2013年9月13日浙北強(qiáng)對流過程的中尺度分析

高天赤 沈杭鋒 陳光宇 金 成

(杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

強(qiáng)對流天氣常帶來災(zāi)害性的大風(fēng)和局地暴雨，是一種歷時(shí)短、破壞力巨大的天氣，對人民的生命財(cái)產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的危害[1-2]。強(qiáng)天氣的分析及預(yù)報(bào)是日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，近年來，中尺度自動(dòng)氣象觀測站、風(fēng)云衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)等資料在強(qiáng)對流天氣中應(yīng)用逐漸增多，能夠在一定程度上彌補(bǔ)常規(guī)探測時(shí)空分辨較低的缺陷[3]。許多研究表明邊界層內(nèi)的中尺度輻合線對強(qiáng)對流天氣的形成、演變具有重要作用，邊界層輻合線和強(qiáng)對流的關(guān)系是許多對流天氣概念模型預(yù)報(bào)雷暴發(fā)生和消亡的基礎(chǔ)。Wilson and Schreiber[4]通過研究表明了在克羅利達(dá)州東部雷達(dá)探測到的邊界層輻合線與對流風(fēng)暴的形成密切相關(guān)，他們研究發(fā)現(xiàn)至少有80%的雷暴在克羅利達(dá)州平原都是沿著先前雷達(dá)所探測到的邊界形成的。翟國慶和俞樟孝[5]根據(jù)華東地區(qū)多次典型強(qiáng)對流天氣的地面風(fēng)場分析和合成結(jié)果，指出強(qiáng)對流帶的發(fā)生發(fā)展與其前暖區(qū)的中尺度輻合線有密切關(guān)系，往往在其前方有中尺度的輻合中心，也是對流發(fā)生最為強(qiáng)烈和移動(dòng)變化的突出區(qū)域。中尺度輻合線在有利天氣形勢配合下的相互碰撞，則更容易爆發(fā)對流[6-12]。

2013年9月13日在浙江北部地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)大暴雨強(qiáng)對流天氣，對杭州、嘉興等多個(gè)城市造成了嚴(yán)重影響。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、區(qū)域自動(dòng)站加密觀測資料和GFS 0.5°×0.5°逐6 h的分析場數(shù)據(jù)以及多普勒雷達(dá)、風(fēng)云衛(wèi)星資料，通過背景形勢場分析、物理量場診斷分析數(shù)據(jù)以及多普勒雷達(dá)、風(fēng)云衛(wèi)星資料，通過背景形勢場分析、物理量場診斷分析和強(qiáng)對流觸發(fā)條件分析，來探討此次強(qiáng)對流過程發(fā)生發(fā)展的特征及其成因。

1 天氣概況

2013年9月13日浙江省北部嘉興、杭州等地突發(fā)短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程，此次過程以短時(shí)強(qiáng)降水為主，并伴有8級以上大風(fēng)，主要發(fā)生在13日下午到前半夜，杭州、嘉興多地出現(xiàn)了30 mm/h以上的強(qiáng)降水。從9月13日17:00—23:00(北京時(shí)，下同)的6 h累積降水圖來看(圖1a)，雨帶呈東北—西南方向分布，強(qiáng)降水中心主要位于與金華市、紹興市相鄰的杭州中東部，以及嘉興地區(qū)，嘉興全市6 h平均面雨量為30.8 mm，杭州20.6 mm。單站最大雨量出現(xiàn)在杭州的西溪濕地，雨量達(dá)到了129.5 mm，浙北地區(qū)共有6個(gè)站雨量超過100 mm，83個(gè)站雨量在50 mm以上。最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在嘉興的嘉善楊廟社區(qū)，小時(shí)雨強(qiáng)為82.7 mm。此次強(qiáng)對流過程中，除了短時(shí)強(qiáng)降水之外，還出現(xiàn)了大風(fēng)，最大極值風(fēng)出現(xiàn)在紹興新昌石溪村，風(fēng)速為27.3 m/s，達(dá)到了10級風(fēng)，全省共有29個(gè)站風(fēng)速達(dá)到了17.2 m/s(8級風(fēng))。

