“7·14”浙中北地區(qū)強(qiáng)降水的中尺度結(jié)構(gòu)分析

黃艷 蔡敏 金培

(金華市氣象局，浙江金華321000)

1 概述

對暴雨的研究表明，暴雨的強(qiáng)度和出現(xiàn)地點(diǎn)與中尺度擾動的活動密切相關(guān)［1－3］。近年來隨著科技日新月異，暴雨的研究工作不再僅僅著重在大尺度環(huán)流條件和中α尺度天氣系統(tǒng)，也開始逐漸注意到中β尺度天氣系統(tǒng)的作用了。

2012年7月14日后半夜到15日上午浙江省中部地區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨到大暴雨天氣，累計雨量60～120 mm，局部130 mm以上。強(qiáng)降水中心主要分布在浦江、義烏、蘭溪等市，其中義烏市大陳鎮(zhèn)部分農(nóng)戶房屋進(jìn)水，33.5 hm2水稻被淹，2處發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200多萬元。

本次發(fā)生過程具有范圍小，強(qiáng)度強(qiáng)，時間短的特點(diǎn)，本文對這次暴雨過程的天氣系統(tǒng)、實(shí)況觀測資料及物理量場進(jìn)行診斷分析，討論了其中尺度系統(tǒng)的活動特征，及高空低渦與暴雨位置的關(guān)系，對今后的暴雨預(yù)報工作有一定的指示意義。

2 天氣系統(tǒng)特征

2.1 主要天氣特征

在這次暴雨天氣過程前，浙江省受西太平副熱帶高壓的影響，出現(xiàn)了持續(xù)14 d的晴熱高溫天氣，積聚了大量的不穩(wěn)定能量，也為后來的大暴雨提供了前期環(huán)境條件。

2012年7月12—15日，東亞中高緯天氣形勢相對穩(wěn)定，500 hPa上東北冷渦移動緩慢，冷渦中心基本維持在黑龍江東北角一帶，巴爾喀什湖也維持一個切斷低渦，塔里木盆地到貝爾加爾湖為一穩(wěn)定的高壓脊控制，西太平洋副熱帶高壓脊線維持在26°N附近;700和850 hPa的切變線位于江淮地區(qū)，相差1個緯度左右的距離，切變線南側(cè)為一致的西南和西南偏西風(fēng)，最大風(fēng)速為20m/s，切變線北側(cè)為東風(fēng)和東北偏東風(fēng);地面鋒面由東西向逐漸變?yōu)闁|北—西南向，位于27°N～32°N。14日08時，東北冷渦仍呈現(xiàn)溫度槽滯后高度槽的配置，溫度槽引起的斜壓，加之底層波動的強(qiáng)迫使得長江中下游地區(qū)高空槽后的氣塊在北方冷空氣的推動下向南運(yùn)動的過程中相對渦度增加，從而強(qiáng)迫其北側(cè)出現(xiàn)偏東風(fēng)擾動，使得西風(fēng)氣流在槽區(qū)北側(cè)重新連接，形成了一個新的閉合低壓中心［4］，隨著低渦中心的東移并入東北冷渦槽，低層切變線移出，此次降水過程也逐漸趨于結(jié)束。大降水區(qū)位于500 hPa渦中心東南側(cè)的700和850 hPa的切變線之間。

此次降水過程與浙江省典型暴雨天氣形勢中的冷鋒切變型比較相似［5］，主要由中低層切變的發(fā)展加強(qiáng)、低層西南急流和地面靜止鋒共同作用產(chǎn)生，伴隨著低層切變的減弱，降水過程逐漸趨于減弱。

2.2 觸發(fā)機(jī)制

降水的天氣尺度影響系統(tǒng)為中低層切變線，強(qiáng)降水開始的區(qū)域(小時雨量大于10 mm)在寧波、紹興的中北部，處于(500～850 hPa)相當(dāng)位溫差大于－9的不穩(wěn)定區(qū)。由天氣系統(tǒng)和物理量綜合示意圖可見(圖1):1)對流層中層有弱冷空氣沿華北槽后的西北氣流南下滲透;2)降水過程開始前一日低空急流已經(jīng)建立，低空急流軸在上?！喜L沙一線，高空急流軸在35°N附近，但是到14日20時浙中地區(qū)暴雨發(fā)生前低空急流卻減弱了，這與各學(xué)者對長江中下游地區(qū)西南低空急流活動有明顯的日變化的研究結(jié)果相符［6－7］，而高空急流增強(qiáng)且南壓至30°N附近，暴雨發(fā)生后低空急流增強(qiáng)不明顯，此時高空急流軸略有南壓，近地面層925 hPa切變線(14日20時實(shí)況探空圖略)出現(xiàn)在浙中一帶，2 h后開始產(chǎn)生強(qiáng)降水。

圖1 14日08時(a)和14日20時(b)天氣系統(tǒng)與物理量的綜合示意圖

可見該次暴雨可能與高空急流的加強(qiáng)的關(guān)系更為密切，高空急流的右后方的輻散抽吸作用有利于上升運(yùn)動的維持與發(fā)展。低層切變線及高空急流的作用是發(fā)生暴雨的觸發(fā)機(jī)制。

