1323號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”螺旋云帶中“列車(chē)效應(yīng)”特征及形成分析

薛煜李靚靚朱業(yè)張紅蕾,3劉瑞翟國(guó)慶

1浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州310027

2浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，杭州310007

3浙江省氣象科學(xué)研究所，杭州310004

1 引言

我國(guó)位處東亞地區(qū)，有著狹長(zhǎng)的海岸線，是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最多的國(guó)家之一。臺(tái)風(fēng)雨是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)造成的降水現(xiàn)象，也是引起我國(guó)暴雨的一個(gè)主要類(lèi)型（陳聯(lián)壽等，2001孟智勇,2002）。登陸臺(tái)風(fēng)的暴雨強(qiáng)度和落區(qū)除與臺(tái)風(fēng)本身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與高低空急流、冷空氣活動(dòng)、中緯度系統(tǒng)、不穩(wěn)定能量、地形及強(qiáng)的環(huán)境垂直風(fēng)切變、低層輻合高層輻散的高低空配置等因素有關(guān)，也存在多種尺度天氣系統(tǒng)配合（壽紹文, 2019,Galameau,et al,2010）。因此登陸臺(tái)風(fēng)暴雨的形成機(jī)理十分復(fù)雜，預(yù)報(bào)難度大。

Aylward and Dyer（2010）認(rèn)為，“列車(chē)效應(yīng)”風(fēng)暴系統(tǒng)是一個(gè)個(gè)對(duì)流單體在同一位置不斷傳播。極端降水事件也常與多個(gè)對(duì)流單體或云團(tuán)的排列方式和走向有關(guān)（Durkee et al.,2012）。當(dāng)多個(gè)風(fēng)暴單體（雷雨云團(tuán)）先后經(jīng)過(guò)同一個(gè)地點(diǎn)，就像列車(chē)的不同車(chē)廂先后經(jīng)過(guò)同一鐵軌一樣，間歇性的短時(shí)強(qiáng)降水將最終對(duì)該地造成局地大暴雨或特大暴雨（Davis,2001;Corfidi et al,2003），國(guó)內(nèi)氣象工作者將這種現(xiàn)象形象地稱(chēng)為“列車(chē)效應(yīng)”（孫繼松等，2013；陳見(jiàn)等,2014；鄭艷等，2014; 柯文華等，2012）。臺(tái)風(fēng)造成的暴雨常與臺(tái)風(fēng)螺旋云帶有關(guān)，螺旋云帶往往就像一條條水汽通道，跟隨臺(tái)風(fēng)中心呈螺旋式向前運(yùn)動(dòng)，因此常會(huì)引起大暴雨或特大暴雨。因此，研究臺(tái)風(fēng)螺旋云帶中的“列車(chē)效應(yīng)”對(duì)于完善極端降水預(yù)報(bào)和減少人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

陳華宣等（2011）認(rèn)為副熱帶高壓、高低空急流、風(fēng)速輻合、低層輻合高層輻散流場(chǎng)等是有利于產(chǎn)生特大暴雨的環(huán)流形勢(shì)特征，暴雨雨帶通常位于500 hPa 副高588線外側(cè)的100～200 km 范圍內(nèi)，穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)有利于對(duì)流性降水發(fā)生“列車(chē)效應(yīng)”。黃小玉等（2009）研究了臺(tái)風(fēng)“碧利斯”與“圣帕”中暴雨的“列車(chē)效應(yīng)”，兩次過(guò)程都有暖平流上疊加輻合風(fēng)場(chǎng)的特征，形成了有利于強(qiáng)降水的環(huán)境背景。此外，地形對(duì)暴雨的增幅作用不能忽視，地形對(duì)降水的增幅作用包括地形摩擦輻合與抬升作用。鄭慶林等（1996）提出，海岸線的分布會(huì)造成臺(tái)風(fēng)降水的不對(duì)稱(chēng)分布和強(qiáng)度變化，在華南登陸的臺(tái)風(fēng)主雨區(qū)多在臺(tái)風(fēng)東側(cè)，而華東登陸的臺(tái)風(fēng)雨區(qū)常在北側(cè)。

研究中發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)引起的“列車(chē)效應(yīng)”影響時(shí)間有長(zhǎng)有短，短則2～4小時(shí)，長(zhǎng)的可達(dá)10小時(shí)。螺旋雨帶的形成及其中對(duì)流單體的排列可能與重力慣性波有關(guān)。李英等（2007）發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)麥莎（Matsa）在移動(dòng)方向上具有強(qiáng)雨帶波狀分布和傳播特征，指出臺(tái)風(fēng)北向傳播的大型波狀雨帶分布特征與大氣重力內(nèi)波與大氣慣性波的混合波特征有關(guān)。壽紹文（2003）也指出，近年來(lái)的研究中發(fā)現(xiàn)傳播性的中尺度雨帶和重力波有密切關(guān)系，與強(qiáng)降水相聯(lián)系的重力波一般是振幅較大，存在時(shí)間較長(zhǎng)的重力波，重力波出現(xiàn)于對(duì)流天氣發(fā)展之前，起著一種觸發(fā)機(jī)制的作用，當(dāng)已經(jīng)產(chǎn)生的對(duì)流天氣區(qū)有重力波通過(guò)時(shí)，對(duì)流強(qiáng)度會(huì)發(fā)生周期性變化。一方面，臺(tái)風(fēng)螺旋云帶作為一個(gè)繞著中心軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的整體，在登陸之后云系向外擴(kuò)展而偏離原有軌道并受到重力波作用，螺旋雨帶中的對(duì)流單體可能會(huì)呈現(xiàn)近似線性的排列方式。另一方面，受到充沛的水汽輸送、低層弱冷空氣的滲透觸發(fā)、環(huán)境風(fēng)切變、地面輻合線以及地形的組織抬升等多種物理?xiàng)l件的作用，這些均可能成為臺(tái)風(fēng)“列車(chē)效應(yīng)”形成和維持的條件（蔡小輝等,2012;柯文華等,2012;Corfidi,2003;Davis,2001;Peters et al.,2014）。

