湖州市气象局，浙江 湖州

收稿日期：2022年6月17日；录用日期：2022年7月12日；发布日期：2022年7月19日

摘要

本文基于观测资料，欧洲中心第五代大气再分析资料(ERA5)从两者环流背景、物理量场等方面对发生在2021年夏季河南郑州7月20日(简称“7.20”过程)和浙江湖州8月11日(简称“8.11”过程)的两次极端性暴雨过程进行了对比分析，结果表明：1) 两次降水过程均发生在副高边缘，且都有三支气流在本地交汇形成气旋式涡旋，但“7.20”过程中低层切变更强，范围更大，维持时间更长，且低层还存在超低空急流，因此天气剧烈程度、影响范围、极端性也比“8.11”过程更强。2) 两次过程整层湿度条件均较好。在强降水发生时段，都表现为高层水汽辐散，低层水汽辐合，但“7.20”过程低层水汽辐合区持续时间更长，中心辐合区强度更强。3) 两次过程均有高层辐散，中低层辐合区相配合，但“8.11”过程倾斜度小，整层配合更好。在强降水时段，两者与低层强辐合区对应较好，“7.20”过程辐合中心强度更强。4) 两次过程垂直速度分布与强天气发生有一定的对应关系，垂直速度最强时段对应降水效率最高时段。“8.11”过程垂直上升运动高度虽不及“7.20”过程，但是强度较大。而“7.20”过程表现在垂直上升运动维持时间较长，强上升运动中心比“8.11”过程更低。

关键词

极端暴雨，气旋式涡旋，散度

Comparison Analysis of Two Extreme Rainstorm Cases

Xuejing Zhou, Wei Tao, Li Ding

Huzhou Meteorological Bureau, Huzhou Zhejiang

Received: Jun. 17^th, 2022; accepted: Jul. 12^th, 2022; published: Jul. 19^th, 2022

ABSTRACT

Based on the national and regional automatic meteorological observation data and the high resolution European central atmospheric reanalysis (ERA5), this paper makes a comparative analysis of the two extreme rainstorm cases that occurred in Zhengzhou, Henan Province on July 20 (referred to as “7.20” process) and Huzhou, Zhejiang Province on August 11 (referred to as “8.11” process) in the summer of 2021 from the aspects of their atmospheric circulations background and physical quantities. As shown by the results: 1) Both processes occurred at the edge of the Subtropical high, and three air streams converged locally to form cyclonic vortices. However, in the “7.20” process, the low-level shear line is more significant and lasts longer. In addition, there are ultra-low level jets at the lower level, so the weather intensity, influence range and extremes are stronger than those in the “8.11” process. 2) The humidity conditions of the whole layer of the two processes are good. In the occurrence period of heavy precipitation, both of them show high-level water vapor divergence and low-level water vapor convergence. However, in the “7.20” process, the duration of the low-level water vapor convergence area is longer, and the intensity of the convergence center area is stronger. 3) Both processes have high-level divergence and low-level convergence, but the inclination of “8.11” process is relatively small, and the whole layer coordination is better. In the period of heavy precipitation, the two correspond well to the low-level strong convergence area, and the intensity of the convergence center in the “7.20” process is stronger. 4) In the two processes, the distribution of vertical velocity has a certain corresponding relationship with the occurrence of strong weather, and the strongest period of vertical velocity corresponds to the highest period of precipitation efficiency. Although the height of the vertical upward movement in the “8.11” process is lower than that in the “7.20” process, the intensity is greater. However, the “7.20” process showed that the vertical upward movement lasted longer, and the strong upward movement center was lower than the “8.11” process.

Keywords:Extreme Rainstorms, Cyclonic Vortices, Divergence

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1. 引言

暴雨既可是长持续时间降水累积导致，也可以由于短时强降水造成。暴雨是我国主要灾害性天气之一，频繁发生的暴雨往往给当地带来不同程度的灾害。因此，对暴雨形成机制和预报方法的研究，一直都是天气预报工作的重点。而致灾性极端暴雨过程一般都伴有极端性的短时强降水天气，特别是近年来在全球变暖背景下，极端降水事件的频率和强度都有上升趋势 [1]。

