霞浦縣一次中尺度對(duì)流活動(dòng)的環(huán)境特征及動(dòng)力分析

雷 喆 徐佳奧

(霞浦縣氣象局，福建 寧德 355100)

1 概述

中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)一般指水平尺度為10～2000 km左右具有旺盛對(duì)流運(yùn)動(dòng)的天氣系統(tǒng)[1]。在中尺度系統(tǒng)譜中， MCS的生命期中至少包含一個(gè)對(duì)流單體，生命期較短，但出現(xiàn)頻率很高。中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的機(jī)理研究是目前暴雨災(zāi)害性天氣研究的重點(diǎn)之一[2]，經(jīng)常導(dǎo)致突發(fā)性的短歷時(shí)暴雨。在全球氣候持續(xù)變暖的大背景下，各類極端天氣氣候事件更加頻繁，氣象災(zāi)害造成的損失和影響不斷加重，因此，做好中尺度對(duì)流系統(tǒng)的研究對(duì)于最大限度減少災(zāi)害造成的損失，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民安全福祉具有至關(guān)重要的意義。

國內(nèi)外對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的研究都始于20世紀(jì)80年代， Velaseo[3]等指出我國西南—南海地區(qū)為MCC活動(dòng)中心。根據(jù)張玉玲等[4]對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的介紹，在我國110°E以東， 28°N～40°N之間的黃河和長江的中下游地區(qū)及其東部沿海是MCS的集中區(qū)。李玉蘭等[5]普查了 1983—1986 年 4—9 月我國西南—華南地區(qū)中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)活動(dòng)的基本特征，并使用個(gè)例進(jìn)行分析。曾波等[6]通過統(tǒng)計(jì)2008—2010年夏季我國中東部地區(qū)MCS特征，得出MCS的移動(dòng)路徑主要自西向東，大多形成于下午至傍晚,到夜間成熟凌晨時(shí)消散。每年6月中旬是福建暴雨高發(fā)期，8月前后是暴雨的相對(duì)多發(fā)期(多臺(tái)風(fēng)型暴雨)，秋季和初春(11月至翌年3月)不易出現(xiàn)特大暴雨[7]。福建省主要有3個(gè)暴雨高發(fā)區(qū)，分別位于南部(漳州至龍巖西南部)、東北部(寧德沿海)、西北部(南平西部)。6 h及以上歷時(shí)的高頻區(qū)位于沿海，內(nèi)陸較少，中心仍位于南部的漳州沿海和東北部的寧德沿海[8]。福建暴雨受地理位置、地形和氣候條件影響，主要有兩種類型。一種是鋒面、切變型暴雨，主要發(fā)生在 5—6月，降雨歷時(shí)較長，強(qiáng)度較小，空間分布較均勻，但伴有低渦切變型的大暴雨降雨強(qiáng)度也比較大；一種是臺(tái)風(fēng)型暴雨，主要發(fā)生在 6 月下旬至 10月中旬，一次降雨歷時(shí)一般1～3d ，特點(diǎn)是雨強(qiáng)大，雨勢猛，雨量在面上相差懸殊[9]。因此大部分福建省暴雨研究都是圍繞臺(tái)風(fēng)型暴雨及鋒面型暴雨，對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)造成的暴雨研究甚少，9月末已是汛期末期，很少有MCS引起的暴雨天氣出現(xiàn)，特別是24°N以北[10]。

