王麗芳 張雪蓉 廖一帆 濮梅娟，5

(1 嘉定區(qū)氣象局，上海 201800；2 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210009；3 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210009；4 南京信息工程大學(xué)，南京 210044；5 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210008)

引 言

臺(tái)風(fēng)暴雨是我國(guó)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的重要部分，包括臺(tái)風(fēng)環(huán)流直接引起的暴雨和臺(tái)風(fēng)與周圍系統(tǒng)相互作用造成的暴雨[1-4]。華東地處中緯度沿海，遭受臺(tái)風(fēng)環(huán)流直接影響不多，但受臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離影響比較多。當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心位置還在較遠(yuǎn)的南方，如浙南、福建或廣東時(shí)，其北伸倒槽已經(jīng)可以使距離較遠(yuǎn)的華東北部(30°N以北)開始降水，特別是同時(shí)有中緯度冷槽或冷空氣活動(dòng)時(shí)，能夠引起更強(qiáng)更集中的暴雨，這類暴雨屬于典型的臺(tái)風(fēng)與中緯度系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的暴雨。近10 a來，華東地區(qū)臺(tái)風(fēng)倒槽暴雨時(shí)有發(fā)生，而且往往雨量大、雨勢(shì)猛。如2000年臺(tái)風(fēng)“派比安”在浙江舟山近海掠過、2012年臺(tái)風(fēng)“?？痹谡憬笊降顷憸p弱過程中，臺(tái)風(fēng)倒槽與冷空氣結(jié)合，給江蘇淮北帶去罕見特大暴雨，兩次過程的最大降水中心響水24 h降水量分別達(dá)到830.3 mm和507.8 mm，前者甚至接近當(dāng)?shù)匾荒甑慕邓俊?/p>

對(duì)于臺(tái)風(fēng)與中緯度系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的暴雨，很多專家開展了研究。游景炎等[5]基于過程建立了臺(tái)風(fēng)外圍暴雨概念模型，強(qiáng)調(diào)了臺(tái)風(fēng)本身及其與周圍系統(tǒng)共同引起的低空急流對(duì)特大暴雨的作用。張少林等[6]指出0418號(hào)熱帶氣旋北伸倒槽與西風(fēng)帶弱冷空氣結(jié)合造成大暴雨，具有明顯中低緯系統(tǒng)相互作用特征。臺(tái)風(fēng)倒槽外圍的東南急流為臺(tái)風(fēng)艾利造成河南東部大暴雨提供了水汽和熱力條件，臺(tái)風(fēng)倒槽頂部的強(qiáng)輻合作用是暴雨發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制[7]。閆淑蓮等[8]認(rèn)為熱帶低壓倒槽輻合線是山東威海特大暴雨的初始上升運(yùn)動(dòng)，高低空急流耦合及高層強(qiáng)輻散為對(duì)流云團(tuán)產(chǎn)生提供了有利的環(huán)境流場(chǎng)。北方擴(kuò)散南下冷空氣與臺(tái)風(fēng)北側(cè)外圍的東風(fēng)急流匯合使得輻合抬升得到加強(qiáng)[9]。在臺(tái)風(fēng)登陸后西移過程中，西風(fēng)帶冷槽為臺(tái)風(fēng)倒槽降水提供低層輻合、高層輻散，激發(fā)強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)的大尺度背景[10]。陳德花等[11]表明臺(tái)風(fēng)倒槽內(nèi)暖濕切變線上的中尺度對(duì)流云團(tuán)是臺(tái)風(fēng)外圍暴雨產(chǎn)生的直接原因。熱帶低壓與冷空氣之間中尺度輻合線長(zhǎng)時(shí)間維持，系統(tǒng)耦合產(chǎn)生強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，不穩(wěn)定能量釋放產(chǎn)生大暴雨[12]。以上研究從關(guān)鍵影響系統(tǒng)、暴雨發(fā)生發(fā)展條件和中小尺度系統(tǒng)特征等不同角度揭示了臺(tái)風(fēng)與中緯度系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生暴雨、尤其是遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)倒槽暴雨的成因，但由于中低緯度系統(tǒng)相互作用過程非常復(fù)雜，且倒槽暴雨通常局地性很強(qiáng)，雨勢(shì)又極其猛烈，很難精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，一直以來都是臺(tái)風(fēng)暴雨分析預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)之一，因此仍有必要通過不同的個(gè)例進(jìn)一步研究，提高此類暴雨的預(yù)報(bào)服務(wù)能力。

