宜昌市“8?26”暴雨过程分析

2024-07-06黄静李芳祁宏

人民长江 2024年13期

黄静李芳祁宏

摘要：由于全球变暖，极端天气发生越发频繁，尤其是夏季经常有暴雨发生，对人民的日常生活造成了极大影响。利用常规气象观测资料、湖北省区域自动站观测资料、0.25°×0.25°的ERA5逐小时再分析资料，对2022年8月26～27日发生在宜昌市秭归县至夷陵区等地区的一次大暴雨过程进行了诊断分析。结果表明：该暴雨过程是副热带高压控制为背景，在低空切变线和地面锢囚锋的配合下产生的，强降水落区主要位于水汽辐合中心右侧，此处有利于暖湿气流持续输送形成大暴雨；强降水发生前，宜昌市上空即存在水汽辐合中心，并且不稳定能量逐渐累积，强降水发生时，水汽供应充足、上升运动强烈从而造成本次大暴雨过程。

关键词：大暴雨；极端天气；水汽输送；诊断分析；宜昌市

中图法分类号： P458.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.002

0 引言

由于全球变暖，极端天气发生越发频繁［1-2］，尤其是夏季经常有暴雨发生，对人民的日常生活造成了极大影响、而由于造成暴雨的物理机制复杂［3］，暴雨的准确预报一直是业务预报的难点［4-6］。

暴雨过程通常是由多种原因共同影响形成。利用雷达资料结合地面中尺度观测资料、卫星资料、再分析资料等分析中尺度系统（水平尺度 10～300 km）发生发展、中尺度对流系统结构演变是中尺度分析的重要途径，近年来取得的许多研究成果加深了人们对中尺度对流系统发展机理的认识。沈杭锋等［7］对2013年6月浙江省北部的一次短时大暴雨过程进行了中尺度分析，发现该暴雨过程与中尺度辐合线之间具有密切关系。杜秉玉等［8］利用多普勒雷达资料分析暴雨过程低层流场发现，暴雨与600 m高度上中尺度涡旋系统活动密切相关。张家国等［9］总结了湖北省与中尺度系统活动相配合的雷达反射率因子形态、结构特征和演变规律，认为从多普勒天气雷达观测的反射率因子中可获得α、β、γ等各种中尺度天气系统演变信息。由于暴雨尤其是特大暴雨的形成机理十分复杂，对形成于复杂地形下的极端降水过程又有其特殊性，因此有必要开展更多分析研究。

许多学者通过天气学诊断、中尺度分析和数值模拟等方法，从不同方面研究揭示了湖北省暴雨的主要特征和天气系统，认为影响湖北省暴雨的主要系统是西风槽、切变线、中尺度低涡、辐合线与低空急流，且低层辐合与高层辐散相配合产生强烈上升运动，引起对流不稳定能量释放，成为强降水的触发条件。但针对宜昌地区暴雨天气的研究较少，而宜昌市由于地形复杂以及河谷较多，使得宜昌暴雨预报较为困难［10-11］。本文利用常规探空、地面区域加密自动站观测资料、宜昌站 S波段CINRAD-SA雷达回波以及0.25°×025°分辨率的ERA5逐小时再分析资料，分析了“8·26”宜昌市中部大暴雨过程发生发展的环境条件，重点探讨该强降水过程中风暴发生发展的中尺度特征及其预报着眼点，以期为今后此类暴雨的预报预警提供参考。

1 暴雨过程概况

2022年8月26日夜间，宜昌市北部出现短时强降水、雷雨大风等强对流天气，点军区土城乡、秭归县茅坪镇、兴山县北部、当阳市北部、远安县南部、夷陵区中部出现暴雨到大暴雨。全市397个自动气象站监测显示，26日08：00至27日08：00全市累计雨量≥25 mm的有58站，≥50 mm的有34站，≥100 mm的有9站。最大累计雨量179.6 mm，出现在三峡站；最大小时雨量77.8 mm（8月27日00：00～01：00，图1），出现在夷陵区三斗坪镇头顶石站。夷陵区、秭归县、兴山县局部伴有5～7级雷雨大风。

