LAPS分析場在一次強(qiáng)對流天氣過程尺度分析中的應(yīng)用

0 引言

中尺度對流性天氣包括暴雨、雷暴、冰雹、大風(fēng)、龍卷、下?lián)舯┝鞯龋鼈兛臻g尺度為幾千米至幾百千米、時(shí)間尺度僅為幾小時(shí)到十幾小時(shí)，且突發(fā)性、局地性強(qiáng)，常對人民的生命財(cái)產(chǎn)乃至國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的危害(黃永明和倪允琪，2005;池再香等，2007)，對傳統(tǒng)預(yù)報(bào)分析模式的時(shí)空精度是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。近年來，雷達(dá)、自動站、風(fēng)廓線和加密探空等資料的不斷應(yīng)用，在時(shí)空精度上填補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測手段的不足，為中尺度對流天氣發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究打下了基礎(chǔ)。莊薇等(2010)認(rèn)為自動站、多普勒雷達(dá)及其反演的風(fēng)場很好地揭示了颮線發(fā)生、發(fā)展、爆發(fā)過程及其回波和風(fēng)場的空間結(jié)構(gòu)特征。漆梁波等(2006)用多普勒雷達(dá)、自動站及風(fēng)廓線資料研究了颮線發(fā)展過程中回波、風(fēng)場的空間結(jié)構(gòu)。廖曉農(nóng)等(2008)認(rèn)為基于探空資料計(jì)算得出的大氣穩(wěn)定度參數(shù)等，在冰雹成因分析中具有較好的效果。朱興明等(2010)發(fā)現(xiàn)地閃資料、雷達(dá)回波和逐小時(shí)的FY-2C紅外亮溫資料分別對不同生命史長度的對流活動有較好的反映。近年來，融合多種探測資料特別是中尺度探測資料的分析場，比單一的探測資料更客觀真實(shí)，在天氣形勢、降水分析、物理量診斷等方面顯現(xiàn)出越來越明顯的優(yōu)勢(周后福等，2010)。能融合多種中尺度觀測資料的局地分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)LAPS(local analysis and prediction system)分析場資料，時(shí)間分辨率1 h，空間分辨率3 km，能彌補(bǔ)全球和區(qū)域模式在時(shí)空分辨率上的不足(韓榮青等，2004;黃剛，2006;陳德輝等，2008)，對強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的診斷和預(yù)報(bào)具有積極作用。

本文首先對2010年8月25日上海強(qiáng)對流天氣過程發(fā)生前的天氣尺度背景條件進(jìn)行概述，并對所使用的LAPS中尺度分析場資料進(jìn)行檢驗(yàn)，重點(diǎn)利用LAPS多種觀測資料融合結(jié)果，對此次強(qiáng)對流天氣進(jìn)行動力、水汽和熱力條件的分析，闡述了風(fēng)暴發(fā)展不同階段的結(jié)構(gòu)特征。

1 強(qiáng)對流天氣過程概述及前期天氣背景條件

1.1 強(qiáng)對流天氣實(shí)況

2010年8月25日中午至傍晚，上海部分地區(qū)出現(xiàn)了冰雹、雷雨大風(fēng)及短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣。其中短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在寶山、浦東北部、市區(qū)、閔行及松江等地，13:00—16:00(北京時(shí)間，下同)3 h累積雨量最大為浦東防汛前線83.2 mm，另有多個(gè)站出現(xiàn)了1 h雨量大于50 mm的暴雨，閔行觀測站14:48觀測到最大直徑為15 mm的冰雹，雷雨大風(fēng)主要出現(xiàn)在崇明、寶山、嘉定、浦東北部及市區(qū)北部，以寶山吳淞口28.4 m/s為最大(圖1)。

1.2 天氣尺度環(huán)流背景

2010年8月25日08時(shí)，200 hPa高度上海處于南亞高壓東側(cè)脊線附近，即高空是一個(gè)輻散區(qū)(圖略)。25日08時(shí)(圖2)，500 hPa河套至秦嶺有一短波槽，急流軸位于黃河與長江之間，位置相對于上海較為偏北，上海位于副高脊線北側(cè)，受副高控制。850 hPa槽線南側(cè)江蘇中部至安徽中南部存在一條西南急流，該急流與上海附近的偏南氣流形成反氣旋式切變。925 hPa上，黃海海域存在一個(gè)低壓中心，江蘇北部至安徽中部有一條較為顯著的切變，與其相對應(yīng)的地面靜止鋒橫跨江蘇南部、安徽南部，上海位于靜止鋒的南側(cè)，從風(fēng)場上看沒有明顯的輻合或切變。大尺度環(huán)流背景預(yù)示上海有發(fā)生雷陣雨天氣的可能，但強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的條件尚不充分。