9月處于夏秋季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)段，冷空氣勢(shì)力逐漸加強(qiáng)，冷暖氣團(tuán)交匯是華東臺(tái)風(fēng)倒槽暴雨的重要原因。2018年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”在太平洋洋面生成后，穩(wěn)定西行，強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，16日傍晚在廣東江門沿海登陸。受其北伸倒槽影響，9月16—17日長(zhǎng)三角地區(qū)出現(xiàn)猛烈的小范圍大暴雨、局地特大暴雨天氣，24 h雨量最大出現(xiàn)在常熟(297 mm)，超過“山竹”臺(tái)風(fēng)本體在珠三角的雨量最大值(陽江255 mm)。盡管臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)在廣東，但其倒槽與中緯度西風(fēng)槽結(jié)合給數(shù)千公里外的長(zhǎng)三角帶來強(qiáng)烈降水，屬于典型的遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)倒槽暴雨。此次大暴雨過程短期預(yù)報(bào)誤差較大。本文利用FNL再分析資料，結(jié)合加密自動(dòng)站、雷達(dá)、衛(wèi)星等非常規(guī)觀測(cè)資料和數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，分析造成此次大暴雨的中尺度系統(tǒng)活動(dòng)特征、環(huán)境條件和觸發(fā)機(jī)制，探討數(shù)值模式可預(yù)報(bào)性，旨在提高對(duì)此類遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)倒槽暴雨的認(rèn)識(shí)，為今后業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和模式訂正提供一定借鑒。

1 暴雨特點(diǎn)

2018年9月16—17日，受“山竹”臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離倒槽和北方冷空氣共同影響，長(zhǎng)三角出現(xiàn)了強(qiáng)暴雨天氣，大暴雨主要位于蘇南東部和皖東南部(圖1a)。其中16日14—20時(shí)(北京時(shí)，下同)暴雨集中在長(zhǎng)江口區(qū)通州、海門和常熟一帶，局地性明顯(圖1b)；16日20時(shí)—17日02時(shí)暴雨位于無錫—常熟—如皋一線，皖東南也出現(xiàn)局地暴雨(圖1c)；17日02—08時(shí)暴雨東移到常熟—太倉—啟東一線(圖1d)；17日08時(shí)以后暴雨區(qū)南壓到杭州灣以南，蘇南和上海的降水明顯減弱。

此次臺(tái)風(fēng)倒槽大暴雨中尺度特征明顯，具有突發(fā)性強(qiáng)、局地性強(qiáng)、短時(shí)降水量極大和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，強(qiáng)降水從16日傍晚持續(xù)到17日早晨，長(zhǎng)達(dá)15 h，伴有強(qiáng)烈的短時(shí)強(qiáng)降水(最大小時(shí)降水量超過130 mm)和雷電活動(dòng)。過程可分兩個(gè)時(shí)段：16日16—22時(shí)(以下簡(jiǎn)稱第一階段)和16日23時(shí)—17日06時(shí)(以下簡(jiǎn)稱第二階段)(圖2)。通過分析各站點(diǎn)降水量峰值出現(xiàn)時(shí)間發(fā)現(xiàn)，第一階段小時(shí)降水量峰值依次為南通63.7 mm(16日18時(shí))、海門92.8 mm(16日20時(shí))和崇明明珠湖131.2 mm(16日21時(shí))，反映了中尺度對(duì)流系統(tǒng)在長(zhǎng)江口區(qū)穩(wěn)定少動(dòng)、快速增強(qiáng)的過程；第二階段降水量峰值常熟80.5 mm(16日23時(shí))、太倉62.6 mm(17日03時(shí))、啟東56.5 mm(17日04時(shí))，表明此階段暴雨是由中尺度對(duì)流系統(tǒng)自西向東移動(dòng)造成。

圖1 累積降水分布(單位:mm)：(a) 16日08時(shí)—17日08時(shí)；(b)16日14—20時(shí)；(c)16日20時(shí)—17日02時(shí)；(d)17日02—08時(shí)Fig.1 Accumulated precipitation distribution (units:mm): (a) from 08∶00 BST on 16 to 08∶00 BST on 17;(b)from 14∶00 BST to 20∶00 BST on 16;(c)from 20∶00 BST on 16 to 02∶00 BST on 17;(d)from 02∶00 BST to 08∶00 BST on 17

圖2 大暴雨代表站的小時(shí)降水量時(shí)間演變Fig.2 Temporal evolution of 1 h accumulated precipitation at typical stations in rainstorm area

2 環(huán)流背景和影響系統(tǒng)

暴雨發(fā)生前，500 hPa中高緯環(huán)流西高東低，東北亞冷渦緩慢東移，冷渦南側(cè)低槽伸向華北北部，其后不斷有冷空氣補(bǔ)充。河套以西有短波槽活動(dòng)，溫度槽落后于高度槽。副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱“副高”)強(qiáng)盛，控制我國(guó)華東和華中大部。700 hPa高空槽位于山東中部—河南北部一線(圖3a)。低層臺(tái)風(fēng)倒槽經(jīng)廣東、江西、安徽伸向江蘇北部，倒槽兩側(cè)溫度梯度大，冷暖平流顯著，冷空氣經(jīng)渤?！綎|半島向西回流到蘇皖北部，長(zhǎng)三角地區(qū)處在倒槽南側(cè)的東南暖濕氣流中(圖3c)。

圖3 (a—b)500 hPa高度場(chǎng)(實(shí)線，單位：dagpm)和溫度場(chǎng)(虛線，單位：℃，其中粗實(shí)線和粗虛線分別表示500 hPa和700 hPa低槽)；(c—d) 850 hPa風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)(虛線，單位：℃，粗實(shí)線表示臺(tái)風(fēng)倒槽輻合線)：(a、c)16日08時(shí)；(b、d)16日20時(shí)Fig.3 (a-b) height field(solid line，unit:dagpm) and temperature field(dotted lines，unit:℃) at 500 hPa (thick solid line and dotted lineindicate height trough at 500 hPa and 700 hPa); (c-d)wind field and temperature field at 850 hPa (dotted lines，unit:℃; thick solid line represents inverted trough convergence line): (a，c)08∶00 BST on 16; (b，d)20∶00 BST on 16

