王麗芳 張雪蓉 廖一帆 濮梅娟，5

(1 嘉定區(qū)氣象局，上海 201800；2 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，南京 210009；3 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210009；4 南京信息工程大學，南京 210044；5 江蘇省氣象臺，南京 210008)

引 言

臺風暴雨是我國臺風災害的重要部分，包括臺風環(huán)流直接引起的暴雨和臺風與周圍系統(tǒng)相互作用造成的暴雨[1-4]。華東地處中緯度沿海，遭受臺風環(huán)流直接影響不多，但受臺風遠距離影響比較多。當臺風中心位置還在較遠的南方，如浙南、福建或廣東時，其北伸倒槽已經可以使距離較遠的華東北部(30°N以北)開始降水，特別是同時有中緯度冷槽或冷空氣活動時，能夠引起更強更集中的暴雨，這類暴雨屬于典型的臺風與中緯度系統(tǒng)相互作用產生的暴雨。近10 a來，華東地區(qū)臺風倒槽暴雨時有發(fā)生，而且往往雨量大、雨勢猛。如2000年臺風“派比安”在浙江舟山近海掠過、2012年臺風“?？痹谡憬笊降顷憸p弱過程中，臺風倒槽與冷空氣結合，給江蘇淮北帶去罕見特大暴雨，兩次過程的最大降水中心響水24 h降水量分別達到830.3 mm和507.8 mm，前者甚至接近當地一年的降水量。

對于臺風與中緯度系統(tǒng)相互作用產生的暴雨，很多專家開展了研究。游景炎等[5]基于過程建立了臺風外圍暴雨概念模型，強調了臺風本身及其與周圍系統(tǒng)共同引起的低空急流對特大暴雨的作用。張少林等[6]指出0418號熱帶氣旋北伸倒槽與西風帶弱冷空氣結合造成大暴雨，具有明顯中低緯系統(tǒng)相互作用特征。臺風倒槽外圍的東南急流為臺風艾利造成河南東部大暴雨提供了水汽和熱力條件，臺風倒槽頂部的強輻合作用是暴雨發(fā)生發(fā)展的動力機制[7]。閆淑蓮等[8]認為熱帶低壓倒槽輻合線是山東威海特大暴雨的初始上升運動，高低空急流耦合及高層強輻散為對流云團產生提供了有利的環(huán)境流場。北方擴散南下冷空氣與臺風北側外圍的東風急流匯合使得輻合抬升得到加強[9]。在臺風登陸后西移過程中，西風帶冷槽為臺風倒槽降水提供低層輻合、高層輻散，激發(fā)強烈上升運動的大尺度背景[10]。陳德花等[11]表明臺風倒槽內暖濕切變線上的中尺度對流云團是臺風外圍暴雨產生的直接原因。熱帶低壓與冷空氣之間中尺度輻合線長時間維持，系統(tǒng)耦合產生強烈上升運動，不穩(wěn)定能量釋放產生大暴雨[12]。以上研究從關鍵影響系統(tǒng)、暴雨發(fā)生發(fā)展條件和中小尺度系統(tǒng)特征等不同角度揭示了臺風與中緯度系統(tǒng)相互作用產生暴雨、尤其是遠距離臺風倒槽暴雨的成因，但由于中低緯度系統(tǒng)相互作用過程非常復雜，且倒槽暴雨通常局地性很強，雨勢又極其猛烈，很難精準預報，一直以來都是臺風暴雨分析預報中的難點之一，因此仍有必要通過不同的個例進一步研究，提高此類暴雨的預報服務能力。

