一次热带低压伴随中尺度锋生的暴雨天气过程分析

韩 美 ， 廖晨菲 ， 林小红 ， 刘通易 ， 蒋 滔

福建省气象台， 福建 福州 350000

0 引 言

福建是我国遭受台风影响最严重的省份之一，年均有6.7个台风影响。每年夏、秋季节的极端暴雨过程大多与台风活动有关，如何减轻由台风带来的强降水影响，是福建省主要的气象研究课题。国内外许多气象学者对台风暴雨形成机理和落区预报进行了详尽的研究。陈联寿和孟智勇(2001)研究指出，台风带来强降水的方式和机理有很大差异，强度可能与大尺度环流背景、中尺度系统、水汽条件、局地地形、层结稳定度、边界层辐合和高层出流等许多因素关系密切。其中，冷空气可以使涡旋获得斜压能量，并得以迅速发展，这种暴雨通常包括由环流直接引起的和与周围系统相互作用间接造成的，还常常与中尺度系统相联系。适当冷空气对台风暴雨增幅作用明显(黄莉等，2018)。张娟娟等(2021)和刘维鑫等(2016)对台风导致的江西暴雨进行分析发现，冷空气侵入暖湿气流底部而形成冷垫，使得台风低压中的暖湿气流在冷空气上抬升辐合，从而形成大暴雨。低层冷空气入侵往往能造成地面锋生，杨舒楠等(2018)分析“麦德姆”台风暴雨过程发现，在冷暖平流交汇处偏向暖平流一侧有明显锋生存在，这给降水带来了有利的动力条件。锋生可使得切变线上的垂直涡度、辐合快速发展，触发不稳定能量释放，从而导致大暴雨的发生(王伏村等，2016)。梁军等(2017)对1410号台风造成的强降水进行分析后指出，降水强度的差异与台风环流内的锋生强度相关。地形也对暴雨的增幅作用明显，有利于中尺度对流系统的发生发展，局地陡峭地形对大气的抬升和拖曳作用使得热带气旋环流强对流雨带降水强度有一定影响(赵玉春和王叶红，2019)。福建东北部地区外海宽阔，当风力很强时海岸对风的摩擦辐合和地形对低层急流的抬升会特别显著，导致暴雨产生增幅(林小红等，2015；叶龙彬等，2018)。

前人研究已经较为详细地阐明了暴雨增幅的相关影响因子，但在实际预报中对暴雨强度尤其是极端暴雨的把握依然存在较大困难，尤其是福建东北部地形复杂的情况下，暴雨增幅应做多大程度的调整。受“珊珊”热带低压的影响，2018年8月24—25日福建省东北部地区出现特大暴雨，造成了城乡积涝、山体滑坡等气象灾害。文中分析此次热带低压影响下的极端暴雨的形成原因，旨在揭示中尺度锋生对局地强降水的作用，以期为暴雨天气预报提供参考。

1 资 料

文中所用资料包括：中国气象局上海台风研究所2018年8月24—25日间隔6 h的台风路径和强度资料，福建省气象信息中心的福建地面自动站的逐时降水、风场、气温等资料，以及NCEP分辨率为0.25°×0.25°再分析资料。

2 降水概况

图1给出了2018年8月24日20时—25日20时实况降水量和逐小时降水序列。分析可知，此次福建东北部地区极端暴雨天气过程发生在“珊珊”热带低压在福建沿海登陆过程中。热带低压于2018年8月23日08时(北京时，下同)生成，25日09：40在福建省莆田秀屿沿海登陆，登陆时中心附近最大风力7级(13.9—17.1 m/s)，而后缓慢西移，在低压生成到登陆过程中，最大风力维持在7级。受台风影响，24日20时—25日20时福建省东北部3个县(市)出现特大暴雨，共计14个乡镇超过250 mm(图1a)。分析3个代表站不同时段累计降水量(图1b)发现，福鼎硖门乡1 h降水量为63.6 mm，霞浦牙城镇6 h降水量为123.8 mm，柘荣乍洋乡12 h降水量为318.4 mm。分析上述三站的逐时降水量(图1b)发现，降水量分布存在明显的“双峰”结构(25日03—06时、08—11时)，且第二阶段明显强于第一阶段，降水区域集中、局地性强、强度大且持续时间长。

