強(qiáng)度大，范圍廣，22日00時(shí)—24日00時(shí)（世界時(shí)，下同），全市181個(gè)氣象觀測(cè)站，有163個(gè)站降水量≥50 mm（最大出現(xiàn)在嘉魚的九龍站為255.1 mm），其中4月22日00—23日00時(shí)嘉魚、赤壁24 h降水量分別為155 mm、162.9 mm，突破有記錄以來(lái)4月日降水量極值；圖1為4個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)逐小時(shí)降水量，可以看出此過(guò)程降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨強(qiáng)大，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在銅山村為63.8 mm/h（22日08時(shí)）?！?805”過(guò)程降水強(qiáng)度較小，6日00時(shí)—7日00時(shí)，全市181個(gè)氣象觀測(cè)站，降水量≥50 mm僅有1站（通城的天岳關(guān)站為55 mm），伴有明顯的大風(fēng)天氣，全市181個(gè)站點(diǎn)，有89個(gè)站出現(xiàn)6級(jí)以上大風(fēng)，25站出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)；從4個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)逐小時(shí)降水量，可以看出此過(guò)程降水強(qiáng)度小，持續(xù)時(shí)間短；因此“1804”過(guò)程是強(qiáng)降水過(guò)程?！?805”過(guò)程是強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。

圖1 “1804”過(guò)程4站點(diǎn)逐小時(shí)降水降水量（世界時(shí)）Fig. 1 Hourly precipitation at 4 stations in “1804”process (UTC)

2 天氣背景分析

兩次過(guò)程的分析，分別基于接近降水集中時(shí)段的再分析資料：即4月22日06時(shí)和5月6日00時(shí)。從500 hPa形勢(shì)場(chǎng)分析（圖2a和2b），在中高緯地區(qū)“1804”過(guò)程為寬廣高壓脊，形勢(shì)較穩(wěn)定；“1805”過(guò)程為“兩槽一脊”，東部有東北冷渦形成，易誘發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，系統(tǒng)移動(dòng)速度較快。中低緯地區(qū)在咸寧上游均有南支槽東移，但前一過(guò)程略偏南偏東；槽脊的發(fā)展主要是散合項(xiàng)所決定的，“1804”過(guò)程南支槽是對(duì)稱性槽，東移過(guò)程中沒(méi)有明顯的變化，“1805”過(guò)程南支槽為匯合槽，東移過(guò)程中是逐漸減弱填塞的。從850 hPa風(fēng)場(chǎng)分析，如圖2c和2d，兩次過(guò)程均存在低渦、切變線，“1804”過(guò)程略偏南。低空急流強(qiáng)度、位置是暴雨預(yù)報(bào)最主要的參考指標(biāo)之一，兩次過(guò)程均存在≥12 m/s的低空西南急流，但急流強(qiáng)度、位置有明顯差異：前者急流帶較窄，最大風(fēng)速達(dá)到16 m/s，且存在風(fēng)速脈動(dòng)，咸寧位于急流軸出口區(qū)前端風(fēng)速輻合區(qū)和切變線右側(cè)，具有很好的輻合上升運(yùn)動(dòng)條件，有利于觸發(fā)中尺度系統(tǒng)形成從而導(dǎo)致暴雨發(fā)生；后者急流帶寬廣，最大風(fēng)速達(dá)22 m/s，咸寧處于低空急流核中，急流位置不利于產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。從200 hPa和850 hPa的散度場(chǎng)分析（圖2e和2f），850 hPa上兩次過(guò)程咸寧均處于輻合區(qū)。

