福建沿海冷鋒前暖區(qū)和季風槽大暴雨環(huán)境背景與對流系統(tǒng)特征*

黃美金 俞小鼎 林 文 李婷婷 蘇志重 馮晉勤

1 福建省災害天氣重點實驗室，福州 350001 2 福建省氣象臺，福州 350001 3 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081 4 福建省氣象科學研究所，福州 350001 5 廈門市氣象臺，廈門 361012

提 要： 2018年5月7日冷鋒前暖區(qū)暴雨和8月29日華南季風槽暴雨，這兩次大暴雨都是由廣東和閩南地區(qū)的沿岸線狀中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生，對其環(huán)境背景與對流系統(tǒng)特征進行對比分析，得到主要結(jié)論如下：兩次過程均有明顯850 hPa和925 hPa低空急流；5月7日過程，對流層中低層條件不穩(wěn)定較大，大氣斜壓性較強，對流有效位能和0～6 km垂直風切變相對較大，對流層中部存在明顯干層，有利于強降水和雷暴大風的產(chǎn)生；8月29日過程，對流層中下層為弱的條件不穩(wěn)定，準正壓大氣，更高的融化層高度，對流有效位能和0～6 km垂直風切變相對較小，垂直整層相對濕度高，有利于強降水而不利于雷暴大風的產(chǎn)生。兩次過程風暴承載層平均風均來自西南方向，前者的平流比后者要強很多；廈門及其周邊閩南地區(qū)大暴雨是由于后向傳播導致相繼多個較強對流雨團移過同一區(qū)域形成的；5月7日后向傳播形成是一個對流雨團的陣風鋒與另一個對流雨團后側(cè)的水平對流卷相遇觸發(fā)新的對流導致的，新生對流來自陸地；8月29日后向傳播形成則是低層暖濕氣流遇到成熟對流雨團的后側(cè)陣風鋒觸發(fā)新的對流，新生對流位于海上，持續(xù)移入陸地。5月7日導致大暴雨的對流系統(tǒng)中冰相過程和暖云過程對暴雨產(chǎn)生都很重要，8月29日導致極端暴雨的對流系統(tǒng)中暖云過程對強降水產(chǎn)生起主要作用。在兩次過程中，對流系統(tǒng)冷池前沿陣風鋒附近都有γ中尺度渦旋形成，與陣風鋒輻合上升運動結(jié)合產(chǎn)生正的垂直螺旋度，有利于對流系統(tǒng)的維持。低空急流通過其對水汽和熱量的輸送以及與地形和對流系統(tǒng)冷池的相互作用，對沿岸線狀中尺度對流系統(tǒng)的維持起到重要作用。

引 言

華南暖區(qū)暴雨(黃士松，1986)是指華南鋒面南側(cè)暖區(qū)(離鋒面>200 km)產(chǎn)生的暴雨或在南嶺附近至南海北部無鋒面時產(chǎn)生的暴雨。暖區(qū)暴雨概念源自華南暖區(qū)暴雨的研究，近年來不少學者(諶蕓等，2012；孫繼松等，2012；俞小鼎，2012；Zhang et al，2013；汪玲瑤等，2018；雷蕾等，2020)將暖區(qū)暴雨概念推廣到華北和江南等其他地區(qū)，通常暴雨多發(fā)生于距離地面冷鋒或850 hPa暖切變以南100～300 km的暖區(qū)范圍內(nèi)，甚至是副熱帶高壓(以下簡稱副高)邊緣等(陳玥等，2016)。對于暖區(qū)暴雨尤其是華南暖區(qū)暴雨，很多學者開展了大量研究(黃士松，1986；孫建華和趙思雄，2002；何立富等，2016；徐珺等，2018；伍志方等，2018；諶蕓等，2019；劉瑞鑫等，2019；Du and Chen，2019；Luo et al，2020；吳乃庚等，2020)，涉及暖區(qū)暴雨的多尺度天氣學特征、低空急流、對流系統(tǒng)觸發(fā)機制和暖區(qū)暴雨的可預報性等。尤其是隨著若干外場大型科學試驗開展，對造成華南暖區(qū)暴雨的對流系統(tǒng)特征、邊界層物理特征和降雨云物理過程有了更深入的認識。季風槽是由西南季風與副高西南側(cè)的東南風交匯形成的熱帶降水系統(tǒng)(廣東省氣象局《廣東省天氣預報技術(shù)手冊》編寫組，2006)。季風槽暴雨和臺風暴雨是華南兩種大范圍區(qū)域性暴雨類型(羅亞麗等，2020)。關(guān)于華南臺風暴雨，有很多研究，而對于季風槽暴雨的研究(黃忠等，2005；蒙偉光等，2014)相對較少，特別是針對季風槽暴雨過程中的中尺度對流系統(tǒng)(MCS)觸發(fā)、演變及結(jié)構(gòu)特征分析很少涉及。華南暖區(qū)暴雨和季風槽暴雨都具有明顯的中尺度特征，常常在廣東和閩南地區(qū)沿岸形成線狀MCS且持續(xù)反復發(fā)生，短時雨強大，局地性特征明顯，易產(chǎn)生極端降水，引發(fā)洪澇災害。

