引言

海陆风是由海陆热力差异造成的一种中尺度次生环流，它广泛存在于我国沿海地区，是该地区大气边界层中特有的一种局地中小尺度地形性环流^[1-2]；也是福建沿海地区最重要的中尺度环流之一。这种地形性环流在有利的天气系统背景下可引发暴雨、强对流天气、恶性空气污染等多种灾害性事件。当海风从海面向陆地推进过程中遇到陆地上较热空气层时常会形成锋面即海风锋^[3-4]。海风锋是边界层的一种中尺度锋，水平尺度可达100 km，垂直尺度大约和大气边界层相当。尽管海风锋在福建沿海较为常见，但并非所有海风锋都能触发强对流天气，它必须在一定的大气环境条件下才能诱发或增强强对流天气。当海风锋与其它天气系统遭遇时，将触发不稳定能量释放，从而引发短时强降水^[5-7]、雷暴^[8]、大风^[9-12]等强对流天气。

对于海风锋，以往研究多集中在利用气象卫星、天气雷达、闪电定位仪等观测资料分析其尺度、形态等方面。如，Simpson等^[13]研究认为，对流发展旺盛的降水单体对应着海风辐合区，海风的加强和对流层低层水汽的累积共同造成深对流。漆梁波等^[14]综合分析一次飑线过程表明，海风锋产生的锋生与对流系统的出流边界叠加可维持和加强系统的发展。易笑园等^[15]的研究表明，海风锋移入高不稳定能量区可触发、发展雷暴天气。数值模拟为深入认识海陆风环流的结构以及海风锋系统间相互作用的物理过程提供了新的途径。其中:有的研究^[16-18]通过模拟海陆风环流的发展过程来揭示海陆风的垂直环流结构特征；还有用数值模式研究海风锋对雷暴天气的影响，以揭示雷暴单体进入海风锋后促进对流发展的过程^[19-20]。干冷空气的入侵对暴雨的产生和发展起到重要的热力作用，并能调整湿度场结构，产生热力效应。干冷空气主要来源于中高纬度和中高层，当它南下或从东路沿海扩散南下时与西南暖湿气流作用，使得高空涡旋和低空低涡同步耦合发展，进而产生暴雨^[21-23]。然而，上述模拟研究多针对海风锋与强对流的相互作用，较少涉及对福建沿海海风锋与暴雨的关系的分析。受海风锋和低压环流共同影响，2014年8月11日08时—12日08时(北京时，下同)福建省东部沿海出现一次大暴雨过程。相对于历史同期该地区非热带气旋造成的降水过程，其大暴雨范围和强度均居首位。该过程还造成宁德市霞浦县盐田畲族乡村里村山体滑坡、泥石流等次生灾害，导致139间房屋倒塌、2人被泥石流掩埋，直接经济损失1.52亿元。这次闽东沿海大暴雨过程在一天内（8月11日）既有海风锋又有低压环流影响，这类暴雨个例并不常见。因此，本文利用常规观测资料、NCEP再分析资料及WRF数值模拟资料，以该过程为例，试图揭示海风锋及低压环流在这次大暴雨过程中的作用及动力和热力演变特征。

1 过程概况与环流背景 1.1 过程概况

2014年8月11日08时—12日08时(北京时，下同)闽东沿海出现一次大暴雨过程，上述24 h累积降水量有5个国家级气象站达到100.0 mm，其中，霞浦站(26.88°N、120.02°E)最大为198.5 mm，寿宁站(27.46°N、119.43°E)次之，为196.7 mm(图 1a)。福建区域自动气象站雨量资料显示，上述24 h累积降水量有91站达到50.0 mm或以上，其中，霞浦盐田站(26.85°N、119.86°E)最大为258.3 mm，蕉城区贵村站(26.85°N、119.47°E)次之，为250.5 mm。该过程从8月11日午后开始，到12日02时前后达到最强，至05时前后趋于减弱(图 1b)。降水主要集中时段有两个:第一时段为13—18时，暴雨中心位于宁德霞浦和福州罗源到连江一带，其累积最大降水量出现在霞浦县水门乡(26.97°N、120.07°E)，为98.9 mm，最大小时雨量(59.2 mm)出现在连江县樟后村站(26.42°N、119.32°E)；第二时段在11日21时— 12日04时，降水中心(198.3 mm)位于宁德蕉城区贵村(26.85°N、119.47°E)，最大雨强70.7 mm·h^-1。从上述两个时段降水看，该过程突发性、局地性强且降水强度大。

