薛煜李靚靚朱業(yè)張紅蕾,3劉瑞翟國慶

1浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州310027

2浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，杭州310007

3浙江省氣象科學(xué)研究所，杭州310004

1 引言

我國位處東亞地區(qū)，有著狹長的海岸線，是世界上受臺風(fēng)影響最多的國家之一。臺風(fēng)雨是臺風(fēng)活動造成的降水現(xiàn)象，也是引起我國暴雨的一個主要類型（陳聯(lián)壽等，2001孟智勇,2002）。登陸臺風(fēng)的暴雨強(qiáng)度和落區(qū)除與臺風(fēng)本身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與高低空急流、冷空氣活動、中緯度系統(tǒng)、不穩(wěn)定能量、地形及強(qiáng)的環(huán)境垂直風(fēng)切變、低層輻合高層輻散的高低空配置等因素有關(guān)，也存在多種尺度天氣系統(tǒng)配合（壽紹文, 2019,Galameau,et al,2010）。因此登陸臺風(fēng)暴雨的形成機(jī)理十分復(fù)雜，預(yù)報(bào)難度大。

Aylward and Dyer（2010）認(rèn)為，“列車效應(yīng)”風(fēng)暴系統(tǒng)是一個個對流單體在同一位置不斷傳播。極端降水事件也常與多個對流單體或云團(tuán)的排列方式和走向有關(guān)（Durkee et al.,2012）。當(dāng)多個風(fēng)暴單體（雷雨云團(tuán)）先后經(jīng)過同一個地點(diǎn)，就像列車的不同車廂先后經(jīng)過同一鐵軌一樣，間歇性的短時強(qiáng)降水將最終對該地造成局地大暴雨或特大暴雨（Davis,2001;Corfidi et al,2003），國內(nèi)氣象工作者將這種現(xiàn)象形象地稱為“列車效應(yīng)”（孫繼松等，2013；陳見等,2014；鄭艷等，2014; 柯文華等，2012）。臺風(fēng)造成的暴雨常與臺風(fēng)螺旋云帶有關(guān)，螺旋云帶往往就像一條條水汽通道，跟隨臺風(fēng)中心呈螺旋式向前運(yùn)動，因此常會引起大暴雨或特大暴雨。因此，研究臺風(fēng)螺旋云帶中的“列車效應(yīng)”對于完善極端降水預(yù)報(bào)和減少人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

陳華宣等（2011）認(rèn)為副熱帶高壓、高低空急流、風(fēng)速輻合、低層輻合高層輻散流場等是有利于產(chǎn)生特大暴雨的環(huán)流形勢特征，暴雨雨帶通常位于500 hPa 副高588線外側(cè)的100～200 km 范圍內(nèi)，穩(wěn)定的環(huán)流形勢有利于對流性降水發(fā)生“列車效應(yīng)”。黃小玉等（2009）研究了臺風(fēng)“碧利斯”與“圣帕”中暴雨的“列車效應(yīng)”，兩次過程都有暖平流上疊加輻合風(fēng)場的特征，形成了有利于強(qiáng)降水的環(huán)境背景。此外，地形對暴雨的增幅作用不能忽視，地形對降水的增幅作用包括地形摩擦輻合與抬升作用。鄭慶林等（1996）提出，海岸線的分布會造成臺風(fēng)降水的不對稱分布和強(qiáng)度變化，在華南登陸的臺風(fēng)主雨區(qū)多在臺風(fēng)東側(cè)，而華東登陸的臺風(fēng)雨區(qū)常在北側(cè)。

研究中發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)引起的“列車效應(yīng)”影響時間有長有短，短則2～4小時，長的可達(dá)10小時。螺旋雨帶的形成及其中對流單體的排列可能與重力慣性波有關(guān)。李英等（2007）發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)麥莎（Matsa）在移動方向上具有強(qiáng)雨帶波狀分布和傳播特征，指出臺風(fēng)北向傳播的大型波狀雨帶分布特征與大氣重力內(nèi)波與大氣慣性波的混合波特征有關(guān)。壽紹文（2003）也指出，近年來的研究中發(fā)現(xiàn)傳播性的中尺度雨帶和重力波有密切關(guān)系，與強(qiáng)降水相聯(lián)系的重力波一般是振幅較大，存在時間較長的重力波，重力波出現(xiàn)于對流天氣發(fā)展之前，起著一種觸發(fā)機(jī)制的作用，當(dāng)已經(jīng)產(chǎn)生的對流天氣區(qū)有重力波通過時，對流強(qiáng)度會發(fā)生周期性變化。一方面，臺風(fēng)螺旋云帶作為一個繞著中心軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的整體，在登陸之后云系向外擴(kuò)展而偏離原有軌道并受到重力波作用，螺旋雨帶中的對流單體可能會呈現(xiàn)近似線性的排列方式。另一方面，受到充沛的水汽輸送、低層弱冷空氣的滲透觸發(fā)、環(huán)境風(fēng)切變、地面輻合線以及地形的組織抬升等多種物理?xiàng)l件的作用，這些均可能成為臺風(fēng)“列車效應(yīng)”形成和維持的條件（蔡小輝等,2012;柯文華等,2012;Corfidi,2003;Davis,2001;Peters et al.,2014）。

