一次由列車效應引發(fā)的暴雨過程分析

藍俊倩，張浩川，廖君鈺，沈杭鋒，王健疆

(1.浙江省衢州市氣象局，浙江 衢州 324000；2.94855部隊氣象臺,浙江 衢州 324000；3.浙江省杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

1 引言

暴雨是最常見的氣象災害之一，同時還會帶來山洪、泥石流、山體滑坡等次生災害，對人民群眾的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴重威脅。目前數(shù)值預報對天氣系統(tǒng)影響明顯的暴雨過程已有較好的預報效果，但是對于天氣尺度系統(tǒng)較弱而中小尺度系統(tǒng)強烈發(fā)展引發(fā)的暴雨過程預報還不盡理想。2016年6月26日浙西地區(qū)的暴雨過程就屬于后者，這次過程不論在量級上還是落區(qū)上均與數(shù)值預報有較大的差異，降水云系不斷生成東移影響衢州中北部地區(qū)形成強降水，這種“列車效應”模式的暴雨在該地區(qū)發(fā)生較少，因此值得認真總結分析。

所謂“列車效應”是指[1]某區(qū)在一段時間內(nèi)頻繁地、接連不斷地生成空間尺度不大的對流單體，而每生成一個對流單體即沿著某一方向移動，接著在同一地方生成新的對流單體繼續(xù)沿著同一方向移動，從而形成由一系列對流單體排列組成類似于“列車”的排列，這一“列車”對其下游某一地區(qū)可以造成接連不斷的“持續(xù)”影響，從而造成強降水。孫繼松等[2]指出“列車效應”一般發(fā)生在低空暖濕氣流或低空急流附近，環(huán)境大氣表現(xiàn)為條件性靜力不穩(wěn)定。張家國等[3]研究發(fā)現(xiàn)后向傳播類的中尺度對流系統(tǒng)因少動或明顯的列車效應可產(chǎn)生極端降水。馮晉勤等對福建西部山區(qū)暴雨分析發(fā)現(xiàn)[4]，產(chǎn)生“列車效應”的對流雨帶的回波強度>40 dBz，持續(xù)0.5 h即能造成大于20 mm·h-1的短時暴雨。徐珺等[5]指出暖區(qū)暴雨的雷達回波具有明顯的后向傳播、列車效應和熱帶降水型特點。河北暴雨的多普勒雷達徑向速度分析表明[6]中尺度輻合線、中尺度輻合是主要類型暴雨共有的主要速度特征和常見的中尺度影響系統(tǒng)，列車效應是造成局地暴雨、大暴雨的關鍵原因。對于列車效應的研究均表明，列車效應是在暖區(qū)環(huán)境中有利于對流系統(tǒng)產(chǎn)生高效率降水的一種回波組織和移動方式，本文旨在通過對實例的分析來加深其對業(yè)務的指導。同時我們也知道天氣尺度系統(tǒng)并不是產(chǎn)生暴雨的直接系統(tǒng)，中小尺度系統(tǒng)的分析對于了解暴雨的發(fā)生演變極為重要。利用中尺度濾波方法[7-9]將暴雨期間的中尺度系統(tǒng)保留下來，有利于更好地了解暴雨發(fā)生時段內(nèi)的中尺度特征，從而為暴雨的預報分析提供參考依據(jù)。

2 天氣實況

2016年6月25—26日浙江中部地區(qū)出現(xiàn)了一次暴雨過程，其中衢州中北部、金華中部、紹興和寧波大部分地區(qū)出現(xiàn)了50mm以上的降水，從空間分布來看強降水帶主要集中在浙西地區(qū)且呈現(xiàn)“一”字型分布(圖1)，特別是衢州、金華西北部地區(qū)降水強度南北差異顯著，從時間分布來看，主要降水時段在26日白天，尤其是浙西地區(qū)衢州、開化、龍游3站的26日白天12 h累積雨量分別為95.1 mm、87.5 mm、72.8 mm，均已達到大暴雨量級。

