摘要：

極端降水對河流防洪調(diào)控、水庫蓄水泄洪等具有重要的影響，研究極端降水成因成為強(qiáng)化區(qū)域洪水資源管理的必要環(huán)節(jié)?；诙嘣从^測資料和ERA5再分析資料，利用HYSPLIT 后向軌跡模式和鋒生強(qiáng)度診斷等方法，對2023年8月26日夜間宜昌市致洪中尺度極端降水成因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：① 此次極端降水過程關(guān)鍵影響系統(tǒng)為低空急流、超低空急流、邊界層冷空氣和中尺度低渦。強(qiáng)降水可以分為中尺度低渦新生、低空急流發(fā)展，冷暖對峙、冷鋒南下，低渦中心東移3個階段。② 此次過程中低層主要有4條暖濕輸送通道，強(qiáng)降水區(qū)水汽通量超800 kg/（m·s），可降水量超70" mm。③ 強(qiáng)降水時段低層相對渦度正值中心與垂直速度負(fù)值中心基本重合，加之鋒生作用增強(qiáng)，強(qiáng)降水中心低層垂直速度達(dá)-7.1 Pa/s。④ 強(qiáng)降水時段，地形過渡帶附近形成θse（假相當(dāng)位溫）能量鋒區(qū)，垂直方向上出現(xiàn)高能舌，800 hPa附近中心強(qiáng)度達(dá)360 K以上。⑤ 中尺度地形形成了“西北冷干、東南暖濕”中尺度溫濕鋒區(qū)，并起到了阻擋抬升和觸發(fā)作用，使強(qiáng)降水出現(xiàn)在山前喇叭口內(nèi)。研究成果可為汛期區(qū)域洪水資源管理策略制定提供依據(jù)。

關(guān)" 鍵" 詞：

極端降水； 超低空急流； 邊界層冷空氣； 中尺度鋒區(qū)； 地形作用； HYSPLIT后向軌跡模式； 宜昌市

中圖法分類號： P426.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.012

收稿日期：

2024-01-18

；接受日期：

2024-05-05

基金項(xiàng)目：

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2023AFD106）；三峽局地氣候監(jiān)測項(xiàng)目（SK2023019）；湖北省氣象局科技發(fā)展基金項(xiàng)目（2023Y13）

作者簡介：

成" 勤，女，高級工程師，碩士，主要從事氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警及其影響評價(jià)工作。E-mail：550992002@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0088-10

引用本文：

成勤，王清龍，孟芳，等.

宜昌市致洪中尺度極端降水成因分析

［J］.人民長江，2024，55（7）：88-97.

0" 引 言

全球氣候變暖引起全球水循環(huán)過程加劇，加快全球降水量再分配［1］，不僅導(dǎo)致季風(fēng)區(qū)極端降水顯著增強(qiáng)［2］，而且極端降水增加的速度整體快于平均降水，導(dǎo)致降水的年內(nèi)變率增加，從而給區(qū)域水資源管理帶來挑戰(zhàn)［3］。極端降水容易在短時間內(nèi)形成洪水，是引發(fā)山洪、泥石流等災(zāi)害的重要因素，也是影響洪峰的關(guān)鍵因素，最大1 h降水對洪峰流量的貢獻(xiàn)率達(dá)40%以上［4］。中國極端降水事件的頻率和強(qiáng)度均呈增加趨勢，但區(qū)域差異顯著，其中長江中下游地區(qū)極端降水有增加趨勢，主要表現(xiàn)在降水量、降水強(qiáng)度和持續(xù)時間的增加3個方面［5］。

充沛的水汽和天氣系統(tǒng)是造成極端降水不可缺少的條件［6-7］。長江中下游地區(qū)極端降水常常與西南通道（南亞季風(fēng)）、南海通道（南海季風(fēng)）和東南通道（東南季風(fēng)）水汽異常偏多有關(guān)［6-7］。長江中下游地區(qū)形成極端降水的天氣系統(tǒng)有高空槽、低渦、切變線、低空急流等［8-9］。中尺度對流系統(tǒng)（MCS）往往是極端強(qiáng)降水的直接制造者［10］，其組織和結(jié)構(gòu)演變、移動以及傳播特征是能否形成極端性降水的核心問題［11］。低空急流與MCS的觸發(fā)和演變關(guān)系密切［12］，低空西南暖濕氣流加強(qiáng)和西南急流脈動，有利于暴雨增強(qiáng)和發(fā)展。中尺度超低空急流將低層的暖濕空氣向MCS 發(fā)生區(qū)域輸送，與冷池出流共同作用，進(jìn)一步加強(qiáng)低層輻合，有利于強(qiáng)降水的維持和增強(qiáng)［13-14］。在MCS 的發(fā)生、發(fā)展過程中，復(fù)雜地形起到觸發(fā)或增強(qiáng)作用，影響著降水的分布和強(qiáng)度［15］，造成極端強(qiáng)降水［11，15-16］。

