翁之梅，周雪君，甘晶晶，王 凱

(浙江省臺(tái)州市氣象局，浙江 臺(tái)州 318000)

引 言

暖區(qū)控制下的大氣常具有高溫高濕、不穩(wěn)定能量大的特點(diǎn)，天氣現(xiàn)象差異大且變化快，不僅晴雨預(yù)報(bào)有難度，還可能出現(xiàn)區(qū)域性強(qiáng)降雨、局地短時(shí)暴雨以及大霧[1]等復(fù)雜天氣。因暖區(qū)天氣尺度斜壓性強(qiáng)迫弱、環(huán)境大氣熱動(dòng)力不穩(wěn)定性強(qiáng)，易受特殊地形和海陸熱力差異的外強(qiáng)迫作用[2]，對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制復(fù)雜，具有明顯的突發(fā)性、局地性特征，業(yè)務(wù)中的全球數(shù)值模式對(duì)其預(yù)報(bào)能力十分有限，素來(lái)是臺(tái)站預(yù)報(bào)的難點(diǎn)問(wèn)題[3]。

1986年黃土松[4]提出暖區(qū)暴雨概念以來(lái)，諸多學(xué)者從暖區(qū)降水的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)熱力機(jī)制、觸發(fā)條件和對(duì)流發(fā)展規(guī)律等角度展開(kāi)研究。研究發(fā)現(xiàn)，暖區(qū)暴雨的低空流場(chǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)暖式切變、南風(fēng)輻合的特點(diǎn)，地面往往存在輻合線[5-8]，在高濕背景下暖區(qū)降水具有熱帶降水性質(zhì)[9]，其抬升條件比鋒面降水低，對(duì)流不穩(wěn)定能量層更為深厚[10]，且降雨發(fā)生時(shí)伴有較強(qiáng)的凝結(jié)潛熱釋放，造成氣柱增暖拉伸，使得多個(gè)中心輻合及上升氣流加強(qiáng)[11]。暖區(qū)中尺度對(duì)流發(fā)展具有后向傳播機(jī)制[12]，與從鋒區(qū)向暖區(qū)傳播的重力波觸發(fā)機(jī)制相關(guān)[13]。此外，地形的阻擋促使低層輻合氣流迅速抬升，觸發(fā)暖區(qū)強(qiáng)降水，同時(shí)地形的側(cè)向摩擦使得暖區(qū)地面輻合線增強(qiáng)，進(jìn)而使垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)[14]。

浙江省作為江南南部沿海省份，每年3—5月暖濕氣流較強(qiáng)盛，常出現(xiàn)南風(fēng)控制下的暖區(qū)天氣。2014年5月13日夜間，華東地區(qū)處于一致的西南氣流控制下，地面冷鋒自華北南部向華東北部靠近，地處暖區(qū)的浙江中北部地區(qū)普降大到暴雨，浙江西部局地達(dá)到大暴雨，全省范圍6%的站點(diǎn)過(guò)程雨量超過(guò)100 mm，遠(yuǎn)超出臺(tái)站預(yù)報(bào)員的預(yù)判。為了總結(jié)提煉浙江境內(nèi)暖區(qū)降雨天氣預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，本文利用2007—2016年浙江省及周邊地區(qū)常規(guī)地面站和探空站觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析浙江省暖區(qū)降水天氣的環(huán)流背景和雨帶結(jié)構(gòu)特征，對(duì)比各類暖區(qū)過(guò)程產(chǎn)生降水的條件差異，旨在深入認(rèn)識(shí)暖區(qū)降水發(fā)生發(fā)展特征機(jī)制，為浙江省此類天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

使用2007—2016年3—5月浙江及周邊地區(qū)探空站的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫觀測(cè)資料和地面站的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)觀測(cè)資料以及ERA-Interim逐6 h風(fēng)場(chǎng)、溫度、相對(duì)濕度等要素格點(diǎn)資料(空間分辨率為0.125°×0.125°)。另外，浙江省行政邊界是基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2019)3266的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改。

1.2 研究方法

暖區(qū)一般指地面冷鋒以南的較暖區(qū)域。鋒面的形成與多種氣象要素相關(guān)，本研究根據(jù)低層風(fēng)場(chǎng)并結(jié)合氣溫變化和地面形勢(shì)篩選暖區(qū)個(gè)例。判定規(guī)則：3—5月，850 hPa浙江杭州、衢州和臺(tái)州3站實(shí)測(cè)風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，即風(fēng)向角在90°～270°之間，且2站及以上前24 h變溫為正變溫；地面上無(wú)冷鋒南下入侵。經(jīng)普查發(fā)現(xiàn)，浙江2007—2016年春季符合上述條件的暖區(qū)個(gè)例共321個(gè)。

