天津地區(qū)一次局地大暴雨過程MCS傳播發(fā)展機(jī)制

劉一瑋，王 穎

（天津市氣象臺(tái)，天津300074）

局地暴雨是幾種不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，其發(fā)生、發(fā)展既有大尺度環(huán)境條件的制約，又與中尺度擾動(dòng)有十分密切的關(guān)系[1-3]。隨著探測技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域自動(dòng)站、風(fēng)廓線雷達(dá)等越來越多的探測設(shè)備進(jìn)行布設(shè)，并業(yè)務(wù)應(yīng)用。這不僅較大提高了對產(chǎn)生局地暴雨天氣系統(tǒng)活動(dòng)的監(jiān)測能力，還有助于揭示暴雨的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理[4-6]。羅王軍[7]利用常規(guī)觀測資料及雷達(dá)資料，分析弱垂直風(fēng)切變條件下的暴雨過程，降水集中在回波開始合并增強(qiáng)的2 h內(nèi)；通過分析雷達(dá)回波強(qiáng)度、移速、生命期等特征，得到不同類型強(qiáng)降水的預(yù)警方法[8]；陳永仁等[9]研究發(fā)現(xiàn)，短時(shí)強(qiáng)降雨通常由MCS中的深對流造成，水平尺度多為中尺度或更小的中尺度系統(tǒng)，具有云頂亮溫低、雷達(dá)反射率因子大和垂直累積液態(tài)水含量高等特點(diǎn)。因此中小尺度對流云團(tuán)的TBB強(qiáng)度及變幅，可提前1～2 h預(yù)報(bào)短時(shí)強(qiáng)降水[10]。加密自動(dòng)站資料顯示地面中尺度輻合系統(tǒng)與雨團(tuán)的發(fā)生發(fā)展關(guān)系十分密切，且具有一定的預(yù)示作用[11]。大暴雨的分布與地面輻合線的走向基本一致，并隨其移動(dòng)而移動(dòng)[12]。

天津作為沿海大城市，受地形地貌特征的影響，出現(xiàn)局地強(qiáng)降水的的頻次較高，前期許多專家及預(yù)報(bào)員對此做了大量的分析研究。王彥等[13-14]應(yīng)用多普勒雷達(dá)并結(jié)合多種探測資料，分析了渤海灣海風(fēng)鋒的天氣氣候特征及對局地暴雨天氣觸發(fā)和形成作用。盧煥珍等[15]、王穎等[16]分別從個(gè)例分析及統(tǒng)計(jì)的角度，得到不同影響系統(tǒng)的天津局地暴雨過程的物理參數(shù)特征，并給出預(yù)報(bào)重點(diǎn)。目前在業(yè)務(wù)工作中天津局地暴雨的短期預(yù)報(bào)還有一定難度，漏報(bào)率較高，更多地依靠短臨訂正。隨著觀測業(yè)務(wù)的發(fā)展，越來越多的高時(shí)空分辨率的觀測資料在天津使用，但如何綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)，在短臨預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮作用還有薄弱之處。因此本文對2017年8月8日夜間一次局地暴雨漏報(bào)的天氣過程進(jìn)行分析，著重利用加密探測資料剖析天氣系統(tǒng)發(fā)展傳播特征，嘗試找到探測資料在局地大暴雨預(yù)報(bào)中的綜合應(yīng)用著眼點(diǎn)，為短時(shí)臨近強(qiáng)降水預(yù)報(bào)拓寬思路。

1 降水過程概述

2017年8月8 日夜間天津地區(qū)出現(xiàn)暴雨局部大暴雨天氣，過程具有對流性強(qiáng)、降水時(shí)段集中、局地短時(shí)雨強(qiáng)大等特征。24 h全市平均降水量為36.6 mm，最大降水量為130.1 mm；全市雨量站中，6站出現(xiàn)大暴雨，占2.1%，70站出現(xiàn)暴雨，占24.4%；強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在9日00—05時(shí)（北京時(shí)，下同），最大小時(shí)雨強(qiáng)79.6 mm/h；并伴有6～7級的雷暴大風(fēng)。由于此次降水過程出現(xiàn)在夜間，且短時(shí)間雨量迅猛，受到城市地表排水能力的限制，城市主干道低洼路段嚴(yán)重積水，對早高峰交通產(chǎn)生較大影響。

