福建一次大暴雨过程的多尺度分析

福建一次大暴雨过程的多尺度分析
官晓东;刘玉;郑凯端;沈永生
【摘要】利用常规气象资料、自动气象站降水资料和NCEP再分析1°×1°等资料,对福建2017年6月初一次强降水过程进行多尺度分析.结果表明:①冷空气与暖湿气流相互作用形成持续性暴雨,中尺度系统的活动导致短时暴雨.②较大的风暴相对螺旋度,低层的正涡度和中低层的上升运动有利于中尺度对流系统(MCS)的发展和维持;强烈的热力不稳定和较强的垂直风切变是中尺度对流发展的环境特征.③强的整层水汽通量和水汽辐合为暴雨区提供水汽来源和水汽条件.④锋生的大小和位置对降水的强度和落区有很好的指示作用;低层以水平锋生为主,中层以垂直锋生为主,有利于成片暴雨的发生.⑤中尺度系统对天气尺度的水汽辐合和边界层对流不稳定条件有增幅作用;上下两支次级环流的上升支叠加,有利于低层不稳定能量的释放,促进中尺度系统的发展.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2018(046)006
【总页数】11页(P1221-1231)
【关键词】暴雨;相对螺旋度;中尺度结构特征;锋生
【作者】官晓东;刘玉;郑凯端;沈永生
【作者单位】福建省三明市气象局,三明365000;福建省三明市气象局,三明365000;福建省三明市气象局,三明365000;福建省三明市气象局,三明365000【正文语种】中文
【中图分类】P458.3
引言
暴雨作为气象灾害之一，是气象学研究的永恒主题之一，有关暴雨的研究已经得出了不少研究成果。

研究表明，在大尺度锋面暴雨受高纬南下冷空气影响更为直接[1]，南海夏季风的爆发和向北推进是每年我国天气气候的重要事件，其爆发最显
著的特征就是南海地区低层西南风的突然增强和降水的明显增多[2],谢安等分析孟
加拉湾地区及南海地区对长江中下游地区水汽输送的长时间维持是造成1998年长江流域洪涝的主要原因[3]，强盛低空急流为暴雨过程提供了充沛的水汽[4]，强降
水位于水汽通量散度平流项与散度项辐合配置较好区域[5]，暴雨落区和水汽通量
散度负值区，螺旋度大值区，垂直速度最大区中心的走向基本一致[6]，而特大暴
雨由多个不同尺度的MCS活动造成,这些不同尺度的MCS在卫星云图和雷达回波上呈现出不同的特点[7]，MCS在增强过程中，回波带内存在中气旋和强降水超级单体的活动[8]；国外学者也通过分析卫星、雷达和自动站等资料对暴雨过程的中
尺度对流云团、雷达回波特征及其地面要素关系进行了广泛的研究[9-10]。

华南暴雨作为我国的暴雨成员之一，也得到了大量气象学家的关注，通过分析各尺度环境下华南前汛期暴雨，同样得出了许多成果[11-15]。

2017年6月1日至3日华南
一带出现持续性暴雨，此次降水持续时间长，强度大，给福建带来较为严重的影响，暴雨发生期间先是锋面南压下形成暴雨，再是锋面南北摆动下出现暴雨。

本文试图通过分析大尺度和中尺度间的相互作用，来揭示此次暴雨的影响因子和环境场特征。

1 降雨过程天气背景概述
2017年6月1日白天主雨带主要位于福建省北部，6月1日夜间雨带开始南压至福建省中部一带，2日白天降水位于福建西部南部，降水范围有所减小，2日夜间降水明显减弱，3日白天再次加强，雨区位于福建西部南部。

6月1日全省有54
个雨量站出现100 mm以上的降水，以武夷山岚谷乡的143.3 mm为最大，1 h
大于50 mm的雨量站有9个，以松溪茶平乡的66.2 mm为最大；2日全省有134个雨量站出现100 mm以上的降水，以连城曲溪乡的246.6 mm为最大，1
h大于50 mm的雨量站有50个，以连城莒溪乡的89.5 mm为最大；3日全省有51个雨量站出现100 mm以上的降水，以连城姑田镇的162.5 mm为最大，1 h 大于50 mm的雨量站有7个，以东山陈城镇的67.3 mm为最大，由此可见，此次过程中存在短时暴雨过程，中尺度活动为主要影响系统。