1323號(hào)“菲特”臺(tái)風(fēng)對(duì)我國(guó)造成了嚴(yán)重的影響尤其是浙江省，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)從動(dòng)力、熱力和水汽等方面都做了許多較深入的研究（沈曉玲，2014；王曉，2017；李啟華等，2018）。菲特臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的降水主要可以分成兩個(gè)時(shí)間段，一是2010年10月6日21:00（北京時(shí)，下同）至7日10:00左右，從浙江象山至寧波一帶形成的強(qiáng)降水帶，二是大約8日02:00至8日10:00，由冷空氣從低層擴(kuò)散南下在江蘇東南部、浙江東北部、上海地區(qū)產(chǎn)生了區(qū)域性大暴雨（田洪軍等,2014;謝惠敏等,2016），而多數(shù)的研究中未對(duì)第一段暴雨發(fā)生做細(xì)致的分析，研究表明，發(fā)生于寧波象山至余姚一帶的第一階段強(qiáng)降水與臺(tái)風(fēng)螺旋云帶相關(guān)并出現(xiàn)典型“列車(chē)效應(yīng)”的現(xiàn)象，而冷空氣所起作用并不大。

一般來(lái)說(shuō)，暴雨中“列車(chē)效應(yīng)”發(fā)生時(shí)的各種天氣尺度因素和中尺度條件的都較為普遍，而臺(tái)風(fēng)暴雨中的“列車(chē)效應(yīng)”形成機(jī)制也成為研究的難點(diǎn)，目前由于具有典型“列車(chē)效應(yīng)”的臺(tái)風(fēng)暴雨個(gè)例較少，降水量極端，模擬難度大，因此人們對(duì)臺(tái)風(fēng)螺旋云帶中“列車(chē)效應(yīng)”的研究也開(kāi)展較少。本文主要以1323號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”螺旋云帶中出現(xiàn)的第一段大暴雨過(guò)程，著重分析臺(tái)風(fēng)“列車(chē)效應(yīng)”特征和形成的機(jī)制。

2 資料與研究方法

2.1 資料簡(jiǎn)介

本文使用的分析資料：（1）美國(guó)國(guó)家環(huán)境中心/大氣研究中心NCEP/NCAR 提供的GFS逐6小時(shí)再分析資料（0.5°×0.5°）；（2）華東地面自動(dòng)站每小時(shí)實(shí)況加密資料，資料加入了近海地區(qū)的島嶼站、浮標(biāo)等數(shù)據(jù)；（3）中國(guó)自動(dòng)站與CMORPH降水產(chǎn)品融合的逐時(shí)降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集；（4）每6分鐘一次的寧波多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料；（5）中國(guó)熱帶氣旋災(zāi)害數(shù)據(jù)集和溫州臺(tái)風(fēng)網(wǎng)臺(tái)風(fēng)路徑信息資料。資料選取時(shí)間均為北京時(shí)2013年10月6～8日。

2.2 方法

中尺度濾波方法，可以從大尺度背景場(chǎng)中提取到中尺度系統(tǒng)信息。本文使用Shuman-Shaprio平滑濾波法（章國(guó)材等,2007;覃丹宇,2010）來(lái)進(jìn)行尺度分離，該方法可以分離出β中尺度到γ 中尺度的中小尺度信息場(chǎng)，提取波段是基于客觀分析到格點(diǎn)的格距為基準(zhǔn)，基本思路是：先通過(guò)插值處理將選定區(qū)域的氣象要素資料插值到格點(diǎn)場(chǎng)，再選取適當(dāng)?shù)臑V波系數(shù)S，對(duì)于二維要素場(chǎng)來(lái)說(shuō)，9點(diǎn)平滑的濾波算子為

其中，S 為濾波系數(shù)， fi,j是濾波后的平滑場(chǎng)， fi,j是相應(yīng)的格點(diǎn)要素值。濾波算子的響應(yīng)函數(shù)：R(S,n)=(1-2sin2(π/n))2，令R(S,n)=0，可以得到S 與n的關(guān)系，選取適當(dāng)格距倍數(shù)n得到相應(yīng)的濾波系數(shù)S，可以濾除不同倍數(shù)的格距波，再用原始場(chǎng)減去濾波后的平滑場(chǎng)，就可以分離出n倍格距波長(zhǎng)的擾動(dòng)波。

采用9點(diǎn)平滑濾波算子，取S＝0.5，得到圖1中響應(yīng)曲線。

3 菲特臺(tái)風(fēng)和降水概況

2013年第23號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“菲特”（Fitow），于2013年9月30日20:00在菲律賓以東洋面生成，10月3日凌晨加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，10月4日17:00加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，10月7日凌晨01:15左右在福建省福鼎市沙埕鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)強(qiáng)度為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，中心附近最大風(fēng)力有14級(jí)（42 m s-1），中心最低氣壓為955 hPa，登陸后于10月7日09:00在福建省建甌市境內(nèi)迅速減弱為熱帶低壓，11:00停止編報(bào)。在此期間，1324號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“丹娜絲”于10月4日生成，5日14:00在西北太平洋上發(fā)展成熱帶風(fēng)暴，并以每小時(shí)25 km 左右的速度向西北移動(dòng)并加強(qiáng)，與菲特形成“藤原效應(yīng)”?！胺铺亍迸_(tái)風(fēng)是新中國(guó)成立以來(lái)正面登陸我國(guó)大陸的最強(qiáng)“秋臺(tái)風(fēng)”，對(duì)中國(guó)造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)623.3億人民幣，形成的倒槽降水使浙江全境出現(xiàn)罕見(jiàn)洪澇災(zāi)害，降雨強(qiáng)度破歷史紀(jì)錄，沿海強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

