王堅紅 Elias Julius Lipiki 曲梓祎 張萌 楊藝亞 徐碧裕 苗春生

（1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044；3 南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210044；4 坦桑尼亞氣象局，Dodoma 41218；5 錦州市氣象局，錦州 121000； 6 吉林省氣象局氣象服務(wù)中心，長春 130062；7 北京市氣象臺，北京 100089；8 廣東江門市氣象局，江門 529030； 9 南京信大氣象科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210044）

0 引言

通常輻合線系統(tǒng)主要是指風(fēng)場上的系統(tǒng)，即不考慮溫壓場特征，僅考慮風(fēng)場類型。在風(fēng)場上，一個匯聚型的風(fēng)場更引起研究者和預(yù)報員的注意，因為水平風(fēng)的匯集將導(dǎo)致局地輻合上升運動及其增強，容易引發(fā)低值系統(tǒng)加強以及局地降水發(fā)生[1-2]。常見的輻合類系統(tǒng)典型的有幾種，如低渦，在北半球逆時針旋轉(zhuǎn)輻合，氣流向氣旋中心輻合。如切變線，風(fēng)向發(fā)生顯著差異，并且是匯聚形式，典型的有梅雨鋒環(huán)境風(fēng)場，暖式切變，冷式切變，靜止鋒式切變，氣旋沿著切變線東移，為典型的江淮切變線，它可引起江淮靜止鋒的生成以及持續(xù)降水；如果切變線尺度較小，則為局地風(fēng)場。如鞍型場，鞍型場的拉伸軸兩端的輻合氣流，是鋒生的有利環(huán)流形勢。在急流的入口區(qū)，可形成氣流側(cè)向輻合而軸線方向的輻散，將在急流軸左側(cè)形成氣旋式風(fēng)切變的加強，甚至維持氣旋活動。如熱帶輻合帶（ITCZ），其中主要有兩類風(fēng)向輻合，無風(fēng)輻合帶多是對頭風(fēng)輻合，而信風(fēng)輻合帶是漸近線形式的輻合。它們與暴雨的配置有不同特點[3-5]。

在低緯度（±30°以內(nèi)），由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用偏弱，中小尺度的旋轉(zhuǎn)性氣流系統(tǒng)不易長時間維持；此外低緯度海洋面積更為寬廣，因此海上大尺度天氣系統(tǒng)勢力強盛，在大尺度系統(tǒng)邊緣，如海上副高邊緣的活躍系統(tǒng)往往是非閉合的波動或者是輻合線形式系統(tǒng)，并隨著海上大尺度系統(tǒng)的移動，變換其位置與強度。同時，大尺度系統(tǒng)邊緣也往往是氣團邊緣，氣團邊緣接近海岸時會出現(xiàn)溫度梯度增強。而海上水汽充沛，將造成沿海有明顯濕度梯度存在。環(huán)流的動力、熱力、水汽條件相結(jié)合，將對沿海強降水形成合力促進(jìn)。此外低緯度的海岸線地形，以及沿海的山脈等對海上大尺度系統(tǒng)向內(nèi)陸推送的氣流，尤其是低層氣流有直接的阻擋或引導(dǎo)作用。此類低層來自海上的氣流受沿海地形山脈的強迫，容易形成有利于強降水的輻合線氣流系統(tǒng)。因此，對低緯非臺風(fēng)或非熱帶氣旋暴雨的輻合線氣流及其暴雨機制的研究非常必要。

通常地，低緯度非臺風(fēng)暴雨是一個預(yù)報難點，因為與中緯度不同的是暴雨關(guān)鍵系統(tǒng)不容易確定，或者說不容易客觀確定[6-7]。低緯度地區(qū)風(fēng)場系統(tǒng)往往沒有良好的氣壓系統(tǒng)相對應(yīng)，加之風(fēng)場的表現(xiàn)形式如波動或是輻合流場表現(xiàn)不如中緯度低壓氣旋那么容易確定，也使得暴雨發(fā)生的位置和強度的系統(tǒng)性依據(jù)模糊。例如熱帶輻合帶ITCZ是一個低層的大尺度系統(tǒng)，內(nèi)部均為輻合區(qū)，從理論上看都有利于輻合上升成雨，但是熱帶輻合帶中的降雨是分段的，因此應(yīng)該有某種特定的與強降水配合的關(guān)鍵系統(tǒng)在起作用。深入分析低緯度暴雨過程，揭示非臺風(fēng)暴雨關(guān)鍵系統(tǒng)活動特征以及產(chǎn)生低緯度暴雨的環(huán)境結(jié)構(gòu)，尤其是系統(tǒng)對伴隨的強降水所造成的濕熱動力作用等，對于低緯度熱帶暴雨研究與預(yù)報都是很重要的。

本文對低緯度雨季非臺風(fēng)暴雨關(guān)鍵系統(tǒng)——漸近線型鋒生輻合線進(jìn)行了細(xì)致分析，重點在：華南廣東沿海前汛期暴雨，福建省夏季年度強降雨月的8月暴雨，福建省冬季（12月，1月，2月）強降水過程，以及東部非洲低緯度主雨季（3—5月）峰值月4月暴雨，進(jìn)行統(tǒng)計分析和診斷分析，揭示漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)是一類重要的低緯強雨季非臺風(fēng)暴雨的關(guān)鍵系統(tǒng)。通過客觀方法識別漸近線型鋒生輻合線，并建立特定系統(tǒng)移動坐標(biāo)系，探討系統(tǒng)的動力、熱力、水汽結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步地采用WRF模式研究該系統(tǒng)影響暴雨的濕熱動力機制。有關(guān)環(huán)境地形對系統(tǒng)的影響，進(jìn)而對強降水的環(huán)境強迫，將另文探討。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

圖1 給出了4個研究區(qū)域的位置與范圍。圖中顯示的研究區(qū)域均在30°N—30°S以內(nèi)，海岸線東部與南部為海洋， 例如南海北部， 西印度洋，西太平洋，臺灣海峽等。西部與北部內(nèi)陸為山脈與高原。如圖1a中矩形方框指示的粵西云霧山和天露山，粵東的蓮花山脈。圖1b中的東非高原，平均高度1200 m。高原上自北向南三座高峰，肯尼亞的基里尼亞加峰5199 m，坦桑尼亞的乞力馬扎羅山5892 m，梅魯山4575 m。圖1c和圖1d顯示了福建省內(nèi)的戴云山等幾座大山脈和臺灣的山脈。

圖1 研究范圍：低緯沿海地區(qū)范圍及地形 Fig. 1 Research areas: coastal areas in low latitude zone and their topographies

1.2 應(yīng)用資料

歐洲中心（ECMWF）再分析資料，包括ERA-interim，ERA-40等多個數(shù)據(jù)集，ERA-interim資料的時間長度為1979年至今，其中包括陸地及以上的各種全球變量。水平分辨率為0.125°×0.125°（經(jīng)緯度）。美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）的全球業(yè)務(wù)化再分析資料FNL（Final Operational Global Analysis）再分析資料、水平分辨率達(dá)到1°×1°（經(jīng)緯度），垂直方向上分為26層，時間間隔為6 h（分別是00，06，12，18 UTC）。氣象臺站常規(guī)地面降水資料、中國自動站與 CMORPH衛(wèi)星—地面自動站降水融合資料，以及WRF中尺度模式模擬資料。美國CHIRPS（臺站與衛(wèi)星資料融合）數(shù)據(jù)集，精度0.05°×0.05°，美國ERA5 逐小時各氣壓層資料集（1979至現(xiàn)在）精度 0.25°×0.25°。

1.3 分析方法

有關(guān)對研究區(qū)域強降水的分類和典型個例分析，使用了多種方法。

（1）極值偏差遴選個例

依據(jù)雨季強降水偏差，通過閾值對強降水進(jìn)行分類，并篩選出典型強降水群組，再進(jìn)行合成分析[8]。

（2）EOF與REOF

EOF 經(jīng)驗正交函數(shù)分解法（Empirical Orthogonal Function，EOF）通過要素空間分布，依據(jù)正交形態(tài)成分的不同模態(tài)（modes）對要素場進(jìn)行分類，并在時間序列上記錄該正交成分的顯著程度，時間序列上的正高值指示該正交模態(tài)顯著，負(fù)值大值則指示盡管具有該正交模態(tài)分布成分，但是不顯著。而Mode1為給定要素時間序列中，平面兩維各模態(tài)中占百分比最大模態(tài)組。Mode2則百分比次之，以此類推。當(dāng)以north顯著性檢驗不通過時，則更小序列的模態(tài)分類不可信，不再考慮[9-10]。

