湖北一次大暴雨过程中两个时段强降水资料的对比分析

徐 明， 高 琦， 赖安伟， 许建玉

(1.武汉暴雨研究所，湖北武汉 430074；2.武汉中心气象台，湖北武汉 430074)



湖北一次大暴雨过程中两个时段强降水资料的对比分析

徐 明1， 高 琦2， 赖安伟1， 许建玉1

(1.武汉暴雨研究所，湖北武汉 430074；2.武汉中心气象台，湖北武汉 430074)

利用NCEP/NCAR再分析资料、地面加密自动站资料以及FY-2CTBB资料与多普勒雷达回波资料等，对2008年8月28～30日湖北盛夏一次大暴雨过程中的2个强降水时段进行了对比分析。结果表明，此次大暴雨过程主要发生在夜间至清晨，有2个降水明显增强的时段，第2阶段的平均降水强度和极值降水强度更大；第1时段强降水是由暖切变与中低层暖湿气流影响造成，第2时段强降水主要是由东北冷气流和深厚的西南暖湿气流交汇，在中低层形成冷切，且伴随着副高北抬加强，制约切变线停滞少动，不断触发着对流的产生，形成强降水；强降水时段内中尺度环境场特征有利于降水的发生，但第2时段各物理量比第1时段强，因此造成的降水强度更大；雨团与云团的活动规律基本一致，中尺度对流复合体与此次暴雨过程关系密切；镶嵌在回波带中的对流回波单体与强降水的落区有较好的对应关系，且夜晚至凌晨时段是对流单体发展的活跃期，往往能发展至最旺盛阶段且有明显的“列车效应”；但第2时段中尺度对流系统相对第1时段组织结构更有序、生命史也更长。

暴雨；强降水时段；强降水资料；对比分析

气象观测为天气预报、气候分析和科学研究提供重要的观测事实。随着气象观测的发展，越来越密集的自动站观测网以及卫星、雷达等为天气预报和分析提供了有力的支撑，同时也为利用观测资料研究和提高暴雨预报水平提供了条件。利用观测数据，国内学者开展了暴雨的结构特征及中尺度结构特征研究[1-9]，而在对比研究具有相似特征的暴雨过程方面也进行了诸多有益的尝试[10-13]，如胡伯威等利用观测资料对1998年7月21～22日鄂东沿江连日特大暴雨进行了细致分析，认为这次暴雨过程是由两场特大暴雨组成，两者起讫时间很相似，且均发生在相似的狭窄地段，并揭示了一种晚梅雨期特有的能把沿江东移的暴雨系统阻滞在鄂东形成连续和重复大暴雨的环流形势[10]；韩珏靖等对发生在江苏盛夏2次局地特大暴雨过程进行了比较分析，结果表明大尺度鞍型场背景下副高和大陆高压同时增强使得降水系统更集中，而副高相对较弱时，配合低层深厚的中尺度触发系统，会使得局地降水强度更有暴发力[13]。赵玮等利用北京地区高时空分辨率的地面自动站资料、雷达、卫星、风廓线及NCEP再分析资料对2006年接连发生在北京的两场暴雨做了观测对比分析[14]。上述对于暴雨过程观测资料的对比分析，大多偏重于同一区域但时间相隔较长的2次相对独立过程，而对发生在同一暴雨过程中的2次强降水过程的对比分析较少。为此，笔者利用地面自动气象站及加密站观测资料、探空、卫星云图和雷达资料等对2008年8月28～30日发生在湖北的一次大暴雨过程中的2个强降水时段进行对比分析，以期加深对此类暴雨的了解和拓宽对此类暴雨的预报思路。

1 暴雨过程对比分析

2008年8月28日20：00～30日20：00，除鄂东南外，湖北大部地区出现了大到暴雨、部分地区大暴雨、局部地区特大暴雨。分析自动站逐日降水量资料发现，雨带自南向北、自西向东先后影响湖北，且降水过程具有来势猛、范围广、持续时间长等特点。全省62县市过程雨量>50 mm，其中30个县市降水量达100～200 mm，7县市降水量>200 mm。根据湖北省雨涝灾害的评定标准[15]，此次暴雨过程造成了孝昌、云梦、安陆、京山等地严重洪涝。28日20：00～29日20：00(图1a)，雨带呈准东西向，暴雨区主要位于江汉平原的北部，中心位于应城、孝感等地，日降水量达180 mm以上；29日20：00～30日20：00(图1b)，雨带呈西南—东北向，暴雨区面积有所扩大，从江汉平原南部一直到北部的狭长强降水带中有强度超过60 mm以上的降水，其中暴雨中心较前日略向北发展，主要位于孝感、安陆、云梦、孝昌等地，日降水量达200 mm以上。