9月處于夏秋季節(jié)轉換時段，冷空氣勢力逐漸加強，冷暖氣團交匯是華東臺風倒槽暴雨的重要原因。2018年第22號臺風“山竹”在太平洋洋面生成后，穩(wěn)定西行，強度逐漸增強，16日傍晚在廣東江門沿海登陸。受其北伸倒槽影響，9月16—17日長三角地區(qū)出現猛烈的小范圍大暴雨、局地特大暴雨天氣，24 h雨量最大出現在常熟(297 mm)，超過“山竹”臺風本體在珠三角的雨量最大值(陽江255 mm)。盡管臺風遠在廣東，但其倒槽與中緯度西風槽結合給數千公里外的長三角帶來強烈降水，屬于典型的遠距離臺風倒槽暴雨。此次大暴雨過程短期預報誤差較大。本文利用FNL再分析資料，結合加密自動站、雷達、衛(wèi)星等非常規(guī)觀測資料和數值模式預報產品，分析造成此次大暴雨的中尺度系統(tǒng)活動特征、環(huán)境條件和觸發(fā)機制，探討數值模式可預報性，旨在提高對此類遠距離臺風倒槽暴雨的認識，為今后業(yè)務預報和模式訂正提供一定借鑒。

1 暴雨特點

2018年9月16—17日，受“山竹”臺風遠距離倒槽和北方冷空氣共同影響，長三角出現了強暴雨天氣，大暴雨主要位于蘇南東部和皖東南部(圖1a)。其中16日14—20時(北京時，下同)暴雨集中在長江口區(qū)通州、海門和常熟一帶，局地性明顯(圖1b)；16日20時—17日02時暴雨位于無錫—常熟—如皋一線，皖東南也出現局地暴雨(圖1c)；17日02—08時暴雨東移到常熟—太倉—啟東一線(圖1d)；17日08時以后暴雨區(qū)南壓到杭州灣以南，蘇南和上海的降水明顯減弱。

此次臺風倒槽大暴雨中尺度特征明顯，具有突發(fā)性強、局地性強、短時降水量極大和持續(xù)時間長的特點，強降水從16日傍晚持續(xù)到17日早晨，長達15 h，伴有強烈的短時強降水(最大小時降水量超過130 mm)和雷電活動。過程可分兩個時段：16日16—22時(以下簡稱第一階段)和16日23時—17日06時(以下簡稱第二階段)(圖2)。通過分析各站點降水量峰值出現時間發(fā)現，第一階段小時降水量峰值依次為南通63.7 mm(16日18時)、海門92.8 mm(16日20時)和崇明明珠湖131.2 mm(16日21時)，反映了中尺度對流系統(tǒng)在長江口區(qū)穩(wěn)定少動、快速增強的過程；第二階段降水量峰值常熟80.5 mm(16日23時)、太倉62.6 mm(17日03時)、啟東56.5 mm(17日04時)，表明此階段暴雨是由中尺度對流系統(tǒng)自西向東移動造成。

圖1 累積降水分布(單位:mm)：(a) 16日08時—17日08時；(b)16日14—20時；(c)16日20時—17日02時；(d)17日02—08時Fig.1 Accumulated precipitation distribution (units:mm): (a) from 08∶00 BST on 16 to 08∶00 BST on 17;(b)from 14∶00 BST to 20∶00 BST on 16;(c)from 20∶00 BST on 16 to 02∶00 BST on 17;(d)from 02∶00 BST to 08∶00 BST on 17

圖2 大暴雨代表站的小時降水量時間演變Fig.2 Temporal evolution of 1 h accumulated precipitation at typical stations in rainstorm area

2 環(huán)流背景和影響系統(tǒng)

暴雨發(fā)生前，500 hPa中高緯環(huán)流西高東低，東北亞冷渦緩慢東移，冷渦南側低槽伸向華北北部，其后不斷有冷空氣補充。河套以西有短波槽活動，溫度槽落后于高度槽。副熱帶高壓(簡稱“副高”)強盛，控制我國華東和華中大部。700 hPa高空槽位于山東中部—河南北部一線(圖3a)。低層臺風倒槽經廣東、江西、安徽伸向江蘇北部，倒槽兩側溫度梯度大，冷暖平流顯著，冷空氣經渤?！綎|半島向西回流到蘇皖北部，長三角地區(qū)處在倒槽南側的東南暖濕氣流中(圖3c)。

