非常規(guī)探測資料在天津沿海3 次災害暴雨過程中的差異性分析

王 鑫，卜清軍，呼莉莉，王紫濱

(1. 天津市應急管理事務中心 天津300006；2. 天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457；3. 天津港集團有限公司 天津300450)

0 引 言

華北是我國東部夏季三大降雨區(qū)之一，華北地區(qū)80%～90%的暴雨出現(xiàn)在6 至8 月，并且主要集中在7 月下旬至8 月上旬，即所謂的“七下八上”[1]。天津位于華北平原東部，天津暴雨具有華北暴雨所具有的突發(fā)性、局地性強以及物理機制復雜等特點，因此其預報難度較大。孫建華等[2]將華北夏季特大暴雨過程的天氣形勢分為5 型，分別為臺風與低槽(低渦)遠距離相互作用型(32.2%)、低渦暴雨型(26%)、低渦(登陸臺風)與西風槽相互作用型(19.4%)、暖切變暴雨型(19.4%)和登陸臺風北上受高壓阻擋停滯型(3%)。蘇永玲等[3]研究了京津冀地區(qū)強對流時空分布與天氣學特征后指出，短時暴雨是京津冀地區(qū)強對流的主要發(fā)生形式之一。突發(fā)性短時暴雨的預報預警最大難點在于，預報員雖然從天氣學的角度可以預報有雷陣雨天氣，但是不能確定發(fā)生的具體時間、位置。根據(jù)相關分析和以往經(jīng)驗[4-5]，可以關注山前迎風坡、邊界層輻合線等易發(fā)對流區(qū)，而實際上每次過程的新生對流云都發(fā)生在不同的位置，這也是短時臨近預警中的最大難點。

短時強降水和短時暴雨作為一種強對流天氣，其生成和發(fā)展具有突發(fā)性和局地性，常造成較大災害，但常規(guī)監(jiān)測手段很難捕捉，預報難度很大。近幾年，中國氣象局布設了多種新型探測設備，如多普勒天氣雷達、風廓線雷達、閃電定位和加密自動站，所得到的高時空分辨率監(jiān)測資料不僅為研究中小尺度天氣現(xiàn)象提供了研究條件，更提高了強對流天氣的短時臨近預報預警技術。新型探測資料在研究城市短時暴雨等強對流天氣的中尺度結(jié)構(gòu)方面取得了很多有價值的成果[6-8]。王欣等[9]將風廓線雷達探測資料與探空資料進行對比，結(jié)果表明風廓線雷達對水平風的垂直結(jié)構(gòu)有較強的探測能力，能實時監(jiān)測中尺度降水期間風的垂直切變和對流特征。李晨光等[10]分析了華南暴雨和南海季風科學試驗期間香港風廓線資料，結(jié)果顯示風廓線雷達在對流層低層以及邊界層中的資料有效率可達80%～90%。顧映欣等[11]研究顯示，風廓線資料的高時空辨率有助于揭示大氣多層結(jié)構(gòu)和次天氣尺度系統(tǒng)的時間演變。劉淑媛等[12]分析香港風廓線資料發(fā)現(xiàn)低空急流的脈動及向地面的擴展程度與暴雨之間存在密切關系。

本文利用天津多普勒天氣雷達資料以及天津塘沽和寶坻兩部風廓線資料等多種新型探測資料，結(jié)合天氣形勢對2012 年汛期發(fā)生在天津城區(qū)的3 次暴雨過程進行分析和對比，試圖揭示夏季天津城區(qū)暴雨的差異和相似性，并嘗試為突發(fā)對流性暴雨的短時臨近預報預警提供科學依據(jù)。

圖1 天津地區(qū)3次暴雨過程累積降水量分布圖(單位：mm)Fig.1 Distribution of accumulated rainfall in Tianjin(unit：mm)

