王洪勛

(紹興縣氣象局，浙江紹興312000)

0 引言

暴雨往往伴隨著強(qiáng)降水，浙江省地處江淮流域，年雨量充沛，屬于暴雨、強(qiáng)降水的多發(fā)省份。在暴雨產(chǎn)生的機(jī)制上，前人做了很多工作，過(guò)去的研究指出［1-2］：位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)及位勢(shì)不穩(wěn)定釋放機(jī)制，高低空急流及耦合作用，弱的垂直風(fēng)切變等都是暴雨產(chǎn)生的溫、濕和動(dòng)力條件。而暴雨的發(fā)生往往不只是單一系統(tǒng)，而是幾種尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果［3］，它們的有利配置又決定了暴雨過(guò)程的降水強(qiáng)度。同時(shí)大氣中充足的水汽和水汽的持續(xù)輸送也是形成暴雨和強(qiáng)降水的必要條件［4］。因此其復(fù)雜性不言而喻。由于對(duì)發(fā)生在同一季節(jié)的相似降水過(guò)程對(duì)比研究較少，基于這一想法，本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的分析資料，對(duì)比分析了浙江省發(fā)生在相同季節(jié)不同年份的兩次連陰雨過(guò)程的異同，重點(diǎn)探討了它們的降水特征和形成原因，這對(duì)提高該時(shí)期暴雨的預(yù)報(bào)有重要意義。

1 基本概況

2009年2月14日—3月7日和2010年2月24日—3月 10日兩段時(shí)間里，浙江省(118°E ～123°E，27°N ～31．5°N)都出現(xiàn)了連陰雨天氣，這期間西風(fēng)帶短波槽、切變線和冷空氣活躍，浙江省上空不斷有短波槽和切變線東移，降水長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，暴雨天氣頻繁發(fā)生。在兩次連陰雨過(guò)程中，全省降水量均呈北多南少分布，2009年連陰雨期間(以下簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程Ⅰ)累計(jì)降水量北部地區(qū)150～200 mm，南部普遍100 mm，降水前后共持續(xù)了21 d，雨量集中時(shí)段為2月26日—3月5日，日降水量以小到中雨為主，并含有局地性的暴雨天氣。2010年連陰雨期間(以下簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程Ⅱ)北部累計(jì)降水量200～300 mm，南部地區(qū)普遍150 mm左右，降水共持續(xù)了14 d，降水強(qiáng)度比過(guò)程Ⅰ明顯偏大，日降水量以中到大雨為主，雨量集中時(shí)段在3月1—6日，此段時(shí)間里大范圍的暴雨天氣也頻繁發(fā)生。將兩次過(guò)程的累計(jì)降水量和降水持續(xù)時(shí)間相比較可以看出，在降水總量上，過(guò)程Ⅱ比過(guò)程Ⅰ稍多(圖1)，而在降水強(qiáng)度上，過(guò)程Ⅱ則要明顯強(qiáng)于過(guò)程Ⅰ。

2 環(huán)流背景對(duì)比分析

對(duì)比兩次連陰雨期間的平均位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)可以看出，它們環(huán)流形勢(shì)十分相似：500 hPa亞歐大陸上，都主要呈兩高一低形勢(shì)。烏拉爾山和鄂霍次克海以東分別受兩個(gè)高壓脊控制。在它們之間的我國(guó)是一個(gè)寬廣的西風(fēng)槽［5-6］(圖2)。浙江省(圖2中方框處)500 hPa和700 hPa主要處于槽前西南氣流控制下，850 hPa處于北方干冷氣流和南方暖濕氣流的輻合區(qū)中，地面主要處于冷高壓底部，有倒槽波動(dòng)［7］。不同之處是：500 hPa和700 hPa的西風(fēng)槽強(qiáng)度過(guò)程Ⅱ要強(qiáng)于過(guò)程Ⅰ，過(guò)程Ⅱ浙江省槽前西南氣流風(fēng)速大小和南風(fēng)分量比過(guò)程Ⅰ大。850 hPa氣流交匯區(qū)域中，過(guò)程Ⅱ主要表現(xiàn)為偏北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，過(guò)程Ⅰ主要是偏北風(fēng)和東南風(fēng)的輻合。連陰雨期間浙江500 hPa以及700 hPa盛行的西南氣流，有利于水汽輸送［3］。850 hPa輻合區(qū)的北風(fēng)分量有利于冷空氣南下與暖濕氣流在浙江交匯。同時(shí)500 hPa和700 hPa處于槽前，850 hPa處于冷暖氣流輻合區(qū)，也為垂直上升運(yùn)動(dòng)提供了條件。

