盛夏一次地面冷鋒過(guò)境引發(fā)局地大暴雨的成因分析

尉英華，陳宏，劉一瑋，林曉萌

(天津市氣象臺(tái)，天津300074)

引言

雷暴、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹等對(duì)流性天氣具有發(fā)生范圍小、持續(xù)時(shí)間短、突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大的特點(diǎn)，是影響我國(guó)的主要災(zāi)害性天氣，常給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重危害。大量的科學(xué)研究表明，對(duì)流性天氣多由邊界層暖濕空氣受輻合抬升而形成，然而還有少數(shù)在低層冷空氣控制下由大氣邊界層以上被觸發(fā)的稱為高架對(duì)流。有關(guān)高架對(duì)流的研究國(guó)外比較多，美國(guó)學(xué)者Colman(1990a，1990b)最早引入高架雷暴概念，認(rèn)為典型高架雷暴發(fā)生在地面冷鋒后或暖鋒前穩(wěn)定的冷空氣中，與傳統(tǒng)理解的邊界層內(nèi)不穩(wěn)定空氣被強(qiáng)迫抬升產(chǎn)生的對(duì)流明顯不同；Grant(1995)、Wilson and Roberts(2006)、Marsham等(2011)發(fā)現(xiàn)高架雷暴發(fā)生時(shí)近地面受冷空氣控制，位于逆溫層以上的層結(jié)不穩(wěn)定是造成高架雷暴發(fā)生的主要原因。

近年來(lái)，高架對(duì)流開始引起國(guó)內(nèi)氣象學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。俞小鼎等(2012，2016)指出中國(guó)的高架對(duì)流常發(fā)生在早春和深秋，低空存在較強(qiáng)的逆溫層，對(duì)流出現(xiàn)在鋒面的冷空氣一側(cè)；農(nóng)孟松等(2013)、吳乃庚等(2013)、陳軍等(2017)、崔慧慧(2017)分別對(duì)早春伴有冰雹等對(duì)流現(xiàn)象的典型冷區(qū)“高架對(duì)流”發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為高架對(duì)流發(fā)展時(shí)地面為冷空氣控制，暖濕空氣從逆溫層以上開始抬升，邊界層之上的冷槽或切變線為對(duì)流的發(fā)生提供了觸發(fā)條件；石燕清等(2017)通過(guò)對(duì)湘西地區(qū)近10年高架對(duì)流類冰雹的統(tǒng)計(jì)分析，指出春季冷鋒后高架對(duì)流類冰雹的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)主要為低層冷空氣、500 hPa西風(fēng)槽以及700 hPa西南急流。此外，冬季的高架雷暴(“雷打雪”)大多發(fā)生在回流干冷空氣侵入低層背景下，由冷墊迫使暖濕空氣抬升并觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放所致(郭榮芬等，2009；蘇德斌等，2012；鄭麗娜和靳軍，2012；陳瀟瀟等，2015；黃小剛等，2017)。上述研究得到了許多有參考意義的成果，但主要集中在對(duì)冷季高架對(duì)流天氣過(guò)程的分析，而對(duì)盛夏季節(jié)高架對(duì)流的研究較為少見(jiàn)。李瑞萍等(2019)對(duì)2013年7月華北地區(qū)一次地面冷鋒后發(fā)生的暴雨過(guò)程進(jìn)行分析，指出暴雨由高架對(duì)流造成，暴雨區(qū)位于地面冷鋒北側(cè)的低層冷區(qū)中，距離地面鋒面120 km以上。