对比强降水中心的安陆、云梦、应城、孝昌、孝感5站28日20：00～29日20：00及29日20：00～30日20：00逐时雨量变化可知(图2)，2次过程白天的降水强度均不是很大，只是在第2天的早晨有短时强降水发生。持续性的强降水过程主要发生在夜晚至清晨，存在2个降水明显增强的时段，第1个强降水时段主要集中在28日20：00～29日07：00(图2a)，最大降水量为孝昌站的115 mm，平均降水量为95 mm，小时最大雨强出现在应城(28日21：00)，1 h降水量35.3 mm；第2个强降水时段主要集中在29日23：00～30日06：00 (图2b)，最大降水量也出现在孝昌站，达160 mm，平均降水量为110 mm，小时最大雨强出现在云梦(30日00：00)，1 h降水量45.8 mm。由于持续性的强降水过程主要发生在夜晚，降水峰值也主要出现在午夜和凌晨，白天则是降水相对减弱的时期，因此此次过程呈现出较为明显的日变化特征，且第2阶段的平均降水强度和极值降水强度均更大。

图1 2008年8月28日20：00～29日20：00(a)和29日20：00～30日20：00(b)24 h累计降雨量分布(单位: mm)

图2 2008年8月28日20：00～29日20：00(a)和29日20：00～30日20：00(b)安陆、云梦、应城、孝昌、孝感站逐时雨量变化

2 大尺度环境场特征对比分析

28日20：00 500 hPa高度场上，亚洲高纬地区表现为两槽一脊环流形势，从蒙古国西部到新疆西北部以及我国东北地区为深厚的低压槽，贝加尔湖以南蒙古国地区为高压脊；中低纬地区为平直的西风带气流，其上有短波槽活动；西太平洋副高位置偏南，脊线呈西南—东北向，位于23°N附近，西脊点在120°E附近，584 dagpm线位于湖北东部。700 hPa高度场及850 hPa风场上(图3a)，川东低涡发展并向东延伸，在湖北上空形成一支暖式切变线；在切变线的南侧，副高外围西南暖湿气流发展旺盛，并不断向切变线地区输送水汽。第1时段的强降水主要是由暖切变与中低层暖湿气流造成的。

29日20：00 500 hPa高度场上，高纬地区的蒙古国西部低槽在东移过程中不断加深，中低纬地区仍有短波槽活动，副热带高压增强并逐渐向西向北推进，西伸脊点位于110°E附近，对应584 dagpm线位于湖北西部，呈东北—西南分布；该时刻地面图上，冷高压主体位于青海甘肃地区，冷锋前沿已达湖北省西北部；850 hPa风场上(图3b)，切变线始终维持在湖北上空，切变线北侧为东北—西南向的干冷空气，南侧为副高外围西南暖湿气流，第2时段的强降水主要是在低层冷空气和深厚西南暖湿气流交汇的过程中产生的，副高北抬加强，制约中低层切变线停滞少动，冷空气的楔入，触发了对流的产生，形成强降水。

综上所述，2次强降水过程均是由于500 hPa低槽不断东移加深，促使暴雨区附近边界层中尺度低涡和切变发展，配合副高外围有比较强盛的西南暖湿气流和地面气流汇合等因素共同作用形成。但第1时段强降水是由暖切变与中低层暖湿气流影响造成，第2时段强降水主要是由东北冷气流和深厚的西南暖湿气流交汇，在中低层形成冷切，且伴随着副高北抬加强，制约切变线停滞少动，不断触发着对流的产生。

注：等值线表示700 hPa高度场，单位为gpm;箭头表示850 hPa风场，单位m/s；黑色粗线表示切变线。D为低涡。图3 2008年8月28日20：00(a)和29日20：00(b)700 hPa高度场、850 hPa 风场

