1971—2015年寧波首場暴雨的氣候特征及環(huán)流形勢(shì)

陳迪輝 張晶晶 史學(xué)凡 朱佳敏 謝 華

(寧波市北侖區(qū)氣象局，浙江 寧波 315826)

0 引 言

寧波緯度適中,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,溫和濕潤,四季分明。春季冬小麥、油菜的田間管理、春耕、春播對(duì)降水非常依賴。寧波的年內(nèi)首場暴雨一般出現(xiàn)在春季,有詩曰:“春雨貴如油”,說明了春雨的可貴。春雨對(duì)緩解春旱、促進(jìn)農(nóng)作物生長十分有利。每年總有暴雨襲擊,其中梅汛期暴雨和臺(tái)風(fēng)暴雨是寧波乃至浙江最主要和出現(xiàn)頻率最高的暴雨。一直以來,暴雨是氣象工作者關(guān)注的重點(diǎn)[1-10],對(duì)于梅汛期和臺(tái)汛期的大范圍暴雨的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,這為不同地區(qū)的暴雨精細(xì)化預(yù)報(bào)和選取指標(biāo)提供了良好的基礎(chǔ)。但是對(duì)于每年首場暴雨出現(xiàn)的時(shí)間和空間落區(qū)分布特征的把握一直是預(yù)報(bào)的弱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文根據(jù)1971—2015年寧波地區(qū)9個(gè)國家氣象觀測(cè)站的降水資料,統(tǒng)計(jì)分析寧波首場暴雨的時(shí)空分布特征,歸納首場暴雨環(huán)流特征,分析天氣系統(tǒng)和暴雨落區(qū),對(duì)寧波首場暴雨進(jìn)行分類研究。

1 寧波首場暴雨的定義

根據(jù)中國氣象局規(guī)定的暴雨標(biāo)準(zhǔn):日降水量(20時(shí)至次日20時(shí))(簡稱R24，下同)≥50 mm,選取寧波9個(gè)國家氣象觀測(cè)站中年內(nèi)首次出現(xiàn)1個(gè)及以上觀測(cè)站R24≥50 mm的日期,定義為寧波首場暴雨日。出現(xiàn)1～2個(gè)觀測(cè)站R24≥50 mm的暴雨，定義為局地暴雨;出現(xiàn)3～4個(gè)觀測(cè)站R24≥50 mm的暴雨，定義為部分暴雨;出現(xiàn)5個(gè)及以上觀測(cè)站R24≥50 mm的暴雨，定義為大范圍暴雨。

2 寧波首場暴雨的特征

2.1 時(shí)間分布特征

1971—2015年寧波首場暴雨出現(xiàn)時(shí)間最早的是1月14日(2015年),最晚的是7月11日(1972年);出現(xiàn)時(shí)間主要集中在4月和6月,45 a共出現(xiàn)20次,占總數(shù)的56%;5月出現(xiàn)7次,占總數(shù)的19%;3月出現(xiàn)較少,1月和7月出現(xiàn)最少。寧波首場暴雨往往出現(xiàn)在4月下旬。寧波的雨季往往開始于梅汛期開端,一般在6月中旬。

從年際變化看,如圖1所示,寧波首場暴雨出現(xiàn)時(shí)間在20世紀(jì)70年代主要集中在5—6月,80年代集中在3—4月,21世紀(jì)00年代集中在4月和6月,20世紀(jì)90年代和2010年以后首場暴雨出現(xiàn)時(shí)間比較分散。通過統(tǒng)計(jì)1971—2015年首場暴雨出現(xiàn)的日期,采用百分比的方法對(duì)首場暴雨出現(xiàn)日期進(jìn)行歸類,早于所有暴雨的10%以內(nèi)的(1月14日—3月8日共5次)為異常偏早;早于所有暴雨的10%～30%的(3月16日—4月10日共9次)為偏早;晚于所有暴雨的90%以內(nèi)的(6月21日—7月14日共5次)為異常偏晚;晚于所有暴雨的70%～90%的(6月5日—6月18日共8次)為偏晚。其余在4月13日—6月1日出現(xiàn)的18次暴雨，出現(xiàn)時(shí)間為正常。

