王洪勛

(紹興縣氣象局，浙江紹興312000)

0 引言

暴雨往往伴隨著強降水，浙江省地處江淮流域，年雨量充沛，屬于暴雨、強降水的多發(fā)省份。在暴雨產(chǎn)生的機制上，前人做了很多工作，過去的研究指出［1-2］：位勢不穩(wěn)定層結(jié)及位勢不穩(wěn)定釋放機制，高低空急流及耦合作用，弱的垂直風(fēng)切變等都是暴雨產(chǎn)生的溫、濕和動力條件。而暴雨的發(fā)生往往不只是單一系統(tǒng)，而是幾種尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果［3］，它們的有利配置又決定了暴雨過程的降水強度。同時大氣中充足的水汽和水汽的持續(xù)輸送也是形成暴雨和強降水的必要條件［4］。因此其復(fù)雜性不言而喻。由于對發(fā)生在同一季節(jié)的相似降水過程對比研究較少，基于這一想法，本文利用NCEP/NCAR 1°×1°的分析資料，對比分析了浙江省發(fā)生在相同季節(jié)不同年份的兩次連陰雨過程的異同，重點探討了它們的降水特征和形成原因，這對提高該時期暴雨的預(yù)報有重要意義。

1 基本概況

2009年2月14日—3月7日和2010年2月24日—3月 10日兩段時間里，浙江省(118°E ～123°E，27°N ～31．5°N)都出現(xiàn)了連陰雨天氣，這期間西風(fēng)帶短波槽、切變線和冷空氣活躍，浙江省上空不斷有短波槽和切變線東移，降水長時間持續(xù)，暴雨天氣頻繁發(fā)生。在兩次連陰雨過程中，全省降水量均呈北多南少分布，2009年連陰雨期間(以下簡稱過程Ⅰ)累計降水量北部地區(qū)150～200 mm，南部普遍100 mm，降水前后共持續(xù)了21 d，雨量集中時段為2月26日—3月5日，日降水量以小到中雨為主，并含有局地性的暴雨天氣。2010年連陰雨期間(以下簡稱過程Ⅱ)北部累計降水量200～300 mm，南部地區(qū)普遍150 mm左右，降水共持續(xù)了14 d，降水強度比過程Ⅰ明顯偏大，日降水量以中到大雨為主，雨量集中時段在3月1—6日，此段時間里大范圍的暴雨天氣也頻繁發(fā)生。將兩次過程的累計降水量和降水持續(xù)時間相比較可以看出，在降水總量上，過程Ⅱ比過程Ⅰ稍多(圖1)，而在降水強度上，過程Ⅱ則要明顯強于過程Ⅰ。

2 環(huán)流背景對比分析

對比兩次連陰雨期間的平均位勢高度場和風(fēng)場可以看出，它們環(huán)流形勢十分相似：500 hPa亞歐大陸上，都主要呈兩高一低形勢。烏拉爾山和鄂霍次克海以東分別受兩個高壓脊控制。在它們之間的我國是一個寬廣的西風(fēng)槽［5-6］(圖2)。浙江省(圖2中方框處)500 hPa和700 hPa主要處于槽前西南氣流控制下，850 hPa處于北方干冷氣流和南方暖濕氣流的輻合區(qū)中，地面主要處于冷高壓底部，有倒槽波動［7］。不同之處是：500 hPa和700 hPa的西風(fēng)槽強度過程Ⅱ要強于過程Ⅰ，過程Ⅱ浙江省槽前西南氣流風(fēng)速大小和南風(fēng)分量比過程Ⅰ大。850 hPa氣流交匯區(qū)域中，過程Ⅱ主要表現(xiàn)為偏北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，過程Ⅰ主要是偏北風(fēng)和東南風(fēng)的輻合。連陰雨期間浙江500 hPa以及700 hPa盛行的西南氣流，有利于水汽輸送［3］。850 hPa輻合區(qū)的北風(fēng)分量有利于冷空氣南下與暖濕氣流在浙江交匯。同時500 hPa和700 hPa處于槽前，850 hPa處于冷暖氣流輻合區(qū)，也為垂直上升運動提供了條件。

