2021 年盛夏孝感市一次大暴雨天氣過程中尺度特征分析

鄧 凱，羅金芳，周 婷，姜 敏

（湖北省孝感市氣象局，湖北 孝感 432000）

暴雨是一種中尺度現(xiàn)象，是在有利環(huán)流背景下由多種尺度天氣系統(tǒng)共同作用的結(jié)果［1］。隨著氣象資料日益豐富，對于長江中游和湖北境內(nèi)盛夏大暴雨天氣的環(huán)流特征和物理成因的研究不斷深入［2-5］，其主要影響系統(tǒng)通常為高低空急流、低渦、切變線和西風(fēng)帶冷槽、臺風(fēng)低壓或倒槽等。張家國等［6］分析了2008 年7 月1 日鄂東北特大暴雨過程中尺度擾動系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展、暴雨中尺度對流系統(tǒng)（MCS）結(jié)構(gòu)特征以及地形對中尺度系統(tǒng)的影響，吳翠紅等［7］分析了湖北省中尺度暴雨與中尺度天氣系統(tǒng)的關(guān)系，有87%中尺度暴雨有干線（露點鋒）的影響。

孝感市位于湖北省東北中部，長江以北，漢江以東，位于武漢市西北方，與武漢市毗鄰；地跨北緯30°23＇—31°52＇，東經(jīng)113°19＇—114°35＇，全境南北長約163 km，東西寬約122 km；下轄大悟縣、安陸市、孝昌縣、云夢縣、應(yīng)城市、孝南區(qū)、漢川市等7 個縣（市、區(qū)）。2020 年8 月11 日20 時至12 日20 時，孝感市出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過程，該次強(qiáng)降水過程來勢猛、強(qiáng)度大、災(zāi)情重。本研究利用常規(guī)天氣圖資料、區(qū)域自動氣象站資料、FY4 衛(wèi)星紅外云圖、雷達(dá)回波、EC 細(xì)網(wǎng)格和GRAPES_GFS 模式（0.25°×0.25°）客觀分析資料，對2021 年8 月12 日孝感市大暴雨天氣過程中尺度系統(tǒng)活動特征進(jìn)行了分析，以便進(jìn)一步認(rèn)識孝感市大暴雨中尺度對流系統(tǒng)活動特征，為孝感市大暴雨分析研究和預(yù)警預(yù)報提供參考。

1 天氣實況及災(zāi)情

2021 年8 月11 日20 時至12 日20 時，孝感 市出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過程，大暴雨主要出現(xiàn)在孝感中部地區(qū)（圖1），全市7 個國家氣象觀測站24 h 降水量為云夢199.6 mm、孝南178.7 mm、應(yīng)城118.0 mm、安陸91.1 mm、大悟61.9 mm、孝昌57.4 mm、漢川0.6 mm，其中云夢站降水量最大為199.6 mm；全市130個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動站監(jiān)測顯示，有47 個站出現(xiàn)了≥100 mm 大暴雨，34 站出現(xiàn)暴雨，最大降水量為云夢縣伍洛230.8 mm，孝南區(qū)新鋪220.0 mm 次之。從降水空間分布來看（圖1），孝感市中北部普降暴雨到大暴雨，大暴雨主要出現(xiàn)在孝感市中部地區(qū)的云夢、孝南、應(yīng)城、安陸、孝昌5 個縣（市、區(qū)）。從降水時間分布來看，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在12 日07—12 時（圖2），在這期間，云夢伍洛站、云夢站和孝南站累計降水量分別為211.3、170.4 和163.9 mm，分別占其日降水量的91.5%、85.4%和91.7%；區(qū)域自動氣象站最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在云夢縣伍洛，為98.1 mm（12 日08—09 時），國家氣象觀測站最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在孝南，為81.3 mm（12 日10—11 時）。