2018年5月7日廈門及周邊閩南地區(qū)經(jīng)歷一次有氣象和水文觀測記錄以來的最強降水(以下簡稱“5·7”)(圖1a)，廈門主干道陷入水鄉(xiāng)澤國，最深積水達到1.2 m。2018年8月27—31日，受季風槽影響，福建省中南部沿海出現(xiàn)大范圍暴雨(以下簡稱“8·29”)(圖1b)，多個城市出現(xiàn)積澇。兩場暴雨的大暴雨區(qū)范圍不僅覆蓋了福建南部，同時覆蓋了廣東沿海地區(qū)，涉及福建的最強降水部分都是發(fā)生在福建南部丘陵山區(qū)南面相對平坦的沿海地區(qū)，且都是在偏南風氣流加強下在沿岸形成線狀MCS下發(fā)生的，兩場暴雨既有相同點又有明顯的不同。無論是冷鋒前暖區(qū)暴雨還是季風槽暴雨，業(yè)務(wù)數(shù)值預報模式均存在明顯偏差且對降雨量的極端性預報存在較大不足。

圖1 2018年5月6日20時至7日20時(a)和8月28日20時至29日20時(b)福建省雨量分布；閩南地形(陰影為海拔高度)和廈門科技中學站、梅海嶺站，廈門單偏振、雙偏振雷達及泉州單偏振雷達位置(c)； 5月7日廈門科技中學站和8月29日廈門梅海嶺站08—20時小時雨量時間序列(d)Fig.1 Distribution of rainfall in Fujian Province from 20:00 BT 6 to 20:00 BT 7 May 2018 (a) and from 20:00 BT 28 to 20:00 BT 29 August 2018 (b); the topography (shaded) of Southern Fujian and the location of Xiamen Sci-Tech Middle School Station, Meihailing Station, Xiamen Single-Polarization Radar, Dual-Polarization Radar and Quanzhou Single-Polarization Radar (c), time series of hourly rainfall from 08:00 BT to 20:00 BT at Xiamen Sci-Tech Middle School Station on 7 May 2018 and Meihailing Station on 29 August 2018 (d)

本文利用常規(guī)高空、地面觀測資料、天氣雷達以及FY-2G高分辨率可見光云圖，對比分析兩次過程，首先從包括廣東和福建較大范圍的導致兩次大暴雨的對流系統(tǒng)演變和維持進行分析，然后聚焦廈門及周邊閩南地區(qū)MCS的觸發(fā)、演變及結(jié)構(gòu)特征并進行深入分析和探討，以期進一步揭示沿岸線狀MCS的演變規(guī)律和維持機制，為改進這兩類強降水的預報提供啟發(fā)。

1 降水和環(huán)境場特征分析

1.1 降水過程概述

2018年5月7日閩南地區(qū)發(fā)生冷鋒前暖區(qū)大暴雨，11—14時(北京時，下同)廈門島內(nèi)的科技中學站(圖1c)最大3 h 雨量達274 mm，最大小時雨量達107.5 mm(圖1d)。2018年8月27—31日，受季風槽影響，福建省中南部沿海的降水中心莆田市城廂區(qū)28—29日過程雨量達452.4 mm，破該站歷史紀錄，29日08—11時共5個站點出現(xiàn)100 mm以上的降水，廈門島內(nèi)的梅海嶺站(圖1c)09—10時雨量達82.2 mm。5月7日的大暴雨，廣東沿海最大雨量出現(xiàn)在汕頭以西的普寧縣，24 h最大雨強達 200 mm；此外，華南共有三條西南西—東北東走向的雨帶，除了沿海降水極值，在福建北部和中部同時還有 50 mm 或以上的降水區(qū)域(圖1a)，其中沿著海岸線的雨帶最強。而8月27—31日的華南季風槽暴雨過程中，整個華南沿海地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨和大暴雨，30—31日廣東惠州高潭24 h雨量高達1 056.7 mm，突破廣東省日雨量歷史極值，位居中國大陸日雨量歷史第二位(曾智琳等，2020)，此次過程以沿海岸線的一條雨帶為主，總體降水面上強度超過“5·7”過程的沿著海岸雨帶。