2017年7月21日，華北地區(qū)自北向南出現(xiàn)大范圍雷陣雨天氣。21日17∶00地面冷鋒南壓至山東北部，一般來(lái)說(shuō)鋒后冷氣團(tuán)控制下多為穩(wěn)定性降水，但21日18∶00—22日01∶00位于冷鋒后約300 km的廊坊與天津交界處出現(xiàn)了多測(cè)站小時(shí)雨強(qiáng)大于20 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水且有雷暴記錄。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、NCEPFNL(1°×1°)全球分析資料、風(fēng)廓線雷達(dá)和變分多普勒天氣雷達(dá)分析系統(tǒng)(VDRAS)反演資料(時(shí)間分辨率18 min，空間分辨率5 km×5 km)，從大氣環(huán)流形勢(shì)、垂直結(jié)構(gòu)特征和對(duì)流發(fā)生發(fā)展機(jī)制等方面，對(duì)2017年7月21日18∶00—22日01∶00地面冷鋒后發(fā)生的對(duì)流性局地大暴雨過(guò)程成因進(jìn)行探討，以期為今后暖季冷區(qū)對(duì)流暴雨天氣事件的預(yù)報(bào)提供參考。其中，多普勒天氣雷達(dá)資料來(lái)源于天津塘沽站(117.72°E，39.04°N)CINRAD/SA雷達(dá)，海拔高度69.8 m；變分多普勒天氣雷達(dá)分析系統(tǒng)(VDRAS)反演資料由北京城市氣象研究所提供(陳明軒等，2011)。

1 過(guò)程天氣概況

圖1a為2017年7月21日18∶00—22日01∶00(北京時(shí)，下同)累計(jì)降水量分布。廊坊與天津交界處直徑約30 km區(qū)域內(nèi)，加密自動(dòng)站22站次降水量超過(guò)50 mm，10站次降水量超過(guò)100 mm，最大降水量出現(xiàn)在調(diào)河頭小學(xué)站(207.7 mm)，雨強(qiáng)達(dá)69.6 mm·h-1，同時(shí)伴有明顯的雷電現(xiàn)象。從預(yù)報(bào)角度看，21日18∶00—22日01∶00廊坊與天津交界處強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)地面冷鋒已南壓至山東境內(nèi)(圖1b)，強(qiáng)降水發(fā)生于鋒后冷空氣一側(cè)，前期鋒面降水蒸發(fā)冷卻和冷空氣入侵降溫共同作用，使得廊坊與天津交界處邊界層沒(méi)有高溫、高濕的不穩(wěn)定能量積聚。在鋒后冷空氣控制且午后地面僅22～24℃的低氣溫條件下，預(yù)報(bào)員很難預(yù)報(bào)有對(duì)流性天氣發(fā)生，數(shù)值模式和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)均未能提前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。雖然廊坊與天津交界處強(qiáng)降水并未造成嚴(yán)重災(zāi)害，但突發(fā)性局地大暴雨造成的社會(huì)反響給氣象部門的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作帶來(lái)了不小的壓力。

圖1 2017年7月21日18:00—22日01:00累計(jì)降水量(a，單位：mm)、21日02∶00—20∶00地面冷鋒位置圖(b)Fig.1(a)Distribution of accumulated precipitation(unit:mm)from18∶00 BTon 21 to01∶00 BTon 22,and(b)location of cold front from02∶00 BTto20∶00 BTon 21 July 2017.

2 環(huán)流形勢(shì)特征

2017年7月21日08∶00(圖2a、c)，500 hPa歐亞中高緯地區(qū)以緯向型環(huán)流為主，副熱帶高壓呈東西帶狀分布控制華北中南部及其以南地區(qū)，山西、河北兩省交界處存在閉合的反氣旋性環(huán)流中心，高層環(huán)流形勢(shì)總體上不利于出現(xiàn)明顯降水。在副高北側(cè)盛行緯向氣流不利于冷空氣南下的形勢(shì)下，850 hPa冷空氣沿東北平原南下并西進(jìn)，以偏東風(fēng)回流形勢(shì)侵入華北北部，并與南側(cè)暖濕氣流交匯形成低渦切變線。21日20∶00(圖2b、d)，850 hPa溫度場(chǎng)冷中心東移至我國(guó)東北地區(qū)，形成沿東北-西南方向侵入華北地區(qū)的冷舌，而河套地區(qū)與暖中心配合的低壓發(fā)展導(dǎo)致其東南側(cè)的南風(fēng)分量加大，同時(shí)500 hPa副熱帶高壓亦明顯加強(qiáng)，588 dagpm線北抬至41.5°N附近。在低層冷舌南侵、西側(cè)低壓發(fā)展與副熱帶高壓北抬的共同作用下，850 hPa低空切變線穩(wěn)定維持于華北中部，廊坊與天津交界處強(qiáng)降雨帶與低空切變線位置有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 2017年7月21日08∶00(a，c)，20∶00(b，d)500 hPa高度場(chǎng)(實(shí)線，單位：dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)(a，b)，850 hPa溫度場(chǎng)(實(shí)線，單位：℃)和風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)(c，d，紅色線為低空切變線)Fig.2 Distribution of(a,b)geopotential height(solid line,unit:dagpm)and wind field(unit:m·s-1)at 500 hPa,and(c,d)temperature(solid line,unit:℃)and wind field(unit:m·s-1)at 850 hPaat(a,c)08∶00 BT,and(b,d)20∶00 BTon 21 July 2017.(red curvesrepresent thelow-level shear line)