3 中尺度环境场特征对比分析

3.1 中尺度地面环境场28日20：00(图4a)，地面风场上在江汉平原的北部有一辐合区(图中椭圆虚框内)，辐合区东侧有一相当位温θe锋面，暴雨区(图中三角所示)位于辐合区东侧偏东气流和冷锋南侧；29日20：00(图4b)，地面风场上江汉平原上是一条东北—西南向的切变线(图中虚线所示)，暴雨区位于切变线西北侧偏北气流中，由于前期的强降水和地面蒸发作用，锋面两侧的温差进一步加大，暴雨区湿度几乎为饱和状态，θe锋面较28日20：00明显增强，且向南扩展。

图4 2008年8月28日20：00(a)和29日20：00(b)地面风矢量和相当位温

3.2 中尺度高空环境场此次大暴雨过程主要发生在湖北的中东部地区，因此在此采用离强降水区较近的武汉探空站的资料比较2个强降水时段高空环境场物理量的差异。对比发现(表1)，强降水第2时段(29日20：00)各物理量均更有利于强降水的发生。对流有效位能(CAPE)在第1时段为938 J/kg，而第2时段则达2 110 J/kg，有利于强对流发展的能量条件第2时段较第1时段明显大；大气整层可降水量(Pw)第1时段与第2时段分别为56和71 mm，即第2时段比第1时段更具备强降水发生的湿度条件。强降水与温度露点差有一定的相关性，降水强度越大，温度露点差越小。第1时段和第2时段700 hPa的温度露点差分别为6和0 ℃，即第2时段空气中水汽更为饱和，有利于更强降水产生。地面抬升指数(LI)在2个时段均为负值，有利于对流的发展；K指数在第1时段为31 ℃，第2时段则达40 ℃，显然，第2时段层结不稳定能量更强。

综上所述，2次强降水时段内，中尺度环境场特征均有利于对流的发展和强降水过程的发生。第2时段内各物理量比第1时段强，因此造成的降水强度更大。

表1 2008年8月强降水2个时段武汉探空站各物理量

4 卫星云图特征对比分析

从用FY-2CTBB资料反演的上述2个强降水时段每隔3 h的云顶亮温及对应时刻下一时次的1 h降水量可知，2个强降水时段江汉平原到鄂东一带一直有中尺度对流复合体从上游东移或在原地生成，对应下一时次的雨团位置基本位于云顶亮温的中心区。强降水第1时段，云团主要从西北向东南方向移动。28日20：00(图5a)，湖北东部到河南分布着一个面积达几百公里的中α尺度对流复合体(MCC1)，强度(云顶亮温)在-32～-52 ℃，在冷云团内部孝感上空恰好有一个中γ尺度对流复合体A(MCS1)，强度在-52～-72 ℃，对应下一时次(28日21：00)的雨团主要位于这个MCS1附近，降水中心强度达27 mm/h；28日23：00(图5b)，MCC1向东南方向移动时，从其尾部新生出了中β尺度对流复合体B(MCS2，位于孝感上空)与C(MCS3)，强度在-32～-52 ℃，对应下一时次强降水主要发生在MCS2与MCS3附近，中心强度为12 mm/h；29日02：00(图5c)，MCC1继续东移南下的同时从其尾部新生成了多个尺度各异的中尺度对流复合体，但强度均位于-32～-52 ℃，对应下一时次的强降水主要位于这些对流复合体附近，雨区范围明显扩大，中心强度达18 mm/h；29日05：00(图5d)，尺度各异的对流复合体随着MCC1东移南下的同时，或消失、或合并，对应下一时次雨团向南发展，中心强度维持在18 mm/h。强降水第2时段开始后，云团呈现出从西南向东北移动的规律。29日23：00(图5e)，从江汉平原到鄂东分布着一条狭长的带状云系，在这个中α尺度对流冷云系(MCC2)内部并列分布着多个中β尺度对流复合体(MCSs)，而强度强于冷云系本身，中心云顶亮温为-52～-72 ℃，对应下一时次强降水位于中β尺度对流复合体D(MCS4)与E(MCS5)北边的孝感及其北部地区，中心强度达30 mm/h；30日02：00(图5f)，MCC2冷对流云系继续停留在鄂东部，其内部多个MCSs已发展合并成尺度较大的中β尺度对流复合体F(MCS6)，其强度增强为-72 ℃以下，对应下一时次强降水沿着MCS6的西北侧呈现出西南—东北向分布，雨区范围明显扩大，中心位于孝感附近，强度维持在30 mm/h以上；30日05：00(图5g)，MCC2东移，范围有所扩大，其内部的MCS6逐渐远离孝感向湖北东北方向发展，对应下一时次雨区范围明显减小，降水强度减弱至12 mm/h；30日08：00(图5h)，MCC2冷对流云系发生断裂，一部分沿着鄂东北方向东移出省，另一部分从湘北向东进入赣北部，残留的云系造成下一时次孝感北部的降水，但降水已迅速减弱至6 mm/h；之后，无明显对流云团影响湖北。