1.2 流型配置分析

2018年5月7日08時，500 hPa(圖2a)華南處于高空短波槽前西南氣流控制下，廣東東部到福建存在近乎平行的三條對流雨帶，雨帶以南為16～24 m·s-1不等的西南氣流；副高主體位于南海。850 hPa(圖2c)在南嶺附近形成一條切變線，靠近華南海岸的對流雨帶位于切變線以南的西南氣流內(nèi)，同時沿著華南海岸和內(nèi)陸存在12～16 m·s-1西南偏西風低空急流。從850 hPa等溫線分布看，華南地區(qū)具有比較顯著的斜壓性。地面圖(圖3c)上，西南—東北走向冷鋒從廣西北部穿過廣東北部、福建西北部直到浙江北部。廣東和福建南部位于地面冷鋒以南一定距離之外和250 hPa副熱帶高空急流入口區(qū)右側(cè)(圖略)。

圖2 2018年5月7日08時(a,c)、8月29日08時(b,d)的500 hPa(a,b)和850 hPa(c,d)天氣圖疊加同時間的天氣雷達組合反射率因子拼圖(黑色實線：等高線，單位:dagpm；紅色虛線：等溫線，單位:℃；棕色實線：槽線；紅色實線：切變線)Fig.2 The 500 hPa (a, b) and 850 hPa (c, d) weather map with radar CR mosaic at 08:00 BT 7 May (a, c) and at 08:00 BT 29 August (b, d) 2018(black solid line: contour line, unit: dagpm; red dotted line: isotherm line, unit: °C; brown solid line: trough line; red solid line: shear line)

2018年8月29日08時，從地面到500 hPa(圖3g，圖2b、2d)，一個深厚低壓中心位于北部灣和廣西南部交界處附近，850 hPa沿著華南沿海存在西南偏西風和偏南風之間的顯著切變，該切變是華南季風槽暴雨的關(guān)鍵特征之一(黃忠等，2005)。同時華南地區(qū)位于副高南部，在降水最強的華南東部500 hPa上風速較弱，只有2～8 m·s-1，遠小于5月7日的風速；低空存在與5月7日強度相當?shù)?2～16 m·s-1西南偏西風和東南偏南風急流。華南地區(qū)溫度梯度很小，處于準正壓大氣狀態(tài)。這樣一個弱的深厚低壓氣旋式環(huán)流系統(tǒng)，導致南海上季風對流云團在西南風和偏南風作用下不斷北移至華南陸地上空。

圖3 2018年5月6日20時(a)，7日02時(b)，7日08時(c)，7日14時(d)和8月28日20時(e)，29日02時(f)，29日08時(g)，29日14時(h)地面圖疊加同時間的天氣雷達組合反射率因子拼圖(黑色實線:海平面氣壓,單位:hPa；藍色鋸齒實線：地面鋒面)Fig.3 The ground map with radar CR mosaic at 20:00 BT 6 (a), 02:00 BT 7 (b), 08:00 BT 7 (c), 14:00 BT 7 May (d), and at 20:00 BT 28 (e), 02:00 BT 29 (f), 08:00 BT 29 (g), 14:00 BT 29 August (h) 2018(black solid line: sea level pressure, unit: hPa; blue sawtooth solid line: ground front)

1.3 探空分析

由兩次過程福建和廣東沿海5個探空站(福州、廈門、汕頭、香港和陽江)探測到的環(huán)境參數(shù)(表1)可以看出，5月7日08時探空得到的地面與500 hPa溫差和850 hPa與500 hPa溫差明顯高于8月29日08時探空的相應(yīng)值(前者850 hPa與500 hPa溫差5個站平均值為23.2℃，后者相應(yīng)的平均值為20.6℃)，說明前者在對流層中下層具有更大的條件不穩(wěn)定，而后者非常接近濕絕熱層結(jié)，只有弱的條件不穩(wěn)定；就大氣可降水量和地面露點溫度而言，前者5個站的平均值分別是56.8 mm和24.0℃，后者的相應(yīng)值為61.2 mm和23.8℃，兩者水汽條件大致相當，后者略好一些；前者的CAPE值平均值為1 720 J·kg-1，總體上明顯大于后者的CAPE值(820 J·kg-1)；兩者對應(yīng)的CIN值總體上都很小，前者略大于后者。0～6 km風矢量差，5月7日的平均值為15.6 m·s-1，屬于中等偏強垂直風切變，8月29日的平均值為3.8 m·s-1，屬于弱的垂直風切變。兩次過程5個探空站850 hPa風都達到了12 m·s-1或以上的低空急流標準，前者比后者總體上要更強一些；在925 hPa，前者達到低空急流標準(12 m·s-1)的有廈門、汕頭和香港3個探空站，后者達到急流標準的有廈門和陽江2個探空站。低空急流或低層風都具有明顯的偏南風分量。