圖3 (a—b)500 hPa高度場(實線，單位：dagpm)和溫度場(虛線，單位：℃，其中粗實線和粗虛線分別表示500 hPa和700 hPa低槽)；(c—d) 850 hPa風場和溫度場(虛線，單位：℃，粗實線表示臺風倒槽輻合線)：(a、c)16日08時；(b、d)16日20時Fig.3 (a-b) height field(solid line，unit:dagpm) and temperature field(dotted lines，unit:℃) at 500 hPa (thick solid line and dotted lineindicate height trough at 500 hPa and 700 hPa); (c-d)wind field and temperature field at 850 hPa (dotted lines，unit:℃; thick solid line represents inverted trough convergence line): (a，c)08∶00 BST on 16; (b，d)20∶00 BST on 16

16日20時副高加強北抬，592 dagpm線西伸控制上海和浙江大部，副高與臺風環(huán)流之間形成低空東南急流。河套短波槽東移發(fā)展，冷空氣持續(xù)向南擴散，冷舌伸到浙東海面，700 hPa槽線南壓到山東南部—河南中部(圖3b)。低層東北氣流擴展到江蘇中部，等溫線密集帶加強鋒生。倒槽南壓到江蘇沿江，頂端氣旋性輻合增強。大陸冷高壓、副高及北槽南渦構成了穩(wěn)定的鞍型場形勢，冷暖空氣在倒槽頂端持續(xù)交匯，造成長三角大暴雨、局地特大暴雨天氣(圖3d)。因此，臺風倒槽及其東側低空急流、高空槽是此次臺風倒槽大暴雨主要的天氣尺度影響系統(tǒng)，臺風、冷渦、大陸冷高壓及副高的穩(wěn)定為冷暖空氣持續(xù)交匯提供了有利的環(huán)流背景條件。

3 中尺度特征分析

中小尺度系統(tǒng)是暴雨的直接制造者，暴雨的強度、落區(qū)、出現時間與中小尺度系統(tǒng)的活動及特點密切相關。本次臺風倒槽大暴雨過程中尺度特征明顯，利用逐時地面加密自動站資料、FY-2E衛(wèi)星黑體亮度溫度(Black Body Temperature, TBB)資料和上海南匯多普勒雷達產品對其中尺度特征進行分析。

3.1 中尺度云團演變特征

TBB是表征對流云強度的參數，可較好反映中尺度對流云團發(fā)展情況。TBB≤-32 ℃的區(qū)域表示活躍對流區(qū)，TBB≤-52 ℃的對流云團與MCS有較好的對應關系[13-17]。此次大暴雨過程由4個中尺度對流云團活動產生，第一階段長江口區(qū)暴雨受3號對流云團局地發(fā)展影響，第二階段蘇南東部—上海北部暴雨由4號對流云團東移發(fā)展造成。

圖4 FY-2E衛(wèi)星TBB分布(單位：℃)：(a)16日16時30分；(b) 16日17時30分；(c)16日18時30分；(d)16日19時30分；(e)16日20時30分；(f)16日21時30分；(g)16日22時30分；(h)16日23時30分；(i)17日00時30分Fig.4 TBB derived from FY-2E distribution(unit:℃) at: (a)16∶30 BST on 16; (b)17∶30 BST on 16; (c)18∶30 BST on 16;(d)19∶30 BST on 16; (e)20∶30 BST on 16; (f)21∶30 BST on 16; (g)22∶30 BST on 16; (h)23∶30 BST on 16; (i)00∶30 BST on 17

16日傍晚浙江中北部1號和2號對流云團發(fā)展合并，緩慢向西北移動(圖4a)，長江口區(qū)和皖東南部先后有小云團快速發(fā)展為3號和4號對流云團，1 h內云頂溫度由-52 ℃降到-67 ℃，云團北側形成了TBB等值線梯度大值區(qū)(圖4b、c)。1號和2號云團北移與原地發(fā)展的3號和4號云團合并，形成了東北西南向的強對流云帶，4個云團-67 ℃的冷中心彼此獨立(圖4d)。之后1號和2號冷中心并入使3號和4號云團進一步發(fā)展增強，20時30分，-67 ℃冷云面積顯著增大，云頂溫度進一步降低到-72 ℃，云團發(fā)展達到最盛階段(圖4e)，該小時出現了此次過程的最強降水(圖2)。18—21時3號云團在長江口區(qū)快速發(fā)展，南通(17—18時，64 mm)、海門(19—20時，93 mm)和崇明北部(20—21時，明珠湖131 mm，廟鎮(zhèn)生態(tài)園110 mm)的強暴雨發(fā)生在其快速增強期間，暴雨出現在云團北側TBB梯度大值區(qū)中，雨強隨云頂溫度降低快速增強，崇明北部100 mm·h-1以上的極端強降水與云團發(fā)展到-72 ℃相對應。21時以后3號云團近海維持，4號云團在太湖以東再度發(fā)展、緩慢東移(圖4f、g)，期間云頂溫度保持在-67 ℃以下，先后給常熟、昆山太倉、崇明和啟東帶去40～80 mm·h-1的短時強降水(圖4h、i)。兩個階段的降水累積效應使長江口區(qū)雨量進一步加大，局地達到特大暴雨。

