湖北省西南气流型暖区暴雨相关特征分析

张萍萍，董良鹏，钟 敏，王珊珊，陈 璇

（武汉中心气象台，湖北 武汉430074）

湖北省地处我国中部地区，每到汛期，暴雨频发，常引发严重灾害。最近的业务预报和研究分析中发现，湖北省很多暴雨过程常常发生在宽广的西南暖湿气流中，这类暖区暴雨主要影响系统为低层西南气流，暴雨发生过程中对流层低层无明显温度锋区，风向切变不明显，暴雨区不易被确定与标识，预报员对暖区暴雨成因不清楚，业务预报中常出现漏报和空报，因此有必要对此类暖区暴雨展开进一步研究。

不少气象工作者对西南气流型暖区暴雨进行了分析。赵玉春等[1]对2005 年一次华南西南气流型暖区暴雨进行分析指出该类暖区对流不稳定层层次深、强度强，沈杭锋[2]认为华南暖区暴雨存在明显的中尺度铅直运动和波状结构，丁治英[3]指出南风气流型暖区雨带中有位涡大值区向北输送，孙健[4]对一次华南暴雨的中尺度结构进行了模拟，指出强的西南低空急流是华南暖区暴雨的主要影响系统，并且指出地形在暖区暴雨中起到明显的增幅作用。苗春生等[5]通过研究发现在华南暖区暴雨发生的过程中，凝结潜热释放能够大大增强暴雨区垂直速度厚度与强度，有利于对流维持。程正欣等[6]指出在西南暖湿气流内部，风速垂直切变的增大会激发重力波。覃丽等[7]模拟研究得出，超低空急流的迅速建立与暖区暴雨发生具有一定相关性，中层小股干冷空气侵入有利于中尺度对流系统发展和维持。通过以上分析发现西南气流型暖区暴雨的主要研究区域为华南地区，关于湖北省西南气流型暖区暴雨研究相对较少，而在湖北省暴雨预报业务中发现，该类暴雨一旦发生则强度大、极端性强、预报难度大，因此有必要对此类暖区暴雨的形成机制以及预报着眼点展开深入的分析和总结。本文对2010—2018 年湖北省西南气流型暖区暴雨的相关特征进行分析，以期为预报员进行此类暖区暴雨预报提供的参考。

1 资料和方法

本文所使用资料包括湖北省2010—2018 年常规高空地面观测资料、卫星雷达资料和1°×1°6 h NCEP/NCAR 再分析资料。湖北省西南气流型暖区暴雨定义为国家基本站08—08 时24 h 累积降水达到50 mm 以上，主要影响系统为低层西南气流，暴雨区距离锋区200 km 以上，不受台风等热带系统影响，其中用假相当位温密集带代表锋区[8]。通过分析选出16 个西南气流型暖区暴雨过程，共有66 站出现了暖区暴雨。

2 时空统计特征

分析该类型暖区暴雨逐月的暴雨发生站数分布（图1a）可看出，该类暴雨发生在4—8 月，其中6 月发生暴雨站数最多，4 月最少，6—7 月发生暴雨站数占总数的77.27%，暴雨主要发生在梅雨季节中。湖北省梅雨季节，受季风影响，长江中下游以及江南一带暖湿气流开始强烈发展，随着地面以及高空回暖，湖北省上空温湿层结上出现较深厚的对流不稳定，这时一旦出现能造成大气辐合上升的动力强迫机制，导致对流不稳定能量释放，形成暖区暴雨。

从暴雨发生频次（图1b）和最大日降水量分布（图1c）对南风气流型暖区暴雨进行空间特征分析。从图1b 可看出，此类暴雨主要发生在鄂东南地区，其中降水次数越多的地区位于鄂东南南部，在梅雨季节，鄂东南通常位于南风气流中，暖湿空气强盛，容易产生暖区对流形成暴雨。从图1c 可看出，日最大降水站点主要分布在两个区域，一个位于通山附近，一个位于蔡甸附近，其中通山24 h 最大值达到180.7 mm，蔡甸日24 h 最大值达到217.3 mm，均突破了1980 年以来的历史极值，可见本类型的暖区降水一旦产生，降水效率强，累积雨量大，容易达到历史极值，形成极端暴雨。

