一次引發(fā)局地暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)降水及風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征

王曉麗，趙桂香，楊 璐，李新生

(1.山西省氣象臺(tái)，山西 太原 030006；2.北京城市氣象研究院，北京 100089)

引 言

暴雨災(zāi)害給國(guó)家和人民帶來(lái)嚴(yán)重的損失。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在基礎(chǔ)理論和預(yù)報(bào)分析方面作了大量研究[1-7]，揭示了許多重要現(xiàn)象和事實(shí)，為暴雨研究提供了重要的理論支撐。中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)的發(fā)生發(fā)展及結(jié)構(gòu)特征演變與強(qiáng)對(duì)流天氣，特別是短時(shí)強(qiáng)降水天氣的發(fā)生發(fā)展存在重要的關(guān)系[8-15]，而短時(shí)強(qiáng)降水所造成的暴雨帶來(lái)的災(zāi)害更為嚴(yán)重。近年來(lái)隨著觀測(cè)手段的多樣性及中尺度數(shù)值模式的快速發(fā)展，許多學(xué)者通過(guò)多種手段對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，得出一些有意義的結(jié)論[16-30]。祁秀香等[16]利用多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)及RASS觀測(cè)資料,分析了廣州南沙一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變和風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)能夠觀測(cè)到中尺度對(duì)流系統(tǒng)中強(qiáng)上升入流和下沉氣流，邊界層的上升運(yùn)動(dòng)發(fā)生在α-中尺度對(duì)流系統(tǒng)的前部，上升運(yùn)動(dòng)與地面中尺度低壓生成及輻合線有關(guān)。盧煥珍等[17]利用多種非常規(guī)觀測(cè)資料及雷達(dá)變分同化系統(tǒng)(VDRAS)分析場(chǎng)資料,分析了2013年7月1日發(fā)生在天津南部的大暴雨過(guò)程，發(fā)現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)、中低空急流形成及加強(qiáng)是降水強(qiáng)度加強(qiáng)的重要原因。趙桂香等[18-19]對(duì)比分析了不同季節(jié)MCC的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)由于氣候背景的差異，初春與盛夏的MCC在動(dòng)力、熱力等方面存在較大的差異；高層輻散低層輻合的垂直結(jié)構(gòu)是孤立對(duì)流云團(tuán)能夠維持和發(fā)展的重要原因。趙東旭等[20]發(fā)現(xiàn)高層輻散低層輻合及強(qiáng)烈的上升氣流是大到暴雨發(fā)生的動(dòng)力條件。支樹(shù)林等[22]利用衛(wèi)星、雷達(dá)、閃電定位儀等資料，分析了贛西地區(qū)一次致災(zāi)大暴雨的中尺度對(duì)流條件和對(duì)流系統(tǒng)的演變特征，結(jié)果表明雷達(dá)徑向速度上中尺度渦旋是導(dǎo)致此次暴雨的重要因素，動(dòng)力輻合與山地地形共同作用形成的輻合導(dǎo)致局地出現(xiàn)連續(xù)性強(qiáng)降水。張偉等[26]實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)徑向數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用，能夠直觀揭示中尺度對(duì)流系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的不同階段具有不同的垂直風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。宋清芝等[27]對(duì)發(fā)生在黃河中游的一次致洪暴雨的機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，地面輻合線及干空氣的侵入在暴雨的發(fā)生發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。李如琦等[28]分析了3次暴雨過(guò)程，發(fā)現(xiàn)低層輻合疊加地形強(qiáng)迫可觸發(fā)對(duì)流。這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)中尺度對(duì)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及其影響具有重要作用。但對(duì)于山西地區(qū)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的分鐘降水特征及風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的研究相對(duì)較少。2014年7月22日下午到23日白天，山西南部的運(yùn)城、夏縣、沁源出現(xiàn)暴雨天氣，暴雨點(diǎn)分散，降水以對(duì)流性為主，持續(xù)時(shí)間短，預(yù)報(bào)難度大。本文利用多種資料，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，分析降水及風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，揭示衛(wèi)星、雷達(dá)資料和各層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征與強(qiáng)降水的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期為今后此類局地對(duì)流性暴雨天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

