2020年春末夏初浙江省三次暖区暴雨过程诊断分析

毛程燕 马依依 顾振海 王健疆 李浩文

(1 浙江省衢州市气象局，衢州 324000； 2 广州市气象台，广州 510080)

引言

暴雨是影响浙江的主要灾害性天气之一，尤其是暖区暴雨，突发性强、落区不确定性大，一直以来都是预报服务工作中的难点问题[1-3]。目前已有许多学者对其进行了深入探索研究[4]，谌芸等[5]对中国近40年暖区暴雨的天气学特征和中尺度特征进行了总结，为暖区暴雨预报提供了新思路；何立富等[6]和陈钥等[7]针对暖区暴雨的天气动力学特征和触发机制等进行了系统梳理与分析，进一步为暖区暴雨研究提出了新的科学问题[8]。诊断Q矢量、垂直螺旋度、位涡及锋生函数等变量已成为研究暴雨形成机制的主要方法[9-12]，对短期预报具有重要参考价值。高爽等[13]和许霖等[14]指出中低层非地转Q矢量的分布、移动与暴雨落区的分布和移动具有一致性；狄潇泓等[15]提出中尺度雨团沿锋生函数梯度方向移动。此外，暖区暴雨往往具有强烈的对流不稳定性，因而暴雨云团具有中尺度对流特征[16-19]。

近年来，卫星和雷达资料在暴雨研究中得到广泛应用[20-25]，郭云谦等[26]和徐灵芝等[27]利用雷达回波研究了降水强度和降水效率问题。分析降水回波演变特征和降水云团的生消规律对降水的短时临近预报具有十分重要的意义。

上述研究在暖区暴雨的环流背景、中尺度系统和短时临近预报等方面都取得了一定成果，为暖区暴雨的预报预警提供了重要参考。2020年浙江省5月29日入梅，7月18日出梅，入梅早、出梅迟、梅雨期长，入梅前还出现了一段强降水集中期，其中暖区里的暴雨出现频率高、预报难度大，因此有必要对其发生发展演变特征进行深入研究。2020年春末夏初浙江省出现了三次暖区暴雨过程，降水量大、范围较广，均于夜间发展，但落区和量级差异大。因此，利用FY-2H卫星资料、双偏振雷达产品并结合再分析资料，从水汽和动力条件、触发机制及中尺度对流系统等方面对这3次暴雨进行深入分析，探讨其形成发展机理和演变规律、降水类型和降水效率，可为今后浙江地区暖区暴雨的预报工作提供借鉴。

本文采用美国气象环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction)NCEP FNL逐6 h全球再分析资料(1°×1°)、我国FY-2H静止卫星云顶亮温(Temperature of Black Body，TBB)资料、双偏振雷达基数据及地面观测资料,参考Hoskins等[28]和狄潇泓等[15]的研究计算Q矢量散度和水平锋生函数[29]等物理量。

1 过程概述与环流背景

1.1 暴雨过程概况

2020年5月25日至6月5日期间，浙江出现了3次集中的暴雨过程，主要强降水时段为5月25—26日、5月29—30日和6月2—3日，分别将这3次暴雨过程简称为“5·25”、“5·29”和“6·2”过程。

“5·25”过程浙江中西部出现了大到暴雨，全省平均雨量为26.7 mm(图1a)，暴雨中心出现在衢州、金华和丽水西南部，有186个乡镇累积雨量超过50 mm，1个乡镇超过100 mm。“5·29”过程全省均出现大到暴雨，丽水北部有大暴雨，全省平均雨量为51.5 mm(图1b)，暴雨中心位于衢州、金华中西部和丽水西北部，有1539个乡镇累积雨量超过50 mm，190个乡镇超过100 mm。“6·2”过程浙江西部和北部出现了暴雨到大暴雨，全省平均雨量为34.7 mm(图1c)，强降水主要分布在衢州中北部、金华中西部和杭州南部，有525个乡镇累积雨量超过50 mm，180个乡镇超过100 mm，1个乡镇超过200 mm。

图1 浙江省2020年5月25日08:00至26日20:00(a),5月29日08:00至30日20:00(b),6月2日08:00至3日20:0(c)降水量空间分布

