第 44 卷第 10 期 2018 年 10 月 气象 METEOROLOGICAL MONTHLY Vol.44 No.10 October 2018 孙密娜, 王秀明, 胡玲, 等,2018. 华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究 [J]. 气象,44(10):1255 1266. 华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究 孙密娜 1 王秀明 2 胡玲 1 陈宏 1 韩婷婷 1 1 天津市气象台, 天津 300074 2 中国气象局气象干部培训学院, 北京 100081 提要 : 2016 年 7 月 24 日午后河北中东部至天津南部出现了一次短历时暴雨过程, 暴雨中心位于天津南部, 模式客观预报和预报员主观预报均存在偏差 利用常规地面高空观测资料 卫星云图 多普勒雷达探测资料和同化了雷达和地面加密资料的 VDRAS 资料等, 对导致此次强降水过程形成原因进行分析, 特别是对本次暴雨最为关键的问题 雷暴触发和传播机制进行了深入细致的分析, 结果表明 :(1) 本次暴雨过程发生在副热带高压加强北上过程中, 从传统流型识别的角度看不利于副热带高压西北侧的高空槽东移影响华北东南部, 这是一次发生在副热带高压 588dagpm 线控制下的暖区暴雨, 是非典型流型下的短历时暴雨, 预报难度大 ;(2) 邢台探空较北京探空距离暴雨区更远, 但对于副热带高压西北侧西南气流影响下的暖区暴雨, 位于暴雨区西南的邢台探空更具参考价值, 邢台站 24 日 11 时的订正探空显示 : 大气层结极不稳定 低层水汽异常充沛且湿层深厚,CAPE 值达 3874J kg -1, 对流抑制仅为 22J kg -1,8g kg -1 比湿达 600hPa, 地面露点出现接近 30 的极端高值 ;(3)850hPa 暖式切变线附近, 两条地面辐合线合并和中尺度锋生是触发中尺度对流系统的重要因素, 卫星云图上亦可见两条云带合并, 其合并使得边界层辐合加强, 因而积云在辐合区发展, 暖切变线附近上午有小积云发展, 随着辐合加强形成东西向排列中尺度对流系统 ;(4) 雷暴触发后, 其移动和传播是预报的难点, 因其决定了对流降水持续时间, 本例中受辐合线和风暴阵风出流共同作用, 切变线西段有新的雷暴触发, 加之切变线南侧南北向的云街与切变线相遇, 使得雷暴在向西传播的同时向南发展, 即传播方向为西偏南, 在环境西南气流的作用下, 对流单体向东偏北方向移动, 即平流方向东偏北, 平流与传播方向相反, 因而形成 列车效应, 另外, 南北向云街表明切变线南侧逆温层之下有偏南暖湿气流补充, 加之对流风暴阵风的出流再次触发雷暴使得对流风暴持续 关键词 : 短时强降水, 辐合线, 暖区暴雨, 列车效应中图分类号 : P458 文献标志码 : A 犇犗犐 : 10.7519 /j.issn.1000 0526.2018.10.002 StudyonInitiationandPropagation Mechanismof a Warm SectorTorrentialRaininNorthChina SUN Mina 1 WANG Xiuming 2 HU Ling 1 CHEN Hong 1 HAN Tingting 1 1Tianjin MeteorologicalObservatory,Tianjin300074 2ChinaMeteorologicalAdministrationTrainingCentre,Beijing100081 犃犫狊狋狉犪犮狋 :Ashort timetorrentialrainoccurredintheafternoonof24july2016,fromthecentralandeas ternpartofhebeiprovincetosoutherntianjin,whichwasthetorrentialraincenter.forthistorrential rainboththeobjectiveandforecaster ssubjectiveforecastshadbiases.inthispaperthecausesofthepre cipitationareanalyzed,especialytheinitiationandpropagationmechanismofthetorrentialrain,whichis themostcriticalproblem,byusingtheconventionalsurfaceandupper airobservation,sateliteimages, radardataandvdrasdatathatassimilatedtheradarand AWSdata.Theresultsshowthat:(1)the 国家自然科学基金项目 (41475042 41575049 和 41475050) 公益性行业 ( 气象 ) 科研专项 (GYHY201506006) 天津市自然科学基金 (17JCYBJC23600) 天津市气象局气象预报预警创新团队和天津市气象局课题 (201724ybxm14) 共同资助 2017 年 9 月 24 日收稿 ; 2018 年 5 月 22 日收修定稿第一作者 : 孙密娜, 主要从事短时和短期天气预报技术研究.Email:sunminannanjing@163.com 通信作者 : 王秀明, 主要从事灾害性强对流天气形成机理观测和数值模拟研究及教学工作.Email:wangxm@cma.gov.cn