16日20時(shí)副高加強(qiáng)北抬，592 dagpm線西伸控制上海和浙江大部，副高與臺(tái)風(fēng)環(huán)流之間形成低空東南急流。河套短波槽東移發(fā)展，冷空氣持續(xù)向南擴(kuò)散，冷舌伸到浙東海面，700 hPa槽線南壓到山東南部—河南中部(圖3b)。低層?xùn)|北氣流擴(kuò)展到江蘇中部，等溫線密集帶加強(qiáng)鋒生。倒槽南壓到江蘇沿江，頂端氣旋性輻合增強(qiáng)。大陸冷高壓、副高及北槽南渦構(gòu)成了穩(wěn)定的鞍型場(chǎng)形勢(shì)，冷暖空氣在倒槽頂端持續(xù)交匯，造成長(zhǎng)三角大暴雨、局地特大暴雨天氣(圖3d)。因此，臺(tái)風(fēng)倒槽及其東側(cè)低空急流、高空槽是此次臺(tái)風(fēng)倒槽大暴雨主要的天氣尺度影響系統(tǒng)，臺(tái)風(fēng)、冷渦、大陸冷高壓及副高的穩(wěn)定為冷暖空氣持續(xù)交匯提供了有利的環(huán)流背景條件。

3 中尺度特征分析

中小尺度系統(tǒng)是暴雨的直接制造者，暴雨的強(qiáng)度、落區(qū)、出現(xiàn)時(shí)間與中小尺度系統(tǒng)的活動(dòng)及特點(diǎn)密切相關(guān)。本次臺(tái)風(fēng)倒槽大暴雨過程中尺度特征明顯，利用逐時(shí)地面加密自動(dòng)站資料、FY-2E衛(wèi)星黑體亮度溫度(Black Body Temperature, TBB)資料和上海南匯多普勒雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)其中尺度特征進(jìn)行分析。

3.1 中尺度云團(tuán)演變特征

TBB是表征對(duì)流云強(qiáng)度的參數(shù)，可較好反映中尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展情況。TBB≤-32 ℃的區(qū)域表示活躍對(duì)流區(qū)，TBB≤-52 ℃的對(duì)流云團(tuán)與MCS有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13-17]。此次大暴雨過程由4個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)產(chǎn)生，第一階段長(zhǎng)江口區(qū)暴雨受3號(hào)對(duì)流云團(tuán)局地發(fā)展影響，第二階段蘇南東部—上海北部暴雨由4號(hào)對(duì)流云團(tuán)東移發(fā)展造成。

圖4 FY-2E衛(wèi)星TBB分布(單位：℃)：(a)16日16時(shí)30分；(b) 16日17時(shí)30分；(c)16日18時(shí)30分；(d)16日19時(shí)30分；(e)16日20時(shí)30分；(f)16日21時(shí)30分；(g)16日22時(shí)30分；(h)16日23時(shí)30分；(i)17日00時(shí)30分Fig.4 TBB derived from FY-2E distribution(unit:℃) at: (a)16∶30 BST on 16; (b)17∶30 BST on 16; (c)18∶30 BST on 16;(d)19∶30 BST on 16; (e)20∶30 BST on 16; (f)21∶30 BST on 16; (g)22∶30 BST on 16; (h)23∶30 BST on 16; (i)00∶30 BST on 17

16日傍晚浙江中北部1號(hào)和2號(hào)對(duì)流云團(tuán)發(fā)展合并，緩慢向西北移動(dòng)(圖4a)，長(zhǎng)江口區(qū)和皖東南部先后有小云團(tuán)快速發(fā)展為3號(hào)和4號(hào)對(duì)流云團(tuán)，1 h內(nèi)云頂溫度由-52 ℃降到-67 ℃，云團(tuán)北側(cè)形成了TBB等值線梯度大值區(qū)(圖4b、c)。1號(hào)和2號(hào)云團(tuán)北移與原地發(fā)展的3號(hào)和4號(hào)云團(tuán)合并，形成了東北西南向的強(qiáng)對(duì)流云帶，4個(gè)云團(tuán)-67 ℃的冷中心彼此獨(dú)立(圖4d)。之后1號(hào)和2號(hào)冷中心并入使3號(hào)和4號(hào)云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展增強(qiáng)，20時(shí)30分，-67 ℃冷云面積顯著增大，云頂溫度進(jìn)一步降低到-72 ℃，云團(tuán)發(fā)展達(dá)到最盛階段(圖4e)，該小時(shí)出現(xiàn)了此次過程的最強(qiáng)降水(圖2)。18—21時(shí)3號(hào)云團(tuán)在長(zhǎng)江口區(qū)快速發(fā)展，南通(17—18時(shí)，64 mm)、海門(19—20時(shí)，93 mm)和崇明北部(20—21時(shí)，明珠湖131 mm，廟鎮(zhèn)生態(tài)園110 mm)的強(qiáng)暴雨發(fā)生在其快速增強(qiáng)期間，暴雨出現(xiàn)在云團(tuán)北側(cè)TBB梯度大值區(qū)中，雨強(qiáng)隨云頂溫度降低快速增強(qiáng)，崇明北部100 mm·h-1以上的極端強(qiáng)降水與云團(tuán)發(fā)展到-72 ℃相對(duì)應(yīng)。21時(shí)以后3號(hào)云團(tuán)近海維持，4號(hào)云團(tuán)在太湖以東再度發(fā)展、緩慢東移(圖4f、g)，期間云頂溫度保持在-67 ℃以下，先后給常熟、昆山太倉、崇明和啟東帶去40～80 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水(圖4h、i)。兩個(gè)階段的降水累積效應(yīng)使長(zhǎng)江口區(qū)雨量進(jìn)一步加大，局地達(dá)到特大暴雨。