1.2 环流背景

3次过程均出现在500 hPa低槽前，但低层系统配置的显著差异造成了3次强降水落区和量级的明显差异。“5·25”过程高空为宽广的浅槽，江南北部850 hPa有冷式切变线，在26日02:00—08:00期间转为暖式切变(图2a)，位置稳定少动而风速辐合不强，26日08:00受东北冷涡后部冷空气下摆影响，切变线逐渐往东南方向南压，雨势自北而南逐渐减弱。“5·29”过程槽线位于华中一带，江淮地区是西南风和东南风强辐合引起的降水，29日20:00开始东南风加强，30日02:00之后850 hPa暖式切变线显著增强(图2b)，江南中部有很强的偏南风速辐合，该日早晨西南风再次加强至14 m/s，下午辐合位置北抬东移，夜间转为偏西气流。“6·2”过程开始时是西北风和偏西风的风向辐合，2日夜里江南北部转为偏东和西南风的切变(图2c)，切变线以南有西南急流脉动(16 m/s)，次日早晨切变线消失，但西南急流增强，下午江南地区中部转为偏南急流，北部有冷空气渗透，辐合线位于浙闽附近，江南中北部降水维持，4日以后降水减弱。

这3次过程发生时南亚高压脊线均位于21°N附近(图2d)，华南至江南处于高空槽前。“5·25”过程500 hPa高度上贝加尔湖以东至华北地区为宽广的低槽，长江中下游一带为较为平直的纬向环流，而“5·29”和“6·2”过程发生时中高纬均为两槽一脊形势，华南至江南上空南支槽较深，江南地区处于槽前西南气流中。副热带高压从西太平洋伸至华南地区，呈东西带状分布，“5·25”过程120°E处脊线位于25°N附近，而后两次过程脊线位置则更偏北。3次降水过程直接影响系统均为低空切变线，但“5·29”和“6·2”过程暖切均比“5·25”更强，因此前两者降水量也更大。此外，“5·29”过程切变系统位置比“6·2”过程更偏南，因此两次过程降水落区也有显著差异。

图2 2020年5月26日02:00(a)、5月30日02:00(b)、6月3日02:00(c)500 hPa高度场(单位：dagpm)和850 hPa风场(一个风羽为4 m/s)以及5月29日08:00(d)200 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)及急流(虚线，风速≥30 m/s)

2 环境场特征分析

2.1 水汽条件

“5·25”过程在暴雨出现前(25日20:00)，浙江西北部位于水汽通量散度的辐合中心附近，水汽通道快速建立；暴雨发生时(26日02:00)水汽通道由华南向江南北部延伸(图3a)，其上有两个强的水汽通量负散度中心，浙江中北部有强辐合作用(中心强度为：-6×10-7g/(cm2·hPa·s)，整层水汽通量中心位于粤北；26日08:00影响福建的强辐合中心北移(图略)，浙江西南部有强烈的水汽辐合，且水汽通量大值带东移变窄，降水东移南压。“5·29”过程在暴雨出现前(29日20:00，图3b)，浙江中西部有显著的水汽通量负散度中心，且水汽通道在当日14:00已建立，20:00加强，浙江位于整层水汽通量强中心顶部，30日02:00—08:00负散度区东移北抬(图3c)，浙江中南部位于水汽通量中心北界，30日14:00水汽通量高值中心移至浙江东部沿海。而“6·2”过程水汽通道为东西走向为主(图3d)，整层水汽通量较前两次明显偏小，暴雨前后大值中心均位于海上，且辐合中心范围也明显偏小，位置变动较大。相比之下，“5·29”过程水汽条件是3次过程中最强的，中心在浙皖赣交界，“5·25”过程水汽条件次之，辐合强度也仅次于“5·29”过程，而“6·2”过程水汽通量散度中心位于海上，负散度中心位置偏北，水汽和辐合动力条件反而不如“5·25”过程，因此“6·2”过程水汽条件不是决定其降水量的主要原因。

图3 2020年5月26日02:00(a)、5月29日20:00(b)、5月30日02:00(c)和6月3日02:00(d)地面至500 hPa水汽通量的垂直积分(实线，单位：g/(cm(s))和850 hPa水汽通量散度(阴影)

