2013年9月13日浙北强对流过程的中尺度分析

高天赤 沈杭锋 陈光宇 金 成

(杭州市气象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

强对流天气常带来灾害性的大风和局地暴雨，是一种历时短、破坏力巨大的天气，对人民的生命财产和国民经济造成巨大的危害[1-2]。强天气的分析及预报是日常预报业务的重点和难点，近年来，中尺度自动气象观测站、风云卫星、多普勒雷达等资料在强对流天气中应用逐渐增多，能够在一定程度上弥补常规探测时空分辨较低的缺陷[3]。许多研究表明边界层内的中尺度辐合线对强对流天气的形成、演变具有重要作用，边界层辐合线和强对流的关系是许多对流天气概念模型预报雷暴发生和消亡的基础。Wilson and Schreiber[4]通过研究表明了在克罗利达州东部雷达探测到的边界层辐合线与对流风暴的形成密切相关，他们研究发现至少有80%的雷暴在克罗利达州平原都是沿着先前雷达所探测到的边界形成的。翟国庆和俞樟孝[5]根据华东地区多次典型强对流天气的地面风场分析和合成结果，指出强对流带的发生发展与其前暖区的中尺度辐合线有密切关系，往往在其前方有中尺度的辐合中心，也是对流发生最为强烈和移动变化的突出区域。中尺度辐合线在有利天气形势配合下的相互碰撞，则更容易爆发对流[6-12]。

2013年9月13日在浙江北部地区出现短时大暴雨强对流天气，对杭州、嘉兴等多个城市造成了严重影响。本文利用常规气象观测资料、区域自动站加密观测资料和GFS 0.5°×0.5°逐6 h的分析场数据以及多普勒雷达、风云卫星资料，通过背景形势场分析、物理量场诊断分析数据以及多普勒雷达、风云卫星资料，通过背景形势场分析、物理量场诊断分析和强对流触发条件分析，来探讨此次强对流过程发生发展的特征及其成因。

1 天气概况

2013年9月13日浙江省北部嘉兴、杭州等地突发短时强对流天气过程，此次过程以短时强降水为主，并伴有8级以上大风，主要发生在13日下午到前半夜，杭州、嘉兴多地出现了30 mm/h以上的强降水。从9月13日17:00—23:00(北京时，下同)的6 h累积降水图来看(图1a)，雨带呈东北—西南方向分布，强降水中心主要位于与金华市、绍兴市相邻的杭州中东部，以及嘉兴地区，嘉兴全市6 h平均面雨量为30.8 mm，杭州20.6 mm。单站最大雨量出现在杭州的西溪湿地，雨量达到了129.5 mm，浙北地区共有6个站雨量超过100 mm，83个站雨量在50 mm以上。最大小时雨强出现在嘉兴的嘉善杨庙社区，小时雨强为82.7 mm。此次强对流过程中，除了短时强降水之外，还出现了大风，最大极值风出现在绍兴新昌石溪村，风速为27.3 m/s，达到了10级风，全省共有29个站风速达到了17.2 m/s(8级风)。

这次过程范围小，强降水呈东北—西南向的带状分布；时间短，从开始到结束只有5、6个小时；降水强度大，多个站点出现了超过50 mm/h的强降水。从18:00—20:00的强天气站点分布来看(图1b)，沿杭州、嘉兴和上海一带，多站次出现了30 mm/h雨量(图中实心图形)和8级以上大风(空心图形)。而且同时，位于上海、嘉兴一带的强对流，18:00(方框)、19:00(三角形)和20:00(圆形)是由东北向西南方向发展传播的，这种系统整体东移而强对流向西南延伸的天气过程，对预报预警提出了更高的要求。

突发的强对流过程不仅对城市和人民生活造成了极大影响，而且也对气象预报预警形成了较大的困难。由于暴雨出现在下午到晚上时段，正好遇下班晚高峰，突发的倾盆大雨和狂风导致了严重的城市内涝及损害。

