2017年梅汛期致灾性暴雨的风廓线图表现特征分析

赵贤产 戴红星 毛剑飞

(义乌市气象局,浙江 义乌 322000)

0 引 言

暴雨是降水强度很大的雨,雨势倾盆[1]。根据暴雨量值的相关规定,这里定义“致灾性暴雨”为“12 h内降雨量≥50 mm”,是指具有灾害危险性和短时突发性特点的暴雨：一是必须达到暴雨预警信号标准；二是降水的累积量达到大范围暴雨,或仅单站达到暴雨量级。

风廓线雷达能够探测其上空风向、风速等分布变化情况,是具有一定时间和空间分辨率的精细化产品,是对常规探空资料的有效补充。目前风廓线资料在强对流和降雪等天气过程中有着广泛的应用,如李妙英等[2]认为水平风羽图和垂直风速度产品在强降水过程中的监测和短临预报中具有重要作用；董保举等[3-4]研究认为能清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度；李改琴等[5]认为若低层风场切变大,风场从低层到高层有规律的一致顺转,这种风场有利于有组织的强风暴的生成；王令等[6]认为当低空急流加强,或有扰动生成,高空有波动、尤其是3～6 km的中层冷入侵,对短时强降水预报起到重要提示作用。但在梅汛期间暴雨方面的研究文献较少。

义乌国家基本气象站从2010年9月开始建有风廓线雷达,该资料在本地化的应用方面虽然有一些研究[7-9],但目前尚未达到日常业务应用程度,主要是不同天气类别的应用模式尚未完善建立。对2017年6月梅雨期间出现于义乌测站的3次致灾性暴雨过程,分析风廓线图上的特征,将有助于建立梅汛期致灾性暴雨的应用模式,以提高提前预警服务之水平。这里采用中国航天科工二院23所研制的CFL-03型大气边界层风廓线雷达连续探测数据,主要探测其测站上空0～6 km高度范围内水平方向的风向风速、垂直气流和大气折射率结构常数等资料,表1给出了其主要技术参数。

表1 CFL-3型大气边界层风廓线雷达主要性能参数

1 暴雨强度特点

2017年6月的义乌正值梅雨期间,义乌测站先后于11日、13日和24日降下3场致灾性暴雨：第一场是6月11日7—16时9 h降水量达72.0 mm,最大小时雨强25.0 mm(9—10时),最大分钟雨强达2.2 mm(8:03)；第二场是6月13日4—12时8 h降水量达71.4 mm,最大小时雨强达13.6 mm(8—9时),最大分钟雨强达1.1 mm(11:31)；第三场是6月24日9—16时7 h降水量达50.4 mm,最大小时雨强达15.6 mm(13—14时),最大分钟雨强达1.1 mm(13:44)。3次过程均达到短时强降水量级和暴雨预警信号标准,在梅雨期间的义乌历史上发生类似暴雨强度并不多见。

2 天气形势分析

高空500 hPa副高脊线始于9日20时北抬至20°N,588线在浙江南部地区,在其北侧大部分地区呈偏西气流,同时在北部地区有大型冷涡系统,冷涡的西侧是呈NW—SE走向的华北高压脊,属于较为典型的梅雨环流形势[10]；10日08时副高减弱东撤,低层华西有低涡与暖切配合；20时后随着低涡和地面气旋入海,后部有冷空气南下,切变线变冷切南压,辐合加强,后半夜暴雨带开始影响浙中地区。11日08时500 hPa北方大部分地区转为NW气流,并多短波东移,副高略减弱南撤,暴雨带南压并呈东西向分布影响义乌测站附近；20时起至12日20时随着低层850 hPa冷式切变东移南压后转为暖式切变东伸影响,降水强度相对较弱,义乌测站仅降大雨,未达致灾性暴雨量级。

12日20时500 hPa有低槽东移南压,588线南压到福建中南部地区,浙中地区处于SW气流和NW气流汇合区域,有充沛水汽并呈东西窄向分布。受中低层热带气旋“苗柏”在广东登陆北上(后经江西南部到福建减弱消失)的影响,低层850 hPa切变两侧的辐合加强明显,热带云系带来的水汽与西风带水汽汇合于浙中地区,测站于后半夜开始又出现强降水。13日08时850 hPa暖式切变在浙中一带,925 hPa切变在浙中,呈准东西向,并由冷式转为暖式,其北侧的偏东气流强盛,造成暴雨云团不断东移影响。随着中低层切变的进一步南压到浙南地区,暴雨带也南压,测站的降水强度明显减弱。

