莆田市一次暖区暴雨过程分析

2022-09-01何宇晖郑立群蒋荣复任赛赛

海峡科学 2022年7期

何宇晖郑立群蒋荣复任赛赛

(1.莆田市荔城区气象局，福建莆田 351100；2.福建省莆田市气象局，福建莆田 351100)

1 概述

暖区暴雨是福建前汛期暴雨的重要组成部分。暖区暴雨的概念来源于华南暖区暴雨研究，一般是指发生在地面锋面南侧暖区，或是南岭附近至南海北部没有锋面存在、华南未受冷空气或变性冷高压脊控制时产生的暴雨。大多发生在地面锋面系统前端200～300km的位置(有时与锋面系统的距离更大)，但有时发生在西南风和东南风的汇合气流中，甚至在无切变的西南气流里[1]。典型暖区暴雨过程出现在暖湿气团中，水汽含量丰富，天气尺度斜压性强迫弱，对流系统触发机制复杂[2-4]，因此，暖区暴雨的预报难度大。目前无论是数值模式还是预报员，对暖区暴雨的捕捉能力有限，预报准确率较低。然而，暖区暴雨强度大，突发性、局地性特征明显，容易造成洪涝和地质灾害等次生灾害，可见，开展暖区暴雨研究对于防灾减灾具有科学指导作用。长期以来，暖区暴雨是我国大气科学界的一个研究热点，气象研究人员一直在探索暖区暴雨的天气学特征、触发机制、热力动力特征等，也取得了许多成果。何立富等[5]、谌芸等[6]总结了40年的暖区暴雨部分研究成果，分别总结提炼了3类华南暖区暴雨类型——边界层辐合线型、偏南风风速辐合型和强西南急流型的天气系统配置及触发因子，罗列出多地暖区暴雨的天气学特征、暖区暴雨与低空急流的关系以及暖区暴雨中尺度对流系统的发展特征等。侯淑梅等[7]、孙兴池等[8]分别对切变线冷区、暖区暴雨和气旋冷区、暖区暴雨特征进行对比分析，阐述不同影响系统下冷区、暖区暴雨的特征差异。胡雅君等[9]利用风廓线雷达、雨滴谱仪等非常规观测资料对闽南沿海一次暖区特大暴雨进行分析，着重分析了超低空急流对暴雨的贡献。黄待静等[10]分析了南平市一次暖区暴雨的成因：500hPa弱波动、700hPa反气旋式辐合和地面辐合线的触发，并指出由于数值模式没有预报出此次暴雨的触发条件而导致模式漏报。

2020年6月7—9日，莆田市发生了一次暖区大暴雨，局地特大暴雨。此次暴雨发生前，数值预报模式大都只预报出中雨或者大雨的量级，只有华东区域模式在7日夜间至8日白天报出沿海暴雨。模式的形势场500 hPa、700hPa、850 hPa为一致的西南风，风速小。预报员在这种弱的大尺度环流背景下结合其他物理量资料和预报经验报出了此次过程的强降水，但是对于局地性特大暴雨的落区未能把握。此次特大暴雨主要出现在秀屿区，秀屿地属沿海，地形平坦，没有山脉，特大暴雨为什么会出现在秀屿区而不是内陆山区附近？基于上述问题，本文利用多种观测资料对环流形势、边界层中小尺度系统等局地对流系统的触发进行分析，以期为今后相似背景下的暖区暴雨预报提供参考。

2 降水实况与环流形势

2.1 降水实况

2020年6月7日08时至9日20时，莆田市出现全市性大暴雨，局部特大暴雨。共有3个站过程雨量超过250mm，均在莆田市秀屿区，分别为东庄镇、月塘镇、东峤镇，以秀屿区东庄镇310.2mm为最大，另外有97个站雨量超过100mm。此次过程为暖区暴雨，降水效率高，降水时段较为集中，8日白天07—09时连续3个时次秀屿区东庄镇小时雨量超20mm。

2.2 环流形势

由7日14时地面图(图1a)可以看出，福建省处于东高西低的环流场，福建中南部处于地面低压倒槽南侧，受西南气流控制，沿海地区比湿为14g/kg。从7日20时500hPa形势场(图1b)分析来看，副热带高压东退到海上，福建省上空有浅槽过境，受弱西南气流控制，7日08时850hPa上(图1c)切变线呈东北西南走向，位于福建北部，莆田处于切变线南侧的西南气流中，广东沿海一带存在西南急流，风速达到16m/s，福建中部沿海风速小，仅6m/s，因此在福建中部沿海形成风速辐合。925hPa广东沿海一带存在超低空急流(图1d中红色方框内)，风速达14 m/s，而福建中部沿海风速仅4 m/s，且为偏东风，风向风速辐合明显。

另外，对比秀屿区东庄镇站6日和7日极大风(图2)，6日东庄镇基本为西南风，大部分时次风速在3～5m/s，7日弱冷空气从沿海渗入，东庄镇极大风风向转为偏北风，风力增强至5～7m/s，边界层侵入的浅薄冷空气促使前期暖空气抬升，是触发7日白天暴雨的主要原因。