3.2 中尺度雨團與中尺度風場分析

利用地面逐小時加密自動站觀測資料分析中尺度雨團及地面中尺度風場特征，考慮到本次過程強對流特征顯著，將1 h降水量大于等于20 mm且范圍達到或超過幾十公里的雨區(qū)定義為中尺度雨團(以下簡稱為雨團)。

圖5 16日逐時地面中尺度風場和降水量(單位：mm；粗實線為地面中尺度輻合線，圈內為南通、通州和海門站所在位置)：(a)16時；(b) 17時；(c)18時；(d)20時Fig.5 The hourly ground mesoscale wind field and precipitation distribution on 16 (unit:mm; thick solid line represents groundmesoscale convergence line; the circle indicates the location of Nantong，Tongzhou and Haimen station) at: (a)16∶00 BST;(b)17∶00 BST;(c)18∶00 BST;(d)20∶00 BST

東北風(偏北風)與東南風(偏東風)之間形成的地面中尺度輻合線是此次過程的關鍵觸發(fā)機制。16日16時東北氣流前沿位于蘇南西部，蘇南東部—上海北部以偏東風為主，中尺度輻合線偏西偏北，且輻合較弱，降水也較弱(圖5a)。1 h后，冷空氣向東擴散，南通和通州由偏東風逆轉為東北風，輻合線東移南壓到長江口區(qū)(北端界于通州和海門之間)觸發(fā)雨團，南通出現48 mm·h-1的短時強降水(圖5b)。18時暖濕氣流增強，海門和通州轉為東南風，輻合線西移到通州和南通之間，兩站僅相距數十公里，地面輻合增強，雨團沿輻合線發(fā)展，南通小時雨強增加到64 mm·h-1(圖5c)。之后冷空氣繼續(xù)向東南擴散，太倉逐漸轉為西北風，同時暖濕氣流也進一步深入，通州和海門南風分量增大，南通也轉為東南風；20時長江口區(qū)南北兩側西北風與東南風之間形成氣旋性輻合中心，地面輻合進一步加強，雨團發(fā)展增強，海門和崇明北部先后出現93 mm·h-1(19—20時)和131 mm·h-1(20—21時)的極端暴雨(圖5d)。21時以后，輻合線被冷空氣切斷，北段減弱消失，南段穩(wěn)定在蘇南南部—上海北部，觸發(fā)新雨團沿輻合線緩慢東移，造成第二階段強降水(圖略)。因此，地面中尺度輻合線是此次過程的關鍵觸發(fā)機制，長江口區(qū)站點風向的轉變可較好地反映地面輻合的位置和強度，氣旋性輻合中心的形成對雨團增幅具有重要作用。

3.3 多普勒雷達回波演變特征

圖6 16日南匯雷達0.5°仰角反射率因子(a—c)和徑向速度(d—f):(a、d)17時49分；(b、e)19時03分；(c、f)19時26分Fig.6 (a-c)Radar reflectivity and (d-f)radial velocity of Nanhui Radar at the elevation of 0.5°on16 at: (a，d)17∶49 BST; (b，e)19∶03 BST; (c，f)19∶26 BST