1 實況及天氣形勢

1.1 天氣實況

2012 年夏季天津降水異于常年，歷史罕見，主要有以下特點：降水總量大，較常年同期偏多六成，全市平均降水量603.4 mm，為1978 年以來歷史同期第一位；暴雨過程多，出現(xiàn)區(qū)域性暴雨4 次，比常年同期明顯偏多；降水強度大，7 月下旬的3 次過程降水量都在100 mm 以上，其中21 至22 日全市平均降水量109 mm，最大雨量出現(xiàn)在寶坻大白莊為297.5 mm(圖1a)，強降水時段集中在21 日20 時至22 日05 時(圖2a)，多以短時強降水和短時暴雨為主，其中小時最大降水量達到94.4 mm。7 月25 至26 日全市平均降水量111.0 mm，有10 個站出現(xiàn)了250 mm 以上的特大暴雨，125 個站出現(xiàn)了100 mm 以上的大暴雨，最大雨量出現(xiàn)在西青大寺為344.9 mm(圖1b)，最大降水強度92.3 mm/h，降水持續(xù)時間達16 h。圖2給出的天津地區(qū)3 個國家級觀測站點25 日14 時至26 日13 時的逐小時雨量可以明顯看出降水的間歇性，主要分為兩個階段，第一階段為25 日14 時～26 日01 時，此時由于副高位于天津中部附近，強降水主要出現(xiàn)在天津北部，最大雨強出現(xiàn)在此階段；第二階段為26 日02 至12 時，此時副高東撤，天津北部降水減弱，南部處在副高邊緣，造成天津南部大暴雨(圖2b)。與7.21、7.26 兩次暴雨過程不同，7 月30 日至8 月1 日的暴雨過程呈現(xiàn)“過程緩、強度小”的特點，即降水過程持續(xù)時間緩慢，從7 月30 日20 時至8 月1 日19 時降水徹底結(jié)束，該過程雨強較小，沒有出現(xiàn)雨強大于30 mm/h 的短時強降水。

圖2 3次暴雨過程代表站逐時雨量變化(單位：mm)Fig.2 Hourly rainfall changes at representative stations(unit：mm)

1.2 天氣形勢

暴雨的發(fā)生發(fā)展與高低空天氣系統(tǒng)的有利配置是密不可分的。7.21 暴雨過程為典型的華北暴雨形勢(圖3a)，高低空系統(tǒng)相耦合為本次降水過程的發(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件，特別是低層低渦及切變線移至高空強輻散流場下并與其耦合是直接誘因。實際上低渦在20 日已經(jīng)在西北地區(qū)形成，此時雖然在華北地區(qū)上空已經(jīng)存在高空輻散流場，但由于低渦位置偏西，且處于高空急流核出口區(qū)右側(cè)，不利于對流發(fā)生，21 日隨著低渦東移，強度逐漸加強，高空急流核也快速東移，低渦處于高空急流入口區(qū)右側(cè)，在適宜的水汽和熱力條件下容易觸發(fā)對流發(fā)生發(fā)展。因此，7.21 暴雨過程更符合低槽冷鋒型。值得注意的是，7.21 暴雨過程中海南及兩廣等地受2012 年第8 號臺風“韋森特”強烈影響，臺風活動可能也對本次華北暴雨產(chǎn)生一定的影響。

7.26 大暴雨過程為副高邊緣型，500 hPa 高空圖上中高緯為典型的“兩槽一脊”形勢，形成有利于華北暴雨的東高西低形勢(圖3b)，天津處于槽前和副高西北邊緣的西南暖濕氣流頂端，對水汽輸送十分有利。25 日夜間，當副高減弱東退時，來自孟加拉灣的水汽源源不斷輸送到華北平原東部，加上高空槽后弱冷空氣侵入導致副高邊緣冷暖空氣交匯共同觸發(fā)本次暴雨過程。

7 月30 日20 時華北地區(qū)位于500 hPa 高空淺槽前偏西氣流控制，副高588 hPa 線偏東(圖3c)，低層850 hPa 和700 hPa 上存在暖切變線位于河北南部山東北部地區(qū)，天氣系統(tǒng)呈明顯的后傾結(jié)構(gòu)，這也是7.31 過程以連續(xù)性穩(wěn)定降水為主的重要原因之一。在這次降水過程發(fā)生時，華南和華東地區(qū)分別受到“蘇拉”和“達維”雙臺風的影響，這在華北暴雨與臺風相互關系研究中還是非常特殊的。