暴雨期间，200 hPa南亚高压中心始终位于中南半岛北部地区，华南东部位于偏
西风和偏南风的“分流区”中，6月3日20：00南亚高压中心分裂东移，“分流区”消失。

500 hPa在中高纬地区维持两槽一脊环流形势，贝加尔湖北部稳定维
持一高压脊，我国东北存在一低涡中心，低涡以南高空槽东移，槽后的偏北气流不断引导冷空气南下。

副热带高压的588 hPa线北界于5月31日夜里起由两广北
部南落至华南以南洋面，福建上空由西北风转为偏西风，有利于孟加拉湾的水汽向华南输送。

中低层700～925 hPa，切变线与地面锋面走向大体一致，成东西向分布。

6月1—2日，850 hPa和925 hPa切变线基本重合，暴雨位于切变线附近，3日，850 hPa切变线北抬后又南压，925 hPa在闽西和闽南沿海各维持一条切变线，
这与雨带的分布相吻合。

西南气流在6月1日加强为急流，2日迅速增大，3日有所减弱。

在强烈的辐合上升运动下，中尺度对流系统得以发展，出现了短时强降水，值得注意的是，暴雨落区与925 hPa切变线的位置有更好地贴合，特别是3日出
现的双雨带说明边界层的辐合必须予以足够重视。

2 中尺度系统的特征分析
此次大暴雨主要是由多个中尺度系统不断形成并连续影响福建所造成的，故以下将通过分析中尺度云团的移动来揭示降水过程的变化，分析风暴相对螺旋度来反映环
境垂直风切变对移动风暴发展的影响，分析上升速度和垂直方向上涡度来反映垂直动力结构对风暴发展的作用，分析探空指数来揭示中尺度系统发展所需的不稳定能量。

2.1 中尺度云团的特征分析
MCS沿着低层切变线方向向东移动，以TBB小于等于-60 ℃为标准定义为深对流(TBB,通常称为亮度温度)。

2017年6月1日上午福建北部出现了TBB小于等于-60 ℃的MCS由南平向宁德方向移动，午后MCS明显加强，出现TBB小于等于-70 ℃区域，1日20:00(图
1a)，福建中北部有一条对流带，上面不断有新的MCS在江西中部生成并加强东移。

6月2日对流云带南压至福建省中南部地区，同样有多个MCS在江西境内生成并发展东移，如图1b，2日08:00在龙岩到平潭出现相连的两个MCS,TBB小
于等于-70 ℃的范围较大，这些MCS是造成福建省西部、中部和中北部沿海一带出现大暴雨的原因。

6月3日的在福建省中西部和南部沿海各出现了一个对流带(图1c)，是造成3日出现双雨带的原因之一。

从降水分布来看，出现短时强降水
的区域位于MCS前进方向的后方，出现20 mm/h以上降水的区域分别位于
MCS前进方向的中后部，这说明短时暴雨的出现主要是受MCS的斜升气流的影
响降落在对流单体的后侧。

2.2 风暴相对螺旋度
风暴螺旋度在对流风暴中的分析很早就有[16]，风暴相对螺旋度反映的是风暴入流速度和入流方向涡旋的强度，预示着环境垂直风切变中风暴运动所产生的旋转潜势。

本次计算风暴传播速度取为1.5～7.0 km(850～400 hPa共10层)平均速度的75%且向右偏转40°，积分厚度为0～3 km[17](925～700 hPa共6层)，由于海拔问
题取925 hPa为起始高度。

通过分析暴雨期间风暴相对螺旋度与TBB演变，可以发现，6月1日11:00南平
北部出现TBB小于等于-60 ℃深对流，1日14:00 MCS移至宁德上空，在东移的过程中范围逐渐扩大，对应同时次风暴相对螺旋度宁德中东部出现大值区，最大值达到250 m2·s-2以上(图2a)，同时位于南平和三明北部的深对流向宁德上空移动时不断合并加强，TBB中心值由-60 ℃降至-70 ℃；6月1日20：00在福建省中南部存在一个风暴相对螺旋度大于200 m2·s-2的面积较大区域(图2b)，这期间从江西中南部发展起来的MCS在东移过程中不断发展扩大；6月2日09:00由江西南部向东南偏东方向移动的MSC不断增强，经漳州北部上空时TBB中心值降至-80 ℃，进入台海峡后MCS略有减弱，2日20:00到达台湾上空时TBB再次降低至-80 ℃。