暴雨過程降水比較集中的時間段為26日08—16時，分析該時段內(nèi)衢州地區(qū)小時雨強10 mm/h以上的降水區(qū)域分布變化，可以看出在07—10時有明顯降水集中區(qū)南壓特征，而11—16時小時強降水帶一直維持在衢州中北部地區(qū)，特別是12—15時均出現(xiàn)了小時雨強在20 mm/h以上的降水。16時雖然10 mm/h以上的降水明顯減弱，但強降水區(qū)域仍然有強度在5～10 mm/h之間的降水存在，強降雨帶在衢州中北部維持長達6 h，造成顯著的區(qū)域性暴雨天氣。

圖1 浙江區(qū)域25日20時—26日20時24 h累積降水Fig.1 Accumulated precipitation in Zhejiang region from 20∶00 on 25th to 20∶00 on 26th

3 環(huán)流形勢

從環(huán)流形勢的演變看，200 hPa(圖略)在浙江區(qū)域處于南亞高壓東部脊區(qū)前的西北氣流之中，為強降水提供有利的高空輻散條件，500 hPa中高緯呈現(xiàn)兩脊一槽型，浙江中部地區(qū)一直處于588線邊緣，25日08時從朝鮮半島到我國的蘇皖南部有低槽東移影響，20時槽底逐漸過境轉偏西氣流，26日02時(圖2a)浙西地區(qū)轉受高壓脊前西北氣流控制；700 hPa 25日在長江中下游地區(qū)有切變線影響，26日(圖2b)切變線隨低槽東移后，北部有高壓脊控制，在蘇皖中部有兩高之間的切變形成；850 hPa 25日渦切位于湘贛北部，26日(圖2c)暖式切變線位于浙江北部至安徽南部地區(qū)。地面圖上25日白天伴隨高層槽切東移，地面有弱冷鋒東移南壓入海，25日20時在江西東北部有地面倒槽開始發(fā)展，02時(圖2d)倒槽進一步加強，05時前后倒槽頭部有對流云團開始發(fā)展并逐漸東移影響浙西地區(qū)。26日白天低壓倒槽頭部一直維持在浙西西部地區(qū)，有利于降水形成和維持。同時25日20時衢州站探空(圖2e)顯示濕層深厚，K指數(shù)達39，層結資料(圖2f)顯示850 hPa和700 hPa的比濕分別為15.25 g/kg、8.96 g/kg，抬升凝結高度(LCL)987.3 hPa，0 ℃層高度550 hPa左右，暖云厚度大，出現(xiàn)有利于產(chǎn)生降水的探空層結特征。

本次降水過程濕層深厚，高層輻散有抽吸作用，中低層有暖切配合，同時地面有低壓倒槽發(fā)展維持并不斷觸發(fā)降水云團生成東移，是強降水產(chǎn)生的有利背景場條件。

圖2 2016年6月26日02時形勢場及6月25日20時衢州站探空資料和層結資料(a)(b)(c)中實線為等高線，單位：10 pm；陰影區(qū)域為相對濕度，單位：%(d)中實線為海平面氣壓等值線，單位：hPa；箭頭為風場Fig.2 the situation field at 2∶00 on June 26, 2016 and the Quzhou station at 10∶00 on June 25,2016 (a) (b) (c) the solid line is contour line, unit: 10 gpm;The shadow area is relative humidity, unit: % (d) the solid line is the isobars of sea-level pressure, unit: hPa;The arrow is the wind field