本文所用資料：NCEP再分析資料、探空資料、加密自動(dòng)站資料、分鐘降水資料、地球靜止氣象衛(wèi)星TBB資料、多普勒天氣雷達(dá)資料、WRF中尺度數(shù)值模擬結(jié)果等。其中NCEP再分析資料水平分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為6 h；分鐘降水資料為山西109個(gè)國(guó)家站逐分鐘降水觀測(cè)數(shù)據(jù)；FY-2E靜止氣象衛(wèi)星TBB資料水平分辨率為0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率為1 h,文中采用增強(qiáng)處理方法顯示；長(zhǎng)治雷達(dá)為CC雷達(dá)，數(shù)據(jù)范圍為150 km，三門峽雷達(dá)為SA雷達(dá)，數(shù)據(jù)范圍為230 km。

WRF中尺度數(shù)值模式版本為3.5.1。模式采用雙層嵌套，水平分辨率分別為15 km、5 km，垂直分為33層。模式微物理過(guò)程參數(shù)化方案選用Thompson方案；長(zhǎng)波與短波輻射方案均采用rrtmg方案；邊界層參數(shù)化方案選用YSU方案；外層積云對(duì)流參數(shù)化方案選用New Grell方案，內(nèi)層不設(shè)置積云對(duì)流參數(shù)化方案。為分析風(fēng)場(chǎng)垂直演變，模式輸出時(shí)間分辨率為1 h。

2 降水及天氣形勢(shì)特點(diǎn)

2.1 降水實(shí)況概述

2014年7月22日08時(shí)-23日08時(shí)，山西省出現(xiàn)分布不均的陣雨或雷陣雨天氣，24 h降水量為0.2～76 mm，≥25 mm的降水(大雨)主要集中在南部，其中運(yùn)城、夏縣、沁源3縣市達(dá)暴雨(圖1a，運(yùn)城76 mm、夏縣74 mm、沁源59 mm)，暴雨點(diǎn)分散。從以上3站的單站降水時(shí)序圖(圖1b)上可以看出，暴雨主要由短時(shí)強(qiáng)降水造成，沁源站≥15 mm/h的強(qiáng)降水主要集中在22日16時(shí)-17時(shí)，運(yùn)城和夏縣則主要出現(xiàn)在22日20時(shí)和23時(shí)。結(jié)合降水落區(qū)分布可以看出，此次暴雨過(guò)程具有典型的β-中尺度特征，且運(yùn)城和夏縣的降水強(qiáng)度明顯大于沁源的?？梢?jiàn)，此次暴雨，降水強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間短，局地性和突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度大。

圖1 2014年7月22日14時(shí)-23日08時(shí)累計(jì)降水量分布(a)和3個(gè)暴雨站降水時(shí)序圖(b)

2.2 環(huán)流背景分析

2014年7月22日08時(shí)-20時(shí)，200 hPa(圖略)南亞高壓呈東西向帶狀分布，中心范圍不斷向東擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，高壓北側(cè)偏西風(fēng)急流強(qiáng)盛，在山西中部與河北北部形成分流，山西南部位于分流輻散區(qū)。500 hPa上，亞洲中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”，副熱帶高壓穩(wěn)定西伸，西北側(cè)西南氣流較強(qiáng)，山西南部始終位于副熱帶高壓外圍588 dagpm線邊緣(圖2)，西南水汽輸送明顯，中緯度短波槽自內(nèi)蒙古西部攜帶弱冷空氣東移影響；對(duì)應(yīng)低層700 hPa切變線從山西北部南壓至中部，850 hPa輻合線在山西南部穩(wěn)定維持。在此期間，山西南部地區(qū)的850 hPa與500 hPa溫差始終大于26 ℃，大氣不穩(wěn)定度持續(xù)增大。地面上山西受高壓前部偏北氣流影響，晉城地區(qū)有弱地面倒槽存在，晉城為偏南風(fēng)。14時(shí)倒槽略有發(fā)展，臨汾東部也轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，長(zhǎng)治與臨汾交界處形成一條中尺度輻合線(圖2)。隨著倒槽西移和強(qiáng)度的減弱，輻合線轉(zhuǎn)至運(yùn)城地區(qū)。

圖2 2014年7月22日14時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)流線、500 hPa高度場(chǎng)及CAPE值

