上海市奉贤区气象局，上海

收稿日期：2023年8月15日；录用日期：2023年9月13日；发布日期：2023年9月20日

摘要

本文利用上海市气象自动站实况资料和NECP的FNL (1˚ × 1˚，逐6小时)再分析资料，对2022年4月13日上海市强对流天气过程进行了诊断分析。结果发现：此次上海强对流过程是在春季江淮气旋形成和发展中所造成的。850 hPa上江淮气旋形成，在气旋和切变线经过区域，冷暖空气交汇，强对流天气触发；700 hPa垂直速度场上存在一个垂直上升运动大值区，该垂直上升运动中心与对流云系发展强盛区对应；水汽方面，上海925 hPa上形成两条水汽输送带，水汽通量大值区靠近长江出海口。不稳定条件方面，上海市上空存在上干冷、下暖湿的不稳定层结；中低层风垂直切变大，0℃层高度为3.5 km，有利于强降水的发展。从比湿场来看，强比湿出现层次较低，所以本次强对流过程是由动力条件和不稳定条件主导的。

关键词

江淮气旋，西南涡，强对流

Diagnostic Analysis of a Strong Convictive Weather Process of Spring in Shanghai

Zhengda Wang, Jia Xu, Jibing Guo, Le Zhang, Liangwen Yin

Shanghai Fengxian Meteorological Service, Shanghai

Received: Aug. 15^th, 2023; accepted: Sep. 13^th, 2023; published: Sep. 20^th, 2023

ABSTRACT

Using FNL reanalysis data (1˚ × 1˚, every 6 hours) from NECP and automatic observation data from Shanghai Meteorological Services, a strong convective weather process in Shanghai on Apr. 13th, 2022 is diagnostically analyzed. The results show that this strong convective weather process is mainly caused by the formation and development of Jianghuai cyclone in spring. In 850 hPa, Jianghuai cyclone is formed, cold and warm air are converged in the area where the cyclone and shear line pass, by which strong convective weather is triggered. There is a large region of fast vertical ascent motion in the vertical velocity field of 700 hPa, which corresponds to the strong development of convective cloud system. Two water vapor conveyor belts are formed on Shanghai in 925 hPa, and the large water vapor flux area is close to estuary of the Yangtze River. In terms of unstable conditions, there are unstable layers of dry-and-cold upper layer and warm-and-humid lower layer above Shanghai. In addition, the vertical wind shear of the middle and low layers is large and the height of the 0˚C layer is 3.5 km, which is conducive to the development of heavy precipitation. The level of strong specific humidity is lower on the vertical specific humidity field, which indicates that this convective weather process is dominated by dynamic conditions and unstable conditions.

Keywords:Jianghuai Cyclone, Southwest Vortex, Strong Convection

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

江淮气旋属于温带气旋的一种，不少江淮气旋就是由于西南涡东移引起的，易出现短时强降水和雷雨大风等强对流天气 [1] 。强对流天气具有影响范围小、发展速度快、持续时间短的特点，它的发生常伴有雷暴、短时暴雨、冰雹、强风(龙卷风)等灾害性天气。因此，雷暴大风产生机理和预警预报一直是灾害性强对流天气研究的重要内容。秦丽等 [2] 、赵瑜等 [3] 、杨庆红等 [4] 研究发现，雷暴大风的生成与层结不稳定、抬升条件触发、垂直风切变等密切相关，中高层干冷、低层暖湿、850 hPa与500 hPa温差大、低层冷空气的渗透等都可以使大气层结不稳定度加大，促使垂直上升运动加强，为强对流天气的发展提供有利条件。马素艳等 [5] 、曲晓黎等 [6] 指出，强对流天气一般都是由中小尺度系统引发的，因而运用卫星和雷达产品更能发现其临近或短时特征。

2022年4月13日上海出现了一次罕见的雷暴、强降水天气过程，本文利用上海市自动气象站常规观测资料和NECP的FNL (1˚ × 1˚，逐6小时)再分析资料，对此次天气的触发机制、环境条件和物理量特征进行分析，以期为本地春季雷暴、强降水等强对流天气的预测预报及监测预警提供参考。

2. 暴雨过程实况

此次强降水过程主要集中在2022年4月13日下午到夜间，4月14日早晨降水过程趋于结束，此次降水过程覆盖整个上海市，大部分地区降水量达到暴雨量级。其中，大暴雨量级的降水主要出现在上海市北部地区，降水以对流性为主，最大累积降水量是158.9 mm，发生在上海市青浦金泽西岑，24小时内，累积降水达到10~50 mm的气象站有4个，达到50~100 mm的气象站有61，超过100 mm的气象站有11个。

3. 暴雨诊断分析

3.1. 天气形势

作为强降水发生、发展的背景，大尺度环流形势的支持十分重要。从200 hPa高层环流场(图1)上可以看到，上海市处于槽前控制，存在南、北两支高空西南急流，其南支位于江西东南部、福建北部和浙江省，北支位于河北中南部、天津南部到辽宁南部，上海市位于南支急流出口区左前侧和北支急流入口区右后侧的高空强辐散区，其辐散流场的作用，对于低层辐合上升运动的加强有一定贡献；同时，存在“阶梯槽”结构，有利于槽的发展、加深 [7] 。