根據(jù)浙江省及周邊地區(qū)(115°E—125°E、25°N—35°N，下同)850 hPa風(fēng)場(chǎng)形勢(shì)，321個(gè)暖區(qū)個(gè)例大致劃分為西南氣流型、暖切北抬型、冷切靠近型、東南氣流型4類(圖1)。其中，將浙江及周邊范圍內(nèi)所有站點(diǎn)為西南風(fēng)或偏南風(fēng)，且12 h內(nèi)無(wú)冷式切變進(jìn)入浙江的暖區(qū)個(gè)例歸為西南氣流型；將影響范圍內(nèi)存在東南風(fēng)與西南風(fēng)的暖式切變，且后12 h內(nèi)無(wú)冷式切變進(jìn)入浙江的暖區(qū)個(gè)例歸為暖切北抬型；將周邊地區(qū)有冷式切變南壓靠近浙江，或無(wú)冷式切變進(jìn)入影響區(qū)但之后12 h內(nèi)有冷式切變快速進(jìn)入浙江的個(gè)例歸為冷切靠近型；將杭州、衢州和臺(tái)州3站風(fēng)向角在90°～180°范圍內(nèi)及周邊地區(qū)所有站點(diǎn)為東南風(fēng)，且12 h內(nèi)無(wú)冷式切變進(jìn)入浙江的個(gè)例歸為東南氣流型。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：浙江省大多數(shù)暖區(qū)過(guò)程都伴有周邊省份的切變活動(dòng)，冷切靠近型和暖切北抬型占總個(gè)例的61.6%，西南氣流型占34.0%，東南氣流型最少，僅占4.4%；3—5月，暖區(qū)個(gè)例逐月增多。

圖1 浙江省春季暖區(qū)天氣形勢(shì)分型(a)西南氣流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)東南氣流型(方框?yàn)檠芯繀^(qū)域，粗箭頭線為顯著流線，細(xì)線為切變線)Fig.1 Patterns of warm sector weather situation in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern, (c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern(the box for the study area, thick line with arrow for significant streamline, and thin line for shear line)

2 結(jié)果與分析

2.1 暖區(qū)天氣及降水特征

相比春季氣候特征，浙江春季暖區(qū)天氣具有云量多、雨量小、氣溫高、日照時(shí)數(shù)少和日溫差略偏小的特點(diǎn)。各類型暖區(qū)天氣除氣溫呈現(xiàn)一致正距平外，其他氣象要素均值差異較大。其中，西南氣流型暖區(qū)天氣面雨量最小，云量偏少，日照時(shí)數(shù)偏多，氣溫最高，日溫差最大；冷切靠近型暖區(qū)天氣面雨量最大，云量最多，日照時(shí)數(shù)最少，日溫差最??；暖切北抬型暖區(qū)天氣雨量和云量略偏多，日照時(shí)數(shù)與日溫差略偏少(小)；東南氣流型暖區(qū)天氣面雨量小，日溫差和日照時(shí)數(shù)略偏小(少)。鑒于暖區(qū)強(qiáng)降雨過(guò)程的影響力和致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，下面僅探討其降雨特征。

圖2是浙江春季不同類型全體暖區(qū)個(gè)例的平均降水空間分布。西南氣流型，浙江大部分地區(qū)平均雨量在2 mm以下，浙西浙南的杭州、衢州、麗水及東南沿海的溫州、臺(tái)州雨量稍大，平均雨量為2～4 mm[圖2(a)]。冷切靠近型的過(guò)程平均雨量4 mm以上的范圍最大[圖2(b)]，其次為暖切北抬型[圖2(c)]，這兩類暖區(qū)天氣過(guò)程的平均雨量分布均表現(xiàn)為西南部大、東北部小，8 mm以上的雨量中心都分布在衢州和麗水。東南氣流型的平均雨量最小，僅南部溫州和麗水局部地區(qū)超過(guò)2 mm[圖2(d)]。

