黃美金 俞小鼎 林 文 李婷婷 蘇志重 馮晉勤

1 福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350001 2 福建省氣象臺(tái)，福州 350001 3 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081 4 福建省氣象科學(xué)研究所，福州 350001 5 廈門市氣象臺(tái)，廈門 361012

提 要： 2018年5月7日冷鋒前暖區(qū)暴雨和8月29日華南季風(fēng)槽暴雨，這兩次大暴雨都是由廣東和閩南地區(qū)的沿岸線狀中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生，對其環(huán)境背景與對流系統(tǒng)特征進(jìn)行對比分析，得到主要結(jié)論如下：兩次過程均有明顯850 hPa和925 hPa低空急流；5月7日過程，對流層中低層條件不穩(wěn)定較大，大氣斜壓性較強(qiáng)，對流有效位能和0～6 km垂直風(fēng)切變相對較大，對流層中部存在明顯干層，有利于強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生；8月29日過程，對流層中下層為弱的條件不穩(wěn)定，準(zhǔn)正壓大氣，更高的融化層高度，對流有效位能和0～6 km垂直風(fēng)切變相對較小，垂直整層相對濕度高，有利于強(qiáng)降水而不利于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。兩次過程風(fēng)暴承載層平均風(fēng)均來自西南方向，前者的平流比后者要強(qiáng)很多；廈門及其周邊閩南地區(qū)大暴雨是由于后向傳播導(dǎo)致相繼多個(gè)較強(qiáng)對流雨團(tuán)移過同一區(qū)域形成的；5月7日后向傳播形成是一個(gè)對流雨團(tuán)的陣風(fēng)鋒與另一個(gè)對流雨團(tuán)后側(cè)的水平對流卷相遇觸發(fā)新的對流導(dǎo)致的，新生對流來自陸地；8月29日后向傳播形成則是低層暖濕氣流遇到成熟對流雨團(tuán)的后側(cè)陣風(fēng)鋒觸發(fā)新的對流，新生對流位于海上，持續(xù)移入陸地。5月7日導(dǎo)致大暴雨的對流系統(tǒng)中冰相過程和暖云過程對暴雨產(chǎn)生都很重要，8月29日導(dǎo)致極端暴雨的對流系統(tǒng)中暖云過程對強(qiáng)降水產(chǎn)生起主要作用。在兩次過程中，對流系統(tǒng)冷池前沿陣風(fēng)鋒附近都有γ中尺度渦旋形成，與陣風(fēng)鋒輻合上升運(yùn)動(dòng)結(jié)合產(chǎn)生正的垂直螺旋度，有利于對流系統(tǒng)的維持。低空急流通過其對水汽和熱量的輸送以及與地形和對流系統(tǒng)冷池的相互作用，對沿岸線狀中尺度對流系統(tǒng)的維持起到重要作用。

引 言

華南暖區(qū)暴雨(黃士松，1986)是指華南鋒面南側(cè)暖區(qū)(離鋒面>200 km)產(chǎn)生的暴雨或在南嶺附近至南海北部無鋒面時(shí)產(chǎn)生的暴雨。暖區(qū)暴雨概念源自華南暖區(qū)暴雨的研究，近年來不少學(xué)者(諶蕓等，2012；孫繼松等，2012；俞小鼎，2012；Zhang et al，2013；汪玲瑤等，2018；雷蕾等，2020)將暖區(qū)暴雨概念推廣到華北和江南等其他地區(qū)，通常暴雨多發(fā)生于距離地面冷鋒或850 hPa暖切變以南100～300 km的暖區(qū)范圍內(nèi)，甚至是副熱帶高壓(以下簡稱副高)邊緣等(陳玥等，2016)。對于暖區(qū)暴雨尤其是華南暖區(qū)暴雨，很多學(xué)者開展了大量研究(黃士松，1986；孫建華和趙思雄，2002；何立富等，2016；徐珺等，2018；伍志方等，2018；諶蕓等，2019；劉瑞鑫等，2019；Du and Chen，2019；Luo et al，2020；吳乃庚等，2020)，涉及暖區(qū)暴雨的多尺度天氣學(xué)特征、低空急流、對流系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制和暖區(qū)暴雨的可預(yù)報(bào)性等。尤其是隨著若干外場大型科學(xué)試驗(yàn)開展，對造成華南暖區(qū)暴雨的對流系統(tǒng)特征、邊界層物理特征和降雨云物理過程有了更深入的認(rèn)識(shí)。季風(fēng)槽是由西南季風(fēng)與副高西南側(cè)的東南風(fēng)交匯形成的熱帶降水系統(tǒng)(廣東省氣象局《廣東省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊》編寫組，2006)。季風(fēng)槽暴雨和臺(tái)風(fēng)暴雨是華南兩種大范圍區(qū)域性暴雨類型(羅亞麗等，2020)。關(guān)于華南臺(tái)風(fēng)暴雨，有很多研究，而對于季風(fēng)槽暴雨的研究(黃忠等，2005；蒙偉光等，2014)相對較少，特別是針對季風(fēng)槽暴雨過程中的中尺度對流系統(tǒng)(MCS)觸發(fā)、演變及結(jié)構(gòu)特征分析很少涉及。華南暖區(qū)暴雨和季風(fēng)槽暴雨都具有明顯的中尺度特征，常常在廣東和閩南地區(qū)沿岸形成線狀MCS且持續(xù)反復(fù)發(fā)生，短時(shí)雨強(qiáng)大，局地性特征明顯，易產(chǎn)生極端降水，引發(fā)洪澇災(zāi)害。