圖1 9點(diǎn)濾波算子響應(yīng)函數(shù)（R）曲線Fig.1 Response function (R) curveof nine-point filter operator

圖2是菲特臺(tái)風(fēng)在10月6日08:00至7日14:00共計(jì)30小時(shí)的過(guò)程降水量（填色），可以看到，該時(shí)段降水位于浙江沿海一帶，其中暴雨中心集中在兩個(gè)區(qū)域，一是浙江東北部沿海，以象山（XS）到寧波（NB）為中心的杭州灣南線一帶，主要受臺(tái)風(fēng)外圍螺旋云帶影響；另一個(gè)是浙江東南部沿海，位于溫州（WZ）、臺(tái)州（TZ）一帶，主要受臺(tái)風(fēng)近中心環(huán)流影響。圖1顯示，浙江東北部的降水強(qiáng)度最高，大于350 mm 主降水帶由象山和寧波兩個(gè)降水中心相連，呈現(xiàn)帶狀分布，最大過(guò)程降水量到507.3 mm。臺(tái)風(fēng)中心路徑呈現(xiàn)大圓弧狀，登陸之前，路徑呈東南—西北向，登陸之后路徑呈偏西方向。

4 環(huán)流背景

為了簡(jiǎn)單回顧本次臺(tái)風(fēng)形勢(shì)和水汽條件，我們以850 hPa 上的基本要素場(chǎng)為代表。圖3中是10月6日20:00和10月7日02:00的850 hPa 低層的環(huán)流形式，由圖可見(jiàn)，副高較強(qiáng)呈帶狀分布且基本穩(wěn)定，南側(cè)是偏東氣流。中高緯有西風(fēng)槽東移，浙江與福建沿海地區(qū)存在一個(gè)臺(tái)風(fēng)倒槽，槽后是偏南氣流，在臺(tái)風(fēng)倒槽、副高和臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”共同作用下，雙臺(tái)風(fēng)之間建立起一條深厚的水汽通道（填色區(qū)），7日02:00“菲特”臺(tái)風(fēng)登陸減弱時(shí)仍有大量水汽輸送和聚集，強(qiáng)水汽通道為浙江沿海地區(qū)暴雨提供水汽來(lái)源。

圖2 2013年10 月6日08:00（北京時(shí)，下同）至7日14:00臺(tái)風(fēng)“菲特”登陸前后移動(dòng)路徑（點(diǎn)虛線，虛線下方為日和時(shí)）和過(guò)程降水量（填色區(qū)，單位：mm）。Fig.2 Movement path of typhoon “Fitow”before and after landfall(dotted line, the day and hour below the dotted line)and process precipitation(colored area;unit:mm)from 0800 BT(Beijing time)6 to 1400 BT 7 in October 2013

圖3 2013年10月（a）6日20:00、（b）7日02:00 850 hPa 位勢(shì)高度（黑色實(shí)線，單位：dagpm）、溫度（紅色虛線，單位：°C）、水汽通量（填色，單位：g cm-1 hPa-1 s-1）和流場(chǎng)（黑色箭頭）分布Fig.3 Geopotential height (black solid line;units:dagpm),temperature(red dotted line; units:°C), water vapor flux (colored area;units:g cm-1 hPa-1 s-1),and flow field (black arrow)at 850 hPa at (a)2000 BT 6 October 2013 and (b)0200 BT 7 October 2013

為了了解浙北暴雨發(fā)生的環(huán)境條件，我們選擇了不同高度的風(fēng)場(chǎng)特征，以了解環(huán)境場(chǎng)對(duì)此次浙北強(qiáng)降水的起到積極作用。圖4a 和b的兩個(gè)時(shí)刻中可以看到，200 hPa 上，在黃海至朝鮮半島北緯35°以北一直存在一支高空急流，風(fēng)速達(dá)到40 m s-1以上，位置穩(wěn)定少動(dòng)并不斷加強(qiáng)，高空的輻散區(qū)（紅色實(shí)線）中心值達(dá)到4×10-5s-1，暴雨區(qū)基本處在高空急流入口區(qū)右側(cè)。與此同時(shí)，在低層（圖4c）以大范圍的低空偏東急流為主，850 hPa雙臺(tái)風(fēng)之間存在大風(fēng)速帶，而7日02:00（圖4e）臺(tái)風(fēng)近中心有一支東南向強(qiáng)低空急流，急流軸位于寧波暴雨區(qū)南側(cè)，溫臺(tái)暴雨區(qū)北側(cè)，低空急流為暴雨區(qū)輸送水汽和能量。臺(tái)風(fēng)倒槽內(nèi)部，7日02:00的925 hPa 高度上（圖4d），浙江大部地區(qū)成為輻合區(qū)（黃色實(shí)線），輻合中心達(dá)-5×10-5s-1，因此在浙江地區(qū)形成高層輻散、低層輻合的有效配置，并有低層水汽不斷輸送的有利背景。

5 菲特“列車(chē)效應(yīng)”特征分析

臺(tái)風(fēng)登陸之后，多數(shù)情況下暴雨和螺旋云帶跟隨著臺(tái)風(fēng)環(huán)流一致運(yùn)動(dòng)，當(dāng)暴雨中心呈現(xiàn)出帶狀特征（這種情況常與臺(tái)風(fēng)螺旋云帶被“甩”離相似，降水雨團(tuán)運(yùn)動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心路徑，沿著臺(tái)風(fēng)中心軌跡切線方向呈直線性運(yùn)動(dòng)）向前傳播，易出現(xiàn)“列車(chē)效應(yīng)”現(xiàn)象。