综上分析可知，2个强降水时段雨团主要出现在孝感附近，其增幅均出现在晚上到次日凌晨时段，对应的云团活动也表现出类似规律。这表明对流云团活动具有明显的日变化，湖北夏季夜晚对流云团往往从上游向东移入或在当地新生发展，其强度有明显增幅，而白天对流云团活动则迅速减弱。中尺度对流复合体与此次暴雨过程关系密切，孝感附近的强降水多是由尺度不一的中尺度对流复合体造成。第2强降水时段云团活动比第1强降水时段剧烈，对流活动组织更严密、有序，造成的降水也更明显。

5 多普勒雷达回波特征对比分析

多普勒雷达观测到的雷达回波特征能比较清楚地揭示出云下是否有对流系统的活动。降水的反射率因子回波大致可分为积云降水回波、层状云降水回波、积云层状云混合降水回波3种类型[16]。积状云降水通常具有比较密实的结构，反射率因子空间梯度较大，其强度中心的反射率因子通常在35 dBz以上，而层状云降水回波比较均匀，反射率因子空间梯度较小，反射率因子一般大于15 dBz，而小于35 dBz。通常在雷雨天气中，积云和层状云的混合降水回波较为常见。利用武汉、宜昌、恩施和十堰四部雷达多普勒雷达拼图资料对中尺度对流系统在雷达回波上的特征分析发现，此次大暴雨过程为积云层状云混合降水回波引起的。

强降水第1时段的前期，雷达回波图上呈现出一个类似“人”字形的降水回波带，自西北向东南运动。降水回波带中镶嵌着多个形态各异、尺度不同的中尺度对流单体，单体的运动方向与回波带走向不同，呈现出自南向北运动，而它们对强降水的贡献也表现出明显的差异。28日21：00孝感地区的应城市经历了第1时段最强的降水过程，1 h雨强达35.3 mm；从雷达回波图上(图6a)分析可知，该时次的强降水主要是由镶嵌在回波带上的一个β中尺度对流单体造成的(图中椭圆方框内)。该β中尺度对流单体呈准东西向，最强回波中心达45 dBz，由南向北逐渐影响孝感，强降水发生时，其主体正好位于孝感。此后，孝感地区的降水继续受该β中尺度对流单体影响，直到29日00：00(图6b)β中尺度对流单体在向北运动的过程中逐渐减弱消失，期间降水明显减弱，降水中心在10 mm/h以下。从29日02：00(图6c)开始，“人”字形回波逐渐演变为准东西走向的带状回波，回波带上镶嵌着多个对流单体，由于回波的移动方向和回波的走向一致，形成“列车效应”，多个对流单体不断地经过孝感地区(图中椭圆方框内)，造成了孝感地区这一时段内的强降水，虽降水极值较前期小，但也出现了25 mm/h 的强降水中心。在29日02：00～05：00除安陆外(30 mm)，孝感地区降水强度均维持在50 mm以上，接近占第1阶段内总降水量的6成，这个时段也是孝感地区第1时段内的降水最高峰。

