近年来,极端降水在各地多次出现,对城市安全和人民生命财产安全构成巨大威胁,也给降水预报带来极大挑战。极端降水是在有利的环境条件下,不同天气尺度系统相互作用的结果,它的发生、发展与中尺度对流系统(mesoscale covective system, MCS)关系密切。随着观测手段改进和获取的资料更加精细,对MCS类型和结构的研究已有较多成果,研究表明长江中下游地区MCS分为线状和非线状两类,线状MCS又分为尾随层状降水MCS、准静止后向建立MCS等8种典型类型^[1]。对梅雨锋上短时强降水系统的发展模态统计表明,梅雨锋强降水系统的回波演变模态分为纬向型、经向型、转向型和合并型4类,纬向型、经向型和70%的转向型发展模态中MCS呈线状;由于转向型和纬向型MCS 的后向传播比重大,对应短时强降水持续时间最长^[2]。通过对强降水个例的研究发现,在有利的环境场条件下,对流单体在辐合线、地形抬升或是冷池出流作用下不断被触发形成MCS,MCS的后向传播或多单体途经同一区域产生的列车效应常引发极端降水^[3,4,5,6]。针对2012年北京“721”特大暴雨极端性研究发现,降水过程由暖区降水和锋面降水组成,在充沛的水汽条件下,降水首先由地面辐合线和低空急流触发,随着锋面东移,在冷空气和适度的垂直风切变作用下对流系统组织化发展,产生较强的锋面降水^[7]。对华南暖区特大暴雨的个例研究显示,初生对流由冷高压后部偏南风和山坡下滑冷气流形成的水平风场辐合触发,雷暴出流和边界层暖湿气流形成的辐合线加强了第二阶段强降水^[8,9]。对2015年5月19—20日华南地区不同性质暴雨成因分析表明,大尺度模式对低涡切变和锋面气旋影响下的暴雨有较高的可参考性;受边界层弱冷空气和暖区边界层风速辐合及地形海岸线作用产生的暴雨,模式预报能力有限,对暴雨过程中不同性质、不同尺度降水的细致分析对MCS的触发、对流启动位置及暴雨落区等预报问题起到重要作用^[10]。

2015年5月19日福建西部山区出现了一次特大暴雨极端降水过程,过程雨量大,其中清流24 h雨量达367.9 mm,突破了有气象记录以来的日降水最大值,清流、宁化等地出现严重城市内涝和山洪,过程直接经济总损失达9.55亿元。这次极端降水过程由暖区降水叠加锋面降水造成,其中18日夜间暖区降水预报难度大,数值模式和主观预报对暖区降水的预报都出现了较大偏差。本文利用常规天气资料及地面自动站、风廓线雷达、新一代天气雷达资料和ERA-Interim逐6 h 0.125°×0.125°再分析资料,从个例观测研究的角度对此次降水过程发生的环境条件、对流系统的触发和MCS组织维持成因进行分析,对锋前暖区强降水和锋面降水的成因进行剖析,揭示此次极端降水机制,以期为此类暴雨天气的预报提供参考。

2015年5月19日福建西部出现一次特大暴雨极端降水过程,18日21:00(北京时,下同)至19日20:00宁化、清流和明溪共22个自动站雨量大于250 mm[图1(a),审图号为GS(2019)3266],其中13站雨量大于300 mm,以清流最大(367.9 mm),突破有气象记录以来日降水最大值,6 h(170.3 mm)、12 h(257 mm)和24 h(367.9 mm)雨量超百年一遇。从雨量超过330 mm的4站降水演变[图1(b)]可以看出,强降雨呈现“双峰”特征,主要分为2个集中时段,各占总降水量的一半[图1(c)]。第一阶段为18日21:00至19日06:00,14站次雨强大于20 mm·h^-1,以19日03:00宁化治平的47.2 mm为最大,清流10 h雨量达167.4 mm;第二阶段为19日08:00—15:00,降水强度较第一阶段加强,18站次雨强大于20 mm·h^-1,最强小时降水出现在清流,19日10:00雨量达57.4 mm,8 h雨量达192.7 mm。

下文附图涉及地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4619的地图制作,底图无修改。

从大尺度环流背景(图2)可以看出,2015年5月18日20:00,850 hPa切变线快速移出江西和福建北部,西南急流轴位于广东北部到江西南部,在广西和湖南交界处有低涡发展,暴雨关键区位于西南气流水平风速辐合区中,能量大值区位于关键区的西侧;19日02:00,850 hPa西南急流和能量大值区加强北抬,关键区水平风速辐合加大;19日08:00,925 hPa关键区西侧急流加强到14 m·s^-1,暴雨区南侧的能量明显增强,低涡由湖南东移至江西中部;19日14:00—20:00(图略),低涡切变东移南压,南风明显减弱。环流形势分析表明,18日20:00至19日08:00,暴雨区位于低涡切变东侧西南急流轴左侧,伴随风速辐合,水汽充足,对应降水为锋前暖区降水;19日08:00—20:00,暴雨区受低涡切变东移南压影响,冷暖空气交汇产生锋面切变降水。