图1. 2022年4月13日14时200 hPa位势高度场(单位：dagpm)

500 hPa上，12日08时(图2(a))，我国中东部为西高东低形势，副热带高压还未进入南海，我国境内四川陕西一带有一北支槽，同时其南侧有一南支槽东移，我国西南地区受该北支槽前西北气流控制，偏北风引导高纬冷空气逐渐向南入侵，南支槽较北支槽往东移动的快，两槽形成错位。同时，我国四川盆地东部有新的西南低涡形成，低涡往南伸出一支低槽，我国江南地区处在南支低槽前，冷暖空气在不断在江南一带交汇，造就了该低涡，造成了13日上海市的强降水。西南涡及其变性体是我国降水，尤其是暴雨形成的主要影响环流之一，其产生、东移、转化与我国中东部及西南地区的降水有着密切的关系 [8] [9] [10] [11] 。4月13日14时(图2(b))，随着西南涡东移，500 hPa上的西南低涡已经减弱为槽，我国大部分地区仍处于槽后西北气流的控制，江南华南一带处于高空槽的前部，来自贝加尔湖的冷空气直接南下，进入我国淮河流域，上海市同时受到西北气流与西南气流的影响，冷暖空气交汇于此处，逐渐形成江淮气旋，产生强对流天气。

700 hPa (图3(a))上同样存在低槽，位置和分布形态基本与500 hPa低槽重合，说明高空槽系统深厚，从850 hPa (图3(b))上的高度场与风场来看，本次降水过程的主要影响系统为西南低涡以及北方的低槽。贝加尔湖东部有冷空气沿中纬度短波槽南下，四川盆地西部有新的西南低涡生成，在上海市附近有江淮气旋形成，中心位于浙江省南部，外围风力超过12 m∙s⁻¹，由高层气流引导东移，在气旋和切变线经过区域，冷暖空气抬升交汇，强对流天气触发。西风槽接连不断东移，为暴雨提供充足动力抬升条件和高层干冷空气入侵，高层干侵入十分有利于对流发展。

图2. 500 hPa位势高度场(a：12日08时；b：13日14时，单位：dagpm)

图3. 2022年4月13日14时位势高度场(a：700 hPa；b：850 hPa，单位：dagpm)

图4. 2022年4月13日海平面气压场(单位：hPa)及锋生函数(填色，a：08时；b：14时)

从地面图(图4)上来看，13日08时(图4(a))，东高西低形势明显，高、低压之间的河北南部有一辐合线，长江流域有一准静止锋，从贵州西南部东伸至江苏省北部，锋前出现低压中心，对应长江中上游一带出现降水，至14时(图4(b))，地面低压区形成江淮气旋，上海市强降水持续。

3.2. 动力条件

垂直方向上风场的散度分布可以反映系统的动力条件，高层辐散产生的抽吸作用有利于上升运动的产生，并引起低层暖湿空气的辐合，辐合抬升后形成云系，并通过水汽凝结释放潜热，进一步加强上升运动，因此强上升运动形成发展旺盛的云系，而低层辐合，高层辐散的风场分布有利于上升运动的加强 [12] 。

由背景场分析可知，此次过程中上海市强降水受500 hPa槽前西南气流影响。13日08 时(图5(a))，700 hPa垂直速度场上东海–华南一带有一个垂直上升运动大值区，该垂直上升运动中心与对流云系发展强盛区对应，即强上升运动有利于云系发展。从850 hPa散度场分布上可以看到，到13日14时(图5(b))，散度大值中心随系统的移动逐渐向东移动，且明显加强。过程中的强降水形成发展过程与槽前高低层风场散度分布有关，云系分布方向低层有辐合中心，高层有辐散中心，加强了上升运动，且200 hPa高空急流的加强使得海上云团强度和槽前减弱云团的入海加强。

图5. 2022年4月13日08时700 hPa垂直速度场(a：填色，单位：Pa∙s⁻¹)及4月13日14时850 hPa散度场(b：等值线，单位：10⁻⁶∙s⁻¹)

3.3. 水汽条件

水汽是形成降水的基本条件之一，水汽来源及其输送是影响降水强度的主要因素，所以在降雨研究过程中，水汽条件一直是的重点问题之一 [13] 。4月13日08时(图6(a))，对流层低层大致形成两条水汽输送带，一条将孟加拉湾及南海的水汽沿西南气流输送至我国华南、江南；一条受副高后部影响将西太平洋暖湿气流沿偏东路径往北输送至我国长江中下游，水汽通量的大值中心集中在华南以及江南一带。13日14时(图6(b))，水汽输送带进一步东移，水汽通量大值区靠近长江出海口，覆盖上海市上空，偏南气流将海面上的暖湿气流带到上海市，水汽输送较为充足。

图6. 2022年4月13日925 hPa水汽通量场(风矢量)及水汽通量散度场(填色) (a：08时；b：14时)

