2017年梅汛期致災(zāi)性暴雨的風(fēng)廓線圖表現(xiàn)特征分析

趙賢產(chǎn) 戴紅星 毛劍飛

(義烏市氣象局,浙江 義烏 322000)

0 引 言

暴雨是降水強(qiáng)度很大的雨,雨勢傾盆[1]。根據(jù)暴雨量值的相關(guān)規(guī)定,這里定義“致災(zāi)性暴雨”為“12 h內(nèi)降雨量≥50 mm”,是指具有災(zāi)害危險(xiǎn)性和短時(shí)突發(fā)性特點(diǎn)的暴雨：一是必須達(dá)到暴雨預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)；二是降水的累積量達(dá)到大范圍暴雨,或僅單站達(dá)到暴雨量級。

風(fēng)廓線雷達(dá)能夠探測其上空風(fēng)向、風(fēng)速等分布變化情況,是具有一定時(shí)間和空間分辨率的精細(xì)化產(chǎn)品,是對常規(guī)探空資料的有效補(bǔ)充。目前風(fēng)廓線資料在強(qiáng)對流和降雪等天氣過程中有著廣泛的應(yīng)用,如李妙英等[2]認(rèn)為水平風(fēng)羽圖和垂直風(fēng)速度產(chǎn)品在強(qiáng)降水過程中的監(jiān)測和短臨預(yù)報(bào)中具有重要作用；董保舉等[3-4]研究認(rèn)為能清楚地反映降水的開始、結(jié)束以及降水的強(qiáng)度；李改琴等[5]認(rèn)為若低層風(fēng)場切變大,風(fēng)場從低層到高層有規(guī)律的一致順轉(zhuǎn),這種風(fēng)場有利于有組織的強(qiáng)風(fēng)暴的生成；王令等[6]認(rèn)為當(dāng)?shù)涂占绷骷訌?qiáng),或有擾動生成,高空有波動、尤其是3～6 km的中層冷入侵,對短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)起到重要提示作用。但在梅汛期間暴雨方面的研究文獻(xiàn)較少。

義烏國家基本氣象站從2010年9月開始建有風(fēng)廓線雷達(dá),該資料在本地化的應(yīng)用方面雖然有一些研究[7-9],但目前尚未達(dá)到日常業(yè)務(wù)應(yīng)用程度,主要是不同天氣類別的應(yīng)用模式尚未完善建立。對2017年6月梅雨期間出現(xiàn)于義烏測站的3次致災(zāi)性暴雨過程,分析風(fēng)廓線圖上的特征,將有助于建立梅汛期致災(zāi)性暴雨的應(yīng)用模式,以提高提前預(yù)警服務(wù)之水平。這里采用中國航天科工二院23所研制的CFL-03型大氣邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)連續(xù)探測數(shù)據(jù),主要探測其測站上空0～6 km高度范圍內(nèi)水平方向的風(fēng)向風(fēng)速、垂直氣流和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等資料,表1給出了其主要技術(shù)參數(shù)。

表1 CFL-3型大氣邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要性能參數(shù)

1 暴雨強(qiáng)度特點(diǎn)

2017年6月的義烏正值梅雨期間,義烏測站先后于11日、13日和24日降下3場致災(zāi)性暴雨：第一場是6月11日7—16時(shí)9 h降水量達(dá)72.0 mm,最大小時(shí)雨強(qiáng)25.0 mm(9—10時(shí)),最大分鐘雨強(qiáng)達(dá)2.2 mm(8:03)；第二場是6月13日4—12時(shí)8 h降水量達(dá)71.4 mm,最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)13.6 mm(8—9時(shí)),最大分鐘雨強(qiáng)達(dá)1.1 mm(11:31)；第三場是6月24日9—16時(shí)7 h降水量達(dá)50.4 mm,最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)15.6 mm(13—14時(shí)),最大分鐘雨強(qiáng)達(dá)1.1 mm(13:44)。3次過程均達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水量級和暴雨預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn),在梅雨期間的義烏歷史上發(fā)生類似暴雨強(qiáng)度并不多見。

2 天氣形勢分析

高空500 hPa副高脊線始于9日20時(shí)北抬至20°N,588線在浙江南部地區(qū),在其北側(cè)大部分地區(qū)呈偏西氣流,同時(shí)在北部地區(qū)有大型冷渦系統(tǒng),冷渦的西側(cè)是呈NW—SE走向的華北高壓脊,屬于較為典型的梅雨環(huán)流形勢[10]；10日08時(shí)副高減弱東撤,低層華西有低渦與暖切配合；20時(shí)后隨著低渦和地面氣旋入海,后部有冷空氣南下,切變線變冷切南壓,輻合加強(qiáng),后半夜暴雨帶開始影響浙中地區(qū)。11日08時(shí)500 hPa北方大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為NW氣流,并多短波東移,副高略減弱南撤,暴雨帶南壓并呈東西向分布影響義烏測站附近；20時(shí)起至12日20時(shí)隨著低層850 hPa冷式切變東移南壓后轉(zhuǎn)為暖式切變東伸影響,降水強(qiáng)度相對較弱,義烏測站僅降大雨,未達(dá)致災(zāi)性暴雨量級。