4 雷達特征分析

下面通過分析衢州地區(qū)多普勒雷達組合反射率產(chǎn)品來進一步揭示本次過程的列車效應特征。10時10分(圖3a)主回波帶M(黑色橢圓框區(qū)域)正在影響浙西地區(qū)并以東移為主略有南壓，此時在其西北部江西婺源附近有兩塊分散的回波A1、A2(紅色橢圓框區(qū)域)處于發(fā)展中；10時53分(圖3b)隨著主體回波的東移，A1、A2回波緊隨其后東移至開化西部并發(fā)展合并為A，此時在婺源地區(qū)又有回波B開始發(fā)展；11時11分(圖3c)回波A進一步發(fā)展，最大強度48 dBz，東移至開化東部與常山交界處，回波B發(fā)展呈現(xiàn)長條狀由婺源進入開化西部地區(qū)；11時42分(圖3d)回波A東移經(jīng)過常山北部到達衢州，回波B主要位于開化境內(nèi)，仍呈帶狀，強度有所增大，最大強度為48 dBz，B回波西側婺源地區(qū)又有分散性的回波C1、C2發(fā)展；12時00分(圖3e)回波A已移過衢州繼續(xù)向東進入龍游境內(nèi)，回波B范圍進一步擴大，48 dBz的紅色強回波區(qū)也增大，帶狀回波寬度增加，主要影響開化、常山北部及衢州西部地區(qū)，回波B區(qū)域的西北側婺源東部地區(qū)原來的C1和C2回波已合并發(fā)展為回波C；12時30分(圖3f)回波B較強的區(qū)域主要在常山北部和衢州西北部地區(qū)，回波C發(fā)展擴大開始影響開化西部；12時48分(圖3g)回波B繼續(xù)東移，強區(qū)域位于衢州，回波C東移并逐漸與回波B相接，形成一個更大更寬的帶狀回波，回波C之后婺源地區(qū)又有新回波D發(fā)展；13時25分(圖3h)回波B已東移至衢州東側龍游境內(nèi)，回波C主體影響常山北部及衢州，回波D進入開化西北部，婺源東北部回波E開始生成；14時07分(圖3i)回波C移動至衢州，最大強度達53 dBz，回波D位于常山北部強度略有增強并與回波C相接，回波E相對分散并開始影響開化，婺源北部有弱回波F生成；14時37分(圖3j)回波D移至衢州，最大強度43 dBz，回波E范圍擴大位于常山北部，回波F進入開化境內(nèi)，強度略有增大。其后婺源地區(qū)沒有回波生成發(fā)展，回波D、回波E、回波F依次沿著其前方回波路徑東移影響并移出后，列車效應結束，持續(xù)降水結束。

圖3 各時次雷達組合反射率產(chǎn)品Fig.3 Reflectivity products of different time periods

同時我們注意到上述分析中回波B和回波C東移經(jīng)過常山北部和衢州時都有明顯的發(fā)展，強度增強且回波區(qū)域增大，配合12—14時內(nèi)各時次徑向速度產(chǎn)品(圖4)可以發(fā)現(xiàn)對應的時間段內(nèi)常山北部至衢州存在顯著的徑向速度輻合區(qū)，非常有利于該區(qū)域輻合上升運動的加強，從而有利于列車效應中東移的回波在該區(qū)域增強并產(chǎn)生強烈的降水。

圖4 各時次2.4°仰角徑向速度產(chǎn)品(時間從左到右依次為12時24分、13時06分、14時01分)Fig.4 2.4 ° Angle radial velocity products of each time(time order from left to right:12∶24,13∶06,14∶01)

5 物理量場特征分析

為更好地了解列車效應產(chǎn)生時的環(huán)境場特征，下面從水汽、動力和能量條件方面對這次暴雨過程進行物理量診斷分析。

5.1 濕度和垂直運動分析

對衢州站上空(119°E，29°N)的相對濕度、風向風速和垂直速度隨時間的變化作時序圖(圖5a)。由圖分析可知，25日在500～600 hPa之間存在相對濕度<80%的區(qū)域，同時,低層濕度條件在80%～95%之間，但沒有較好的垂直速度配合，因此25日白天衢州站僅出現(xiàn)1.1 mm降水。從25日20時以后低層開始出現(xiàn)垂直上升速度且在26日08時前后達到最強，08時后700～800 hPa相對濕度開始增大且濕層厚度也逐漸加大，至14時500～850 hPa相對濕度增大至95%以上，對比25日夜里至26日白天衢州站的逐小時降水量(圖5b)可以發(fā)現(xiàn)強降水時段正好對應于800 hPa以下有上升速度維持且濕層深厚的時段。風向風速的的演變顯示在26日02時較25日20時600 hPa以下風速增大，風向隨高度順轉明顯說明暖平流強度也開始加大。