2 環(huán)流形勢及環(huán)境參數(shù)分析

此次過程受冷渦低槽系統(tǒng)影響（圖1），8日20時(shí)冷渦位于黑龍江北部，500 hPa短波槽位于河套東北部，天津受偏西氣流控制。700 hPa和850 hPa在河套東北部存在風(fēng)切變，形成前傾結(jié)構(gòu)，有利于強(qiáng)對流發(fā)生。同時(shí)850 hPa在京津交界處存在另一弱切變，配合地面低壓、輻合抬升有利于天津地區(qū)出現(xiàn)降水。由于天津本地沒有探空資料，根據(jù)臨近北京探空得到的環(huán)境參數(shù)（表1）顯示，8—14時(shí)對流有效位能CAPE由 1492 J/kg增大到 2369 J/kg，850 hPa與500 hPa之間的溫差（T850-T500）增加了6℃，對流抑制能量CIN下降為0 J/kg，環(huán)境大氣的不穩(wěn)定度增大；850 hPa的比濕Q也明顯增大，為11.04 g/kg，這說明中低層的水汽得到積累。有利的環(huán)流配置和溫濕條件預(yù)示天津地區(qū)將出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。

圖1 8月8日20時(shí)，500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm），700 hPa相對濕度（陰影，單位：%）及 850 hPa風(fēng)場（單位：m/s）

表1 8月8日08時(shí)、14時(shí)物理量參數(shù)

3 中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展演變

3.1中尺度雨團(tuán)特征

根據(jù)前人研究結(jié)果[10]，定義連續(xù)2 h有2站或以上降水量＞25 mm/h、空間尺度不超過200 km的雨團(tuán)為中尺度雨團(tuán)。通過逐小時(shí)降水量的演變特征，發(fā)現(xiàn)影響天津地區(qū)的降水分為兩個(gè)階段，分別為A、B兩個(gè)中尺度雨團(tuán)（圖2）。A雨團(tuán)自8日23時(shí)—9日02時(shí)持續(xù)了4 h，雨強(qiáng)相對較大，4 h最大降水量達(dá)100.8 mm，最大雨強(qiáng)79.6 mm/h，為天津中北部大暴雨及暴雨區(qū)的主要貢獻(xiàn)者；B雨團(tuán)自9日02—04時(shí)持續(xù)3 h，雨強(qiáng)相對較小，為34 mm/h，3 h最大降水量50.8 mm，B雨團(tuán)位置相對穩(wěn)定，維持在天津中南部地區(qū)，是中部、南部暴雨的主要貢獻(xiàn)者。

3.2 衛(wèi)星云圖特征

3.2.1 紅外云圖特征

對FY-2G紅外衛(wèi)星云圖及黑體輻射亮溫（TBB）分析發(fā)現(xiàn)，8日14時(shí)在河套地區(qū)，500 hPa高空槽前部有多個(gè)水平尺度不足50 km的中尺度對流云團(tuán)發(fā)展。隨著高空槽的東移，云團(tuán)的尺度逐漸增大，并于20時(shí)合并成東北—西南向云帶，對流云帶東移過程中不斷有小塊對流云合并，發(fā)展強(qiáng)烈，23時(shí)開始影響天津北部、中部地區(qū)，產(chǎn)生了第一個(gè)階段的強(qiáng)降水即雨團(tuán)A（圖3）。同時(shí)在河北西南部又有新的對流云團(tuán)觸發(fā)，云體迅速發(fā)展向東北方向移動(dòng)，之后兩云團(tuán)合并加強(qiáng)，最終造成了南部、中部的降水（雨團(tuán)B）。