2023年8月26日夜間發(fā)生了大暴雨至特大暴雨，造成長江多條支流出現(xiàn)洪峰。不同于梅汛期典型暴雨過程［17］，此次降水過程對應(yīng)的天氣尺度系統(tǒng)較弱，且受地形影響顯著，預(yù)報(bào)難度大。本文將從天氣系統(tǒng)演變、關(guān)鍵物理量特征和地形作用3個方面來分析此次致洪中尺度極端降水的成因，以期提高極端降水中短期預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率和提前量，以便及時采取有效應(yīng)對措施。

1" 資料與方法

1.1" 研究區(qū)域概況

宜昌市為三峽大壩、葛洲壩等國家重要戰(zhàn)略設(shè)施所在地，被譽(yù)為“世界水電之都”，也是長江中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境屏障，對于長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)和長江大保護(hù)具有重要的作用。宜昌市地處長江上游與中游的結(jié)合部、鄂西秦巴山脈和武陵山脈向江漢平原過渡的地帶，地形復(fù)雜，高低相差懸殊，地勢自西北向東南傾斜，形成了“喇叭口”地形（圖1）。境內(nèi)河網(wǎng)密布，均屬長江流域，包括長江上游干流水系、長江中游水系、清江水系、澧水水系等。除長江、清江干流外，集雨面積在30 km2以上的境內(nèi)河流有164條，占境內(nèi)集雨面積的91.5%，河網(wǎng)密度為0.24 km/km2。由于獨(dú)特的地形地貌特征，宜昌地區(qū)強(qiáng)降水局地性和突發(fā)性強(qiáng)、活動規(guī)律多變、成因復(fù)雜、次生衍生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高［18-20］，給水資源科學(xué)調(diào)度和防洪抗災(zāi)增加了難度。

1.2" 數(shù)據(jù)來源

本文使用的資料包括：① 2023年8月26日08：00至27日20：00（北京時，下同）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF） ERA5 再分析資料，水平空間分辨率為0.25°× 0.25°，時間分辨率為1 h，變量包括位勢高度、溫度、比濕、水平風(fēng)場、相對渦度、散度、水汽通量等［21］，并由溫度、比濕計(jì)算假相當(dāng)位溫（θse），用于分析中尺度系統(tǒng)及動力、熱力條件演變。② 2023年6月27 日08：00、20：00宜昌站探空資料，用于分析宜昌市上空大氣環(huán)境條件變化。③ 宜昌市逐小時自動氣象站資料，包括小時降水量、氣溫、露點(diǎn)等，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。④ 由全球定位系統(tǒng)GPS信號和地面氣壓、氣溫計(jì)算的垂直積分水汽總量，又稱可降水量（precipitable water vapor，PWV），結(jié)合水汽散度等物理量，用于分析強(qiáng)上升、輻合運(yùn)動以及水汽輸送情況［22］。⑤ 美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心全球資料同化系統(tǒng)GDAS分析場資料，來源于美國國家海洋和大氣管理局，時間精度為1 h，水平分辨率為1°×1°，垂直方向21 層，包括位勢高度、溫度、風(fēng)、比濕等要素，用于分析氣流運(yùn)動軌跡。

1.3" 研究方法

將600～900 hPa上大于12 m/s的風(fēng)視為低空急流，將900 hPa以下大于12 m/s的風(fēng)視為邊界層急流［23］。

HYSPLIT是一種研究大氣傳輸和擴(kuò)散的模式，采用拉格朗日方法，利用移動的參考系對擴(kuò)散等過程進(jìn)行計(jì)算［24］，可以確定氣團(tuán)的來源。利用HYSPLIT 后向軌跡模式分別對“喇叭口”內(nèi)宜昌站（30.71°N，111.3°E）上空500，1 000 m和1 500 m處的氣團(tuán)進(jìn)行后向軌跡模擬，來反映水汽的輸送路徑?？紤]到偏東氣流建立和西南氣流加強(qiáng)的時間，每條軌跡模擬時長設(shè)置為12 h，時間分辨率為1 h。