2018年5月7日廈門及周邊閩南地區(qū)經(jīng)歷一次有氣象和水文觀測記錄以來的最強(qiáng)降水(以下簡稱“5·7”)(圖1a)，廈門主干道陷入水鄉(xiāng)澤國，最深積水達(dá)到1.2 m。2018年8月27—31日，受季風(fēng)槽影響，福建省中南部沿海出現(xiàn)大范圍暴雨(以下簡稱“8·29”)(圖1b)，多個(gè)城市出現(xiàn)積澇。兩場暴雨的大暴雨區(qū)范圍不僅覆蓋了福建南部，同時(shí)覆蓋了廣東沿海地區(qū)，涉及福建的最強(qiáng)降水部分都是發(fā)生在福建南部丘陵山區(qū)南面相對平坦的沿海地區(qū)，且都是在偏南風(fēng)氣流加強(qiáng)下在沿岸形成線狀MCS下發(fā)生的，兩場暴雨既有相同點(diǎn)又有明顯的不同。無論是冷鋒前暖區(qū)暴雨還是季風(fēng)槽暴雨，業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式均存在明顯偏差且對降雨量的極端性預(yù)報(bào)存在較大不足。

圖1 2018年5月6日20時(shí)至7日20時(shí)(a)和8月28日20時(shí)至29日20時(shí)(b)福建省雨量分布；閩南地形(陰影為海拔高度)和廈門科技中學(xué)站、梅海嶺站，廈門單偏振、雙偏振雷達(dá)及泉州單偏振雷達(dá)位置(c)； 5月7日廈門科技中學(xué)站和8月29日廈門梅海嶺站08—20時(shí)小時(shí)雨量時(shí)間序列(d)Fig.1 Distribution of rainfall in Fujian Province from 20:00 BT 6 to 20:00 BT 7 May 2018 (a) and from 20:00 BT 28 to 20:00 BT 29 August 2018 (b); the topography (shaded) of Southern Fujian and the location of Xiamen Sci-Tech Middle School Station, Meihailing Station, Xiamen Single-Polarization Radar, Dual-Polarization Radar and Quanzhou Single-Polarization Radar (c), time series of hourly rainfall from 08:00 BT to 20:00 BT at Xiamen Sci-Tech Middle School Station on 7 May 2018 and Meihailing Station on 29 August 2018 (d)

本文利用常規(guī)高空、地面觀測資料、天氣雷達(dá)以及FY-2G高分辨率可見光云圖，對比分析兩次過程，首先從包括廣東和福建較大范圍的導(dǎo)致兩次大暴雨的對流系統(tǒng)演變和維持進(jìn)行分析，然后聚焦廈門及周邊閩南地區(qū)MCS的觸發(fā)、演變及結(jié)構(gòu)特征并進(jìn)行深入分析和探討，以期進(jìn)一步揭示沿岸線狀MCS的演變規(guī)律和維持機(jī)制，為改進(jìn)這兩類強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)提供啟發(fā)。

1 降水和環(huán)境場特征分析

1.1 降水過程概述

2018年5月7日閩南地區(qū)發(fā)生冷鋒前暖區(qū)大暴雨，11—14時(shí)(北京時(shí)，下同)廈門島內(nèi)的科技中學(xué)站(圖1c)最大3 h 雨量達(dá)274 mm，最大小時(shí)雨量達(dá)107.5 mm(圖1d)。2018年8月27—31日，受季風(fēng)槽影響，福建省中南部沿海的降水中心莆田市城廂區(qū)28—29日過程雨量達(dá)452.4 mm，破該站歷史紀(jì)錄，29日08—11時(shí)共5個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)100 mm以上的降水，廈門島內(nèi)的梅海嶺站(圖1c)09—10時(shí)雨量達(dá)82.2 mm。5月7日的大暴雨，廣東沿海最大雨量出現(xiàn)在汕頭以西的普寧縣，24 h最大雨強(qiáng)達(dá) 200 mm；此外，華南共有三條西南西—東北東走向的雨帶，除了沿海降水極值，在福建北部和中部同時(shí)還有 50 mm 或以上的降水區(qū)域(圖1a)，其中沿著海岸線的雨帶最強(qiáng)。而8月27—31日的華南季風(fēng)槽暴雨過程中，整個(gè)華南沿海地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨和大暴雨，30—31日廣東惠州高潭24 h雨量高達(dá)1 056.7 mm，突破廣東省日雨量歷史極值，位居中國大陸日雨量歷史第二位(曾智琳等，2020)，此次過程以沿海岸線的一條雨帶為主，總體降水面上強(qiáng)度超過“5·7”過程的沿著海岸雨帶。