地面圖上，2017年7月21日08∶00(圖3a、3d)冷高壓中心盤踞于內(nèi)蒙古中東部，冷空氣從東路西伸南下并與偏南暖濕氣流交匯，在河北中北部形成了等溫線密集的鋒區(qū)。受鋒后冷空氣影響，華北東部出現(xiàn)一支4～8 m·s-1的東風(fēng)帶。21日20∶00(圖3b、3e)溫度鋒區(qū)南壓至36°N附近的河南至山東北部，華北平原處于鋒后東北氣流控制下，冷空氣的侵入導(dǎo)致午后至傍晚地面最高氣溫僅22～24℃，此時(shí)地面表現(xiàn)為兩條明顯的降雨帶，其中山東北部的雨帶位于冷鋒附近，而廊坊與天津交界處的雨帶則發(fā)生在鋒后冷空氣控制下，雨帶距離冷鋒約300 km。21日23∶00(圖3c、3f)溫度鋒區(qū)繼續(xù)南壓，但溫度梯度有所減小，山東北部與鋒區(qū)相伴隨的雨帶減弱消失，而位于鋒后冷區(qū)一側(cè)的廊坊與天津交界處強(qiáng)降水仍然維持。

圖3 2017年7月21日08∶00(a，d)、20∶00(b，e)、23∶00(c，f)國(guó)家氣象觀測(cè)站海平面氣壓(實(shí)線，單位：hPa)、溫度(虛線，單位：℃)、風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)和1 h降水量(陰影，單位：mm)分布Fig.3 Distribution of sealevel pressure(solid line,unit:hPa),temperature(dashed line,unit:℃),wind(unit:m·s-1)and 1h precipitation(shaded,unit:mm)observed by national meteorological stationsat(a,d)08∶00 BT,(b,e)20∶00 BT,and(c,f)23∶00 BTon 21 July 2017.

可見(jiàn)，與一般的邊界層暖濕空氣受輻合抬升而觸發(fā)的對(duì)流不同，21日18∶00—22日01∶00廊坊與天津交界處局地大暴雨發(fā)生時(shí)，低層冷空氣已經(jīng)以偏東風(fēng)回流形勢(shì)侵入華北地區(qū)，強(qiáng)降雨帶發(fā)生在地面鋒后冷空氣一側(cè)，距離鋒面約300 km，不存在暖濕空氣從近地面開始對(duì)流抬升。此外，在低層冷空氣南侵、西側(cè)低壓發(fā)展與副熱帶高壓北抬的共同作用下，穩(wěn)定維持在華北中部的850 hPa低空切變線是主要的天氣尺度影響系統(tǒng)。

