張雪晨，鄭媛媛，姚晨，盧逢剛

(1.南京大學大氣科學學院，江蘇南京210093;2.安徽省氣象臺，安徽 合肥230031)

0 引言

臺風是造成特大暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一，很多強烈的持續(xù)性強降水都和臺風有關(guān)。陳聯(lián)壽(1979，2006，2007)認為臺風暴雨有兩種，一種是由臺風環(huán)流本身造成的暴雨，一種是臺風的遠距離暴雨。他將臺風遠距離降水定義為:在臺風范圍之外，同時與臺風存在著內(nèi)在的物理聯(lián)系的降水。該定義清楚地將臺風遠距離暴雨與臺風環(huán)流暴雨區(qū)分開。蔣尚城(1983)、陳久康等(1996)、孟智勇等(2002)和楊曉霞等(2008)指出，臺風遠距離暴雨是臺風與中緯度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，具有較強的對流不穩(wěn)定，易觸發(fā)強對流天氣，降水特征上表現(xiàn)為突發(fā)性強、降水強度大，降水時段集中。

馬禹等(1997)和韓桂榮等(2008)研究表明，造成這些突發(fā)強降水的主要是中尺度對流系統(tǒng)(mesoscale convective system，MCS)。自 Maddox(1980)提出中尺度復合體(mesoscale convective complexes，MCC)定義之后，很多學者在此基礎(chǔ)對MCC和MCS進行了進一步的研究改進。Anderson and Raymond(1998)提出了持續(xù)拉長的中尺度對流系統(tǒng)概念，對MCS進行了較大的改進，Jirak et al.(2003)將這種分類擴展到β中尺度的對流系統(tǒng)上。國內(nèi)馬禹等(1997)在對中國MCS普查的基礎(chǔ)上，將MαCS的標準定義為云頂亮溫小于等于－32℃的短軸超過3個緯距，偏心率為0.5;MβCS定義為云頂亮溫小于等于－32℃的短軸長度在1.5～3個緯距。張興強等(2005)、李春虎等(2007)和謝義明等(2011)認為，臺風遠距離暴雨的中尺度系統(tǒng)明顯，常在西風槽和臺風之間有中尺度對流系統(tǒng)生成，中尺度特征突出，有其獨特的特征和規(guī)律，多與α、β尺度的MCS相對應，地面多出現(xiàn)中尺度鋒區(qū)、中尺度輻合線、中尺度氣旋和中尺度低壓。

安徽近10 a中的多數(shù)致災嚴重的暴雨基本都是受臺風影響產(chǎn)生的。如2005年13號臺風“泰利”在安徽省大別山區(qū)造成的特大暴雨，24 h降水量最大達到492 mm;2008年8月1日在減弱的“鳳凰”臺風和冷空氣的共同作用下，安徽江淮東部普降特大暴雨，24 h雨量極值為428.5 mm。本文運用多種探測資料對2011年8月26—27日發(fā)生在安徽的一次臺風遠距離暴雨對流系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境背景和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了多尺度的分析，找出此次強降水的形成原因、中尺度特征和發(fā)展演變過程。

1 降水實況

圖1 2011年8月26日08時—27日08時安徽省24 h降水量分布(單位:mm)Fig.1 Distribution of 24 h precipitation in Anhui Province from 08:00 BST 26 to 08:00 BST 27 August 2011(units:mm)

2011年8月26 日08時—27日08時(北京時間，下同;圖1)安徽沿淮中部降水量普遍超過50 mm，懷遠、固鎮(zhèn)和淮南等地有23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過200 mm，300 mm以上降雨均位于懷遠境內(nèi);最大降水出現(xiàn)在懷遠市河溜鎮(zhèn)，雨量為395.9 mm。強降水落區(qū)呈東北—西南向帶狀分布，雨帶狹窄，超過50 mm的雨帶寬度不足80 km。而降水量超過200 mm的強降水位置則更為集中，基本都位于懷遠縣內(nèi)，寬度約為30 km，長度90 km。此次過程降水強度大，單站小時雨量極大值達到89.9 mm，累計降水量超過200 mm的鄉(xiāng)鎮(zhèn)基本上都伴隨了60～70 mm/h的集中強降水。以上特點決定了此次過程的預報難度大，且安徽省氣象臺晚間預報的最大量級也只是大雨到暴雨，實況降水量遠遠超出了這個預報量級。

