劉圣楠 呂 健

(金華市氣象局,浙江 金華 321000)

0 引 言

暴雨一直是對國家、社會、人民有高影響的自然災(zāi)害之一。對暴雨的研究廣受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。突發(fā)的、局地的暴雨過程更是對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人民生產(chǎn)生活造成極大威脅。分析暴雨成因和完善暴雨預(yù)報的各項指標，提高氣象業(yè)務(wù)部門的暴雨預(yù)報技術(shù)，顯得尤為重要。

暴雨的形成不僅與大尺度形勢有關(guān)，很多時候，還與中尺度系統(tǒng)有關(guān)。杜小玲[1]、陳紅專等[2]、孫建華等[3]、李佳穎等[4]的研究表明，中尺度系統(tǒng)在暴雨發(fā)生發(fā)展的過程中有重要作用。對暴雨成因的分析不能只局限于對大尺度環(huán)流場的分析，還要深入分析中尺度系統(tǒng)對暴雨形成的重要作用。

2018年4月29日夜里，金華中部地區(qū)出現(xiàn)了暴雨天氣，其突發(fā)性、局地性、較低的可預(yù)報性，讓預(yù)報員們措手不及。本文利用自動站觀測資料和NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報中心)再分析資料，對此次暴雨過程展開分析，目的是加深對此次暴雨形成原因的理解，以期為未來類似天氣的預(yù)報提供有價值的參考。

1 降水實況

2018年4月29日15時，金華地區(qū)南部出現(xiàn)了弱降水，之后自南向北降水范圍不斷擴大。如圖1所示，此次過程的降水時段主要集中在29日18時—30日07時，之后降水逐漸減弱。

在降水集中時段內(nèi)，金華中部地區(qū)出現(xiàn)了暴雨，其中，中西部地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨。全市平均面雨量為44.2 mm，累計雨量大于100 mm的站共16個，大于50 mm的站共69個。單站最大累計降水量達140.1 mm；最大小時雨強達32.3 mm/h。

圖1 2018年4月29日09時—30日20時金華站逐時雨量演變(單位：mm)

2 天氣形勢

500 hPa渤海灣—云貴高原的低壓槽東移北縮，700 hPa有一條切變線配合東移，隨后該切變線由東北—西南向轉(zhuǎn)為東—西向；從500 hPa、700 hPa兩層配置來看，20時以后呈前傾結(jié)構(gòu)；850 hPa四川盆地以東的小槽東移減弱。

925 hPa金華地區(qū)位于蒙古低壓和東海以東洋面高壓之間，而在中高緯地區(qū)，阿爾泰山脈附近有一高壓，鄂霍次克海附近有一低壓，兩高兩低對峙，形成類似鞍形場的結(jié)構(gòu)。鞍形場區(qū)氣壓場很弱，風速很小，但由于流場變形有利于鋒生，容易產(chǎn)生中尺度氣旋等天氣系統(tǒng)，在水汽充足的情況下形成暴雨等天氣。在地面氣壓場上，金華地區(qū)處于大陸低壓和海上高壓之間的近均壓場中，暴雨落區(qū)的演變顯示此次暴雨過程雨帶在29日夜里自南向北擴展，在30日早晨逐漸消散。

綜上所述，此次暴雨過程的大尺度環(huán)境場并不是出現(xiàn)暴雨天氣的典型形勢，低層沒有明顯的切變線配合，地面也沒有顯著的低壓波動。在這種情況下依然在金華中部地區(qū)出現(xiàn)了暴雨天氣過程，究其原因，需進一步分析在此大背景下中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展對暴雨形成的作用與貢獻。

3 風場分析

2018年4月29日20時—30日02時700 hPa、850 hPa的風場演變表明，中低層在暴雨發(fā)生時段有兩個共同的特點：一是西南風風速加大；二是西南氣流帶上游南風分量先于下游增大，造成西南氣流中的風向、風速的雙重輻合。