1256 气象第 44 卷 torrentialrainoccurredasthesubtropicalhighstrengthenedandextendednorthward.fromtheperspec tiveoftraditionalidentification,thecirculationpaterndidn tfavorthenorthwestuppertroughattheedge ofsubtro picalhighmovingeastwardandinfluencingthesoutheastofnorthchina.itwasawarm sector torrentialrainwhichoccurredunderthecontrolofthe588dagpm.itwasanon typicalcirculationpatern short timesevererainfal,dificulttoforecast.(2)althoughthedistancefromtianjintoxingtaiisfarther thanfrom TianjintoBeijing,XingtaiSoundingStationlocatedinthesouthwestofthetorrentialrainzone hasmorereferencevalueundertheinfluenceofsouthwestairflow whichisonthenorthwestsideofsub tropicalhigh.at11:00bt,xingtaisoundingdatashowedthattheatmospherewasextremelyunstable andthelow levelwatervaporwasdeepandunusualyvigorous.thecapevaluewas3874j kg -1,CIN was22j kg -1 andtheheightof8g kg -1 specifichumidityextendedto600hpa.thesurfacedew point temperaturewasnearly30.(3)nearthe850hpawarmshearline,thetwosurfaceshearlinesmerged andmesoscalefrontogenesiswasthekeyfactorofinitiation.twocloudbands werealsovisibleonthe sateliteimage,enhancingconvergence.socumuluscloudsdevelopedintheconvergencezone,andsmal cumuluscloudsdevelopedinthemorningnearthewarmshearline.astheconvergencewasstrengthened, themesoscaleconvectivesystem wasformedintheeast westdirection.(4)afterthunderstormistrig gered,itsmovementandpropagationarethedificultiesofforecasting,becauseitdeterminesthelasting timeofconvectiveprecipitation.inthiscase,undertheinfluenceoftheconvergencelineandthestorm gusts,newthunderstorminitiationinthewestpartoftheshearline,andthenorth southcloudstreetmet theshearlineonthesouthsideoftheshearline,causingthethunderstormtospreadwestwardandmove southward.sothepropagationdirectionwaswestbysouth.undertheinfluenceofsouthwestairflow,the convectivecelsmovednortheastward,namely,theadvectiondirectionwaseast,whichwasoppositetothe directionofpropagation.thus,the trainefect wasformed.cloudstreetsshowedthattherewasasupple mentofthesouthwarmandhumidairflowundertheinversionlayerinthesouthoftheshearline.inaddition,the convectivestormguststriggerednewthunderstormsagain,makingconvectivestormssustained. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :short timesevererainfal,convergenceline,warm sectortorrentialrain,trainefect 引言 发生在锋面南侧的暖区暴雨具有明显的中尺度特征, 常常与对流活动相联系, 突发性强, 短时雨强大, 易引发洪涝灾害 其自由大气强迫弱, 预报难度大 暖区暴雨具有整层高湿 地面露点高和温度露点差低的特点, 因而暖云层厚 抬升凝结高度和自由对流高度低 ( 俞小鼎,2011;2013; 徐臖等,2014) 暖区暴雨主要由边界层辐合线 海陆差异形成的辐合 低空急流轴或大风核及边界层风速脉动配合中尺度地形抬升, 以及地面中尺度辐合线 中尺度能量锋 中尺度海风锋等所触发 ( 何立富等,2016) 7 21 暖区暴雨的相关研究 ( 孙建华等,2013; 廖晓农等, 2013; 姜晓曼等,2014; 谌芸等,2012) 表明, 此次降水由低涡切变和地形共同触发, 导致强降水的中尺度对流系统 (MCS) 在暖区生成 发展,MCS 长时间的 列车效应 和后向传播特征是产生强降水的主要原因 地面中尺度涡旋 地面辐合线 低层的切变线, 可以触发暖区中的 MCS 并使其维持, 强降雨回波常沿中尺度辐合线触发和移动并加强 ( 俞小鼎, 2012; 孙军等,2012, 孔凡超等,2016; 桑建国,1997; 桑建国等,2002) 暖区局地暴雨的形成多与 MCS 相关, 其组织结构 移动传播决定了降水强度 (Doswel Ietal, 1996;Carboneetal,2002) Corfidietal(1996) 指出 MCS 的传播方向通常与低空急流反向 MCS 移动前方环境低层暖湿区与雷暴活动形成的相对冷区形成中尺度锋区对对流的高度组织化和强降水的持续起到重要作用 ( 易笑园等,2011; 陈明轩等,2013) 强的低空和边界层急流能将暖湿空气输送到 MCS 中, 有利于强降水的维持和增强, 常常形成 列车效应 造成局地强降水 ( 何群英等,2012; 王福侠等, 2014; 卢焕珍等,2015) 合适的低层热力和动力特
第 10 期 孙密娜等 : 华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究 1257 征配置是 列车效应 形成的主要机制 ( 孙继松等, 2013) 北京极端降水强降水发生时, 雷达强回波高度较低 ( 孙继松等,2015) 随着中尺度模式水平分辨率的提高, 各种非绝热物理过程被充分考虑, 许多 β 中尺度的对流活动能被模拟出来, 然而受到初始场和参数化方案等的限制, 模式对弱动力强迫类的暖区暴雨预报能力不足 ( 张大林,1998), 实际业务中暖区对流暴雨也常常漏报, 如 2012 年 7 月 21 日和 2013 年 7 月 1 日的暖区暴雨 ( 李俊等,2015; 孔凡超等,2016) 2016 年 7 月 24 日午后到傍晚, 河北中部到天津南部出现了一次大暴雨, 降水中心位于天津南部 此次过程降水强度大, 降水区域集中, 最大小时雨强达到 80 mm h -1 以上, 最大 6 h 累计雨量达 171.8mm 由于此次降水过程前刚刚出现华北 7 20 特大致灾暴雨, 下垫面脆弱, 易引发次生灾害, 因而引起了广泛的关注 此次暴雨发生在副热带高压 ( 以下简称副高 ) 北上阶段, 基于流型识别的预报经验认为 : 在副高环流控制下不利于降水的发生, 同时模式及业务预报的降水位置存在明显偏差 本文对于此次预报难度大的暖区对流暴雨, 采用地面加密观测 风廓线 雷达资料 VDRAS 雷达资料四维变分同化资料, 重点分析雷暴在不稳定层结下的抬升触发机制及影响 MCS 的传播和移动的物理过程, 试图给出此次暖区暴雨形成的物理图像 1 资料 本文研究中的气象资料主要包括 :(1) 自动站资料 : 地面加密自动站逐小时温度 露点 风向 风速和降水量 (2) 探空资料 :2016 年 7 月 24 日 08 时北京和邢台站探空资料 (3) 天津静海风廓线雷达资料 : 时间分辨率为 6 min, 垂直层次为 66 层 (4) VDRAS 资料 :VDRAS(VariationalDopplerRadar AnalysisSystem) 利用包含暖雨参数化方案的三维云尺度湿版本数值模式, 采用四维变分技术, 对北京 天津 石家庄 秦皇岛 S 波段以及张北和承德 C 波段多普勒天气雷达资料进行 12 min 间隔的快速更新循环同化分析, 且融合了自动站资料 雷达 VAD 分析结果及 WRF 数值预报结果, 反演了与对流风暴生消 发展密切相关的对流层低层热动力三维结构 其产品垂直方向上分为 15 层, 水平分辨率为 5km (5) 多普勒雷达资料 : 天津雷达, 位置坐标 为 39.044 N 117.717 E, 沧州雷达, 位置坐标为 38.279 N 116.08 E 本文使用的资料为 2016 年 7 月 24 日 13 15 时的数据 2 强降水实况及预报情况 2016 年 7 月 24 日午后, 河北中东部至天津南部一线出现局地强降水 ( 图 1a), 地面加密自动站显示 :13 18 时有 54 站出现 50mm 以上降水, 有 8 站出现 100mm 以上降水, 最强降水中心位于天津滨海新区南部 300km 2 范围内, 天津有 37 站出现 50mm 以上降水,6 站出现 100mm 以上的降水, 其中最大雨量出现在滨海新区的刘岗庄,12 18 时 6h 累计雨量达到 171.8 mm, 逐小时降水量 ( 图 1b) 显示 :15 16 时 1h 降水量达到 84.4mm, 强降水时间集中且雨强大, 此外, 在强降水过程中伴随有局地雷暴大风, 陆地最大瞬时风速达到 18.6m s -1, 海上石油平台 54646 站出现了 20m s -1 的雷暴大风 24 日 08 20 时 500hPa588dagpm 线明显北抬 ( 图 2b), 表明副高的势力增强, 从流型看不利于出现强降水 各家数值预报对这次降水也存在明显偏差, 特别是降水强度 : 欧洲中心 (EC) 的预报地面降水不足 5mm, 而且降水落区偏南 ( 图略 ), 主要降水出现在 24 日夜间, 中尺度模式 WRF 在河北中部预报了小时雨强 10 mm h -1 以下的阵性降水, 降水的时间段比较接近实况, 落区略偏南, 强度偏差显著 ( 图略 ) 基于数值预报的以上表现, 加之在副高 588dagpm 线北上过程中不利于降水的传统预报经验, 以及北京探空层结相对稳定且对流抑制大这三方面原因, 使降水预报的落区和强度与实况有较大偏差 3 流型及环境参数分析 3.1 环流背景从环流形势来看,24 日 08 时华北处于副高边缘 588dagpm 线附近 ( 图 2a), 至 20 时 588dagpm 线明显北抬 ( 图 2b), 副高势力增强 根据预报经验, 副高西北侧 584~588dagpm 线有利于雷暴出现, 但副高 588dagpm 线控制区雷暴出现概率较小 华北地区位于副高北侧两槽之间的脊区, 位于 100 E 附近东北地区的高空槽已东移,08 时 24h 变