3.2 中尺度雨團(tuán)與中尺度風(fēng)場(chǎng)分析

利用地面逐小時(shí)加密自動(dòng)站觀測(cè)資料分析中尺度雨團(tuán)及地面中尺度風(fēng)場(chǎng)特征，考慮到本次過程強(qiáng)對(duì)流特征顯著，將1 h降水量大于等于20 mm且范圍達(dá)到或超過幾十公里的雨區(qū)定義為中尺度雨團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱為雨團(tuán))。

圖5 16日逐時(shí)地面中尺度風(fēng)場(chǎng)和降水量(單位：mm；粗實(shí)線為地面中尺度輻合線，圈內(nèi)為南通、通州和海門站所在位置)：(a)16時(shí)；(b) 17時(shí)；(c)18時(shí)；(d)20時(shí)Fig.5 The hourly ground mesoscale wind field and precipitation distribution on 16 (unit:mm; thick solid line represents groundmesoscale convergence line; the circle indicates the location of Nantong，Tongzhou and Haimen station) at: (a)16∶00 BST;(b)17∶00 BST;(c)18∶00 BST;(d)20∶00 BST

東北風(fēng)(偏北風(fēng))與東南風(fēng)(偏東風(fēng))之間形成的地面中尺度輻合線是此次過程的關(guān)鍵觸發(fā)機(jī)制。16日16時(shí)東北氣流前沿位于蘇南西部，蘇南東部—上海北部以偏東風(fēng)為主，中尺度輻合線偏西偏北，且輻合較弱，降水也較弱(圖5a)。1 h后，冷空氣向東擴(kuò)散，南通和通州由偏東風(fēng)逆轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，輻合線東移南壓到長(zhǎng)江口區(qū)(北端界于通州和海門之間)觸發(fā)雨團(tuán)，南通出現(xiàn)48 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水(圖5b)。18時(shí)暖濕氣流增強(qiáng)，海門和通州轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，輻合線西移到通州和南通之間，兩站僅相距數(shù)十公里，地面輻合增強(qiáng)，雨團(tuán)沿輻合線發(fā)展，南通小時(shí)雨強(qiáng)增加到64 mm·h-1(圖5c)。之后冷空氣繼續(xù)向東南擴(kuò)散，太倉逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，同時(shí)暖濕氣流也進(jìn)一步深入，通州和海門南風(fēng)分量增大，南通也轉(zhuǎn)為東南風(fēng)；20時(shí)長(zhǎng)江口區(qū)南北兩側(cè)西北風(fēng)與東南風(fēng)之間形成氣旋性輻合中心，地面輻合進(jìn)一步加強(qiáng)，雨團(tuán)發(fā)展增強(qiáng)，海門和崇明北部先后出現(xiàn)93 mm·h-1(19—20時(shí))和131 mm·h-1(20—21時(shí))的極端暴雨(圖5d)。21時(shí)以后，輻合線被冷空氣切斷，北段減弱消失，南段穩(wěn)定在蘇南南部—上海北部，觸發(fā)新雨團(tuán)沿輻合線緩慢東移，造成第二階段強(qiáng)降水(圖略)。因此，地面中尺度輻合線是此次過程的關(guān)鍵觸發(fā)機(jī)制，長(zhǎng)江口區(qū)站點(diǎn)風(fēng)向的轉(zhuǎn)變可較好地反映地面輻合的位置和強(qiáng)度，氣旋性輻合中心的形成對(duì)雨團(tuán)增幅具有重要作用。

3.3 多普勒雷達(dá)回波演變特征

圖6 16日南匯雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(a—c)和徑向速度(d—f):(a、d)17時(shí)49分；(b、e)19時(shí)03分；(c、f)19時(shí)26分Fig.6 (a-c)Radar reflectivity and (d-f)radial velocity of Nanhui Radar at the elevation of 0.5°on16 at: (a，d)17∶49 BST; (b，e)19∶03 BST; (c，f)19∶26 BST