1.2 流型配置分析

2018年5月7日08時(shí)，500 hPa(圖2a)華南處于高空短波槽前西南氣流控制下，廣東東部到福建存在近乎平行的三條對流雨帶，雨帶以南為16～24 m·s-1不等的西南氣流；副高主體位于南海。850 hPa(圖2c)在南嶺附近形成一條切變線，靠近華南海岸的對流雨帶位于切變線以南的西南氣流內(nèi)，同時(shí)沿著華南海岸和內(nèi)陸存在12～16 m·s-1西南偏西風(fēng)低空急流。從850 hPa等溫線分布看，華南地區(qū)具有比較顯著的斜壓性。地面圖(圖3c)上，西南—東北走向冷鋒從廣西北部穿過廣東北部、福建西北部直到浙江北部。廣東和福建南部位于地面冷鋒以南一定距離之外和250 hPa副熱帶高空急流入口區(qū)右側(cè)(圖略)。

圖2 2018年5月7日08時(shí)(a,c)、8月29日08時(shí)(b,d)的500 hPa(a,b)和850 hPa(c,d)天氣圖疊加同時(shí)間的天氣雷達(dá)組合反射率因子拼圖(黑色實(shí)線：等高線，單位:dagpm；紅色虛線：等溫線，單位:℃；棕色實(shí)線：槽線；紅色實(shí)線：切變線)Fig.2 The 500 hPa (a, b) and 850 hPa (c, d) weather map with radar CR mosaic at 08:00 BT 7 May (a, c) and at 08:00 BT 29 August (b, d) 2018(black solid line: contour line, unit: dagpm; red dotted line: isotherm line, unit: °C; brown solid line: trough line; red solid line: shear line)

2018年8月29日08時(shí)，從地面到500 hPa(圖3g，圖2b、2d)，一個(gè)深厚低壓中心位于北部灣和廣西南部交界處附近，850 hPa沿著華南沿海存在西南偏西風(fēng)和偏南風(fēng)之間的顯著切變，該切變是華南季風(fēng)槽暴雨的關(guān)鍵特征之一(黃忠等，2005)。同時(shí)華南地區(qū)位于副高南部，在降水最強(qiáng)的華南東部500 hPa上風(fēng)速較弱，只有2～8 m·s-1，遠(yuǎn)小于5月7日的風(fēng)速；低空存在與5月7日強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?2～16 m·s-1西南偏西風(fēng)和東南偏南風(fēng)急流。華南地區(qū)溫度梯度很小，處于準(zhǔn)正壓大氣狀態(tài)。這樣一個(gè)弱的深厚低壓氣旋式環(huán)流系統(tǒng)，導(dǎo)致南海上季風(fēng)對流云團(tuán)在西南風(fēng)和偏南風(fēng)作用下不斷北移至華南陸地上空。

圖3 2018年5月6日20時(shí)(a)，7日02時(shí)(b)，7日08時(shí)(c)，7日14時(shí)(d)和8月28日20時(shí)(e)，29日02時(shí)(f)，29日08時(shí)(g)，29日14時(shí)(h)地面圖疊加同時(shí)間的天氣雷達(dá)組合反射率因子拼圖(黑色實(shí)線:海平面氣壓,單位:hPa；藍(lán)色鋸齒實(shí)線：地面鋒面)Fig.3 The ground map with radar CR mosaic at 20:00 BT 6 (a), 02:00 BT 7 (b), 08:00 BT 7 (c), 14:00 BT 7 May (d), and at 20:00 BT 28 (e), 02:00 BT 29 (f), 08:00 BT 29 (g), 14:00 BT 29 August (h) 2018(black solid line: sea level pressure, unit: hPa; blue sawtooth solid line: ground front)

1.3 探空分析

由兩次過程福建和廣東沿海5個(gè)探空站(福州、廈門、汕頭、香港和陽江)探測到的環(huán)境參數(shù)(表1)可以看出，5月7日08時(shí)探空得到的地面與500 hPa溫差和850 hPa與500 hPa溫差明顯高于8月29日08時(shí)探空的相應(yīng)值(前者850 hPa與500 hPa溫差5個(gè)站平均值為23.2℃，后者相應(yīng)的平均值為20.6℃)，說明前者在對流層中下層具有更大的條件不穩(wěn)定，而后者非常接近濕絕熱層結(jié)，只有弱的條件不穩(wěn)定；就大氣可降水量和地面露點(diǎn)溫度而言，前者5個(gè)站的平均值分別是56.8 mm和24.0℃，后者的相應(yīng)值為61.2 mm和23.8℃，兩者水汽條件大致相當(dāng)，后者略好一些；前者的CAPE值平均值為1 720 J·kg-1，總體上明顯大于后者的CAPE值(820 J·kg-1)；兩者對應(yīng)的CIN值總體上都很小，前者略大于后者。0～6 km風(fēng)矢量差，5月7日的平均值為15.6 m·s-1，屬于中等偏強(qiáng)垂直風(fēng)切變，8月29日的平均值為3.8 m·s-1，屬于弱的垂直風(fēng)切變。兩次過程5個(gè)探空站850 hPa風(fēng)都達(dá)到了12 m·s-1或以上的低空急流標(biāo)準(zhǔn)，前者比后者總體上要更強(qiáng)一些；在925 hPa，前者達(dá)到低空急流標(biāo)準(zhǔn)(12 m·s-1)的有廈門、汕頭和香港3個(gè)探空站，后者達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)的有廈門和陽江2個(gè)探空站。低空急流或低層風(fēng)都具有明顯的偏南風(fēng)分量。

