藍(lán)俊倩，張浩川，廖君鈺，沈杭鋒，王健疆

(1.浙江省衢州市氣象局，浙江 衢州 324000；2.94855部隊(duì)氣象臺(tái),浙江 衢州 324000；3.浙江省杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

1 引言

暴雨是最常見的氣象災(zāi)害之一，同時(shí)還會(huì)帶來山洪、泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。目前數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)天氣系統(tǒng)影響明顯的暴雨過程已有較好的預(yù)報(bào)效果，但是對(duì)于天氣尺度系統(tǒng)較弱而中小尺度系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展引發(fā)的暴雨過程預(yù)報(bào)還不盡理想。2016年6月26日浙西地區(qū)的暴雨過程就屬于后者，這次過程不論在量級(jí)上還是落區(qū)上均與數(shù)值預(yù)報(bào)有較大的差異，降水云系不斷生成東移影響衢州中北部地區(qū)形成強(qiáng)降水，這種“列車效應(yīng)”模式的暴雨在該地區(qū)發(fā)生較少，因此值得認(rèn)真總結(jié)分析。

所謂“列車效應(yīng)”是指[1]某區(qū)在一段時(shí)間內(nèi)頻繁地、接連不斷地生成空間尺度不大的對(duì)流單體，而每生成一個(gè)對(duì)流單體即沿著某一方向移動(dòng)，接著在同一地方生成新的對(duì)流單體繼續(xù)沿著同一方向移動(dòng)，從而形成由一系列對(duì)流單體排列組成類似于“列車”的排列，這一“列車”對(duì)其下游某一地區(qū)可以造成接連不斷的“持續(xù)”影響，從而造成強(qiáng)降水。孫繼松等[2]指出“列車效應(yīng)”一般發(fā)生在低空暖濕氣流或低空急流附近，環(huán)境大氣表現(xiàn)為條件性靜力不穩(wěn)定。張家國等[3]研究發(fā)現(xiàn)后向傳播類的中尺度對(duì)流系統(tǒng)因少動(dòng)或明顯的列車效應(yīng)可產(chǎn)生極端降水。馮晉勤等對(duì)福建西部山區(qū)暴雨分析發(fā)現(xiàn)[4]，產(chǎn)生“列車效應(yīng)”的對(duì)流雨帶的回波強(qiáng)度>40 dBz，持續(xù)0.5 h即能造成大于20 mm·h-1的短時(shí)暴雨。徐珺等[5]指出暖區(qū)暴雨的雷達(dá)回波具有明顯的后向傳播、列車效應(yīng)和熱帶降水型特點(diǎn)。河北暴雨的多普勒雷達(dá)徑向速度分析表明[6]中尺度輻合線、中尺度輻合是主要類型暴雨共有的主要速度特征和常見的中尺度影響系統(tǒng)，列車效應(yīng)是造成局地暴雨、大暴雨的關(guān)鍵原因。對(duì)于列車效應(yīng)的研究均表明，列車效應(yīng)是在暖區(qū)環(huán)境中有利于對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生高效率降水的一種回波組織和移動(dòng)方式，本文旨在通過對(duì)實(shí)例的分析來加深其對(duì)業(yè)務(wù)的指導(dǎo)。同時(shí)我們也知道天氣尺度系統(tǒng)并不是產(chǎn)生暴雨的直接系統(tǒng)，中小尺度系統(tǒng)的分析對(duì)于了解暴雨的發(fā)生演變極為重要。利用中尺度濾波方法[7-9]將暴雨期間的中尺度系統(tǒng)保留下來，有利于更好地了解暴雨發(fā)生時(shí)段內(nèi)的中尺度特征，從而為暴雨的預(yù)報(bào)分析提供參考依據(jù)。

