2021年5月宿迁市一次暖区强降水过程的诊断分析

刘玲 徐昝敏 殷华 仲杰 邵月红

摘要 2021年5月14—15日宿迁地区强降水过程具有短时雨强大、强降水持续时间短的特点。本文利用自动观测站逐时常规地面资料、MICAPS高空资料、NECP FNL 1°×1°逐6小时的全球再分析资料、雷达回波、卫星云图资料，从水汽、动力、热力不稳定以及雷达卫星等方面对此次降水过程进行了诊断分析。结果表明：影响宿迁地区的弓形回波自西南向东北推进，强度高达57 dBZ，加上雨滴的拖曳作用产生的下击暴流，给该地区带来大风和强降水天气;宿迁地区处于切边线南侧西南暖湿流场中，随着高空冷涡甩下的冷空气侵入，冷暖气流交汇，产生暖切变型短时强降水;低层辐合、高层辐散的形势，加上底层高能高湿的配置，有利于不稳定能量的释放，导致强降水的发生。

关键词 暖区强降水;物理诊断;雷达回波;高能高湿

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）08–0019–05

Diagnostic Analysis of Warm-sector Heavy Preci-pitation over the Suqian Area in May 2021

LIU Ling et al（Siyang Meteorological Bureau， Suqian， Jiangsu 223800）

Abstract From May 14 to 15 in 2021， the heavy precipitation process had remar-kable characteristics such as short sharp precipitation intensity and short duration intense precipitation in Suqian area. Applying with meteorological observation data from conventional weather stations and intensive automatic weather stations， NCEP FNL reanalysis data （resolution： 1°×1°）， Radar data， Satellite cloud image data， a diagnostic analysis about the heavy precipitation had been carried out from various aspects including the water vapor， dynamic and thermal instability， radar and satellite. This results research of diagnostic analysis turned out that Bow echo advancing from southwest to Northeast in Suqian area had an intensity as high as 57 dBZ. This Bow echo process alonging with downburst due to the drag of raindrops brought strong winds and heavy precipitation to the area. The Suqian area in the process was located on the south side of the tangent line of southwesterly warm and wet flow field. With the invasion of the cold air thrown by the high-altitude cold vortex， the cold and warm air mass converged in this area and produced warm shear type short-term heavy precipitation. The situation about convergence （divergence） at the bottom （top） and the configuration of high-energy and high-humidity at the bottom operated in favour of the release of unstable energy， eventually  resulting in the occurrence and development of heavy precipitation.

Key words Warm-sector heavy prec-ipitation; Physical diagnosis; Radar echo; High energy and high humidity

暖區强降水具有短时雨强大、突发性强的特点，易引发局地暴雨及洪涝等次生灾害[1-3]。伴随着强降水出现的雷雨大风、暴雨等天气，常常给农林业和人民生产生活等带来严重的损失。前汛期，北方冷空气势力逐渐减弱，但仍频繁南下入侵华东地区。同时，产生于印度洋上的大量水汽通过西南季风向东北方向输送，形成西南暖湿气流，冷暖气流的频繁交汇，使淮河流域暴雨频发。短时强降水和暴雨的预警预报一直是淮河地区防汛的工作重点，加之中、低纬天气及副热带季风的共同影响，该地区短时强降水发生和发展的机制相对复杂[4-5]。

长期以来，我国气象工作者非常重视对淮河流域暴雨的预报研究，并在环流特征、水汽输送、热力不稳定、雷达回波、数值模式及预报业务应用等方面开展了大量研究工作，并取得了一定的研究成果[6-8]。梁钰等[9]利用自动站观测资料，从环流背景出发研究淮河流域连续性暴雨出现的成因，发现连续性暴雨与500 hPa高空环流、低空气流、切变线等因素密切相关。郝莹等[10]利用多个数值模式分析研究了不同时间尺度暴雨预报的时效性，表明了淮河流域暴雨的预报在12 h和24 h时间尺度上，EC模式产品的预报最优，而临近预报INCA模式具有相对优势。潘欣[11]则通过气候因子指数研究了淮河流域极端降水的演变特征，研究结果表明：流域出现极端降水的平均发生时间呈现提前趋势，这一趋势使人们更加关注汛期前期短时强降水和暴雨等强对流天气。暴雨常常是由若干个中小尺度系统不断产生、合并及持续发展所致的，研究暴雨的成因离不开对中小尺度天气系统的研究[12]。从以上工作来看，大多数研究者主要集中在对暴雨单一系统开展研究，目前针对多系统影响下的暖区强降水过程的研究相对较少，因此从这一点出发进行深入的研究和探讨十分有意义[13]。

