華南前汛期一次鋒前暖區(qū)暴雨成因及中尺度對(duì)流系統(tǒng)分析

張?zhí)m，陳炳洪，張東，魏蕾，楊慧燕，余銳

(1.廣州市氣象臺(tái)，廣東 廣州 511430；2.廣東省氣象臺(tái)，廣東 廣州 510641；3.三水區(qū)氣象局，廣東 佛山 528100)

1 引 言

在東亞夏季風(fēng)主雨帶自南向北明顯移動(dòng)中，華南前汛期的暴雨期是在中國(guó)東部最先形成的降水期[1]。降水量占華南區(qū)域全年總量的40%～50%，甚至超過(guò)[2]，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)和人民生命損失，所以一直以來(lái)通過(guò)大型觀測(cè)試驗(yàn)[3-6]、資料統(tǒng)計(jì)分析[7-9]和數(shù)值模擬[10-12]等手段對(duì)華南前汛期暴雨的大尺度環(huán)流、中尺度系統(tǒng)演變特征及其發(fā)生發(fā)展機(jī)理等方面的研究均受科學(xué)家與業(yè)務(wù)人員關(guān)注[13-15]。尤其是對(duì)暖區(qū)暴雨，其特點(diǎn)是在華南區(qū)域往往沒(méi)有明顯天氣系統(tǒng)或者鋒面位于降水以北至少200 km 以外的地區(qū)[16]，且各尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式難以預(yù)報(bào)[17-18]。通常情況下，暖區(qū)暴雨的觸發(fā)與維持得利于環(huán)境熱動(dòng)力條件，包括對(duì)流有效位能大、對(duì)流抑制能量小、地面抬升指數(shù)低及中層垂直切變?nèi)醯萚19-20]。統(tǒng)計(jì)表明，75%～80%的華南暴雨與低空急流有關(guān)，基本伴有低空西南急流發(fā)展或邊界層急流加強(qiáng)[21-22]。此外，華南區(qū)域有利地形使得風(fēng)速輻合抬升增強(qiáng)，引起局地中尺度對(duì)流觸發(fā)發(fā)展[23-24]。淺薄冷空氣在邊界層內(nèi)入侵，干冷氣團(tuán)傾入高濕區(qū)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放產(chǎn)生暴雨[25]。不僅如此，海陸風(fēng)日變化造成的中尺度輻合線(xiàn)、陣風(fēng)鋒、海風(fēng)鋒等系統(tǒng)均是華南暖區(qū)暴雨觸發(fā)、發(fā)展、消亡的重要機(jī)制[26-27]。

暖區(qū)暴雨是多尺度天氣系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）是直接影響系統(tǒng)，與其降水效率和影響的持續(xù)時(shí)間直接相關(guān)[28]。當(dāng)MCS快速移動(dòng)時(shí)只會(huì)給局地帶來(lái)小量級(jí)降水，反之緩慢移動(dòng)或MCS 中的對(duì)流單體在固定區(qū)域重復(fù)通過(guò)時(shí)極易誘發(fā)間歇性的短時(shí)強(qiáng)降水，從而帶來(lái)暴雨，引發(fā)洪澇災(zāi)害。華南暖區(qū)暴雨中的MCS 具有前向傳播與后向傳播特征，當(dāng)雷達(dá)回波的平流方向與傳播方向夾角小于90 °，則稱(chēng)為前向傳播；當(dāng)平流方向與傳播方向夾角大于90 °，則稱(chēng)為后向傳播[29]。由于后向傳播相比于前向傳播，MCS 的移動(dòng)速度更慢，更容易形成“列車(chē)效應(yīng)”（Echo Training Effects），導(dǎo)致強(qiáng)降水。Wang 等[30]對(duì)廣東陽(yáng)江一次大暴雨過(guò)程分析指出對(duì)流后向建立后不斷向東北方向傳播，是造成MCS 長(zhǎng)時(shí)間維持的主要原因。2017 年廣州“5·7”特大暴雨中高效低質(zhì)心對(duì)流云團(tuán)先后于花都、增城產(chǎn)生后向傳播，且移動(dòng)緩慢，造成新塘鎮(zhèn)3 h 雨量達(dá)382.6 mm，破歷史極值[24,31]。柯文華等[32]分析2010 年6 月超歷史記錄的強(qiáng)降水過(guò)程，李明華等[33]研究2018 年粵東極端強(qiáng)降水等均表明當(dāng)MCS 產(chǎn)生后向傳播，線(xiàn)狀排列形成列車(chē)效應(yīng)時(shí)，局地能產(chǎn)生較高甚至極端降水量。Luo等[34]對(duì)梅雨暴雨過(guò)程研究中，提出了新MCS 組織結(jié)構(gòu)，為多雨帶結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)除了上述分析的在對(duì)流后向建立機(jī)制下，對(duì)流單體波列形成中β尺度雨帶外，還存在多條中β尺度雨帶沿著準(zhǔn)靜止MCS 向東南方向排列的“列車(chē)帶”效應(yīng)，即“雨帶波列”。這種雙列車(chē)效應(yīng)結(jié)構(gòu)在華南暖區(qū)暴雨的MCS中分析研究較少。

