浙江省春季不同类型暖区天气降水特征

2021-11-15翁之梅周雪君甘晶晶

干旱气象 2021年5期

翁之梅，周雪君，甘晶晶，王凯

(浙江省台州市气象局，浙江台州 318000)

引言

暖区控制下的大气常具有高温高湿、不稳定能量大的特点，天气现象差异大且变化快，不仅晴雨预报有难度，还可能出现区域性强降雨、局地短时暴雨以及大雾[1]等复杂天气。因暖区天气尺度斜压性强迫弱、环境大气热动力不稳定性强，易受特殊地形和海陆热力差异的外强迫作用[2]，对流系统触发机制复杂，具有明显的突发性、局地性特征，业务中的全球数值模式对其预报能力十分有限，素来是台站预报的难点问题[3]。

1986年黄土松[4]提出暖区暴雨概念以来，诸多学者从暖区降水的流场结构、动热力机制、触发条件和对流发展规律等角度展开研究。研究发现，暖区暴雨的低空流场结构呈现暖式切变、南风辐合的特点，地面往往存在辐合线[5-8]，在高湿背景下暖区降水具有热带降水性质[9]，其抬升条件比锋面降水低，对流不稳定能量层更为深厚[10]，且降雨发生时伴有较强的凝结潜热释放，造成气柱增暖拉伸，使得多个中心辐合及上升气流加强[11]。暖区中尺度对流发展具有后向传播机制[12]，与从锋区向暖区传播的重力波触发机制相关[13]。此外，地形的阻挡促使低层辐合气流迅速抬升，触发暖区强降水，同时地形的侧向摩擦使得暖区地面辐合线增强，进而使垂直上升运动加强[14]。

浙江省作为江南南部沿海省份，每年3—5月暖湿气流较强盛，常出现南风控制下的暖区天气。2014年5月13日夜间，华东地区处于一致的西南气流控制下，地面冷锋自华北南部向华东北部靠近，地处暖区的浙江中北部地区普降大到暴雨，浙江西部局地达到大暴雨，全省范围6%的站点过程雨量超过100 mm，远超出台站预报员的预判。为了总结提炼浙江境内暖区降雨天气预报着眼点，本文利用2007—2016年浙江省及周边地区常规地面站和探空站观测资料，统计分析浙江省暖区降水天气的环流背景和雨带结构特征，对比各类暖区过程产生降水的条件差异，旨在深入认识暖区降水发生发展特征机制，为浙江省此类天气预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

使用2007—2016年3—5月浙江及周边地区探空站的风向、风速、气温观测资料和地面站的气温、相对湿度、风向、风速、降水量、日照时数观测资料以及ERA-Interim逐6 h风场、温度、相对湿度等要素格点资料(空间分辨率为0.125°×0.125°)。另外，浙江省行政边界是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266的标准地图制作，底图无修改。

1.2 研究方法

暖区一般指地面冷锋以南的较暖区域。锋面的形成与多种气象要素相关，本研究根据低层风场并结合气温变化和地面形势筛选暖区个例。判定规则：3—5月，850 hPa浙江杭州、衢州和台州3站实测风向为偏南风，即风向角在90°～270°之间，且2站及以上前24 h变温为正变温；地面上无冷锋南下入侵。经普查发现，浙江2007—2016年春季符合上述条件的暖区个例共321个。

根据浙江省及周边地区(115°E—125°E、25°N—35°N，下同)850 hPa风场形势，321个暖区个例大致划分为西南气流型、暖切北抬型、冷切靠近型、东南气流型4类(图1)。其中，将浙江及周边范围内所有站点为西南风或偏南风，且12 h内无冷式切变进入浙江的暖区个例归为西南气流型；将影响范围内存在东南风与西南风的暖式切变，且后12 h内无冷式切变进入浙江的暖区个例归为暖切北抬型；将周边地区有冷式切变南压靠近浙江，或无冷式切变进入影响区但之后12 h内有冷式切变快速进入浙江的个例归为冷切靠近型；将杭州、衢州和台州3站风向角在90°～180°范围内及周边地区所有站点为东南风，且12 h内无冷式切变进入浙江的个例归为东南气流型。统计发现：浙江省大多数暖区过程都伴有周边省份的切变活动，冷切靠近型和暖切北抬型占总个例的61.6%，西南气流型占34.0%，东南气流型最少，仅占4.4%；3—5月，暖区个例逐月增多。

图1 浙江省春季暖区天气形势分型(a)西南气流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)东南气流型(方框为研究区域，粗箭头线为显著流线，细线为切变线)Fig.1 Patterns of warm sector weather situation in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern, (c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern(the box for the study area, thick line with arrow for significant streamline, and thin line for shear line)