綜上，200 hPa南亞高壓強(qiáng)盛穩(wěn)定，山西南部位于分流輻散區(qū)，高層抽吸作用較強(qiáng)；500 hPa副高穩(wěn)定西伸，配合短波槽緩慢東移，造成低層切變線穩(wěn)定少動(dòng)，冷暖空氣在山西南部交匯，山西南部低層大氣不穩(wěn)定度持續(xù)增強(qiáng)，是造成此次對(duì)流性暴雨天氣的主要環(huán)流背景。

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)與降水演變特征

3.1 云頂亮溫與降水演變特征

衛(wèi)星觀測(cè)到的云頂亮溫(TBB)能夠很好地反映中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展演變過(guò)程，而中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變過(guò)程與短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

分析FY-2E衛(wèi)星觀測(cè)的TBB演變發(fā)現(xiàn)(圖3)，2014年7月22日中午隨著近地面氣溫逐漸升高，在副高邊緣、沿850 hPa切變線及地面中尺度輻合線附近，開(kāi)始有對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)。14時(shí)在長(zhǎng)治地區(qū)有對(duì)流云團(tuán)A生成，并且在其外圍東南側(cè)出現(xiàn)明顯降水。隨后該云團(tuán)緩慢向東向南發(fā)展，16時(shí)強(qiáng)度達(dá)最強(qiáng)，中心云頂亮溫達(dá)到-65 ℃，水平尺度為120 km。此時(shí)在其西北側(cè)的沁源、沁縣及中心附近的高平、長(zhǎng)治的區(qū)域站觀測(cè)到了短時(shí)強(qiáng)降水天氣，其中沁源16時(shí)雨強(qiáng)為23.3 mm/h。此時(shí)河南地區(qū)、晉城西部在地面中尺度輻合線附近有對(duì)流云團(tuán)B、C生成。18:30時(shí) C云團(tuán)發(fā)展到最旺盛，中心TBB達(dá)-64 ℃，水平尺度為100 km左右，而B(niǎo)云團(tuán)水平尺度發(fā)展為300 km，TBB最小為-73 ℃，在其東側(cè)出現(xiàn)明顯降水，但強(qiáng)度不強(qiáng)；C云團(tuán)在東移過(guò)程中強(qiáng)度減弱，至20:30基本消失，而B(niǎo)云團(tuán)發(fā)展到最旺盛階段，水平尺度達(dá)到300 km左右，中心TBB達(dá)-71 ℃，小于-32 ℃的冷云面積達(dá)12×104km2，長(zhǎng)短軸比約為0.9，已達(dá)到MCC標(biāo)準(zhǔn)。短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在B云團(tuán)東側(cè)外圍及北側(cè)B云團(tuán)內(nèi)部TBB梯度大值區(qū)附近。運(yùn)城地區(qū)有14個(gè)區(qū)域站雨強(qiáng)超過(guò)20 mm/h，其中最強(qiáng)為運(yùn)城聞喜郭家莊鎮(zhèn)柏林小學(xué)站，雨強(qiáng)達(dá)到67.4 mm/h。B云團(tuán)西段發(fā)展迅速，不斷吸收東段的能量，23時(shí)前后B云團(tuán)西段發(fā)展到最旺盛，長(zhǎng)短軸之比約為0.4，TBB最小達(dá)-70 ℃，在對(duì)流云團(tuán)中心出現(xiàn)多站短時(shí)強(qiáng)降水，運(yùn)城39.7 mm/h，夏縣44.3 mm/h，區(qū)域站最大雨強(qiáng)為54.1 mm/h，出現(xiàn)在運(yùn)城夏縣南師村村委會(huì)。23日03時(shí)B云團(tuán)已經(jīng)完全減弱為一般云團(tuán)，降水強(qiáng)度也隨之減弱。

圖3 2014年7月22日16時(shí)(a)、18時(shí)(b)、20時(shí)(c)、23時(shí)(d)對(duì)流云團(tuán)TBB及短時(shí)強(qiáng)降水分布圖