分析发现，2日06:00至20:00台湾海峡中部到台湾北部分别存在风暴相对螺旋度大值中心，说明江西南部东移过来的MCS在逐渐靠近风暴相对螺旋度大值中心时会不断增强，而MCS入海则先减弱后再次加强，是由于这期间风暴相对螺旋度在台湾海峡的南部出现下降(由大于100 m2·s-2降为小于100 m2·s-2)的区域(图2c)；6月3日的主要MCS出现在福建省的中部和南部地区，3日08:00龙岩和漳州各有一个MCS发展，对应风暴相对螺旋度(图2d)在龙岩东部和漳州上空各有一个中心，这有利于MCS在东移过程中得到发展，3日14:00风暴相对螺旋度在龙岩减弱，漳州维持，漳州南部MCS得到发展。

图1 2017年6月1日20:00(a),6月2日08:00(b),6月3日08：00(c)FY-2E卫星的TBB和6月1日20：00—21：00(d)，6月2日08：00—09：00(e)，6月3日08:00—09：00(f)小时降水量≥20 mm落区
图2 2017年6月风暴相对螺旋度(m2·s-2)：(a)1日14:00，(b)1日20:00，(c)2日20:00，(d)3日08:00
可以看出，当MCS向风暴相对螺旋度大值区移近的过程中会得到发展和加强，这在短时临近预报上可以用来判断对流体在未来是否会得到发展。

2.3 垂直速度和涡度分析
6月1日02:00对28°N做垂直剖面图发现(图3a)，在117.5°～118.5°E之间对流层中层存在一个强上升区和强涡度中心，两个中心经度较为一致，但是低层为负涡度，对应同地区只有较弱的对流发展。

6月1日08:00—20:00，MCS移动路线由28°N南移至26°N，1日14:00对27°N做垂直剖面发现(图3b)118°～120°E之间存在强深对流区，在上升区的西侧低层存在多个正涡度中心，对应3个较弱的MCS；6月1日20:00对26°N做垂
直剖面图发现(图3c)，115°～116°E和119°～122°E的较强上升区分别与图1a
中编号为1,2和3,4的MCS相对应，在同一纬度上存在2个上升运动和涡度中心，121°E附近上升运动和涡度中心位置重合且涡度和上升运动皆较强，福建东部沿海编号4的MCS东移时强度维持，由于编号1和3的MCS的上升运动弱，编号2的MCS远离涡度中心，在东移时减弱。

6月1日20:00至6月2日08:00，MCS移动路线由26°N继续南移至24°N，2日02:00对25°N做垂直剖面图发现(图3d)，119°E附近的低层有一涡度大值中心，但是上升运动较小，对应台湾海峡有范围较小的MCS，福建中部MCS存在
负涡度和下沉区，在下几个时次MCS逐渐减弱；6月2日08:00在福建南部出现东西向的长条形的MCS，并有两个TBB≤-70 ℃的中心，分析25°N的剖面图(图
3e)在120°E附近低层存在正涡度中心，24°N的剖面图(图3f)在118°E附近低层
存在正涡度中心，两个纬度剖面图在同一经度120°E附近有一强上升运动区，24°N的剖面图中涡度中心与下沉运动相对应，通过云图发现福建东部沿海的MCS在东移过程中加强，福建南部的MCS在东移的过程中减弱。

6月2日14:00，在漳州上空有一强MCS在东移过程中减弱，对应同时次24°N
剖面图(图3g)，低层虽有正涡度中心，但是处在下沉区，不利于MCS的维持。

6
月3日的对流发展较弱，这与只有低层的涡度配合，垂直运动条件较差有关。

以上分析发现在低层正涡度和中低层上升运动的共同作用下，有利于MCS强度的
发展和维持；当存在下沉运动或负涡度中心或上升运动区与正涡度中心位置不对应时不利于MSC的发展。