1323號“菲特”臺風(fēng)對我國造成了嚴(yán)重的影響尤其是浙江省，國內(nèi)研究者對“菲特”臺風(fēng)從動力、熱力和水汽等方面都做了許多較深入的研究（沈曉玲，2014；王曉，2017；李啟華等，2018）。菲特臺風(fēng)帶來的降水主要可以分成兩個時間段，一是2010年10月6日21:00（北京時，下同）至7日10:00左右，從浙江象山至寧波一帶形成的強(qiáng)降水帶，二是大約8日02:00至8日10:00，由冷空氣從低層擴(kuò)散南下在江蘇東南部、浙江東北部、上海地區(qū)產(chǎn)生了區(qū)域性大暴雨（田洪軍等,2014;謝惠敏等,2016），而多數(shù)的研究中未對第一段暴雨發(fā)生做細(xì)致的分析，研究表明，發(fā)生于寧波象山至余姚一帶的第一階段強(qiáng)降水與臺風(fēng)螺旋云帶相關(guān)并出現(xiàn)典型“列車效應(yīng)”的現(xiàn)象，而冷空氣所起作用并不大。

一般來說，暴雨中“列車效應(yīng)”發(fā)生時的各種天氣尺度因素和中尺度條件的都較為普遍，而臺風(fēng)暴雨中的“列車效應(yīng)”形成機(jī)制也成為研究的難點(diǎn)，目前由于具有典型“列車效應(yīng)”的臺風(fēng)暴雨個例較少，降水量極端，模擬難度大，因此人們對臺風(fēng)螺旋云帶中“列車效應(yīng)”的研究也開展較少。本文主要以1323號臺風(fēng)“菲特”螺旋云帶中出現(xiàn)的第一段大暴雨過程，著重分析臺風(fēng)“列車效應(yīng)”特征和形成的機(jī)制。

2 資料與研究方法

2.1 資料簡介

本文使用的分析資料：（1）美國國家環(huán)境中心/大氣研究中心NCEP/NCAR 提供的GFS逐6小時再分析資料（0.5°×0.5°）；（2）華東地面自動站每小時實(shí)況加密資料，資料加入了近海地區(qū)的島嶼站、浮標(biāo)等數(shù)據(jù)；（3）中國自動站與CMORPH降水產(chǎn)品融合的逐時降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集；（4）每6分鐘一次的寧波多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料；（5）中國熱帶氣旋災(zāi)害數(shù)據(jù)集和溫州臺風(fēng)網(wǎng)臺風(fēng)路徑信息資料。資料選取時間均為北京時2013年10月6～8日。

2.2 方法

中尺度濾波方法，可以從大尺度背景場中提取到中尺度系統(tǒng)信息。本文使用Shuman-Shaprio平滑濾波法（章國材等,2007;覃丹宇,2010）來進(jìn)行尺度分離，該方法可以分離出β中尺度到γ 中尺度的中小尺度信息場，提取波段是基于客觀分析到格點(diǎn)的格距為基準(zhǔn)，基本思路是：先通過插值處理將選定區(qū)域的氣象要素資料插值到格點(diǎn)場，再選取適當(dāng)?shù)臑V波系數(shù)S，對于二維要素場來說，9點(diǎn)平滑的濾波算子為

其中，S 為濾波系數(shù)， fi,j是濾波后的平滑場， fi,j是相應(yīng)的格點(diǎn)要素值。濾波算子的響應(yīng)函數(shù)：R(S,n)=(1-2sin2(π/n))2，令R(S,n)=0，可以得到S 與n的關(guān)系，選取適當(dāng)格距倍數(shù)n得到相應(yīng)的濾波系數(shù)S，可以濾除不同倍數(shù)的格距波，再用原始場減去濾波后的平滑場，就可以分離出n倍格距波長的擾動波。

采用9點(diǎn)平滑濾波算子，取S＝0.5，得到圖1中響應(yīng)曲線。

3 菲特臺風(fēng)和降水概況

2013年第23號強(qiáng)臺風(fēng)“菲特”（Fitow），于2013年9月30日20:00在菲律賓以東洋面生成，10月3日凌晨加強(qiáng)為臺風(fēng)，10月4日17:00加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，10月7日凌晨01:15左右在福建省福鼎市沙埕鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時強(qiáng)度為強(qiáng)臺風(fēng)，中心附近最大風(fēng)力有14級（42 m s-1），中心最低氣壓為955 hPa，登陸后于10月7日09:00在福建省建甌市境內(nèi)迅速減弱為熱帶低壓，11:00停止編報(bào)。在此期間，1324號強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“丹娜絲”于10月4日生成，5日14:00在西北太平洋上發(fā)展成熱帶風(fēng)暴，并以每小時25 km 左右的速度向西北移動并加強(qiáng)，與菲特形成“藤原效應(yīng)”。“菲特”臺風(fēng)是新中國成立以來正面登陸我國大陸的最強(qiáng)“秋臺風(fēng)”，對中國造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)623.3億人民幣，形成的倒槽降水使浙江全境出現(xiàn)罕見洪澇災(zāi)害，降雨強(qiáng)度破歷史紀(jì)錄，沿海強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時間長。