綜上，此次暴雨是由副高邊緣、沿低層850 hPa切變線及地面中尺度輻合線附近激發(fā)的中尺度對(duì)流云團(tuán)造成的，由于低層無(wú)急流形成，這些中尺度對(duì)流云團(tuán)較為分散；隨著低層垂直風(fēng)切變不斷增大，運(yùn)城地區(qū)的對(duì)流云團(tuán)出現(xiàn)合并、加強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，而長(zhǎng)治地區(qū)的對(duì)流云團(tuán)沒(méi)有合并現(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間較短。因此，運(yùn)城地區(qū)的兩個(gè)暴雨點(diǎn)降水強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，而長(zhǎng)治地區(qū)的暴雨點(diǎn)降水強(qiáng)度較小，持續(xù)時(shí)間短。在對(duì)流云團(tuán)發(fā)展初期，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)外圍偏東偏南側(cè)的TBB梯度大值附近，而發(fā)展旺盛階段強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)外圍偏西偏北側(cè)TBB梯度大值區(qū)靠近中心附近；對(duì)流云團(tuán)成熟階段降水強(qiáng)度最大。

3.2 雷達(dá)反射率因子與分鐘降水演變特征

雷達(dá)資料時(shí)空分辨率高，其回波特征可反映中尺度對(duì)流系統(tǒng)中降水粒子的發(fā)展演變信息。與A云團(tuán)對(duì)應(yīng)，14:00左右在沁源區(qū)內(nèi)出現(xiàn)明顯的回波，對(duì)應(yīng)沁源的個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了降水，但降水強(qiáng)度較弱。14:22沁源出現(xiàn)多條γ-中尺度的回波(圖4a)，回波呈西北-東南向依次排列。沁源地形復(fù)雜，北側(cè)和西側(cè)均為海拔高于1300 m的山體，西側(cè)山體最高海拔超過(guò)1800 m。該回波與沁源西北側(cè)東北-西南向山體垂直，主要是氣流下山后觸發(fā)不穩(wěn)定層結(jié)形成的。在之后緩慢東移過(guò)程中，垂直排列的回波均不斷加強(qiáng)，偏北的對(duì)流單體移動(dòng)較快。14:48多個(gè)對(duì)流單體呈東北-西南向排列，且緩慢向東南方向移動(dòng)。15:08回波前沿進(jìn)入沁源站區(qū)，沁源開(kāi)始出現(xiàn)降水。15:12出現(xiàn)1 h內(nèi)第一個(gè)降水峰值(圖5a)。之后回波繼續(xù)緩慢東移南壓，15:39前后，≥40 dBZ強(qiáng)回波區(qū)經(jīng)過(guò)沁源(圖4b)，沁源連續(xù)9 min出現(xiàn)了0.9 mm/min以上的降水量。15:54-16:03降水出現(xiàn)間歇，而此時(shí)在回波帶的尾部即西側(cè)又有新的對(duì)流單體生成，16:04經(jīng)過(guò)沁源，沁源再次出現(xiàn)降水。16:55以后≥40 dBZ強(qiáng)回波通過(guò)沁源(圖4c)，沁源在此1 h內(nèi)出現(xiàn)降水峰值(圖5b)。之后回波移出沁源，且在沁源附近沒(méi)有新的對(duì)流單體生成，本階段對(duì)流性降水結(jié)束。

圖4 2014年7月22日14:22(a)、15:39(b)、16:55(c)長(zhǎng)治雷達(dá)1.5°仰角反射率特征和17:54(d)、21:13(e)、21:56(f)三門峽站0.57°仰角雷達(dá)回波圖

19:00-20:00，運(yùn)城、夏縣的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)呈現(xiàn)多峰型(圖5c)，而22:00-23:00的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)則呈現(xiàn)單峰型(圖5d)，且夏縣的強(qiáng)降水時(shí)段要晚于運(yùn)城的，運(yùn)城的強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在22:08左右，夏縣則出現(xiàn)在22:43左右。從三門峽站的單站雷達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，17:54在運(yùn)城南部有對(duì)流單體生成，從垂直剖面上(圖4d)看，強(qiáng)回波(回波強(qiáng)度≥50 dBZ)高度在4 km以上，說(shuō)明此時(shí)大水滴或冰雹粒子還未及地。之后運(yùn)城地區(qū)又有多個(gè)對(duì)流單體生成，且在東移、北抬過(guò)程中連成一片，18:42左右運(yùn)城站附近有降水回波生成，回波強(qiáng)度為45 dBZ，此時(shí)在運(yùn)城站南側(cè)也存在明顯的降水回波，回波最強(qiáng)為50 dBZ。19:00以后，運(yùn)城站西側(cè)及南側(cè)回波連成一片，并不斷向東北方向移動(dòng)，給運(yùn)城帶來(lái)持續(xù)的對(duì)流降水。21:13(圖4e)，山西、陜西和河南3省交界處生成的回波在不斷向東北方向移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)入運(yùn)城境內(nèi)，21:56強(qiáng)回波主體到達(dá)運(yùn)城(圖4f)。從雷達(dá)回波垂直剖面上(圖4f)可以看到，影響運(yùn)城的對(duì)流單體，其強(qiáng)回波質(zhì)心低，降水效率高。該回波向東北方向移動(dòng)，于22:32移至夏縣，23:08移出夏縣。在此期間夏縣出現(xiàn)了持續(xù)30 min分鐘降水強(qiáng)度超過(guò)1 mm的強(qiáng)降水。