2 天氣實(shí)況

2016年6月25—26日浙江中部地區(qū)出現(xiàn)了一次暴雨過程，其中衢州中北部、金華中部、紹興和寧波大部分地區(qū)出現(xiàn)了50mm以上的降水，從空間分布來看強(qiáng)降水帶主要集中在浙西地區(qū)且呈現(xiàn)“一”字型分布(圖1)，特別是衢州、金華西北部地區(qū)降水強(qiáng)度南北差異顯著，從時(shí)間分布來看，主要降水時(shí)段在26日白天，尤其是浙西地區(qū)衢州、開化、龍游3站的26日白天12 h累積雨量分別為95.1 mm、87.5 mm、72.8 mm，均已達(dá)到大暴雨量級(jí)。

暴雨過程降水比較集中的時(shí)間段為26日08—16時(shí)，分析該時(shí)段內(nèi)衢州地區(qū)小時(shí)雨強(qiáng)10 mm/h以上的降水區(qū)域分布變化，可以看出在07—10時(shí)有明顯降水集中區(qū)南壓特征，而11—16時(shí)小時(shí)強(qiáng)降水帶一直維持在衢州中北部地區(qū)，特別是12—15時(shí)均出現(xiàn)了小時(shí)雨強(qiáng)在20 mm/h以上的降水。16時(shí)雖然10 mm/h以上的降水明顯減弱，但強(qiáng)降水區(qū)域仍然有強(qiáng)度在5～10 mm/h之間的降水存在，強(qiáng)降雨帶在衢州中北部維持長達(dá)6 h，造成顯著的區(qū)域性暴雨天氣。

圖1 浙江區(qū)域25日20時(shí)—26日20時(shí)24 h累積降水Fig.1 Accumulated precipitation in Zhejiang region from 20∶00 on 25th to 20∶00 on 26th

3 環(huán)流形勢

從環(huán)流形勢的演變看，200 hPa(圖略)在浙江區(qū)域處于南亞高壓東部脊區(qū)前的西北氣流之中，為強(qiáng)降水提供有利的高空輻散條件，500 hPa中高緯呈現(xiàn)兩脊一槽型，浙江中部地區(qū)一直處于588線邊緣，25日08時(shí)從朝鮮半島到我國的蘇皖南部有低槽東移影響，20時(shí)槽底逐漸過境轉(zhuǎn)偏西氣流，26日02時(shí)(圖2a)浙西地區(qū)轉(zhuǎn)受高壓脊前西北氣流控制；700 hPa 25日在長江中下游地區(qū)有切變線影響，26日(圖2b)切變線隨低槽東移后，北部有高壓脊控制，在蘇皖中部有兩高之間的切變形成；850 hPa 25日渦切位于湘贛北部，26日(圖2c)暖式切變線位于浙江北部至安徽南部地區(qū)。地面圖上25日白天伴隨高層槽切東移，地面有弱冷鋒東移南壓入海，25日20時(shí)在江西東北部有地面倒槽開始發(fā)展，02時(shí)(圖2d)倒槽進(jìn)一步加強(qiáng)，05時(shí)前后倒槽頭部有對(duì)流云團(tuán)開始發(fā)展并逐漸東移影響浙西地區(qū)。26日白天低壓倒槽頭部一直維持在浙西西部地區(qū)，有利于降水形成和維持。同時(shí)25日20時(shí)衢州站探空(圖2e)顯示濕層深厚，K指數(shù)達(dá)39，層結(jié)資料(圖2f)顯示850 hPa和700 hPa的比濕分別為15.25 g/kg、8.96 g/kg，抬升凝結(jié)高度(LCL)987.3 hPa，0 ℃層高度550 hPa左右，暖云厚度大，出現(xiàn)有利于產(chǎn)生降水的探空層結(jié)特征。

本次降水過程濕層深厚，高層輻散有抽吸作用，中低層有暖切配合，同時(shí)地面有低壓倒槽發(fā)展維持并不斷觸發(fā)降水云團(tuán)生成東移，是強(qiáng)降水產(chǎn)生的有利背景場條件。