2 暴雨产生

2.1 环流分析

2022年8月26日2：00，高空500 hPa欧亚中高纬呈现两槽一脊的环流形势（图2），中纬度多短波槽活动，27日08：00，位于黑龙江处的东北冷涡南移至吉林，同时副热带高压增强西伸，位于西藏南部的高压中心东移至青藏高原中部。西太平洋副热带高压呈带块状分布，其120°E脊线位于22°N附近，588线西北侧在甘肃-青海一带，西脊点伸至110°E，宜昌市受副高内部脊区西南气流控制。700 hPa上，中国西部生成一暖低涡，中心位势高度为305 dagpm。同时在四川省存在一冷舌，江西省伸出一暖舌，宜昌市位于两温度中心之间，处于弱脊控制，由西南风转为西风，同时位于两温度中心之间的站点温度露点差均≤4 ℃，处于饱和状态。850 hPa上，四川-重庆处存在一暖中心，宜昌市位于暖中心东侧，湖北省北部盛行东北气流，湖北省南部存在从洋面上输送的大片偏南气流，宜昌市位于南北气流汇合区域，在宜昌市上空存在暖式切变，且此时宜昌站温度露点差T-Td为0，相较周围站点，宜昌站水汽达到了高度饱和。925 hPa上，宜昌市处于暖中心附近，与700、850 hPa类似，其温度露点差T-Td为2 ℃，与周围站点相比其水汽更为饱和。由此可见，宜昌低层的水汽条件较好，为强对流的发生提供了有利条件。

8月27日08：00，500 hPa上副热带高压东撤至四川-湖北北部一带，东北冷涡东移，宜昌市位于副热带高压西南风控制，宜昌市北部存在一冷中心（图2）。700 hPa上西藏低涡加强，低涡中心东移至西藏东部，宜昌站温度露点差T-Td为0。850 hPa上低涡东移至四川西部，与低涡对应的暖式切变线延伸至安徽-湖北一带，逐渐东移，宜昌市位于切变线南部以及两个暖中心之间，宜昌站温度露点差T-Td仍为0，水汽仍处于饱和状态。925 hPa上，系统形势与850 hPa类似，宜昌站温度露点差T-Td为1 ℃，与周围站点相比其水汽更为饱和。

8月27日20：00，500 hPa上副热带高压稳定维持，东北冷涡继续向东北方向移动，逐渐移出中国，宜昌市处于副高外围西南风气流控制。700 hPa，宜昌市受西南气流影响；850 hPa上的切变线南压至湖南境内，宜昌市此时受偏东气流控制，降水过程基本结束。

地面填图上，8月26日20：00宜昌市受中国西部大陆低压控制，在内蒙古与蒙古交界处存在一冷高压，冷高压中心强度达1 015 hPa，在安徽-浙江一带存在一条锢囚锋（图3）。8月27日02：00中国西部大陆低压强度有所减弱，北部冷高压略有南压，锋面西伸位于黄冈-宜昌南部一带，宜昌市受地面弱冷空气影响。27日08：00，锋面东移至仙桃-潜江一带。27日14：00，地面暖低压再发展，锋面移出宜昌市，不稳定能量再度积蓄。

2.2 环境条件

8月26日20：00宜昌站（57461）的探空图可知（图4），探空曲线基本呈细长型，宜昌市上空边界层至600 hPa高度的温度露点差T-Td较小，850 hPa和700 hPa的露点温度分别达到16.7 ℃和10.3 ℃，露点温度差T-Td分别为1.7 ℃和0.9 ℃，且相对湿度均达到了90%以上，这表明此时宜昌站的水汽条件较好。湿对流有效位能为0，850～500 hPa的温差为20.4 ℃，K指数为36.2，具备一定的热力条件。此外，抬升凝结高度为1.1 km，自由对流高度在2 km附近，湿层厚度较为深厚，有利于对流天气的触发。但从风场的垂直分布来看，0～3 km和0～6 km的垂直风切变较小，不利于对流系统的组织和维持，因此动力条件较差。

8月26日20：00，湿层略微发展至500 hPa附近，抬升凝结高度为1.1 km，自由对流高度降低至1.4 km附近，K指数增大至40.5，湿对流有效位能达到了1 322.1 J/kg，850～500 hPa的温差也增大至21.5 ℃，相较于08：00此时的热力条件更有利于触发对流。850 hPa和700 hPa的露点温度分别达到20.7 ℃和10.7 ℃，露点温度差T-Td分别为0.1 ℃和1.7 ℃，湿层厚度更为深厚，湿度条件仍然较好；0～6 km的垂直风切变略有增大。

8月27日08：00，湿层降至600 hPa附近，850 hPa和700 hPa的露点温度分别为19.3 ℃ 9.5 ℃，露点温度差T-Td分别为0和0.7 ℃，850 hPa 的相对湿度达到了100%，这表明水汽仍然十分充沛，有利于降水。K指数为40.4，CAPE为331.2 J/kg，850～500 hPa的温差为21.8 ℃。

