劉彩虹 陳優(yōu)平 曾令建

(嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314000)

0 引 言

我國夏季南方暴雨頻發(fā)，往往造成嚴(yán)重的洪澇，氣象學(xué)界圍繞我國暴雨的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了廣泛而深入的研究，成果豐富。梅雨鋒及其降雨研究一直是氣象學(xué)者關(guān)注的問題。尹潔等對(duì)2010年江西6月19日特大暴雨的多尺度特征進(jìn)行了詳細(xì)分析[1]，研究表明，梅雨鋒暴雨是由α中尺度、β中尺度和γ中尺度多種尺度組合的暴雨，低渦、梅雨鋒以及梅雨鋒上的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的相互作用對(duì)暴雨的發(fā)展起至關(guān)重要的作用[2-4]，中尺度系統(tǒng)是造成暴雨的直接影響系統(tǒng)[3-6]，而邊界層環(huán)境風(fēng)有可能促使中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織化發(fā)展[7]。針對(duì)這種多尺度的降水，倪允琪等建立了天氣學(xué)模型[8]。除了暖濕氣流的貢獻(xiàn)，梅雨氣旋的發(fā)生發(fā)展通常與西北方移來的高空冷槽相聯(lián)系[9]，干空氣的存在加強(qiáng)了暴雨過程的對(duì)流性不穩(wěn)定[10-11]。暴雨在降雨時(shí)間、強(qiáng)度和空間分布上存在著很大的不均勻性和地域性，浙江暴雨主要出現(xiàn)在汛期(3—10月)，梅汛期暴雨具有較好的典型性與代表性。梅雨期暴雨是大中小尺度天氣系統(tǒng)相互作用下產(chǎn)生的。在大尺度有利的環(huán)流背景條件下，產(chǎn)生暴雨的直接影響系統(tǒng)是一些中小尺度系統(tǒng)。本文的研究對(duì)象是2017年6月浙江梅汛期的一次暴雨過程，具有典型的梅雨形勢(shì)，同時(shí)在時(shí)空尺度上具有明顯的中尺度特征。通過對(duì)形成暴雨過程強(qiáng)降水的中尺度特征進(jìn)行初步分析和研究，探討浙江汛期暴雨發(fā)生的客觀機(jī)理，為當(dāng)?shù)乇┨峁├碚撘罁?jù)。

1 使用資料

所用資料為2017年6月18—24日浙江省自動(dòng)站雨量及1°×1°分辨率的FNL逐日再分析資料。

2 降水過程描述

2017年6月19—24日浙江省北部、西部、中北部等地出現(xiàn)了暴雨、大暴雨天氣。降水從19日上午開始至24日下午(圖1a)，浙江西部和中北部強(qiáng)降水基本結(jié)束，雨帶東移南壓至浙江南部地區(qū)。從18日20:00至24日20:00的1 h累積降水量的演變特征分析表明，強(qiáng)降水過程可分為3個(gè)階段(圖1b)，強(qiáng)降水第一階段(6月19日02:00—19日23:00)降水首先在浙江北部產(chǎn)生發(fā)展起來，最大小時(shí)雨量達(dá)12.7 mm，最大24 h降水量(6月18日20:00至19日20:00)為嘉興市53.2 mm；第二階段(6月21日02:00—22日14:00)浙江西部至西北部一帶出現(xiàn)持續(xù)降水，開化最大小時(shí)雨量達(dá)24.3 mm/h且24 h降水量達(dá)87.9 mm(6月21日20:00至22日20:00)；第3階段(6月23日05:00—6月24日20:00)，主要降水從浙江西部開始呈東移南壓趨勢(shì)，造成浙江西部、西北部到中北部的強(qiáng)降水，其中開化、余杭等地小時(shí)雨量達(dá)28.1和23.5 mm/h，24 h降水量達(dá)122.1 mm和100.1 mm。整個(gè)降水過程具有小時(shí)雨強(qiáng)大，但持續(xù)影響同一地區(qū)時(shí)間短的特點(diǎn)。

圖1a 2017年6月18日20時(shí)—24日20時(shí)實(shí)況降水量(單位:mm)

圖1b 2017年6月18日21時(shí)至24日20時(shí)逐時(shí)降水量(單位:mm/h)

3 環(huán)流形勢(shì)分析

3.1 高空輻散條件

2017年6月19—24日200 hPa環(huán)流形勢(shì)(圖略)分析表明，強(qiáng)降水第一、二階段南亞高壓穩(wěn)定控制在江南和華南地區(qū)，浙江北部位于其北側(cè)的高空急流偏西北氣流弱的扇形分流控制下的高空輻散區(qū)內(nèi)；隨著200 hPa高空槽在南亞高壓北側(cè)移動(dòng)，槽前的西南氣流和南亞高壓北側(cè)的偏西北氣流扇形分流特征愈發(fā)顯著；這種槽前的輻散區(qū)一直維持到第3階段強(qiáng)降水結(jié)束，為這次暴雨過程中對(duì)流層高層輻散條件的維持提供非常有利的形勢(shì)，也對(duì)此次暴雨過程產(chǎn)生舉足輕重的作用。