圖2 2016年6月26日02時(shí)形勢場及6月25日20時(shí)衢州站探空資料和層結(jié)資料(a)(b)(c)中實(shí)線為等高線，單位：10 pm；陰影區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)濕度，單位：%(d)中實(shí)線為海平面氣壓等值線，單位：hPa；箭頭為風(fēng)場Fig.2 the situation field at 2∶00 on June 26, 2016 and the Quzhou station at 10∶00 on June 25,2016 (a) (b) (c) the solid line is contour line, unit: 10 gpm;The shadow area is relative humidity, unit: % (d) the solid line is the isobars of sea-level pressure, unit: hPa;The arrow is the wind field

4 雷達(dá)特征分析

下面通過分析衢州地區(qū)多普勒雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品來進(jìn)一步揭示本次過程的列車效應(yīng)特征。10時(shí)10分(圖3a)主回波帶M(黑色橢圓框區(qū)域)正在影響浙西地區(qū)并以東移為主略有南壓，此時(shí)在其西北部江西婺源附近有兩塊分散的回波A1、A2(紅色橢圓框區(qū)域)處于發(fā)展中；10時(shí)53分(圖3b)隨著主體回波的東移，A1、A2回波緊隨其后東移至開化西部并發(fā)展合并為A，此時(shí)在婺源地區(qū)又有回波B開始發(fā)展；11時(shí)11分(圖3c)回波A進(jìn)一步發(fā)展，最大強(qiáng)度48 dBz，東移至開化東部與常山交界處，回波B發(fā)展呈現(xiàn)長條狀由婺源進(jìn)入開化西部地區(qū)；11時(shí)42分(圖3d)回波A東移經(jīng)過常山北部到達(dá)衢州，回波B主要位于開化境內(nèi)，仍呈帶狀，強(qiáng)度有所增大，最大強(qiáng)度為48 dBz，B回波西側(cè)婺源地區(qū)又有分散性的回波C1、C2發(fā)展；12時(shí)00分(圖3e)回波A已移過衢州繼續(xù)向東進(jìn)入龍游境內(nèi)，回波B范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，48 dBz的紅色強(qiáng)回波區(qū)也增大，帶狀回波寬度增加，主要影響開化、常山北部及衢州西部地區(qū)，回波B區(qū)域的西北側(cè)婺源東部地區(qū)原來的C1和C2回波已合并發(fā)展為回波C；12時(shí)30分(圖3f)回波B較強(qiáng)的區(qū)域主要在常山北部和衢州西北部地區(qū)，回波C發(fā)展擴(kuò)大開始影響開化西部；12時(shí)48分(圖3g)回波B繼續(xù)東移，強(qiáng)區(qū)域位于衢州，回波C東移并逐漸與回波B相接，形成一個(gè)更大更寬的帶狀回波，回波C之后婺源地區(qū)又有新回波D發(fā)展；13時(shí)25分(圖3h)回波B已東移至衢州東側(cè)龍游境內(nèi)，回波C主體影響常山北部及衢州，回波D進(jìn)入開化西北部，婺源東北部回波E開始生成；14時(shí)07分(圖3i)回波C移動(dòng)至衢州，最大強(qiáng)度達(dá)53 dBz，回波D位于常山北部強(qiáng)度略有增強(qiáng)并與回波C相接，回波E相對(duì)分散并開始影響開化，婺源北部有弱回波F生成；14時(shí)37分(圖3j)回波D移至衢州，最大強(qiáng)度43 dBz，回波E范圍擴(kuò)大位于常山北部，回波F進(jìn)入開化境內(nèi)，強(qiáng)度略有增大。其后婺源地區(qū)沒有回波生成發(fā)展，回波D、回波E、回波F依次沿著其前方回波路徑東移影響并移出后，列車效應(yīng)結(jié)束，持續(xù)降水結(jié)束。

圖3 各時(shí)次雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品Fig.3 Reflectivity products of different time periods

同時(shí)我們注意到上述分析中回波B和回波C東移經(jīng)過常山北部和衢州時(shí)都有明顯的發(fā)展，強(qiáng)度增強(qiáng)且回波區(qū)域增大，配合12—14時(shí)內(nèi)各時(shí)次徑向速度產(chǎn)品(圖4)可以發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)常山北部至衢州存在顯著的徑向速度輻合區(qū)，非常有利于該區(qū)域輻合上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，從而有利于列車效應(yīng)中東移的回波在該區(qū)域增強(qiáng)并產(chǎn)生強(qiáng)烈的降水。