图1 2013年9月13日风雨实况：(a)17:00至23:00累积6 h雨量；(b)18:00(方框)、19:00(三角形)和 20:00(圆点)大于30 mm/h的站点(实心)和17.2 m/s以上大风站点(空心)

2 环流形势演变和主要影响系统

从2013年9月13日08:00的500 hPa形势图(图2a)上可见，江淮以南大部分地区受到副热带高压影响，其脊线位于25°N以北，浙江省处于西太平洋副高588 dagpm线附近，华北上空一直到西南上空有一深厚高空槽逐渐东移。08:00的850 hPa图(图2b)上华中地区有一高空槽，西太平洋面上则是副热带高压系统，一直西伸到我国内陆地区。随着西风带系统的东移南压和西南暖湿气流的东移北抬，到14:00(图2c)，西太平洋副热带高压明显东撤，588 dagpm线从浙江西北上空收缩到浙江沿海。对应850 hPa图(图2d)上，西太平洋副高也有所东退，华中上空的高空槽东移南下。至此，受西太副高西北部边缘的暖湿西南气流和东移高空槽的共同影响，引发了浙江北部的强对流天气。

图2 2013年9月13日风场(风向杆，m/s)和高度场(等值线，gpm)： (a、b)08:00；(c、d)14:00；(a、c)500 hPa；(b、d)850 hPa。粗虚线表示高空槽

从雨量和雨强的分析中可以看到，这次过程中出现了较强的中尺度对流活动，为了能够比较清楚看到中尺度对流云团的发展演变，利用我国FY-2E卫星资料绘制了逐时云顶亮温(TBB)进行分析(图3)。

9月13日16:00(图3a)，浙江西北面有大片云团，杭州湾北部的上海沿海上空出现了明显对流云团。杭州湾南面也有对流云团。2 h之后(图3b)，西北面云团东移南压，上海云团和南面云团则由西往东伸向内陆，而且这些云团强度逐渐增强。此时在杭州、嘉兴、湖州等地都出现了对流天气。随后，这些中尺度云团继续加强、发展，并出现了合并现象。在19:00(图3c)，北面云团合并加强成一个中心值在-60℃以下的强对流云团，对比上一次，可以看到云团从上海上空有一明显的东北往西南的延伸发展。而南面云团也合并加强，继续影响浙中北地区。到20:00(图3d)，南北中尺度对流云图相互连通，对流继续加强发展，并逐渐东移。

图3 2013年9月13日TBB(阴影，单位：℃)分布：(a)16:00(b)18:00(c)19:00(d)20:00

3 物理量场诊断分析

图4a是2013年9月13日08:00杭州站探空资料，从图上可以看到此时杭州上空存储了巨大的不稳定能量，在数值上，由层结曲线和状态曲线围成的对流有效位能(CAPE，图中黑色面积)值达到了2112.6 J；而对流抑制能量(CIN)很小，只有9.4 J；自由对流高度比较低，垂直风切变较弱，整层相对湿度呈现“下干上湿”的特征；同时，表征大气层结不稳定的K指数和沙氏指数(SI)分别为38和-2.78。

图4 2013年9月13日08:00物理量场：(a)杭州站探空曲线；(b)925 hPa相当位温(等值线，K)和 500 hPa与850 hPa的相当位温差(阴影，K)

从GFS资料绘制的9月13日08:00相当位温(θe)图上(图4b)可以看到，925 hPa上整个浙北地区都处于相当位温的大值区，相当位温值普遍高于348 K，形成一个暖中心，杭州湾及附近的杭州、嘉兴、上海等强对流发生区都落在350 K的高能中心内；通常500 hPa与850 hPa相当位温差值可以用于表征不稳定度，负值越大，表明大气越不稳定[13]，图4b中500 hPa与850 hPa的相当位温差值显示区域都处于-8 K及以下区域，尤其是杭州、嘉兴、上海沿杭州湾一线的区域，不稳定能量更加显著。

