高天赤 沈杭鋒 陳光宇 金 成

(杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

強對流天氣常帶來災害性的大風和局地暴雨，是一種歷時短、破壞力巨大的天氣，對人民的生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟造成巨大的危害[1-2]。強天氣的分析及預報是日常預報業(yè)務的重點和難點，近年來，中尺度自動氣象觀測站、風云衛(wèi)星、多普勒雷達等資料在強對流天氣中應用逐漸增多，能夠在一定程度上彌補常規(guī)探測時空分辨較低的缺陷[3]。許多研究表明邊界層內(nèi)的中尺度輻合線對強對流天氣的形成、演變具有重要作用，邊界層輻合線和強對流的關系是許多對流天氣概念模型預報雷暴發(fā)生和消亡的基礎。Wilson and Schreiber[4]通過研究表明了在克羅利達州東部雷達探測到的邊界層輻合線與對流風暴的形成密切相關，他們研究發(fā)現(xiàn)至少有80%的雷暴在克羅利達州平原都是沿著先前雷達所探測到的邊界形成的。翟國慶和俞樟孝[5]根據(jù)華東地區(qū)多次典型強對流天氣的地面風場分析和合成結(jié)果，指出強對流帶的發(fā)生發(fā)展與其前暖區(qū)的中尺度輻合線有密切關系，往往在其前方有中尺度的輻合中心，也是對流發(fā)生最為強烈和移動變化的突出區(qū)域。中尺度輻合線在有利天氣形勢配合下的相互碰撞，則更容易爆發(fā)對流[6-12]。

2013年9月13日在浙江北部地區(qū)出現(xiàn)短時大暴雨強對流天氣，對杭州、嘉興等多個城市造成了嚴重影響。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、區(qū)域自動站加密觀測資料和GFS 0.5°×0.5°逐6 h的分析場數(shù)據(jù)以及多普勒雷達、風云衛(wèi)星資料，通過背景形勢場分析、物理量場診斷分析數(shù)據(jù)以及多普勒雷達、風云衛(wèi)星資料，通過背景形勢場分析、物理量場診斷分析和強對流觸發(fā)條件分析，來探討此次強對流過程發(fā)生發(fā)展的特征及其成因。

1 天氣概況

2013年9月13日浙江省北部嘉興、杭州等地突發(fā)短時強對流天氣過程，此次過程以短時強降水為主，并伴有8級以上大風，主要發(fā)生在13日下午到前半夜，杭州、嘉興多地出現(xiàn)了30 mm/h以上的強降水。從9月13日17:00—23:00(北京時，下同)的6 h累積降水圖來看(圖1a)，雨帶呈東北—西南方向分布，強降水中心主要位于與金華市、紹興市相鄰的杭州中東部，以及嘉興地區(qū)，嘉興全市6 h平均面雨量為30.8 mm，杭州20.6 mm。單站最大雨量出現(xiàn)在杭州的西溪濕地，雨量達到了129.5 mm，浙北地區(qū)共有6個站雨量超過100 mm，83個站雨量在50 mm以上。最大小時雨強出現(xiàn)在嘉興的嘉善楊廟社區(qū)，小時雨強為82.7 mm。此次強對流過程中，除了短時強降水之外，還出現(xiàn)了大風，最大極值風出現(xiàn)在紹興新昌石溪村，風速為27.3 m/s，達到了10級風，全省共有29個站風速達到了17.2 m/s(8級風)。

這次過程范圍小，強降水呈東北—西南向的帶狀分布；時間短，從開始到結(jié)束只有5、6個小時；降水強度大，多個站點出現(xiàn)了超過50 mm/h的強降水。從18:00—20:00的強天氣站點分布來看(圖1b)，沿杭州、嘉興和上海一帶，多站次出現(xiàn)了30 mm/h雨量(圖中實心圖形)和8級以上大風(空心圖形)。而且同時，位于上海、嘉興一帶的強對流，18:00(方框)、19:00(三角形)和20:00(圓形)是由東北向西南方向發(fā)展傳播的，這種系統(tǒng)整體東移而強對流向西南延伸的天氣過程，對預報預警提出了更高的要求。

