2次江淮氣旋暴雨過程的對比分析

吳瓊 劉婷 張波 張淵 王揚

摘 要：利用NCEP1°×1°的再分析數據對2次發生原理不同、路徑不同的江淮氣旋暴雨過程進行對比分析。結果表明：降雨量與氣旋強度呈正比，若氣旋入海再生，雨量增強。正渦度平流和暖平流均有利于氣旋發展，中后期冷平流入侵，氣旋減弱。低層正高層負的垂直螺旋度分布有利于較強降水的發生，隨著氣旋發展，垂直螺旋度向氣旋偏東一側偏移，氣旋減弱階段，垂直螺旋度正值中心抬離地面。2次氣旋的水汽通道不同，但均存在水汽通量的強輻合中心。海上潛熱通量數值大于陸上數值，陸上地面氣旋中心基本在2m潛熱通量大值區。若氣旋入海后存在潛熱通量大值中心，更利于氣旋再生。氣旋移速與500hPa引導氣流的強弱有關，高空輻散場有利于低層減壓，促進氣旋發展。

關鍵詞：江淮氣旋;暴雨;垂直螺旋度;潛熱通量;引導氣流

中圖分類號 P443 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）09-0161-11

A Comparative Analysis of the Heavy Rainstorm Rrocesses of Two Jianghuai Cyclones

Wu Qiong et al.

（Yangzhou Meteorology Bureau， Yangzhou 225000， China）

Abstract：Based on the NCEP 1°×1° reanalysis data， two heavy rainstorms of Jianghuai cyclone with different principles and different routes were compared and analyzed. The results showed that the rainfall was positively proportional to the intensity of cyclone， and if the cyclone was regenerated after entering the sea， the rainfall will also increase. The positive vorticity advection and the warm air advection were beneficial to the development of the ground cyclone， but in the middle and late stages， the cyclone was weakened with the invasion of the cold advection over the cyclone. The vertical helicity degree distribution was positive in the low level and negative in the high layer was conducive to the occurrence of strong precipitation. With the development of cyclone， the vertical helicity degree gradually shifted to the east side of the position of the ground cyclone， in the weakening phase of the cyclone， the vertical helicity degree center rose away from the near ground. The water vapor channels of the two cyclones were different， but both of the cyclones had strong convergence centers of water vapor flux in the development stages. In general， the value of latent heat flux at sea was greater than that at land. On the mainland， the ground cyclone center was basically in the high value area of 2m latent heat flux. When there was a high value center of latent heat flux in the sea after the cyclone entered the sea， the phenomenon of regeneration was more obvious. The velocity of cyclone movement was related to the intensity of guide air flow at 500hPa， the upper level divergence field at 200hPa over the ground cyclone was conducive to the decompression of the lower level and promoted the development of the cyclone.

Key words： Jianghuai cyclone; Heavy rainstorm; Vertical helical degree; Latent heat flux; Guide air flow

江淮氣旋是活動于我國江淮流域的重要天氣系統之一，一年四季均可發生，其中4—8月間活動的江淮氣旋容易給江淮一帶造成明顯的風雨影響，造成暴雨、大風等災害及次生災害。

國內諸多學者對江淮氣旋進行了研究，結合現代氣象觀測數據普遍顯示，江淮氣旋的結構特征常常會隨著氣旋的發生、發展、入海而產生一系列的變化。尹盡勇等[1-2]運用渦度傾向方程診斷了1次氣旋入?？焖侔l展的個例，運用渦度平流、溫度平流和斜壓作用來分析各因子對氣旋入海后的作用。趙玲琳娜等[3]在研究1次引發華北沙塵暴天氣的氣旋進行多種物理量的診斷分析時，指出斜壓強迫是氣旋發展的主要因子。張志剛等[4]利用對位渦、渦度平流和溫度平流的分析，揭示了蒙古氣旋的發生發展機制，研究表明蒙古氣旋是凝結潛熱作用較小的“干氣旋”。翟國慶等[5]對1次江淮氣旋暴雨個例進行數值模擬，研究了地面熱通量與大尺度流型結合對江淮氣旋降水系統的影響，潛熱等非絕熱過程對降水系統的發展有著促進作用。侯定臣[6]在研究2次夏季江淮氣旋的動能平衡過程及其與大尺度環流的關系時，使用準拉格朗日方法計算了氣旋各階段的動能手指及旋轉風、輻散風對動能制造項的貢獻，發現動能的水平輸送主要由高空急流完成，輻散風的動能制造能較好地反應氣旋波的發展趨勢。