通過以上分析可知，3 次暴雨過程的影響系統(tǒng)各不相同，7.21 過程影響系統(tǒng)為高空槽配合地面冷鋒暴雨，7.26 過程為副高邊緣型暴雨，而7.31 過程則為暖切變線暴雨。以下通過多普勒天氣雷達、風廓線雷達具體分析3 次過程的差異性特征。

圖3 3次暴雨過程NCEP再分析天氣形勢合成圖(風速≥40 m/s表示200 hPa高空急流(箭矢線)，風速≥12 m/s表示850 hPa的低空急流(風標)，實線代表500 hPa等位勢高度線，單位：10 gpm)Fig.3 Composite synoptic diagrams from NCEP reanalysis data(wind velocity greater than 40 m/s represents upper-level jet stream at 200 hPa(arrows)；wind velocity greater than 12 m/s represents lower-level jet stream at 850 hPa(barbs)；solid line is the geopotential height at 500 hPa(unit：10 gpm))

2 雷達產(chǎn)品特征及差異性分析

2.1 雷達反射率因子特征

雷達資料來源于天津塘沽的多普勒雷達(39°02′38″N，117°43′01″E)，圖4 給出了3 次暴雨過程雷達組合反射率因子分布特征，無論是回波強度還是回波形態(tài)特征都顯著不同。7 月21 日20：00 時強回波中心以帶狀形式自西北向東南方向影響天津市，帶狀回波在東移南壓過程中強度不斷增強，與此同時，天津西南部的塊狀回波不斷發(fā)展為帶狀并緩慢東移，在22 日02：42 時前后與北支強回波合并為“人”字型回波(圖4a2)，隨后又演變?yōu)榫€狀強回波(圖4a3)，其中心強度大于55 dBZ，該時段也是天津降水最為集中的幾個時段?？梢钥闯觯撨^程雷達回波演變可分為帶狀回波-“人”字型回波-線狀回波3 個階段。22 日06 時后隨著回波減弱東移入海，天津地區(qū)降水也基本結(jié)束。

圖4 3次暴雨過程天津雷達組合反射率因子圖(單位：dBZ)Fig.4 Reflectivity factor maps of by Tianjin Doppler radar(unit：dBZ)

7 月25 日20 時開始，塊狀回波開始影響天津市，回波系統(tǒng)緩慢東移并有組織地排列形成所謂的“列車效應”。這種多單體雷暴在暖切變暖區(qū)一側(cè)或低空急流等天氣系統(tǒng)引發(fā)的對流性暴雨過程中較為常見[13-15]。在25 日20 時以后出現(xiàn)的強降雨中，降水回波呈西南—東北向(圖4b1～b3)，對流云團不斷從雷達站西部100 km 處生成，強度45～55 dBZ，向東北方向移動，新單體逐漸代替其前部的舊單體，可見降水系統(tǒng)中的單體移動和傳播此消彼長，造成天津北部強降水，即第一階段降水。天津中南部強降水集中在26 日凌晨開始至上午，雷達反射率因子圖上呈現(xiàn)出2 個列車效應(圖4b3 中藍色A 和紅色B)，對流單體反復經(jīng)過天津中南部，造成津南、大港等區(qū)縣極端降水，即第二階段降水?；夭ň晕髂衔飨驏|北東移動，強度維持在45～55 dBZ，最大62 dBZ，1 h 后兩條回波帶合并，范圍加寬，布滿雷達站的西南方向，強度維持不再加強。兩階段表現(xiàn)出的回波列車效應與逐時降水量演變(圖2b)非常吻合。

7 月30 日至8 月1 日，天津地區(qū)存在著大片以層狀云為主的回波(圖4c1～c3)，比較均勻且緩慢東移，強度基本在35 dBZ 以下，部分為35～40 dBZ。因此該過程始終以穩(wěn)定性降水為主，無強對流現(xiàn)象產(chǎn)生。