3 环境场特征分析

这类暖区暴雨天气多发生在500 hPa 槽前，或者500 hPa 较为平直但有尺度较小的扰动东移。700 hPa 或850 hPa 为强盛西南暖湿气流，并伴随暖脊存在。地面图上多处于暖低压（槽）控制，有利于地面增暖增湿。高层200 hPa 多有分流式辐散区或高空急流穿过低空辐合区上空，高层辐散抽吸作用为暖区暴雨发展提供较好的动力条件。在这类暖区暴雨发生的过程中，暴雨的形成主要由对流性降水导致，暖区对流触发至发展加强形成暴雨往往在6 h内完成，经统计所有该类型暖区暴雨个例发现，75.6%的个例中出现了低空急流。低空急流的发展加强有利于热力不稳定增长、水汽输送和低空垂直切变的维持，并且能够提供启动不稳定能量释放的抬升运动[9]，是导致该型暖区暴雨发生的最重要的天气系统。

图1 西南气流型暖区暴雨

3.1 热力不稳定增长机制

低空急流多数情况下是一支暖湿气流，它的平流作用造成低空增暖、增湿，有利于热力层结不稳定强烈增长。表1 给出了该型暖区暴雨发生过程中，对流触发和发展时的部分热力对流参数和特征高度层的平均值，发现对流触发和发展时850~500 hPa 假相当位温差（△θse850-500）、K 指数（K）、沙氏指数（SI）、抬升指数（LI）相关阈值表明大气存在一定的不稳定性。CAPE 值在对流触发时的平均值仅有440 J/kg，参考叶爱芬等[10]统计发现的CAPE＜500 J/kg 的强降水事件属于小概率事件的结论，当预报员发现CAPE 没有达到500 J/kg 时，容易对该类暖区暴雨是否会发生产生怀疑，从而导致对该类暴雨的漏报。在该类暴雨中CIN 值的平均值仅有15 J/kg，统计发现若CIN 值≥100 J/kg，该类型暖区暴雨不容易发生。由于该类型中CIN 值较小，对流触发时抬升凝结高度（LCL）和自由对流高度（LFC）较低，平均值分别为960 hPa 和898 hPa，因此气块抬升相对克服重力做功略小，只要存在一定的抬升机制，不稳定能量很容易触发形成对流。由于该类型中低层存在很强的暖平流，使得0 ℃层高度（Z0）比较高，较低的LCL值和较高的Z0值导致抬升凝结高度到0 ℃层之间的厚度增大，从而暖云层高度较大，导致较高的降水效率。

本类型暖区对流触发至发展加强形成暴雨的过程中，低层850 hPa 以下南风气流存在明显加速特征。从表1 可以看出对流触发时，850 hPa 平均风速为7 m/s，当对流发展时850 hPa 平均风速迅速增加到15 m/s，925 hPa 平均风速也从5 m/s 增加到7 m/s，两个层次相比较，850 hPa 风速加速最明显。低层西南暖湿气流在加速发展的过程中，低层暖平流随之增强，垂直高度上温度平流发展形成的对流不稳定是该类型中热力不稳定增强的关键。分析表1 中温度平流的变化发现，在对流触发至发展的过程中，暴雨区上空500 hPa 出现非常弱的冷平流，850 hPa 平均温度平流则增强显著，弱的冷平流叠加在强烈发展的暖平流之上，形成“上冷、下暖”的层结，有利于热力不稳定层结增长，对流层中层弱的干冷平流的出现是暴雨和强对流天气形成和维持的一个重要的动力和热力因子[11]，有利于对流凝结潜热的释放，加强环境大气的对流不稳定性。并使对流发展剧烈。

