浙北地區(qū)一次局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程成因分析

摘 要：針對(duì)2023年8月28日浙江北部舟山地區(qū)強(qiáng)對(duì)流過程中短時(shí)強(qiáng)降水成因，利用自動(dòng)站資料、雷達(dá)資料、風(fēng)廓線資料、ERA5再分析數(shù)據(jù)及多普勒天氣雷達(dá)資料，對(duì)比分析了此次過程中2個(gè)階段的短時(shí)強(qiáng)降水實(shí)況、環(huán)流形勢、水汽條件、熱力動(dòng)力條件，為今后預(yù)報(bào)該類短時(shí)強(qiáng)降水提供參考。

關(guān)鍵詞：短時(shí)強(qiáng)降水；環(huán)流形勢場；地面鋒面；差分相位常數(shù)KDP

中圖分類號(hào)：P426.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）09–0-03

2023年8月28日14：00—8月29日07：00，受到雷暴云團(tuán)的影響，舟山地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水過程，過程風(fēng)力以6～7級(jí)風(fēng)為主，局部4個(gè)站出現(xiàn)了8級(jí)及以上雷雨大風(fēng)。此次過程強(qiáng)度強(qiáng)，范圍廣，短時(shí)降水效率高，過程持續(xù)時(shí)間長，濕性強(qiáng)對(duì)流特征明顯。根據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水空間分布的不同，將此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程分為2個(gè)階段對(duì)比分析：第一階段發(fā)生在14：00～17：00，以局地性短時(shí)強(qiáng)降水為主，小時(shí)降水量最大值出現(xiàn)在舟山西側(cè)31.7 mm/h（瀝港站），個(gè)別站出現(xiàn)了8級(jí)雷雨大風(fēng)；第二階段發(fā)生于19：00至翌日01：00，以大范圍短時(shí)強(qiáng)降水為主，短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度中心從北到南呈條帶狀分布，其中，小時(shí)降水量最大值出現(xiàn)在舟山北側(cè)85.4 mm/h（馬廊礁站），與第一階段相比，短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度大，空間分布范圍廣，持續(xù)時(shí)間長。

1 大尺度環(huán)流背景分析

2023年8月28日14：00，500 hPa形勢場上舟山位于低壓槽前正渦度平流區(qū)，副高強(qiáng)盛與海上2309號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“蘇拉”共同作用，阻礙低壓槽快速東移。700、850 hPa上在舟山位于冷切東側(cè)強(qiáng)盛西南急流（速度為16～20 m/s）。19；00溫度脊加強(qiáng)北伸顯著，相對(duì)濕度加強(qiáng)，850 hPa濕舌一直處于寧波—舟山—上海一帶，舟山處于大氣高能高濕狀態(tài)。低壓中心隨著高度下降向東南方向偏移，槽線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從低層到高層接近垂直，略呈后傾槽形態(tài)，這樣的結(jié)構(gòu)配置加大了斜壓性動(dòng)力的不穩(wěn)定性。

19：00以后地面鋒面東移過境，有利于觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流過程。第一階段強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在西南氣流暖區(qū)，低層弱冷空氣觸發(fā)，該階段的環(huán)流場配置與低空暖平流強(qiáng)迫類強(qiáng)對(duì)流概念模型相似，該類型的強(qiáng)對(duì)流多以短時(shí)強(qiáng)降水為主，有時(shí)伴有雷雨大風(fēng)；冷暖平流導(dǎo)致的斜壓鋒生、低層鋒面附近強(qiáng)烈輻合抬升形成的動(dòng)力強(qiáng)迫是第二階段強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的主要原因，與斜壓鋒生類強(qiáng)對(duì)流概念模型相似。但第二階段強(qiáng)對(duì)流與概念模型的不同之處在于環(huán)流形勢場中低渦位置偏北，高層冷平流影響較弱，導(dǎo)致斜壓鋒生較小，因此，該階段以短時(shí)強(qiáng)降水為主，雷雨大風(fēng)出現(xiàn)的可能性較小。第二階段與第一階段相比，低層抬升觸發(fā)條件更有利于強(qiáng)對(duì)流的不斷生成，低層充沛的水汽條件更有利于短時(shí)強(qiáng)降水的形成。

