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2007年7月8-9日沿淮河河谷的一次暴雨过程中尺度分析

张小玲，矫海燕，陈涛

1.国家气象中心，中国气象局，北京 100081

2. 中国气象局，北京100081

（2009年3月25日接收，2010 年4月8日修订）

摘要

2007年7月8-9日期间，沿梅雨锋边缘持续发展的暴雨云团在淮河河谷地区产生了强降水，并且导致了自1954年以来最为严重的洪涝灾害。通过中尺度分析，结合上层大气的常规与加强观测，以及地面观测站、自动气象站、多普勒雷达和风云-2C气象卫星的资料，现阶段的研究能够诊断出促进暴雨产生的系统发展类型以及中尺度对流系统（MCSs）发生的环境条件。

分析表明，这次暴雨过程经历了三个阶段。第一阶段（阶段Ⅰ）是由一个生命期为北京时间（以下都指北京时间）7月8日02:00-17:00、处于对流层底层的中alpha;尺度的风切变引起的。第二阶段（阶段Ⅱ）表征为在7月8日17:00至7月9日02:00期间降雨率的减小和低层涡旋结构的形成。第三阶段中，一个结构清晰、成熟发展的中alpha;尺度涡旋在7月9日02:00-08:00期间带来集中性降水。卫星和雷达的观测表明阶段Ⅰ中有一个后向发展的MCSs（在系统后方产生新的对流云团），到阶段Ⅲ已成前向发展，并且在阶段Ⅱ中出现螺旋结构的对流带。

这次的强暴雨是由一个低层中尺度锋面持续引起的，水平尺度大约在300km（属于梅雨锋的一部分），产生于靠近阜阳市的淮河河谷和安徽省的上游地区，并在中下游地区逐渐消失。在很高的CAPE（对流有效位能）值的环境条件下，低层的气流辐合会使得气流抬升，出现上升运动并触发对流系统。

关键词：暴雨，中尺度对流系统，风切变，低涡

引用：张小玲，矫海燕，陈涛。2010：2007年7月8-9日沿淮河河谷的一次暴雨过程中尺度分析。气象科学，24（3），365-379.

1、介绍：

淮河河谷地区（接下来简称为HRV）位于黄河和长江流域之间，覆盖了中国中东部的四个省份（湖北、河南、安徽和江苏）。HRV的年降水量通常在800-900mm之间，大部分降水发生在六月和七月的梅雨时节。准静止锋从长江及HRV一直延伸到日本西南部，沿着锋面往往会产生很多降水，甚至带来洪涝灾害。2007年6月30日至7月10日，HVR中上游地区产生了总降水量超过400mm的降水，而中下游地区的降水量也超过了300mm。大范围的强降水导致了自1954年以来最为严重的洪涝灾害。

HRV18个测站的平均日降水量表明，本次暴雨过程中经常发生强降水，7月8日的降水过程最为严重（图1a）。HRV地区到7月9日08:00结束的时候，沿着淮河降水带的狭长地区24小时降水量已超过100mm，而安徽西部地区的24小时降水的最大量超过了200mm（图1b）。在这次强降水过程后，淮河地区的第一水坝王家坝的水位比洪涝预警水位高了1.8m。本文主要研究7月8日至9日发生的降水过程。

图1：（a）HRV地区统计的从2007年6月29日至7月11日的日降水量（mm）；（b）到2007年7月9日08:00结束的24小时的累计降水量（mm）。HRV的平均降水量数据来自于气象站57181、57089、57193、57290、57297、58005、58015、58208、58102、58122、58221、58203、58215、58027、58144、58138、54929和54938。

梅雨锋是目前在东亚被广泛研究的天气现象之一。部分研究指出，多种尺度是梅雨锋的一个鲜明特征（例如，Akiyama，1990；Ninomiya和Akiyama，1992；丁，1993；李和陈，1997）。与梅雨锋相关的集中降水往往伴随着长时间的中尺度扰动（Ninomiya and Akiyama，1992；Ninomiya，2001;陈等人，1998.2000；张等人,2004）。方（1985）指出了有利于中尺度云团发展的形成和发展的环境条件。长江流域地区梅雨季节期，云团的水平尺度可达400-1000km，这是由于空气的低空辐合，辐合带来了很大的假相当位温theta;se，而对流层低层处湿度很高，温度和露点温度差T-Tdle;4℃，即对流不稳定度的梯度也很大。对流层上层有大范围的气流辐散，促进了垂直气流的循环。孙等人在2002年（2005）依据中国强降水实验和研究（CHeRES）的观测和分析，提出了梅雨锋强降水的多尺度概念模型。它表明某些中beta;尺度对流是由数个中gamma;尺度对流单体组合成的，而这样的中beta;尺度对流体往往是在一个中alpha;尺度对流系统中发展的。

