内蒙古一次暴雨过程中尺度特征及成因分析
英华彬
[摘 要]2015年6月2日20时至6月3日20时德兴市出现了大暴雨天气。本文利用常规观测资料、卫星云图和地面加密观测资料、以及物理量场的资料对这次暴雨过程进行中尺度分析。分析表明这次暴雨过程：（1）高空有强盛的西南气流，风速的辐合为强降水发生提供了触发条件；（2）中低层有西南和切变线为暴雨的产生提供了强的上升运动条件；（3）低空急流为强降水提供了充足的水汽和不稳定能量；（4）CAPE大值区是强降水的主要落区，CAPE值明显减弱时，表明能量得以释放，降水也随之减弱或停止。由于暴雨区的形成与天气系统和地形关系密切，具有局地性、突发性及活动规律多变等特点，因此暴雨的发生、强度、落区是天气预报中的难点。同时从预报业务与服务工作出发，分析了其预报落区，以期为今后开展临近、 短时预警预报服务提供参考依据。
[关键词]大暴雨 强对流 对流云团 短带回波
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）27-0246-02
1、引言
德兴市地处中低山区，境内群山连绵，峰峦重叠，岗陵起伏延展。怀玉山脉从东部入境，纵贯中部伸向西南，形成东、南两面高峻，西、北渐次低平，向内侧倾斜的地形。境域最高点为东部的三清山玉京峰，主峰海拔1819.9米；最低点在西部蓝村附近，海拔32米。全市大致山地占44%，丘陵占33%，低丘岗地占23%。属饶河水系。乐安河是境内主干河流，发源于赣皖边境，由北部入境，流经海口、泗洲2镇，境内流长51公里。境内流域面积在150平方公里以上的河流还有体泉水、李宅水、洎水、长乐水、建节水5条支流，均为常流河，自东南流向西北注入乐安河。德兴市位于江西省东北部，上饶市北部，乐安河中上游，地处赣、浙、皖三省接壤处。东接德兴省开化县，东南与上饶县、玉山县毗邻，南和横峰县、弋阳县相接，西接乐平市，北连婺源县。德兴属亚热带湿润季风气候，年平均气温17.4℃，年极端最高气温40.7℃，年极端最低气温-10.6℃；年平均降水量1984.9毫米，主要灾害有洪涝、雷电等。
江西汛期多暴雨，暴雨常常带来严重的洪水灾害和次生灾害。多年来，许多气象专家、学者对暴雨进行了大量的研究，取得了很好的成绩。20世纪50年代，陶诗言[1]在研究长江流域梅雨时指出，梅雨锋南侧副高边缘的西南气流对降水区起到水汽输送作用。倪允琪等[2]给出了长江中下游梅雨锋β中尺度强对流系统的三维结构概念模型，对β中尺度对流系统发生的位置、触发机制和物理量场结构作了深入研究。文献[3—7]对江西的暴雨过程特征进行了比较深入的分析研究，并得出了许多有意义的结果。而文献[8—12]则对暴雨的形成机制机理上有较多的研究。但就暴雨过程的一些特征而言，不同的暴雨过程是有其自身明显的特征的。2015年6月2日晚上至3日凌晨，受高空低槽、中低层切变线、低空西南急流等天气系统的共同影响，赣北北部普降暴雨，乐平、德兴等地大暴雨，局部特大暴雨。降水有几个显著特点：强降水时段集中、短时降水强度大、强降水落区集中。下文对2015年6月2日-3日的赣北大暴雨过程进行了比较详细的特征分析，加深对暴雨过程中中尺度系统的认识，探索其预报着眼点。
2、天气概况
受高空低槽和中层切变以及西南急流影响，6月2日20时至3日20时，德兴市出现了今年入汛以来最强降水天气过程，全市普降大暴雨，局部特大暴雨，最强降水落区主要位于我市银城、花桥、黄柏、张村等地。这次降水过程具有对流性强、小时雨强大及持续时间长等特点。2日20时左右，德兴市上空乌云密布，电闪雷鸣，自西向东陆续出现强降水天气。2日20时至3日20时，我市平均降水量117.7mm。所辖区域的28个区域自动站和31个山洪雨量站中，各有19个站点超过100mm；超200mm的站点分别为1个和4个站点，其中以德兴国家基本气象站为247.3mm为最大（小时雨强74mm）。此次降水过程造成我市农业、工业经济损失达5400万余元。
3. 背景环流演变特征分析