3.2 高空槽線系統(tǒng)

強(qiáng)降水第一、第二階段在高緯地區(qū)500 hPa有穩(wěn)定的阻高維持(圖2a)，東北地區(qū)也有切斷低壓不斷加深發(fā)展南壓，冷空氣從貝加爾湖地區(qū)由北路南下；當(dāng)槽底到達(dá)江蘇中南部地區(qū)(強(qiáng)降水第3階段，圖2b)，帶來有效的冷空氣和顯著的正渦度平流向暴雨區(qū)的輸送；此外，副高脊線在20°N附近，副高的維持有利于其北側(cè)水汽向浙江中北部地區(qū)的輸送。這正是典型的梅雨期環(huán)流形勢(shì)，500 hPa的槽線系統(tǒng)對(duì)于中高層氣層的抬升提供有利的條件。

圖2 500 hPa位勢(shì)高度(灰實(shí)線，dagpm)，溫度(虛線，℃)，渦度(10-5s-1)、水平風(fēng)(風(fēng)向桿)和急流(黑粗線)(a)19日14時(shí)，(b)24日08時(shí)

3.3 低空切變線系統(tǒng)

從850 hPa環(huán)流形勢(shì)來看，整個(gè)降水過程低空切變線系統(tǒng)都非?；钴S。19—24日切變線維持在安徽江蘇南部和浙江北部一帶，850 hPa上切變線系統(tǒng)的不斷東移北抬(圖3a)或南壓(圖3b)，配合著高空槽線系統(tǒng)，影響著大氣整層的的抬升，對(duì)此次暴雨的形成有決定性作用。此外，低空急流穩(wěn)定在切變線南側(cè)200～300 km的范圍內(nèi)，24日起急流迅速增強(qiáng)(圖3b)，它帶來的強(qiáng)盛的西南氣流對(duì)水汽的輸送，對(duì)暴雨的形成非常有利。

圖3 850 hPa位勢(shì)高度(灰色實(shí)線，dagpm)，溫度(虛線，℃)，濕度、水平風(fēng)(風(fēng)向桿)和急流(黑色粗線)(a)19日14時(shí)，(b)24日08時(shí)

2017年6月19—24日的暴雨過程發(fā)生是各高度環(huán)流形勢(shì)相互配合的結(jié)果，在降水發(fā)生較強(qiáng)的階段，對(duì)流層頂層槽線前側(cè)扇形分流場(chǎng)一直維持形成有效輻散，隨著中低層槽東移以及正渦度平流的輸送，暴雨發(fā)生區(qū)位于氣流上升區(qū)，配合西南急流和低空切變線的輻合區(qū)，伴隨著低層水汽的有效輸送，形成了低層輻合、中低層抬升和高層輻散的有利配置，為暴雨的發(fā)生提供了很好的動(dòng)力條件。

暴雨的發(fā)生與有利的環(huán)流形勢(shì)有著密切聯(lián)系，這是一次高空槽、切變線和低空急流共同影響下形成的暴雨過程。

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)成因及特征分析

梅雨期暴雨是大中小尺度天氣系統(tǒng)相互作用下產(chǎn)生的。在大尺度有利的環(huán)流背景條件下，產(chǎn)生暴雨的直接影響系統(tǒng)是一些中小尺度系統(tǒng)。接下來對(duì)形成暴雨過程強(qiáng)降水的中尺度系統(tǒng)演變極其物理量場(chǎng)特征進(jìn)行分析和研究，探究影響強(qiáng)降水落區(qū)和時(shí)段的主要原因。

4.1 假相當(dāng)位溫θse場(chǎng)的分析

在強(qiáng)降水第一、第二階段，700 hPa的水平假相當(dāng)位溫θse場(chǎng)(圖4a)可以看到，27°N以南的華南北部地區(qū)有舌狀高能區(qū)，其北側(cè)有明顯的θse鋒區(qū)；暴雨區(qū)700～800 hPa以下有弱的θse高值區(qū)(圖4c)，說明雨區(qū)低層存在一定的不穩(wěn)定性，邊界層至700 hPa還存在明顯上升氣流，能夠?qū)⑺湍芰枯斔偷礁呖?，從而有利于不穩(wěn)定能量不斷積聚和對(duì)流的發(fā)生。隨著θse高能區(qū)和鋒區(qū)加強(qiáng)北推，蘇南和浙北地區(qū)處在高能區(qū)北側(cè)邊緣的暖區(qū)中，雨量明顯增大，此階段的強(qiáng)降水是屬于暖區(qū)降水。但23—24日的第3個(gè)強(qiáng)降水階段與前兩個(gè)階段不同，浙江中北部區(qū)的θse北側(cè)的鋒區(qū)東移南壓且梯度增大，鋒生明顯(圖4b)，表明此階段北方冷空氣加強(qiáng)且南壓；雨區(qū)上空低層的θse線上凸，不穩(wěn)定能量增大(圖4d)；鋒區(qū)內(nèi)(邊界層至700 hPa之間)垂直上升運(yùn)動(dòng)也有顯著增強(qiáng)，強(qiáng)降水產(chǎn)生在冷鋒南壓的過程中的鋒區(qū)內(nèi)。這說明低層冷空氣南壓的過程中導(dǎo)致不穩(wěn)定的增強(qiáng)，激發(fā)出上升運(yùn)動(dòng)，從而使得中尺度對(duì)流運(yùn)動(dòng)沿著鋒區(qū)產(chǎn)生，引發(fā)強(qiáng)降水的產(chǎn)生和發(fā)展。