霞浦縣地處福建省東北部沿海，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。地形依山面海，地勢由西北向東南呈三級(jí)階梯狀下降，熱量條件差異較大，垂直氣候?qū)哟翁卣髅黠@，小氣候環(huán)境多種多樣。統(tǒng)計(jì)2021年9月23日8時(shí)至23時(shí)共5小時(shí)，霞浦縣2個(gè)國家級(jí)自動(dòng)站和26個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)站的雨量資料：累計(jì)雨量超過25mm的站點(diǎn)有16個(gè)，超過50mm的站點(diǎn)有10個(gè)，超過100mm的站點(diǎn)有4個(gè)，最大為海島北礵131.4mm，其次為長春126.5mm;1小時(shí)降水最大為海島北礵85.3mm。此次過程是霞浦縣一次典型的MCS過程，在預(yù)報(bào)上有一定難度，通過此次總結(jié)與分析，可以為今后中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)導(dǎo)致暴雨過程的預(yù)報(bào)提供重要參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用資料主要為2021年9月23日16時(shí)—23時(shí)風(fēng)云二號(hào)靜止衛(wèi)星紅外云圖資料。2021年9月23日17時(shí)—23時(shí)ECMWF 0.25°×0.25°分辨率的再分析資料。9月23日霞浦縣15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道降水資料，時(shí)間間隔為5分鐘。2021年9月23日17時(shí)—23時(shí)雷達(dá)回波圖。EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)資料，分辨率為0.25°×0.25°。

3 MCS環(huán)境特征與分析

3.1 過程降水特征和遙感數(shù)據(jù)分析

本次過程發(fā)生在華南110°E～130°E、20°N～30°N處，在16∶ 20時(shí)從紅外云圖上可以明顯看到有多個(gè)對(duì)流單體向東北角移動(dòng)并逐漸整合疊加(圖1(a))，此時(shí)，霞浦縣各站點(diǎn)無明顯降水，由于系統(tǒng)移動(dòng)速度緩慢，18時(shí)起自西向東，霞浦縣多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)明顯降水，其中以鹽田、溪南、長春、北礵雨勢較強(qiáng)。項(xiàng)續(xù)康等[11]根據(jù)日本GMS資料和部分常規(guī)資料,對(duì)我國南方地區(qū)春末夏初的10個(gè)中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCCs)做了分析，得出他們主要活動(dòng)在夜間，一般在山地背風(fēng)一側(cè)斜坡上或坡底附近形成，鹽田洋邊村、溪南鎮(zhèn)均位于系統(tǒng)背風(fēng)坡，對(duì)應(yīng)該時(shí)次19時(shí)—20時(shí)霞浦縣溪南、鹽田站點(diǎn)降水明顯加強(qiáng)，小時(shí)雨量分別為75.4mm、80.4mm(圖2)。說明背風(fēng)坡對(duì)霞浦縣MCS造成的暴雨有加強(qiáng)作用，可能與項(xiàng)續(xù)康等研究結(jié)果一致。

在衛(wèi)星云圖上可見,20時(shí)—21時(shí)對(duì)流云團(tuán)已經(jīng)開始聚集(圖1(b))，系統(tǒng)在經(jīng)過長春前在海上補(bǔ)充了部分水汽和熱力，使得長春鎮(zhèn)連續(xù)兩小時(shí)降水都超過50mm，隨著系統(tǒng)入海，此時(shí)MCS到達(dá)成熟期，位于MCS中心的海島站半小時(shí)降水量達(dá)65.8mm，3小時(shí)降水量達(dá)131.4mm，成為此次過程雨量最大的站點(diǎn)。紅外云圖上，TBB≤-32℃冷云面積為43638km2，TBB≤-52℃冷云面積為17420km2，偏心率為0.8，達(dá)到MCS標(biāo)準(zhǔn)(圖1(c))。而此時(shí)在海陸相接處逐漸有中-β尺度渦旋形成(圖3(a))，22時(shí)渦旋已發(fā)展完整(圖3(b))，受到中-β尺度渦旋影響，23時(shí)海上系統(tǒng)雖有減弱，但依然維持(圖1(d))，降水持續(xù)到次日凌晨3時(shí)，生命期相較于普通對(duì)流系統(tǒng)更長。