表1 2018年5月07日08時(shí)和8月29日08時(shí)福建省、廣東省沿海和香港關(guān)鍵探空參數(shù)Table 1 Comparison of key radiosonde parameters between coastal areas of Fujian, Guangdong and Hong Kong at 08:00 BT 7 May and 08:00 BT 29 August 2018

比較廈門及周邊大暴雨的代表性探空，5月7日08時(shí)廈門探空和8月29日08時(shí)汕頭探空(因08時(shí)廈門探空受到降水污染，故用上游的汕頭探空代表)(圖4)，這兩個(gè)探空之間差異與上面討論的華南沿海5個(gè)探空總體差異類似：兩者水汽條件相當(dāng)，前者的CAPE值、對流層中低層條件不穩(wěn)定性和0～6 km 垂直風(fēng)切變值明顯更大，而0～6 km垂直風(fēng)切變大表明大氣斜壓性明顯；兩者濕層都很深厚，CAPE形狀狹長，并存在西南低空急流，因此均有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生(Davis，2001； 俞小鼎，2013)；前者700～400 hPa的干層比后者明顯，判斷發(fā)生強(qiáng)降水同時(shí)，也存在伴隨雷暴大風(fēng)的可能，而8月29日僅僅限于強(qiáng)降水，實(shí)況天氣與此相符。

圖4 2018年5月7日08時(shí)廈門(a)和8月29日08時(shí)汕頭(b)探空Fig.4 Xiamen sounding at 08:00 BT 7 May (a) and Shantou sounding at 08:00 BT 29 August (b) 2018

2 對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和演變分析

2.1 影響福建和廣東的對流系統(tǒng)

2018年5月6日20時(shí)至7日20時(shí)和8月28日20時(shí)至29日20時(shí)，福建(圖1a、1b)和廣東海岸的大暴雨(圖略)都是由沿岸附近的線狀MCS所導(dǎo)致的。

5月6日20時(shí)(圖3a)，主要對流雨帶沿著冷鋒鋒面呈帶狀分布，同時(shí)在鋒前暖區(qū)有零散對流；7日01—04時(shí)，惠東到潮州一線不斷有對流單體生成，并逐漸連成斷線狀回波，強(qiáng)度達(dá)35～40 dBz。04時(shí)，汕頭附近有一個(gè)對流單體開始發(fā)展，06:30左右沿環(huán)境風(fēng)移到福建沿海南端東山縣時(shí)逐漸加強(qiáng)，與后向生成的單體連成一線，強(qiáng)度增強(qiáng)到45～50 dBz，強(qiáng)回波的范圍擴(kuò)大并開始進(jìn)入閩南地區(qū)。7日08時(shí)，冷鋒進(jìn)一步南移，在鋒前暖區(qū)，存在三條西南—東北走向的對流雨帶：第一條位于廣東東北部，第二條位于廣東東南部到福建中部；在低空急流弱的傾斜抬升和持續(xù)的水汽輸送作用下，上述兩條對流雨帶的形成，與夜間低空急流遇到西南—東北走向的廣東地形相互作用抬升觸發(fā)對流(圖3b、3c，圖2c)，已經(jīng)觸發(fā)的對流在地形上爬升加強(qiáng)并發(fā)展成西南—東北方向的線狀MCS密切相關(guān)；該線狀對流系統(tǒng)向南的冷池出流(偏北風(fēng))與海岸附近的偏南風(fēng)之間產(chǎn)生輻合，伴隨的上升氣流導(dǎo)致沿著福建東南部海岸線的線狀對流系統(tǒng)的觸發(fā)和形成，產(chǎn)生了第三條對流雨帶。隨著冷鋒主體向南移動(dòng)，位于鋒前暖區(qū)的三條對流雨帶合并為兩條(圖3d)，沿著海岸線的那一條對流雨帶更強(qiáng)一些，鋒面對流雨帶距離沿著海岸的暖區(qū)對流雨帶大約100 km。同時(shí)，風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)為西南或西南偏西氣流，有利于沿著海岸線的西南偏西—東北偏東方向線狀對流系統(tǒng)的維持。14時(shí)后，冷鋒雨帶與沿著海岸的暖區(qū)對流雨帶逐漸合并東移減弱?！?·7”冷鋒前暖區(qū)暴雨過程，對流活動(dòng)都位于陸地上，廣東和福建周邊海域上空基本沒有對流活動(dòng)，大暴雨區(qū)域主要由鋒前暖區(qū)MCS所導(dǎo)致。除了強(qiáng)降水，廣東福建境內(nèi)還出現(xiàn)了大范圍雷暴大風(fēng)，主要由沿著冷鋒的線狀MCS所導(dǎo)致，最強(qiáng)陣風(fēng)達(dá)到32 m·s-1，而沿著海岸的暖區(qū)線狀MCS僅在福建中部沿海出現(xiàn)局部雷暴大風(fēng)，最強(qiáng)陣風(fēng)達(dá)25 m·s-1。