圖1 2010年8月25日14:00—17:00上海3 h最大陣風(fēng)分布(a;單位:m/s)和雨量分布(b;單位:mm)Fig.1 The 3-hour(a)gust extreme distribution(m/s)and(b)rainfall distribution(mm)in Shanghai from 14:00 BST to 17:00 BST on August 25，2010

圖2 2010年8月25日08:00天氣尺度分析圖(棕色粗實(shí)線為不同高度場的槽線，線上數(shù)字表示該槽線所在高度;藍(lán)色箭頭為500 hPa顯著流線;藍(lán)色粗點(diǎn)劃線為500 hPa副高脊線;棕色箭頭為700 hPa顯著流線;紅色雙實(shí)線為700 hPa切變線;灰色雙實(shí)線為925 hPa切變線)Fig.2 The synoptic situation of Micaps data at 08:00 BST on August 25，2010 in East China(Thick brown contour lines denote the trough lines and the numbers marked on them denote their heights;blue arrow indicates 500 hPa significant streamlines;thick blue chain dotted line indicates 500 hPa subtropical high ridge line;brown arrow denotes 700 hPa significant streamlines;red double contour line denotes 700 hPa shear line;gray double contour line indicates 925 hPa shear line)

寶山探空站25日08:00的資料(圖略)顯示，風(fēng)速的垂直切邊并不明顯，500 hPa以下各層風(fēng)速穩(wěn)定在4 m/s左右，而切變風(fēng)暴(颮線、雹暴等)的環(huán)境垂直風(fēng)切變范圍是4.5×10－3～8.0×10－3s－1(陸漢城，2004)。云體低層環(huán)境風(fēng)不強(qiáng)，850 hPa風(fēng)速只有4 m/s。從地面到200 hPa，風(fēng)向隨高度順時(shí)針轉(zhuǎn)動，偏轉(zhuǎn)方向有序，亦有利于切變風(fēng)暴的形成(莊薇等，2010)。對流有效位能(convective available potential energy，CAPE)不大，約為1 632 J/kg，沙氏指數(shù)和K指數(shù)也較小。因此，若僅以上述常用指數(shù)分析，并不易看出25日中午到傍晚有強(qiáng)對流發(fā)生的潛勢。其主要原因在于基準(zhǔn)探空站的時(shí)間分辨率不高(時(shí)間間隔為12 h)，而大氣對流穩(wěn)定度的時(shí)空變化迅速，因此需要具有高時(shí)空分辨率的資料進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2 局地分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)及資料融合檢驗(yàn)

2.1 局地分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)

由美國國家海洋大氣管理局下屬的ESRL(Earth System Research Laboratory)研究開發(fā)的LAPS(local analysis and prediction system)，是一種具有變分同化功能的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，其基礎(chǔ)算法是在背景場基礎(chǔ)上采用距離權(quán)重插值得到網(wǎng)格點(diǎn)值，然后對氣溫、氣壓、風(fēng)的關(guān)系采用三維變分進(jìn)行約束，對垂直水汽分布采用一維變分進(jìn)行約束等。由于其變分分析只在少數(shù)幾個(gè)要素間進(jìn)行，計(jì)算量得到有效控制;通過調(diào)整權(quán)重等參數(shù)，可使分析場與觀測實(shí)況非常接近(高華等，2010)。

LAPS的開發(fā)始于20世紀(jì)90年代，發(fā)展至今已有十多年。Albers(1995)、Albers et al.(1996)和Birkenheuer(1999)認(rèn)為LAPS的云分析、溫度分析、風(fēng)分析等分析結(jié)果效果較好，可以為臨近預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)的大氣狀況場，還能作為局地中尺度預(yù)報(bào)模式的初始化機(jī)制。國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)LAPS北京、武漢、上海的本地化，并開始嘗試將LAPS應(yīng)用于中尺度對流性天氣系統(tǒng)的分析和診斷研究(李紅莉等，2008，2009;高華等，2009)，同時(shí)與目前流行的其他資料融合系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用潛力的對比(高華等，2010)。LAPS分析場產(chǎn)品的應(yīng)用，不僅能提高多種資料的綜合應(yīng)用，還有助于分析中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的機(jī)理，提高天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效和準(zhǔn)確率。