由于观测条件的限制，最近许多关于梅雨锋降水的研究以模拟过程为基础。成和冯（2001）和贝等人（2003）运用中尺度模型模拟了1998年7月20-21日、位于湖北武汉地区的致洪降水过程。他们的研究都提到了中beta;尺度对流系统的具体结构和形成过程。通过诊断分析和几次模拟，王和倪（2006）提出，向东移动的MCS和一系列沿着风切变的低涡促成了2003年HRV一次强降水。而张等人（2006）则是研究了2003年HRV一次强降水过程的模拟中不同降水参数对结果的影响。

在中国，随着气象观测系统的改进，基于可观测数据的中尺度分析已成为可能。图2标出了HRV和附近地区的观测站和雷达站的分布情况。

图2：观测站的位置分布

此地特设六台无线电探空仪来提供一天两次的常规探测（08:00和20:00），六台多普勒雷达来提供每6分钟一次的径向速度和反射率数据。数百个常规地面观测站和自动气象站可以每10分钟一次提供地表气压、温度、湿度、风和降水量资料。另外，风云-2C和风云-2D气象卫星可以每15分钟提供一次遥感观测的资料。

通过资料分析，赵等人（2007）提出，2007年的梅雨季中，一些与中尺度强云团有关的中尺度涡旋和MCS连续地发展，带来HRV的强降水甚至洪涝。研究表明，在梅雨锋带来的暴雨过程中，MCSs有两种发展模式（陈等人，1998,2000；冯等人，1993；张等人，2004；贝等人，2003；刘等人，2005；孙等人，2005）。一种是前向发展，另一种是后向发展。在前向发展的过程中，新的MCSs在前一个MCS的东部（前部）形成，1991年HRV的致洪降水过程符合这种发展模式（陈等人，1998,2000；冯等人，1993）。后向发展的过程中，连续的单体在已存在的单体的西部（后方）形成并且逐步与之合并（张等人，2004；贝等人，2003；刘等人，2005），2003年HRV的降水过程符合这种发展模式（孙等人，2006）。

研究表明， 1991年和2003年两次降水过程中存在有两种不同的MCS发展模式。因此，在2007年7月8-9日的降水过程中，针对MCS的发展模式、结构和环境条件做了研究。针对覆盖面积约为600km*500km的HRV及毗邻地区，我们将主要运用大气探测、气象站、卫星和雷达的观测资料来进行中尺度分析。

本文的内容格式如下：在第二部分将会给出在研究中运用的数据资料，在第三部分将会对7月8-9日的暴雨系统进行介绍，而产生MCS的暴雨系统和中尺度环境的分析将在第四部分进行。最后将在第五部分总结这次暴雨过程的主要发现并进行一些讨论。

2、数据

主要通过常规和加密观测资料、自动气象站、雷达和风云-2号卫星获取资料，情况如下：

（1）结合来自中国气象局（CMA）大约2400个气象站的资料，并利用从2007年6月29日至7月11日的日降水量记录以及7月8-9日的时降水量记录估测出了HRV降水的时间和空间分布情况。

（2）运用阜阳和合肥提供的双多普勒雷达数据，诊断出新兴的中尺度对流团的形成过程。对流团的尺度大约在5km*5km，生命期约为6分钟。

（3）每10分钟获取一次来自HRV及附近地区约1500个自动气象站的地表气压、温度、露点温度、风向和风速的数据。这些数据用于分析诊断有利于暴雨产生的环境条件的时间空间发展情况。

（4） 风云-2C卫星以0.1°* 0.1°的分辨率探测来自云顶红外辐射的有效温度（TBB），并每30分钟送回一次数据，这些数据可以用来检测MCS的发展和移动情况。

（5）7月8日02:00、14:00及9日02:00时这三个时间点并没有对应的探测观测数据，因此采用来自美国NERP/NCAR以1°*1°的水平分辨率对全球区域观测提供的再分析数据，以6小时为单位，诊断低涡系统。

3、7月8-9日暴雨系统的特征

图3表明7月8日08:00、14:00、20:00时和7月9日02:00、08:00、14:00时对应的6小时累计降水量。在7月8日02:00到08:00期间，安徽中西部地区沿着淮河流域出现了强降水，阜阳附近地区的最大6小时降水量超过148mm。另一强降水系统在淮河下游离岸地区发生。在7月8日08:00-14:00期间，阜阳附近的降水有增强的趋势并且一直扩大到了HRV。区域内约有100mm的降水量，安徽省的淮河上游地区降水更多（图3b）。7月8日14:00-20:00期间，最少降水量已超过了100mm，而降水主要集中在淮河的中上游地区。在8日20:00-9日02:00期间，降水逐渐减弱，而强降水地区逐渐向淮河中下游移动。然而，在接下来的6小时内，降水再一次大范围地增强，其6小时降水量超过了100mm，安徽与江苏省交界地区最大降水量为164mm。到了9日08:00-14:00时，HRV尤其是中下游地区，降水开始显著减弱。