利用上海南匯雷達產品，重點分析第一階段長江口區(qū)極端暴雨期間的雷達回波和徑向速度場演變特征。16日下午開始長三角有分散對流發(fā)展，17時49分崇明北部55 dBZ的鉤狀回波南側有明顯的入流缺口，對應18 m·s-1的大風速擾動中心(圖6a、d中圓圈)。強回波出現在零速度區(qū)及大風速中心北側，反映了風向輻合及風速擾動對于中小尺度系統(tǒng)的觸發(fā)作用。之后在東路冷空氣擴散南下和低空東南急流增強北抬的共同作用下，正負速度同時增強向長江口區(qū)集中，19時03分崇明北部18 m·s-1的正速度中心與其西北側-5 m·s-1的負速度中心構成了明顯的氣旋性輻合形勢?；夭ㄔ谝苿舆^程中合并發(fā)展，其中鑲嵌多個60 dBZ的強對流中心，海門19—20時出現93 mm·h-1的短時暴雨(圖6b、e)。19時26分正負速度進一步增強，-13 m·s-1的負速度中心向南越過長江口，與25 m·s-1的正速度中心形成了垂直于徑向的正負速度對(圖6c、f)，表明有中氣旋形成，氣旋性輻合得到顯著加強。冷暖空氣持續(xù)交匯，最強反射率因子維持在60 dBZ以上，20—21時崇明北部最大小時雨強增加到131 mm(圖2)。即中氣旋的形成提前于強暴雨增幅約半個小時，具有良好的先兆性和預報預警意義。20時25分負速度中心擴展到崇明中部，氣旋性輻合形勢被破壞，逐步轉為氣旋性輻散，不利于強回波繼續(xù)維持，對應21時以后崇明北部降水快速減弱。

4 暴雨發(fā)生發(fā)展的有利條件

4.1 冷暖空氣相互作用

為進一步了解冷暖空氣持續(xù)交匯對暴雨發(fā)生發(fā)展的影響，分析1 000 hPa溫度平流及風場變化發(fā)現，此次過程暴雨區(qū)存在“暖—冷—暖”的溫度平流變化過程。暴雨發(fā)生前，暖平流自東海海面伸到江淮北部，冷平流位于山東半島—黃海北部，東南風與東北風形成的輻合線與溫度平流零線對應，長三角處在輻合線南側暖平流中，為暴雨儲備充足能量。午后冷空氣南下，黃海北部—蘇皖中北部東北風加大，冷平流增強、范圍增大，中心值由-6×10-5℃·s-1增加到-12×10-5℃·s-1，長三角轉為冷平流控制；輻合線東移南壓到長江口區(qū)—太湖一線(圖略)，冷空氣侵入暖濕氣團觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，激發(fā)中尺度對流系統(tǒng)，暴雨發(fā)生發(fā)展。20時低空急流增強北抬，暖平流再度北上控制長三角東部，北側冷平流有所減弱，中心退回黃海北部；期間輻合線穩(wěn)定少動，冷暖空氣持續(xù)交匯，暴雨沿輻合線發(fā)展，長江口區(qū)出現100 mm·h-1以上的極端強降水。半夜以后暖平流進一步加強北頂，為第二階段暴雨維持提供必要的水汽和能量。

4.2 水汽條件

充分的水汽供應是強降水形成的重要條件，低空急流是暴雨過程中輸送水汽的重要載體[18]。16日20時西伸加強的副高與臺風環(huán)流之間梯度加大，長三角低層東南風增大。寶山站850 hPa和925 hPa東南風分別由08時的6 m·s-1和10 m·s-1增加到12 m·s-1和14 m·s-1，比濕由9 g·kg-1和15 g·kg-1分別增加到13 g·kg-1和17 g·kg-1，滿足出現暴雨的必要條件。據統(tǒng)計，當大氣可降水量達到50 mm時上?？僧a生強對流天氣，在60 mm時會產生30 mm·h-1的短時強降水[19]。本次過程前，暴雨區(qū)大氣可降水量持續(xù)增加，強降水期間(16日14時—17日08時)PWV始終維持在60 mm以上。