2 環(huán)流背景

2011年8月26 日08時，500 hPa河套至湖北一帶有深厚的低槽存在，安徽位于低槽前部的西南氣流中，江蘇東部為副高控制，11號強臺風“南瑪都”位于臺灣南部洋面上。26日20時(圖2a)，臺風北行，西風帶系統(tǒng)受影響北縮，584線從江淮之間北抬至淮北北部，臺風外圍深厚的暖濕舌一直向北延伸至安徽沿淮一帶，暖區(qū)一側(cè)開始出現(xiàn)明顯的增濕增溫。具體表現(xiàn)在:安慶和射陽站實況探空500 hPa的12 h正變溫達到4℃，850 hPa上比濕大于12 g·kg－1的濕舌(圖2a中綠色線條)頂端位于阜陽和徐州站之間，濕舌的北部為干區(qū)控制，濕度的水平分布在阜陽附近有明顯的不連續(xù)性存在。風場上，500 hPa阜陽站風速為12 m/s，徐州站為2 m/s，之間存在明顯的風速輻合，一方面有利于中層抬升，另一方面引導氣流變化導致兩站之間雨團降水時間加長;850 hPa和925 hPa上倒槽自安徽大別山區(qū)向東北方向延伸至沿淮一帶，強降水區(qū)位于倒槽的頂部。從水汽通量和渦度的分布(圖2c)可以看到，26日14時850 hPa以下臺風西北側(cè)的東南氣流將低層水汽從東部沿海輸送至蘇皖一帶，在淮北東部有－0.6×10－6g/(cm2·hPa·s)的水汽通量輻合中心生成，而低槽前部的大片的正渦度區(qū)也有利于上升運動的發(fā)展。中層500 hPa深厚槽前的西南氣流也帶來了明顯的水汽輸送，但輻合中心位置偏北，此次強降水的水汽輸送主要來自于低層臺風外圍的偏東氣流。這種天氣形勢下也使安徽大部分地區(qū)位于濕不穩(wěn)定能量區(qū) θse500－θse850≤0 K 內(nèi)(圖2d)，其中淮北西部更有θse500－θse850≤－10 K濕不穩(wěn)定中心發(fā)展。

圖2 2011年8月26日20時500 hPa形勢場和850 hPa風場(a)、26日20時南京站的T-lgp圖(b)、26日14時850 hPa的水汽通量(箭矢;單位:10－6g/(cm2·hPa·s))和渦度(彩色陰影;單位:10－3s－1)(c;黑色三角表示暴雨發(fā)生位置)，以及26日20時θse500－θse850(彩色陰影;單位:K)的分布(d;黑色三角表示暴雨發(fā)生位置)Fig.2 (a)500 hPa situation and 850 hPa wind fields at 20:00 BST 26 August 2011，(b)T-lgp of Nanjing station at 20:00 BST 26 August 2011，(c)water vapor flux(arrows;units:10－6g/(cm2·hPa·s))and vorticity(color shadings;units:10 －3s－1)at 850 hPa at 14:00 BST 26 August 2011，and(d)distribution of θse500 － θse850(color shadings;units:K)at 20:00 BST 26 August 2011(The black triangle means rainstorm occurrence position in Fig.2c and Fig.2d)

