2021年5月宿遷市一次暖區(qū)強(qiáng)降水過程的診斷分析

劉玲 徐昝敏 殷華 仲杰 邵月紅

摘要 2021年5月14—15日宿遷地區(qū)強(qiáng)降水過程具有短時雨強(qiáng)大、強(qiáng)降水持續(xù)時間短的特點(diǎn)。本文利用自動觀測站逐時常規(guī)地面資料、MICAPS高空資料、NECP FNL 1°×1°逐6小時的全球再分析資料、雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖資料，從水汽、動力、熱力不穩(wěn)定以及雷達(dá)衛(wèi)星等方面對此次降水過程進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明：影響宿遷地區(qū)的弓形回波自西南向東北推進(jìn)，強(qiáng)度高達(dá)57 dBZ，加上雨滴的拖曳作用產(chǎn)生的下?lián)舯┝鳎o該地區(qū)帶來大風(fēng)和強(qiáng)降水天氣;宿遷地區(qū)處于切邊線南側(cè)西南暖濕流場中，隨著高空冷渦甩下的冷空氣侵入，冷暖氣流交匯，產(chǎn)生暖切變型短時強(qiáng)降水;低層輻合、高層輻散的形勢，加上底層高能高濕的配置，有利于不穩(wěn)定能量的釋放，導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。

關(guān)鍵詞 暖區(qū)強(qiáng)降水;物理診斷;雷達(dá)回波;高能高濕

中圖分類號：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）08–0019–05

Diagnostic Analysis of Warm-sector Heavy Preci-pitation over the Suqian Area in May 2021

LIU Ling et al（Siyang Meteorological Bureau， Suqian， Jiangsu 223800）

Abstract From May 14 to 15 in 2021， the heavy precipitation process had remar-kable characteristics such as short sharp precipitation intensity and short duration intense precipitation in Suqian area. Applying with meteorological observation data from conventional weather stations and intensive automatic weather stations， NCEP FNL reanalysis data （resolution： 1°×1°）， Radar data， Satellite cloud image data， a diagnostic analysis about the heavy precipitation had been carried out from various aspects including the water vapor， dynamic and thermal instability， radar and satellite. This results research of diagnostic analysis turned out that Bow echo advancing from southwest to Northeast in Suqian area had an intensity as high as 57 dBZ. This Bow echo process alonging with downburst due to the drag of raindrops brought strong winds and heavy precipitation to the area. The Suqian area in the process was located on the south side of the tangent line of southwesterly warm and wet flow field. With the invasion of the cold air thrown by the high-altitude cold vortex， the cold and warm air mass converged in this area and produced warm shear type short-term heavy precipitation. The situation about convergence （divergence） at the bottom （top） and the configuration of high-energy and high-humidity at the bottom operated in favour of the release of unstable energy， eventually? resulting in the occurrence and development of heavy precipitation.

Key words Warm-sector heavy prec-ipitation; Physical diagnosis; Radar echo; High energy and high humidity

暖區(qū)強(qiáng)降水具有短時雨強(qiáng)大、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，易引發(fā)局地暴雨及洪澇等次生災(zāi)害[1-3]。伴隨著強(qiáng)降水出現(xiàn)的雷雨大風(fēng)、暴雨等天氣，常常給農(nóng)林業(yè)和人民生產(chǎn)生活等帶來嚴(yán)重的損失。前汛期，北方冷空氣勢力逐漸減弱，但仍頻繁南下入侵華東地區(qū)。同時，產(chǎn)生于印度洋上的大量水汽通過西南季風(fēng)向東北方向輸送，形成西南暖濕氣流，冷暖氣流的頻繁交匯，使淮河流域暴雨頻發(fā)。短時強(qiáng)降水和暴雨的預(yù)警預(yù)報一直是淮河地區(qū)防汛的工作重點(diǎn)，加之中、低緯天氣及副熱帶季風(fēng)的共同影響，該地區(qū)短時強(qiáng)降水發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制相對復(fù)雜[4-5]。