宿迁地处淮河流域，作为沿淮城市，宿迁汛期降雨量直接影响到沂沭泗流域（淮河流域内独立水系）的水位[14-15]。考虑到目前研究表明极端强降水的出现时间有所提前，且淮河流域极易受到高低纬系统的共同影响，深入分析研究2021年汛期前期一次暖区短时强降水，探究多系统影响下暖区强降水过程特点及形成机理，为宿迁地区及沿淮城市群的暖区暴雨预报提供一定的参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

采用2021年5月14—15日宿迁地

区122个自动观测站逐小时常规地面资料、MICAPS高空资料、NECP FNL 1°×1°逐6 h的全球再分析资料、雷达回波、卫星云图资料。

1.2 短时强降水、暴雨和暖区降水定义

一般称1 h内某地降水量超过20 mm的降水过程为短时强降水，具有突发性、降水时段集中的特点。气象学上规定12 h累积降水量达到30 mm或以上或24 h累计降水量达到50 mm或以上的降水称为暴雨。

排除残留低压系统或者台风的直接影响导致的降水过程，根据以往的研究结果，将发生于锋面以南或者低空切变线以南的暖湿气流中的降水定义为暖区降水[16]。根据暖区降水的定义，可以将其分为4种类型：冷锋型、暖切变型、副高边缘Ⅰ型（单日型）以及副高边缘Ⅱ型（连续型）。

2 降水分布特征

2021年5月14—15日宿迁市出现暴雨天气过程（图1）。13日夜间开始出现降水，主要集中在宿迁市西南部，14—15日随着天气系统发展加强东移，暴雨出现在宿迁市中南部地区，并出现短时强降水过程，造成了严重的交通堵塞。从图中可以看出，整个降水过程的最大累积降水量出现在沭阳县沂涛镇104.9 mm。其中，14—15日出现多个短时强降水过程，主要集中在14日的凌晨、15日的9：00～10：00和10：00～11：00之间，多个观测站1 h累积雨量超过20 mm，最高出现在泗洪县的双沟镇峰山社区（35.6 mm）。此次降水过程表现为短时雨强大、强降水持续时间短的特点。

3 环流形势

2021年5月14日20：00 500 hPa（图2），暖脊冲向东北，长江中下游为冷中心控制，东北冷涡底部多短波槽，长江中下游地区位于500 hPa槽前，槽上有冷平流。15日08：00，槽东移加强，位于四川—湖北一带，使得槽前西南风加强，正涡度平流增强，利于低空系统的辐合抬升。14日20：00 700 hPa（图3）低涡位于四川一带，随着低涡东移和冷切东移南压，至15日08：00，低涡位于苏鲁豫皖交界一带，700 hPa西南急流轴位于广西中北部—江西南部—江苏南部。从（图4）的图上可以看出，14日20：00低空西南风急流从华南伸向长江中下游，低空急流中心强度达20 m/s，江苏北部存在切变线，低空低涡，动力抬升力强，850 hPa长江中下游为暖脊和湿区控制;至15日08：00，850 hPa切变线缓慢南压，同时宿迁市南北气流开始强盛，淮北地区为等温线密集的高空锋区。由此可见，伴随着高空冷涡的旋转，涡后冷空气南下与西南暖湿气流相互作用、相互交绥，在长江中下游地区出现了短时强降水过程。

4 暴雨物理量诊断分析

4.1 水汽条件

强降水的形成往往需要充足的水汽，大气整层的可降水量作为产生降水的物质基础，反映了宿迁市上空大气的可降水量。从14日08：00开始，湖北—安徽—江苏三省上空的整層可降水量（PWAT）维持在60 kg/m2左右，同时随着高空系统的东移发展，至14日20：00和15日08：00湖南—湖北的局部地区的PWAT达70 kg/m2左右，伴随着西南气流的强盛，位于西南部地区的水汽被源源不断地输送到宿迁市，为强降水的发生发展提供了水汽条件。从14日08：00、20日和15日08：00的850 hPa比湿分布图（图5）可知，比湿大值区的分布和PWAT的大值区相吻合。14日08：00开始，宿迁市上空的比湿在12 g/kg左右，随着来自西南的水汽供应，比湿开始增加，到15日08：00逐步达到14 g/kg，宿迁市近地面一直处于湿层中，伴随着高空干冷空气的侵入，有利于短时强降水的发生，同时比湿大值区的分布也与降水落区分布一致。