圖7 975 hPa水汽通量(實線，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1，箭頭為風矢)及水汽通量散度(陰影，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)：(a) 16日14時；(b) 16日20時Fig.7 Vapor flux (solid line， unit:g·cm-1·hPa-1·s-1；arrows represent wind vector) and vapor flux divergence(shaded area，unit:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1) at 975 hPa at:(a)14∶00 BST on 16;(b)20∶00 BST on 16

大暴雨(局地特大暴雨)的產生除局地水汽外，還需要外界持續(xù)的水汽輸送和局地輻合。16日14時長三角水汽通量較弱，但沿著倒槽輻合線已經形成中心值-6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合帶(圖7a)，傍晚前后強降水沿輻合線發(fā)生發(fā)展，即水汽輻合提前于強降水出現。之后伴隨東南急流增強北抬和東路冷空氣擴散南下，東海和黃海的兩支水汽共同輸向長三角，暴雨區(qū)水汽通量和水汽輻合都迅速增大，16日20時兩者中心值分別增加到16 g·cm-1·hPa-1·s-1和-9×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1(圖7b)，蘇南東部和皖東南部的兩個輻合中心與圖1a中大暴雨落區(qū)對應較好。因此，(超)低空東南急流是此次過程的重要水汽來源，東路冷空氣攜帶的北支水汽加強了暴雨區(qū)低層的水汽輸送和輻合，異常的高比濕和大氣可降水量為中尺度暴雨云團的形成和維持提供了充分的水汽條件。與倒槽輻合線對應的水汽輻合帶先于強降水出現，其上輻合中心的位置和強度對暴雨的落區(qū)和強度預報有較好的指示意義。

4.3 動力抬升條件

除了充足的水汽供應外，強烈的上升運動是暴雨發(fā)生發(fā)展的另一必要條件。16日20時，(超)低空東南急流出口區(qū)的風速輻合及倒槽輻合線兩側東南風和東北風的風向輻合，在長三角形成了東北西南向的風場輻合帶，中心值-4×10-5s-1(圖8a)。同時，200 hPa上高空槽前急流南壓，長三角處在急流入口區(qū)右側，同樣是東北西南向的輻散大值區(qū)，垂直疊加在低層輻合區(qū)之上，構成了低層輻合、高層輻散的有利配置；且高層輻散中心值達到14×10-5s-1，顯著強于低層輻合，強烈的高空輻散抽吸有利于低層輻合和上升運動的進一步增強和伸展(圖8b)。

圖8 16日20時925 hPa(a)和200 hPa(b)急流(實線，單位：m·s-1)和散度(陰影，單位：10-5s-1)及沿32°N垂直速度(單位：Pa·s-1)剖面：(c)16日20時；(d)17日02時Fig.8 (a) 925 hPa and (b)200 hPa level jet(solid line，unit:m·s-1) and divergence(shaded area，unit:10-5s-1) at 20∶00 BST on 16; vertical velocity(unit: Pa·s-1) along 32°N at: (c) 20∶00 BST on 16; (d) 02∶00 BST on 17

在高低空急流耦合作用下，暴雨區(qū)上空形成了直立且充滿整層的上升運動，300 hPa和600 hPa上兩個-1.2 Pa·s-1的中心疊置，為第一階段長江口區(qū)強暴雨的產生提供了良好的動力抬升條件(圖8c)。之后冷空氣向低層侵入，冷暖空氣劇烈交匯，高層上升運動中心增強到-3 Pa·s-1；暴雨區(qū)500 hPa以下轉為下沉運動，與傾斜的上升支構成了閉合垂直環(huán)流圈，有助于強上升運動的維持，為第二階段蘇南東部到上海北部強降水的持續(xù)創(chuàng)造了有利的動力維持機制(圖8d)。

4.4 層結不穩(wěn)定條件

假相當位溫數值的大小和變化能較好的反映出大氣的溫濕條件、能量高低及變化和對流不穩(wěn)定性。沿大暴雨中心的假相當位溫剖面圖上(圖9a)，15日夜間開始暴雨區(qū)低層持續(xù)增溫增濕，348 K等位溫線自近地層逐漸向上伸展，與高空槽相聯系的冷空氣集中在800 hPa以上層。到16日14時強降水開始前，暴雨區(qū)近地層位溫已經增加到356 K，能量不斷積聚；850 hPa以下位溫隨高度減小，形成了上冷下暖的對流不穩(wěn)定層結；其上有冷空氣滲透疊加，加劇了層結不穩(wěn)定。在冷空氣不斷向低層侵入的過程中，逐漸形成冷舌切入近地層，暖濕空氣被迫抬升，348 K線上凸，暴雨發(fā)生在冷空氣向低層侵入、暖濕空氣抬升，冷暖氣團劇烈交匯期間。

