一次熱帶低壓伴隨中尺度鋒生的暴雨天氣過程分析

韓 美 ， 廖晨菲 ， 林小紅 ， 劉通易 ， 蔣 滔

福建省氣象臺， 福建 福州 350000

0 引 言

福建是我國遭受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的省份之一，年均有6.7個臺風(fēng)影響。每年夏、秋季節(jié)的極端暴雨過程大多與臺風(fēng)活動有關(guān)，如何減輕由臺風(fēng)帶來的強(qiáng)降水影響，是福建省主要的氣象研究課題。國內(nèi)外許多氣象學(xué)者對臺風(fēng)暴雨形成機(jī)理和落區(qū)預(yù)報進(jìn)行了詳盡的研究。陳聯(lián)壽和孟智勇(2001)研究指出，臺風(fēng)帶來強(qiáng)降水的方式和機(jī)理有很大差異，強(qiáng)度可能與大尺度環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)、水汽條件、局地地形、層結(jié)穩(wěn)定度、邊界層輻合和高層出流等許多因素關(guān)系密切。其中，冷空氣可以使渦旋獲得斜壓能量，并得以迅速發(fā)展，這種暴雨通常包括由環(huán)流直接引起的和與周圍系統(tǒng)相互作用間接造成的，還常常與中尺度系統(tǒng)相聯(lián)系。適當(dāng)冷空氣對臺風(fēng)暴雨增幅作用明顯(黃莉等，2018)。張娟娟等(2021)和劉維鑫等(2016)對臺風(fēng)導(dǎo)致的江西暴雨進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，冷空氣侵入暖濕氣流底部而形成冷墊，使得臺風(fēng)低壓中的暖濕氣流在冷空氣上抬升輻合，從而形成大暴雨。低層冷空氣入侵往往能造成地面鋒生，楊舒楠等(2018)分析“麥德姆”臺風(fēng)暴雨過程發(fā)現(xiàn)，在冷暖平流交匯處偏向暖平流一側(cè)有明顯鋒生存在，這給降水帶來了有利的動力條件。鋒生可使得切變線上的垂直渦度、輻合快速發(fā)展，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，從而導(dǎo)致大暴雨的發(fā)生(王伏村等，2016)。梁軍等(2017)對1410號臺風(fēng)造成的強(qiáng)降水進(jìn)行分析后指出，降水強(qiáng)度的差異與臺風(fēng)環(huán)流內(nèi)的鋒生強(qiáng)度相關(guān)。地形也對暴雨的增幅作用明顯，有利于中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，局地陡峭地形對大氣的抬升和拖曳作用使得熱帶氣旋環(huán)流強(qiáng)對流雨帶降水強(qiáng)度有一定影響(趙玉春和王葉紅，2019)。福建東北部地區(qū)外海寬闊，當(dāng)風(fēng)力很強(qiáng)時海岸對風(fēng)的摩擦輻合和地形對低層急流的抬升會特別顯著，導(dǎo)致暴雨產(chǎn)生增幅(林小紅等，2015；葉龍彬等，2018)。

前人研究已經(jīng)較為詳細(xì)地闡明了暴雨增幅的相關(guān)影響因子，但在實際預(yù)報中對暴雨強(qiáng)度尤其是極端暴雨的把握依然存在較大困難，尤其是福建東北部地形復(fù)雜的情況下，暴雨增幅應(yīng)做多大程度的調(diào)整。受“珊珊”熱帶低壓的影響，2018年8月24—25日福建省東北部地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，造成了城鄉(xiāng)積澇、山體滑坡等氣象災(zāi)害。文中分析此次熱帶低壓影響下的極端暴雨的形成原因，旨在揭示中尺度鋒生對局地強(qiáng)降水的作用，以期為暴雨天氣預(yù)報提供參考。

1 資 料

文中所用資料包括：中國氣象局上海臺風(fēng)研究所2018年8月24—25日間隔6 h的臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度資料，福建省氣象信息中心的福建地面自動站的逐時降水、風(fēng)場、氣溫等資料，以及NCEP分辨率為0.25°×0.25°再分析資料。

