2017年梅汛期致災性暴雨的風廓線圖表現特征分析

趙賢產 戴紅星 毛劍飛

(義烏市氣象局,浙江 義烏 322000)

0 引 言

暴雨是降水強度很大的雨,雨勢傾盆[1]。根據暴雨量值的相關規定,這里定義“致災性暴雨”為“12 h內降雨量≥50 mm”,是指具有災害危險性和短時突發性特點的暴雨：一是必須達到暴雨預警信號標準；二是降水的累積量達到大范圍暴雨,或僅單站達到暴雨量級。

風廓線雷達能夠探測其上空風向、風速等分布變化情況,是具有一定時間和空間分辨率的精細化產品,是對常規探空資料的有效補充。目前風廓線資料在強對流和降雪等天氣過程中有著廣泛的應用,如李妙英等[2]認為水平風羽圖和垂直風速度產品在強降水過程中的監測和短臨預報中具有重要作用；董保舉等[3-4]研究認為能清楚地反映降水的開始、結束以及降水的強度；李改琴等[5]認為若低層風場切變大,風場從低層到高層有規律的一致順轉,這種風場有利于有組織的強風暴的生成；王令等[6]認為當低空急流加強,或有擾動生成,高空有波動、尤其是3～6 km的中層冷入侵,對短時強降水預報起到重要提示作用。但在梅汛期間暴雨方面的研究文獻較少。

義烏國家基本氣象站從2010年9月開始建有風廓線雷達,該資料在本地化的應用方面雖然有一些研究[7-9],但目前尚未達到日常業務應用程度,主要是不同天氣類別的應用模式尚未完善建立。對2017年6月梅雨期間出現于義烏測站的3次致災性暴雨過程,分析風廓線圖上的特征,將有助于建立梅汛期致災性暴雨的應用模式,以提高提前預警服務之水平。這里采用中國航天科工二院23所研制的CFL-03型大氣邊界層風廓線雷達連續探測數據,主要探測其測站上空0～6 km高度范圍內水平方向的風向風速、垂直氣流和大氣折射率結構常數等資料,表1給出了其主要技術參數。

表1 CFL-3型大氣邊界層風廓線雷達主要性能參數

1 暴雨強度特點

2017年6月的義烏正值梅雨期間,義烏測站先后于11日、13日和24日降下3場致災性暴雨：第一場是6月11日7—16時9 h降水量達72.0 mm,最大小時雨強25.0 mm(9—10時),最大分鐘雨強達2.2 mm(8:03)；第二場是6月13日4—12時8 h降水量達71.4 mm,最大小時雨強達13.6 mm(8—9時),最大分鐘雨強達1.1 mm(11:31)；第三場是6月24日9—16時7 h降水量達50.4 mm,最大小時雨強達15.6 mm(13—14時),最大分鐘雨強達1.1 mm(13:44)。3次過程均達到短時強降水量級和暴雨預警信號標準,在梅雨期間的義烏歷史上發生類似暴雨強度并不多見。

2 天氣形勢分析

高空500 hPa副高脊線始于9日20時北抬至20°N,588線在浙江南部地區,在其北側大部分地區呈偏西氣流,同時在北部地區有大型冷渦系統,冷渦的西側是呈NW—SE走向的華北高壓脊,屬于較為典型的梅雨環流形勢[10]；10日08時副高減弱東撤,低層華西有低渦與暖切配合；20時后隨著低渦和地面氣旋入海,后部有冷空氣南下,切變線變冷切南壓,輻合加強,后半夜暴雨帶開始影響浙中地區。11日08時500 hPa北方大部分地區轉為NW氣流,并多短波東移,副高略減弱南撤,暴雨帶南壓并呈東西向分布影響義烏測站附近；20時起至12日20時隨著低層850 hPa冷式切變東移南壓后轉為暖式切變東伸影響,降水強度相對較弱,義烏測站僅降大雨,未達致災性暴雨量級。

12日20時500 hPa有低槽東移南壓,588線南壓到福建中南部地區,浙中地區處于SW氣流和NW氣流匯合區域,有充沛水汽并呈東西窄向分布。受中低層熱帶氣旋“苗柏”在廣東登陸北上(后經江西南部到福建減弱消失)的影響,低層850 hPa切變兩側的輻合加強明顯,熱帶云系帶來的水汽與西風帶水汽匯合于浙中地區,測站于后半夜開始又出現強降水。13日08時850 hPa暖式切變在浙中一帶,925 hPa切變在浙中,呈準東西向,并由冷式轉為暖式,其北側的偏東氣流強盛,造成暴雨云團不斷東移影響。隨著中低層切變的進一步南壓到浙南地區,暴雨帶也南壓,測站的降水強度明顯減弱。