这两次暴雨也可从8—18日期间沿120°E的高度、风场ECWMF资料中可看出,浙中地区的切变两侧风场辐合明显加强是较易产生致灾性暴雨因素之一(图1)。

图1 2017年6月8日20时至18日期间沿120°E的高度、风场ECWMF资料

23日08时仍处于梅雨带之中,在中高纬度500 hPa有东北冷涡东移南压,副高略有减弱东退；700 hPa风速≥26 m/s和850 hPa风速≥16 m/s的SW气流加强,风向辐合,湿区收窄；24日08时随着500 hPa高空冷涡东移南压,700 hPa切变呈NE—SW走向,WSW气流进一步增强,850 hPa暖式切变在浙北地区,925 hPa暖式切变在浙中地区,测站雨势增强；24日20时随着高空冷涡进一步南压,副高减弱东撤,梅雨带东移南压,测站降水明显减弱。

从以上分析表明,义乌测站致灾性暴雨过程的大气环流有个共同特点,就是高低空南北各有大型天气系统同步影响测站上空,中低层低压(涡)切变有明显风场辐合,特别是SW暖湿急流明显加强,充沛与深厚的水汽向测站上空输送,降水系统东移南压较为缓慢时易出现梅汛期暴雨,但是降水系统北抬时很少达到致灾性暴雨量级。

3 风场变化对致灾性暴雨的影响

3.1 第一场致灾性暴雨风场特征

由风廓线图可知,暴雨发生前约3 h(11日5:00前),自地面至6000 m上空为一致的偏西风控制,其中近地面层为西南偏西风,随高度由偏西风转到2500 m处的西北风,说明风向顺转,中心风速最大达≥12 m/s,为强暖平流；2500～3500 m高度有逆转,中心风速减小到4 m/s,为弱冷平流；之上至6000 m风向顺转,中心风速最大达≥20 m/s,为强暖平流,该时次的上下层有多次冷、暖平流层结构,不利于对流云团发展,测站仅降小雨。自5:00之后(图2),在500 m高度附近出现风向不连续的冷式层(维持至暴雨强度减弱的17时之后),该层之下风速一般较小,风向开始无规则,之后呈偏北风为主。在500 m高度附近的冷式层之上,6:24开始至7:30在500～2500 m高度的风向为先由上而后下转为西南风,风速明显加大,说明低层暖湿气流层加厚并加强输送到测站上空,同时2500 m之上的大风区高度降低,甚至≥20 m/s风速降到1500 m高度,有利于暴雨云团的发生发展。实况是测站北部地区暴雨云团东移影响,7时之后暴雨云团(小时雨强达≥5 mm)南压开始影响到测站。

图2 2017年6月11日风廓线图(上)与6 min雨量柱形图(下),时间从右向左(时间分辨率为6 min,垂直高度单位:m,雨量单位:mm)

暴雨云团影响后,在7:00—17:00的1000～3500 m高度间多次出现偏西风与偏东风达180°方位变化；其中在7:30—10:30不断有暴雨云团经过测站上空,风向转换,实况降水强度最强,3 h降水量达43.5 mm。另外在11:00—14:10之间各暴雨云团在测站南部地区由西向东移动,测站地处其北部,偏东风风向不变；其中在1000～1500 m高度间随冷暖切变转换与南北摆动,上下层的冷暖平流多次变化,辐合不强；在3000 m高度附近配合有辐散场,说明暴雨云团的质心层次较低,实况降水减弱。14:10之后虽有几个暴雨云团中心经过测站附近,但暖湿气流偏弱,上下层结构不利于暴雨云团发展,降水强度不强,实况12:00—16:00之间的测站的最大小时雨强仅5～8 mm。在17:00之后,500～6000 m高度上下层均转为偏西气流,辐合减弱,测站降小雨,暴雨云团影响基本结束。

从以上分析表明,冷式层面出现在500 m附近,地面有冷空气入侵,低层W风的加强和暖平流的输送,使得暴雨发生前数小时低层能量累积；高空500 hPa急流动量向下传递,850 hPa的SW暖湿急流的迅速加强,为暴雨云团的发生发展提供充沛的水汽和动力条件。