鋒生強(qiáng)度可以通過鋒生函數(shù)進(jìn)行定量的診斷分析，鋒生函數(shù)［25-26］可以表示為

F=ddt

SymbolQC@ θ=F1+F2+F3+F4

（1）

式中：F為鋒生函數(shù)，t為時間，θ為位溫。右端4個強(qiáng)迫項(xiàng)F1、F2、F3、F4分別為非絕熱加熱項(xiàng)、散度項(xiàng)、變形項(xiàng)和傾斜項(xiàng)，表達(dá)式分別為

F1=1

SymbolQC@ θ

SymbolQC@ θ·

SymbolQC@ dθdt

（2）

F2=-12

SymbolQC@ θθx2+θy2θx+θy

（3）

F3=-1

SymbolQC@ θ12θx2-θy2·ux-vy+

θxθyvx+uy

（4）

F4=-1

SymbolQC@ θθpθxωx+θyωy

（5）

當(dāng)F＞0時，對應(yīng)鋒生，F(xiàn)＜0時，對應(yīng)鋒消。

2" 雨情及水情

2023年8月26日夜間250 mm以上的強(qiáng)降水區(qū)主要位于宜昌市南部的五峰土家族自治縣（以下簡稱五峰）和宜昌市中部地形過渡帶上（圖2）。本次降水時間集中、降水強(qiáng)度大、累計(jì)雨量大，形成了一次極端暴雨事件。8月26日20：00至8月27日08：00，宜昌市境內(nèi)共近1/3站點(diǎn)累計(jì)雨量大于100 mm，最大累計(jì)雨量達(dá)312.3 mm。最強(qiáng)降水時段為26日23：00至27日08：00，最大小時雨量達(dá)81.8 mm，王家畈、楓香坪、仁和坪、大栗樹站累計(jì)雨量近300 mm，均突破各自建站以來日雨量極值。極端降水造成黃柏河、漁洋河等出現(xiàn)洪峰，漁洋河水位超歷史實(shí)測最高水位0.2 m；全市28條中小河流均出現(xiàn)漲水過程，多條河流出現(xiàn)超警戒水位，最大漲幅5.13 m，最大超警戒水位1.44 m；多個水庫先后泄洪；全市約11萬人受災(zāi)，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)嚴(yán)重內(nèi)澇。

3" 天氣系統(tǒng)及環(huán)境場特征

3.1" 天氣系統(tǒng)演變

2023年8月26日200 hPa南亞高壓東伸，湖北省位于南亞高壓東部，為偏西氣流和偏北氣流的分流區(qū)，為暴雨的發(fā)生提供了良好的高空輻散條件。500 hPa歐亞高緯地區(qū)維持典型的兩槽一脊，中高緯以西風(fēng)為主，配合著中國東北的低渦轉(zhuǎn)動，引導(dǎo)東路冷空氣南下。中緯度高原槽在陜西—四川上空維持，槽前小波動北收東移，引導(dǎo)中路冷空氣南下。中低層700～925 hPa西南渦發(fā)展東移，低渦前部偏南暖濕氣流發(fā)展，與華北高壓底部的濕潤偏東急流在鄂西交匯，為強(qiáng)降水區(qū)提供源源不斷的水汽。同時地面上四川至湖北省西部存在暖低壓帶，形成西南—東北向的暖倒槽。26日夜間，隨著低渦東移和冷鋒緩慢南壓，宜昌市南部發(fā)生極端強(qiáng)降水，根據(jù)影響系統(tǒng)不同，強(qiáng)降水可以分為3個階段：中尺度低渦新生、低空急流發(fā)展，冷暖對峙、冷鋒南下，低渦中心東移。