12日20時(shí)500 hPa有低槽東移南壓,588線南壓到福建中南部地區(qū),浙中地區(qū)處于SW氣流和NW氣流匯合區(qū)域,有充沛水汽并呈東西窄向分布。受中低層熱帶氣旋“苗柏”在廣東登陸北上(后經(jīng)江西南部到福建減弱消失)的影響,低層850 hPa切變兩側(cè)的輻合加強(qiáng)明顯,熱帶云系帶來的水汽與西風(fēng)帶水汽匯合于浙中地區(qū),測站于后半夜開始又出現(xiàn)強(qiáng)降水。13日08時(shí)850 hPa暖式切變在浙中一帶,925 hPa切變在浙中,呈準(zhǔn)東西向,并由冷式轉(zhuǎn)為暖式,其北側(cè)的偏東氣流強(qiáng)盛,造成暴雨云團(tuán)不斷東移影響。隨著中低層切變的進(jìn)一步南壓到浙南地區(qū),暴雨帶也南壓,測站的降水強(qiáng)度明顯減弱。

這兩次暴雨也可從8—18日期間沿120°E的高度、風(fēng)場ECWMF資料中可看出,浙中地區(qū)的切變兩側(cè)風(fēng)場輻合明顯加強(qiáng)是較易產(chǎn)生致災(zāi)性暴雨因素之一(圖1)。

圖1 2017年6月8日20時(shí)至18日期間沿120°E的高度、風(fēng)場ECWMF資料

23日08時(shí)仍處于梅雨帶之中,在中高緯度500 hPa有東北冷渦東移南壓,副高略有減弱東退；700 hPa風(fēng)速≥26 m/s和850 hPa風(fēng)速≥16 m/s的SW氣流加強(qiáng),風(fēng)向輻合,濕區(qū)收窄；24日08時(shí)隨著500 hPa高空冷渦東移南壓,700 hPa切變呈NE—SW走向,WSW氣流進(jìn)一步增強(qiáng),850 hPa暖式切變在浙北地區(qū),925 hPa暖式切變在浙中地區(qū),測站雨勢增強(qiáng)；24日20時(shí)隨著高空冷渦進(jìn)一步南壓,副高減弱東撤,梅雨帶東移南壓,測站降水明顯減弱。

從以上分析表明,義烏測站致災(zāi)性暴雨過程的大氣環(huán)流有個(gè)共同特點(diǎn),就是高低空南北各有大型天氣系統(tǒng)同步影響測站上空,中低層低壓(渦)切變有明顯風(fēng)場輻合,特別是SW暖濕急流明顯加強(qiáng),充沛與深厚的水汽向測站上空輸送,降水系統(tǒng)東移南壓較為緩慢時(shí)易出現(xiàn)梅汛期暴雨,但是降水系統(tǒng)北抬時(shí)很少達(dá)到致災(zāi)性暴雨量級。

3 風(fēng)場變化對致災(zāi)性暴雨的影響

3.1 第一場致災(zāi)性暴雨風(fēng)場特征

由風(fēng)廓線圖可知,暴雨發(fā)生前約3 h(11日5:00前),自地面至6000 m上空為一致的偏西風(fēng)控制,其中近地面層為西南偏西風(fēng),隨高度由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)到2500 m處的西北風(fēng),說明風(fēng)向順轉(zhuǎn),中心風(fēng)速最大達(dá)≥12 m/s,為強(qiáng)暖平流；2500～3500 m高度有逆轉(zhuǎn),中心風(fēng)速減小到4 m/s,為弱冷平流；之上至6000 m風(fēng)向順轉(zhuǎn),中心風(fēng)速最大達(dá)≥20 m/s,為強(qiáng)暖平流,該時(shí)次的上下層有多次冷、暖平流層結(jié)構(gòu),不利于對流云團(tuán)發(fā)展,測站僅降小雨。自5:00之后(圖2),在500 m高度附近出現(xiàn)風(fēng)向不連續(xù)的冷式層(維持至暴雨強(qiáng)度減弱的17時(shí)之后),該層之下風(fēng)速一般較小,風(fēng)向開始無規(guī)則,之后呈偏北風(fēng)為主。在500 m高度附近的冷式層之上,6:24開始至7:30在500～2500 m高度的風(fēng)向?yàn)橄扔缮隙笙罗D(zhuǎn)為西南風(fēng),風(fēng)速明顯加大,說明低層暖濕氣流層加厚并加強(qiáng)輸送到測站上空,同時(shí)2500 m之上的大風(fēng)區(qū)高度降低,甚至≥20 m/s風(fēng)速降到1500 m高度,有利于暴雨云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展。實(shí)況是測站北部地區(qū)暴雨云團(tuán)東移影響,7時(shí)之后暴雨云團(tuán)(小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)≥5 mm)南壓開始影響到測站。