3.2 第二场致灾性暴雨风场特征

同样由图3可知,暴雨发生前1 h(即6月13日3:24前),自地面至6000 m上空为一致的偏W风控制,近地面层至1500 m上空呈WNW风,随高度略有逆转,冷平流,1500～2000 m高度有急流,随高度略顺转,强暖平流,实况降水偏弱。3:24之后在500 m高度附近又出现风向不连续的冷式层。3:24—4:12在500～3500 m高度的风向为先由下而后上转为SW风,说明低层暖湿气流加强并输送到测站上空；4500 m以上的大风区高度降低,有利于暴雨云团发生发展,实况是自西向东呈带状降水主体云团先在测站南部地区东移,随后加强并向北移动,移速减缓,暴雨云团(小时雨强达≥5 mm)开始影响到测站。

暴雨云团影响后,同样在1000～3000 m高度间多次在4:30、6:54、8:30、11:30前后出现偏西风与偏东风呈180°方位的变化,实况是5时、9时、12时的正点小时雨强达12～13 mm,6—9时计3个小时降水量达30.3 mm。另外在9—11时和12时后在1000～1200 m高度间随冷暖切变转换与南北摆动,冷暖平流多次变化,该层次有辐合,2500～3000 m高度附近有辐散,说明暴雨云团的质心层次较低,实况降水强度减弱。15:00之后暴雨云团在测站北部地区较远处东移,测站暴雨云团影响基本结束。

图3 2017年6月13日风廓线图(上)与6 min雨量柱形图(下),时间从右向左(时间分辨率为6 min,垂直高度单位:m,雨量单位:mm)

3.3 第三场致灾性暴雨风场特征

同样分析图4可知,在500 m高度附近转变为暖式面,该层之下的风速比前二次暴雨过程大,大多呈偏S风,其中在10:42之前先是由地面SE风,向上转为SW风,逐渐在10:42之后转为上下一致的SW风。暴雨发生前的4 h(即24日5:00前)开始,上下层为一致的偏W风控制,且暖、冷平流变化多次,实况降小雨；至8:00前后,在5000 m高度以上的急流风速向下传递,1500～2500 m高度间有暖式风向辐合,测站降水增强,9:00前后转上下一致SW气流,此时暴雨云团开始影响到测站。11:00前后在1500～2500 m高度间由暖式风向辐合转为冷式风向辐合,≥20 m/s的SW急流风速已向下传递至2800 m高度,低层1200～2300 m高度的偏北风增强,2300 m高度以上持续SW风,测站降水最强(11—14时的3 h降水量达31.1 mm)。15:00之后,SW气流偏弱,1500～2500 m高度的偏N风加强,测站的暴雨过程结束(云团主体在测站的偏南位置自西向东移动)。

图4 2017年6月24日风廓线图(上)与6 min雨量柱形图(下),时间从右向左(时间分辨率为6 min,垂直高度单位:m,雨量单位:mm)

4 结 语

“致灾性暴雨”是表示具有灾害危险性和短时突发性特点；风廓线雷达是具有一定时间和空间分辨率的精细化产品,是对常规探空资料的有效补充,尤其是暴雨过程中的风场变化特征值得预报员深入研究总结分析。梅雨期间出现于义乌测站的致灾性暴雨过程中在风廓线图上的表现特征有如下特点。

4.1义乌梅雨期间出现3次致灾性暴雨,在其历史上并不多见；从雨强来看,梅雨期的致灾性暴雨雨强难以与强对流性暴雨相比较,属于非突发性的“致灾性暴雨”,但由于降水时间长,累积量大,容易造成灾害。

4.2500 hPa副高588线呈北抬与南压的变化前后,北方地区有大型冷式系统带来冷空气南下,南北两支强气流辐合于测站附近上空的总体形势之下,中低层有冷暖切变先后相互转换,若降水系统东移南压移动较为缓慢时易出现梅雨期间的致灾性暴雨；在北抬时很少达到致灾性暴雨量级。

4.3风廓线图上,致灾性暴雨期间在500 m高度附近有冷(暖)式层,中低层冷(暖)式层随切变线变化而相互转换,风向随高度顺(逆)有多次转换,这与强对流性暴雨的风场表现明显不同；中低层以上的风速明显加大且大风区高度降低时,有利于暴雨云团发生发展。若有多个暴雨云团中心经过测站上空时,有一定厚度的偏西(东)风向转换可达180°；梅汛期暴雨云团的质心较低。

参考文献：

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