1258 气象第 44 卷 Fig.1 图 1 2016 年 7 月 24 日 13 18 时地面加密自动站累计降水量 (a), 刘岗庄逐小时降水量 (b)( 单位 :mm) Accumulatedprecipitation (a)andhourlyprecipitationofautomaticweather stations(b)from13:00btto18:00bt24july2016 (unit:mm) 图 2 2016 年 7 月 24 日 08 时 (a,c) 和 20 时 (b,d) 的 500hPa(a,b) 位势高度 ( 实线, 单位 :dagpm) 24h 变温 ( 点线, 单位 : ) 风场 ( 风羽, 单位 :m s -1 ),850hPa(c,d) 位势高度 ( 实线, 单位 :dagpm) 露点 ( 数值, 单位 : ) 风场 ( 风羽, 单位 :m s -1 ) 和散度 ( 阴影, 单位 :10-6 s -1 ) Fig.2 Thegeopotentialheight(solidline,unit:dagpm),24htemperatureanomalies(dotedline,unit: ), 狌狏 (barb,unit:m s -1 ),at500hpa(a,b);thegeopotentialheight(solidline,unit:dagpm), dewpoint(number,unit: ), 狌狏 (barb,unit:m s -1 )anddivergence(shadedarea,unit:10-6 s -1 ) at850hpa(c,d)at08:00bt (a,c)and20:00bt (b,d)24july2016
第 １０ 期 孙密娜等 华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究 温华北处于负异常区 说明在高空槽的影响下 槽后 西北气流使高空降温 位于 １００ Ｅ 附近弱的高空槽 １２５９ ３ ２ 不稳定层结及异常水汽分析 在东移的过程中受副高的阻挡 移 动 缓 慢 ２０ 时 仍 位 北京探空站的位置与对流发生地点的距离最 于 １１０ Ｅ 以西 从 流 型 看 当 日 华 北 中 南 部 不 利 于 出 近 ２４ 日 ０８ 时北 京 探 空 图 ４ 显 示 低 层 的 湿 度 条 件较 好 ８５０ｈＰ 露 点 为 １６ 比 湿 为 ９ ｇ ｋｇ １ 现较大范围的强降水 强降水在夜间至次日 从地面形势 来 看 ０８ 时 华 北 处 于 倒 槽 顶 部 华 北中东部存在两条 辐 合 线 天 津 到 北 京 之 间 存 在 偏 北风与东南风的辐 合 线 天 津 南 部 存 在 东 西 向 的 西 南风与东南风 的 辐 合 线 图 ３ ０８ 时 ８５０ｈＰ 河 套低 涡 切 变 线 东 段 位 于 北 京 的 北 部 图 ２ ２０ 时 形成显著低涡环流 中心位于 １１２ Ｅ 附近 南侧西南 表 １ 但湿层 不深 厚 ８５０ｈＰ 以上都 比较 干 对 流 有效位能 ＣＡＰＥ 仅为３０Ｊ ｋｇ １ 且由于８５０ｈＰ附 近的显著逆温使对流抑制 ＣＩＮ 高达 ４００Ｊ ｋｇ １ １１ 时 订 正 探 空 ＣＡＰＥ 为 ７０Ｊ ｋｇ １ ＣＩＮ 仍 高 达 ３５６Ｊ ｋｇ １ 由于 ＣＩＮ 太 大 雷 暴 触 发 难 度 大 本 次过程发生在副高 外 围 西 南 气 流 中 雷 暴 触 发 地 在 风增 至 １０ ｍ ｓ １ 出 现 显 著 辐 合 区 中 心 达 １３０ １０ ６ｓ １ 其 东 部 暖 切 变 线 位 于 华 北 南 部 天津西南侧的河北 中 部 根 据 天 津 西 南 侧 邢 台 探 空 图 ４ｂ ０８ 时的 ＣＡＰＥ 已 经 达 到 １７５９Ｊ ｋｇ １ 大 图 ２ｄ ９２５ ｈｐ２０ 时 华 北 南 部 存 在 暖 切 变 线 气层结极不 稳 定 此 时 ＣＩＮ 为 １３６Ｊ ｋｇ １ 低 层 图略 ２４ 日午后 ＭＣＳ 恰好出现 在 暖切 变 线和地 面辐合线附近 且稳定少动 高湿 且 湿 层 深 厚 地 面 露 点 为 ２７ ８５０ｈＰ 露 点 为１９ 比 湿 为１６ｇ ｋｇ １ ８ｇ ｋｇ １ 比 湿 高 度 达 图 ３ ２０１６ 年 ７ 月 ２４ 日 ０８ 时 １１ 时 ｂ １４ 时 和 １６ 时 ｄ 的地面温度 红线 单位 露点 绿线 单位 水平风 风羽 单位 ｍ ｓ １ 和散度 阴影 单位 １０ ５ ｓ １ ３ Ｓｕ ｍｐ ｕ ｄ ｎ ｕｎ ｄｗｐ ｎ ｎ ｎ ｕｎ ｇ 狌狏 ｂ ｂ ｕｎ ｍ ｓ １ ｎｄｄ ｖ ｓｈｄｄ ｕｎ １０ ６ ｓ １ ｇｎ ０８ ００ＢＴ １１ ００ＢＴ ｂ １４ ００ＢＴ ｎｄ１６ ００ＢＴ ｄ ２４Ｊｕ ｙ２０１６