圖9 (a)大暴雨中心(32°N，121°E)假相當位溫時間—高度剖面(單位：K)和(b)16日14時寶山站探空Fig.9 (a) Time-height cross section of heavy rain center(32°N，121°E) pseudo equivalent potential temperature(unit:K) and (b)T-lnP diagram of Baoshan station at 14∶00 BST on 16

探空圖上，16日08時杭州站K指數37 ℃，SI指數-0.7 ℃，已經形成弱不穩(wěn)定。此時寶山站K指數僅26 ℃，SI指數6.3 ℃，氣層穩(wěn)定；但700 hPa以下風向隨高度順轉，表明低層已經有暖平流輸送(圖略)。14時寶山站K指數增加到36 ℃，SI指數變?yōu)?0.78 ℃，轉變?yōu)椴环€(wěn)定層結；CAPE值由1 626 J·kg-1增加到3 068 J·kg-1，暴雨區(qū)不穩(wěn)定能量持續(xù)積聚，為第一階段3號云團的快速增強提供了充足的能量儲備；自由對流高度(Level of Free Convection， LFC)由966 hPa降低到1 012 hPa，在地面中尺度輻合觸發(fā)下，氣塊突破自由對流高度獲取能量自由上升；探空曲線呈上干下濕分布，濕層位于700 hPa以下，云中以液態(tài)水為主，有利于降水效率高的暖云暴雨產生(圖9b)。20時伴隨低空急流增強北抬，寶山站K指數進一步升高到41 ℃，SI指數降低到-2.3 ℃，大氣不穩(wěn)定進一步增強，前期積聚的能量快速釋放產生了強暴雨(表1)。

表1 寶山站探空物理量Table 1 Sounding parameters at Baoshan station

5 數值模式預報檢驗

本次大暴雨由冷暖空氣持續(xù)交匯觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)產生，近地層冷暖濕空氣結合的位置決定了強降水主要落區(qū)。以歐洲中期天氣預報中心全球模式(以下簡稱EC模式)和上海新一代區(qū)域中尺度數值模式(以下簡稱WRF模式)不同預報時效的預報產品為主要檢驗對象，將其與模式零場(實況零場)進行對比，了解冷暖空氣活動對模式預報的影響，分析產生預報偏差的可能原因。

EC模式對于第一階段長江口區(qū)的強暴雨始終漏報，選取臨近過程的16日08時起報產品進行分析(圖10a)。模式預報對于杭州灣到上海南部的東南風、江淮西部的東北風和實況較為一致，但對長江口區(qū)到太湖一線的風場預報出現較大偏差，尤其是長江口區(qū)北側差異更顯著，預報通州、海門和崇明北部都以偏東風為主，偏東風與東北風輻合偏西偏北，位于宜興—張家港—如東一線(黑色雙實線)，預報最大降水量僅20 mm；實況16日20時冷空氣前沿已到達太湖，長江口區(qū)南北兩側為一致的東北風，輻合線位于吳中—太倉—呂泗一線(紫色雙實線)。模式預報的降水落區(qū)與實況暴雨區(qū)相差近百公里，且雨量顯著偏小，一定程度上反映了全球模式對局地強暴雨的預報能力較弱。

一般來說，區(qū)域模式對強暴雨的預報能力往往要高于全球模式。連續(xù)5個時次跟蹤發(fā)現，WRF模式僅15日08時起報與實況較一致，其余時次(包括16日08時臨近起報)均預報無降水或弱降水，即模式預報跳躍性大，預報員參考性較差，未引起足夠重視。對比15日08時和16日08時起報形勢場發(fā)現，模式預報的地面輻合線位置是強降水落區(qū)是否成功預報的關鍵因素，15日08時起報16日17時地面冷空氣前沿已經到達太湖地區(qū)，輻合位于長江口區(qū)附近(圖10b)；而16日08時起報暖濕氣流偏強，暴雨區(qū)為一致的東南風，輻合線位置偏西偏北，模式預報暴雨區(qū)也偏北(圖略)。