突發(fā)的強對流過程不僅對城市和人民生活造成了極大影響，而且也對氣象預報預警形成了較大的困難。由于暴雨出現(xiàn)在下午到晚上時段，正好遇下班晚高峰，突發(fā)的傾盆大雨和狂風導致了嚴重的城市內(nèi)澇及損害。

圖1 2013年9月13日風雨實況：(a)17:00至23:00累積6 h雨量；(b)18:00(方框)、19:00(三角形)和 20:00(圓點)大于30 mm/h的站點(實心)和17.2 m/s以上大風站點(空心)

2 環(huán)流形勢演變和主要影響系統(tǒng)

從2013年9月13日08:00的500 hPa形勢圖(圖2a)上可見，江淮以南大部分地區(qū)受到副熱帶高壓影響，其脊線位于25°N以北，浙江省處于西太平洋副高588 dagpm線附近，華北上空一直到西南上空有一深厚高空槽逐漸東移。08:00的850 hPa圖(圖2b)上華中地區(qū)有一高空槽，西太平洋面上則是副熱帶高壓系統(tǒng)，一直西伸到我國內(nèi)陸地區(qū)。隨著西風帶系統(tǒng)的東移南壓和西南暖濕氣流的東移北抬，到14:00(圖2c)，西太平洋副熱帶高壓明顯東撤，588 dagpm線從浙江西北上空收縮到浙江沿海。對應850 hPa圖(圖2d)上，西太平洋副高也有所東退，華中上空的高空槽東移南下。至此，受西太副高西北部邊緣的暖濕西南氣流和東移高空槽的共同影響，引發(fā)了浙江北部的強對流天氣。

圖2 2013年9月13日風場(風向桿，m/s)和高度場(等值線，gpm)： (a、b)08:00；(c、d)14:00；(a、c)500 hPa；(b、d)850 hPa。粗虛線表示高空槽

從雨量和雨強的分析中可以看到，這次過程中出現(xiàn)了較強的中尺度對流活動，為了能夠比較清楚看到中尺度對流云團的發(fā)展演變，利用我國FY-2E衛(wèi)星資料繪制了逐時云頂亮溫(TBB)進行分析(圖3)。

9月13日16:00(圖3a)，浙江西北面有大片云團，杭州灣北部的上海沿海上空出現(xiàn)了明顯對流云團。杭州灣南面也有對流云團。2 h之后(圖3b)，西北面云團東移南壓，上海云團和南面云團則由西往東伸向內(nèi)陸，而且這些云團強度逐漸增強。此時在杭州、嘉興、湖州等地都出現(xiàn)了對流天氣。隨后，這些中尺度云團繼續(xù)加強、發(fā)展，并出現(xiàn)了合并現(xiàn)象。在19:00(圖3c)，北面云團合并加強成一個中心值在-60℃以下的強對流云團，對比上一次，可以看到云團從上海上空有一明顯的東北往西南的延伸發(fā)展。而南面云團也合并加強，繼續(xù)影響浙中北地區(qū)。到20:00(圖3d)，南北中尺度對流云圖相互連通，對流繼續(xù)加強發(fā)展，并逐漸東移。

圖3 2013年9月13日TBB(陰影，單位：℃)分布：(a)16:00(b)18:00(c)19:00(d)20:00

3 物理量場診斷分析

圖4a是2013年9月13日08:00杭州站探空資料，從圖上可以看到此時杭州上空存儲了巨大的不穩(wěn)定能量，在數(shù)值上，由層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線圍成的對流有效位能(CAPE，圖中黑色面積)值達到了2112.6 J；而對流抑制能量(CIN)很小，只有9.4 J；自由對流高度比較低，垂直風切變較弱，整層相對濕度呈現(xiàn)“下干上濕”的特征；同時，表征大氣層結(jié)不穩(wěn)定的K指數(shù)和沙氏指數(shù)(SI)分別為38和-2.78。

