一次中尺度輻合線引起的暴雨天氣過程分析

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(duì)國(guó)家、社會(huì)、人民有高影響的自然災(zāi)害之一。對(duì)暴雨的研究廣受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。突發(fā)的、局地的暴雨過程更是對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)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(bào)的各項(xiàng)指標(biāo)，提高氣象業(yè)務(wù)部門的暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)，顯得尤為重要。

暴雨的形成不僅與大尺度形勢(shì)有關(guān)，很多時(shí)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(duì)暴雨成因的分析不能只局限于對(duì)大尺度環(huán)流場(chǎng)的分析，還要深入分析中尺度系統(tǒng)對(duì)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(bào)性，讓預(yù)報(bào)員們措手不及。本文利用自動(dòng)站觀測(cè)資料和NCEP(美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)再分析資料，對(duì)此次暴雨過程展開分析，目的是加深對(duì)此次暴雨形成原因的理解，以期為未來類似天氣的預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的參考。

1 降水實(shí)況

2018年4月29日15時(shí)，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(kuò)大。如圖1所示，此次過程的降水時(shí)段主要集中在29日18時(shí)—30日07時(shí)，之后降水逐漸減弱。

在降水集中時(shí)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(jì)雨量大于100 mm的站共16個(gè)，大于50 mm的站共69個(gè)。單站最大累計(jì)降水量達(dá)140.1 mm；最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)32.3 mm/h。

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

2 天氣形勢(shì)

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(shí)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(duì)峙，形成類似鞍形場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。鞍形場(chǎng)區(qū)氣壓場(chǎng)很弱，風(fēng)速很小，但由于流場(chǎng)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(chǎng)上，金華地區(qū)處于大陸低壓和海上高壓之間的近均壓場(chǎng)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(kuò)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(chǎng)并不是出現(xiàn)暴雨天氣的典型形勢(shì)，低層沒有明顯的切變線配合，地面也沒有顯著的低壓波動(dòng)。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(jìn)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(duì)暴雨形成的作用與貢獻(xiàn)。

3 風(fēng)場(chǎng)分析

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

同時(shí)段大氣底層925 hPa(圖2)，在29日20時(shí)和30日02時(shí)兩個(gè)時(shí)次，浙中地區(qū)存在明顯的西南風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合線，該輻合線水平尺度在100～200 km，生命史約幾小時(shí)，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(shí)段，底層明顯的中尺度輻合線是重要的對(duì)流觸發(fā)機(jī)制和動(dòng)力抬升機(jī)制。

大尺度環(huán)流場(chǎng)顯示，在暴雨發(fā)生時(shí)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(yùn)動(dòng)區(qū)，而低層并沒有明顯的切變對(duì)應(yīng)，只是有一個(gè)小槽東移北縮減弱，底層處于類似鞍形場(chǎng)的偏南一側(cè)高、低壓之間，地面處于近均壓場(chǎng)中；對(duì)中低層和底層風(fēng)場(chǎng)的進(jìn)一步分析顯示，中低層西南風(fēng)增大和西南氣流中風(fēng)向輻合，對(duì)暴雨發(fā)生時(shí)段的水汽輸送和上升運(yùn)動(dòng)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(duì)流觸發(fā)、動(dòng)力抬升機(jī)制。

圖2 925 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s，虛線方框指示風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū))

4 物理量場(chǎng)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)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(duì)925 hPa的水平散度場(chǎng)進(jìn)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(gè)輻合中心(A，B)，并且兩片輻合區(qū)連接在一起，兩個(gè)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(shí)—30日02時(shí)，兩個(gè)輻合中心的強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，位置穩(wěn)定少動(dòng)，而這段時(shí)間正是金華地區(qū)降水趨于明顯并出現(xiàn)暴雨的時(shí)段；30日08時(shí)，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(duì)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(qiáng)度有所減弱，對(duì)應(yīng)著該區(qū)域仍有降水。