“8·29”季風(fēng)槽暴雨過程，輻合切變線從廣東西部一直延伸到福建中部，該切變線對導(dǎo)致福建南部和廣東沿海大暴雨的線狀MCS的生成和維持有很大作用。28日20時(shí)(圖3e)，季風(fēng)低壓中心位于廣西南部靠近北部灣區(qū)域，與地面輻合切變線對應(yīng)，存在一段不連續(xù)的線狀對流雨帶；29日08—14時(shí)(圖3g、3h)，沿著華南海岸線的對流雨帶整體強(qiáng)度有所加強(qiáng)，其南面海洋上的對流雨帶往南北方向擴(kuò)展，將上述華南沿著海岸線的雨帶和位于海面上的兩條雨帶連接起來；此外，北部灣上空成片對流仍然活躍。在隨后6小時(shí)中，沿著華南海岸線的對流雨帶明顯減弱。

2.2 導(dǎo)致廈門及周邊閩南地區(qū)大暴雨的對流系統(tǒng)

2.2.1 2018年5月7日線狀中尺度對流系統(tǒng)

5月7日11—14時(shí)為廈門最強(qiáng)降水時(shí)段(圖1d)。08—13時(shí)不斷有內(nèi)陸的回波往東北偏東方向移動(dòng)，合并到線狀對流系統(tǒng)中；同時(shí)汕頭到福建沿海南端東山縣回波沿著西南風(fēng)向東北方向移動(dòng)，在漳州的平和到漳浦縣境內(nèi)逐漸合并加強(qiáng)，11時(shí)這個(gè)合并后的帶狀對流系統(tǒng)開始影響廈門，強(qiáng)度維持在50～55 dBz，范圍繼續(xù)擴(kuò)大。而其上游，廣東東部的陸豐到汕頭一帶仍不斷有回波生成發(fā)展并向東北移，與詔安—漳浦—廈門的回波連成一線，不斷影響廈門。期間，經(jīng)過廈門區(qū)域的低層最強(qiáng)回波維持在50～55 dBz。14時(shí)后，上述中尺度對流雨帶逐漸向東南方向偏移，廈門大暴雨過程結(jié)束。

風(fēng)暴承載層平均風(fēng)是西南偏西風(fēng)，線狀MCS的對流單體大致沿著風(fēng)暴承載層平均風(fēng)向向著東北偏東方向移動(dòng)，移動(dòng)速度也與風(fēng)暴承載層平均風(fēng)大致相當(dāng)；而上述線狀對流系統(tǒng)的西南方不斷有新的對流單體生成，形成后向傳播(圖5b、5c、5d)，與平流結(jié)合，不斷影響廈門，即所謂“列車效應(yīng)”(俞小鼎等，2012；2020)導(dǎo)致了大暴雨。

由于垂直風(fēng)切變大，10:50在較強(qiáng)回波進(jìn)入廈門區(qū)域之前(圖5a)，0.5°仰角徑向速度圖上可以識(shí)別出一個(gè)弱的中氣旋(圖5e)，存在一個(gè)鑲嵌在MCS中的微型超級單體。超級單體中的中氣旋與強(qiáng)上升氣流區(qū)位置有很大部分重合，從而具有較強(qiáng)垂直螺旋度，系統(tǒng)會(huì)抑制具有最大擾動(dòng)動(dòng)能尺度的部分向更小尺度的能量串級輸送，使得該系統(tǒng)具有更高的組織性和更長的生命史，以至于可以自我維持和發(fā)展(Lilly，1986)。13:06，0.5°仰角徑向速度圖上(圖5f)可識(shí)別出位于緊貼線狀MCS南部的低層輻合切變線，對應(yīng)冷池的邊界，即低層陣風(fēng)鋒位置。在演變過程中，該低層輻合切變線也就是陣風(fēng)鋒一直緊貼線狀MCS南部側(cè)翼，因此有利于該線狀MCS的維持(Wilson and Mueller，1993；Wilson and Megenhardt，1997；Wilson et al，1998)。沿著上述輻合切變線，有若干個(gè)γ中尺度渦旋；這些γ中尺度渦旋的產(chǎn)生機(jī)制與輻合切變線上的氣旋式切變和輻合密切相關(guān)，由于輻合線與上升氣流伴隨，這些γ中尺度渦旋也具有比較明顯的垂直螺旋度，有利于系統(tǒng)的維持和發(fā)展(Lilly，1986)。

