一次極端降水的中尺度雨團(tuán)分析

武威 顧佳佳

(1 漯河市氣象局，河南 漯河 462300；2 沙潁河流域氣象中心，河南 漯河 462300；3 漯河市霧霾監(jiān)測(cè)預(yù)警工程技術(shù)研究中心，河南 漯河 462300)

引 言

隨著全球氣候變暖及城市化快速發(fā)展，極端降水事件日趨頻發(fā)。極端降水空間尺度小、強(qiáng)度大、對(duì)流性質(zhì)明顯，對(duì)人類和社會(huì)危害極大，已成為全社會(huì)的焦點(diǎn)。諸多學(xué)者從極端降水氣候態(tài)特征[1-2]、時(shí)空分布特征[3-4]、天氣系統(tǒng)成因[5-6]、模式預(yù)報(bào)[7-8]、城市化影響[9-10]等方面做了研究，取得了豐碩的成果。

近年來(lái)隨著觀測(cè)資料豐富、數(shù)值模式發(fā)展，對(duì)極端強(qiáng)降水的研究逐漸由大尺度形勢(shì)轉(zhuǎn)向中小尺度，方翀等[11]、陳明軒等[12]、陶祖鈺等[13]從多角度對(duì)北京“7.21”大暴雨展開(kāi)了研究，落腳點(diǎn)都在中尺度對(duì)流系統(tǒng)上，大量研究也表明，極端暴雨過(guò)程往往伴有明顯的中尺度對(duì)流特征[14-16]，受常規(guī)觀測(cè)資料分辨率限制，利用衛(wèi)星云圖、天氣雷達(dá)以及地面加密觀測(cè)分析是中尺度分析的重要途徑。蘇愛(ài)芳等[17]研究紅外云圖上中尺度對(duì)流系統(tǒng)初生、發(fā)展和旺盛階段是強(qiáng)降水的集中時(shí)期。張家國(guó)等[18]研究認(rèn)為極端降水與地面中尺度氣旋波擾動(dòng)有關(guān)，鋒前暖區(qū)對(duì)流單體發(fā)展起到關(guān)鍵作用。王金鑫等[19]總結(jié)得出中尺度地面渦旋特征對(duì)極端降水預(yù)報(bào)有較好的指示意義。趙慶云等[20]認(rèn)為地面輻合線對(duì)觸發(fā)中尺度對(duì)流有重要作用，對(duì)流系統(tǒng)的移速、方向上降水系統(tǒng)的尺度決定了對(duì)流降水的強(qiáng)度。

上述研究大多關(guān)于極端降水個(gè)例中強(qiáng)降水的中尺度特征，但中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)、維持和發(fā)展機(jī)理非常復(fù)雜，不同個(gè)例的中尺度組織結(jié)構(gòu)和觸發(fā)機(jī)制也往往不同，并且具有明顯的地域性，加之此前地面加密觀測(cè)資料匱乏，導(dǎo)致針對(duì)漯河地區(qū)的研究相對(duì)較少，對(duì)其精細(xì)化預(yù)報(bào)認(rèn)知也有限。2017年8月18日23時(shí)—19日08時(shí)(北京時(shí)，下同)漯河出現(xiàn)了幾十年一遇的極端降水天氣(簡(jiǎn)稱“8·19”)，漯河召實(shí)中站8.5 h降水量高達(dá)280.6 mm，刷新了自1975年以來(lái)日降水量最高紀(jì)錄。受其影響，漯河多地發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，受災(zāi)人口近12萬(wàn)，農(nóng)作物受災(zāi)面積260 km2，直接經(jīng)濟(jì)損失4 772萬(wàn)元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，河南省極端降水多集中在豫北太行山東麓。漯河市位于河南省中南部，伏牛山東麓平原和淮北平原交錯(cuò)地帶，地勢(shì)較平坦，暴雨或強(qiáng)降水與地形因素基本無(wú)關(guān)。那么極端降水量和極端雨團(tuán)如何形成？形成強(qiáng)降水的中尺度雨團(tuán)如何觸發(fā)？漯河地處平原地帶，形成的中尺度強(qiáng)雨團(tuán)為何不隨西南引導(dǎo)氣流北上而是長(zhǎng)時(shí)間維持準(zhǔn)靜止？

本文根據(jù)常規(guī)觀測(cè)資料、ECMWF ERA-Interim 0.125°×0.125°分析資料、FY-2G衛(wèi)星云圖和多普勒天氣雷達(dá)資料，利用形勢(shì)診斷和加密觀測(cè)資料相結(jié)合的方法，分析本次過(guò)程中尺度雨團(tuán)特征與極端降水關(guān)鍵成因，以進(jìn)一步提高對(duì)此類強(qiáng)降水的認(rèn)識(shí)。

