長樂區(qū)一次極端暴雨的診斷分析

林麗萱?吳姍?鄭中凱?姚林塔

摘 要：利用2023年7月16—17日探空資料、長樂X波段雷達(dá)資料、常規(guī)地面自動站觀測資料、EC再分析資料和多模式、短時潛勢預(yù)報等資料，針對 7月17日05：00～10：00福州長樂部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生的短時強(qiáng)降水進(jìn)行診斷分析，結(jié)果表明：臺風(fēng)遠(yuǎn)距離倒槽在我國臺灣海峽北部西側(cè)邊界層誘生低渦、地面中尺度輻合線為極端暴雨提供了環(huán)流背景；東風(fēng)波動激發(fā)中小尺度系統(tǒng)、沿岸偏東氣流輻合為極端暴雨提供了對流觸發(fā)機(jī)制和充沛水汽；環(huán)境場滿足低層水汽充沛、濕層深厚和垂直風(fēng)切變較弱，該強(qiáng)降水回波具有典型的低質(zhì)心特征。

關(guān)鍵詞：倒槽；東風(fēng)波；對流機(jī)制；水汽

中圖分類號：P458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

福建是中國受臺風(fēng)影響嚴(yán)重的省份之一，每年平均有1～2個臺風(fēng)登陸[1]，臺風(fēng)帶來的狂風(fēng)暴雨致災(zāi)性極強(qiáng)，給人民生命財產(chǎn)、生產(chǎn)生活造成重大損失。研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)暴雨通常產(chǎn)生在4塊區(qū)域：臺風(fēng)前颮線、臺風(fēng)環(huán)流本體、臺風(fēng)倒槽和臺風(fēng)后[2]。其中，臺風(fēng)倒槽產(chǎn)生的暴雨往往很強(qiáng)，有時甚至超過臺風(fēng)中心暴雨，是臺風(fēng)暴雨分析預(yù)報中的難點(diǎn)。強(qiáng)降水回波與倒槽輻合區(qū)密切相關(guān)，而東北風(fēng)和東南風(fēng)的相互滲透交匯形成的中尺度的氣旋性輻合是產(chǎn)生極端短時強(qiáng)降水的關(guān)鍵系統(tǒng)，低層強(qiáng)輻合上升、高層下沉輻散，為中小尺度系統(tǒng)加強(qiáng)和維持提供動力條件。2023年7月16日夜里至17日早晨，福州晉安區(qū)、長樂區(qū)出現(xiàn)暴雨、大暴雨，局地特大暴雨，過程最大雨量為晉安區(qū)宦溪鎮(zhèn)375.5 mm，強(qiáng)對流天氣特征明顯，降水短急，實(shí)屬罕見。這是一次典型的臺風(fēng)遠(yuǎn)距離倒槽輻合區(qū)產(chǎn)生的局地極端暴雨。下面內(nèi)容以長樂區(qū)降雨特征為例，進(jìn)行物理診斷分析，為防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)累積個例經(jīng)驗(yàn)。

1 降水實(shí)況特征

7月16日夜里到17日白天，長樂區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，局部大暴雨，統(tǒng)計16日20：00～17日10：00累計雨量發(fā)現(xiàn)，全區(qū)共有9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）雨量超過50 mm，其中江田鎮(zhèn)、文武砂街道、航城街道雨量超過100 mm，以江田鎮(zhèn)233.8 mm為最大（圖1）。降水時段主要集中于17日05：00～10：00，降水特征表現(xiàn)在有兩個地域性強(qiáng)中心，兩個時間段，局地性明顯，強(qiáng)降水短急，小時雨強(qiáng)大。

其中，一個中心為沿海江田鎮(zhèn)和文武砂街道，降水時段為17日05：00～07：00、08：00～10：00，江田鎮(zhèn)06：00及07：00的小時雨量均超過50 mm，最大小時雨強(qiáng)75.9 mm。

后一時段文武砂街道小時雨強(qiáng)53.3 mm。另一個中心是以老城區(qū)為中心覆蓋周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，強(qiáng)降水時段為17日07：00～09：00，創(chuàng)下本次過程最大小時雨強(qiáng)90.5 mm（航城街道石屏山，高山站），5 min雨強(qiáng)14.8 mm。國家站小時雨強(qiáng)59.1 mm，5 min雨強(qiáng)10.4 mm。降水效率高，時間短急，極端性明顯。