這兩次暴雨也可從8—18日期間沿120°E的高度、風場ECWMF資料中可看出,浙中地區的切變兩側風場輻合明顯加強是較易產生致災性暴雨因素之一(圖1)。

圖1 2017年6月8日20時至18日期間沿120°E的高度、風場ECWMF資料

23日08時仍處于梅雨帶之中,在中高緯度500 hPa有東北冷渦東移南壓,副高略有減弱東退；700 hPa風速≥26 m/s和850 hPa風速≥16 m/s的SW氣流加強,風向輻合,濕區收窄；24日08時隨著500 hPa高空冷渦東移南壓,700 hPa切變呈NE—SW走向,WSW氣流進一步增強,850 hPa暖式切變在浙北地區,925 hPa暖式切變在浙中地區,測站雨勢增強；24日20時隨著高空冷渦進一步南壓,副高減弱東撤,梅雨帶東移南壓,測站降水明顯減弱。

從以上分析表明,義烏測站致災性暴雨過程的大氣環流有個共同特點,就是高低空南北各有大型天氣系統同步影響測站上空,中低層低壓(渦)切變有明顯風場輻合,特別是SW暖濕急流明顯加強,充沛與深厚的水汽向測站上空輸送,降水系統東移南壓較為緩慢時易出現梅汛期暴雨,但是降水系統北抬時很少達到致災性暴雨量級。

3 風場變化對致災性暴雨的影響

3.1 第一場致災性暴雨風場特征

由風廓線圖可知,暴雨發生前約3 h(11日5:00前),自地面至6000 m上空為一致的偏西風控制,其中近地面層為西南偏西風,隨高度由偏西風轉到2500 m處的西北風,說明風向順轉,中心風速最大達≥12 m/s,為強暖平流；2500～3500 m高度有逆轉,中心風速減小到4 m/s,為弱冷平流；之上至6000 m風向順轉,中心風速最大達≥20 m/s,為強暖平流,該時次的上下層有多次冷、暖平流層結構,不利于對流云團發展,測站僅降小雨。自5:00之后(圖2),在500 m高度附近出現風向不連續的冷式層(維持至暴雨強度減弱的17時之后),該層之下風速一般較小,風向開始無規則,之后呈偏北風為主。在500 m高度附近的冷式層之上,6:24開始至7:30在500～2500 m高度的風向為先由上而后下轉為西南風,風速明顯加大,說明低層暖濕氣流層加厚并加強輸送到測站上空,同時2500 m之上的大風區高度降低,甚至≥20 m/s風速降到1500 m高度,有利于暴雨云團的發生發展。實況是測站北部地區暴雨云團東移影響,7時之后暴雨云團(小時雨強達≥5 mm)南壓開始影響到測站。

圖2 2017年6月11日風廓線圖(上)與6 min雨量柱形圖(下),時間從右向左(時間分辨率為6 min,垂直高度單位:m,雨量單位:mm)

暴雨云團影響后,在7:00—17:00的1000～3500 m高度間多次出現偏西風與偏東風達180°方位變化；其中在7:30—10:30不斷有暴雨云團經過測站上空,風向轉換,實況降水強度最強,3 h降水量達43.5 mm。另外在11:00—14:10之間各暴雨云團在測站南部地區由西向東移動,測站地處其北部,偏東風風向不變；其中在1000～1500 m高度間隨冷暖切變轉換與南北擺動,上下層的冷暖平流多次變化,輻合不強；在3000 m高度附近配合有輻散場,說明暴雨云團的質心層次較低,實況降水減弱。14:10之后雖有幾個暴雨云團中心經過測站附近,但暖濕氣流偏弱,上下層結構不利于暴雨云團發展,降水強度不強,實況12:00—16:00之間的測站的最大小時雨強僅5～8 mm。在17:00之后,500～6000 m高度上下層均轉為偏西氣流,輻合減弱,測站降小雨,暴雨云團影響基本結束。

從以上分析表明,冷式層面出現在500 m附近,地面有冷空氣入侵,低層W風的加強和暖平流的輸送,使得暴雨發生前數小時低層能量累積；高空500 hPa急流動量向下傳遞,850 hPa的SW暖濕急流的迅速加強,為暴雨云團的發生發展提供充沛的水汽和動力條件。

3.2 第二場致災性暴雨風場特征

同樣由圖3可知,暴雨發生前1 h(即6月13日3:24前),自地面至6000 m上空為一致的偏W風控制,近地面層至1500 m上空呈WNW風,隨高度略有逆轉,冷平流,1500～2000 m高度有急流,隨高度略順轉,強暖平流,實況降水偏弱。3:24之后在500 m高度附近又出現風向不連續的冷式層。3:24—4:12在500～3500 m高度的風向為先由下而后上轉為SW風,說明低層暖濕氣流加強并輸送到測站上空；4500 m以上的大風區高度降低,有利于暴雨云團發生發展,實況是自西向東呈帶狀降水主體云團先在測站南部地區東移,隨后加強并向北移動,移速減緩,暴雨云團(小時雨強達≥5 mm)開始影響到測站。