(a)16∶ 20 MCS發(fā)展初期

(b) 20∶ 00 MCS發(fā)展期

(c) 21∶ 00 MCS成熟期

(d) 23∶ 00 MCS消散期 圖1 2021年9月23日MCS發(fā)展及消散不同階段風(fēng)云2號(hào)衛(wèi)星紅外云圖

圖2 2021年9月23日18—23時(shí)霞浦縣4個(gè)站點(diǎn)暴雨過程小時(shí)降水柱狀圖

(a)2021年9月23日 21時(shí)多普勒雷達(dá)速度圖

(b)2021年9月23日 22時(shí)多普勒雷達(dá)速度圖圖3 2021年9月23日21時(shí)及22時(shí)多普勒雷達(dá)速度圖(仰角2.4°，單位：kts)

3.2 環(huán)流形勢分析

本次過程500hPa中緯度西風(fēng)槽偏北東移，副高減弱東退，低層切變南壓，中高層呈不穩(wěn)定形勢，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展(圖4)。 700hPa及850hPa上，霞浦縣低層由偏東氣流(風(fēng)力3～4m/s)控制，為降水帶來穩(wěn)定的水汽輸送，但無急流帶；上空低層MCS附近存在風(fēng)速的弱輻合，為局地暴雨發(fā)展提供有利的動(dòng)力條件。

(a)19時(shí)500hPa高度場 (b)19時(shí)700hPa高度場圖4 2021年9月23日19時(shí)500hPa及700hPa高度場

在925hPa18時(shí)流場上，MCS云團(tuán)發(fā)展階段在霞浦縣鹽田鄉(xiāng)一帶有明顯的風(fēng)速輻合區(qū)(圖5)，有利于局地強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展。

3.3 物理量場分析

23日15時(shí)前后，對(duì)流云團(tuán)發(fā)展初期，紅圈處霞浦縣區(qū)域?yàn)樯侠湎屡牟环€(wěn)定層結(jié)(圖6)，由于弱冷空氣由東北向西南滲透，冷暖氣流交匯使得對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展。在20時(shí)左右850hPa有冷空氣由低層入侵(圖7)，有利于對(duì)流系統(tǒng)的增強(qiáng)和維持。

圖5 2021年9月23日19時(shí)925hPa寧德流場(綠色陰影部分為風(fēng)速)

(a)07時(shí)200hPa溫度 (b)07時(shí)1000hPa溫度圖6 2021年9月23日200hPa及1000hPa溫度場(時(shí)間：UTC)

(a)11時(shí)850hPa溫度場 (b)14時(shí)850hPa溫度場圖7 9月23日850hPa溫度場(時(shí)間：UTC)

19時(shí)MCS云團(tuán)發(fā)展區(qū)域，高層200hPa水汽通量為輻散，底層925hPa為輻合(圖8紅圈部分)，形成抽吸作用，為MCS生成發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件，20時(shí)MCS東移，霞浦縣高層轉(zhuǎn)為輻合，底層轉(zhuǎn)為輻散，雨勢明顯減弱，但霞浦縣沿海一帶高層轉(zhuǎn)為輻散，低層轉(zhuǎn)為輻合(圖9)，暴雨區(qū)轉(zhuǎn)移到海上，并且在20時(shí)后該區(qū)域依然維持高層輻散低層輻合特征，這也是海島站一直維持降水的原因之一。

(a)19時(shí)200hPa水汽通量散度圖 (b)19時(shí)925hPa水汽通量散度圖圖8 9月23日19時(shí)200hPa及850hPa水汽通量散度

(a)20時(shí)200hPa水汽通量散度圖 (b)20時(shí)850hPa水汽通量散度圖圖9 9月23日20時(shí)200hPa及850hPa水汽通量散度

在23日19—20時(shí)MCS發(fā)展時(shí)段，正是鹽田鄉(xiāng)、溪南鎮(zhèn)強(qiáng)降水時(shí)期，在鹽田鄉(xiāng)、溪南鎮(zhèn)附近垂直速度都存在明顯變化，特別是溪南鎮(zhèn)19時(shí)整層大氣都存在垂直上升運(yùn)動(dòng)，且925hPa由19時(shí)的-0.07Pa/s轉(zhuǎn)為20時(shí)-0.78Pa/s(表1)，強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)配合源源不斷地水汽輸送，支持MCS云團(tuán)的發(fā)展并東移。對(duì)比17時(shí)和20時(shí)EC細(xì)網(wǎng)格垂直速度預(yù)報(bào)值，可以看到在暴雨站點(diǎn)附近的低層925hPa及高層300hPa都有預(yù)報(bào)出一定程度的上升運(yùn)動(dòng)，只是格點(diǎn)值對(duì)比實(shí)況較小，網(wǎng)格格點(diǎn)無法精確對(duì)應(yīng)到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)，但仍有很大的參考價(jià)值(表2)。