圖2 2007—2016年春季不同類型暖區(qū)降水天氣下浙江平均雨量空間分布(單位：mm)(a)西南氣流型，(b)冷切靠近型，(c)暖切北抬型，(d)東南氣流型Fig.2 The spatial distribution of average precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in Zhejiang in spring from 2007 to 2016 (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) cold shear approaching pattern,(c) warm shear northward extending pattern, (d) southeastern airflow pattern

從各類暖區(qū)個(gè)例的最大日雨量分布(圖3)看出，西南氣流型、暖切北抬型和冷切靠近型的暖區(qū)過(guò)程均可造成浙江省出現(xiàn)暴雨天氣。其中，暖切北抬型造成的暴雨出現(xiàn)在浙江西部的杭州、衢州及南部的麗水和溫州；冷切靠近型造成的暴雨主要出現(xiàn)在浙西的衢州、杭州、麗水和浙中的金華北部及臺(tái)州西部；西南氣流型的暴雨僅出現(xiàn)在麗水南部，而東南氣流型的過(guò)程最大雨量?jī)H達(dá)到中雨，分布在麗水和溫州的南部地區(qū)。

圖3 2007—2016年春季不同類型暖區(qū)降水天氣下浙江最大日雨量空間分布(單位：mm)(a)西南氣流型，(b)冷切靠近型，(c)暖切北抬型，(d)東南氣流型Fig.3 The spatial distribution of the maximum daily precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in Zhejiang in spring from 2007 to 2016 (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) cold shear approaching pattern,(c) warm shear northward extending pattern, (d) southeastern airflow pattern

從春季浙江省各類型暖區(qū)天氣過(guò)程的平均雨量月際變化(圖4)看出：3—5月，隨著影響浙江省暖濕氣流的逐漸增強(qiáng)，平均月降水量總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，各月降水量均以冷切靠近型的過(guò)程雨量最大、東南氣流型的過(guò)程雨量最小。因此，3月應(yīng)關(guān)注冷切靠近型暖區(qū)天氣過(guò)程帶來(lái)的降水，4、5月暖切北抬型與冷切靠近型的過(guò)程雨量都明顯增大，均須加強(qiáng)關(guān)注。

圖4 浙江省春季各類型暖區(qū)天氣下平均雨量的月際變化Fig.4 The monthly change of average precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang

根據(jù)《浙江省天氣預(yù)報(bào)用語(yǔ)業(yè)務(wù)規(guī)定》，夜間時(shí)段為20:00至次日08:00(北京時(shí)，下同)，白天時(shí)段為08:00—20:00。統(tǒng)計(jì)對(duì)比白天與夜間時(shí)段不同類型暖區(qū)天氣下浙江省平均雨量差值(圖5)，發(fā)現(xiàn)春季各類型暖區(qū)天氣下浙江日-夜雨量差的空間分布不同，夜雨現(xiàn)象主要出現(xiàn)在西南氣流型暖區(qū)過(guò)程的麗水、溫州、金華和臺(tái)州南部，暖切北抬型暖區(qū)過(guò)程的金衢盆地，以及東南氣流型暖區(qū)過(guò)程的杭嘉湖、紹興、臺(tái)州東部及麗水北部，而冷切靠近型暖區(qū)過(guò)程全省平均雨量白天大、夜間小。

圖5 浙江省春季各類暖區(qū)降水過(guò)程夜間與白天雨量差(單位：mm)(a)西南氣流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)東南氣流型Fig.5 The difference of precipitation between the daytime and the nighttime for warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern,(c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern

2.2 不同類型暖區(qū)降水過(guò)程的中尺度特征

暖區(qū)降雨發(fā)展過(guò)程中，一些復(fù)雜的降水物理過(guò)程、邊界層物理過(guò)程在現(xiàn)階段數(shù)值模式中尚難以準(zhǔn)確描述，需要建立正確的中尺度概念模型[2]。鑒于暖區(qū)降雨局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，選取各類型中浙江范圍內(nèi)12 h累計(jì)降雨單站最大的個(gè)例為代表(表1)，對(duì)比研究春季各類暖區(qū)降水過(guò)程的中尺度特征。

表1 2007—2016年春季浙江各類暖區(qū)降水過(guò)程典型個(gè)例的時(shí)間及雨量Tab.1 The time and precipitation of the warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang from 2007 to 2016