2 環(huán)境場分析

2.1 高度場特征

16日20：00 500 hPa（圖2a），4號臺風(fēng)“泰利”位于南海北部，東北冷渦槽底伸至山東南部至安徽北部一帶，588線東退至沿海，西脊點(diǎn)在長三角沿岸，福建中北部為北偏東氣流，環(huán)境場風(fēng)速小；850 hPa福建沿海中部存在一條東北—東南風(fēng)速、風(fēng)向中尺度輻合帶（圖2b）；17日02：00，地面臺風(fēng)倒槽擴(kuò)展至我國臺灣海峽中南部，福建三明至福州沿海一帶有一條東西向輻合帶，08：00之后輻合帶有所北抬（圖2c）。此次暴雨過程為臺風(fēng)倒槽低層偏東輻合氣流下擾動所致，邊界層（925 hPa以下）NE與SE的風(fēng)向輻合，在福州南部沿海形成水汽輻合中心，夜間海上來的冷濕氣流與陸上暖濕氣流匯合，加劇觸發(fā)對流機(jī)制。另外，中高層輻散，強(qiáng)抽吸作用造成降水高效，量大而快。

2.2 流場特征分析

在有利于強(qiáng)降水的環(huán)境條件下，中氣旋或比中氣旋尺度更大的渦旋均會導(dǎo)致降水增幅[3]。從EC流場上看（圖3），這次暴雨過程是低層福州南部沿海到平潭誘生的低渦環(huán)流北側(cè)偏東氣流輻合所致，無大尺度環(huán)流引導(dǎo)低壓移動，低渦停滯少動。在暴雨能量釋放后，低渦中心逐漸減弱直至消散。

2.3 對流觸發(fā)機(jī)制及水汽來源

強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展主要取決于低層觸發(fā)機(jī)制，充沛的水汽是強(qiáng)降雨形成的重要條件，而水汽的輻合輻散則是暴雨形成的關(guān)鍵[4-5]。16日20：00、17日08：00福州站探空資料顯示（圖4），20：00大氣層結(jié)顯示16日夜里福州上空700 hPa以下各層幾乎飽和，低層暖濕，而700 hPa以上冷干，對流性不穩(wěn)定，只要稍有凝結(jié)（上升或冷空氣）就可以產(chǎn)生明顯的降水。08：00顯示福州上空濕層明顯增厚，存在水汽通量輻合，表明有效降水概率增大。從16日20：00至17日08：00各指標(biāo)變化來看，K指數(shù)從39.1 ℃增長至42.3 ℃，CAPE值從851.6 J/kg升至1 113.3 J/kg的強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展主要取決于低層觸發(fā)機(jī)制，充沛的水汽是強(qiáng)降雨形成的重要條件，而水汽的輻合輻散則是暴雨形成的關(guān)鍵[4-5]。16日20：00、17日08：00福州站探空資料顯示（圖4），20：00大氣層結(jié)顯示16日夜里福州上空700 hPa以下各層幾乎飽和，低層暖濕，而700 hPa以上冷干，對流性不穩(wěn)定，只要稍有凝結(jié)（上升或冷空氣）就可以產(chǎn)生明顯的降水。08：00顯示福州上空濕層明顯增厚，存在水汽通量輻合，表明有效降水概率增大。從16日20：00至17日08：00各指標(biāo)變化來看，K指數(shù)從39.1 ℃增長至42.3 ℃，CAPE值從851.6 J/kg升至1 113.3 J/kg，SI指數(shù)由-2.37 ℃加強(qiáng)到-3.36 ℃。上述指標(biāo)表明，16日夜里福州上空不穩(wěn)定能量在加劇，空氣不穩(wěn)定度持續(xù)增強(qiáng)，為短時降水、強(qiáng)雷暴創(chuàng)造了有利條件。SI指數(shù)由-2.37 ℃加強(qiáng)到-3.36 ℃。上述指標(biāo)表明，16日夜里福州上空不穩(wěn)定能量在加劇，空氣不穩(wěn)定度持續(xù)增強(qiáng)，為短時降水、強(qiáng)雷暴創(chuàng)造了有利條件。

3 雷達(dá)特征

根據(jù)長樂X波段相控陣?yán)走_(dá)資料可以看出（圖5），在第一個強(qiáng)降水時段，強(qiáng)降水中心（江田鎮(zhèn)沿海）存在中-γ尺度系統(tǒng)，沿海有風(fēng)速風(fēng)向輻合；第二個強(qiáng)降水時段長樂中部南北向有輻合線，存在兩個中-γ尺度系統(tǒng)，輻合線西北側(cè)有西北—偏西氣流輻合，東南側(cè)沿海有偏東氣流輻合。由于中高層引導(dǎo)氣流弱，回波單體滯留。7月17日04：30起，長樂西南部與福清交界處及長樂松下鎮(zhèn)有多個對流單體發(fā)展，并向北偏東方向緩慢移動，松下鎮(zhèn)上空單體沿沿海方向向上移至江田鎮(zhèn)上空時，05：00出現(xiàn)滯留現(xiàn)象，最大回波強(qiáng)度在55 dBz以上，對流單體質(zhì)心主要集中在5 km以下，降水效率高。單體中不斷有強(qiáng)回波的發(fā)生與消失，從而造成江田鎮(zhèn)05：00～07：00雨量（2 h雨量）達(dá)142.1 mm。第二個時段08：30～10：00，有多個對流單體發(fā)生發(fā)展，其一長樂西南部回波單體生成，并向北偏東移動發(fā)展，到營前街道、航城街道、吳航街道上空時回波滯留；其二沿海江田鎮(zhèn)回波加強(qiáng)，并伸展至文武砂街道。兩區(qū)域回波最強(qiáng)也在55 dBz 以上，10：00之后強(qiáng)回波本體能量釋放完，降水明顯減少。