表1 17—20時(shí)鹽田鄉(xiāng)、溪南鎮(zhèn)200hPa到925hPa垂直速度實(shí)況表 單位：10-1Pa/s

表2 17—20時(shí)霞浦縣四個(gè)站點(diǎn)附近200hPa到925hPa垂直速度預(yù)報(bào)表 單位：10-1Pa/s

綜上所述，在MCS形成初期，大氣呈下暖上冷的潛在不穩(wěn)定，為強(qiáng)對(duì)流發(fā)展集聚了前置熱力條件。在對(duì)流層低層，不斷有冷空氣流入提供了促進(jìn)和維持條件；低層輻合和高層輻散，形成抽吸作用，加強(qiáng)了垂直運(yùn)動(dòng)，使得對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展旺盛。低層的位勢不穩(wěn)定，由低層向高層輸送能量，支持MCS的發(fā)展。當(dāng)MCS發(fā)展到成熟階段，中尺度云團(tuán)激發(fā)、增加，對(duì)降水起到了巨大的作用。隨著MCS的東移至一個(gè)不利于發(fā)展的環(huán)境場中，這時(shí)的低層水汽供應(yīng)減少,層結(jié)不穩(wěn)定減弱，使MCS逐漸減弱，直到消亡。

4 結(jié)論和展望

通過對(duì) 2021 年 9月23日的霞浦縣局地暴雨研究分析，得出以下結(jié)論:

①本次MCS發(fā)生在9月底，并造成了4個(gè)站點(diǎn)大暴雨。該MCS形成于傍晚，到夜間成熟，凌晨消散，移動(dòng)路徑自西向東，在經(jīng)過山地背風(fēng)一側(cè)斜坡上或坡底附近形成，之后暴雨強(qiáng)度明顯加強(qiáng)。

②當(dāng) MCS東移至海上時(shí)，下墊面發(fā)生變化，海陸交界處有中-β尺度渦旋生成，使得MCS消散時(shí)間延長，整個(gè)生命期長達(dá)10個(gè)小時(shí)，相較于普通對(duì)流系統(tǒng)更長。

③副高東退，低層切邊東移，中低層有偏東氣流影響，雖然整層風(fēng)速(3～4m/s)不大，但也能引起霞浦縣生成MCS，該環(huán)境場特征表現(xiàn)可作為今后霞浦縣MCS預(yù)報(bào)參考。

④對(duì)流云團(tuán)發(fā)展初期，霞浦縣區(qū)域?yàn)樯侠湎屡牟环€(wěn)定層結(jié)，后期中低層有冷空氣由低層入侵，有利于促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)的增強(qiáng)和維持。暴雨區(qū)域與低層輻合，高層輻散區(qū)域吻合，形成抽吸作用，加強(qiáng)了垂直運(yùn)動(dòng)。MCS發(fā)展到成熟時(shí)，MCS強(qiáng)度最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的熱力和動(dòng)力的物理量場配置也達(dá)到了最強(qiáng)。對(duì)流云團(tuán)自西向東對(duì)應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)過霞浦縣四個(gè)大暴雨站點(diǎn)，都存在1小時(shí)超過50mm，3小時(shí)超過100mm的雨情。

⑤前期預(yù)報(bào)可多參考EC細(xì)網(wǎng)格垂直速度的預(yù)報(bào)值，當(dāng)高層和低層在傍晚時(shí)段都報(bào)有一定程度的垂直上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，預(yù)報(bào)員應(yīng)提高警惕，注意可能有MCS引起的局地強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展。