3 大氣垂直結(jié)構(gòu)特征

3.1 探空資料分析

圖4給出了2017年7月21日20:00樂(lè)亭站和北京站的溫度對(duì)數(shù)壓力(T-log p)圖，兩者分別位于暴雨區(qū)東北側(cè)約180 km和北側(cè)約50 km處。從圖中可以看出，樂(lè)亭站和北京站500 hPa以下溫度露點(diǎn)差很小，對(duì)流層中低層環(huán)境大氣均處于近乎飽和狀態(tài)。垂直結(jié)構(gòu)上，樂(lè)亭探空站850 hPa以下為一致偏東風(fēng)形成的“冷墊”，偏東風(fēng)風(fēng)速達(dá)8～13 m·s-1，且存在明顯的逆溫層，大氣層結(jié)絕對(duì)穩(wěn)定；而逆溫層之上的700—500 hPa溫差達(dá)15℃，且γs＜γ＜γd(其中，γ為環(huán)境溫度直減率，γs為濕絕熱遞減率，γd為干絕熱遞減率)，大氣處于條件不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)。與此同時(shí)，北京探空站850 hPa以下亦受一致的偏東風(fēng)控制，但風(fēng)速與樂(lè)亭站相比明顯較弱，且僅850 hPa附近存在淺薄的逆溫層。李瑞萍等(2019)指出夏季高架雷暴過(guò)程與一般冷季高架對(duì)流相比邊界層逆溫特征并不明顯，主要表現(xiàn)為γ＜γs的穩(wěn)定層結(jié)。分析本次過(guò)程發(fā)現(xiàn)，北京探空站850 hPa以下的溫度及露點(diǎn)溫度與21日08∶00(圖略)相比均降低2～5℃，低層存在干冷空氣侵入，且850 hPa以下亦處于γ＜γs的穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)；而位于穩(wěn)定層之上的700—500 hPa溫差由12℃增至15℃，層結(jié)不穩(wěn)定性增強(qiáng)?？梢?jiàn)，此次夏季冷鋒后對(duì)流暴雨過(guò)程的逆溫特征雖不明顯，遠(yuǎn)不如冷季高架對(duì)流鋒面逆溫顯著，但低層處于γ＜γs的穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，其不穩(wěn)定層位于低層穩(wěn)定層之上的700—500 hPa。

圖4 2017年7月21日20∶00樂(lè)亭探空站(a)和北京探空站(b)T-log p圖Fig.4 T-log p diagramof(a)Laotingand(b)Beijingsoundingstationsat 20∶00 BTon 21 July 2017.

與以往冷季高架對(duì)流研究中(金米娜等，2013；張一平等，2014；鮑媛媛等，2015；曹舒婭等，2019)常存在的700 hPa西南急流不同，本次過(guò)程700 hPa西南暖濕氣流淺薄且強(qiáng)度較弱，北京站和樂(lè)亭站風(fēng)速均不足8 m·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低空急流標(biāo)準(zhǔn)。但因處于盛夏時(shí)節(jié)，北京站和樂(lè)亭站700 hPa溫度露點(diǎn)差均為1℃，比濕亦達(dá)到12 g·kg-1，中層大氣具有明顯的高濕特性。

3.2 假相當(dāng)位溫垂直變化

由于探空資料空間分辨率較低，為了進(jìn)一步分析層結(jié)穩(wěn)定度的垂直結(jié)構(gòu)特征，圖5給出了2017年7月21日08∶00和20∶00沿廊坊與天津交界處大暴雨中心116.7°E的假相當(dāng)位溫(θse)垂直剖面。21日08∶00，850 hPa以下低層冷空氣已侵入廊坊與天津交界處，其南、北兩側(cè)的θse高、低值中心分別為362 K、336 K，兩者之間形成明顯的能量鋒區(qū)。冷空氣侵入使得廊坊與天津交界處850 hPa以下的θse隨高度升高而增加，低層大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定。21日20∶00，鋒區(qū)進(jìn)一步南壓，廊坊與天津交界處近地層處于θse低值中心附近，θse值較前一時(shí)次降低了15～17 K，意味著低層冷墊已經(jīng)形成并加強(qiáng)，大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，來(lái)自地面的氣塊難以穿過(guò)層結(jié)穩(wěn)定的冷墊而獲得浮力。同時(shí)，位于冷墊之上的850—500 hPaθse值隨高度升高而減小，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比21日08∶00—20∶00廊坊與天津交界處不同高度的θse變化發(fā)現(xiàn)，低層冷空氣侵入使得950 hPa的θse值較前一時(shí)次降低16 K，同時(shí)在副熱帶高壓北抬作用下850、700、500 hPa的θse分別增大了2.5、7.6、1.7 K。上述變化使得上暖濕、下干冷的低層大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，而用Δθse(500-700)診斷中層不穩(wěn)定度的變化也更為清晰，08時(shí)Δθse(500-700)=2.5 K，20時(shí)Δθse(500-700)=-3.4 K，700—500 hPa由穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)?？梢?jiàn)，廊坊與天津交界處的局地大暴雨主要由低層穩(wěn)定冷空氣之上的暖濕空氣對(duì)流造成，是一次暖季高架對(duì)流暴雨過(guò)程。

