一次低涡影响武汉短历时暴雨过程诊断分析

毛以伟 (武汉中心气象台，湖北武汉430074)

短历时暴雨是湖北省危害较大的气象灾害，是造成山洪和城市内涝的主要原因之一。据统计，武汉短历时暴雨年均3次，而武汉暴雨日数年均5次。短历时暴雨年次数虽较少，但由于其具有突发性强、雨强大、预报难、预防难、致灾重等显著特点，对人民生产生活造成很大影响。2007年5月31日凌晨，罕见暴雨袭击武汉，创下1956年有完整气象记录以来5月最高值，其中05:00小时雨量达94 mm;据武汉市水务局排查，当天该市中心城区20多处有明显积水，最深处积水达2 m。2013年7月6～7日，武汉市遭遇强降雨，中心城区普降大暴雨，其中7日06:00～08:00雨量为76.2 mm，受降雨渍水影响，49处路段交通受阻，暴雨还造成武汉10个地下车库里至少500辆汽车被淹受损。可见开展短历时强降水灾害性天气规律研究，对于防御其可能造成的灾害有着积极意义。

关于短历时暴雨，国内外专家均开展了具体研究［1－4］。Bruce等［1］对气候脆弱性和适应气候变化进行了专门研究，认为温哥华机场短历时强降水呈增加趋势。ZHANG等［3］对我国东部暖季极端小时降水的时空分布特征进行了研究，指出可能是因为白天地球表面太阳辐射加热作用，造成我国南方、北方、东北方以及云南小时降水大于本站第95百分位的极端降水事件的最大出现频率为午后和(或)傍晚;而高原上有组织的对流系统传播则是四川西部的高原夜间最大的原因。于翡等［5］对引发武汉严重洪涝的一次强降水中尺度系统特征进行了研究，认为中尺度的涡旋及其东侧的切变线是造成武汉地区局地强降水的直接影响系统。笔者在学习借鉴以上研究成果的基础上，针对武汉短历时暴雨，紧紧围绕短历时暴雨成因的主导系统配置和环境条件(水汽和不稳定条件)的酝酿、变化来研究。

1 资料及降雨实况

1.1 资料选取 采用武汉台站1998年7月20～23日的雨量自记逐时观测资料进行统计1 h和3 h累计雨量，通过NCEP 1.0°×1.0°分析资料进行处理或计算得到1998年7月20～23日中短历时暴雨过程的对流有效位能、风场、比湿、垂直速度等;选取武汉出现短历时暴雨时段附近的21日08:00、22日08:00与12 h内没有短历时暴雨发生的20日08:00的高空形势场进行对比分析;并配合MICAPS常规资料和要素场以及红外云图资料，研究短历时暴雨特征和成因，探讨了预报着眼点。

1.2 降雨实况 1998年7月20～22日鄂东大部出现暴雨、部分地区大暴雨。武汉3 d雨量分别为145.5、158.8、153.1 mm，21日20:00～22日20:00雨量为285.7 mm，居武汉历史第3 位。其中 21 日 05:00、06:00、11:00、22 日 10:00、11:00小时雨量均超过了30 mm，尤其是21日06:00小时雨量达91 mm(图1)，实为罕见。

2 高空形势分析

500 hPa高空图上，在高原东部四川盆地一带有低涡向东南方向(贵州)移动，贵州一带有明显的气旋性环流发展，同时在30°N附近有低值系统东传，鄂东武汉等地由一致的西风转为西偏南风。副高位于华南沿海，呈东西带状分布。21日08:00湖北西部、22日08:00湖北中部有短波活动，副高逐渐东撤。20日08:00，湖北东部为冷区，高原以东及四川盆地为显著的暖区。在短波槽东移的同时，也伴随着暖舌的东扩和槽中正涡度的东移。而湖北东部、南部至华南沿海为冷区，随着暖舌东扩和东部冷区的西伸，在湖北造成冷暖交汇，辐合加剧，到22日08:00，500 hPa湖北省被冷区逐渐包围，冷暖区的转换，也意味着一次强降水过程的减弱或结束。可见，此次短历时暴雨是高原短波槽和四川盆地低涡移出，并促使暖舌自西向东伸展与湖北东部上空冷空气辐合交汇过程中所发生的强降雨过程。