表1 2018年5月07日08時和8月29日08時福建省、廣東省沿海和香港關(guān)鍵探空參數(shù)Table 1 Comparison of key radiosonde parameters between coastal areas of Fujian, Guangdong and Hong Kong at 08:00 BT 7 May and 08:00 BT 29 August 2018

比較廈門及周邊大暴雨的代表性探空，5月7日08時廈門探空和8月29日08時汕頭探空(因08時廈門探空受到降水污染，故用上游的汕頭探空代表)(圖4)，這兩個探空之間差異與上面討論的華南沿海5個探空總體差異類似：兩者水汽條件相當，前者的CAPE值、對流層中低層條件不穩(wěn)定性和0～6 km 垂直風切變值明顯更大，而0～6 km垂直風切變大表明大氣斜壓性明顯；兩者濕層都很深厚，CAPE形狀狹長，并存在西南低空急流，因此均有利于強降水的產(chǎn)生(Davis，2001； 俞小鼎，2013)；前者700～400 hPa的干層比后者明顯，判斷發(fā)生強降水同時，也存在伴隨雷暴大風的可能，而8月29日僅僅限于強降水，實況天氣與此相符。

圖4 2018年5月7日08時廈門(a)和8月29日08時汕頭(b)探空Fig.4 Xiamen sounding at 08:00 BT 7 May (a) and Shantou sounding at 08:00 BT 29 August (b) 2018

2 對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和演變分析

2.1 影響福建和廣東的對流系統(tǒng)

2018年5月6日20時至7日20時和8月28日20時至29日20時，福建(圖1a、1b)和廣東海岸的大暴雨(圖略)都是由沿岸附近的線狀MCS所導致的。

5月6日20時(圖3a)，主要對流雨帶沿著冷鋒鋒面呈帶狀分布，同時在鋒前暖區(qū)有零散對流；7日01—04時，惠東到潮州一線不斷有對流單體生成，并逐漸連成斷線狀回波，強度達35～40 dBz。04時，汕頭附近有一個對流單體開始發(fā)展，06:30左右沿環(huán)境風移到福建沿海南端東山縣時逐漸加強，與后向生成的單體連成一線，強度增強到45～50 dBz，強回波的范圍擴大并開始進入閩南地區(qū)。7日08時，冷鋒進一步南移，在鋒前暖區(qū)，存在三條西南—東北走向的對流雨帶：第一條位于廣東東北部，第二條位于廣東東南部到福建中部；在低空急流弱的傾斜抬升和持續(xù)的水汽輸送作用下，上述兩條對流雨帶的形成，與夜間低空急流遇到西南—東北走向的廣東地形相互作用抬升觸發(fā)對流(圖3b、3c，圖2c)，已經(jīng)觸發(fā)的對流在地形上爬升加強并發(fā)展成西南—東北方向的線狀MCS密切相關(guān)；該線狀對流系統(tǒng)向南的冷池出流(偏北風)與海岸附近的偏南風之間產(chǎn)生輻合，伴隨的上升氣流導致沿著福建東南部海岸線的線狀對流系統(tǒng)的觸發(fā)和形成，產(chǎn)生了第三條對流雨帶。隨著冷鋒主體向南移動，位于鋒前暖區(qū)的三條對流雨帶合并為兩條(圖3d)，沿著海岸線的那一條對流雨帶更強一些，鋒面對流雨帶距離沿著海岸的暖區(qū)對流雨帶大約100 km。同時，風暴承載層的平均風為西南或西南偏西氣流，有利于沿著海岸線的西南偏西—東北偏東方向線狀對流系統(tǒng)的維持。14時后，冷鋒雨帶與沿著海岸的暖區(qū)對流雨帶逐漸合并東移減弱。“5·7”冷鋒前暖區(qū)暴雨過程，對流活動都位于陸地上，廣東和福建周邊海域上空基本沒有對流活動，大暴雨區(qū)域主要由鋒前暖區(qū)MCS所導致。除了強降水，廣東福建境內(nèi)還出現(xiàn)了大范圍雷暴大風，主要由沿著冷鋒的線狀MCS所導致，最強陣風達到32 m·s-1，而沿著海岸的暖區(qū)線狀MCS僅在福建中部沿海出現(xiàn)局部雷暴大風，最強陣風達25 m·s-1。