3 冷空氣影響情況對比分析

兩次連陰雨期間不斷有冷空氣影響浙江。圖3可以看出，浙江緯度范圍內(nèi)(27°N～31．5°N)等溫線頻繁呈南北波動狀并且比較密集，說明冷暖氣流在這里交匯，由于總體上冷空氣較暖空氣強，隨著一次次冷空氣過程，整個溫度呈階梯型下降趨勢。過程Ⅰ和Ⅱ均存在較明顯的4次降溫和3次回暖過程。27°N ～31．5°N 緯度帶上等溫線一直比較密集，溫度梯度較大，也說明了有鋒區(qū)維持。值得注意的是在具體情況上過程Ⅰ和Ⅱ有差別，過程Ⅰ中2月25日以前等溫線南北振幅大，2月26日—3月5日振幅明顯減小，5日以后南北振幅再次加大。這可以理解為，26日以前南下冷空氣較暖空氣強，冷空氣的影響導(dǎo)致了明顯降溫，隨著冷空氣影響逐漸減弱，氣溫有所回升，緊接著又迎來下一次冷空氣過程，從降水形成機制上來看，冷空氣較暖空氣強，冷空氣南下使溫度梯度加大，鋒生形成降水，因此此時主要是冷鋒降水，由于南下冷空氣時間間隔短，降水并沒有間斷，只是降水強度伴隨冷空氣影響減弱而減弱。而2月26日—3月5日南下的冷空氣比暖空氣稍強，使得冷暖空氣長期對峙，氣溫下降緩慢，較強的溫度梯度一直維持，此時主要是準靜止鋒降水。聯(lián)系圖3和圖4可以看出，在26日以前，溫度梯度增強和降溫時間有較好的對應(yīng)關(guān)系。從實況分析，梯度減弱的時段正好對應(yīng)了降水減弱的時段。2月26日—3月5日強溫度梯度較穩(wěn)定維持，對應(yīng)了準靜止鋒降水時段，同時從實況上分析，這也是過程Ⅰ的雨量集中期［8］。在過程Ⅱ中，3月1日前雖然存在溫度的波動，但是振幅比過程Ⅰ小，隨后3月1—6日振幅減小，也存在準靜止鋒降水。從溫度梯度的分布上來看，隨著時間推移溫度梯度逐漸增強，在3日和6日發(fā)展到頂峰，梯度極值要大于過程Ⅰ中的極值。3月1—6日強梯度區(qū)維持，也對應(yīng)了準靜止鋒降水時段，同時也是過程Ⅱ的雨量集中期。

圖3 118°E～123°E 850 hPa平均溫度的緯度時間分布圖(單位：℃)

頻繁的冷空氣過程和連陰雨的形成有密切的關(guān)系。冷空氣南下使浙江省溫度梯度增大，鋒生形成降水。雨量的集中時期主要是冷暖氣流對峙，強鋒區(qū)較穩(wěn)定維持的準靜止鋒降水時段，這個時段過程Ⅱ的梯度比過程Ⅰ強，是造成兩次過程雨量差別的原因之一。

圖4 850 hPa 118°E～123°E平均溫度梯度的緯度時間分布圖(單位：℃/km)

4 兩次連陰雨期的垂直運動和大氣穩(wěn)定度比較

分別沿118°E，120°E 和122°E 作垂直速度和假相當位溫的垂直剖面圖來分析兩次連陰雨期的垂直運動和大氣穩(wěn)定度條件。

分析浙江省上空的垂直運動分布得出：過程Ⅱ和過程Ⅰ的上升運動區(qū)域都主要位于800～300 hPa之間，上升區(qū)所在的高度向北而逐漸增高，浙南地區(qū)的上升運動區(qū)域所在高度比浙北地區(qū)低，再往南上升運動區(qū)所在高度繼續(xù)降低，從浙江往北則主要是下沉運動的區(qū)域。因此垂直運動在浙江省呈現(xiàn)近地面層是下沉運動，中低層是上升運動的這種垂直配置。垂直運動的這種分布對應(yīng)了鋒面抬升的特征，即冷空氣在下，暖空氣在上，暖空氣沿冷空氣斜著向上向北爬升。從風(fēng)向矢量的分布也可以證實這個結(jié)論。分析垂直運動的強度，過程Ⅱ要強于過程Ⅰ。兩次過程垂直運動極值中心都位于浙江緯度上空，但強度不同。圖5可以看出，過程Ⅱ上升運動極值中心位于500～400 hPa，中心值-0．3 Pa/s。過程Ⅰ極值中心也位于500～400 hPa，中心值 -0．15Pa/s，只有過程Ⅱ強度的一半，而且范圍較小(圖5a方框處)，該區(qū)域基本盛行的是-0．12 Pa/s的上升氣流，上升運動區(qū)向上伸展到300～200 hPa，比過程Ⅱ略低。