分析暴雨区临近的赣县、河源探空站18日20:00至19日08:00的环境参数随时间变化(表1),暴雨发生前暴雨区西侧和西南侧的赣县、河源两站对流有效位能值明显加大,18日20:00增大到2000 J·kg^-1以上,抬升凝结高度在910 hPa以下,自由对流高度在870 hPa以下,对流抑制能量小,垂直风切变中等强度,大气可降水量(P_W)大,同时暴雨区西南侧地面露点温度在23~25 ℃,说明暴雨发生前,在西南急流作用下大的对流有效位能和水汽输送到暴雨区,抬升凝结高度和自由对流高度低有利于气层整体抬升,暖云厚度厚,深厚的湿层配合中等强度的垂直风切变,雨滴不容易蒸发,有利于产生高效率的降水。

此次极端降水过程,具有降雨强度大、时间长等特征,既有锋前暖区降水又有锋面降雨。极端降水产生与MCS的组织和维持关系密切,两个阶段对应MCS的演变过程和触发、持续机制是否存在差异?

5月18日午后随着低层切变线南压,切变线前侧一条东北西南向带状MCS在江西北部到浙江南部形成,强回波带位于地面锋面的前沿,MCS的发展模态以经向型为主。从图3看出,18日16:59前后,位于江西东部的MCS北段进入福建北部且移速加快;20:00回波带逐渐断裂成南北两段,北段东移减弱,南段维持近东西向带状回波,MCS由东北西南向转变为近东西向,发展模态转为纬向型;21:00回波带上有多条东北西南向的短雨带自西向东移动,强回波中心强度达45~55 dBZ;22:00短雨带回波位置更加靠近,持续影响宁化、清流、明溪等地;23:59,由江西石城、瑞金移入的回波强度增强、范围增大,强回波带长度约80 km。19日04:03第一条雨带尾部逐渐移出宁化;07:02减弱东移出暴雨区。近东西向的MCS在江西兴国、宁都、石城和福建宁化、清流、明溪一带持续10 h(18日21:00至19日06:00),导致第一阶段强降水的出现。

此阶段MCS由经向型转为纬向型发展,对流单体的生成由前向传播转为后向传播,由于前向传播的MCS产生强降水的时间短(18日午后至20:00),强降水的强度、范围较小。18日21:00至19日02:00为强降水集中时段,新对流单体在暴雨关键区西侧江西中南部的于都、瑞金等地生成,以后向传播为主,随着高空西南偏西气流向东北偏东方向移动。图4是18日21:12—23:12三明雷达组合反射率因子演变,沿强回波区做垂直剖面(图略)可以看出,45 dBZ以上的强回波中心位于5 km以下,属于低质心回波结构,多个成熟单体出现在强回波带上。图4显示18日21:12—23:12在关键区西侧或南侧依次有新对流单体4、6、8生成发展并向东北偏东方向移动形成短雨带,原有的短雨带3分裂成5、7短雨带后又合并,23:12形成近东西向的雨带,雨带在平流加传播的共同作用下向偏东方向移动,短雨带东移不断重复影响同一地区。对流单体不断后部建立和东北西南向多个短雨带不断影响同一地区形成的列车效应是第一阶段强降水期间MCS的主要发展方式,这种对流发展过程类似于对流单体后部建立型(back building)^[11,12]和短雨带的列车效应^[13,14],MCS的组织方式与邻接层状单向发展(TL/AS)的线状MCS组织结构相似:对流单体在对流系统的南侧,层状云在对流系统北侧,对流系统以东西向为主^[1,15]。

分析强降水期间暴雨关键区地面气温、风场及雷达回波演变(图5)可以看出,18日21:00受降水蒸发冷却作用影响,关键区北部(26.2°N以北)出现22~24 ℃的冷区,在未受降雨影响的南部对应气温为26~27 ℃,存在2~4 ℃的温差,形成一条近东西向的中尺度边界和偏北风与偏南风的辐合线(图5中黑色虚线);同时,在边界南侧为偏南风,北侧对应为偏北风,在强降雨期间这条中尺度边界及辐合线维持少动。环流形势也显示在关键区的西侧及南侧对应为风速辐合和能量大值区,对流单体不断在关键区西侧和南侧触发,在西南或偏西气流引导下并入MCS,逐渐形成东西向雨带。