2.2.1 環(huán)流背景

從上述各類暖區(qū)降水典型個(gè)例的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)(圖略)看出，西南氣流型，500 hPa高原槽自105°E附近緩慢東移，浙江省處于弱脊區(qū)中；850 hPa西南渦在云、貴、川3省交界處發(fā)展少動(dòng)，我國(guó)中東部地區(qū)受西南氣流控制，浙江省處于弱暖舌頂部，相對(duì)濕度達(dá)80%～90%。暖切北抬型，500 hPa南支槽向110°E靠近，位于華東沿海的弱脊區(qū)東移入海，浙江上空轉(zhuǎn)為西南偏西氣流控制；中低層暖式切變線自閩北經(jīng)浙江后向蘇皖南部北抬，浙江上空中低層存在較明顯的溫度梯度和高濕區(qū)。冷切靠近型，500 hPa淺槽東移靠近浙江，且中低層冷式切變線經(jīng)蘇皖一帶東移，浙江省處于西南急流和地面冷鋒以南的高濕區(qū)中。東南氣流型，500 hPa華東北部存在東移的弱脊，上游淺槽快速靠近華東南部地區(qū)；東海北部中低層存在反氣旋中心，華南沿海弱暖式切變線發(fā)展，浙江省處于高濕區(qū)北緣和反氣旋底后部東南氣流之中。

2.2.2 雨帶結(jié)構(gòu)與能量鋒區(qū)分布

各類暖區(qū)降水個(gè)例的回波均表現(xiàn)為層狀-積云混合性降水回波，但回波帶走向不盡相同(圖略)。與切變線活動(dòng)對(duì)應(yīng)的暖切北抬型和冷切靠近型的雨帶呈SW—NE走向，而西南氣流型和東南氣流型的雨帶則呈現(xiàn)SE—NW走向。

θse在干、濕絕熱過(guò)程中均守恒。分析各類暖區(qū)降水個(gè)例的θse分布(圖略)發(fā)現(xiàn)：西南氣流型和東南氣流型暖區(qū)降水個(gè)例的850 hPa等θse線均呈SE—NW走向；暖切北抬型和冷切靠近型的850 hPa等θse線則呈SW—NE走向?？梢?jiàn)，各類暖區(qū)降水過(guò)程的850 hPa等θse線均與降水回波帶的走向基本吻合，且雨帶基本分布在等θse線密集區(qū)，表明暖區(qū)的能量鋒區(qū)對(duì)雨帶發(fā)展起到重要作用。

2.2.3 垂直運(yùn)動(dòng)特征

從圖6看出，各類型暖區(qū)降水過(guò)程的緯向垂直剖面上都存在一個(gè)或多個(gè)中尺度垂直環(huán)流，且上升支與雨區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，這與BROWNING[15]在對(duì)平行于地轉(zhuǎn)氣流的暖區(qū)小雨帶作正交垂直截面時(shí)觀察到的氣流結(jié)構(gòu)特征相吻合。

西南氣流型[圖6(a)]、東南氣流型[圖6(d)]的氣流結(jié)構(gòu)共同點(diǎn)是：浙西上空的西南暖濕氣流在來(lái)自海面較冷的東南氣流之上爬升，并在浙東沿海分流，一支流入東側(cè)的垂直渦旋環(huán)流中，另一支重新匯入近地層?xùn)|南氣流中。然而，兩者差異主要表現(xiàn)在東南氣流自地面向上發(fā)展的高度不同。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，緯向垂直環(huán)流發(fā)生在濕位渦qw<0的區(qū)域，表明垂直環(huán)流的維持與條件性對(duì)稱不穩(wěn)定機(jī)制有關(guān)。

冷切靠近型[圖6(c)]，降水發(fā)生在冷空氣自西北向東南擴(kuò)散背景下，浙江上空850 hPa以下存在上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，對(duì)應(yīng)地面出現(xiàn)暖區(qū)對(duì)流性降水。若此時(shí)海面上空氣溫較低，則海陸之間形成一個(gè)強(qiáng)度較弱的冷暖空氣分界面，浙江境內(nèi)可出現(xiàn)雙雨帶結(jié)構(gòu)。

暖切北抬型[圖6(b)]，浙江上空850～700 hPa為西南暖濕氣流且θse值高，而900 hPa以下為偏東氣流且θse值低，900～850 hPa之間θse垂直梯度大，上升速度區(qū)基本都出現(xiàn)在西南氣流中，表明暖空氣在較冷空氣之上爬升，浙江西部和東部沿海上升氣流最強(qiáng)。