2.4 探空指数诊断分析
表1的探空指数演变表明，5月31日至6月1日福建北部有明显的CAPE积累和释放,K指数始终维持在较高水平,说明该区域具有强烈的热力不稳定,其中对流抑制有效位能和抬升指数在降水开始时分别达到了38 ℃和-2.07 ℃，说明在暴雨发生
初期有明显的不稳定能量在低层积聚和条件不稳定，福建北部地面到500 hPa的
垂直风切变在1日20:00之前维持在20 m·s-1以上，属于较强垂直风切变，在冷空气南下触发后形成多个中尺度对流影响福建北部。

6月1日20:00至3日20:00，雨带南移至福建中南部，从龙岩探空指数看出，CAPE在降水初期出现明显突增，3日有所减小，K指数始终维持在高位，抬升指数在2日08:00达到最低-4.48 ℃，同样对流抑制有效位能在降水南移之前维持在较大水平，在锋面南下至福建中部时垂直风切变到最大23 m·s-1，从指数的变化来看，2日比3日更利于对流的发展，这与两日的降水强度和分布基本相对应。

图3 2017年6月垂直速度(填图)和涡度(等值线，单位：10-5s-1)垂直剖面：(a) 1日02:00，沿28°N,(b) 1日14:00，沿27°N,(c) 1日20:00，沿26°N,(d) 2
日02:00，沿25°N,(e) 2日08:00，沿25°N,(f) 2日08:00，沿24°N,(g) 2日14:00，沿24°N
表1 邵武和龙岩探空站热力指数和500 hPa到地面的垂直风切变演变邵武龙岩CAPEK指数LICIN风垂直切变CAPEK指数LICIN风垂直切变J·kg-1J·kg-
1℃℃m·s-1J·kg-1J·kg-1℃℃m·s-131日20:001029.638-2.0738.32357.834-
0.5968.6131日08:00269.339-1.752.42531642-1.3749.5151日
20:0011.4371.160.1221558.343-3.6417.5232日
08:001.2360.312.6161072.542-4.4812.2182日20:000353013112439-315153日08:000370.920.111998.742-3.6511.6103日20:0019.838-
0.5106.122416.341-3.653.88
注：CAPE为对流有效位能，LI为抬升指数，CIN为对流抑制能量。

3 多尺度系统作用分析
3.1 西南气流在水汽输送中的作用分析
中低纬度系统的相互作用是造成西南气流变化的主要原因，而西南气流对水汽输送起到主导作用。

图4 2017年6月地面到300 hPa水汽通量度散度(阴影)和水汽通量(矢量)：(a)1
日08:00,(b)1日20:00,(c)2日20:00,(d)3日08:00(等值线显示水汽通量≥40 kg·m-1·s-1区域)。

5月31日20:00(图略)，整层水汽从南海西部和孟加拉湾向我国长江以南地区汇合，长江中下游出现东西向零散的水汽辐合区，孟加拉湾北部的水汽是辐合区水汽的主要来源；6月1日08:00(图4a)，随着西风槽南压，福建沿海和江西北部整
层水汽通量达到80 kg·m-1·s-1，水汽辐合区南压至福建北部，且明显增强，此时福建北部开始出现强降水；6月1日20:00(图4b)，强水汽输送区逐渐南移，主要水汽源地由孟加拉湾北部转变为孟加拉湾南部和南海北部，华南至南海北部维持较强的水汽通量，整层水汽辐合带同样缓慢南移，对应福建北部已经出现100 mm
以上的降水；6月1日20:00至2日20:00(图4c)，水汽通量辐合带继续南压，但辐合强度在逐渐减弱，对应降水6月1日夜间福建中部出现100 mm以上的降水，6月2日白天降水范围和强度都明显减小；3日白天整层水汽通量辐合有所加强(图4d)，但强水汽输送区逐渐东移，对应福建西南部在3日白天出现强降水，但
降水落区较为分散。

此次福建强降水过程的主要水汽来源为孟加拉湾和南海北部，强的整层水汽通量为
暴雨区源源不断地提供水汽来源，而强的整层水汽辐合为强降水的形成提供水汽条件。

3.2 高空冷槽引导下的冷空气在暴雨中的分析
3.2.1 冷暖气流相互作用
在高空冷槽的东移过程中，槽后的偏北气流引导冷空气由东路扩散南下，是此次暴雨过程发生的重要原因。