3 冷空氣影響情況對(duì)比分析

兩次連陰雨期間不斷有冷空氣影響浙江。圖3可以看出，浙江緯度范圍內(nèi)(27°N～31．5°N)等溫線頻繁呈南北波動(dòng)狀并且比較密集，說(shuō)明冷暖氣流在這里交匯，由于總體上冷空氣較暖空氣強(qiáng)，隨著一次次冷空氣過(guò)程，整個(gè)溫度呈階梯型下降趨勢(shì)。過(guò)程Ⅰ和Ⅱ均存在較明顯的4次降溫和3次回暖過(guò)程。27°N ～31．5°N 緯度帶上等溫線一直比較密集，溫度梯度較大，也說(shuō)明了有鋒區(qū)維持。值得注意的是在具體情況上過(guò)程Ⅰ和Ⅱ有差別，過(guò)程Ⅰ中2月25日以前等溫線南北振幅大，2月26日—3月5日振幅明顯減小，5日以后南北振幅再次加大。這可以理解為，26日以前南下冷空氣較暖空氣強(qiáng)，冷空氣的影響導(dǎo)致了明顯降溫，隨著冷空氣影響逐漸減弱，氣溫有所回升，緊接著又迎來(lái)下一次冷空氣過(guò)程，從降水形成機(jī)制上來(lái)看，冷空氣較暖空氣強(qiáng)，冷空氣南下使溫度梯度加大，鋒生形成降水，因此此時(shí)主要是冷鋒降水，由于南下冷空氣時(shí)間間隔短，降水并沒(méi)有間斷，只是降水強(qiáng)度伴隨冷空氣影響減弱而減弱。而2月26日—3月5日南下的冷空氣比暖空氣稍強(qiáng)，使得冷暖空氣長(zhǎng)期對(duì)峙，氣溫下降緩慢，較強(qiáng)的溫度梯度一直維持，此時(shí)主要是準(zhǔn)靜止鋒降水。聯(lián)系圖3和圖4可以看出，在26日以前，溫度梯度增強(qiáng)和降溫時(shí)間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從實(shí)況分析，梯度減弱的時(shí)段正好對(duì)應(yīng)了降水減弱的時(shí)段。2月26日—3月5日強(qiáng)溫度梯度較穩(wěn)定維持，對(duì)應(yīng)了準(zhǔn)靜止鋒降水時(shí)段，同時(shí)從實(shí)況上分析，這也是過(guò)程Ⅰ的雨量集中期［8］。在過(guò)程Ⅱ中，3月1日前雖然存在溫度的波動(dòng)，但是振幅比過(guò)程Ⅰ小，隨后3月1—6日振幅減小，也存在準(zhǔn)靜止鋒降水。從溫度梯度的分布上來(lái)看，隨著時(shí)間推移溫度梯度逐漸增強(qiáng)，在3日和6日發(fā)展到頂峰，梯度極值要大于過(guò)程Ⅰ中的極值。3月1—6日強(qiáng)梯度區(qū)維持，也對(duì)應(yīng)了準(zhǔn)靜止鋒降水時(shí)段，同時(shí)也是過(guò)程Ⅱ的雨量集中期。

圖3 118°E～123°E 850 hPa平均溫度的緯度時(shí)間分布圖(單位：℃)

