沈曉玲 馮 博 李 鋒 徐一平

1 浙江省紹興市氣象局,紹興 312000

2 浙江省紹興市柯橋區(qū)氣象局,柯橋 312030

3 浙江省諸暨市氣象局,諸暨 311800

提 要：利用多源觀測(cè)資料及ERA5(0.25°×0.25°)再分析資料,對(duì)2021年6月9日夜里浙江首場(chǎng)梅汛期局地暖區(qū)暴雨的降水成因進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明:此次過(guò)程環(huán)流形勢(shì)與典型梅雨完全不同,屬于弱天氣背景下的局地暖區(qū)暴雨;南海低壓和西太平洋副熱帶高壓之間東南氣流的維持,為暴雨區(qū)提供充沛的水汽來(lái)源,925 hPa超低空偏南風(fēng)急流的加強(qiáng)有利于低層增溫增濕,不穩(wěn)定層結(jié)加劇,暴雨區(qū)位于急流軸左側(cè);整層高濕背景及較低的自由對(duì)流高度導(dǎo)致的弱抬升條件就能觸發(fā)對(duì)流,中高層氣旋性輻合旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)使暴雨加強(qiáng),較厚的暖云層有利于提高降水效率;地面中尺度輻合帶的生成激發(fā)了初始對(duì)流,其維持和加強(qiáng)不斷激發(fā)對(duì)流云團(tuán)生成,產(chǎn)生列車效應(yīng),導(dǎo)致暴雨形成。龍門(mén)山小尺度地形有利于東南氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升,對(duì)流加強(qiáng),且垂直速度的發(fā)展程度與地形有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,地形高度越高,激發(fā)的垂直速度越強(qiáng)。

引 言

暖區(qū)暴雨通常是指發(fā)生在鋒前西南暖濕氣流中,距離鋒面200～300 km的暴雨,有時(shí)發(fā)生在西南風(fēng)和東南風(fēng)匯合氣流里,也可能發(fā)生在一致的西南氣流輻合區(qū)中。近年來(lái),由暖區(qū)暴雨引發(fā)的災(zāi)害日趨增多,受到廣泛關(guān)注,由于暖區(qū)暴雨具有局地性、突發(fā)性、對(duì)流性強(qiáng)、降水效率高等特點(diǎn),已經(jīng)成為氣象部門(mén)關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn),針對(duì)暖區(qū)暴雨已開(kāi)展了大量研究(何立富等,2016;孫健等,2002;蒲義良等,2023)。汪玲瑤等(2018)對(duì)夏季江南地區(qū)暖區(qū)暴雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并提出4種天氣概念模型:暖切變型、冷鋒型、副熱帶高壓型、強(qiáng)西南急流型。陳玥等(2016)將長(zhǎng)江中下游地區(qū)的暖區(qū)暴雨分為3種類型:冷鋒型、暖切變型、副熱帶高壓邊緣型,并建立了概念模型。

除天氣分型外,專家學(xué)者對(duì)暖區(qū)暴雨成因也進(jìn)行了一系列研究。暖區(qū)暴雨常發(fā)生在弱天氣尺度背景下,對(duì)流觸發(fā)機(jī)制與非均勻下墊面強(qiáng)迫、大氣內(nèi)部多類不穩(wěn)定熱動(dòng)力、邊界層淺薄冷空氣活動(dòng)、海陸分布等因素有關(guān),并且生消變化快,數(shù)值模式對(duì)暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)能力有限(張曉美等,2009;唐佳等,2021;雷蕾等,2020)。胡雅君等(2020)研究指出,暖區(qū)特大暴雨發(fā)生在強(qiáng)盛的超低空西南急流區(qū)內(nèi),超低空急流具有明顯的脈動(dòng)特征,其突然增強(qiáng)引起低空擾動(dòng)加強(qiáng),造成明顯的低層輻合。張冰等(2021)通過(guò)數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn),超低空急流是暖區(qū)暴雨的重要影響系統(tǒng),其增強(qiáng)能加強(qiáng)大氣的斜壓性,促進(jìn)低渦發(fā)展,有利于形成足夠的低層輻合區(qū)厚度,進(jìn)而促進(jìn)暖空氣抬升。同時(shí)暖區(qū)暴雨跟地形也密切相關(guān), 中尺度地形對(duì)大尺度雨帶影響不大,決定暴雨是否發(fā)生的主要因子仍是大尺度環(huán)境場(chǎng),但中尺度地形尤其是喇叭口地形對(duì)暴雨強(qiáng)度和落區(qū)有一定影響,對(duì)華南暴雨有明顯的增幅作用(孫建華和趙思雄,2002;孫建華等,2013)。曾智琳等(2018)研究指出,強(qiáng)降水發(fā)生前暖空氣在山前堆積造成升溫升壓,具有較高的對(duì)流邊界層位置觸發(fā)了對(duì)流,并與地形強(qiáng)迫造成的風(fēng)速輻合共同作用觸發(fā)了另一個(gè)對(duì)流。