基于塘沽多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)，對比分析3 次暴雨過程雷達垂直剖面圖(圖5)，可以比較3 次降水過程的不同性質(zhì)。7.21 暴雨過程顯示強降水區(qū)域超過35 dBZ 的雷達反射率因子高度較低，僅為3 km 左右，22 日02 時反射率因子大于50 dBZ 的強回波中心所在高度僅位于3 km 以下，但造成了如此強的短時強降水，這顯示對流系統(tǒng)的降水效率非常高，與大陸型的高反射率高回波頂?shù)膹妼α飨到y(tǒng)完全不同，而類似于熱帶海洋對流系統(tǒng)的雷達反射率因子分布特征，即呈現(xiàn)出低質(zhì)心、高效率的結(jié)構(gòu)特征。其形成可能與這次降水的水汽來源一部分來自熱帶環(huán)流有關，另一方面與風向、風速的垂直分布也有一定關系。

7.26 過程強度50 dBZ 以上強回波中心高度伸展至0 ℃層高度以上，可達5～8 km，回波呈高質(zhì)心結(jié)構(gòu)特征，對流發(fā)展深厚，如圖5 所示。26 日05：36 時50 dBZ 以上強回波伸展高度達6.5 km(26 日08 時0 ℃層高度為5 160 m，-20 ℃層高度為8 483 m)，且高懸強回波(回波懸垂)之下存在有界弱回波區(qū)(BWER)，表明存在強烈的上升氣流。

7.31 過程為典型的層狀云降水回波，回波高度介于3～6 km，強度在35 dBZ 左右，為穩(wěn)定性降水。由于系統(tǒng)穩(wěn)定少動，持續(xù)時間長，同樣造成了天津地區(qū)暴雨天氣過程。

圖5 3次暴雨過程塘沽雷達反射率因子剖面圖(單位：dBZ)Fig.5 Cross section of radar reflectivity factor(unit：dBZ)

2.2 對流層中層水平流場結(jié)構(gòu)分析

Segman[16]在一次強風暴研究中發(fā)現(xiàn)5 km 高度存在雙渦式結(jié)構(gòu)。Eagleman等[17]利用雙多普勒雷達研究1974 年6 月8 日一次強對流風暴時，發(fā)現(xiàn)5～6 km 高度存在雙渦式結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)進行了模型構(gòu)建。圖6 給出了3 次過程對流層中層反射率和平均徑向速度PPI 圖?？梢钥闯? 月22 日02：12 時2.4°仰角的徑向速度和反射率因子圖中存在中尺度氣旋(圖6a1，黑色圓圈)，其旋轉(zhuǎn)速度為24 m/s，屬于強中氣旋。徑向速度圖中氣旋的右前側(cè)是氣旋式旋轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為單渦式的氣旋旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定維持造成了天津多個站點出現(xiàn)短時暴雨。7.26 過程(圖6b1、b2)對流單體的右前側(cè)氣旋式旋轉(zhuǎn)，正負徑向速度差值約16 m/s，右后側(cè)同時存在反氣旋式旋轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)類似于雙渦管式的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。這種深厚的內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)可與環(huán)境風相持，形成近似剛體的風暴柱，環(huán)境風繞風暴而過，不會吹穿風暴，使得風暴可以維持一段時間。該結(jié)構(gòu)的形成解釋了津南26 日09 時和10 時的小時雨強分別達64.5、41.8 mm/h 的原因。7.31 過程(圖6c1、c2)平均徑向速度場并無明顯的旋轉(zhuǎn)特征，該過程沒有明顯的對流特征，以穩(wěn)定性降水為主。

通過比較7.21 和7.26 兩次過程對流層中層水平流場結(jié)構(gòu)可知，強對流單體流場除了垂直方向的對流結(jié)構(gòu)外，單體中層水平氣流表現(xiàn)為不同的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)可分為單渦式和雙渦管式旋轉(zhuǎn)兩種結(jié)構(gòu)。

圖6 3次暴雨過程中層基本反射率因子及平均徑向速度PPI圖(黑色圓圈為雷達產(chǎn)品識別的中氣旋)Fig.6 Radar basic reflectivity(left panels) and radial velocity PPI maps(right panels)(Black circle marks the location of mesocyclone)