頻繁的冷空氣過(guò)程和連陰雨的形成有密切的關(guān)系。冷空氣南下使浙江省溫度梯度增大，鋒生形成降水。雨量的集中時(shí)期主要是冷暖氣流對(duì)峙，強(qiáng)鋒區(qū)較穩(wěn)定維持的準(zhǔn)靜止鋒降水時(shí)段，這個(gè)時(shí)段過(guò)程Ⅱ的梯度比過(guò)程Ⅰ強(qiáng)，是造成兩次過(guò)程雨量差別的原因之一。

圖4 850 hPa 118°E～123°E平均溫度梯度的緯度時(shí)間分布圖(單位：℃/km)

4 兩次連陰雨期的垂直運(yùn)動(dòng)和大氣穩(wěn)定度比較

分別沿118°E，120°E 和122°E 作垂直速度和假相當(dāng)位溫的垂直剖面圖來(lái)分析兩次連陰雨期的垂直運(yùn)動(dòng)和大氣穩(wěn)定度條件。

分析浙江省上空的垂直運(yùn)動(dòng)分布得出：過(guò)程Ⅱ和過(guò)程Ⅰ的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域都主要位于800～300 hPa之間，上升區(qū)所在的高度向北而逐漸增高，浙南地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域所在高度比浙北地區(qū)低，再往南上升運(yùn)動(dòng)區(qū)所在高度繼續(xù)降低，從浙江往北則主要是下沉運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。因此垂直運(yùn)動(dòng)在浙江省呈現(xiàn)近地面層是下沉運(yùn)動(dòng)，中低層是上升運(yùn)動(dòng)的這種垂直配置。垂直運(yùn)動(dòng)的這種分布對(duì)應(yīng)了鋒面抬升的特征，即冷空氣在下，暖空氣在上，暖空氣沿冷空氣斜著向上向北爬升。從風(fēng)向矢量的分布也可以證實(shí)這個(gè)結(jié)論。分析垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，過(guò)程Ⅱ要強(qiáng)于過(guò)程Ⅰ。兩次過(guò)程垂直運(yùn)動(dòng)極值中心都位于浙江緯度上空，但強(qiáng)度不同。圖5可以看出，過(guò)程Ⅱ上升運(yùn)動(dòng)極值中心位于500～400 hPa，中心值-0．3 Pa/s。過(guò)程Ⅰ極值中心也位于500～400 hPa，中心值 -0．15Pa/s，只有過(guò)程Ⅱ強(qiáng)度的一半，而且范圍較小(圖5a方框處)，該區(qū)域基本盛行的是-0．12 Pa/s的上升氣流，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)向上伸展到300～200 hPa，比過(guò)程Ⅱ略低。

圖5 連陰雨期沿120°E流場(chǎng)和垂直速度剖面(單位：Pa/s)

兩次連陰雨期的假相當(dāng)位溫(以下簡(jiǎn)稱(chēng)位溫)垂直分布比較相似，在浙江緯度范圍內(nèi)等位溫線比其他緯度密集，位溫梯度大。過(guò)程Ⅰ中950 hPa以下等位溫線和等壓面近于垂直，950 hPa以上開(kāi)始向北傾斜，與等壓面的夾角大于45°。過(guò)程Ⅱ中950 hPa以下等位溫線稍向南凸出，950 hPa以上開(kāi)始與等壓面呈約45°夾角向北傾斜。因此，在過(guò)程Ⅰ近地面層近于中性層結(jié)，向上是穩(wěn)定層結(jié)。過(guò)程Ⅱ中近地面層屬于弱的不穩(wěn)定層結(jié)，向上是穩(wěn)定層結(jié)。總的來(lái)說(shuō)，過(guò)程Ⅱ的大氣不穩(wěn)定層結(jié)較弱，不穩(wěn)定層向上伸展高度比較低，但大氣不穩(wěn)定性比過(guò)程Ⅰ稍強(qiáng)。