圖1 孝感 市2021 年8 月11 日20 時至12 日20 時24 h降水量分布

圖2 2021 年8 月11 日20 時 至12 日20 時逐 時降 水量 變化

此次強(qiáng)降水來勢猛、雨量大，時間集中，導(dǎo)致孝感市孝南區(qū)、應(yīng)城市、云夢縣、安陸市、孝昌縣、臨空區(qū)、雙峰山部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)作物受災(zāi)和農(nóng)房損壞，孝感市、云夢縣、應(yīng)城市城區(qū)部分道路和小區(qū)積水嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，受強(qiáng)降水影響，全市累計受災(zāi)人口33.4 萬人；緊急避險7 050 人，緊急轉(zhuǎn)移安置人口1 377 人；農(nóng)作物受災(zāi)面積1.8 萬hm2，農(nóng)作物成災(zāi)面積0.96萬hm2，農(nóng)作物絕收面積0.3 萬hm2；倒塌房屋12 戶32 間；直接經(jīng)濟(jì)損失5.4 億元，其中農(nóng)業(yè)損失1.46 億元，家庭財產(chǎn)損失3.29 億元。

2 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

從8 月12 日08 時500 hPa 環(huán)流形勢來看，500 hPa 歐亞中緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主，環(huán)流形勢比較平直，中國東北沿海一帶有一低槽，該槽引導(dǎo)弱冷空氣經(jīng)東路南下至長江中游一帶。此時，500 hPa 東經(jīng)120°E 副高脊線位于25°N 附近，其588 線跨過長江，位于南京-阜陽-南陽-安康-成都一線，高原上有一南支低槽。東北槽后引導(dǎo)的弱冷空氣，與副高邊緣西北部的西南氣流，上述兩支冷暖氣流在長江中下游交匯，為該次大暴雨過程提供了有利的環(huán)流背景。

從高空綜合可以看出，8 月10—13 日500 hPa副高有一個南北擺動過程，10 日08 時至11 日08 時副高加強(qiáng)北抬，東經(jīng)110—120°E 的588 線平均北抬了約5 個緯度，11 日08 時至12 日08 時副高加強(qiáng)西伸，588 線西伸脊點由105°E 伸展至88°E，但11 日08時 至12 日08 時副 高北端588 線維 持穩(wěn)定，588 線位于南京-阜陽-南陽-安康-成都一線；12 日08 時至13 日08 時副高又明顯減弱、南落東退，這期間，東經(jīng)120°E 副高脊線位置穩(wěn)定在25°N 左右。

受500 hPa 東北槽影響，中低層有弱冷空氣滲透至江淮流域，在700 hPa 和850 hPa 上江淮流域出現(xiàn)明顯降溫區(qū)（圖3），如12 日08 時700 hPa 南陽、章丘24 h 變 溫均為-3.4 ℃，850 hPa 鄭州24 h 變溫為-3.1 ℃。

圖3 8 月12 日08 時700 hPa（a）和850 hPa（b）24 h 變溫

11 日20 時 至12 日08 時 低層（700 hPa 和850 hPa）在長江中游、長江以北維持一東西向暖式切變線，位于安慶-武漢-宜昌-達(dá)州一線，暖式切變線正好處于孝感市上空。受較強(qiáng)盛的副高影響，在低層暖式切變線的南側(cè)雖然沒有形成風(fēng)速≥12 m/s的西南急流，但11 日至12 日隨著副高的加強(qiáng)西伸，西南風(fēng)仍然有所發(fā)展，如700 hPa 11 日08 時懷化、長沙的風(fēng)速分別為4、2 m/s，至12 日08 時分別達(dá)到10、8 m/s，850 hPa 11日08時懷化、長沙的風(fēng)速分別為6、4 m/s，至12 日08 時分別達(dá)到10、8 m/s，形成了一條西南東北向的西南大風(fēng)速軸，特別是在低層暖式切變線的北側(cè)，偏東風(fēng)急流發(fā)展，如850 hPa 11 日08 時南陽偏東風(fēng)速為6 m/s，至12 日08 時達(dá)到12 m/s。上述切變線北側(cè)的偏東風(fēng)急流，與切變線南側(cè)發(fā)展的西南風(fēng)，為孝感市大暴雨的發(fā)生提供了充沛水汽條件、動力條件和不穩(wěn)定條件。12 日20 時后，隨著副高減弱南落東退，低層切變線南壓至長江南岸，位于安徽南部、江西北部、湖南西北部一帶，孝感市的強(qiáng)降水隨之結(jié)束。