一次暴雨天气过程的降水总量并非由一次连续降水所组成，面由于在此次过程期间中尺度雨团不断生成和移动的结果。
因为要形成暴雨就必须有充沛的水汽供应、较强的上升运动、以及大量的不稳定能量。水汽是形成暴雨的最基本条件之一，这次暴雨过程同样有其有利的环流背景。
3.1 高空环流演变特征分析
副热带高压呈块状分布，脊线位于北纬20°附近。副热带高压控制了江西南部至我国东南沿海的大部地区，江西中北部、湖南中北部位于副热带高压的西北部边缘，北纬30°～35°环流平直。贝加尔湖西南有一切断低涡，鄂霍茨克海以西经东北伸向河套东部地区有一深槽。乌拉尔山一带有暖脊向东北方向伸展，使得低涡与低槽内的冷空气向南侵袭。与副高西北部的暖湿气团交汇，形成典型的梅雨锋系。在对流层高层，庞大的南压控制了河套以南的我国大部地区，江西、湖南等地均在其控制之中。高层高压带来的明显辐散运动，有利于其控制区内上升气流的生成与发展。副热带东风急流与副热带西风急流，分别位于南压高压的南北二侧，急流出口区的右侧，伴有强烈的辐散，易触发强天气的发展，同时高低空急流随着低槽东移不断靠近，也会出现藕合作用，形成有利于降水的正反馈机制，加剧强天气系统的发展。河套以南至江南正位于副热带西风急流出口区的右侧，和由季风涌加强导致的低空西南急流的左侧，高低空急流相互作用，有利于强天气的发生、发展。
3.2造成暴雨的天气系统及其垂直环流分析
暴雨的产生首先需要丰富的水汽和大量的不稳定层结以及较长的持续时间。层结中的不稳定能量是一种潜在的能量，在一定条件下气团抬升，触发不稳定能量，能形成较明显的对流活动。造成此次大暴雨的影响系统是低槽和稳定维持的西南气流。本次暴雨过程环流结构的基本特征是850 hPa、925 hPa为低值系統，高层500 hPa上南亚高压呈带状分布，主中心位于高原，东环暖区覆盖我国南方，有明显的反气旋环流，这加强了对流层顶辐散流出，。这种低层辐合、高层辐散形势有利于暴雨区对流性天气的出现。此次低涡切变天气系统在卫星云图上的主要表现为冷暖平流较为明显，暴雨云团活跃，呈东北-西南向分布，并产生了强降水。
4. 假相当位温演变特征分析
θse（假相当位温） 是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量，θse的分布反映了大气中能量的分布。850hPaθse≥50°度的高能舌从我国西南部经湖南中南部伸向我省中部或南部，我省北部或中部为较密集的θse能量锋区。 暴雨区在中低层假相当位温锋区的南侧，高中心的北侧。表明我市近地面层处在高温高湿区中。在这次强降水过程中，沿江西西北部建立起能量锋区，德兴境内高能舌在2日22时时达到了84℃。
5.卫星云图分析
此次低涡切变天气系统在卫星云图上的主要表现为冷暖平流较为明显，暴雨云团很活跃，呈东北-西南向分布，并产生了强降水天气。这次天气过程，江西省处在低涡的前部的东南侧。从02日19时在省内大部分地区在红外云图上没有明显的云系，说明由于低层暖平流和局地太阳辐射加热，只存在较低的云。在水汽图上也没有明显的水汽大值区。从20时开始，随着中低层系统的东移南压，省内西部开始有对流云团东移发展影响德兴地区，22时卫星云图是红外云图，云顶亮温大值中心约为-64℃，表明对流发展较为旺盛，由于低层暖平流和局地太阳加热，同时低涡前部有明显的正涡度平流，综合这些因素，在这片云区附近出现暴雨云团，造成德兴出现强降水天气。
6、雷达回波演变及速度场特征分析
2015年6月2日晚强对流天气过程是受高空低槽、低层低涡切变和地面冷空气共同影响造成的。经分析发现，此次过程回波发展旺盛时排列成带状的暴雨云群，具有多单体风暴回波特征，带状回波为其典型特征。