圖5 2017年7月21日08∶00(a)、20:00(b)沿116.7°E的假相當(dāng)位溫θse(單位：K)緯度—高度剖面(▲代表局地大暴雨中心位置)Fig.5 Latitude-height cross sectionsofθse(unit:K)along116.7°Eat(a)08∶00 BT,and(b)20∶00 BTon 21 July 2017.(▲indicatesthecenter of local heavy rainfall)

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變特征和觸發(fā)機(jī)制

4.1 中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變特征

圖6給出了2017年7月21日17∶42—20∶30塘沽多普勒雷達(dá)0.5°仰角反射率因子演變。從圖中可以看出，17:42沿保定—廊坊—天津一線的東西向帶狀區(qū)域內(nèi)多個(gè)中γ尺度對(duì)流單體新生，其中對(duì)流回波A、B孤立地分布在保定境內(nèi)，而廊坊—天津一線(藍(lán)色框內(nèi))新生單體則呈零星的離散分布狀態(tài)。18∶18廊坊—天津一線對(duì)流單體有組織地合并發(fā)展，形成由多個(gè)強(qiáng)度大于40 dBz小單體組成的帶狀中β尺度對(duì)流系統(tǒng)C。19∶18對(duì)流回波A減弱消散、B穩(wěn)定少動(dòng)，而帶狀中β尺度對(duì)流系統(tǒng)C則緩慢東移，其西側(cè)不斷有單體新生并與主回波帶合并發(fā)展，回波中心強(qiáng)度達(dá)45～50 dBz，水平尺度伸展至長(zhǎng)約100～150 km，寬約20～30 km。20∶30帶狀中β尺度對(duì)流系統(tǒng)C與對(duì)流回波B合并加強(qiáng)，在其西側(cè)又出現(xiàn)新生對(duì)流單體D、E。由于對(duì)流層700—500 hPa為一致的弱偏西氣流，帶狀回波隨著承載層平均氣流東移，且移速緩慢，多個(gè)強(qiáng)回波中心間斷經(jīng)過(guò)產(chǎn)生列車效應(yīng)，導(dǎo)致降水持續(xù)數(shù)小時(shí)。與此同時(shí)，主回波帶西側(cè)新生對(duì)流單體不斷發(fā)生發(fā)展，中尺度對(duì)流系統(tǒng)明顯的后向傳播特征進(jìn)一步加劇了列車效應(yīng)。帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的后向傳播和列車效應(yīng)特征，是導(dǎo)致降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并造成局地大暴雨的主要原因(梁維亮等，2019；任麗等，2019)。

圖6 2017年7月21日17:42(a)、18∶18(b)、19∶18(c)、20∶30(d)塘沽多普勒雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(單位：dBz)分布(A、B、D、E：對(duì)流單體，C：帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，藍(lán)色方框：帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)合并發(fā)展區(qū)域)Fig.6 Reflectivity (unit: dBz) at 0.5° elevation from Tanggu radar at (a) 17∶42 BT, (b) 18∶18 BT, (c) 19∶18 BT, and (d) 20∶30 BT on 21 July 2017.(A，B，D and E indicate the convective cell, C indicates the belt-shaped meso-scale convective system, the blue box indicates the region where the belt-shaped meso-scale convective systems merge and develop)