2.2 研究區(qū)域和資料選取

針對2010年8月25日上海強(qiáng)對流天氣過程，選取的LAPS輸出區(qū)域?yàn)殚L三角區(qū)域，在117.7～124.3°E、28.6～33.7°N范圍以內(nèi)，格點(diǎn)數(shù)201×201，垂直方向?yàn)?1層。LAPS采用15 km分辨率的WRF區(qū)域數(shù)值模式建立背景場，生成時(shí)間分辨率為1 h、空間分辨率為3 km的分析場。

LAPS分析場所融合的數(shù)據(jù)具體有:1)常規(guī)地面觀測和高密度自動站探測資料。長三角區(qū)域內(nèi)約140個(gè)常規(guī)觀測站，以及約1 500個(gè)自動站的觀測資料。2)探空資料。區(qū)域范圍內(nèi)的7個(gè)探空站，分別在上海、南京、杭州、衢縣、洪家、安慶和射陽。3)風(fēng)廓線資料。上海青浦區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)逐30 min資料。4)雷達(dá)資料。區(qū)域范圍內(nèi)的6部多普勒天氣雷達(dá)，分別在青浦、南匯、南京、杭州、寧波、南通。5)風(fēng)云衛(wèi)星資料。風(fēng)云二號E星的紅外亮溫、紅外分裂窗亮溫、水汽亮溫、中紅外亮溫和可見光反射率五個(gè)通道的資料。

2.3 LAPS分析場與觀測實(shí)況對比檢驗(yàn)

將8月25日LAPS輸出的雷達(dá)回波產(chǎn)品與對應(yīng)時(shí)刻、高度的上海地區(qū)雷達(dá)拼圖進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)LAPS融合雷達(dá)資料的效果。15:00，實(shí)況觀測資料顯示，在中低空1.5 km高度處(圖3a)，有兩個(gè)回波高值區(qū)分別位于嘉定—寶山以及閔行南部，中心強(qiáng)度分別高達(dá)50 dBZ和55 dBZ，并發(fā)展至12 km的高空(圖3b);相應(yīng)時(shí)刻LAPS的850 hPa(約1.5 km)和200 hPa(約12 km)高度場也分別在相應(yīng)位置存在強(qiáng)度相同的強(qiáng)回波中心(圖3c、3d)，說明LAPS分析場雷達(dá)回波能夠反映真實(shí)回波情況，是可信的。

將LAPS地面水平風(fēng)場產(chǎn)品與對應(yīng)時(shí)刻、高度的自動站實(shí)況進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)LAPS風(fēng)場的質(zhì)量。從25日11:00的自動站實(shí)況可以看到長江口附近、崇明西側(cè)存在一個(gè)西北風(fēng)與西南風(fēng)的弱切變，而LAPS對應(yīng)時(shí)刻的地面風(fēng)場中也存在西北氣流與西南氣流的弱切變，位置與實(shí)況相比略偏北(圖略)。14:00的自動站實(shí)況圖上，隨著啟東北部沿海東北氣流不斷向陸地輸送，同時(shí)太湖附近偏西氣流增強(qiáng)，上一時(shí)次的弱切變得到維持和發(fā)展(圖4a)，而LAPS風(fēng)場中也有較為明顯的氣旋式氣流輻合在崇明西側(cè)發(fā)展(圖4b)，與實(shí)況較為一致，說明LAPS風(fēng)場質(zhì)量隨著風(fēng)速的增大而提高。因此在流場擾動較為明顯的情況下，LAPS資料對實(shí)況的反映更為真實(shí)。

圖3 2010年8月25日15:00的上海WSR-88D雷達(dá)1.5 km高度(a)和12 km高度(b)反射率實(shí)況觀測場和LAPS輸出850 hPa(c)、200 hPa(d)雷達(dá)反射率因子場(單位:dBZ)Fig.3 The(a)1.5 km and(b)12 km radar reflectivity of Shanghai WSR-88D radar，and the(c)850 hPa and(d)200 hPa radar reflectivity analysis field by LAPS at 15:00 BST on August 25，2010(units:dBZ)

圖4 2010年8月25日地面風(fēng)場(單位:m/s;粗虛線表示地面切變線)a.14:00地面自動氣象站觀測實(shí)況;b.14:00LAPS輸出地面風(fēng)場Fig.4 Surface wind field(units:m/s)on August 25，2010(thick dash line denotes surface shear line)a.AWS observation of Micaps data at 14:00 BST;b.analysis field at 14:00 BST by LAPS

3 強(qiáng)對流天氣過程的中尺度特征

3.1 回波及風(fēng)場三維結(jié)構(gòu)

3.1.1 風(fēng)暴單體水平風(fēng)場和回波結(jié)構(gòu)