2.3 垂直積分液態(tài)含水量特征

CINRAD/SA 雷達的垂直積分液態(tài)含水量(VIL)產(chǎn)品計算公式[18]為：

式中：Zi為第i 層高度上的雷達發(fā)射率因子，△hi為第i 層和第i+1 層之間的高度差，n 為體積掃描的層數(shù)，VIL 值與反射率因子、強回波的厚度、回波高度有關，但反射率因子的最大閾值為 55 dBZ，超過55 dBZ 的仍按55 dBZ 計算。

20 世紀80 年代以后VIL 已成為美國天氣雷達判別強對流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災害性天氣的一種有效工具[19]。王煒等[20]運用VIL 對天津地區(qū)的強對流天氣過程進行了分析總結(jié)，并利用多元回歸方法建立了預報方程。目前VIL 主要用于判別強對流天氣造成的冰雹、災害性大風等[21]，而將VIL 應用于判別短時強降水的研究較少。

由圖7a 可以看出，7.21 過程存在3 次明顯的VIL 最大值躍增現(xiàn)象，即21 日22：00 至22：12 時從26 kg/m2增加到44 kg/m2，而由圖2(a)可知，薊縣站21 日23 時的小時雨量達52.9 mm；第2 次躍增發(fā)生在22 日0：36 至1：00 時，從31 kg/m2增加到44 kg/m2，與之對應的是北辰站22 日02 時的小時雨量達到62.1 mm；最后一次發(fā)生在01：54 至02：18時，從29 kg/m2增加到40 kg/m2，隨后北辰站在03 時以及寧河站在 04 時的小時雨量分別為 60.1、68.5 mm。VIL 最大值的3 次躍增較3 次短時暴雨分別提前了48、60、42 min。

從7.26 過程VIL 最大值的演變圖中也可看出，該過程分為兩個階段。第一階段存在兩次較明顯的躍增，25 日20：30 至21：00 時從48 kg/m2增加至64 kg/m2以及22：48 至22：54 時從45 kg/m2增至60 kg/m2，該階段主要造成天津北部地區(qū)較強降水，其中北辰站25 日22 時的小時雨量為46.2 mm，VIL最大值提前1 h 有所表征。第二階段則存在3 次明顯的躍增現(xiàn)象，天津南部降水從26 日04 時開始明顯加強，其中大港站在05 至08 時雨強分別為32.3、51.2、33.1、48.2 mm/h，均達到短時強降水標準，VIL 最大值的3 次躍增較3 次短時強降水分別提前42、36、48 min。注意到，津南站在26 日09 時和10 時的小時雨量分別為64.5、41.8 mm，但VIL 最大值卻維持在30 kg/m2的低值區(qū)。

7.31 過程VIL 最大值穩(wěn)定維持在30 kg/m2左右(圖7c)，峰值僅為38 kg/m2，這也體現(xiàn)了該過程為穩(wěn)定性降水的特征。

通過以上分析可知，VIL 最大值對短時強降水等強對流天氣具有一定的指示意義。當然短時強降水均在一定的環(huán)流背景條件下出現(xiàn)，而VIL 產(chǎn)品只是雷達監(jiān)測強天氣產(chǎn)品中的一種，在短時臨近預報工作中還應綜合雷達其他產(chǎn)品和氣象資料，并結(jié)合當時的天氣背景和當?shù)貙崨r條件，盡量做出準確的強對流天氣的短時臨近預報和服務。

圖7 3次過程垂直液態(tài)水含量VIL最大值的時間演變圖(單位：kg·m2)Fig.7 Temporal evolution of maximum of VIL(unit：kg·m2)

3 風廓線特征分析

風廓線儀是晴空探測脈沖多普勒雷達，采用微波遙感技術應用多普勒原理不間斷地提供可探測高度范圍內(nèi)的大氣水平風場、垂直氣流、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等隨高度的分布。通過風廓線資料可以詳細分析出暴雨過程與低空急流、邊界層急流、邊界層擾動等的相互關系。本文主要應用寶坻和塘沽兩部風廓線資料，資料時間分辨率6 min，垂直方向有59 層，最高達5 000 m，空間分辨率900 m 以下每50 m 一個間隔，900 m 以上每100 m 一個間隔。