我們分析了“菲特”第一階段降水中的8小時(shí)連續(xù)強(qiáng)降水，圖5a 可以看到，以寧波為中心的暴雨帶和雷達(dá)回波帶位置一致，呈帶狀走向，暴雨中心呈長(zhǎng)軸狀（長(zhǎng)度超過(guò)200 km），結(jié)合雷達(dá)回波對(duì)流單體運(yùn)動(dòng)表明，該時(shí)段的臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶產(chǎn)生的降水現(xiàn)象中出現(xiàn)了“列車(chē)效應(yīng)”。其暴雨中心長(zhǎng)軸和雷達(dá)回波中心長(zhǎng)軸與臺(tái)風(fēng)中心路徑走向有明顯偏離，偏離角大約在25°以上。然而，深入研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)造成的列車(chē)效應(yīng)也存在“位移”，即它也會(huì)發(fā)生位置上的移動(dòng)。根據(jù)暴雨發(fā)生的地理位置，將10月7日01:00～09:00象山到寧波地區(qū)發(fā)生的“列車(chē)效應(yīng)”，大致劃定7日01:00～04:00為第一次“列車(chē)效應(yīng)”，04:00～05:00是為過(guò)渡期，05:00～09:00為第二次“列車(chē)效應(yīng)”。此次連續(xù)“列車(chē)效應(yīng)”過(guò)程，由象山—寧波地區(qū)形成主降水帶，該地區(qū)8小時(shí)平均降水量超過(guò)200 mm，最大降水達(dá)到309.1 mm，螺旋云帶中雷達(dá)回波平均反射率在35 dB Z 以上，降水和雷達(dá)時(shí)空關(guān)系對(duì)應(yīng)基本一致。此次“列車(chē)效應(yīng)”8小時(shí)連續(xù)降水時(shí)間只占圖2中（30小時(shí)）過(guò)程降水時(shí)間的27%，但最大降水量占比卻達(dá)到61%，呈現(xiàn)出高降水效率，因此研究菲特臺(tái)風(fēng)“列車(chē)效應(yīng)”降水的形成具有重要意義。

兩次“列車(chē)效應(yīng)”都從寧波市沿海的象山縣（XS）開(kāi)始，持續(xù)時(shí)間為3～4小時(shí)。每小時(shí)降水25 mm 以上的雨帶沿著東南到西北方向從象山到寧波向前緩慢推進(jìn)，第一次“列車(chē)效應(yīng)”雨帶跨度在1.5 個(gè)經(jīng)度距離左右（圖6a），第二次接近2個(gè)經(jīng)度距離（圖6c）。主降水區(qū)第二次較第一次略有北抬，若按暴雨中心長(zhǎng)軸估算，暴雨的東段（XS）北抬10 km，暴雨西段北抬約50 km，雨帶移動(dòng)方向發(fā)生順時(shí)針小角度偏轉(zhuǎn)，這可能是因?yàn)殡S著臺(tái)風(fēng)本體登陸減弱，螺旋云帶逐漸向外圍擴(kuò)散導(dǎo)致。一個(gè)個(gè)回波強(qiáng)度達(dá)到40 dB Z 的強(qiáng)對(duì)流單體呈連續(xù)線性向前傳播并對(duì)象山—寧波地區(qū)造成短時(shí)強(qiáng)降水最終造成該地區(qū)的特大降水。“列車(chē)效應(yīng)”過(guò)程中降水區(qū)的螺旋云帶平均回波強(qiáng)度可以維持在35 dB Z 以上，那么形成“列車(chē)效應(yīng)”的40 dB Z 以上的強(qiáng)對(duì)流單體從哪里產(chǎn)生、如何產(chǎn)生和維持并呈現(xiàn)東南—西北向的線性走向？

6 “列車(chē)效應(yīng)”診斷分析

6.1 對(duì)流單體傳播

眾所周知，地面系統(tǒng)移速與引導(dǎo)氣流風(fēng)速大小成正比,移向與高空引導(dǎo)氣流方向一致。500 hPa 引導(dǎo)層上的風(fēng)向06日20:00（圖7a）在象山到寧波一帶為偏東方向，07日02:00發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為東南方向并在“列車(chē)效應(yīng)”發(fā)生期間穩(wěn)定維持（7日02:00～08:00），與發(fā)生“列車(chē)效應(yīng)”的系統(tǒng)走向一致，這為“列車(chē)效應(yīng)”呈線性走向提供大環(huán)流背景。從925 hPa 散度場(chǎng)來(lái)看，除了臺(tái)風(fēng)主體，6日20:00開(kāi)始的浙江北部沿海存在強(qiáng)輻合中心，中心值達(dá)到-4×10-4s-1，構(gòu)成除沿海輻合帶之外的象山、寧波、杭州走向的東南至西北向的輻合帶（圖7a），到7日02:00強(qiáng)輻合區(qū)主要位于象山和寧波的沿海地區(qū)，7日08:00強(qiáng)輻合區(qū)穩(wěn)定在寧波地區(qū)低層上空，強(qiáng)輻合區(qū)與強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)一致（圖略），有利于“列車(chē)效應(yīng)”對(duì)流單體產(chǎn)生、發(fā)展和傳播。