2 降水概況

圖1給出了2018年8月24日20時—25日20時實況降水量和逐小時降水序列。分析可知，此次福建東北部地區(qū)極端暴雨天氣過程發(fā)生在“珊珊”熱帶低壓在福建沿海登陸過程中。熱帶低壓于2018年8月23日08時(北京時，下同)生成，25日09：40在福建省莆田秀嶼沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力7級(13.9—17.1 m/s)，而后緩慢西移，在低壓生成到登陸過程中，最大風(fēng)力維持在7級。受臺風(fēng)影響，24日20時—25日20時福建省東北部3個縣(市)出現(xiàn)特大暴雨，共計14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過250 mm(圖1a)。分析3個代表站不同時段累計降水量(圖1b)發(fā)現(xiàn)，福鼎硤門鄉(xiāng)1 h降水量為63.6 mm，霞浦牙城鎮(zhèn)6 h降水量為123.8 mm，柘榮乍洋鄉(xiāng)12 h降水量為318.4 mm。分析上述三站的逐時降水量(圖1b)發(fā)現(xiàn)，降水量分布存在明顯的“雙峰”結(jié)構(gòu)(25日03—06時、08—11時)，且第二階段明顯強(qiáng)于第一階段，降水區(qū)域集中、局地性強(qiáng)、強(qiáng)度大且持續(xù)時間長。

圖1 2018年8月24日20時—25日20時實況降水量(a,填色，單位：mm; 實線部分為低壓在降水時段的移動路徑)和3個代表站逐小時降水序列(b)

3 極端暴雨形成的環(huán)境特征

3.1 環(huán)流背景

圖2給出了2018年8月24日20時、25日02時、08時、14時500 hPa層高度場和850 hPa層風(fēng)場。分析發(fā)現(xiàn)，8月24—25日500 hPa高度層，我國東北部有低渦生成并向東移動，中緯度低槽東移，引導(dǎo)弱冷空氣南下，副熱帶高壓位置偏東，導(dǎo)致熱帶低壓的引導(dǎo)氣流弱，移動緩慢，有利于降水的維持；850 hPa高度層，熱帶低壓北側(cè)有切變發(fā)展，并逐漸西移。24日20時(圖2a)，中緯度短波槽東移，結(jié)合熱帶低壓靠近，福建東北部沿海低層偏北風(fēng)較大；25日02時(圖2b)，福建東北部沿海偏北風(fēng)減弱，隨著副熱帶高壓的加強(qiáng)和熱帶低壓的北移，臺灣以北海面低空偏東氣流加強(qiáng)為急流，925 hPa高度層強(qiáng)于850 hPa層，最大達(dá)到22 m/s，甚至在1 000 hPa層也存在16 m/s的急流，偏東的邊界層急流帶來海上暖濕氣流與中緯度槽帶來的弱冷空氣交匯，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生，對應(yīng)于第一強(qiáng)降水時段。25日08時(圖2c)，熱帶低壓即將登陸，沿岸850 hPa低壓倒槽移至福建東北部地區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻合，繞過臺灣的兩股暖濕氣流在臺灣海峽北部交匯，并在偏東的引導(dǎo)氣流下向福建東北部移動，產(chǎn)生強(qiáng)降水，對應(yīng)于第二強(qiáng)降水時段。對比兩個降水階段發(fā)現(xiàn)，02時海上雖有較強(qiáng)的急流發(fā)展，但福建東北部近岸為東北氣流且陸上風(fēng)力較小，而08時風(fēng)速大值區(qū)已經(jīng)推移到陸上，在近岸為低壓北側(cè)的風(fēng)速切變區(qū)，這就為第二階段強(qiáng)降水提供了有利的動力條件。25日14時(圖2d)，隨著熱帶低壓登陸減弱，繞過臺灣島的兩股氣流減弱，在福建東北部的輻合向西推進(jìn)，并逐漸減弱，強(qiáng)降水趨于結(jié)束。

圖2 2018年8月24日20時(a)、25日02時(b)、08時(c)、14時(d)500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)和850 hPa風(fēng)場(風(fēng)桿)

3.2 水汽條件

圖3為2018年8月25日02時和08時地面到850 hPa層累積水汽通量和925 hPa層風(fēng)場。分析發(fā)現(xiàn)，25日02時第一降水階段開始前，福建東北部以東海面有較強(qiáng)的水汽通道，水汽通量中心值達(dá)到120×10-5g/(m·hPa·s)，與海上夜間增強(qiáng)的低空急流相聯(lián)系，較強(qiáng)的水汽通道將水汽源源不斷地向岸上輸送，為強(qiáng)降水形成提供了較好的水汽條件。25日08時，海上有2條水汽通道并在近岸相遇，中心強(qiáng)度可達(dá)90×10-5g/(m·hPa·s)，在高空偏東氣流的引導(dǎo)下向岸上輸送，為第二強(qiáng)降水階段提供水汽。因此，兩個降水階段都有較好的水汽供應(yīng)，第二降水階段水汽通量弱于第一階段，說明水汽供應(yīng)不是造成兩個階段降水強(qiáng)度差異的主要原因。

