何宇暉 鄭立群 蔣榮復(fù) 任賽賽

(1.莆田市荔城區(qū)氣象局，福建 莆田 351100；2.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100)

1 概述

暖區(qū)暴雨是福建前汛期暴雨的重要組成部分。暖區(qū)暴雨的概念來源于華南暖區(qū)暴雨研究，一般是指發(fā)生在地面鋒面南側(cè)暖區(qū)，或是南嶺附近至南海北部沒有鋒面存在、華南未受冷空氣或變性冷高壓脊控制時(shí)產(chǎn)生的暴雨。大多發(fā)生在地面鋒面系統(tǒng)前端200～300km的位置(有時(shí)與鋒面系統(tǒng)的距離更大)，但有時(shí)發(fā)生在西南風(fēng)和東南風(fēng)的匯合氣流中，甚至在無切變的西南氣流里[1]。典型暖區(qū)暴雨過程出現(xiàn)在暖濕氣團(tuán)中，水汽含量豐富，天氣尺度斜壓性強(qiáng)迫弱，對流系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制復(fù)雜[2-4]，因此，暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)難度大。目前無論是數(shù)值模式還是預(yù)報(bào)員，對暖區(qū)暴雨的捕捉能力有限，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低。然而，暖區(qū)暴雨強(qiáng)度大，突發(fā)性、局地性特征明顯，容易造成洪澇和地質(zhì)災(zāi)害等次生災(zāi)害，可見，開展暖區(qū)暴雨研究對于防災(zāi)減災(zāi)具有科學(xué)指導(dǎo)作用。長期以來，暖區(qū)暴雨是我國大氣科學(xué)界的一個研究熱點(diǎn)，氣象研究人員一直在探索暖區(qū)暴雨的天氣學(xué)特征、觸發(fā)機(jī)制、熱力動力特征等，也取得了許多成果。何立富等[5]、諶蕓等[6]總結(jié)了40年的暖區(qū)暴雨部分研究成果，分別總結(jié)提煉了3類華南暖區(qū)暴雨類型——邊界層輻合線型、偏南風(fēng)風(fēng)速輻合型和強(qiáng)西南急流型的天氣系統(tǒng)配置及觸發(fā)因子，羅列出多地暖區(qū)暴雨的天氣學(xué)特征、暖區(qū)暴雨與低空急流的關(guān)系以及暖區(qū)暴雨中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展特征等。侯淑梅等[7]、孫興池等[8]分別對切變線冷區(qū)、暖區(qū)暴雨和氣旋冷區(qū)、暖區(qū)暴雨特征進(jìn)行對比分析，闡述不同影響系統(tǒng)下冷區(qū)、暖區(qū)暴雨的特征差異。胡雅君等[9]利用風(fēng)廓線雷達(dá)、雨滴譜儀等非常規(guī)觀測資料對閩南沿海一次暖區(qū)特大暴雨進(jìn)行分析，著重分析了超低空急流對暴雨的貢獻(xiàn)。黃待靜等[10]分析了南平市一次暖區(qū)暴雨的成因：500hPa弱波動、700hPa反氣旋式輻合和地面輻合線的觸發(fā)，并指出由于數(shù)值模式?jīng)]有預(yù)報(bào)出此次暴雨的觸發(fā)條件而導(dǎo)致模式漏報(bào)。