3.2.2TBB變化特征

22時(shí)天津地區(qū)上空TBB為268～286 K，隨著云團(tuán)的東移南壓，天津上空TBB迅速下降至232～250K，1 h后天津的降水達(dá)到頂峰，多個(gè)自動(dòng)站出現(xiàn)了雨強(qiáng)50 mm/h以上的降水，且強(qiáng)降水多發(fā)生在TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域。第二階段的降水TBB也有類似特征。02時(shí)天津西南部降水未開始前，TBB為250～268 K，03時(shí)降水發(fā)生后TBB下降到232～250 K，在TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域出現(xiàn)了雨強(qiáng)30 mm以上的降水出現(xiàn)，最大34 mm/h。

由此可見，TBB的迅速降低或梯度增大對強(qiáng)降水的出現(xiàn)有很好的指示意義。當(dāng)MCS發(fā)展成熟時(shí)，強(qiáng)降水發(fā)生在中尺度對流云團(tuán)TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域；MCS合并時(shí)期，TBB迅速下降，降水隨之增強(qiáng)，當(dāng)TBB值1 h下降31 K以上時(shí)，1 h后易產(chǎn)生50 mm/h以上的強(qiáng)降水，與段鶴等[8]的研究結(jié)論類似，可作為短時(shí)強(qiáng)降水的監(jiān)測預(yù)警的重要指標(biāo)。

圖2 8月8日23時(shí)—9日04時(shí)降水落區(qū)

圖3 8月8日22時(shí)—9日01時(shí)紅外云圖

3.3 雷達(dá)特征分析

8日20時(shí)，1.5°仰角上，在天津雷達(dá)的西北部150 km距離圈之外有多個(gè)小塊對流單體回波，回波向東南方向移動(dòng)，合并增強(qiáng)為東北—西南向的帶狀回波，A雨團(tuán)逐漸形成。23時(shí)強(qiáng)回波帶開始影響天津，回波反射率因子達(dá)到50～60 dBZ。00時(shí)帶狀回波分裂為南北兩端，并分別在其前沿，激發(fā)出陣風(fēng)鋒，1.5°仰角徑向速度圖上存在26 m/s的徑向速度大值區(qū)，造成天津中北部地區(qū)6～7級的雷雨大風(fēng)。01時(shí)后北段回波結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度逐漸減弱，南段弓形回波強(qiáng)度維持，緩慢向東南方向移動(dòng)。同時(shí)在河北西南部有對流單體生成，向東北方向移動(dòng)，回波強(qiáng)度維持在40～55 dBZ。01—03時(shí)河北西南部新生的單體，依次經(jīng)過天津中南部（圖4b～4d紅框內(nèi)），形成“列車效應(yīng)”，3 h降水達(dá)到20～25 mm。這一時(shí)間段內(nèi)A雨團(tuán)減弱消失，B雨團(tuán)造成天津中南部地區(qū)暴雨。04時(shí)之后回波強(qiáng)度逐漸減弱，雨強(qiáng)明顯減弱。06時(shí)回波消散，天津地區(qū)降水結(jié)束。

對兩個(gè)時(shí)刻的雷達(dá)回波反射率因子作剖面（圖4e）并對比分析可知，A雨團(tuán)時(shí)期為高質(zhì)心降水回波，存在明顯的回波懸垂結(jié)構(gòu)，低層存在弱回波區(qū)，40 dBZ強(qiáng)回波伸展高度達(dá)11 km，雷暴云垂直發(fā)展旺盛，對流性強(qiáng)。B雨團(tuán)時(shí)期則為低質(zhì)心降水回波帶狀回波（40～55 dBZ），回波強(qiáng)度均勻，無強(qiáng)回波懸垂，40 dBZ強(qiáng)回波伸展高度接近7 km。