表1 暖区暴雨发生过程中对流触发、发展时对流参数和特征高度平均值

图2 崇阳站风矢量、风速和温度平流演变

图2 给出2016 年6 月29—30 日西南气流型暖区暴雨发生过程中崇阳上空风场（图2a）以及温度平流三维演变图（图2b），初始对流6 月30 日00 时在崇阳附近触发，02—08 时对流发展加强并产生暴雨，从图2a 可看出，对流触发并发展的过程中，崇阳上空为一致的西南气流控制，低空急流在29 日20时—30 日08 时加速显著，850 hPa 风速从10 m/s迅速增加到20 m/s，随着低空急流的发展，低层暖平流发展强烈。从图2b 可以看到对流触发时，低层暖平流主要集中在800~900 hPa，最大值为0.9×10-5s2，随着对流发展加强，低层暖平流发展加强并向上扩展至600 hPa，最大值达到2.7×10-5s2，500 hPa 则由弱暖湿平流演变为弱干冷平流，随着这种“上干冷、下暖湿”的层结的发展和强化，崇阳上空的对流强烈发展，6 月30 日02—08 时产生了102 mm 的大暴雨天气。

3.2 水汽输送特征

这类暖区暴雨天气形势下，由于低空西南急流发展强盛，湖北省南部有源源不断的水汽向湖北省上空输送，低层水汽输送对暖区暴雨的发生发展至关重要。强的水汽输送使得暖区暴雨强度大，降水量相对集中，更容易形成极端降水事件[12]。从对流发展时刻最大暴雨点上空850 hPa 水汽通量平均场（图3a）可以看出，西南气流型暖区暴雨主要有3 个水汽输送通道：一支水汽来源于孟加拉湾，经由北部湾、华南地区进入湖北东部，另外有一支气流来自于南海地区进入华南，并与来自于孟加拉湾的气流汇合后进入湖北省上空，还有一支气流来自于东部沿海，主要在7—8 月副高南侧受台风影响而形成的东南气流，在湖北省南部与上述两支气流交汇进入湖北省东部。在这3 支气流的共同作用下形成了完整的水汽输送通道。对鄂东南暖区暴雨区来说，南边界为强的水汽流入边界，并处于＞200×10-1g/cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量大值区中，北边界为水汽输出区。从水汽通量平均场沿114°E 的径向—高度剖面图看（图2b），主要水汽输送高度位于850 hPa 附近，在强的水汽平流环境中，暴雨区上空整层可降水量增加迅速。初始对流触发时至发展加强，整层可降水量6 h内的增长值一般可达5~10 mm。低空西南急流在强盛发展的过程中，不仅带来了充沛的水汽，对流层低层出现了强的水汽辐合。从水汽通量散度平均场（图3c）可看出，水汽辐合中心与暴雨区对应关系较好，从水汽通量散度平均场沿114°E 的径向—高度剖面图（图3d）可看出，水汽通量辐合主要集中在850 hPa以下，中心强度达到-12×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1。在该型暖区暴雨发生过程中，850 hPa 附近水汽输送通道的建立和850 hPa 以下的水汽辐合区的形成非常有利于暴雨落区的判断。

3.3 垂直风切变特征

图3 850 hPa水汽通量场

本类暖区暴雨发生过程中，由于低层西南风强盛，700 hPa 和850 hPa 风速通常＞14 m/s，由于摩擦作用，越接近地面，水平风速越小，因此，从地面到低空急流所在的高度，存在强的垂直风速切变。大气中风向风速的垂直切变对暖区对流过程的形成、结构演变、强度变化和传播过程都有重大影响。低层垂直风切变有可能是暖区暴雨的重要触发条件[13]。图4a给出2016 年6 月29—30 日崇阳站上空垂直风切变随时间演变图，其中每层垂直风切变数值定义为该层与1000 hPa 风垂直切变。从对流触发到加强（6月30 日02—08 时），崇阳上空垂直风切变有迅速增强的趋势，最大垂直风切变为700 hPa 与1000 hPa之间的垂直风切变，中心值达到20 m/s 以上。Wyss等[14]的观测统计分析指出，3 km 以下的低层风切变对中纬度对流系统的发展最为重要。预报业务中常用0~1 km 和0~3 km 垂直风切变表征低层垂直风切变特征，统计出对流触发时和发展时对流云团上空站点平均0~1 km、0~3 km 垂直风切变的变化特征（图4b）。可以看出，随着暖区对流触发到发展的过程中，0~1 km 垂直风切变和0~3 km 垂直风切变的值均有增大的趋势，对流发展时0~3 km 垂直风切变平均值达到11.6 m/s。图4c 和图4d 分别给出了对流发展时0~1 km 和0~3 km 垂直风切变平均值，可看出对流加强形成暴雨的过程中，暴雨区均处于较大的低层垂直风切变环境中。其中0~3 km 垂直风切变比0~1 km 垂直风切变的指示作用更强，图4d 显示鄂东南暴雨区上空均处于10 m/s 以上的0~3 km 垂直风切变中，其中暴雨频次最大的鄂东南南部区域最大值可达18 m/s 以上。对于本类暖区暴雨，相比0~1 km 垂直风切变，0~3 km 垂直风切变更具有指示意义。