2020年6月7—9日，莆田市發(fā)生了一次暖區(qū)大暴雨，局地特大暴雨。此次暴雨發(fā)生前，數(shù)值預(yù)報(bào)模式大都只預(yù)報(bào)出中雨或者大雨的量級，只有華東區(qū)域模式在7日夜間至8日白天報(bào)出沿海暴雨。模式的形勢場500 hPa、700hPa、850 hPa為一致的西南風(fēng)，風(fēng)速小。預(yù)報(bào)員在這種弱的大尺度環(huán)流背景下結(jié)合其他物理量資料和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)報(bào)出了此次過程的強(qiáng)降水，但是對于局地性特大暴雨的落區(qū)未能把握。此次特大暴雨主要出現(xiàn)在秀嶼區(qū)，秀嶼地屬沿海，地形平坦，沒有山脈，特大暴雨為什么會出現(xiàn)在秀嶼區(qū)而不是內(nèi)陸山區(qū)附近？基于上述問題，本文利用多種觀測資料對環(huán)流形勢、邊界層中小尺度系統(tǒng)等局地對流系統(tǒng)的觸發(fā)進(jìn)行分析，以期為今后相似背景下的暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)提供參考。

2 降水實(shí)況與環(huán)流形勢

2.1 降水實(shí)況

2020年6月7日08時(shí)至9日20時(shí)，莆田市出現(xiàn)全市性大暴雨，局部特大暴雨。共有3個站過程雨量超過250mm，均在莆田市秀嶼區(qū)，分別為東莊鎮(zhèn)、月塘鎮(zhèn)、東嶠鎮(zhèn)，以秀嶼區(qū)東莊鎮(zhèn)310.2mm為最大，另外有97個站雨量超過100mm。此次過程為暖區(qū)暴雨，降水效率高，降水時(shí)段較為集中，8日白天07—09時(shí)連續(xù)3個時(shí)次秀嶼區(qū)東莊鎮(zhèn)小時(shí)雨量超20mm。

2.2 環(huán)流形勢

由7日14時(shí)地面圖(圖1a)可以看出，福建省處于東高西低的環(huán)流場，福建中南部處于地面低壓倒槽南側(cè)，受西南氣流控制，沿海地區(qū)比濕為14g/kg。從7日20時(shí)500hPa形勢場(圖1b)分析來看，副熱帶高壓東退到海上，福建省上空有淺槽過境，受弱西南氣流控制，7日08時(shí)850hPa上(圖1c)切變線呈東北西南走向，位于福建北部，莆田處于切變線南側(cè)的西南氣流中，廣東沿海一帶存在西南急流，風(fēng)速達(dá)到16m/s，福建中部沿海風(fēng)速小，僅6m/s，因此在福建中部沿海形成風(fēng)速輻合。925hPa廣東沿海一帶存在超低空急流(圖1d中紅色方框內(nèi))，風(fēng)速達(dá)14 m/s，而福建中部沿海風(fēng)速僅4 m/s，且為偏東風(fēng)，風(fēng)向風(fēng)速輻合明顯。

另外，對比秀嶼區(qū)東莊鎮(zhèn)站6日和7日極大風(fēng)(圖2)，6日東莊鎮(zhèn)基本為西南風(fēng)，大部分時(shí)次風(fēng)速在3～5m/s，7日弱冷空氣從沿海滲入，東莊鎮(zhèn)極大風(fēng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)力增強(qiáng)至5～7m/s，邊界層侵入的淺薄冷空氣促使前期暖空氣抬升，是觸發(fā)7日白天暴雨的主要原因。

(a)(b)

(c)(d)

(a)

(b)

從暖區(qū)暴雨的概念來看，2020年6月7—9日暴雨為典型的暖區(qū)暴雨，由于莆田市沒有探空觀測，考慮到暖區(qū)暴雨主導(dǎo)氣流為西南氣流，廈門處于主導(dǎo)氣流的上游，因此選用廈門站的T-lnP圖(圖3)。從7日08時(shí)廈門站探空圖可以看出，當(dāng)天濕層深厚，不穩(wěn)定能量大，對流有效位能為1508.9，對流抑制能量僅為0.1J/kg,抬升凝結(jié)高度(LCL)很低，為223m，說明只需要較弱抬升就能觸發(fā)對流，平衡高度高，潛在不穩(wěn)定能量很大，0℃層高度高，位于5000m左右的高度，為暖云降水，降水效率高。風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，底層有暖平流，不斷為暴雨區(qū)供應(yīng)能量。

