黃靜 李芳 祁宏

摘要：由于全球變暖，極端天氣發(fā)生越發(fā)頻繁，尤其是夏季經(jīng)常有暴雨發(fā)生，對人民的日常生活造成了極大影響。利用常規(guī)氣象觀測資料、湖北省區(qū)域自動站觀測資料、0.25°×0.25°的ERA5逐小時再分析資料，對2022年8月26～27日發(fā)生在宜昌市秭歸縣至夷陵區(qū)等地區(qū)的一次大暴雨過程進行了診斷分析。結(jié)果表明：該暴雨過程是副熱帶高壓控制為背景，在低空切變線和地面錮囚鋒的配合下產(chǎn)生的，強降水落區(qū)主要位于水汽輻合中心右側(cè)，此處有利于暖濕氣流持續(xù)輸送形成大暴雨；強降水發(fā)生前，宜昌市上空即存在水汽輻合中心，并且不穩(wěn)定能量逐漸累積，強降水發(fā)生時，水汽供應(yīng)充足、上升運動強烈從而造成本次大暴雨過程。

關(guān) 鍵 詞：大暴雨； 極端天氣； 水汽輸送； 診斷分析； 宜昌市

中圖法分類號： P458.3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.002

0 引 言

由于全球變暖，極端天氣發(fā)生越發(fā)頻繁［1-2］，尤其是夏季經(jīng)常有暴雨發(fā)生，對人民的日常生活造成了極大影響、而由于造成暴雨的物理機制復(fù)雜［3］，暴雨的準確預(yù)報一直是業(yè)務(wù)預(yù)報的難點［4-6］。

暴雨過程通常是由多種原因共同影響形成。利用雷達資料結(jié)合地面中尺度觀測資料、衛(wèi)星資料、再分析資料等分析中尺度系統(tǒng)（水平尺度 10～300 km）發(fā)生發(fā)展、中尺度對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變是中尺度分析的重要途徑，近年來取得的許多研究成果加深了人們對中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展機理的認識。沈杭鋒等［7］對2013年6月浙江省北部的一次短時大暴雨過程進行了中尺度分析，發(fā)現(xiàn)該暴雨過程與中尺度輻合線之間具有密切關(guān)系。杜秉玉等［8］利用多普勒雷達資料分析暴雨過程低層流場發(fā)現(xiàn)，暴雨與600 m高度上中尺度渦旋系統(tǒng)活動密切相關(guān)。張家國等［9］總結(jié)了湖北省與中尺度系統(tǒng)活動相配合的雷達反射率因子形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征和演變規(guī)律，認為從多普勒天氣雷達觀測的反射率因子中可獲得α、β、γ等各種中尺度天氣系統(tǒng)演變信息。由于暴雨尤其是特大暴雨的形成機理十分復(fù)雜，對形成于復(fù)雜地形下的極端降水過程又有其特殊性，因此有必要開展更多分析研究。

許多學(xué)者通過天氣學(xué)診斷、中尺度分析和數(shù)值模擬等方法，從不同方面研究揭示了湖北省暴雨的主要特征和天氣系統(tǒng)，認為影響湖北省暴雨的主要系統(tǒng)是西風(fēng)槽、切變線、中尺度低渦、輻合線與低空急流，且低層輻合與高層輻散相配合產(chǎn)生強烈上升運動，引起對流不穩(wěn)定能量釋放，成為強降水的觸發(fā)條件。但針對宜昌地區(qū)暴雨天氣的研究較少，而宜昌市由于地形復(fù)雜以及河谷較多，使得宜昌暴雨預(yù)報較為困難［10-11］。本文利用常規(guī)探空、地面區(qū)域加密自動站觀測資料、宜昌站 S波段CINRAD-SA雷達回波以及0.25°×025°分辨率的ERA5逐小時再分析資料，分析了“8·26”宜昌市中部大暴雨過程發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件，重點探討該強降水過程中風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的中尺度特征及其預(yù)報著眼點，以期為今后此類暴雨的預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 暴雨過程概況