2 物理量場分析

許多研究表明，水汽、不穩(wěn)定和抬升是形成強(qiáng)對(duì)流的3個(gè)有利條件，分別通過分析不同物理量揭示不同階段強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的原因[1-11]。

假相當(dāng)位溫是表征大氣溫濕特征的物理量。舟山地區(qū)在2023年8月28日17：00以后，假相當(dāng)位溫在330 K以上，大氣的濕斜壓性較強(qiáng)。舟山地區(qū)午后已出現(xiàn)30 ℃高溫，前期高溫導(dǎo)致近地層的高能存在。8月28日14：00，850 hPa上假相當(dāng)位溫梯度密集區(qū)在寧波地區(qū)，16：00梯度密集區(qū)西移至舟山西側(cè)，20：00以后梯度密集區(qū)位于舟山地區(qū)，說明高能區(qū)斜壓不穩(wěn)定環(huán)境有利于強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生和維持，同時(shí)舟山地區(qū)第二階段比第一階段能量條件要好，更有利于強(qiáng)對(duì)流維持（圖1）。

8月28日的舟山探空圖顯示，整層大氣溫度露點(diǎn)差較小，空氣相對(duì)濕度高，濕層很厚，垂直風(fēng)切變較小，有利于短時(shí)強(qiáng)降水類的強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生。14：00探空圖上出現(xiàn)了小喇叭口型（DCAPE為-100 J/kg），有利于產(chǎn)生局地雷暴大風(fēng)（第一階段在舟山西側(cè)出現(xiàn)短暫的8級(jí)風(fēng)）。14：00對(duì)流有效位能（CAPE）為647 J/kg，經(jīng)過定海本站溫度、濕度訂正，CAPE值上升至2 629 J/kg，抬升指數(shù)（LI）為-7 ℃，表明大氣層結(jié)處于很不穩(wěn)定狀態(tài)。從垂直風(fēng)場分析，低層風(fēng)隨高度出現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有弱冷平流強(qiáng)迫大氣抬升，中高層統(tǒng)一為西南暖濕氣流，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的能量條件。抬升凝結(jié)高度（LCL）為906 hPa，表明暖云層厚度大。結(jié)合地面實(shí)況風(fēng)場圖，14：00～17：00，低層不斷有弱冷空氣滲透，觸發(fā)了寧波舟山地區(qū)的熱對(duì)流。20：00，隨著第一階段強(qiáng)對(duì)流能量釋放，對(duì)流有效位能減小，但K指數(shù)仍達(dá)到36 ℃，水汽條件比14：00的要好，為第二階段發(fā)生強(qiáng)對(duì)流過程提供了良好的水汽能量條件。20：00垂直風(fēng)場低層為西北風(fēng)，高層為西南風(fēng)，冷暖空氣交匯為第二階段對(duì)流過程提供了能量條件。18：00以后，鋒面由西向東移動(dòng)影響舟山地區(qū)，鋒面附近斜壓不穩(wěn)定最大，為舟山第二階段強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生提供了動(dòng)力抬升和對(duì)流觸發(fā)條件。

當(dāng)本地有足夠多的水分且有水汽源源不斷地輸入才能形成強(qiáng)降水，充沛的水汽條件是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生和持續(xù)的必要條件之一。通過計(jì)算水汽通量和水汽通量散度進(jìn)一步分析兩個(gè)階段短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間的不同。14：00強(qiáng)對(duì)流過程發(fā)生前，水汽通量輻合中心位于寧波地區(qū)，輻合中心的水汽通量散度為-0.6×10-8 g/（s·hPa·cm2）。14：00后輻合中心逐漸向舟山西側(cè)移動(dòng)的同時(shí)，強(qiáng)度增加，此時(shí)舟山西側(cè)為負(fù)的水汽通量散度，東側(cè)為正的水汽通量散度。結(jié)合地面降水實(shí)況可知，舟山西側(cè)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在16：00～17：00，降水大值中心與水汽通量散度強(qiáng)中心相對(duì)應(yīng)。18：00以后輻合中心強(qiáng)度逐漸減弱，降水逐漸停止。20：00，水汽通量輻合中心向東移位于舟山地區(qū)，強(qiáng)度與14：00比略有加強(qiáng)，水汽通量散度為-3×10-8 g/（s·hPa·cm2）。同時(shí)，在舟山附近有2條強(qiáng)的水汽輸送帶，一條位于舟山西南側(cè)，西南氣流將南海水汽源源不斷輸送；另一條位于舟山東南側(cè)，東南偏南氣流將南側(cè)臺(tái)風(fēng)中水汽輸送至舟山地區(qū)。因此，第二階段水汽輸送條件優(yōu)于第一階段，為短時(shí)強(qiáng)降水維持提供了充沛的水汽條件。