700 hPa高空形势与500 hPa高空形势相同的是20日08:00 700 hPa高原东部、四川盆地一带也有低涡活动。不同的是低涡的移动方向不一致。700 hPa低涡是沿东西向暖切变移出，是直接影响湖北大部地区(包括武汉)发生强降水的主要辐合条件。700 hPa温度场与500 hPa一样，在湖北中东部有一次西部暖舌东伸与东部冷空气交汇并最终导致湖北东部为冷空气控制的过程。21日08:00，在500 hPa温度场上可清晰看到暖舌向湖北东南部至江西北部伸展，武汉位于东伸暖舌的左边的冷暖交界处暖区一侧，700 hPa暖舌位于武汉北侧，武汉同样位于冷暖交界处暖区。而22日08:00，500 hPa的暖舌越过武汉，在武汉以北向安徽中部至南京一带伸展，东部冷区向鄂东伸展，武汉位于冷舌舌部，700 hPa暖舌则明显回缩，武汉为冷区控制。之后，湖北中东部的降水也明显减弱。

以上分析可见，500、700 hPa有明显的冷暖气流交汇，西部高温高湿，东部相对干冷，武汉正好位于四川向鄂东南伸展的暖脊的暖区左侧。受低涡气旋性环流影响，其外围的干冷空气不断向低涡环流中的暖湿气流浸入，造成冷暖交汇，其后可明显见到暖舌由武汉南边北抬至武汉北边(由四川盆地经湖北西部向安徽中部伸展)，武汉位于暖舌右侧，实现了一次由暖区向冷区的转换。

3 低涡影响分析

3.1 700 hPa低涡分析 由图2可见，高原东部至四川盆地有低涡向东移出。20日08:00低涡中心位于四川西部康定附近，中心值为303 dagpm，低涡外围东部边缘在重庆万县附近，湖北省大部(除恩施外)为高脊控制;21日08:00，由于低涡向南向东移动，低涡中心位于四川西昌附近，中心值为305 dagpm，低涡外围东部边缘在安徽西部寿县附近，东南边缘正好抵达武汉附近，原本控制湖北的高脊被低涡填充，武汉位势高度下降了0.46 dagpm;此后，低涡继续东移，且移动幅度很大。至22日08:00，低涡中心分裂为2个，一个位于四川东部资阳附近(306 dagpm)，另一个位于其东边的湖北恩施地区(307 dagpm)，低涡东部边缘南压至安徽霍山附近，东南部边缘则压过武汉达通山、通城附近，至此低涡基本控制湖北全省。随后，低涡继续东移，23日08:00，其中一个低涡中心位于安徽宣城附近，另一个中心则在鄂西南发展加强(306 dagpm)，此低涡中心边缘位于监利、天门一线，离武汉较近。

3.2 比湿分析

3.2.1 925 hPa涡度和比湿。由图3 可见，20 日08:00，四川盆地至湖北南部有一条长的湿舌存在，湿舌位于武汉的南边;21日08:00，随着低涡东移，暖切变在湖北中部一线自西向东穿过，湿舌也自西向东穿过湖北中部一线，武汉正好位于湿舌的前部，22日08:00湿舌依然存在;23日08:00，整个华中区域比湿均较大，东西伸展的湿舌基本不见踪影。从比湿的大小来看，随着高原东部低涡的发展、向东移出，湖北省水汽含量有一个明显增加的过程，由20日08:00的10 g/kg显著增加至21日08:00的12～14 g/kg，此后2 d较稳定，虽然降雨量较大，但空气中水汽含量不减少，水汽供应丰富。20日08:00～21日08:00还可以清晰看到与低涡发展移动、分裂相对应的正涡度中心的移动，并影响武汉。20日08:00，与低涡中心对应的正涡度中心位于高原东部四川西部，湖北中西部已经有正涡度存在，武汉及其东北部为负涡度区，鄂东南为正涡度;21日08:00，四川盆地正涡度中心向南发展，湖北中部正涡度中心与向东北发展并与原来位于鄂东南的正涡度中心打通，武汉处于2个正涡度中心之间，并靠近湖北中部正涡度中心;22日08:00，原湖北中部正涡度中心分裂为一北一南2个中心，北部正涡度中心向东北部发展，武汉位于其东南部;23日08:00，湖北中部正涡度中心得到进一步加强并向南发展，高原东部经四川向贵州、湖南的水汽输送进一步加强，武汉处于正涡度中心的东北部，随着低涡的进一步南压，武汉的降水也显著减弱。