天津北辰國家觀測站24 h降水量達(dá)129.6 mm，由經(jīng)過觀測站上空的反射率因子時(shí)序圖（圖4f）可看出，北辰站的大暴雨為高質(zhì)心降水和低質(zhì)心降水共同造成的。00時(shí)前后云頂猛增，回波強(qiáng)度增加，最大強(qiáng)度在60 dBZ，回波頂高達(dá)14 km，10 min雨強(qiáng)達(dá)到23.1 mm，強(qiáng)回波影響時(shí)間約為30 min，帶來77.7 mm/h的強(qiáng)降水，此為高質(zhì)心降水。00：30后回波強(qiáng)度減弱到40～45 dBZ，回波頂高下降到8～10km，持續(xù)時(shí)間相對較長，超過60 min，最大小時(shí)雨強(qiáng)為23 mm/h。此外從時(shí)序圖也可以看出，有回波不斷經(jīng)過該地，維持5 h，產(chǎn)生了大暴雨天氣。

3.4 風(fēng)廓線雷達(dá)特征

風(fēng)廓線雷達(dá)的時(shí)間分辨率一般為6 min，空間高度分辨率一般為幾十米到100 m左右，這是其他探測手段很難達(dá)到的高時(shí)空分辨率。這種探測優(yōu)勢和資料特點(diǎn)對天氣發(fā)生發(fā)展機(jī)理的認(rèn)識(shí)、精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量的提高產(chǎn)生明顯效果[17-20]。風(fēng)廓線雷達(dá)資料是除探空資料之外高空風(fēng)資料最直接的來源，可以彌補(bǔ)高空探測網(wǎng)時(shí)空密度上的不足，是加強(qiáng)對災(zāi)害性天氣監(jiān)測能力的重要手段。使用多部風(fēng)廓線雷達(dá)形成組網(wǎng)資料，能夠反映降水發(fā)生前后的風(fēng)場信息，揭示中小尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。由于降水回波的移動(dòng)方向主要是由平流和傳播影響，因此應(yīng)用北京、天津地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)資料得到高時(shí)空分辨率的形勢場演變情況，來分析引導(dǎo)風(fēng)對回波移動(dòng)的影響。

風(fēng)廓線組網(wǎng)資料來自中國氣象局下發(fā)產(chǎn)品，為逐6 min等高面數(shù)據(jù)，與多普勒雷達(dá)資料同步。本文使用等高面風(fēng)廓線組網(wǎng)資料與同時(shí)刻反射率因子進(jìn)行分析，說明環(huán)境風(fēng)場對降水回波的作用（圖5表示5.5 km的風(fēng)廓線組網(wǎng)資料與雷達(dá)反射率因子疊加情況）。8月8日14時(shí)天津地區(qū)700 hPa以上為西北氣流控制（圖5），低層925 hPa天津中部存在東南風(fēng)與西南風(fēng)的切變，上冷下暖的形勢增加了大氣不穩(wěn)定度，低層輻合產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，天氣形勢有利于在天津地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。此時(shí)北京地區(qū)生成的回波在西北氣流的引導(dǎo)下向東南方向移動(dòng)，有利的動(dòng)力、熱力條件使回波在移動(dòng)過程中不斷加強(qiáng)，至23時(shí)回波影響天津時(shí)，對流單體已經(jīng)合并發(fā)展成為一條帶狀回波。23時(shí)后中高層西北氣流逐漸轉(zhuǎn)為西南氣流，850 hPa西南風(fēng)增強(qiáng)。高空風(fēng)的變化預(yù)示著未來回波受引導(dǎo)風(fēng)作用，移動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變；低層西南風(fēng)加強(qiáng)，水汽輸送隨之增強(qiáng)。帶狀回波開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂稀獤|北向移動(dòng)，強(qiáng)回波在天津中北部穩(wěn)定少動(dòng)，造成了中北部的強(qiáng)降水。00—02時(shí)中高層維持西南風(fēng)，850 hPa天津中部形成人字形切變，低空輻合加強(qiáng)，此時(shí)不僅有西南氣流補(bǔ)充水汽，東南氣流也可以將海上的水汽帶到陸地。02時(shí)河北西南部新生的回波單體受西南風(fēng)的引導(dǎo)，進(jìn)入天津中南部地區(qū)向東北方向移動(dòng)，不同來源的回波在天津中南部相遇，形成列車效應(yīng)。受低層抬升和充足水汽的影響，小時(shí)雨強(qiáng)超過20 mm/h的降水維持較長時(shí)間。06時(shí)之后高、低空均轉(zhuǎn)為西北氣流，高空槽逐漸移出天津，降水結(jié)束。