圖6 浙江春季不同類型暖區(qū)降水個(gè)例的流場(chǎng)(黑色流線)、垂直速度(藍(lán)色線，單位：Pa·s-1)及θse(陰影，單位：K)的緯向垂直剖面(a)西南氣流型(沿28.875°N)，(b)暖切北抬型(沿29.5°N)，(c)冷切靠近型(沿30°N)，(d)東南氣流型(沿27.5°N)Fig.6 The zonal vertical section of airflow field (black streamlines), vertical velocity (blue lines, Unit: Pa·s-1) and θse(shadows, Unit: K) during the warm sector rainfall processes with different patterns in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern (along 28.875°N), (b) warm shear northward extending pattern (along 29.5°N), (c) cold shear approaching pattern (along 30°N), (d) southeastern airflow pattern (along 27.5°N)

2.3 暖區(qū)降水概念模型

通過(guò)上述分析，得到4類暖區(qū)降水過(guò)程概念模型(圖7)?？梢钥闯?，各類暖區(qū)降水過(guò)程的共同特征是：浙江近地面存在一支東南氣流，西進(jìn)至117°E附近時(shí)與來(lái)自內(nèi)陸的西南氣流交匯輻合上升后轉(zhuǎn)為東北方向流動(dòng)，降水發(fā)生在該中尺度垂直環(huán)流的上升支。暖區(qū)雨帶與等θse線密集區(qū)相對(duì)應(yīng)，走向與等θse線相平行。但是，4類暖區(qū)過(guò)程的降水分布存在差異，主要表現(xiàn)為：西南氣流型降水強(qiáng)度總體偏小，在沿岸地形摩擦輻合作用下易形成獨(dú)立的降雨中心；暖切北抬型，西南暖濕空氣在近地層較冷空氣之上爬升，當(dāng)近地層有弱冷空氣殘留時(shí)，暖式切變線南側(cè)的暖濕空氣與殘留的冷空氣之間易形成斜壓不穩(wěn)定，致使降雨增強(qiáng)；冷切靠近型，處于暖區(qū)中的浙江上空出現(xiàn)上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，易引發(fā)對(duì)流性降水，且春季海陸溫差大，沿海形成的弱鋒區(qū)可觸發(fā)新的獨(dú)立雨帶，從而形成雙雨帶結(jié)構(gòu)；東南氣流型，降水主要分布在700 hPa西南氣流與850 hPa東南氣流交匯的垂直風(fēng)向切變區(qū)，降雨強(qiáng)度不大。

圖7 浙江省春季不同類型暖區(qū)降水概念模型(a)西南氣流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)東南氣流型(藍(lán)色陰影為雨區(qū))Fig.7 Conceptual model of rainfall caused by warm sector with different patterns in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern, (c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern(the blue shadow for rain area)

3 結(jié) 論

(1)浙江春季暖區(qū)天氣呈現(xiàn)云量多、雨量小、氣溫高、日照時(shí)數(shù)少、日溫差小的總體特點(diǎn)。各類暖區(qū)降水過(guò)程中，冷切靠近型雨量最大，其次為暖切北抬型，這兩類暖區(qū)降水過(guò)程導(dǎo)致的浙江省平均雨量分布具有西南部大、東北部小的特征。

(2)春季不同類型暖區(qū)降水過(guò)程的夜雨空間分布存在差異，西南氣流型夜雨主要出現(xiàn)在麗水、溫州、金華和臺(tái)州南部，暖切北抬型出現(xiàn)在金衢盆地，東南氣流型主要出現(xiàn)在杭嘉湖、紹興、臺(tái)州東部及麗水北部，而冷切靠近型全省平均雨量白天大、夜間小。

(3)中尺度分析發(fā)現(xiàn)，浙江春季暖區(qū)降水常伴有中尺度垂直環(huán)流上升支，雨帶一般發(fā)生在低空急流出口區(qū)和邊界層輻合線交匯的等θse線密集區(qū)，且走向與θse線平行。

(4)浙江春季不同類型暖區(qū)降水預(yù)報(bào)應(yīng)關(guān)注西南氣流和近地層?xùn)|南氣流的交匯區(qū)，以及近地層冷空氣殘留和海陸溫差造成的斜壓不穩(wěn)定對(duì)降水強(qiáng)度的增幅作用。