本文選取了2次路徑不同、發生原理不同的江淮氣旋過程，利用NCEP1°×1°的再分析數據進行對比分析，以期發現不同江淮氣旋過程中降水及路徑差異產生的原因，為進一步的預報提供參考。

1 發生過程

江淮氣旋多發生于春夏，主要有偏東向路徑和東北向路徑[7]。根據其發生原理可分為靜止鋒波動和倒槽鋒生型2種類型。本文選取了2次春季江淮氣旋過程，其中東北向移動路徑的江淮氣旋產生于2013年5月26日，是倒槽鋒生型。地面氣旋發展過程為：26日8∶00在洞庭湖以北有江淮氣旋生成，在陸地上向東北方向移動，強度先增強再減弱;27日2∶00其強度達到最強，中心最低氣壓為945hPa;27日8∶00—14∶00之間氣旋入海，入海前在陸地上其強度快速減弱;入海后受一定氣旋再生作用，強度減弱的速度放緩，繼續向東北方向移動（圖1）;有一定程度的氣旋入海再生現象（簡稱氣旋1）。

偏東向移動路徑的江淮氣旋產生于2013年6月7日，為靜止鋒波動型。地面氣旋發展過程為：7日2∶00在兩湖盆地有江淮氣旋生成，向偏東方向移動;跟氣旋1相比，氣旋2的移動路徑偏南，移速偏慢。移動過程中氣旋2強度略有波動，在陸地上東移過程中強度逐漸增強，在8日2∶00氣旋強度達到最強，中心最低氣壓為976hPa，8日12∶00后入海，入海后氣旋強度略有加強;有春季氣旋入海再生的現象（簡稱氣旋2）。

對氣旋1（圖2a）進行分析可知，5月26日20∶00 500hPa有較強西風槽東移，槽后冷平流較強，可以分析出1個顯著降溫區，溫度槽落后于高度槽，有利于高空槽的發展;在槽前正渦度平流的減壓作用下，地面倒槽逐漸發展，向東北方向延伸，槽前暖平流有利于地面的進一步減壓，低層和地面逐漸形成閉合低壓中心;且過程中500、700、850hPa均可以分析出較強西南急流，暖平流促進地面氣旋發展，西南暖濕氣流帶來源源不斷的水汽輸送和水汽通量輻合，有利于降水的發生。主要降水集中在氣旋的移動路徑前部。

而氣旋2，6月7日8∶00（圖2b），500、700、850hPa上在長江流域均可分析出范圍較為接近的近乎東西向分布的切變，在切變線的南北兩側分別可以分析出干區和濕區對峙;在低層切變線南側，500、700、850hPa均可分析出西南偏西的急流存在，地面氣旋附近可以分析出1條準靜止鋒。其上空的切變擾動有利于正渦度平流的減壓作用，形成氣旋式環流，西南急流有利于氣旋前部鋒面向北移動，氣旋后部偏北氣流則使后部鋒面向南移動，靜止鋒逐漸發展演變為冷暖鋒，且暖濕氣流有利于形成上升運動、地面氣旋減壓補償氣流，江淮氣旋進一步發展。氣旋主要降水也集中在氣旋的移動路徑前部。

2次氣旋活動有很多相似的地方：在氣旋移動路徑前部，均能分出3h顯著降壓區（3h降壓在1hPa以上），主要降水區均位于中低層切變線的南側，急流的左前方，地面輻合線的附近，且與3h顯著降壓區配合較好，主降水區總體是在氣旋移動路徑的前側。

