一次中尺度辐合线引起的暴雨天气过程分析

刘圣楠 吕 健

(金华市气象局,浙江 金华 321000)

0 引 言

暴雨一直是对国家、社会、人民有高影响的自然灾害之一。对暴雨的研究广受国内外学者的关注。突发的、局地的暴雨过程更是对当地经济发展和人民生产生活造成极大威胁。分析暴雨成因和完善暴雨预报的各项指标，提高气象业务部门的暴雨预报技术，显得尤为重要。

暴雨的形成不仅与大尺度形势有关，很多时候，还与中尺度系统有关。杜小玲[1]、陈红专等[2]、孙建华等[3]、李佳颖等[4]的研究表明，中尺度系统在暴雨发生发展的过程中有重要作用。对暴雨成因的分析不能只局限于对大尺度环流场的分析，还要深入分析中尺度系统对暴雨形成的重要作用。

2018年4月29日夜里，金华中部地区出现了暴雨天气，其突发性、局地性、较低的可预报性，让预报员们措手不及。本文利用自动站观测资料和NCEP(美国国家环境预报中心)再分析资料，对此次暴雨过程展开分析，目的是加深对此次暴雨形成原因的理解，以期为未来类似天气的预报提供有价值的参考。

1 降水实况

2018年4月29日15时，金华地区南部出现了弱降水，之后自南向北降水范围不断扩大。如图1所示，此次过程的降水时段主要集中在29日18时—30日07时，之后降水逐渐减弱。

在降水集中时段内，金华中部地区出现了暴雨，其中，中西部地区出现了大暴雨。全市平均面雨量为44.2 mm，累计雨量大于100 mm的站共16个，大于50 mm的站共69个。单站最大累计降水量达140.1 mm；最大小时雨强达32.3 mm/h。

图1 2018年4月29日09时—30日20时金华站逐时雨量演变(单位：mm)

2 天气形势

500 hPa渤海湾—云贵高原的低压槽东移北缩，700 hPa有一条切变线配合东移，随后该切变线由东北—西南向转为东—西向；从500 hPa、700 hPa两层配置来看，20时以后呈前倾结构；850 hPa四川盆地以东的小槽东移减弱。

925 hPa金华地区位于蒙古低压和东海以东洋面高压之间，而在中高纬地区，阿尔泰山脉附近有一高压，鄂霍次克海附近有一低压，两高两低对峙，形成类似鞍形场的结构。鞍形场区气压场很弱，风速很小，但由于流场变形有利于锋生，容易产生中尺度气旋等天气系统，在水汽充足的情况下形成暴雨等天气。在地面气压场上，金华地区处于大陆低压和海上高压之间的近均压场中，暴雨落区的演变显示此次暴雨过程雨带在29日夜里自南向北扩展，在30日早晨逐渐消散。

综上所述，此次暴雨过程的大尺度环境场并不是出现暴雨天气的典型形势，低层没有明显的切变线配合，地面也没有显著的低压波动。在这种情况下依然在金华中部地区出现了暴雨天气过程，究其原因，需进一步分析在此大背景下中小尺度系统的发生、发展对暴雨形成的作用与贡献。

3 风场分析

2018年4月29日20时—30日02时700 hPa、850 hPa的风场演变表明，中低层在暴雨发生时段有两个共同的特点：一是西南风风速加大；二是西南气流带上游南风分量先于下游增大，造成西南气流中的风向、风速的双重辐合。

同时段大气底层925 hPa(图2)，在29日20时和30日02时两个时次，浙中地区存在明显的西南风和偏南风的辐合线，该辐合线水平尺度在100～200 km，生命史约几小时，这是典型的中尺度系统，被称为中尺度辐合线。在暴雨发生时段，底层明显的中尺度辐合线是重要的对流触发机制和动力抬升机制。

大尺度环流场显示，在暴雨发生时段，高层有低槽，中层有槽切缓慢东移，金华地区处于槽前上升运动区，而低层并没有明显的切变对应，只是有一个小槽东移北缩减弱，底层处于类似鞍形场的偏南一侧高、低压之间，地面处于近均压场中；对中低层和底层风场的进一步分析显示，中低层西南风增大和西南气流中风向辐合，对暴雨发生时段的水汽输送和上升运动的维持起到了重要作用，而底层在暴雨发生期间，浙中地区一直存在的中尺度辐合线为暴雨的形成提供了有利的对流触发、动力抬升机制。