8月27日20：00，湿层维持，850 hPa和700 hPa露点温度为19.0 ℃和9.1 ℃，露点温度差T-Td分别为0和1 ℃；K指数减小至38.2，850～500 hPa的温差减少为20.2 ℃，CAPE降为0，能量条件较差。

2.3 雷达特征分析

雷达是监测强天气的有效手段，能够为强天气的预警提供有效支撑［12-13］。雷达回波能够反映对流系统的发展情况，对雷达回波进行分析能够寻找中小尺度发展演变的发展规律。

由雷达组合反射率可知（图5），8月26日20：25开始有分散的混合型降水回波影响宜昌市秭归县及夷陵区西部，其回波强度达到了50 dBZ，并不断有对流单体在局地新生。随着对流单体的不断发展加强，位于秭归县和夷陵区的两个对流系统逐渐合并加强，并在夷陵区东部新生了片絮状降水，回波不断增强。21：38，雷达回波范围扩大，强度明显加强，主回波带呈现明显的带状分布，最强回波达60 dBZ，该对流带稳定少东，在秭归县-夷陵区产生了持续性降水。同时在夷陵区西部的混合型降水回波逐渐发展扩大，影响夷陵区大部地区及远安南部。22：39，南北分散性回波在当阳市北部与远安县交界处生成，并不断发展加强，逐渐合并为块状回波，影响远安县东南部及当阳远安交界处。23：52，夷陵区西部对流与东部对流合并加强，呈现明显的“钩状回波”，于00：09断裂为东西两段，远安-当阳处回波断裂后又合并加强，两处回波均对当地产生较强降水。夷陵区回波断裂，其回波不断加强，使得三峡站、头顶石站出现强降水天气。远安处回波逐渐北移发展，形成带状回波，并维持至01：16开始减弱。夷陵区中部回波维持至01：33开始减弱，夷陵区西部回波于01：55减弱至最弱后再次加强，与北部回波合并后逐渐东北方向移动发展，其移速较慢，逐渐影响远安西部和北部，于27日06：02移出宜昌市，降水趋于结束。

3 物理量诊断

根据以上分析可知，本次过程呈现出空间尺度较为局地、强度较大、突发性强、强降水时段集中这几个特点。8月26日夜间秭归县和夷陵区、三峡站出现持续时间达3～4 h的短时强降水，说明此次强降水过程的水汽输送条件和动力条件非常有利于降水的产生。大尺度环流为本次大暴雨的发展演变提供了有利的背景环境，但并不能直接引发暴雨。暴雨是一种中尺度现象，是在有利环流背景下由多种尺度天气系统共同作用的结果，中尺度对流系统是暴雨的直接制造者，降水区对流层中低层常常存在中尺度涡旋、中尺度低压、中尺度切变线或者中尺度辐合线等，因此有必要对本次过程的不稳定能量、水汽条件、动力条件等物理量进行进一步的诊断分析。

3.1 不稳定能量

CAPE是评估垂直大气是否稳定、对流是否容易发展的指标之一，CAPE值能够反映系统的不稳定能量。从CAPE值分布可知（图6），8月26～27日夜间，宜昌地区的CAPE值在该时段为逐渐累积的过程，在27日00：00有一个明显的增强，达到1 500 J/kg，说明此时宜昌区域的不稳定能量条件较好，能量容易得到释放，随后CAPE值大值区范围减小，并逐渐南移，过程趋于结束。

K指数是反映中低层稳定度和湿度条件的综合指标，根据王晓明等［14］的研究，描述大气是否稳定的K指数中，暴雨的K指数平均为29.5 ℃。由850 hPa的K指数分布可知（图7），8月26～27日夜间宜昌地区的K指数普遍在30以上，符合该指标，并且K指数在夜间有增强的趋势，于27日00：00增至最大，随后K指数强中心逐渐减弱。

综上所述，8月26～27日夜间的降水过程不稳定能量条件较好，具备一定的对流触发条件。

3.2 水汽条件

水汽供应是产生暴雨的必要条件，其在极端强降水中的重要作用毋庸置疑。暴雨的发生不但要有很好的局地水汽条件，还应有持续不断的水汽输送，据统计，大气中大约90％以上的水汽集中在500 hPa层以下［15］。而反映大气层结中水汽状况的物理量常用的有比湿、大气可降水量、水汽通量、水汽通量散度、相对湿度等。