圖1 寧波首場暴雨出現(xiàn)時(shí)間年際變化圖

2.2 空間分布特征

統(tǒng)計(jì)分析1971—2015年寧波首場暴雨出現(xiàn)站次發(fā)現(xiàn),寧波首場暴雨以局地暴雨為主,共出現(xiàn)25次，占總數(shù)的55.55%,部分暴雨出現(xiàn)18次,占總數(shù)的40.0%,大范圍暴雨出現(xiàn)2次,占總數(shù)的4.45%。1971—2015年寧波首場暴雨落區(qū)頻次分布(圖2)顯示,首場暴雨落區(qū)頻次最高的是慈溪14次,其次是石浦13次和寧海12次。而奉化和象山頻次較少,分別只有5次和4次。鎮(zhèn)海建站時(shí)間為2008年,故不做平行對(duì)比分析。分析圖2可知，寧波中北部區(qū)域和寧波南部區(qū)域是容易出現(xiàn)首場暴雨的區(qū)域。

圖2 1971—2015年寧波首場暴雨落區(qū)頻次分布圖

45 a中,寧波有3個(gè)站次首場暴雨日最大降水量超過100 mm,其中1976年5月25日石浦站的超過280 mm。首場暴雨落區(qū)頻次在寧波南北兩端較多,日最大降水量在寧波南北兩端的數(shù)值較大,中東部首場暴雨出現(xiàn)較少。象山縣既是出現(xiàn)頻次最低的中心，也是日最大降水量最小的中心。

3 寧波首場暴雨的環(huán)流形勢(shì)

3.1 主要的影響天氣系統(tǒng)

寧波首場暴雨主要的影響天氣系統(tǒng)有低渦切變線、江淮氣旋、梅雨鋒和副高邊緣強(qiáng)對(duì)流4類。低渦和切變線是互相依存、互相轉(zhuǎn)化的,切變線加深變成低渦,低渦減弱變?yōu)榍凶兙€,將它們并為一類。分析1980—2015年的天氣圖可知,寧波地區(qū)受低渦切變線影響的首場暴雨有19次,包括17次局地暴雨和2次大范圍暴雨;受江淮氣旋影響的有13次,包括9次局地暴雨和4次部分暴雨;受梅雨鋒影響的有3次,包括2次局地暴雨和1次部分暴雨;受副高邊緣強(qiáng)對(duì)流影響的有1次，為局地暴雨(表1)。

表1 1980—2015年寧波受不同天氣系統(tǒng)影響的首場暴雨不同范圍的出現(xiàn)頻次分布 次

1980—2015年寧波首場暴雨出現(xiàn)最早的時(shí)間是1998年和2015年的1月14日,分別為低渦切變線和江淮氣旋造成的局地暴雨;出現(xiàn)最晚的時(shí)間是1985年7月14日，為受副熱帶高壓邊緣強(qiáng)對(duì)流影響的局地暴雨。在3月出現(xiàn)的首場暴雨中，有5次是受低渦切變線影響,有2次是受江淮氣旋影響;在4月出現(xiàn)的首場暴雨中，有7次是受低渦切變線影響,有4次是受江淮氣旋影響;在5月出現(xiàn)的首場暴雨中，有3次是受低渦切變線影響,有1次是受江淮氣旋影響;在6月出現(xiàn)的首場暴雨中，受低渦切變線影響的有2次,受江淮氣旋影響的有4次,受梅雨鋒影響的有3次;在7月出現(xiàn)的首場暴雨中，受副熱帶高壓邊緣強(qiáng)對(duì)流影響的有1次(表2)。

表2 1980—2015年寧波受不同天氣系統(tǒng)影響的首場暴雨出現(xiàn)頻次的月分布 次

通過分析受不同天氣系統(tǒng)影響的暴雨落區(qū)分布發(fā)現(xiàn),受低渦切變線影響的暴雨容易出現(xiàn)在寧波東南部幾個(gè)站點(diǎn),受江淮氣旋影響和梅雨鋒影響的暴雨容易出現(xiàn)在環(huán)沿海區(qū)域站點(diǎn),受副熱帶高壓邊緣強(qiáng)對(duì)流影響的暴雨容易出現(xiàn)在寧波南部。

3.2 環(huán)流形勢(shì)