垂直速度和大氣穩(wěn)定度的差異是相互聯(lián)系的，上升運(yùn)動(dòng)是形成降水的必要?jiǎng)恿l件，由于過(guò)程Ⅱ有弱的不穩(wěn)定層結(jié)存在，南下冷空氣不但使暖濕氣流被迫抬升，同時(shí)也作為不穩(wěn)定能量的觸發(fā)機(jī)制，使上升運(yùn)動(dòng)得到增強(qiáng)。因此上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和大氣穩(wěn)定度的差異是造成過(guò)程雨量和降水強(qiáng)度差異的原因之二。

5 兩次連陰雨期的水汽輻合和水汽輸送特征

連陰雨的形成離不開(kāi)充足的水汽輸送和水汽在降水區(qū)的持續(xù)性輻合，下面討論兩次連陰雨過(guò)程的水汽輻合和水汽輸送特征。設(shè)V是全風(fēng)速的大小，g是重力加速度，假定是常數(shù)。q是比濕。取垂直于風(fēng)向的邊為底邊，對(duì)于底邊為單位長(zhǎng)度，高為單位百帕的水汽通量為：Q1=，水汽通量散度為：

Q2＜0代表水汽輻合，Q2＞0代表水汽輻散。

本文計(jì)算1000～300 hPa各層在浙江省經(jīng)緯度內(nèi)的平均水汽通量和水汽通量散度，研究它們的演變來(lái)分析兩次連陰雨過(guò)程中水汽輸送和水汽輻合的特征。將圖6中的4幅圖相互比較不難看出，水汽輸送的大值區(qū)基本上位于對(duì)流層的中低層(900～650 hPa之間)，數(shù)值大于10 ×10-3g·s-1·hPa-1·cm-1，陰雨期間該區(qū)域不斷有閉合極值中心出現(xiàn)，從中低層向上和向下水汽通量大小遞減。在連陰雨期間，對(duì)流層中低層基本處于水汽輻合區(qū)控制下，其中雖然伴有一些水汽輻散，但是持續(xù)時(shí)間短，大部分時(shí)間里都是輻合區(qū)占主導(dǎo)地位。強(qiáng)輻合區(qū)以及輻合極值中心所在的高度和水汽通量大值區(qū)所在的高度近于重合，都主要位于900～650 hPa之間，650 hPa向上輻合區(qū)域面積減小很快，到500 hPa以上基本是輻散區(qū)。它們的出現(xiàn)時(shí)段也近于相同。陰雨期間強(qiáng)輻合區(qū)和水汽輸送大值區(qū)近于重合，出現(xiàn)時(shí)段相同，不但使水汽來(lái)源充足而且提供了持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng)，為降水的維持提供了條件。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在過(guò)程Ⅰ和Ⅱ的降水集中時(shí)段，對(duì)流層中低層都有水汽通量、水汽通量散度極值中心對(duì)應(yīng)。值得注意的是：在過(guò)程Ⅱ的降水集中時(shí)段，水汽輸送和水汽輻合都達(dá)到了第二次連陰雨時(shí)期的最大值，極大值分別為16×10-3g·s-1·hPa-1·cm-1和20 ×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，并且這種形勢(shì)長(zhǎng)期穩(wěn)定維持，形成了該時(shí)期大范圍頻繁發(fā)生的暴雨天氣。而在非降水集中時(shí)段，也有水汽輸送和水汽輻合的大值區(qū)存在，但是維持時(shí)間短，未能形成連續(xù)的強(qiáng)降水。過(guò)程Ⅰ的形勢(shì)和過(guò)程Ⅱ類(lèi)似，但也有差別。降水集中時(shí)段并沒(méi)有包含最強(qiáng)的水汽輸送和水汽輻合，只是包含了相對(duì)較強(qiáng)的水汽輸送和水汽輻合，強(qiáng)水汽輸送在降水集中時(shí)段維持較穩(wěn)定，但強(qiáng)水汽輻合形勢(shì)的穩(wěn)定性較差，其間有短時(shí)的間斷出現(xiàn)，同時(shí)輻合的強(qiáng)度上也存在突變的現(xiàn)象，即輻合強(qiáng)度在趨于減弱時(shí)突然又明顯增強(qiáng)，但是時(shí)間維持很短，緊接著又減弱(如3月3—5日)?？偟膩?lái)說(shuō)，過(guò)程Ⅰ的降水集中時(shí)段還是有相對(duì)較強(qiáng)的水汽輸送和水汽輻合較穩(wěn)定地維持，使得降水能夠持續(xù)，由于強(qiáng)度和持續(xù)性不如過(guò)程Ⅱ強(qiáng)，降水也較Ⅱ弱，但是因?yàn)橥蛔儠r(shí)段強(qiáng)度較強(qiáng)，局地性的暴雨天氣也有發(fā)生。特別注意到過(guò)程Ⅰ中最強(qiáng)水汽輸送位于2月25日前后，該時(shí)間段水汽輻合強(qiáng)度也突然增強(qiáng)，從實(shí)況降水上分析，25日浙江確實(shí)出現(xiàn)了一次降水增強(qiáng)過(guò)程，日雨量超過(guò)50 mm的有3個(gè)站，但雨量分布不均勻。這也證明了強(qiáng)輻合和強(qiáng)水汽輸送同時(shí)存在有利暴雨的形成。