圖3 2020年6月7日08時(shí)廈門站T-lnP圖

總體而言，從暴雨區(qū)與天氣系統(tǒng)及探空的配置看，高溫高濕的環(huán)境場為暴雨提供有利的能量和水汽條件，但只根據(jù)環(huán)流形勢的配置很難得出特大暴雨出現(xiàn)的位置。

3 非常規(guī)資料分析與中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)

3.1 中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)

利用地面自動站資料分析地面中小尺度系統(tǒng)。從7日23時(shí)至8日23時(shí)東莊鎮(zhèn)自動站小時(shí)雨量圖來看(圖4b)，8日凌晨1—2時(shí)共下了40.1mm，間歇4小時(shí)，07時(shí)開始有新的對流觸發(fā)產(chǎn)生新一輪強(qiáng)降水，8日07—15時(shí)連續(xù)下了9個小時(shí)，累計(jì)降水量134.9mm。除了中層切變線南壓導(dǎo)致全市性降水的原因外，地面輻合線是導(dǎo)致秀嶼區(qū)東莊鎮(zhèn)一帶強(qiáng)對流維持乃至加強(qiáng)的中小尺度系統(tǒng)。如圖4a所示，8日08—09時(shí)秀嶼區(qū)出現(xiàn)一條因下墊面熱力差異形成西南風(fēng)與東北風(fēng)的中尺度輻合線，輻合線呈東北西南走向，用ewips測距得到水平尺度約36km，屬于中小尺度系統(tǒng)。隨著西南風(fēng)的加強(qiáng)輻合線逐漸北抬，至08時(shí)，東莊鎮(zhèn)、月塘鎮(zhèn)、東嶠鎮(zhèn)位于輻合線南側(cè)的偏南氣流中，輻合線使得低層偏南氣流強(qiáng)迫抬升，為暴雨區(qū)提供輻合上升運(yùn)動，使得強(qiáng)降水持續(xù)維持[11-12]。

(a)

(b)

3.2 風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析

風(fēng)廓線雷達(dá)具有很高的時(shí)空分辨率，能夠連續(xù)探測頻率每6分鐘高空風(fēng)向風(fēng)速的變化。本文選用的風(fēng)廓線雷達(dá)位于秀嶼區(qū)，可以連續(xù)觀測高空風(fēng)隨時(shí)間演變對降水的影響。7日白天，近地層為偏東風(fēng)，而1000m以上高度風(fēng)由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)力也由12m/s增強(qiáng)至16m/s(圖略)。西南暖濕氣流在地面冷墊上爬升，使得水汽和動力匯聚，造成7日的降水。8日白天(圖5)從地面到4000m的高空基本為一致的西南氣流，8日05—06時(shí)，1000～2000m高度的西南風(fēng)快速加強(qiáng)，風(fēng)速可達(dá)20m/s，為急流強(qiáng)度。07—08時(shí)，大風(fēng)速區(qū)進(jìn)一步向高空擴(kuò)散，1500～3500m高度的垂直風(fēng)速均達(dá)20m/s或者更甚，急流的加強(qiáng)觸發(fā)了邊界層不穩(wěn)定能量的釋放[12]，增強(qiáng)空氣上下對流，垂直的湍流交換明顯，最終使得動量下傳[13-14]，將高空的大風(fēng)速傳導(dǎo)到地面。09時(shí)地面風(fēng)速加強(qiáng)，且風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，低層有暖平流，為暴雨區(qū)提供能量支撐。將風(fēng)廓線雷達(dá)探測的垂直風(fēng)變化與東莊鎮(zhèn)小時(shí)雨量圖對應(yīng)起來看，05—07時(shí)中低層風(fēng)力從12m/s增強(qiáng)至22m/s，是07時(shí)起新一輪降水產(chǎn)生的誘因，配合地面輻合線，可以較為準(zhǔn)確地判斷出暴雨的落區(qū)和時(shí)間。