目前對(duì)暖區(qū)暴雨的研究,主要針對(duì)我國(guó)華南地區(qū),江淮流域和江南地區(qū)特別是浙江的暖區(qū)暴雨研究較少,且集中在大尺度天氣分型上,對(duì)其中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變及觸發(fā)機(jī)制的研究較少。2021年6月9日夜間浙江紹興諸暨發(fā)生暖區(qū)大暴雨過(guò)程,為諸暨有氣象記錄以來(lái)最強(qiáng)的一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。對(duì)局地暴雨過(guò)程模式預(yù)報(bào)誤差較大,且此次過(guò)程沒(méi)有明顯的高空槽、鋒面等系統(tǒng)影響,預(yù)報(bào)難度大。本文利用高低空觀測(cè)資料、多普勒雷達(dá)資料、ERA5(0.25°×0.25°)再分析資料,對(duì)此次過(guò)程的天氣背景、環(huán)境條件、中尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制、地形影響進(jìn)行診斷分析,以期為今后此類弱天氣背景下局地暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)提供一定參考。

1 資 料

本文所用資料包括:(1)常規(guī)地面和高空觀測(cè)資料;(2)經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后的浙江省范圍內(nèi)國(guó)家級(jí)和區(qū)域級(jí)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)觀測(cè)資料;(3)間隔為6 min的寧波多普勒雷達(dá)資料;(4)ERA5再分析資料(水平分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 h)。資料時(shí)段均為2021年6月9日08時(shí)至10日08時(shí)(北京時(shí),下同)。

2 降水特征

2021年6月9日午后到夜間,浙江紹興諸暨西北部出現(xiàn)大暴雨(圖1),個(gè)別站出現(xiàn)8級(jí)雷雨大風(fēng)。過(guò)程可分為兩個(gè)階段:第一階段為9日午后至20時(shí),浙江中北部為分散性雷陣雨天氣,紹興部分地區(qū)出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)為20～30 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水,最大為諸暨街亭(37 mm·h-1);第二階段為9日21時(shí)至10日04時(shí),諸暨西北部出現(xiàn)暴雨部分大暴雨過(guò)程,馬劍、應(yīng)店街、五泄、姚江、陶朱等鎮(zhèn)街6 h累計(jì)降水量為130～150 mm,局地超過(guò)200 mm,最大為陶朱街道白門(mén)(211.7 mm),該區(qū)域最大小時(shí)雨強(qiáng)及2、3、6 h累計(jì)降水量均為歷史第一位。第二階段大暴雨雨帶呈西南—東北向,東西橫跨0.4個(gè)經(jīng)度,南北不到0.3個(gè)緯度,具有暴雨范圍小、局地性強(qiáng)、降水強(qiáng)度大、強(qiáng)降水時(shí)段集中、發(fā)展迅速、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)。位于暴雨中心的白門(mén)站連續(xù)3 h出現(xiàn)小時(shí)降水量≥30 mm的強(qiáng)降水(圖1b),暴雨中心的強(qiáng)降水時(shí)段主要出現(xiàn)在9日22時(shí)至10日02時(shí),最強(qiáng)小時(shí)降水量達(dá)89.7 mm,出現(xiàn)在姚江鎮(zhèn)祝園村9日23時(shí)至10日00時(shí)。受第二階段大暴雨影響,諸暨市五泄鎮(zhèn)泄峰村泄溪自然村、應(yīng)店街鎮(zhèn)紫閬村發(fā)生次生災(zāi)害,導(dǎo)致民房倒塌,造成4人死亡、1人受傷。本文重點(diǎn)對(duì)第二階段大暴雨的成因進(jìn)行分析。

圖1 2021年6月9日16時(shí)至10日06時(shí)(a)累計(jì)降水量,(b)白門(mén)和紫閬逐小時(shí)降水量Fig.1 (a) Accumulated precipitation and (b) hourly precipitation in Baimen and Zilang from 16:00 BT 9 to 06:00 BT 10 June 2021