1.2 环流背景

从8月11日20时500 hPa高度场可见(图 2a)，东北冷涡持续稳定维持，中高纬不断有西风槽东移，西太平洋副热带高压(以下简称副高)总体相对偏弱，588 dagpm线东退至海上，其西脊点位于台湾东部海面。福建西部到江西南部有一个588 dagpm高压中心。大陆上无明显的大陆高压活动。东北冷涡强盛、位置略微偏东，东亚槽后西北气流到达浙江沿海，且在华东沿海存在弱的西风槽东移，冷空气随着西风槽东移不断扩散影响沿海地区。850 hPa图上(图 2b)，在福建中部到江西、湖南南部存在弱切变，闽东北处于切变线北侧的偏东气流控制下。地面上(图 2c)，福建处于地面倒槽内。11日下午到夜里(图略)，福建处于高温高湿区，有利于强对流发生。从假相当位温(θ_se)垂直分布图上可见(图 2d)，暴雨区东侧存在冷舌，且在暴雨区上空650—450 hPa存在明显的冷空气。

1.3 气旋性涡旋的发展

从8月11—12日不同时次和高度的风场可见，11日14时(图 3a)，850 hPa南海南部到东海存在一个西南风急流通道，粤东到闽南为弱脊，闽东沿海受偏北气流控制，福建中南部沿海为弱的偏南风；午后福建中部山区形成非常弱的地形切变线，该切变线与东路扩散的冷空气结合造成午后热对流发展。同时，925 hPa (图 3d)，福建沿海和台湾海峡南风气流相对较弱，闽东沿海南侧从午后开始其东南气流有所加强。在莆田到宁德南部沿海由于午后海陆热力作用形成一条西南风和东南风暖式切变线，低层辐合区位于沿海。20时，850 hPa东南风逐渐向内陆推进(图 3b)，切变曲率最大处位于台湾海峡南部。低层925 hPa东南风一直推进到南平北部(图 3e)，此时低层辐合有所减弱。12日02时，850 hPa风场(图 3c)，随着南风向内陆推进，闽东北到浙南暖切变线得以发展。925 hPa (图 3f)，东海上空北风减弱，闽东沿海西南风和东南风辐合加强。由低空风场演变可知，由于海陆热力效应，午后海风逐渐增强，在福建中部山脉附近形成弱切变，受高空弱冷平流触发，造成午后暴雨。夜间随着偏南气流进一步加强，气旋性辐合增强，南风辐合层也从925 hPa抬升到850 hPa，导致夜间大暴雨。

2 模拟试验 2.1 试验设计

为了弥补中尺度观测资料在空间分布上的不足，使用WRF模式对此次暴雨过程进行高时空分辨率模拟。这次暴雨发生在2014年8月11日08时—12日08时，以10日20:00作为起始时刻，模拟时间步长为120 s，以10日20:00—12日20:00为模拟时段。模拟使用三层嵌套网格(图 4)，以26.0°N、119.0°E为中心。最外层区域(D1)格距为27 km，格点数为100×104；中间层区域(D2)格距为9 km，格点数为181×169；第三层区域(D3)格距3 km，格点数为271×280。垂直方向分为28层。选取的模式物理方案包括Lin方案微物理方案、新Kain-Fritsch方案、YSU边界层方案、快速辐射传输模式(RRTM)长波方案、DUDHIA短波辐射方案、Monin-Obukhov(表层)和5层热扩散(陆面)，其中3 km网格未使用参数化方案。模拟所用的资料主要包括:初始条件和侧边界条件均采用NCEP 1°×1°再分析资料，0—72 h侧边界条件每隔3 h输入一次；模拟运用WRFDA同化系统的3DVAR技术对最外层区域(水平分辨率为27 km的区域)的初始场同化常规观测的地面和探空资料，对第二层嵌套区域(水平分辨率9 km)的初始场同化常规观测的地面、探空资料和雷达资料。下文分析所用资料均是图 4中D3的模拟输出结果。

2.2 模拟降水场检验

从8月11日08时—12日08时实况降水量(图 1a)与模拟降水量(图 4b)分布图上看到，模拟的暴雨雨带呈东北—西南向分散分布，与实况分布相似，闽东沿海暴雨区范围模拟较实况明显偏小，强降水中心模拟强度偏弱、位置偏南。从模式模拟的逐小时降水量分布看(图略)，午后在福建中东部沿海地区，沿着鹫峰山脉和戴云山脉走向，在三沙湾、罗源湾、兴化湾、湄洲湾等海湾的喇叭口地区的靠山一侧出现多个短时强降水点；午后14时福建中北部沿海地区对流开始发展，17时达到最强，且一直维持到19时前后。而在夜里，模拟的闽西短时强降水明显偏强，闽东强降水区位置偏海上、落区略偏南。尽管实况与模拟在降水中心和降水量方面存在一定偏差，但模拟的降水带和降水趋势相近，其模拟结果是可以接受的。