圖5 2014年7月22日16時(shí)(a)、17時(shí)(b)沁源站和20時(shí)(c)、23時(shí)(d)運(yùn)城、夏縣站分鐘降水時(shí)序圖

從以上分析不難看出，沁源站西側(cè)不斷有對(duì)流單體生成發(fā)展東移經(jīng)過(guò)，沁源站的短時(shí)強(qiáng)降水是由“列車效應(yīng)”造成的；而運(yùn)城、夏縣兩站的短時(shí)強(qiáng)降水，主要是由于強(qiáng)回波出現(xiàn)合并且移速較慢，在局地持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)造成的?；夭◤?qiáng)度的變化及移動(dòng)與分鐘降水強(qiáng)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，40 dBZ回波對(duì)應(yīng)的分鐘降水約為1 mm/min。提前分析回波的生成及移動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)有很好的指示意義。另外，雷達(dá)回波強(qiáng)度也能夠間接反映非觀測(cè)站點(diǎn)處降水強(qiáng)度特征，在高分辨率網(wǎng)格降水估測(cè)中能夠發(fā)揮重要作用。

4 雷達(dá)徑向速度特征分析

此次過(guò)程，低空并沒(méi)有形成明顯的急流，暴雨局地性強(qiáng)，主要是觸發(fā)局地不穩(wěn)定能量引起的短時(shí)強(qiáng)降水。降水期間，長(zhǎng)治站雷達(dá)徑向速度圖上，零速度線呈“S”型，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，低層有暖平流，低層大氣的不穩(wěn)定度持續(xù)增大。2014年7月15:29開(kāi)始沁源站3 km附近最大速度值為-14.8 m/s，成片的負(fù)速度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)小范圍的正速度(圖6a)，這種速度的不連續(xù)，造成回波不斷加強(qiáng)，對(duì)流發(fā)展。15:59負(fù)速度值減小，正速度區(qū)消失，在沁源站東側(cè)形成一條明顯的陣風(fēng)鋒，沁源站降水暫停。

18:48前，運(yùn)城區(qū)域?yàn)槿醯钠憋L(fēng)，之后轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)。19:00-19:30運(yùn)城站偏南風(fēng)風(fēng)速最大約為5 m/s。從19:18沿運(yùn)城站的速度剖面圖(圖6b)上可看出，運(yùn)城站4 km以下為偏南風(fēng)，4 km以上為偏北風(fēng)，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，存在明顯的暖平流。21:50-21:56，運(yùn)城偏南風(fēng)風(fēng)速迅速增大到約10 m/s，對(duì)應(yīng)低層比濕(圖略)迅速增大，使運(yùn)城站降水迅速增幅。22:08運(yùn)城站降水達(dá)到峰值，分鐘降水量達(dá)到2.9 mm/min。之后偏南風(fēng)減弱或轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，降水強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。22:14以后，夏縣偏南風(fēng)增大，于22:38達(dá)到最大，約為14 m/s，夏縣降水強(qiáng)度出現(xiàn)明顯增幅，22:42分鐘降水量達(dá)到2.5 mm/min。隨后偏南風(fēng)風(fēng)速減小，降水強(qiáng)度也隨之減弱。