圖4 2013年9月13日08:00物理量場：(a)杭州站探空曲線；(b)925 hPa相當位溫(等值線，K)和 500 hPa與850 hPa的相當位溫差(陰影，K)

從GFS資料繪制的9月13日08:00相當位溫(θe)圖上(圖4b)可以看到，925 hPa上整個浙北地區(qū)都處于相當位溫的大值區(qū)，相當位溫值普遍高于348 K，形成一個暖中心，杭州灣及附近的杭州、嘉興、上海等強對流發(fā)生區(qū)都落在350 K的高能中心內(nèi)；通常500 hPa與850 hPa相當位溫差值可以用于表征不穩(wěn)定度，負值越大，表明大氣越不穩(wěn)定[13]，圖4b中500 hPa與850 hPa的相當位溫差值顯示區(qū)域都處于-8 K及以下區(qū)域，尤其是杭州、嘉興、上海沿杭州灣一線的區(qū)域，不穩(wěn)定能量更加顯著。

4 強對流天氣的觸發(fā)條件

通過天氣形勢和物理量的分析發(fā)現(xiàn)，此次過程的大尺度背景形勢場是有利于強對流發(fā)生發(fā)展的。除了不穩(wěn)定層結(jié)和濕度條件，強對流發(fā)生還需要抬升觸發(fā)條件。

圖5是2013年9月13日08:00的700 hPa垂直速度、925 hPa風場和08:00—20:00累積降水量的疊加圖。此時在925 hPa上，從上海經(jīng)過嘉興到杭州北部的上空有一條由偏西風和東南風匯合形成的風場輻合線；700 hPa高度上的垂直速度顯示整個浙北和上海都處于-0.1 Pa/s的上升運動區(qū)域內(nèi)，而中尺度輻合線也落在該垂直上升運動區(qū)內(nèi)。值得關注的是，08:00—20:00的強降水落區(qū)基本位于上升運動區(qū)內(nèi)，并與中尺度輻合線相鄰。從700 hPa垂直速度、925 hPa風場和累積雨量分析可以看到，在有利的大尺度環(huán)境場和物理場配合下，當?shù)蛯?25 hPa的中尺度輻合線和對流層中層700 hPa的垂直上升運動區(qū)相重合時，中尺度輻合線附近會產(chǎn)生強對流，這對強對流的發(fā)生發(fā)展具有一定的預報指示意義。

圖5 2013年9月13日08:00的700 hPa垂直速 度(虛線，Pa/s)、925 hPa風場(風向桿，m/s)和08:00到 20:00累積降水量(陰影，mm)疊加圖(粗虛線表示輻合線)

圖6是利用地面自動站資料繪制的9月13日地面流場、1 h雨量和雷達基數(shù)據(jù)繪制的杭州雷達3 km高度回波反射率。在13日17:00(圖6a)，從江蘇到上海、嘉興交界有一條中尺度輻合線，輻合線是由偏東風和偏北風輻合形成的，杭州南部也有一條偏南風與偏北風輻合形成的中尺度輻合線，后1 h的強降水與強回波中心相對應，強降水(強回波)落區(qū)與中尺度輻合線相近。到了19:00(圖6b)，南北兩條中尺度輻合線已經(jīng)貫通，北面的強天氣向南發(fā)展到杭州、嘉興交界處，而杭州東南面的強對流則沿著輻合線往北發(fā)展。整條中尺度輻合線周邊附近出現(xiàn)了50 dBz以上的強回波中心和30 mm/h的強降水區(qū)域。

圖6 2013年9月13日地面流場、雨量(等值線，10 mm起畫，10 mm為間隔)和3 km高度杭州雷達回波疊加圖： (a)17:00流場、18:00雨量和17:33雷達回波；(b)19:00流場、20:00雨量和19:34雷達回波(粗虛線表示中尺度輻合線)