图5 2017年850 hPa 24 h变温(阴影)，流场(矢量)，≥12 g·kg-1比湿场(红色等值线)：(a)5月31日20:00,(b)6月1日08:00,(c)6月1日14:00,(d)6月3日
08:00(黑色方框为福建区域)
5月31日20:00 (图5a)，两江流域下游之间以偏西气流为主，高原以西至华中一带存在明显正负变温，南北风辐合和比湿大梯度区。

6月1日08:00 (图5b)，华
北东北地区到两江流域转为偏北气流，长江中下游负变温范围扩大，华东华南地区为明显的正变温，26°～28°N之间比湿梯度密集带伸向我国东部，此时锋面已经
影响福建北部地区。

6月1日14:00(图5c)，黄海一带偏北气流增大，且出现明显的负变温，北方的冷空气由东路沿我国东南沿海南下影响华南，锋面开始逐渐南压，对应降水在南压的过程中范围和强度逐渐增大。

6月2日20:00东海偏北风减弱
明显，锋区移至福建中部后开始减弱，福建大部出现负变温，2日夜间降水减弱，只有少数乡镇出现50 mm以上的降水。

6月3日白天，福建西部和南部再次出现强降水，但降水分布相对前两日较为分散，通过分析发现，3日02:00，华南西南气流再次加强，08:00(图5d)福建西部南部开始出现正变温，并有湿舌相对应，此时锋面已经北抬至福建北部，20:00锋面再次南压，但锋面较弱。

3.2.2 运动学锋生特征分析
利用锋生函数从定量的角度分析此次暴雨过程的天气现象及气象要素变化。

考虑到假相当位温在湿度较大的地区具有保守性，为了适合本次锋生函数的表达式，本文
用假相当位温来代替位温。

此次计算参考了文献[18]、[19]中运用到的运动学锋生函数。

计算各层115°～121°E间纬向上平均总锋生随时间在维度上的变化，分析975～500 hPa结果发现，600 hPa以上锋生作用较小，800～600 hPa各层的平均总
锋生与6月1日降水对应较好，975～850 hPa各层的平均总锋生与整个过程降
水对应较好。

因此分别累加800～600 hPa和975～850 hPa各层的平均总锋生。

800～600 hPa累计平均总锋生(简称为Fsum，下同)(图6a)在6月1日与强降水相对应，2—3日Fsum明显减弱， 2日08:00—3日08:00在强降水区出现了锋消；975～850 hPa Fsum(图6b)除在5月31日20:00—6月1日08:00与强降
水不相对应外，其余时段强锋生区随着强降水落区的南压而逐渐南移, Fsum在6
月1日08:00—2日08:00较强，2日08:00以后Fsum逐渐减弱，3日分别在24°N和26°N出现Fsum中心，与3日的双雨带相对应。

以上两张图都出现Fsum在南移的过程中逐渐减弱，这与强降水在1日08:00至2日08:00明显强
于2日08:00至3日20:00相对应，锋生作用对降水的影响在中低层更明显。

图6 2017年5月31日到6月3日纬向平均总锋生在高度上的累加(阴影)：
(a)800～600 hPa，(b)975～850 hPa(黑色方框为12 h累计降水量≥25 mm纬度范围(世界时))
为了更好地揭示此次降水过程中各个阶段运动学锋生函数中水平锋生和垂直锋生所起的作用，分别对3天115°～121°E内出现≥50 mm降水的纬度范围做各层锋生平均。

6月1日降水过程(图7a)，5月31日850 hPa 附近和900 hPa以下主要以垂直
锋生为主，在降水的最强时段6月1日08:00—20:00，900 hPa以下和700 hPa 附近同时出现垂直锋生，700 hPa以下为水平锋生逐渐增大。

6月2日降水过程(图7b)，6月1日900 hPa以下以垂直锋生为主，强降水时段6月1日20:00至
2日08:00，900 hPa以下垂直锋生消失，700 hPa附近垂直锋生和800 hPa以
下水平锋生明显增强，2日08:00以后随降水减弱，水平和垂直锋生减小。