3.1 7.21過程風廓線特征

從風廓線資料的分析中發(fā)現(xiàn)，21 日16：18 時2 km 附近開始出現(xiàn)風速大于16 m/s 的偏南低空急流(圖8a，紅色方框)，之后一直持續(xù)并不斷向1 500 m高度擴展，至19：18 時偏南急流逐漸轉(zhuǎn)為西南急流，而從19：30 時開始1 500 m 以下開始出現(xiàn)風速大于16 m/s 的東南風，并不斷向邊界層和近地面層200 m高度附近下傳，且強度逐漸增強，此時薊縣已經(jīng)開始出現(xiàn)小雨?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是低空西南急流還是邊界層東南急流都有從高層向低層伸展的特點。20：48 時開始，100 m 以下的近地面層存在一支東風急流，其風速大于20 m/s，該急流一直持續(xù)至22：24 時消失(中間有缺測時段)。因此在該時段內(nèi)，邊界層底層存在冷平流，而對流層低層則存在暖平流。該東風急流的出現(xiàn)相對薊縣22～23 時52.9 mm 短時暴雨提前近2 h。劉淑媛等[12]研究的華南暴雨過程中低空急流與暴雨的關系，認為強降水前1～2 h 有低空急流出現(xiàn)。與之相比，7.21 過程中低空西南急流以及邊界層東南急流提前時段較長，而近地面層東風急流對短時強降水的指示意義更明顯。

22 日0：42 開始，500～1 500 m 出現(xiàn)西南與南風的暖切變(圖9a，黑色實線)，與此同時，200 m 以下的近地面層出現(xiàn)了偏東風與東北風的冷切變，即近地面層和邊界層同時存在的雙切變線是觸發(fā)7 月22 日凌晨天津強降水的重要中小尺度天氣系統(tǒng)；02：54 時在200 m 高度附近出現(xiàn)東北風與東南風的切變線(圖9b，黑色實線)。22 日0：36 時開始150 m 以下出現(xiàn)了風速大于20 m/s 的偏東風隨后轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北風，風速甚至大于30 m/s，持續(xù)至01：06 時，持續(xù)時間達0.5 h。雙切變和東風急流共同造成了北辰站01～03 時的強降水，其小時雨強分別達到43.4、62.1、60.1 mm/h。此時天津地區(qū)強降水已自北向南全面開始，且強度也逐漸增強，多個基本站出現(xiàn)小時雨量大于50 mm 的短時暴雨。隨著強降雨的發(fā)展加強，低空西南急流也在加強，邊界層東南急流逐漸轉(zhuǎn)為南風急流，風速增加到20 m/s 以上，02：42 時開始出現(xiàn)風速大于30 m/s 的南風急流(圖9b)，且其強度和范圍進一步加大，至04：00 時750 m 高度出現(xiàn)大于50 m/s的大風速區(qū)，由此造成寧河04 時68.5 mm/h 的短時暴雨。通過以上分析可以推測，強降水與低空急流是相互促進協(xié)同發(fā)展的。

圖8 7月21日3 000 m高度塘沽站風廓線圖Fig.8 Wind profilers at Tanggu station(3 000 m high)

圖9 7月22日1 500 m高度塘沽站風廓線圖Fig.9 Wind profilers at Tanggu station(1 500 m high)

3.2 7.26過程風廓線特征

7.26 暴雨過程主要集中在兩個階段，分別出現(xiàn)在25 日20 至26 日01 時以及26 日02 至12 時。由圖10a 看出，25 日15 時開始200 m 以下近地面層出現(xiàn)風速大于25 m/s 的東北風，一直持續(xù)至15：36 時結(jié)束，形成雙層急流結(jié)構(gòu)(1 300～2 000 m 和 50～200 m)，隨之在300 m 高度附近又出現(xiàn)了西南與東北風的輻合線，由此帶來了北辰站 16 時出現(xiàn)的18.3 mm/h 降水。風速大于16 m/s 的西南低空急流從25 日的16：48 開始建立，之后始終維持并擴展至邊界層，由此提供了強盛的西南水汽輸送。并且可以發(fā)現(xiàn)，低空急流具有從低層向高層傳播的特征，這與7.21 過程急流的傳播方向剛好相反。強降水發(fā)生的第一階段在25 日22：30 至22：48 的18 min 內(nèi)200 m 以下的近地面層存在風速大于35 m/s 的東北風，與自動站加密監(jiān)測顯示的天津地面東北冷空氣滲入相對應，說明強降水第一階段有冷池的形成，即在此階段同樣也形成了雙層急流結(jié)構(gòu)，而在21：30 至22：00 是北辰站降水最強的時段，雙低空急流滯后近1 h。