3.2.2 比湿剖面。从武汉上空比湿的时间变化剖面图(图4)可以看到，20日08:00～23日08:00武汉上空比湿较大，且稳定维持，特别是21日08:00，受低涡环流东部的西南急流影响，处于西南急流左前方与东南气流交汇处的武汉上空比湿突然显著增大，500 hPa比湿接近8 g/kg，这与其21日06:00突然降雨91 mm相对应。可见处于气旋环流中的暖切变对于水汽的辐合加强有着重要作用。23日08:00，高层比湿有所下降，近地层则下降非常明显，由原来的16 g/kg下降至12 g/kg左右，预示着降雨的明显减弱，表明降雨量的减弱与低层和高层水汽的输送明显减弱有很大的关系。

以上分析可见，四川盆地至湖北东部有湿舌生成且稳定维持，武汉位于湿舌的东端。过程发生前和发生中，925 hPa湿舌的根部(高原东部至四川盆地东部)比湿均达21 g/kg以上，只是发生前，湿舌向湖北东部伸展的16～18 g/kg区域还没有连成整体，呈块状分布。过程发生中湿舌向湖北东部伸展的中心部分稳定维持在16～18 g/kg。过程减弱趋于结束时，湿舌强度明显减弱西撤南压至贵州湖南北部一线，其根部(高原东部及至四川盆地东部)中心比湿下降至16～18 g/kg，而武汉已经远离湿舌中心区，比湿下降至12 g/kg左右。比湿剖面图分析显示，短历时暴雨发生时，武汉上空比湿会突然增加，低层达16～18 g/kg，500 hPa可达6～8 g/kg或更高;低涡消失或南压，925和500 hPa比湿显著降低，经过武汉的湿舌强度明显减弱，预示着短历时暴雨的结束。

3.3 卫星云图特征分析 21日05:00，在武汉与黄石间有一水平尺度100 km左右的中β尺度对流云团随涡旋气流向武汉移动，将影响武汉，06:00该云团向西移出武汉，07:00南昌至武汉间又一新生的水平尺度在250 km左右的中β尺度对流云团已经影响武汉(06:00～07:00雨量91 mm)，08:00该云团又西移离开武汉(08:00～09:00雨量5 mm)，在中尺度涡旋气流的西北与西南风交汇处(中尺度涡旋的东南部的贵州湖南交界处)、西南与东东南风交汇处(湖北中东部，武汉以西、以南)存在2个显著的中尺度云团(图5a)，影响江汉平原及鄂东南，水平尺度在400 km左右。09:00，黄石至武汉又有一新生的成长条状的水平尺度在150 km左右的中β尺度对流云团，并影响武汉(09:00～10:00雨量15 mm)，此云团到13:00才完全离开武汉(武汉11:00、12:00 2 h雨量达59 mm)。22日08:00，在低涡环流的东南部、河南与湖北交界处的东风急流处各有一水平尺度在1 000 km左右的中α尺度的对流云团(图5b)。西南急流中的中尺度对流云团分裂出水平尺度在100 km左右的中β尺度对流云团影响到咸宁和黄石一线，09:00该中β尺度对流云团在武汉南部西移至宜昌南部;10:00，又有一水平尺度在50 km左右的对流云团在南昌与黄石之间生成，缓慢西北移动，到12:00左右才结束(09:00～12:00武汉累计雨量93 mm);13:00，江汉平原南部至鄂东南一线(中心在武汉、江夏、黄石一带)又有一水平尺度达500 km左右的中β尺度对流云团生成，14:00该云团加强，并影响到宜昌大部(12:00～14:00武汉累计雨量49 mm)，此后该对流云团明显减弱。可见，在中尺度涡旋的西南急流和东风急流中，往往有几十公里至几百公里的中β尺度对流云团生成，尤其是西南急流左前方区域，受低涡中强的上升气流影响，加之急流中携带的丰富水汽，容易造成短历时强降水发生。