2.2 动力条件

与暴雨相联系的次天气尺度系统具有很强的非地转性，而Q矢量散度作为非地转上升运动的强迫机制，对天气尺度系统的活动有明显指示作用。5月25日14:00(暴雨发生前)，700 hPa湿Q矢量辐合中心位于浙江西北部，26日02:00湿Q矢量大值中心东移南压(图4a)，华南至日本南部带状辐合区经向跨度大；26日上午浙江大部分地区处于Q矢量零值附近，与暴雨出现的落区也有明显偏差。分析“5·29”大暴雨过程发现，湿Q矢量负大值区在29日20:00位于浙赣交界，中心强度很强且梯度很大，表明有强烈的不稳定能量释放；30日02:00辐合带东移至浙江中东部，呈南北带状分布，这与强降水雨带移动位置基本一致(图4c)。而“6·2”大暴雨过程前，湿Q矢量散度负值区位于浙江中西部至安徽南部，强中心位于浙皖交界，有大范围的短时强降水出现；3日02:00之后中心快速移至浙江东北部(图4d)，此时降水雨带位于湿Q矢量偏西、偏南位置；3日上午湿Q矢量强辐合区沿浙江东部沿海分布；明显的辐合区位于浙江中部，而较强雨带却位于浙江中北部(图略)。

图4 2020年5月26日02:00(a)、5月29日20:00(b)、5月30日02:00(c)和6月3日02:00(d)700 hPa湿Q矢量散度场(阴影)和风场(箭头)

综上所述，“5·25”过程湿Q矢量位于浙江中部，“5·29”过程强辐合中心位于浙江中南部，“6·2”过程自西向东影响浙江全境。对比3次暴雨落区发现，3次暴雨过程均出现在湿辐合带的西侧且偏离湿Q矢量中心。此外，湿Q矢量散度场辐合越强、降水量越显著。而强降水出现前期，700 hPa湿Q矢量辐合区的移动和演变一定程度上反映了降水落区和强度变化，在降水中后期两者变化则不完全一致，因此降水后期示踪意义不大。

2.3 锋生作用

这3次过程的触发机制均是冷暖平流造成的对流不稳定。“5·25”暴雨发生前，700 hPa水平锋生函数在浙江大部分地区有明显的正值，表明这一带有显著的锋生作用；26日02:00—08:00期间锋生函数等值线加密，与暖平流中心基本重合，大值区东移至浙江东北部，为显著的暖锋锋生(图5a)，此时850 hPa锋生作用更强、强锋生带位置比700 hPa更偏南(图略)；26日上午大部分地区有冷平流，逐渐转为冷锋锋生。而“5·29”暴雨前(图5b)，700 hPa锋生函数等值线持续变密，850 hPa锋生函数正值区(图略)相对700 hPa位置偏南，暖中心位于浙江中北部；30日02:00—08:00期间暖中心和700 hPa锋生函数正中心东移，浙江上空有一对称的“牛眼”(冷、暖中心)，表明此时浙江中部中层有冷暖气流强烈交汇(图5c)；30日白天浙江西南部冷中心强度增强、范围扩大，锋生函数值接近于零，此时锋生锋消作用很弱。“6·2”大暴雨前，有一个较强的锋生函数大值中心在安徽南部发展并东伸至浙江西部，其偏南一侧有弱的暖平流中心(图略)；3日02:00—08:00期间锋生函数强中心东移至浙江北部，强度也显著增强(10×10-10K/(m·s)，浙江西部和东部有一对以120°E为对称轴的冷暖中心(“牛眼”)，浙江中南部冷暖空气交绥(图5d)； 而3日白天锋生作用明显减弱，逐渐转为空间一致的冷平流。

图5 2020年5月26日02:00(a)和5月29日20:00(b)、30日02:00(c)、6月3日02:00(d)700 hPa广义位温的锋生函数(实线，单位：10-10K/(m·s))和温度平流(阴影)

综上分析，3次暴雨发生前中层和低层均出现了锋生作用。一般低层锋生主要由水平锋生造成，中层锋生主要由垂直锋生造成，因此当中低层均有锋生作用时既有利于低层水汽辐合和抬升，又有利于中层对流不稳定的发展。“5·25”过程时中低层均有锋生作用，暴雨前为暖锋锋生、暴雨时为弱的冷暖平流交汇、暴雨过后是一致的冷锋，为短时强降雨、降水效率低；“5·29”过程低层锋生先于中层锋生，大暴雨前强暖锋锋生、大暴雨过程中出现强冷暖中心对，为长历时降雨、降水效率高；“6·2”过程低层锋生和中层锋生同时出现，大暴雨前强冷锋锋生、大暴雨过程中出现强冷暖中心对、位置偏南，为长历时降雨、降水效率高、暴雨位置偏南。