2022年8月26日夜間，宜昌市北部出現(xiàn)短時強降水、雷雨大風(fēng)等強對流天氣，點軍區(qū)土城鄉(xiāng)、秭歸縣茅坪鎮(zhèn)、興山縣北部、當陽市北部、遠安縣南部、夷陵區(qū)中部出現(xiàn)暴雨到大暴雨。全市397個自動氣象站監(jiān)測顯示，26日08：00至27日08：00全市累計雨量≥25 mm的有58站，≥50 mm的有34站，≥100 mm的有9站。最大累計雨量179.6 mm，出現(xiàn)在三峽站；最大小時雨量77.8 mm（8月27日00：00～01：00，圖1），出現(xiàn)在夷陵區(qū)三斗坪鎮(zhèn)頭頂石站。夷陵區(qū)、秭歸縣、興山縣局部伴有5～7級雷雨大風(fēng)。

2 暴雨產(chǎn)生

2.1 環(huán)流分析

2022年8月26日2：00，高空500 hPa歐亞中高緯呈現(xiàn)兩槽一脊的環(huán)流形勢（圖2），中緯度多短波槽活動，27日08：00，位于黑龍江處的東北冷渦南移至吉林，同時副熱帶高壓增強西伸，位于西藏南部的高壓中心東移至青藏高原中部。西太平洋副熱帶高壓呈帶塊狀分布，其120°E脊線位于22°N附近，588線西北側(cè)在甘肅-青海一帶，西脊點伸至110°E，宜昌市受副高內(nèi)部脊區(qū)西南氣流控制。700 hPa上，中國西部生成一暖低渦，中心位勢高度為305 dagpm。同時在四川省存在一冷舌，江西省伸出一暖舌，宜昌市位于兩溫度中心之間，處于弱脊控制，由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西風(fēng)，同時位于兩溫度中心之間的站點溫度露點差均≤4 ℃，處于飽和狀態(tài)。850 hPa上，四川-重慶處存在一暖中心，宜昌市位于暖中心東側(cè)，湖北省北部盛行東北氣流，湖北省南部存在從洋面上輸送的大片偏南氣流，宜昌市位于南北氣流匯合區(qū)域，在宜昌市上空存在暖式切變，且此時宜昌站溫度露點差T-Td為0，相較周圍站點，宜昌站水汽達到了高度飽和。925 hPa上，宜昌市處于暖中心附近，與700、850 hPa類似，其溫度露點差T-Td為2 ℃，與周圍站點相比其水汽更為飽和。由此可見，宜昌低層的水汽條件較好，為強對流的發(fā)生提供了有利條件。

8月27日08：00，500 hPa上副熱帶高壓東撤至四川-湖北北部一帶，東北冷渦東移，宜昌市位于副熱帶高壓西南風(fēng)控制，宜昌市北部存在一冷中心（圖2）。700 hPa上西藏低渦加強，低渦中心東移至西藏東部，宜昌站溫度露點差T-Td為0。850 hPa上低渦東移至四川西部，與低渦對應(yīng)的暖式切變線延伸至安徽-湖北一帶，逐漸東移，宜昌市位于切變線南部以及兩個暖中心之間，宜昌站溫度露點差T-Td仍為0，水汽仍處于飽和狀態(tài)。925 hPa上，系統(tǒng)形勢與850 hPa類似，宜昌站溫度露點差T-Td為1 ℃，與周圍站點相比其水汽更為飽和。

8月27日20：00，500 hPa上副熱帶高壓穩(wěn)定維持，東北冷渦繼續(xù)向東北方向移動，逐漸移出中國，宜昌市處于副高外圍西南風(fēng)氣流控制。700 hPa，宜昌市受西南氣流影響；850 hPa上的切變線南壓至湖南境內(nèi)，宜昌市此時受偏東氣流控制，降水過程基本結(jié)束。

地面填圖上，8月26日20：00宜昌市受中國西部大陸低壓控制，在內(nèi)蒙古與蒙古交界處存在一冷高壓，冷高壓中心強度達1 015 hPa，在安徽-浙江一帶存在一條錮囚鋒（圖3）。8月27日02：00中國西部大陸低壓強度有所減弱，北部冷高壓略有南壓，鋒面西伸位于黃岡-宜昌南部一帶，宜昌市受地面弱冷空氣影響。27日08：00，鋒面東移至仙桃-潛江一帶。27日14：00，地面暖低壓再發(fā)展，鋒面移出宜昌市，不穩(wěn)定能量再度積蓄。