图3：（a）7月8日08:00结束的6小时累计降水量（mm）；（b）7月8日14:00；（c）7月8日20:00；（d）7月9日02:00；（e）7月9日08:00；（f）7月9日14:00 （g）7月8日02:00-17:00的小时平均降水量（mm）；（h）7月8日17:00到7月9日02:00；（i）7月9日02:00-08:00。超过15mm的小时平均降水量在图g-i中做出了标记。小时降水量数据取自于中国气象局自动气象站。

时间分布图来看，降水的发展过程是一个循环：7月8-9日期间，暴雨系统在淮河地区上发展，减弱，再生成，最终消散。在四次过程中，观测的天气站表现出了几个不同的中尺度系统（图4）。在与产生发展的时候，8日02:00-14:00的925hPa处的气象站观测除了从HRV上游一直延伸到中游的风切变。在雨逐渐减小的期间，8日20:00左右一个气旋式气流逐步取代了风切变，9日02:00左右则是出现了一个中尺度的低涡。暴雨在中下游地区逐渐增强，低涡结构慢慢地沿着HRV移动。在850hPa-700hPa的风场中也可以看到类似的情况（图无）。

从3小时地表风和气压场的演变情况中也可以看出，在湖北、河南和安徽省底部有一个风切变，低压中心在8日17:00前从湖北东北部和河南东南部开始发展。在这过程中，HRV上游地区的降水量已达15mm/h或更多，在两个自动气象站甚至出现了30mm/h（图3g）。8日17:00以后，在湖北东北部、河南东南部和安徽西部出现多个低压中心和辐合中心（图5g-h）。9日02:00时，气旋和低压控制了HRV的中上游西区（图5i）。8日17:00到9日02:00期间，降水量略有减小到少于15mm/h（图3h）。9日02:00之后，地表低压中心和气旋结构向东移动（图5j-k）并且降水随之有所增强（图3i）。

图4：（a）7月8日02:00时925hPa的水平风（m/s）的风场分布情况；（b）7月8日08:00；

（c）7月8日14:00；（d）7月8日20:00；（e）7月9日02:00；（f）7月9日08:00。（a）、（c）、（e）的数据来自于VCEP/NCAR，其他数据来自于中国气象局。黑线表示了风切变的情况，“D”代表了低涡中心。

从图3-5分析来看，HRV地区7月8日02:00-7月9日08:00的降水情况总共分为了三个阶段。阶段Ⅰ，8日02:00-17:00期间，降水由一个在对流层低层的中alpha;尺度的风切变引起。阶段Ⅱ，8日17:00-9日02:00期间，受中尺度的低涡系统发展的影响，降水有所减少。阶段Ⅲ，9日02:00-08:00期间，受到结构清晰、成熟发展的低涡系统的影响，产生了密集降水。

这三个阶段的降水系统表现出了一些明显的特征。图6表示出了暴雨系统的生成、发展和移动路径，一次的生命期大约为3h，降水量达到10mm/h。在第二阶段，暴雨系统1-3逐渐形成，而暴雨系统4-5才刚刚开始；在第三阶段，暴雨系统6-7刚刚开始形成，并且在低涡系统逐渐移出主要地区后系统8才开始形成。所有的暴雨都是在阜阳市开始形成并且在上游地区连续发展最终在中下游地区逐渐消散的。第一阶段和第三阶段的五个暴雨系统都有很长的生命期，超过了10小时。除了系统4和8向南传播以外，其他的暴雨系统都基本沿着向东的方向移动。

图5：7月8日02:00到7月9日08:00的3小时地面风（m/s）和气压（hPa）情况。黑线表示了地表上气流辐合的情况，数据来自于中国气象局地表观测站。

图6：7月8-9日暴雨系统生成、发展和移动路径的草图。暴雨系统1、2、3、6和7的生命期超过了10小时，而系统4、5、8则保持了不到5小时。小的数字和大的数字分别代表了系统生成和消散的地点。标记◆的地方代表了阜阳市。

4、MCS的特征及相关的中尺度环境。

第3部分的分析表明，本次降水过程中，在低涡形成前、形成时和形成后的不同阶段各自对应不同的暴雨系统，因此这部分将会以三个阶段为划分，主要介绍中beta;尺度的暴雨系统形成和发展的过程及其各自有利的发展条件。

4.1 阶段Ⅰ

图7a-f表示了MCS的发展过程，在第一阶段中，其有效温度值低于-52℃。在7月8日05:00时，一个中beta;尺度系统水平移动或停滞不动，直到数个小对流系统在其周围生成发展并随着中beta;尺度对流系统一起沿着路径持续移动。这种发展模式会

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