3 中尺度結(jié)構(gòu)特征分析

3.1 水汽結(jié)構(gòu)

降水開始前(14日08時，圖2a)，26°N ～33°N之間從地面到600 hPa均為水汽通量輻合區(qū)，最強(qiáng)輻合中心(－26 ×10－7g·cm－2·hPa－1·s－1)在850 hPa 附近(28°N)，600 hPa 上為水汽通量弱輻散區(qū)，表明前期大氣中低層已為強(qiáng)降水積累了足夠的水汽。暴雨出現(xiàn)后(15日02時，圖2c)水汽釋放，而低層西南急流減弱，沒有水汽補(bǔ)充，水汽通量輻合減小(25°N ～29°N)，700 hPa以上為水汽通量輻散區(qū)，最大中心在近地層附近，850 hPa水汽通量散度值減小不到－10×10－7g·cm－2·hPa－1·s－1，強(qiáng)降水區(qū)域也隨著850 hPa水汽通量散度中心的移出而減小消散，再對應(yīng)地面6 h雨量，可見中尺度暴雨常出現(xiàn)在水汽通量輻合中心附近。

3.2 流場與熱力結(jié)構(gòu)

暴雨發(fā)生前(14日20時，圖2b)，30°N附近600 hPa以下θse隨高度降低，存在著明顯的對流不穩(wěn)定。θse鋒區(qū)位于33°N附近，先向南傾斜然后轉(zhuǎn)向北，28°N處的上升氣流明顯，并在700 hPa附近有氣流沿θse鋒區(qū)向上斜升到300 hPa，然后分散為南北兩支氣流，一支繼續(xù)向北走，一支向南到鋒后35°N附近下沉，為暴雨期間對流層中高層非絕熱加熱，造成南北溫度梯度加大后，下沉的干冷氣流使得600 hPa附近出現(xiàn)θse低值區(qū)，并在θse鋒區(qū)附近形成直接的熱力環(huán)流，有利于上升運(yùn)動帶的維持。暴雨發(fā)生后(15日20時，圖2d)，暴雨區(qū)對流不穩(wěn)定能量得到一定釋放，600 hPa以下浙中一帶的大氣層結(jié)對流不穩(wěn)定雖然仍然存在，但位置向南壓，且700 hPa以下無上升氣流，θse鋒區(qū)也向南壓至30°N附近，對應(yīng)地面6 h雨量來看，15日02時最大中心≥40 mm，到15日20時，最大中心只有10 mm，且范圍明顯縮小。

圖2 暴雨前后水汽通量散度、熱力結(jié)構(gòu)剖面圖和6 h地面雨量圖

3.3 動力結(jié)構(gòu)

由渦度和散度的緯向(沿30°N)剖面圖可見，14日08時(圖 3a)110°E ～120°E 為正渦度柱，最大正渦度在850 hPa附近，最大負(fù)渦度在200 hPa附近。正渦度層厚度厚，自地面延伸至 500 hPa，118°E附近 600 hPa近似無輻散層，輻散中心最大在250 hPa，正渦度柱高層輻散底層輻合，輻散中心略向西傾斜。20時正渦度柱向西移2個經(jīng)度左右的距離，此時輻合發(fā)生的大氣層很淺薄，在800 hPa以下。由它們的徑向(沿118°E)剖面圖可以看出正渦度柱略向北傾斜，輻合中心在降水開始時也在800 hPa以下(圖3b)，暴雨發(fā)生在正渦度柱大值區(qū)的南側(cè)。

圖3 14日08時沿30°N渦度緯向垂直剖面圖(a)和14日20時沿118°E散度經(jīng)向垂直剖面圖(b)

3.4 低渦與暴雨

從500 hPa的形勢演變可知，13日20時在豫陜交界一帶有低壓環(huán)流存在，但無閉合中心，而12 h后低壓環(huán)流迅速發(fā)展，在晉豫交界一帶形成低渦，此時大降水區(qū)域在長江中下游一帶，距離低渦中心5個緯度的距離，14日20時低渦中心東移南壓，大降水區(qū)域也隨之東移，浙江中部地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨。

分析低渦附近的徑向垂直速度分布(圖略)可見。13日20時在魯冀交界存在一個垂直速度的大值中心，但最大值出現(xiàn)在600 hPa(－27×10－3hPa·s－1)，說明了此處上升運(yùn)動強(qiáng)，陜冀豫交界附近氣旋環(huán)流逐漸明顯，但此時強(qiáng)度較弱，低渦未形成。14日08時低渦環(huán)流形成，中心位于魯北，此時低渦中心附近的上升運(yùn)動更為突出，垂直速度的大值中心從700 hPa伸展到400 hPa，700 hPa、500 hPa和 400 hPa 3 層的值分別為 －25 × 10－3hPa·s－1，－ 33 × 10－3hPa·s－1，－37 ×10－3hPa·s－1，400 hPa 的值最大，上升運(yùn)動的高度明顯增高，說明此時也是低渦迅速發(fā)展的時候。15日02時垂直速度的大值區(qū)南壓至28°N附近，從08和20時高空形勢圖看，低渦中心東移過程中有南壓趨勢，而20時至次日08時時段正是浙中強(qiáng)降水發(fā)生的時候。

