浙江省春季不同類型暖區天氣降水特征

翁之梅，周雪君，甘晶晶，王 凱

(浙江省臺州市氣象局，浙江 臺州 318000)

引 言

暖區控制下的大氣常具有高溫高濕、不穩定能量大的特點，天氣現象差異大且變化快，不僅晴雨預報有難度，還可能出現區域性強降雨、局地短時暴雨以及大霧[1]等復雜天氣。因暖區天氣尺度斜壓性強迫弱、環境大氣熱動力不穩定性強，易受特殊地形和海陸熱力差異的外強迫作用[2]，對流系統觸發機制復雜，具有明顯的突發性、局地性特征，業務中的全球數值模式對其預報能力十分有限，素來是臺站預報的難點問題[3]。

1986年黃土松[4]提出暖區暴雨概念以來，諸多學者從暖區降水的流場結構、動熱力機制、觸發條件和對流發展規律等角度展開研究。研究發現，暖區暴雨的低空流場結構呈現暖式切變、南風輻合的特點，地面往往存在輻合線[5-8]，在高濕背景下暖區降水具有熱帶降水性質[9]，其抬升條件比鋒面降水低，對流不穩定能量層更為深厚[10]，且降雨發生時伴有較強的凝結潛熱釋放，造成氣柱增暖拉伸，使得多個中心輻合及上升氣流加強[11]。暖區中尺度對流發展具有后向傳播機制[12]，與從鋒區向暖區傳播的重力波觸發機制相關[13]。此外，地形的阻擋促使低層輻合氣流迅速抬升，觸發暖區強降水，同時地形的側向摩擦使得暖區地面輻合線增強，進而使垂直上升運動加強[14]。

浙江省作為江南南部沿海省份，每年3—5月暖濕氣流較強盛，常出現南風控制下的暖區天氣。2014年5月13日夜間，華東地區處于一致的西南氣流控制下，地面冷鋒自華北南部向華東北部靠近，地處暖區的浙江中北部地區普降大到暴雨，浙江西部局地達到大暴雨，全省范圍6%的站點過程雨量超過100 mm，遠超出臺站預報員的預判。為了總結提煉浙江境內暖區降雨天氣預報著眼點，本文利用2007—2016年浙江省及周邊地區常規地面站和探空站觀測資料，統計分析浙江省暖區降水天氣的環流背景和雨帶結構特征，對比各類暖區過程產生降水的條件差異，旨在深入認識暖區降水發生發展特征機制，為浙江省此類天氣預報提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

使用2007—2016年3—5月浙江及周邊地區探空站的風向、風速、氣溫觀測資料和地面站的氣溫、相對濕度、風向、風速、降水量、日照時數觀測資料以及ERA-Interim逐6 h風場、溫度、相對濕度等要素格點資料(空間分辨率為0.125°×0.125°)。另外，浙江省行政邊界是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)3266的標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 研究方法

暖區一般指地面冷鋒以南的較暖區域。鋒面的形成與多種氣象要素相關，本研究根據低層風場并結合氣溫變化和地面形勢篩選暖區個例。判定規則：3—5月，850 hPa浙江杭州、衢州和臺州3站實測風向為偏南風，即風向角在90°～270°之間，且2站及以上前24 h變溫為正變溫；地面上無冷鋒南下入侵。經普查發現，浙江2007—2016年春季符合上述條件的暖區個例共321個。

根據浙江省及周邊地區(115°E—125°E、25°N—35°N，下同)850 hPa風場形勢，321個暖區個例大致劃分為西南氣流型、暖切北抬型、冷切靠近型、東南氣流型4類(圖1)。其中，將浙江及周邊范圍內所有站點為西南風或偏南風，且12 h內無冷式切變進入浙江的暖區個例歸為西南氣流型；將影響范圍內存在東南風與西南風的暖式切變，且后12 h內無冷式切變進入浙江的暖區個例歸為暖切北抬型；將周邊地區有冷式切變南壓靠近浙江，或無冷式切變進入影響區但之后12 h內有冷式切變快速進入浙江的個例歸為冷切靠近型；將杭州、衢州和臺州3站風向角在90°～180°范圍內及周邊地區所有站點為東南風，且12 h內無冷式切變進入浙江的個例歸為東南氣流型。統計發現：浙江省大多數暖區過程都伴有周邊省份的切變活動，冷切靠近型和暖切北抬型占總個例的61.6%，西南氣流型占34.0%，東南氣流型最少，僅占4.4%；3—5月，暖區個例逐月增多。