主要分析A、B兩個(gè)風(fēng)暴的動力結(jié)構(gòu)。25日14:00，850 hPa(圖5a)浦東中部有西南氣流與偏南氣流的輻合，并與閔行中南部的輻合運(yùn)動連接，該輻合線中部生成單體A1，最大回波強(qiáng)度超過50 dBZ。而A1的西南方向有西風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，有產(chǎn)生新生單體并與A1合并的可能，故風(fēng)暴影響區(qū)域有向西南方向擴(kuò)大的趨勢。輻合線北端的單體B1東側(cè)有較強(qiáng)的東南風(fēng)，因此B1有向西擴(kuò)大趨勢。上述輻合線從850 hPa(圖5a)延伸至500 hPa(圖5b)，并隨高度的增加及北側(cè)偏西氣流的增強(qiáng)，其北端由南—北走向逐漸轉(zhuǎn)為東北—西南走向。單體A1強(qiáng)回波(45 dBZ)高度超過500 hPa(約6 km)(圖5b)。

15:00左右，上海中東部地區(qū)東南偏南氣流較前一時(shí)次顯著加強(qiáng)，而前一時(shí)次位于浦東—閔行一線的輻合線分裂成南、北兩部分。南段向西南發(fā)展，其上新生單體陸續(xù)與A1發(fā)生合并加強(qiáng)(圖略)，在閔行南部發(fā)展為雹云單體A，其強(qiáng)回波(40 dBZ)發(fā)展至200 hPa(圖5f)。北段向西北移動與嘉定、寶山附近的新生輻合線合并，同時(shí)在其兩側(cè)觸發(fā)新對流單體;新生單體與向西發(fā)展的單體B1合并加強(qiáng)為B(圖5d、e)。由于這段輻合線較為深厚，延伸至500 hPa，因此單體B的強(qiáng)回波高度在15:00也超過了500 hPa(圖5e)。

3.1.2 風(fēng)暴單體垂直結(jié)構(gòu)特征

圖6a、b分別為15:00、16:00沿圖5e中直線ab(31.4°N緯線)方向風(fēng)暴B的垂直剖面(垂直風(fēng)場為根據(jù)實(shí)際風(fēng)場計(jì)算得的風(fēng)暴相對速度場，剔除了風(fēng)暴移動速度的影響，下同)。

從風(fēng)暴成熟階段垂直剖面(圖6a)可見，強(qiáng)回波區(qū)向下基本接地，向上則已發(fā)展至350 hPa附近。在對流單體底層，東南風(fēng)與西北風(fēng)在單體西側(cè)約121°E發(fā)生輻合，兩支氣流交匯處形成略向東傾斜的上升氣流，上升運(yùn)動從近地面延伸至200 hPa以上。上升氣流區(qū)東側(cè)氣流在強(qiáng)回波區(qū)中上部約400 hPa開始，逐漸轉(zhuǎn)為偏西氣流，并在降水粒子的拖曳作用下在單體東側(cè)形成下沉。上升氣流與下沉氣流在垂直面上構(gòu)成一個(gè)比較完整的、中心位于強(qiáng)回波區(qū)中上部約450 hPa處的中尺度環(huán)流系統(tǒng)。

16:00風(fēng)暴進(jìn)入消散階段(圖6b、c)，前一時(shí)次位于強(qiáng)回波區(qū)中部的環(huán)流中心依然維持，但回波幾乎已徹底消散。底層仍存在東南風(fēng)與西北風(fēng)的輻合，在垂直環(huán)流西側(cè)形成向東傾斜的上升氣流，但上升高度較前一時(shí)刻明顯降低，東側(cè)最高約到達(dá)300 hPa，西側(cè)在約550 hPa處即轉(zhuǎn)為偏西氣流，中高層主要受偏西氣流控制。

圖7為單體A分別沿不同方向的垂直剖面圖，圖7a和圖7b為沿圖5e中直線cd(31.05°N緯線)方向垂直剖面圖，圖7c和圖7d為沿圖5e中直線ef(121.4°E經(jīng)線)方向垂直剖面圖。兩組剖面圖恰好能分析不同發(fā)展階段風(fēng)暴單體的空間結(jié)構(gòu)。

圖5 2010年8月25日14:00 850 hPa(a)、500 hPa(b)、200 hPa(c)及15:00 850 hPa(d)、500 hPa(e)、200 hPa(f)的LAPS水平風(fēng)場(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(單位:dBZ)(a、d中的粗黑線表示對應(yīng)高度的輻合線;e中黑實(shí)線為垂直剖面圖位置示意)Fig.5 The horizontal wind field(arrow;units:m/s)and horizontal radar reflectivity(shaded;units:dBZ)analysis field by LAPS at(a)850 hPa，(b)500 hPa and(c)200 hPa at 14:00 BST，and at(d)850 hPa，(e)500 hPa and(f)200 hPa at 15:00 BST(thick black contour lines in a and d denote convergence lines;thick black contour lines in e denote the vertical cross-section fields)