近年来，许多学者都对极端强降雨水进行研究。王倩 [2] 研究指出异常偏强、偏北的副热带高压以及增强的南亚高压与东亚地区极端降水事件直接相关。丁一汇 [3] 研究认为东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端强降水过程中起着关键的作用，环流的异常及其相伴随的季风水汽输送带的北推加强，是造成北方持续性大暴雨的重要原因。郑丽娜 [4] 对黄河、黄淮以及江淮气旋型暴雨过程进行分析，指出对流层高层多为辐散场或高空急流入口区的右侧，低层多有低涡配合；当有低空偏南风急流出现时降水量大，反之，则小；暴雨中心均与850 hPa水汽通量散度辐合区，高比湿区及高能舌区三者相叠置的位置相吻合。长期以来的研究表明，绝大部分的暴雨都有急流相伴，急流在暴雨天气中起着至关重要的作用 [5] [6] [7] [8]。凌婷研究表明强降水多位于地面辐合线附近，对应的中尺度风场辐合线是触发对流的有利条件 [9]。姜勇强 [10] 分析指出涡度中心和总变形的VDI (涡旋与变形场的相互作用指数)与降雨中心较为吻合，其大值区和降雨区也较为一致。而对于局地大暴雨，毛冬艳 [11] 对2004年北京7.10暴雨进行了中尺度分析，认为造成强降水的3个雨团在时空尺度上具有中-β尺度系统的特征，不断移入的对流回波是降水的直接制造者，中尺度辐合线和小低压为降水发生提供了有利的触发条件。由于目前观测数据仍不够密集，精细化程度仍有待加强，对于极端降水的预报和研究存在巨大的挑战。

2021年8月11日下午到夜里湖州南浔区、吴兴区东部和北部、长兴中北部、德清东北部及安吉南部山区普降暴雨到大暴雨，南浔和孚、菱湖至德清钟管一带雨量超200毫米，濮溇站最大小时雨强达97.9毫米，和孚站三小时雨强达178.8毫米。由于11日下午强对流云团发展迅速，针对此次天气过程，市气象台傍晚到夜里预警信号连升三级，18时39分将暴雨蓝色预警信号升级为暴雨黄色预警信号，19时23分升级为暴雨橙色预警信号，20时03分升级为暴雨红色预警信号，这是湖州市5年来首个暴雨红色预警信号，同时也是第一次预警信号连升三级。此次天气过程对湖州和孚、织里、菱湖、八里店镇等多家企业、沿街店铺、工地、小区以及部分农业设施发生不同程度的积水。德清新市、钟管镇部分道路和低洼易涝区出现短时积水，对民众生产生活造成了非常大的困扰，同时也造成了一定的积极损失，此次811降水过程在湖州堪称罕见。而在2021年7月17日至22日河南发生特大暴雨，造成数百人死亡以及巨大的经济损失。7月20日仅郑州站单日降水量就达到了552.5毫米，特别是20日16至17时，中尺度雨团快速在郑州附近发展，市区局地小时降水量更是达201.9毫米，突破郑州站历史纪录，也打破了中国大陆2000多个国家占的小时雨量记录。此次暴雨天气过程降水强度大、范围广且地形影响大。

本文通过利用观测资料、欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA-5, https://cds.climate.copernicus.eu/)以及雷达资料对湖州8月11日(以下简称“8.11”过程)与郑州7月20日(以下简称“7.20”过程)两次极端降水过程进行分析，旨在探索极端降水发生发展机制，为极端降水预报以及短临服务提供一定参考。

2. 环流背景分析

暴雨一般是有有利的高低空形势配合而形成的。对于“7.20”过程，20日08时500 hPa天气图中，见图1，副热带高压主体在30˚以北，较常年同期异常偏北。副高南侧为台风“烟花”，“烟花”体积庞大且携带大量水汽，此时其中心风力已达12级，“烟花”北侧偏东气流与副高南部偏东环流叠加形成东南气流。河南中部存在明显的暖切，郑州处于切变中心，此时偏西、西南及东南气流在河南汇聚，在太行山和伏牛山地形的抬升作用下，在郑州附近形成气旋式环流。河南大部湿度在90%以上，北部湿度已接近饱和。700 hPa河南附近为气旋式环流，郑州位于暖切上，暴雨往往发生在此，而850 hPa切变位置稍偏南。925 hPa郑州附近偏东风风速达14 m/s，形成超低空急流。超低空急流是暴雨所需水汽的提供者，同时也是不稳定层结的建立和维持者。此时低层辐合最强地区在郑州南部，与降水区相对应。14时500 hPa暖切、大湿区稳定维持；700 hPa低涡发展，东南风加强形成急流，风速达到20 m/s；850 hPa切变压至郑州附近。20时500 hPa切变中心向向北移至山西附近。