圖4 各時(shí)次2.4°仰角徑向速度產(chǎn)品(時(shí)間從左到右依次為12時(shí)24分、13時(shí)06分、14時(shí)01分)Fig.4 2.4 ° Angle radial velocity products of each time(time order from left to right:12∶24,13∶06,14∶01)

5 物理量場特征分析

為更好地了解列車效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)的環(huán)境場特征，下面從水汽、動(dòng)力和能量條件方面對(duì)這次暴雨過程進(jìn)行物理量診斷分析。

5.1 濕度和垂直運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)衢州站上空(119°E，29°N)的相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速和垂直速度隨時(shí)間的變化作時(shí)序圖(圖5a)。由圖分析可知，25日在500～600 hPa之間存在相對(duì)濕度<80%的區(qū)域，同時(shí),低層濕度條件在80%～95%之間，但沒有較好的垂直速度配合，因此25日白天衢州站僅出現(xiàn)1.1 mm降水。從25日20時(shí)以后低層開始出現(xiàn)垂直上升速度且在26日08時(shí)前后達(dá)到最強(qiáng)，08時(shí)后700～800 hPa相對(duì)濕度開始增大且濕層厚度也逐漸加大，至14時(shí)500～850 hPa相對(duì)濕度增大至95%以上，對(duì)比25日夜里至26日白天衢州站的逐小時(shí)降水量(圖5b)可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)段正好對(duì)應(yīng)于800 hPa以下有上升速度維持且濕層深厚的時(shí)段。風(fēng)向風(fēng)速的的演變顯示在26日02時(shí)較25日20時(shí)600 hPa以下風(fēng)速增大，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)明顯說明暖平流強(qiáng)度也開始加大。

圖5 (a)衢州站相對(duì)濕度、垂直速度和風(fēng)向風(fēng)速垂直剖面時(shí)序圖(陰影為相對(duì)濕度80%以上的區(qū)域，等值線為垂直速度，單位Pa·s-1)Fig.5 (a) Quzhou station relative humidity, vertical velocity and vertical wind wind speed profile sequence diagram(the shadow is the area with relative humidity above 80%, the contour line is the vertical speed, and unit:Pa·s-1)

可見列車效應(yīng)影響時(shí)段內(nèi)500 hPa以下濕度顯著增加并且低層垂直上升速度增大，同時(shí)中低層西南風(fēng)風(fēng)速的增加和暖平流的加強(qiáng)有利于暖式切變線的加強(qiáng)從而增強(qiáng)低層水汽輻合抬升，進(jìn)而使列車效應(yīng)增強(qiáng)，是降水增大的重要原因。

圖5 (b)6月25日21時(shí)—26日20時(shí)衢州站逐小時(shí)雨量分布圖Fig.5 (b) Rainfall distribution at Quzhou station hour by hour

5.2 水汽通量和渦度場分析

由于強(qiáng)降水時(shí)段內(nèi)500～700 hPa之間有顯著的濕度增加和濕層增厚現(xiàn)象，為更好的探究強(qiáng)降水的水汽來源，對(duì)強(qiáng)降水時(shí)段前中低層的風(fēng)場和水汽通量場進(jìn)行分析。26日02時(shí)700 hPa(圖6a)在贛皖交界處有水汽通量的大值區(qū)存在，在偏西風(fēng)的作用下向衢州中北部地區(qū)輸送水汽，25日20時(shí)(圖6b)850 hPa在江西北部地區(qū)有水汽通量極值中心存在，此時(shí)衢州地區(qū)水汽通量較小，在偏西氣流的作用下水汽由江西北部地區(qū)向浙西地區(qū)不斷輸送，使得浙西地區(qū)水汽通量不斷增大，26日08時(shí)700 hPa(圖6c)和850 hPa(圖6d)衢州中北部地區(qū)均出現(xiàn)18 g/(cm·hPa·s)的水汽通量大值中心且850 hPa有風(fēng)速的輻合存在，有利于水汽在此處輻合。可見江西北部及贛皖交界地區(qū)是本次強(qiáng)降水的水汽源地，通過偏西風(fēng)的輸送使得浙西地區(qū)水汽增加并在風(fēng)場的作用下輻合產(chǎn)生強(qiáng)降水。