3 天氣背景及環(huán)境條件

3.1 天氣背景

大暴雨發(fā)生前,2021年6月9日14時(shí)200 hPa(圖略)南亞高壓位于華南,1255 dagpm線位于青藏高原以南,浙江處于南亞高壓東北側(cè)的反氣旋式環(huán)流中,高空西風(fēng)急流位于35°N以北,浙江處于急流入口區(qū)右側(cè),風(fēng)場(chǎng)輻散有利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。500 hPa我國(guó)中高緯地區(qū)為兩脊一槽,低槽位于內(nèi)蒙古到華中一帶,兩脊分別位于新疆以北和朝鮮半島以東,30°N以南地區(qū)為高壓環(huán)流控制,但副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)勢(shì)力較弱,浙江上空700 hPa西南急流為6 m·s-1,30°N附近850 hPa 存在東西向弱切變,切變兩側(cè)為西南風(fēng)和東南風(fēng),風(fēng)速僅2 m·s-1,地面處于大范圍低壓倒槽中。20時(shí)(圖2)30°N以北的西風(fēng)槽略有東移南壓,同時(shí)副高略有增強(qiáng),588 dagpm線位于臺(tái)灣島及其以東洋面上,脊線位于24°N附近,有利于副高南側(cè)和西側(cè)的水汽向暴雨區(qū)輸送。浙江上空700 hPa西南急流維持6 m·s-1,850 hPa切變進(jìn)一步減弱,暴雨區(qū)上空轉(zhuǎn)為偏南氣流,風(fēng)速仍較小,并在浙江北部30°N附近形成偏南風(fēng)與東南風(fēng)構(gòu)成的弱輻合。浙江于6月10日入梅,此次大暴雨過(guò)程也是梅汛期首場(chǎng)局地性大暴雨過(guò)程。綜上分析,環(huán)流形勢(shì)與典型梅雨完全不同,中高層為西南氣流,700 hPa不存在急流,850 hPa為弱輻合,無(wú)冷空氣影響,因而此次過(guò)程屬于弱天氣背景下的暖區(qū)暴雨。

注:紅點(diǎn)為暴雨中心。

3.2 環(huán)境條件

3.2.1 水汽條件

暴雨的產(chǎn)生必須有充足的水汽供應(yīng)。從各層水汽通量和水汽通量散度看,850 hPa水汽輸送明顯強(qiáng)于925 hPa和700 hPa。850 hPa流場(chǎng)顯示(圖略),2021年6月9日14時(shí)海南島東部有弱低壓環(huán)流形成,其東側(cè)的東南氣流經(jīng)福建轉(zhuǎn)為偏南氣流向浙江輸送水汽,850 hPa水汽通量、水汽通量輻合的大值區(qū)均位于浙江中北部沿海一帶。20時(shí)南海低壓環(huán)流增強(qiáng),形成了明顯的氣旋中心,且位置少動(dòng),同時(shí)臺(tái)灣以東的副高也有所增強(qiáng),除偏南氣流外,受副高西南側(cè)的東南氣流引導(dǎo),大量水汽直接向浙江輸送,為暴雨區(qū)提供充沛的水汽來(lái)源,提高降水效率。浙江中北部上空水汽輻合增強(qiáng)(圖3),水汽通量明顯增大,中心強(qiáng)度達(dá)14 g·s-1·cm-1·hPa-1,并形成兩個(gè)水汽通量輻合中心,分別位于寧紹平原和龍門(mén)山附近,中心值達(dá)4×10-5g·s-1·cm-2·hPa-1,結(jié)合圖1a分析,后者與暴雨區(qū)正好對(duì)應(yīng)?？梢?jiàn)同樣的水汽條件下,山脈分布處較平原地區(qū)更容易產(chǎn)生強(qiáng)降水。22時(shí)(圖略)龍門(mén)山一帶水汽通量輻合中心增強(qiáng)至5×10-5g·s-1·cm-2·hPa-1,有利于降水維持,10日01時(shí)轉(zhuǎn)為水汽通量輻散區(qū),降水減弱?？梢?jiàn)850 hPa水汽通量散度變化與降水強(qiáng)度和落區(qū)均有較好的對(duì)應(yīng),在今后預(yù)報(bào)中可作為參考。