图1 2018年8月24日20时—25日20时实况降水量(a,填色，单位：mm; 实线部分为低压在降水时段的移动路径)和3个代表站逐小时降水序列(b)

3 极端暴雨形成的环境特征

3.1 环流背景

图2给出了2018年8月24日20时、25日02时、08时、14时500 hPa层高度场和850 hPa层风场。分析发现，8月24—25日500 hPa高度层，我国东北部有低涡生成并向东移动，中纬度低槽东移，引导弱冷空气南下，副热带高压位置偏东，导致热带低压的引导气流弱，移动缓慢，有利于降水的维持；850 hPa高度层，热带低压北侧有切变发展，并逐渐西移。24日20时(图2a)，中纬度短波槽东移，结合热带低压靠近，福建东北部沿海低层偏北风较大；25日02时(图2b)，福建东北部沿海偏北风减弱，随着副热带高压的加强和热带低压的北移，台湾以北海面低空偏东气流加强为急流，925 hPa高度层强于850 hPa层，最大达到22 m/s，甚至在1 000 hPa层也存在16 m/s的急流，偏东的边界层急流带来海上暖湿气流与中纬度槽带来的弱冷空气交汇，有利于强降水的发生，对应于第一强降水时段。25日08时(图2c)，热带低压即将登陆，沿岸850 hPa低压倒槽移至福建东北部地区产生较强的辐合，绕过台湾的两股暖湿气流在台湾海峡北部交汇，并在偏东的引导气流下向福建东北部移动，产生强降水，对应于第二强降水时段。对比两个降水阶段发现，02时海上虽有较强的急流发展，但福建东北部近岸为东北气流且陆上风力较小，而08时风速大值区已经推移到陆上，在近岸为低压北侧的风速切变区，这就为第二阶段强降水提供了有利的动力条件。25日14时(图2d)，随着热带低压登陆减弱，绕过台湾岛的两股气流减弱，在福建东北部的辐合向西推进，并逐渐减弱，强降水趋于结束。

图2 2018年8月24日20时(a)、25日02时(b)、08时(c)、14时(d)500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)和850 hPa风场(风杆)

3.2 水汽条件

图3为2018年8月25日02时和08时地面到850 hPa层累积水汽通量和925 hPa层风场。分析发现，25日02时第一降水阶段开始前，福建东北部以东海面有较强的水汽通道，水汽通量中心值达到120×10-5g/(m·hPa·s)，与海上夜间增强的低空急流相联系，较强的水汽通道将水汽源源不断地向岸上输送，为强降水形成提供了较好的水汽条件。25日08时，海上有2条水汽通道并在近岸相遇，中心强度可达90×10-5g/(m·hPa·s)，在高空偏东气流的引导下向岸上输送，为第二强降水阶段提供水汽。因此，两个降水阶段都有较好的水汽供应，第二降水阶段水汽通量弱于第一阶段，说明水汽供应不是造成两个阶段降水强度差异的主要原因。

图3 2018年8月25日02时(a)和08时(b)地面到850 hPa累积的水汽通量(填色，单位：10-5 g/(m·hPa·s))和925 hPa风场(风杆)

3.3 动力特征

暴雨发生的局地性和突发性等中小尺度特征与地面中尺度辐合系统密切相关(周泓等，2015)。地形阻挡和摩擦作用使得迎风坡前有明显的水汽累积，随着降水系统的移动在高地形区产生强降水(倪悦等，2017)。由于福建东北部下垫面复杂，在此次强降水过程中伴随较强的对流。图4给出了2018年8月24日20时、25日02时、08时、14时水平散度、地形和垂直风沿27°N的垂直剖面，其中垂直风为垂直速度扩大100倍与水平风的合成。分析发现，24日20时，偏东气流在地形的迎风坡形成辐合上升，产生降水，背风坡形成辐散下沉区，上升速度没有发展到很高的高度，降水强度并不大。随着时间的推移，25日02时，偏东气流上岸在低空形成向西倾斜并向上发展的辐合区，辐合中心离山脉略远，可能受到海陆下垫面差异的影响，辐合区上空出现辐散区，抽吸作用加强了垂直上升运动，有利于降水回波的上岸增强并发展到较高的高度，在此过程中，高空槽东移提供了主要的动力条件。08时，增强的偏东气流深入内陆，在山脉的迎风坡形成辐合中心，低层辐合区减弱，中高空的辐散强度也减弱，此时地形抬升对强降水的产生有重要的作用。14时，随着热带低压的东移，偏东气流深入内陆，福建东北部低层辐合减弱，降水逐渐趋于结束。