對(duì)強(qiáng)降水時(shí)段以及前后各個(gè)時(shí)次不同高度層的水汽通量散度和渦度場進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：衢州地區(qū)850 hPa、925 hPa在強(qiáng)降水開始前和強(qiáng)降水時(shí)段內(nèi)一直維持正渦度和弱的水汽通量輻合。但700 hPa、600 hPa在25日20時(shí)之后至強(qiáng)降水開始之前，維持負(fù)渦度控制，并且水汽通量輻合強(qiáng)度均較弱。26日08時(shí)600 hPa(圖7a)、700 hPa(圖7c)在衢州北部地區(qū)開始出現(xiàn)正渦度，同時(shí)西北部位于安徽江西交界處的水汽通量輻合的大值區(qū)逐漸東移影響衢州中北部，致使該地區(qū)在其后水汽通量輻合強(qiáng)度顯著加強(qiáng)，至26日14時(shí)(圖7b、圖7d)這兩個(gè)層次的正渦度控制區(qū)均處于衢州東北部，同時(shí)北部地區(qū)仍然維持10-4左右量級(jí)的水汽通量輻合強(qiáng)度，這也是14時(shí)以后衢州東北部地區(qū)強(qiáng)降水繼續(xù)維持的原因之一。

圖6 水汽通量(等值線)及風(fēng)場分布圖(水汽通量單位：g/(cm·hPa·s))Fig.6 water vapor flux (contour) and wind field distribution(water vapor flux unit: g/(cm·hPa·s))

本次暴雨過程中，08時(shí)以后中層正渦度的出現(xiàn)和水汽通量輻合的增加對(duì)衢州中北部地區(qū)強(qiáng)降水的出現(xiàn)有重要的作用，特別是11時(shí)以后中北部地區(qū)列車效應(yīng)的產(chǎn)生與維持與中低層動(dòng)力和水汽條件在這個(gè)區(qū)域的持續(xù)作用密不可分。

5.3 能量場分析

分析強(qiáng)降水時(shí)段內(nèi)能量場信息發(fā)現(xiàn)(圖略)：26日白天衢州地區(qū)無明顯的對(duì)流有效位能影響；從該時(shí)段內(nèi)假相當(dāng)位溫的垂直分布來看，在800 hPa上下存在一個(gè)高能舌，800 hPa以下呈現(xiàn)明顯的對(duì)流性穩(wěn)定特征，800 hPa以上至500 hPa有弱的對(duì)流性不穩(wěn)定。

能量場總體偏弱是本次強(qiáng)降水過程中沒有產(chǎn)生對(duì)流性降水的原因，但是中層弱對(duì)流性不穩(wěn)定的維持配合該層次內(nèi)渦度和水汽通量對(duì)降水的有利作用，有助于降水在衢州中北部較長時(shí)間的維持。

6 中尺度特征分析

暴雨往往不是由天氣尺度系統(tǒng)直接產(chǎn)生的，而是由天氣尺度系統(tǒng)所誘發(fā)的中小尺度系統(tǒng)誘發(fā)的。利用Barnes帶通濾波器對(duì)本次暴雨進(jìn)行中尺度濾波分析，濾波參數(shù)采用C1=5 000 km,C2=70 000 km,G=0.35，這種帶通濾波器對(duì)波長在300～800 km之間的中尺度系統(tǒng)有較好的保留作用。