圖6 2010年8月25日15:00(a)和16:00(b)沿直線ab剖面的LAPS風(fēng)暴相對速度場(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(單位:dBZ)，以及16:00 850 hPa LAPS水平風(fēng)場(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(單位:dBZ)(c)(粗黑虛線箭頭表示上升氣流;粗黑實(shí)線箭頭表示下沉氣流)Fig.6 The vertical cross-sections of the storm relative flow field(arrow;units:m/s)and radar reflectivity(shaded;units:dBZ)along ab at(a)15:00 BST and(b)16:00 BST，and(c)the horizontal wind(arrow;units:m/s)and horizontal radar reflectivity(shaded;units:dBZ)analysis field by LAPS at 850 hPa at 16:00 BST(Thick black dash arrows denote the updraft，and thick black solid arrows denote downdraft in a and b)

由圖7a可見，單體A底層存在東南風(fēng)與偏西風(fēng)的輻合，并在單體東側(cè)121.6°E附近形成略向西傾斜的上升氣流;900 hPa至350 hPa的偏東風(fēng)在單體內(nèi)部也轉(zhuǎn)為斜升(向西傾斜)氣流;單體內(nèi)的垂直風(fēng)速變化很大，850 hPa附近約為5 m/s，而中高層400 hPa以上達(dá)到近20 m/s;整個(gè)風(fēng)暴回波處于較均一的斜升氣流控制之中，僅在回波西側(cè)約121.2°E附近、中層500～300 hPa處有弱的下沉波動，完整的垂直環(huán)流尚未建立。強(qiáng)烈的斜升氣流為雹粒的增長提供持續(xù)的上升運(yùn)動機(jī)制和水汽供應(yīng)通道。強(qiáng)回波在對流云中部，最大強(qiáng)度超過50 dBZ。同時(shí)刻圖7c中，風(fēng)暴單體處于風(fēng)向較均一的斜升氣流環(huán)境中。圖7e給出了14:00閔行風(fēng)暴單體附近區(qū)域各物理量平均的垂直分布情況。從相對渦度的分布看，450 hPa以下是正渦度區(qū)，其中600～1 000 hPa為相對大值區(qū)，最大值超過3×10－4s－1(900 hPa)，對應(yīng)氣旋性渦旋環(huán)流的生成;450～200 hPa的渦度為負(fù)值，且絕對值隨著高度的增加亦呈現(xiàn)增加的趨勢，200 hPa高度處超過了－5×10－4s－1，說明中高空反氣旋性環(huán)流較強(qiáng)。從散度分布看，整個(gè)渦旋環(huán)流(即450 hPa以下)全部處于輻合區(qū)，最強(qiáng)輻合區(qū)位于900 hPa，與最大正渦度層一致。中層500 hPa左右仍為較弱的輻合區(qū)，至300 hPa起轉(zhuǎn)為輻散區(qū)，強(qiáng)度隨高度增加而增大，表明高層出流明顯，上升氣流的抽吸作用已較強(qiáng)烈，使低層氣旋性渦旋進(jìn)一步加強(qiáng)。渦度與散度的分析結(jié)果與前述風(fēng)場分析結(jié)果基本一致，風(fēng)暴正處在中尺度對流渦旋形成階段，環(huán)境場條件有利于風(fēng)暴的進(jìn)一步發(fā)展。

圖7 2010年8月25日14:00(a)、15:00(b)沿直線cd剖面的LAPS風(fēng)暴相對速度場(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(單位:dBZ);14:00(c)、15:00(d)沿直線ef剖面的LAPS風(fēng)暴相對速度場(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(單位:dBZ);14:00(e)、15:00(f)風(fēng)暴中心附近0.1°×0.3°區(qū)域的LAPS平均渦度(單位:10－4s－1)、散度(單位:10－4s－1)、垂直速度(單位:0.5 Pa/s)分布(粗黑虛箭頭表示上升氣流;粗黑實(shí)箭頭表示下沉氣流;d中600 hPa處空白方塊為觀測數(shù)據(jù)缺失所致)Fig.7 The vertical cross-sections of the storm relative flow field(m/s)and radar reflectivity(dBZ)along cd at(a)14:00 BST and(b)15:00 BST;The vertical cross-sections of the storm relative flow field(m/s)and radar reflectivity(dBZ)along ef at(c)14:00 BST and(d)15:00 BST;The area-averaged(31.0—31.1°N，121.5—121.7°E)vorticity(10－4s－1)，divergence(10－4s－1)，vertical velocity(0.5 Pa/s)near the storm center at(e)14:00 BST and(f)15:00 BST(thick black dash arrows denote the updraft，while thick black solid arrows denote downdraft;white square at 600 hPa layer in d is caused by lack of observation data)