3.1.1" 低空急流發(fā)展階段

2023年8月26日23：00前后500 hPa川東大槽加深，槽前環(huán)流平直，引導(dǎo)氣流變?nèi)酰▓D3（a））。中低層西南渦緩慢東移，渦后北風(fēng)與暖濕氣流共同作用［27］，在西南渦東側(cè)切變線上激發(fā)出新的β-中尺度低渦，中心位置位于恩施北部（圖3（b）、（c））。宜昌市中低層暖濕氣流增強(qiáng)，850 hPa東南風(fēng)達(dá)到12 m/s，925 hPa東風(fēng)達(dá)到8 m/s，低層垂直風(fēng)切變增大。

2023年8月26日23：00至27日02：00，地面氣壓進(jìn)一步降低，有利于低層南風(fēng)氣流加強(qiáng)。低渦前側(cè)700 hPa西南風(fēng)達(dá)到14 m/s，850 hPa南風(fēng)急流達(dá)14 m/s，925 hPa形成超低空急流，偏東風(fēng)達(dá)12 m/s。急流與中尺度低渦產(chǎn)生正反饋［8，16］，二者強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。中低層垂直風(fēng)切變增大，風(fēng)場隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，更有利于暖濕空氣的輸送［28］。在急流頂端水汽和動力條件好，五峰東部至宜都中南部有多個對流單體活動，對流中心雷達(dá)組合反射率為45～55 dBZ（圖3（d）），造成上述地區(qū)3 h 50～90 mm降水，最大小時雨量為64 mm。

3.1.2" 冷鋒南下階段

2023年8月27日02：00前后500 hPa主槽位置穩(wěn)定，高空槽前有小波動?xùn)|移，引導(dǎo)冷空氣南壓。低渦北側(cè)冷空氣與強(qiáng)盛暖濕氣流交匯，形成西南東北向輻合線，925 hPa輻合線自長陽東部，經(jīng)宜昌城區(qū)、夷陵區(qū)延伸至遠(yuǎn)安一帶（圖3（e）、（f）），27日05：00前后中尺度低渦中心由恩施東移至五峰中南部，925 hPa輻合線移至五峰東部—宜都南部—枝江（圖3（g）、（h）），造成五峰中西部、長陽東部、夷陵區(qū)北部、遠(yuǎn)安等輻合線以北地區(qū)20～40 mm降水。輻合線以南的“喇叭口”內(nèi)低層氣流偏東分量加大，呈逆時針流動，與“喇叭口”北端的北風(fēng)對峙，旋轉(zhuǎn)性增強(qiáng)，造成多個對流系統(tǒng)沿五峰東部—宜都中南部—枝江西部—宜昌城區(qū)—夷陵區(qū)中西部移動，產(chǎn)生列車效應(yīng)［11］（圖3（i）），累計(jì)雨量大。27日02：00～06：00上述地區(qū)4 h累計(jì)雨量達(dá)100 mm以上，其中宜都位于低渦前部和南風(fēng)急流頂端，出現(xiàn)150 mm以上降水，最大小時雨量為77 mm。

3.1.3" 低渦中心東移階段

2023年8月27日06：00～08：00時700 hPa暖切北段形成閉合低渦環(huán)流，向東北移動，低層北風(fēng)增大。宜昌市南部位于低空急流和超低空急流頂端，850 hPa

的低渦中心輻合增強(qiáng)，水汽輸送及輻合條件好［27-28］（圖3（j）、（k））。強(qiáng)對流區(qū)主要在五峰東部至宜都南部的低渦中心附近和西側(cè)的冷切上，對流中心雷達(dá)組合反射率為45～55 dBZ（圖3（1）），降水效率高，2 h累計(jì)雨量50～100 mm，局部達(dá)160 mm，五峰楓香坪站1 h滑動雨量達(dá)103 mm。27日08：00 500 hPa槽前南風(fēng)減小，700 hPa轉(zhuǎn)為西風(fēng)，850 hPa中尺度低渦東移至宜昌市東南部，地面受鋒后冷氣團(tuán)控制，宜昌市大部降水減弱。

3.2" 環(huán)境場演變特征

2023年8月26日08：00宜昌站850 hPa以下為東南風(fēng)，850 hPa露點(diǎn)和比濕分別為17.7 ℃和14.96 g/kg，850 hPa以上為西南風(fēng)，其中700 hPa風(fēng)速達(dá)12 m/s，露點(diǎn)和比濕分別為10.4 ℃和11.29 g/kg，K指數(shù)達(dá)38.7 ℃，濕層厚度達(dá)9.5 km，本地水汽和水汽輸送條件均較好。不穩(wěn)定和能量條件較差，沙氏指數(shù)SI為-0.19，對流有效位能CAPE為179.25 J/kg。