對比兩個(gè)階段的降水，第一階段為上冷下暖的高低空配置，因此降水具有明顯的對流性特征，即降水強(qiáng)度大。而第二階段的降水出現(xiàn)在整層西南氣流中，有暖云降水的特性，降水平穩(wěn)且維持時(shí)間長。由于受不同方向引導(dǎo)氣流的影響，使得回波的移動(dòng)方向不同，且回波的形態(tài)特征也有明顯差異。

3.5 地面場特征

此次天氣過程的降水分布并不均勻，比較大的降水出現(xiàn)在天津的中部、南部地區(qū)，利用降水前后加密自動(dòng)站資料的分布特征說明差異原因及對降水的指示意義。

圖6為地面氣溫場及露點(diǎn)、溫度與風(fēng)場分布情況。降水開始前，受暖氣團(tuán)影響，8日天津地區(qū)溫度較高，最高氣溫達(dá)35～37℃，近地層存在西南氣流和東南氣流，氣流在天津中部交匯，而兩股氣流交匯處不僅可以產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動(dòng)，并且把內(nèi)陸和渤海上的水汽輸送至天津，并在中部地區(qū)輻合。16時(shí)后隨著水汽的積累露點(diǎn)溫度升高，而氣溫緩慢下降，溫度露點(diǎn)差以1℃/h的速率下降。由于東南氣流的加強(qiáng)，整個(gè)輻合區(qū)也逐漸向東北方向移動(dòng)，濕度進(jìn)一步增加，至9日02時(shí)天津中南部地區(qū)為顯著濕區(qū)（露點(diǎn)溫度＞25℃[21]，溫度露點(diǎn)差＜4℃）。由于地面中尺度輻合線附近存在明顯水汽輻合，導(dǎo)致回波進(jìn)入天津后強(qiáng)度增強(qiáng)，中南部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水。02時(shí)后露點(diǎn)溫度快速下降，降水回波開始減弱。06時(shí)地面轉(zhuǎn)為輻散場，露點(diǎn)溫度下降到20℃以下，降水結(jié)束。

圖4 8 月 9 日 00：12（a）、01 時(shí)（b）、02 時(shí)（c）、02：30（d）反射率因子及剖面圖（a、d）及 8 月 8 日 23：30—8月9日06時(shí)經(jīng)過北辰站反射率隨時(shí)間變化特征（e）、組合反射率（折線）、回波頂高（陰影）隨時(shí)間變化（f橫坐標(biāo)時(shí)間為世界時(shí)，單位：dBZ）

圖7為降水發(fā)生后1 h變壓和1 h變溫與其后1 h降水的分布情況。8日23時(shí)—9日04時(shí)兩個(gè)階段降水過程中變溫及變壓梯度區(qū)均與降水有較好的對應(yīng)。受降水蒸發(fā)作用的影響，配合中低層冷空氣滲透，地面出現(xiàn)5～7℃負(fù)變溫和2.0～2.5 hPa的正變壓，形成中尺度冷性高壓。高壓前側(cè)的冷性水平出流與東南氣流形成的輻合，即變壓及變溫梯度區(qū)，有利于降水系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)。同時(shí)由于變壓梯度的存在，產(chǎn)生變壓梯度力，負(fù)變壓中心區(qū)產(chǎn)生變壓風(fēng)輻合，進(jìn)一步引發(fā)上升運(yùn)動(dòng)，也有利于在變壓前側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)降水，而強(qiáng)的變壓梯度也是產(chǎn)生地面大風(fēng)的原因之一。前期天氣總結(jié)中也有類似結(jié)論，即天津地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生在東到東南風(fēng)的地面輻合線與高露點(diǎn)的區(qū)域，地面小時(shí)變壓為2.0～2.5 hPa，變溫平均為4℃，最高為9℃。由此可見，降水過程中變壓、變溫等因素影響降水系統(tǒng)的發(fā)展、移動(dòng)、增強(qiáng)，對判斷局地暴雨演變的環(huán)境條件有一定指示性。