暴雨云團影響后,同樣在1000～3000 m高度間多次在4:30、6:54、8:30、11:30前后出現偏西風與偏東風呈180°方位的變化,實況是5時、9時、12時的正點小時雨強達12～13 mm,6—9時計3個小時降水量達30.3 mm。另外在9—11時和12時后在1000～1200 m高度間隨冷暖切變轉換與南北擺動,冷暖平流多次變化,該層次有輻合,2500～3000 m高度附近有輻散,說明暴雨云團的質心層次較低,實況降水強度減弱。15:00之后暴雨云團在測站北部地區較遠處東移,測站暴雨云團影響基本結束。

圖3 2017年6月13日風廓線圖(上)與6 min雨量柱形圖(下),時間從右向左(時間分辨率為6 min,垂直高度單位:m,雨量單位:mm)

3.3 第三場致災性暴雨風場特征

同樣分析圖4可知,在500 m高度附近轉變為暖式面,該層之下的風速比前二次暴雨過程大,大多呈偏S風,其中在10:42之前先是由地面SE風,向上轉為SW風,逐漸在10:42之后轉為上下一致的SW風。暴雨發生前的4 h(即24日5:00前)開始,上下層為一致的偏W風控制,且暖、冷平流變化多次,實況降小雨；至8:00前后,在5000 m高度以上的急流風速向下傳遞,1500～2500 m高度間有暖式風向輻合,測站降水增強,9:00前后轉上下一致SW氣流,此時暴雨云團開始影響到測站。11:00前后在1500～2500 m高度間由暖式風向輻合轉為冷式風向輻合,≥20 m/s的SW急流風速已向下傳遞至2800 m高度,低層1200～2300 m高度的偏北風增強,2300 m高度以上持續SW風,測站降水最強(11—14時的3 h降水量達31.1 mm)。15:00之后,SW氣流偏弱,1500～2500 m高度的偏N風加強,測站的暴雨過程結束(云團主體在測站的偏南位置自西向東移動)。

圖4 2017年6月24日風廓線圖(上)與6 min雨量柱形圖(下),時間從右向左(時間分辨率為6 min,垂直高度單位:m,雨量單位:mm)

4 結 語

“致災性暴雨”是表示具有災害危險性和短時突發性特點；風廓線雷達是具有一定時間和空間分辨率的精細化產品,是對常規探空資料的有效補充,尤其是暴雨過程中的風場變化特征值得預報員深入研究總結分析。梅雨期間出現于義烏測站的致災性暴雨過程中在風廓線圖上的表現特征有如下特點。

4.1義烏梅雨期間出現3次致災性暴雨,在其歷史上并不多見；從雨強來看,梅雨期的致災性暴雨雨強難以與強對流性暴雨相比較,屬于非突發性的“致災性暴雨”,但由于降水時間長,累積量大,容易造成災害。

4.2500 hPa副高588線呈北抬與南壓的變化前后,北方地區有大型冷式系統帶來冷空氣南下,南北兩支強氣流輻合于測站附近上空的總體形勢之下,中低層有冷暖切變先后相互轉換,若降水系統東移南壓移動較為緩慢時易出現梅雨期間的致災性暴雨；在北抬時很少達到致災性暴雨量級。

4.3風廓線圖上,致災性暴雨期間在500 m高度附近有冷(暖)式層,中低層冷(暖)式層隨切變線變化而相互轉換,風向隨高度順(逆)有多次轉換,這與強對流性暴雨的風場表現明顯不同；中低層以上的風速明顯加大且大風區高度降低時,有利于暴雨云團發生發展。若有多個暴雨云團中心經過測站上空時,有一定厚度的偏西(東)風向轉換可達180°；梅汛期暴雨云團的質心較低。

參考文獻：

[1] 丁一匯.高等天氣學[M].北京:氣象出版社,1991.

[2] 李妙英,胡明寶,陳楠,等.風廓線雷達資料在一次強降水天氣過程中的分析應用[J].成都信息工程學院學報,2013,28(1):24-28.

[3] 董保舉,付志嘉,李明,等.風廓線雷達資料在暴雨天氣過程特征分析中的應用[J].氣象科技,2012,40(1):74-78.

[4] 董保舉,劉勁松,高月忠.基于風廓線雷達資料的暴雨天氣過程分析[J].氣象科技,2009,37:411-415.

[5] 李改琴,許慶娥,吳麗敏,等.一次龍卷風天氣的特征分析[J].氣象,2014,40(5):628-636.

[6] 王令,王國榮,孫秀忠,等.應用多種探測資料對比分析兩次突發性局地強降水[J].氣象,2012,38(3):281-290.

[7] 戴紅星,陳柏堃.義烏強對流大風在風廓線上的表現特征.第十二屆長三角氣象科技論文集,2015.

[8] 符仙月.利用風廓線雷達資料對比分析兩次暴雨過程.閩浙贛皖軍隊地方氣象聯防協會第四十屆年會論文集,2012.

[9] 趙賢產，戴紅星.2015年“燦鴻”“蘇迪羅”臺風影響風力在風廓線上的表征.第十二屆長三角氣象科技論文集,2015.

[10] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理和方法[M].北京:氣象出版社,1983:281-288.