一次对流性强降水天气的成因分析

2022-11-22鲁明欣宇

内江科技 2022年10期

鲁明欣宇郭娜沈澄

①南京信息工程大学大气物理学院 ②南京市溧水区气象局 ③南京市气象局

本文利用常规观测资料、NCEP再分析资料以及多普勒雷达资料，对2016年7月6-7日南京中南部地区极端短时强降水天气进行分析，探讨了强降水产生的环境背景、有利条件以及雷达回波特征，以期为南京地区极端短时强降水的预报预警提供一些参考。

地处长江中下游地区的南京，梅雨期间短时强降水天气的发生频率呈显著上升趋势，特别是雨强大于50 mm·h-1的致灾性短时强降水天气过程发生次数呈显著增长[1]。短时强降水历时短、降水强度大，其在短时间内形成的较大降水可形成城市暴洪[2]，因其突发性和高强度特点，预警时间较短，防范困难，往往会造成城市积涝，严重危及人民生命财产安全，特别容易造成重大财产损失和人员伤亡，所以对短时强降水预报方法的研究就显得尤为重要。

1 降水实况

受副热带高压边缘西南暖湿气流和西风槽的共同影响，7月6日夜里，江苏沿江地区突发区域性暴雨天气。7月6日20时至7日08时，沿江4市（南京、镇江、泰州、南通）中有10个常规气象站雨量超过50mm，最大雨量为79.1mm，出现在镇江丹阳站；有107个自动气象站雨量超过50mm，其中20个站雨量超过100mm、1个站雨量超过250mm（南京梅山二中站）。此次降水过程伴有明显的短时强降水天气，特别是南京主城区雨强极大，局地雨强超过100mm，引发了严重的城市内涝，给城市交通、基础设施、居民生活造成较大的影响。

2 短时强降水形成的有利条件

2.1 充沛的水汽和较高的水汽凝结率

副热带高压边缘的西南气流将水汽自南海源源不断向北输送至江苏地区，水汽输送主要集中在700hPa以下，江苏中南部地区的水汽通量超过10为短时强降水的形成提供了持续的水汽输送，并且在风场的辐合下得以聚集。从5日08时起，南京上空850hPa及其以下层次的比湿就已经达到13g/kg以上，6日14-20时近地面的比湿更是超过18g/kg（图1 a）。6日20时至7日02时，有明显的干区自300hPa逐渐向600hPa扩展，此时降水强度还较弱，但由于高空干冷空气的下传，却为后续的强降水提供了有利条件。

极端短时强降水的形成还需要有较高的凝结率和降水率。在某一地点的瞬时降水率正比于垂直水汽通量wq，其中w是上升气流速度，q是上升空气的比湿[3]。从垂直水汽通量（图1b）和水汽通量散度的演变图（图1c）上可以看出，6日20时前后，南京上空600-700hPa之间存在一个垂直水汽通量的高值区，中心超过且在同一时间同一高度上水汽通量散度也存在一个高值中心，表明强降水区上空不仅存在着利于水汽快速凝结的强上升运动及高水汽含量，而且水平输送的水汽还不断汇合进来，促进本地上空的水汽进一步凝结，加上辐合凝结高度较低，短时间内非常容易形成极端强降水。

图1 5日08时-7日08时暴雨中心（119°E/32°N）上空物理量的演变

2.2 冷空气渗透南下使得层结不稳定度增大

6日白天，随着高原上暖脊的北伸，温度场落后于高度场，从而使得位于华北地区上空的大陆高压迅速增强。与此同时，西太平洋副热带高压西伸北抬（120°E脊线位于29°N），控制江苏淮河以南的大部地区。大陆高压与西太平洋副热带高压之间的过渡带位于山东南部。据6日14时假相当位温沿119°E的剖面图资料显示：500hPa以下层次存在明显的假相当位温密集带，即锋区，其位置基本位于35～37°N之间。随后，中高层（400～500hPa）大陆高压脊前的偏北气流携带弱冷空气逐渐向南深入，锋区南移至32°N附近。中低层（600～800hPa）冷空气主体位于36°N以北，但仍有少量冷空气缓慢向南渗透；低层（800hPa以下）暖湿气流随着西太平洋副热带高压的增强而大举北上，与中层向南渗透的弱冷空气相遇，导致32°N附近上空假相当位温线的密集程度明显增大，再次出现锋生。

这种高层干冷平流与低层暖湿平流相叠置的形式，非常有利于位势不稳定度的增大。从整层的分布（图2a）可以看出，6日20时左右，800hPa附近的位势不稳定层结明显增厚增强，由850hPa一直扩展至700hPa，为上升运动的发展以及对流的发生提供了较好的层结条件。另一方面，随着午后地表气温的逐渐升高，对流有效位能也明显增大（图2b），江苏大部分地区的CAPE值超过1000，南京地区更是达到1800，为对流的维持与加强提供了有利的能量条件。