26日20時阜陽探空站的T-lgp圖(圖略)上可見，濕層深厚，近飽和層從地面向上延伸至到600 hPa，風隨高度強烈順轉(zhuǎn)，顯示有強的暖平流輸送，是有利于對流性降水產(chǎn)生的天氣形勢，因為位勢不穩(wěn)定層結(jié)的建立主要決定于高低空水汽和熱量平流的差異，強的暖平流輸送使得阜陽上空附近的大氣層結(jié)變的非常不穩(wěn)定，一旦有有利的觸發(fā)條件，就能產(chǎn)生持久深厚的濕對流。暖濕氣流的另一個作用是使得環(huán)境背景場的抬升凝結(jié)高度很低，接近1 000 hPa，進而造成此次暴雨過程的暖云層(即0℃高度與抬升凝結(jié)高度之間的距離)深厚，有利于高效率降水的產(chǎn)生。由于暴雨發(fā)生在中低層東風氣流下，同時分析暴雨區(qū)東部的南京探空站(圖2b):對流有效位能為1 130 J/kg，0～6 km垂直風切變2.7×10－3s－1，一般認為中等強度的對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)比起極端的CAPE更有利于強降水的形成。綜合以上分析，在這次中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生前的大尺度背景場上，高低空急流、強暖平流輸送造成的位勢不穩(wěn)定層結(jié)、低層強的水汽輻合都為強降水的發(fā)生提供了有力條件。

綜上所述，低層臺風外圍的偏東氣流向暴雨區(qū)輸送水汽和熱量，造成中緯度暴雨區(qū)上空大氣的增溫增濕，進而使得大氣層結(jié)的不穩(wěn)定度增強;而中緯度西風槽則提供有利于臺風遠距離暴雨發(fā)展的大尺度背景，暴雨區(qū)位于西風槽前，有利于低層輻合的加強和垂直運動的發(fā)展和維持，進而觸發(fā)和加強暴雨的發(fā)生和發(fā)展。

3 MβCS的觸發(fā)條件及結(jié)構(gòu)演變

MCS是我國夏季造成暴雨和洪澇災害的主要天氣系統(tǒng)之一，MCS的空間尺度小，生命史短，常常發(fā)生在傍晚和夜間，這次暴雨過程主要就由夜間的兩個β尺度MCS生成維持造成。

發(fā)生發(fā)展階段:8月26日14時大別山區(qū)北部有弱的對流云系生成，并伴隨著當?shù)氐慕邓?0時(圖3a)，對流云團移至淮北中部，受當?shù)赜欣椇蠗l件的影響有所發(fā)展，出現(xiàn)－32℃的云頂亮溫中心。

成熟階段:23時(圖3b)，對流云團進一步發(fā)展，云頂亮溫小于－32℃的區(qū)域長軸約為2個緯距，短軸約為1個緯距，覆蓋面積達到20 000 km2。同時對流云團邊緣相當黑體亮溫(black body temperature，TBB)等值線變得密集、梯度開始增大，表明系統(tǒng)正在穩(wěn)定發(fā)展。03時(圖3c)對流云團已發(fā)展成為β中尺度的MCS，云頂亮溫小于－32℃的區(qū)域長軸增大至3個緯距以上，短軸長度亦超過2個緯距，MCS發(fā)展到旺盛狀態(tài)，－50℃的上沖云頂出現(xiàn)。在發(fā)展旺盛的第一個中尺度對流系統(tǒng)A靠近暖區(qū)的南側(cè)有新的對流云團B被激發(fā)并迅速發(fā)展壯大，至06時(圖3d)在對流云團A原有的位置上，新的對流云團B云頂亮溫－32℃的區(qū)域覆蓋面積已超過20 000 km2，發(fā)展成為第二個β尺度的MCS。從環(huán)境風場上判斷，承載層的平均風向為西南風，MβCS的平流方向為東北向，而新生MβCS的位置位于原有MβCS的西南象限，平流和傳播的矢量和基本為零，使得暴雨區(qū)上空一直有較強的MβCS維持。強降水都發(fā)生在MCS云頂亮溫梯度大的區(qū)域。

圖3 2011年8月26日20時(a)、26日23時(b)、27日03時(c)和27日06時(d)FY-2E逐時紅外云圖的TBB分布(單位:℃)Fig.3 Distribution of TBB from hourly FY2E infrared satellite images at(a)20:00 BST 26，(b)23:00 BST 26，(c)03:00 BST 27，and(d)06:00 BST 27 August 2011(units:℃)