從短臨預(yù)報(bào)角度分析，判定直接造成降水的MCS的生成、移動(dòng)和類(lèi)型等，準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)布短臨預(yù)警信息是發(fā)揮氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線(xiàn)的關(guān)鍵舉措。2020 年3 月27 日在鋒面前端200 km 外發(fā)生一次持續(xù)超過(guò)15 h的暖區(qū)暴雨過(guò)程，而EC等主流數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)降水開(kāi)始時(shí)間較實(shí)況偏晚約10 h，致使預(yù)警決策等服務(wù)信息不夠完美。此外降水過(guò)程出現(xiàn)三個(gè)MCS，但對(duì)流觸發(fā)區(qū)域不同，且呈現(xiàn)不同的組織發(fā)展動(dòng)態(tài)，包括前向或后向傳播，期間發(fā)生多次對(duì)流單體與對(duì)流雨帶的分裂與重組，形成雙列車(chē)效應(yīng)結(jié)構(gòu)。所以深入分析此次典型鋒前暖區(qū)暴雨MCSs錯(cuò)綜復(fù)雜的變化特征，對(duì)進(jìn)一步積累華南前汛期中尺度對(duì)流暴雨的認(rèn)知和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)有重要意義。因此本文利用地面自動(dòng)站降水?dāng)?shù)據(jù)、雷達(dá)資料、ECMWF-ERA5 地面和高空再分析場(chǎng)資料及中尺度CMA-GD 模式對(duì)此次暖區(qū)暴雨過(guò)程大尺度環(huán)流與中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織特征和觸發(fā)條件等方面進(jìn)行分析，為暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

2 降水概況和大尺度環(huán)流特征

2.1 降水概況

降水從2020 年3 月26 日20 時(shí)（北京時(shí)間，下同）開(kāi)始至28日02時(shí)結(jié)束，主要降水集中在27日。26 日20 時(shí)至27 日20 時(shí)累積降水（圖1a，見(jiàn)下頁(yè)）表明，影響廣西與廣東交界處的雨帶呈東西帶狀，大于50 mm 的降水橫跨廣東肇慶、清遠(yuǎn)、廣州、佛山及廣西賀州、梧州等多個(gè)城市，共有584 站雨量超過(guò)50 mm，最大降水量為237.6 mm，出現(xiàn)在肇慶市封開(kāi)縣長(zhǎng)安鎮(zhèn)（三角形處）。

圖1 2020年3月26日20:00—27日20:00累積降水(單位：mm) (a); 3月27日00:00—23:00短時(shí)強(qiáng)降水同站點(diǎn)發(fā)生次數(shù)(b)；懷集縣崗坪站氣象站(a圖十字號(hào)處)(c)、佛山南海氣象站(a圖五星號(hào)處)(d)逐時(shí)降水量(單位：mm)

此次鋒前暖區(qū)降水過(guò)程在華南區(qū)域維持15 h之久，但各時(shí)段降水強(qiáng)度和落區(qū)及各地降水的起始時(shí)間有明顯差異。懷集崗坪氣象觀測(cè)站從27日03 時(shí)即出現(xiàn)超過(guò)30 mm/h 的短時(shí)強(qiáng)降水，停止4 h后降水再發(fā)生，直至27 日20 時(shí)。期間4 個(gè)時(shí)次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，這表明強(qiáng)降水期間新生對(duì)流不斷發(fā)展致使降水強(qiáng)度間歇性增幅，圖1b 為短時(shí)強(qiáng)降水在某站點(diǎn)發(fā)生次數(shù)，結(jié)果表明在肇慶市懷集縣與賀州、梧州交界處（關(guān)鍵區(qū)域1），同一站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)達(dá)到4～5 次，肇慶市封開(kāi)縣至梧州一帶（關(guān)鍵區(qū)域2），短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)達(dá)4～5 次的站點(diǎn)較關(guān)鍵區(qū)域1偏少，但均證明兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域新生對(duì)流產(chǎn)生明顯的“列車(chē)效應(yīng)”，造成持續(xù)性的強(qiáng)降水。強(qiáng)降水自西北向東南移動(dòng)，南海國(guó)家氣象觀測(cè)站從27 日17 時(shí)起開(kāi)始記錄到降水，比懷集縣崗坪站出現(xiàn)降水時(shí)間稍晚。

2.2 大尺度環(huán)流特征

27日08—14 時(shí)（圖2a、2b，見(jiàn)P700），冷高壓中心從蒙古略南一帶壓至我國(guó)內(nèi)蒙古上空，但鋒面穩(wěn)定維持在江西-湖南省中北部，距離對(duì)流系統(tǒng)超400 km，同時(shí)地面低槽逐漸發(fā)展，所以此次暴雨屬于典型的華南暖區(qū)暴雨過(guò)程[16]。27 日14 時(shí)（圖2c），在200 hPa高度場(chǎng)，南亞高壓位于青藏高原南側(cè)，北側(cè)有一支西風(fēng)急流，急流上有多個(gè)風(fēng)速中心，華南區(qū)域位于高壓急流輻散區(qū)域，為大暴雨提供高層抽吸作用；500 hPa 高度場(chǎng)上，西風(fēng)槽槽線(xiàn)位于東北至華北平原西部，切斷中心在貝加爾湖東部的低壓帶，貝加爾湖西部（80～95 °E）和東亞沿岸在中緯度為高壓脊控制，即“兩脊一槽”型，為華南前汛期雨季發(fā)生的有利環(huán)流形勢(shì)之一。中低緯南支槽位于我國(guó)西南部，副高脊線(xiàn)穩(wěn)定在20 °N以南，致使南支波動(dòng)活躍并引導(dǎo)冷空氣南下影響華南區(qū)域。27 日20 時(shí)（圖2d），200 hPa 上的西風(fēng)急流中心無(wú)明顯移動(dòng)，但范圍略有擴(kuò)大。500 hPa上南支槽緩慢向東移動(dòng)，無(wú)明顯減弱。850 hPa 水汽輸送來(lái)源有兩支，一支來(lái)自西太平洋東南水汽輸送，另一支來(lái)自孟加拉灣西南急流攜帶的暖濕氣流，兩股氣流在華南區(qū)域上空均達(dá)到風(fēng)速12 m/s以上，尤其在27日14時(shí)（圖2e），廣西北部西南渦形成，為水汽穩(wěn)定維持提供有利條件，27 日20 時(shí)（圖2f）廣西中北部及廣東北部區(qū)域切變線(xiàn)形成并逐漸南壓，為降水發(fā)生提供動(dòng)力條件。兩個(gè)時(shí)次850 hPa 假相當(dāng)位溫在粵西及廣西上空一直存在中心值，達(dá)到350 K 以上，為大暴雨過(guò)程提供持續(xù)的熱力不穩(wěn)定條件。所以此次暴雨過(guò)程為華南前汛期典型的暖區(qū)暴雨，高低空配置且較長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定維持提供有利環(huán)流形勢(shì)。