選取距金華站最近的網(wǎng)格點(diǎn)(29°N,119°E)做時(shí)間—高度剖面，得到水平散度、垂直速度、水平渦度隨時(shí)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(shí)段一直維持，說明大范圍的上升運(yùn)動(dòng)有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。在暴雨出現(xiàn)時(shí)段，水平渦度正值區(qū)一直延展至250 hPa的對(duì)流層高層，進(jìn)一步說明了垂直上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)盛，這為暴雨的發(fā)生提供了十分有利的大尺度動(dòng)力條件。

通過分析相對(duì)濕度場(chǎng)、水平方向水汽通量散度場(chǎng)及水平方向水汽通量隨時(shí)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(shí)段，相對(duì)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(fù)值區(qū)，意味著水汽通量輻合，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)輸送水汽至高層，強(qiáng)盛的垂直水汽輸送帶一直延伸至對(duì)流層中高層，促進(jìn)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(dòng)，說明在暴雨發(fā)生時(shí)段，水汽十分充足。

圖3 925 hPa水平散度場(chǎng)(單位：10-5s-1)

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

5 雷達(dá)分析

為了進(jìn)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(duì)雷達(dá)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此次暴雨過程可以根據(jù)雷達(dá)回波的不同特征分為兩個(gè)階段：第一階段是4月29日18—20時(shí)，強(qiáng)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(shí)，強(qiáng)降水由先后5個(gè)中尺度對(duì)流降水云團(tuán)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(qiáng)度穩(wěn)定，造成金華18—20時(shí)的持續(xù)降水，2 h內(nèi)全市普降小到中雨；19時(shí)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(duì)流降水回波，為了便于區(qū)分不同的中尺度云團(tuán)，我們將其稱為1號(hào)對(duì)流云團(tuán)，它是下一階段降水過程的初始云團(tuán)。該云團(tuán)的形成時(shí)間為29日19時(shí)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(shí)間為29日20時(shí)。底層中尺度輻合線對(duì)于對(duì)流云團(tuán)的新生和發(fā)展趨勢(shì)有重要作用，有利于對(duì)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(hào)對(duì)流云團(tuán)形成的重要條件。圖6為多個(gè)代表時(shí)次金華站雷達(dá)0.5°仰角基本反射率。

第二階段，1號(hào)對(duì)流云團(tuán)不斷東移靠近，29日20時(shí)15分，強(qiáng)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(hào)對(duì)流云團(tuán)上游的開化、淳安一帶2號(hào)云團(tuán)生成)；21時(shí)43分，強(qiáng)中心即將移入金華地區(qū)，在此東移過程中回波強(qiáng)度穩(wěn)定，最大反射率因子達(dá)55 dBZ以上；22時(shí)，強(qiáng)回波已經(jīng)移至金華西部地區(qū)，2號(hào)云團(tuán)東移至衢州北部，兩個(gè)云團(tuán)繼續(xù)向東偏南方向移動(dòng)；23時(shí)12分，在淳安、常山、衢州一帶3號(hào)云團(tuán)生成。30日00時(shí)40分，1號(hào)云團(tuán)移出金華，2號(hào)和3號(hào)云團(tuán)合并在一起，強(qiáng)度有所減弱；01時(shí)03分，在常山北部4號(hào)云團(tuán)生成，合并后的2、3號(hào)云團(tuán)再度加強(qiáng)并東移南壓；03時(shí)06分，2、3號(hào)云團(tuán)南壓出去，4號(hào)云團(tuán)移至婺城區(qū)西部，與此同時(shí)，5號(hào)云團(tuán)在衢州北部生成發(fā)展；4號(hào)和5號(hào)云團(tuán)繼續(xù)東移南壓；04時(shí)52分，4號(hào)云團(tuán)減弱消失；05時(shí)33分，5號(hào)云團(tuán)南壓至武義北部，強(qiáng)度增強(qiáng)；06時(shí)30分左右，5號(hào)云團(tuán)(降水主雨帶)南壓至金華東南部地區(qū)，強(qiáng)度有所減弱。從對(duì)應(yīng)的實(shí)況來看，30日07時(shí)之后降水逐漸減弱。