利用上海南匯雷達(dá)產(chǎn)品，重點(diǎn)分析第一階段長(zhǎng)江口區(qū)極端暴雨期間的雷達(dá)回波和徑向速度場(chǎng)演變特征。16日下午開始長(zhǎng)三角有分散對(duì)流發(fā)展，17時(shí)49分崇明北部55 dBZ的鉤狀回波南側(cè)有明顯的入流缺口，對(duì)應(yīng)18 m·s-1的大風(fēng)速擾動(dòng)中心(圖6a、d中圓圈)。強(qiáng)回波出現(xiàn)在零速度區(qū)及大風(fēng)速中心北側(cè)，反映了風(fēng)向輻合及風(fēng)速擾動(dòng)對(duì)于中小尺度系統(tǒng)的觸發(fā)作用。之后在東路冷空氣擴(kuò)散南下和低空東南急流增強(qiáng)北抬的共同作用下，正負(fù)速度同時(shí)增強(qiáng)向長(zhǎng)江口區(qū)集中，19時(shí)03分崇明北部18 m·s-1的正速度中心與其西北側(cè)-5 m·s-1的負(fù)速度中心構(gòu)成了明顯的氣旋性輻合形勢(shì)?；夭ㄔ谝苿?dòng)過程中合并發(fā)展，其中鑲嵌多個(gè)60 dBZ的強(qiáng)對(duì)流中心，海門19—20時(shí)出現(xiàn)93 mm·h-1的短時(shí)暴雨(圖6b、e)。19時(shí)26分正負(fù)速度進(jìn)一步增強(qiáng)，-13 m·s-1的負(fù)速度中心向南越過長(zhǎng)江口，與25 m·s-1的正速度中心形成了垂直于徑向的正負(fù)速度對(duì)(圖6c、f)，表明有中氣旋形成，氣旋性輻合得到顯著加強(qiáng)。冷暖空氣持續(xù)交匯，最強(qiáng)反射率因子維持在60 dBZ以上，20—21時(shí)崇明北部最大小時(shí)雨強(qiáng)增加到131 mm(圖2)。即中氣旋的形成提前于強(qiáng)暴雨增幅約半個(gè)小時(shí)，具有良好的先兆性和預(yù)報(bào)預(yù)警意義。20時(shí)25分負(fù)速度中心擴(kuò)展到崇明中部，氣旋性輻合形勢(shì)被破壞，逐步轉(zhuǎn)為氣旋性輻散，不利于強(qiáng)回波繼續(xù)維持，對(duì)應(yīng)21時(shí)以后崇明北部降水快速減弱。

4 暴雨發(fā)生發(fā)展的有利條件

4.1 冷暖空氣相互作用

為進(jìn)一步了解冷暖空氣持續(xù)交匯對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展的影響，分析1 000 hPa溫度平流及風(fēng)場(chǎng)變化發(fā)現(xiàn)，此次過程暴雨區(qū)存在“暖—冷—暖”的溫度平流變化過程。暴雨發(fā)生前，暖平流自東海海面伸到江淮北部，冷平流位于山東半島—黃海北部，東南風(fēng)與東北風(fēng)形成的輻合線與溫度平流零線對(duì)應(yīng)，長(zhǎng)三角處在輻合線南側(cè)暖平流中，為暴雨儲(chǔ)備充足能量。午后冷空氣南下，黃海北部—蘇皖中北部東北風(fēng)加大，冷平流增強(qiáng)、范圍增大，中心值由-6×10-5℃·s-1增加到-12×10-5℃·s-1，長(zhǎng)三角轉(zhuǎn)為冷平流控制；輻合線東移南壓到長(zhǎng)江口區(qū)—太湖一線(圖略)，冷空氣侵入暖濕氣團(tuán)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，激發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)，暴雨發(fā)生發(fā)展。20時(shí)低空急流增強(qiáng)北抬，暖平流再度北上控制長(zhǎng)三角東部，北側(cè)冷平流有所減弱，中心退回黃海北部；期間輻合線穩(wěn)定少動(dòng)，冷暖空氣持續(xù)交匯，暴雨沿輻合線發(fā)展，長(zhǎng)江口區(qū)出現(xiàn)100 mm·h-1以上的極端強(qiáng)降水。半夜以后暖平流進(jìn)一步加強(qiáng)北頂，為第二階段暴雨維持提供必要的水汽和能量。

4.2 水汽條件

充分的水汽供應(yīng)是強(qiáng)降水形成的重要條件，低空急流是暴雨過程中輸送水汽的重要載體[18]。16日20時(shí)西伸加強(qiáng)的副高與臺(tái)風(fēng)環(huán)流之間梯度加大，長(zhǎng)三角低層?xùn)|南風(fēng)增大。寶山站850 hPa和925 hPa東南風(fēng)分別由08時(shí)的6 m·s-1和10 m·s-1增加到12 m·s-1和14 m·s-1，比濕由9 g·kg-1和15 g·kg-1分別增加到13 g·kg-1和17 g·kg-1，滿足出現(xiàn)暴雨的必要條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)大氣可降水量達(dá)到50 mm時(shí)上?？僧a(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，在60 mm時(shí)會(huì)產(chǎn)生30 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水[19]。本次過程前，暴雨區(qū)大氣可降水量持續(xù)增加，強(qiáng)降水期間(16日14時(shí)—17日08時(shí))PWV始終維持在60 mm以上。