图2 a：5日08时至7日14时条件性静力稳定度在119°E32°N的时间剖面图（单位：）;b：5日08时至7日14时CAPE沿119E的时间剖面图（单位

2.3 中低层垂直风切变增大导致对流风暴的组织度增强

5日08时起，江苏整层处于副热带高压边缘一致的西南暖湿气流控制中，0～6km的风矢量差基本维持在14m/s以下。6日02时起，近地面位于日本海的高压开始向西扩展，东部沿海的主导风向由西南风明显转向东南风，垂直风切变也开始逐渐增大至15～18m/s。6日20时，随着高层弱冷空气的不断渗透以及近地面东南气流的发展，中低层的垂直风切变突增，由南京上空风廓线随时间的变化可以看到（图3），0～6km的风矢量差6小时内由14m/s迅速增强至22m/s。与我国大多数极端强降水一般出现在弱的深层垂直风切变的环境下不同[4]，强垂直风切变是此次极端短时强降水过程的一个重要特点。

强垂直风切变有利于对流风暴的发展、加强和维持，容易导致中小尺度系统的形成，中尺度对流会呈现出高度的组织性。此次过程中共产生了3个具有中气旋结构的超级单体，且强垂直风切变的分布与强降水的分布较为一致。6日14至23时，江苏东部沿海近地面的主导风向由西南风转为东南风，且随着500hPa弱冷空气的不断渗透，高空西南风逐渐转为西北偏西风，江苏东南部上空的垂直风切变因此明显增强，此时伴有短时强降水的雨带就主要位于江苏东南部，期间降水强度最大达到74.4mm/h（如皋雪岸镇，6日22至23时）。7日0时起，随着近地面高压进一步的向西扩展，强垂直风切变区也随之向西移动，江苏东南部的垂直风切变的减弱，该处的降水回波也趋于消散，而南京中部的垂直风切变增强，对流也开始发展，降水强度突增，最强达到129.2mm/h（南京梅山二中，7日2至3时）。

另一方面，风暴的运动是平流与传播的合成。当对流层环境风场较弱时，传播对于风暴运动起着主导作用。由图3可以看到，6日20时起，对流层中低层的风速均明显减弱，特别是700～500hPa的引导气流仅8～10m/s，弱的引导气流利于风暴单体的传播运动，导致对流风暴在一个地方长时间滞留，造成所谓的“列车效应”。7日0:30，江宁北部以及城区南部地区开始不断有中心强度超过50dBZ的零散回波生成，随后逐渐形成一条东北西南向的带状回波，在承载层西南气流的引导下向偏东方向缓慢移动。2:00起，随着超低空东南风急流的发展，在带状回波的右后侧不断有强回波生成，中心强度超过60dBZ，形成了风暴单体的传播效应，城区以及江宁因此出现了1个小时的、强度超过50mm/h的极端短时强降水。

图3 7月5日08时至7日14时风廓线及0～6km风矢量差（单位：m/s）随时间变化图

3 强降水雷达回波结构特征

3.1 超级单体风暴

如前所述，强垂直风切变的环境非常有利于超级单体的生成。南京SA雷达分别在7日3:23识别出两个中气旋，在5:15识别出一个中气旋。其中3:23识别出的位于江宁境内超级单体S7，生命史长达近1小时，中气旋的最大旋转速度达到10m/s，其对应的最强反射率因子强度超过60dBZ，最强垂直积分液态水含量超过70kg/m2。可见，该超级单体内部可能还有冰雹产生，只是由于较高的零度层高度，导致冰雹没有落地。多个超级单体的形成增强了局地的上升运动以及降雨强度，是导致极端短时强降水事件的直接原因。

3.2 低质心降水

中尺度对流回波带上镶嵌着若干强回波中心，分别对应着更小尺度的对流单体。对2:21位于城区与江宁交界处的带状回波做反射率因子的剖面可以知道：50dBZ以上强回波伸展的高度接近10km，对流发展非常旺盛，但并未呈现出现典型的具有悬垂结构的冰雹云特征。虽然55dBZ以上的强反射率因子区由近地面一直扩展至9km，但其主体集中在3km以下，此时0℃层高度在5km左右，所以降水粒子仍然以液态为主，降水效率高，给城区南部及江宁北部带来了1小时70～100mm的短时强降水。

同样地，单体的风暴趋势也反映出，在其整个发展过程中，虽然回波的伸展高度接近10km，强度最强在60dBZ以上，但质心相对较低，基本在5km以下，单体的垂直积分液体水含量最大达到50kg/m2以上，呈现出明显的强降水回波特征。