8月26～27日850 hPa层比湿分布图（图8）上，宜昌地区比湿普遍在14 g/kg左右，20：00的比湿已达到16 g/kg，这表明暴雨发生前本地的水汽条件较好。26日22：00～27日00：00比湿达到最强，22：00大于16 g/kg的区域范围涵盖了宜昌大部区域，00：00比湿大值区位于宜昌市中北部，之后比湿有所减弱，但仍大于14 g/kg，这从一定程度上说明充沛的水汽输送为造成该次宜昌降水的主要原因。

水汽通量散度体现了水汽输送的集中程度，水汽通量散度负值区为水汽辐合的区域，该区域与暴雨落区也有较好的对应关系，一般暴雨发生在水汽通量辐合区的右侧。由850 hPa层水汽通量散度（图9）可知，8月26～27日夜间，秭归县、夷陵区均处于强水汽辐合区的右侧，且宜昌市中部和北部存在明显的西南风和东南风切变，水汽集中程度较大，可不断为降水区域供应水汽。过程开始之前，宜昌市北部已经存在一水汽通量散度辐合中心（图9（a）），随着南方西南气流不断向北输出暖湿气流，宜昌市北部的水汽通量散度辐合区域不断扩大，并缓慢向东移动，并在8月27日00：00～02：00水汽输送达到最强，强度达1.6×10-5 kg/（m2·s·hPa），随后该水汽辐合中心逐渐东移减弱。该水汽辐合中心向东移动，因此这次大暴雨过程的雨带呈东西向分布。

综上可知，此次宜昌市中部自西向东的降水过程与 850 hPa层水汽通量散度演变密切相关。有利的水汽条件为该降水过程了提供充沛的水汽，从而造成宜昌市多地产生大暴雨。由于水汽输送在宜昌市东北部集中的时间短，提供的水汽有限，所以，强降水在东北部持续时间较短；而在中部集中地时间长，为秭归县-夷陵等地降水源源不断地提供水汽，使得这些地区出现较强降水。

3.3 动力条件

中、小尺度系统是产生暴雨的直接系统，较强的上升运动提供了中、小尺度系统产生的环流背景和环境条件［16］。由3.2节可知，水汽辐合中心大致沿30.8°N附近东移，因此本节沿30.8°N纬圈作剖面图进行分析。由散度（图10）可知，在26～27日夜间秭归县、三峡站、头顶石等地区（111°E附近）低层为明显的辐合区，中高层为辐散区，形成了低层辐合，高层辐散的形势，中高层的抽气作用，具有一定的对流运动发展条件。与散度对应，在以上地区低层均为明显的垂直上升运动（图11），在27日00：00，在三峡站附近上空有一上升运动大于0.8 Pa/s的区域，为强烈的上升运动区，秭归东部与夷陵西部的暖湿空气不断抬升，形成强降水云团并且稳定少动，从而在秭归县、夷陵地区形成强降水。

4 结论

本文利用常规探空、地面区域加密自动站观测资料、宜昌站 S波段CINRAD-SA雷达回波以及0.25°×0.25°分辨率的ERA5逐小时再分析资料，对宜昌地区的一次暴雨过程进行了环流形势和物理量的诊断分析，得到如下结论：

（1）本次降水过程与通常概念模型不同的是，整个系统高层在降水时段始终受副热带高压控制，而低层925～700 hPa均为湿层，且850 hPa、700 hPa上水汽均为高度饱和，850 hPa存在暖式切变线缓慢移动，地面存在南北气流汇合，加强了低层垂直上升运动，以上系统共同作用造成了此次暴雨的发生。

（2）不稳定能量和动力条件表明，在较强的垂直上升运动作用下，低层暖湿气流辐合上升，位势不稳定能量在夜间逐渐累积，850～500 hPa 高度之间有大量的暖湿气流，且上下层不稳定，引起上层干冷空气下沉和下层暖湿空气上升，形成强对流，从而引发暴雨。

（3）水汽条件表明，在暴雨发生之前，宜昌市位于水汽辐合中心东部，在西南暖湿气流不断输送水汽的作用下，水汽辐合中心逐渐加强并且移速较慢，持续不断地为对流系统提供水汽，结合低层切变垂直上升运动，将低层大量的水汽和能量抬升到了高空，促进并维持了暴雨的进一步发展，使得水汽为本次降水过程的主要因素。

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