REOF旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交分解法（Rotating Empirical Orthogonal Function，REOF），基于EOF分析和North 檢驗，對通過檢驗的前幾個模態(tài)進(jìn)行時空矩陣轉(zhuǎn)秩，達(dá)到矩陣內(nèi)每一列元素平方的方差總和達(dá)到最大。通過轉(zhuǎn)秩，可獲得要素空間分布的氣候區(qū)劃，即要素各模態(tài)主體中心強度與范圍，從而獲得不同模態(tài)空間分布的相對位置[10-11]。

（3）非絕熱加熱

包括潛熱與感熱，在具體計算表達(dá)方式上，為非絕熱加熱Q包含視熱源Q1與視水汽匯Q2，Q1表示單位時間內(nèi)單位質(zhì)量空氣的增溫率，即氣流的平流感熱，Q2表示單位時間內(nèi)單位質(zhì)量水汽凝結(jié)釋放潛熱引起的增溫率，即雨區(qū)凝結(jié)釋放的潛熱。表達(dá)式分別為[11]：

其中，cp為定壓比熱，q為比濕，L為相變潛熱。從公式（1）、（2）可以看出，Q1是氣溫局地變化與平流變化，Q2是水汽凝結(jié)潛熱變化。單位為：10-3J/(kg·s)。

（4）WRF 模式應(yīng)用

WRF模式主要應(yīng)用于數(shù)值試驗，分析系統(tǒng)造成強降水的基本機理。在進(jìn)行數(shù)值實驗之前，對模式參數(shù)化方案進(jìn)行調(diào)試，以及模式配置合理性的模擬驗證。本文介紹的數(shù)值試驗主要關(guān)注系統(tǒng)及環(huán)境的熱力作用。地形動力作用另文探討與介紹。

2 漸進(jìn)線型鋒生輻合線系統(tǒng)的定義與客觀判定

漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)是一個常與地區(qū)多年強降水中心相伴的系統(tǒng)，在分析地區(qū)多年強降水中心過程中被揭示。

2.1 地區(qū)多年強降水中心

根據(jù)華南沿海廣東省的多年降水統(tǒng)計，廣東省有3個強降水中心，其中兩個位于沿海，另一個在廣州東北的清遠(yuǎn)，見圖2a[12]。

圖2a顯示在廣東省沿海，有兩個強降水中心，一個在粵西的陽江至臺山一帶，一個在粵東的海豐至揭陽一帶。雨強中心都超過2400 mm。廣東的多雨期為4—9月，稱為雨季，降水量占全年的70%以上。雨季有兩個峰值，5—6月是主峰，與南海季風(fēng)爆發(fā)相聯(lián)系，又稱前汛期。8—9月是次峰，主要是熱帶氣旋降水。冬春兩季降雨較少，常出現(xiàn)季節(jié)性干旱。本文研究關(guān)注非臺風(fēng)降水的前汛期南海季風(fēng)降水。

圖2b是東非低緯度主雨季期間（每年3—5月）峰值月4月的10年（2010—2019年）降水的月平均空間分布[8]。有3個強降水中心。南面的一個在坦桑尼亞南部低地，此處地形自南向北階梯式升高，雨區(qū)北面是東非高原，再向北是梅魯高山和乞力馬扎羅山。東面的一個在非洲肯尼亞的乞力馬扎羅山和肯尼亞的基里尼亞加峰東面，第3個在內(nèi)陸維多利亞湖附近。 前兩個中心降水強度大，月平均中心強度均超過550 mm。東非降水雨季有兩種類型，北部是雙峰型雨季在3—10月期間，3—5月是主峰，10—12月為次峰。南部是單峰型，從前一年11月至下一年4月，峰值在4月。由此對整個東非地區(qū)，4月是主雨季的主峰月。本文研究關(guān)注4月東非降水峰值月降水。

圖2c是福建省常年強降水中心分布情況。福建省氣象服務(wù)中心劉京雄[13]針對福建氣候變化基本特征和指標(biāo)，在雨區(qū)空間分布上，多年平均圖顯示閩西北和東部沿海共有四個暴雨多發(fā)區(qū)，如圖2c中藍(lán)色圈所示。中心強度可以達(dá)到80 mm/d以上。

圖2 （a） 華南廣東省多年年降水量分布[12]（紅色虛線圈指示沿海多年強降水中心）；（b） 東非低緯度2010—2019年主雨季峰值月4月的月平均降水空間分布[8]（紅色虛線圈指示多年強降水中心，單位：mm）；（c） 福建省多年平均強降水中心分布[13] Fig. 2 (a) Multi-year annual precipitation distribution of Guangdong Province in South China (the red dotted circles denote the multi-year coastal heavy rainfall centers); (b) The spatial distribution of monthly average precipitation in low latitude areas of East Africa in April, the peak rainfall month of the main rainfall season from 2010 to 2019 (the red dotted circles indicate the multiyear heavy rainfall centers; unit: mm); (c) The distribution of multi-year average heavy rainfall centers in Fujian Province

需要指出的是，福建省年降水中夏季降水顯著高于冬季，多年月平均降水量顯示，8月是降水峰值，平均降水量超過500 mm， 冬季12月和1月的多年平均降水量只有100 mm 左右[14]，相差可達(dá)5～6倍。但是冬季降水年際變化也顯著，以12月、1月和2月為冬季，3個月平均降水（2011—2016年）變化幅度在60～260 mm，相差可以有近200 mm。在福建冬季也常發(fā)生強降水，即日降水量＞50 mm的強降水。尤其是2016年，冬季累計降水343.6～541.6 mm，12月和1月的兩次強降水過程，其中1次降雨量超100 mm 的有23個縣市，最大為廈門市海滄區(qū)196 mm；第2次降雨量超過100 mm 的有6個縣市，最大為廈門市海滄區(qū)178 mm[14]。均造成強降水災(zāi)害。因此對于福建省研究了冬季（以12月，1月，2月為冬季）和夏季（以8月為代表月）兩個季節(jié)的強降水及其非臺風(fēng)降水關(guān)鍵系統(tǒng)。這樣的時間段劃分是考慮了冬季強降水過程少，而夏季強降水頻繁，以便研究時獲得較多強降水個例。

2.2 多年強降水中心的特別關(guān)鍵系統(tǒng)

首先對比圖2a的華南廣東沿海的兩個強降水中心，通過6 h累積降水樣本序列，對2009—2014年6年前汛期降水進(jìn)行統(tǒng)計，依據(jù)降水位置反查環(huán)流場。發(fā)現(xiàn)兩個沿海強降水中心往往對應(yīng)兩類低層環(huán)流場，如圖3所示[14]。

圖3顯示與華南廣東強降水中心對應(yīng)的低緯環(huán)流系統(tǒng)在1000 hPa上是漸進(jìn)線型輻合線，見圖中黑色實線圈指示的系統(tǒng)，此種輻合線系統(tǒng)有鋒區(qū)配合，不過鋒區(qū)等溫線密集度比中緯度鋒區(qū)相對弱一些，等溫線與流線大角度相交，大致平行于海岸，為暖鋒鋒生，海上是暖中心，內(nèi)陸是偏冷氣團，鋒生造成局地系統(tǒng)性不穩(wěn)定。這樣此類系統(tǒng)可稱為漸近線型鋒生輻合線。此類系統(tǒng)是淺薄系統(tǒng)，因為850 hPa上的環(huán)流及走向與1000 hPa顯著不同，對比圖3a，圖3b與圖3c，圖3d。1000 hPa上漸近線型鋒生輻合線自海上向陸地，幾乎是正面登陸，具有一定的登陸爬升效應(yīng)。而在850 hPa，氣流自西南向東北，具有急流軸形式[22]。沿?；浳鞅┯曛行牡?50 hPa是個氣旋環(huán)流，其抽吸作用與底層漸近線型鋒生輻合線的輻合抬升配合，增強局地上升運動。沿?；洊|的暴雨中心850 hPa上是急流軸，風(fēng)速沿著急流方向增加，因此有沿急流軸的速度輻散場，與底層漸近線型鋒生輻合線的輻合抬升配合，通過抽吸效應(yīng)增強局地上升運動。而850 hPa上的氣流走向與底層1000 hPa氣流走向的交角，顯示了來自海上不同方向水汽的匯集，形成深厚的水汽輸送帶。