3 中尺度对流活动特征

3.1 中尺度对流系统

从3次暴雨过程中的FY-2H卫星云顶亮温TBB演变特征可判断中尺度系统发展状况。“5·25”过程开始前，江西、福建和浙江3省交界处云顶亮温开始下降，对流云团逐渐发展并向东北方向移动，浙江西南部最低云顶亮温降至-50 ℃左右(图6a)，说明浙江中部有对流云团[30]发展。25日20:00至26日05:00浙江大部分地区TBB显著减小(<35 ℃)，对流云团发展不旺盛、降水很弱(图6b)；26日05:00浙江西南部一带有块状对流云团新生东移(图6c)，半小时后最低云顶亮温达-60 ℃，之后缓慢减弱东移，08:00移出浙江，11:30—12:30浙江东部沿海仍有新的降水云团激发并出现较明显降水，其他大部分地区基本雨止，整个降水过程雨强并不强。

“5·29”过程开始前，福建西北部有较大范围的层积混合云团，19:30其发展为α中尺度对流云团(图6d)，云顶亮温中心为-70 ℃，半小时后移到浙江西南部，21:00后对流云顶发展高度降低，但TBB仍维持在-60 ℃左右并影响浙江中部，23:30浙江北部、中南部有多个层积混合云团加深(图6e)，且上游不断有对流云新生东移补充，云体持续时间长、尺度大、降水量和雨强均较大；30日06:00—10:00云顶高度降低，浙江大部分地区降水强度减弱，12:00—13:30混合对流云主要位于浙江中北部一带(TBB≥-55 ℃)，15:00—18:30中尺度混合对流云团主要影响浙江中南部(图6f)，19:00后对流云团移出，降水趋于结束。

“6·2”大暴雨过程前，江西和福建有发展旺盛的α中尺度对流云团，尺度约有400 km，17:00开始影响浙江西部和南部，尤其是18:30—22:00浙江西部有成熟的积雨云团(图6g)，21:00形成一条相对完整的东北——西南走向的带状积雨云带，宽度200 km左右，边界清晰，最低云顶亮温为-75 ℃，说明此时该处云顶伸展高度较高，垂直发展极其旺盛，浙江中北部有大范围的冷云盖，降水效率很高；22:30—23:00浙江中北部中尺度对流复合体有所减弱，3日00:30江西北部又有新生强对流云团向东北移动(图6h)，先后影响浙江西部和北部地区，02:30演变为多个分散的混合型云团，09:30后浙江北部再次触发生成对流云团，10:30达到最强、尺度最大，16:00浙江沿海有强积雨云团激发出来(图6i)，最低云顶亮温为-70 ℃，之后逐渐东移只影响浙江沿海海面。

图6 3次暴雨过程期间FY-2H卫星云顶亮温:(a)5月25日17:00,(b)5月26日03:00,(c)6月26日05:30,(d)5月29日19:30,(e)5月29日23:30,(f)5月30日16:00，(g)6月2日19:30,(h)6月3日00:30,(i)6月3日16:00

总体而言，三次暴雨的中尺度对流云团存在明显差异，其中“5·25”过程对流发展不旺盛，其暴雨云团尺度相对较小且生命史较短、降水相对平稳、降水量和降水强度相对较弱；“5·29”和“6·2”暴雨过程均有α中尺度对流云团强烈发展，云体密实、亮温梯度较大、云体持续时间较长，新单体快速生成发展合并、后向传播、降水效率高、降水量和雨强均较强。中尺度对流系统经历了“发展—合并—加强—分裂—减弱”的过程，具有显著的“列车效应”。

3.2 偏振雷达回波特征

衢州市双偏振雷达的全反射率及剖面图显示，“5·25”过程雨强并不强，因此只对比“5·29”和“6·2”两次大暴雨过程回波特征。分析“5·29”大暴雨过程的雷达回波，29日18:03江西与衢州市交界处已有较大范围回波东移；18:30衢州西部回波合并加强，最强全反射率为45 dBz；19:18衢州全市被较强的絮状回波覆盖，最强反射率达50 dBz；19:49—21:09强度基本维持在40～55 dBz(图7a)。从全反射率回波演变来看，东移的多单体后侧(西南部)不断有新生对流单体生成补充，回波具有明显的后向传播特征。分别对29日19:55和30日10:05回波最强处作反射率因子剖面(图7b、图7c)，强降水单体呈直立柱状，40 dBz以上的强回波均位于6 km以下，质心低但降水效率高， 回波顶高基本在9 km以下，偏向于积状云为主的混合性降水回波。