以往研究中華北地區(qū)低層偏東風(fēng)回流形勢(shì)下產(chǎn)生的暴雨多發(fā)生在春、秋季，具有連綿成片、均勻幕狀的層狀云降水回波特征，雖鑲嵌有中尺度系統(tǒng)，但最大回波強(qiáng)度為30～35 dBz(張守保，2008)，本次局地大暴雨過(guò)程亦發(fā)生在低層回流冷空氣控制下，但從回波范圍和強(qiáng)度來(lái)看，降水的對(duì)流性特征更為明顯。

4.2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制

由于局地大暴雨發(fā)生期間地面加密自動(dòng)站為風(fēng)向一致的偏東風(fēng)，且風(fēng)速梯度較小，近地面不存在可以觸發(fā)對(duì)流的中尺度輻合系統(tǒng)。圖7給出了2017年7月21日16∶00—19∶30北京站和西青站垂直風(fēng)廓線演變，兩站分別位于帶狀回波北側(cè)約50 km和南側(cè)約15 km。從圖中可以看出，兩站低層均持續(xù)受回流的偏東風(fēng)控制，偏東氣流厚度分別達(dá)1.7 km和1.0 km。值得注意的是，位于帶狀回波南側(cè)的西青站1.0—1.7 km受偏南暖濕氣流控制，而北側(cè)的北京站受偏東風(fēng)控制，兩者之間存在明顯的中尺度輻合系統(tǒng)。此外，對(duì)流單體觸發(fā)前的17c00—17∶30，西青站1.0—2.0 km偏南氣流增加了2 m·s-1，2.5—3.0 km亦由西北氣流轉(zhuǎn)為弱的西南氣流，風(fēng)速增大、風(fēng)向突變使得偏南暖濕氣流加強(qiáng)，有利于冷墊之上的中層大氣不穩(wěn)定層結(jié)建立，與前文中700—500 hPa大氣層結(jié)由穩(wěn)定性轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定性相一致。

圖7 2017年7月21日16∶00—19∶30北京站(a)、西青站(b)垂直風(fēng)廓線演變Fig.7 Vertical wind profileof(a)Beijingand(b)Xiqingstation during16∶00-19∶30 BTon 21 July 2017.

為了深入探討帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制，以下通過(guò)北京城市氣象研究所提供的變分多普勒天氣雷達(dá)分析系統(tǒng)(VDRAS)動(dòng)力反演風(fēng)場(chǎng)資料進(jìn)一步分析中尺度流場(chǎng)的水平和垂直結(jié)構(gòu)特征。廊坊與天津交界處的對(duì)流暴雨發(fā)生前，受冷空氣影響華北地區(qū)1.0 km以下高度均為一致的偏東風(fēng)(圖略)。7月21日17∶42(圖8a)，1.4 km高度上華北北部和南部分別受偏東風(fēng)和東南風(fēng)控制，兩支氣流在39.2°N附近交匯形成一條東西向的中尺度輻合線，沿中尺度輻合線不斷有對(duì)流單體新生；19∶18(圖8b)，輻合線暖區(qū)一側(cè)由東南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠巷L(fēng)，且偏南氣流較之前明顯加強(qiáng)，與前文分析中指出的河套地區(qū)低壓發(fā)展導(dǎo)致南風(fēng)分量增大相一致。在增強(qiáng)的偏南氣流作用下，中尺度輻合系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)，帶狀對(duì)流回波有組織地發(fā)展。因此冷墊之上的中尺度輻合系統(tǒng)對(duì)對(duì)流的觸發(fā)起到了重要作用。

圖8 2017年7月21日17:42(a)、19:18(b)VDRAS1 400 m風(fēng)矢量和塘沽多普勒雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(單位：dBz)分布Fig.8 Wind vector of VDRASat1 400 mheightand reflectivity(unit:dBz)at 0.5°elevation from Tanggu radar at(a)17∶42BTand(b)19∶18 BTon 21 July2017.