隨著暖濕氣流持續(xù)增強(qiáng)，8月26日20：00（圖4）能量條件和不穩(wěn)定條件轉(zhuǎn)好，CAPE增長至485.23 J/kg，呈“細(xì)長型”分布特征，SI為-0.99，最有利抬升指數(shù)BLI為-2.3，有利于強(qiáng)降水發(fā)生［24］。水汽條件進(jìn)一步轉(zhuǎn)好，暖濕氣流維持，濕層厚度增至1.2 km，其中暖云層厚度達(dá)4.83 km，抬升凝結(jié)高度僅295 m，K指數(shù)達(dá)40.6 ℃。垂直風(fēng)切變增強(qiáng)，尤其是0～3 km垂直風(fēng)切變SHR3為11.2 m/s，有利于低層水汽向上傳輸和系統(tǒng)組織化發(fā)展。26日夜間隨著暖濕氣流發(fā)展和低渦系統(tǒng)東移，水汽和動力條件還將進(jìn)一步轉(zhuǎn)好，有利于極端降水發(fā)生。

上述分析表明，此次極端降水過程，高空槽位置穩(wěn)定，槽前有弱波動?xùn)|移，宜昌地區(qū)位于高空槽下游偏東的位置，其影響系統(tǒng)尺度與強(qiáng)度均不及典型的天氣尺度系統(tǒng)［16］，低空急流、超低空急流和中尺度低渦等是強(qiáng)降水的關(guān)鍵影響系統(tǒng)，中尺度地形起到了阻擋抬升的作用，并與急流綜合作用［29］，使強(qiáng)降水出現(xiàn)在山前“喇叭口”內(nèi)，以下將重點(diǎn)診斷產(chǎn)生極端降水的水汽、動力、熱力條件，詳細(xì)討論地形對降水的作用。

4" 降水關(guān)鍵物理量特征

4.1" 水汽條件

4.1.1" 水汽路徑

降水系統(tǒng)水汽來源與對流層低層系統(tǒng)密切相關(guān)［23，29］，由2023年8月27日04：00宜昌市上空500～3 000 m高度12 h后向氣流軌跡（圖5）可知，本次極端降水有4個方向的重要水汽輸送路徑。500 m高度處為東風(fēng)氣流，自荊門經(jīng)當(dāng)陽流入；1 000 m高度處為東南氣流，自荊門或荊州經(jīng)枝江繞流進(jìn)入“喇叭口”內(nèi)；1 500 m高度處南風(fēng)氣流轉(zhuǎn)為東南氣流；3 000 m高度處為強(qiáng)盛西南氣流，風(fēng)速最大、軌跡最長，起點(diǎn)位于貴州省東部。從邊界層到對流層中低層，風(fēng)向順轉(zhuǎn)，有利于暖濕氣流的水平和垂直輸送［28］。27日04：00湖南省北部至湖北省中部整層水汽通量達(dá)700 kg/（m·s）以上，其中宜昌市南部至東部整層水汽通量達(dá)800 kg/（m·s）以上。

4.1.2" 可降水量

從2023年8月26日23：00至27日08：00整層可降水量（圖6）演變可知，湖南省北部至湖北省中部有西南—東北向可降水量大值區(qū)維持，宜昌市大部地區(qū)可降水量為60 mm以上，“喇叭口”內(nèi)可降水量維持在70 mm以上。結(jié)合水汽通量散度和850 hPa流場可知，水汽輻合中心與低渦切變系統(tǒng)基本重合，可降水量大值區(qū)位于水汽輻合中心東南側(cè)。03：00～05：00南北風(fēng)對峙，以輻合線為分界線，兩側(cè)可降水量梯度加大，西北側(cè)可降水量降至50～60 mm，東南側(cè)水汽輻合增強(qiáng)，水汽通量散度達(dá)-0.007 kg/（m2·s），可降水量維持在70 mm以上，其中04：00宜昌站可降水量達(dá)82 mm，有利于強(qiáng)降水發(fā)生。