同時段大氣底層925 hPa(圖2)，在29日20時和30日02時兩個時次，浙中地區(qū)存在明顯的西南風和偏南風的輻合線，該輻合線水平尺度在100～200 km，生命史約幾小時，這是典型的中尺度系統(tǒng)，被稱為中尺度輻合線。在暴雨發(fā)生時段，底層明顯的中尺度輻合線是重要的對流觸發(fā)機制和動力抬升機制。

大尺度環(huán)流場顯示，在暴雨發(fā)生時段，高層有低槽，中層有槽切緩慢東移，金華地區(qū)處于槽前上升運動區(qū)，而低層并沒有明顯的切變對應(yīng)，只是有一個小槽東移北縮減弱，底層處于類似鞍形場的偏南一側(cè)高、低壓之間，地面處于近均壓場中；對中低層和底層風場的進一步分析顯示，中低層西南風增大和西南氣流中風向輻合，對暴雨發(fā)生時段的水汽輸送和上升運動的維持起到了重要作用，而底層在暴雨發(fā)生期間，浙中地區(qū)一直存在的中尺度輻合線為暴雨的形成提供了有利的對流觸發(fā)、動力抬升機制。

圖2 925 hPa風場(單位：m/s，虛線方框指示風場輻合區(qū))

4 物理量場分析

為了進一步驗證925 hPa中尺度輻合線在此次暴雨過程形成中的重要作用，我們利用NCEP再分析資料，對925 hPa的水平散度場進行分析(圖3)。結(jié)果表明，江西境內(nèi)和浙江中西部地區(qū)分別存在一個輻合中心(A，B)，并且兩片輻合區(qū)連接在一起，兩個輻合中心均位于925 hPa中尺度輻合線西側(cè)，輻合中心與中尺度輻合線之間必定有密切關(guān)系；從29日14時—30日02時，兩個輻合中心的強度不斷加強，位置穩(wěn)定少動，而這段時間正是金華地區(qū)降水趨于明顯并出現(xiàn)暴雨的時段；30日08時，浙江境內(nèi)的輻合中心(靠東側(cè)的輻合中心B)已移出金華地區(qū)，對應(yīng)著金華地區(qū)降水減弱，而江西境內(nèi)的輻合中心仍然維持，強度有所減弱，對應(yīng)著該區(qū)域仍有降水。

選取距金華站最近的網(wǎng)格點(29°N,119°E)做時間—高度剖面，得到水平散度、垂直速度、水平渦度隨時間的垂直分布廓線。由分析可知，從29日傍晚到30日早晨，500 hPa以下為顯著的輻合層，500 hPa以上為顯著的輻散層，低層輻合、高層輻散的高低配置在暴雨發(fā)生時段一直維持，說明大范圍的上升運動有較長的持續(xù)時間。在暴雨出現(xiàn)時段，水平渦度正值區(qū)一直延展至250 hPa的對流層高層，進一步說明了垂直上升運動的強盛，這為暴雨的發(fā)生提供了十分有利的大尺度動力條件。

通過分析相對濕度場、水平方向水汽通量散度場及水平方向水汽通量隨時間的演變，來研究此次暴雨過程的水汽條件(圖4、圖5)。結(jié)果表明，在暴雨發(fā)生時段，相對濕度自底層至250 hPa的高層均超90%，700 hPa以下至近地層都是水汽通量散度的負值區(qū)，意味著水汽通量輻合，強烈的上升運動輸送水汽至高層，強盛的垂直水汽輸送帶一直延伸至對流層中高層，促進降水云系發(fā)生發(fā)展，最終形成此次暴雨。從水平方向水汽通量大值帶的演變看出，10g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量區(qū)自浙西南向浙中發(fā)展移動，說明在暴雨發(fā)生時段，水汽十分充足。

圖3 925 hPa水平散度場(單位：10-5s-1)