对于“6·2”暴雨过程，2日17:29有较强的块状回波影响衢州市常山县，最强回波中心为55 dBz，18:06演变为长条状，18:32演变为多个块状多对流云团，镶嵌在大范围的30 dBz回波区内，回波移速较快。17:00—21:00衢州市全市有30～50 dBz回波覆盖(图7d)，20:19衢州西部有两块强对流云团发展，最强回波中心为55～60 dBz，21:00前后合并成为成片的强回波区，尺度增大、强度变强。从20:02和20:56的全反射率剖面看，强降水单体呈多个直立柱状，有多个强对流中心，40 dBz以上的强回波均延伸至6 km以上，最强对流云团质心高度近8 km，回波顶高发展至12 km左右，偏向于积状云为主的对流性降水(图7e、图7f)。

图7 “5·29”和“6·2”过程双偏振雷达0.5°仰角全反射率演变和沿29 °N纬向剖面:(a)5月29日19:55全反射率,(b)5月29日19：55垂直剖面,(c)5月30日10:05垂直剖面，(d)6月2日20:02全反射率,(e)6月2日20：02垂直剖面，(f)6月2日20:56垂直剖面

研究发现，两次大暴雨过程均以混合性降水为主，衢州市大部分地区全反射率均在30 dBz以上，最强区域的反射率达45 dBz以上，只是“5·29”过程强回波偏向衢州南部，“6·2”过程偏向衢州北部。对流雨带的移动方向基本与700 hPa西南气流移动方向一致，回波范围广、尺度大、强度较强，落区与浙江西部山脉走向基本平行，受地形影响较大。且强降水单体均呈直立柱状，强回波质心高、降水效率高，“5·29”过程偏向于混合性降水，“6·2”过程偏向于对流性降水。

4 结论与讨论

本文针对2020年春末夏初发生在浙江的3次暖区暴雨过程的大尺度环流背景和物理条件等方面进行对比分析，得出了如下结论：

(1)3次暴雨过程均发生在高空槽前偏南暖湿气流和低空切变线上。200 hPa南亚高压脊线均位于21°N附近，但“5·29”和“6·2”过程副热带高压脊线位置比“5·25”更偏北；3次过程均处于西风槽槽前，“5·29”过程低槽更深更偏南；直接影响系统均为中尺度切变线，而切变线位置、强度以及南部急流脉动差异造成了3次过程降水落区和量级存在显著差异。

(2)水汽通道的建立和中层动力强迫为3次暴雨过程α中尺度对流系统的发展提供了有利条件。暴雨落区位于东北—西南走向的湿辐合带西侧，700 hPa 湿Q矢量散度场负值区对暴雨落区有较好的示踪作用，在一定程度上反映了暴雨落区的分布。

(3)3次过程均出现中层锋生和低层锋生，既有利于低层水汽辐合抬升，又有利于中层对流不稳定的发展。“5·25”过程暴雨前为暖锋锋生、暴雨时为弱的冷暖平流交汇，为短历时强降雨，降水效率较低，“5·29”过程为低层锋生先于中层锋生，大暴雨前强暖锋锋生、为长历时强降雨，降水效率高，而“6·2”过程低层和中层锋生同时出现，大暴雨前强冷锋锋生，大暴雨过程中出现强冷暖中心对，位置偏南，为长历时降雨、降水效率高，暴雨位置偏南。

(4)3次暴雨过程中均有层积混合云团发展，强降水单体呈直立柱状。“5·25”过程对流发展不旺盛，暴雨云团尺度相对较小且生命史较短，而后两次过程均有α中尺度对流云团强烈发展，云体密实、云顶亮温低、梯度较大，冷云盖尺度大，且有明显的“列车效应”和后向传播；雷达回波为积云性混合云降水回波，雨带回波范围广、尺度大，“5·29”过程回波质心低但降水效率高，偏向于积状云为主的混合性降水回波，“6·2”过程对流云团质心高，垂直方向存在柱状回波，偏向于积状云为主的对流性降水。

实际业务中，暖区暴雨预报难度大，预报员对降水的极端性预估不足，落区也有较大偏差，一是因为数值模式对暖区暴雨落区预报存在不确定性，二是大尺度模式对对流性降水的预报能力不足，三是雷达Z-R关系的误差导致“热带海洋型降水”的降水效率往往容易被低估。因此对于暖区内的降水量预报，预报员要结合低层风场和物理量场对强降水范围进行调整，对有对流性、低质心特征的降水，其量值可适当加码。