2.2 環(huán)境條件

8月26日20：00宜昌站（57461）的探空圖可知（圖4），探空曲線基本呈細長型，宜昌市上空邊界層至600 hPa高度的溫度露點差T-Td較小，850 hPa和700 hPa的露點溫度分別達到16.7 ℃和10.3 ℃，露點溫度差T-Td分別為1.7 ℃和0.9 ℃，且相對濕度均達到了90%以上，這表明此時宜昌站的水汽條件較好。濕對流有效位能為0，850～500 hPa的溫差為20.4 ℃，K指數(shù)為36.2，具備一定的熱力條件。此外，抬升凝結(jié)高度為1.1 km，自由對流高度在2 km附近，濕層厚度較為深厚，有利于對流天氣的觸發(fā)。但從風(fēng)場的垂直分布來看，0～3 km和0～6 km的垂直風(fēng)切變較小，不利于對流系統(tǒng)的組織和維持，因此動力條件較差。

8月26日20：00，濕層略微發(fā)展至500 hPa附近，抬升凝結(jié)高度為1.1 km，自由對流高度降低至1.4 km附近，K指數(shù)增大至40.5，濕對流有效位能達到了1 322.1 J/kg，850～500 hPa的溫差也增大至21.5 ℃，相較于08：00此時的熱力條件更有利于觸發(fā)對流。850 hPa和700 hPa的露點溫度分別達到20.7 ℃和10.7 ℃，露點溫度差T-Td分別為0.1 ℃和1.7 ℃，濕層厚度更為深厚，濕度條件仍然較好；0～6 km的垂直風(fēng)切變略有增大。

8月27日08：00，濕層降至600 hPa附近，850 hPa和700 hPa的露點溫度分別為19.3 ℃ 9.5 ℃，露點溫度差T-Td分別為0和0.7 ℃，850 hPa 的相對濕度達到了100%，這表明水汽仍然十分充沛，有利于降水。K指數(shù)為40.4，CAPE為331.2 J/kg，850～500 hPa的溫差為21.8 ℃。

8月27日20：00，濕層維持，850 hPa和700 hPa露點溫度為19.0 ℃和9.1 ℃，露點溫度差T-Td分別為0和1 ℃；K指數(shù)減小至38.2，850～500 hPa的溫差減少為20.2 ℃，CAPE降為0，能量條件較差。

2.3 雷達特征分析

雷達是監(jiān)測強天氣的有效手段，能夠為強天氣的預(yù)警提供有效支撐［12-13］。雷達回波能夠反映對流系統(tǒng)的發(fā)展情況，對雷達回波進行分析能夠?qū)ふ抑行〕叨劝l(fā)展演變的發(fā)展規(guī)律。

由雷達組合反射率可知（圖5），8月26日20：25開始有分散的混合型降水回波影響宜昌市秭歸縣及夷陵區(qū)西部，其回波強度達到了50 dBZ，并不斷有對流單體在局地新生。隨著對流單體的不斷發(fā)展加強，位于秭歸縣和夷陵區(qū)的兩個對流系統(tǒng)逐漸合并加強，并在夷陵區(qū)東部新生了片絮狀降水，回波不斷增強。21：38，雷達回波范圍擴大，強度明顯加強，主回波帶呈現(xiàn)明顯的帶狀分布，最強回波達60 dBZ，該對流帶穩(wěn)定少東，在秭歸縣-夷陵區(qū)產(chǎn)生了持續(xù)性降水。同時在夷陵區(qū)西部的混合型降水回波逐漸發(fā)展擴大，影響夷陵區(qū)大部地區(qū)及遠安南部。22：39，南北分散性回波在當陽市北部與遠安縣交界處生成，并不斷發(fā)展加強，逐漸合并為塊狀回波，影響遠安縣東南部及當陽遠安交界處。23：52，夷陵區(qū)西部對流與東部對流合并加強，呈現(xiàn)明顯的“鉤狀回波”，于00：09斷裂為東西兩段，遠安-當陽處回波斷裂后又合并加強，兩處回波均對當?shù)禺a(chǎn)生較強降水。夷陵區(qū)回波斷裂，其回波不斷加強，使得三峽站、頭頂石站出現(xiàn)強降水天氣。遠安處回波逐漸北移發(fā)展，形成帶狀回波，并維持至01：16開始減弱。夷陵區(qū)中部回波維持至01：33開始減弱，夷陵區(qū)西部回波于01：55減弱至最弱后再次加強，與北部回波合并后逐漸東北方向移動發(fā)展，其移速較慢，逐漸影響遠安西部和北部，于27日06：02移出宜昌市，降水趨于結(jié)束。