圖10 (a)EC模式16日08時起報16日20時1 000 hPa風場(單位：m·s-1， 其中藍色和紅色風桿代表預報和實況風場，黑色和紫色雙實線分別表示預報和實況輻合線)及16日14—20時降水量(陰影，單位：mm)；(b)WRF模式15日08時起報的16日17時地面風場(陰影表示風速，單位：m·s-1，棕色實線為地面輻合線)Fig.10 (a)1 000 hPa wind field at 20∶00 BST on 16 (the blue and red wind barb indicate forecast and reanalysis wind field， unit: m·s-1;the black and purple double solid lines respectively represent convergence line of forecast and reanalysis) and precipitation distribution from 14∶00 BST to 20∶00 BST on 16 (shaded area， unit:mm) of EC model initiated at 08∶00 BST on 16;(b)wind field at 17∶00 BST on 16(shaded area indicates wind speed，unit: m·s-1; brown solid line represents ground convergence line) of WRF model initiated at 08∶00 BST on 15

可見，全球和區(qū)域模式都未能很好地把握此次臺風倒槽大暴雨，未準確預報出表征冷暖空氣交匯的地面輻合線位置是暴雨落區(qū)預報失誤的主要原因。對于類似的臺風倒槽暴雨過程，要特別關注北方冷空氣的活動對于倒槽暴雨的觸發(fā)和增幅作用，并根據實況監(jiān)測資料及時訂正模式預報結論。

6 結論

(1)此次臺風倒槽大暴雨是在遠距離臺風倒槽、低空急流和高空槽共同影響下，冷暖空氣在倒槽頂端持續(xù)交匯激發(fā)暴雨中尺度系統(tǒng)活動產生的，具有突發(fā)性強、局地性強、短時雨量大和持續(xù)時間長的特點。

(2)四個中尺度對流云團活動造成了此次大暴雨，第一階段長江口區(qū)強暴雨發(fā)生在3號云團快速增強期間，暴雨出現在云團北側TBB梯度大值區(qū)中，雨強隨云頂溫度降低而快速增強；第二階段4號云團緩慢東移、強度維持，蘇南東部和上海北部再度出現短時強降水。兩個階段降水累積效應使長江口區(qū)局地達到特大暴雨。

(3)東北風(偏北風)與東南風(偏東風)形成的中尺度輻合線是此次過程的關鍵觸發(fā)機制，長江口區(qū)站點風向的轉變可較好反映地面輻合的位置和強度，氣旋性輻合中心的形成對雨團增幅具有重要作用。雷達徑向速度場上中氣旋形成提前于強暴雨增幅約半個小時，具有良好的先兆性和預報預警意義。

(4)(超)低空東南急流是暴雨的重要水汽和能量來源，東路冷空氣攜帶的北支水汽加強了水汽輸送和輻合，異常的高比濕和大氣可降水量、上干冷下暖濕的對流不穩(wěn)定層結有利于中尺度暴雨云團的形成和維持。水汽輻合中心的位置和強度對暴雨的落區(qū)和強度預報有較好的指示意義。

(5)高低空急流耦合構成了低層輻合、高層輻散的動力配置，直立且充滿整層的垂直上升運動是第一階段長江口區(qū)強暴雨的有利動力抬升條件，伴隨冷空氣侵入形成的傾斜上升支及垂直環(huán)流圈是第二階段強降水有利的動力維持機制。

(6)表征冷暖空氣結合的地面輻合線位置是暴雨落區(qū)是否成功預報的關鍵，對于秋季臺風倒槽暴雨，數值模式預報難度大，要特別關注北方冷空氣活動對倒槽暴雨的觸發(fā)和增幅作用，加強對實況資料的監(jiān)測應用，及時進行模式主觀訂正。