4.2" 動力條件

4.2.1" 輻合抬升作用

高層輻散有利于低層低值系統(tǒng)發(fā)展，低層強(qiáng)烈的上升運(yùn)動為水汽和能量輸送提供動力條件［30］。從200 hPa散度來看，對流層上層有輻散運(yùn)動，2023年8月26日夜間輻散中心位于宜昌地區(qū)，有利于低層上升運(yùn)動發(fā)展。從26日23：00至27日08：00 850 hPa的相對渦度、垂直速度和流場分布上可以看出，對流層低層上升運(yùn)動強(qiáng)烈。其中26日23：00前后正渦度中心與負(fù)速度中心在宜昌市中部形成，正渦度中心與負(fù)速度中心基本重合，主要位于中尺度低渦中心和切變線上；27日03：00～05：00，垂直上升運(yùn)動增強(qiáng)，大值中心緩慢東移南壓；27日05：00前后宜昌市東南部上升運(yùn)動最強(qiáng)，相對渦度達(dá)8.2×10-4 s-1，垂直速度達(dá)-7.1 Pa/s。

從8月26日20：00至27日20：00強(qiáng)降水中心單點(diǎn)（30.169°N，111.299°E）相對渦度、垂直速度和水平風(fēng)場時間序列（圖7）可以看出，26日23：00至27日04：00，強(qiáng)降水中心正渦度區(qū)和負(fù)速度區(qū)主要集中在800 hPa以下的對流層低層，相對渦度為2×10-4s-1，垂直速度為-1.2～-0.6 Pa/s。27日04：00～08：00，隨著低渦中心東移過境，相對渦度陡增，正渦度區(qū)呈傾斜結(jié)構(gòu)，自地面伸展至400 hPa附近，大值中心位于850 hPa附近，中心值達(dá)6×10-4 s-1。負(fù)速度區(qū)與正渦度區(qū)重疊度高，上升速度大值中心位于700～850 hPa，中心值達(dá)-4.8 Pa/s，上升運(yùn)動劇烈且深厚，為強(qiáng)降水發(fā)生提供了必要的動力條件。

4.2.2" 鋒生作用

探空和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2023年8月26日白天甘肅—河南一帶存在高空鋒區(qū)，700 hPa和850 hPa鋒區(qū)兩側(cè)武都站和四川達(dá)川站溫差分別為7℃和4℃，地面上四川至湖北省西部的暖低壓帶向東發(fā)展，形成西南—東北向的暖倒槽。26日夜間，冷空氣進(jìn)一步南下，鋒區(qū)兩側(cè)溫度梯度增大，地面冷鋒入暖倒槽。由850 hPa鋒生函數(shù)F分析結(jié)果（圖8）來看，26日23：00起北風(fēng)增大，鋒生作用明顯，27日02：00～07：00鋒生

作用進(jìn)一步增強(qiáng)，形成南北向大值區(qū)并緩慢東移，中東部的觸發(fā)和抬升作用進(jìn)一步增強(qiáng)［26］。

4.3" 不穩(wěn)定條件

假相當(dāng)位溫（θse）是綜合表征大氣溫度、濕度和壓力的物理量，能反映大氣能量的分布，其水平和垂直分布變化與對流系統(tǒng)的觸發(fā)和發(fā)展關(guān)系密切［27］。2023年8月26日夜間受暖濕氣流發(fā)展影響，能量和熱力條件轉(zhuǎn)好，“喇叭口”內(nèi)邊界層θse維持在350 K以上，在地形過渡帶附近形成θse能量鋒區(qū)。隨著宜昌市東部邊界層偏東急流建立和西北部冷空氣南下，南北θse梯度增大，鋒區(qū)增強(qiáng)，潛在對流不穩(wěn)定增強(qiáng)［31］，有利于強(qiáng)對流觸發(fā)和降水增強(qiáng)。從強(qiáng)降水中心單點(diǎn)（30.169°N，111.299°E）時間剖面圖（圖9）可以看出，26日夜間垂直方向上對流層中下層整體處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著暖濕氣流增強(qiáng)，低層大氣不穩(wěn)定能量持續(xù)積聚，垂直方向上形成高能舌，向上伸展至800 hPa以上，中心強(qiáng)度達(dá)360 K以上，并在800～950 hPa附近形成垂直能量鋒區(qū)，具有較大的垂直不穩(wěn)定。