為了進(jìn)一步分析兩個(gè)階段短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)展的不同，分析短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前后垂直速度的剖面。在17：00前，舟山地區(qū)存在垂直上升速度0.2 m/s，低層925 hPa相對(duì)濕度大，因此，14：00～17：00強(qiáng)的局地上升速度，低層超低空急流帶來高能高濕，有利于午后熱對(duì)流的生成。17：00～18：00相對(duì)處于一個(gè)無擾動(dòng)的垂直狀態(tài)，導(dǎo)致對(duì)流過程無法持續(xù)直至減弱消散。18：00以后，舟山地區(qū)整層相對(duì)濕度均＞80%，水汽增強(qiáng)。下沉氣流中心高度偏低，下沉速度中心值為-0.8 m/s，強(qiáng)的下沉速度有利于將高層的水汽輸送至低層，同時(shí)后期水汽也源源不斷補(bǔ)充。隨著鋒區(qū)由西向東移動(dòng)，高層弱的冷空氣補(bǔ)充，鋒區(qū)附近強(qiáng)對(duì)流也隨鋒區(qū)一起移動(dòng)，好的動(dòng)力抬升條件與水汽條件相互配合，更有利于強(qiáng)對(duì)流的不斷生成和短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生。

4 雷達(dá)特征分析

8月28日14：00，地面鋒區(qū)未到舟山地區(qū)，但低層有弱的冷空氣向下滲透觸發(fā)對(duì)流。14：00后，雷達(dá)回波反射率顯示，大陸上對(duì)流不斷生成，并從杭州灣東移單體A2入海影響舟山南側(cè)地區(qū)，南側(cè)寧波鎮(zhèn)海北侖地區(qū)單體B、北側(cè)上海地區(qū)單體A1不斷有新的對(duì)流出現(xiàn)。

單體A2東移入海，海上摩擦較小，同時(shí)在16：00速度圖上出現(xiàn)了局部的風(fēng)向輻合小氣旋，有利于回波的維持和增強(qiáng)。因此，在單體A2東移過程中，不斷向下游南側(cè)增強(qiáng)，與單體B相連，回波呈現(xiàn)帶狀型。17：00，單體B隨著地面氣溫下降，加上高層能量沒有及時(shí)向下補(bǔ)充，單體B強(qiáng)度不斷減弱，帶狀回波逐漸斷開，單體A2隨著低層低壓系統(tǒng)向東北移動(dòng)，在舟山金塘附近成熟到逐漸消亡。由16：40的反射率因子剖面圖可以看到，單體A2最大反射率因子超過50 dBz，垂直風(fēng)切變相對(duì)較弱，對(duì)流單體垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為塔狀結(jié)構(gòu)，垂直對(duì)流發(fā)展旺盛。大值區(qū)位于低層，對(duì)流強(qiáng)單體A2呈典型的低質(zhì)心降水特征，屬于典型的熱帶海洋型。單體A1回波對(duì)應(yīng)小時(shí)最大降水達(dá)31.7 mm（瀝港站）。17：00以后回波減弱，對(duì)流性降水逐漸停止。此階段短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生主要和對(duì)流單體向下游傳播的方向與雨帶移動(dòng)方向角度較小有關(guān)。