圖4 700 hPa假相當(dāng)位溫場(chǎng)(實(shí)線，單位：K)和急流(風(fēng)速≥8 m·s-1)和沿120°E的垂直速度和假相當(dāng)位溫(等值線，單位：K)剖面圖(a,c)6月22日02時(shí)、(b,d)24日08時(shí)

4.2 水汽輸送

強(qiáng)降水第一、第二階段雨區(qū)上空有強(qiáng)的西南(700 hPa以下)和東南(925 hPa以下)的水汽輸送(圖5a)，且有一個(gè)強(qiáng)的水汽通量的輻合中心，強(qiáng)降水產(chǎn)生在急流中心和水汽輸送北抬的過程中。強(qiáng)降水第三階段925～700 hPa的急流的明顯加強(qiáng)(圖5b)，從而使得風(fēng)垂直切變?cè)鰪?qiáng)，同時(shí)西南的水汽輸送和水汽通量的輻合也顯著增大，隨著急流的東移南壓，強(qiáng)降水產(chǎn)生在水汽通量的輻合東移南壓的過程中。

圖5 水汽通量場(chǎng)(矢量，單位：kg/(m·s))、水汽通量散度場(chǎng)(單位：10-5 kg/(m2·s)和全風(fēng)速(等值線，風(fēng)速≥8 m·s-1)沿29°N的垂直剖面圖(a)22日02時(shí)，(b)24日08時(shí)

4.3 輻散場(chǎng)和渦度場(chǎng)

強(qiáng)降水第一、第二階段在雨區(qū)的300～400 hPa上空有較明顯的散度大值中心(圖6a)，這正是前文中提到的南亞高壓北側(cè)扇形的分流所產(chǎn)生的。雨區(qū)上空500 hPa以下有強(qiáng)的渦度大值中心，中低層輻合區(qū)與高空輻散相配合產(chǎn)生強(qiáng)降水。強(qiáng)降水第3階段(圖6b)高層的輻散中心值明顯增大，但相比較中低層的輻合值要小得多，而且第三階段的降水強(qiáng)度和范圍明顯大于第一和第二階段，這表明低層的輻合抬升作用對(duì)暴雨的影響較大，也就是中低層(700～925 hPa)切變線系統(tǒng)的維持和急流的變化對(duì)此次強(qiáng)降水過程有著重要的作用。

圖6 6月19日14時(shí)—24日08時(shí)渦度(實(shí)線，單位：10-5s-1)、散度(單位：10-5s-1)沿30°N的垂直剖面圖(a)22日02時(shí)，(b)24日08時(shí)

5 結(jié) 語

對(duì)2017年6月19日到24日浙江的一次梅雨期暴雨過程的分析和診斷，可以看出此次降水過程為典型的梅雨天氣系統(tǒng)背景下低空急流的加強(qiáng)和低層切變線的北抬或南壓造成的具有明顯的中尺度特征的一次降水過程。

1)此次暴雨過程具有典型的梅雨期環(huán)流形勢(shì)：阻塞高壓、切斷低壓的維持是暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流背景；高空槽東移、低層切變線的維持和低空急流的加強(qiáng)對(duì)暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了熱力和動(dòng)力條件。

2)此次暴雨過程的強(qiáng)降水分為3個(gè)階段，前兩個(gè)階段均發(fā)生在低層暖濕空氣北抬的過程中，低層切變線的北抬過程中伴隨著西南和東南急流的北抬，使得中尺度輻合抬升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，暴雨過程具有明顯的暖區(qū)暴雨的中尺度特征。第3個(gè)階段則為冷空氣南下過程中，中低層的切變線東移南壓，西南急流增強(qiáng)，垂直風(fēng)切變?cè)龃?，使得鋒區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定能量增強(qiáng)，中尺度對(duì)流系統(tǒng)沿著鋒區(qū)不斷的產(chǎn)生和發(fā)展。

3)此次暴雨是產(chǎn)生在大尺度雨帶內(nèi)的一次由中低層中尺度擾動(dòng)(切變線南北移動(dòng)和急流加強(qiáng))觸發(fā)的一次強(qiáng)降水過程。低層急流和切變線是造成中尺度輻合抬升形成的強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，有利于將低層的不穩(wěn)定能量輸送到高層，為暴雨的產(chǎn)生和發(fā)展提供了熱力和動(dòng)力條件。