綜上所述，本次孝感市大暴雨過程，是在盛夏副高的一個南北擺動的過程中，較強(qiáng)盛的副熱北部邊緣之下，低層暖式切變線、切變線北側(cè)低層偏東風(fēng)急流與南側(cè)發(fā)展的西南風(fēng)、弱冷空氣等共同作用的結(jié)果，隨著副高的東退減弱，中低層切變線南壓，孝感市強(qiáng)降水也隨之結(jié)束。

3 中尺度對流系統(tǒng)（MCS）發(fā)展演變

從FY4 衛(wèi) 星8 月11 日20 時至12 日20 時紅 外衛(wèi)星云圖演變來看，孝感市大暴雨過程是由一個中尺度對流系統(tǒng)（MCS）造成的，該系統(tǒng)發(fā)源于鄂西北東部至鄂東北西部（襄陽東部至隨州南部），成熟于鄂西北東部至鄂東北中部，以后MCS 東移南壓影響孝感市，導(dǎo)致孝感市強(qiáng)降水發(fā)生。

導(dǎo)致孝感市大暴雨發(fā)生的中尺度對流系統(tǒng)（MCS），其發(fā)生發(fā)展可分為發(fā)展階段、成熟階段、移動階段3 個階段（圖4）。

圖4 衛(wèi)星云圖演變

發(fā)展階段大約經(jīng)歷了3 h，11 日21：45 分，在隨州南部出現(xiàn)一對流云團(tuán)A（圖4a1），水平尺度約30×15 km2，云頂亮溫最低為-57.4 ℃，之后在對流云團(tuán)A發(fā)展的同時，11 日23：15 分，在其西偏北的襄陽東南部、東偏南的隨州廣水附近，分別出現(xiàn)了2 個β 中尺度的流云團(tuán)B 和C（圖4a2），其中對流云團(tuán)B 水平尺度為45×60 km2，云頂亮溫最低為-63.8 ℃，而后，對流云團(tuán)C 東移減弱消失，對流云團(tuán)B 強(qiáng)烈發(fā)展，對流云團(tuán)A 并入迅速擴(kuò)張加強(qiáng)的云團(tuán)B，于12 日01：00發(fā)展為一橢圓形β 中尺度對流系統(tǒng)D（圖4a3），其云團(tuán)密實，邊界清晰，橢圓長軸呈西北-東南走向，水平尺度約為180×100 km2，云頂亮溫最低為-68.2 ℃。在發(fā)展階段，中尺度對流云團(tuán)迅速發(fā)展，云頂溫度不斷降低，水平尺度激劇擴(kuò)大，但其主體位置位于鄂西北東部至鄂東北西部，穩(wěn)定不動。

成熟階段從12 日01：00 開始，大約經(jīng)歷了5 h。這期間，中尺度對流系統(tǒng)D 進(jìn)一步發(fā)展，處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)（圖4b），從12 日01：00 至06：00，中尺度對流云團(tuán)D 不斷向北向東擴(kuò)展，并略有東移，其云團(tuán)西南邊界清晰，呈弧形，而東北邊有較強(qiáng)的卷云羽發(fā)展。至12 日06：00，中尺度對流云團(tuán)D 水平尺度達(dá)到220×190 km2，云頂亮溫最低為-72.9 ℃，其主體位于鄂西北東部至鄂東北中部。在中尺度對流云團(tuán)成熟發(fā)展階段，隨州市南部出現(xiàn)了特大暴雨，其中隨縣柳林站4：00—6：00 連續(xù)2 h 雨強(qiáng)超過100 mm。