“8·29”季風槽暴雨過程，輻合切變線從廣東西部一直延伸到福建中部，該切變線對導致福建南部和廣東沿海大暴雨的線狀MCS的生成和維持有很大作用。28日20時(圖3e)，季風低壓中心位于廣西南部靠近北部灣區(qū)域，與地面輻合切變線對應(yīng)，存在一段不連續(xù)的線狀對流雨帶；29日08—14時(圖3g、3h)，沿著華南海岸線的對流雨帶整體強度有所加強，其南面海洋上的對流雨帶往南北方向擴展，將上述華南沿著海岸線的雨帶和位于海面上的兩條雨帶連接起來；此外，北部灣上空成片對流仍然活躍。在隨后6小時中，沿著華南海岸線的對流雨帶明顯減弱。

2.2 導致廈門及周邊閩南地區(qū)大暴雨的對流系統(tǒng)

2.2.1 2018年5月7日線狀中尺度對流系統(tǒng)

5月7日11—14時為廈門最強降水時段(圖1d)。08—13時不斷有內(nèi)陸的回波往東北偏東方向移動，合并到線狀對流系統(tǒng)中；同時汕頭到福建沿海南端東山縣回波沿著西南風向東北方向移動，在漳州的平和到漳浦縣境內(nèi)逐漸合并加強，11時這個合并后的帶狀對流系統(tǒng)開始影響廈門，強度維持在50～55 dBz，范圍繼續(xù)擴大。而其上游，廣東東部的陸豐到汕頭一帶仍不斷有回波生成發(fā)展并向東北移，與詔安—漳浦—廈門的回波連成一線，不斷影響廈門。期間，經(jīng)過廈門區(qū)域的低層最強回波維持在50～55 dBz。14時后，上述中尺度對流雨帶逐漸向東南方向偏移，廈門大暴雨過程結(jié)束。

風暴承載層平均風是西南偏西風，線狀MCS的對流單體大致沿著風暴承載層平均風向向著東北偏東方向移動，移動速度也與風暴承載層平均風大致相當；而上述線狀對流系統(tǒng)的西南方不斷有新的對流單體生成，形成后向傳播(圖5b、5c、5d)，與平流結(jié)合，不斷影響廈門，即所謂“列車效應(yīng)”(俞小鼎等，2012；2020)導致了大暴雨。

由于垂直風切變大，10:50在較強回波進入廈門區(qū)域之前(圖5a)，0.5°仰角徑向速度圖上可以識別出一個弱的中氣旋(圖5e)，存在一個鑲嵌在MCS中的微型超級單體。超級單體中的中氣旋與強上升氣流區(qū)位置有很大部分重合，從而具有較強垂直螺旋度，系統(tǒng)會抑制具有最大擾動動能尺度的部分向更小尺度的能量串級輸送，使得該系統(tǒng)具有更高的組織性和更長的生命史，以至于可以自我維持和發(fā)展(Lilly，1986)。13:06，0.5°仰角徑向速度圖上(圖5f)可識別出位于緊貼線狀MCS南部的低層輻合切變線，對應(yīng)冷池的邊界，即低層陣風鋒位置。在演變過程中，該低層輻合切變線也就是陣風鋒一直緊貼線狀MCS南部側(cè)翼，因此有利于該線狀MCS的維持(Wilson and Mueller，1993；Wilson and Megenhardt，1997；Wilson et al，1998)。沿著上述輻合切變線，有若干個γ中尺度渦旋；這些γ中尺度渦旋的產(chǎn)生機制與輻合切變線上的氣旋式切變和輻合密切相關(guān)，由于輻合線與上升氣流伴隨，這些γ中尺度渦旋也具有比較明顯的垂直螺旋度，有利于系統(tǒng)的維持和發(fā)展(Lilly，1986)。