圖1 9點(diǎn)濾波算子響應(yīng)函數(shù)（R）曲線Fig.1 Response function (R) curveof nine-point filter operator

圖2是菲特臺風(fēng)在10月6日08:00至7日14:00共計(jì)30小時的過程降水量（填色），可以看到，該時段降水位于浙江沿海一帶，其中暴雨中心集中在兩個區(qū)域，一是浙江東北部沿海，以象山（XS）到寧波（NB）為中心的杭州灣南線一帶，主要受臺風(fēng)外圍螺旋云帶影響；另一個是浙江東南部沿海，位于溫州（WZ）、臺州（TZ）一帶，主要受臺風(fēng)近中心環(huán)流影響。圖1顯示，浙江東北部的降水強(qiáng)度最高，大于350 mm 主降水帶由象山和寧波兩個降水中心相連，呈現(xiàn)帶狀分布，最大過程降水量到507.3 mm。臺風(fēng)中心路徑呈現(xiàn)大圓弧狀，登陸之前，路徑呈東南—西北向，登陸之后路徑呈偏西方向。

4 環(huán)流背景

為了簡單回顧本次臺風(fēng)形勢和水汽條件，我們以850 hPa 上的基本要素場為代表。圖3中是10月6日20:00和10月7日02:00的850 hPa 低層的環(huán)流形式，由圖可見，副高較強(qiáng)呈帶狀分布且基本穩(wěn)定，南側(cè)是偏東氣流。中高緯有西風(fēng)槽東移，浙江與福建沿海地區(qū)存在一個臺風(fēng)倒槽，槽后是偏南氣流，在臺風(fēng)倒槽、副高和臺風(fēng)“丹娜絲”共同作用下，雙臺風(fēng)之間建立起一條深厚的水汽通道（填色區(qū)），7日02:00“菲特”臺風(fēng)登陸減弱時仍有大量水汽輸送和聚集，強(qiáng)水汽通道為浙江沿海地區(qū)暴雨提供水汽來源。

圖2 2013年10 月6日08:00（北京時，下同）至7日14:00臺風(fēng)“菲特”登陸前后移動路徑（點(diǎn)虛線，虛線下方為日和時）和過程降水量（填色區(qū)，單位：mm）。Fig.2 Movement path of typhoon “Fitow”before and after landfall(dotted line, the day and hour below the dotted line)and process precipitation(colored area;unit:mm)from 0800 BT(Beijing time)6 to 1400 BT 7 in October 2013

圖3 2013年10月（a）6日20:00、（b）7日02:00 850 hPa 位勢高度（黑色實(shí)線，單位：dagpm）、溫度（紅色虛線，單位：°C）、水汽通量（填色，單位：g cm-1 hPa-1 s-1）和流場（黑色箭頭）分布Fig.3 Geopotential height (black solid line;units:dagpm),temperature(red dotted line; units:°C), water vapor flux (colored area;units:g cm-1 hPa-1 s-1),and flow field (black arrow)at 850 hPa at (a)2000 BT 6 October 2013 and (b)0200 BT 7 October 2013

為了了解浙北暴雨發(fā)生的環(huán)境條件，我們選擇了不同高度的風(fēng)場特征，以了解環(huán)境場對此次浙北強(qiáng)降水的起到積極作用。圖4a 和b的兩個時刻中可以看到，200 hPa 上，在黃海至朝鮮半島北緯35°以北一直存在一支高空急流，風(fēng)速達(dá)到40 m s-1以上，位置穩(wěn)定少動并不斷加強(qiáng)，高空的輻散區(qū)（紅色實(shí)線）中心值達(dá)到4×10-5s-1，暴雨區(qū)基本處在高空急流入口區(qū)右側(cè)。與此同時，在低層（圖4c）以大范圍的低空偏東急流為主，850 hPa雙臺風(fēng)之間存在大風(fēng)速帶，而7日02:00（圖4e）臺風(fēng)近中心有一支東南向強(qiáng)低空急流，急流軸位于寧波暴雨區(qū)南側(cè)，溫臺暴雨區(qū)北側(cè)，低空急流為暴雨區(qū)輸送水汽和能量。臺風(fēng)倒槽內(nèi)部，7日02:00的925 hPa 高度上（圖4d），浙江大部地區(qū)成為輻合區(qū)（黃色實(shí)線），輻合中心達(dá)-5×10-5s-1，因此在浙江地區(qū)形成高層輻散、低層輻合的有效配置，并有低層水汽不斷輸送的有利背景。

5 菲特“列車效應(yīng)”特征分析

臺風(fēng)登陸之后，多數(shù)情況下暴雨和螺旋云帶跟隨著臺風(fēng)環(huán)流一致運(yùn)動，當(dāng)暴雨中心呈現(xiàn)出帶狀特征（這種情況常與臺風(fēng)螺旋云帶被“甩”離相似，降水雨團(tuán)運(yùn)動逐漸遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心路徑，沿著臺風(fēng)中心軌跡切線方向呈直線性運(yùn)動）向前傳播，易出現(xiàn)“列車效應(yīng)”現(xiàn)象。