圖2 海平面氣壓場(chǎng)：27日08時(shí)(a)、14時(shí)(b)(單位：hPa)；500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線(xiàn)，單位：dagpm)、200 hPa風(fēng)速(填色，單位：m/s)：27日14時(shí)(c)、20時(shí)(d)；850 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)與假相當(dāng)位溫(填色，單位：K)：27日14時(shí)(e)、20時(shí)(f)

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展

華南前汛期4—6月期間在弱天氣或強(qiáng)強(qiáng)迫背景下，經(jīng)常出現(xiàn)一類(lèi)從華南西北向東南移動(dòng)，伴隨短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)或冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的中尺度對(duì)流系統(tǒng)。此次暖區(qū)暴雨相繼在111.3～112.8 °E，23.5～24.1 °N（關(guān)鍵觸發(fā)區(qū)域1，以下簡(jiǎn)稱(chēng)1 區(qū)）和110.9～112.5 °E，22.9～23.5 °N（關(guān)鍵觸發(fā)區(qū)域2，以下簡(jiǎn)稱(chēng)2 區(qū)）由三個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCSA、MCS-B 和MCS-C 造成，期間多次出現(xiàn)對(duì)流單體分裂與重組，產(chǎn)生前向與后向傳播，形成顯著“列車(chē)效應(yīng)”與“列車(chē)帶效應(yīng)”，致使暖區(qū)暴雨持續(xù)超過(guò)15 h。那么多個(gè)MCS 的活動(dòng)與組織方式具體是如何的？這里利用華南區(qū)域20部多普勒雷達(dá)資料分別對(duì)三次MCS進(jìn)行詳細(xì)分析。

由于此次雨帶分裂與重組錯(cuò)綜復(fù)雜，這里粗略根據(jù)雷達(dá)回波首次出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行劃分，并將發(fā)展與移動(dòng)較為一致的MCS分別定義為MCS-A、MCS-B 與MCS-C，具體演變分析如下：27 日05 時(shí)36 分，在1 區(qū)廣西大桂山前賀州西部觸發(fā)多個(gè)東北-西南向線(xiàn)狀排列的中γ對(duì)流單體，最大回波強(qiáng)度在35 dBZ，快速向東移動(dòng)，同時(shí)肇慶封開(kāi)縣與廣西交界處出現(xiàn)單體雷暴，回波強(qiáng)度達(dá)60 dBZ，但呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)，局地發(fā)展。06 時(shí)54 分，線(xiàn)狀對(duì)流排列的中γ尺度對(duì)流單體發(fā)展合并，形成β尺度長(zhǎng)對(duì)流雨帶并與封開(kāi)縣處單體雷暴再合并。07 時(shí)12分，再合并后的中β尺度雨帶分裂，形成4 條南北向分布的中γ尺度對(duì)流單體組成的對(duì)流雨帶，逐漸向東移（圖3a）。08 時(shí)24 分，各條雨帶中的對(duì)流單體發(fā)展加強(qiáng)，其中雨帶1 加強(qiáng)且轉(zhuǎn)呈東北向，雨帶4 西部有新對(duì)流單體5 觸發(fā)使其伸長(zhǎng)，產(chǎn)生后向傳播（圖3b）。到了08 時(shí)48 分，雨帶1～3 再次重組成為顯著東北-西南向中β尺度MCS-A，緩慢向東南向移動(dòng)（圖3c），且MCS-A 前端開(kāi)始產(chǎn)生中γ尺度對(duì)流單體，強(qiáng)度加強(qiáng)至55 dBZ 左右，產(chǎn)生前向傳播。此外將呈分裂狀態(tài)的雨帶4和5看作為MCSB。09 時(shí)12—36 分，MCS-A 繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)至對(duì)流最為旺盛期，懷集附近的雷達(dá)反射率大于50 dBZ(圖3d～3e)，強(qiáng)回波造成懷集1 h 降水量達(dá)49 mm，但MCS-A 前向傳播觸發(fā)的中γ尺度對(duì)流單體加強(qiáng)后快速減弱，持續(xù)時(shí)間較短。另外，在MCS-A 西側(cè)后端與MCS-B 前后端分別再次觸發(fā)新對(duì)流單體8、6、7，MCS-A呈現(xiàn)后向傳播，MCS-B同時(shí)呈現(xiàn)前向與后向傳播。10 時(shí)，MCS-A 東南向移動(dòng)中后端穩(wěn)定性降水范圍開(kāi)始擴(kuò)展，前端強(qiáng)回波中心造成廣寧附近1 h 降水量23 mm。MCS-B 后端繼續(xù)觸發(fā)對(duì)流雨帶9，如此南北向線(xiàn)狀排列的對(duì)流單體組成的短對(duì)流雨帶4、5、6、7 與9 再次重組，使MCS-B整體呈東西向（圖3f），與MCS-A 合并。10時(shí)36 分—11 時(shí)（圖3g～3i），MCS-A 東南向移動(dòng)加強(qiáng)，中β尺度強(qiáng)對(duì)流中心回波強(qiáng)度持續(xù)維持50 dBZ 以上，沒(méi)有明顯減弱，后端穩(wěn)定性降水范圍持續(xù)擴(kuò)大，發(fā)展至長(zhǎng)約150 km、寬約80 km，但前端仍不斷有中γ尺度對(duì)流單體產(chǎn)生。此時(shí)MCS-A 與MCS-B 再次分裂，但兩個(gè)MCS內(nèi)部多個(gè)短對(duì)流帶又繼續(xù)重組或發(fā)展。以MCS-B 為例，雨帶6 發(fā)展成中心回波強(qiáng)度達(dá)50 dBZ 的雨帶B1，雨帶4 和5重組形成回波強(qiáng)度在40 dBZ 的雨帶B2，雨帶7 和9 重組形成多單體不規(guī)則排列的雨帶B3。MCS-B中心強(qiáng)度超過(guò)45 dBZ 的對(duì)流元個(gè)數(shù)較10 時(shí)增多增強(qiáng)，尤其是11 時(shí)（圖3i）雨帶B1 南端回波強(qiáng)度從30 dBZ 加強(qiáng)至45 dBZ，造成封開(kāi)縣附近1 h 降水量達(dá)35 mm。MCS-B西部再次觸發(fā)多個(gè)對(duì)流單體呈南北向排列的雨帶B4，與B3 平行，發(fā)展過(guò)程與雨帶5、7 類(lèi)似。如此反復(fù)造成賀州同站點(diǎn)出現(xiàn)5次短時(shí)強(qiáng)降水，最大小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)60 mm，并造成其下游肇慶市封開(kāi)縣長(zhǎng)安鎮(zhèn)過(guò)程最大累積降水量237.6 mm。新對(duì)流單體從MCS-A 與MCS-B 前端東側(cè)與尾端西側(cè)分別觸發(fā)，產(chǎn)生前向傳播與后向傳播。前向傳播產(chǎn)生的對(duì)流單體發(fā)展強(qiáng)度弱且快速消亡，但后向傳播產(chǎn)生的對(duì)流元發(fā)展顯著并會(huì)與老對(duì)流向東移動(dòng)，重復(fù)影響懷集與封開(kāi)附近，產(chǎn)生明顯的對(duì)流單體“列車(chē)效應(yīng)”。此外，后向傳播產(chǎn)生的多個(gè)對(duì)流單體呈南北向線(xiàn)狀排列后形成對(duì)流雨帶，多個(gè)對(duì)流雨帶緩慢向東移動(dòng)，形成此次暖區(qū)暴雨過(guò)程中第一個(gè)“列車(chē)帶效應(yīng)”。