圖3 華南粵東粵西沿海強降水過程環(huán)流關(guān)鍵系統(tǒng)（黑色實線圈指示低層漸近線型鋒生輻合線） Fig. 3 Key circulation systems of heavy rainfall processes in coastal areas of East Guangdong and West Guangdong in South China (the black solid circles denote the AFCLs at the lower level)

其次調(diào)查對應(yīng)東非強降水中心的環(huán)流，先對近10年（2010—2019年）東非主雨季峰值月4月選擇強降水事件。圖4為2010—2019年4月逐日降水標(biāo)準(zhǔn)偏差時間序列。圖中正值指示大于2010年4月降水日平均值的日降水量。負(fù)值指示小于2010年4月降水日平均值的日降水量。進(jìn)一步地為此偏差降水量取閾值4，6，8等，則偏低閾值將獲得較多強降水日。如取高值8，則僅有2天降水大于等于給定閾值，見圖4[8]?，F(xiàn)選擇4.0，則可獲得近30個降水日。對這些篩選出的強降水日，繪制對應(yīng)的合成流場，見圖5[8]。

圖4 2010—2019年4月逐日降水時間偏差序列（藍(lán)線正偏差4.0，綠線6.0，黑線8.0）[8] Fig. 4 Time deviation series of daily precipitation in April of 2010－2019 (blue line represents the positive deviation of 4.0; green line 6.0 and black line 8.0)

圖5顯示，在低層925 hPa和850 hPa環(huán)流場的形勢比較接近。3個強降水中心對應(yīng)3個漸近線型輻合線，南面坦桑尼亞沿海的經(jīng)向漸近線型輻合線為來自南印度洋氣流，由馬達(dá)加斯加島北側(cè)繞道氣流和越過馬達(dá)加斯加島的中部氣流匯合而成。肯尼亞東部沿岸的經(jīng)向漸近線型輻合線則由來自南印度洋的氣流和來自北印度洋的兩支氣流匯合而成。第3個在維多利亞湖附近的輻合線則由來自乞力馬扎羅山南北兩側(cè)的氣流匯合而成。圖5c則顯示700 hPa的環(huán)流顯著不同于925 hPa和850 hPa上的經(jīng)向性環(huán)流，主體環(huán)流是緯向的。對應(yīng)3個強降水中心，是3個緯向的漸近線型輻合線，此層北印度洋的氣流勢力增強，肯尼亞的輻合線完全來自北印度洋，坦桑尼亞的輻合線和維多利亞湖輻合線是南北印度洋氣流的輻合。圖6是與圖5環(huán)流對應(yīng)的氣溫場分布。

圖5 2010—2019年4月降水偏差大于4.0的降水日合成流場（紅色箭矢指示低層流場漸近線形輻合線，紅色圈指示中層漸近線型輻合線及氣流走向）[8] Fig. 5 Composite daily streamline field of precipitation with precipitation deviation greater than 4.0 of April from 2010 to 2019 [8] (The red arrows indicate the asymptotic linear convergence lines at low levels, the red circles indicate the asymptotic linear convergence lines and their orientations at middle level)

圖6 2010—2019年4月降水偏差大于4.0的降水日合成氣溫場[8] Fig. 6 Composite daily temperature field of precipitation with precipitation deviation greater than 4.0 of April from 2010 to 2019[8]

圖6顯示2個特點，一是與強降水中心和漸近線型輻合線對應(yīng)有溫度鋒區(qū)，如在925 hPa上肯尼亞輻合線以及維多利亞湖輻合線對應(yīng)冷鋒鋒區(qū)，內(nèi)陸暖，海上冷。坦桑尼亞輻合線對應(yīng)溫度鋒區(qū)是南冷北暖，也是冷鋒鋒區(qū)。但是在700 hPa上對應(yīng)緯向漸近線型輻合線則是顯著的暖風(fēng)鋒區(qū)，海上暖氣團，內(nèi)陸冷氣團。第二點是上下層鋒區(qū)性質(zhì)不同，顯得比較復(fù)雜。但是依據(jù)熱成風(fēng)原理，上下層溫度鋒區(qū)的疊加，將形成不穩(wěn)定層結(jié)，如圖7所示。不穩(wěn)定環(huán)境將主要發(fā)生在低層漸近線型輻合線軸的左側(cè)，正是氣流氣旋性流場部位。

圖7 雨區(qū)熱成風(fēng)分布及不穩(wěn)定區(qū)分析 Fig. 7 Distribution of thermal wind in rain areas and analysis of unstable areas

對東非主雨季和次雨季的降水及環(huán)流分析顯示，此類漸近線型鋒生輻合線是熱帶輻合帶中的系統(tǒng)，受熱帶輻合帶的活動及移動位置引導(dǎo)，在主雨季頻繁出現(xiàn)而在次雨季較少。

接著對福建省4個強降水中心，由于冬季也有接近200 mm強降水發(fā)生，所以討論分別對夏季型和冬季型展開。8月福建浙江沿海多臺風(fēng)活動，顯著影響福建強降水過程[15]。本文重點研究漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)與強降水的關(guān)系，故不考慮臺風(fēng)顯著影響福建降水的時次以及24 h降水量低于50 mm的降水過程。最后將滿足以上條件的總計72個樣本（單位：d），做2012—2017年8月850 hPa平均環(huán)流分析[16]。大致有3種類型：沿海氣旋環(huán)流，緯向漸近線型鋒生輻合線，經(jīng)向漸近線型鋒生輻合線。對72個暴雨日樣本類別統(tǒng)計調(diào)查如表1所示。

表1 2012—2017年8月福建省72個非臺風(fēng)暴雨日樣本類型頻數(shù)統(tǒng)計[16] Table 1 The sample types and appearance frequency Statistics of 72 non typhoon storm days in Fujian Province in August from 2012 to 2017[16]

因此漸近線型鋒生輻合線是一類重要的低緯度強降水系統(tǒng)。本研究關(guān)注漸近線型鋒生輻合線。此類輻合線與常規(guī)風(fēng)場輻合線的最顯著的差異是其流場的漸近線形輻合，以及有鋒區(qū)配合。常規(guī)風(fēng)場輻合線往往僅考慮風(fēng)向相向而行的氣流輻合線，尺度也多屬中小尺度，并無鋒區(qū)配合。

漸近線型鋒生輻合線的夏季型如圖8所示。夏季型又有兩種類型，緯向型（圖8a），經(jīng)向型（圖8b）。

圖8顯示合成流場的兩類漸進(jìn)線型鋒生輻合線，緯向型是冷鋒鋒生，海上氣溫低于內(nèi)陸，內(nèi)陸有暖中心。東風(fēng)氣流繞經(jīng)臺灣島兩側(cè)，在臺灣海峽相遇，并從海峽西岸閩江口福州附近匯合登陸，沿海地區(qū)有鋒區(qū)，漸近線形輻合主要形成在沿海陸上區(qū)域。參考東非的漸進(jìn)線型鋒生輻合線，臺灣島與東非馬達(dá)加斯加島有類似驅(qū)動擾流作用，福建夏季緯向漸近線型鋒生輻合線是由島北端的東風(fēng)繞島氣流和翻越島中部的氣流以及島南端繞道氣流經(jīng)過臺灣海峽，登陸福建沿海匯合。強降水發(fā)生在輻合線軸線的左側(cè)。經(jīng)向型是自南向北，南面有暖中心所以是暖鋒鋒生。經(jīng)向漸近線型鋒生輻合線主要位于福建省內(nèi)陸，氣流自南向北，受到福建西北部山區(qū)鷲峰嶺和武夷山的杉嶺山所構(gòu)成的喇叭口地形引導(dǎo)，進(jìn)一步強化環(huán)流系統(tǒng)輻合上升與山脈強迫抬升，形成強雨區(qū)在輻合線軸線左側(cè)的福建西北山區(qū)。值得注意的是此類型海上東風(fēng)氣流在經(jīng)過臺灣島時，有北端繞島東風(fēng)波，但是此時臺灣島北端卻是少雨區(qū)（陰影色為白色），此處鋒區(qū)較弱，又處于自南向北氣流右側(cè)的反氣旋式切變區(qū)，層結(jié)較為穩(wěn)定。由此看來地形與輻合線環(huán)流的共同作用，即動力強迫和系統(tǒng)對流性不穩(wěn)定結(jié)合，影響著強降水及落區(qū)。