1260 气象第 44 卷 图 4 2016 年 7 月 24 日 08 时北京 (a) 和邢台 (b) 探空 Fig.4 犜 log 狆 diagramofbeijing (a)andxingtai(b)at08:00bt24july2016 600hPa, 大气整层可降水量高达 64 mm, 与北京 7 21 暴雨的可降水量相接近 ( 孙军等,2012) 08 时后随着地面气温升高, 露点升高, 气层变得更不稳定且对流抑制减小 11 时订正探空 CAPE 为 3874 J kg -1,CIN 为 22J kg -1, 由于对流抑制显著减小, 弱的辐合抬升有可能触发对流, 且雷暴触发后将强烈发展 08 时地面露点高且分布不均, 天津北部露点为 26 左右, 天津南部和河北中南部露点为 27~ 28, 北侧辐合线与 27 露点线基本一致, 南侧辐 合线与 28 露点线重合 ( 图 3a) 11 时辐合线南侧露点温度升至 29~30, 这种异常偏高的地面露点在内陆非常罕见, 表明当天低层水汽含量异常充沛 低层水汽的增长可能与低空西南气流逐渐加强造成的暖湿平流增强有关 总之, 河北中南部大气层结极不稳定, 水汽含量异常偏高加之 0 层高度在 5.5km 附近, 暖云深厚,0~6km 整层风均小于 12m s -1, 风暴形成后移动速度慢, 环境条件有利于产生短时强降水, 预报预警难点在于雷暴于何时何处抬升触发 表 1 北京站和邢台站的强对流参数 Table1 ConvectiveparametersofBeijingandXingtaiStations 犆犃犘犈 /J kg -1 犆犐犖 /J kg -1 850hPa 比湿 /g kg -1 850hPa 露点 / 0~6km 垂直风切变 /m s -1 大气可降水量 /mm 08 时北京 30 400 9 16 11 46 11 时订正 70 356 / / / 49 08 时邢台 1759 136 16 19 12 63 11 时订正 3874 22 / / / 64 4 雷暴触发及强降水成因分析 4.1 基于可见光云图的雷暴演变过程分析 24 日上午 10 时 ( 图 5a) 在天津至河北中部存在一条东北西南向的云带 1, 与北侧地面辐合线相对应, 此时地面无降水 ; 天津南侧存在一条东西向的云带 2, 与南侧地面辐合线对应, 云带上存在若干积云 泡 11 时 ( 图 5b) 两条云带相向移动, 至 12 时 ( 图 5c) 完全合并 11 时开始辐合线南侧出现了多条平行的南北向的小积云线, 即水平对流卷 (HCR), 此时环境风为偏南风, 因而积云线为平行于环境风的云街, 表明该区域为逆温抑制下的暖湿不稳定区 当雷暴出流边界与云街相遇时, 多数情况下云街的积云发展为雷暴 ( 俞小鼎等,2012) 云街北侧辐合线上积云持续发展,13 时 ( 图 5d) 开始在天津南侧辐合线附近出现三个快速发展对流云团 A B C,14 时
第 １０ 期 孙密娜等 华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究 图 ５ 发展 成 三 个 边 界 清 晰 的 圆 形 对 流 云 团 随 着对流的发展 １５ 时 图 ５ｇ 三 个 云 团 逐 渐 合 并 形 成东西向 的 准 圆 形 的 ＭＣＳ 且 存 在 清 晰 的 上 冲 云 顶 表 明 上 升 运 动 强 烈 １６ 时 图 ５ ＭＣＳ 继 续 沿 着辐合线向东西方 向 扩 展 向 西 发 展 的 云 区 对 流 发 １２６１ 流云的西侧抬升 暖 湿 空 气 使 得 ＭＣＳ 向 西 传 播 由 于雷暴在西段不断 新 生 南 侧 逆 温 层 之 下 不 断 有 暖 湿空气补充 加之风暴 移 动 速 度 慢 １３ １８ 时 沿 辐 合线东西向排列的中尺度对流云团准静止地维持在 河北中东部至天津南部 因而产生了局地大暴雨 展强烈 １６ ３６ 图 ５ ｊ 出 现 清 晰 的 出 流 云 线 Ｄ 在 对 图 ５ ２０１６ 年 ７ 月 ２４ 日 １０ ００ １７ ３０ 可见光云图的演变 ５ Ｅｖ ｕ ｎ ｖ ｓｕ ｕｄ ｎ１０ ００ １７ ３０ＢＴ２４Ｊｕ ｙ２０１６
1262 气象第 44 卷 4.2 抬升机制分析两条边界层辐合线相遇合并可能是触发 MCS 的重要原因 地面图 ( 图 3a) 显示, 在天津附近存在南北两条辐合线, 对应两处弱辐合区, 中心散度为 -15 10-6 s -1 11 时 ( 图 3b), 随着东北风的南压 ( 与北侧云带逐渐向南移动相对应 ), 北侧辐合线南压与南侧辐合线合并成东西向的辐合线, 辐合显著增强, 中心散度为 -35 10-6 s -1, 边界层抬升作用增强, 辐合线附近露点为 28 左右, 较 08 时升高 2 ~3 Wilsonand Mueler(1993), Wilsonand Megenhardt(1997) 的统计表明, 大约有一半的雷暴在边界层辐合线附近生成, 而当两条辐合线相遇时, 其相遇的区域附近更容易有雷暴生成 王彦等 (2011) 对天津边界层辐合线的统计发现, 两条以上边界层辐合线相遇处一般会发生强对流天气, 若已经发生强对流, 则对流加强 辐射差异和南侧暖湿平流增强所导致的中尺度锋生可能是触发对流的原因之一 08 时与辐合线相对应的两条云带对太阳辐射的吸收作用使天津以北区域的温度较南部地面温度低 2~4 左右 ( 图 3a),11 时开始云带南侧地区的温度升至 34 以上, 低层水汽的增长可能与低空西南气流逐渐加强造成的暖湿平流增强过程有关, 南北温差扩大到 4 左右 ( 图 3b), 与此同时, 可以看到对流云带南侧南北向的 HCR 也愈发清晰, 表明近地面层偏南暖湿气流有所增强 VDRAS 扰动温度显示 ( 图 6b), 11:18 在天津南部存在一条东北风与西南风的辐合线, 辐合线两侧的温差为 3.5 左右, 形成弱温度锋区 研究显示 : 边界层中尺度锋生作用可以导致边界层的辐合加强, 对暖区暴雨的触发起到重要作用 ( 赵思雄和周晓平,1984; 何立富等,2016), 