而從低渦的緯向垂直分布圖(圖略)也可見，14日20時在低渦后部(西側(cè))有一準(zhǔn)傾斜的下沉氣流，由300 hPa的高空延伸至近地面，大值中心在400 hPa，使后部低壓系統(tǒng)得到加強(qiáng)，形成暴雨系統(tǒng)內(nèi)部的上升氣流和外部下沉氣流，低壓系統(tǒng)接近最旺盛時期，隨后出現(xiàn)了強(qiáng)降水，到15日02時，結(jié)構(gòu)被破壞，后部變?yōu)?00 hPa以上為上升氣流，以下為下沉氣流，暴雨結(jié)構(gòu)被破壞，6 h以后降水減弱。

4 多普勒雷達(dá)資料分析

近年來，多普勒雷達(dá)的解讀及應(yīng)用日新月異，不僅可以進(jìn)行較大范圍降水的定量估測，還能通過速度圖的描述降水質(zhì)點(diǎn)相對于雷達(dá)流入流出的情況，能使人們有可能更加深入的了解暴雨產(chǎn)生的中尺度系統(tǒng)及其流場特征［8］。

該次降水過程多普勒雷達(dá)的基本反射率因子表現(xiàn)為積層云混合回波。從金華雷達(dá)站0.5°仰角的基本反射率回波演變來看，配合切變線有一條東北—西南向的降水回波帶緩慢東移，沿切變線不斷有回波生消、移動。14日20:03常山—貴溪一帶(a段)和杭州南部—紹興(b段)各有一個東北—西南向的降水回波發(fā)展，但回波最大強(qiáng)度小于43 dBz，到23:02 a段的回波帶東移過程中有強(qiáng)中心發(fā)展強(qiáng)烈，回波最大強(qiáng)度達(dá)58 dBz;15日00:38(圖4a)，東移的a段回波和略有東南移的b段回波結(jié)合，形成一狹窄的回波帶，隨后整個回波帶移動緩慢，移速小于30 km/s，帶上有強(qiáng)降水中心生消、移動。從隨后每6 min的雷達(dá)回波演變來看，強(qiáng)反射率回波(＞45 dBz)的水平尺度很小，均在200 km以內(nèi)，強(qiáng)降水可能由中β尺度系統(tǒng)造成。

由多普勒雷達(dá)探測到的徑向風(fēng)速可見，15日00:38(圖4b)，在金華以東40 km處有一明顯的正的徑向風(fēng)速大值中心(＞27 m/s)，這表明對流層中低層存在強(qiáng)風(fēng)速擾動(或中尺度急流核脈動)，同時發(fā)現(xiàn)，暴雨發(fā)生時金華西西南方向和東北0～100 km處皆出現(xiàn)了多普勒速度模糊，這表明切變兩側(cè)的氣流出現(xiàn)了強(qiáng)的風(fēng)擾動［8－9］，這一特征持續(xù)到15日6時以后緩慢減弱，而同時段正是暴雨發(fā)生時，表明暴雨與強(qiáng)風(fēng)速擾動密切相關(guān)。另外，從雷達(dá)回波頂高演變來說，降水回波高度分布不均勻，局部地區(qū)達(dá)11～13 km，大多數(shù)均在7～8 km左右，這和前面的研究結(jié)果相同，此次降水是主要由對流層中低層對流造成。

圖4 15日00:38金華多普勒雷達(dá)0.5°仰角上探測的反射率因子(a)和徑向速度(b)

5 結(jié)語

1)7月14日浙中北地區(qū)暴雨主要由中低層切變的發(fā)展加強(qiáng)和地面靜止鋒共同作用產(chǎn)生，與高空低渦也密切相關(guān);降水過程最初的觸發(fā)機(jī)制是高空急流抽吸作用下以及925 hPa切變造成的輻合抬升作用。多普勒雷達(dá)圖像的解讀也表明了強(qiáng)降水主要由中低層對流造成，中α尺度切變線上活動著中β尺度的對流系統(tǒng)，并且與對流層中低層的強(qiáng)風(fēng)速擾動有密切關(guān)系。

2)暴雨發(fā)生前大氣積累了大量的水汽，對流層中低層為明顯的對流不穩(wěn)定層結(jié)，降水的觸發(fā)過程消耗了大量的不穩(wěn)定能量，暴雨發(fā)生后對流不穩(wěn)定能量得到釋放。暴雨期間對流層中高層的非絕熱加熱造成南北溫度梯度加大，在θse鋒區(qū)附近形成直接的熱力環(huán)流，有利于上升運(yùn)動帶的維持。

3)低渦的加強(qiáng)發(fā)展與暴雨的出現(xiàn)時間一致，強(qiáng)雨帶出現(xiàn)在其東南側(cè)的低層切變線附近，也就是正渦度柱大值區(qū)的南側(cè)。

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