圖5 8月8日14時(shí)（a）、23時(shí)（b）、9日02時(shí)（c）、07時(shí)（d）風(fēng)廓線組網(wǎng)風(fēng)場（單位：m/s）與雷達(dá)CAPPI（單位：dBZ）

4 結(jié)論與討論

利用常規(guī)觀測資料、加密自動(dòng)站資料、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)、風(fēng)廓線組網(wǎng)資料對2017年8月8日夜間天津地區(qū)暴雨天氣進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）此次影響天津地區(qū)的A、B兩個(gè)中尺度雨團(tuán)具有顯著不同的特征。A雨團(tuán)為帶狀回波產(chǎn)生，自西北向東南方向移動(dòng)，質(zhì)心高，組織性強(qiáng)，存在懸垂結(jié)構(gòu)，雨強(qiáng)較大，達(dá)77.7 mm/h。B雨團(tuán)回波自西南向東北方向移動(dòng)，具有后向傳播的特征，存在列車效應(yīng)，回波為低質(zhì)心帶狀降水回波（40～45 dBZ），回波強(qiáng)度均勻，最大雨強(qiáng)僅為23 mm/h。

（2）降水過程中兩個(gè)云團(tuán)先后影響天津，第一階段TBB更低，小時(shí)變率更大。TBB數(shù)值大小的迅速降低或梯度的增大，對強(qiáng)降水的出現(xiàn)有較好的指示意義。當(dāng)MCS發(fā)展成熟時(shí)，強(qiáng)降水發(fā)生在中尺度對流云團(tuán)TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域，當(dāng)TBB值1 h下降31℃以上時(shí)，1 h后易產(chǎn)生50 mm/h以上的強(qiáng)降水。

（3）風(fēng)廓線組網(wǎng)資料分析兩個(gè)階段降水的中尺度特征時(shí)顯示，第一階段為上冷下暖的高低空配置，而第二階段的降水出現(xiàn)在整層西南氣流中。高空引導(dǎo)風(fēng)的不同，導(dǎo)致回波的移動(dòng)和回波形態(tài)特征的顯著差異。

圖6 8月 8日 16時(shí)（a）和 23時(shí)氣溫（b，單位：℃）及地面風(fēng)場（c、d，流線，單位：m/s）、露點(diǎn)（c、d，陰影，單位：℃）分布

圖7 8月 8日 23時(shí)小時(shí)變壓（a，單位：Pa）、變溫（b，單位：℃）與其后 1 h降水（單位：mm）疊加

本文的分析方法尚有一定的局限性，暴雨天氣的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，受天氣系統(tǒng)和環(huán)境大氣的溫、壓、風(fēng)、濕等基本要素的影響。而當(dāng)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，又會(huì)劇烈地改變周邊大氣基本要素的水平梯度和垂直梯度，形成與環(huán)境大氣的相互作用，進(jìn)而影響強(qiáng)降水系統(tǒng)的生消、維持或移動(dòng)。本文僅用一個(gè)個(gè)例進(jìn)行分析，結(jié)合前期的工作得到一些有意義的結(jié)論，未來如何讓高時(shí)空分辨率的探測資料在預(yù)報(bào)預(yù)警工作中發(fā)揮更大的作用，需做進(jìn)一步研究。