消亡階段(圖略):27日09時，冷云蓋變暖，云頂亮溫小于－32℃的區(qū)域逐漸變小，對流云團邊緣TBB等值線變得均勻，梯度減小，MCS逐漸消亡減弱。

因此，此次強降水過程主要由兩個β尺度的MCS造成，而在暴雨區(qū)上空MβCS的新生維持是強降水維持較長時間的重要原因。

4 MβCS的雷達反射率場特征分析

圖4 2011年8月26日17時22分(a)、19時08分(b)、21時50分(c)、27日00時38分(d)、03時31分(e)、04時15分(f)、05時22分(g)、06時52分(h)蚌埠雷達2.4°仰角的基本反射率因子(單位:dBz)和地面要素場的疊加圖(a—h中，黑實線表示地面等壓線，黑虛線表示地面輻合線，紅實線表示等溫線)，以及26日21時17分(i)、27日00時38分(j)、03時03分(k)、05時06分(l)的徑向速度(單位:m/s;i、j中，圓圈表示中氣旋位置)Fig.4 Superposition chart of surface element field and base reflectivity(units:dBz)from Bengbu radar on 2.4°elevation angle at(a)17:22 BST 26，(b)19:08 BST 26，(c)21:50 BST 26，(d)00:38 BST 27，(e)03:31 BST 27，(f)04:15 BST 27，(g)05:22 BST 27，and(h)06:52 BST 27 August 2011(Black solid line represents the surface isobar，black dashed line represents the surface convergence line，and red solid line represents the isotherm in Figs.4a—h)，and radial velocity(units:m/s)at(i)21:17 BST 26，(j)00:38 BST 27，(k)03:03 BST 27，(l)05:06 BST 27 August 2011(circle represents the position of mesocyclone in Fig.4i and Fig.4j)

從雷達資料的分析結(jié)果可以看出，此次特大暴雨過程主要由兩次短時強降水過程組成，對應衛(wèi)星云圖上的兩個MβCS的活躍發(fā)展。第一個MβCS在雷達基本反射率圖上發(fā)展演變過程:8月26日14時40分蚌埠雷達基本反射率圖上(圖咯)，霍邱北部有中心強度為45 dBz的塊狀對流回波生成，驗證了此次中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)機制(孫健等，2002;孫建華等，2004)是位于大別山區(qū)北部的中尺度輻合線;17時22分(圖4a)，對流回波移至懷遠附近有所發(fā)展;19時08分(圖4b)，地面圖上淮北有弱冷空氣擴散南下，輻合線附近中尺度鋒區(qū)進一步鋒生變窄加強;雷達反射率因子圖上塊狀降水回波逐漸向帶狀回波調(diào)整。21時50分(圖4c)，鋒區(qū)進一步變窄加強，在淮北中部逐漸形成了中尺度閉合低壓環(huán)流;降水回波也逐漸加強形成強窄帶回波，其位置基本對應強降水落區(qū)且維持在懷遠境內(nèi)少動。期間受局地熱力條件的影響，伴隨著γ中尺度的強對流單體生成，造成局地降水的峰值，如8月27日00時38分(圖4d)陳集附近對流風暴明顯發(fā)展，單體最強發(fā)展至60 dBz，其右前側(cè)存在較大的回波反射率梯度，呈明顯倒“V”結(jié)構(gòu);最重要的是觀測到了切變值為9×10－3s－1的中氣旋包裹在強降水區(qū)，并與風暴前的倒“V”型缺口相伴，此中氣旋生命史近1 h，強對流風暴呈現(xiàn)典型的強降水超級單體特征。對應實況雨量強度陳集出現(xiàn)超過70 mm/h的短時強降水。