图2 925 hPa风场(单位：m/s，虚线方框指示风场辐合区)

4 物理量场分析

为了进一步验证925 hPa中尺度辐合线在此次暴雨过程形成中的重要作用，我们利用NCEP再分析资料，对925 hPa的水平散度场进行分析(图3)。结果表明，江西境内和浙江中西部地区分别存在一个辐合中心(A，B)，并且两片辐合区连接在一起，两个辐合中心均位于925 hPa中尺度辐合线西侧，辐合中心与中尺度辐合线之间必定有密切关系；从29日14时—30日02时，两个辐合中心的强度不断加强，位置稳定少动，而这段时间正是金华地区降水趋于明显并出现暴雨的时段；30日08时，浙江境内的辐合中心(靠东侧的辐合中心B)已移出金华地区，对应着金华地区降水减弱，而江西境内的辐合中心仍然维持，强度有所减弱，对应着该区域仍有降水。

选取距金华站最近的网格点(29°N,119°E)做时间—高度剖面，得到水平散度、垂直速度、水平涡度随时间的垂直分布廓线。由分析可知，从29日傍晚到30日早晨，500 hPa以下为显著的辐合层，500 hPa以上为显著的辐散层，低层辐合、高层辐散的高低配置在暴雨发生时段一直维持，说明大范围的上升运动有较长的持续时间。在暴雨出现时段，水平涡度正值区一直延展至250 hPa的对流层高层，进一步说明了垂直上升运动的强盛，这为暴雨的发生提供了十分有利的大尺度动力条件。

通过分析相对湿度场、水平方向水汽通量散度场及水平方向水汽通量随时间的演变，来研究此次暴雨过程的水汽条件(图4、图5)。结果表明，在暴雨发生时段，相对湿度自底层至250 hPa的高层均超90%，700 hPa以下至近地层都是水汽通量散度的负值区，意味着水汽通量辐合，强烈的上升运动输送水汽至高层，强盛的垂直水汽输送带一直延伸至对流层中高层，促进降水云系发生发展，最终形成此次暴雨。从水平方向水汽通量大值带的演变看出，10g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量区自浙西南向浙中发展移动，说明在暴雨发生时段，水汽十分充足。

图3 925 hPa水平散度场(单位：10-5s-1)

图4 网格点(29°N，119°E)时间—高度剖面图(a.相对湿度场(单位：%)、b.水平方向水汽通量散度场(单位：10-7g·cm-2·hPa-1·s-1))

5 雷达分析

为了进一步研究中尺度辐合线的发生、发展及其与暴雨出现之间的关系，对雷达资料进行分析，发现此次暴雨过程可以根据雷达回波的不同特征分为两个阶段：第一阶段是4月29日18—20时，强降水由一条东—西向带状回波产生；第二阶段是4月29日20—30日07时，强降水由先后5个中尺度对流降水云团的列车效应产生。

第一阶段，从29日傍晚开始，西侧上游的带状混合降水回波东移靠近金华地区，该回波强度稳定，造成金华18—20时的持续降水，2 h内全市普降小到中雨；19时40分该带状回波已移至金华中东部，上游衢州市开化县附近新生一块对流降水回波，为了便于区分不同的中尺度云团，我们将其称为1号对流云团，它是下一阶段降水过程的初始云团。该云团的形成时间为29日19时40分，通过逐6 h再分析资料分析得出的底层中尺度辐合线的出现时间为29日20时。底层中尺度辐合线对于对流云团的新生和发展趋势有重要作用，有利于对流单体的发生、发展。底层中尺度辐合线的出现是1号对流云团形成的重要条件。图6为多个代表时次金华站雷达0.5°仰角基本反射率。

第二阶段，1号对流云团不断东移靠近，29日20时15分，强降水中心已移至衢州市区西北部，1 h后移至龙游西部(在1号对流云团上游的开化、淳安一带2号云团生成)；21时43分，强中心即将移入金华地区，在此东移过程中回波强度稳定，最大反射率因子达55 dBZ以上；22时，强回波已经移至金华西部地区，2号云团东移至衢州北部，两个云团继续向东偏南方向移动；23时12分，在淳安、常山、衢州一带3号云团生成。30日00时40分，1号云团移出金华，2号和3号云团合并在一起，强度有所减弱；01时03分，在常山北部4号云团生成，合并后的2、3号云团再度加强并东移南压；03时06分，2、3号云团南压出去，4号云团移至婺城区西部，与此同时，5号云团在衢州北部生成发展；4号和5号云团继续东移南压；04时52分，4号云团减弱消失；05时33分，5号云团南压至武义北部，强度增强；06时30分左右，5号云团(降水主雨带)南压至金华东南部地区，强度有所减弱。从对应的实况来看，30日07时之后降水逐渐减弱。