圖5 連陰雨期沿120°E流場和垂直速度剖面(單位：Pa/s)

兩次連陰雨期的假相當位溫(以下簡稱位溫)垂直分布比較相似，在浙江緯度范圍內(nèi)等位溫線比其他緯度密集，位溫梯度大。過程Ⅰ中950 hPa以下等位溫線和等壓面近于垂直，950 hPa以上開始向北傾斜，與等壓面的夾角大于45°。過程Ⅱ中950 hPa以下等位溫線稍向南凸出，950 hPa以上開始與等壓面呈約45°夾角向北傾斜。因此，在過程Ⅰ近地面層近于中性層結(jié)，向上是穩(wěn)定層結(jié)。過程Ⅱ中近地面層屬于弱的不穩(wěn)定層結(jié)，向上是穩(wěn)定層結(jié)?？偟膩碚f，過程Ⅱ的大氣不穩(wěn)定層結(jié)較弱，不穩(wěn)定層向上伸展高度比較低，但大氣不穩(wěn)定性比過程Ⅰ稍強。

垂直速度和大氣穩(wěn)定度的差異是相互聯(lián)系的，上升運動是形成降水的必要動力條件，由于過程Ⅱ有弱的不穩(wěn)定層結(jié)存在，南下冷空氣不但使暖濕氣流被迫抬升，同時也作為不穩(wěn)定能量的觸發(fā)機制，使上升運動得到增強。因此上升運動強度和大氣穩(wěn)定度的差異是造成過程雨量和降水強度差異的原因之二。

5 兩次連陰雨期的水汽輻合和水汽輸送特征

連陰雨的形成離不開充足的水汽輸送和水汽在降水區(qū)的持續(xù)性輻合，下面討論兩次連陰雨過程的水汽輻合和水汽輸送特征。設(shè)V是全風(fēng)速的大小，g是重力加速度，假定是常數(shù)。q是比濕。取垂直于風(fēng)向的邊為底邊，對于底邊為單位長度，高為單位百帕的水汽通量為：Q1=，水汽通量散度為：