圖5 泉州SA型新一代天氣雷達2018年5月7日10:50(a)，12:24(b)，12:45(c)，13:06(d)0.5°仰角反射率因子和10:50(e)，13:06(f)0.5°仰角徑向速度(黑色方框標識廈門區(qū)域，黑色曲線標識低層輻合切變線，小圓圈代表γ中尺度渦旋，圖5d中黑色直線代表剖面位置，下同)Fig.5 Quanzhou SA radar 0.5° elevation reflectivity images at 10:50 BT (a)，12:24 BT (b)，12:45 BT (c)，13:06 BT (d) and 0.5° elevation radial velocity images at 10:50 BT (e)， 13:06 BT (f) 7 May 2018(Black box marks Xiamen Area, black curve marks the low-level convergence shear line and the small circle indicates the meso-γ vortex, black straight line represents the location of the cross-section in Fig.5d, the same below)

為了進一步探討影響廈門及周邊閩南地區(qū)線狀MCS的后向傳播機制，圖6a給出了5月7日11時FY-2G靜止氣象衛(wèi)星高分辨率云圖。對流云團B南側(cè)陣風鋒與對流云團A后面沿著西南偏西—東北偏東的由水平對流卷(俞小鼎等，2012；2020)導致的積云線相遇，觸發(fā)一系列對流單體，導致對流云團A的后向傳播。

2.2.2 2018年8月29日線狀中尺度對流系統(tǒng)

8月29日，40～45 dBz以上的較強回波相繼經(jīng)過廈門區(qū)域(圖7)，最強回波強度弱于5月7日。8月29日福建南部風暴承載層的平均風為西南風，與5月7日情況類似，只是西南風速遠小于5月7日過程。29日08:46—09:17，影響廈門及周邊閩南地區(qū)的線狀MCS的后向傳播方向是西南方向，而在09:28—09:59，向西南的后向傳播轉(zhuǎn)為向南的后向傳播，即不斷有對流單體新生的一側(cè)位于線狀MCS后端的偏南一側(cè)。從高分辨率可見光云圖(圖6b)可見，新生單體E、F、G和H都來自海上，與5月7日情況明顯不同。8月29日海上對流非常活躍，而5月7日海上比較平靜，沒有明顯對流(圖6)。

圖6 2018年5月7日11時(a)和8月29日09時(b)FY-2G靜止氣象衛(wèi)星高分辨率可見光云圖Fig.6 FY-2G high resolution visible light cloud at 11:00 BT 7 May (a) and at 09:00 BT 29 August (b) 2018

雖然5月7日廈門降水強于8月29日，但就閩南地區(qū)而言，8月29日的暴雨過程總體上更強，尤其在廈門區(qū)域的下風向(東北方向)。從圖7可見，8月29日10:20，強降水線狀MCS已經(jīng)移動到廈門下游的泉州地區(qū)，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)與5月7日13:06線狀MCS的形態(tài)和結(jié)構(gòu)類似。沿著線狀MCS南側(cè)，存在明顯輻合切變線，對應(yīng)冷池邊界的陣風鋒。如前所述，線狀MCS一直緊貼其陣風鋒，有利于對流系統(tǒng)維持(Wilson and Mueller，1993；Wilson and Megenhardt，1997；Wilson et al，1998)。沿著上述輻合切變線，有2個γ中尺度渦旋，與5月7日過程類似，γ中尺度渦旋有利于系統(tǒng)的維持和發(fā)展。

圖7 泉州SA雷達2018年8月29日09:17(a)，09:49(b)，10:20(c)0.5°仰角反射率因子和10:20(d)0.5°仰角徑向速度(圖7a中黑色直線代表剖面位置)Fig.7 Quanzhou SA radar 0.5° elevation reflectivity images at 09:17 BT (a)，09:49 BT (b)， 10:20 BT (c) and 0.5° elevation radial velocity image at 10:20 BT (d) 29 August 2018(In Fig.7a, black straight line represents the location of the cross-section)

2.2.3 導致兩次閩南大暴雨過程的對流系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)對比

5月7日08時和8月29日08時廈門的融化層高度分別為4.5 km和5.0 km(表1)，暖云層厚度分別為4.4 km和5.0 km。5月7日的對流系統(tǒng)介于低質(zhì)心的熱帶海洋型和高質(zhì)心的大陸強對流型(俞小鼎，2013)之間，最大反射率因子為50～55 dBz，擴展到融化層高度(圖8)，也就是最強回波大部分都位于暖云層內(nèi)，回波頂高(18.3 dBz擴展的高度)達10～12 km，結(jié)合廈門雙偏振多普勒天氣雷達水凝物分類產(chǎn)品(圖略)判斷，融化層以上以冰晶和霰為主。8月29日對流系統(tǒng)屬于典型的低質(zhì)心熱帶海洋型對流(Maddox et al，1977；Caracena et al，1979；俞小鼎，2013)，最大反射率因子只有45～50 dBz，而且位于融化層高度(5.0 km)以下，以暖云過程為主，同時也存在冰相過程，回波頂高主要在8～9 km，融化層以上也是以冰晶和霰為主。