1 降水概況特征

1.1 強(qiáng)降水極端性

2017年8月18日23時(shí)—19日08時(shí)，豫中地區(qū)出現(xiàn)了今年以來(lái)最強(qiáng)區(qū)域暴雨，其中以漯河地區(qū)最為顯著。漯河過(guò)程降水量分布(圖1a)平均達(dá)112.9 mm，24站大于50 mm，11站大于100 mm，兩站超過(guò)250 mm，暴雨中心位于召實(shí)中，降水量高達(dá)280.6 mm。此次暴雨為一次明顯的極端強(qiáng)降水，召實(shí)中(280.6 mm)、鄧襄(258.2 mm)、后謝(241.1 mm)、雙匯(235.2 mm)、漯河(211.3 mm)等降水量均突破自1975年以來(lái)日降水量極值。從強(qiáng)降水中心召實(shí)中、鄧襄兩站的逐時(shí)降水量與累計(jì)降水量(圖1b、c)可知，本次過(guò)程不僅累計(jì)降水量極端，小時(shí)雨強(qiáng)也較極端，強(qiáng)降水主要集中在19日02—07時(shí)，雨強(qiáng)普遍在30～60 mm之間，較強(qiáng)的對(duì)流性降水是本次極端暴雨的重要部分，召實(shí)中02—03時(shí)小時(shí)降水量達(dá)81.0 mm，較為罕見(jiàn)，刷新單站雨強(qiáng)記錄。對(duì)暴雨級(jí)以上強(qiáng)度的各站點(diǎn)不同雨強(qiáng)貢獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)(表1)分析：對(duì)于100 mm以上的大暴雨來(lái)說(shuō)，≥20 mm·h-1、≥30 mm·h-1、≥40 mm·h-1和≥50 mm·h-1的小時(shí)降水量分別占總降水量的54.7%、47.7%、33.1%和27.4%；對(duì)200 mm以上的大暴雨，≥30 mm·h-1、≥40 mm·h-1和≥50 mm·h-1的小時(shí)降水量分別占總降水量的63.1%、54.5%和38.8%，也說(shuō)明了本次降水極端特征明顯。由此可見(jiàn)，本次強(qiáng)降水過(guò)程范圍廣、強(qiáng)度大、降水時(shí)段集中，累積降水量與小時(shí)雨強(qiáng)均表現(xiàn)出明顯的極端特征。

圖1 2017年8月18日22時(shí)—19日08時(shí)漯河過(guò)程降水量分布(a)與召實(shí)中、鄧襄逐時(shí)(b)累計(jì)降水量分布(c)(單位:mm)Fig.1 The distribution of (a)accumulated precipitation and (b) hourly precipitation and (c) accumulative precipitation distribution ofShaoshizhong and Dexiang from 22∶00 BST on 18 to 08∶00 BST on 19 August 2017(unit:mm)

表1 不同小時(shí)雨強(qiáng)占總雨量百分比Table 1 The percentage of different hourly rainfall in total rainfall %

1.2 降水中尺度雨團(tuán)特征

分析過(guò)程逐時(shí)降水雨團(tuán)特征(圖2)可知，18日22時(shí)(圖2a)漯河南部 (33.4°N， 113.7°E)附近有1號(hào)雨團(tuán)形成，水平尺度約25 km，中心雨強(qiáng)達(dá)50.7 mm·h-1，形成β中尺度超強(qiáng)雨團(tuán)，該暴雨雨團(tuán)穩(wěn)定少動(dòng)，導(dǎo)致附近1～2 h迅速達(dá)到暴雨；2號(hào)雨團(tuán)在(34.1°N，113.5°E)附近初生，3、4、5號(hào)雨團(tuán)陸續(xù)在(34°N， 114.75°E)附近生成，水平尺度均在20 km以下，表現(xiàn)出典型的γ中尺度特征。18日23時(shí)(圖2b)，1號(hào)雨團(tuán)強(qiáng)度減弱，2號(hào)雨團(tuán)迅速發(fā)展并南下至漯河，最大雨強(qiáng)72.6 mm·h-1，尺度擴(kuò)大到40 km左右，逐漸演變成β中尺度超強(qiáng)雨團(tuán)；3、4、5號(hào)雨團(tuán)隨中低層偏東氣流向西南逼近漯河，發(fā)展為β中尺度。19日00—01時(shí)(圖2c、d)，2號(hào)雨團(tuán)進(jìn)入漯河，其中心雨強(qiáng)多變；3、4、5號(hào)雨團(tuán)側(cè)向排列，形成雨帶A，其尺度約為90 km，并向西南移動(dòng)。19日02時(shí)(圖2e)，2號(hào)雨團(tuán)與中尺度雨帶合并，在漯河?xùn)|部發(fā)展成尺度近120 km的雨帶B，對(duì)流強(qiáng)降水發(fā)展強(qiáng)盛，實(shí)況上漯河進(jìn)入強(qiáng)降水集中時(shí)段。19日03—06時(shí)(圖2f—i)，雨帶B移動(dòng)緩慢，在漯河維持近4 h，最大雨強(qiáng)為81.0 mm·h-1，中心位于漯河召實(shí)中，該雨帶復(fù)雜，不僅有短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流性質(zhì)，也有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的大尺度降水特征；其中05—06時(shí)(圖2h—i)，在雨帶西側(cè)又有孤立雨團(tuán)7號(hào)生成，中心雨強(qiáng)達(dá)57.4 mm·h-1，導(dǎo)致局地強(qiáng)降水發(fā)生。19日07—08時(shí)(圖略)，7號(hào)雨團(tuán)逐漸消亡，雨帶B移出，強(qiáng)降水結(jié)束。結(jié)合表2統(tǒng)計(jì)分析，本次過(guò)程共有7個(gè)強(qiáng)暴雨雨團(tuán)生成發(fā)展，具有局地突發(fā)性、局地持續(xù)性、區(qū)域持續(xù)性等特點(diǎn)，形成的雨帶既有短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流性質(zhì)，也有時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣的大尺度降水特征，導(dǎo)致漯河極端降水發(fā)展。