圖2 （a，b）“1804”（a,c,e）和“1805”（b,d,f）兩次過(guò)程500hPa等高線（藍(lán)色實(shí)線），風(fēng)場(chǎng)（黑色風(fēng)向桿），≥16m/s急流區(qū)（陰影區(qū)）；（c,d）兩次過(guò)程850hPa風(fēng)場(chǎng)（黑色風(fēng)向桿），≥12m/s急流區(qū)（陰影區(qū)）；（e,f）兩次過(guò)程850hPa散度場(chǎng)（陰影區(qū)），200hPa散度場(chǎng)（黑色實(shí)線）Fig 2 (a, b) 500 hPa contour line (blue solid line), wind field (black wind rod), ≥16 m/s jet stream area (shaded area);(c, d) 850 hPa wind field (black wind pole), ≥12 m/s jet stream area (shadow area); (e, f) 850 hPa divergencefield (shaded area), 200 hPa divergence field (solid black line), which are in the process“1804”process (a, c, e)and“1805”process (b, d, f) respectively

從高低層散度場(chǎng)配置分析，“1804”過(guò)程高層輻散強(qiáng)于低層輻合，高層“抽吸”作用更強(qiáng)，使暴雨區(qū)上空維持旺盛的上升運(yùn)動(dòng)，“1805”過(guò)程低層輻合強(qiáng)于高層輻散，低層氣流堆積作用更明顯，利于水汽、不穩(wěn)定能量在低層積累。從地面氣壓場(chǎng)分析，兩次過(guò)程都有冷空氣南下影響，前者冷空氣強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，后者冷空氣較弱，南下速度快，說(shuō)明兩次過(guò)程均有冷空氣觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，但前一過(guò)程冷暖空氣交匯時(shí)間長(zhǎng)，更利于降水持續(xù)（表1）。

表1 “1804”和“1805”過(guò)程天氣形勢(shì)及影響系統(tǒng)情況對(duì)比Table 1 Comparison of synoptic situation and influencesystems in the processes of “04.22” and “05.06”

3 物理量分析

3.1 水汽、熱力、動(dòng)力因子水平結(jié)構(gòu)

3.1.1 低層假相當(dāng)位溫和渦度分析

中低層大氣高溫、高濕是暴雨產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，假相當(dāng)位溫（

θ

，下同）不僅考慮了氣壓對(duì)溫度的影響，也考慮了水汽凝結(jié)和蒸發(fā)對(duì)溫度的影響，是對(duì)大氣熱力、水汽條件的綜合反映。渦度是表征氣團(tuán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的物理量，中低層乃至高層正渦度大小是決定暴雨產(chǎn)生、維持的動(dòng)力因子。兩次過(guò)程咸寧地區(qū)均處于

θ

大于335 K范圍內(nèi)，“1805”過(guò)程略強(qiáng)于“1804”過(guò)程且均存在

θ

鋒區(qū)，但由于冷空氣滲入的路徑存在差異，導(dǎo)致兩次過(guò)程

θ

鋒區(qū)位置不同，“1804”過(guò)程咸寧位于鋒區(qū)內(nèi)，利于產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，“1805”過(guò)程咸寧位于鋒區(qū)前暖區(qū)內(nèi)，有利于不穩(wěn)定能量的積累。從渦度場(chǎng)分析前次過(guò)程咸寧位于40×10s正渦度區(qū)域內(nèi)，后次過(guò)程咸寧地區(qū)渦度小于0。

3.1.2 不穩(wěn)定條件

“上冷下暖”和“上干下濕”的配置不僅有利于引起異常上升運(yùn)動(dòng)，也易形成不穩(wěn)定層結(jié)。較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定、上干冷下暖濕的垂直結(jié)構(gòu)配合強(qiáng)的垂直風(fēng)切變非常有利于伴有雷暴大風(fēng)天氣的強(qiáng)風(fēng)暴組織化發(fā)展。假如定義850 hPa與500 hPa兩層溫度差為：

T

=

T

-

T

，可以表示上下層的溫度層結(jié)；兩層的溫度露點(diǎn)差的差值為：(

T

-

T

)= (

T

-

T

)-(

T

-

T

)，可以表示上下層的濕度層結(jié)。兩次過(guò)程

T

在22～26 ℃，說(shuō)明存在明顯的“上冷下暖”的不穩(wěn)定層結(jié)；“1804”過(guò)程(

T

-

T

)接近于0 ℃，濕度垂直層結(jié)變化不明顯，“1805”過(guò)程＞15 ℃，有明顯的“上干下濕”不穩(wěn)定層結(jié)。因此后一過(guò)程有明顯的“上冷下暖”和“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)，更有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。K指數(shù)對(duì)暴雨有較強(qiáng)的指示意義，一般當(dāng)