6月3日降水过程(图7c)，水平锋生逐渐减小，750 hPa附近垂直锋生有所增大，与3
日强降水范围小而分散相对应。

以上说明锋生越大越容易出现成片的强降水；低层以水平锋生为主，中层以垂直锋生为主，有利于水汽辐合抬升和对流不稳定发生[18]，这是6月1—2日形成强降水的重要原因之一；只有中层出现垂直锋生，低层水平锋生不明显，是6月3日出现分散性暴雨的原因之一。

图7 2017年6月水平区域平均的总锋生(阴影)、水平锋生(实线)和垂直锋生(虚线)垂直分布(世界时):(a)1日,(b)2日,(c)3日
3.3 中尺度系统与天气尺度系统的相互作用
选取降水过程中的MCS，通过水汽通量散度和假相当位温对其进行水汽输送和对
流稳定度在垂直剖面上的分析。

6月1日14:00，福建省北部存在3个TBB小于等于-60 ℃的MCS。

沿27°N做
剖面(图8a)，在114°～121°E之间900 hPa以下存在强中尺度水汽通量辐合中心，在强水汽通量辐合中心(120°E)以西存在上升运动，以东存在下沉运动，形成风暴
内的环流圈，远离风暴环流圈的区域水汽辐合较弱，说明风暴环流圈对天气尺度的水汽辐合有增幅作用，风暴及后方为假相当位温大值区，垂直和水平温度递减率皆较大，说明风暴(风暴自西向东移动)增强了边界层对流不稳定条件；沿120°E做剖面(图8b)，27°N附近存在偏南风与弱的偏北风辐合的锋区，锋区以南为高能区，且随高度向北倾斜，强水汽通量辐合位于锋区内及假相当位温大梯度区以南的高能区一侧，暖区上升运动和冷区下沉运动，形成一个次级正环流圈，高层位于锋面以南1～3纬距存在反时针的闭合次级反环流，上下两支次级环流的上升支在雨带上空叠加，形成深厚的上升运动区，有利于低层积聚的不稳定能量得以释放，对中尺度系统的发展有促进作用，强水汽通量辐合区与深对流对应较好，说明深对流形成
于低层强水汽的辐合区，而不是水汽条件较好的广大区域，这与李银娥等分析的一致[19]。

6月2日14:00，沿25°N(图8c)，118°E(图8d)做剖面；6月3日08:00，沿24°N(图8e)，117°E(图8f)做剖面，都得出与1日14:00相似结论。

4 结论
(1)2017年6月1日过程是北方冷空气南下与华南暖湿气流相互作用下形成的持
续性暴雨；东北冷涡、低槽、锋面、急流形势明显，整层水汽饱和，构成了强的不稳定层结和上升运动。

雨带中的中尺度系统活动导致出现短时暴雨。

(2)较大的风暴相对螺旋度，低层正涡度和中低层上升运动，有利于MCS的发展和维持；强烈的热力不稳定和较强的垂直风切变是中尺度对流发展的环境特征。

(3)此次降水过程的主要水汽来源于孟加拉湾和南海北部，强的整层水汽通量为暴
雨区源源不断地提供水汽来源，而强的整层水汽辐合为强降水的形成提供水汽条件。

(4)锋生的大小和位置对降水的强度和落区有很好的指示，此次过程主要由低层锋
生作用引起；低层以水平锋生为主，中层以垂直锋生为主，是6月1—2日出现成片暴雨的重要原因之一；中层出现垂直锋生，低层水平锋生不明显，是6月3日
出现分散性暴雨的原因之一。

图8 2017年6月水汽通量度散度(阴影)、假相当位温(等值线，单位：K)和流场(矢量，单位：水平风m·s-1，垂直风10-1Pa·s-1)垂直剖面：(a)1日14:00,沿27°N,(b)1日14：00沿120°E，(c)2日14:00，沿25°N，(d)2月14:00,沿118°E,(e)3日08:00,沿24°N,(f)3日08：00，沿117°E
(5)中尺度系统对天气尺度的水汽辐合和边界层对流不稳定条件有增幅作用；上下
两支次级环流的上升支在雨带上空叠加，形成深厚的上升运动区，有利于低层积聚的不稳定能量得以释放，对中尺度系统的发展有促进作用。

参考文献
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