圖2 2017年8月18日22時(shí)—19日06時(shí)(a—i)降水雨團(tuán)(單位：mm·h-1)逐時(shí)演變(1—7為雨團(tuán)編號(hào)；A、B為雨帶；★:漯河)Fig.2 Hourly variation of the rain (a-i; unit: mm·h-1) from 22∶00 BST on 18 to 06∶00 BST on 19 August 2017 (1-7 are the number of rain clusters；A and B are the rain belt；★:Luohe)

表2 2017年8月18—19日影響漯河地區(qū)的雨團(tuán)Table 2 The rain clusters affecting the Luohe from 18 to 19 on August 2017

2 大尺度環(huán)流背景與環(huán)境條件

2.1 環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng)

2017年8月18日08時(shí)(圖略)，500 hPa亞歐中高緯環(huán)流為兩槽一脊，兩槽分別位于烏拉爾山以東和日本海，蒙古至我國(guó)東北為高壓脊區(qū)，河套地區(qū)有脊前不穩(wěn)定小槽發(fā)展；副熱帶高壓脊線穩(wěn)定在25°N附近，河南位于其北部暖濕氣流中。18日20時(shí)(圖2a)，副熱帶高壓588線西伸北抬，西伸脊點(diǎn)達(dá)100°E以西，北界位于30°N附近；河套低槽東移，與副熱帶高壓邊緣暖濕氣流交匯，為強(qiáng)降水提供了有利的環(huán)流條件。20時(shí)(圖2b)，925 hPa上偏南暖濕氣流向豫中輸送水汽，并出現(xiàn)了明顯的風(fēng)速脈動(dòng)，其中漯河附近形成了偏南、東南與偏東風(fēng)輻合，濕舌明顯發(fā)展；850 hPa切變線北抬，其南側(cè)暖濕氣流顯著，豫中南處于T-Td≤2 ℃飽和區(qū)中；700 hPa上豫南地區(qū)有西南急流形成，急流核風(fēng)速≥18 m·s-1，提供了有利的水汽輻合條件和能量條件。同時(shí)，漯河附近處于200 hPa高空顯著分流區(qū)中，抽吸作用導(dǎo)致高層氣流輻散，有利于地面減壓形成倒槽。地面倒槽不斷向北發(fā)展，并與低層?xùn)|路擴(kuò)散的冷空氣交匯，斜壓性增強(qiáng)，有利于降水發(fā)展。由此可知，500 hPa河套低槽攜帶冷空氣東移，與副熱帶高壓邊緣西南暖濕氣流交匯，為本次過(guò)程提供了背景形勢(shì)，低層切變線及輻合線、地面倒槽為暴雨中尺度雨團(tuán)提供了動(dòng)力條件，低空急流則提供了充分的水汽和不穩(wěn)定能量，上述系統(tǒng)合理配置與其相互作用為極端降水的中尺度雨團(tuán)提供了有利的形勢(shì)條件。

圖3 2017年8月18日20時(shí)500 hPa等高線(單位：dagpm，粗黑線為槽線)與風(fēng)場(chǎng)(a)以及925 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)與中尺度分析(b)(★：漯河)Fig.3 (a)The height field (unit: dagpm， thick black line indicates trough) and wind fields at 500 hPa and (b)the wind field(barb，unit: m·s-1) at 925 hPa and the meso-scale analysis at 20∶00 BST on 18 August 2017 (★: Luohe )