圖7 975 hPa水汽通量(實(shí)線，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1，箭頭為風(fēng)矢)及水汽通量散度(陰影，單位：10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)：(a) 16日14時(shí)；(b) 16日20時(shí)Fig.7 Vapor flux (solid line， unit:g·cm-1·hPa-1·s-1；arrows represent wind vector) and vapor flux divergence(shaded area，unit:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1) at 975 hPa at:(a)14∶00 BST on 16;(b)20∶00 BST on 16

大暴雨(局地特大暴雨)的產(chǎn)生除局地水汽外，還需要外界持續(xù)的水汽輸送和局地輻合。16日14時(shí)長(zhǎng)三角水汽通量較弱，但沿著倒槽輻合線已經(jīng)形成中心值-6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合帶(圖7a)，傍晚前后強(qiáng)降水沿輻合線發(fā)生發(fā)展，即水汽輻合提前于強(qiáng)降水出現(xiàn)。之后伴隨東南急流增強(qiáng)北抬和東路冷空氣擴(kuò)散南下，東海和黃海的兩支水汽共同輸向長(zhǎng)三角，暴雨區(qū)水汽通量和水汽輻合都迅速增大，16日20時(shí)兩者中心值分別增加到16 g·cm-1·hPa-1·s-1和-9×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1(圖7b)，蘇南東部和皖東南部的兩個(gè)輻合中心與圖1a中大暴雨落區(qū)對(duì)應(yīng)較好。因此，(超)低空東南急流是此次過程的重要水汽來源，東路冷空氣攜帶的北支水汽加強(qiáng)了暴雨區(qū)低層的水汽輸送和輻合，異常的高比濕和大氣可降水量為中尺度暴雨云團(tuán)的形成和維持提供了充分的水汽條件。與倒槽輻合線對(duì)應(yīng)的水汽輻合帶先于強(qiáng)降水出現(xiàn)，其上輻合中心的位置和強(qiáng)度對(duì)暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)有較好的指示意義。

4.3 動(dòng)力抬升條件

除了充足的水汽供應(yīng)外，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是暴雨發(fā)生發(fā)展的另一必要條件。16日20時(shí)，(超)低空東南急流出口區(qū)的風(fēng)速輻合及倒槽輻合線兩側(cè)東南風(fēng)和東北風(fēng)的風(fēng)向輻合，在長(zhǎng)三角形成了東北西南向的風(fēng)場(chǎng)輻合帶，中心值-4×10-5s-1(圖8a)。同時(shí)，200 hPa上高空槽前急流南壓，長(zhǎng)三角處在急流入口區(qū)右側(cè)，同樣是東北西南向的輻散大值區(qū)，垂直疊加在低層輻合區(qū)之上，構(gòu)成了低層輻合、高層輻散的有利配置；且高層輻散中心值達(dá)到14×10-5s-1，顯著強(qiáng)于低層輻合，強(qiáng)烈的高空輻散抽吸有利于低層輻合和上升運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步增強(qiáng)和伸展(圖8b)。

圖8 16日20時(shí)925 hPa(a)和200 hPa(b)急流(實(shí)線，單位：m·s-1)和散度(陰影，單位：10-5s-1)及沿32°N垂直速度(單位：Pa·s-1)剖面：(c)16日20時(shí)；(d)17日02時(shí)Fig.8 (a) 925 hPa and (b)200 hPa level jet(solid line，unit:m·s-1) and divergence(shaded area，unit:10-5s-1) at 20∶00 BST on 16; vertical velocity(unit: Pa·s-1) along 32°N at: (c) 20∶00 BST on 16; (d) 02∶00 BST on 17

在高低空急流耦合作用下，暴雨區(qū)上空形成了直立且充滿整層的上升運(yùn)動(dòng)，300 hPa和600 hPa上兩個(gè)-1.2 Pa·s-1的中心疊置，為第一階段長(zhǎng)江口區(qū)強(qiáng)暴雨的產(chǎn)生提供了良好的動(dòng)力抬升條件(圖8c)。之后冷空氣向低層侵入，冷暖空氣劇烈交匯，高層上升運(yùn)動(dòng)中心增強(qiáng)到-3 Pa·s-1；暴雨區(qū)500 hPa以下轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)，與傾斜的上升支構(gòu)成了閉合垂直環(huán)流圈，有助于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的維持，為第二階段蘇南東部到上海北部強(qiáng)降水的持續(xù)創(chuàng)造了有利的動(dòng)力維持機(jī)制(圖8d)。

4.4 層結(jié)不穩(wěn)定條件

假相當(dāng)位溫?cái)?shù)值的大小和變化能較好的反映出大氣的溫濕條件、能量高低及變化和對(duì)流不穩(wěn)定性。沿大暴雨中心的假相當(dāng)位溫剖面圖上(圖9a)，15日夜間開始暴雨區(qū)低層持續(xù)增溫增濕，348 K等位溫線自近地層逐漸向上伸展，與高空槽相聯(lián)系的冷空氣集中在800 hPa以上層。到16日14時(shí)強(qiáng)降水開始前，暴雨區(qū)近地層位溫已經(jīng)增加到356 K，能量不斷積聚；850 hPa以下位溫隨高度減小，形成了上冷下暖的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)；其上有冷空氣滲透疊加，加劇了層結(jié)不穩(wěn)定。在冷空氣不斷向低層侵入的過程中，逐漸形成冷舌切入近地層，暖濕空氣被迫抬升，348 K線上凸，暴雨發(fā)生在冷空氣向低層侵入、暖濕空氣抬升，冷暖氣團(tuán)劇烈交匯期間。