分別對(duì)26日08時(shí)和14時(shí)兩個(gè)時(shí)段的925 hPa流場進(jìn)行中尺度濾波發(fā)現(xiàn)，26日08時(shí)(圖8a)在江西東北部至浙西衢州中部地區(qū)有中尺度輻合線存在，此后浙西地區(qū)在中尺度輻合線及其北側(cè)產(chǎn)生了顯著的列車效應(yīng)， 14時(shí)(圖8b)中尺度輻合南壓至麗水西北部地區(qū)，江西地區(qū)中尺度輻合線消失，故此后江西地區(qū)再無強(qiáng)的回波單體產(chǎn)生，列車效應(yīng)也隨著之前產(chǎn)生的單體東移后逐漸減弱消失，這表明中尺度輻合線維持和移動(dòng)與列車效應(yīng)的維持和生消有較好地對(duì)應(yīng)關(guān)系。

結(jié)合地面自動(dòng)站整點(diǎn)2 min風(fēng)向風(fēng)速圖發(fā)現(xiàn)，26日10時(shí)(圖8c)至14時(shí)(圖8d)在衢州西側(cè)的江西地區(qū)有穩(wěn)定的低壓環(huán)流存在，結(jié)合前面雷達(dá)反射率分析我們也發(fā)現(xiàn)這一時(shí)段內(nèi)江西婺源地區(qū)不斷有回波單體生成并接連沿中尺度輻合線向東移動(dòng)影響浙西地區(qū)，可見位于低壓環(huán)流東南部的婺源地區(qū)有著較好的輻合上升條件，是本次列車效應(yīng)的源地，不斷為列車效應(yīng)提供新的回波單體，而925 hPa的中尺度輻合線的穩(wěn)定維持則為列車效應(yīng)提供同一移動(dòng)路徑，因此在今后業(yè)務(wù)中應(yīng)特別關(guān)注地面加密風(fēng)場和低層中尺度輻合線對(duì)回波單體產(chǎn)生和移動(dòng)路徑的影響分析。

圖7 暴雨時(shí)段內(nèi)渦度(等值線)及水汽通量散度(陰影區(qū))分布(渦度單位：10-5s-1；水汽通量散度單位：10-5g/(cm2·hPa·s))Fig.7 VAorticity (contour) and water vapor flux divergence (shadow region) distribution in rainstorm period(vorticity unit: 10-5s-1;Water vapor flux divergence unit: 10-5g/(cm2·hPa·s))

7 結(jié)論

①本次暴雨主要由中低層暖式切變和地面低壓倒槽誘發(fā)，深厚的濕層為暴雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽保障。

②雷達(dá)產(chǎn)品顯示江西婺源地區(qū)不斷有新的回波生成并向東沿著同一路徑影響浙西地區(qū)，雷達(dá)速度場的低層輻合區(qū)有利于產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)，從而使列車效應(yīng)中東移回波增強(qiáng)并產(chǎn)生強(qiáng)烈降水。

③列車效應(yīng)影響時(shí)段內(nèi)濕度顯著增加且低層垂直上升速度增大，暖式切變線的加強(qiáng)有利于低層水汽輻合抬升的增強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)列車效應(yīng)，是降水增大的重要原因。26日11時(shí)以后衢州中北部地區(qū)列車效應(yīng)的產(chǎn)生與維持與中低層正渦度和水汽通量輻合在這個(gè)區(qū)域的持續(xù)作用密不可分。

④地面自動(dòng)站風(fēng)場中穩(wěn)定的低壓環(huán)流有利于列車效應(yīng)新生單體源地的維持，Barnes濾波得到的中尺度輻合線的維持和移動(dòng)與列車效應(yīng)的維持和生消有較好地對(duì)應(yīng)關(guān)系。在今后業(yè)務(wù)中應(yīng)特別關(guān)注地面加密風(fēng)場和低層中尺度輻合線對(duì)回波單體產(chǎn)生和移動(dòng)路徑的影響分析。

圖8 Barnes中尺度濾波后的925 hPa流場(a)、(b)及地面整點(diǎn)2 min風(fēng)向風(fēng)速(c)(d)Fig.8 wind speed (c) (d) of 925 hPa flow field (a) (b) after Barnes mesoscale filtering