我們分析了“菲特”第一階段降水中的8小時連續(xù)強(qiáng)降水，圖5a 可以看到，以寧波為中心的暴雨帶和雷達(dá)回波帶位置一致，呈帶狀走向，暴雨中心呈長軸狀（長度超過200 km），結(jié)合雷達(dá)回波對流單體運(yùn)動表明，該時段的臺風(fēng)螺旋雨帶產(chǎn)生的降水現(xiàn)象中出現(xiàn)了“列車效應(yīng)”。其暴雨中心長軸和雷達(dá)回波中心長軸與臺風(fēng)中心路徑走向有明顯偏離，偏離角大約在25°以上。然而，深入研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)造成的列車效應(yīng)也存在“位移”，即它也會發(fā)生位置上的移動。根據(jù)暴雨發(fā)生的地理位置，將10月7日01:00～09:00象山到寧波地區(qū)發(fā)生的“列車效應(yīng)”，大致劃定7日01:00～04:00為第一次“列車效應(yīng)”，04:00～05:00是為過渡期，05:00～09:00為第二次“列車效應(yīng)”。此次連續(xù)“列車效應(yīng)”過程，由象山—寧波地區(qū)形成主降水帶，該地區(qū)8小時平均降水量超過200 mm，最大降水達(dá)到309.1 mm，螺旋云帶中雷達(dá)回波平均反射率在35 dB Z 以上，降水和雷達(dá)時空關(guān)系對應(yīng)基本一致。此次“列車效應(yīng)”8小時連續(xù)降水時間只占圖2中（30小時）過程降水時間的27%，但最大降水量占比卻達(dá)到61%，呈現(xiàn)出高降水效率，因此研究菲特臺風(fēng)“列車效應(yīng)”降水的形成具有重要意義。

兩次“列車效應(yīng)”都從寧波市沿海的象山縣（XS）開始，持續(xù)時間為3～4小時。每小時降水25 mm 以上的雨帶沿著東南到西北方向從象山到寧波向前緩慢推進(jìn)，第一次“列車效應(yīng)”雨帶跨度在1.5 個經(jīng)度距離左右（圖6a），第二次接近2個經(jīng)度距離（圖6c）。主降水區(qū)第二次較第一次略有北抬，若按暴雨中心長軸估算，暴雨的東段（XS）北抬10 km，暴雨西段北抬約50 km，雨帶移動方向發(fā)生順時針小角度偏轉(zhuǎn)，這可能是因?yàn)殡S著臺風(fēng)本體登陸減弱，螺旋云帶逐漸向外圍擴(kuò)散導(dǎo)致。一個個回波強(qiáng)度達(dá)到40 dB Z 的強(qiáng)對流單體呈連續(xù)線性向前傳播并對象山—寧波地區(qū)造成短時強(qiáng)降水最終造成該地區(qū)的特大降水?！傲熊囆?yīng)”過程中降水區(qū)的螺旋云帶平均回波強(qiáng)度可以維持在35 dB Z 以上，那么形成“列車效應(yīng)”的40 dB Z 以上的強(qiáng)對流單體從哪里產(chǎn)生、如何產(chǎn)生和維持并呈現(xiàn)東南—西北向的線性走向？

6 “列車效應(yīng)”診斷分析

6.1 對流單體傳播

眾所周知，地面系統(tǒng)移速與引導(dǎo)氣流風(fēng)速大小成正比,移向與高空引導(dǎo)氣流方向一致。500 hPa 引導(dǎo)層上的風(fēng)向06日20:00（圖7a）在象山到寧波一帶為偏東方向，07日02:00發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為東南方向并在“列車效應(yīng)”發(fā)生期間穩(wěn)定維持（7日02:00～08:00），與發(fā)生“列車效應(yīng)”的系統(tǒng)走向一致，這為“列車效應(yīng)”呈線性走向提供大環(huán)流背景。從925 hPa 散度場來看，除了臺風(fēng)主體，6日20:00開始的浙江北部沿海存在強(qiáng)輻合中心，中心值達(dá)到-4×10-4s-1，構(gòu)成除沿海輻合帶之外的象山、寧波、杭州走向的東南至西北向的輻合帶（圖7a），到7日02:00強(qiáng)輻合區(qū)主要位于象山和寧波的沿海地區(qū)，7日08:00強(qiáng)輻合區(qū)穩(wěn)定在寧波地區(qū)低層上空，強(qiáng)輻合區(qū)與強(qiáng)上升運(yùn)動一致（圖略），有利于“列車效應(yīng)”對流單體產(chǎn)生、發(fā)展和傳播。