圖3 3月27日07:12(a)、08:24(b)、08:48(c)、09:12(d)、09:36(e)、10:00(f)、10:36(g)、10:48(h)、11:00(i)雷達(dá)組合反射率分布單位：dBZ；橢圓、方框及字母數(shù)字表示雨帶。

11 時(shí)36 分—12 時(shí)24 分（圖4a、4b），MCS-A 與MCS-B 再次重組演化成線(xiàn)狀對(duì)流/層云伴隨（TL/AS，Training Line/Adjoining stratiform）的形態(tài)[35]，但二者后端仍可觸發(fā)新生對(duì)流單體。此外，12 時(shí)24 分可清晰顯示距離MCS-B 南側(cè)80 km 外的2區(qū)，廣西梧州至封開(kāi)縣南部觸發(fā)一條由中γ尺度對(duì)流單體南北向準(zhǔn)線(xiàn)狀排列的新對(duì)流帶C1,組織結(jié)構(gòu)與MCS-B 相似，定義為MCS-C。14 時(shí)24 分—17 時(shí)，雨帶C1 東移后，產(chǎn)生后向傳播，C2、C3、C4 新生對(duì)流雨帶不斷在關(guān)鍵區(qū)域2 處觸發(fā)發(fā)展，C1 近乎平行。MCS-C 中各雨帶相繼經(jīng)過(guò)下游德慶縣附近，形成第一個(gè)“列車(chē)帶效應(yīng)”，造成連續(xù)4 h 超過(guò)20 mm 短時(shí)強(qiáng)降水、最大累積雨量116.6 mm 及8 級(jí)短時(shí)大風(fēng)。12 時(shí)24 分，MCS-A 后向傳播運(yùn)動(dòng)減弱，但前向傳播運(yùn)動(dòng)使得在廣州從化北部出現(xiàn)單體雷暴并逐漸發(fā)展成為東北-西南向線(xiàn)狀對(duì)流帶，13 時(shí)24 分線(xiàn)狀對(duì)流帶與MCS-A 剝離，遠(yuǎn)離MCS-A，向東北方向移動(dòng)。

圖4 3月27日11:36(a)、12:24(b)、13:36(c)、14:24(d)、15:24(e)、15:36(f)、16:00(g)、16:24(h)、17:00(i)雷達(dá)組合反射率分布單位：dBZ；橢圓、方框及字母數(shù)字表示雨帶。

13 時(shí)36 分，MCS-A 與MCS-B 再次開(kāi)始分裂，東北-西南向MCS-A 加速向東南向移動(dòng)，MCS-B從東西向逐漸轉(zhuǎn)東北-西南向，沿著MCS-A緩慢向東南移動(dòng)，二者形成此次暖區(qū)暴雨中的第三個(gè)“列車(chē)帶效應(yīng)”。16—17 時(shí)，在MCS-A 向東南移動(dòng)過(guò)程中，與MCS-C 中C1、C2 合并，MCS-B 與MCS-C中C3、C4 合并，合并后向東南沿海移動(dòng)。期間，MCS-B 與MCS-C 仍存在后向傳播，繼續(xù)產(chǎn)生新對(duì)流雨帶，并如老對(duì)流帶運(yùn)動(dòng)相似，相繼合并后影響華南區(qū)域。