27日03時31 分，從地面溫壓風場(圖4e)可以看到，合肥東西有明顯的熱力差異，合肥西部出現(xiàn)尺度很小的氣旋性熱力環(huán)流，環(huán)流南部有反氣旋環(huán)流出現(xiàn)，說明有中尺度高壓產(chǎn)生，配合變壓場上有正變壓出現(xiàn)。對應雷達回波圖上(圖4e)原回波的西南側(cè)產(chǎn)生了新的強對流單體，這次對流風暴的發(fā)展從時間上看對應著第二個MβCS的活躍發(fā)展。04時合肥站轉(zhuǎn)為西南風，氣旋性環(huán)流的強度和范圍都有所發(fā)展，輻合線的強度也有所加強。雷達圖上，04時15分(圖4f)新生成對流單體不斷壯大向北發(fā)展與原有的對流回波交叉，形成“人”字形，西側(cè)新生成的對流回波(“人”字型“撇”)內(nèi)多個γ中尺度的強對流風暴群呈有組織的直線排列，在輻合線附近合并成一條β中尺度的南北向弓狀回波，并穩(wěn)定少動。05時，偏東氣流再次加強，和輻合線西側(cè)的西北風對吹，造成輻合的進一步加強，中尺度低壓進一步發(fā)展。05時22分(圖4g)西側(cè)對流系統(tǒng)發(fā)展成熟，降水回波的東支則減弱向北翹起;西支上的γ中尺度的強對流風暴則非?；钴S，此消彼長，造成局地強降水。06時52分(圖4h)，中尺度低壓逐漸填塞，降水回波的東支減弱消失，“人”字形降水回波消失，帶狀回波主要是由西支上的強對流風暴群發(fā)展出來，降水回波內(nèi)仍有較大范圍的大于45 dBz的強回波存在，但強回波的結(jié)構(gòu)開始變的松散，對流系統(tǒng)開始消亡。

從對雷達基本反射率因子和地面加密要素場資料的分析可看出，本次暴雨過程與梅雨鋒等暴雨的中尺度雷達回波特征有相似之處(杜秉玉，1985;杜秉玉等，1999)，但形成機制不同。此次特大暴雨主要由兩次短時強降水過程組成，均由β中尺度對流系統(tǒng)引起:一是弱冷空氣擴散南下導致的中尺度鋒生，同時由于東側(cè)強的入流，在降水回波的東部形成強窄帶回波;二是熱力差異和暖濕氣流的加強促使輻合再度加強，在輻合線的附近再次形成β中尺度對流系統(tǒng)。對流的發(fā)展與地面中尺度輻合線和中尺度低壓的發(fā)展加強有關(guān)，地面中尺度輻合線后部尾隨中尺度高壓。β中尺度的強回波內(nèi)伴隨著γ中尺度的強對流單體發(fā)展，造成局地降水的峰值。

此次強降水在雷達反射率因子圖上還反映出了強降水回波的停滯:對流風暴在環(huán)境平均風場的作用下應向東北方向移動，而新的對流風暴在強回波帶的西南側(cè)生成(圖4e)，即風暴的傳播方向為西南向，對流風暴平流、傳播的矢量和基本為零，使得對流風暴在原地維持少動。

5 MβCS的雷達速度場特征分析

本次過程雷達基本速度場(2.4°仰角)顯示(圖4i—l)，β中尺度對流系統(tǒng)兩次發(fā)展和低層暖濕氣流的加強相關(guān)緊密。低層風速的增大伴隨著對流風暴的發(fā)展(黃小玉等，2006，2010)，低層風速的減小伴隨著對流風暴的消亡。26日21時17分速度場上(圖4i)，懷遠西北部出現(xiàn)大于10 m/s的東南風(正速度區(qū))，隨后降水回波東側(cè)的強對流風暴群開始有組織的發(fā)展，最終形成東北西南向的帶狀強回波(圖4c)。27日03時03分(圖4k)，雷達站西北側(cè)的正速度區(qū)強度有明顯減弱，雷達回波圖上大于45 dBz帶狀強回波逐漸消散;同時低層西南暖濕氣流有所加強，使對流系統(tǒng)再次發(fā)展，雷達站南側(cè)有大于10 m/s的負速度區(qū)發(fā)展，原回波的南側(cè)開始有新的對流單體生成，而之后臺風外圍偏東氣流的再度加強則使對流系統(tǒng)最終形成β中尺度的南北向弓狀回波(圖4f)。γ中尺度對流系統(tǒng)的生成發(fā)展則是由速度場上小尺度的風速輻合造成。8月27日00時38分(圖4j)陳集附近有γ中尺度的正負速度對，正負速度差超過 20 m/s。05時06分(圖4l)，雷達站的西側(cè)有一條南北向的輻合線，輻合線上有多個γ中尺度的正負速度對，對應雷達回波圖上為降水回波西支上的多個γ中尺度的強對流風暴。