对于“8.11”过程，11日08时500 hPa，见图1，中高纬为两槽一脊天气形势，甘肃至山西一带为浅脊，河北附近有一低槽。副热带高压呈东西向分布，副高脊线位于27˚N附近，湖州处于588线边缘的不稳定地区。700 hPa、850 hPa切变线位于湖州北侧。14时安徽南部有短波槽发展，湖州处于槽前西南气流辐散区，湿度有所增大，中低层切变已南压至湖州上空。20时500 hPa短波槽压至湖州，湿度进一步增大。700 hPa湖州处于气旋式切变中心，偏西、东南、偏北气流在湖州汇集，有利于垂直上升运动。低层切变在湖州稳定维持，有利于降水持续。

两次降水过程均发生在副高边缘，且都有三支气流中部交汇，并在降水区形成气旋式涡旋，但“7.20”过程较“8.11”过程，中低层切变更强，范围更大，维持时间更长，且低层还存在超低空急流，因此天气剧烈程度、影响范围、极端性也比后者更强。

图1. 7月20日08时500 hPa (a)；14时700 hPa (b)及8月11日08时500 hPa (c)；14时700 hPa (d)高空场(等值线)及相对湿度(填色)

3. 物理量对比分析

3.1. 水汽条件

对于“8.11”过程，从850 hPa比湿图中(见图2)可以看出，08时湿舌呈西南-东北向，从江西北部向湖州伸展，湖州处于湿舌前沿(q ≥ 15 g∙kg⁻¹)。随着湿舌进一步朝东北进，14时湖州大部处于湿舌内(q ≥ 16 g∙kg⁻¹)，20时强降雨持续时，全市均处高湿区中，水汽非常充沛，低层925 hPa比湿更是达到18 g∙kg⁻¹。水汽通量散度图中，14时500 hPa湖州西北部为强水汽辐散中心，中心位于德清；20时500 hPa辐散中心东移至湖州上空，对应700 hPa以下均为强水汽辐合中心。由此可见11日整层水汽条件较好，高层辐散，中低层强辐合，且辐合辐散中心均位于湖州上空，倾斜度低，非常有利于上升运动发生维持。

对于“7.20”过程，从比湿场来看，08时850 hPa在郑州附近形成比湿大值中心(q ≥ 15 g∙kg⁻¹)，且全天一直稳定维持，20时低层水汽进一步增大，925 hPa河南中西部湿舌，郑州处湿中心北缘(q ≥ 17 g∙kg⁻¹)。从水汽通量散度上可以看出08时500 hPa河南大部为水汽辐散场，700 hPa水汽辐合中心位于郑州，14时500 hPa在山西南部至河南西北部存在水汽辐散中心，郑州东侧为辐合区西侧为辐散区，对应降水大值区在东部，郑州南侧为辐散中心。中低层为水汽辐合中心与高层辐散中心对应，郑州附近为水汽通量大值区。

综上所述，两次过程整层比湿条件都非常好，低层都存在比湿大值中心，水汽含量充沛。在强降水发生时段，两次过程都表现为高层水汽辐散，低层水汽辐合，但“7.20”过程低层水汽辐合区持续时间更长，中心辐合区强度更强，与水汽通量大值区对应较好。

图2. 7月20日14时850 hPa (a)；14时925 hPa (b)；8月11日20时850 hPa (c)；20时925 hPa (d) 水汽通量散度(等值线)及水汽通量(填色)，7月20日08时925 hPa (e)；8月11日20时925 hPa (f) 比湿场

3.2. 动力条件

从涡度和散度分析来看(见图3)，08时500 hPa正涡度中心位于郑州附近，850 hPa郑州东侧为辐合区，正涡度中心位于郑州南侧；14时500 hPa及700 hPa正涡度中心向北移动，郑州处辐散区。850 hPa正涡度中心北移至郑州北部，与辐合中心重合，涡度中心发展强烈，中心值达57S⁻¹。925 hPa与850 hPa对应较好，郑州处在辐合与正涡度中心南侧，而郑州站小时雨量破极值时刻正好与之相对应。20时低层辐合明显减弱。

由此可见，14时起850 hPa以下辐散场，且此时正涡度发展最为猛烈，对应700 hPa以上为辐散区，高层辐散，低层强辐合，对强降水提供了极好的动力条件。

对比湖州“8.11”过程，08时500 hPa辐合中心位于安徽境内，湖州为弱辐散区；14时500 hPa为强辐散区，中心位于安吉。700 hPa强辐合中心与辐散中心重合，中心位于湖州西侧。20时500 hPa辐散加强达最强盛，辐散中心移动至德清，对应中低层700 hPa以下为一致辐合区。辐合及正涡度中心最强出现在850 hPa，散度中心值达−16S⁻¹，涡度中心强度为26S⁻¹。