但是同時也可以發現這2次江淮氣旋氣旋過程也有諸多不同點：發生的原理不完全相同，氣旋1是倒槽鋒生型江淮氣旋，氣旋2是靜止鋒波動型江淮氣旋;移動路徑不同：氣旋1是向東北方向移動的、氣旋2則是向偏東方向移動。

為了進一步對2次江淮氣旋的降水分布和雨強進行分析，本文使用了中國自動站與CMORPH降水產品融合的逐小時、分辨率為0.1°×0.1°的降水量網格數據。

比較2個氣旋從波動到成熟、錮囚和消亡各階段的降水分布和雨強（圖3）可以看出，在氣旋出現閉合環流后，其強降水落區集中在氣旋移動路徑前部，氣旋1主要集中在地面氣旋中心的第1象限（圖3a），氣旋向東北方向移動，氣旋2主要集中在地面氣旋中心的第1象限和第4象限（圖3b），氣旋向偏東方向移動;當地面氣旋中心在大陸上逐漸加強到過程最低中心氣壓值時，其降水量和成熟階段比較略有減弱，但在離氣旋中心有一定距離的近海面上，由于充足的水汽輸送與水汽通量輻合，其降水量比氣旋半徑位于陸地上的降雨量大，該現象在氣旋1和氣旋2中均有所體現（圖3c、d）;當氣旋移入海洋以后，雖然其中心氣壓值有一定程度的氣旋再生現象，但是總的來說，由于水汽通量和水汽通量輻合的減弱，實況降水量逐漸減小，從降水分布情況來看，氣旋1的降水入海后分布在氣旋的第1象限和第4象限，氣旋2的降水入海后主要分布轉而分布在第4象限（圖3e、f）。氣旋入海后氣旋1的再生不明顯（圖3g），而氣旋2有明顯的入海再生的現象，中心氣壓降低的階段也對應著雨量的增加，從7月8日20∶00到9日2∶00，小時雨強明顯增強（圖3h），但是降水落區和氣旋在陸地上時相比，要更加遠離氣旋中心;氣旋進入消亡階段后，降水范圍逐漸縮小和降水強度逐漸減弱。

綜上可知，在波動到成熟階段，隨著氣旋發展，降水量逐漸增強，氣旋1、2由于移動路徑不同，水汽輸送不同，強降水分布略有不同，氣旋1集中在第1象限，氣旋2集中在第1、4象限;氣旋錮囚后降水減弱，且氣旋半徑內海上降水強于陸地;入海后，氣旋1h雨強逐漸減弱，氣旋2有氣旋再生現象，氣旋中心氣壓值降低，小時雨量也有所增強，但離氣旋中心距離比在陸地上遠。

2 對比分析

2.1 渦度平流和溫度平流 為了進一步研究江淮氣旋的發展條件，本文對2次江淮氣旋的中高層渦度平流和低層溫度平流的發展演變也做了一定的分析。

根據準地轉理論中位勢傾向方程（公式1）和ω方程（公式2）可以知道，渦度平流主要使低層系統發展、高層系統移動;溫度平流主要使高層系統發展、低層系統移動，同時通過影響高層系統的發展，對低層系統也有間接的影響。

其中位勢傾向方程在等壓面展開為：

[（?2+f2σ?2?p2）?φ?t=-fvg·?（ξg+f）+f2σ??p]

[（-vg·??φ?p）-f2cpRpσ??pdQdt] （1）

ω方程為：

[（σ?2+f2?2?p2）ω=f??pvg·?（ξg+f）-]

[?2（vg·??φ?p）-Rcpp?2dQdt] （2）

公式1、2中，[φ]為位勢;[f]為地轉參數;[p]為大氣壓;[t]為時間;[Vg]為地轉風;[ξg]為地轉風渦度;cp為定壓比熱容;[R]為靜力穩定度;[Q]為熱量。