可見(jiàn)，此次鋒前暖區(qū)暴雨過(guò)程由MCS-A、MCS-B 與MCS-C 共同發(fā)展造成的。三次MCS 均存在后向傳播運(yùn)動(dòng)，造成對(duì)流單體形成“列車(chē)效應(yīng)”。MCS-A 與MCS-B 存在前向傳播，但前向傳播運(yùn)動(dòng)造成的對(duì)流體強(qiáng)度多數(shù)較于后向傳播偏弱，且快速減弱或剝離主體MCS。此外，在多個(gè)近乎平行的南北向?qū)α鲉误w構(gòu)成東西向雨帶MCS-B，與MCS-C 分別產(chǎn)生的“列車(chē)帶效應(yīng)”及MCS-B 轉(zhuǎn)為東南-西北向后與MCS-A 平行向東南沿海移動(dòng)的“列車(chē)帶效應(yīng)”，均使得強(qiáng)降水發(fā)展與維持。

4 數(shù)值模式方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步研究大暴雨過(guò)程MCS 的發(fā)生發(fā)展，利用中尺度CMA-GD 模式對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，使用分辨率為0.03 °。該模式屬于非靜力模式。試驗(yàn)選取的微物理過(guò)程是WSM6 方案，邊界層物理方案是MRF 方案，長(zhǎng)波輻射過(guò)程是RRTMG-LW方案，短波輻射過(guò)程是RRTMG-SW 方案并關(guān)閉積云對(duì)流參數(shù)化方案。

模式初邊界資料采用ECMWF 全球分辨率模式提供的ECM 分析場(chǎng)，分辨率為0.125 °×0.125 °。模式起始經(jīng)緯度為96 °E，16 °N，水平格點(diǎn)數(shù)目913×513，垂直層數(shù)為32 層，時(shí)間步長(zhǎng)為60 s。積分時(shí)間為2020年3月26日20時(shí)—27日20時(shí)。

對(duì)比實(shí)況（圖1a）與模式預(yù)報(bào)（圖5）的24 h 累積降水，模式雨帶的形態(tài)與實(shí)況較為一致，尤其是強(qiáng)降水中心。模式最大累積雨量為202.7 mm，較實(shí)況最大值略偏弱。圖6 與圖7 為模式預(yù)報(bào)09—20 時(shí)的雷達(dá)反射率。27 日09 時(shí)，賀州至懷集一帶（與實(shí)況1 區(qū)）開(kāi)始觸發(fā)離散的對(duì)流單體并向東移動(dòng)，逐漸組織發(fā)展（圖6b、6c）成非線(xiàn)狀多單體組織型。12 時(shí)（圖6d），MCS-A 移至兩廣交界處，內(nèi)部組織變得松散，但對(duì)流單體最大回波強(qiáng)度發(fā)展至55 dBZ。另外，廣西賀州一帶觸發(fā)多條南北向平行排列的對(duì)流單體構(gòu)成東西分布的MCS-B，并逐漸與前端MCS-A 合并發(fā)展（圖6d、6e）。此后，MCS-A 與MCS-B 沒(méi)有明顯分裂或再重組。而在MCS-B 尾端西側(cè)不斷觸發(fā)新生對(duì)流單體，產(chǎn)生后向傳播，東移發(fā)展，與老對(duì)流合并形成一條中α尺度長(zhǎng)的東北-西南向準(zhǔn)線(xiàn)狀MCSs（圖7a～7d）。另外，15—16 時(shí)（圖7a、7b）開(kāi)始，MCS-A 前端開(kāi)始觸發(fā)新生對(duì)流（圖7b紫色圓區(qū)），產(chǎn)生前向傳播，發(fā)展東移中，與MCSs沒(méi)有明顯剝離。12 時(shí)起（圖6d），梧州至懷集南部一帶（與實(shí)況2 區(qū)對(duì)應(yīng)）觸發(fā)離散的新生對(duì)流單體，沿中層引導(dǎo)氣流，發(fā)展向東北移動(dòng)（圖6e、6f），形成一條狹窄的中β尺度線(xiàn)狀MCSC，13—15 時(shí)（圖6e、6f、7a）與上游MCSs 先平行排列，16 時(shí)（圖7b）起并入MCSs 后逐漸向東南沿海壓進(jìn)，對(duì)流最大中心強(qiáng)度增強(qiáng)至65 dBZ 且線(xiàn)狀組織結(jié)構(gòu)更趨明顯（圖7c～7f）。MCS-C 后部不斷有對(duì)流單體觸發(fā)（圖7a、7b）、東移、合并，產(chǎn)生后向傳播，與實(shí)況2處MCS-C演變相符，但強(qiáng)度偏弱。綜合分析來(lái)看，模式雖然不能完全預(yù)報(bào)出相同強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，如實(shí)況MCS-A 后向傳播與MCS-B 前向傳播機(jī)制及MCSs 多單體之間分裂與重組的頻次等未能完美演變，且降水開(kāi)始時(shí)間偏晚，但較成功預(yù)報(bào)出與實(shí)況相符的MCS-A 的前向傳播、MCS-B及MCS-C 的尾端西側(cè)不斷有新對(duì)流觸發(fā)以及向東移動(dòng)合并發(fā)展加強(qiáng)的后向傳播機(jī)制。同時(shí)，可以預(yù)報(bào)出多條東北-西南向雨帶平行向東南向移動(dòng)的“列車(chē)帶效應(yīng)”。以下利用高時(shí)空分辨率的模式輸出，著重對(duì)與強(qiáng)降水有關(guān)的MCS 的觸發(fā)與維持機(jī)制進(jìn)行分析。

圖5 CMA-GD模式3月26日20:00—27日20:00累積降水(單位：mm)

圖6 09:00(a)、10:00(b)、11:00(c)、12:00(d)、13:00(e)、14:00(f)CMA-GD模式雷達(dá)反射率填色：?jiǎn)挝籨BZ，橢圓與方框表示雨帶。

圖7 15:00(a)、16:00(b)、17:00(c)、18:00(d)、19:00(e)、20:00(f)CMA-GD模式雷達(dá)反射率填色：?jiǎn)挝籨BZ，橢圓與方框表示雨帶。