除了PWAT、比湿等水汽条件外，对流层底层水汽通道的建立也是产生强降水至关重要的一项因素。在暴雨发生的过程中，造成强降水所需的水汽往往由底层强盛的西南气流提供，大量水汽源源不断地输送至降水区。14—15日三个时段的水汽通量和风场分布（图6），可以看出14日开始，来自西南的水汽通量开始不断增加，14日20：00整个水汽通量核强度达到最大，随着西南气流的旺盛，至15日08：00，位于西南的水汽通量强度达2×10-3 g/（s.hPa.cm），低层大的水汽通量成为对流性强降水产生前的水汽积聚，西南部10：00开始产生短时强降水并持续。随着水汽辐合区的东移，降雨落区也开始向东北方向移动，到15日14：00暴雨中心逐渐从宿迁向东北方向移动，雨势逐渐减弱。

4.2 动力条件

P坐标系下的垂直速度Omega（ω）可以直观地显示强降水发生时的动力条件。从15日08：00时沿34°N经向垂直速度—高度剖面图（图7）可以看出，宿迁市在强降水发生前，垂直上升运动从近地面一直延伸至400 hPa附近，低层最大ω值为-1.6 hPa/s，上升运动强烈。同时，从涡度时序—高度剖面图上可以看出，14—15日一直维持在底层正涡度、高层负涡度的垂直结构，是典型的的暴雨发生垂直环流结构。14日前期低层的涡度增至12×10-5s-1，正涡度的增加有利于近地面减压，同时上层高空槽前表现为正涡度平流，地面低压发展;14日后期到15日前期正涡度值有所减小，此时降水也存在间歇过程;15日08：00后，正涡度开始增加，地面低压继续发展，中心辐合，上升条件得到发展，降水发生在低层正涡度带上，利于宿迁市09：00之后短时雨强的出现。

高低层散度场的配置是影响此次强降水过程的重要因素，此次降水过程中，最强短时强降水（1 h 35.6 mm）发生前15日08：00的200 hPa和850 hPa的散度分布图（图8）。图中可以看出，宿迁市处于低层辐合、高层辐散的形势场中，低层存在大的辐合区，辐合中心最大值为-8×10-5s-1，上升运动强烈。高低空的耦合作用加上西南暖湿气流的水汽输送使得宿迁市处于暖湿的大气层结中，底层水汽辐合抬升有利于不稳定能量的释放，造成强降水的发生。

4.3 热力不稳定条件

假相当位温作为表征大气不稳定能量的一个温湿特征量，850 hPa等压面上假相当位温的变化反映了冷暖空气的活动情况，假相当位温高值区的变化对应着强降水落区的变化。从14—15日3个时间段的假相当位温分布图（图9）可以看出，14日08：00 假相当位温开始增大，其数值维持在340～350 K左右，到20：00高能舌端位于江淮之间。θse越高，加之西南急流的相互配合，宿迁上空的湿热程度越高，产生的降水就更为激烈。到15日08：00，随着上方冷空气的侵入，整个高能区有所南落，但θse的值仍维持在345 K左右，宿迁市处于高能高湿的配置下，为后续产生短时强降水提供了非常有利的条件。

综合探空物理量和各项热力指数（表1）可以看出，从14日08：00开始沙式指数（Si）达到-1.7，大气层结开始趋于不稳定，并且持续到15日Si均<0，表明此次降水过程会伴有雷暴天气。同时，K指数一直维持在34℃及以上，说明此次降水过程湿度条件好，利于持续性降水，与上述的处于“暖湿”的配置一致;而对流有效位能CAPE相对较低，可能与春季大气对流不稳定能量较小有关，说明此次降水过程很难发展成为成片的雷暴或出现局地冰雹等天气;从SHR（0～6 km高度垂直风矢量差）值可以看出，宿迁上空存在较强的垂直风切变，有利于此次对流性降水的有组织化和维持;中低层温差（T850-T500）维持在23℃左右，同时结合湿度分布可以得出，宿迁市上空一直处于暖湿的配置结构中;同时从探空资料得出，上空850 hPa以下风随高度顺转，低层有深厚的暖平流。

