皖南初春平行線狀對流系統(tǒng)引發(fā)的大暴雨分析

李冰 周昆 周曉曄 壽澤慧 屈婧

摘要 利用多源氣象觀測資料和歐洲中心ERA5再分析資料研究2022年3月中旬安徽南部的一次大暴雨過程。結(jié)果表明：受穩(wěn)定的貝湖東部低槽、西北太平洋副熱帶高壓與東移加強的華西疏散槽共同影響，地面冷鋒快速南下，引發(fā)大暴雨的中尺度平行線狀對流系統(tǒng)形成于地面冷鋒附近大別山區(qū)南部迎風(fēng)坡上并向東移動，呈現(xiàn)出列車效應(yīng)。對流層中低層西南急流、低渦切變、大的垂直風(fēng)切變?yōu)槠浒l(fā)展、維持提供了有利的環(huán)境條件；復(fù)雜地形對平行線狀對流系統(tǒng)的發(fā)展演變具有重要作用，山地增強了南北水平溫度梯度，并通過迎風(fēng)坡或喇叭口的近地面風(fēng)場輻合不斷產(chǎn)生新的上升氣流，低層對流觸發(fā)后不斷隨著偏南氣流北移，形成線狀對流系統(tǒng)，呈現(xiàn)出后向傳播特征；整個平行線狀對流隨著中層引導(dǎo)風(fēng)向偏東方向移動，強降水中心太湖不僅有東南風(fēng)與北側(cè)繞大別山區(qū)南下的東北風(fēng)輻合，且處于迎風(fēng)坡的喇叭口，地形抬升加強輻合作用，對流發(fā)展最為旺盛；雙偏振雷達參量和雨滴譜儀顯示，太湖上空為粒子數(shù)密度大的大雨滴，降水效率高。

關(guān)鍵詞 大暴雨；平行線狀對流系統(tǒng)；山地；雙偏振雷達

中圖分類號 S162? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）10-0195-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.10.044

Analysis of Heavy Rainstorm Caused by Parallel Linear Convection System in Early Spring in Southern Anhui

LI Bing1，ZHOU Kun2，3，ZHOU Xiao-ye2 et al

（1.Luan Meteorological Bureau，Luan，Anhui 237000;2.Anhui Meteorological Observatory，Hefei，Anhui 230031;3.Bengbu Meteorological Bureau，Bengbu，Anhui 233000）

Abstract A heavy rainstorm process in the south of Anhui Province in mid-March 2022 was studied using multi-source meteorological data and ERA5 reanalysis data from the European Center.The results showed that under the influence of the stable east Bay Lake trough，the Northwest Pacific subtropical high and the eastward strengthening West China evacuation trough，the surface cold front moved southward rapidly，and the mesoscale parallel linear convective system that caused heavy rain formed on the southern windward slope of Dabie Mountain near the surface cold front and moved eastward，showing a train effect.The southwest jet，low vortex shear and large vertical wind shear in the middle and lower troposphere provide favorable environmental conditions for its development and maintenance.The complex terrain played an important role in the development and evolution of parallel linear convective system.The mountainous area enhanced the north-south horizontal temperature gradient and continuously generates new updrafts through the convergence of the near-surface wind field on the windward slope or the bell-mouth.After the triggering of the low-level convection，the linear convective system moved northward with the southerly air and presents the characteristics of backward propagation.The whole parallel linear convection moved eastward with the mid-level guiding wind direction.The center of heavy precipitation in Taihu Lake not only had the convergence of the southeast wind and the southward northeast wind around Dabie Mountain，but also was located at the bell-mouth of the windward slope.The topographic uplift enhanced the cooperation of the radiation，and the convection developed the most vigorously.The dual-polarization radar parameters and raindrop spectrometer showed that there were a large number of dense raindrops over Taihu Lake，and the precipitation efficiency was high.

Key words Heavy rainstorm;Parallel linear convective system;Mountainous area;Dual polarization radar

基金項目

安徽省氣象局預(yù)報員專項（kY202208）。

作者簡介 李冰（1990—），女，安徽舒城人，工程師，從事短臨監(jiān)測預(yù)報和災(zāi)害性天氣研究。*通信作者，正高級工程師，碩士，從事短時天氣預(yù)報研究。