移動階段從12 日06：00 開始，中尺度對流云團(tuán)D 明顯開始東移南壓，影響孝感市（圖4c）。從12 日08：00 至11：00，中尺度對流云團(tuán)覆蓋整個孝感市，云團(tuán)西邊邊界清晰，呈弧形，而東邊邊界模糊，卷云羽進(jìn)一步發(fā)展。至12 日11：00，中尺度對流云團(tuán)D水平尺度達(dá)到240×120 km2，云頂亮溫最低為-71.3 ℃，其主體位于孝感市和武漢市，造成云夢縣伍洛12 日08—09 時雨強(qiáng)達(dá)98.1 mm，孝南12 日10—11 時雨強(qiáng)達(dá)81.3 mm。12 日14：00 以后，中尺度對流云團(tuán)東移南壓移出孝感市，孝感市降水減弱。

4 β 中尺度對流強(qiáng)回波分析

孝感市強(qiáng)降水發(fā)生在12 日06 時以后（圖2）。12 日06 時以前，在渦旋狀回波團(tuán)發(fā)展過程中，中尺度對流強(qiáng)回波（≥45 dBz，圖7 組合反射率圖為紅色）不斷生成發(fā)展，如圖5a1 中的3 個中尺度對流單體回波A、B、C，造成鄂西北東部至鄂東北西部（襄陽市宜城、隨州市隨縣）特大暴雨的發(fā)生。12 日06 時以后，該渦旋狀回波團(tuán)東移，與江漢平原東北部向東北方向發(fā)展移動的對流回波D 結(jié)合，并開始影響孝感市。12 日07—09 時，在渦旋狀回波團(tuán)的東南端，生成了一弓形指狀β 中尺度對流強(qiáng)回波E，自西北向東南移動，先后影響安陸、應(yīng)城、云夢，12 日08 時30分，弓形指狀強(qiáng)回波水平尺度約40×15 km2，回波最強(qiáng)處達(dá)50 dBz（圖5a2），造成云夢縣伍洛12 日08—09 時降水量達(dá)98.1 mm。12 日09—11 時，該弓形指狀回波繼續(xù)東移南壓，影響孝南區(qū)，12 日10 時48分，弓形回波E 最強(qiáng)處仍達(dá)50 dBz（圖5a3），造成孝南12 日10—11 時降水量達(dá)81.3 mm。12 日12 時以后，渦旋狀回波團(tuán)范圍整體收縮，與其西南方向發(fā)展的對流單體相連接，形成一逗點狀的回波（圖5a4），逐漸移出孝感市并且強(qiáng)度不斷減弱，孝感市強(qiáng)降水隨之結(jié)束。

從武漢多普勒雷達(dá)經(jīng)向速度可以發(fā)現(xiàn)，在渦旋狀回波團(tuán)內(nèi)部不斷有中尺度氣旋產(chǎn)生，2 日08 時30分，在云夢縣中部、大悟縣南部分別出現(xiàn)一中尺度氣旋（圖5b），中尺度氣旋的發(fā)生發(fā)展，造成強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動，有利于強(qiáng)降水發(fā)生，12 日08—09 時云夢縣伍洛降水量達(dá)98.1 mm、大悟縣夏店降水量達(dá)46.8 mm。從孝南12 日10—11 時出現(xiàn)最強(qiáng)降水時段的三維反射率因子剖面圖來看，其45 dBz 以上的強(qiáng)回波都位于0 ℃層（5.5 km）以下（圖5c），回波質(zhì)心較低，表現(xiàn)為暖云主導(dǎo)型對流降水，具有熱帶降水型特征。