此时, CAPE 也存在由北向南递增的趋势 ( 图 6a), 北京的 CAPE 为 500J kg -1, 天津南部到河北南部则达 1100J kg -1 以上, 这种差异与探空图反映的南北能量差异是一致的 4.3 移动和传播 4.3.1 中尺度对流系统的形成与传播雷暴在近乎东西向的辐合线上触发, 因而形成大致呈东西向排列的多个对流单体组成的对流云带, 对流云带位于天津西南部且稳定少动 雷达反射率因子图显示,24 日 13 时在天津的西南部开始 出现对流性降水回波,13:30 在天津南部一线产生几个较强的呈东西向排列的对流单体 M X H B 和 C( 图 7a), 最强回波超过 55dBz, 与卫星云图的三个对流云团相对应 ( 图 5) 根据风暴追踪路径, 13 15 时对流单体大致朝东略偏北方向移动 (M X 和 H), 移速缓慢, 平均移速约为 10km h -1, 还有些单体在原地发展加强 (B 和 C), 伴有单体合并 ( 图 7b) 15 时, 单体 M 和 H 已经消亡, 在其西侧新生成了 R, 单体 R 由偏东风出流抬升形成, 单体 B 西侧亦有新生回波与 B 一起向东北方向移动 ( 图 7c), 表明雷暴的传播方向是向西 由于东西向对流风暴带上单体向东略偏北方向移动 ( 平流方向东略偏北 ), 传播方向向西, 下文分析表明在冷池和偏南环境风作用下还向南传播, 产生 列车效应, 天津南部受有多个对流单体影响, 这是 1 h 产生 84.4mm 强降水的直接原因 由单体结构看, 东西向带状对流风暴中出现了强多单体,14:54 雷达组合反射率显示最强回波为 60dBz 以上 ( 图 8a),55dBz 以上的强回波区明显倾斜, 形成 弱回波区 结构,45dBz 以上反射率因子位于 8.5km 以下高度 ( 图 8b), 强回波中心位于 6km 高度附近, 由于 0 层高度为 5.5km,-20 层高度为 8.8km, 因此暖云层深厚, 降水效率高 更为重要的是 14:42 速度剖面产生了明显的阵风出流, 形成地面 18.6m s -1 的大风 图 8d 显示 : 在 5~ 9km 高度附近存在接近 20m s -1 的偏南风急流, 与偏北风在 3~6km 高度形成弱的中层径向辐合, 产生近地面强的偏北风出流, 北风风速带在底层向南延伸, 抬升南侧的暖湿空气, 使暖湿空气倾斜上升, 引起雷暴向南侧传播 4.3.2 边界层辐合线与低空显著气流 边界层辐合线的位置和辐合强度直接影响雷暴的触发和组织 11 时随着两条边界层辐合线的合并, 南风与北风形成显著的辐合区, 散度中心为 -35 10-6 s -1,13 时以后辐合线附近逐渐有对流生成, 14 时辐合线附近的偏南风由 11 时的 2m s -1 增至 4m s -1 ( 图 3b,3c), 辐合线北侧东北风由 1~ 2m s -1 增至 4~8m s -1, 辐合区形成清晰的出流边界, 东北风出流达 14m s -1, 散度增至 -45 10-6 s -1 随着降水区的扩展, 辐合带向南伸展, 可以看作是出流边界向南移动和发展, 强降水存在于出流边界后侧 VDRAS 资料显示 :14:18 对流触发后 ( 图 6d), 偏北风出流达到 12m s -1, 西侧偏东风
第 １０ 期 孙密娜等 华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究 图 ６ ２０１６ 年 ７ 月 ２４ 日 １１ １８ ｂ １４ １８ ｄ 和 １６ １８ ＶＤＲＡＳ 资料 ２００ｍ 高度 ＣＡＰＥ 实线 单位 Ｊ ｋｇ １ 风场 风羽 单位 ｍ ｓ １ 和扰动温度 填色 单位 ｂ ｄ ６ ＴｈＣＡＰＥ ｓ ｄ ｎ ｕｎ Ｊ ｋｇ １ ｗ ｎｄ ｂ ｄ ｂ ｂ ｕｎ ｍ ｓ １ ｎｄ ｍｐ ｕ ｄ ｓ ｕ ｂｎ ｓｈｄｄ ｕｎ ２００ｍｈ ｍ ＶＤＲＡＳ ｇｈ １８ＢＴ ｂ １４ １８ＢＴ ｄ ｎｄ１６ １８ＢＴ ２４Ｊｕ ｄ １１ ｙ２０１６ 图 ７ ２０１６ 年 ７ 月 ２４ 日 １３ ３０ １５ ００ 天津雷达组合反射率因子和风暴追踪信息 ７ Ｔ ｎ ｎ ｄ ｍｐ ｓ ｖ ｍ ｋ ｎｇ ｎ ｍ ｎ ｎ１３ ３０ １５ ００ＢＴ２４Ｊｕ ｊ ｙｎｄｓ ｙ２０１６ １２６３
气 １２６４ 象 第 ４４ 卷 图 ８ ２０１６ 年 ７ 月 ２４ 日 １４ ５４ 沧州雷达组合反射率因子 单位 ｄｂｚ 和沿图 中 ＡＢ 的剖面 ｂ 以及 １４ ４２０ ５ 径向速度 单位 ｍ ｓ １ 和沿图 中 ＣＤ 的剖面 ｄ ８ Ｃｎｇ ｚｈｕｒｄ ｍｐ ｓ ｖ ｕｎ ｄｂｚ ｎｄｐ ｎｇａｂ ｎ ８ ｂ １４ ５４ＢＴ ｙ ０ ５ ｖ ｕｎ ｍ ｓ １ ｎｄｐ ｎｇｃｄ ｎ ８ ｄ １４ ４２ＢＴ２４Ｊｕ ｙ ｙ２０１６ 出流维持在 ６ ８ ｍ ｓ １ １６ １８ 偏 北 风 和 偏 南 风 向南向西扩展 图 ６ 风 速 分 别 增 大 到 １６ １０ ｍ ｓ １ 强的出流与环境风的汇合区与观测 的辐 合带 位 置基本一致 可见光云图上 １４ １５ 时 在 辐 合 线 附 近 零 散 分 布 的 单 体 逐 渐 发 展 为 ＭＣＳ 形 成 椭 圆 形 云 带 图 ５ 主轴 方 向 为 东 西 向 与 辐 合 线 走 向 一 致 随 体在辐合线附 近 生 成 发 展 增 强 为 ＭＣＳ 产 生 清 晰 的出流边界 其南侧是显著的暖湿区 而其北侧是降 水导致的冷区 在出流边界和低层偏南风的相互作 用下 ＭＣＳ 南侧不断有积云新生 风暴向 南传 播 同 时不断有对流单体 沿 地 面 辐 合 线 向 西 发 展 即 风 暴 向西传播 因此 风暴传播方向分为向西和向南两个 方向 着 ＭＣＳ 的 发 展 １６ ３６ 出 现 了 清 晰 的 出 流 云 