圖9 (a)大暴雨中心(32°N，121°E)假相當(dāng)位溫時(shí)間—高度剖面(單位：K)和(b)16日14時(shí)寶山站探空Fig.9 (a) Time-height cross section of heavy rain center(32°N，121°E) pseudo equivalent potential temperature(unit:K) and (b)T-lnP diagram of Baoshan station at 14∶00 BST on 16

探空?qǐng)D上，16日08時(shí)杭州站K指數(shù)37 ℃，SI指數(shù)-0.7 ℃，已經(jīng)形成弱不穩(wěn)定。此時(shí)寶山站K指數(shù)僅26 ℃，SI指數(shù)6.3 ℃，氣層穩(wěn)定；但700 hPa以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，表明低層已經(jīng)有暖平流輸送(圖略)。14時(shí)寶山站K指數(shù)增加到36 ℃，SI指數(shù)變?yōu)?0.78 ℃，轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定層結(jié)；CAPE值由1 626 J·kg-1增加到3 068 J·kg-1，暴雨區(qū)不穩(wěn)定能量持續(xù)積聚，為第一階段3號(hào)云團(tuán)的快速增強(qiáng)提供了充足的能量?jī)?chǔ)備；自由對(duì)流高度(Level of Free Convection， LFC)由966 hPa降低到1 012 hPa，在地面中尺度輻合觸發(fā)下，氣塊突破自由對(duì)流高度獲取能量自由上升；探空曲線呈上干下濕分布，濕層位于700 hPa以下，云中以液態(tài)水為主，有利于降水效率高的暖云暴雨產(chǎn)生(圖9b)。20時(shí)伴隨低空急流增強(qiáng)北抬，寶山站K指數(shù)進(jìn)一步升高到41 ℃，SI指數(shù)降低到-2.3 ℃，大氣不穩(wěn)定進(jìn)一步增強(qiáng)，前期積聚的能量快速釋放產(chǎn)生了強(qiáng)暴雨(表1)。

表1 寶山站探空物理量Table 1 Sounding parameters at Baoshan station

5 數(shù)值模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

本次大暴雨由冷暖空氣持續(xù)交匯觸發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生，近地層冷暖濕空氣結(jié)合的位置決定了強(qiáng)降水主要落區(qū)。以歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心全球模式(以下簡(jiǎn)稱EC模式)和上海新一代區(qū)域中尺度數(shù)值模式(以下簡(jiǎn)稱WRF模式)不同預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)產(chǎn)品為主要檢驗(yàn)對(duì)象，將其與模式零場(chǎng)(實(shí)況零場(chǎng))進(jìn)行對(duì)比，了解冷暖空氣活動(dòng)對(duì)模式預(yù)報(bào)的影響，分析產(chǎn)生預(yù)報(bào)偏差的可能原因。

EC模式對(duì)于第一階段長(zhǎng)江口區(qū)的強(qiáng)暴雨始終漏報(bào)，選取臨近過程的16日08時(shí)起報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行分析(圖10a)。模式預(yù)報(bào)對(duì)于杭州灣到上海南部的東南風(fēng)、江淮西部的東北風(fēng)和實(shí)況較為一致，但對(duì)長(zhǎng)江口區(qū)到太湖一線的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)出現(xiàn)較大偏差，尤其是長(zhǎng)江口區(qū)北側(cè)差異更顯著，預(yù)報(bào)通州、海門和崇明北部都以偏東風(fēng)為主，偏東風(fēng)與東北風(fēng)輻合偏西偏北，位于宜興—張家港—如東一線(黑色雙實(shí)線)，預(yù)報(bào)最大降水量?jī)H20 mm；實(shí)況16日20時(shí)冷空氣前沿已到達(dá)太湖，長(zhǎng)江口區(qū)南北兩側(cè)為一致的東北風(fēng)，輻合線位于吳中—太倉—呂泗一線(紫色雙實(shí)線)。模式預(yù)報(bào)的降水落區(qū)與實(shí)況暴雨區(qū)相差近百公里，且雨量顯著偏小，一定程度上反映了全球模式對(duì)局地強(qiáng)暴雨的預(yù)報(bào)能力較弱。

一般來說，區(qū)域模式對(duì)強(qiáng)暴雨的預(yù)報(bào)能力往往要高于全球模式。連續(xù)5個(gè)時(shí)次跟蹤發(fā)現(xiàn)，WRF模式僅15日08時(shí)起報(bào)與實(shí)況較一致，其余時(shí)次(包括16日08時(shí)臨近起報(bào))均預(yù)報(bào)無降水或弱降水，即模式預(yù)報(bào)跳躍性大，預(yù)報(bào)員參考性較差，未引起足夠重視。對(duì)比15日08時(shí)和16日08時(shí)起報(bào)形勢(shì)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，模式預(yù)報(bào)的地面輻合線位置是強(qiáng)降水落區(qū)是否成功預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素，15日08時(shí)起報(bào)16日17時(shí)地面冷空氣前沿已經(jīng)到達(dá)太湖地區(qū)，輻合位于長(zhǎng)江口區(qū)附近(圖10b)；而16日08時(shí)起報(bào)暖濕氣流偏強(qiáng)，暴雨區(qū)為一致的東南風(fēng)，輻合線位置偏西偏北，模式預(yù)報(bào)暴雨區(qū)也偏北(圖略)。