長期以來，我國氣象工作者非常重視對淮河流域暴雨的預(yù)報研究，并在環(huán)流特征、水汽輸送、熱力不穩(wěn)定、雷達(dá)回波、數(shù)值模式及預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面開展了大量研究工作，并取得了一定的研究成果[6-8]。梁鈺等[9]利用自動站觀測資料，從環(huán)流背景出發(fā)研究淮河流域連續(xù)性暴雨出現(xiàn)的成因，發(fā)現(xiàn)連續(xù)性暴雨與500 hPa高空環(huán)流、低空氣流、切變線等因素密切相關(guān)。郝瑩等[10]利用多個數(shù)值模式分析研究了不同時間尺度暴雨預(yù)報的時效性，表明了淮河流域暴雨的預(yù)報在12 h和24 h時間尺度上，EC模式產(chǎn)品的預(yù)報最優(yōu)，而臨近預(yù)報INCA模式具有相對優(yōu)勢。潘欣[11]則通過氣候因子指數(shù)研究了淮河流域極端降水的演變特征，研究結(jié)果表明：流域出現(xiàn)極端降水的平均發(fā)生時間呈現(xiàn)提前趨勢，這一趨勢使人們更加關(guān)注汛期前期短時強(qiáng)降水和暴雨等強(qiáng)對流天氣。暴雨常常是由若干個中小尺度系統(tǒng)不斷產(chǎn)生、合并及持續(xù)發(fā)展所致的，研究暴雨的成因離不開對中小尺度天氣系統(tǒng)的研究[12]。從以上工作來看，大多數(shù)研究者主要集中在對暴雨單一系統(tǒng)開展研究，目前針對多系統(tǒng)影響下的暖區(qū)強(qiáng)降水過程的研究相對較少，因此從這一點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行深入的研究和探討十分有意義[13]。

宿遷地處淮河流域，作為沿淮城市，宿遷汛期降雨量直接影響到沂沭泗流域（淮河流域內(nèi)獨(dú)立水系）的水位[14-15]。考慮到目前研究表明極端強(qiáng)降水的出現(xiàn)時間有所提前，且淮河流域極易受到高低緯系統(tǒng)的共同影響，深入分析研究2021年汛期前期一次暖區(qū)短時強(qiáng)降水，探究多系統(tǒng)影響下暖區(qū)強(qiáng)降水過程特點(diǎn)及形成機(jī)理，為宿遷地區(qū)及沿淮城市群的暖區(qū)暴雨預(yù)報提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

采用2021年5月14—15日宿遷地

區(qū)122個自動觀測站逐小時常規(guī)地面資料、MICAPS高空資料、NECP FNL 1°×1°逐6 h的全球再分析資料、雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖資料。

1.2 短時強(qiáng)降水、暴雨和暖區(qū)降水定義

一般稱1 h內(nèi)某地降水量超過20 mm的降水過程為短時強(qiáng)降水，具有突發(fā)性、降水時段集中的特點(diǎn)。氣象學(xué)上規(guī)定12 h累積降水量達(dá)到30 mm或以上或24 h累計降水量達(dá)到50 mm或以上的降水稱為暴雨。

排除殘留低壓系統(tǒng)或者臺風(fēng)的直接影響導(dǎo)致的降水過程，根據(jù)以往的研究結(jié)果，將發(fā)生于鋒面以南或者低空切變線以南的暖濕氣流中的降水定義為暖區(qū)降水[16]。根據(jù)暖區(qū)降水的定義，可以將其分為4種類型：冷鋒型、暖切變型、副高邊緣Ⅰ型（單日型）以及副高邊緣Ⅱ型（連續(xù)型）。

2 降水分布特征

2021年5月14—15日宿遷市出現(xiàn)暴雨天氣過程（圖1）。13日夜間開始出現(xiàn)降水，主要集中在宿遷市西南部，14—15日隨著天氣系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)東移，暴雨出現(xiàn)在宿遷市中南部地區(qū)，并出現(xiàn)短時強(qiáng)降水過程，造成了嚴(yán)重的交通堵塞。從圖中可以看出，整個降水過程的最大累積降水量出現(xiàn)在沭陽縣沂濤鎮(zhèn)104.9 mm。其中，14—15日出現(xiàn)多個短時強(qiáng)降水過程，主要集中在14日的凌晨、15日的9：00～10：00和10：00～11：00之間，多個觀測站1 h累積雨量超過20 mm，最高出現(xiàn)在泗洪縣的雙溝鎮(zhèn)峰山社區(qū)（35.6 mm）。此次降水過程表現(xiàn)為短時雨強(qiáng)大、強(qiáng)降水持續(xù)時間短的特點(diǎn)。