圖2 2017年6月11日風(fēng)廓線圖(上)與6 min雨量柱形圖(下),時(shí)間從右向左(時(shí)間分辨率為6 min,垂直高度單位:m,雨量單位:mm)

暴雨云團(tuán)影響后,在7:00—17:00的1000～3500 m高度間多次出現(xiàn)偏西風(fēng)與偏東風(fēng)達(dá)180°方位變化；其中在7:30—10:30不斷有暴雨云團(tuán)經(jīng)過測站上空,風(fēng)向轉(zhuǎn)換,實(shí)況降水強(qiáng)度最強(qiáng),3 h降水量達(dá)43.5 mm。另外在11:00—14:10之間各暴雨云團(tuán)在測站南部地區(qū)由西向東移動,測站地處其北部,偏東風(fēng)風(fēng)向不變；其中在1000～1500 m高度間隨冷暖切變轉(zhuǎn)換與南北擺動,上下層的冷暖平流多次變化,輻合不強(qiáng)；在3000 m高度附近配合有輻散場,說明暴雨云團(tuán)的質(zhì)心層次較低,實(shí)況降水減弱。14:10之后雖有幾個(gè)暴雨云團(tuán)中心經(jīng)過測站附近,但暖濕氣流偏弱,上下層結(jié)構(gòu)不利于暴雨云團(tuán)發(fā)展,降水強(qiáng)度不強(qiáng),實(shí)況12:00—16:00之間的測站的最大小時(shí)雨強(qiáng)僅5～8 mm。在17:00之后,500～6000 m高度上下層均轉(zhuǎn)為偏西氣流,輻合減弱,測站降小雨,暴雨云團(tuán)影響基本結(jié)束。

從以上分析表明,冷式層面出現(xiàn)在500 m附近,地面有冷空氣入侵,低層W風(fēng)的加強(qiáng)和暖平流的輸送,使得暴雨發(fā)生前數(shù)小時(shí)低層能量累積；高空500 hPa急流動量向下傳遞,850 hPa的SW暖濕急流的迅速加強(qiáng),為暴雨云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展提供充沛的水汽和動力條件。

3.2 第二場致災(zāi)性暴雨風(fēng)場特征

同樣由圖3可知,暴雨發(fā)生前1 h(即6月13日3:24前),自地面至6000 m上空為一致的偏W風(fēng)控制,近地面層至1500 m上空呈WNW風(fēng),隨高度略有逆轉(zhuǎn),冷平流,1500～2000 m高度有急流,隨高度略順轉(zhuǎn),強(qiáng)暖平流,實(shí)況降水偏弱。3:24之后在500 m高度附近又出現(xiàn)風(fēng)向不連續(xù)的冷式層。3:24—4:12在500～3500 m高度的風(fēng)向?yàn)橄扔上露笊限D(zhuǎn)為SW風(fēng),說明低層暖濕氣流加強(qiáng)并輸送到測站上空；4500 m以上的大風(fēng)區(qū)高度降低,有利于暴雨云團(tuán)發(fā)生發(fā)展,實(shí)況是自西向東呈帶狀降水主體云團(tuán)先在測站南部地區(qū)東移,隨后加強(qiáng)并向北移動,移速減緩,暴雨云團(tuán)(小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)≥5 mm)開始影響到測站。

暴雨云團(tuán)影響后,同樣在1000～3000 m高度間多次在4:30、6:54、8:30、11:30前后出現(xiàn)偏西風(fēng)與偏東風(fēng)呈180°方位的變化,實(shí)況是5時(shí)、9時(shí)、12時(shí)的正點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)12～13 mm,6—9時(shí)計(jì)3個(gè)小時(shí)降水量達(dá)30.3 mm。另外在9—11時(shí)和12時(shí)后在1000～1200 m高度間隨冷暖切變轉(zhuǎn)換與南北擺動,冷暖平流多次變化,該層次有輻合,2500～3000 m高度附近有輻散,說明暴雨云團(tuán)的質(zhì)心層次較低,實(shí)況降水強(qiáng)度減弱。15:00之后暴雨云團(tuán)在測站北部地區(qū)較遠(yuǎn)處東移,測站暴雨云團(tuán)影響基本結(jié)束。