强降水第2时段，在雷达回波图上有一条东北—西南向降水回波带，回波带中的对流单体运动方向与回波带走向一致，表现出自西南向东北方向移动。整个回波带中的对流单体在一段时间(30日00：00～04：00)内呈现出明显的“列车效应”，不断向孝感地区活动发展。回波的组织结构特征表现为尺度较小的强对流回波单体嵌套于尺度大的回波带中。强降水的分布起初比较零散，只是在回波反射率较高(>30 dBz)的地方有几个强降水中心，随后逐渐发展成为一条东南—西北向的强降水带，最后又减弱为几个零散的强降水中心。降水过程中，强降水中心与强回波中心有较好的对应关系。从图1b及图6d可知，30日00：00之前，回波带主体位于孝感的西南侧，孝感有一些强度较弱的对流单体在发展，对应的1 h降水强度大多在10 mm以下。从30日00：00开始(图6e)，在孝感的西南侧不断有对流单体移入、汇聚，呈现出明显的“列车效应”特征，形成了比较密实的降水回波，且对流回波带南北范围相对增大，对流单体位于回波带的前沿，回波梯度较大，回波带逐渐移近孝感的过程中强降水主要沿着回波带前沿，回波梯度较大的地方分布。在30日00：00～04：00除孝感外(40 mm)，孝感地区降水强度均在80 mm以上，接近占第2阶段内总降水量的8成，其中云梦在30日00：00出现了45 mm以上的极值降水，这个时段是孝感地区第2时段内的降水最高峰。从05：00开始(图6f)，回波带又变得相对分散，对流回波带主体逐渐远离孝感向东北方向移动，孝感附近的对流单体趋于消失，导致孝感地区的降水也逐渐减弱，1 h降水维持在5～15 mm。

注：a.28日20:00；b.28日23:00；c.29日02：00；d.29日05:00；e.29日23:00；f.30日02:00；g.30日05:00；h.30日08:00。图中▲代表孝感所在地。图5 2008年8月28～30日FY-2C TBB (阴影，℃)及下一时次1 h降水量(实线，mm)

综上所述，2个强降水时段雷达回波图呈现出的中尺度对流单体的活动规律表现出许多相似的特点，即尺度较小的对流回波单体镶嵌在尺度较大的回波带中，强降水的落区与对流单体有很好的对应关系；夜晚至次日凌晨时段是中尺度对流单体发展的相对活跃期，且往往能发展到最旺盛阶段；对流单体的活动在29日02：00～05：00以及30日00：00～04：00均有明显的“列车效应”，对应着各个时段内降水的最高峰。基于以上的这些共同点，孝感地区分别在2 d的夜间时段经历了2次强降水过程。同时这2个强降水时段中的对流单体在其他方面又有明显的不同，从水平分布上，第1时段的降水回波带由“人”字形逐渐发展为带状回波，第2时段始终是一条东北—西南向的降水回波带；从组织结构上，第1时段的回波带的对流单体主要位于回波带中心，反射率因子空间梯度不大，而第2时段的降水，对流回波位于回波带的前沿，反射率因子的空间梯度较大，因此第2时段降水也明显比第1时段降水强；从影响孝感地区的对流单体生命史上，强降水第1时段影响孝感地区的是一个准东西向的中尺度对流单体，其维持时间大约为4 h(28日20：00～23：00)，强降水第2时段影响孝感地区的是一个东北—西南向的中尺度对流单体，其维持时间大约为7 h(29日23：00～30日05：00)。通过进一步分析发现，第2时段雷达径向速度场上出现了牛眼，且维持了7 h，表明始终有一条中尺度低空急流稳定存在，因此第2时段中尺度系统的生命史才能维持的更久。正是由于这些不同，孝感地区在2 d的夜间时段经历了2次强度有明显差异的降水过程，同时第2时段明显比第1时段降水强度更大。

注：a.28日21:00；b.29日00:00；c.29日02:00；d.29日22:00；e.30日00:00；f.30日07:00。图中▲代表孝感所在地。图6 2008年8月28～30日多普勒雷达拼图及对应时刻前1 h降水量

6 结论和讨论

(1)2008年8月28～30日发生在湖北的一次大暴雨过程雨带自南向北、自西向东先后影响湖北。持续性的强降水过程主要发生在夜晚至次日清晨，存在2个降水明显增强的时段，第1个强降水时段主要集中在28日20：00～29日07：00，第2个强降水时段主要集中在29日23：00～30日06：00，降水极值分别出现在28日21：00和30日00：00，白天则是降水相对减弱的时期，因此此次过程呈现出较为明显的日变化特征，且第2阶段的平均降水强度和极值降水强度均更大。