K

≥35 ℃時(shí)易出現(xiàn)暴雨，章國(guó)材等認(rèn)為

θ

隨高度的遞減率（△

θ

）＞6 K時(shí)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，更有利于發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。兩次過(guò)程的K值在36～38 ℃，差別不明顯；“1804”過(guò)程△

θ

咸寧大部在9～12 K，“1805”過(guò)程在16～19 K，說(shuō)明兩次過(guò)程

θ

都隨高度遞減，但后一過(guò)程遞減率更大，更有利于發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

3.2 水汽、熱力、動(dòng)力因子垂直結(jié)構(gòu)

首先分析降水中心相對(duì)濕度和

θ

垂直剖面（圖3a和3b），可以看出，“1804”過(guò)程濕層深厚，22日03時(shí)至23日00時(shí)，從地面至200 hPa相對(duì)濕度達(dá)到90 %以上，說(shuō)明有發(fā)生強(qiáng)降水的濕度條件；“1805”過(guò)程低層濕度大，中層濕度小，說(shuō)明中層有干冷空氣入侵，利于發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

θ

高值區(qū)代表高溫高濕區(qū)，低值區(qū)代表低溫低濕區(qū)，從

θ

垂直剖面分析，可以看出“1804”過(guò)程在強(qiáng)降水開(kāi)始之前（21日18時(shí)至22日09時(shí)），900～650 hPa

θ

垂直梯度小于0，說(shuō)明不穩(wěn)定層結(jié)延伸至中層，在上升氣流和充足的水汽條件下，利于產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水，逐小時(shí)降水實(shí)況也反映出這一特點(diǎn)；“1805”過(guò)程在6日00時(shí)前后，在500 hPa附近為

θ

小于330 K的低值中心，而500 hPa以下為大值區(qū)，近地面達(dá)到345 K以上，因此高層低溫低濕，低層高溫高濕，有明顯的對(duì)流層結(jié)不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。降水中心散度場(chǎng)和垂直速度（圖3c和3d），“1804”過(guò)程從22日06時(shí)開(kāi)始在近地層存在明顯的輻合中心，隨著降水的開(kāi)始，垂直速度不斷增大，23日18時(shí)前后，在950 hPa附近和500 hPa附近出現(xiàn)很強(qiáng)的輻合和輻散中心，對(duì)應(yīng)垂直速度（

ω

，下同）中心達(dá)到-2.7 m/s，說(shuō)明有很強(qiáng)的上升氣流?！?805”過(guò)程則在6日06時(shí)前后，近地層有大于40×10s的輻散中心，說(shuō)明有很強(qiáng)的下沉氣流，可能有地面大風(fēng)，實(shí)際觀測(cè)證明，此時(shí)出現(xiàn)了極大風(fēng)速為21.6 m/s大風(fēng)，900～800 hPa以下存在輻合中心，700～600 hPa為輻散中心，上升氣流在中間層，垂直速度中心僅為-0.8 m/s，動(dòng)力條件差，但在強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)中易觸發(fā)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣。

圖3 （a,b）“1804”（a,c）和“1805”（b,d）過(guò)程降雨中心相對(duì)濕度（陰影區(qū)）和θse（黑色虛線）垂直剖面；（c,d）兩次過(guò)程降雨中心散度（陰影區(qū)）和垂直速度（黑色虛線）垂直剖面Fig. 3 (a, b) vertical profile of relative humidity (shadow area), θse (black dotted line) at rainfallcenter; (c, d) are profile of divergence (shadow area), vertical velocity (black dotted line) atrainfall center, which are in “1804”(a, c) and“1805”(b, d) process separately