沿上海市暴雨中心作比湿、散度场的纬度–高度剖面(图7)，可以看出，本次上海市强降水过程中，强比湿出现层次较低，大于13 g∙kg⁻¹的强比湿中心出现在925 hPa以下，08时(图7(a))，水汽大值中心出现在浙江、福建一带，之后不断向北推进，至14时(图7(b))，比湿大值中心已到达上海市附近，配合较好的动力条件，产生强降水。

图7. 2022年4月13日比湿(填色，单位：g∙kg⁻¹)及散度场(等值线)沿121.32˚E剖面(a：08时；b：14时)

综上所述，从本次过程中的水汽配置条件来看，有一定的水汽条件输送条件，但由于处于春季，缺少副热带高压的配合，水汽是输送不算非常强烈，所以本次过程是一次由动力条件和不稳定条件主导的强降水过程。

3.4. 不稳定条件

本次上海市的强降水过程具有明显的对流性特征，下文利用4月13日08时上海宝山的探空资料分析大气层结不稳定条件。由图8可知，850 hPa层较干(T-T_d为10℃)，850 hPa以下层较湿(T-T_d ≤ 2℃)，这种上干冷、下暖湿的不稳定层结有利于短时强降水和强对流天气发生 [14] ；925~850 hPa风随高度顺转，低层暖平流较强，850~500 hPa风随高度继续顺转，风速快速增大，200 hPa西南风速达62 m∙s⁻¹，高空急流强辐散引起的抽吸效应有利于加强低层辐合上升运动；中低层风垂直切变大，有利于形成雷暴大风强对流天气(此次过程中，上海市局地出现8级以上短时大风)；0℃层高度为3.5 km，表明存在一定的暖云层，有利于发生高效率强降水。

图8. 2022年4月13日08时上海市宝山基本气象站T-logp图

4. 结论

以上海市气象自动站实况资料和NECP的FNL (1˚ × 1˚，逐6小时)再分析资料为基础，对2022年4月13日上海市强降水过程从实况、环流形势以及动力、水汽和不稳定条件方面进行了诊断分析，得到如下结论：

1) 此次春季强降水过程范围涉及整个上海市，大部分地区降水量达到暴雨量级。其中，大暴雨量级的降水主要出现在上海市北部地区，降水以对流性为主。最大累积降水量为158.9 mm，发生在上海市青浦金泽西岑，24小时内，累积降水超过100 mm的气象站有11个。

2) 环流背景方面，200 hPa上，高层存在南、北两支高空西南急流，上海市位于南支急流出口区左前侧和北支急流入口区右后侧的高空强辐散区，同时，存在“阶梯槽”结构；500 hPa上，西南涡不断东移，同时来自贝加尔湖的冷空气直接南下，进入我国淮河流域，上海市同时受到西北气流与西南气流的影响，冷暖空气交汇于此处；700 hPa上，同样存在低槽，位置和分布形态基本与500 hPa低槽重合，850 hPa上，上海市附近有江淮气旋形成，在气旋和切变线经过区域，冷暖空气抬升交汇，强对流天气触发。西风槽接连不断东移，为暴雨提供充足动力抬升条件和高层干冷空气入侵，高层干侵入十分有利于对流发展；地面场上，东高西低形势明显，高、低压之间的河北南部有一辐合线，长江流域有一准静止锋，地面低压区形成江淮气旋，随着江淮气旋的形成和发展，上海市强降水维持。

3) 动力方面，700 hPa垂直速度场上东海–华南一带有一个垂直上升运动大值区，该垂直上升运动中心与对流云系发展强盛区对应，即强上升运动有利于云系发展。850 hPa散度大值中心随系统的移动逐渐向东移动，且明显加强。过程中的强降水形成发展过程与槽前高低层风场散度分布有关，云系分布方向低层有辐合中心，高层有辐散中心，加强了上升运动，且200 hPa高空急流的加强使得海上云团强度和槽前减弱云团的入海加强。水汽方面，925 hPa上形成两条水汽输送带，水汽通量大值区靠近长江出海口，偏南气流将海面上的暖湿气流带到上海市，水汽条件较为充足，但从比湿场来看，强比湿出现层次较低，所以本次过程是一次由动力条件和不稳定条件主导的强降水过程。不稳定条件方面，上海市上空存在干冷、下暖湿的不稳定层结，低层暖平流较强，高层风速快速增大，200 hPa西南风速达62 m∙s⁻¹，高空急流强辐散引起的抽吸效应有利于加强低层辐合上升运动；中低层风垂直切变大，有利于形成雷暴大风强对流天气；0℃层高度为3.5 km，表明存在一定的暖云层，有利于发生高效率强降水。

致谢

衷心感谢上海市奉贤区气象局的领导和同事们，在论文完成过程中得到了你们无私的帮助，在此深表谢意！

文章引用

王正大,徐 佳,过霁冰,张 乐,殷靓文. 一次上海春季强对流天气过程的诊断分析
Diagnostic Analysis of a Strong Convictive Weather Process of Spring in Shanghai[J]. 气候变化研究快报, 2023, 12(05): 896-903. https://doi.org/10.12677/CCRL.2023.125092

参考文献