由圖7b、d可見，風(fēng)暴單體由前一時(shí)刻的偏東西向發(fā)展轉(zhuǎn)為偏南北向發(fā)展。雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)已經(jīng)及地，地面強(qiáng)回波中心值大于50 dBZ，位于121.4°E、31.05°N附近;大于45 dBZ的回波達(dá)到250 hPa層高度。底層仍為東南風(fēng)與偏西風(fēng)的輻合，但輻合點(diǎn)移至121.2°E附近;較明顯的下沉氣流出現(xiàn)在121.1°E附近，在強(qiáng)回波西側(cè)形成了一個(gè)中心位于300 hPa的、完整的豎直環(huán)流。由圖7d可見，大于45 dBZ的回波已經(jīng)突破200 hPa，發(fā)展高度明顯高于成熟階段的單體B，為冰雹的增長提供了發(fā)展空間。單體西側(cè)500 hPa以上出現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)，上升運(yùn)動明顯減弱并出現(xiàn)下沉氣流，800 hPa以下已被較一致的下沉氣流控制。在下沉氣流拖曳作用下，單體北側(cè)上升氣流轉(zhuǎn)為略向南傾斜，并在中高層逐漸轉(zhuǎn)為西偏北的出流。由于下沉氣流的阻斷作用，維持風(fēng)暴單體發(fā)展的上升運(yùn)動和水汽補(bǔ)充均受到影響，預(yù)示風(fēng)暴單體已經(jīng)發(fā)展到成熟階段并將衰減。圖7f給出了15:00閔行風(fēng)暴單體附近區(qū)域各物理量的平均垂直分布情況。由圖可見，400 hPa以下基本已經(jīng)轉(zhuǎn)為負(fù)渦度區(qū)，僅在750 hPa、800 hPa有弱的正渦度層，但對應(yīng)區(qū)域還存在較明顯的輻合運(yùn)動;而高空全部轉(zhuǎn)為正渦度區(qū)，弱的輻散運(yùn)動僅維持在550～300 hPa。高、低層的環(huán)流動力結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)不同程度的破壞，雹云已經(jīng)完成成熟階段的發(fā)展，即將進(jìn)入消散階段。

3.2 水汽條件

3.2.1 地面相對濕度分析

10:00—13:00(圖略)，由于輻合運(yùn)動的維持與發(fā)展，導(dǎo)致低層水汽不斷抬升，因此上海及其周邊地區(qū)地面相對濕度不斷降低;13:00(圖8a)后，閔行、浦東一帶地面風(fēng)場輻合區(qū)域附近相對濕度迅速增加，并在15:00地面風(fēng)場轉(zhuǎn)為輻散場時(shí)(圖8c)達(dá)到最大(121.5°E附近，大于90%)，和觀測到的短時(shí)強(qiáng)降水位置基本一致。

3.2.2 中高層水汽條件分析

中高層水汽輻合可直接導(dǎo)致中高層相對濕度的增加。李武階等(2007)利用2004年6—7月的武漢探空資料考察當(dāng)年梅雨期武漢上空水汽演變與暴雨的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，將中高層平均的比濕和相對濕度結(jié)合，分析中高層水汽演變，這對暴雨預(yù)報(bào)有很好的指示意義。崔春光等(2008)在研究鄂東暴雨過程中再次驗(yàn)證了這一對應(yīng)關(guān)系。利用LAPS資料，計(jì)算得出25日閔行雹云附近區(qū)域平均相對濕度隨高度的分布情況。中高層(700～300 hPa)的相對濕度在強(qiáng)降水發(fā)生前存在一個(gè)迅速增長的過程，其中500 hPa附近增幅較大，從12:00(圖9a)的35%增長至15:00(圖9b)的55%，即在強(qiáng)降水期間達(dá)到最大值。16:00(圖略)500 hPa附近的相對濕度明顯下降。

圖8 2010年8月25日13:00(a)、14:00(b)和15:00(c)LAPS地面流線和相對濕度(陰影;單位:%)Fig.8 Surface stream field and relative humidity field(shaded;units:%)by LAPS at(a)13:00 BST，(b)14:00 BST，and(c)15:00 BST on August 25，2010