氣旋1的500hPa高空槽在東移過程中，地面江淮氣旋發展，氣旋發展初期槽前正渦度平流較強，26日8∶00 16×10-7s-2以上（圖4a），正負渦度平流對分布在地面氣旋位置東西兩側，但負渦度平流強度較正渦度平流稍弱，槽前正渦度平流有利于地面減壓，對氣旋發展起增強作用;27日2∶00（圖4c），氣旋1的中心氣壓達到最低，其上空仍處在正渦度平流中，但平流強度明顯減弱，對地面氣旋的減壓作用也減弱;氣旋入海后27日14∶00（圖4e），仍維持地面氣旋東西兩側正負渦度平流對，除此以外考慮非絕熱加熱也對氣旋入海強度略增強起一定作用;28日2∶00（圖4g）地面氣旋運動逐漸落后于高空槽運動，地面氣旋位置位于槽后的負渦度平流區，氣旋強度逐漸減弱。

不同于氣旋1受西風槽較快速東移影響，氣旋2的500hPa形勢為低渦緩慢東移，與氣旋1相比，其正負渦度平流中心在氣旋發生，發展期分散為若干中心，且平流強度和氣旋1相比要弱（圖4b、d），從實況來看氣旋2的中心氣壓強度確實比氣旋1弱。但是氣旋2強度在入海后的加強情況較氣旋1更明顯，從渦度平流來看，8日14∶00（圖4f），氣旋入海后，在地面氣旋東西兩側緊密分布了正負渦度平流對，且強度明顯增強，位于氣旋上空的正渦度平流有利于地面減壓;9日2∶00（圖4h）渦度對強度減弱。

綜合2次個例的渦度平流診斷情況可以看出，位于氣旋上空的正渦度平流有利于地面氣旋減壓，且渦度平流越強，地面氣旋中心氣壓越低。氣旋入海后的加強在高空渦度平流上也有所體現。當地面氣旋位于負渦度平流下方時，氣旋減弱。

分析氣旋1在850hPa的溫度平流分布可以看出在氣旋發生發展過程中，850hPa上暖平流有利于地面氣旋減壓（圖5a），氣旋發展;但隨著流入冷平流的不斷增強，氣旋上空逐漸轉為冷平流控制（圖5c、e），不利于氣旋發展，氣旋開始減弱;在氣旋消亡階段（圖5g），氣旋上空平流逐漸減弱。

氣旋2的溫度平流較氣旋1弱，地面氣旋發生發展過程中，在850hPa低渦附近有分散性弱正負溫度平流對，但仍以暖平流為主導（圖5b），有利于地面氣旋減壓，氣旋發展;隨著冷空氣不斷入侵，氣旋上空逐漸轉為冷平流控制（圖5d、f），下沉氣流使氣旋趨于減弱;消亡階段（圖5h）850hPa冷平流位于地面氣旋中心偏南約2個緯度，氣旋減弱消亡。

綜合2次個例的溫度平流診斷情況可以看出，在氣旋發展初期850hPa暖平流有利于地面氣旋中心減壓，氣旋發展加強，中后期隨著冷平流入侵，氣旋上空逐漸被冷平流控制，氣旋減弱，逐漸消亡。

2.2 垂直螺旋度診斷 1978年Moffert將螺旋度定義為風速度矢量和渦度矢量點積的體積積分[8]，表示為：

H=[]V·（▽×V）dτ （3）

將風速度矢量和渦度矢量的點乘稱為局地螺旋度，也是氣象上通常所使用的螺旋度，該文選取P—坐標下的垂直螺旋度來作為診斷量，表示為：

Hp[=（?v/?x-?u/?y）·（-ω）][=-ω·ζ] （4）

暴雨需要很強的上升運動將底層的水汽和能量源源不斷輸送到高空，為暴雨的維持提供條件。而渦度是反映氣塊旋轉程度的物理量[9]。垂直螺旋度表征大氣在垂直方向上的旋轉上升和運動特征，不少學者研究表明[10-11]，垂直螺旋度對強對流、暴雨等災害性天氣有一定的預報指示性。

從垂直螺旋度的垂直剖面分析可以看出，對于氣旋1而言，在地面氣旋位置偏東低空存在垂直螺旋度正值中心，且在氣旋發展初期（圖6a），低層正高層負的垂直螺旋度的分布有利于強降水的發生;隨著氣旋發展，垂直螺旋度正值中心逐漸遠離地面氣旋中心（圖6c、e、g），并且正值中心逐漸，離開近地面。

