2018年春季兩次強天氣過程對比分析

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害多發地區，對暴雨研究也多集中在夏季或汛期，對春季暴雨研究較少。近年來咸寧春季暴雨頻發且致災嚴重。如2016年出現5場暴雨，4月份提前進入汛期，其中4月20—21日全市出現暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，造成直接經濟損失1197萬元。2017年5月21—24日通城縣出現大暴雨，造成全縣直接經濟損失1116萬元。施望芝等對湖北省1998—2001年春季暴雨天氣過程進行了診斷分析，發現產生春季暴雨的一些物理量及其值的結構特征；胡燕平等對河南兩次春季區域性暴雨進行診斷對比分析，發現兩次過程均表現為對流穩定，與夏季暴雨有明顯的區別；楊曉霞等對山東省春季大暴雨的形成機制進行了個例分析，認為春季暴雨和夏季暴雨不同的是副熱帶系統較弱，西風帶系統起主要作用，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生的；毛冬艷等認為，對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境條件；廖勝石等對一次華南暴雨過程中的水汽輸送和熱量進行了研究，得出暴雨區的水汽主要發生在低層；王能根等對咸寧2002年一次區域性春季暴雨進行分析，發現降水發生前出現回暖過程，使大氣層結形成對流性不穩定，而地面冷空氣南侵是造成這種不穩定能量釋放的外因。

2018年4月22—23日，咸寧出現2018年首場全市性暴雨到大暴雨，過程降雨強度大、影響范圍廣、持續時間長，導致直接經濟損失2205萬元。5月6日，咸寧出現中到大雨，個別站點有暴雨，伴有雷電、大風天氣，未造成明顯災害。本文主要利用常規氣象觀測資料、NCEP 1°×1° 逐6小時再分析資料和咸寧地基微波輻射計資料，從天氣概況、天氣背景、影響系統、動力、水汽、熱力等條件著手，重點對兩次降水過程產生和發展的物理量進行分析，探究其差異和成因，以期為咸寧地區的災害性天氣預報和服務提供一定參考。

1 天氣概況

為便于分析，將4月22—23日和5月6日兩次過程分別簡稱為“1804”過程和“1805”過程。“1804”過程降水強度大，范圍廣，22日00時—24日00時（世界時，下同），全市181個氣象觀測站，有163個站降水量≥50 mm（最大出現在嘉魚的九龍站為255.1 mm），其中4月22日00—23日00時嘉魚、赤壁24 h降水量分別為155 mm、162.9 mm，突破有記錄以來4月日降水量極值；圖1為4個觀測站點逐小時降水量，可以看出此過程降水持續時間長、雨強大，最大小時雨強出現在銅山村為63.8 mm/h（22日08時）。“1805”過程降水強度較小，6日00時—7日00時，全市181個氣象觀測站，降水量≥50 mm僅有1站（通城的天岳關站為55 mm），伴有明顯的大風天氣，全市181個站點，有89個站出現6級以上大風，25站出現8級以上大風；從4個觀測站點逐小時降水量，可以看出此過程降水強度小，持續時間短；因此“1804”過程是強降水過程。“1805”過程是強對流過程。

圖1 “1804”過程4站點逐小時降水降水量（世界時）Fig. 1 Hourly precipitation at 4 stations in “1804”process (UTC)

2 天氣背景分析

兩次過程的分析，分別基于接近降水集中時段的再分析資料：即4月22日06時和5月6日00時。從500 hPa形勢場分析（圖2a和2b），在中高緯地區“1804”過程為寬廣高壓脊，形勢較穩定；“1805”過程為“兩槽一脊”，東部有東北冷渦形成，易誘發強對流天氣，系統移動速度較快。中低緯地區在咸寧上游均有南支槽東移，但前一過程略偏南偏東；槽脊的發展主要是散合項所決定的，“1804”過程南支槽是對稱性槽，東移過程中沒有明顯的變化，“1805”過程南支槽為匯合槽，東移過程中是逐漸減弱填塞的。從850 hPa風場分析，如圖2c和2d，兩次過程均存在低渦、切變線，“1804”過程略偏南。低空急流強度、位置是暴雨預報最主要的參考指標之一，兩次過程均存在≥12 m/s的低空西南急流，但急流強度、位置有明顯差異：前者急流帶較窄，最大風速達到16 m/s，且存在風速脈動，咸寧位于急流軸出口區前端風速輻合區和切變線右側，具有很好的輻合上升運動條件，有利于觸發中尺度系統形成從而導致暴雨發生；后者急流帶寬廣，最大風速達22 m/s，咸寧處于低空急流核中，急流位置不利于產生強的上升運動。從200 hPa和850 hPa的散度場分析（圖2e和2f），850 hPa上兩次過程咸寧均處于輻合區。