3.4 动力启动及加强特征

图4 崇阳站垂直风切变

图5 平均纬向风数值（色斑）及流线沿114°E 的径向—高度剖面（a）和平均纬向风流线及散度（色斑）沿114°E 的径向—高度剖面（b）

本类暖区暴雨发生过程中，低层西南气流中风速辐合是主要的动力触发系统，对流触发后发展加强的过程中，暴雨区上空低层风速迅速增大形成急流，暴雨区北侧通常存在一支高空急流，高低空急流相互耦合作用是有利于暖区暴雨发生发展的重要动力加强机制[15]。从该类型暴雨上空平均垂直环流以及纬向风沿114°E 的径向—高度垂直剖面（图5a）可以看出暴雨区上空低空急流（LLJ）主要位于800~900 hPa，中心值14 m/s 以上，高空急流（ULJ）中心主要位于200 hPa 左右，中心值26 m/s 以上，位于低空急流的北侧，垂直方向上有一支横跨LLJ 的径向垂直环流，从低层倾斜上升，到200 hPa 高空急流右后侧转向南折，在18°N 附近下沉，然后再折向北，从而形成高低空急流耦合激发的北面上升、南面下沉的垂直反环流。高低空急流耦合导致暴雨区上空产生强烈的上升运动。同时200 hPa 高空急流位于暴雨区的北侧，暴雨区南侧是一支偏北气流，因此导致暴雨区上空200 hPa 形成分流区，产生强烈的辐散气流（图5b），散度最大值可达8×10-5s-1，此外，从图5b 可看出暴雨区上空700~900 hPa 出现明显的辐合，最强辐合中心主要位于850 hPa 附近，最大强度为-6×10-5s-1，低层辐配合高层辐散产生了强烈的上升运动。综上所述，在此类暖区暴雨发生的过程中，高低空急流耦合是导致暴雨产生强烈上升运动的主要原因之一。

4 结论

本文选取湖北省2010—2018 年16 个西南气流型暖区暴雨过程，从时空分布特征、环境场特征等方面对该类型暖区暴雨相关特征进行分析，揭示了该类暖区暴雨形成的物理机制，得出如下结论。

（1）该类型暖区暴雨主要发生6—7 月，发生频率较大区域位于鄂东南南部区域，暴雨强度较大，容易形成极端暴雨。该类型暖区暴雨发生的过程中，低空急流是最主要的影响系统，随着低空急流的发展，低层有强烈的暖平流向暴雨区上空输送，同时中层500 hPa 附近有小股弱干冷平流形成，使得暴雨区上空形成“上干冷、下暖湿”的对流不稳定层结，这是本类暖区暴雨的主要热力不稳定增长机制。

（2）低空急流输送暖平流的同时，也将充足的水汽向暴雨区上空输送，水汽输送通道主要有3 条，分别来自于孟加拉湾的西南气流、来自于南海的偏南气流和副高西侧台风系统所造成的东南气流，水汽输送的高度主要位于850 hPa 附近，同时暴雨区上空形成明显的水汽辐合，水汽辐合的区域中心则位于850 hPa 以下。随着水汽输送的加强，整层可降水量增长迅速。

（3）本类暖区暴雨发生过程中，0~1 km 垂直风切变和0~3 km 垂直风切变的值均有增大的趋势，其中暴雨区上空0~3 km 垂直风切变平均值可到11.6 m/s 以上，对暴雨区的指示作用更显著。本类暖区暴雨的动力启动系统是低层风速辐合，而动力加强机制则是来自于高低空急流耦合，高低空急流耦合的过程中，促使次级环流形成，增强上升运动。