圖8 2018年5月7日13:06(a)和8月29日09:17(b)泉州雷達分別沿著圖5d和圖7a中黑色直線所做的反射率垂直剖面Fig.8 Vertical cross-section of Quanzhou radar reflectivity at 13:06 BT 7 May (a) and 09:17 BT 29 August (b) 2018 along the black straight line shown in Fig.5d and Fig.7a

冰相過程發(fā)生在暖云層頂部的融化層以上，包括貝吉龍過程、凇附和冰晶叢集等過程，凇附和叢集形成的冰晶或霰落到融化層以下時，融化為雨滴，為暖云降水提供種子，通過進一步碰并過程形成較強降雨。5月7日對流系統(tǒng)的冰相過程比8月29日更明顯，40 dBz以上的回波發(fā)展到9～10 km，8月29日的只到5～7 km，而作為暖云層頂部的融化層高度分別在4.5 km和5.0 km左右。

2.3 低空急流對對流系統(tǒng)的作用

兩次大暴雨過程中，850 hPa和925 hPa都存在低空急流。低空急流能夠維持CAPE和提供水汽供應(yīng)，從而維持暴雨持續(xù)。低空急流對于產(chǎn)生區(qū)域大暴雨的沿岸線狀MCS的形成和維持也同樣起到重要作用。

5月7日，低空急流遇到西南—東北走向地形觸發(fā)了西南—東北走向的線狀對流系統(tǒng)，該對流系統(tǒng)向南的冷池出流與海岸附近的偏南風輻合，形成的沿海線狀MCS導致5月7日閩南大暴雨的產(chǎn)生。

8月29日在偏南風氣流的加強下，在福建南部丘陵山區(qū)南面相對平坦的沿岸形成線狀MCS，在東南偏南風急流作用下，有利于向西南的后向傳播轉(zhuǎn)為向南的后向傳播。同時低空急流也使得對流系統(tǒng)一直緊貼其陣風鋒，有利沿海線狀MCS的維持。

兩次過程中, 含有水汽和熱量的低空急流遇到對流系統(tǒng)中的上升氣流區(qū)，一部分暖濕氣流進入上升氣流區(qū)，為降水的持續(xù)補充水汽；低層暖濕氣流可以恢復因?qū)α飨腃APE而降低的低層溫度和露點溫度，從而使得CAPE再生和維持，進而使得對流系統(tǒng)內(nèi)上升氣流得以維持，對流得以持續(xù)；對流系統(tǒng)下沉氣流形成冷池，低空急流攜帶暖濕氣流遇到冷池前沿的陣風鋒抬升觸發(fā)新的對流，使得產(chǎn)生強降水的對流系統(tǒng)不斷有單體新生并替代舊的單體，使得對流系統(tǒng)維持，降水持續(xù)。

從廈門翔安站風廓線雷達(24.55°N、118.32°E)逐6 min全風速時序圖(圖9)可見，兩次大暴雨期間低空風速脈動明顯。

5月7日的暖區(qū)強降水集中在11—14時(圖1d)。在發(fā)生降水之前，閩南沿海上空一直有低空急流維持，925 hPa和850 hPa風速分別達12 m·s-1和16 m·s-1以上(圖9a)，07—11時低空急流擾動增強，925 hPa比850 hPa先加強，最大風速分別達20 m·s-1和24 m·s-1，08:30—09:30期間，850 hPa風速有所減弱，925 hPa風速一度超越 850 hPa風速；而強降水開始后，850 hPa風速卻比925 hPa先下降，但降幅沒有925 hPa的大。8月29日的季風槽強降水在08—11時比較明顯(圖1d)。與5月7日過程不同，低空急流在29日03時后才逐漸建立起來，降水之前925 hPa風速一直比850 hPa大(圖9b)，05—06時，850 hPa比925 hPa先加強，但925 hPa風速最大達20 m·s-1,仍超過850 hPa風速；在強降水期間，兩層風速雖然都減弱了，但850 hPa 風速卻比925 hPa的大。兩次過程強降水發(fā)生之前，低空急流都有突然增強現(xiàn)象，而且925 hPa 和850 hPa風速都有減弱增強交替脈動特征，這可能是925 hPa和850 hPa兩層間發(fā)生了動量交換現(xiàn)象。