圖4 2013年10月（a）6日20:00、（b）7日02:00 200 hPa 風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢）和水平輻散場(chǎng)（紅色等值線，單位：10-5 s-1）；2013年10月（c）6日20:00、（d）7日02:00 850 hPa 風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢）和925 hPa 水平輻合場(chǎng)（黃色等值線，單位：10-5 s-1）；（e）2013年10月7日02:00浙江及沿海地區(qū)850 hPa 風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢），藍(lán)色箭頭代表低空急流軸位置。填色區(qū)為風(fēng)速，單位：m s-1Fig.4 Wind (wind vectors; units:m s-1) and horizontal divergence(red contours; units:m s-1)at 200 hPa at (a)2000 BT 6 October 2013 and (b)0200 BT 7 October 2013.Wind(wind vectors; units:m s-1)at 850 hPa and horizontal divergence(red contours;units: m s-1)at 925 hPa at(c)2000 BT 6 October 2013 and (d)0200 BT 7 October 2013.(e)The 850-hPa wind field in Zhejiang and coastal areas(blue arrow represents the position of the jet stream axis;filling area representswind speed).Shaded areas show the wind speed,units:m s-1

圖5 2013年10月7日01:00～09:00（a）8小時(shí)降水量（填色，單位：mm）分布和（b）寧波多普勒雷達(dá)8小時(shí)平均反射率（填色，單位：dB Z）分布。（a）中黑色點(diǎn)線為臺(tái)風(fēng)中心路徑，（b）灰色陰影是200米以上地形Fig.5 The distribution of (a)8-h precipitation(shaded; units:mm)and(b)8-h average reflectance(shaded; units:dB Z)of the Ningbo Doppler radar from 0100 BT 7 to 0900 BT 7 on October 2013.The black dotted line in(a)is the central path of the typhoon.The gray shade in(b)represents the terrain above200 m

6.2 對(duì)流單體加強(qiáng)區(qū)域

圖7反映出沿海低層有了較強(qiáng)的輻合，這有利于對(duì)流發(fā)生發(fā)展。我們利用寧波多普勒雷達(dá)每6分鐘一次的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析研究“列車(chē)效應(yīng)”對(duì)流發(fā)生發(fā)展的源頭及增強(qiáng)機(jī)制。考慮到對(duì)流發(fā)生發(fā)展演變較快，難以定量得出對(duì)流發(fā)生發(fā)展的準(zhǔn)確概念，因此假定格點(diǎn)上每單位時(shí)間雷達(dá)回波反射率因子比上一時(shí)刻（6分鐘）增長(zhǎng)量超過(guò)10 dB Z，則記為1次增長(zhǎng)，以此方法為對(duì)流回波在短時(shí)間內(nèi)快速增長(zhǎng)的條件。將每個(gè)格點(diǎn)8小時(shí)（88個(gè)時(shí)次）的增長(zhǎng)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到雷達(dá)回波快速加強(qiáng)的頻次分布圖（圖8）。

在我們統(tǒng)計(jì)的區(qū)域中，我們獲得有意思的結(jié)果，圖8可以看到，浙北沿海有5條明顯的快速增強(qiáng)的帶狀回波運(yùn)動(dòng)軌跡，我們將其編為A、B、C、D和E。圖中陸地上并沒(méi)有出現(xiàn)快速增長(zhǎng)頻次，但這并不意味著對(duì)流單體回波強(qiáng)度本身的減弱，一是因?yàn)殛懙厣蠈?duì)流單體已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，不再繼續(xù)以短時(shí)快速的增長(zhǎng)，二是對(duì)流云團(tuán)運(yùn)動(dòng)至陸地之后降水增強(qiáng)，導(dǎo)致回波發(fā)展速度減慢；圖中反映對(duì)流回波增長(zhǎng)出現(xiàn)了明顯的條狀，類(lèi)似于臺(tái)風(fēng)外圍的螺旋云帶，這表明衛(wèi)星和雷達(dá)遙感圖像上，寬闊的螺旋回波帶中有可能鑲嵌著一條或多條發(fā)展更為快速的對(duì)流云團(tuán)，這些快速增長(zhǎng)的條狀回波帶中存有中尺度發(fā)展特性。

雖然圖8的范圍并不大，但每條回波快速增長(zhǎng)帶上也不平衡，沿海頻次明顯更多，這可能與下墊面島嶼增多導(dǎo)致的摩擦、輻合等加大有關(guān)，而各條之間的分布也不均勻，其中B、C 分別是兩次發(fā)生“列車(chē)效應(yīng)”的起源帶。從第一次“列車(chē)效應(yīng)”的主回波帶（B）加強(qiáng)區(qū)位置和增長(zhǎng)數(shù)來(lái)看，從海上出現(xiàn)就多個(gè)超過(guò)9次增長(zhǎng)的增長(zhǎng)數(shù)大值區(qū)，一個(gè)個(gè)對(duì)流單體從浙江沿海的海上開(kāi)始形成并快速向前發(fā)展，到達(dá)象山附近的海域時(shí)發(fā)展成熟，形成具有高降水效率的“列車(chē)效應(yīng)”降水系統(tǒng)，在象山到寧波偏南側(cè)地區(qū)造成短時(shí)連續(xù)強(qiáng)降水（圖6a）。而第二次“列車(chē)效應(yīng)”的主回波帶（C）在海上發(fā)展強(qiáng)度比第一次弱，整個(gè)主回波帶比第一次向北抬升約0.2個(gè)緯距，增長(zhǎng)數(shù)大值區(qū)主要出現(xiàn)在象山附近，從象山附近開(kāi)始主回波帶的對(duì)流單體開(kāi)始進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，到寧波地區(qū)趨于成熟，因此第二次“列車(chē)效應(yīng)”雨帶略有北抬，在象山到寧波偏北側(cè)地區(qū)造成短時(shí)連續(xù)強(qiáng)降水（圖6c），這與上面看到的兩次“列車(chē)效應(yīng)”降水分布相吻合。從回波發(fā)展速度頻次上看，臺(tái)風(fēng)螺旋云帶內(nèi)的對(duì)流云在近海得以明顯快速增強(qiáng)，這可能是沿海復(fù)雜的下墊面導(dǎo)致。