圖4 2013年10月（a）6日20:00、（b）7日02:00 200 hPa 風(fēng)場（風(fēng)矢）和水平輻散場（紅色等值線，單位：10-5 s-1）；2013年10月（c）6日20:00、（d）7日02:00 850 hPa 風(fēng)場（風(fēng)矢）和925 hPa 水平輻合場（黃色等值線，單位：10-5 s-1）；（e）2013年10月7日02:00浙江及沿海地區(qū)850 hPa 風(fēng)場（風(fēng)矢），藍(lán)色箭頭代表低空急流軸位置。填色區(qū)為風(fēng)速，單位：m s-1Fig.4 Wind (wind vectors; units:m s-1) and horizontal divergence(red contours; units:m s-1)at 200 hPa at (a)2000 BT 6 October 2013 and (b)0200 BT 7 October 2013.Wind(wind vectors; units:m s-1)at 850 hPa and horizontal divergence(red contours;units: m s-1)at 925 hPa at(c)2000 BT 6 October 2013 and (d)0200 BT 7 October 2013.(e)The 850-hPa wind field in Zhejiang and coastal areas(blue arrow represents the position of the jet stream axis;filling area representswind speed).Shaded areas show the wind speed,units:m s-1

圖5 2013年10月7日01:00～09:00（a）8小時降水量（填色，單位：mm）分布和（b）寧波多普勒雷達(dá)8小時平均反射率（填色，單位：dB Z）分布。（a）中黑色點(diǎn)線為臺風(fēng)中心路徑，（b）灰色陰影是200米以上地形Fig.5 The distribution of (a)8-h precipitation(shaded; units:mm)and(b)8-h average reflectance(shaded; units:dB Z)of the Ningbo Doppler radar from 0100 BT 7 to 0900 BT 7 on October 2013.The black dotted line in(a)is the central path of the typhoon.The gray shade in(b)represents the terrain above200 m

6.2 對流單體加強(qiáng)區(qū)域

圖7反映出沿海低層有了較強(qiáng)的輻合，這有利于對流發(fā)生發(fā)展。我們利用寧波多普勒雷達(dá)每6分鐘一次的觀測數(shù)據(jù)，分析研究“列車效應(yīng)”對流發(fā)生發(fā)展的源頭及增強(qiáng)機(jī)制?？紤]到對流發(fā)生發(fā)展演變較快，難以定量得出對流發(fā)生發(fā)展的準(zhǔn)確概念，因此假定格點(diǎn)上每單位時間雷達(dá)回波反射率因子比上一時刻（6分鐘）增長量超過10 dB Z，則記為1次增長，以此方法為對流回波在短時間內(nèi)快速增長的條件。將每個格點(diǎn)8小時（88個時次）的增長次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到雷達(dá)回波快速加強(qiáng)的頻次分布圖（圖8）。

在我們統(tǒng)計(jì)的區(qū)域中，我們獲得有意思的結(jié)果，圖8可以看到，浙北沿海有5條明顯的快速增強(qiáng)的帶狀回波運(yùn)動軌跡，我們將其編為A、B、C、D和E。圖中陸地上并沒有出現(xiàn)快速增長頻次，但這并不意味著對流單體回波強(qiáng)度本身的減弱，一是因?yàn)殛懙厣蠈α鲉误w已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，不再繼續(xù)以短時快速的增長，二是對流云團(tuán)運(yùn)動至陸地之后降水增強(qiáng)，導(dǎo)致回波發(fā)展速度減慢；圖中反映對流回波增長出現(xiàn)了明顯的條狀，類似于臺風(fēng)外圍的螺旋云帶，這表明衛(wèi)星和雷達(dá)遙感圖像上，寬闊的螺旋回波帶中有可能鑲嵌著一條或多條發(fā)展更為快速的對流云團(tuán)，這些快速增長的條狀回波帶中存有中尺度發(fā)展特性。

雖然圖8的范圍并不大，但每條回波快速增長帶上也不平衡，沿海頻次明顯更多，這可能與下墊面島嶼增多導(dǎo)致的摩擦、輻合等加大有關(guān)，而各條之間的分布也不均勻，其中B、C 分別是兩次發(fā)生“列車效應(yīng)”的起源帶。從第一次“列車效應(yīng)”的主回波帶（B）加強(qiáng)區(qū)位置和增長數(shù)來看，從海上出現(xiàn)就多個超過9次增長的增長數(shù)大值區(qū)，一個個對流單體從浙江沿海的海上開始形成并快速向前發(fā)展，到達(dá)象山附近的海域時發(fā)展成熟，形成具有高降水效率的“列車效應(yīng)”降水系統(tǒng)，在象山到寧波偏南側(cè)地區(qū)造成短時連續(xù)強(qiáng)降水（圖6a）。而第二次“列車效應(yīng)”的主回波帶（C）在海上發(fā)展強(qiáng)度比第一次弱，整個主回波帶比第一次向北抬升約0.2個緯距，增長數(shù)大值區(qū)主要出現(xiàn)在象山附近，從象山附近開始主回波帶的對流單體開始進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，到寧波地區(qū)趨于成熟，因此第二次“列車效應(yīng)”雨帶略有北抬，在象山到寧波偏北側(cè)地區(qū)造成短時連續(xù)強(qiáng)降水（圖6c），這與上面看到的兩次“列車效應(yīng)”降水分布相吻合。從回波發(fā)展速度頻次上看，臺風(fēng)螺旋云帶內(nèi)的對流云在近海得以明顯快速增強(qiáng)，這可能是沿海復(fù)雜的下墊面導(dǎo)致。