19：00，在高層系統(tǒng)的引導(dǎo)下，地面鋒面系統(tǒng)自東向西移動(dòng)，強(qiáng)對(duì)流在鋒面附近持續(xù)觸發(fā)。19：00～21：00，從北到南分散性回波單體處于發(fā)展階段。21：00以后隨著回波東移，分散的回波單體C1、C2進(jìn)一步發(fā)展，走向與鋒面一致呈帶狀，平流矢量呈現(xiàn)由西北向東南方向，而寧波北侖地區(qū)不斷有新的單體C2生成。由于高層引導(dǎo)系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，帶狀回波移動(dòng)方向與雨帶夾角很小，形成“列車效應(yīng)”。23：00回波反射率因子圖上，帶狀回波寬度、面積逐漸變大，回波最大強(qiáng)度達(dá)60 dBz，舟山地區(qū)從東到西產(chǎn)生強(qiáng)降水。隨著主導(dǎo)風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)西北風(fēng)，整個(gè)中低層都被冷空氣占據(jù)，地面輻合線東移入海，回波東移消散減弱，“列車效應(yīng)”結(jié)束，對(duì)流型降水轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定系統(tǒng)性降水。此階段，持續(xù)時(shí)間長，短時(shí)強(qiáng)度大，小時(shí)最大降水量85.4 mm（馬廊礁站）。

在多普勒雷達(dá)產(chǎn)品中，差分相位常數(shù)KDP是沿著徑向單位距離上的傳播微差相移，主要用于強(qiáng)降水區(qū)域的識(shí)別。第一階段強(qiáng)對(duì)流17：00雷達(dá)反射率因子大值區(qū)出現(xiàn)在舟山金塘和寧波北侖區(qū)域，差分相位常數(shù)KDP大值區(qū)和地面小時(shí)雨強(qiáng)最大值均出現(xiàn)在舟山金塘西北側(cè)，KDP最大值達(dá)到6°/km。第二階段強(qiáng)對(duì)流21：00雷達(dá)反射率因子大值區(qū)、差分相位常數(shù)KDP大值區(qū)、地面小時(shí)雨強(qiáng)大值區(qū)出現(xiàn)在定海西側(cè)、岱山南側(cè)、嵊泗南側(cè)區(qū)域，KDP最大值達(dá)到7°/km。差分相位常數(shù)KDP大值區(qū)（ 0.5°仰角） 與地面上小時(shí)雨強(qiáng)極大值中心存在較好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，反射率因子與小時(shí)雨強(qiáng)呈正相關(guān)。

5 結(jié)論

（1）此次強(qiáng)對(duì)流過程發(fā)生在環(huán)流形勢為垂直后傾結(jié)構(gòu)下，鋒面、冷空氣和西南暖濕氣流共同作用產(chǎn)生的。探空圖舟山地區(qū)K指數(shù)為36 ℃，LI 為-7 ℃，CAPE高峰值為2 629 J/kg，濕層厚，表明整層大氣非常不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)對(duì)流短時(shí)強(qiáng)降水天氣發(fā)生。

（2）8月28日的短時(shí)強(qiáng)降水過程出現(xiàn)了持久并且由兩種不同觸發(fā)和維持過程：第一階段14：00～17：00，由午后暖區(qū)熱對(duì)流、強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)、低層冷空氣滲透觸發(fā)產(chǎn)生，持續(xù)時(shí)間短，降水效率高，局地降水明顯；第二階段19：00～23：00，高空切變東移南壓，引導(dǎo)地面弱冷鋒東移，水汽充沛，強(qiáng)對(duì)流在鋒面附近不斷觸發(fā)生成，副高和臺(tái)風(fēng)阻擋系統(tǒng)移動(dòng)慢，持續(xù)時(shí)間長，舟山大范圍地區(qū)出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水。

（3）強(qiáng)水汽通量和水汽通量散度為第二階段短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長提供了良好的水汽條件。同時(shí)，高的假相當(dāng)位溫的斜壓不穩(wěn)定環(huán)境有利于對(duì)流單體的產(chǎn)生。

（4）此次過程2個(gè)階段對(duì)流單體均呈典型的低質(zhì)心降水特征，屬于熱帶海洋型。第一階段短時(shí)強(qiáng)降水由發(fā)展旺盛的對(duì)流單體向下傳播產(chǎn)生，第二階段多個(gè)對(duì)流單體產(chǎn)生“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。

（5）中差分相位常數(shù)KDP大值區(qū)與地面上小時(shí)雨強(qiáng)極大值中心在此次過程中存在較好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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收稿日期：2024-06-23

作者簡介：孫軼（1991—），女，江蘇宜興人，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ髿庀箢A(yù)報(bào)與服務(wù)。#通信作者：傅娜（1988—），女，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ髿庀箢A(yù)報(bào)與服務(wù)，E-mail：13087038281@163.com。