圖1 浙江省春季暖區天氣形勢分型(a)西南氣流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)東南氣流型(方框為研究區域，粗箭頭線為顯著流線，細線為切變線)Fig.1 Patterns of warm sector weather situation in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern, (c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern(the box for the study area, thick line with arrow for significant streamline, and thin line for shear line)

2 結果與分析

2.1 暖區天氣及降水特征

相比春季氣候特征，浙江春季暖區天氣具有云量多、雨量小、氣溫高、日照時數少和日溫差略偏小的特點。各類型暖區天氣除氣溫呈現一致正距平外，其他氣象要素均值差異較大。其中，西南氣流型暖區天氣面雨量最小，云量偏少，日照時數偏多，氣溫最高，日溫差最大；冷切靠近型暖區天氣面雨量最大，云量最多，日照時數最少，日溫差最小；暖切北抬型暖區天氣雨量和云量略偏多，日照時數與日溫差略偏少(小)；東南氣流型暖區天氣面雨量小，日溫差和日照時數略偏小(少)。鑒于暖區強降雨過程的影響力和致災風險，下面僅探討其降雨特征。

圖2是浙江春季不同類型全體暖區個例的平均降水空間分布。西南氣流型，浙江大部分地區平均雨量在2 mm以下，浙西浙南的杭州、衢州、麗水及東南沿海的溫州、臺州雨量稍大，平均雨量為2～4 mm[圖2(a)]。冷切靠近型的過程平均雨量4 mm以上的范圍最大[圖2(b)]，其次為暖切北抬型[圖2(c)]，這兩類暖區天氣過程的平均雨量分布均表現為西南部大、東北部小，8 mm以上的雨量中心都分布在衢州和麗水。東南氣流型的平均雨量最小，僅南部溫州和麗水局部地區超過2 mm[圖2(d)]。

圖2 2007—2016年春季不同類型暖區降水天氣下浙江平均雨量空間分布(單位：mm)(a)西南氣流型，(b)冷切靠近型，(c)暖切北抬型，(d)東南氣流型Fig.2 The spatial distribution of average precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in Zhejiang in spring from 2007 to 2016 (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) cold shear approaching pattern,(c) warm shear northward extending pattern, (d) southeastern airflow pattern

從各類暖區個例的最大日雨量分布(圖3)看出，西南氣流型、暖切北抬型和冷切靠近型的暖區過程均可造成浙江省出現暴雨天氣。其中，暖切北抬型造成的暴雨出現在浙江西部的杭州、衢州及南部的麗水和溫州；冷切靠近型造成的暴雨主要出現在浙西的衢州、杭州、麗水和浙中的金華北部及臺州西部；西南氣流型的暴雨僅出現在麗水南部，而東南氣流型的過程最大雨量僅達到中雨，分布在麗水和溫州的南部地區。

圖3 2007—2016年春季不同類型暖區降水天氣下浙江最大日雨量空間分布(單位：mm)(a)西南氣流型，(b)冷切靠近型，(c)暖切北抬型，(d)東南氣流型Fig.3 The spatial distribution of the maximum daily precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in Zhejiang in spring from 2007 to 2016 (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) cold shear approaching pattern,(c) warm shear northward extending pattern, (d) southeastern airflow pattern

從春季浙江省各類型暖區天氣過程的平均雨量月際變化(圖4)看出：3—5月，隨著影響浙江省暖濕氣流的逐漸增強，平均月降水量總體呈現增大趨勢，各月降水量均以冷切靠近型的過程雨量最大、東南氣流型的過程雨量最小。因此，3月應關注冷切靠近型暖區天氣過程帶來的降水，4、5月暖切北抬型與冷切靠近型的過程雨量都明顯增大，均須加強關注。

圖4 浙江省春季各類型暖區天氣下平均雨量的月際變化Fig.4 The monthly change of average precipitation under warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang

根據《浙江省天氣預報用語業務規定》，夜間時段為20:00至次日08:00(北京時，下同)，白天時段為08:00—20:00。統計對比白天與夜間時段不同類型暖區天氣下浙江省平均雨量差值(圖5)，發現春季各類型暖區天氣下浙江日-夜雨量差的空間分布不同，夜雨現象主要出現在西南氣流型暖區過程的麗水、溫州、金華和臺州南部，暖切北抬型暖區過程的金衢盆地，以及東南氣流型暖區過程的杭嘉湖、紹興、臺州東部及麗水北部，而冷切靠近型暖區過程全省平均雨量白天大、夜間小。

圖5 浙江省春季各類暖區降水過程夜間與白天雨量差(單位：mm)(a)西南氣流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)東南氣流型Fig.5 The difference of precipitation between the daytime and the nighttime for warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang (Unit: mm)(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern,(c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern

2.2 不同類型暖區降水過程的中尺度特征

暖區降雨發展過程中，一些復雜的降水物理過程、邊界層物理過程在現階段數值模式中尚難以準確描述，需要建立正確的中尺度概念模型[2]。鑒于暖區降雨局地性強的特點，選取各類型中浙江范圍內12 h累計降雨單站最大的個例為代表(表1)，對比研究春季各類暖區降水過程的中尺度特征。

表1 2007—2016年春季浙江各類暖區降水過程典型個例的時間及雨量Tab.1 The time and precipitation of the warm sector rainfall weathers with different patterns in spring in Zhejiang from 2007 to 2016

2.2.1 環流背景

從上述各類暖區降水典型個例的環流形勢場(圖略)看出，西南氣流型，500 hPa高原槽自105°E附近緩慢東移，浙江省處于弱脊區中；850 hPa西南渦在云、貴、川3省交界處發展少動，我國中東部地區受西南氣流控制，浙江省處于弱暖舌頂部，相對濕度達80%～90%。暖切北抬型，500 hPa南支槽向110°E靠近，位于華東沿海的弱脊區東移入海，浙江上空轉為西南偏西氣流控制；中低層暖式切變線自閩北經浙江后向蘇皖南部北抬，浙江上空中低層存在較明顯的溫度梯度和高濕區。冷切靠近型，500 hPa淺槽東移靠近浙江，且中低層冷式切變線經蘇皖一帶東移，浙江省處于西南急流和地面冷鋒以南的高濕區中。東南氣流型，500 hPa華東北部存在東移的弱脊，上游淺槽快速靠近華東南部地區；東海北部中低層存在反氣旋中心，華南沿海弱暖式切變線發展，浙江省處于高濕區北緣和反氣旋底后部東南氣流之中。

2.2.2 雨帶結構與能量鋒區分布

各類暖區降水個例的回波均表現為層狀-積云混合性降水回波，但回波帶走向不盡相同(圖略)。與切變線活動對應的暖切北抬型和冷切靠近型的雨帶呈SW—NE走向，而西南氣流型和東南氣流型的雨帶則呈現SE—NW走向。

θse在干、濕絕熱過程中均守恒。分析各類暖區降水個例的θse分布(圖略)發現：西南氣流型和東南氣流型暖區降水個例的850 hPa等θse線均呈SE—NW走向；暖切北抬型和冷切靠近型的850 hPa等θse線則呈SW—NE走向。可見，各類暖區降水過程的850 hPa等θse線均與降水回波帶的走向基本吻合，且雨帶基本分布在等θse線密集區，表明暖區的能量鋒區對雨帶發展起到重要作用。

2.2.3 垂直運動特征

從圖6看出，各類型暖區降水過程的緯向垂直剖面上都存在一個或多個中尺度垂直環流，且上升支與雨區的對應關系較好，這與BROWNING[15]在對平行于地轉氣流的暖區小雨帶作正交垂直截面時觀察到的氣流結構特征相吻合。

西南氣流型[圖6(a)]、東南氣流型[圖6(d)]的氣流結構共同點是：浙西上空的西南暖濕氣流在來自海面較冷的東南氣流之上爬升，并在浙東沿海分流，一支流入東側的垂直渦旋環流中，另一支重新匯入近地層東南氣流中。然而，兩者差異主要表現在東南氣流自地面向上發展的高度不同。進一步分析發現，緯向垂直環流發生在濕位渦qw<0的區域，表明垂直環流的維持與條件性對稱不穩定機制有關。