3 環(huán)流形勢

2021年5月14日20：00 500 hPa（圖2），暖脊沖向東北，長江中下游為冷中心控制，東北冷渦底部多短波槽，長江中下游地區(qū)位于500 hPa槽前，槽上有冷平流。15日08：00，槽東移加強(qiáng)，位于四川—湖北一帶，使得槽前西南風(fēng)加強(qiáng)，正渦度平流增強(qiáng)，利于低空系統(tǒng)的輻合抬升。14日20：00 700 hPa（圖3）低渦位于四川一帶，隨著低渦東移和冷切東移南壓，至15日08：00，低渦位于蘇魯豫皖交界一帶，700 hPa西南急流軸位于廣西中北部—江西南部—江蘇南部。從（圖4）的圖上可以看出，14日20：00低空西南風(fēng)急流從華南伸向長江中下游，低空急流中心強(qiáng)度達(dá)20 m/s，江蘇北部存在切變線，低空低渦，動力抬升力強(qiáng)，850 hPa長江中下游為暖脊和濕區(qū)控制;至15日08：00，850 hPa切變線緩慢南壓，同時宿遷市南北氣流開始強(qiáng)盛，淮北地區(qū)為等溫線密集的高空鋒區(qū)。由此可見，伴隨著高空冷渦的旋轉(zhuǎn)，渦后冷空氣南下與西南暖濕氣流相互作用、相互交綏，在長江中下游地區(qū)出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水過程。

4 暴雨物理量診斷分析

4.1 水汽條件

強(qiáng)降水的形成往往需要充足的水汽，大氣整層的可降水量作為產(chǎn)生降水的物質(zhì)基礎(chǔ)，反映了宿遷市上空大氣的可降水量。從14日08：00開始，湖北—安徽—江蘇三省上空的整層可降水量（PWAT）維持在60 kg/m2左右，同時隨著高空系統(tǒng)的東移發(fā)展，至14日20：00和15日08：00湖南—湖北的局部地區(qū)的PWAT達(dá)70 kg/m2左右，伴隨著西南氣流的強(qiáng)盛，位于西南部地區(qū)的水汽被源源不斷地輸送到宿遷市，為強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展提供了水汽條件。從14日08：00、20日和15日08：00的850 hPa比濕分布圖（圖5）可知，比濕大值區(qū)的分布和PWAT的大值區(qū)相吻合。14日08：00開始，宿遷市上空的比濕在12 g/kg左右，隨著來自西南的水汽供應(yīng)，比濕開始增加，到15日08：00逐步達(dá)到14 g/kg，宿遷市近地面一直處于濕層中，伴隨著高空干冷空氣的侵入，有利于短時強(qiáng)降水的發(fā)生，同時比濕大值區(qū)的分布也與降水落區(qū)分布一致。

除了PWAT、比濕等水汽條件外，對流層底層水汽通道的建立也是產(chǎn)生強(qiáng)降水至關(guān)重要的一項因素。在暴雨發(fā)生的過程中，造成強(qiáng)降水所需的水汽往往由底層強(qiáng)盛的西南氣流提供，大量水汽源源不斷地輸送至降水區(qū)。14—15日三個時段的水汽通量和風(fēng)場分布（圖6），可以看出14日開始，來自西南的水汽通量開始不斷增加，14日20：00整個水汽通量核強(qiáng)度達(dá)到最大，隨著西南氣流的旺盛，至15日08：00，位于西南的水汽通量強(qiáng)度達(dá)2×10-3 g/（s.hPa.cm），低層大的水汽通量成為對流性強(qiáng)降水產(chǎn)生前的水汽積聚，西南部10：00開始產(chǎn)生短時強(qiáng)降水并持續(xù)。隨著水汽輻合區(qū)的東移，降雨落區(qū)也開始向東北方向移動，到15日14：00暴雨中心逐漸從宿遷向東北方向移動，雨勢逐漸減弱。

4.2 動力條件

P坐標(biāo)系下的垂直速度Omega（ω）可以直觀地顯示強(qiáng)降水發(fā)生時的動力條件。從15日08：00時沿34°N經(jīng)向垂直速度—高度剖面圖（圖7）可以看出，宿遷市在強(qiáng)降水發(fā)生前，垂直上升運(yùn)動從近地面一直延伸至400 hPa附近，低層最大ω值為-1.6 hPa/s，上升運(yùn)動強(qiáng)烈。同時，從渦度時序—高度剖面圖上可以看出，14—15日一直維持在底層正渦度、高層負(fù)渦度的垂直結(jié)構(gòu)，是典型的的暴雨發(fā)生垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)。14日前期低層的渦度增至12×10-5s-1，正渦度的增加有利于近地面減壓，同時上層高空槽前表現(xiàn)為正渦度平流，地面低壓發(fā)展;14日后期到15日前期正渦度值有所減小，此時降水也存在間歇過程;15日08：00后，正渦度開始增加，地面低壓繼續(xù)發(fā)展，中心輻合，上升條件得到發(fā)展，降水發(fā)生在低層正渦度帶上，利于宿遷市09：00之后短時雨強(qiáng)的出現(xiàn)。