圖6 多個(gè)代表時(shí)次金華站雷達(dá)0.5°仰角基本反射率

2、3、4號(hào)云團(tuán)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(gè)對(duì)流降水云團(tuán)的出現(xiàn)提供了重要的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。5個(gè)對(duì)流云團(tuán)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(hào)云團(tuán)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(gè)對(duì)流云團(tuán)，云團(tuán)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(qiáng)度變?nèi)?，進(jìn)而降水逐漸減弱。

分析上述中尺度對(duì)流云團(tuán)的速度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，不斷形成的輻合區(qū)東移，到達(dá)金華地區(qū)時(shí)，中低層風(fēng)場(chǎng)輻合觸發(fā)局地大氣向上運(yùn)動(dòng)，這種動(dòng)力抬升使上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間維持造成了降水的長(zhǎng)時(shí)間維持。圖7為多個(gè)代表時(shí)次金華站雷達(dá)0.5°仰角速度場(chǎng)。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(shí)段與短時(shí)強(qiáng)降水的兩個(gè)時(shí)段中的第二個(gè)時(shí)段有較好的對(duì)應(yīng)。

6 模式檢驗(yàn)

從28日20時(shí)和29日08時(shí)起報(bào)的多種數(shù)值模式對(duì)29日夜里(29日20時(shí)—30日08時(shí))12 h累計(jì)雨量預(yù)報(bào)及實(shí)況圖來看(圖8)，28日20時(shí)全球模式(ECMWF、GRAPES、GFS、JMA、CMA、OCF)對(duì)降水量的預(yù)報(bào)量級(jí)明顯比實(shí)況小。在區(qū)域模式(Shanghai、ZJWARMS、WRF)中,WRF的預(yù)報(bào)(降水落區(qū)和量級(jí))最接近實(shí)況，但在29日08時(shí)更新預(yù)報(bào)時(shí)，WRF模式預(yù)報(bào)落區(qū)向南調(diào)整,量級(jí)也被下調(diào)，與實(shí)況偏差變大，這在很大程度上降低了此次強(qiáng)降水過程的可預(yù)報(bào)性，使得預(yù)報(bào)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(duì)29日夜里(29日20時(shí)—30日08時(shí))12 h累計(jì)雨量預(yù)報(bào)及實(shí)況圖(a.從28日20時(shí)起報(bào)、b.從29日08時(shí)起報(bào))(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(dòng)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(duì)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(bào)偏小，且在新的起報(bào)時(shí)次中，進(jìn)一步將雨量下調(diào)，這可能是由于模式對(duì)此次暴雨過程中出現(xiàn)的中尺度輻合線的強(qiáng)度和維持時(shí)間有所低估。模式的錯(cuò)誤引導(dǎo)大大增加了預(yù)報(bào)員精準(zhǔn)預(yù)報(bào)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(bào)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(duì)流云團(tuán)之間的反饋機(jī)制值得進(jìn)一步探討。

7 結(jié) 語(yǔ)

(1)中尺度輻合線是此次暴雨過程形成的最直接的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。

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

(3)中尺度輻合線的維持使小的對(duì)流單體不斷生成，為此次暴雨過程提供了動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制，使局地大氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)；強(qiáng)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(dòng)使降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

(4)中尺度輻合線的存在誘發(fā)一個(gè)接一個(gè)的降水云團(tuán)產(chǎn)生，而它的減弱也對(duì)應(yīng)著降水云團(tuán)的減弱，中尺度輻合線與降水云團(tuán)之間的反饋機(jī)制值得進(jìn)一步探索。

(5)中尺度輻合線的形成機(jī)理及其對(duì)暴雨的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究，比如開展高分辨率數(shù)值模擬精細(xì)化研究，以期得到暴雨預(yù)報(bào)的某種中尺度指標(biāo)。