2 结果与分析

2.1 暖区天气及降水特征

相比春季气候特征，浙江春季暖区天气具有云量多、雨量小、气温高、日照时数少和日温差略偏小的特点。各类型暖区天气除气温呈现一致正距平外，其他气象要素均值差异较大。其中，西南气流型暖区天气面雨量最小，云量偏少，日照时数偏多，气温最高，日温差最大；冷切靠近型暖区天气面雨量最大，云量最多，日照时数最少，日温差最小；暖切北抬型暖区天气雨量和云量略偏多，日照时数与日温差略偏少(小)；东南气流型暖区天气面雨量小，日温差和日照时数略偏小(少)。鉴于暖区强降雨过程的影响力和致灾风险，下面仅探讨其降雨特征。

图2是浙江春季不同类型全体暖区个例的平均降水空间分布。西南气流型，浙江大部分地区平均雨量在2 mm以下，浙西浙南的杭州、衢州、丽水及东南沿海的温州、台州雨量稍大，平均雨量为2～4 mm[图2(a)]。冷切靠近型的过程平均雨量4 mm以上的范围最大[图2(b)]，其次为暖切北抬型[图2(c)]，这两类暖区天气过程的平均雨量分布均表现为西南部大、东北部小，8 mm以上的雨量中心都分布在衢州和丽水。东南气流型的平均雨量最小，仅南部温州和丽水局部地区超过2 mm[图2(d)]。

图2 2007—2016年春季不同类型暖区降水天气下浙江平均雨量空间分布(单位：mm)(a)西南气流型，(b)冷切靠近型，(c)暖切北抬型，(d)东南气流型Fig.2 The spatial distribution of average precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in Zhejiang in spring from 2007 to 2016 (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) cold shear approaching pattern,(c) warm shear northward extending pattern, (d) southeastern airflow pattern

从各类暖区个例的最大日雨量分布(图3)看出，西南气流型、暖切北抬型和冷切靠近型的暖区过程均可造成浙江省出现暴雨天气。其中，暖切北抬型造成的暴雨出现在浙江西部的杭州、衢州及南部的丽水和温州；冷切靠近型造成的暴雨主要出现在浙西的衢州、杭州、丽水和浙中的金华北部及台州西部；西南气流型的暴雨仅出现在丽水南部，而东南气流型的过程最大雨量仅达到中雨，分布在丽水和温州的南部地区。

图3 2007—2016年春季不同类型暖区降水天气下浙江最大日雨量空间分布(单位：mm)(a)西南气流型，(b)冷切靠近型，(c)暖切北抬型，(d)东南气流型Fig.3 The spatial distribution of the maximum daily precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in Zhejiang in spring from 2007 to 2016 (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) cold shear approaching pattern,(c) warm shear northward extending pattern, (d) southeastern airflow pattern

从春季浙江省各类型暖区天气过程的平均雨量月际变化(图4)看出：3—5月，随着影响浙江省暖湿气流的逐渐增强，平均月降水量总体呈现增大趋势，各月降水量均以冷切靠近型的过程雨量最大、东南气流型的过程雨量最小。因此，3月应关注冷切靠近型暖区天气过程带来的降水，4、5月暖切北抬型与冷切靠近型的过程雨量都明显增大，均须加强关注。

图4 浙江省春季各类型暖区天气下平均雨量的月际变化Fig.4 The monthly change of average precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang

根据《浙江省天气预报用语业务规定》，夜间时段为20:00至次日08:00(北京时，下同)，白天时段为08:00—20:00。统计对比白天与夜间时段不同类型暖区天气下浙江省平均雨量差值(图5)，发现春季各类型暖区天气下浙江日-夜雨量差的空间分布不同，夜雨现象主要出现在西南气流型暖区过程的丽水、温州、金华和台州南部，暖切北抬型暖区过程的金衢盆地，以及东南气流型暖区过程的杭嘉湖、绍兴、台州东部及丽水北部，而冷切靠近型暖区过程全省平均雨量白天大、夜间小。

图5 浙江省春季各类暖区降水过程夜间与白天雨量差(单位：mm)(a)西南气流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)东南气流型Fig.5 The difference of precipitation between the daytime and the nighttime for warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern,(c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern

2.2 不同类型暖区降水过程的中尺度特征

暖区降雨发展过程中，一些复杂的降水物理过程、边界层物理过程在现阶段数值模式中尚难以准确描述，需要建立正确的中尺度概念模型[2]。鉴于暖区降雨局地性强的特点，选取各类型中浙江范围内12 h累计降雨单站最大的个例为代表(表1)，对比研究春季各类暖区降水过程的中尺度特征。

表1 2007—2016年春季浙江各类暖区降水过程典型个例的时间及雨量Tab.1 The time and precipitation of the warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang from 2007 to 2016

2.2.1 环流背景

从上述各类暖区降水典型个例的环流形势场(图略)看出，西南气流型，500 hPa高原槽自105°E附近缓慢东移，浙江省处于弱脊区中；850 hPa西南涡在云、贵、川3省交界处发展少动，我国中东部地区受西南气流控制，浙江省处于弱暖舌顶部，相对湿度达80%～90%。暖切北抬型，500 hPa南支槽向110°E靠近，位于华东沿海的弱脊区东移入海，浙江上空转为西南偏西气流控制；中低层暖式切变线自闽北经浙江后向苏皖南部北抬，浙江上空中低层存在较明显的温度梯度和高湿区。冷切靠近型，500 hPa浅槽东移靠近浙江，且中低层冷式切变线经苏皖一带东移，浙江省处于西南急流和地面冷锋以南的高湿区中。东南气流型，500 hPa华东北部存在东移的弱脊，上游浅槽快速靠近华东南部地区；东海北部中低层存在反气旋中心，华南沿海弱暖式切变线发展，浙江省处于高湿区北缘和反气旋底后部东南气流之中。