线 图 ５ ｊ 地面辐合带位于 ＭＣＳ 的西侧和南侧 图３ｄ 是由偏南风和 ＭＣＳ 传 播 前 沿 的 出 流 边 界 进 一 步 增 强所导致的 而存 在 出 流 边 界 是 ＭＣＳ 出 现 列 车 效 应 或后向传 播 特 征 的 主 要 动 力 特 征 之 一 Ｄｓｗ ｈ ｎｄｊ ｈｎｓ ｎ ２００５ Ｉ Ｉ Ｉ １９９６ Ｓｈｕｍ 由静海风廓线 可 见 图 ９ ３ ０ ４ ５ｋｍ 的 西 南风在 １３ ３０ 以后 显 著 增 大 由 ０８ 时 小 于 １０ ｍ ｓ １ 增至 １６ ｍ ｓ １ 以 上 形 成 西 南 风 急 流 低 空 １ｋｍ 以下 偏 东 风 也 显 著 增 强 １５ ４８ 达 到 １０ ｍ ｓ １ 以上 在增加 水 汽 输 送 的 同 时 ０ ５ｋｍ 垂 直 风 １ １ 切变由小于 ２ｍ ｓ ｋｍ 显著 增至 ４ ２ ｍ ｓ １ ｋｍ 以上 有利于有组织风暴的形成 图 １０ 给出了低层热力和动力概念模型 对流单 １ 图 ９ ２０１６ 年 ７ 月 ２４ 日静海风廓线 单位 ｍ ｓ １ ９Ｔｈ ｄ ｗ ｎｄｐ Ｊ ｎｇｈ ｎ２４ｊｕ ｕｎ ｍ ｓ １ ｙ２０１６
第 １０ 期 孙密娜等 华北一次暖区暴雨雷暴触发及传播机制研究 １２６５ ５ 结论与讨论 １ 本次过 程 发 生 在 副 高 加 强 北 上 过 程 中 是 副高 ５８８ｄｇｐｍ 线 控 制 下 的 暖 区 暴 雨 邢 台 探 空 较北京探空距离暴雨区更远 但对于副高西北侧西南 气流影响下的暖区暴雨 位于暴雨区西南的邢台探空 更具参考价值 邢台站 ２４ 日 １１ 时 的订 正 探空 显示 大气层结极不稳定 低层水汽 异常 充沛且 湿层 深厚 图 １０ 低层热力和动力概念模型 ２０１６ 年 ７ 月 ２４ 日 １５ １２ＶＤＲＡＳ 分析的 ２００ｍ 高度温度距平 等值线 单位 和风 风羽 单位 ｍ ｓ １ 沧州多普勒天气雷达组合反射率 因子 填色 单位 ｄｂｚ ＣＡＰＥ 值 达 ３８７４Ｊ ｋｇ １ Ｃ ＩＮ 仅 为 ２２Ｊ ｋｇ １ ８ｇ ｋｇ １ 比湿达 ６００ｈＰ 地面露 点出 现 接 近 ３０ 的极端高值 基于构成要素的预报思路分析表明此 次过程具备雷暴形成三要素 加之高湿的水汽条件 边界层辐合线和中尺度锋生的组织作用因而产生了 局地大暴雨 Ｔｈ２００ｍｈ ｍｐ ｕ ｎｍ ｓ ｎ ｕ ｇｈ ２ 数值模式和基于流型识别 的传统 潜势 预报 经验对于有明显的大尺度系统强迫的大范围暴雨过 ｕｎ ｎｄ狌狏 ｂ ｂ ｕｎ ｍ ｓ １ ｄ 程有较强的预报能 力 而 对 于 大 尺 度 系 统 强 迫 不 明 ｓｈｄｄ ｕｎ ｄｂｚ ｍｐ ｓ ｖ ｙ 显的暖区由对流造成的短时强降水流型识别法和数 １５ １２ＢＴ２４Ｊｕ ｙ２０１６ 值模式都常漏报 边 界 层 系 统 是 最 为 关 键 因 素 其 １０ Ｔｈ ｗ ｖ ｈ ｍ ｄｙｎｍ ｎ ｐ ｎｍｄ 在何时何地能抬升 触 发 雷 暴 取 决 于 抬 升 强 弱 更 多 ４ ３ ３ 冷池出流与环境相互作用 此次降水属于槽前暖区 降 水 １１ 时 天 津 南 部 温 依靠短临监测 暖区暴雨宜基于构成要素的预报思 度为 ３４ 以上 在偏南风的作 用 下 为 降 水 提 供 了 充 尺度系统演变及卫 星 雷 达 监 测 的 不 稳 定 及 对 流 如 沛的 暖 湿 空 气 对 流 触 发 后 根 据 １４ 时 地 面 观 测 雷暴中心的温度为 ２７ ２８ 左右 外围温度为 ３５ ２４ 日在对流触发前辐合线合并 卫 星 可 见 光 图 上 辐 合线附近的小积云发展及其南侧的云街等 ３６ 温差接近 ８ 图 ３ １６ 时 雷 暴 中 心 的 温 度 下降至 ２４ ２５ 与 外 围 的 温 差 接 近 １１ 形 成 雷 ３ 雷暴在 辐 合 线 附 近 被 触 发 后 辐 合 线 西 段 不断触发新的对流 单 体 加 之 辐 合 线 南 侧 的 云 街 与 暴高压 中心为 １００６ｈＰ 图 略 气 压 梯 度 力 增 强 辐合线相遇使对流 风 暴 向 南 发 展 即 传 播 方 向 西 偏 使天 津 南 部 和 西 部 分 别 出 现 了 １６ １０ ｍ ｓ １ 的 偏 南 对流单体在西南 引 导 气 流 作 用 下 向 东 略 偏 北 方 北风和偏东风 图 ３ｄ 向移动 移 速 缓 慢 约 １０ｋｍ ｈ １ 因 而 有 多 个 单 ＶＤＲＡＳ 资 料 显 示 １４ １８ 雷 暴 区 形 成 冷 池 图 ６ｄ 冷中心形成 ６ 扰 动 温 度 区 １６ １８ 冷 池 体影响一个地区而 产 生 强 降 水 即 列 车 效 应 另 的范围明显扩大 图 ６ 扰 动 温 度 异 常 中 心 下 降 至 影响区域普遍出现了 ５ ６ 级阵风 在极不稳定的层 １２ 根据前文分 析 低 层 冷 暖 空 气 的 交 汇 区 就 是前文的出流边界 所 在 位 置 出 流 冷 空 气 与 环 境 暖 结条件下 对流风暴 的 阵 风 出 流 再 次 触 发 雷 暴 而 使 湿空气在这里交汇 增加了低层的不稳定结 构 有利 于 ＭＣＳ 的 发 展 和 强 降 水 的 持 续 １４ １８ 冷 池 内 的 ＣＡＰＥ 值由 １１ １８ 的 １０００Ｊ ｋｇ １ 降至 ６００Ｊ ｋｇ １ 以下 而 冷 池 西 侧 和 南 侧 ＣＡＰＥ 值 仍 然 维 持 １２００ Ｊ ｋｇ １ 以上 图 ６ 因 此 可 以 近 似 判 断 热 力 不 稳 定区位于 ＭＣＳ 的西侧和 南 侧 为 ＭＣＳ 的 新 生 和 传 播提供了良好的热力条件 路综合分析实况资 料 重 点 关 注 边 界 层 辐 合 线 等 中 外对流风暴产生了 比 较 明 显 的 阵 风 出 流 对 流 风 暴 得对流风暴持续较长时间 参考文献 陈明轩 王迎春 肖现 等 ２０１３ 北京 ７ ２１ 暴雨雨团的发生和传播 机理 Ｊ 气象学报 ７１ ４ ５６９ ５９２ 谌芸 孙军 徐 臖 等 ２０１２ 北 京 ７２１ 特 大 暴 雨 极 端 性 分 析 及 思 考 一 观测分析及思考 Ｊ 气象 ３８ １０ １２５５ １２６６ 何立富 陈涛 孔期 ２０１６ 华 南 暖 区 暴 雨 研 究 进 展 Ｊ 应 用 气 象 学 报 ２７ ５ ５５９ ５６９