(2)2个强降水时段各自的环境场特征表明，2次强降水过程均是由于500 hPa低槽不断东移加深，促使暴雨区附近边界层中尺度低涡和切变发展，配合副高外围有比较强盛的西南暖湿气流和地面气流汇合等因素共同作用形成的。第1时段强降水是由暖切变与中低层暖湿气流影响造成，第2时段强降水主要是由东北冷气流和深厚的西南暖湿气流交汇在中低层形成冷切，且伴随着副高北抬加强，制约切变线停滞少动，不断触发着对流的产生。

(3)分析2个强降水时段内中尺度环境场特征以及能量条件、温湿参数、层结不稳定等物理量条件，发现均有利于强降水的发生。但强降水第2时段各参数明显比第1时段强，因此造成的降水强度也更大。

(4)分析逐小时的降水与云图特征发现，2个强降水时段中，雨团主要出现在孝感附近，其增幅均出现在晚上到次日凌晨时段，对应的云团活动也表现出类似的规律。同时中尺度对流云团与此次暴雨过程关系密切，孝感附近的强降水多是由尺度不一的中尺度云团造成。后一强降水时段，云团活动明显比前一强降水时段剧烈，对流活动组织更严密、有序，造成的降水也更加明显。

(5)此次大暴雨过程的2个强降水时段内，雷达回波图上呈现出的中尺度对流单体的活动规律表现出许多相似的特点，基于这些共同点，孝感地区分别在2 d夜间的相似时段内经历了2次强降水过程；但在其他许多方面，对流单体的活动规律又表现出明显的差异，受这些差异的影响，孝感地区在2 d的夜间时段经历了2次强度有明显差异的降水过程，同时第2时段明显比第1时段降水强度更大。

(6)笔者在利用实况资料对盛夏湖北一次大暴雨过程中2个强降水时段的特征进行了比较研究后仍有不少困惑，中尺度系统在靠近孝感地区后，总能引起强降水发生，是否存在特殊的地形作用，这有待数值模拟和地形敏感性试验来揭示。

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The Comparative Analysis of Strong Precipitation Data in the Two Heavy Rainfall Times during a Torrential Rain Process in Hubei Province

XU Ming1, GAO Qi2, LAI An-wei1et al

(1.Wuhan Institute of Heavy Rain, Wuhan, Hubei 430074; 2. Wuhan Central Meteorological Observatory, Wuhan, Hubei 430074)

Using NCEP/NCAR daily reanalysis data, available intensive observations data, FY2C TBB and Doppler radar echo data, the comparative analysis about the two heavy rainfall times during a torrential rain process in Hubei Province from August 28 to 30 in 2008 was conducted The results show that the rainstorm occurred mainly during the night and early in the morning. There were two significantly precipitation enhancement time during the torrential rain process, the second stage had more obvious average intensity of precipitation and extreme precipitation intensity. The vortex shear and the low layer of warm air were affected by the first one, the Northeast air flow and the deep southwest warm wet air were current intersection, IT caused the formation of cold shear in the lower. The accompanied by the northward movement of subtropical high strengthening restricted the shear line stagnant affected the second one. The characteristics of environmental field scales were advantageous to the precipitation. The hourly rainfall and cloud characteristics of the two stage indicated that, they have the same movable regulation, the enhancement stage appeared in the night and early morning. It had a good relationship in the drop zone and precipitation convective echo in echo monomer. The night to early morning hours was the convective cells developing active period. They often can develop to the exuberant stage and has the obvious effect of "train". The second period of mesoscale convective system relative to the first period of organizational structure was more orderly, longer life history.

Torrential rain; Heavy rainfall times; Strong precipitation data; Comparative analysis

国家自然科学基金(40930951，41075038，40975025，4110507 3)；公益行业专项(GYHY201106003)。

徐明(1983- )，男，江苏仪征人，工程师，硕士，从事暴雨机理研究。

2014-11-29

S 161.6

A

0517-6611(2015)02-200-06