圖8 1000 hPa合成流場及6 h累計降水（陰影為6 h累積降水量，箭頭指示暴雨中心，紅色等值線為等溫線（單位：℃）， 字母N指示暖氣團中心）[16] Fig. 8 The composed streamline field at 1000 hPa and 6-hour accumulated precipitation (the shadow indicates the 6-hour accumulated precipitation; the arrows indicate the centers of rainstorm; the red line is temperature, unit: ℃ ; the letter N indicates the center of warm air mass)

再進(jìn)行福建冬季漸近線型鋒生輻合線的流場分析。冬季我國東南沿海主要受冬季風(fēng)控制，氣流自北方南下，為偏冷干氣團入侵南方，此時低緯度的福建省也會發(fā)生強降水，過程降水可接近200 mm[17-19]。先建立2011—2016年6年冬季總計542 d的逐日降水樣本時間序列，對降水時間序列進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，再進(jìn)行日降雨量EOF分解，前面5個模態(tài)通過了North檢驗。對這5個降水分布模態(tài)進(jìn)一步進(jìn)行REOF分析，獲得REOF降水分區(qū)分布圖，如圖9所示。

圖9 冬季降水REOF綜合區(qū)域分布[20] Fig. 9 REOF comprehensive region distribution of winter precipitation in south east coastal area of China[20]

圖9顯示模態(tài)2，3，5所在區(qū)域均為海上，只有模態(tài)1和4降水區(qū)是在福建省內(nèi)陸。因此深入分析模態(tài)1和模態(tài)4的降水環(huán)流。它們的EOF貢獻(xiàn)率分別為模態(tài)1為49.9%， 模態(tài)4為6.1%。考慮模態(tài)1和模態(tài)4的時間序列如圖10所示。

在REOF的時間序列中系數(shù)值越大，說明在該樣本時刻，該模態(tài)分布狀態(tài)越明顯，表現(xiàn)越清晰。系數(shù)值越小，說明在該樣本時刻的該樣本分布狀態(tài)與該模態(tài)的狀態(tài)相似度小，表現(xiàn)不清晰。為了解對應(yīng)兩降水模態(tài)的環(huán)流要素分布特征，選取各模態(tài)下時間系數(shù)值≥150的樣本時刻（圖10中紅線以上個例）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，選出第1模態(tài)的樣本時刻有11個，第4模態(tài)的樣本時刻有10個，見圖10。根據(jù)福建省氣候服務(wù)中心記錄，逐一對所選樣本進(jìn)行降雨調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分樣本日均有大到暴雨發(fā)生，2012年12月29日則由于受到強冷空氣影響出現(xiàn)降雪天氣。篩選出這些樣本時刻后，依據(jù)所在模態(tài)（1或者4），分別進(jìn)行樣本合成分析。獲得兩模態(tài)的代表性要素特征，如圖11所示。

圖10 2011—2016年冬季降水兩模態(tài)REOF時間序列[20]（紅線為閾值） Fig. 10 Two mode of REOF time series of 2011－2016 winter precipitation[20] (the red lines are the threshold values)

圖11顯示兩個模態(tài)在1000 hPa流場上均有漸近線形式由東北向西南方向輻合的流型系統(tǒng)，并伴隨有鋒區(qū)存在，屬于冷鋒鋒生。漸近線型鋒生輻合線尺度有幾百千米，接近福建省南北向的空間長度，并受到福建南部山區(qū)的玳瑁山和博平嶺引導(dǎo)，向山脈轉(zhuǎn)向，形成由側(cè)向平行轉(zhuǎn)為與山脈正面相遇爬升的匯合流型。而850 hPa上的環(huán)流形態(tài)與1000 hPa顯著不同， 在850 hPa上（圖11c、圖11d），兩個模態(tài)流場均為副高西側(cè)的偏東南氣流，模態(tài)1的經(jīng)向度更大，模態(tài)4的緯向性更強一些。它們將太平洋西部的潮濕氣流輸送到東南沿海。因此此類漸近線型鋒生輻合線是淺薄系統(tǒng)。同時也顯示了冬季中高緯冷氣團南下時向低緯度暖氣團下方的楔入。這樣的高低層配置在東南沿海地區(qū)形成較為復(fù)雜的分層環(huán)流與不穩(wěn)定溫度層結(jié)背景，低層為大陸性干冷鋒，中層為海洋性暖濕氣流，兩層氣流相向而行，形成局地濕度鋒生不穩(wěn)定。

圖11 REOF第1和第4模態(tài)1000 hPa及850 hPa樣本合成環(huán)流場與溫度場的分布[11]（藍(lán)色實線為流線，紅色實線為等溫線， 單位：℃，黑色虛線為風(fēng)速，單位：m/s） Fig. 11 The composed flow field and temperature field of 1000 hPa and 850 hPa of the first and fourth modes of REOF[11] (the blue line is streamline; the red line is temperature, unit: ℃; the black dash line is wind speed, unit : m/s)

2.3 漸近線型鋒生輻合線的定義

依據(jù)上述分析，可以獲得這些低緯度非臺風(fēng)強降水關(guān)鍵系統(tǒng)“漸近線型鋒生輻合線”的基本形態(tài)：這是一個淺薄系統(tǒng)，流場上為漸近線型輻合氣流的形態(tài)，配合有與漸近線軸相交的溫度鋒區(qū)或濕度鋒區(qū)。具有系統(tǒng)性動力輻合抬升，溫度鋒區(qū)的熱力抬升，濕度層造成的干濕匯合的濕度不穩(wěn)定，以及地形配合的強迫輻合與強迫抬升，進(jìn)而形成相對固定的降水落區(qū)。尤其是此類強降水系統(tǒng)在低緯度比較多見，無論在東亞，以及東非，都可以觀察到它們常與多年強降水中心相伴。

2.4 漸近線型鋒生輻合線的客觀判定

客觀判定的意義是由于漸近線型輻合線與其他環(huán)流系統(tǒng)，如氣旋反氣旋，槽脊系統(tǒng)、切變線系統(tǒng)不同的是，在風(fēng)場上系統(tǒng)中心結(jié)構(gòu)不夠清晰。系統(tǒng)漸近線軸不易人為簡單觀察判定。因此，采用量化方法通過智能運算確定漸近線型輻合線的位置與結(jié)構(gòu)。

首先考慮局地漸近線型輻合線的走向以及匯合支流大致方向，依據(jù)主要漸近線匯合氣流形態(tài)分辨該漸近線型輻合流是由兩支還是3支氣流匯合形成，如華南粵西有偏南、偏東南和偏西南3支氣流匯合成的漸近線輻合流，又如福建有緯向輻合線由偏東和偏東南兩支氣流匯合等。然后選定匯合后的氣流方向為系統(tǒng)主軸，匯入氣流為傾角流。接著分別計算系統(tǒng)主軸和傾角流與經(jīng)線或者緯線的夾角tan(v,u)。選經(jīng)線還是選緯線，取決于主軸走向更接近經(jīng)線還是緯線。由此可確定出流場中的最大角度矢量和最小角度矢量，就能夠相對客觀地由程序篩選出漸近線型輻合線矢量及其輻合軸的位置[16,20]。圖12為對福建夏季緯向漸近線型輻合線的客觀判定效果圖。

圖12顯示了經(jīng)過客觀判定的漸近線型輻合線軸線，以紅色矢量指示。由此確定漸近線型輻合線的位置與走向，此軸線依據(jù)風(fēng)矢量，所以隨著流線形態(tài)，軸線往往具有一定的弧度。

另一種客觀算法是對漸近線型輻合線提取風(fēng)速大值中心點，繪出中心點的矢量，獲得漸近線形輻合線的矢量軸線[20]。

2.5 漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)坐標(biāo)系的建立

當(dāng)漸近線型鋒生輻合線的軸線確定之后，進(jìn)一步地為分析漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括各類動力、熱力、水汽要素的區(qū)域空間分布，以及了解沿輻合軸線的要素垂直剖面分布特征，和沿著與軸線正交線的要素垂直剖面分布等，需建立漸近線型輻合線的系統(tǒng)坐標(biāo)系，即輻合軸直角坐標(biāo)。該坐標(biāo)系為系統(tǒng)隨體坐標(biāo)系（拉格朗日坐標(biāo)系），可以提取兩個相互正交的坐標(biāo)軸線上的要素位置，進(jìn)而給出系統(tǒng)要素的三維空間分布。具體方法為先提取軸線兩端經(jīng)緯度（lat1，lon1）和（lat2，lon2），再依據(jù)二元一次方程組lat1=k·lon1+b；lat2=k·lon2+b；考慮兩個方程在同一條線上，因此參數(shù)是相同的，進(jìn)而解方程組，計算出其中的2個參數(shù)k和b。例如冬季自北向南的漸近線型輻合線，其中k>0且b<0，而另一條正交的垂直軸坐標(biāo)則有k<0，b>0。依據(jù)已求出參數(shù)k，b的方程組，可將軸線上各要素點經(jīng)緯度位置反算確定，再連接各點，即獲得漸近線形鋒生輻合線的2條正交的系統(tǒng)坐標(biāo)軸線，進(jìn)而依據(jù)系統(tǒng)坐標(biāo)系可以客觀分析漸近線型鋒生輻合線的各類要素配置結(jié)構(gòu)[11,20]。