圖2 （a，b）“1804”（a,c,e）和“1805”（b,d,f）兩次過程500hPa等高線（藍色實線），風場（黑色風向桿），≥16m/s急流區（陰影區）；（c,d）兩次過程850hPa風場（黑色風向桿），≥12m/s急流區（陰影區）；（e,f）兩次過程850hPa散度場（陰影區），200hPa散度場（黑色實線）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

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

表1 “1804”和“1805”過程天氣形勢及影響系統情況對比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、動力因子水平結構

3.1.1 低層假相當位溫和渦度分析

中低層大氣高溫、高濕是暴雨產生的關鍵因素，假相當位溫（

θ

，下同）不僅考慮了氣壓對溫度的影響，也考慮了水汽凝結和蒸發對溫度的影響，是對大氣熱力、水汽條件的綜合反映。渦度是表征氣團旋轉運動強度的物理量，中低層乃至高層正渦度大小是決定暴雨產生、維持的動力因子。兩次過程咸寧地區均處于

θ

大于335 K范圍內，“1805”過程略強于“1804”過程且均存在

θ

鋒區，但由于冷空氣滲入的路徑存在差異，導致兩次過程

θ

鋒區位置不同，“1804”過程咸寧位于鋒區內，利于產生上升運動，“1805”過程咸寧位于鋒區前暖區內，有利于不穩定能量的積累。從渦度場分析前次過程咸寧位于40×10s正渦度區域內，后次過程咸寧地區渦度小于0。

3.1.2 不穩定條件

“上冷下暖”和“上干下濕”的配置不僅有利于引起異常上升運動，也易形成不穩定層結。較強的熱力不穩定、上干冷下暖濕的垂直結構配合強的垂直風切變非常有利于伴有雷暴大風天氣的強風暴組織化發展。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；兩層的溫度露點差的差值為：(

T

-

T

)= (

T

-

T

)-(

T

-

T

)，可以表示上下層的濕度層結。兩次過程

T

在22～26 ℃，說明存在明顯的“上冷下暖”的不穩定層結；“1804”過程(

T

-

T

)接近于0 ℃，濕度垂直層結變化不明顯，“1805”過程＞15 ℃，有明顯的“上干下濕”不穩定層結。因此后一過程有明顯的“上冷下暖”和“上干下濕”的不穩定層結，更有利于強對流天氣的發生。K指數對暴雨有較強的指示意義，一般當

K

≥35 ℃時易出現暴雨，章國材等認為

θ

隨高度的遞減率（△

θ

）＞6 K時，大氣層結不穩定，更有利于發生強對流天氣。兩次過程的K值在36～38 ℃，差別不明顯；“1804”過程△

θ

咸寧大部在9～12 K，“1805”過程在16～19 K，說明兩次過程

θ

都隨高度遞減，但后一過程遞減率更大，更有利于發生強對流天氣。

3.2 水汽、熱力、動力因子垂直結構

首先分析降水中心相對濕度和

θ

垂直剖面（圖3a和3b），可以看出，“1804”過程濕層深厚，22日03時至23日00時，從地面至200 hPa相對濕度達到90 %以上，說明有發生強降水的濕度條件；“1805”過程低層濕度大，中層濕度小，說明中層有干冷空氣入侵，利于發生強對流天氣。