3 物理量診斷

根據(jù)以上分析可知，本次過程呈現(xiàn)出空間尺度較為局地、強度較大、突發(fā)性強、強降水時段集中這幾個特點。8月26日夜間秭歸縣和夷陵區(qū)、三峽站出現(xiàn)持續(xù)時間達3～4 h的短時強降水，說明此次強降水過程的水汽輸送條件和動力條件非常有利于降水的產(chǎn)生。大尺度環(huán)流為本次大暴雨的發(fā)展演變提供了有利的背景環(huán)境，但并不能直接引發(fā)暴雨。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，中尺度對流系統(tǒng)是暴雨的直接制造者，降水區(qū)對流層中低層常常存在中尺度渦旋、中尺度低壓、中尺度切變線或者中尺度輻合線等，因此有必要對本次過程的不穩(wěn)定能量、水汽條件、動力條件等物理量進行進一步的診斷分析。

3.1 不穩(wěn)定能量

CAPE是評估垂直大氣是否穩(wěn)定、對流是否容易發(fā)展的指標之一，CAPE值能夠反映系統(tǒng)的不穩(wěn)定能量。從CAPE值分布可知（圖6），8月26～27日夜間，宜昌地區(qū)的CAPE值在該時段為逐漸累積的過程，在27日00：00有一個明顯的增強，達到1 500 J/kg，說明此時宜昌區(qū)域的不穩(wěn)定能量條件較好，能量容易得到釋放，隨后CAPE值大值區(qū)范圍減小，并逐漸南移，過程趨于結(jié)束。

K指數(shù)是反映中低層穩(wěn)定度和濕度條件的綜合指標，根據(jù)王曉明等［14］的研究，描述大氣是否穩(wěn)定的K指數(shù)中，暴雨的K指數(shù)平均為29.5 ℃。由850 hPa的K指數(shù)分布可知（圖7），8月26～27日夜間宜昌地區(qū)的K指數(shù)普遍在30以上，符合該指標，并且K指數(shù)在夜間有增強的趨勢，于27日00：00增至最大，隨后K指數(shù)強中心逐漸減弱。

綜上所述，8月26～27日夜間的降水過程不穩(wěn)定能量條件較好，具備一定的對流觸發(fā)條件。

3.2 水汽條件

水汽供應(yīng)是產(chǎn)生暴雨的必要條件，其在極端強降水中的重要作用毋庸置疑。暴雨的發(fā)生不但要有很好的局地水汽條件，還應(yīng)有持續(xù)不斷的水汽輸送，據(jù)統(tǒng)計，大氣中大約90％以上的水汽集中在500 hPa層以下［15］。而反映大氣層結(jié)中水汽狀況的物理量常用的有比濕、大氣可降水量、水汽通量、水汽通量散度、相對濕度等。

8月26～27日850 hPa層比濕分布圖（圖8）上，宜昌地區(qū)比濕普遍在14 g/kg左右，20：00的比濕已達到16 g/kg，這表明暴雨發(fā)生前本地的水汽條件較好。26日22：00～27日00：00比濕達到最強，22：00大于16 g/kg的區(qū)域范圍涵蓋了宜昌大部區(qū)域，00：00比濕大值區(qū)位于宜昌市中北部，之后比濕有所減弱，但仍大于14 g/kg，這從一定程度上說明充沛的水汽輸送為造成該次宜昌降水的主要原因。