圖3 2017年6月13日風(fēng)廓線圖(上)與6 min雨量柱形圖(下),時(shí)間從右向左(時(shí)間分辨率為6 min,垂直高度單位:m,雨量單位:mm)

3.3 第三場致災(zāi)性暴雨風(fēng)場特征

同樣分析圖4可知,在500 m高度附近轉(zhuǎn)變?yōu)榕矫?該層之下的風(fēng)速比前二次暴雨過程大,大多呈偏S風(fēng),其中在10:42之前先是由地面SE風(fēng),向上轉(zhuǎn)為SW風(fēng),逐漸在10:42之后轉(zhuǎn)為上下一致的SW風(fēng)。暴雨發(fā)生前的4 h(即24日5:00前)開始,上下層為一致的偏W風(fēng)控制,且暖、冷平流變化多次,實(shí)況降小雨；至8:00前后,在5000 m高度以上的急流風(fēng)速向下傳遞,1500～2500 m高度間有暖式風(fēng)向輻合,測站降水增強(qiáng),9:00前后轉(zhuǎn)上下一致SW氣流,此時(shí)暴雨云團(tuán)開始影響到測站。11:00前后在1500～2500 m高度間由暖式風(fēng)向輻合轉(zhuǎn)為冷式風(fēng)向輻合,≥20 m/s的SW急流風(fēng)速已向下傳遞至2800 m高度,低層1200～2300 m高度的偏北風(fēng)增強(qiáng),2300 m高度以上持續(xù)SW風(fēng),測站降水最強(qiáng)(11—14時(shí)的3 h降水量達(dá)31.1 mm)。15:00之后,SW氣流偏弱,1500～2500 m高度的偏N風(fēng)加強(qiáng),測站的暴雨過程結(jié)束(云團(tuán)主體在測站的偏南位置自西向東移動)。

圖4 2017年6月24日風(fēng)廓線圖(上)與6 min雨量柱形圖(下),時(shí)間從右向左(時(shí)間分辨率為6 min,垂直高度單位:m,雨量單位:mm)

4 結(jié) 語

“致災(zāi)性暴雨”是表示具有災(zāi)害危險(xiǎn)性和短時(shí)突發(fā)性特點(diǎn)；風(fēng)廓線雷達(dá)是具有一定時(shí)間和空間分辨率的精細(xì)化產(chǎn)品,是對常規(guī)探空資料的有效補(bǔ)充,尤其是暴雨過程中的風(fēng)場變化特征值得預(yù)報(bào)員深入研究總結(jié)分析。梅雨期間出現(xiàn)于義烏測站的致災(zāi)性暴雨過程中在風(fēng)廓線圖上的表現(xiàn)特征有如下特點(diǎn)。

4.1義烏梅雨期間出現(xiàn)3次致災(zāi)性暴雨,在其歷史上并不多見；從雨強(qiáng)來看,梅雨期的致災(zāi)性暴雨雨強(qiáng)難以與強(qiáng)對流性暴雨相比較,屬于非突發(fā)性的“致災(zāi)性暴雨”,但由于降水時(shí)間長,累積量大,容易造成災(zāi)害。

4.2500 hPa副高588線呈北抬與南壓的變化前后,北方地區(qū)有大型冷式系統(tǒng)帶來冷空氣南下,南北兩支強(qiáng)氣流輻合于測站附近上空的總體形勢之下,中低層有冷暖切變先后相互轉(zhuǎn)換,若降水系統(tǒng)東移南壓移動較為緩慢時(shí)易出現(xiàn)梅雨期間的致災(zāi)性暴雨；在北抬時(shí)很少達(dá)到致災(zāi)性暴雨量級。

4.3風(fēng)廓線圖上,致災(zāi)性暴雨期間在500 m高度附近有冷(暖)式層,中低層冷(暖)式層隨切變線變化而相互轉(zhuǎn)換,風(fēng)向隨高度順(逆)有多次轉(zhuǎn)換,這與強(qiáng)對流性暴雨的風(fēng)場表現(xiàn)明顯不同；中低層以上的風(fēng)速明顯加大且大風(fēng)區(qū)高度降低時(shí),有利于暴雨云團(tuán)發(fā)生發(fā)展。若有多個(gè)暴雨云團(tuán)中心經(jīng)過測站上空時(shí),有一定厚度的偏西(東)風(fēng)向轉(zhuǎn)換可達(dá)180°；梅汛期暴雨云團(tuán)的質(zhì)心較低。

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