注:紅點(diǎn)為暴雨中心。

分析925 hPa偏南氣流演變,9日20時(shí)前(圖略)浙江中西部上空偏南氣流維持在2～4 m·s-1,浙江中北部沿海為8～10 m·s-1,均未達(dá)到急流強(qiáng)度。20時(shí)后偏南氣流逐漸增強(qiáng),10日01時(shí)(圖4a)杭州灣地區(qū)增強(qiáng)至12 m·s-1,暴雨中心附近也達(dá)到急流強(qiáng)度。從圖4b可以看出,暴雨中心上空偏南氣流于10日00時(shí)后增強(qiáng)至急流強(qiáng)度,02時(shí)后逐漸減弱,變化趨勢(shì)與暴雨中心小時(shí)降水量(圖1b)基本一致,暴雨產(chǎn)生在急流軸左側(cè),可見(jiàn)暴雨的產(chǎn)生與超低空偏南風(fēng)急流的加強(qiáng)、維持密切相關(guān),其發(fā)展加強(qiáng)有利于超低空對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立和維持,同時(shí)可以產(chǎn)生超低空天氣尺度上升運(yùn)動(dòng),進(jìn)而觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放,產(chǎn)生小尺度的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。暴雨產(chǎn)生在超低空偏南風(fēng)急流加強(qiáng)過(guò)程中,超低空偏南風(fēng)急流可將大濕度空氣向暴雨區(qū)輸送,這也表現(xiàn)在比濕的變化中,整個(gè)過(guò)程925 hPa比濕均在16 g·kg-1以上,隨著偏南風(fēng)氣流增強(qiáng),暴雨區(qū)上空比濕增大。10日05時(shí)超低空急流減弱,比濕也隨之減小。

注:紅點(diǎn)為暴雨中心。

基于“配料法”的總降水量預(yù)報(bào)方程為P=Eq·wD,表明強(qiáng)降水與E(降水效率)、q(比濕)、w(垂直速度)、D(持續(xù)時(shí)間)均密切相關(guān),其中E在深厚濕對(duì)流造成的強(qiáng)降水中具有重要意義(Doswell Ⅲ et al,1996)。研究表明,一般情況下,環(huán)境相對(duì)濕度越高、雨滴蒸發(fā)率越小、降水效率越高(徐珺等,2014)。850 hPa強(qiáng)水汽輸送和輻合使9日浙江全省地面露點(diǎn)溫度保持在22℃以上,尤其是暴雨中心20時(shí)增強(qiáng)至25℃,溫度露點(diǎn)差維持在3～4℃。另外從暴雨中心上空相對(duì)濕度的垂直分布(圖略)來(lái)看,暴雨發(fā)生前后整層均處于高濕環(huán)境中,相對(duì)濕度都在75%以上,且850 hPa的相對(duì)濕度強(qiáng)于925 hPa和700 hPa,高濕環(huán)境有利于提高降水效率。

9日20時(shí)暴雨中心探空(圖略)顯示,整層大氣濕層深厚,相對(duì)濕度≥80%的濕層到達(dá)250 hPa,探空曲線分布十分有利于短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生。俞小鼎(2011;2013)研究表明,暖云層(抬升凝結(jié)高度到0℃層高度之間)厚度越大,降水效率越高,對(duì)流有效位能(CAPE)不太大時(shí),露點(diǎn)溫度很高,也能產(chǎn)生很高的降水效率。此次過(guò)程由于地面露點(diǎn)溫度較高,溫度露點(diǎn)差較小,因此抬升凝結(jié)高度也較低,在1000 hPa附近,同時(shí)自由對(duì)流高度位于950 hPa附近,2種高度均低于850 hPa,高濕背景下弱的抬升條件就能觸發(fā)對(duì)流,產(chǎn)生暖區(qū)暴雨(徐珺等,2014),同時(shí)整層高濕環(huán)境使蒸發(fā)率降低,暖云層厚度增大,為5 km左右,有利于出現(xiàn)高效率降水。

CAPE同時(shí)包含低層、高層的空氣特性,能夠較真實(shí)地描述探空資料所代表的大氣不穩(wěn)定度。分析暴雨中心CAPE逐時(shí)演變發(fā)現(xiàn):對(duì)流發(fā)生前9日19—20時(shí),CAPE維持在2540 J·kg-1左右,能量條件有利于對(duì)流發(fā)生發(fā)展;21時(shí)增大至2690 J·kg-1,與偏南風(fēng)氣流增強(qiáng)時(shí)間正好一致,降水的產(chǎn)生導(dǎo)致凝結(jié)潛熱釋放,因此22—23時(shí)CAPE有所下降,10日00時(shí)偏南風(fēng)再次加強(qiáng)并達(dá)到急流強(qiáng)度,CAPE也再次增強(qiáng)至1924 J·kg-1,可見(jiàn)低空暖濕氣流的持續(xù)輸送使不穩(wěn)定能量得以維持;02時(shí)后急流強(qiáng)度減弱,CAPE也緩慢減小。