圖3 2018年8月25日02時(a)和08時(b)地面到850 hPa累積的水汽通量(填色，單位：10-5 g/(m·hPa·s))和925 hPa風(fēng)場(風(fēng)桿)

3.3 動力特征

暴雨發(fā)生的局地性和突發(fā)性等中小尺度特征與地面中尺度輻合系統(tǒng)密切相關(guān)(周泓等，2015)。地形阻擋和摩擦作用使得迎風(fēng)坡前有明顯的水汽累積，隨著降水系統(tǒng)的移動在高地形區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水(倪悅等，2017)。由于福建東北部下墊面復(fù)雜，在此次強(qiáng)降水過程中伴隨較強(qiáng)的對流。圖4給出了2018年8月24日20時、25日02時、08時、14時水平散度、地形和垂直風(fēng)沿27°N的垂直剖面，其中垂直風(fēng)為垂直速度擴(kuò)大100倍與水平風(fēng)的合成。分析發(fā)現(xiàn)，24日20時，偏東氣流在地形的迎風(fēng)坡形成輻合上升，產(chǎn)生降水，背風(fēng)坡形成輻散下沉區(qū)，上升速度沒有發(fā)展到很高的高度，降水強(qiáng)度并不大。隨著時間的推移，25日02時，偏東氣流上岸在低空形成向西傾斜并向上發(fā)展的輻合區(qū)，輻合中心離山脈略遠(yuǎn)，可能受到海陸下墊面差異的影響，輻合區(qū)上空出現(xiàn)輻散區(qū)，抽吸作用加強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動，有利于降水回波的上岸增強(qiáng)并發(fā)展到較高的高度，在此過程中，高空槽東移提供了主要的動力條件。08時，增強(qiáng)的偏東氣流深入內(nèi)陸，在山脈的迎風(fēng)坡形成輻合中心，低層輻合區(qū)減弱，中高空的輻散強(qiáng)度也減弱，此時地形抬升對強(qiáng)降水的產(chǎn)生有重要的作用。14時，隨著熱帶低壓的東移，偏東氣流深入內(nèi)陸，福建東北部低層輻合減弱，降水逐漸趨于結(jié)束。

圖4 2018年8月24日20時(a)、25日02時(b)、08時(c)、14時(d)水平散度(填色，單位：10-5 s-1)、地形(黑色陰影)和垂直風(fēng)(風(fēng)桿)沿27°N的垂直剖面

4 中尺度鋒生作用

4.1 鋒生函數(shù)

在傳統(tǒng)鋒生理論中，鋒生過程表現(xiàn)為水平溫度(位溫)梯度的增大過程，但在副熱帶鋒面系統(tǒng)中鋒面兩側(cè)露點溫度的差異比溫度本身的差異更為明顯。由于此次過程中空氣濕度較大，垂直運(yùn)動可近似為濕絕熱過程，考慮假相當(dāng)位溫θse在濕絕熱過程中守恒，因此選θse計算鋒生函數(shù)(段旭等，2019)，計算式為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，F(xiàn)為鋒生函數(shù)，若F>0為鋒生，F(xiàn)<0為鋒消；F1、F2、F3、F4分別為非絕熱加熱項、水平輻散項、水平變形項及與垂直運(yùn)動有關(guān)的傾斜項；θse為假相當(dāng)位溫；Dh為水平散度；Af為伸長形變；Bf為切變形變；u為緯向風(fēng)；v為徑向風(fēng)；ω為垂直速度。