2.2 探空分析

本次強(qiáng)降水區(qū)無(wú)探空站，河南鄭州探空站與對(duì)流降水區(qū)距離較遠(yuǎn)。通過(guò)對(duì)比2017年8月18日20時(shí)鄭州實(shí)況探空曲線，與根據(jù)ERA-Interim資料計(jì)算構(gòu)造的同時(shí)刻鄭州探空曲線(圖4a、b)發(fā)現(xiàn)，ERA-Interim資料構(gòu)造的探空與鄭州實(shí)況探空除了600 hPa附近露點(diǎn)略有差異，整體相似性較高，因此利用該資料構(gòu)造漯河本地的T-lnp(圖4c、d)分析本次極端降水的探空條件。8月18日20時(shí)(圖4c)漯河召實(shí)中低層850 hPa水汽近飽和，600～500 hPa上有干冷空氣侵入，上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)明顯，對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)形狀瘦弱狹長(zhǎng)，冰雹的可能性降低，對(duì)強(qiáng)降水發(fā)展有利；19日02時(shí)(圖4d)濕層明顯增厚，低層更加飽和、濕層增厚，整層高濕不僅降低了蒸發(fā)率，更有利于降低降水對(duì)抬升條件的要求，容易觸發(fā)強(qiáng)降水雨團(tuán)[21]。從圖4c、d中右側(cè)探空對(duì)流參數(shù)可知，18日20時(shí)—19日02時(shí)漯河中低層濕度逐漸增大，K指數(shù)從35增大到37；PW由53.8 mm增加到59.8 mm，接近極端暴雨的可降水閾值(60 mm)。18日20時(shí)CAPE達(dá)到2 318 J·kg-1，為中等偏上強(qiáng)度；到19日02時(shí)CAPE高達(dá)2 656 J·kg-1，不穩(wěn)定能量發(fā)展。對(duì)流抑制能(Convective Inhibitory Energy, CIN)則從30 J·kg-1降至5 J·kg-1，并且CIN高度也降至925 hPa附近，說(shuō)明不需要較強(qiáng)的低層輻合抬升就能夠突破對(duì)流抑制而使得對(duì)流發(fā)展。本次過(guò)程環(huán)境相對(duì)濕度越高、雨滴蒸發(fā)率越小，同時(shí)強(qiáng)降水前0 ℃層高度在550 hPa左右，降水單體主體在0 ℃層以下，云中粒子主要為水滴，降水以暖云為主，LCL高度降低導(dǎo)致暖云層厚度較厚，降水效率升高[22]。此外，由于整層風(fēng)場(chǎng)不強(qiáng)，0～6 km上垂直風(fēng)切變(0.9～1.3×10-3s-1)較小，對(duì)流單體不會(huì)發(fā)展太高形成云砧將水滴從高層擴(kuò)散出去，也容易形成低質(zhì)心高效率的降水。從雨強(qiáng)公式(R=q·ω·E)可知，雨強(qiáng)與低層比濕(q)、上升氣流(ω)和降水效率(E)成正比，本過(guò)程中CAPE較高，產(chǎn)生對(duì)流的上升氣流較強(qiáng)，同時(shí)近地層比濕大，因此強(qiáng)降水期間雨強(qiáng)很大，這也解釋了本過(guò)程極端雨團(tuán)的原因。

圖4 2017年8月18日20時(shí)鄭州站實(shí)況T-lnp圖(a)，ERA-Interim資料構(gòu)造的同時(shí)刻鄭州T-lnp圖(b)以及8月18日20時(shí)(c)、19日02時(shí)(d)漯河召實(shí)中T-lnp圖(實(shí)線為狀態(tài)曲線；虛線為層結(jié)線；點(diǎn)線為露點(diǎn)線)Fig.4 (a)The live T-lnp diagram at Zhengzhou station， (b)model T-lnp of Zhengzhou structured by ERA-Interim data at 20∶00 BST on 18，T-lnp diagram of Luohe Shaoshizhong at (c) 20∶00 BST on 18 and (d) 02∶00 BST on 19 August 2017(solid line expressed status curve;long dash expressed temperature sounding and dotted expressed dew-point sounding)