3.2.2 熱力不穩(wěn)定條件

假相當(dāng)位溫(θse)反映了大氣的溫濕狀況,應(yīng)用其水平分布和垂直分布可以分析大氣中的能量分布、垂直穩(wěn)定度、大氣濕斜壓性。從暴雨區(qū)假相當(dāng)位溫及其平流變化(圖5)分析,2021年6月9日20時(shí)前900 hPa以下已存在θse等值線密集區(qū),特別是975 hPa以下更密集,不穩(wěn)定能量已積聚,且θse隨高度增加而減小,表明層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。20時(shí)后900 hPa附近的冷平流逐漸減弱,隨著偏南風(fēng)氣流增強(qiáng),冷平流轉(zhuǎn)為暖平流并迅速增強(qiáng),22—24時(shí)850 hPa 中心值超過(guò)6×10-4K·s-1,同時(shí)中高層冷平流也明顯增強(qiáng),中心位于500 hPa,23—24時(shí)達(dá)6×10-4K·s-1,冷暖中心垂直疊加,層結(jié)不穩(wěn)定性顯著加強(qiáng),造成暴雨中心及附近23時(shí)至10日01時(shí)連續(xù)出現(xiàn)70 mm·h-1以上的局地短時(shí)強(qiáng)降水,可見(jiàn)邊界層偏南風(fēng)低空急流為暴雨的發(fā)生和發(fā)展提供了暖濕能量和不穩(wěn)定層結(jié)(葉朗明等,2019)。10日01時(shí)后冷暖平流均減弱,冷平流向下擴(kuò)展至900 hPa,且θse等值線密集度減小,不穩(wěn)定層結(jié)減弱,降水強(qiáng)度也迅速減小。

圖5 2021年6月9日20時(shí)至10日04時(shí)暴雨區(qū)(29.5°～30°N、120°～120.5°E)假相當(dāng)位溫(黑線,單位:K)及其平流(填色)分布Fig.5 Distribution of θse (black line, unit: K) and its advection (colored) in rainstorm area (29.5°-30°N, 120°-120.5°E) from 20:00 BT 9 to 04:00 BT 10 June 2021

3.2.3 動(dòng)力不穩(wěn)定條件

螺旋度不僅考慮了大氣旋轉(zhuǎn)的特性,還考慮了水平和垂直方向的輸送作用,可以有效表征不穩(wěn)定能量的釋放。垂直螺旋度是垂直渦度和垂直速度的乘積,在一定程度上不但能反映系統(tǒng)的維持狀況,還可以反映系統(tǒng)發(fā)展和天氣現(xiàn)象的劇烈程度,其物理意義為:氣旋區(qū)的上升(下沉)運(yùn)動(dòng)和反氣旋區(qū)的下沉(上升)運(yùn)動(dòng)分別意味著正的垂直螺旋度向上(下)輸送和負(fù)的垂直螺旋度向下(上)輸送,而對(duì)應(yīng)此時(shí)的垂直螺旋度為正(負(fù))值(岳彩軍等,2011)。

從整個(gè)過(guò)程沿120.25°E的垂直螺旋度、散度、垂直速度垂直剖面分析,2021年6月9日20時(shí)(圖6a)30°N附近上空500 hPa以下已有正垂直螺旋度和上升運(yùn)動(dòng)重合區(qū),并對(duì)應(yīng)輻合,輻合高度發(fā)展至300 hPa,表明暴雨中心上空存在一個(gè)正渦度的氣旋式對(duì)流系統(tǒng),但強(qiáng)度偏弱,最大垂直螺旋度為2×10-5kg-1·m3·Pa·s-2。22時(shí)(圖6b)正垂直螺旋度迅速向上發(fā)展至對(duì)流層高層,并在600 hPa和300 hPa出現(xiàn)兩個(gè)正值中心,強(qiáng)度分別達(dá)到4×10-5kg-1·m3·Pa·s-2、6×10-5kg-1·m3·Pa·s-2,整層輻合也明顯增強(qiáng),兩個(gè)正垂直螺旋度中心分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)輻合中心,散度為6×10-5s-1,同時(shí)上升運(yùn)動(dòng)速度中心也發(fā)展至400 hPa,強(qiáng)度增強(qiáng),這表明垂直方向上氣旋式輻合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),垂直渦度向上輸送增強(qiáng)。10日02時(shí)后(圖略)暴雨區(qū)中高層垂直螺旋度正值區(qū)迅速減弱至1×10-5kg-1·m3·Pa·s-2,800 hPa以下仍維持在0值附近,中高層轉(zhuǎn)為輻散,上升速度減弱至0.3 m·s-1?？梢?jiàn)此次過(guò)程動(dòng)力不穩(wěn)定主要出現(xiàn)在中高層,結(jié)合探空分析,低層在高濕背景下,弱的抬升就能觸發(fā)對(duì)流,到達(dá)中高層后垂直渦度向上輸送增強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨螺旋度正值區(qū)的發(fā)展而增強(qiáng),有利于暴雨加強(qiáng)發(fā)展。