圖5 2020年6月8日秀嶼區(qū)國家站風(fēng)廓線圖

3.3 多普勒雷達(dá)資料分析

從雷達(dá)回波圖來看，8日06時(shí)(圖6a)強(qiáng)對流在泉州境內(nèi)生成，大面積回波隨著西南引導(dǎo)氣流向東北方向移動，7∶08(圖6b)強(qiáng)對流開始影響秀嶼區(qū)，帶狀強(qiáng)回波呈東北西南走向，最大回波強(qiáng)度為50dBz，對7∶08的回波做垂直剖面分析(圖6d)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)回波質(zhì)心比較低，自地面發(fā)展至4000m左右的高空，從探空圖(圖3)可以看出，0℃層高度位于5000m左右的高空，強(qiáng)回波(45dBz以上)位于0℃層高度以下，說明強(qiáng)反射率因子主要由液態(tài)雨滴產(chǎn)生，屬于明顯的低質(zhì)心暖云降水，07-09時(shí)連續(xù)3個小時(shí)降水量超過20mm，暖云降水效率高。08-09時(shí)回波略微減弱，當(dāng)09時(shí)出現(xiàn)地面輻合線后，回波再次加強(qiáng)，回波強(qiáng)度由35dBz增強(qiáng)至45dBz。結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)圖來看，中低層受西南急流影響，回波長時(shí)間維持，至10時(shí)仍有大片強(qiáng)度45dBz的回波在秀嶼區(qū)東莊鎮(zhèn)上空，給東莊帶來持續(xù)性強(qiáng)降水，每小時(shí)雨量在10mm左右?；夭ǖ拈L時(shí)間維持與西南急流的脈動和地面輻合線的出現(xiàn)有關(guān)。地面輻合線使得邊界層水汽、熱量聚集，導(dǎo)致輻合線南側(cè)的東莊鎮(zhèn)、月塘鎮(zhèn)、東嶠鎮(zhèn)回波強(qiáng)度高于周圍地區(qū)，對應(yīng)雨量也高于周圍的自動站。

圖6 2020年6月8日6∶00(a)、7∶08(b)、10∶16(c)泉州站雷達(dá)0.5°仰角反射率因子圖，2020年6月8日7∶08(d)泉州雷達(dá)反射率因子垂直剖面圖

4 結(jié)論

本文利用常規(guī)觀測資料和多種加密觀測資料(風(fēng)廓線、區(qū)域自動站等)分析2020年6月7—9日發(fā)生在莆田的一次暖區(qū)暴雨過程，并對特大暴雨的落區(qū)進(jìn)行原因分析，得到以下結(jié)論：

①常規(guī)觀測資料分析表明，暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí)，暴雨區(qū)自地面到高空，基本處于一致的偏南氣流影響，濕度大，為14g/kg，對流有效位能為1508.9，不穩(wěn)定能量高，背景環(huán)境有利于暴雨發(fā)生。

②風(fēng)廓線雷達(dá)垂直風(fēng)資料顯示,7日白天中高層風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)速由12m/s增強(qiáng)至16m/s，近地層為偏北風(fēng)，垂直風(fēng)切變增大導(dǎo)致暴雨的發(fā)生；8日白天由于中低層風(fēng)速擾動及動量下傳導(dǎo)致暴雨的發(fā)生。

③利用區(qū)域自動站地面風(fēng)場資料，分析出一條約36km長的地面輻合線，此次過程的特大暴雨落區(qū)位于地面輻合線南側(cè)，地面輻合線出現(xiàn)的時(shí)間與8日白天強(qiáng)降水時(shí)段吻合，說明地面輻合線有利于降水的維持和加強(qiáng)，且輻合線的位置對特大暴雨的落區(qū)有指示意義。