6.3 沿海對(duì)流單體形成分析

圖6 2013年10 月7日（a）第一次01:00～04:00和（b）第二次05:00～09:00“列車(chē)效應(yīng)”每小時(shí)降水量分布（左列；等值線，單位：mm）以及雷達(dá)平均反射率（右列；填色，單位：dB Z）。（a）中紅色、藍(lán)色、綠色實(shí)線分別代表01:00～02:00、02:00～03:00、03:00～04:00時(shí)段的每小時(shí)大于25 mm 降水量，（c）中紅色、紫色、藍(lán)色、綠色分別代表05:00～06:00、06:00～07:00、07:00～08:00、08:00～09:00時(shí)段每小時(shí)大于25 mm 的降水量Fig.6 The distribution of hourly precipitation(left column;contours, units:mm)and the average radar reflectance(right column,units:dB Z)of (a)the first “train effect”from 0100 BT 7 to 0400 BT 7 in October 2013 and (c)the second “train effect”from 0500 BT 7 to 0900 BT 7 in October 2013.(a)Red,blue,and green lines represent hourly precipitation greater than 25 mm during theperiods of 0100 BT-0200 BT,0200 BT-0300 BT,and 0300 BT-0400 BT.(c)Red, purple, blue,and green lines represent hourly precipitation greater than 25 mm during the period of 0500 BT-0600 BT,0600 BT-0700 BT,0700 BT-0800 BT,and 0800 BT-0900 BT

圖7 2013年10月（a）6日20:00、（b）7日02:00和（c）08:00 925 hPa 散度場(chǎng)（填色區(qū)，單位：10-4s-1）和500 hPa 風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢）分布Fig.7 The distribution ofdivergence disturbance(shaded;units:10-4 s-1)at 925 hPa and wind(wind vectors;units:m s-1)at 500 hPa at(a)2000 BT 6,(b)0200 BT 7,and (c)0800 BT 7 in October 2013

圖8 2013年10月7日01:00～09:00雷達(dá)回波快速加強(qiáng)區(qū)分布（填色，單位：增長(zhǎng)次數(shù)），A、B、C、D和E代表5條帶狀回波運(yùn)動(dòng)軌跡?；疑幱皡^(qū)為海拔100 m 以上地形Fig.8 Radar echo enhancement area distribution(shaded;units:number of times of increase)from 0100 BT 7 to 0900 BT 7 in October 2013.Number A,B,C,D,E represent the movement trajectory of five stripe echoes.The gray shaded area representstheterrain above100 m

眾所周知，大尺度系統(tǒng)提供了支持中尺度系統(tǒng)形成的條件和環(huán)境場(chǎng)，中尺度系統(tǒng)才是直接造成暴雨的天氣系統(tǒng)，而對(duì)流的快速發(fā)生常與有利的環(huán)境條件和中尺度觸發(fā)條件有關(guān)（陶詩(shī)言,1980），由于東部海岸附近資料較為不均勻，直接尋找中尺度相關(guān)信息較為困難，因此設(shè)法提取有效的“列車(chē)效應(yīng)”中尺度擾動(dòng)場(chǎng)信息，并分析內(nèi)在形成機(jī)制。雖然從加密的地面資料輻合場(chǎng)中可以一定程度上獲得對(duì)流發(fā)展特征，但中尺度輻合線或是尺度較小的匯合點(diǎn)不一定能在流場(chǎng)上顯現(xiàn)出來(lái)，因此若能從自動(dòng)站流場(chǎng)中提取相應(yīng)的中尺度輻合帶或輻合區(qū)，便能夠在時(shí)空尺度中更有效地判定對(duì)流單體的短時(shí)發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步了解此次“列車(chē)效應(yīng)”過(guò)程的形成機(jī)制。我們運(yùn)用Shuman-Shapiro中尺度濾波方法，得到時(shí)間尺度約8小時(shí)，空間尺度300～500公里的中尺度波動(dòng)特征。

為了了解列車(chē)效應(yīng)發(fā)生和起源，如圖9所示，將范圍縮小至寧波—象山及沿海。圖9a、c和圖9b、d 分別代表兩次“列車(chē)效應(yīng)”開(kāi)始時(shí)的地面風(fēng)場(chǎng)特征。圖9a、b是初始的流場(chǎng)，未采用濾波方案，圖9c、d 采用了Shuman-Shapiro中尺度濾波方案。從流場(chǎng)中可以看到，兩次“列車(chē)效應(yīng)”開(kāi)始時(shí)（7日01:00、04:00），未濾波的象山東南側(cè)海域的地面流場(chǎng)中沿海存在大片的輻合區(qū)，進(jìn)行濾波后，兩次“列車(chē)效應(yīng)”的初始時(shí)刻都形成了東南至西北向的帶狀中尺度輻合帶，輻合帶上出現(xiàn)數(shù)個(gè)的中尺度渦旋擾動(dòng)中心。這些濾波后的擾動(dòng)輻合帶（填色區(qū)），基本也代表了大尺度場(chǎng)上表現(xiàn)出來(lái)的輻合中心（圖9a、9b）。第二次“列車(chē)效應(yīng)”的中尺度輻合帶位置略有北抬，與圖6c中第二次“列車(chē)效應(yīng)”降水帶的北抬相一致。由此可知，“列車(chē)效應(yīng)”形成過(guò)程中，關(guān)鍵是上游的中尺度擾動(dòng)輻合帶的形成，其對(duì)于臺(tái)風(fēng)螺旋云帶中的對(duì)流單體發(fā)生發(fā)展和下游降水系統(tǒng)的演變有著重要的作用。