高低層散度場的配置是影響此次強(qiáng)降水過程的重要因素，此次降水過程中，最強(qiáng)短時強(qiáng)降水（1 h 35.6 mm）發(fā)生前15日08：00的200 hPa和850 hPa的散度分布圖（圖8）。圖中可以看出，宿遷市處于低層輻合、高層輻散的形勢場中，低層存在大的輻合區(qū)，輻合中心最大值為-8×10-5s-1，上升運(yùn)動強(qiáng)烈。高低空的耦合作用加上西南暖濕氣流的水汽輸送使得宿遷市處于暖濕的大氣層結(jié)中，底層水汽輻合抬升有利于不穩(wěn)定能量的釋放，造成強(qiáng)降水的發(fā)生。

4.3 熱力不穩(wěn)定條件

假相當(dāng)位溫作為表征大氣不穩(wěn)定能量的一個溫濕特征量，850 hPa等壓面上假相當(dāng)位溫的變化反映了冷暖空氣的活動情況，假相當(dāng)位溫高值區(qū)的變化對應(yīng)著強(qiáng)降水落區(qū)的變化。從14—15日3個時間段的假相當(dāng)位溫分布圖（圖9）可以看出，14日08：00 假相當(dāng)位溫開始增大，其數(shù)值維持在340～350 K左右，到20：00高能舌端位于江淮之間。θse越高，加之西南急流的相互配合，宿遷上空的濕熱程度越高，產(chǎn)生的降水就更為激烈。到15日08：00，隨著上方冷空氣的侵入，整個高能區(qū)有所南落，但θse的值仍維持在345 K左右，宿遷市處于高能高濕的配置下，為后續(xù)產(chǎn)生短時強(qiáng)降水提供了非常有利的條件。

綜合探空物理量和各項熱力指數(shù)（表1）可以看出，從14日08：00開始沙式指數(shù)（Si）達(dá)到-1.7，大氣層結(jié)開始趨于不穩(wěn)定，并且持續(xù)到15日Si均<0，表明此次降水過程會伴有雷暴天氣。同時，K指數(shù)一直維持在34℃及以上，說明此次降水過程濕度條件好，利于持續(xù)性降水，與上述的處于“暖濕”的配置一致;而對流有效位能CAPE相對較低，可能與春季大氣對流不穩(wěn)定能量較小有關(guān)，說明此次降水過程很難發(fā)展成為成片的雷暴或出現(xiàn)局地冰雹等天氣;從SHR（0～6 km高度垂直風(fēng)矢量差）值可以看出，宿遷上空存在較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，有利于此次對流性降水的有組織化和維持;中低層溫差（T850-T500）維持在23℃左右，同時結(jié)合濕度分布可以得出，宿遷市上空一直處于暖濕的配置結(jié)構(gòu)中;同時從探空資料得出，上空850 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，低層有深厚的暖平流。

綜上所述，此次對流性降水過程是存在一個上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，加之高能高濕的配置，出現(xiàn)暖區(qū)強(qiáng)降水過程。

5 雷達(dá)回波及衛(wèi)星云圖特征

出現(xiàn)此次短時強(qiáng)降水過程發(fā)生前，15日09：00在宿遷市西南部不斷有對流性回波生成（圖10），反射率因子（R）逐建增加至50 dBZ，到10：00逐漸發(fā)展成為弓形回波，最大反射率因子達(dá)57 dBZ。隨著回波向東北方向推進(jìn)，其中南部逐漸變寬，北部逐漸變窄，加上移動過程中雨滴的拖曳作用出現(xiàn)弱的下?lián)舯┝鬟^程，在泗洪和泗陽交界處出現(xiàn)8級大風(fēng)，風(fēng)速達(dá)17.6 m/s。同時，強(qiáng)降水集中時段的雷達(dá)回波高度伸展到6 km左右，>40 dBZ的強(qiáng)回波從底層一直延伸至4 km附近，呈分散性排列，無明顯的列車效應(yīng)，同時分析徐州站探空圖發(fā)現(xiàn)，0℃高度層位于4 478 m，說明強(qiáng)回波均在0℃以下并向下延伸至地面，為暖區(qū)低質(zhì)心降水。到12：00左右，減弱后的回波主體逐漸移出宿遷市，西南方向仍不斷有分散性小回波生成，降水強(qiáng)度有所減弱，但仍有陣雨或雷雨維持，使得宿遷市累積雨量達(dá)到暴雨量級。