收稿日期 2023-07-01；修回日期 2023-07-31

近年來，暴雨災(zāi)害帶來的損失逐年增加，深入認識暴雨發(fā)生發(fā)展的機理，仍是國內(nèi)外廣泛關(guān)注的科學(xué)問題［1］。大暴雨在安徽省春季時有發(fā)生，給社會生產(chǎn)、人民生活、財產(chǎn)生命等帶來嚴重影響［2-4］。在江淮流域梅雨期準靜止鋒或緩慢移動的鋒面上，中尺度對流系統(tǒng)常常引起暴雨發(fā)生［5-7］。趙宇等［8］研究表明，暴雨過程線狀中尺度對流系統(tǒng)（MCS）在發(fā)展初期表現(xiàn)為東西向雨帶不斷的“后部建立”以及隨后對流單體的“列車效應(yīng)”，成熟期對流單體向東北—西南向發(fā)展，形成多個近乎平行的東北—西南向短雨帶。沿著梅雨鋒常觀測到一些對流單體嵌在準線狀后向傳播的對流系統(tǒng)中，相似中尺度對流系統(tǒng)也有發(fā)生在華南沿海前雨季期極端降水事件中，此時，沿海中尺度山區(qū)地形在對流觸發(fā)和組織化中也發(fā)揮一定的作用［9］。Wang等［10］研究了山區(qū)地形對梅雨期中尺度對流系統(tǒng)的形成和維持的作用，得出梅雨鋒南側(cè)的山區(qū)可以影響后向傳播的中尺度對流系統(tǒng)演變。張家國等［11］也指出大別山西側(cè)地形對雷暴冷池的阻擋使得冷空氣在山前堆積形成回流，導(dǎo)致MCS出現(xiàn)后向傳播并呈準靜止狀態(tài)，經(jīng)常在山前一定距離處形成極端強降水。

以往關(guān)于梅雨鋒暴雨中尺度對流系統(tǒng)的組織特征和觸發(fā)條件已有不少研究［12-18］，但對江淮地區(qū)快速南下的冷鋒上平行線狀且后向傳播的中尺度對流系統(tǒng)的分析較少。由于大暴雨預(yù)報難度大，且在安徽省預(yù)報系統(tǒng)中對大暴雨的客觀預(yù)報產(chǎn)品能力較低，仍以主觀預(yù)報為主［19］，因此，研究大暴雨的天氣學(xué)特征是提高預(yù)報員分析總結(jié)能力和預(yù)報水平的重要途徑［20］。了解當冷鋒南下時，山區(qū)地形對平行線狀對流系統(tǒng)的形成所發(fā)揮的作用，對于理解江淮地區(qū)地形影響下冷鋒引起的大暴雨過程、提高此類災(zāi)害性天氣預(yù)報準確率、提升預(yù)報員綜合素質(zhì)十分必要。筆者主要針對皖南初春的極端降水事件，重點結(jié)合S波段雙偏振雷達和雨滴譜資料分析其中尺度特征，初探皖南復(fù)雜地形對后向傳播的線狀對流系統(tǒng)的形成和維持所起的作用。

1 資料說明

該研究所用資料包括2022年3月16日08：00—17日08：00 Micaps常規(guī)氣象觀測資料；2022年3月16—17日的ERA5再分析資料，水平分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h；安慶站S波段雙偏振多普勒天氣雷達資料，時間分辨率平均約6 min，可掃描230 km半徑的回波強度以及偏振數(shù)據(jù)；太湖站DSG5型降水現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)。其中DSG5型降水現(xiàn)象儀由華云升達研發(fā)，其測量傳感器能精密測得地面降水粒子，譜數(shù)據(jù)分為32個直徑通道和32個速度通道，以1 min為采樣間隔。目前業(yè)務(wù)降水現(xiàn)象儀與人工觀測對于大于0.1 mm/h雨強的平均捕獲率不低于97%，顯示出與人工觀測良好的一致性，能較好反映實際降水變化，其數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

2 大暴雨過程概況

3月16日皖南地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，并伴隨多種災(zāi)害性天氣，如短時強降水、大風(fēng)、寒潮、大霧。由圖1可見，16日08：00—17日08：00累計降雨量最大出現(xiàn)在太湖（133 mm），其中強降水時段主要集中在16日夜里到17日白天，6 h累計降雨量達110 mm，此次強降水中心落區(qū)的西北側(cè)為大別山區(qū)，東南側(cè)為皖南山區(qū)，西南側(cè)為幕阜山。強降水期間伴有雷暴大風(fēng)，最大為懷寧縣（23.4 m/s）。淮河以南16日最高氣溫28～30 ℃，受冷空氣影響，長江流域24 h降溫幅度達8～16 ℃，17日早晨蘇皖北部最低氣溫降至4 ℃，皖南出現(xiàn)大霧。