3.3 熱力條件

LAPS分析場可以輸出很多物理量，包括氣團(tuán)指數(shù)K、抬升指數(shù)、沙氏指數(shù)、對流有效位能CAPE和對流抑制能量等。下面選取K指數(shù)和CAPE分析25日強(qiáng)對流過程中閔行附近低層能量的水平分布情況。

3.3.1 對流有效位能的分布

圖10為25日12:00—15:00上海的CAPE值水平分布情況。CAPE值越大，表示不穩(wěn)定大氣中能提供其快速垂直運(yùn)動的潛在能量越大，當(dāng)CAPE值大于3 500 J/kg時(shí)，表示極不穩(wěn)定的狀態(tài)。25日上午，上海全市及蘇州、嘉興大部均處于極不穩(wěn)定的大氣條件下。12:00以前，隨著低層溫度的增加，CAPE值也迅速增加(圖略)，這與廖曉農(nóng)等(2008)分析1969年8月29日北京罕見大雹事件時(shí)，發(fā)現(xiàn)對流前北京上空CAPE值陡增情況類似。南匯西北維持著一個(gè)高值中心，并于12:00時(shí)達(dá)到5 000 J/kg，顯著高于同類研究中的CAPE值(約3 000～4 000 J/kg)(黃治勇等，2007;崔春光等，2008)。12:00后，隨著單體向成熟階段的迅速發(fā)展，地面能量為風(fēng)暴單體的向上發(fā)展提供熱力條件，上述區(qū)域CAPE值開始減小。13:00前后，隨著強(qiáng)降水的開始，原來一直維持高值的南匯、閔行一帶CAPE值迅速減小，15:00時(shí)上海全市地面CAPE值已降至2 500 J/kg以下(圖10)。

3.3.2 氣團(tuán)指數(shù)的分布

K指數(shù)數(shù)值大于35℃時(shí)有可能出現(xiàn)強(qiáng)對流或強(qiáng)降水天氣，隨著數(shù)值的增大出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣的可能性也增大。從上海地區(qū)K指數(shù)分布情況看，11:00開始金山中部至嘉定北部一線西側(cè)的上海各區(qū)，以及閔行中南部、徐匯、浦東西北、崇明大部，強(qiáng)對流天氣可能發(fā)生區(qū)域迅速擴(kuò)大(圖略)。根據(jù)25日上海自動站數(shù)據(jù)，當(dāng)日最早的10 min雨量記錄出現(xiàn)在12:35的閔行與浦東交界，以及長興島附近(圖11a，其中C為閔行與浦東交界雨量記錄點(diǎn)，D為長興島附近雨量記錄點(diǎn))，這與12:00的K指數(shù)高值區(qū)分布一致。與CAPE值略有差異的是，K指數(shù)峰值出現(xiàn)在13:00前后(圖11b)，大于等于37℃的高值區(qū)覆蓋閔行南部和浦東大部，其中閔行南部出現(xiàn)大于等于39℃的高值中心。相關(guān)研究表明在其他條件適合的情況下，35℃的K指數(shù)就能出現(xiàn)局地強(qiáng)冰雹事件(劉志雄等，2009)。13:00后，隨著強(qiáng)降水的開始，該區(qū)域的K指數(shù)也迅速減小;至14:00，上海中東部大于等于32℃的高能區(qū)已經(jīng)消失(圖11c)。

以上分析表明，LAPS物理量指標(biāo)能較好地反映風(fēng)暴發(fā)生過程中低層能量的變化情況，其反映的能量衰長與風(fēng)暴單體發(fā)展階段對應(yīng)較好，能為研究人員和預(yù)報(bào)員從能量角度分析中尺度對流行天氣過程發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r提供有效參考。

3.4 成雹條件

圖9 2010年8月25日12:00(a)和15:00(b)風(fēng)暴中心附近0.3°×0.4°區(qū)域LAPS平均相對濕度(單位:%)的垂直分布Fig.9 The area-averaged(30.9—31.2°N，121.2—121.6°E)relative humidity(%)near the storm center at(a)12:00 BST and(b)15:00 BST on August 25，2010

圖10 2010年8月25日12:00(a)、13:00(b)、14:00(c)和15:00(d)的LAPS對流有效位能CAPE值(單位:J/kg)Fig.10 Convective available potential energy(J/kg)field by LAPS at(a)12:00 BST，(b)13:00 BST，(c)14:00 BST and(d)15:00 BST on August 25，2010