2.3 模拟形势场检验

从模拟的风场和实况对比看(图 5)，在850 hPa (图 5a、b)和925 hPa (图 5c、d)，模式对风场在台湾东部的反气旋环流均有很好的反映。925 hPa暴雨区附近气旋性环流中心位置的实况和模拟较为一致，浙江沿海东北气流、台湾海峡西南风实况与模拟场均较吻合。从850 hPa风场模拟看，模式对闽东沿海的气旋性环流模拟较实况略有差距，实况为西南风和东南风的暖切，并没有如模拟场所示的完整环流中心，因此闽东沿海850 hPa风场实况与模拟有误差，说明模拟的闽东沿海气旋性环流的垂直厚度较实况更深厚，由于海风锋是边界层系统，在925 hPa以下层次模拟的结果与实况还是吻合的。从11日14时、20时地面风场实况(图 5e、f)和模拟风场(图 6c、e)对比分析可知，14时海风锋位置较吻合，20时低压中心和位置较一致。

3 海风锋的形成与移动

从上述模拟的逐小时雨量分布图上可见(图略)，午后短时强降水发生在沿海地区山脉与喇叭口附近。图 6给出WRF模拟的10 m风场的逐3 h分布图。

分析图 6表明，11日08时(图 6a)，浙南沿海为一致的东北气流，台湾东部海上为副高环流。南海到台湾海峡为一致的西南气流，福建沿海地区为弱的西南风，此时内陆风非常弱。11时(图 6b)，福建沿海西南风逐渐沿着港湾喇叭口区移动，风向逐渐转为东南向，闽东山区的山谷风(西北偏北风)逐渐加强。14时(图 6c)，随着11时前后海风开始逐渐增强，由福建南部沿海的西南风和闽东北沿海的东南风形成气旋性环流，海风风力开始增强，同时沿海地区山谷风也有所增强。山谷风和海风在14时前后形成较完整的海风辐合线(海风锋)，此时辐合线距离海岸线40 km左右，辐合线的气旋性曲率最大区位于福州沿海和宁德沿海。对应该辐合线，福州连江到宁德福安一带对流开始发展(图 7a)，出现局地暴雨，最大小时雨量(59.2 mm)出现在连江樟后村。17时开始(图 6d)，海风锋南段开始减弱，而其北段进一步向内陆推进，深入内陆70~90 km，降水带随之向内陆推进至宁德周宁一带(图 7b)，同时沿海也有对流发展。对应14—18时的降水落区，海风锋南侧海风气旋性曲率最大处对应涡度的大值区降水最强，如霞浦水门乡上述时段累积降水98.9 mm，最大小时雨量52.5 mm。18—20时(图 6e)，由于闽东山体较高，海风无法越过，随后海风开始减弱，海风锋减弱并回撤到沿海地区(图 7c)，沿海对流发展。21时开始(图 6f、g、h)，受冷空气扩散影响，闽东沿海与台湾东部的副高之间的气压梯度增大，导致偏南气流增强，与东路的偏北气流汇合，激发气旋性涡度增长而形成低涡，气旋性辐合增强，对流进一步发展(图 7c、d)，沿海地区降水明显增强，如宁德蕉城区贵村出现最大小时雨量达70.7 mm。

综合对比该过程逐小时雨量分布(图 1b)和模拟的10 m风场变化(图 6)可知:午后出现的强降水和海风锋影响相关；而夜间的强降水主要是南北风交汇形成的低压环流影响的结果。

4 暴雨区大气层结演变特征 4.1 暴雨区垂直风场演变

由第3节分析可知，午后出现的强降水和海风锋影响相关，为剖析海风环流的结构变化，选取午后暴雨中心上空的垂直结构特征变化对暴雨中心附近(119.2°E，26.4°N)的风场进行分析。为此，图 8给出8月11日08时—12日08时暴雨中心附近风场的时间-高度垂直剖面图。

分析图 8可知，闽东沿海地区在11日09时前后低空风向开始出现顺转，由东北风转为偏东风，到14时顺转为东南风。垂直方向上，从当日11时开始由低层向高层风向逐渐顺转，14时前后在875 hPa以下层次都转为东南风，且在19时风向顺转结束。从风的垂直变化看，08—17时暴雨区附近风的演变体现了海风环流的转换特征，海风由地面向高空开始逐渐伸展，海风环流高度最高出现在下午12—15时，此时也对应强降水发生时段。20时开始，由于北方冷空气扩散影响，风的偏北分量开始加大，风向出现逆转，由偏东风逐渐转为偏北风。从20时到次日05时底层风场的转变，也证实了低压环流的存在。

4.2 动力、热力特征分析 4.2.1 动力特征

从WRF模式模拟的夜间暴雨中心(119.8° E，26.85°N)散度场时间-高度垂直剖面图上可见(图 9a)，8月11日11时前后，低空950 hPa开始由辐散转为弱辐合，对流开始发展。午后随冷空气南下影响，800 hPa以下出现辐合，700—750 hPa出现辐散。这种结构有利于低空暖湿气流抬升，被抬升的暖湿气流在700 hPa遇到冷的下沉气流，激发层结不稳定发展，低层暖湿气流在中高层冷却凝结释放潜热，激发对流发展。