6.3 沿海對流單體形成分析

圖6 2013年10 月7日（a）第一次01:00～04:00和（b）第二次05:00～09:00“列車效應(yīng)”每小時降水量分布（左列；等值線，單位：mm）以及雷達(dá)平均反射率（右列；填色，單位：dB Z）。（a）中紅色、藍(lán)色、綠色實(shí)線分別代表01:00～02:00、02:00～03:00、03:00～04:00時段的每小時大于25 mm 降水量，（c）中紅色、紫色、藍(lán)色、綠色分別代表05:00～06:00、06:00～07:00、07:00～08:00、08:00～09:00時段每小時大于25 mm 的降水量Fig.6 The distribution of hourly precipitation(left column;contours, units:mm)and the average radar reflectance(right column,units:dB Z)of (a)the first “train effect”from 0100 BT 7 to 0400 BT 7 in October 2013 and (c)the second “train effect”from 0500 BT 7 to 0900 BT 7 in October 2013.(a)Red,blue,and green lines represent hourly precipitation greater than 25 mm during theperiods of 0100 BT-0200 BT,0200 BT-0300 BT,and 0300 BT-0400 BT.(c)Red, purple, blue,and green lines represent hourly precipitation greater than 25 mm during the period of 0500 BT-0600 BT,0600 BT-0700 BT,0700 BT-0800 BT,and 0800 BT-0900 BT

圖7 2013年10月（a）6日20:00、（b）7日02:00和（c）08:00 925 hPa 散度場（填色區(qū)，單位：10-4s-1）和500 hPa 風(fēng)場（風(fēng)矢）分布Fig.7 The distribution ofdivergence disturbance(shaded;units:10-4 s-1)at 925 hPa and wind(wind vectors;units:m s-1)at 500 hPa at(a)2000 BT 6,(b)0200 BT 7,and (c)0800 BT 7 in October 2013

圖8 2013年10月7日01:00～09:00雷達(dá)回波快速加強(qiáng)區(qū)分布（填色，單位：增長次數(shù)），A、B、C、D和E代表5條帶狀回波運(yùn)動軌跡。灰色陰影區(qū)為海拔100 m 以上地形Fig.8 Radar echo enhancement area distribution(shaded;units:number of times of increase)from 0100 BT 7 to 0900 BT 7 in October 2013.Number A,B,C,D,E represent the movement trajectory of five stripe echoes.The gray shaded area representstheterrain above100 m

眾所周知，大尺度系統(tǒng)提供了支持中尺度系統(tǒng)形成的條件和環(huán)境場，中尺度系統(tǒng)才是直接造成暴雨的天氣系統(tǒng)，而對流的快速發(fā)生常與有利的環(huán)境條件和中尺度觸發(fā)條件有關(guān)（陶詩言,1980），由于東部海岸附近資料較為不均勻，直接尋找中尺度相關(guān)信息較為困難，因此設(shè)法提取有效的“列車效應(yīng)”中尺度擾動場信息，并分析內(nèi)在形成機(jī)制。雖然從加密的地面資料輻合場中可以一定程度上獲得對流發(fā)展特征，但中尺度輻合線或是尺度較小的匯合點(diǎn)不一定能在流場上顯現(xiàn)出來，因此若能從自動站流場中提取相應(yīng)的中尺度輻合帶或輻合區(qū)，便能夠在時空尺度中更有效地判定對流單體的短時發(fā)生發(fā)展趨勢，進(jìn)一步了解此次“列車效應(yīng)”過程的形成機(jī)制。我們運(yùn)用Shuman-Shapiro中尺度濾波方法，得到時間尺度約8小時，空間尺度300～500公里的中尺度波動特征。

為了了解列車效應(yīng)發(fā)生和起源，如圖9所示，將范圍縮小至寧波—象山及沿海。圖9a、c和圖9b、d 分別代表兩次“列車效應(yīng)”開始時的地面風(fēng)場特征。圖9a、b是初始的流場，未采用濾波方案，圖9c、d 采用了Shuman-Shapiro中尺度濾波方案。從流場中可以看到，兩次“列車效應(yīng)”開始時（7日01:00、04:00），未濾波的象山東南側(cè)海域的地面流場中沿海存在大片的輻合區(qū)，進(jìn)行濾波后，兩次“列車效應(yīng)”的初始時刻都形成了東南至西北向的帶狀中尺度輻合帶，輻合帶上出現(xiàn)數(shù)個的中尺度渦旋擾動中心。這些濾波后的擾動輻合帶（填色區(qū)），基本也代表了大尺度場上表現(xiàn)出來的輻合中心（圖9a、9b）。第二次“列車效應(yīng)”的中尺度輻合帶位置略有北抬，與圖6c中第二次“列車效應(yīng)”降水帶的北抬相一致。由此可知，“列車效應(yīng)”形成過程中，關(guān)鍵是上游的中尺度擾動輻合帶的形成，其對于臺風(fēng)螺旋云帶中的對流單體發(fā)生發(fā)展和下游降水系統(tǒng)的演變有著重要的作用。