圖10 7月25日1 500 m高度26日4 000 m高度塘沽風廓線儀連續(xù)觀測圖塘沽風廓線儀連續(xù)觀測圖Fig.10 Evolution of vertical wind profile detected by wind profiler(1 500 and 4 000 m high)

7.26 過程強降水第二階段集中在26 日凌晨開始持續(xù)至中午，中低空急流始終存在，這也說明急流的出現(xiàn)始終先于強降水的發(fā)生。降水第二階段在風場上的重要特點是存在近地面層-邊界層-對流層低層的擾動傳播，風廓線資料捕捉到了強降水發(fā)生時低空一系列的中尺度擾動信息。由圖10a 看出，26 日01：06 時近地面層100 m 以內(nèi)存在西南風與西北風的輻合，隨后擾動逐漸增強并向上層發(fā)展，01：42 時左右在200 m 附近以及01：54 時在300 m 附近分別發(fā)生了第2 次和第3 次擾動，到02：00 時擾動發(fā)展到600～800 m 高度，且隨著急流的增強該擾動強度亦有所增強。但這4 次擾動僅止于近地面層至邊界層內(nèi)，并沒有向?qū)α鲗觽鞑?，也沒有繼續(xù)發(fā)展起來，持續(xù)時間約54 min，邊界層很快又恢復一致的西南風，該擾動帶來的結(jié)果使得靜海站在02～03 時以及03～04 時分別產(chǎn)生了33.6、50.3 mm 的短時強降水。研究表明[22]，大多數(shù)風暴都起源于邊界層輻合線附近，此處的大氣垂直層結(jié)有利于對流發(fā)展，易生成風暴。04：42 時開始2 500 m 附近再次出現(xiàn)擾動輻合(圖10b)，此前位于2 000 m 高度的西南風風速加大，低空急流區(qū)向上發(fā)展，該擾動就發(fā)生在風速加大的高度，這與02：00 時邊界層內(nèi)的擾動因急流增強而產(chǎn)生是一致的，可見擾動正是發(fā)生在急流傳播的方向上，是由低空急流迅速加強而導致的。05：00 時發(fā)生第二次低層擾動，距離前一次低層擾動發(fā)生不足20 min。接連的擾動輻合導致天津南部強降水，大港站04～05 時的小時雨量達32.3 mm，為短時強降水。05：24 時發(fā)生的第3 次擾動的發(fā)生與前兩次不同，前兩次是在暖區(qū)中主要由風速輻合誘發(fā)，而這一次則是由于中低空弱西北冷空氣侵入，05：24 時2 800 m 高度由西南風轉(zhuǎn)為西北風，冷空氣向下擴散，約0.5 h后到達1 500 m 附近，伴隨著冷空氣向下擴散，擾動也向下傳播，05：48 時1 900 m 高度附近產(chǎn)生第4 次擾動，由此造成大港站 05～06 時的小時雨量達51.2 mm。此后2 h 為擾動的間歇期，其間沒有明顯的擾動發(fā)生，降水相對穩(wěn)定。08：18 時隨著西北冷空氣勢力再次有所加強，并分別向上、下擴散(圖10c、d)，新一輪擾動再度被激發(fā)(圖10c，棕色橢圓)，幾分鐘后迅速向上傳播到3 500～4 000 m 高度。這一系列接連不斷的擾動在時間上幾乎是無縫隙的過程，尺度非常小，發(fā)生發(fā)展也十分迅速，從 08：18 時到10：36 時，持續(xù)約2 h，其間造成大港06～08 時的累計雨量達81.3 mm，津南09 時和10 時的雨強分別達到64.5、41.8 mm/h。