3.4 对流有效位能分析 分析此次过程对流有效位能的变化情况(图6)可以发现，在湖北中北部与河南南部、安徽中东部一带一直存在着一个高值中心，中心位于安徽东部，高值中心值20～22日维持在3 000 J/kg，这一高值中心(中心值2 700 J/kg以上)在500 hPa正好对应着高空槽后强劲的西北气流与副热带高压外围偏西气流交汇区域(30°～33°N)，在低层则对应着暖切变东部(西南气流与东南气流交汇处)。23日中心西移至安徽与河南南部交界处，中心值下降至1 800 J/kg。另外在重庆附近一直有一个次高值中心，中心值为1 200～1 500 J/kg，20～22日位置相对固定，23日则明显南落。武汉站的对流有效位能自20日08:00的1 800 J/kg逐日递减至22日08:00的900 J/kg，23日08:00维持在900 J/kg左右。表明对流有效位能在强降雨期间是一个被消耗掉的过程，低涡的东移伴随着动力抬升和水汽辐合，同时也消耗掉了大量的对流有效位能。

4 小结与讨论

(1)1998年7月20～22日武汉的短历时暴雨过程中，700 hPa四川盆地低涡(850、925 hPa也有)分裂出的小低涡中心沿湖北中部一线向东移出，造成湖北中部暖切变加强，辐合加强，小低涡携带的正涡度沿暖切变东移，造成处于西南气流与东南气流交汇处的武汉上空气流辐合突然加强，并与武汉当地高对流有效位能气团相遇，武汉上空气流辐合上升进一步加剧，同时高空500 hPa短波槽东移并配合明显的西部暖湿气流与东部干冷气流在武汉上空交汇，并沿干冷气流爬升，进一步造成中上层不稳定加强，上升运动加剧，加之西南气流携带的丰富水汽，从而造成武汉短历时暴雨发生。

(2)卫星云图分析显示，在中尺度涡旋的西南急流和东风急流中，往往有几十公里至几百公里的中β尺度对流云团生成，尤其是西南急流左前方区域，受低涡切变中强的上升气流影响，加之急流中携带的丰富水汽，造成中尺度对流云团的一次发展都明显对应着一次短历时强降水发生。

(3)这次过程的主要水汽来源于西南急流输送，强辐合作用主要在于低涡及其向东伸展的暖切变;主要动力作用在于中低层冷暖空气交汇的抬升触发作用和鄂东高对流有效位能的释放。

(4)诊断分析显示，短历时暴雨发生过程中明显伴随着一次500、700 hPa武汉上空的冷暖转换、比湿和CAPE值的明显增长和减弱。

［1］BRUCE J，BURTON I，MARTIN H，et al.Water sector:Vulnerability and adaptation to climate change final report［R］.Global Change Strategies International Inc.and Atmospheric Environment Service，Environment Canada，2000.

［2］KANAE S，OKI T，KASHINDA A.Changes in hourly heavy precipitation at Tokyo from 1890 to 1999［J］.J Meteor Soc Japan，2004，82:241 －247.

［3］ZHANG H，ZHAI P M.Temporal and spatial characteristics of extreme hourly precipitation over Eastern China in the warm season［J］.Advances in atmospheric sciences，2011，28(5):1177 －1183.

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