图6 多个代表时次金华站雷达0.5°仰角基本反射率

2、3、4号云团的发生、发展是底层中尺度辐合线维持的结果，辐合线的存在为后续这4个对流降水云团的出现提供了重要的动力触发机制。5个对流云团的接连出现，不断消耗大气中的能量，30日早晨底层中尺度辐合线趋于减弱，5号云团逐渐减弱移出金华地区。

综上所述，底层中尺度辐合线的形成触发了大气中不稳定能量的释放，在辐合线一带接连不断地激发出5个对流云团，云团的发生、发展不断消耗大气中的不稳定能量。随着降水的持续，大气中的水汽和不稳定能量减少，底层辐合线强度变弱，进而降水逐渐减弱。

分析上述中尺度对流云团的速度场发现，不断形成的辐合区东移，到达金华地区时，中低层风场辐合触发局地大气向上运动，这种动力抬升使上升运动强烈发展，加上充足水汽的配合，最终成云致雨，而辐合区的长时间维持造成了降水的长时间维持。图7为多个代表时次金华站雷达0.5°仰角速度场。从图7可知，在金华西部的大气中低层存在一条十分明显的辐合线，其存在的时段与短时强降水的两个时段中的第二个时段有较好的对应。

6 模式检验

从28日20时和29日08时起报的多种数值模式对29日夜里(29日20时—30日08时)12 h累计雨量预报及实况图来看(图8)，28日20时全球模式(ECMWF、GRAPES、GFS、JMA、CMA、OCF)对降水量的预报量级明显比实况小。在区域模式(Shanghai、ZJWARMS、WRF)中,WRF的预报(降水落区和量级)最接近实况，但在29日08时更新预报时，WRF模式预报落区向南调整,量级也被下调，与实况偏差变大，这在很大程度上降低了此次强降水过程的可预报性，使得预报员无法参照模式调整作出正确研判。

图8 多种数值模式对29日夜里(29日20时—30日08时)12 h累计雨量预报及实况图(a.从28日20时起报、b.从29日08时起报)(单位：mm)

从上述分析可知，此次暴雨过程不是在典型的暴雨大尺度环流特征下出现的，而是由一条稳定少动的底层中尺度辐合线触发所致。大尺度模式侧重大尺度环流背景对降水的影响与作用；中尺度模式虽然表现出比大尺度模式有更好的参考性，但雨量预报偏小，且在新的起报时次中，进一步将雨量下调，这可能是由于模式对此次暴雨过程中出现的中尺度辐合线的强度和维持时间有所低估。模式的错误引导大大增加了预报员精准预报的难度。

由此可见，中尺度辐合线在此次暴雨过程中起到不可或缺的重要作用，而中尺度辐合线这种次天气尺度系统是很难预报出来的，有利于中尺度辐合线形成和维持的大尺度环流特征以及中尺度辐合线与产生“列车效应”的对流云团之间的反馈机制值得进一步探讨。

7 结 语

(1)中尺度辐合线是此次暴雨过程形成的最直接的动力触发机制。

(2)中尺度辐合线周围不断新生对流单体产生“列车效应”，降水持续时间长，最终形成暴雨。

(3)中尺度辐合线的维持使小的对流单体不断生成，为此次暴雨过程提供了动力触发机制，使局地大气产生强烈的垂直上升运动；强盛的西南气流使得水汽输送十分充足，为此次暴雨过程提供了水汽来源；辐合区的稳定少动使降水持续时间长。

(4)中尺度辐合线的存在诱发一个接一个的降水云团产生，而它的减弱也对应着降水云团的减弱，中尺度辐合线与降水云团之间的反馈机制值得进一步探索。

(5)中尺度辐合线的形成机理及其对暴雨的动力触发机制需要进一步深入研究，比如开展高分辨率数值模拟精细化研究，以期得到暴雨预报的某种中尺度指标。