通過上述分析可知，7.26 過程2 個強降水階段在低層風場信息方面表現(xiàn)為不同的特征。第一階段表現(xiàn)為分別出現(xiàn)在近地面層－邊界層和邊界層－對流層低層的雙層急流結(jié)構(gòu)，急流具有從低層向高層傳播的特征；第二階段表現(xiàn)則為輻合擾動自近地面層向邊界層再向?qū)α鲗拥蛯拥膫鞑ヌ卣?。但急流與擾動是密切相關的，擾動正是發(fā)生在急流傳播的方向上，是由低空急流迅速加強而導致。

3.3 7.31過程風廓線特征

與7.21 和7.26 過程明顯不同，7.31 整個降水過程不存在低空偏南急流，如圖11 所示，30 日20：18 時開始在500～1 500 m 的邊界層出現(xiàn)風速大于25 m/s的東北風急流，但該邊界層急流僅維持0.5 h 消失，之后則穩(wěn)定維持邊界層偏東風低空西南風的暖平流。31 日0：36 時在1 000 m 高度附近的邊界層再次出現(xiàn)風速大于16 m/s 的東風急流，該急流于01：12 時消失，較30 日出現(xiàn)的強度弱，之后則無急流出現(xiàn)。由此可見，7.31 過程除了短暫出現(xiàn)的邊界層偏東急流之外，既無低空急流的出現(xiàn)，也沒有低層風場輻合現(xiàn)象，這也是本次過程為穩(wěn)定性降水的重要原因，即穩(wěn)定持續(xù)的低空急流或邊界層急流是短時強降水或短時暴雨發(fā)生的必要條件之一。

圖11 7月30至31日3 000 m高度寶坻站風廓線儀連續(xù)觀測圖Fig.11 Evolution of vertical wind profile detected by wind profiler(3 000 m high)

4 結(jié) 論

多普勒天氣雷達、風廓線儀和加密自動站等觀測資料為深入了解中小尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，掌握強對流天氣的短時臨近預報預警技術提供了事實依據(jù)。本文對發(fā)生在2012 年7 月下旬天津沿海地區(qū)的3 次災害暴雨過程進行了深入對比分析，得出以下主要結(jié)論：

①盡管3 次暴雨過程均屬于典型的華北暴雨形勢，但3 次過程的天氣形勢各不相同。7.21 過程為高空低槽伴隨地面冷鋒型暴雨；7.26 過程屬于副高邊緣型暴雨；7.31 過程則是低層暖切變型暴雨。值得注意的是，7.21 和7.31 兩次過程發(fā)生時均受臺風影響，臺風對天津地區(qū)暴雨是否有影響以及其作用是否相同都是值得進一步研究的。

②次暴雨過程在雷達反射率因子、徑向速度和垂直液態(tài)水含量(VIL)特征方面均有所差異。7.21 過程雷達回波演變可分為帶狀回波-“人”字型回波-線狀回波3 個階段，呈低質(zhì)心高效率的結(jié)構(gòu)特征；7.26 過程可分為兩個階段，分別造成天津北部和中南部強降水，強回波呈高質(zhì)心結(jié)構(gòu)特征，且存在回波懸垂和有界弱回波區(qū)；7.31 過程為穩(wěn)定性降水。

③中層水平流場結(jié)構(gòu)方面，7.21 和7.26 分別為單渦式和雙渦式的氣旋旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，7.31 則無明顯的旋轉(zhuǎn)特征。7.26 過程VIL 值最大，7.21 過程次之，7.31過程最小，7.21 和7.26 過程VIL 最大值均存在躍增現(xiàn)象，且7.21 過程VIL 最大值的躍增對短時強降水有較好的指示意義。

④7.21 過程近地面層東風急流對該過程短時強降水的指示意義更明顯，近地面層和邊界層同時存在的雙切變線是7.21 過程的又一特征；7.26 過程強降水的兩個階段分別具有雙層低空急流及擾動由近地面層-邊界層-對流層低層的傳播特征，且急流與擾動是密切相關的，擾動是由急流迅速加強導致的；7.31過程既無低空急流的出現(xiàn)，也沒有低層風場輻合現(xiàn)象。