圖9 給出了21日19∶18沿116.7°E的v-w合成風(fēng)場(chǎng)和沿39.2°N的u-w合成風(fēng)場(chǎng)垂直剖面(w放大40倍)。從v-w合成風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)向垂直環(huán)流剖面(圖9a)中可以看到，帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)邊界層1.4 km以下為一致的下沉氣流區(qū)，1.4—4.6 km存在狹窄的偏南暖濕氣流上升支，與位于39.2°N附近的窄帶狀回波位置相一致。與此同時(shí)，u-w合成風(fēng)場(chǎng)的緯向垂直環(huán)流剖面(圖9b)中，3.8 km以上為平直西風(fēng)氣流，1.4 km以下為偏東風(fēng)回流，1.4—3.4 km存在閉合的中尺度垂直環(huán)流圈。可見(jiàn)，本次對(duì)流性強(qiáng)降水并非由邊界層暖濕空氣輻合抬升形成，而是在低層回流冷空氣之上被抬升觸發(fā)。另外，位于116.4°—117.0°E的垂直環(huán)流上升支與帶狀回波的生成、發(fā)展相對(duì)應(yīng)，位于117.0°E以東的垂直環(huán)流下沉支則對(duì)應(yīng)著對(duì)流回波的減弱、消亡，導(dǎo)致對(duì)流暴雨僅發(fā)生在廊坊與天津西部交界處的窄帶狀區(qū)域內(nèi)。

圖9 2017年7月21日19∶18沿116.7°E的v-w(w×40)合成風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)向垂直環(huán)流剖面(a)，沿39.2°N的u-w(w×40)合成風(fēng)場(chǎng)的緯向垂直環(huán)流剖面(b)Fig.9 Vertical crosssectionsof(a)meridional circulation(v-w,w×40)along116.7°E,and(b)zonal circulation(u-w,w×40)along39.2°Nat 19∶18 BTon 21 July 2017.

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)2017年7月21日18∶00—22日01∶00廊坊與天津交界處的局地大暴雨過(guò)程分析，發(fā)現(xiàn)暖季暴雨并非都是由來(lái)自地面附近的上升氣塊觸發(fā)的，本次在低層冷氣團(tuán)控制下出現(xiàn)的伴有雷電、短時(shí)強(qiáng)降水的局地大暴雨由高架對(duì)流造成。主要結(jié)論如下：

(1)局地大暴雨發(fā)生在副熱帶高壓北抬、低空切變線穩(wěn)定少動(dòng)和低層回流冷空氣侵入的高低空環(huán)流配置下。在副熱帶高壓北抬不利于冷空氣南下的形勢(shì)下，低層冷空氣以偏東風(fēng)回流形勢(shì)侵入華北地區(qū)，局地大暴雨發(fā)生在距離地面鋒面約300 km的鋒后冷空氣一側(cè)，而穩(wěn)定維持在華北中部的850 hPa低空切變線是主要的天氣尺度影響系統(tǒng)。

(2)與一般冷季高架對(duì)流相比，本次過(guò)程逆溫特征不明顯，但受低層冷空氣影響，850 hPa以下溫度及露點(diǎn)溫度均明顯降低，且表現(xiàn)為γ＜γs的穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)。同時(shí)，受副高北抬影響冷墊之上的偏南暖濕氣流加強(qiáng)，700—500 hPa溫差由12℃增至15℃，Δθse(500-700)亦由2.5 K降至-3.4 K，大氣層結(jié)不穩(wěn)定性明顯加強(qiáng)。位于穩(wěn)定層結(jié)之上的700—500 hPa不穩(wěn)定層結(jié)為高架對(duì)流產(chǎn)生提供了有利的環(huán)境條件。

(3)低層1.4 km以下的偏東風(fēng)回流冷空氣受下沉運(yùn)動(dòng)控制，局地大暴雨由1.4—4.6 km的暖濕氣流上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)，位于1.4 km高度附近的中尺度輻合線對(duì)高架對(duì)流的觸發(fā)起到了重要作用。沿輻合線呈東西走向的帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)隨著弱偏西引導(dǎo)氣流緩慢東移，并呈現(xiàn)明顯的后向傳播和列車效應(yīng)特征，是導(dǎo)致降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并造成局地大暴雨的主要原因。

需要指出的是，本研究只針對(duì)北方盛夏一例高架對(duì)流暴雨過(guò)程，結(jié)論的適用性需今后通過(guò)更多個(gè)例進(jìn)行研究總結(jié)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。