5" 地形對降水的作用

5.1" 中尺度鋒區(qū)觸發(fā)作用

邊界層和對流層低層暖濕氣流在向西和向北輸送的過程中，被山地阻擋上升，使得暖濕空氣在山前堆積，山前假相當(dāng)位溫增大，有利于強(qiáng)降水的形成［29］。地面測站顯示2023年8月26日20：00前后，宜昌市中東部地面溫度維持在25～27 ℃，與西部、北部山區(qū)溫差在3～4 ℃，沿地形邊界形成溫度梯度區(qū)。西部山區(qū)與中東部露點(diǎn)溫度等值線密集，西北部山區(qū)露點(diǎn)溫度為20 ℃，中東部露點(diǎn)溫度為24～25 ℃，局部達(dá)26 ℃以上。夜間暖濕輸送加強(qiáng)，擾動溫度梯度增大。“西北冷干、東南暖濕”的中尺度溫度和濕度鋒區(qū)不斷加強(qiáng)，有利于加強(qiáng)暖空氣一側(cè)的上升運(yùn)動和冷空氣一側(cè)的下沉運(yùn)動，有利于對流觸發(fā)［32］。

5.2" 強(qiáng)迫抬升作用

圖10為2023年8月27日03：00 850 hPa和925 hPa風(fēng)場。從圖中可以看出，925 hPa “喇叭口”東部以

東南風(fēng)為主，枝江南部風(fēng)速達(dá)12 m/s，受到地形阻滯和爬升作用［29］影響，向南繞流形成氣旋性切變，風(fēng)速減小；當(dāng)陽以北以東北風(fēng)為主，風(fēng)速約9 m/s；夷陵區(qū)北部為弱北風(fēng)，風(fēng)速約1.5 m/s。三支氣流在夷陵區(qū)西南部、市城區(qū)西部匯合，形成逆時針旋轉(zhuǎn)曲率。850 hPa風(fēng)向和風(fēng)速輻合情況與此類似。

沿圖10中“喇叭口”內(nèi)A（31.103°N，110.889°E）、B（30.606°N，111.454°E）兩點(diǎn)作風(fēng)場、垂直速度和相對渦度垂直剖面，結(jié)果如圖11所示。垂直方向上，925" hPa急流出口區(qū)與850" hPa急流左側(cè)正渦度區(qū)相重合，這種較為深厚的中低層輻合配置使得上升運(yùn)動顯著增強(qiáng)［30］。地形阻擋和急流出口區(qū)輻合的共同作用，使得輻合層由近地面發(fā)展至4 km以上，山前水平相對渦度中心超過6×10-4 s-1，上升運(yùn)動進(jìn)一步發(fā)展至對流層上層，上升運(yùn)動大值區(qū)在2.5 km附近，強(qiáng)度達(dá)-6.4 Pa/s，造成更多水汽凝結(jié)。風(fēng)場隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，更有利于暖濕空氣的輸送［16］，超低空偏東風(fēng)急流的建立和增強(qiáng)有利于邊界層垂直風(fēng)切變增強(qiáng)，促進(jìn)水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)換，進(jìn)而與風(fēng)速水平切變造成的垂直渦度疊加［33］，造成強(qiáng)降水長時間維持。

6" 結(jié) 論

2023年8月26日夜間宜昌市南部出現(xiàn)一次致洪中尺度極端降水事件，造成多條中小河流出現(xiàn)洪峰、多個中小型水庫緊急泄洪。本文對造成極端降水的天氣系統(tǒng)和關(guān)鍵物理量進(jìn)行分析，并討論地形對降水的作用，得出如下結(jié)論：

（1） 本次極端降水過程的關(guān)鍵影響系統(tǒng)為低空急流、超低空急流、邊界層冷空氣和中尺度低渦。其中五峰東部至宜都南部位于低渦移動前側(cè)和低空急流頂端，12 h累計(jì)降水量在300 mm以上。

（2） 引入HYSPLIT 后向軌跡模式，結(jié)合水汽通量和整層可降水量數(shù)據(jù)，診斷水汽條件。發(fā)現(xiàn)本次極端強(qiáng)降水中低層主要有偏東、東南、偏南、西南4個方向的水汽輸送路徑，自低到高呈順時針旋轉(zhuǎn)，有利于暖濕氣流的輸送和強(qiáng)降水維持，強(qiáng)降水區(qū)整層水汽通量達(dá)800 kg/（m·s）以上，可降水量維持在70 mm以上。