例如對福建省冬季漸近線型鋒生輻合線，依據(jù)已求出參數(shù)k，b的方程組，可將軸線上各要素點經(jīng)緯度位置確定，再連接各點，即獲得漸近線型鋒生輻合線的隨體系統(tǒng)坐標(biāo)軸線，見圖13，進(jìn)而依據(jù)系統(tǒng)坐標(biāo)系客觀分析漸近線型鋒生輻合線的各類要素配置結(jié)構(gòu)。

圖13中東北—西南向黑色直線為計算得出的漸近線型鋒生輻合線的坐標(biāo)軸線和正交軸線，軸線上的圓點為要素取值點。填色部分和虛線均表示流速，紅色矢量箭頭為通過客觀判定系統(tǒng)形成的強風(fēng)輻合軸線矢量表達(dá)，其氣流流速達(dá)到一定閾值才繪制。將再分析數(shù)據(jù)的氣流u，v分別投影分解到輻合線軸線坐標(biāo)以及正交于輻合線坐標(biāo)軸線的方向上，稱其為u′、v′。對于所研究的冬季漸近線型輻合線，考慮v′應(yīng)沿輻合軸線自偏北向偏南。又因輻合軸線居中，則兩側(cè)u′相反，向軸線匯聚。

圖13 福建地區(qū)冬季強降水兩模態(tài)漸近線型鋒生輻合線坐標(biāo)系以及輻合線矢量表達(dá)（其中黑色實線為輻合線坐標(biāo)軸，實線上黑色圓點為輻合線軸與數(shù)據(jù)網(wǎng)格相交的點即數(shù)據(jù)點，紅色箭頭為輻合線矢量表達(dá)，紅色矩形指示峰區(qū)位置，填色部分和黑色虛線為風(fēng)速，單位：m/s，黃色方塊為強降水中心）[11] Fig. 13 The coordinate systems of the asymptotic linear frontogenetic convergence lines in two modes and the vector expression of the convergence lines during winter heavy precipitations in Fujian (the black line is the coordinate axis, the black dots on the axis are data grids, the red arrows are vector expression of the convergence lines; the red rectangle indicates temperature front position; the shadow and black dash line are wind speed, unit: m/s; the yellow square indicates the center of heavy rainfall) [11]

圖13a所示第1模態(tài)輻合線由偏北氣流和東北氣流匯合而成（紅色風(fēng)矢），雨帶中心（黃色方形）位于漸近線形鋒生輻合線矢量軸左側(cè)的氣旋式風(fēng)切變范圍，也位于輻合線坐標(biāo)軸上。圖13b為第4模態(tài)的輻合線坐標(biāo)軸以及通過客觀判定系統(tǒng)的輻合線矢量表達(dá)，如圖所示第4模態(tài)輻合線由西北氣流、偏北氣流以及東北氣流匯合而成，偏北氣流的角度小于東北氣流，并且雨帶也是位于漸近線形鋒生輻合線的左側(cè)氣旋式風(fēng)切變范圍以及輻合線坐標(biāo)軸上。

3 漸進(jìn)線型鋒生輻合線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征

3.1 福建省冬季強降水漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先依據(jù)系統(tǒng)坐標(biāo)系，分析冬季福建省漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)的要素結(jié)構(gòu)。

（1）動力垂直上升運動

北極海冰的面積在每年的9月份達(dá)到最小值，通過觀測海冰的面積，可以判斷出北極海冰的消融程度。在20世紀(jì)70年代末，科學(xué)家開始持續(xù)、系統(tǒng)地觀測北極海冰的變化情況，發(fā)現(xiàn)北極海冰的面積正在持續(xù)減少，厚度也在不斷變薄。剛開始觀測的時候，9月份，北極海冰的面積約為800萬平方公里，平均厚度約3米；時至今日，海冰面積只剩下大約400萬平方公里，厚度則降到1.5米左右。自從有衛(wèi)星觀測記錄以來，北極海冰覆蓋面積的最低值出現(xiàn)在2012年，此后，這一數(shù)值就一直維持在異常偏低的狀態(tài)。在2017年末、2018年初，這一數(shù)值再次降到臨近2012年的歷史最低水平。

圖14 是模態(tài)1和模態(tài)4沿著系統(tǒng)坐標(biāo)的兩個正交軸的垂直運動分布。

圖14 福建地區(qū)冬季第1模態(tài)和第4模態(tài)漸近線形鋒生輻合線垂直速度剖面[11]（填色與等值線均為垂直速度，單位：Pa/s。圖中黑三角指示強降水中心，白三角指示海岸線位置） Fig. 14 Vertical velocity profile sections of the first and fourth modes of the asymptotically linear frontogenetic convergence lines during winter in Fujian[11] (unit: Pa/s, the black triangles indicate the center of rainstorm, and white triangles indicate coastline positions)

圖14a和14c顯示了兩模態(tài)沿著漸近線軸方向垂直剖面上的垂直速度分布，其強中心在中層，并且形成自南向北抬升傾斜，暴雨中心（黑三角位置）對應(yīng)低層較弱的垂直上升區(qū)。這與冷鋒鋒區(qū)低層冷空氣自北向南揳入下沉，中層暖空氣沿冷鋒鋒面自南向北爬升的結(jié)構(gòu)相符，并且中層垂直上升運動深厚中心區(qū)也對應(yīng)暴雨中心。圖14b和圖14d是兩模態(tài)與漸近線型鋒生輻合線軸線正交軸的垂直剖面，橫坐標(biāo)為自西北向東南。它們顯示，東南海區(qū)的垂直上升運動貼近海面，并且自海上向內(nèi)陸爬升傾斜（白三角指示海岸線位置）。強垂直速度中心也在中層，其最深厚的垂直上升運動層對應(yīng)強降水中心。漸近線型鋒生輻合線的系統(tǒng)性輻合抬升包括了輻合氣流的動力抬升以及鋒面冷暖氣團相遇的熱力匯合抬升兩個成分的疊加。有關(guān)下墊面地形抬升效果將在其他論文討論。

（2）水汽的比濕垂直分布

圖15顯示了福建冬季1和4兩模態(tài)在系統(tǒng)坐標(biāo)中沿輻合軸線以及沿正交軸線的比濕及風(fēng)速分量垂直分布。

圖15顯示，福建地區(qū)冬季兩模態(tài)均有高比濕中心位于海上。并與沿系統(tǒng)坐標(biāo)軸的風(fēng)速大值中心配合。高濕度氣流分量向強降水輻合區(qū)輸送水汽，即輻合線系統(tǒng)能夠?qū)⑴R近臺灣海峽海域的海面水汽匯集到強降水區(qū)。此外，在強降水中心附近，有高低層的相向氣流造成干濕水汽鋒生不穩(wěn)定，圖中藍(lán)色圈指示，來自北方的干空氣團嵌入了來自南方的暖濕氣流中，比濕等值線（黑色虛線）在低層有回縮。增強的濕度梯度加強了強降水區(qū)的不穩(wěn)定層結(jié)，并對應(yīng)著強降水中心（黑色三角指示區(qū)）。