在綜合前述動力、水汽、熱力條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合逐小時(shí)等壓面垂直速度和等壓面水汽條件、冰晶含量等物理量(圖略)，簡要分析閔行雹云形成的條件。25日11:00后，閔行上空的0℃層(圖12中點(diǎn)劃線所示)基本穩(wěn)定在560 hPa附近，隨著0℃層以上垂直速度的增大，高低層風(fēng)速切變的加強(qiáng)，上升運(yùn)動不斷增強(qiáng)，加上水汽供應(yīng)充足，12:00起在垂直速度大值區(qū)的附近，冰晶含量開始迅速增加。13:00左右(圖12)閔行上空700～400 hPa的相對干區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)相對濕度大于75%的通道，中心峰值均超過90%，并分別與冰晶含量高值中心、風(fēng)暴上升氣流區(qū)(圖7c)對應(yīng)。綜上所述，閔行上空風(fēng)暴單體在動力結(jié)構(gòu)和水汽條件上，均具備雹云形成的一般特征(朱乾根等，2007;劉志雄等，2009)。

4 結(jié)論

1)偏西氣流與來自海面、水汽充沛的東南氣流在浦東中部沿海至閔行南部一線產(chǎn)生東北—西南走向的中尺度輻合帶，東南氣流進(jìn)一步增大且在輻合帶西南側(cè)激發(fā)生成新的輻合運(yùn)動，使輻合帶得以維持并向西南延伸;同時(shí)，輻合帶的維持觸發(fā)低層不穩(wěn)定能量釋放，從而產(chǎn)生對流。

2)中尺度對流系統(tǒng)在形成階段的主要結(jié)構(gòu)特征是:中層450 hPa以下為正渦度區(qū)，對應(yīng)輻合運(yùn)動的大值區(qū)和垂直風(fēng)速切變大值區(qū)，450 hPa以上為負(fù)渦度區(qū)，對應(yīng)弱輻合區(qū)向輻散區(qū)的過渡;底層不穩(wěn)定能量快速增加，氣流輻合主要源于偏西氣流與東南暖濕氣流在單體中心東側(cè)的匯合，顯著的垂直風(fēng)切變使上升氣流發(fā)生傾斜，減少上升、下沉氣流的相互干擾，促進(jìn)中尺度垂直環(huán)流的加強(qiáng);最大垂直上升速度和無輻散層已經(jīng)達(dá)到300 hPa附近，0℃層維持在600 hPa上下，中高層相對濕度迅速增加，滿足冰雹增長的動力、熱力和水汽條件。

3)中尺度對流系統(tǒng)在成熟后期的主要結(jié)構(gòu)特征是:中低層正渦度區(qū)迅速減小，出現(xiàn)弱的負(fù)渦度，對應(yīng)輻合區(qū)也迅速縮小，垂直風(fēng)切變強(qiáng)度減弱，高層轉(zhuǎn)為正渦度，對應(yīng)弱輻散區(qū);底層輻合減弱，底層積聚的能量在降水作用下迅速減少，單體底部開始被下沉氣流控制，上升氣流強(qiáng)度和水汽供應(yīng)被阻斷;最大垂直速度層下降至600 hPa附近，中高層相對濕度顯著下降;垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)被破壞。

圖11 2010年8月25日12:00(a)、13:00(b)和14:00(c)的LAPS氣團(tuán)指數(shù)K(單位:℃)Fig.11 K index(units:℃)field by LAPS at(a)12:00 BST，(b)13:00 BST and(c)14:00 BST on August 25，2010

圖12 2010年8月25日13:00的31.2°N冰晶含量(單位:g/m3)和相對濕度(單位:%)隨等壓面的變化(點(diǎn)劃線為0℃等溫線，實(shí)線為冰晶含量，陰影部分為相對濕度)Fig.12 The variability of ice crystal concentration(solid line;units:g/m3)and relative humidity(shaded;units:%)with isobaric surfaces at 13:00 BST on August 25，2010(chain dotted line denotes 0℃isotherm)

與天氣尺度的分析場相比，LAPS通過對多種中尺度探測資料的融合處理，不僅提高了分析場的時(shí)空精度，還有利于常規(guī)觀測資料、加密自動站、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)拼圖和風(fēng)廓線等資料的對比分析和相互校正，提高各種觀測資料的利用率和客觀性的同時(shí)，也為進(jìn)一步研究中小尺度天氣系統(tǒng)的演變過程和結(jié)構(gòu)特征提供參考。

致謝:上海中心氣象臺正研級高級工程師楊引明對本文給予了寶貴的支持和幫助，特此感謝。

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