从上述暴雨中心垂直于海岸线的风速的时间变化图上可见(图 9b)，海风最强时刻出现在11日15时，对应低空辐合最强时刻，且随着时间推移，辐合层逐渐降低。这说明午后增强的海风遇山地爬升至850 hPa使得低空辐合层抬升，并在15时前后达到最高，随后辐合层逐渐降低。另从暴雨区垂直海岸线10 m风速分布看(图 9c)，10时前后海风开始增大，而其在925 hPa于10—11时明显增大，这一阶段主要是由于海陆热力差异导致的海风增大。925 hPa海风从11时开始增强，并在15—16时前后达到最大，达9 m·s^-1。17时前后海风明显减弱。当日18时到次日02时虽然向岸气流也较大，但从上文分析可知，这一阶段主要是冷空气影响导致的风力增强。从对应的散度垂直分布图看，午后海风最强时刻对应低空辐合最强时段，导致午后强降水。夜间随冷空气影响，偏北风增强，地面形成小尺度气旋性涡旋，850 hPa以下为一致的辐合，从而加强了对流组织发展，进而导致夜间强降水。

4.2.2 热力特征

以格点(119.8°E，26.8°N)和(120.5°E，26.5°N)分别代表闽东陆地与海洋，分析此次暴雨过程海陆温差与气压差的时间变化。从图 9d中看到，11日08时前后，海陆温度接近，温差低于0.3 ℃，随着太阳辐射增强，海陆温差逐渐增大，08—09时明显突增，达到1.3 ℃，12—13时再次突增并接近2.5 ℃。海陆温差最大出现在13时和15时，最大达2.5 ℃。对比海风风速演变发现，海陆温差最大时刻比海风最大时刻提早3 h左右。当海陆温差逐渐加大时，有利于陆地下垫面不稳定能量积蓄。海陆温差16时开始明显下降，19时前后海陆温度接近，此时随着陆地温度进一步下降，海温在02时前后比陆地温度略高0.5 ℃。随着海风带来冷湿气流并呈现辐合上升, 海上水汽随着海风不断向闽东地区输送, 其推进过程中, 午后海陆温差达到最大, 有利于凝结潜热释放。

对应气压差演变，海陆气压差日变化和海陆温差呈反位相分布。即:陆地温度高于海温，气压下降；反之，气压升高。同时，在13时前后，气压差有一个突增的过程，到15时气压升至最高，对应海风最强时段，而此刻对应的正是午后强降水，导致福州连江出现小时雨量大于50 mm的强降水。

5 结论与讨论

利用常规观测资料以及NCEP再分析资料和WRF数值模拟资料，分析了2014年8月11日闽东沿海大暴雨过程海风锋及低压环流的结构演变及其热力、动力特征。主要结论如下：

(1) 此次暴雨过程午后强降水是由海风辐合线移入高不稳定能量区而被触发并发展的。夜间大暴雨是受冷空气影响和低压环流发展导致的。数值模式对午后明显的海风环流影响下的热对流发展导致的短时强降水的落区模拟较好，较好地模拟出了午后海风锋及夜间低压环流的生消、形态特征、位置变化，对夜间较强降水落区模拟明显偏南、范围偏小。

(2) 海风能够到达到港湾的喇叭口地区, 并沿着山谷爬上海拨几百米高的山体, 深入到内陆70~90 km地区，与山谷风形成海风锋。在海风锋的前端是东南风和东北或西北风交汇的辐合带。在海风锋的南侧其气旋性曲率最大处降水最强。海风环流的垂直变化从低层开始向高空伸展，午后海风增强时段对应降水增强。海风锋在向内陆推进过程中呈现出湿度增大、湿层增厚、气温下降的特点。海陆温差最大时刻比海风最大时刻提早3 h左右。海风最强时刻对应低空辐合最强、降水最强。海陆气压差日变化与海陆温差呈反位相分布。海风锋对应低层明显的辐合抬升。

(3) 闽东沿海午后强降水主要由海风锋造成。夜间，随着冷空气和偏南气流形成低压环流，地面形成小尺度气旋性涡旋，850 hPa以下为一致辐合，激发气旋性涡度增长，从而加强对流组织发展，进而导致夜间强降水。

由于高时空分辨率垂直探测资料的缺乏，尚不能真实描述海陆风环流的演变过程，目前只有通过数值模拟来认识海陆风环流的结构以及海风辐合线(海风锋)与暴雨系统相互作用。由于上述对海风锋与暴雨系统的作用的模拟研究还不够完善，相关研究结果，除了寄希望于模式的模拟精度不断改进外，还需要积累大量的观测事实来验证。