從回波頂高（ET）（圖10）來看，強(qiáng)降水集中時段回波頂高從8～9 km逐漸增加到12 km左右，個別站點(diǎn)高達(dá)14 km的強(qiáng)回波也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不斷地進(jìn)入到宿遷地區(qū)。09：00開始，垂直累積液態(tài)水（VIL）在出現(xiàn)大風(fēng)前開始增加，VIL從24 kg/m2逐漸增加至51 kg/m2，在10：16出現(xiàn)明顯的峰值。

綜合對比宿遷市實(shí)時降水分布，可見R、ET和VIL的變化與短時強(qiáng)降水的出現(xiàn)時間相呼應(yīng)，因此三者在雷雨大風(fēng)出現(xiàn)前的變化特征對短時強(qiáng)降水及暴雨的預(yù)報、預(yù)警有很好的指示作用。

在雷達(dá)徑向速度（V）圖（圖11）上，V成反氣旋式旋轉(zhuǎn)，零等速線呈“s”風(fēng)型，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，對應(yīng)著宿遷出現(xiàn)暖區(qū)降水，與上述暖區(qū)低質(zhì)心降水相一致。西南部存在急流，速度，在34 m/s左右，增加了出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的可能性。

結(jié)合風(fēng)云衛(wèi)星云圖，對比14日夜間和15日的亮溫以及中層水汽差異。14夜間云頂亮溫為-35℃左右，云頂較低，水汽條件略差，同時在安徽西部有不斷新的云團(tuán)生成并沿長江向東移生;15日08：00云頂亮溫為-60℃左右，云頂較高，水汽條件較為充足，在淮河以北有較弱的切變線，云系間有對流云團(tuán)生成。整個云系的移動帶來的水汽輸送為15日09：00開始的強(qiáng)降水提供了很好的水汽供應(yīng)。

6 結(jié)論

利用自動觀測站逐小時常規(guī)地面資料、MICAPS高空資料、NECP FNL 1°×1°逐6小時的全球再分析資料、雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖資料對2021年5月宿遷地區(qū)一次暖區(qū)強(qiáng)降水過程進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明：

（1）此次降水過程具有短時雨強(qiáng)大、強(qiáng)降水持續(xù)時間短的特點(diǎn)，最大小時雨強(qiáng)為35.6 mm。降水回波表現(xiàn)為弓形回波，自西南向東北方向移動并發(fā)展，強(qiáng)度高達(dá)57 dBZ;雷達(dá)徑向速度呈反氣旋式旋轉(zhuǎn)，有暖平流輸入;降水前云頂亮溫為-60℃左右，云頂較高，水汽條件較為充足?？傮w而言，此次降水實(shí)一次暖區(qū)低質(zhì)心強(qiáng)降水過程。

（2）高層冷中心控制，低層西南暖濕氣流加強(qiáng)，宿遷市處于暖中心控制。隨著高空冷渦旋轉(zhuǎn)甩下的冷空氣與西南暖濕氣流相互交綏，加之江蘇北部的切變線南壓，使得宿遷市出現(xiàn)暖切變型短時強(qiáng)降水過程。

（3）高低空的耦合作用加上西南暖濕氣流的水汽輸送使得宿遷市處于上層干冷、下層暖濕的大氣層結(jié)中，底層水汽輻合抬升有利于不穩(wěn)定能量的釋放，造成強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展。低層存在高能高濕區(qū)，且位勢不穩(wěn)定，有較強(qiáng)的低空急流，同時暖區(qū)的暖濕不穩(wěn)定程度加強(qiáng)，受到外界強(qiáng)擾動的觸發(fā)，產(chǎn)生的短時強(qiáng)降水更為激烈。

針對此次強(qiáng)降水過程進(jìn)行診斷分析，對暖區(qū)強(qiáng)降水的物理機(jī)制有一定的了解，但短時強(qiáng)降水的預(yù)報和落區(qū)仍需進(jìn)一步研究，尤其是在日后的預(yù)報中需要加入模式的檢驗和訂正，在提高模式精度的同時，要進(jìn)一步提升預(yù)報的準(zhǔn)確度。后續(xù)工作正在對模式初始場和預(yù)報精度的改進(jìn)進(jìn)行研究，滿足預(yù)報業(yè)務(wù)化的要求。

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