圖4 網(wǎng)格點(29°N，119°E)時間—高度剖面圖(a.相對濕度場(單位：%)、b.水平方向水汽通量散度場(單位：10-7g·cm-2·hPa-1·s-1))

5 雷達分析

為了進一步研究中尺度輻合線的發(fā)生、發(fā)展及其與暴雨出現(xiàn)之間的關(guān)系，對雷達資料進行分析，發(fā)現(xiàn)此次暴雨過程可以根據(jù)雷達回波的不同特征分為兩個階段：第一階段是4月29日18—20時，強降水由一條東—西向帶狀回波產(chǎn)生；第二階段是4月29日20—30日07時，強降水由先后5個中尺度對流降水云團的列車效應(yīng)產(chǎn)生。

第一階段，從29日傍晚開始，西側(cè)上游的帶狀混合降水回波東移靠近金華地區(qū)，該回波強度穩(wěn)定，造成金華18—20時的持續(xù)降水，2 h內(nèi)全市普降小到中雨；19時40分該帶狀回波已移至金華中東部，上游衢州市開化縣附近新生一塊對流降水回波，為了便于區(qū)分不同的中尺度云團，我們將其稱為1號對流云團，它是下一階段降水過程的初始云團。該云團的形成時間為29日19時40分，通過逐6 h再分析資料分析得出的底層中尺度輻合線的出現(xiàn)時間為29日20時。底層中尺度輻合線對于對流云團的新生和發(fā)展趨勢有重要作用，有利于對流單體的發(fā)生、發(fā)展。底層中尺度輻合線的出現(xiàn)是1號對流云團形成的重要條件。圖6為多個代表時次金華站雷達0.5°仰角基本反射率。

第二階段，1號對流云團不斷東移靠近，29日20時15分，強降水中心已移至衢州市區(qū)西北部，1 h后移至龍游西部(在1號對流云團上游的開化、淳安一帶2號云團生成)；21時43分，強中心即將移入金華地區(qū)，在此東移過程中回波強度穩(wěn)定，最大反射率因子達55 dBZ以上；22時，強回波已經(jīng)移至金華西部地區(qū)，2號云團東移至衢州北部，兩個云團繼續(xù)向東偏南方向移動；23時12分，在淳安、常山、衢州一帶3號云團生成。30日00時40分，1號云團移出金華，2號和3號云團合并在一起，強度有所減弱；01時03分，在常山北部4號云團生成，合并后的2、3號云團再度加強并東移南壓；03時06分，2、3號云團南壓出去，4號云團移至婺城區(qū)西部，與此同時，5號云團在衢州北部生成發(fā)展；4號和5號云團繼續(xù)東移南壓；04時52分，4號云團減弱消失；05時33分，5號云團南壓至武義北部，強度增強；06時30分左右，5號云團(降水主雨帶)南壓至金華東南部地區(qū)，強度有所減弱。從對應(yīng)的實況來看，30日07時之后降水逐漸減弱。

圖6 多個代表時次金華站雷達0.5°仰角基本反射率

2、3、4號云團的發(fā)生、發(fā)展是底層中尺度輻合線維持的結(jié)果，輻合線的存在為后續(xù)這4個對流降水云團的出現(xiàn)提供了重要的動力觸發(fā)機制。5個對流云團的接連出現(xiàn)，不斷消耗大氣中的能量，30日早晨底層中尺度輻合線趨于減弱，5號云團逐漸減弱移出金華地區(qū)。

綜上所述，底層中尺度輻合線的形成觸發(fā)了大氣中不穩(wěn)定能量的釋放，在輻合線一帶接連不斷地激發(fā)出5個對流云團，云團的發(fā)生、發(fā)展不斷消耗大氣中的不穩(wěn)定能量。隨著降水的持續(xù)，大氣中的水汽和不穩(wěn)定能量減少，底層輻合線強度變?nèi)?，進而降水逐漸減弱。