注:紅點(diǎn)為暴雨中心。

4 對(duì)流觸發(fā)及維持機(jī)制

4.1 地面中尺度輻合帶

從2021年6月9日19時(shí)至10日02時(shí)地面流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布來(lái)看,降水發(fā)生前(19時(shí))浙江省以東南風(fēng)為主,龍門(mén)山附近為東到東南氣流(圖7a),其北側(cè)湖州南部30.5°N附近為輻散中心,中心南側(cè)的偏北氣流與北上的東南氣流形成弱輻合區(qū),降水中心與弱輻合區(qū)對(duì)應(yīng),輻合兩側(cè)溫度梯度不明顯。寧波多普勒雷達(dá)組合反射率因子(圖略)顯示,9日20時(shí)強(qiáng)回波主要位于諸暨以西的桐廬、富陽(yáng)一帶,中心強(qiáng)度為40～50 dBz,對(duì)流單體在西南氣流引導(dǎo)下,向東北方向移動(dòng)。21時(shí)(圖7b)輻散中心南壓至30°N附近,其南側(cè)偏北氣流加強(qiáng),在龍門(mén)山南側(cè)與東南氣流匯合,形成地面中尺度輻合帶,同時(shí)輻合帶兩側(cè)溫度梯度加大,南側(cè)26℃暖濕中心表征暖濕氣流的積聚,為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了熱力條件。雷達(dá)回波顯示21時(shí)(圖8a)諸暨西部有新生回波發(fā)展,表明初始對(duì)流形成,且該初始對(duì)流在東移北抬過(guò)程中范圍和強(qiáng)度都迅速加強(qiáng),中心最強(qiáng)回波達(dá)50 dBz以上,造成馬劍40.7 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看,正是山前這條地面中尺度輻合帶的形成,加強(qiáng)了輻合上升運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致初始對(duì)流發(fā)展。22時(shí)(圖略)東南氣流加強(qiáng)北抬,湖州南部的輻散中心繼續(xù)南壓至29.8°N,使輻合帶兩側(cè)氣壓梯度加大,有利于輻合帶維持和加強(qiáng)。另一方面,分析1 h變溫分布,輻合帶北側(cè)為0.1～0.3℃的負(fù)變溫,而南側(cè)為0.2～0.3℃的正變溫,表明超低空急流的增強(qiáng)使得溫度梯度加大,同時(shí)降水粒子蒸發(fā)冷卻,地面氣溫下降,形成冷池,冷池內(nèi)部密度較大的冷空氣產(chǎn)生的出流增強(qiáng),地面暖空氣遇到干冷下沉氣流侵入,在熱力強(qiáng)迫作用下暖空氣易于被抬升(章翠紅等,2018),促進(jìn)輻合帶加強(qiáng),對(duì)流發(fā)展。相應(yīng)地,雷達(dá)圖上(圖8b)諸暨以西的金華北部又有多個(gè)γ中尺度對(duì)流單體新生,東移北抬過(guò)程中與其下游的回波合并,22:40左右形成了一條長(zhǎng)約40 km的回波帶,中心強(qiáng)度維持在50 dBz以上,降水正好位于輻合帶附近,22—23時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)持續(xù)增強(qiáng),最大為應(yīng)店街57.7 mm·h-1,之后諸暨西部與金華交界處不斷有對(duì)流單體生成(圖8c,8d),并東北向移動(dòng),列車效應(yīng)十分顯著,23時(shí)至10日00時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)增強(qiáng)至50～70 mm·h-1,局部80 mm·h-1以上。10日01時(shí)(圖略)隨著超低空急流的進(jìn)一步增強(qiáng),地面東南氣流繼續(xù)向北推進(jìn),龍門(mén)山一帶轉(zhuǎn)為輻散氣流影響,地面中尺度輻合帶減弱消亡,對(duì)應(yīng)反射率因子回波強(qiáng)度逐漸減弱至30～40 dBz,諸暨西側(cè)未再有新單體生成,降水迅速減弱,10日02—03時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)減弱至10～25 mm·h-1,降水趨于結(jié)束。