為進(jìn)一步了解兩段“列車(chē)效應(yīng)”起源之前沿海對(duì)流演變，圖10給出“列車(chē)效應(yīng)”發(fā)生前濾波后的擾動(dòng)流場(chǎng)。兩次“列車(chē)效應(yīng)”分別在7日00:45（圖10a）和04:14（圖10e）開(kāi)始，螺旋云帶后部有源源不斷的高于40 dB Z 的強(qiáng)對(duì)流單體從沿海海面中尺度擾動(dòng)輻合帶中生成，并沿輻合線（棕色粗實(shí)線）由沿海到象山向前發(fā)展。如第一段列車(chē)效應(yīng)發(fā)生之前，象山沿海已形成中尺度擾動(dòng)輻合線（圖10a），在半個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間內(nèi)，該擾動(dòng)輻合線保持穩(wěn)定維持，并促進(jìn)對(duì)流回波逐漸增強(qiáng)和擴(kuò)大形成緊密的結(jié)構(gòu)（圖10a-d）。在第二段“列車(chē)效應(yīng)”過(guò)程中（圖10e-h），04:14（圖10e）已觀測(cè)到對(duì)流回波單體“M”在象山沿?？焖僭鰪?qiáng)，其位置上對(duì)應(yīng)著中尺度擾動(dòng)輻合線以及圖8d 的濾波輻合中心，快速增強(qiáng)后的強(qiáng)對(duì)流單體沿著輻合線方向，半小時(shí)后移到了象山與寧波的之間（圖10e）并仍然保持著45 dB Z 以上的回波強(qiáng)度，在這段時(shí)間過(guò)程中，地面始終維持著中尺度的擾動(dòng)輻合以及強(qiáng)度在35 dB Z 以上的對(duì)流回波帶，說(shuō)明沿海的擾動(dòng)輻合線對(duì)回波單體在沿?？焖侔l(fā)展起到重要作用。兩次“列車(chē)效應(yīng)”的形成來(lái)看，在具有復(fù)雜海岸線和地形的沿?；蚝ｊ懡唤缣?，以及在一定的環(huán)流背景和物理?xiàng)l件下，易構(gòu)成對(duì)流層低層的中尺度擾動(dòng)輻合場(chǎng)，并促成了對(duì)流系統(tǒng)的組織化，典型時(shí)刻分別如01:14和04:48，形成了具有中尺度系統(tǒng)特征、連續(xù)的線性帶狀對(duì)流回波，“列車(chē)效應(yīng)”由此產(chǎn)生，進(jìn)而影響象山—寧波地區(qū)。在類(lèi)似的個(gè)例研究中，Zhu et al.（2019）利用模式水平分辨率為333 m 的研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)靠近沿海時(shí)的大風(fēng)帶主要位于行星邊界層附近，造成圍繞大風(fēng)速柱橫向排列輻合，有利于沿海對(duì)流云發(fā)展。

6.4 對(duì)流單體維持分析

圖9 2013年10月7日（a、c）01:00和（b、d）04:00地面流場(chǎng)（黑色箭頭）和散度場(chǎng)（填色，單位：10-4）：（a、b）未濾波場(chǎng)；（c、d）進(jìn)行濾波處理后的濾波場(chǎng)Fig.9 Ground flow field(black arrow)and divergence(shaded;units:10-4)at(a,c)0100 BT 7 and(b,d)0400 BT 7 in October 2013:(a, b)Unfiltered fields;(c,d)filtered fieldsafter filtering

通過(guò)雷達(dá)回波和地面中尺度濾波分析，對(duì)流回波的發(fā)生發(fā)展與地面中尺度擾動(dòng)物理場(chǎng)關(guān)系密切，對(duì)流回波多產(chǎn)生在擾動(dòng)輻合區(qū)內(nèi)，而成熟階段的回波往往落后于中尺度輻合中心（翟國(guó)慶等,1991）。由于兩段列車(chē)效應(yīng)發(fā)生時(shí)段環(huán)流形勢(shì)是相對(duì)穩(wěn)定的，因此我們將其物理場(chǎng)進(jìn)行合成，圖11中可以看到，第一次“列車(chē)效應(yīng)”時(shí)段內(nèi)（圖11a），象山以東面沿海和象山與寧波之間海灣都存在著一個(gè)中尺度擾動(dòng)輻合中心，平均強(qiáng)雷達(dá)回波（大于40 dB Z 的紅色線所圍區(qū)域）從象山東面的沿海延伸到寧波方向，可見(jiàn)，象山沿海海域以及象山與寧波之間的中尺度擾動(dòng)輻合，對(duì)對(duì)流回波加速增強(qiáng)、維持與發(fā)展有著重要的作用；同樣的，第二次“列車(chē)效應(yīng)”中（圖11b），40 dB Z 以上的強(qiáng)回波帶（紅色實(shí)線）產(chǎn)生的上游、象山至寧波之間一直穩(wěn)定存在一個(gè)中尺度擾動(dòng)輻合中心，持續(xù)時(shí)間達(dá)數(shù)小時(shí)。即：當(dāng)螺旋云帶前進(jìn)方向上有輻合中心能維持?jǐn)?shù)小時(shí)以上，有利于“列車(chē)效應(yīng)”的穩(wěn)定維持。沿海中尺度輻合帶或輻合中心可能來(lái)之三個(gè)方面：一是因沿海摩擦增強(qiáng)導(dǎo)致的風(fēng)速的輻合；二是因風(fēng)速輻合導(dǎo)致的地轉(zhuǎn)偏差（Markowski andRichardson,2010）；三是沿海島嶼和復(fù)雜的海灣造成沿海風(fēng)場(chǎng)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