圖5 2011年8月26日20時38分—21時33分(a)和27日03時03分—03時58分(b)蚌埠雷達風廓線(雙實線表示風隨時間的切變)Fig.5 Wind profilers of Bengbu radar(a)from 20:38 BST to 21:33 BST 26 August and(b)from 03:03 BST to 03:58 BST 27 August 2011(the double-solid line represents the wind shear with time)

雷達風廓線圖上(圖5)則更直觀的顯示了低層暖濕氣流的變化情況，強對流風暴有組織的發(fā)展前都伴隨著整層暖平流的加強，降水峰值的出現(xiàn)一般都和低層暖濕急流的加強，中低層風切變的出現(xiàn)有關(guān)。21時33分雷達風廓線顯示整層為東南到偏南風，表現(xiàn)為臺風外圍深厚的暖濕氣流，風切變出現(xiàn)在2.5 km處，而第二段降水發(fā)生前03時58分低層偏東風開始逐漸加強，高層則為西風槽前的西南風，風切變出現(xiàn)在4.5 km處。兩段強降水的出現(xiàn)都表現(xiàn)出中緯度系統(tǒng)和臺風外圍氣流的相互作用，第一次是臺風外圍偏東氣流和低層冷空氣之間的相互作用，因此輻合的位置主要位于中低層;西風槽前的西南氣流、中層的輻合的觸發(fā)在第二次降水過程中起了重要作用，臺風外圍暖濕氣流的加強則使降水有明顯的增幅。

從雷達速度場分析可知，本次過程β中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展都和低層暖濕氣流的加強緊密相關(guān)，低層風速的增大伴隨著對流風暴的發(fā)展，低層風速的減小伴隨著對流風暴的消亡。γ中尺度對流系統(tǒng)的生成發(fā)展則是由速度場上小尺度的風速輻合造成。

6 結(jié)論

1)低層臺風外圍的偏東氣流向暴雨區(qū)輸送水汽和熱量，造成中緯度暴雨區(qū)上空大氣的增溫增濕，進而使得大氣層結(jié)的不穩(wěn)定度增強;而中緯度西風槽則提供有利于臺風遠距離暴雨發(fā)展的大尺度背景，暴雨區(qū)位于西風槽前，有利于低層輻合的加強和垂直運動的發(fā)展和維持，進而觸發(fā)和加強暴雨的發(fā)生和發(fā)展。

2)強降水過程主要由兩個β尺度的MCS造成，而在暴雨區(qū)上空MβCS的新生維持是強降水維持較長時間的重要原因。

3)此次特大暴雨主要由兩次短時強降水過程組成，均由β中尺度對流系統(tǒng)引起:一是由弱冷空氣擴散南下導致的中尺度鋒生，同時由于東側(cè)強的入流，在降水回波的東部形成強窄帶回波;二是熱力差異和暖濕氣流的加強促使輻合再度加強，在輻合線的附近再次形成β中尺度對流系統(tǒng)。對流的發(fā)展與地面中尺度輻合線和中尺度低壓的發(fā)展加強有關(guān)，地面中尺度輻合線后部尾隨中尺度高壓。期間受局地熱力條件的影響，β中尺度的強回波內(nèi)伴隨著γ中尺度的強對流單體發(fā)展，造成局地降水的峰值。

4)兩段強降水的出現(xiàn)都表現(xiàn)出中緯度系統(tǒng)和臺風外圍氣流的相互作用，第一次是臺風外圍偏東氣流和低層冷空氣之間的相互作用，因此輻合的位置主要位于中低層;西風槽前的西南氣流、中層的輻合的觸發(fā)在第二次降水過程中起了重要作用，臺風外圍暖濕氣流的加強則使降水有明顯的增幅。

5)雷達速度場上，β中尺度對流系統(tǒng)的加強都和低層暖濕氣流的加強息息相關(guān)，低層風速的增大伴隨著對流風暴的發(fā)展，低層風速的減小伴隨著對流風暴的消亡。γ中尺度對流系統(tǒng)的生成發(fā)展則是由速度場上小尺度的風速輻合造成。

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