3 大氣環(huán)流背景

3月16日歐亞大陸500 hPa高緯度呈現(xiàn)兩槽一脊環(huán)流形勢，貝湖東部低槽和西北太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定，華西有一疏散槽東移加強，氣壓梯度增大。700、850 hPa配合有西南急流，偏東路冷空氣加強南下，在江淮地區(qū)形成低渦切變。16日開始地面熱低壓發(fā)展，夜里起冷鋒自北向南迅速移動，并于17日上午移出安徽。

由圖2可見，地面冷鋒附近水平溫度梯度大，位于大別山區(qū)南側(cè)有一暖中心（25 ℃），山區(qū)北側(cè)冷空氣堆積，存在16～18 ℃的冷中心；同時氣壓梯度也大，鋒前、鋒后分別有一低壓中心（1 004 hPa）、高壓中心（1 012 hPa），地面10 m風(fēng)為6 m/s 左右，偏東風(fēng)、偏南風(fēng)到達大別山區(qū)，其東南側(cè)、南側(cè)為迎風(fēng)坡，平行線狀對流即形成在該鋒面附近迎風(fēng)坡上，強降水中心太湖附近不僅有東南風(fēng)與北側(cè)繞大別山區(qū)南下的東北風(fēng)輻合，而且處于迎風(fēng)坡的喇叭口，由于地形抬升，輻合更強，更利于對流發(fā)展。

4 中尺度特征分析

4.1 大氣穩(wěn)定度分析

從2022年3月16日20：00位于強降水落區(qū)附近的安慶站探空廓線分布（圖3）可以看出，皖南地區(qū)CAPE為86.9 J/kg，能量條件一般，600 hPa附近有一干層，800 hPa以下水汽接近飽和，1 000 hPa為偏東風(fēng)，溫度為25 ℃，低層空氣暖濕，風(fēng)垂直切變大。500 hPa以上為偏西風(fēng)，中層風(fēng)引導(dǎo)平行線狀對流的移動。線狀對流的南側(cè)新生對流單體隨著鋒面上偏南氣流向北。

對皖南暴雨雨區(qū)的強降水中心作緯向垂直速度和相對渦度剖面，由圖4可見，在115.5°～119°E具有大范圍較強上升運動區(qū)，呈緯向帶狀分布，從850 hPa伸展到250 hPa左右，氣流垂直上升運動層深厚。從渦度緯向垂直分布特征來看，皖南地區(qū)有明顯的正渦度區(qū)，輻合層高度達到300 hPa左右，有利于低值系統(tǒng)和垂直上升運動的維持；其中低層116.5°E附近有一正渦度中心，對應(yīng)強輻合中心和大暴雨中心落區(qū)。總體上，此次大暴雨的動力條件較好，也與地形側(cè)向摩擦、低層系統(tǒng)性輻合上升以及凝結(jié)潛熱釋放多重作用增強氣柱垂直拉伸有關(guān)。

4.2 衛(wèi)星雷達特征

可見光云圖（圖5）顯示，3月16日14：43我國華東地區(qū)有一龐大的鋒面氣旋云系，位于其西側(cè)有強烈的對流云團發(fā)展。

安慶站0.5°仰角雷達圖（圖6）顯示，3月16日22：00—17日01：00大別山區(qū)南側(cè)有多個對流單體風(fēng)暴逐漸組織化，鋒面低層有對流單體形成后向偏北方向移動，隨后在鋒面低層又有新的對流生成并北移，形成多條近南—北走向的線狀回波，偏南氣流與對流云降水產(chǎn)生的冷出流疊加?xùn)|北冷空氣相互作用，形成后向傳播。平行線狀對流ABC的南側(cè)有新對流形成并不斷向北并入線狀對流回波中。平行線狀對流回波隨著對流層中層偏西引導(dǎo)氣流向東移動，先后影響太湖，最大回波強度達62 dBZ，出現(xiàn)列車效應(yīng)，最大雨強44.6 mm（17日00：00—01：00），對應(yīng)徑向速度圖上有弱的輻合式氣旋。平行線狀對流回波的后向傳播伴隨著冷鋒南下，同時大別山區(qū)地形也發(fā)揮著重要作用。其中3月17日00：32，太湖處于鉤狀回波的弱回波區(qū)，有明顯的回波懸垂，最大可達52.5 dBZ，上升運動較強，太湖附近可以看到中氣旋。