3.2.1 低渦切變線類暴雨

低渦切變線類暴雨的環(huán)流形勢(shì)主要有兩種,一種是500 hPa和700 hPa均有低槽,850 hPa有低渦或切變線,地面有低壓倒槽配合;另一種是500 hPa有低槽,700 hPa和850 hPa均有低渦或切變線,地面有低壓倒槽發(fā)展[11]。當(dāng)這類暴雨發(fā)生時(shí),500 hPa高空有南支槽或中支槽東移至寧波市上空,受槽前西南氣流影響,700 hPa或850 hPa的低渦或切變線,在其右側(cè)形成西南暖濕氣流輸送帶,配合500 hPa北支槽后偏北氣流冷空氣滲透,溫度槽伸向低渦或切變線北側(cè),冷空氣的入侵使得層結(jié)不穩(wěn)定形成暴雨,但層結(jié)不穩(wěn)定能量比夏季的小得多,此類暴雨在春季影響范圍和降水量都較小。在低渦切變線暴雨中,暴雨落區(qū)均在850 hPa低渦或切變線的前部和地面低壓倒槽的頂部。當(dāng)北方冷空氣南下影響寧波市時(shí),其與低渦(低槽)北側(cè)的東南氣流產(chǎn)生輻合,在低渦(低槽)北側(cè)產(chǎn)生輻合中心形成暴雨區(qū);當(dāng)冷暖氣流交匯在低渦前的暖式切變線上時(shí),暴雨落區(qū)在暖式切變線南側(cè)附近,其位置與冷暖空氣的強(qiáng)弱有關(guān),當(dāng)冷空氣較強(qiáng)時(shí),暴雨落區(qū)相對(duì)偏南。850 hPa環(huán)流形勢(shì)是影響低渦切變線暴雨落區(qū)的重要因素。精細(xì)化落區(qū)預(yù)報(bào)必須綜合分析影響系統(tǒng)的空間溫度場配置等要素。

2012年4月29日凌晨,受低渦切變線和地面低壓倒槽的共同影響,寧波市余姚站出現(xiàn)暴雨,伴有雷雨天氣過程。4月29日08時(shí)500 hPa在我國秦嶺—淮河沿長江流域一帶有橫槽南壓,并逐漸轉(zhuǎn)豎,寧波市處于槽前西南氣流中,700 hPa和850 hPa分別有低渦切變線東移南壓至浙北蘇南一帶,且切變線南側(cè)有低空急流存在,暖濕水汽輸送帶深厚。地面有低壓倒槽北頂,寧波市處于低渦切變線的南側(cè)和地面低壓倒槽槽線的東南側(cè),西南暖濕氣流旺盛,在長江中下游一帶形成一條地面輻合線,強(qiáng)降水落區(qū)位于850 hPa切變線南側(cè)、低空急流和地面倒槽頂部的暖區(qū)中,寧波市余姚站12 h降水量達(dá)到52.6 mm。

3.2.2 江淮氣旋類暴雨

江淮氣旋類暴雨的環(huán)流形勢(shì)場基本為500 hPa存在低槽,700 hPa或850 hPa存在低渦或切變線,地面有江淮氣旋發(fā)展或維持。當(dāng)江淮氣旋類暴雨發(fā)生時(shí),寧波市處于500 hPa南支槽前西南急流中,中高緯度亦有槽過境,南支槽前西南暖濕氣流在東移北抬過程中與中高緯度的槽后西北氣流在110～120°E匯合,造成冷暖氣流明顯輻合,低層有低渦或切變線,地面配合有江淮氣旋和倒槽。江淮氣旋中心位置一般位于寧波市的西側(cè)或西北側(cè),當(dāng)江淮氣旋影響時(shí),寧波處于低渦切變線東側(cè)、地面倒槽的東南氣流中,中高層的西南氣流和地面倒槽的東南氣流為暴雨的形成提供了充沛的水汽,低層切變線為其提供了充分的動(dòng)力條件,強(qiáng)降水往往出現(xiàn)在低渦移動(dòng)的前部和右側(cè)[12]、地面氣旋東南部的西南風(fēng)區(qū)域。地面氣旋位置是預(yù)報(bào)氣旋類暴雨落區(qū)的重要指標(biāo)。在1980—2015年的13次江淮氣旋類首場暴雨過程中,有9次是氣旋移動(dòng)路徑偏北，氣旋移動(dòng)入海,暴雨落區(qū)處于氣旋西南側(cè)西北風(fēng)區(qū)(冷中心),暴雨范圍較小,雨量較集中。有4次是氣旋移動(dòng)路徑偏南,暴雨落區(qū)處于氣旋東北部的東南風(fēng)區(qū)域(暖中心),暴雨范圍較大,雨量偏小。暴雨落區(qū)的偏北程度與影響系統(tǒng)垂直方向的后傾程度有關(guān)。當(dāng)影響系統(tǒng)明顯后傾時(shí),鋒面坡度變小,有利于暖濕氣流沿鋒面向北爬升,造成暴雨落區(qū)偏北。