由此我們概納出本次浙北臺(tái)風(fēng)列車(chē)效應(yīng)的概念模型（圖12）。

圖10 2013年10月7日（a-d）第一次和（e-h）第二次“列車(chē)效應(yīng)”雷達(dá)回波演變（填色，單位：dB Z）及地面擾動(dòng)場(chǎng)分布：（a）00:45；（b）00:51；（c）00:57分；（d）01:14；（e）04:14；（f）04:31；（g）04:42；（h）04:48Fig.10(a-d)First and(e-h)second “train effect”radar echo evolution(shadeded;units:dB Z)and ground disturbance field on 7 October 2013:(a)0045 BT,(b) 0051 BT,(c)0057 BT,(d)0114 BT,(e)0414 BT,(f)0431 BT,(g)0442 BT,and (h)0448 BT

圖11 2013年10月7日（a）01:00～04:00、（b）05:00～09:00平均流場(chǎng)（黑色箭頭）、輻合帶平均擾動(dòng)場(chǎng)（填色，單位：10-4 s-1）和雷達(dá)平均反射率（紅色等值線代表平均強(qiáng)度在40 dB Z 以上，單位：dB Z），灰色陰影是100 m 以上地形Fig.11 Average flow field(black arrow),average divergence disturbed field(filling;units:10-4 s-1),and radar average reflectivity(red contour line represents average intensity above 40 dB Z;units:dB Z)from(a)0100 BT to 0400 BT and(b)0500 BT to 0900 BT on October 7,2013.The gray shadow represents the terrain above 100 m

圖12 “菲特”臺(tái)風(fēng)螺旋云帶中“列車(chē)效應(yīng)”特大暴雨概念模型Fig.12 Conceptual model of the “train effect” rainstorm in thespiral cloud belts of typhoon “Fitow”

本文是以實(shí)況資料分析概納的臺(tái)風(fēng)帶狀暴雨模型，在圖12中，在寧波有帶狀的“列車(chē)效應(yīng)”暴雨區(qū)（黃色），在其上游方向是中尺度擾動(dòng)輻合帶（黑實(shí)線），這里有復(fù)雜的海岸地形（灰色）及擾動(dòng)匯合氣流（黑虛線）；低空有臺(tái)風(fēng)的東南急流（深綠色）和水汽輸送（淺綠色），中層有引導(dǎo)氣流（橙色線）；“列車(chē)效應(yīng)”暴雨帶的高層有大范圍的輻散場(chǎng)（淺藍(lán)色）和北部的高空西南風(fēng)急流（淡紫色），這些大、中尺度系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的耦合，是可能導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)“列車(chē)效應(yīng)”發(fā)生與維持的機(jī)制。但此概念模型僅出自一典型個(gè)例，是否具有普適性仍需更多個(gè)例的分析。此外，在暴雨的發(fā)生過(guò)程中除了海岸效應(yīng)導(dǎo)致的對(duì)流發(fā)生發(fā)展之外，是否還存在其他物理過(guò)程如臺(tái)風(fēng)重力波等因素，也有待進(jìn)一步深入分析和研究。

7 總結(jié)與討論

利用觀測(cè)資料分析了1323號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”螺旋云帶中出現(xiàn)的典型“列車(chē)效應(yīng)”過(guò)程，也是浙北地區(qū)主要暴雨災(zāi)害的時(shí)段，本文著重分析了“列車(chē)效應(yīng)”發(fā)生和起源，主要結(jié)論如下：（1）根據(jù)主要暴雨時(shí)段和雷達(dá)回波中心帶移動(dòng)軸線，將長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)左右維持在錢(qián)塘江南岸的“列車(chē)效應(yīng)”分為兩段，兩次“列車(chē)效應(yīng)”作用時(shí)間都在3～4小時(shí)左右，空間跨度在1～2個(gè)經(jīng)度距離；暴雨區(qū)呈現(xiàn)出帶狀特征，降水效率高，每小時(shí)降水超過(guò)25 mm 并向前線性傳播；螺旋云帶中強(qiáng)度在35 dB Z 以上的雷達(dá)回波平均反射率也呈現(xiàn)線性帶狀結(jié)構(gòu)；降水帶走向和雷達(dá)回波運(yùn)動(dòng)方向與臺(tái)風(fēng)中心運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生了大致25°以上的向右偏離。（2）高空引導(dǎo)氣流的方向和地面中尺度擾動(dòng)輻合帶走向與“列車(chē)效應(yīng)”中對(duì)流單體運(yùn)動(dòng)方向基本一致，為其呈近線性排列提供依據(jù)。臺(tái)風(fēng)螺旋云帶內(nèi)的對(duì)流云在近海得以明顯快速增強(qiáng)，到陸地回波發(fā)展速度減慢，一是因?yàn)殛懙厣蠈?duì)流單體已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，不再繼續(xù)以短時(shí)快速的增長(zhǎng)，二是對(duì)流云團(tuán)運(yùn)動(dòng)至陸地之后降水增強(qiáng)。（3）螺旋云帶后部有源源不斷的高于40 dB Z的強(qiáng)對(duì)流單體從沿海海面中尺度輻合帶中生成，并沿?cái)_動(dòng)輻合線由沿海到象山向前發(fā)展,形成具有中尺度系統(tǒng)特征、連續(xù)的線性帶狀對(duì)流回波，臺(tái)風(fēng)螺旋云帶中暴雨的“列車(chē)效應(yīng)”由此產(chǎn)生，進(jìn)而影響象山到寧波地區(qū)。螺旋云帶前進(jìn)方向上有中尺度擾動(dòng)輻合中心能維持?jǐn)?shù)小時(shí)以上，有利于“列車(chē)效應(yīng)”的穩(wěn)定維持。

因此，沿海形成的中尺度擾動(dòng)輻合或擾動(dòng)渦旋，為螺旋云帶中對(duì)流在沿海地區(qū)發(fā)生或發(fā)展提供重要條件，形成了對(duì)流云的快速增長(zhǎng)和后續(xù)發(fā)展的啟動(dòng)和維持機(jī)制，對(duì)于“列車(chē)效應(yīng)”的形成、發(fā)展和維持起了重要作用。