注:紅點(diǎn)為暴雨中心,藍(lán)點(diǎn)為初始對(duì)流觸發(fā)位置,藍(lán)線為地面中尺度輻合帶,填色為海拔。

圖8 2021年6月(a)9日21:06,(b)9日22:06,(c)9日23:06,(d)10日00:01寧波多普勒雷達(dá)組合反射率因子Fig.8 Composite reflectivity factor of Ningbo Doppler Radar at (a) 21:06 BT 9, (b) 22:06 BT 9, (c) 23:06 BT 9, and (d) 00:01 BT 10 June 2021

綜上分析,偏北氣流與東南氣流共同作用形成了地面中尺度輻合帶,是初始對(duì)流激發(fā)的主要成因,地面中尺度輻合帶的維持和加強(qiáng)不斷激發(fā)對(duì)流云團(tuán)生成,產(chǎn)生列車效應(yīng),導(dǎo)致暴雨形成。超低空偏南風(fēng)急流加強(qiáng),使溫度梯度加大,對(duì)流得到發(fā)展和加強(qiáng),當(dāng)超低空偏南風(fēng)急流進(jìn)一步北上時(shí),中尺度雨帶減弱消亡,因此超低空偏南風(fēng)急流在此次過(guò)程中起著重要作用。

4.2 地形強(qiáng)迫抬升

地形對(duì)降水的作用不可忽略。研究表明,風(fēng)場(chǎng)與地形相配合的地形抬升作用是降水增幅的主要?jiǎng)恿σ蜃?對(duì)暴雨有明顯的增幅作用(趙玉春等,2008;劉裕祿和黃勇,2013)。紹興市位于浙江省中北部、杭州灣南岸,全市地貌可概括為“四山三盆兩江一平原”,從圖9a可以看到,諸暨盆地位于浦陽(yáng)江流域,其西部為龍門(mén)山,龍門(mén)山脈為富春江和浦陽(yáng)江的分水嶺,呈西南—東北走向。圖9a表明,此次強(qiáng)降水中心位于龍門(mén)山東北側(cè),地形波狀起伏明顯,其東南側(cè)為地勢(shì)較低的諸暨盆地,其西北側(cè)地勢(shì)逐漸升高。龍門(mén)山海拔高度在500 m以上,主峰1247 m,為小尺度地形,對(duì)地面風(fēng)場(chǎng)影響明顯。2021年6月9日白天龍門(mén)山南側(cè)東到東南風(fēng)風(fēng)力較小(圖略),地形抬升作用較小,9日20時(shí)后東南風(fēng)逐漸增強(qiáng),且與龍門(mén)山走向基本垂直,有利于東南氣流在山前迎風(fēng)坡抬升,增強(qiáng)對(duì)流。

注:紅點(diǎn)為龍門(mén)山。

9日20時(shí)沿120.25°E的垂直速度、θse和垂直環(huán)流剖面(圖9b)顯示,700 hPa以下為θse密集區(qū),29.5°N以北低層為350 K的高溫高濕中心,650 hPa附近存在342 K的干冷中心,上冷下暖的配置使不穩(wěn)定層結(jié)加劇。從垂直速度分布可以看到,上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展不旺盛,僅0.9 m·s-1。22時(shí)(圖9c)暴雨中心上空θse350 K等值線向南移動(dòng),650 hPa干冷中心增強(qiáng)至340 K,中低層θse梯度加大,可見(jiàn)超低空急流北上,使低層增溫增濕,不穩(wěn)定層結(jié)加劇,有利于對(duì)流加強(qiáng)發(fā)展。同時(shí)受地形強(qiáng)迫抬升影響,氣層被整層抬升到凝結(jié)高度以上,也使對(duì)流不穩(wěn)定性加強(qiáng),垂直運(yùn)動(dòng)得到強(qiáng)烈發(fā)展,上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展至對(duì)流層頂,最大速度中心到達(dá)400 hPa,為1.8 m·s-1,上升運(yùn)動(dòng)在不穩(wěn)定層結(jié)大氣中強(qiáng)烈發(fā)展,激發(fā)深厚對(duì)流,為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利背景(婁小芬等,2020)。從9日22時(shí)沿29.75°N垂直速度、θse和垂直環(huán)流剖面(圖9d)還可以看到,120°E上空上升運(yùn)動(dòng)最旺盛,119°E、121°E雖然也有山脈分布,但由于高度較低,上升運(yùn)動(dòng)明顯偏小,平原地區(qū)基本未有上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展,可見(jiàn)山脈迎風(fēng)坡垂直速度明顯高于平原地區(qū),且垂直速度的發(fā)展程度與地形高度有一定相關(guān)性,高度越高,激發(fā)的垂直運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)。這也解釋了圖3中850 hPa水汽通量輻合集中在龍門(mén)山附近及其西北側(cè)山區(qū),但降水差異顯著的原因。圖9a顯示,龍門(mén)山西北側(cè)的山區(qū)分布較為分散,北側(cè)及東北側(cè)為寧紹平原,地勢(shì)高度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于龍門(mén)山,不利于垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈發(fā)展,因此降水強(qiáng)度偏弱。