冷切靠近型[圖6(c)]，降水發生在冷空氣自西北向東南擴散背景下，浙江上空850 hPa以下存在上冷下暖的不穩定層結，對應地面出現暖區對流性降水。若此時海面上空氣溫較低，則海陸之間形成一個強度較弱的冷暖空氣分界面，浙江境內可出現雙雨帶結構。

暖切北抬型[圖6(b)]，浙江上空850～700 hPa為西南暖濕氣流且θse值高，而900 hPa以下為偏東氣流且θse值低，900～850 hPa之間θse垂直梯度大，上升速度區基本都出現在西南氣流中，表明暖空氣在較冷空氣之上爬升，浙江西部和東部沿海上升氣流最強。

圖6 浙江春季不同類型暖區降水個例的流場(黑色流線)、垂直速度(藍色線，單位：Pa·s-1)及θse(陰影，單位：K)的緯向垂直剖面(a)西南氣流型(沿28.875°N)，(b)暖切北抬型(沿29.5°N)，(c)冷切靠近型(沿30°N)，(d)東南氣流型(沿27.5°N)Fig.6 The zonal vertical section of airflow field (black streamlines), vertical velocity (blue lines, Unit: Pa·s-1) and θse(shadows, Unit: K) during the warm sector rainfall processes with different patterns in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern (along 28.875°N), (b) warm shear northward extending pattern (along 29.5°N), (c) cold shear approaching pattern (along 30°N), (d) southeastern airflow pattern (along 27.5°N)

2.3 暖區降水概念模型

通過上述分析，得到4類暖區降水過程概念模型(圖7)。可以看出，各類暖區降水過程的共同特征是：浙江近地面存在一支東南氣流，西進至117°E附近時與來自內陸的西南氣流交匯輻合上升后轉為東北方向流動，降水發生在該中尺度垂直環流的上升支。暖區雨帶與等θse線密集區相對應，走向與等θse線相平行。但是，4類暖區過程的降水分布存在差異，主要表現為：西南氣流型降水強度總體偏小，在沿岸地形摩擦輻合作用下易形成獨立的降雨中心；暖切北抬型，西南暖濕空氣在近地層較冷空氣之上爬升，當近地層有弱冷空氣殘留時，暖式切變線南側的暖濕空氣與殘留的冷空氣之間易形成斜壓不穩定，致使降雨增強；冷切靠近型，處于暖區中的浙江上空出現上冷下暖的不穩定層結，易引發對流性降水，且春季海陸溫差大，沿海形成的弱鋒區可觸發新的獨立雨帶，從而形成雙雨帶結構；東南氣流型，降水主要分布在700 hPa西南氣流與850 hPa東南氣流交匯的垂直風向切變區，降雨強度不大。

圖7 浙江省春季不同類型暖區降水概念模型(a)西南氣流型，(b)暖切北抬型，(c)冷切靠近型，(d)東南氣流型(藍色陰影為雨區)Fig.7 Conceptual model of rainfall caused by warm sector with different patterns in spring in Zhejiang(a) southwestern airflow pattern, (b) warm shear northward extending pattern, (c) cold shear approaching pattern, (d) southeastern airflow pattern(the blue shadow for rain area)

3 結 論

(1)浙江春季暖區天氣呈現云量多、雨量小、氣溫高、日照時數少、日溫差小的總體特點。各類暖區降水過程中，冷切靠近型雨量最大，其次為暖切北抬型，這兩類暖區降水過程導致的浙江省平均雨量分布具有西南部大、東北部小的特征。

(2)春季不同類型暖區降水過程的夜雨空間分布存在差異，西南氣流型夜雨主要出現在麗水、溫州、金華和臺州南部，暖切北抬型出現在金衢盆地，東南氣流型主要出現在杭嘉湖、紹興、臺州東部及麗水北部，而冷切靠近型全省平均雨量白天大、夜間小。

(3)中尺度分析發現，浙江春季暖區降水常伴有中尺度垂直環流上升支，雨帶一般發生在低空急流出口區和邊界層輻合線交匯的等θse線密集區，且走向與θse線平行。

(4)浙江春季不同類型暖區降水預報應關注西南氣流和近地層東南氣流的交匯區，以及近地層冷空氣殘留和海陸溫差造成的斜壓不穩定對降水強度的增幅作用。