图4 2018年8月24日20时(a)、25日02时(b)、08时(c)、14时(d)水平散度(填色，单位：10-5 s-1)、地形(黑色阴影)和垂直风(风杆)沿27°N的垂直剖面

4 中尺度锋生作用

4.1 锋生函数

在传统锋生理论中，锋生过程表现为水平温度(位温)梯度的增大过程，但在副热带锋面系统中锋面两侧露点温度的差异比温度本身的差异更为明显。由于此次过程中空气湿度较大，垂直运动可近似为湿绝热过程，考虑假相当位温θse在湿绝热过程中守恒，因此选θse计算锋生函数(段旭等，2019)，计算式为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，F为锋生函数，若F>0为锋生，F<0为锋消；F1、F2、F3、F4分别为非绝热加热项、水平辐散项、水平变形项及与垂直运动有关的倾斜项；θse为假相当位温；Dh为水平散度；Af为伸长形变；Bf为切变形变；u为纬向风；v为径向风；ω为垂直速度。

4.2 锋生函数的水平分布

图5给出了2018年25日02时和08时近地面锋生函数的水平分布。分析可知，25日02时，第一个强降水阶段开始之前，950 hPa和925 hPa高度层福建省东北部海岸线附近均存在明显的冷中心。沿岸冷中心与海上暖气团之间形成假相当位温密集带，对应锋生函数大值中心，与950 hPa高度层相比，925 hPa层锋生函数大值区范围缩小，最大值由原来的36.13×10-9K/(m·s)减小为27.64×10-9K/(m·s)，说明此锋区只存在于边界层中，且尺度较小。25日08时第二个降水阶段开始，由于绕过台湾岛的偏南支流的加入，海岸线附近出现增温，假相当位温等值线更加密集，锋生函数值增大，锋区加强并向上延伸，高度较上一个时次更高。锋区的存在有利于层结不稳定能量的释放，对强降水的发生有明显的促进作用。同时由于锋区存在于边界层内，高度较低，在沿海地区的山区地形对中尺度锋区的形成也有一定的影响。因此，文中将对锋生函数逐项进行分析，探讨两个降水阶段的锋生主要影响因子。

图5 2018年8月25日02时(a、b)和08时(c、d)925 hPa层(左)和950 hPa层(右)锋生函数值(填色，单位：10 -9 K/(m·s))和假相当位温θse(等值线，单位：K)分布

4.3 锋生函数的贡献因子

此次锋生发生在近地层，为了探讨锋生函数各分项在此次暴雨过程中发挥的作用，图6给出了锋区(120°E，27°N)975—850 hPa高度层垂直积分的锋生函数各项逐6 h变化。分析发现，对锋生贡献最大的为水平变形项(F3)，在两个强降水阶段均有较大的锋生作用，但第二阶段明显强于第一阶段；起到锋消作用的为垂直运动倾斜项(F4)；非绝热加热项(F1)和水平辐散项(F2)分别在强降水的第一阶段和第二阶段起到锋生作用，其余为锋消作用。

图6 锋区(120°E，27°N)975—850 hPa高度层垂直积分的锋生函数各项逐6 h变化

图7 锋生函数分项F1(a)、F2(b)、F3(c)、F4(d)沿27°N线的时间—经度剖面(单位:10-9 K/(m·s))

非绝热加热项F1反映了锋区附近和外界的热量交换，主要包括辐射、感热和潜热的输送。从图7a可知，120°E以西在25日08时之前均有F1>0，在此之后F1<0，正值区随着时间的变化向东发展。在25日08时之前近地面偏北气流带来较冷的空气导致地面降温，与海上较暖的空气相遇有利于锋生，之后随着降水带来的冷区潜热释放、暖区蒸发冷却以及白天太阳辐射造成的大气和地面升温，使这种温度差异逐渐减小，不利于锋生，但由于F1量值较小，对总体锋生影响不大。因此，F1项在降水第一阶段有锋生作用，第二阶段发挥了锋消作用。