圖15 福建地區(qū)冬季第1模態(tài)和第4模態(tài)漸近線形鋒生輻合線系統(tǒng)坐標(biāo)軸比濕垂直剖面[20]（單位：%，藍(lán)色橢圓圈指示干濕交匯處） （a）沿第1模態(tài)輻合軸線坐標(biāo)的垂直剖面，（b）正交于第1模態(tài)輻合軸線坐標(biāo)的垂直剖面，（c）沿第4 模態(tài)輻合軸線坐標(biāo)的垂直剖面，（d）正交于第4模態(tài)輻合軸線坐標(biāo)的垂直剖面 Fig. 15 The special humidity Vertical profiles sections of the coordinate axes of the asymptotic linear frontogenetic convergence lines in the first and fourth modes during winter in Fujian[20] (unit: %, the blue oval circles indicate dry and wet air mass intersections) (a) Along the coordinate axis of mode 1; (b) Along the orthogonal coordinate axis of mode 1; (c) Along the coordinate axis of mode 4; (d) Along the orthogonal coordinate axis of mode 4

（3）熱力的潛熱與感熱垂直分布

對于漸近線型鋒生輻合線的熱力結(jié)構(gòu)，鋒生伴隨著平流感熱，輻合攜帶源于臨近海峽的充沛水汽，通過凝結(jié)降水產(chǎn)生潛熱釋放。因此兩者結(jié)合，在系統(tǒng)和降雨區(qū)形成活躍且強盛的非絕熱加熱。福建冬季兩模態(tài)的非絕熱加熱由圖16給出計算結(jié)果，在低層900 hPa以下，平流感熱大于水汽凝結(jié)潛熱釋放，這應(yīng)該是鋒生風(fēng)區(qū)作用。而中層900～500 hPa則水汽凝結(jié)潛熱釋放強于平流感熱，這與副高邊緣水汽通量自東南向西北登陸有關(guān)。因此，對于漸近線型鋒生輻合線的環(huán)境，兩模態(tài)的非絕熱加熱，低層感熱大于潛熱，中層凝結(jié)潛熱加熱明顯強于平流感熱，由此形成較深厚的熱力對流不穩(wěn)定，有利于冬季局地強降水。

圖16 漸近線型鋒生輻合線兩模態(tài)樣本合成的雨區(qū)中心視熱源Q1和視水汽匯Q2[11]（廓線Q1為感熱，Q2為潛熱，單位：10-3J/(kg·s)） Fig. 16 The profiles of the apparent heat source Q1 and the apparent moisture sink Q2 at composed rainfall center of the two modes of asymptotic linear frontogenetic convergence Lines[11] (Q1 is the sensitive heat, Q2 is the latent heat, unit: 10-3J/(kg·s) )

假相當(dāng)位溫θse是氣壓、溫度以及大氣濕度綜合特征的表達(dá)，θse的大小指示著大氣潛在能量的大小，當(dāng)假相當(dāng)位溫隨高度遞減時，該層環(huán)境稱為環(huán)境對流不穩(wěn)定，即。在漸近線型鋒生輻合線的強降水輻合中心附近，在系統(tǒng)坐標(biāo)軸上，均有中層對流不穩(wěn)定層（圖略）。對于模態(tài)1大約位于800～600 hPa層附近，有假相當(dāng)位溫等值線隨高度增加而遞減；對于模態(tài)4大約位于900～700 hPa層次，具有假相當(dāng)位溫隨高度增加而遞減。這與系統(tǒng)的鋒生結(jié)構(gòu)有直接聯(lián)系。由于東南沿海冬季低層干冷北風(fēng)揳入暖濕氣團下方，形成上暖濕下冷干的對流不穩(wěn)定層結(jié)，積蓄不穩(wěn)定能量，因此有利于強降水的發(fā)生發(fā)展。

在采用系統(tǒng)坐標(biāo)系的情況下，漸近線型鋒生輻合線中的要素分布特征更清晰，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得更為明確，優(yōu)于后續(xù)的要素常規(guī)經(jīng)緯度垂直剖面分布的表達(dá)。

3.2 多地域主雨季強降水漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除了前一節(jié)福建省冬季強降水的關(guān)鍵系統(tǒng)漸近線型鋒生輻合線，其余幾個地區(qū)的漸近線型鋒生輻合線均出現(xiàn)在當(dāng)?shù)氐闹饔昙緩娊邓^程中，如華南廣東前汛期沿海的粵東與粵西強降水，東非主雨季峰值月4月的3個強降水中心，以及福建省夏季年度降水峰值月8月的緯向型和經(jīng)向型漸近線型鋒生輻合線強降水。由于這幾類強降水關(guān)鍵系統(tǒng)漸近線型鋒生輻合線的經(jīng)向走向和緯向走向比較清晰，所以對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，均直接進(jìn)行經(jīng)向和緯向垂直剖面診斷。

（1）系統(tǒng)的垂直上升運動特征

福建省夏季8月強降水合成過程兩類漸近線型鋒生輻合線的垂直速度垂直剖面圖，如圖17所示。圖17a為緯向型輻合線垂直剖面，圖17b為經(jīng)向型輻合線的垂直剖面。

圖17 福建夏季經(jīng)緯向兩類輻合線暴雨環(huán)流垂直分布與垂直速度剖面圖[16]（陰影區(qū)為垂直速度大小，黑色空心箭矢指示垂直運動方向，單位：?102 cm/s，紅色三角標(biāo)記為暴雨中心位置，綠色三角標(biāo)記位置為輻合軸位置） Fig. 17 The vertical circulations (v and w) and the vertical velocity profile sections of the two types of Rainstorms with the longitudinal and latitudinal asymptotic linear frontogenetic convergence Lines in Fujian during summer[16] (the shadow is vertical velocity, the black hollow arrows indicate vertical motion direction, unit: ?102 cm/s; the red triangle indicates the center of rainstorm, the green triangle indicates the axis location of the asymptotic linear frontogenetic convergence lines)

兩個垂直剖面均與漸近線型鋒生輻合線正交。在兩圖的下緣都標(biāo)注了暴雨中心位置（紅色三角）和輻合線軸的位置（綠色三角），黑色空心箭頭指示了垂直運動的方向。標(biāo)注已經(jīng)顯示暴雨位于漸近線型鋒生輻合線的左側(cè)，即氣旋式速度切變一側(cè)。對于緯向型輻合線系統(tǒng)，輻合軸兩側(cè)輻合氣流都來自海上，偏冷氣流揳入內(nèi)陸暖氣團下方，進(jìn)一步增強中層上升運動。造成垂直速度上升中心強度大，并且伸展厚度大，從地面達(dá)到300 hPa。對于經(jīng)向型輻合線，垂直上升運動強中心高度伸展達(dá)到500 hPa，尤其是底層的強中心，強度和尺度都顯著強于緯向型暴雨區(qū)，這是由于經(jīng)向型強降水區(qū)是福建省西北山區(qū)，輻合線左側(cè)群山地形抬升作用顯著強于較為開闊平坦的輻合軸右側(cè)沿海地區(qū)。山脈抬升效應(yīng)隨高度減弱，因此強上升氣流水平范圍更寬，垂直高度淺一些。

圖18顯示了對應(yīng)東非3個強降水中心的6個強降水個例合成的關(guān)鍵系統(tǒng)，漸近線型鋒生輻合線（位置見圖5中的流場）形成的垂直上升運動分布。紅色圈指示了垂直上升運動區(qū)。

圖18a和圖18d顯示ACL1漸近線型鋒生輻合線位置在38°E附近，上升運動中心在38°E及以西，這里有東非高原以及海拔5199 m的基里尼亞加山峰，熱帶輻合帶中的漸近線型鋒生輻合線受到地形側(cè)向阻擋，輻合線系統(tǒng)上升運動，地形強迫抬升，鋒生熱力抬升，共同作用，形成常年強降水中心。ACL1和ACL2雨區(qū)強上升運動中心基本位于山脈東側(cè)輻合線系統(tǒng)西側(cè)（左側(cè)）。而ACL3雨區(qū)主要在山脈南面，因此迎風(fēng)坡面向南，形成上升運動范圍較寬（圖18c和圖18d），強降水中心尺度也顯著寬大。

圖19為華南廣東沿海漸近線型鋒生輻合線附近的合成個例垂直速度的垂直經(jīng)向剖面分布。

圖19顯示了垂直環(huán)流，對照圖3a和圖3b，在低層西側(cè)輻合線自南向北方向連續(xù)伸展，而東側(cè)輻合線在大約25°N有明顯的向東北轉(zhuǎn)向。這樣在垂直環(huán)流中，西側(cè)輻合線向北伸展較遠(yuǎn)，東側(cè)輻合線在大約25°N附近，開始有偏北氣流向南匯合。于是在鋒區(qū)配置結(jié)構(gòu)上，西側(cè)漸近線型鋒生輻合線的鋒區(qū)，沿著漸近線軸線方向，梯度比較均勻。而東側(cè)漸近線型鋒生輻合線的鋒區(qū)等值線較為密集，尤其是具有雙鋒區(qū)，一個在近25°N處，由偏北氣流匯入偏南氣流形成，另一個在海岸附近，自海上向陸上匯集。廣東沿海東側(cè)的漸近線型鋒生輻合線造成的強降水范圍大于西側(cè)輻合線。所以漸近線型鋒生輻合線環(huán)流可形成強的輻合上升運動中心。