5 結(jié)論和討論

本文利用多源觀測(cè)資料及ERA5再分析資料,對(duì)2021年6月9日夜里浙江首場(chǎng)梅汛期局地暖區(qū)暴雨的降水特點(diǎn)和成因進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論。

(1)本次過(guò)程環(huán)流形勢(shì)與典型梅雨完全不同,500 hPa處于西風(fēng)槽前西南氣流中,700 hPa西南氣流未達(dá)到急流強(qiáng)度,850 hPa為弱輻合,無(wú)冷空氣影響,屬于弱天氣背景下的暖區(qū)暴雨。

(2)南海低壓和副高之間東南氣流的維持為暴雨區(qū)提供充沛的水汽來(lái)源,同時(shí)925 hPa超低空偏南風(fēng)急流的加強(qiáng)有利于熱力不穩(wěn)定增長(zhǎng)和水汽輸送,暴雨區(qū)位于急流軸左側(cè),并產(chǎn)生在超低空急流加強(qiáng)過(guò)程中。850 hPa水汽通量散度變化與降水強(qiáng)度和落區(qū)均有較好對(duì)應(yīng),在今后預(yù)報(bào)中可作為參考。

(3)整層高濕背景降低了抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度,弱的抬升條件即可觸發(fā)對(duì)流,中高層上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨垂直螺旋度正值區(qū)的發(fā)展而增強(qiáng),有利于暴雨加強(qiáng)。CAPE值的變化對(duì)對(duì)流觸發(fā)、加強(qiáng)、減弱有一定的指示意義。

(4)山前偏北氣流與東南氣流形成地面中尺度輻合帶,是初始對(duì)流激發(fā)的主要成因,地面中尺度輻合帶的維持和加強(qiáng)不斷激發(fā)對(duì)流云團(tuán)生成,產(chǎn)生列車效應(yīng),導(dǎo)致暴雨形成。超低空急流加強(qiáng)北抬,使低層增溫增濕,不穩(wěn)定層結(jié)加劇,同時(shí)龍門(mén)山小尺度地形有利于東南氣流在山前迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升,加強(qiáng)對(duì)流,且垂直速度的發(fā)展程度與地形高度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,地形高度越高,激發(fā)的垂直速度越強(qiáng)。

此次暴雨過(guò)程發(fā)生在弱天氣背景下,突發(fā)性強(qiáng)、降水強(qiáng)度大,對(duì)降水強(qiáng)度和落區(qū)、全球模式、中尺度模式及預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)誤差均較大。本文從環(huán)流背景、環(huán)境條件、觸發(fā)機(jī)制等方面分析了此次暴雨的成因,得到今后預(yù)報(bào)此類弱天氣背景下短時(shí)暴雨的幾點(diǎn)啟示:一是要充分重視南海或西太平洋上熱帶氣旋或熱帶低壓的作用,其穩(wěn)定少動(dòng)能為暴雨發(fā)生提供充足的水汽,有利于暴雨增幅;二是在日常預(yù)報(bào)分析中,往往只關(guān)注08時(shí)或20時(shí)CAPE值大小是否有利于對(duì)流發(fā)生,對(duì)其時(shí)間演變分析較少,此次過(guò)程CAPE值在對(duì)流觸發(fā)、加強(qiáng)時(shí)均有增強(qiáng),具有一定指示意義,在今后預(yù)報(bào)中可作為參考;三是要特別關(guān)注局地地形的影響。