對于向偏東方向運動的氣旋2和氣旋1相比，垂直螺旋度正值中心隨高度有較明顯的向東傾斜;同樣，氣旋2的垂直螺旋度正值中心逐漸遠離地面氣旋中心（圖6b、d、f），在氣旋減弱消亡階段，垂直螺旋度正值中心離開近地面，抬升到700hPa以上（圖6h）。

綜上所述，對于氣旋1和氣旋2垂直螺旋度均隨著氣旋的發展逐漸朝著氣旋運動方向遠離地面氣旋中心;低層正高層負的垂直螺旋度分布有利于較強降水的發生;在氣旋減弱階段，垂直螺旋度正值中心會抬升離開近地面。

2.3 水汽條件 一個地區要發生強降水，除了考慮有暢通的水汽通道源源不斷為系統提供充足的水汽外，還必須考慮各個方向輸送來的水汽能否在此集中起來，因此通過對2次氣旋個例的水汽通量和水汽通量散度[12-13]進行診斷，對水汽條件進行分析。

氣旋1的水汽通道一直是孟灣西南暖濕氣流（圖7a），有1條西南—東北向的水汽通道源源不斷提供西南暖濕氣流。在氣旋發生發展前期，在氣旋上空850hPa存在大范圍強水汽通量輻合，后期氣旋減弱消亡階段，對應上空850hPa轉為水汽通量輻散中心。

在氣旋發生發展期間，水汽通量輻合明顯，且水汽通量輻合中心與小時雨強中心對應較好（圖7c），氣旋入海后（圖7e），水汽通量減弱，水汽通量散度中心數值也減弱，降水減弱，氣旋逐漸趨于消亡（圖7g）。

氣旋2在發展初期有2條水汽通道（圖7b），一條是來自孟灣的西南暖濕氣流，建立西南—東北向水汽通道;第2條是源自東海的東南—西北向水汽通道，隨著氣旋發展，孟灣水汽通道逐漸消失（圖7d），只剩下東海的東南—西北向單一水汽通道。同樣的，在氣旋發生發展前期，在氣旋上空850hPa存在大范圍強水汽通量輻合，氣旋入海初期，水汽通量減弱，水汽通量散度中心數值也減弱，降水減弱，之后氣旋再生，水汽通量略有增強（圖7f），后期氣旋減弱消亡階段，對應上空850hPa轉為水汽通量輻散中心（圖7h）。

可以看出，2次氣旋的水汽通道略有不同，氣旋1自始至終只有來自孟灣的西南暖濕氣流1條水汽輸送通道，而氣旋2前期有來自孟灣的西南暖濕氣流水汽通道和來自東海的東南氣流水汽通道，后期孟灣水汽通道消失，只有來自東海的東南水汽通道。另外，對于2個氣旋個例的地面氣旋上空，在氣旋發生發展階段均存在水汽通量的強輻合中心，與小時雨量中心位置對應較好，在減弱消亡階段，氣旋周圍的水汽通量輻散，降水區域縮小，雨量逐漸減弱。

2.4 潛熱通量分析 在上文對垂直螺旋度的診斷可以發現，在2次江淮氣旋發展過程中，均有強烈的上升運動，根據omega方程可知，影響垂直運動的3個重要因子是溫度平流、渦度平流和非絕熱加熱作用。由于有降水發生，因此非絕熱加熱作用中凝結潛熱釋放對氣旋的發展有一定的影響[14]。