為進(jìn)一步了解兩段“列車效應(yīng)”起源之前沿海對流演變，圖10給出“列車效應(yīng)”發(fā)生前濾波后的擾動流場。兩次“列車效應(yīng)”分別在7日00:45（圖10a）和04:14（圖10e）開始，螺旋云帶后部有源源不斷的高于40 dB Z 的強(qiáng)對流單體從沿海海面中尺度擾動輻合帶中生成，并沿輻合線（棕色粗實(shí)線）由沿海到象山向前發(fā)展。如第一段列車效應(yīng)發(fā)生之前，象山沿海已形成中尺度擾動輻合線（圖10a），在半個小時左右的時間內(nèi)，該擾動輻合線保持穩(wěn)定維持，并促進(jìn)對流回波逐漸增強(qiáng)和擴(kuò)大形成緊密的結(jié)構(gòu)（圖10a-d）。在第二段“列車效應(yīng)”過程中（圖10e-h），04:14（圖10e）已觀測到對流回波單體“M”在象山沿?？焖僭鰪?qiáng)，其位置上對應(yīng)著中尺度擾動輻合線以及圖8d 的濾波輻合中心，快速增強(qiáng)后的強(qiáng)對流單體沿著輻合線方向，半小時后移到了象山與寧波的之間（圖10e）并仍然保持著45 dB Z 以上的回波強(qiáng)度，在這段時間過程中，地面始終維持著中尺度的擾動輻合以及強(qiáng)度在35 dB Z 以上的對流回波帶，說明沿海的擾動輻合線對回波單體在沿海快速發(fā)展起到重要作用。兩次“列車效應(yīng)”的形成來看，在具有復(fù)雜海岸線和地形的沿海或海陸交界處，以及在一定的環(huán)流背景和物理?xiàng)l件下，易構(gòu)成對流層低層的中尺度擾動輻合場，并促成了對流系統(tǒng)的組織化，典型時刻分別如01:14和04:48，形成了具有中尺度系統(tǒng)特征、連續(xù)的線性帶狀對流回波，“列車效應(yīng)”由此產(chǎn)生，進(jìn)而影響象山—寧波地區(qū)。在類似的個例研究中，Zhu et al.（2019）利用模式水平分辨率為333 m 的研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)靠近沿海時的大風(fēng)帶主要位于行星邊界層附近，造成圍繞大風(fēng)速柱橫向排列輻合，有利于沿海對流云發(fā)展。

6.4 對流單體維持分析

圖9 2013年10月7日（a、c）01:00和（b、d）04:00地面流場（黑色箭頭）和散度場（填色，單位：10-4）：（a、b）未濾波場；（c、d）進(jìn)行濾波處理后的濾波場Fig.9 Ground flow field(black arrow)and divergence(shaded;units:10-4)at(a,c)0100 BT 7 and(b,d)0400 BT 7 in October 2013:(a, b)Unfiltered fields;(c,d)filtered fieldsafter filtering

通過雷達(dá)回波和地面中尺度濾波分析，對流回波的發(fā)生發(fā)展與地面中尺度擾動物理場關(guān)系密切，對流回波多產(chǎn)生在擾動輻合區(qū)內(nèi)，而成熟階段的回波往往落后于中尺度輻合中心（翟國慶等,1991）。由于兩段列車效應(yīng)發(fā)生時段環(huán)流形勢是相對穩(wěn)定的，因此我們將其物理場進(jìn)行合成，圖11中可以看到，第一次“列車效應(yīng)”時段內(nèi)（圖11a），象山以東面沿海和象山與寧波之間海灣都存在著一個中尺度擾動輻合中心，平均強(qiáng)雷達(dá)回波（大于40 dB Z 的紅色線所圍區(qū)域）從象山東面的沿海延伸到寧波方向，可見，象山沿海海域以及象山與寧波之間的中尺度擾動輻合，對對流回波加速增強(qiáng)、維持與發(fā)展有著重要的作用；同樣的，第二次“列車效應(yīng)”中（圖11b），40 dB Z 以上的強(qiáng)回波帶（紅色實(shí)線）產(chǎn)生的上游、象山至寧波之間一直穩(wěn)定存在一個中尺度擾動輻合中心，持續(xù)時間達(dá)數(shù)小時。即：當(dāng)螺旋云帶前進(jìn)方向上有輻合中心能維持?jǐn)?shù)小時以上，有利于“列車效應(yīng)”的穩(wěn)定維持。沿海中尺度輻合帶或輻合中心可能來之三個方面：一是因沿海摩擦增強(qiáng)導(dǎo)致的風(fēng)速的輻合；二是因風(fēng)速輻合導(dǎo)致的地轉(zhuǎn)偏差（Markowski andRichardson,2010）；三是沿海島嶼和復(fù)雜的海灣造成沿海風(fēng)場的不規(guī)則運(yùn)動。

由此我們概納出本次浙北臺風(fēng)列車效應(yīng)的概念模型（圖12）。

圖10 2013年10月7日（a-d）第一次和（e-h）第二次“列車效應(yīng)”雷達(dá)回波演變（填色，單位：dB Z）及地面擾動場分布：（a）00:45；（b）00:51；（c）00:57分；（d）01:14；（e）04:14；（f）04:31；（g）04:42；（h）04:48Fig.10(a-d)First and(e-h)second “train effect”radar echo evolution(shadeded;units:dB Z)and ground disturbance field on 7 October 2013:(a)0045 BT,(b) 0051 BT,(c)0057 BT,(d)0114 BT,(e)0414 BT,(f)0431 BT,(g)0442 BT,and (h)0448 BT