6月2日22时左右，位于赣东北的切变线上发展出线状对流回波，最强达45～50dbz。对流回波非常窄，在东移的过程中有所南压，同时其西部也生出此对流回波，并隐隐排列成行，对应着自东向西的低层切变线，形成带状强回波带。带状回波长约200-300km，呈东北--西南向，北段宽度大于南段约为40-50km，南段约为6-12km，回波中心最大强度为60dbz。同一时刻，该段上的回波生消合并，形成多个对流单体继续发展增强，缓慢东移。由于高空低槽超前于中低层切变线，槽线上的偏北气流与中低层强盛的西南暖湿急流形成强不稳定，当切变线移至赣北南部时，中层400hPa有干侵入，200hPa高空有分流区导致的强烈辐散，强盛的低空西南急流以及超低空西南急流在输送水汽的同时，在赣北南部交汇，强大的不稳定能量得到触发，产生强对流天气，由于水汽充足且深厚，带来持续的强降水。据中尺度站重要天气监测23～01时段，强中心所经之处，共有23站点出现雷雨大风，强回波00：00时江西德兴市达到最强，已形成典型的带状特征。由图5a可见，在带状回波的中心处出现反射率大于60dbz的强度色标，而这个强反射率值区对应径向速度西北方90-100KM处，出现中气旋、气旋性辐合场及逆风区。从3日02时NCEP再分析资料，925hPa切变线移至赣北南部，切变线以北的偏北气流与切变线以南的西南气流产生强烈辐合，同时假相当位温密集带也南压至赣北南部一带，表明梅雨锋以北有弱冷空气侵入。此次过程强降水带与边界层切变线位置高度一致，表明底层辐合线与弱冷空气对降水初生、强度增强起到了明显的触发作用。之后，从T639逐三小时850hPa温度露点差及相对湿度场上可以看到，由于低层（850hPa）水汽输送带的切断以及辐合上升区的东移，及地面中尺度辐合线的消失，整个过程宣告结束。
7、水汽、动力条件和地面总温度分析
水汽通量散度是反映大气中水汽聚集和消耗的物理量。这个物理量是急流输送来得水汽能否在暴雨区里凝结并转化为雨的关键。从2日22时水汽能量散度场分析，赣北出现水汽强辐合中心，水汽通量散度达到-16g？cm-1？hPa-1？s-1以上，3日05时强辐合中心进一步扩大，最大辐合中心主要出现在925hpa，与强降水落区基本一致。根据江西暴雨经验统计水汽通量散度达到15 g？cm-1？hPa-1？s-1就利于暴雨的产生。垂直速度大小反映水汽的凝结速率，2日22时垂直速度强中心位于赣北地区，沿117-1180E做垂直速度剖面在280～290N为大的上升运动区，上升速度中心位825hPa～500hpa达到-2.0pa/s，此时925hpa赣北位于低涡切变的东南方，并沿切变东移，低层辐合抬升动力开始加强，德兴北部雨强迅速增大，2日19时～3日07时850hpa低涡切变影响赣东北地区，德兴等地出现最强降水时段，德兴国家基本气象站为247.3毫米为最大（小时雨强74mm），07时后逐渐向东北方向移出。在暴雨发生前期，地面总温度则表现为一个持续增暖的过程，20时地面总温度达62℃，这种增湿增暖与风场水汽辐和合并，使得德兴出现强降水。
8、小结
通过背景环流演变特征分析、物理量场演变特征分析、中尺度对流云团演变特征分析、多普勒雷达中尺度对流回波演变特征分析，得出以下结论：
（1）暴雨发生在θse高能舌的前部、能量锋区的南缘靠近能量锋区处和低空急流左前方或最大风速中心前方三者叠加的区域。
（2）降水集中区主要位于水汽通量辐合区北侧，即西南气流下风方的弱辐合区或弱辐散区中，降水强中心区并没有与水汽通量辐合中心区重叠，这是此次大暴雨过程的一个重要特征。
（3）暴雨主要表现在低空湿度大，温度差异不大，即暴雨的低空具有高温高湿的特征，其水汽辐合最大值位于850 hPa 以下，因而低空急流向暴雨区不断输送热量、动量和水汽是暴雨的主要水汽来源。
（4）中尺度强降水中心与对流云团强上升区上风方有较好的对应关系，是此次大暴雨过程的一个非常明显的特征。
（5）500 hPa低槽东移，槽前产生的负变压大值区诱使底层低压系统发展，配合西南急流的迅速发展为水汽动力辐合抬升提供了有利条件。这是本次暴雨过程中最大的中尺度特征。
（6）最强降水时段发生在高空槽与切变和西南急流叠加区域，这些不稳定能量为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。
参考文献
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