4.3 雙偏振雷達參量和雨滴譜特征

由雙偏振雷達參量值（圖7）可見，3月16日23：54平行線狀對流移近太湖附近，對應(yīng)差分傳播相移率（KDP）大（最大可達5.3°/km）和差分反射率因子（ZDR）大（最大為7.8 dB），同時零階滯后相關(guān)系數(shù)（CC）>0.95，說明此時雨滴直徑較大，粒子數(shù)密度大。

從雨滴譜分布（圖8）來看，3月16日23：00—24：00直徑1.0～1.5 mm的粒子個數(shù)最多，3月17日00：00—01：00直徑1.0～1.5 mm的粒子個數(shù)仍然最多，但3.0 mm左右的大雨滴在增多，同時0.5 mm左右的小雨滴數(shù)量也在增多，降水效率增大。

5 機理初探

2022年3月16日冷鋒南側(cè)偏東風(fēng)、偏南風(fēng)與鋒面上中尺度對流系統(tǒng)引起的冷出流疊加南下的冷空氣之間的相互作用形成平行分布的線狀對流系統(tǒng)，山區(qū)在平行線狀對流系統(tǒng)的形成中發(fā)揮重要作用。

在冷暖空氣交界處，有山區(qū)影響的地方水平溫度梯度大，更易觸發(fā)對流。山區(qū)迎風(fēng)坡可以較長時間維持低層風(fēng)場輻合抬升，增強了冷暖空氣的相互作用，而后向傳播通常發(fā)生在鋒面冷暖交匯更劇烈的地方。位于山區(qū)東南側(cè)、南側(cè)的低層對流觸發(fā)之后向北移動，通過迎風(fēng)坡或喇叭口山區(qū)地形作用，近地面風(fēng)場輻合不斷產(chǎn)生新的上升氣流，形成新的對流單體向北并入舊的對流中形成線狀對流系統(tǒng)，呈現(xiàn)出后向傳播的特征。整個平行分布的線狀對流系統(tǒng)主要沿著中層引導(dǎo)風(fēng)向偏東方向移動。

6 小結(jié)與討論

利用Micaps常規(guī)氣象觀測、S波段雙偏振多普勒天氣雷達和雨滴譜等資料，研究了2022年3月中旬皖南的一次大暴雨過程。主要得到以下結(jié)論：

（1）2022年3月16日皖南大暴雨發(fā)生時天氣復(fù)雜，伴有短時強降水，最大降雨量位于大別山區(qū)東南側(cè)的太湖，6 h累計降雨量達110 mm，同時伴有雷暴大風(fēng)、寒潮，17日出現(xiàn)大霧。

（2）500 hPa低槽，700、850 hPa西南急流、低渦切變，地面冷鋒，結(jié)合大別山區(qū)地形影響，均有利于大暴雨發(fā)生。平行線狀對流主要形成在地面冷鋒附近迎風(fēng)坡上，尤其是太湖，不僅有東南風(fēng)與北側(cè)繞大別山區(qū)南下的東北風(fēng)輻合，而且處于迎風(fēng)坡的喇叭口，由于地形抬升，輻合更強，更利于對流發(fā)展。

（3）當冷鋒南下到大別山南部時，山區(qū)增強了南北水平溫度梯度，并通過迎風(fēng)坡或喇叭口的近地面風(fēng)場輻合不斷產(chǎn)生新的上升氣流，低層對流觸發(fā)之后不斷隨著偏南氣流向北移動，形成線狀對流系統(tǒng)，呈現(xiàn)出后向傳播的特征；整個平行線狀對流隨著中層引導(dǎo)風(fēng)向偏東方向移動。

（4）由雙偏振雷達參量和雨滴譜儀數(shù)據(jù)顯示，大暴雨中心太湖上空為籽子數(shù)密度大的大雨滴，表明降水效率高。

在當天預(yù)報中，歐洲數(shù)值模式預(yù)報出了大別山區(qū)的暴雨，但大別山區(qū)南側(cè)和皖南山區(qū)的暴雨、大暴雨漏報。初探其原因，數(shù)值模式對于低槽、低渦和急流的預(yù)報偏西，對于冷鋒的預(yù)報偏弱偏慢，且地形作用考慮不足，導(dǎo)致對安徽南部的主客觀降水預(yù)報均偏弱。對比山區(qū)和其東側(cè)平原，大別山區(qū)南側(cè)低層濕度條件更好，冷鋒與地形共同作用輻合更強，產(chǎn)生強降水。通過分析此次大暴雨過程可知，即使在3月份，在冷暖空氣劇烈交匯、水汽充沛、山區(qū)地形有利條件下，皖南也有發(fā)生大暴雨的可能性。

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