圖11 2013年10月7日（a）01:00～04:00、（b）05:00～09:00平均流場（黑色箭頭）、輻合帶平均擾動場（填色，單位：10-4 s-1）和雷達(dá)平均反射率（紅色等值線代表平均強(qiáng)度在40 dB Z 以上，單位：dB Z），灰色陰影是100 m 以上地形Fig.11 Average flow field(black arrow),average divergence disturbed field(filling;units:10-4 s-1),and radar average reflectivity(red contour line represents average intensity above 40 dB Z;units:dB Z)from(a)0100 BT to 0400 BT and(b)0500 BT to 0900 BT on October 7,2013.The gray shadow represents the terrain above 100 m

圖12 “菲特”臺風(fēng)螺旋云帶中“列車效應(yīng)”特大暴雨概念模型Fig.12 Conceptual model of the “train effect” rainstorm in thespiral cloud belts of typhoon “Fitow”

本文是以實(shí)況資料分析概納的臺風(fēng)帶狀暴雨模型，在圖12中，在寧波有帶狀的“列車效應(yīng)”暴雨區(qū)（黃色），在其上游方向是中尺度擾動輻合帶（黑實(shí)線），這里有復(fù)雜的海岸地形（灰色）及擾動匯合氣流（黑虛線）；低空有臺風(fēng)的東南急流（深綠色）和水汽輸送（淺綠色），中層有引導(dǎo)氣流（橙色線）；“列車效應(yīng)”暴雨帶的高層有大范圍的輻散場（淺藍(lán)色）和北部的高空西南風(fēng)急流（淡紫色），這些大、中尺度系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的耦合，是可能導(dǎo)致臺風(fēng)“列車效應(yīng)”發(fā)生與維持的機(jī)制。但此概念模型僅出自一典型個例，是否具有普適性仍需更多個例的分析。此外，在暴雨的發(fā)生過程中除了海岸效應(yīng)導(dǎo)致的對流發(fā)生發(fā)展之外，是否還存在其他物理過程如臺風(fēng)重力波等因素，也有待進(jìn)一步深入分析和研究。

7 總結(jié)與討論

利用觀測資料分析了1323號臺風(fēng)“菲特”螺旋云帶中出現(xiàn)的典型“列車效應(yīng)”過程，也是浙北地區(qū)主要暴雨災(zāi)害的時段，本文著重分析了“列車效應(yīng)”發(fā)生和起源，主要結(jié)論如下：（1）根據(jù)主要暴雨時段和雷達(dá)回波中心帶移動軸線，將長達(dá)8小時左右維持在錢塘江南岸的“列車效應(yīng)”分為兩段，兩次“列車效應(yīng)”作用時間都在3～4小時左右，空間跨度在1～2個經(jīng)度距離；暴雨區(qū)呈現(xiàn)出帶狀特征，降水效率高，每小時降水超過25 mm 并向前線性傳播；螺旋云帶中強(qiáng)度在35 dB Z 以上的雷達(dá)回波平均反射率也呈現(xiàn)線性帶狀結(jié)構(gòu)；降水帶走向和雷達(dá)回波運(yùn)動方向與臺風(fēng)中心運(yùn)動方向產(chǎn)生了大致25°以上的向右偏離。（2）高空引導(dǎo)氣流的方向和地面中尺度擾動輻合帶走向與“列車效應(yīng)”中對流單體運(yùn)動方向基本一致，為其呈近線性排列提供依據(jù)。臺風(fēng)螺旋云帶內(nèi)的對流云在近海得以明顯快速增強(qiáng)，到陸地回波發(fā)展速度減慢，一是因?yàn)殛懙厣蠈α鲉误w已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，不再繼續(xù)以短時快速的增長，二是對流云團(tuán)運(yùn)動至陸地之后降水增強(qiáng)。（3）螺旋云帶后部有源源不斷的高于40 dB Z的強(qiáng)對流單體從沿海海面中尺度輻合帶中生成，并沿?cái)_動輻合線由沿海到象山向前發(fā)展,形成具有中尺度系統(tǒng)特征、連續(xù)的線性帶狀對流回波，臺風(fēng)螺旋云帶中暴雨的“列車效應(yīng)”由此產(chǎn)生，進(jìn)而影響象山到寧波地區(qū)。螺旋云帶前進(jìn)方向上有中尺度擾動輻合中心能維持?jǐn)?shù)小時以上，有利于“列車效應(yīng)”的穩(wěn)定維持。

因此，沿海形成的中尺度擾動輻合或擾動渦旋，為螺旋云帶中對流在沿海地區(qū)發(fā)生或發(fā)展提供重要條件，形成了對流云的快速增長和后續(xù)發(fā)展的啟動和維持機(jī)制，對于“列車效應(yīng)”的形成、發(fā)展和維持起了重要作用。