4.2 鋒生函數(shù)的水平分布

圖5給出了2018年25日02時和08時近地面鋒生函數(shù)的水平分布。分析可知，25日02時，第一個強(qiáng)降水階段開始之前，950 hPa和925 hPa高度層福建省東北部海岸線附近均存在明顯的冷中心。沿岸冷中心與海上暖氣團(tuán)之間形成假相當(dāng)位溫密集帶，對應(yīng)鋒生函數(shù)大值中心，與950 hPa高度層相比，925 hPa層鋒生函數(shù)大值區(qū)范圍縮小，最大值由原來的36.13×10-9K/(m·s)減小為27.64×10-9K/(m·s)，說明此鋒區(qū)只存在于邊界層中，且尺度較小。25日08時第二個降水階段開始，由于繞過臺灣島的偏南支流的加入，海岸線附近出現(xiàn)增溫，假相當(dāng)位溫等值線更加密集，鋒生函數(shù)值增大，鋒區(qū)加強(qiáng)并向上延伸，高度較上一個時次更高。鋒區(qū)的存在有利于層結(jié)不穩(wěn)定能量的釋放，對強(qiáng)降水的發(fā)生有明顯的促進(jìn)作用。同時由于鋒區(qū)存在于邊界層內(nèi)，高度較低，在沿海地區(qū)的山區(qū)地形對中尺度鋒區(qū)的形成也有一定的影響。因此，文中將對鋒生函數(shù)逐項進(jìn)行分析，探討兩個降水階段的鋒生主要影響因子。

圖5 2018年8月25日02時(a、b)和08時(c、d)925 hPa層(左)和950 hPa層(右)鋒生函數(shù)值(填色，單位：10 -9 K/(m·s))和假相當(dāng)位溫θse(等值線，單位：K)分布

4.3 鋒生函數(shù)的貢獻(xiàn)因子

此次鋒生發(fā)生在近地層，為了探討鋒生函數(shù)各分項在此次暴雨過程中發(fā)揮的作用，圖6給出了鋒區(qū)(120°E，27°N)975—850 hPa高度層垂直積分的鋒生函數(shù)各項逐6 h變化。分析發(fā)現(xiàn)，對鋒生貢獻(xiàn)最大的為水平變形項(F3)，在兩個強(qiáng)降水階段均有較大的鋒生作用，但第二階段明顯強(qiáng)于第一階段；起到鋒消作用的為垂直運(yùn)動傾斜項(F4)；非絕熱加熱項(F1)和水平輻散項(F2)分別在強(qiáng)降水的第一階段和第二階段起到鋒生作用，其余為鋒消作用。

圖6 鋒區(qū)(120°E，27°N)975—850 hPa高度層垂直積分的鋒生函數(shù)各項逐6 h變化

圖7 鋒生函數(shù)分項F1(a)、F2(b)、F3(c)、F4(d)沿27°N線的時間—經(jīng)度剖面(單位:10-9 K/(m·s))

非絕熱加熱項F1反映了鋒區(qū)附近和外界的熱量交換，主要包括輻射、感熱和潛熱的輸送。從圖7a可知，120°E以西在25日08時之前均有F1>0，在此之后F1<0，正值區(qū)隨著時間的變化向東發(fā)展。在25日08時之前近地面偏北氣流帶來較冷的空氣導(dǎo)致地面降溫，與海上較暖的空氣相遇有利于鋒生，之后隨著降水帶來的冷區(qū)潛熱釋放、暖區(qū)蒸發(fā)冷卻以及白天太陽輻射造成的大氣和地面升溫，使這種溫度差異逐漸減小，不利于鋒生，但由于F1量值較小，對總體鋒生影響不大。因此，F(xiàn)1項在降水第一階段有鋒生作用，第二階段發(fā)揮了鋒消作用。

水平輻散項F2是假相當(dāng)位溫梯度和散度的乘積，反映了假相當(dāng)位溫和散度對鋒生的貢獻(xiàn)。隨著時間的推移，25日08時F2由負(fù)轉(zhuǎn)正，對鋒生產(chǎn)生正的貢獻(xiàn)。結(jié)合圖5中25日08時與02時對比可以明顯看到，在925 hPa層和950 hPa層均有等假相當(dāng)位溫線更密集，梯度增大的現(xiàn)象，強(qiáng)梯度區(qū)向岸上推進(jìn)。25日08時隨著850 hPa層低壓切變的上岸，東南氣流在山脈迎風(fēng)坡也形成了強(qiáng)輻合中心，較02時更為靠近內(nèi)陸強(qiáng)降水中心。因此，假相當(dāng)位溫梯度和散度在第二階段的明顯增強(qiáng)造成了鋒生函數(shù)的增大，對強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的動力條件。