θ

高值區代表高溫高濕區，低值區代表低溫低濕區，從

θ

垂直剖面分析，可以看出“1804”過程在強降水開始之前（21日18時至22日09時），900～650 hPa

θ

垂直梯度小于0，說明不穩定層結延伸至中層，在上升氣流和充足的水汽條件下，利于產生短時強降水，逐小時降水實況也反映出這一特點；“1805”過程在6日00時前后，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，近地面達到345 K以上，因此高層低溫低濕，低層高溫高濕，有明顯的對流層結不穩定，有利于強對流天氣發生。降水中心散度場和垂直速度（圖3c和3d），“1804”過程從22日06時開始在近地層存在明顯的輻合中心，隨著降水的開始，垂直速度不斷增大，23日18時前后，在950 hPa附近和500 hPa附近出現很強的輻合和輻散中心，對應垂直速度（

ω

，下同）中心達到-2.7 m/s，說明有很強的上升氣流。“1805”過程則在6日06時前后，近地層有大于40×10s的輻散中心，說明有很強的下沉氣流，可能有地面大風，實際觀測證明，此時出現了極大風速為21.6 m/s大風，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，動力條件差，但在強的不穩定層結中易觸發產生雷暴大風天氣。

圖3 （a,b）“1804”（a,c）和“1805”（b,d）過程降雨中心相對濕度（陰影區）和θse（黑色虛線）垂直剖面；（c,d）兩次過程降雨中心散度（陰影區）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 地基微波輻射計特征分析

云水、溫度和濕度變化對于暴雨天氣分析和業務預報都有重要的指示意義，微波輻射計是同時探測溫度、濕度和云中液態水的較為理想的設備。黃治勇指出在短時暴雨發生前，微波輻射計觀測的大氣液態水含量和大氣水汽總量急增對短時暴雨的潛勢分析有一定指示意義。從咸寧微波輻射計雨線來看，“1804”過程降水開始于22日04：26，其整層水汽含量（Vint）在降水發生前近3小時內，有兩次明顯波動，其峰值均＞90 mm，降水開始前近半小時（04：00），Vint呈波動遞減趨勢；整層液態水含量（Lint）在04：00之前，其波動特征與Vint相似，也有兩次＞20mm的明顯峰值，不同的是在04：00之后Lint開始波動性增加，至降水開始時再次達到20 mm，而此時段Vint呈波動性減少，因此在降水發生前近半小時內，Vint減少、Lint增大，兩者變化趨勢正好相反；另外從云底高度（簡稱“Cbase”，下同）來看，在降水前近3小時內，云底高度呈降低趨勢，04：00之后Cbase降低幅度增大，至降水開始時，云底接近地面，與Vint的減少和Lint的持續增加有很好的對應，說明這三個要素能反映暴雨發生潛勢，降水臨近時有明顯水汽凝結成液態水、云層加厚的特征，對強降水預報具有一定的指示意義。

4 結論與討論

以上主要從天氣背景、物理量特征、微波輻射計一些要素特征等方面對兩次過程進行了詳細對比分析，主要有以下具體結論：

1）兩次過程的影響系統有一定的相似性，但系統的發展、強度、位置、高低層散度場的配置有明顯差異：“1804”過程低空急流較弱，但在咸寧地區有明顯的風速輻合，利于水汽、不穩定能量向上輸送，200 hPa“抽吸”作用很強，利于產生強烈的上升運動；“1805”過程西南急流強盛，帶來充足的水汽和能量，但上升運動較弱，不穩定能量在低層集聚，利于產生強對流天氣。

2）兩次過程在物理量特征上存在明顯的差異。在水平結構上，“1804”過程主要體現在低層正渦度大，具有更強的動力條件；“1805”過程則體現出低層能量集聚，有很強的不穩定性。

（3）Vint、Lint、Cbase變化特征在兩次過程中有明顯差異。從預報角度分析，一是低空急流強盛，并不一定帶來強的降水，需要配合系統垂直結構進一步分析；二是200 hPa強的輻散中心，具有很強的“抽吸”作用，與低層輻合區相對應，可產生強的上升運動，在好的水汽、能量條件配合下，易產生強降水；三是微波輻射計的Vint、Lin和Cbase在臨近降水時的相應變化，即Vint明顯減少，Lint明顯增加，云底迅速降低的特征，可以在暴雨預報中提供一定參考作用。