4 强对流天气的触发条件

通过天气形势和物理量的分析发现，此次过程的大尺度背景形势场是有利于强对流发生发展的。除了不稳定层结和湿度条件，强对流发生还需要抬升触发条件。

图5是2013年9月13日08:00的700 hPa垂直速度、925 hPa风场和08:00—20:00累积降水量的叠加图。此时在925 hPa上，从上海经过嘉兴到杭州北部的上空有一条由偏西风和东南风汇合形成的风场辐合线；700 hPa高度上的垂直速度显示整个浙北和上海都处于-0.1 Pa/s的上升运动区域内，而中尺度辐合线也落在该垂直上升运动区内。值得关注的是，08:00—20:00的强降水落区基本位于上升运动区内，并与中尺度辐合线相邻。从700 hPa垂直速度、925 hPa风场和累积雨量分析可以看到，在有利的大尺度环境场和物理场配合下，当低层925 hPa的中尺度辐合线和对流层中层700 hPa的垂直上升运动区相重合时，中尺度辐合线附近会产生强对流，这对强对流的发生发展具有一定的预报指示意义。

图5 2013年9月13日08:00的700 hPa垂直速 度(虚线，Pa/s)、925 hPa风场(风向杆，m/s)和08:00到 20:00累积降水量(阴影，mm)叠加图(粗虚线表示辐合线)

图6是利用地面自动站资料绘制的9月13日地面流场、1 h雨量和雷达基数据绘制的杭州雷达3 km高度回波反射率。在13日17:00(图6a)，从江苏到上海、嘉兴交界有一条中尺度辐合线，辐合线是由偏东风和偏北风辐合形成的，杭州南部也有一条偏南风与偏北风辐合形成的中尺度辐合线，后1 h的强降水与强回波中心相对应，强降水(强回波)落区与中尺度辐合线相近。到了19:00(图6b)，南北两条中尺度辐合线已经贯通，北面的强天气向南发展到杭州、嘉兴交界处，而杭州东南面的强对流则沿着辐合线往北发展。整条中尺度辐合线周边附近出现了50 dBz以上的强回波中心和30 mm/h的强降水区域。

图6 2013年9月13日地面流场、雨量(等值线，10 mm起画，10 mm为间隔)和3 km高度杭州雷达回波叠加图： (a)17:00流场、18:00雨量和17:33雷达回波；(b)19:00流场、20:00雨量和19:34雷达回波(粗虚线表示中尺度辐合线)

从地面自动站风场、雨量和雷达回波分析可以知道，强对流天气与雷达回波中心对应良好，中尺度辐合线基本与对流发生发展相对应，辐合线周边区域是强天气容易发生发展的区域，辐合线先于降水出现，随后在辐合线周边出现了强降水和大风天气。

这种类型的强降水天气在浙北地区时有出现，因此需要后续更加系统得对该类天气进行整理、分析，从而在实际业务应用中具有更好的借鉴意义。

5 结 语

2013年9月13日发生在浙江北部的强对流天气过程带来了严重灾害，利用各种常规资料和非常规资料对其发生发展的成因和触发条件进行了初步分析，得到以下结论。

1)受西太副高西北部边缘的暖湿西南气流和东移高空槽的共同影响，引发了浙江北部的强对流天气。

2)在有利的大尺度环境场和物理量场配合下，当低层925 hPa的中尺度辐合线和对流层中层700 hPa的垂直上升运动区相重合时，中尺度辐合线附近会产生强对流，这对强对流的发生发展具有一定的预报指示意义。

3)此次过程中强对流天气与雷达回波中心对应良好，中尺度辐合线基本与对流发生发展相对应，辐合线周边区域是强天气容易发生发展的区域，辐合线先于降水出现，随后在辐合线周边出现了强降水和大风天气。

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