水汽通量散度體現(xiàn)了水汽輸送的集中程度，水汽通量散度負值區(qū)為水汽輻合的區(qū)域，該區(qū)域與暴雨落區(qū)也有較好的對應(yīng)關(guān)系，一般暴雨發(fā)生在水汽通量輻合區(qū)的右側(cè)。由850 hPa層水汽通量散度（圖9）可知，8月26～27日夜間，秭歸縣、夷陵區(qū)均處于強水汽輻合區(qū)的右側(cè)，且宜昌市中部和北部存在明顯的西南風(fēng)和東南風(fēng)切變，水汽集中程度較大，可不斷為降水區(qū)域供應(yīng)水汽。過程開始之前，宜昌市北部已經(jīng)存在一水汽通量散度輻合中心（圖9（a）），隨著南方西南氣流不斷向北輸出暖濕氣流，宜昌市北部的水汽通量散度輻合區(qū)域不斷擴大，并緩慢向東移動，并在8月27日00：00～02：00水汽輸送達到最強，強度達1.6×10-5? kg/（m2·s·hPa），隨后該水汽輻合中心逐漸東移減弱。該水汽輻合中心向東移動，因此這次大暴雨過程的雨帶呈東西向分布。

綜上可知，此次宜昌市中部自西向東的降水過程與 850 hPa層水汽通量散度演變密切相關(guān)。有利的水汽條件為該降水過程了提供充沛的水汽，從而造成宜昌市多地產(chǎn)生大暴雨。由于水汽輸送在宜昌市東北部集中的時間短，提供的水汽有限，所以，強降水在東北部持續(xù)時間較短；而在中部集中地時間長，為秭歸縣-夷陵等地降水源源不斷地提供水汽，使得這些地區(qū)出現(xiàn)較強降水。

3.3 動力條件

中、小尺度系統(tǒng)是產(chǎn)生暴雨的直接系統(tǒng)，較強的上升運動提供了中、小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流背景和環(huán)境條件［16］。由3.2節(jié)可知，水汽輻合中心大致沿30.8°N附近東移，因此本節(jié)沿30.8°N緯圈作剖面圖進行分析。由散度（圖10）可知，在26～27日夜間秭歸縣、三峽站、頭頂石等地區(qū)（111°E附近）低層為明顯的輻合區(qū)，中高層為輻散區(qū)，形成了低層輻合，高層輻散的形勢，中高層的抽氣作用，具有一定的對流運動發(fā)展條件。與散度對應(yīng)，在以上地區(qū)低層均為明顯的垂直上升運動（圖11），在27日00：00，在三峽站附近上空有一上升運動大于0.8 Pa/s的區(qū)域，為強烈的上升運動區(qū)，秭歸東部與夷陵西部的暖濕空氣不斷抬升，形成強降水云團并且穩(wěn)定少動，從而在秭歸縣、夷陵地區(qū)形成強降水。

4 結(jié) 論

本文利用常規(guī)探空、地面區(qū)域加密自動站觀測資料、宜昌站 S波段CINRAD-SA雷達回波以及0.25°×0.25°分辨率的ERA5逐小時再分析資料，對宜昌地區(qū)的一次暴雨過程進行了環(huán)流形勢和物理量的診斷分析，得到如下結(jié)論：

（1） 本次降水過程與通常概念模型不同的是，整個系統(tǒng)高層在降水時段始終受副熱帶高壓控制，而低層925～700 hPa均為濕層，且850 hPa、700 hPa上水汽均為高度飽和，850 hPa存在暖式切變線緩慢移動，地面存在南北氣流匯合，加強了低層垂直上升運動，以上系統(tǒng)共同作用造成了此次暴雨的發(fā)生。

（2） 不穩(wěn)定能量和動力條件表明，在較強的垂直上升運動作用下，低層暖濕氣流輻合上升，位勢不穩(wěn)定能量在夜間逐漸累積，850～500 hPa 高度之間有大量的暖濕氣流，且上下層不穩(wěn)定，引起上層干冷空氣下沉和下層暖濕空氣上升，形成強對流，從而引發(fā)暴雨。

（3） 水汽條件表明，在暴雨發(fā)生之前，宜昌市位于水汽輻合中心東部，在西南暖濕氣流不斷輸送水汽的作用下，水汽輻合中心逐漸加強并且移速較慢，持續(xù)不斷地為對流系統(tǒng)提供水汽，結(jié)合低層切變垂直上升運動，將低層大量的水汽和能量抬升到了高空，促進并維持了暴雨的進一步發(fā)展，使得水汽為本次降水過程的主要因素。

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（編輯：劉 媛）