3 衛(wèi)星云圖和天氣雷達(dá)特征

3.1 中尺度對(duì)流云團(tuán)分析

將水平尺度在20～200 km、生命史6 h以上、云頂亮溫(Tbb)≤-52 ℃且最大冷云罩偏心率≥0.7的中尺度對(duì)流云團(tuán)定義為MβCS。圖5為FY-2G紅外1通道云圖數(shù)據(jù)Tbb演變特征，可知，18日21時(shí)(圖5a)隨著低層西南暖濕氣流增強(qiáng)，豫西南附近有對(duì)流云團(tuán)A生成發(fā)展，Tbb中心≤-62 ℃；同時(shí)夜間邊界層風(fēng)速增大，輻射冷卻增強(qiáng)，豫東對(duì)流不穩(wěn)定性加強(qiáng)，850 hPa暖切變線北部有對(duì)流云團(tuán)B形成，云頂Tbb≤-42 ℃。18日23時(shí)(圖5b)對(duì)流云團(tuán)A明顯發(fā)展，伴有23.8 mm·h-1的強(qiáng)降水，并在強(qiáng)西南氣流引導(dǎo)下向北移動(dòng)；云團(tuán)B隨低層切變線前側(cè)偏東氣流西移南壓。到19日01時(shí)(圖5c)云團(tuán)A加強(qiáng)東北移，云團(tuán)B進(jìn)一步南下，兩云團(tuán)在漯河?xùn)|南附近合并發(fā)展，中心強(qiáng)度達(dá)-52 ℃，水平尺度達(dá)180 km，演變成β中尺度對(duì)流系統(tǒng)C，導(dǎo)致漯河本站01—02時(shí)出現(xiàn)31.1 mm·h-1的強(qiáng)降水。19日03時(shí)(圖5d)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)C發(fā)展加強(qiáng)，-52 ℃的冷云團(tuán)核心區(qū)增大，橢圓狀結(jié)構(gòu)清晰，其西北側(cè)(漯河)梯度較高，造成召實(shí)中81.0 mm·h-1的極端小時(shí)雨強(qiáng)。19日05—08時(shí)(圖5e、f)MβCS持續(xù)發(fā)展，冷云體中心近似于圓形，其云團(tuán)附近多站點(diǎn)雨強(qiáng)在50 mm·h-1以上，強(qiáng)降水維持發(fā)展。綜上，本次極端強(qiáng)降水與MβCS穩(wěn)定維持密切相關(guān)，形成強(qiáng)降水的兩個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)中，一個(gè)隨槽前暖濕氣流東移北上，一個(gè)沿低層切變線南壓，兩云團(tuán)相向而行在漯河合并發(fā)展為MβCS，不同于以往河南地區(qū)暴雨過(guò)程中云團(tuán)“同向合并”的過(guò)程，MβCS穩(wěn)定少動(dòng)可能是本次過(guò)程中尺度雨團(tuán)爆發(fā)與極端降水形成的重要原因之一。廖移山等[23]在研究山東大暴雨過(guò)程中分析過(guò)積云遭遇合并現(xiàn)象，指出對(duì)流云團(tuán)相向合并明顯提高了降水效率，與本次過(guò)程云團(tuán)發(fā)展類似，有利于強(qiáng)降水增幅，對(duì)此類相關(guān)個(gè)例有重要參考作用。

圖5 2017年8月18—19日Tbb演變特征(單位：℃)：(a)18日21時(shí)；(b)18日23時(shí)；(c)19日01時(shí)；(d)19日03時(shí)；(e)19日05時(shí)；(f)19日08時(shí)Fig.5 Evolution characteristics of Tbb during 18 to 19 on August 2017 at: (a) 21∶00 BST on 18；(b)23∶00 BST on 18；(c)01∶00 BST on 19；(d)03∶00 BST on 19；(e)05∶00 BST on 19；(f)08∶00 BST on 19

3.2 天氣雷達(dá)回波分析

由2017年8月19日02∶30—06∶12間隔30 min駐馬店多普勒天氣雷達(dá)組合反射率(圖6a—f)可知，強(qiáng)降水期間大片45～55 dBZ的對(duì)流性強(qiáng)回波在漯河附近穩(wěn)定維持。在整個(gè)MβCS緩慢南壓過(guò)程中，低空急流左前方輻合區(qū)不斷觸發(fā)漯河新生對(duì)流，強(qiáng)降水單體明顯增加、強(qiáng)度發(fā)展，并向東北移動(dòng)，同時(shí)強(qiáng)回波區(qū)范圍向西南方向不斷擴(kuò)大，呈現(xiàn)出典型的單體后向傳播特征，致使多個(gè)強(qiáng)降水單體反復(fù)經(jīng)過(guò)漯河地區(qū)，形成明顯的列車效應(yīng)。作同時(shí)段內(nèi)漯河站(33.5°N，114.10°E)組合反射率時(shí)間剖面(圖6g)可知，19日02—06時(shí)有多個(gè)對(duì)流柱狀回波依次經(jīng)過(guò)該站，列車效應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)不斷有中尺度雨團(tuán)生成發(fā)展；其中02—03時(shí)45 dBZ以上的高反射率因子伸展到8 km以下，該站雨強(qiáng)達(dá)到81.0 mm·h-1，其余時(shí)段強(qiáng)回波中心在6 km高度附近，對(duì)流降水系統(tǒng)質(zhì)心較低，典型的低質(zhì)心高效率降水特點(diǎn)，有利于極端強(qiáng)降水發(fā)展。