潛熱通量公式：Ee=Lqv

其中：q為空氣比濕，L為凝結潛熱，L=（597.3-0.566t）×4.2J/g，t為攝氏溫度，v為風速。

根據近地面2m的潛熱通量的分布圖可知，海上的潛熱通量數值總體大于其在陸地上的數值，和2個江淮氣旋的中心移動路徑比較后可以發現：氣旋1在26日8∶00（圖8a），地面氣旋低壓中心位于北緯30°，東經112.3°，在近地面2m的潛熱通量分布圖上，該區域處于大陸上潛熱通量的大值中心附近，達到240×103 J·m·（s·kg）-1，隨著氣旋移動發展，地面氣旋中心并不和2m潛熱通量在大陸上的大值中心完全對應，但基本在大值區域（圖8c），氣旋入海后也并未與海上潛熱通量中心對應（圖8e、g），因此氣旋1入海后增強并不十分顯著;氣旋2在發生發展前期與氣旋1類似，地面氣旋中心并不和2m潛熱通量在大陸上的大值中心完全對應，但基本在大值區域（圖8b，d，f），但是氣旋入海后9日2∶00（圖8h），地面氣旋低壓中心位于北緯32°，東經112°，2m潛熱通量對應區域在海上有大值中心與之近乎重合，由于海上的非絕熱加熱的影響使氣旋2得到迅速的發展，氣旋2入海后有明顯的氣旋再生現象。

綜上可見，海上潛熱通量數值總體大于陸上數值。地面氣旋中心并不和2m潛熱通量在大陸上的大值中心完全對應，但基本在大值區域。氣旋入海后如果有海上潛熱通量大值中心配合，則氣旋入海再生的現象更明顯。

2.5 高空急流 觀察2次氣旋個例的移動速度可以看出，氣旋1比氣旋2的移動速度要快，因此對2個氣旋的500hPa高空引導氣流和200hPa高空輻散區（圖略）進行診斷分析：氣旋1，從高空引導氣流來看（圖9a、c、e、g），500hPa上可以分析出顯著的西南風急流，急流核風速可達24m/s以上，氣旋入海后，移速有所減慢，高空500hPa也轉由西南急流逐漸轉為西北風急流;從500hPa散度上來看，輻合輻散并不明顯，分析高空200hPa散度（圖略），在氣旋發生發展前期，在氣旋上空為輻散場，高空輻散有利于低層上升運動，促使地面減壓，有利于氣旋的發展;在氣旋的減弱消亡階段，與氣旋對應的200hPa高空為輻合場，有利于地面增壓，地面氣旋減弱;分析氣旋2的高空引導氣流，也存在偏東風急流，但急流強度比氣旋1弱（圖9b、d、f、h），對應實況，氣旋2的移速也比氣旋1慢;從200hPa散度分布來看，在氣旋發生發展期，在氣旋上空為輻散場，有利于氣旋的發展。

綜上可以看出，氣旋移動的速度與500hPa引導氣流的強弱有關。地面氣旋上空200hPa的高空輻散場低層減壓，促進氣旋發展。

3 結論

（1）2次氣旋活動發生的原理和路徑不同，且氣旋2入海后的再生現象比氣旋1明顯。

（2）氣旋從波動到成熟階段，降水量逐漸增強，強降水分布略有不同，氣旋1集中在第1象限，氣旋2集中在第1、4象限;氣旋錮囚后降水減弱，且氣旋半徑內海上降水強于陸地;入海后，氣旋1雨強減弱，氣旋2有再生現象，氣旋中心氣壓值降低，小時雨量也有所增強。

（3）氣旋上空的正渦度平流有利于地面氣旋減壓，且渦度平流越強，地面氣旋中心氣壓越低。氣旋發展初期850hPa暖平流有利于地面氣旋中心減壓，氣旋發展;中后期冷平流入侵，氣旋減弱。

（4）氣旋1和氣旋2垂直螺旋度均隨著氣旋的發展逐漸朝著氣旋運動方向遠離地面氣旋中心;低層正高層負的垂直螺旋度分布有利于較強降水的發生;在氣旋減弱階段，垂直螺旋度正值中心會抬升離開近地面。

（5）2個氣旋具有不同的水汽通道，但在氣旋發生發展階段均存在水汽通量的強輻合中心，與小時雨量中心位置對應較好。

（6）海上潛熱通量數值總體大于陸上數值。陸上地面氣旋中心位于2m潛熱通量大值區。氣旋入海后如果有海上潛熱通量大值中心配合，則氣旋入海再生的現象更明顯。

（7）氣旋移動的速度與500hPa引導氣流的強弱有關。地面氣旋上空200hPa的高空輻散場低層減壓，促進氣旋發展。

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（責編：王慧晴）