5 中尺度系統(tǒng)分析

利用區(qū)域自動氣象站加密觀測資料、EC 細(xì)網(wǎng)格和GRAPES_GFS 模式（0.25°×0.25°）客觀分析資料，對本次大暴雨過程的中尺度系統(tǒng)進(jìn)行了初步分析。《湖北省中尺度暴雨天氣分析圖集》分析了湖北省中尺度暴雨與中尺度天氣系統(tǒng)的關(guān)系，有87%中尺度暴雨有干線（露點鋒）的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)，一般出現(xiàn)在中尺度暴雨的干線（露點鋒），在本次大暴雨過程中沒有明顯反映；在常規(guī)天氣圖分析中，在低層暖式切變線上看不出明顯的低渦環(huán)流，而在中尺度分析上表現(xiàn)突出。

12 日02 時從地面到低層襄陽生成一中尺度低渦（圖6），輻合區(qū)從地面一直延伸到700 hPa，輻合系統(tǒng)深厚，對強(qiáng)降水的發(fā)生起到了抬升觸發(fā)作用和對流系統(tǒng)組織作用。之后，整層中尺度輻合區(qū)向東南移動，至12 日08 時，位于隨州南部至荊門東北部強(qiáng)度有所加強(qiáng)，輻合中心更加明顯，風(fēng)速水平切變加大，因而造成了襄陽市宜城和隨州市隨縣的特大暴雨發(fā)生。12 日08 時850 hPa 垂直速度圖上，廣水附近有一個中心達(dá)-535×10-2Pa/s 的上升運(yùn)動區(qū)，850 hPa 水汽能量散度圖上，安陸附近有一個中心達(dá)-298×10-8g/（cm2·hPa·s）的水汽輻合區(qū)（圖7），說明在深厚的中尺度低渦（中氣旋）作用下，中尺度上升運(yùn)動和水汽輻合非常顯著。而后，整層中尺度輻合區(qū)向東移動，給孝感市造成了大暴雨天氣，至12日14 時，輻合區(qū)位于孝感市安陸至云夢一帶。之后，中尺度輻合區(qū)發(fā)生填塞減弱，低層中尺度低渦南壓，而地面中尺度氣旋逐漸減弱。隨著中尺度輻合區(qū)的南壓和減弱，至12 日14 時，中尺度對流云團(tuán)和逗點狀的回波逐漸移出孝感市。

圖7 8 月12 日08 時850 hPa 垂直速度和水汽能量散度分布

6 結(jié)論

孝感市該次大暴雨過程是盛夏期副高的一個南北擺動過程中，在較強(qiáng)盛的副高北部邊緣之下，中低層暖式切變線、切變線北側(cè)低層偏東風(fēng)急流發(fā)展與南側(cè)的西南風(fēng)加強(qiáng)、弱冷空氣等共同作用的結(jié)果。

孝感市大暴雨天氣是由一個中尺度對流系統(tǒng)（MCS）發(fā)生發(fā)展移動造成的，中尺度對流系統(tǒng)經(jīng)歷了發(fā)展階段、成熟階段、移動階段3 個階段，其發(fā)源于鄂西北東部至鄂東北西部，成熟于鄂西北東部至鄂東北中部，中尺度對流系統(tǒng)（MCS）東移南壓影響孝感市，導(dǎo)致孝感市強(qiáng)降水發(fā)生。

孝感市短時強(qiáng)降水是渦旋狀回波團(tuán)東南端的一弓形指狀β 中尺度對流強(qiáng)回波造成的，水平尺度約40×15 km2，回波最強(qiáng)處達(dá)50 dBz；在渦旋狀回波團(tuán)內(nèi)部不斷有中尺度氣旋產(chǎn)生，強(qiáng)回波質(zhì)心較低，表現(xiàn)為暖云主導(dǎo)型對流降水，具有熱帶降水型特征。

在中低層暖式切變線上生成發(fā)展移動的從地面到低層深厚的中尺度低渦（中氣旋），是此次孝感市大暴雨過程最主要的中尺度天氣系統(tǒng)，一般出現(xiàn)在中尺度暴雨的干線（露點鋒），在該次大暴雨過程中沒有明顯反映。