分析上述中尺度對流云團的速度場發(fā)現(xiàn)，不斷形成的輻合區(qū)東移，到達金華地區(qū)時，中低層風場輻合觸發(fā)局地大氣向上運動，這種動力抬升使上升運動強烈發(fā)展，加上充足水汽的配合，最終成云致雨，而輻合區(qū)的長時間維持造成了降水的長時間維持。圖7為多個代表時次金華站雷達0.5°仰角速度場。從圖7可知，在金華西部的大氣中低層存在一條十分明顯的輻合線，其存在的時段與短時強降水的兩個時段中的第二個時段有較好的對應(yīng)。

6 模式檢驗

從28日20時和29日08時起報的多種數(shù)值模式對29日夜里(29日20時—30日08時)12 h累計雨量預(yù)報及實況圖來看(圖8)，28日20時全球模式(ECMWF、GRAPES、GFS、JMA、CMA、OCF)對降水量的預(yù)報量級明顯比實況小。在區(qū)域模式(Shanghai、ZJWARMS、WRF)中,WRF的預(yù)報(降水落區(qū)和量級)最接近實況，但在29日08時更新預(yù)報時，WRF模式預(yù)報落區(qū)向南調(diào)整,量級也被下調(diào)，與實況偏差變大，這在很大程度上降低了此次強降水過程的可預(yù)報性，使得預(yù)報員無法參照模式調(diào)整作出正確研判。

圖8 多種數(shù)值模式對29日夜里(29日20時—30日08時)12 h累計雨量預(yù)報及實況圖(a.從28日20時起報、b.從29日08時起報)(單位：mm)

從上述分析可知，此次暴雨過程不是在典型的暴雨大尺度環(huán)流特征下出現(xiàn)的，而是由一條穩(wěn)定少動的底層中尺度輻合線觸發(fā)所致。大尺度模式側(cè)重大尺度環(huán)流背景對降水的影響與作用；中尺度模式雖然表現(xiàn)出比大尺度模式有更好的參考性，但雨量預(yù)報偏小，且在新的起報時次中，進一步將雨量下調(diào)，這可能是由于模式對此次暴雨過程中出現(xiàn)的中尺度輻合線的強度和維持時間有所低估。模式的錯誤引導(dǎo)大大增加了預(yù)報員精準預(yù)報的難度。

由此可見，中尺度輻合線在此次暴雨過程中起到不可或缺的重要作用，而中尺度輻合線這種次天氣尺度系統(tǒng)是很難預(yù)報出來的，有利于中尺度輻合線形成和維持的大尺度環(huán)流特征以及中尺度輻合線與產(chǎn)生“列車效應(yīng)”的對流云團之間的反饋機制值得進一步探討。

7 結(jié) 語

(1)中尺度輻合線是此次暴雨過程形成的最直接的動力觸發(fā)機制。

(2)中尺度輻合線周圍不斷新生對流單體產(chǎn)生“列車效應(yīng)”，降水持續(xù)時間長，最終形成暴雨。

(3)中尺度輻合線的維持使小的對流單體不斷生成，為此次暴雨過程提供了動力觸發(fā)機制，使局地大氣產(chǎn)生強烈的垂直上升運動；強盛的西南氣流使得水汽輸送十分充足，為此次暴雨過程提供了水汽來源；輻合區(qū)的穩(wěn)定少動使降水持續(xù)時間長。

(4)中尺度輻合線的存在誘發(fā)一個接一個的降水云團產(chǎn)生，而它的減弱也對應(yīng)著降水云團的減弱，中尺度輻合線與降水云團之間的反饋機制值得進一步探索。

(5)中尺度輻合線的形成機理及其對暴雨的動力觸發(fā)機制需要進一步深入研究，比如開展高分辨率數(shù)值模擬精細化研究，以期得到暴雨預(yù)報的某種中尺度指標。