涡度和散度场对比中可以发现，“8.11”过程高层为辐散场，中低层均为辐合上升区，且倾斜度小，而“7.20”过程降水中心与涡度大值区对应较好，降水效率最高时段对应低层强辐合区，强度较“8.11”过程更强，但中高层配合稍差于“8.11”过程。

图3. 7月20日14时500 hPa (a)；14时850 hPa (b)；14时925 hPa (c)及8月11日20时500 hPa (d)；14时850 hPa (e)；14时925 hPa (f)涡度(填色)及散度(等值线)

以涡度中心分别对两次过程垂直速度剖面，可以看出在11日20时垂直上升最强区出现在湖州东部，且从1000至300 hPa都为上升运动区，最大上升运动中心位于700至500 hPa，低中心值低于−9 Pa∙s⁻¹，与强降水区域对应较好。

从20日垂直速度剖面中来看(见图4)，08时起郑州一带均处于垂直上升运动中，持续时间较长。特别是16时垂直上升速度最强区域出现在112.5˚E附近，即在郑州附近，从1000至150 hPa均为上升运动区域，大值区出现在1000至600 hPa附近，中心强度在−4 Pa∙s⁻¹左右，此时正好同郑州小时雨量最大时段相吻合。

两次过程垂直速度分布与强天气发生有一定的对应关系，垂直速度最强时段对应降水效率最高时段。“8.11”过程垂直上升运动高度虽不及“7.20”过程，但是强度较大。而“7.20”过程表现在垂直上升运动维持时间较长，强上升运动中心较前者偏低，主要集中在中低层。

图4. 7月20日16时(a)；8月11日20时(b)垂直速度剖面图

4. “8.11”过程雷达资料分析

从8月11日17时湖州双偏振雷达反射率因子产品上可见(见图5)，安徽宁国西部“逗点”状回波呈明显气旋性旋转特征，位于杭州到嘉兴一带的回波也呈现明显的气旋性旋转。至18时，已经有较强回波在湖州东部平原生成，并逐渐加强，19时相邻回波发生合并，并且在桐乡一带出现新的旋转中心。此后，旋转回波保持旋转且少动，滞留3至4个小时后减弱东移。17时雷达速度图上，约1.5 km以下偏西风控制，雷达站处于切变线北侧偏东控制下区域，1.5 km以上3 km以下的雷达站区域则处于明显的径向风速辐合区。

图5. 2021年8月11日湖州(仰角反射率因子(a)；17时1.5˚ (b)；19时1.5˚，径向速度(c) 17时2.4˚)

对应涡度和散度分析场，17时925 hPa上，正涡度中心与宁国西部“逗点”状回波相对应，辐合区域刚好位于湖州境内，利于回波新生；18时辐合区域少动，但是正涡度区域向辐合区域靠近且中心明显加强，利于回波新生并加强；19至20时，正涡度区域向辐合区域进一步靠近接近重叠且中心继续加强，从动力、水汽条件上都利于回波新生并加强。

5. 总结与讨论

本文通过对两次极端暴雨过程进行分析，得出以下结论：

1) 两次降水过程均发生在副高边缘，且都有三支气流在本地交汇形成气旋式涡旋，但“7.20”过程较“8.11”过程，中低层切变更强，范围更大，维持时间更长，且低层还存在超低空急流，因此天气剧烈程度、影响范围、极端性也比后者更强。

2) 两次过程整层湿度条件均较好。在强降水发生时段，都表现为高层水汽辐散，低层水汽辐合，但“7.20”过程低层水汽辐合区持续时间更长，中心辐合区强度更强。

3) 两次过程均有高层辐散，中低层辐合区相配合，但“8.11”过程倾斜度小，整层配合更好。在强降水时段，两者均与低层强辐合区对应较好，“7.20”过程辐合中心强度更强。

4) 两次过程垂直速度分布与强天气发生有一定的对应关系，垂直速度最强时段对应降水效率最高时段。“8.11”过程垂直上升运动高度虽不及“7.20”过程，但是强度较大。而“7.20”过程表现在垂直上升运动维持时间较长，强上升运动中心比“8.11”过程更低。

5) 雷达资料分析可知，“8.11”过程强降雨落区与正涡度中心对应较好。

文章引用

周雪婧,陶 威,丁 丽. 两次极端暴雨过程对比分析
Comparison Analysis of Two Extreme Rainstorm Cases[J]. 自然科学, 2022, 10(04): 522-529. https://doi.org/10.12677/OJNS.2022.104064

参考文献