1980年3月8日500 hPa寧波有南北向深槽東移,寧波處于槽前西南氣流的大風(fēng)速區(qū);700 hPa魯北冀南一帶有低壓形成，有南北向切變線和川、藏、青一帶東西向切變線連成一體,源源不斷地交匯,在東西向切變線南側(cè)的西南暖濕氣流不斷地與南北向切變線左側(cè)的西北氣流交匯輻合,且有西南急流橫穿寧波上空,提供了充沛的水汽;850 hPa有江淮氣旋東移,寧波處于地面氣旋輻合帶東側(cè),低空急流與地面低壓倒槽配合,給寧波南部地區(qū)的象山和寧海帶來了首場暴雨。

3.2.3 梅雨鋒類暴雨

此類暴雨一般出現(xiàn)在梅雨季節(jié),其范圍大,東西方向約處于110～150°E,南北方向約處于20～40°N[13]。梅雨鋒的天氣環(huán)流形勢(shì)是500 hPa中高緯地區(qū)西風(fēng)帶長波全球經(jīng)向度較大,兩槽一脊強(qiáng)度較強(qiáng),持續(xù)穩(wěn)定的高緯經(jīng)向環(huán)流形勢(shì)，為梅雨鋒強(qiáng)降水的持續(xù)穩(wěn)定提供了所需的冷空氣。冷空氣與南支槽前穩(wěn)定的西南氣流在長江流域頻繁交匯,西風(fēng)帶烏拉爾長波脊東移50個(gè)經(jīng)度達(dá)到90°E,副熱帶東太平洋長波脊西伸40～50個(gè)經(jīng)度達(dá)到180°E,當(dāng)西風(fēng)帶超長波在120°E附近出現(xiàn)強(qiáng)而穩(wěn)定的脊時(shí),有利于長江中下游梅雨鋒生成以及形成大范圍持續(xù)性暴雨;另外，200 hPa南亞高壓北側(cè)的強(qiáng)西風(fēng)急流以及其南側(cè)東風(fēng)急流均偏強(qiáng);來自孟加拉灣的西南急流與副高南側(cè)偏強(qiáng)的東南氣流輻合形成強(qiáng)南風(fēng)影響我國華東地區(qū),為梅雨鋒的強(qiáng)降水提供了充足的水汽輸送[14]。副高的活動(dòng)與暴雨區(qū)的水汽輸送存在較為密切的關(guān)系,副高北抬西伸且持續(xù)穩(wěn)定,其西北側(cè)的西南氣流為暴雨區(qū)輸送了充沛的水汽[15]。上述幾點(diǎn)是判斷梅雨鋒形勢(shì)穩(wěn)定建立并形成暴雨的依據(jù)。1980—2015年梅雨鋒首場暴雨發(fā)生的次數(shù)偏少,只有3次。

2007年6月14日,寧波已經(jīng)入梅,500 hPa高緯度存在兩槽一脊,中低緯度存在較深的槽,北方冷空氣順著冷槽源源不斷南下,為梅雨鋒強(qiáng)降水持續(xù)穩(wěn)定提供了所需的冷空氣。冷空氣與南支槽前穩(wěn)定的西南氣流在長江流域頻繁交匯,有利于梅雨鋒生成以及形成大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水;700 hPa和850 hPa在110～130°E、20～35°N有切變線維持,且700 hPa寧波處于切變線右側(cè)西南低空急流中,為此次梅雨鋒降水提供了充沛的水汽,寧波處于地面低壓倒槽頂部右側(cè)東南氣流(暖區(qū))中，為暴雨的產(chǎn)生提供了良好的條件。此次過程造成4個(gè)氣象觀測(cè)站出現(xiàn)暴雨,最大降水量為慈溪觀測(cè)站的108.8 mm。

3.2.4 副高邊緣強(qiáng)對(duì)流類暴雨

此類暴雨一般出現(xiàn)在夏季,副高勢(shì)力較強(qiáng),寧波處于副高西北邊緣,一般根據(jù)成雨機(jī)制分成兩種,一種是夏季午后局地?zé)崂子暝斐傻亩虝r(shí)降水;另一種是系統(tǒng)性的冷空氣滲透與副高西北側(cè)西南氣流交匯,產(chǎn)生層結(jié)不穩(wěn)定,造成系統(tǒng)性強(qiáng)降水。上述兩種都屬于副高邊緣局地暴雨,他們的共同特征是降水強(qiáng)度大,時(shí)間短,并伴有雷電和大風(fēng),有時(shí)還會(huì)生成龍卷風(fēng)。此類首場暴雨出現(xiàn)最少,只有1次。