水平辐散项F2是假相当位温梯度和散度的乘积，反映了假相当位温和散度对锋生的贡献。随着时间的推移，25日08时F2由负转正，对锋生产生正的贡献。结合图5中25日08时与02时对比可以明显看到，在925 hPa层和950 hPa层均有等假相当位温线更密集，梯度增大的现象，强梯度区向岸上推进。25日08时随着850 hPa层低压切变的上岸，东南气流在山脉迎风坡也形成了强辐合中心，较02时更为靠近内陆强降水中心。因此，假相当位温梯度和散度在第二阶段的明显增强造成了锋生函数的增大，对强降水的产生提供了有利的动力条件。

水平变形项(F3)的本质是由于温度场和流场之间存在着相互作用，等位温线分布改变之后，原来的地转平衡和热成风关系就遭到破坏，空气运动也会随之发生变化，进一步对锋生产生影响。在对北京的一次暴雨过程分析中，变形项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献(李娜，2013)，梅雨锋的锋生及其维持与形变项和散度项也有更大的关系(Chen et al，2007)。该项量值最大，对锋生的贡献最大，且在第二阶段较第一阶段有明显的跃增(图6)。在此次过程中锋区走向为东北—西南，第一降水阶段锋区两侧风向均为东北(图2b)，与锋区交角小于45°，而在第二阶段，风向为东北和东南向(图2c)，暖区一侧东南风几近垂直锋区，有利于假相当位温等值线的密集，较第一阶段更加有利于锋生。图7c中，水平变形项(F3)在25日08时120°E处存在明显的大值中心，对应强降水第二阶段，因此可以说水平变形项在此次暴雨过程中起到主要的作用。

垂直运动倾斜项(F4)可以反映出垂直速度的水平梯度产生的锋生作用。在整个暴雨过程中锋区上F4均小于0，有锋消作用。对假相当位温的垂直剖面分析可知(图略)，偏北气流带来的冷气团逐渐使低层大气层结趋于稳定，海岸上近地层稳定，且越深入内陆越稳定，海上为不稳定层结，120°E处来自海上的暖气团上岸沿山脉爬升，F4<0，有利于锋消，第二阶段降水开始之后，东南气流加大，暖气团沿山脉爬升的速度加大，F4值随之减小。但在119.5°E处为山谷地带(图1b)，稳定层结下的冷气团沿山脉下沉使得F4>0，海上120°E以东不稳定层结下暖气团的爬升也使得F4>0，F4的这种变化特征在图7d中有所显示，因此，虽然在锋区上垂直运动倾斜项对于锋生没有正贡献，但是在其两侧存在正贡献。

5 结 论

文中利用地面观测资料和NCEP/FNL再分析资料，对福建东北部2018年8月24—25日暴雨天气过程的大尺度流场、抬升条件以及锋生过程进行了详细分析，得到以下结论：

1) 热带低压处于副热带高压主体的西南侧，移动缓慢，边界层偏东急流带来海上暖湿气流与中纬度槽带来的弱冷空气交汇，有利于强降水的发生。两个降水阶段都有较好的水汽供应，第二降水阶段水汽通量弱于第一阶段，说明水汽供应不是造成两个阶段降水强度差异的主要原因,而低层风速较大，地形抬升对强降水的产生发挥了重要的作用。

2) 此次暴雨过程伴随中尺度的锋生现象，且在第二阶段明显强于第一阶段，为第二阶段的强降水提供有力的动热力条件。冷空气影响造成了下垫面偏冷，海上暖湿的气团在其上爬升并与冷空气交汇，形成了较强的中尺度锋区，锋区上垂直涡度、辐合快速发展，触发不稳定能量释放，为暴雨增幅提供了有利的抬升条件。

3) 热带低压的移动路径使气流在台湾岛两侧的绕流辐合，在较强偏东气流的引导下，上岸爬坡增强，造成降水增幅；热带低压的移动速度缓慢导致较长的强降水持续时间，有利于降水的累积。