這次過程范圍小，強(qiáng)降水呈東北—西南向的帶狀分布；時(shí)間短，從開始到結(jié)束只有5、6個(gè)小時(shí)；降水強(qiáng)度大，多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)了超過50 mm/h的強(qiáng)降水。從18:00—20:00的強(qiáng)天氣站點(diǎn)分布來看(圖1b)，沿杭州、嘉興和上海一帶，多站次出現(xiàn)了30 mm/h雨量(圖中實(shí)心圖形)和8級以上大風(fēng)(空心圖形)。而且同時(shí)，位于上海、嘉興一帶的強(qiáng)對流，18:00(方框)、19:00(三角形)和20:00(圓形)是由東北向西南方向發(fā)展傳播的，這種系統(tǒng)整體東移而強(qiáng)對流向西南延伸的天氣過程，對預(yù)報(bào)預(yù)警提出了更高的要求。

突發(fā)的強(qiáng)對流過程不僅對城市和人民生活造成了極大影響，而且也對氣象預(yù)報(bào)預(yù)警形成了較大的困難。由于暴雨出現(xiàn)在下午到晚上時(shí)段，正好遇下班晚高峰，突發(fā)的傾盆大雨和狂風(fēng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇及損害。

圖1 2013年9月13日風(fēng)雨實(shí)況：(a)17:00至23:00累積6 h雨量；(b)18:00(方框)、19:00(三角形)和 20:00(圓點(diǎn))大于30 mm/h的站點(diǎn)(實(shí)心)和17.2 m/s以上大風(fēng)站點(diǎn)(空心)

2 環(huán)流形勢演變和主要影響系統(tǒng)

從2013年9月13日08:00的500 hPa形勢圖(圖2a)上可見，江淮以南大部分地區(qū)受到副熱帶高壓影響，其脊線位于25°N以北，浙江省處于西太平洋副高588 dagpm線附近，華北上空一直到西南上空有一深厚高空槽逐漸東移。08:00的850 hPa圖(圖2b)上華中地區(qū)有一高空槽，西太平洋面上則是副熱帶高壓系統(tǒng)，一直西伸到我國內(nèi)陸地區(qū)。隨著西風(fēng)帶系統(tǒng)的東移南壓和西南暖濕氣流的東移北抬，到14:00(圖2c)，西太平洋副熱帶高壓明顯東撤，588 dagpm線從浙江西北上空收縮到浙江沿海。對應(yīng)850 hPa圖(圖2d)上，西太平洋副高也有所東退，華中上空的高空槽東移南下。至此，受西太副高西北部邊緣的暖濕西南氣流和東移高空槽的共同影響，引發(fā)了浙江北部的強(qiáng)對流天氣。

圖2 2013年9月13日風(fēng)場(風(fēng)向桿，m/s)和高度場(等值線，gpm)： (a、b)08:00；(c、d)14:00；(a、c)500 hPa；(b、d)850 hPa。粗虛線表示高空槽

從雨量和雨強(qiáng)的分析中可以看到，這次過程中出現(xiàn)了較強(qiáng)的中尺度對流活動(dòng)，為了能夠比較清楚看到中尺度對流云團(tuán)的發(fā)展演變，利用我國FY-2E衛(wèi)星資料繪制了逐時(shí)云頂亮溫(TBB)進(jìn)行分析(圖3)。

9月13日16:00(圖3a)，浙江西北面有大片云團(tuán)，杭州灣北部的上海沿海上空出現(xiàn)了明顯對流云團(tuán)。杭州灣南面也有對流云團(tuán)。2 h之后(圖3b)，西北面云團(tuán)東移南壓，上海云團(tuán)和南面云團(tuán)則由西往東伸向內(nèi)陸，而且這些云團(tuán)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。此時(shí)在杭州、嘉興、湖州等地都出現(xiàn)了對流天氣。隨后，這些中尺度云團(tuán)繼續(xù)加強(qiáng)、發(fā)展，并出現(xiàn)了合并現(xiàn)象。在19:00(圖3c)，北面云團(tuán)合并加強(qiáng)成一個(gè)中心值在-60℃以下的強(qiáng)對流云團(tuán)，對比上一次，可以看到云團(tuán)從上海上空有一明顯的東北往西南的延伸發(fā)展。而南面云團(tuán)也合并加強(qiáng)，繼續(xù)影響浙中北地區(qū)。到20:00(圖3d)，南北中尺度對流云圖相互連通，對流繼續(xù)加強(qiáng)發(fā)展，并逐漸東移。