5 對(duì)流發(fā)生條件分析

首先是水汽條件，圖8 為沿23.5 °N 水汽通量和風(fēng)的垂直剖面。27 日12 時(shí)（圖8a），950～850 hPa 之間以西到西南風(fēng)為主，風(fēng)速低于10 m/s，水汽通量較弱，對(duì)流觸發(fā)區(qū)域的110～112 °E 之間水汽通量小于10 g/(cm2·s)。17 時(shí)（圖8b），風(fēng)速明顯增大，南嶺山脈南側(cè)附近風(fēng)速達(dá)18 m/s，水汽輸送明顯增大至18 g/(cm2·s)。此外，110 °E 以西近地層由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)西南風(fēng)且風(fēng)速加大，110～112 °E 附近產(chǎn)生明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合，偏北風(fēng)場(chǎng)滲透至賀州至肇慶一帶，促使對(duì)流觸發(fā)。分析1 區(qū)中925 hPa、850 hPa 的緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)及950～850 hPa 平均累積水汽通量隨時(shí)間演變看出（圖略），水汽通量從09時(shí)開(kāi)始逐漸增大，18時(shí)達(dá)到最值18 g/s3，水汽源源輸送，使得對(duì)流發(fā)展持續(xù)。

圖8 27日12:00(a)、18:00(b)沿23.5 °N垂直剖面：水汽通量(填色，單位：g/(cm2·s)、風(fēng)(風(fēng)向桿)及風(fēng)速(等值線(xiàn)，單位：m/s)

從層結(jié)穩(wěn)定條件分析來(lái)看，27 日14 時(shí)起，經(jīng)1區(qū)假相當(dāng)位溫θse的垂直剖面看出，θse高值區(qū)在925 hPa 附近一直維持，尤其是16 時(shí)，θse345 K 等值線(xiàn)伸入至850 hPa，暖濕條件充足（圖11b）。500 hPa 以下θse隨高度減小，為條件性不穩(wěn)定層結(jié)。此外，計(jì)算降水1 區(qū)平均對(duì)流有效位能（Convective Available Potential Energy,CAPE）和對(duì)流抑制能量（Convective INitiation energy,CIN）（圖9a）時(shí)間序列看到，1 區(qū)內(nèi)CAPE 值從27 日08時(shí)開(kāi)始呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，27 日12 時(shí)與27 日16 時(shí)出現(xiàn)兩次峰值，達(dá)到1 200 J/kg,說(shuō)明低空急流加強(qiáng)，該區(qū)域的條件性不穩(wěn)定明顯增強(qiáng)，不穩(wěn)定能量累積。04 時(shí)之前CIN 維持高值，接近峰值120 J/kg，此后逐漸下降，12 時(shí)前后CIN 值幾乎為0，對(duì)流觸發(fā)的抑制條件減弱。對(duì)比對(duì)流發(fā)展區(qū)域（110.5 °E，23.5 °N）處05 時(shí)（圖9b）與14 時(shí)（圖9c）探空曲線(xiàn)看出，狀態(tài)曲線(xiàn)與層結(jié)曲線(xiàn)之間的CAPE在14 時(shí)明顯增大，且自由對(duì)流高度從700 hPa 下降至950 hPa附近，說(shuō)明對(duì)流在較小的擾動(dòng)下即可觸發(fā)。可見(jiàn)，伴隨低空急流的加強(qiáng)，水汽和能量得到改善，同時(shí)為對(duì)流觸發(fā)和發(fā)展提供有利的條件性不穩(wěn)定和對(duì)流有效位能。

圖9 1區(qū)內(nèi)平均對(duì)流有效位能和對(duì)流抑制能量26日20:00—27日20:00時(shí)間序列(單位：J/kg) (a)；27日05:00(b)和14:00(c)(110.5°E，23.5°N)處探空曲線(xiàn)T-lop圖

抬升機(jī)制是對(duì)流在有利的水汽和不穩(wěn)定層結(jié)條件下得以觸發(fā)的必備條件。通過(guò)27 日12 時(shí)和17 時(shí)雷達(dá)反射率、50 m、500 m 與1 500 m 風(fēng)場(chǎng)分布的數(shù)值結(jié)果分析表明，1區(qū)處，50 m 風(fēng)場(chǎng)在12時(shí)已存在明顯的偏南風(fēng)、東南風(fēng)與弱偏北風(fēng)的輻合（圖10a），伴隨自由對(duì)流高度降低與CIN 抑制能量減小，使得1區(qū)對(duì)流在地面觸發(fā)，且12時(shí)500 m（圖10b）與1 500 m（圖10c）風(fēng)場(chǎng)顯示1 區(qū)域?qū)α鞲浇卜謩e存在南風(fēng)風(fēng)速與西南風(fēng)風(fēng)速的弱輻合，為對(duì)流抬升發(fā)展提供有利動(dòng)力條件。2 區(qū)處，50 m與500 m 高度處風(fēng)場(chǎng)為一致的偏南風(fēng)，無(wú)明顯風(fēng)速輻合，而1 500 m 高度處對(duì)流2 區(qū)西南側(cè)風(fēng)速明顯大于2 區(qū)內(nèi)的風(fēng)速，風(fēng)速輻合使得2 區(qū)對(duì)流單體觸發(fā)發(fā)展。17 時(shí)，1 區(qū)抬升條件加強(qiáng)，存在多條中尺度輻合線(xiàn)。50 m（圖10d）高度處地面偏南風(fēng)、東南風(fēng)與明顯偏北風(fēng)在1區(qū)南側(cè)輻合，偏南風(fēng)繼續(xù)北推與偏東風(fēng)、偏北風(fēng)在1 區(qū)北側(cè)輻合，500 m（圖10e）處偏南風(fēng)與弱偏北風(fēng)輻合，多條輻合線(xiàn)的有利抬升條件促使1區(qū)附近不斷觸發(fā)新對(duì)流單體，產(chǎn)生“列車(chē)效應(yīng)”。而2 區(qū)此刻3 個(gè)高度處風(fēng)場(chǎng)輻合信息均不顯著，也是2區(qū)對(duì)流單體觸發(fā)強(qiáng)度與頻次弱于1 區(qū)的主要原因之一。14 時(shí)經(jīng)過(guò)1、2 區(qū)關(guān)于垂直速度ω剖面，1 區(qū)最大垂直上升速度可達(dá)5 m/s，發(fā)展至500 hPa，遠(yuǎn)大于2區(qū)，抬升條件有利于對(duì)流發(fā)展維持，且前者在110.5～112 °E 850～600 hPa 之間存在明顯的上升-下沉-上升交替波動(dòng)特征，有利于“列車(chē)效應(yīng)”下對(duì)流的傳播[36]（圖略）。