圖5 (a)衢州站相對濕度、垂直速度和風向風速垂直剖面時序圖(陰影為相對濕度80%以上的區(qū)域，等值線為垂直速度，單位Pa·s-1)Fig.5 (a) Quzhou station relative humidity, vertical velocity and vertical wind wind speed profile sequence diagram(the shadow is the area with relative humidity above 80%, the contour line is the vertical speed, and unit:Pa·s-1)

可見列車效應影響時段內(nèi)500 hPa以下濕度顯著增加并且低層垂直上升速度增大，同時中低層西南風風速的增加和暖平流的加強有利于暖式切變線的加強從而增強低層水汽輻合抬升，進而使列車效應增強，是降水增大的重要原因。

圖5 (b)6月25日21時—26日20時衢州站逐小時雨量分布圖Fig.5 (b) Rainfall distribution at Quzhou station hour by hour

5.2 水汽通量和渦度場分析

由于強降水時段內(nèi)500～700 hPa之間有顯著的濕度增加和濕層增厚現(xiàn)象，為更好的探究強降水的水汽來源，對強降水時段前中低層的風場和水汽通量場進行分析。26日02時700 hPa(圖6a)在贛皖交界處有水汽通量的大值區(qū)存在，在偏西風的作用下向衢州中北部地區(qū)輸送水汽，25日20時(圖6b)850 hPa在江西北部地區(qū)有水汽通量極值中心存在，此時衢州地區(qū)水汽通量較小，在偏西氣流的作用下水汽由江西北部地區(qū)向浙西地區(qū)不斷輸送，使得浙西地區(qū)水汽通量不斷增大，26日08時700 hPa(圖6c)和850 hPa(圖6d)衢州中北部地區(qū)均出現(xiàn)18 g/(cm·hPa·s)的水汽通量大值中心且850 hPa有風速的輻合存在，有利于水汽在此處輻合?？梢娊鞅辈考摆M皖交界地區(qū)是本次強降水的水汽源地，通過偏西風的輸送使得浙西地區(qū)水汽增加并在風場的作用下輻合產(chǎn)生強降水。

對強降水時段以及前后各個時次不同高度層的水汽通量散度和渦度場進行分析發(fā)現(xiàn)：衢州地區(qū)850 hPa、925 hPa在強降水開始前和強降水時段內(nèi)一直維持正渦度和弱的水汽通量輻合。但700 hPa、600 hPa在25日20時之后至強降水開始之前，維持負渦度控制，并且水汽通量輻合強度均較弱。26日08時600 hPa(圖7a)、700 hPa(圖7c)在衢州北部地區(qū)開始出現(xiàn)正渦度，同時西北部位于安徽江西交界處的水汽通量輻合的大值區(qū)逐漸東移影響衢州中北部，致使該地區(qū)在其后水汽通量輻合強度顯著加強，至26日14時(圖7b、圖7d)這兩個層次的正渦度控制區(qū)均處于衢州東北部，同時北部地區(qū)仍然維持10-4左右量級的水汽通量輻合強度，這也是14時以后衢州東北部地區(qū)強降水繼續(xù)維持的原因之一。

圖6 水汽通量(等值線)及風場分布圖(水汽通量單位：g/(cm·hPa·s))Fig.6 water vapor flux (contour) and wind field distribution(water vapor flux unit: g/(cm·hPa·s))

本次暴雨過程中，08時以后中層正渦度的出現(xiàn)和水汽通量輻合的增加對衢州中北部地區(qū)強降水的出現(xiàn)有重要的作用，特別是11時以后中北部地區(qū)列車效應的產(chǎn)生與維持與中低層動力和水汽條件在這個區(qū)域的持續(xù)作用密不可分。

5.3 能量場分析

分析強降水時段內(nèi)能量場信息發(fā)現(xiàn)(圖略)：26日白天衢州地區(qū)無明顯的對流有效位能影響；從該時段內(nèi)假相當位溫的垂直分布來看，在800 hPa上下存在一個高能舌，800 hPa以下呈現(xiàn)明顯的對流性穩(wěn)定特征，800 hPa以上至500 hPa有弱的對流性不穩(wěn)定。