1266 气象第 44 卷 何群英, 孙一昕, 刘一玮, 等,2012. 7.25 天津持续性局地大暴雨初步分析 [J]. 暴雨灾害,31(3):226 231. 姜晓曼, 袁慧玲, 薛明, 等,2014. 北京 7.21 特大暴雨高分辨率模式分析场及预报分析 [J]. 气象学报,72(2):207 219. 孔凡超, 赵庆海, 李江波,2016.2013 年 7 月冀中特大暴雨的中尺度系统特征和环境条件分析 [J]. 气象,42(5):578 588. 李俊, 杜钧, 刘羽,2015. 北京 7.21 特大暴雨不同集合预报方案的对比试验 [J]. 气象学报,73(1):50 71. 廖晓农, 倪允琪, 何娜, 等,2013. 导致 7.21 特大暴雨过程中水汽异常充沛的天气尺度动力过程分析研究 [J]. 气象学报,71(6): 997 1011. 卢焕珍, 张楠, 刘一玮,2015. 天津一次局地大暴雨中尺度对流系统组织化特征与成因 [J]. 暴雨灾害,34(1):17 26. 桑建国,1997. 大气对流边界层中的涡漩结构 [J]. 气象学报,55(3): 285 296. 桑建国, 王保民, 孙向明,2002. 对流云街激发的重力波和波动阻力 [J]. 气候与环境研究,7(1):114 120. 孙继松, 何娜, 郭锐, 等,2013. 多单体雷暴的形变与列车效应传播机制 [J]. 大气科学,37(1):137 148. 孙继松, 雷蕾, 于波, 等,2015. 近 10 年北京地区极端暴雨事件的基本特征 [J]. 气象学报,73(4):609 623. 孙建华, 赵思雄, 傅慎明, 等,2013.2012 年 7 月 21 日北京特大暴雨的多尺度特征 [J]. 大气科学,37(3):705 718. 孙军, 谌芸, 杨舒楠, 等,2012. 北京 721 特大暴雨极端性分析及思考 ( 二 ) 极端性降水成因初探及思考 [J]. 气象,38(10):1267 1277. 王福侠, 俞小鼎, 王宗敏, 等,2014. 河北暴雨的多普勒天气雷达径向速度特征 [J]. 气象,40(2):206 215. 王彦, 于莉莉, 李艳伟, 等,2011. 边界层辐合线对强对流系统形成和发展的作用 [J]. 应用气象学报,22(6):724 731. 徐臖, 杨舒楠, 孙军, 等,2014. 北方一次暖区大暴雨强降水成因探讨 [J]. 气象,40(12):1455 1463. 易笑园, 李泽椿, 姚学祥, 等,2011. 一个锢囚状中尺度对流系统的多尺度结构分析 [J]. 气象学报,69(2):249 262. 俞小鼎,2011. 基于构成要素的预报方法 配料法 [J]. 气象,37 (8):913 918. 俞小鼎,2012.2012 年 7 月 21 日北京特大暴雨成因分析 [J]. 气象, 38(11):1313 1329. 俞小鼎,2013. 短时强降水临近预报的思路与方法 [J]. 暴雨灾害,32 (3):202 209. 俞小鼎, 周小刚, 王秀明,2012. 雷暴与强对流临近天气预报技术进展 [J]. 气象学报,70(3):311 337. 张大林,1998. 各种非绝热物理过程在中尺度模式中的作用 [J]. 大气科学,22(4):548 561. 赵思雄, 周晓平,1984. 风场在预报暴雨发生中的作用 1975 年 8 月上旬特大暴雨的数值实验 [J]. 大气科学,8(1):1 6. CarboneRE,TutleJD,Ahijevych D A,etal,2002.Inferencesof predictabilityassociatedwithwarmseasonprecipitationepisodes [J].JAtmosSci,59(13):2033 2056. CorfidiSF,MeritJH,FritschJM,1996.Predictingthemovement ofmesoscaleconvectivecomplexes[j].weaforecasting,11(1): 41 46. Doswel ICA,BrooksH E,MaddoxR A,1996.Flashfloodfore casting:aningredients basedmethodology[j].weaforecasting, 11(4):560 581. SchumacherRS,JohnsonR H,2005.Organizationandenvironmen talpropertiesofextreme rain producing mesoscaleconvective systems[j].mon WeaRev,133(4):961 976. WilsonJW,MegenhardtDL,1997.Thunderstorminitiation,organi zation,andlifetimeassociatedwithfloridaboundarylayercon vergencelines[j].mon WeaRev,125(7):1507 1525. WilsonJW,MuelerCK,1993.Nowcastsofthunderstorminitiation andevolution[j].weaforecasting,8(1):113 131.