圖5 泉州SA型新一代天氣雷達(dá)2018年5月7日10:50(a)，12:24(b)，12:45(c)，13:06(d)0.5°仰角反射率因子和10:50(e)，13:06(f)0.5°仰角徑向速度(黑色方框標(biāo)識(shí)廈門區(qū)域，黑色曲線標(biāo)識(shí)低層輻合切變線，小圓圈代表γ中尺度渦旋，圖5d中黑色直線代表剖面位置，下同)Fig.5 Quanzhou SA radar 0.5° elevation reflectivity images at 10:50 BT (a)，12:24 BT (b)，12:45 BT (c)，13:06 BT (d) and 0.5° elevation radial velocity images at 10:50 BT (e)， 13:06 BT (f) 7 May 2018(Black box marks Xiamen Area, black curve marks the low-level convergence shear line and the small circle indicates the meso-γ vortex, black straight line represents the location of the cross-section in Fig.5d, the same below)

為了進(jìn)一步探討影響廈門及周邊閩南地區(qū)線狀MCS的后向傳播機(jī)制，圖6a給出了5月7日11時(shí)FY-2G靜止氣象衛(wèi)星高分辨率云圖。對流云團(tuán)B南側(cè)陣風(fēng)鋒與對流云團(tuán)A后面沿著西南偏西—東北偏東的由水平對流卷(俞小鼎等，2012；2020)導(dǎo)致的積云線相遇，觸發(fā)一系列對流單體，導(dǎo)致對流云團(tuán)A的后向傳播。

2.2.2 2018年8月29日線狀中尺度對流系統(tǒng)

8月29日，40～45 dBz以上的較強(qiáng)回波相繼經(jīng)過廈門區(qū)域(圖7)，最強(qiáng)回波強(qiáng)度弱于5月7日。8月29日福建南部風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)為西南風(fēng)，與5月7日情況類似，只是西南風(fēng)速遠(yuǎn)小于5月7日過程。29日08:46—09:17，影響廈門及周邊閩南地區(qū)的線狀MCS的后向傳播方向是西南方向，而在09:28—09:59，向西南的后向傳播轉(zhuǎn)為向南的后向傳播，即不斷有對流單體新生的一側(cè)位于線狀MCS后端的偏南一側(cè)。從高分辨率可見光云圖(圖6b)可見，新生單體E、F、G和H都來自海上，與5月7日情況明顯不同。8月29日海上對流非?；钴S，而5月7日海上比較平靜，沒有明顯對流(圖6)。

圖6 2018年5月7日11時(shí)(a)和8月29日09時(shí)(b)FY-2G靜止氣象衛(wèi)星高分辨率可見光云圖Fig.6 FY-2G high resolution visible light cloud at 11:00 BT 7 May (a) and at 09:00 BT 29 August (b) 2018

雖然5月7日廈門降水強(qiáng)于8月29日，但就閩南地區(qū)而言，8月29日的暴雨過程總體上更強(qiáng)，尤其在廈門區(qū)域的下風(fēng)向(東北方向)。從圖7可見，8月29日10:20，強(qiáng)降水線狀MCS已經(jīng)移動(dòng)到廈門下游的泉州地區(qū)，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)與5月7日13:06線狀MCS的形態(tài)和結(jié)構(gòu)類似。沿著線狀MCS南側(cè)，存在明顯輻合切變線，對應(yīng)冷池邊界的陣風(fēng)鋒。如前所述，線狀MCS一直緊貼其陣風(fēng)鋒，有利于對流系統(tǒng)維持(Wilson and Mueller，1993；Wilson and Megenhardt，1997；Wilson et al，1998)。沿著上述輻合切變線，有2個(gè)γ中尺度渦旋，與5月7日過程類似，γ中尺度渦旋有利于系統(tǒng)的維持和發(fā)展。

圖7 泉州SA雷達(dá)2018年8月29日09:17(a)，09:49(b)，10:20(c)0.5°仰角反射率因子和10:20(d)0.5°仰角徑向速度(圖7a中黑色直線代表剖面位置)Fig.7 Quanzhou SA radar 0.5° elevation reflectivity images at 09:17 BT (a)，09:49 BT (b)， 10:20 BT (c) and 0.5° elevation radial velocity image at 10:20 BT (d) 29 August 2018(In Fig.7a, black straight line represents the location of the cross-section)

2.2.3 導(dǎo)致兩次閩南大暴雨過程的對流系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)對比

5月7日08時(shí)和8月29日08時(shí)廈門的融化層高度分別為4.5 km和5.0 km(表1)，暖云層厚度分別為4.4 km和5.0 km。5月7日的對流系統(tǒng)介于低質(zhì)心的熱帶海洋型和高質(zhì)心的大陸強(qiáng)對流型(俞小鼎，2013)之間，最大反射率因子為50～55 dBz，擴(kuò)展到融化層高度(圖8)，也就是最強(qiáng)回波大部分都位于暖云層內(nèi)，回波頂高(18.3 dBz擴(kuò)展的高度)達(dá)10～12 km，結(jié)合廈門雙偏振多普勒天氣雷達(dá)水凝物分類產(chǎn)品(圖略)判斷，融化層以上以冰晶和霰為主。8月29日對流系統(tǒng)屬于典型的低質(zhì)心熱帶海洋型對流(Maddox et al，1977；Caracena et al，1979；俞小鼎，2013)，最大反射率因子只有45～50 dBz，而且位于融化層高度(5.0 km)以下，以暖云過程為主，同時(shí)也存在冰相過程，回波頂高主要在8～9 km，融化層以上也是以冰晶和霰為主。