圖19 華南粵東、粵西兩個暴雨環(huán)流垂直分布與垂直速度經(jīng)向剖面漸近線型鋒生輻合線左側(cè)[21]（陰影為垂直速度， 單位：?102 cm/s，實線為v與w的合成流線） （a）粵西111°E剖面，（b）粵東113°E剖面 Fig. 19 The vertical circulation (v and w) and vertical velocity distribution at the meridional profile sections at the left side of the asymptotic linear frontogenetic convergence lines in the two rainstorm events in eastern and western Guangdong, South China[21] (the shadow is vertical velocity, unit: ?102 cm/s, solid lines indicate the composed streamlines of v and w) (a) Along 111°E at the west Guangdong; (b) Along 113°E at the east Guangdong

（2）系統(tǒng)的濕度分布特征

分析福建省夏季多年8月漸近線型鋒生輻合線的水汽特征，如圖20所示。

圖20 經(jīng)緯向兩類輻合線暴雨中心假相當(dāng)位溫θse和比濕的垂直剖面圖[16]（陰影是假相當(dāng)位溫，單位：K；等值線是比濕， 單位：g/kg） Fig. 20 The vertical profile sections of Pseudo equivalent potential temperature θse and specific humidity at the storm centers of two kinds of convergence lines of longitude and latitude types[16] (the shadow shows the θse, unit: K; the isoline is the special humidity, unit: g/kg )

圖21顯示了東部非洲3個主要的漸近線型鋒生輻合線的濕度特征。

圖21 東非低層漸近線型鋒生輻合線的比濕分布[8] Fig. 21 Specific humidity distribution of the asymptotic linear frontogenetic convergence line at low level in East Africa[8]

低層比濕鋒區(qū)，依照圖18d和圖5a， ACL1 為在北部的第1個漸近線型鋒生輻合線，南北向剖面（38°E）顯示低層赤道北側(cè)有顯著比濕鋒區(qū)（黑色圈指示），赤道以南不是該輻合線范圍。ACL1沿經(jīng)向的水平輻合造成了比濕鋒增強；對應(yīng)ACL2在4S緯向剖面顯示，比濕鋒區(qū)在35°－36°E附近，是位于輻合線左側(cè)的強比濕鋒區(qū)；對應(yīng)ACL3則是比較寬闊尺度的比濕鋒區(qū)，在40°E以西，也是在輻合線左側(cè)。同時，比濕鋒區(qū)對應(yīng)著相對深厚的高比濕層。

圖18 東非主雨季強降水個例合成垂直速度垂直剖面分布（單位：hPa/s）和強降水中心及漸近線型鋒生輻合線（ACLs）位置[8] （a）對應(yīng)（d）中降水區(qū)ACL1，（b）對應(yīng)（d）中降水區(qū)ACL2，（c）對應(yīng)（d）中降水區(qū)ACL3，（d）東非強降水位置 Fig. 18 The composed vertical velocity at latitudinal vertical profile sections of heavy rainfall cases in the main rainy season in East Africa (unit: hPa/s), and the positions of the heavy rainfall centers and the asymptotic linear frontogenetic convergence Lines (ACLs) [18] (a) Matching to the rainfall center and ACLs1 in (d); (b) Matching to the rainfall center and ACLs2 in (d); (c) Matching to the rainfall center and ACLs3 in (d); (d) Locations of common heavy rainfall in East Africa

圖22顯示了華南廣東沿海漸近線型鋒生輻合線的濕度特征。圖22a是廣東沿海西部的漸近線型鋒生輻合線，圖22b為廣東沿海東部的漸近線型輻合線。圖22顯示西部和東部輻合線，對流性不穩(wěn)定層厚均大約為1000～600 hPa，該層假相當(dāng)位溫隨高度減小。

圖22 華南粵東、粵西兩個沿海漸近線型鋒生輻合線的暴雨假相當(dāng)位溫和比濕經(jīng)向垂直剖面圖[21]（陰影為假相當(dāng)位溫，單位：K；等值線為比濕，單位：g/kg） Fig. 22 The longitudinal vertical profile sections of rainstorm pseudo equivalent potential temperature θse and specific humidity of two coastal asymptotic linear frontogenetic convergence lines at the east and west Guangdong, in South China[21] (the shadow shows the θse, unit: K; the isoline is the special humidity, unit: g/kg )

依據(jù)上述分析，漸近線型鋒生輻合線的基本要素結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)輻合環(huán)流造成強盛垂直上升運動，當(dāng)與山脈配合時山脈的強迫抬升將進(jìn)一步增強垂直上升運動。而鋒面坡度的引導(dǎo)，也將通過熱力作用加強和維持上升運動。漸近線型鋒生輻合線的水汽條件則形成較深厚的對流不穩(wěn)定層結(jié)以及比濕鋒區(qū)，這樣進(jìn)一步加強了輻合線環(huán)境的不穩(wěn)定以及濕度鋒疊加，這些配置有利于強降水的發(fā)生。

4 輻合線系統(tǒng)強降水濕熱動力機制

通過區(qū)域模式WRF模擬與試驗，調(diào)查與分析潛熱與感熱對漸近線型鋒生輻合線強降水的機制與影響。首先進(jìn)行WRF模擬效果檢驗，在效果良好的情況下，固定所選模擬參數(shù)，包括各種參數(shù)化方案。然后開展熱力機制試驗：選擇不考慮潛熱加熱和積云對流方案，其余參數(shù)方案均與前述模擬試驗相同，再進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果與前面的結(jié)果對比，由此揭示考慮感熱和潛熱，與排除感熱和潛熱的效果差異。

4.1 非絕熱加熱在華南沿海前汛期暴雨作用

對于華南沿?；洊|和粵西漸近線型鋒生輻合線強降水過程的兩個例子，2013年5月8日和2013年5月21日分別進(jìn)行模擬實驗和敏感性試驗。去除潛熱加熱和積云對流的敏感性試驗獲得的降水分布十分零散，強度、范圍均明顯減小，且6 h、12 h和24 h的累積降水量都有銳減。

關(guān)于降水過程中凝結(jié)潛熱對暴雨系統(tǒng)氣柱的增溫作用，將模擬試驗和敏感性試驗相減的溫度差沿降水最大中心，做經(jīng)向垂直剖面，如圖23所示?？梢娊邓^程凝結(jié)潛熱釋放加熱大氣（圖中顯示正溫差），對氣柱有拉伸，造成降水低值系統(tǒng)在低層的增強與維持，即有利于下層低氣壓輻合與高層高氣壓輻散的深厚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維持，有利于垂直速度的增強。同時氣柱中不同高度的增溫中心也有利于氣柱中垂直疊置的輻合中心的維持，其作用相當(dāng)于臺風(fēng)中的CISK機制。凝結(jié)潛熱增溫垂直伸展最大的位置22°N，正是強降水發(fā)生地：華南沿海（圖中紅色箭頭指示處）。凝結(jié)潛熱增溫旺盛時刻正對應(yīng)降水最強的時刻，當(dāng)潛熱增溫減弱時降水也隨之減小。這顯示了凝結(jié)潛熱在氣柱增溫、促進(jìn)低值系統(tǒng)增強、有利于垂直運動發(fā)展等項具正貢獻(xiàn)，顯示凝結(jié)潛熱在強降水機制中的重要作用。進(jìn)一步的凝結(jié)潛熱增強暴雨區(qū)低層輻合環(huán)流，減弱中層輻散環(huán)流，其影響力達(dá)到 30%～50%，有力促進(jìn)了暴雨的發(fā)展。

圖23 華南沿海前汛期粵東粵西兩強降水過程數(shù)值模擬與數(shù)值試驗溫度差經(jīng)向垂直剖面[21]（圖中紅色箭頭指示潛熱增溫最強位置和強降水位置） Fig. 23 The longitudinal vertical profile sections of temperature difference between numerical simulation and sensitive experiment of two heavy precipitation events at the east and the west Guangdong during the first rain season along the coast of South China[21] (The red arrows indicate where the strongest latent heating and the heavy precipitation occur)