综上所述，此次对流性降水过程是存在一个上冷下暖的不稳定层结，加之高能高湿的配置，出现暖区强降水过程。

5 雷达回波及卫星云图特征

出现此次短时强降水过程发生前，15日09：00在宿迁市西南部不断有对流性回波生成（图10），反射率因子（R）逐建增加至50 dBZ，到10：00逐渐发展成为弓形回波，最大反射率因子达57 dBZ。随着回波向东北方向推进，其中南部逐渐变宽，北部逐渐变窄，加上移动过程中雨滴的拖曳作用出现弱的下击暴流过程，在泗洪和泗阳交界处出现8级大风，风速达17.6 m/s。同时，强降水集中时段的雷达回波高度伸展到6 km左右，>40 dBZ的强回波从底层一直延伸至4 km附近，呈分散性排列，无明显的列车效应，同时分析徐州站探空图发现，0℃高度层位于4 478 m，说明强回波均在0℃以下并向下延伸至地面，为暖区低质心降水。到12：00左右，减弱后的回波主体逐渐移出宿迁市，西南方向仍不断有分散性小回波生成，降水强度有所减弱，但仍有阵雨或雷雨维持，使得宿迁市累积雨量达到暴雨量级。

从回波顶高（ET）（图10）来看，强降水集中时段回波顶高从8～9 km逐渐增加到12 km左右，个别站点高达14 km的强回波也远远不断地进入到宿迁地区。09：00开始，垂直累积液态水（VIL）在出现大风前开始增加，VIL从24 kg/m2逐渐增加至51 kg/m2，在10：16出现明显的峰值。

综合对比宿迁市实时降水分布，可见R、ET和VIL的变化与短时强降水的出现时间相呼应，因此三者在雷雨大风出现前的变化特征对短时强降水及暴雨的预报、预警有很好的指示作用。

在雷达径向速度（V）图（图11）上，V成反气旋式旋转，零等速线呈“s”风型，风随高度顺转，有暖平流，对应着宿迁出现暖区降水，与上述暖区低质心降水相一致。西南部存在急流，速度，在34 m/s左右，增加了出现雷暴大风的可能性。

结合风云卫星云图，对比14日夜间和15日的亮温以及中层水汽差异。14夜间云顶亮温为-35℃左右，云顶较低，水汽条件略差，同时在安徽西部有不断新的云团生成并沿长江向东移生;15日08：00云顶亮温为-60℃左右，云顶较高，水汽条件较为充足，在淮河以北有较弱的切变线，云系间有对流云团生成。整个云系的移动带来的水汽输送为15日09：00开始的强降水提供了很好的水汽供应。

6 结论

利用自动观测站逐小时常规地面资料、MICAPS高空资料、NECP FNL 1°×1°逐6小时的全球再分析资料、雷达回波、卫星云图资料对2021年5月宿迁地区一次暖区强降水过程进行了诊断分析。结果表明：

（1）此次降水过程具有短时雨强大、强降水持续时间短的特点，最大小时雨强为35.6 mm。降水回波表现为弓形回波，自西南向东北方向移动并发展，强度高达57 dBZ;雷达径向速度呈反气旋式旋转，有暖平流输入;降水前云顶亮温为-60℃左右，云顶较高，水汽条件较为充足。总体而言，此次降水实一次暖区低质心强降水过程。

（2）高层冷中心控制，低层西南暖湿气流加强，宿迁市处于暖中心控制。随着高空冷涡旋转甩下的冷空气与西南暖湿气流相互交绥，加之江苏北部的切变线南压，使得宿迁市出现暖切变型短时强降水过程。

（3）高低空的耦合作用加上西南暖湿气流的水汽输送使得宿迁市处于上层干冷、下层暖湿的大气层结中，底层水汽辐合抬升有利于不稳定能量的释放，造成强降水的发生发展。低层存在高能高湿区，且位势不稳定，有较强的低空急流，同时暖区的暖湿不稳定程度加强，受到外界强扰动的触发，产生的短时强降水更为激烈。

針对此次强降水过程进行诊断分析，对暖区强降水的物理机制有一定的了解，但短时强降水的预报和落区仍需进一步研究，尤其是在日后的预报中需要加入模式的检验和订正，在提高模式精度的同时，要进一步提升预报的准确度。后续工作正在对模式初始场和预报精度的改进进行研究，满足预报业务化的要求。

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责任编辑：黄艳飞