圖3 2013年9月13日TBB(陰影，單位：℃)分布：(a)16:00(b)18:00(c)19:00(d)20:00

3 物理量場診斷分析

圖4a是2013年9月13日08:00杭州站探空資料，從圖上可以看到此時(shí)杭州上空存儲(chǔ)了巨大的不穩(wěn)定能量，在數(shù)值上，由層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線圍成的對流有效位能(CAPE，圖中黑色面積)值達(dá)到了2112.6 J；而對流抑制能量(CIN)很小，只有9.4 J；自由對流高度比較低，垂直風(fēng)切變較弱，整層相對濕度呈現(xiàn)“下干上濕”的特征；同時(shí)，表征大氣層結(jié)不穩(wěn)定的K指數(shù)和沙氏指數(shù)(SI)分別為38和-2.78。

圖4 2013年9月13日08:00物理量場：(a)杭州站探空曲線；(b)925 hPa相當(dāng)位溫(等值線，K)和 500 hPa與850 hPa的相當(dāng)位溫差(陰影，K)

從GFS資料繪制的9月13日08:00相當(dāng)位溫(θe)圖上(圖4b)可以看到，925 hPa上整個(gè)浙北地區(qū)都處于相當(dāng)位溫的大值區(qū)，相當(dāng)位溫值普遍高于348 K，形成一個(gè)暖中心，杭州灣及附近的杭州、嘉興、上海等強(qiáng)對流發(fā)生區(qū)都落在350 K的高能中心內(nèi)；通常500 hPa與850 hPa相當(dāng)位溫差值可以用于表征不穩(wěn)定度，負(fù)值越大，表明大氣越不穩(wěn)定[13]，圖4b中500 hPa與850 hPa的相當(dāng)位溫差值顯示區(qū)域都處于-8 K及以下區(qū)域，尤其是杭州、嘉興、上海沿杭州灣一線的區(qū)域，不穩(wěn)定能量更加顯著。

4 強(qiáng)對流天氣的觸發(fā)條件

通過天氣形勢和物理量的分析發(fā)現(xiàn)，此次過程的大尺度背景形勢場是有利于強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展的。除了不穩(wěn)定層結(jié)和濕度條件，強(qiáng)對流發(fā)生還需要抬升觸發(fā)條件。

圖5是2013年9月13日08:00的700 hPa垂直速度、925 hPa風(fēng)場和08:00—20:00累積降水量的疊加圖。此時(shí)在925 hPa上，從上海經(jīng)過嘉興到杭州北部的上空有一條由偏西風(fēng)和東南風(fēng)匯合形成的風(fēng)場輻合線；700 hPa高度上的垂直速度顯示整個(gè)浙北和上海都處于-0.1 Pa/s的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，而中尺度輻合線也落在該垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)。值得關(guān)注的是，08:00—20:00的強(qiáng)降水落區(qū)基本位于上升運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)，并與中尺度輻合線相鄰。從700 hPa垂直速度、925 hPa風(fēng)場和累積雨量分析可以看到，在有利的大尺度環(huán)境場和物理場配合下，當(dāng)?shù)蛯?25 hPa的中尺度輻合線和對流層中層700 hPa的垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)相重合時(shí)，中尺度輻合線附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)對流，這對強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展具有一定的預(yù)報(bào)指示意義。

圖5 2013年9月13日08:00的700 hPa垂直速 度(虛線，Pa/s)、925 hPa風(fēng)場(風(fēng)向桿，m/s)和08:00到 20:00累積降水量(陰影，mm)疊加圖(粗虛線表示輻合線)

圖6是利用地面自動(dòng)站資料繪制的9月13日地面流場、1 h雨量和雷達(dá)基數(shù)據(jù)繪制的杭州雷達(dá)3 km高度回波反射率。在13日17:00(圖6a)，從江蘇到上海、嘉興交界有一條中尺度輻合線，輻合線是由偏東風(fēng)和偏北風(fēng)輻合形成的，杭州南部也有一條偏南風(fēng)與偏北風(fēng)輻合形成的中尺度輻合線，后1 h的強(qiáng)降水與強(qiáng)回波中心相對應(yīng)，強(qiáng)降水(強(qiáng)回波)落區(qū)與中尺度輻合線相近。到了19:00(圖6b)，南北兩條中尺度輻合線已經(jīng)貫通，北面的強(qiáng)天氣向南發(fā)展到杭州、嘉興交界處，而杭州東南面的強(qiáng)對流則沿著輻合線往北發(fā)展。整條中尺度輻合線周邊附近出現(xiàn)了50 dBz以上的強(qiáng)回波中心和30 mm/h的強(qiáng)降水區(qū)域。