2.2.2 雨带结构与能量锋区分布

各类暖区降水个例的回波均表现为层状-积云混合性降水回波，但回波带走向不尽相同(图略)。与切变线活动对应的暖切北抬型和冷切靠近型的雨带呈SW—NE走向，而西南气流型和东南气流型的雨带则呈现SE—NW走向。

θse在干、湿绝热过程中均守恒。分析各类暖区降水个例的θse分布(图略)发现：西南气流型和东南气流型暖区降水个例的850 hPa等θse线均呈SE—NW走向；暖切北抬型和冷切靠近型的850 hPa等θse线则呈SW—NE走向。可见，各类暖区降水过程的850 hPa等θse线均与降水回波带的走向基本吻合，且雨带基本分布在等θse线密集区，表明暖区的能量锋区对雨带发展起到重要作用。

2.2.3 垂直运动特征

从图6看出，各类型暖区降水过程的纬向垂直剖面上都存在一个或多个中尺度垂直环流，且上升支与雨区的对应关系较好，这与BROWNING[15]在对平行于地转气流的暖区小雨带作正交垂直截面时观察到的气流结构特征相吻合。

西南气流型[图6(a)]、东南气流型[图6(d)]的气流结构共同点是：浙西上空的西南暖湿气流在来自海面较冷的东南气流之上爬升，并在浙东沿海分流，一支流入东侧的垂直涡旋环流中，另一支重新汇入近地层东南气流中。然而，两者差异主要表现在东南气流自地面向上发展的高度不同。进一步分析发现，纬向垂直环流发生在湿位涡qw<0的区域，表明垂直环流的维持与条件性对称不稳定机制有关。

冷切靠近型[图6(c)]，降水发生在冷空气自西北向东南扩散背景下，浙江上空850 hPa以下存在上冷下暖的不稳定层结，对应地面出现暖区对流性降水。若此时海面上空气温较低，则海陆之间形成一个强度较弱的冷暖空气分界面，浙江境内可出现双雨带结构。

暖切北抬型[图6(b)]，浙江上空850～700 hPa为西南暖湿气流且θse值高，而900 hPa以下为偏东气流且θse值低，900～850 hPa之间θse垂直梯度大，上升速度区基本都出现在西南气流中，表明暖空气在较冷空气之上爬升，浙江西部和东部沿海上升气流最强。

图6 浙江春季不同类型暖区降水个例的流场(黑色流线)、垂直速度(蓝色线，单位：Pa·s-1)及θse(阴影，单位：K)的纬向垂直剖面(a)西南气流型(沿28.875°N)，(b)暖切北抬型(沿29.5°N)，(c)冷切靠近型(沿30°N)，(d)东南气流型(沿27.5°N)Fig.6 The zonal vertical section of airflow field (black streamlines), vertical velocity (blue lines, Unit: Pa·s-1) and θse(shadows, Unit: K) during the warm sector rainfall processes with different patterns in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern (along 28.875°N), (b) warm shear northward extending pattern (along 29.5°N), (c) cold shear approaching pattern (along 30°N), (d) southeastern airflow pattern (along 27.5°N)

2.3 暖区降水概念模型

通过上述分析，得到4类暖区降水过程概念模型(图7)。可以看出，各类暖区降水过程的共同特征是：浙江近地面存在一支东南气流，西进至117°E附近时与来自内陆的西南气流交汇辐合上升后转为东北方向流动，降水发生在该中尺度垂直环流的上升支。暖区雨带与等θse线密集区相对应，走向与等θse线相平行。但是，4类暖区过程的降水分布存在差异，主要表现为：西南气流型降水强度总体偏小，在沿岸地形摩擦辐合作用下易形成独立的降雨中心；暖切北抬型，西南暖湿空气在近地层较冷空气之上爬升，当近地层有弱冷空气残留时，暖式切变线南侧的暖湿空气与残留的冷空气之间易形成斜压不稳定，致使降雨增强；冷切靠近型，处于暖区中的浙江上空出现上冷下暖的不稳定层结，易引发对流性降水，且春季海陆温差大，沿海形成的弱锋区可触发新的独立雨带，从而形成双雨带结构；东南气流型，降水主要分布在700 hPa西南气流与850 hPa东南气流交汇的垂直风向切变区，降雨强度不大。

图7 浙江省春季不同类型暖区降水概念模型(a)西南气流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)东南气流型(蓝色阴影为雨区)Fig.7 Conceptual model of rainfall caused by warm sector with different patterns in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern, (c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern(the blue shadow for rain area)