圖10 (a)EC模式16日08時(shí)起報(bào)16日20時(shí)1 000 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1， 其中藍(lán)色和紅色風(fēng)桿代表預(yù)報(bào)和實(shí)況風(fēng)場(chǎng)，黑色和紫色雙實(shí)線分別表示預(yù)報(bào)和實(shí)況輻合線)及16日14—20時(shí)降水量(陰影，單位：mm)；(b)WRF模式15日08時(shí)起報(bào)的16日17時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(陰影表示風(fēng)速，單位：m·s-1，棕色實(shí)線為地面輻合線)Fig.10 (a)1 000 hPa wind field at 20∶00 BST on 16 (the blue and red wind barb indicate forecast and reanalysis wind field， unit: m·s-1;the black and purple double solid lines respectively represent convergence line of forecast and reanalysis) and precipitation distribution from 14∶00 BST to 20∶00 BST on 16 (shaded area， unit:mm) of EC model initiated at 08∶00 BST on 16;(b)wind field at 17∶00 BST on 16(shaded area indicates wind speed，unit: m·s-1; brown solid line represents ground convergence line) of WRF model initiated at 08∶00 BST on 15

可見，全球和區(qū)域模式都未能很好地把握此次臺(tái)風(fēng)倒槽大暴雨，未準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出表征冷暖空氣交匯的地面輻合線位置是暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)失誤的主要原因。對(duì)于類似的臺(tái)風(fēng)倒槽暴雨過程，要特別關(guān)注北方冷空氣的活動(dòng)對(duì)于倒槽暴雨的觸發(fā)和增幅作用，并根據(jù)實(shí)況監(jiān)測(cè)資料及時(shí)訂正模式預(yù)報(bào)結(jié)論。

6 結(jié)論

(1)此次臺(tái)風(fēng)倒槽大暴雨是在遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)倒槽、低空急流和高空槽共同影響下，冷暖空氣在倒槽頂端持續(xù)交匯激發(fā)暴雨中尺度系統(tǒng)活動(dòng)產(chǎn)生的，具有突發(fā)性強(qiáng)、局地性強(qiáng)、短時(shí)雨量大和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。

(2)四個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)造成了此次大暴雨，第一階段長(zhǎng)江口區(qū)強(qiáng)暴雨發(fā)生在3號(hào)云團(tuán)快速增強(qiáng)期間，暴雨出現(xiàn)在云團(tuán)北側(cè)TBB梯度大值區(qū)中，雨強(qiáng)隨云頂溫度降低而快速增強(qiáng)；第二階段4號(hào)云團(tuán)緩慢東移、強(qiáng)度維持，蘇南東部和上海北部再度出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。兩個(gè)階段降水累積效應(yīng)使長(zhǎng)江口區(qū)局地達(dá)到特大暴雨。

(3)東北風(fēng)(偏北風(fēng))與東南風(fēng)(偏東風(fēng))形成的中尺度輻合線是此次過程的關(guān)鍵觸發(fā)機(jī)制，長(zhǎng)江口區(qū)站點(diǎn)風(fēng)向的轉(zhuǎn)變可較好反映地面輻合的位置和強(qiáng)度，氣旋性輻合中心的形成對(duì)雨團(tuán)增幅具有重要作用。雷達(dá)徑向速度場(chǎng)上中氣旋形成提前于強(qiáng)暴雨增幅約半個(gè)小時(shí)，具有良好的先兆性和預(yù)報(bào)預(yù)警意義。

(4)(超)低空東南急流是暴雨的重要水汽和能量來源，東路冷空氣攜帶的北支水汽加強(qiáng)了水汽輸送和輻合，異常的高比濕和大氣可降水量、上干冷下暖濕的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)有利于中尺度暴雨云團(tuán)的形成和維持。水汽輻合中心的位置和強(qiáng)度對(duì)暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)有較好的指示意義。

(5)高低空急流耦合構(gòu)成了低層輻合、高層輻散的動(dòng)力配置，直立且充滿整層的垂直上升運(yùn)動(dòng)是第一階段長(zhǎng)江口區(qū)強(qiáng)暴雨的有利動(dòng)力抬升條件，伴隨冷空氣侵入形成的傾斜上升支及垂直環(huán)流圈是第二階段強(qiáng)降水有利的動(dòng)力維持機(jī)制。

(6)表征冷暖空氣結(jié)合的地面輻合線位置是暴雨落區(qū)是否成功預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，對(duì)于秋季臺(tái)風(fēng)倒槽暴雨，數(shù)值模式預(yù)報(bào)難度大，要特別關(guān)注北方冷空氣活動(dòng)對(duì)倒槽暴雨的觸發(fā)和增幅作用，加強(qiáng)對(duì)實(shí)況資料的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，及時(shí)進(jìn)行模式主觀訂正。