圖10 CMA-GD模式27日12:00(a，b，c)與17:00(d，e，f)的50 m(a，d)、500 m(b，e)、1500 m(c，f)雷達(dá)反射率(填色；單位dBZ)、水平風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)

6 中尺度對(duì)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征分析

從前面實(shí)況與模式分析可知此次降水雨帶由多條依次向東移動(dòng)的中β尺度強(qiáng)對(duì)流帶組成，并因“后部建立”和“前向傳播”使得中尺度對(duì)流系統(tǒng)維持與發(fā)展?，F(xiàn)通過(guò)模式資料分析中尺度對(duì)流系統(tǒng)后向與前向觸發(fā)原因和基本結(jié)構(gòu)特征。

雷達(dá)反射率大部分位于零度層高度（4.2 km，由14時(shí)梧州探空計(jì)算得到）以下，屬于低質(zhì)心高效率降水對(duì)流風(fēng)暴。處于不同發(fā)展階段的對(duì)流單體，在112.5 °E 東側(cè)回波強(qiáng)度逐漸減弱，而在其西側(cè)暖濕西南氣流中不斷觸發(fā)并緩慢向東移動(dòng)。

θse等值線(xiàn)顯示高溫高濕的西南暖濕氣流的輸送使得高θse不斷向東北伸展，15—16 時(shí)（圖11ab），θse高舌伸入至850 hPa 并東擴(kuò)至112 °E 附近，且隨著中層干冷空氣入侵，17 時(shí)（圖11c）低θse中心在700 hPa 附近，θse隨高度減小，條件性不穩(wěn)定層結(jié)穩(wěn)定維持，為強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)發(fā)展帶來(lái)充分的熱力條件。從27 日14 時(shí)（圖略）與15 時(shí)（圖11a）風(fēng)場(chǎng)緯向剖面看到，112.4 °E 附近925～850 hPa 上空為下沉氣流，850 hPa 以上為偏西風(fēng)場(chǎng)，342 Kθse等值線(xiàn)位于975 hPa以下，高空高溫高濕條件一般。15 時(shí)近地面950 hPa 以下的偏東風(fēng)較14 時(shí)增強(qiáng)，并于111.5 °E附近與偏西風(fēng)輻合后產(chǎn)生上升氣流。同時(shí)，15 時(shí)111.5 °E 附近850～700 hPa 西南氣流加強(qiáng)，風(fēng)速輻合形成上升運(yùn)動(dòng)，如此中低層和近地面上升氣流的共同作用加強(qiáng)了從地面到高空的上升運(yùn)動(dòng)。上升氣流在西風(fēng)氣流中向東移動(dòng)，在112.0 °E 附近形成下沉氣流，低層導(dǎo)致向西的出流，從而在111.5 ～112.0 °E之間形成中β尺度閉合的緯向次級(jí)環(huán)流E1。西南暖濕氣流逐漸加強(qiáng)并在環(huán)流E1上升支一側(cè)被抬升，傾斜上升運(yùn)動(dòng)使得凝結(jié)潛熱釋放，致使MCS-B 對(duì)流系統(tǒng)在111.5 °E 附近后部建立與發(fā)展。同樣在112.0～112.5 °E 之間形成另一個(gè)中β尺度閉合的緯向次級(jí)環(huán)流E2，但112.0 °E附近西南暖濕氣流并不明顯，所以其附近形成的MCS-A 對(duì)流單體強(qiáng)度弱于111.5 °E 附近的。16—17 時(shí)（圖11b、11c），110.5 °E 附近新觸發(fā)對(duì)流單體，由于強(qiáng)降水拖曳作用，850 hPa 以下轉(zhuǎn)為下沉氣流（圖11b三角指示處），在近地層向四周散開(kāi)形成冷出流，17 時(shí)110.8 °E 附近冷池厚度接近800 m（圖11c 三角指示處），與后部925 hPa 以上暖濕入流疊加，促使新對(duì)流單體的產(chǎn)生，即后向建立機(jī)制。同時(shí)，后向傳播使暖區(qū)對(duì)流東移速度減慢，形成“列車(chē)效應(yīng)”，造成降水長(zhǎng)時(shí)間維持。如此來(lái)看，中β尺度閉合的緯向次級(jí)環(huán)流與冷出流均影響到中尺度對(duì)流系統(tǒng)的后部建立、維持與發(fā)展。

圖11 15:00(紫色實(shí)線(xiàn)：次級(jí)環(huán)流) (a)，16:00(b)，17:00(c) CMA-GD模式經(jīng)23.5 °N雷達(dá)反射率(填色，單位：dBZ)、假相當(dāng)位溫(等值線(xiàn)，單位：K)與風(fēng)速(ω×10；單位：m/s)