圖6 2013年9月13日地面流場、雨量(等值線，10 mm起畫，10 mm為間隔)和3 km高度杭州雷達(dá)回波疊加圖： (a)17:00流場、18:00雨量和17:33雷達(dá)回波；(b)19:00流場、20:00雨量和19:34雷達(dá)回波(粗虛線表示中尺度輻合線)

從地面自動(dòng)站風(fēng)場、雨量和雷達(dá)回波分析可以知道，強(qiáng)對流天氣與雷達(dá)回波中心對應(yīng)良好，中尺度輻合線基本與對流發(fā)生發(fā)展相對應(yīng)，輻合線周邊區(qū)域是強(qiáng)天氣容易發(fā)生發(fā)展的區(qū)域，輻合線先于降水出現(xiàn)，隨后在輻合線周邊出現(xiàn)了強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣。

這種類型的強(qiáng)降水天氣在浙北地區(qū)時(shí)有出現(xiàn)，因此需要后續(xù)更加系統(tǒng)得對該類天氣進(jìn)行整理、分析，從而在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中具有更好的借鑒意義。

5 結(jié) 語

2013年9月13日發(fā)生在浙江北部的強(qiáng)對流天氣過程帶來了嚴(yán)重災(zāi)害，利用各種常規(guī)資料和非常規(guī)資料對其發(fā)生發(fā)展的成因和觸發(fā)條件進(jìn)行了初步分析，得到以下結(jié)論。

1)受西太副高西北部邊緣的暖濕西南氣流和東移高空槽的共同影響，引發(fā)了浙江北部的強(qiáng)對流天氣。

2)在有利的大尺度環(huán)境場和物理量場配合下，當(dāng)?shù)蛯?25 hPa的中尺度輻合線和對流層中層700 hPa的垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)相重合時(shí)，中尺度輻合線附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)對流，這對強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展具有一定的預(yù)報(bào)指示意義。

3)此次過程中強(qiáng)對流天氣與雷達(dá)回波中心對應(yīng)良好，中尺度輻合線基本與對流發(fā)生發(fā)展相對應(yīng)，輻合線周邊區(qū)域是強(qiáng)天氣容易發(fā)生發(fā)展的區(qū)域，輻合線先于降水出現(xiàn)，隨后在輻合線周邊出現(xiàn)了強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣。

[1] 陸漢成,楊國祥.中尺度天氣原理和預(yù)報(bào)[M].北京:氣象出版社,2000.

[2] 黃永明,倪允琪.長江中下游一次非典型梅雨鋒中尺度暴雨過程的分析研究[J].氣象學(xué)報(bào),2005,63(1): 100-114.

[3] 董保舉, 高月忠, 張麗芬. 新型探測資料在滇西北高原一次暴雨過程監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 氣象科技, 2014, 42(6): 1077-1082.

[4] Wilson J M，Schreiber W E. Initiation of convective storms by radar-observed boundary layer convergent lines [J]. Mon. Wea. Rev.，1986，114：2516-2536.

[5] 翟國慶,俞樟孝.強(qiáng)對流天氣發(fā)生前期地面風(fēng)場特征[J].大氣科學(xué),1992,16(5):522-529.

[6] William P,MahoneyIII.Gust Front Characteristics and the Kinematics Associated with Interacting Thunderstorm Outflows.

[7] Wilson J W,Robert s R,MuellerC.Sydney 2000 Forecast Demonstration Project:Convective storm nowcasting[J].Weather and Forecasting,2004,19:131-150.

[8] 沈杭鋒,翟國慶,朱補(bǔ)全,等.浙江沿海中尺度輻合線對颮線發(fā)展影響的數(shù)值試驗(yàn)[J].大氣科學(xué),2010,34(6):1127-1140.

[9] 曾明劍，王桂臣，吳海英，等．基于中尺度數(shù)值模式的分類強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)方法研究[J]．氣象學(xué)報(bào)，2015，73(5)：868-882 .

[10] 何群英，東高紅，賈慧珍，等．天津一次突發(fā)性局地大暴雨中尺度分析[J]．氣象，2009，35(7)：16-22

[11] 喻謙花，鄭士林，吳蓁等．局部大暴雨形成的機(jī)理與中尺度分析[J]．氣象，2016，42(6)：686-695．

[12] 鄭永光，周康輝，盛杰，等．強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)進(jìn)展[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(6)：641-657.

[13] 劉健文,郭虎,李耀東,等.天氣分析預(yù)報(bào)物理計(jì)算基礎(chǔ)[M].北京:氣象出版社,2005.