從地面自動站風場、雨量和雷達回波分析可以知道，強對流天氣與雷達回波中心對應良好，中尺度輻合線基本與對流發(fā)生發(fā)展相對應，輻合線周邊區(qū)域是強天氣容易發(fā)生發(fā)展的區(qū)域，輻合線先于降水出現(xiàn)，隨后在輻合線周邊出現(xiàn)了強降水和大風天氣。

這種類型的強降水天氣在浙北地區(qū)時有出現(xiàn)，因此需要后續(xù)更加系統(tǒng)得對該類天氣進行整理、分析，從而在實際業(yè)務應用中具有更好的借鑒意義。

5 結(jié) 語

2013年9月13日發(fā)生在浙江北部的強對流天氣過程帶來了嚴重災害，利用各種常規(guī)資料和非常規(guī)資料對其發(fā)生發(fā)展的成因和觸發(fā)條件進行了初步分析，得到以下結(jié)論。

1)受西太副高西北部邊緣的暖濕西南氣流和東移高空槽的共同影響，引發(fā)了浙江北部的強對流天氣。

2)在有利的大尺度環(huán)境場和物理量場配合下，當?shù)蛯?25 hPa的中尺度輻合線和對流層中層700 hPa的垂直上升運動區(qū)相重合時，中尺度輻合線附近會產(chǎn)生強對流，這對強對流的發(fā)生發(fā)展具有一定的預報指示意義。

3)此次過程中強對流天氣與雷達回波中心對應良好，中尺度輻合線基本與對流發(fā)生發(fā)展相對應，輻合線周邊區(qū)域是強天氣容易發(fā)生發(fā)展的區(qū)域，輻合線先于降水出現(xiàn)，隨后在輻合線周邊出現(xiàn)了強降水和大風天氣。

[1] 陸漢成,楊國祥.中尺度天氣原理和預報[M].北京:氣象出版社,2000.

[2] 黃永明,倪允琪.長江中下游一次非典型梅雨鋒中尺度暴雨過程的分析研究[J].氣象學報,2005,63(1): 100-114.

[3] 董保舉, 高月忠, 張麗芬. 新型探測資料在滇西北高原一次暴雨過程監(jiān)測中的應用[J]. 氣象科技, 2014, 42(6): 1077-1082.

[4] Wilson J M，Schreiber W E. Initiation of convective storms by radar-observed boundary layer convergent lines [J]. Mon. Wea. Rev.，1986，114：2516-2536.

[5] 翟國慶,俞樟孝.強對流天氣發(fā)生前期地面風場特征[J].大氣科學,1992,16(5):522-529.

[6] William P,MahoneyIII.Gust Front Characteristics and the Kinematics Associated with Interacting Thunderstorm Outflows.

[7] Wilson J W,Robert s R,MuellerC.Sydney 2000 Forecast Demonstration Project:Convective storm nowcasting[J].Weather and Forecasting,2004,19:131-150.

[8] 沈杭鋒,翟國慶,朱補全,等.浙江沿海中尺度輻合線對颮線發(fā)展影響的數(shù)值試驗[J].大氣科學,2010,34(6):1127-1140.

[9] 曾明劍，王桂臣，吳海英，等．基于中尺度數(shù)值模式的分類強對流天氣預報方法研究[J]．氣象學報，2015，73(5)：868-882 .

[10] 何群英，東高紅，賈慧珍，等．天津一次突發(fā)性局地大暴雨中尺度分析[J]．氣象，2009，35(7)：16-22

[11] 喻謙花，鄭士林，吳蓁等．局部大暴雨形成的機理與中尺度分析[J]．氣象，2016，42(6)：686-695．

[12] 鄭永光，周康輝，盛杰，等．強對流天氣監(jiān)測預報預警技術進展[J]．應用氣象學報，2015，26(6)：641-657.

[13] 劉健文,郭虎,李耀東,等.天氣分析預報物理計算基礎[M].北京:氣象出版社,2005.