水平變形項(F3)的本質(zhì)是由于溫度場和流場之間存在著相互作用，等位溫線分布改變之后，原來的地轉(zhuǎn)平衡和熱成風(fēng)關(guān)系就遭到破壞，空氣運(yùn)動也會隨之發(fā)生變化，進(jìn)一步對鋒生產(chǎn)生影響。在對北京的一次暴雨過程分析中，變形項對引發(fā)暴雨的低層鋒生有重要貢獻(xiàn)(李娜，2013)，梅雨鋒的鋒生及其維持與形變項和散度項也有更大的關(guān)系(Chen et al，2007)。該項量值最大，對鋒生的貢獻(xiàn)最大，且在第二階段較第一階段有明顯的躍增(圖6)。在此次過程中鋒區(qū)走向為東北—西南，第一降水階段鋒區(qū)兩側(cè)風(fēng)向均為東北(圖2b)，與鋒區(qū)交角小于45°，而在第二階段，風(fēng)向為東北和東南向(圖2c)，暖區(qū)一側(cè)東南風(fēng)幾近垂直鋒區(qū)，有利于假相當(dāng)位溫等值線的密集，較第一階段更加有利于鋒生。圖7c中，水平變形項(F3)在25日08時120°E處存在明顯的大值中心，對應(yīng)強(qiáng)降水第二階段，因此可以說水平變形項在此次暴雨過程中起到主要的作用。

垂直運(yùn)動傾斜項(F4)可以反映出垂直速度的水平梯度產(chǎn)生的鋒生作用。在整個暴雨過程中鋒區(qū)上F4均小于0，有鋒消作用。對假相當(dāng)位溫的垂直剖面分析可知(圖略)，偏北氣流帶來的冷氣團(tuán)逐漸使低層大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，海岸上近地層穩(wěn)定，且越深入內(nèi)陸越穩(wěn)定，海上為不穩(wěn)定層結(jié)，120°E處來自海上的暖氣團(tuán)上岸沿山脈爬升，F(xiàn)4<0，有利于鋒消，第二階段降水開始之后，東南氣流加大，暖氣團(tuán)沿山脈爬升的速度加大，F(xiàn)4值隨之減小。但在119.5°E處為山谷地帶(圖1b)，穩(wěn)定層結(jié)下的冷氣團(tuán)沿山脈下沉使得F4>0，海上120°E以東不穩(wěn)定層結(jié)下暖氣團(tuán)的爬升也使得F4>0，F(xiàn)4的這種變化特征在圖7d中有所顯示，因此，雖然在鋒區(qū)上垂直運(yùn)動傾斜項對于鋒生沒有正貢獻(xiàn)，但是在其兩側(cè)存在正貢獻(xiàn)。

5 結(jié) 論

文中利用地面觀測資料和NCEP/FNL再分析資料，對福建東北部2018年8月24—25日暴雨天氣過程的大尺度流場、抬升條件以及鋒生過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到以下結(jié)論：

1) 熱帶低壓處于副熱帶高壓主體的西南側(cè)，移動緩慢，邊界層偏東急流帶來海上暖濕氣流與中緯度槽帶來的弱冷空氣交匯，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。兩個降水階段都有較好的水汽供應(yīng)，第二降水階段水汽通量弱于第一階段，說明水汽供應(yīng)不是造成兩個階段降水強(qiáng)度差異的主要原因,而低層風(fēng)速較大，地形抬升對強(qiáng)降水的產(chǎn)生發(fā)揮了重要的作用。

2) 此次暴雨過程伴隨中尺度的鋒生現(xiàn)象，且在第二階段明顯強(qiáng)于第一階段，為第二階段的強(qiáng)降水提供有力的動熱力條件。冷空氣影響造成了下墊面偏冷，海上暖濕的氣團(tuán)在其上爬升并與冷空氣交匯，形成了較強(qiáng)的中尺度鋒區(qū)，鋒區(qū)上垂直渦度、輻合快速發(fā)展，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，為暴雨增幅提供了有利的抬升條件。

3) 熱帶低壓的移動路徑使氣流在臺灣島兩側(cè)的繞流輻合，在較強(qiáng)偏東氣流的引導(dǎo)下，上岸爬坡增強(qiáng)，造成降水增幅；熱帶低壓的移動速度緩慢導(dǎo)致較長的強(qiáng)降水持續(xù)時間，有利于降水的累積。