圖6 118°E ～123°E，27°N ～31°N 平均水汽通量(單位：10-3g·s-1·hPa-1·cm-1)和水汽通量散度(單位：10-8g·s-1·hPa-1·cm-2)時(shí)間高度分布圖

6 結(jié)語(yǔ)

(1)亞歐大陸中高緯地區(qū)穩(wěn)定維持兩脊一槽形勢(shì)，浙江處于槽區(qū)，有利于冷暖空氣在浙江交匯，這是形成連陰雨的有利環(huán)流背景。

(2)冷空氣南下使暖濕空氣強(qiáng)迫抬升，成云致雨，是降水的觸發(fā)條件。冷空氣頻繁南下，時(shí)間間隔短;或者冷暖空氣強(qiáng)度相當(dāng)長(zhǎng)期對(duì)峙，導(dǎo)致連陰雨的產(chǎn)生。

(3)冷暖空氣的強(qiáng)度對(duì)比不同形成的降水特點(diǎn)不同。兩次連陰雨期間包括準(zhǔn)靜止鋒和冷鋒降水。雨量主要集中在準(zhǔn)靜止鋒降水時(shí)期。該時(shí)期強(qiáng)鋒區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持，降水特點(diǎn)是降水強(qiáng)度穩(wěn)定，持續(xù)性強(qiáng)。冷鋒降水的強(qiáng)度不穩(wěn)定，隨時(shí)間推移減弱，需要較短的冷空氣影響時(shí)間間隔才能維持連陰雨過(guò)程。冷空氣影響時(shí)往往使溫度梯度加大，鋒生形成降水或者使降水增強(qiáng)。兩次過(guò)程的鋒區(qū)強(qiáng)度不同是造成雨量和降水強(qiáng)度差別的原因之一。

(4)垂直上升運(yùn)動(dòng)是降水的必要?jiǎng)恿l件，連陰雨期間降水區(qū)都存在深厚的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，過(guò)程Ⅱ中對(duì)流層低層存在弱的不穩(wěn)定層結(jié)，南下冷空氣一方面使暖濕空氣強(qiáng)迫抬升，同時(shí)也觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，增強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動(dòng)。上升運(yùn)動(dòng)和大氣穩(wěn)定性差異是造成雨量和降水強(qiáng)度差別的原因之二。

(5)連陰雨的形成離不開(kāi)充足的水汽輸送和水汽在降水區(qū)的持續(xù)性輻合。當(dāng)強(qiáng)水汽輸送和強(qiáng)水汽輻合在時(shí)間和空間上重合時(shí)，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生，當(dāng)這種形勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間維持時(shí)，有利于產(chǎn)生大范圍的頻繁暴雨天氣。過(guò)程Ⅰ和Ⅱ的水汽輸送、水汽輻合強(qiáng)度以及兩者的相互配置不同是造成雨量和降水強(qiáng)度差別的原因之三。

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