风廓线雷达拼图(图6)显示,18日20:00至19日08:00 850 hPa西南气流加强,广东北部到江西南部风速辐合明显。使用EVAPTC(VAP扩展应用方法)^[16]反演风场显示,22:29江西石城附近的强回波区对应存在西北和东南风辐合(图7),持续影响江西石城和福建宁化、清流等地。三明雷达0.5°仰角速度图(图略)上零速度折角位置略偏北,在泰宁和建宁一线(约2 km高度),18日23:00前后暴雨区西南侧兴国、于都和瑞金等地出现15~20 m·s^-1的负速度大值区,并不断向东北方向移动,说明西南气流在加强,暴雨区上空存在明显的风速辐合,此时回波强度加强、范围增大;龙岩雷达0.5°仰角速度图(图略)显示,18日20:00至19日04:00,在宁化、清流等地强回波区有一零速度折角(约4 km高度)长时间维持,零速度折角对应中层的辐合,为暴雨产生提供良好的动力抬升条件。19日04:00雨带南侧对应的负速度大值区减弱,即暴雨区上空的风速辐合减弱,回波带东移,05:00第一阶段强降雨减弱。

对第一阶段MCS整个生命史的分析表明,18日午后伴随切变东移南压的东北西南向带状MCS在暴雨区北侧形成冷区与未受降雨影响的南部建立了一条近东西向的中尺度边界和偏北风与偏南风的辐合线,暴雨区南侧西南气流携带高能量和水汽充足的空气被中尺度边界附近的冷出流空气抬升,不断产生新的对流单体,它们在高空西南偏西气流引导下向东北偏东方向移动,排列形成短雨带,雨带西南端边界附近连续新生的对流使得雨带维持;于是,若干条东北—西南向长度不等的中-β尺度雨带不断在出流边界北侧建立,它们平行排列起来沿MCS 缓慢向东移动,依次重复影响关键区从而造成极端降水。与地面辐合线和中尺度边界相配合,ERA-Interim再分析资料显示18日20:00在暴雨关键区上空低层(900 hPa以下)存在辐合区,自西向东伴随风速辐合(图8),为对流单体不断从西部发展提供了良好的动力抬升条件。同时,在宁化的西部及于都、宁都和兴国交界处为向西南开口的河谷地形,有利于气流汇合,易形成西南风辐合和中尺度辐合线^[17,18],加强暖湿气流上升和对流云发展,雷达回波显示对流在此区域加强发展。

从图3看出,18日夜间低层西南急流加强和低层低涡切变东移,19日02:04前后在暴雨区西北侧、低涡切变的东侧江西吉安、泰和一带对流系统开始发展,回波在东移过程中缓慢南压,强度逐渐加强;06:03前后南压到宁化与石城交界处,新对流单体从雨带的西侧及南侧发展合并移入雨带;07:02前后回波强度和范围不断扩大;09:00在暴雨关键区再次形成近东西向的强回波带,强回波中心强度达45~55 dBZ,向东移动持续影响宁化、清流、三明等地;10:00 1 h雨量最大达57.4 mm(清流站)。东西向雨带维持时间长达4 h,主要分布在宁化和清流中部,09:00—12:00 4 h最大雨量达133.3 mm(清流站)。10:01西面移入的回波带略有南压,整体仍以东移为主;11:00—13:00暴雨区西侧回波持续东移南压;14:05后雨带南压减弱;18:00雨带移出暴雨区,降水过程结束。

与第一阶段MCS长时间维持东西向不同,第二阶段MCS是由北向南缓慢发展东移南压的过程,回波强度虽然相当,但大于40 dBZ东西向强回波带的长度明显大于第一阶段(图9),最长达100 km,沿强回波区做垂直剖面(图略),与暖区强降水结构一致,45 dBZ以上的强回波中心位于5 km以下,同样属于低质心回波结构,由于在暴雨关键区上空辐合的强度和范围相比暖区暴雨大,使得强回波带发展的长度更长,成熟对流单体个数相比暖区暴雨也更多,MCS发展模态为纬向型,东西向带状MCS同样是由于对流系统的平流加传播的合成:对流单体不断在对流系统的西侧或南侧生成,传播方向为偏西方向,对流单体的生成为后向传播,并沿风暴承载层的平均风(偏西风)移动,单体移动方向和传播方向近乎相反,对流系统呈准静止状态,对流单体后向传播向东移动产生的列车效应是第二阶段强降水出现期间带状MCS的主要发展方式,MCS的组织类型仍以邻接层状单向发展(TL/AS)的MCS为主。