（3） 通過鋒生函數(shù)、對流層上層散度和中低層渦度及垂直速度等物理量分布，診斷動力條件。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水時段對流層上層輻散，低層正渦度中心與負(fù)速度中心基本重合，加之強(qiáng)鋒生作用，垂直上升運(yùn)動強(qiáng)。8月27日05：00前后強(qiáng)降水區(qū)相對渦度達(dá)8.2×10-4 s-1，垂直速度達(dá)-7.1 Pa/s。

（4） 通過假相當(dāng)位溫分布和變化來診斷不穩(wěn)定條件，發(fā)現(xiàn)8月26日夜間能量和熱力條件較好，地形過渡帶附近形成θse水平能量鋒區(qū)，垂直方向上形成高能舌，向上伸展至800 hPa以上，中心強(qiáng)度達(dá)360 K以上。隨著宜昌市東部邊界層偏東急流建立和西北部冷空氣南下，南北θse梯度增大，鋒區(qū)增強(qiáng)，潛在對流不穩(wěn)定增強(qiáng)。

（5） 中尺度地形起到了阻擋作用，并與急流綜合作用，山前氣流堆積抬升，造成較為深厚的輻合抬升運(yùn)動，形成“西北冷干、東南暖濕”中尺度溫濕鋒區(qū)，有利于對流觸發(fā)，并沿地形過渡帶形成列車效應(yīng)，使強(qiáng)降水出現(xiàn)在山前“喇叭口”內(nèi)。鄂西地區(qū)中小尺度地形與降水的作用仍有很多未知之處，需要借助現(xiàn)代數(shù)值模擬和遙感技術(shù)深入研究，完善現(xiàn)有概念模型，強(qiáng)化對極端降水前兆信號的追溯，延長降水的預(yù)報(bào)時效，從而預(yù)留出更多的水利調(diào)度和防災(zāi)減災(zāi)時間。

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（編輯：謝玲嫻）

Causes of a flood-causing mesoscale extreme precipitation in Yichang City

CHENG Qin1，2，WANG Qinglong1，2，3，MENG Fang1，2，LI Fang1，2，PENG Fuqiang1，2，LEI Dongyang1，2

（1.Three Gorges National Climate Observatory，Yichang 44300，China；" 2.Yichang Weather Bureau of Hubei Province，Yichang 443000，China；" 3.College of Marine Science and Technology，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：

Extreme precipitation has an important impact on flood control and water dispatch of rivers and reservoirs.Studying the causes of extreme precipitation is a necessary stage to strengthen regional water resources management.Based on multi-source observation data and ERA5 reanalysis data，using HYSPLIT backward trajectory model and frontogenesis intensity diagnosis，the causes of a flood-causing extreme heavy precipitation in Yichang City on the night of August 26，2023，were analyzed.The results indicated that： ① In this extreme precipitation process，the low-level jet，super low-level jet，boundary layer cold air，and mesoscale vortex were the key influencing systems.The heavy rainfall period could be divided into three stages： the formation of the mesoscale vortex and the development of low-level jets，the confrontation between the cold and warm streams and the southward movement of the cold front，and the eastward movement of the vortex center.② There were four main warm and wet transport channels in the middle and lower layers of the process，which made the water vapor flux in the heavy precipitation area over 800 kg/（m·s） and PWV （Precipitable Water Vapor） over 70 mm.③ During the heavy rainfall period，the positive vorticity center and the negative velocity center basically coincided，the frontogenesis was enhanced，and the vertical ascending motion was strong，the vertical velocity at the lower level reached -7.1 Pa/s.④ During the heavy rainfall period，the θse energy front zone was formed near the terrain transition zone，the high-energy tongue was formed in the vertical direction，and the center of 800 hPa θse reached over 360 K.⑤ The combination of mesoscale topography and jet stream formed a mesoscale temperature and humidity frontal zone of “northwest cold and dry，southeast warm and wet”.The terrain played a role in blocking the uplift and triggering so that heavy rainfall appeared in the front of the mountain.The research results could provide a basis for formulating regional water management strategies during the flood season.

Key words：

extreme heavy precipitation； super low-level jet； cold air in the boundary layer； mesoscale frontal zone； influence of topography； HYSPLIT backward trajectory model； Yichang City