能量場總體偏弱是本次強降水過程中沒有產(chǎn)生對流性降水的原因，但是中層弱對流性不穩(wěn)定的維持配合該層次內(nèi)渦度和水汽通量對降水的有利作用，有助于降水在衢州中北部較長時間的維持。

6 中尺度特征分析

暴雨往往不是由天氣尺度系統(tǒng)直接產(chǎn)生的，而是由天氣尺度系統(tǒng)所誘發(fā)的中小尺度系統(tǒng)誘發(fā)的。利用Barnes帶通濾波器對本次暴雨進行中尺度濾波分析，濾波參數(shù)采用C1=5 000 km,C2=70 000 km,G=0.35，這種帶通濾波器對波長在300～800 km之間的中尺度系統(tǒng)有較好的保留作用。

分別對26日08時和14時兩個時段的925 hPa流場進行中尺度濾波發(fā)現(xiàn)，26日08時(圖8a)在江西東北部至浙西衢州中部地區(qū)有中尺度輻合線存在，此后浙西地區(qū)在中尺度輻合線及其北側產(chǎn)生了顯著的列車效應， 14時(圖8b)中尺度輻合南壓至麗水西北部地區(qū)，江西地區(qū)中尺度輻合線消失，故此后江西地區(qū)再無強的回波單體產(chǎn)生，列車效應也隨著之前產(chǎn)生的單體東移后逐漸減弱消失，這表明中尺度輻合線維持和移動與列車效應的維持和生消有較好地對應關系。

結合地面自動站整點2 min風向風速圖發(fā)現(xiàn)，26日10時(圖8c)至14時(圖8d)在衢州西側的江西地區(qū)有穩(wěn)定的低壓環(huán)流存在，結合前面雷達反射率分析我們也發(fā)現(xiàn)這一時段內(nèi)江西婺源地區(qū)不斷有回波單體生成并接連沿中尺度輻合線向東移動影響浙西地區(qū)，可見位于低壓環(huán)流東南部的婺源地區(qū)有著較好的輻合上升條件，是本次列車效應的源地，不斷為列車效應提供新的回波單體，而925 hPa的中尺度輻合線的穩(wěn)定維持則為列車效應提供同一移動路徑，因此在今后業(yè)務中應特別關注地面加密風場和低層中尺度輻合線對回波單體產(chǎn)生和移動路徑的影響分析。

圖7 暴雨時段內(nèi)渦度(等值線)及水汽通量散度(陰影區(qū))分布(渦度單位：10-5s-1；水汽通量散度單位：10-5g/(cm2·hPa·s))Fig.7 VAorticity (contour) and water vapor flux divergence (shadow region) distribution in rainstorm period(vorticity unit: 10-5s-1;Water vapor flux divergence unit: 10-5g/(cm2·hPa·s))

7 結論

①本次暴雨主要由中低層暖式切變和地面低壓倒槽誘發(fā)，深厚的濕層為暴雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽保障。

②雷達產(chǎn)品顯示江西婺源地區(qū)不斷有新的回波生成并向東沿著同一路徑影響浙西地區(qū)，雷達速度場的低層輻合區(qū)有利于產(chǎn)生強烈的輻合上升運動，從而使列車效應中東移回波增強并產(chǎn)生強烈降水。

③列車效應影響時段內(nèi)濕度顯著增加且低層垂直上升速度增大，暖式切變線的加強有利于低層水汽輻合抬升的增強，進一步增強列車效應，是降水增大的重要原因。26日11時以后衢州中北部地區(qū)列車效應的產(chǎn)生與維持與中低層正渦度和水汽通量輻合在這個區(qū)域的持續(xù)作用密不可分。

④地面自動站風場中穩(wěn)定的低壓環(huán)流有利于列車效應新生單體源地的維持，Barnes濾波得到的中尺度輻合線的維持和移動與列車效應的維持和生消有較好地對應關系。在今后業(yè)務中應特別關注地面加密風場和低層中尺度輻合線對回波單體產(chǎn)生和移動路徑的影響分析。

圖8 Barnes中尺度濾波后的925 hPa流場(a)、(b)及地面整點2 min風向風速(c)(d)Fig.8 wind speed (c) (d) of 925 hPa flow field (a) (b) after Barnes mesoscale filtering