4.2 非絕熱加熱在福建沿海夏季非臺風(fēng)強降水作用

非絕熱加熱對緯向型和經(jīng)向型兩類福建沿海夏季低層漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)的強度，鋒區(qū)的位置和強度，及其伴隨的暴雨降水落區(qū)和強度，均有較大影響。非絕熱加熱是影響兩類福建沿海漸近線型鋒生輻合線暴雨的重要機制之一。

感熱通量的釋放維持了冷暖鋒區(qū)的強度，加強了漸近線型鋒生輻合線的強度及維持時間。缺乏感熱，將影響鋒區(qū)的熱力抬升。

潛熱非絕熱加熱的效果是促使兩類漸近線型鋒生輻合線熱力不穩(wěn)定增強，對緯向型漸近線型冷鋒鋒生輻合線，凝結(jié)潛熱是增強溫度層結(jié)不穩(wěn)定，對經(jīng)向型漸近線型暖鋒鋒生輻合線，凝結(jié)潛熱的存在增強了對流性不穩(wěn)定，即對兩種類型的漸近線型輻合線，均有利于系統(tǒng)環(huán)境中的垂直運動增強和伴隨暴雨的加強，缺乏潛熱則造成雨量減小。

4.3 非絕熱加熱對福建沿海冬季強降水作用

對于冬季低緯度強降水，對流性降水仍占有重要地位，由此，尤其是在福建西南沿海少雨地區(qū)（如廈門等地）可造成福建冬季強降水災(zāi)害。而凝結(jié)潛熱釋放對冬季對流性強降水的發(fā)生具有重要貢獻(xiàn)。對福建省冬季強降水關(guān)鍵系統(tǒng)冷鋒鋒生漸近線型鋒生輻合線、進(jìn)行非絕熱加熱作用的WRF模式數(shù)值試驗，并對比考慮非絕熱加熱和無非絕熱加熱之間的差異，結(jié)果如圖24所示。

圖24 漸近線型鋒生輻合線典型個例氣溫垂直剖面的模擬試驗與敏感性試驗對比[11]（單位：℃，黑三角形為輻合最強點，白三角形為海岸線位置，矩形框指示逆溫層） （a1，a2）沿第1模態(tài)輻合線坐標(biāo)軸的垂直剖面，（ b1，b2）沿第1模態(tài)正交于輻合線的坐標(biāo)軸垂直剖面，（c1，c2）沿第4模態(tài)輻合線坐標(biāo)軸的垂直剖面，（ d1，d2）沿第4模態(tài)正交于輻合線的坐標(biāo)軸垂直剖面 Fig. 24 The temperature vertical profile sections of the asymptotic frontogenetic convergence lines of the simulation experiment and sensitive experiment[11] (a1, a2) The vertical profile sections along the main axis of the convergence line of the mode one; (b1, b2) The vertical profile sections along the orthogonal axis of the convergence line of the mode one; (c1, c2) The vertical profile sections along the main axis of the convergence line of the mode four; (d1, d2) The vertical profile sections along the orthogonal axis of the convergence line of the mode four

圖24為兩個模態(tài)典型個例的模擬試驗（a1，b1，c1，d1）及敏感性試驗（RML）（a2，b2，c2，d2）的數(shù)值產(chǎn)品：溫度垂直剖面，這些剖面均在系統(tǒng)坐標(biāo)軸上，a、c為沿輻合線軸，b、d為沿輻合線正交軸。a、b為模態(tài)1的樣本，c、d為模態(tài)4的樣本。在WRF模式的敏感性試驗方案中去除潛熱加熱和積云對流參數(shù)化物理過程，結(jié)果顯示，缺少了中層潛熱加熱，平流感熱冷卻增強，有冷平流向暖氣團輸入。如圖24中的a2，b2，c2，d2與a1，b1，c1，d1的比較，模擬試驗中的環(huán)境均為下暖上冷，而敏感性試驗中則轉(zhuǎn)為有冷平流（藍(lán)色）伸入暖氣團中，見圖中矩形黑框指示。這樣會造成冷平流與其上層暖氣團組成逆溫層，減弱降雨區(qū)的熱力不穩(wěn)定，影響降水過程，甚至是抑制降水強度。而潛熱與感熱疊加，則增強水平熱力梯度與垂直層次的熱力梯度，增強漸近線型鋒生輻合線系統(tǒng)的強度。

5 結(jié)論與討論

依據(jù)前述的細(xì)致分析與模擬探討，揭示了熱帶及低緯度非臺風(fēng)強降水的一類關(guān)鍵系統(tǒng)——漸近線型鋒生輻合線的特征與發(fā)展規(guī)律，尤其是對強降水的熱力影響機制。此類系統(tǒng)在常規(guī)的氣象教科書中尚未有正式介紹，因此更值得關(guān)注。主要結(jié)論如下。

（1）系統(tǒng)的存在：在熱帶低緯地區(qū)，有一些常年強降水中心，落區(qū)相對固定，多數(shù)為沿海區(qū)域，山脈附近，與這些強降水中心密切相關(guān)的有一類關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)，根據(jù)它的基本狀態(tài)，定義為漸近線型鋒生輻合線。例如在華南廣東沿海前汛期有粵東和粵西兩種；在福建冬季有EOF模態(tài)1和模態(tài)4的兩種類型；在福建夏季主汛期降水峰值月8月有緯向型和經(jīng)向型兩類；在東部非洲低緯度年度主汛期降水峰值月4月，在熱帶輻合帶ITCZ中主要為多個此類系統(tǒng)伴隨多年強降水中心。

（2）系統(tǒng)的形態(tài)：通常這類環(huán)流系統(tǒng)是淺薄的，存在于850 hPa以下，與850 hPa及以上層次的環(huán)流形勢走向不相同。漸近線型輻合線與溫度鋒區(qū)具有大交角，其造成的鋒生可以是冷鋒鋒生也可以是暖鋒鋒生。系統(tǒng)兩側(cè)氣流向漸近線軸線匯合，形成系統(tǒng)輻合上升區(qū)，其上升區(qū)中心多位于漸近線型鋒生輻合線軸線左側(cè)氣旋式風(fēng)切變區(qū)域。對強降水的發(fā)生發(fā)展，以及落區(qū)分析，可以有實際指導(dǎo)意義。

（3）系統(tǒng)的確定：采用流場強矢量客觀追蹤方法，可以繪制出漸近線型鋒生輻合線的軸線，從而確定軸線左側(cè)的強降水落區(qū)。進(jìn)一步地對漸近線型鋒生輻合線采用系統(tǒng)坐標(biāo)系及客觀定量系統(tǒng)坐標(biāo)系構(gòu)建方法，可細(xì)致分析漸近線型鋒生輻合線的系統(tǒng)要素空間分布結(jié)構(gòu)與垂直結(jié)構(gòu)特征。依據(jù)系統(tǒng)坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)分析剖面，所顯示的要素分布特點更清晰，規(guī)律性更明顯。

（4）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：漸近線型鋒生輻合線的基本要素結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)流線輻合環(huán)流造成強盛垂直上升運動。而鋒面坡度的引導(dǎo)，將通過熱力作用加強和維持深厚的上升運動層。漸近線型鋒生輻合線的水汽條件則形成迭置的對流不穩(wěn)定層結(jié)以及比濕鋒區(qū)，這樣進(jìn)一步加強了輻合線環(huán)境的不穩(wěn)定，這些濕熱動力配置將有利于強降水的發(fā)生，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征對強降水落區(qū)也具有指示性參考。

（5）系統(tǒng)的機制：非絕熱加熱的數(shù)值對比試驗顯示，感熱通量的釋放維持了冷暖鋒區(qū)的強度，加強了漸近線型鋒生輻合線的強度及維持時間。若缺乏感熱，將影響鋒區(qū)的熱力抬升。凝結(jié)潛熱加熱促使?jié)u近線型鋒生輻合線熱力不穩(wěn)定增強，可一定程度地影響輻合線的輻合位置與強度、鋒生區(qū)的位置及強度，進(jìn)而影響系統(tǒng)的活躍。潛熱非絕熱加熱的效果對緯向型輻合線是增強溫度層結(jié)不穩(wěn)定，對經(jīng)向型輻合線是增強對流性不穩(wěn)定，進(jìn)而均有利于垂直運動增強和暴雨加強。

致謝：本論文的數(shù)值計算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計算中心的計算支持和幫助。