圖6 2017年8月19日02∶30—06∶12(a—f)每30 min駐馬店多普勒雷達(dá)組合反射率(單位：dBZ，★：漯河)與漯河反射率剖面(g，單位：dBZ)隨時(shí)間變化Fig.6 The combined reflectivity (unit: dBZ，★:Luohe) of Zhumadian every 30 minutes (a-f) and the time variation ofreflectance profile (g， unit: dBZ)at Luohe from 02∶30 BST to 06∶12 BST on 19 August 2017

4 對(duì)流觸發(fā)維持機(jī)制

4.1 地面輻合抬升觸發(fā)

利用河南省自動(dòng)站地面全要素加密觀測(cè)的逐5 min風(fēng)場(chǎng)資料，以(32°～35°N，112.5°～115°E)為計(jì)算區(qū)域，插值計(jì)算地面散度可知，強(qiáng)降水期間地面出現(xiàn)明顯的中尺度輻合線，并伴隨一定的強(qiáng)輻合中心，有利于中尺度雨團(tuán)發(fā)展。18日23時(shí)(圖7a)受東路擴(kuò)散冷空氣影響，漯河?xùn)|西兩側(cè)附近均出現(xiàn)偏北風(fēng)與東南風(fēng)的輻合線，輻合中心在6×10-5s-1以上，實(shí)況上有雨團(tuán)發(fā)展。19日00∶30—01∶30(圖7b、c)漯河上游地區(qū)地面輻合線消失，風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，輻合強(qiáng)度有所減弱，雨團(tuán)減弱；同時(shí)漯河?xùn)|部(33.5°～34°N ，114.5°E)偏北風(fēng)與東南風(fēng)形成的輻合區(qū)擴(kuò)大，呈西北—東南帶狀分布，強(qiáng)度增至8×10-5s-1以上，實(shí)況上輻合線附近有中尺度雨帶A發(fā)展；其后該輻合帶受偏北風(fēng)影響逐漸南壓，中尺度雨帶A繼續(xù)向西南發(fā)展。19日03時(shí)(圖7d)漯河?xùn)|部出現(xiàn)了東北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合線，在輻合線附近中尺度輻合不斷增強(qiáng)，強(qiáng)度維持在8×10-5s-1以上，有利于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，觸發(fā)極端雨強(qiáng)發(fā)展，此時(shí)也是中尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展和地面中尺度雨團(tuán)爆發(fā)的旺盛階段。19日04∶00—05∶30 (圖7e、f) (33.5°N，114°E)附近出現(xiàn)東北風(fēng)與偏東風(fēng)的輻合線穩(wěn)定維持，其中尺度輻合區(qū)穩(wěn)定少動(dòng)，在中尺度輻合帶上分布多個(gè)小尺度輻合中心，強(qiáng)度在6×10-5s-1以上，不斷有多個(gè)雨團(tuán)生成，強(qiáng)降水繼續(xù)維持發(fā)展。由此可見(jiàn)，地面中尺度輻合線并伴有近10-4s-1左右的輻合中心長(zhǎng)時(shí)間維持，更有利于強(qiáng)降水發(fā)展。

圖7 2017年8月18—19日地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、散度場(chǎng)(色斑，單位：10-5s-1)(★：漯河)：(a)18日23∶00；(b)19日00∶30；(c)19日01∶30；(d)19日03∶00；(e)19日04∶00； (f)19日05∶30Fig.7 Evolution characteristics of wind field (barb) and divergence field (shaded， unit: 10-5s-1) from 18 to 19 on August2017 (★: Luohe) at：(a)23∶00 BST on 18;(b)00∶30 BST on 19;(c)01∶30 BST on 19;(d)03∶00 BST on 19;(e)04∶00 BST on 19;(f)05∶30 BST on 19