19日02:00—14:00环流形势显示850 hPa和925 hPa西南急流明显加强,低涡切变从湖南发展东移至暴雨区北侧,在此期间,暴雨区位于低空低涡切变南侧风速辐合区,水汽和能量明显增强,19日08:00暴雨关键区上空(550 hPa以下)存在辐合区(图10),强度和辐合伸展的高度都明显大于暖区降水,同时关键区西侧中层转为西北气流,东侧仍为西南气流,说明有小槽东移影响暴雨区,为暴雨区提供了良好的水汽、能量和动力抬升条件,14:00后西南气流明显减弱,20:00切变东移减弱移出暴雨区。第二阶段MCS首先在低涡切变南侧暴雨区西北侧生成,东移南压移入暴雨区加强发展,之后随切变南压减弱。

18日23:00后随着低层西南气流加强,三明雷达0.5°仰角速度图(图略)上零速度折角逐渐北抬,说明辐合线逐渐北抬。对流系统首先在850 hPa低涡切变南侧及风速辐合区发展,并在西北偏西气流引导下向东偏南方向移动,05:00在泰宁站北侧的南丰、黎川2.3 km高度上再次形成零速度折角,随后缓慢南压,强回波区位于折角的西南侧,强回波区的西南侧对应有大于15 m·s^-1的负速度大值区,存在西南气流辐合(图略)。09:49在江西石城和福建宁化交界处约3 km高度出现辐合旋转(图11),在东移过程辐合旋转尺度变大并向4 km高度发展。相关研究表明在有利于强降水的环境条件下,有时导致降水的MCS中含有中气旋或是比中气旋尺度更大的几十公里尺度的涡旋,涡旋位置与上升气流重合或部分重合,导致明显的垂直螺旋度,使系统比无涡旋时具有更长的生命史,会明显增加强降水的可能^[19]。同时暴雨区上空5.5 km高度出现折角,折角不断下传,说明从高层到低层有扰动下传,对暴雨区强降水起到加强作用,10:00清流出现57.4 mm的强降水。三明雷达风廓线产品(图12)同样显示泰宁站高空5.2 km西北气流不断下传,低层仍为西南气流,并且在暴雨区南侧低层西南气流大于12 m·s^-1,说明中高层先于低层转偏北气流,表现出前倾特征,垂直风切变加大,冷空气从中高层先扩散南下,与低层暖湿空气交汇使对流加强,冷暖气流的交汇叠加风速辐合使得第二阶段强降水加强并维持。

(1)此次极端降水过程分为锋前暖区降水和伴随冷空气和切变线南压的锋面降水两个阶段,暖区降水位于低涡切变东侧西南急流轴的左侧,暴雨区位于风速辐合区,水汽充足,不稳定能量大,在低空西南急流作用下,暴雨区南侧大的对流有效位能和水汽输送到暴雨区;锋面降水则是由于低涡切变东移南压,垂直风切变加大,冷暖空气在暴雨区上空交汇造成。在整个降水过程中,对流抑制小,抬升凝结高度和自由对流高度低,水汽能量条件好,暖云厚度厚,深厚的湿层配合中等强度的垂直风切变,有利于高降水效率产生,为MCS的发生提供了良好的环境条件。

(2)锋前暖区降水的成因是暴雨区北侧降水形成的冷区与未受降雨影响的南部建立了一条近东西向的中尺度边界和偏北风与偏南风辐合线,西南气流辐合携带高能量和水汽充足的空气被中尺度边界附近的冷出流空气抬升,不断产生新的对流单体,向东北偏东方向移动,排列形成短雨带;若干条东北—西南向长度不等的短雨带不断在出流边界北侧建立,它们平行排列起来随MCS 缓慢向东移动,依次重复影响关键区;暴雨关键区上空存在辐合线和风速辐合,为降水提供了良好的动力抬升条件;向西南开口的河谷地形加强了暖湿气流上升和对流云发展,从而造成第一阶段的强降水。对流单体不断后部建立和东北西南向多个短雨带重复影响同一地区的列车效应是暖区降水期间MCS主要发展方式。

(3)锋面降水则是由于低空低涡切变东移南压,在切变南侧存在风速辐合、水汽和能量大值区,对流单体在此区域发展东移南压,强降水区小尺度的辐合旋转进一步增强了降水,中高层先于低层转偏北气流,表现出前倾特征,垂直风切变加大,冷空气从中高层先扩散南下,与低层暖湿空气交汇使对流加强,冷暖气流的交汇叠加风速辐合使得第二阶段强降水加强并维持。对流系统呈准静止状态,对流单体后向传播向东移动产生的列车效应是锋面降水期间MCS主要的发展方式。