3.3 地基微波輻射計(jì)特征分析

云水、溫度和濕度變化對(duì)于暴雨天氣分析和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)都有重要的指示意義，微波輻射計(jì)是同時(shí)探測(cè)溫度、濕度和云中液態(tài)水的較為理想的設(shè)備。黃治勇指出在短時(shí)暴雨發(fā)生前，微波輻射計(jì)觀測(cè)的大氣液態(tài)水含量和大氣水汽總量急增對(duì)短時(shí)暴雨的潛勢(shì)分析有一定指示意義。從咸寧微波輻射計(jì)雨線來(lái)看，“1804”過(guò)程降水開(kāi)始于22日04：26，其整層水汽含量（Vint）在降水發(fā)生前近3小時(shí)內(nèi)，有兩次明顯波動(dòng)，其峰值均＞90 mm，降水開(kāi)始前近半小時(shí)（04：00），Vint呈波動(dòng)遞減趨勢(shì)；整層液態(tài)水含量（Lint）在04：00之前，其波動(dòng)特征與Vint相似，也有兩次＞20mm的明顯峰值，不同的是在04：00之后Lint開(kāi)始波動(dòng)性增加，至降水開(kāi)始時(shí)再次達(dá)到20 mm，而此時(shí)段Vint呈波動(dòng)性減少，因此在降水發(fā)生前近半小時(shí)內(nèi)，Vint減少、Lint增大，兩者變化趨勢(shì)正好相反；另外從云底高度（簡(jiǎn)稱“Cbase”，下同）來(lái)看，在降水前近3小時(shí)內(nèi)，云底高度呈降低趨勢(shì)，04：00之后Cbase降低幅度增大，至降水開(kāi)始時(shí)，云底接近地面，與Vint的減少和Lint的持續(xù)增加有很好的對(duì)應(yīng)，說(shuō)明這三個(gè)要素能反映暴雨發(fā)生潛勢(shì)，降水臨近時(shí)有明顯水汽凝結(jié)成液態(tài)水、云層加厚的特征，對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

4 結(jié)論與討論

以上主要從天氣背景、物理量特征、微波輻射計(jì)一些要素特征等方面對(duì)兩次過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，主要有以下具體結(jié)論：

1）兩次過(guò)程的影響系統(tǒng)有一定的相似性，但系統(tǒng)的發(fā)展、強(qiáng)度、位置、高低層散度場(chǎng)的配置有明顯差異：“1804”過(guò)程低空急流較弱，但在咸寧地區(qū)有明顯的風(fēng)速輻合，利于水汽、不穩(wěn)定能量向上輸送，200 hPa“抽吸”作用很強(qiáng)，利于產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)；“1805”過(guò)程西南急流強(qiáng)盛，帶來(lái)充足的水汽和能量，但上升運(yùn)動(dòng)較弱，不穩(wěn)定能量在低層集聚，利于產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

2）兩次過(guò)程在物理量特征上存在明顯的差異。在水平結(jié)構(gòu)上，“1804”過(guò)程主要體現(xiàn)在低層正渦度大，具有更強(qiáng)的動(dòng)力條件；“1805”過(guò)程則體現(xiàn)出低層能量集聚，有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性。

（3）Vint、Lint、Cbase變化特征在兩次過(guò)程中有明顯差異。從預(yù)報(bào)角度分析，一是低空急流強(qiáng)盛，并不一定帶來(lái)強(qiáng)的降水，需要配合系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析；二是200 hPa強(qiáng)的輻散中心，具有很強(qiáng)的“抽吸”作用，與低層輻合區(qū)相對(duì)應(yīng)，可產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，在好的水汽、能量條件配合下，易產(chǎn)生強(qiáng)降水；三是微波輻射計(jì)的Vint、Lin和Cbase在臨近降水時(shí)的相應(yīng)變化，即Vint明顯減少，Lint明顯增加，云底迅速降低的特征，可以在暴雨預(yù)報(bào)中提供一定參考作用。