圖8 2018年5月7日13:06(a)和8月29日09:17(b)泉州雷達(dá)分別沿著圖5d和圖7a中黑色直線所做的反射率垂直剖面Fig.8 Vertical cross-section of Quanzhou radar reflectivity at 13:06 BT 7 May (a) and 09:17 BT 29 August (b) 2018 along the black straight line shown in Fig.5d and Fig.7a

冰相過程發(fā)生在暖云層頂部的融化層以上，包括貝吉龍過程、凇附和冰晶叢集等過程，凇附和叢集形成的冰晶或霰落到融化層以下時(shí)，融化為雨滴，為暖云降水提供種子，通過進(jìn)一步碰并過程形成較強(qiáng)降雨。5月7日對流系統(tǒng)的冰相過程比8月29日更明顯，40 dBz以上的回波發(fā)展到9～10 km，8月29日的只到5～7 km，而作為暖云層頂部的融化層高度分別在4.5 km和5.0 km左右。

2.3 低空急流對對流系統(tǒng)的作用

兩次大暴雨過程中，850 hPa和925 hPa都存在低空急流。低空急流能夠維持CAPE和提供水汽供應(yīng)，從而維持暴雨持續(xù)。低空急流對于產(chǎn)生區(qū)域大暴雨的沿岸線狀MCS的形成和維持也同樣起到重要作用。

5月7日，低空急流遇到西南—東北走向地形觸發(fā)了西南—東北走向的線狀對流系統(tǒng)，該對流系統(tǒng)向南的冷池出流與海岸附近的偏南風(fēng)輻合，形成的沿海線狀MCS導(dǎo)致5月7日閩南大暴雨的產(chǎn)生。

8月29日在偏南風(fēng)氣流的加強(qiáng)下，在福建南部丘陵山區(qū)南面相對平坦的沿岸形成線狀MCS，在東南偏南風(fēng)急流作用下，有利于向西南的后向傳播轉(zhuǎn)為向南的后向傳播。同時(shí)低空急流也使得對流系統(tǒng)一直緊貼其陣風(fēng)鋒，有利沿海線狀MCS的維持。

兩次過程中, 含有水汽和熱量的低空急流遇到對流系統(tǒng)中的上升氣流區(qū)，一部分暖濕氣流進(jìn)入上升氣流區(qū)，為降水的持續(xù)補(bǔ)充水汽；低層暖濕氣流可以恢復(fù)因?qū)α飨腃APE而降低的低層溫度和露點(diǎn)溫度，從而使得CAPE再生和維持，進(jìn)而使得對流系統(tǒng)內(nèi)上升氣流得以維持，對流得以持續(xù)；對流系統(tǒng)下沉氣流形成冷池，低空急流攜帶暖濕氣流遇到冷池前沿的陣風(fēng)鋒抬升觸發(fā)新的對流，使得產(chǎn)生強(qiáng)降水的對流系統(tǒng)不斷有單體新生并替代舊的單體，使得對流系統(tǒng)維持，降水持續(xù)。

從廈門翔安站風(fēng)廓線雷達(dá)(24.55°N、118.32°E)逐6 min全風(fēng)速時(shí)序圖(圖9)可見，兩次大暴雨期間低空風(fēng)速脈動(dòng)明顯。

5月7日的暖區(qū)強(qiáng)降水集中在11—14時(shí)(圖1d)。在發(fā)生降水之前，閩南沿海上空一直有低空急流維持，925 hPa和850 hPa風(fēng)速分別達(dá)12 m·s-1和16 m·s-1以上(圖9a)，07—11時(shí)低空急流擾動(dòng)增強(qiáng)，925 hPa比850 hPa先加強(qiáng)，最大風(fēng)速分別達(dá)20 m·s-1和24 m·s-1，08:30—09:30期間，850 hPa風(fēng)速有所減弱，925 hPa風(fēng)速一度超越 850 hPa風(fēng)速；而強(qiáng)降水開始后，850 hPa風(fēng)速卻比925 hPa先下降，但降幅沒有925 hPa的大。8月29日的季風(fēng)槽強(qiáng)降水在08—11時(shí)比較明顯(圖1d)。與5月7日過程不同，低空急流在29日03時(shí)后才逐漸建立起來，降水之前925 hPa風(fēng)速一直比850 hPa大(圖9b)，05—06時(shí)，850 hPa比925 hPa先加強(qiáng)，但925 hPa風(fēng)速最大達(dá)20 m·s-1,仍超過850 hPa風(fēng)速；在強(qiáng)降水期間，兩層風(fēng)速雖然都減弱了，但850 hPa 風(fēng)速卻比925 hPa的大。兩次過程強(qiáng)降水發(fā)生之前，低空急流都有突然增強(qiáng)現(xiàn)象，而且925 hPa 和850 hPa風(fēng)速都有減弱增強(qiáng)交替脈動(dòng)特征，這可能是925 hPa和850 hPa兩層間發(fā)生了動(dòng)量交換現(xiàn)象。