4 地形增幅作用

陳潛等[6-7]研究表明，山地通過動力作用和熱力過程使相應(yīng)的空氣層中天氣尺度系統(tǒng)和氣流發(fā)生重大改變，地形產(chǎn)生的垂直速度和風(fēng)場變化對暴雨的動力作用，在同樣天氣形勢下，迎風(fēng)坡的降水量要比其他地區(qū)大，原因在于迎風(fēng)坡受動力強(qiáng)迫抬升、局地輻合輻散及降雨微物理作用的影響，降雨強(qiáng)度要比其他地區(qū)偏大。中小尺度地形通常對降水中心的落區(qū)、落點(diǎn)有著顯著的影響，地形與降雨關(guān)系很密切。長樂區(qū)航城街道石屏山為高山站，海拔640 m，在尺度上屬于中小尺度地形。在對流云團(tuán)移動至該地區(qū)時，由于迎風(fēng)坡的爬升作用，氣流輻合上升，增強(qiáng)上升運(yùn)動。此次第二時段最大雨強(qiáng)在石屏山，說明迎風(fēng)坡地形對強(qiáng)降水增幅起一定的作用。

5 預(yù)警預(yù)報難點(diǎn)分析

從多模式3 h降水預(yù)報來看，各家模式在預(yù)報長樂區(qū)16日夜間降水方面存在分歧，以小雨量級為主，中尺度模式CMA-SH、CMA-GD也未體現(xiàn)暴雨落區(qū)。福建省氣象臺指導(dǎo)的強(qiáng)天氣對流潛勢預(yù)報指出，7月16日20：00～17日08：00，預(yù)報時效內(nèi)福建省西部和沿海局地有30～50 mm/h的短時強(qiáng)降水和7～9級雷雨大風(fēng)，落區(qū)無福州地區(qū)一帶。福建省氣象臺7月17日04：40發(fā)布的短時強(qiáng)天氣報告：預(yù)計未來2 h（04：40～06：40）福州部分市縣有短時強(qiáng)降水，其中福州（連江、鼓樓、閩侯、羅源、晉安、閩清、倉山、馬尾）2 h累計降水可在50～70 mm，同樣未提及長樂的強(qiáng)降水落區(qū)。17日05：19收到福建省氣象臺客觀指導(dǎo)預(yù)報提示，長樂江田鎮(zhèn)過去半小時達(dá)30 mm，實(shí)況局地強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展，這才給當(dāng)班預(yù)報員起到預(yù)警作用。

從上述預(yù)報分析來看，無論是多模式還是省臺客觀指導(dǎo)，都未體現(xiàn)可預(yù)測性，可見此次過程的突發(fā)性和極端性。

6 結(jié)論

在南海北部的臺風(fēng)產(chǎn)生遠(yuǎn)距離的倒槽，引發(fā)我國臺灣海峽北部偏東入口氣流，加上沿岸下墊面摩擦因素，邊界層誘生出低渦，其北側(cè)偏東氣流輻合提供充沛水汽，地面中尺度的輻合線對對流的觸發(fā)和發(fā)展起到增強(qiáng)作用，造成局地強(qiáng)對流天氣，短時降水強(qiáng)急效率高。

探空資料表明，7月16日夜間福州上空對流性不穩(wěn)定，在倒槽東風(fēng)系統(tǒng)中激發(fā)的多個中小尺度對流系統(tǒng)，提供了對流觸發(fā)機(jī)制，沿岸東北與東南氣流的輻合加強(qiáng)對流上升運(yùn)動，并有大量水汽聚集；雷達(dá)回波特征表明低層水汽充沛、濕層深厚和垂直風(fēng)切變較弱的環(huán)境下，對流單體有明顯低質(zhì)心特征，使得降水時短量大；山地地形在同等天氣系統(tǒng)下，降水有一定增幅。

對臺風(fēng)遠(yuǎn)距離倒槽下產(chǎn)生的局地短時極端強(qiáng)降水，在預(yù)警預(yù)報上存在很大難度，需要加大個例累積，加強(qiáng)對這些方面的研究。

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