低空急流脈動的產(chǎn)生與大氣邊界層湍流脈動，以及與對流系統(tǒng)的相互作用有關(guān)，但具體細節(jié)不好判斷。關(guān)于低空急流脈動對于導致暴雨的對流系統(tǒng)觸發(fā)、維持和發(fā)展有什么作用和影響，目前，從本研究對資料的分析尚得不到明確的結(jié)論。

圖9 2018年5月7日(a)和8月29日(b)廈門翔安站00—20時的925 hPa、850 hPa風廓線雷達全風速逐6 min時序圖Fig.9 The 6 min series of wind speed at 925 hPa and 850 hPa wind profiling radar during 00:00-20:00 BT on 7 May (a) and 29 August (b) 2018 at Xiang’an Station of Xiamen

3 結(jié)論與討論

通過對發(fā)生在廣東和閩南地區(qū)2018年5月7日冷鋒前暖區(qū)和8月29日華南季風槽兩次大暴雨過程的環(huán)境背景與對流系統(tǒng)特征進行對比分析后，得出如下主要結(jié)論：

(1)兩次大暴雨過程均在廣東和閩南地區(qū)的沿岸線狀MCS中產(chǎn)生。5月7日對流系統(tǒng)發(fā)生在明顯斜壓大氣下，沿著海岸線的線狀對流系統(tǒng)位于不斷南移的冷鋒前的暖區(qū)，與鋒面相距至少100 km以上，探空環(huán)境參數(shù)顯示，CAPE和深層垂直風切變相對較大，對流層中層存在明顯干層，大氣可降水量較大，融化層高度高，暖云層深厚，有利于強降水和雷暴大風的產(chǎn)生；8月29日華南沿海受季風槽影響，在準正壓大氣下，環(huán)境參數(shù)顯示，CAPE和深層垂直風切變相對較小，大氣可降水量較大，整層相對濕度大，融化層高度更高，暖云層更為深厚，有利于強降水而不利于雷暴大風的產(chǎn)生。

(2)兩次過程都是由于后向傳播的作用，產(chǎn)生“列車效應(yīng)”形成大暴雨。5月7日的后向傳播是由于一個對流雨團的陣風鋒與另一個對流雨團后側(cè)的水平對流卷相遇觸發(fā)新的對流導致的，新生對流來自陸地；8月29日則是由于低層暖濕氣流遇到成熟對流雨團的后側(cè)陣風鋒而觸發(fā)新的對流，新生對流位于海上，持續(xù)移到陸地。5月7日對流系統(tǒng)冰相過程和暖云過程在降水中都起重要的作用，8月29日對流系統(tǒng)暖云降水占支配地位。

(3)兩次大暴雨過程中，對流系統(tǒng)冷池前沿陣風鋒附近都有γ中尺度渦旋形成，與陣風鋒輻合上升運動結(jié)合產(chǎn)生較大正的垂直螺旋度，使得系統(tǒng)具有更高的組織性和更長的生命史。

(4)在5月7日過程中，低空急流遇到西南—東北走向地形觸發(fā)了西南—東北走向的線狀對流系統(tǒng)，該對流系統(tǒng)的冷池的向南出流與來自海岸附近的偏南風在沿海地區(qū)輻合，形成導致閩南大暴雨的沿海線狀MCS。8月29日，在東南偏南風急流作用下，有利于向西南的后向傳播轉(zhuǎn)為向南的后向傳播。

(5)兩次大暴雨過程中,含有水汽和熱量的低空急流遇到對流系統(tǒng)中的上升氣流區(qū)，一部分暖濕氣流進入上升氣流區(qū)，為降水的持續(xù)補充水汽；低層暖濕氣流可以恢復因?qū)α飨腃APE而降低的低層溫度和露點，從而使得CAPE再生和維持，進而使得對流系統(tǒng)內(nèi)上升氣流得以維持，對流得以持續(xù)；對流系統(tǒng)下沉氣流形成冷池，低空急流攜帶暖濕氣流遇到冷池前沿的陣風鋒抬升觸發(fā)新的對流，使得產(chǎn)生強降水的對流系統(tǒng)不斷有單體新生，替代舊的單體，從而對流系統(tǒng)得到維持，降水持續(xù)。

致謝：感謝國家氣象中心天氣預報技術(shù)研發(fā)室和福建省氣象臺付超在雷達產(chǎn)品上提供的技術(shù)支持。