低空急流脈動(dòng)的產(chǎn)生與大氣邊界層湍流脈動(dòng)，以及與對流系統(tǒng)的相互作用有關(guān)，但具體細(xì)節(jié)不好判斷。關(guān)于低空急流脈動(dòng)對于導(dǎo)致暴雨的對流系統(tǒng)觸發(fā)、維持和發(fā)展有什么作用和影響，目前，從本研究對資料的分析尚得不到明確的結(jié)論。

圖9 2018年5月7日(a)和8月29日(b)廈門翔安站00—20時(shí)的925 hPa、850 hPa風(fēng)廓線雷達(dá)全風(fēng)速逐6 min時(shí)序圖Fig.9 The 6 min series of wind speed at 925 hPa and 850 hPa wind profiling radar during 00:00-20:00 BT on 7 May (a) and 29 August (b) 2018 at Xiang’an Station of Xiamen

3 結(jié)論與討論

通過對發(fā)生在廣東和閩南地區(qū)2018年5月7日冷鋒前暖區(qū)和8月29日華南季風(fēng)槽兩次大暴雨過程的環(huán)境背景與對流系統(tǒng)特征進(jìn)行對比分析后，得出如下主要結(jié)論：

(1)兩次大暴雨過程均在廣東和閩南地區(qū)的沿岸線狀MCS中產(chǎn)生。5月7日對流系統(tǒng)發(fā)生在明顯斜壓大氣下，沿著海岸線的線狀對流系統(tǒng)位于不斷南移的冷鋒前的暖區(qū)，與鋒面相距至少100 km以上，探空環(huán)境參數(shù)顯示，CAPE和深層垂直風(fēng)切變相對較大，對流層中層存在明顯干層，大氣可降水量較大，融化層高度高，暖云層深厚，有利于強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生；8月29日華南沿海受季風(fēng)槽影響，在準(zhǔn)正壓大氣下，環(huán)境參數(shù)顯示，CAPE和深層垂直風(fēng)切變相對較小，大氣可降水量較大，整層相對濕度大，融化層高度更高，暖云層更為深厚，有利于強(qiáng)降水而不利于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

(2)兩次過程都是由于后向傳播的作用，產(chǎn)生“列車效應(yīng)”形成大暴雨。5月7日的后向傳播是由于一個(gè)對流雨團(tuán)的陣風(fēng)鋒與另一個(gè)對流雨團(tuán)后側(cè)的水平對流卷相遇觸發(fā)新的對流導(dǎo)致的，新生對流來自陸地；8月29日則是由于低層暖濕氣流遇到成熟對流雨團(tuán)的后側(cè)陣風(fēng)鋒而觸發(fā)新的對流，新生對流位于海上，持續(xù)移到陸地。5月7日對流系統(tǒng)冰相過程和暖云過程在降水中都起重要的作用，8月29日對流系統(tǒng)暖云降水占支配地位。

(3)兩次大暴雨過程中，對流系統(tǒng)冷池前沿陣風(fēng)鋒附近都有γ中尺度渦旋形成，與陣風(fēng)鋒輻合上升運(yùn)動(dòng)結(jié)合產(chǎn)生較大正的垂直螺旋度，使得系統(tǒng)具有更高的組織性和更長的生命史。

(4)在5月7日過程中，低空急流遇到西南—東北走向地形觸發(fā)了西南—東北走向的線狀對流系統(tǒng)，該對流系統(tǒng)的冷池的向南出流與來自海岸附近的偏南風(fēng)在沿海地區(qū)輻合，形成導(dǎo)致閩南大暴雨的沿海線狀MCS。8月29日，在東南偏南風(fēng)急流作用下，有利于向西南的后向傳播轉(zhuǎn)為向南的后向傳播。

(5)兩次大暴雨過程中,含有水汽和熱量的低空急流遇到對流系統(tǒng)中的上升氣流區(qū)，一部分暖濕氣流進(jìn)入上升氣流區(qū)，為降水的持續(xù)補(bǔ)充水汽；低層暖濕氣流可以恢復(fù)因?qū)α飨腃APE而降低的低層溫度和露點(diǎn)，從而使得CAPE再生和維持，進(jìn)而使得對流系統(tǒng)內(nèi)上升氣流得以維持，對流得以持續(xù)；對流系統(tǒng)下沉氣流形成冷池，低空急流攜帶暖濕氣流遇到冷池前沿的陣風(fēng)鋒抬升觸發(fā)新的對流，使得產(chǎn)生強(qiáng)降水的對流系統(tǒng)不斷有單體新生，替代舊的單體，從而對流系統(tǒng)得到維持，降水持續(xù)。

致謝：感謝國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室和福建省氣象臺(tái)付超在雷達(dá)產(chǎn)品上提供的技術(shù)支持。