Q2＜0代表水汽輻合，Q2＞0代表水汽輻散。

本文計算1000～300 hPa各層在浙江省經(jīng)緯度內(nèi)的平均水汽通量和水汽通量散度，研究它們的演變來分析兩次連陰雨過程中水汽輸送和水汽輻合的特征。將圖6中的4幅圖相互比較不難看出，水汽輸送的大值區(qū)基本上位于對流層的中低層(900～650 hPa之間)，數(shù)值大于10 ×10-3g·s-1·hPa-1·cm-1，陰雨期間該區(qū)域不斷有閉合極值中心出現(xiàn)，從中低層向上和向下水汽通量大小遞減。在連陰雨期間，對流層中低層基本處于水汽輻合區(qū)控制下，其中雖然伴有一些水汽輻散，但是持續(xù)時間短，大部分時間里都是輻合區(qū)占主導(dǎo)地位。強輻合區(qū)以及輻合極值中心所在的高度和水汽通量大值區(qū)所在的高度近于重合，都主要位于900～650 hPa之間，650 hPa向上輻合區(qū)域面積減小很快，到500 hPa以上基本是輻散區(qū)。它們的出現(xiàn)時段也近于相同。陰雨期間強輻合區(qū)和水汽輸送大值區(qū)近于重合，出現(xiàn)時段相同，不但使水汽來源充足而且提供了持續(xù)的上升運動，為降水的維持提供了條件。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在過程Ⅰ和Ⅱ的降水集中時段，對流層中低層都有水汽通量、水汽通量散度極值中心對應(yīng)。值得注意的是：在過程Ⅱ的降水集中時段，水汽輸送和水汽輻合都達到了第二次連陰雨時期的最大值，極大值分別為16×10-3g·s-1·hPa-1·cm-1和20 ×10-8g·s-1·hPa-1·cm-2，并且這種形勢長期穩(wěn)定維持，形成了該時期大范圍頻繁發(fā)生的暴雨天氣。而在非降水集中時段，也有水汽輸送和水汽輻合的大值區(qū)存在，但是維持時間短，未能形成連續(xù)的強降水。過程Ⅰ的形勢和過程Ⅱ類似，但也有差別。降水集中時段并沒有包含最強的水汽輸送和水汽輻合，只是包含了相對較強的水汽輸送和水汽輻合，強水汽輸送在降水集中時段維持較穩(wěn)定，但強水汽輻合形勢的穩(wěn)定性較差，其間有短時的間斷出現(xiàn)，同時輻合的強度上也存在突變的現(xiàn)象，即輻合強度在趨于減弱時突然又明顯增強，但是時間維持很短，緊接著又減弱(如3月3—5日)?？偟膩碚f，過程Ⅰ的降水集中時段還是有相對較強的水汽輸送和水汽輻合較穩(wěn)定地維持，使得降水能夠持續(xù)，由于強度和持續(xù)性不如過程Ⅱ強，降水也較Ⅱ弱，但是因為突變時段強度較強，局地性的暴雨天氣也有發(fā)生。特別注意到過程Ⅰ中最強水汽輸送位于2月25日前后，該時間段水汽輻合強度也突然增強，從實況降水上分析，25日浙江確實出現(xiàn)了一次降水增強過程，日雨量超過50 mm的有3個站，但雨量分布不均勻。這也證明了強輻合和強水汽輸送同時存在有利暴雨的形成。

圖6 118°E ～123°E，27°N ～31°N 平均水汽通量(單位：10-3g·s-1·hPa-1·cm-1)和水汽通量散度(單位：10-8g·s-1·hPa-1·cm-2)時間高度分布圖

6 結(jié)語

(1)亞歐大陸中高緯地區(qū)穩(wěn)定維持兩脊一槽形勢，浙江處于槽區(qū)，有利于冷暖空氣在浙江交匯，這是形成連陰雨的有利環(huán)流背景。

(2)冷空氣南下使暖濕空氣強迫抬升，成云致雨，是降水的觸發(fā)條件。冷空氣頻繁南下，時間間隔短;或者冷暖空氣強度相當長期對峙，導(dǎo)致連陰雨的產(chǎn)生。

(3)冷暖空氣的強度對比不同形成的降水特點不同。兩次連陰雨期間包括準靜止鋒和冷鋒降水。雨量主要集中在準靜止鋒降水時期。該時期強鋒區(qū)長時間維持，降水特點是降水強度穩(wěn)定，持續(xù)性強。冷鋒降水的強度不穩(wěn)定，隨時間推移減弱，需要較短的冷空氣影響時間間隔才能維持連陰雨過程。冷空氣影響時往往使溫度梯度加大，鋒生形成降水或者使降水增強。兩次過程的鋒區(qū)強度不同是造成雨量和降水強度差別的原因之一。

(4)垂直上升運動是降水的必要動力條件，連陰雨期間降水區(qū)都存在深厚的上升運動區(qū)，過程Ⅱ中對流層低層存在弱的不穩(wěn)定層結(jié)，南下冷空氣一方面使暖濕空氣強迫抬升，同時也觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，增強了垂直上升運動。上升運動和大氣穩(wěn)定性差異是造成雨量和降水強度差別的原因之二。

(5)連陰雨的形成離不開充足的水汽輸送和水汽在降水區(qū)的持續(xù)性輻合。當強水汽輸送和強水汽輻合在時間和空間上重合時，有利于強降水的發(fā)生，當這種形勢長時間維持時，有利于產(chǎn)生大范圍的頻繁暴雨天氣。過程Ⅰ和Ⅱ的水汽輸送、水汽輻合強度以及兩者的相互配置不同是造成雨量和降水強度差別的原因之三。

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