(a)(b)

(c)(d)

(a)

(b)

从暖区暴雨的概念来看，2020年6月7—9日暴雨为典型的暖区暴雨，由于莆田市没有探空观测，考虑到暖区暴雨主导气流为西南气流，厦门处于主导气流的上游，因此选用厦门站的T-lnP图(图3)。从7日08时厦门站探空图可以看出，当天湿层深厚，不稳定能量大，对流有效位能为1508.9，对流抑制能量仅为0.1J/kg,抬升凝结高度(LCL)很低，为223m，说明只需要较弱抬升就能触发对流，平衡高度高，潜在不稳定能量很大，0℃层高度高，位于5000m左右的高度，为暖云降水，降水效率高。风随高度顺转，底层有暖平流，不断为暴雨区供应能量。

图3 2020年6月7日08时厦门站T-lnP图

总体而言，从暴雨区与天气系统及探空的配置看，高温高湿的环境场为暴雨提供有利的能量和水汽条件，但只根据环流形势的配置很难得出特大暴雨出现的位置。

3 非常规资料分析与中尺度对流系统的触发

3.1 中尺度对流系统的触发

利用地面自动站资料分析地面中小尺度系统。从7日23时至8日23时东庄镇自动站小时雨量图来看(图4b)，8日凌晨1—2时共下了40.1mm，间歇4小时，07时开始有新的对流触发产生新一轮强降水，8日07—15时连续下了9个小时，累计降水量134.9mm。除了中层切变线南压导致全市性降水的原因外，地面辐合线是导致秀屿区东庄镇一带强对流维持乃至加强的中小尺度系统。如图4a所示，8日08—09时秀屿区出现一条因下垫面热力差异形成西南风与东北风的中尺度辐合线，辐合线呈东北西南走向，用ewips测距得到水平尺度约36km，属于中小尺度系统。随着西南风的加强辐合线逐渐北抬，至08时，东庄镇、月塘镇、东峤镇位于辐合线南侧的偏南气流中，辐合线使得低层偏南气流强迫抬升，为暴雨区提供辐合上升运动，使得强降水持续维持[11-12]。

(a)

(b)

3.2 风廓线雷达资料分析

风廓线雷达具有很高的时空分辨率，能够连续探测频率每6分钟高空风向风速的变化。本文选用的风廓线雷达位于秀屿区，可以连续观测高空风随时间演变对降水的影响。7日白天，近地层为偏东风，而1000m以上高度风由偏西风转为西南风，风力也由12m/s增强至16m/s(图略)。西南暖湿气流在地面冷垫上爬升，使得水汽和动力汇聚，造成7日的降水。8日白天(图5)从地面到4000m的高空基本为一致的西南气流，8日05—06时，1000～2000m高度的西南风快速加强，风速可达20m/s，为急流强度。07—08时，大风速区进一步向高空扩散，1500～3500m高度的垂直风速均达20m/s或者更甚，急流的加强触发了边界层不稳定能量的释放[12]，增强空气上下对流，垂直的湍流交换明显，最终使得动量下传[13-14]，将高空的大风速传导到地面。09时地面风速加强，且风向随高度顺时针旋转，低层有暖平流，为暴雨区提供能量支撑。将风廓线雷达探测的垂直风变化与东庄镇小时雨量图对应起来看，05—07时中低层风力从12m/s增强至22m/s，是07时起新一轮降水产生的诱因，配合地面辐合线，可以较为准确地判断出暴雨的落区和时间。

图5 2020年6月8日秀屿区国家站风廓线图

3.3 多普勒雷达资料分析

从雷达回波图来看，8日06时(图6a)强对流在泉州境内生成，大面积回波随着西南引导气流向东北方向移动，7∶08(图6b)强对流开始影响秀屿区，带状强回波呈东北西南走向，最大回波强度为50dBz，对7∶08的回波做垂直剖面分析(图6d)，发现强回波质心比较低，自地面发展至4000m左右的高空，从探空图(图3)可以看出，0℃层高度位于5000m左右的高空，强回波(45dBz以上)位于0℃层高度以下，说明强反射率因子主要由液态雨滴产生，属于明显的低质心暖云降水，07-09时连续3个小时降水量超过20mm，暖云降水效率高。08-09时回波略微减弱，当09时出现地面辐合线后，回波再次加强，回波强度由35dBz增强至45dBz。结合风廓线雷达图来看，中低层受西南急流影响，回波长时间维持，至10时仍有大片强度45dBz的回波在秀屿区东庄镇上空，给东庄带来持续性强降水，每小时雨量在10mm左右。回波的长时间维持与西南急流的脉动和地面辐合线的出现有关。地面辐合线使得边界层水汽、热量聚集，导致辐合线南侧的东庄镇、月塘镇、东峤镇回波强度高于周围地区，对应雨量也高于周围的自动站。