為更清楚了解前向傳播觸發(fā)新生對(duì)流的機(jī)制，從15時(shí)溫度場(chǎng)與地面流場(chǎng)看出（圖12a），賀州至懷集及韶關(guān)北部區(qū)域產(chǎn)生MCSs后，形成多個(gè)冷池并且強(qiáng)度較14時(shí)（圖略）明顯增加。地面冷池中心氣流向四周散開(kāi)形成冷出流，暖濕氣流由于受到南嶺阻擋在山前堆積或轉(zhuǎn)向偏西，與冷出流在南嶺附近輻合（紅色方框處），提供有利的動(dòng)力抬升條件，MCSs 前端的羅殼山、滑石山附近觸發(fā)新對(duì)流，形成前向傳播（圖12c）。經(jīng)過(guò)24.3 °N 清遠(yuǎn)一帶的雷達(dá)反射率、假相當(dāng)位溫與風(fēng)場(chǎng)（圖12b）可以看出,112～114 °E處的800～700 hPa及550～500 hPa中高層存在明顯波動(dòng)（紫色方框），促使新生對(duì)流垂直發(fā)展。此外，中層750～650 hPa 高度處相對(duì)干核區(qū)L卷入暖濕區(qū)N，條件性不穩(wěn)定層結(jié)有所提高。在有利的近地層輻合與中層波動(dòng)的動(dòng)力抬升機(jī)制下，更多不穩(wěn)定能量得以釋放，前端新對(duì)流產(chǎn)生。

圖12 CMA-GD模式27日15:00氣溫(填色，單位：℃，L為冷池)、地面風(fēng)場(chǎng)(流場(chǎng)) (a)；經(jīng)24.3°N雷達(dá)反射率(填色，單位：dBZ)、假相當(dāng)位溫(等值線(xiàn)，單位：K)與風(fēng)速(ω×10；單位：m/s) (b)；地形與雷達(dá)反射率(c)

綜上所述，MCSs的前向傳播與后向建立的機(jī)制存在差異。暖濕氣流受中β尺度次級(jí)環(huán)流上升支的抬升作用，引發(fā)新對(duì)流發(fā)生發(fā)展，形成對(duì)流的后向傳播。由于強(qiáng)降水拖曳作用，850 hPa 以下轉(zhuǎn)為下沉氣流，形成冷出流，致使近地面出現(xiàn)800 m厚度的冷池并與后部925 hPa以上暖濕入流疊加，促使新對(duì)流單體的產(chǎn)生與維持，建立后向傳播機(jī)制。而前向傳播機(jī)制主要由于影響系統(tǒng)產(chǎn)生MCSs后地面形成冷池出流，與受南嶺阻擋的暖濕氣流輻合，提供動(dòng)力抬升機(jī)制，造成前端對(duì)流觸發(fā)。中高層動(dòng)力波動(dòng)條件與中層相對(duì)干冷空氣卷入暖濕區(qū)分別造成前向傳播新生對(duì)流的垂直發(fā)展與更多不穩(wěn)定能量的釋放，使得前向傳播機(jī)制得以維持。

7 結(jié) 論

本文利用常規(guī)和非常規(guī)資料及再分析資料，結(jié)合高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式分析2020年3月27日華南前汛期出現(xiàn)的一次典型鋒前暖區(qū)暴雨過(guò)程的環(huán)境條件、中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織特征與觸發(fā)發(fā)展條件，主要結(jié)論如下。

（1）暖區(qū)暴雨持續(xù)超過(guò)15 h，500 hPa高空槽、200 hPa 西風(fēng)急流與鋒前低槽等系統(tǒng)的有利配置且穩(wěn)定少動(dòng)是其暴雨長(zhǎng)時(shí)間維持的重要原因。低空急流的持續(xù)增大為對(duì)流發(fā)生發(fā)展提供了有利的水汽和能量。

（2）此次暖區(qū)暴雨出現(xiàn)了三個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS-A、MCS-B和MCS-C。隨著自由對(duì)流高度降低與CIN 抑制能量減小及CAPE 增大，1 區(qū)MCS-A、MCS-B 對(duì)流在地面得以觸發(fā)，而2 區(qū)1 500 m高度處風(fēng)速輻合提供了動(dòng)力條件。

（3）MCS-A 與MCS-B 呈現(xiàn)前向與后向傳播，MCS-C 以后向傳播為主。MCSs 除了形成“列車(chē)效應(yīng)”外，MCS-B與MCS-C內(nèi)部分別形成“列車(chē)帶效應(yīng)”，即存在多條多對(duì)流單體組成的南北向平行排列的短雨帶先后沿著老對(duì)流雨帶向東移動(dòng)。降水期間，MCS-A 與MCS-B 多次分裂與重組，重組后轉(zhuǎn)為線(xiàn)狀對(duì)流/層云伴隨的形態(tài)后再次分裂，呈東北-西南向平行排列向東南沿海移動(dòng)，構(gòu)成“列車(chē)帶效應(yīng)”。

（4）MCSs 的前向傳播與后向建立的機(jī)制存在差異。暖濕氣流受中β尺度次級(jí)環(huán)流上升支的抬升作用，引發(fā)新對(duì)流發(fā)生發(fā)展，形成對(duì)流的后向傳播。同時(shí)由于強(qiáng)降水拖曳作用，下沉氣流形成一定厚度冷池后并與暖濕入流疊加，也影響到對(duì)流的后向傳播。而前向傳播機(jī)制主要是MCSs 生成后在地面形成冷出流，與近地層偏南暖濕氣流輻合使得對(duì)流在前端觸發(fā)，中高層波動(dòng)與相對(duì)干冷空氣卷入暖濕區(qū)使得前向傳播機(jī)制得以維持。

此次暖區(qū)暴雨過(guò)程存在復(fù)雜的MCS的分裂或重組，且模式預(yù)報(bào)降水開(kāi)始時(shí)間較實(shí)況偏晚，為準(zhǔn)確提供決策服務(wù)與及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息造成困難。上述研究分析結(jié)果一方面對(duì)暖區(qū)暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)組織特征與觸發(fā)發(fā)展機(jī)制提供理論支撐，另一方面對(duì)主觀訂正數(shù)值模式預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。