4.2 冷池觸發(fā)和維持

圖8為強(qiáng)降水期間逐時(shí)地面溫度、海平面氣壓、地面流場(chǎng)和天氣雷達(dá)組合反射率分布，可知，18日23時(shí)(圖8a)漯河附近強(qiáng)回波有所加強(qiáng)，實(shí)況上出現(xiàn)20 mm左右的強(qiáng)降水；同時(shí)漯河西南側(cè)出現(xiàn)強(qiáng)度為24 ℃的冷區(qū)，冷區(qū)附近有中尺度高壓與之配合，受強(qiáng)降水拖曳和蒸發(fā)冷卻強(qiáng)回波下方出現(xiàn)了明顯的冷池，冷池前沿形成差值達(dá)2.5 ℃左右的溫度密集帶。隨后冷池南壓，冷池出流與東南風(fēng)水平輻合加強(qiáng)，水平溫度梯度加大，形成冷池前側(cè)中尺度鋒生，不僅造成了抬升觸發(fā)，并且還能夠強(qiáng)迫低層垂直風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)，導(dǎo)致邊界層上升氣流加強(qiáng)和對(duì)流發(fā)展。19日00—01時(shí)(圖8b、c)冷池出流產(chǎn)生的向南輻散氣流與東南風(fēng)在漯河?xùn)|北部形成輻合，對(duì)流單體在輻合區(qū)發(fā)展，并且向下游運(yùn)動(dòng)與漯河地區(qū)強(qiáng)回波合并。19日02時(shí)(圖8d)冷池和偏北風(fēng)緩慢南壓，與東南風(fēng)或偏東風(fēng)形成輻合維持加強(qiáng)，冷池前側(cè)鋒生區(qū)有強(qiáng)降水單體生成，造成對(duì)流單體后向傳播，漯河召實(shí)中站出現(xiàn)81.0 mm·h-1的極端雨強(qiáng)，并且強(qiáng)回波區(qū)與溫度高梯度帶對(duì)應(yīng)較好(圖8e)。19日04時(shí)(圖8f)受強(qiáng)降水蒸發(fā)冷卻影響，冷池有所增強(qiáng)，暖區(qū)一側(cè)有強(qiáng)降水潛熱釋放，導(dǎo)致冷池前側(cè)鋒生加強(qiáng)，強(qiáng)暴雨團(tuán)穩(wěn)定維持。19日05—06時(shí)(圖8g、h)冷池及其前側(cè)溫度鋒生帶東移南下，中尺度雨團(tuán)向溫度高梯度方向緩慢移動(dòng)，強(qiáng)降水維持發(fā)展。綜上，強(qiáng)降水形成冷池后，冷池出流與交匯北上的東南風(fēng)和偏東風(fēng)相互作用，導(dǎo)致水平溫度梯度加大形成冷池前沿鋒生，一方面有利于中尺度雨團(tuán)組織化發(fā)展和對(duì)流單體后向傳播，另一方面也在降水區(qū)下游觸發(fā)新生雨團(tuán)，冷池持續(xù)增強(qiáng)。

5 中尺度系統(tǒng)準(zhǔn)靜止成因

一般來(lái)說(shuō)，暴雨中尺度雨團(tuán)沿700～500 hPa上平均氣流移動(dòng)。本次過(guò)程低空為一致的西南氣流，但為何在西南氣流引導(dǎo)下，強(qiáng)降水對(duì)流系統(tǒng)卻向東南緩慢移動(dòng)，致使不斷生成的強(qiáng)降水雨團(tuán)影響漯河？Merritt，et al[24]統(tǒng)計(jì)大量個(gè)例得出對(duì)流系統(tǒng)沿850～300 hPa切變矢量方向移動(dòng)。Corfidi，et al[25]進(jìn)一步研究表明，β中尺度對(duì)流單體移動(dòng)VMβE、大尺度平均引導(dǎo)氣流(VCL)和對(duì)流單體傳播(VPROP)滿足于：

VMβE=VCL+VPROP，

(1)

其中：引導(dǎo)氣流VCL為850～300 hPa平均風(fēng)矢量，取:

VCL=(V850+V700+V500+V300)/4，

(2)

而對(duì)流單體傳播方向一般與低層氣流VLLJ速度相當(dāng)方向相反[26]， 即：

VPROP=-VLLJ，

(3)

由公式(1)、(2)、(3)得：

VMβE=(V850+V700+V500+V300)/4-VLLJ。

(4)

圖8 2017年8月18日23時(shí)—19日06時(shí)(a—h)地面自動(dòng)站溫度(紅實(shí)線，單位：℃)、海平面氣壓(黑虛線，單位：hPa)、地面顯著流場(chǎng)、雷達(dá)組合反射率(填色，單位：dBZ)逐時(shí)演變(L為冷池，G為高壓中心，★：漯河)Fig.8 (a-h)Hourly variation of automatic station temperature (red solid line， unit:℃)， sea level pressure (black dotted line， unit: hPa)， ground significant flow field and radar combined reflectivity factor (shaded， unit: dBZ) from 23∶00 BST on 18 to 06∶00 BST on 19 August 2017 (L: cold pool and G: high pressure center， ★: Luohe)

圖9 2017年8月19日02時(shí)沿33.5°N作風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)垂直剖面(a)與同時(shí)刻中尺度對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)與傳播(b)Fig.9 (a)Vertical section of wind field (wind feather， unit: m·s-1) along the 33.5°N and (b) the movement andpropagation of mesoscale convective system at 02∶00 BST on 19 August 2017