1985年7月14日,寧波受副高邊緣強(qiáng)對(duì)流影響,全市出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣,并伴有雷暴和大風(fēng)天氣過程。通過分析500 hPa高度場發(fā)現(xiàn)，寧波處于588 gpm線邊緣,中高緯度有兩個(gè)高空槽正在東移,寧波處于兩槽之間,受高緯度右側(cè)高空槽后西北氣流影響,寧波北部有冷空氣滲透,500 hPa轉(zhuǎn)受西北氣流控制,850 hPa有東北—西南走向的切變線,寧波處于該切變線附近,這為強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生提供了強(qiáng)烈的上升氣流。地面處于南北向低壓倒槽槽線西側(cè)的偏北氣流中,地面冷空氣滲透與午后氣溫較高的熱空氣交匯,產(chǎn)生強(qiáng)烈的不穩(wěn)定能量,最終導(dǎo)致了該日暴雨的產(chǎn)生。

4 寧波首場暴雨的物理量指標(biāo)特征

分析2006—2015年的天氣圖,根據(jù)動(dòng)力、濕度條件對(duì)寧波首場暴雨的特征進(jìn)行歸納。分析850 hPa急流特征可知,除局地暴雨外,850 hPa均有急流出現(xiàn),急流在暴雨區(qū)的風(fēng)速輻合一般為12～16 m/s,且切變線前后風(fēng)速差較大,其中低渦切變線類暴雨的急流風(fēng)速輻合較弱,風(fēng)速為10～12 m/s。受切變線影響的急流有西南急流,受江淮氣旋影響的急流有西南急流和東南急流2種。當(dāng)有東南急流配合時(shí),暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在寧海、象山以及鄞州東部，且暴雨范圍較大。分析850 hPa切變線前后風(fēng)速特征可知,受江淮氣旋影響的850 hPa切變線前后風(fēng)速差最大,為8 m/s,受其他天氣系統(tǒng)影響的風(fēng)速差均大于4 m/s。此外,受低渦切變線影響的首場暴雨850 hPa均有溫度槽配合,冷暖空氣交匯產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量有利于暴雨出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1)寧波首場暴雨多發(fā)生在4月,以局地暴雨為主,部分暴雨次之。降水時(shí)段以24 h暴雨為主,夜間時(shí)段暴雨多于白天時(shí)段暴雨。降水頻次分布和日最大降水量分布具有南北兩端多、中東部較少的特征。

(2)寧波首場暴雨天氣影響系統(tǒng)主要有低渦切變線、江淮氣旋、梅雨鋒以及副高邊緣強(qiáng)對(duì)流4類。受低渦切變線影響的首場暴雨范圍最大,但雨量相對(duì)較小;受江淮氣旋影響的首場暴雨雨量最大,暴雨范圍相對(duì)較小;受梅雨鋒影響的首場暴雨范圍和雨量均較大;受副高邊緣強(qiáng)對(duì)流影響的首場暴雨出現(xiàn)頻次比較少,影響范圍小,雨量最小。

(3)當(dāng)寧波首場暴雨發(fā)生時(shí),500 hPa多數(shù)處于南支槽或中支槽的槽前西南氣流中,寧波處于影響系統(tǒng)的左前方,700 hPa和850 hPa多受低渦或切變線影響,地面往往處于低壓倒槽的頂部東南氣流(暖區(qū))中,這為寧波首場暴雨的形成提供了充足的水汽。充足的水汽是暴雨形成的必要條件,冷空氣入侵造成冷暖空氣交匯是暴雨形成的重要原因。

(4)在受江淮氣旋影響的寧波首場暴雨過程中,850 hPa切變線前后風(fēng)速差最大,切變線提供的動(dòng)力條件較強(qiáng),急流提供的水汽條件是產(chǎn)生暴雨的主要原因。在受低渦切變線影響的暴雨過程中,850 hPa有溫度槽配合，冷暖空氣交匯產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量有利于暴雨出現(xiàn)。梅雨鋒暴雨落區(qū)范圍較大,落區(qū)較為均勻。