圖9a為19日02時(shí)沿33.5°N作風(fēng)場(chǎng)垂直剖面，近似可知本次過(guò)程中漯河地區(qū)850 hPa(6.0 m·s-1)、700 hPa(4.0 m·s-1)、500 hPa(4.0 m·s-1)、300 hPa(8.0 m·s-1)。根據(jù)公式(2)可得VCL約為4.25 m·s-1的西西南(244.5°)風(fēng)矢，低層氣流取850～975 hPa上的平均，即VPROP約為6 m·s-1的北東北(32.5°)風(fēng)矢，由公式(4)可估算VMβE約為3.4 m·s-1的北西北風(fēng)(346.5°)矢量(圖9b)。結(jié)合多普勒雷達(dá)徑向速度可知，強(qiáng)降水單體移速約為5 m·s-1以下，風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品上顯示對(duì)流風(fēng)暴沿東南移動(dòng)，與上述估算的MβCS移速與方向基本一致。這與田付友等[27]根據(jù)此方法分析一次廣州強(qiáng)降水個(gè)例得出的“中尺度對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)幾乎沿引導(dǎo)氣流移動(dòng)”的結(jié)論不同，究其原因可能為：本次過(guò)程整層風(fēng)場(chǎng)較弱，在平均引導(dǎo)氣流和低層氣流均不強(qiáng)的前提下，低層氣流傳播速度大于平均引導(dǎo)氣流速度，且二者形成的反向夾角很大，即對(duì)流系統(tǒng)沿平均氣流向東東北移動(dòng)，而新生對(duì)流單體卻不斷向西南傳播(圖9b)，導(dǎo)致兩者的矢量和與平均引導(dǎo)氣流方向差別較大，產(chǎn)生的減速效應(yīng)使得暴雨中尺度系統(tǒng)在漯河穩(wěn)定維持，從而導(dǎo)致極端強(qiáng)降水發(fā)生。

6 結(jié)論

(1)200 hPa急流分流區(qū)、500 hPa高空低槽與副熱帶高壓、700 hPa低空急流、850 hPa切變線、925 hPa輻合線、地面倒槽等是影響本次極端降水的大尺度系統(tǒng)，也是暴雨中尺度雨團(tuán)發(fā)生發(fā)展的背景形勢(shì)。強(qiáng)降水過(guò)程出現(xiàn)了7個(gè)強(qiáng)中尺度雨團(tuán)，具有局地突發(fā)性、局地持續(xù)性、區(qū)域持續(xù)性等特點(diǎn)，既有短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流性質(zhì)，也有時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣的大尺度降水特證，這也是極端降水的主要貢獻(xiàn)者。

(2)探空顯示漯河上空具有較高的對(duì)流潛勢(shì)，有利于對(duì)流雨團(tuán)初生和發(fā)展。CAPE形狀呈“瘦弱”狹長(zhǎng)型，量值(2 318 J·kg-1)為中等強(qiáng)度偏上；PW達(dá)59.8 mm，接近本地極端暴雨的可降水閾值。低層飽和、暖云層厚度較厚、弱垂直風(fēng)切變不僅容易觸發(fā)暴雨云團(tuán)，還提高了降水效率。高CAPE值、高比濕和高降水效率是本次過(guò)程極端雨團(tuán)的主要原因。

(3)兩個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)一個(gè)隨槽前偏南引導(dǎo)氣流北上，一個(gè)隨低層切變線南壓，相向而行發(fā)展為MβCS，不同于以往河南地區(qū)暴雨云團(tuán)“同向合并”現(xiàn)象，可能是本次中尺度雨團(tuán)爆發(fā)和極端降水形成的重要原因。多普雷天氣雷達(dá)上高效率的中尺度對(duì)流單體后向傳播、持續(xù)的列車效應(yīng)維持以及回波剖面上低質(zhì)心的強(qiáng)對(duì)流柱狀回波反映了中尺度雨團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間維持在漯河，導(dǎo)致極端降水發(fā)展。

(4)地面中尺度輻合線和強(qiáng)輻合中心對(duì)強(qiáng)降水發(fā)展有動(dòng)力觸發(fā)作用，迭加在天氣尺度切變線上，是極端降水中的雨團(tuán)發(fā)展的重要成因。強(qiáng)降水形成的冷池出流與交匯北上的東南風(fēng)和偏東風(fēng)相互作用，導(dǎo)致水平溫度梯度加大形成和冷池前側(cè)中尺度鋒生，不僅有利于中尺度雨團(tuán)組織化發(fā)展和對(duì)流單體后向傳播，也導(dǎo)致降水區(qū)下游新生雨團(tuán)的觸發(fā)，致使冷池持續(xù)增強(qiáng)。

(5)本次過(guò)程由于平均引導(dǎo)氣流和低層氣流弱，低層氣流傳播速度大于平均引導(dǎo)氣流速度，傳播方向與對(duì)流單體平移方向之間反向夾角大，對(duì)流系統(tǒng)沿平均氣流向東東北移動(dòng)，而新生對(duì)流單體不斷在對(duì)流系統(tǒng)后側(cè)向西南傳播，兩者的矢量和大幅度偏離了平均引導(dǎo)氣流方向，同時(shí)產(chǎn)生的減速效應(yīng)使得暴雨中尺度系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，極端降水發(fā)展，也是本次中尺度雨團(tuán)沒(méi)有沿著引導(dǎo)氣流方向移動(dòng)的原因。