圖6 2014年7月22日15:29長(zhǎng)治站(a)、19:18運(yùn)城站(b)雷達(dá)徑向風(fēng)分布

由以上分析不難看出，沁源站在成片的負(fù)速度區(qū)出現(xiàn)小范圍正速度區(qū)，這種風(fēng)場(chǎng)的不連續(xù)，是造成沁源短時(shí)強(qiáng)降水的重要觸發(fā)因素，隨著負(fù)速度值的減小，沁源站降水結(jié)束。而運(yùn)城、夏縣的降水增幅與偏南風(fēng)風(fēng)速的增加有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。雷達(dá)徑向速度場(chǎng)能夠分析局地風(fēng)向風(fēng)速的連續(xù)變化，而徑向風(fēng)速風(fēng)向的變化對(duì)局地降水強(qiáng)度變化有很好的指示意義。

5 數(shù)值模擬及中尺度對(duì)流系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

5.1 數(shù)值模擬

中尺度數(shù)值模式WRF較好模擬了2014年7月22日14時(shí)至23日08時(shí)山西南部中雨以上量級(jí)降水(圖7a):暴雨局地特征明顯，運(yùn)城、夏縣、沁源局地出現(xiàn)暴雨天氣。從模擬的運(yùn)城單站降水時(shí)序圖(圖7b)可以看出，模式模擬的降水主要是從21時(shí)開(kāi)始，23時(shí)運(yùn)城站出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，降水強(qiáng)度達(dá)到40 mm/h以上，與實(shí)況較為接近。

圖7 模擬的2014年7月22日14時(shí)-23日08時(shí)累計(jì)降水量(a)及運(yùn)城單站降水時(shí)序圖(b)

模式也較好地模擬了地面中尺度輻合線及CAPE的演變特征。15時(shí)沁源附近存在一CAPE大值中心(圖8a)，中心值為1100 J/kg，并且此時(shí)地面上長(zhǎng)治臨汾交界處存在一條明顯的中尺度輻合線。受地面輻合線觸發(fā)，沁源地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，之后能量釋放至<800 J/kg。CAPE大值區(qū)西移，運(yùn)城地區(qū)CAPE值不斷增加，20時(shí)達(dá)到1600 J/kg以上(圖8b)。此時(shí)地面中尺度輻合線也移至運(yùn)城北部，不穩(wěn)定能量觸發(fā)后發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水天氣，CAPE值≥1600 J/kg的范圍減小，但是運(yùn)城地區(qū)的不穩(wěn)定能量仍然在1500 J/kg左右。23時(shí)運(yùn)城、夏縣繼續(xù)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，地面中尺度輻合線略微南移至運(yùn)城站附近(圖8c)。輻合線附近輻合強(qiáng)度強(qiáng)，出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水天氣強(qiáng)度也更強(qiáng)。之后不穩(wěn)定能量被完全釋放，運(yùn)城地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣也基本結(jié)束。

圖8 2014年7月22日15時(shí)(a)、20時(shí)(b)、23時(shí)(c)CAPE(陰影)分布及地面風(fēng)場(chǎng)(矢量)

綜上分析，中尺度數(shù)值模式模擬結(jié)果與實(shí)況較為一致。下文將使用模擬結(jié)果分析中尺度對(duì)流系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。

5.2 風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)和演變特征

分析中尺度數(shù)值模式輸出的逐小時(shí)各層風(fēng)場(chǎng)變化可知(圖略)，200 hPa高壓不斷南壓西擴(kuò)，而且風(fēng)速增大，高壓西側(cè)外圍風(fēng)的輻散強(qiáng)度和范圍都在擴(kuò)大，23時(shí)運(yùn)城地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水外圍風(fēng)輻散最強(qiáng)，強(qiáng)度最大，此時(shí)的短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度也最大。700 hPa上16時(shí)在山西南部為一致的西南風(fēng)，在沁源附近存在較大的輻合中心，而后風(fēng)場(chǎng)偏西分量逐漸增大，20時(shí)長(zhǎng)治地區(qū)轉(zhuǎn)為西風(fēng)，此時(shí)運(yùn)城地區(qū)風(fēng)場(chǎng)切變明顯，輻合增強(qiáng)，23時(shí)運(yùn)城南部偏南氣流明顯增強(qiáng)，降水強(qiáng)度也明顯強(qiáng)于20時(shí)的降水。對(duì)應(yīng)850 hPa上，16時(shí)在長(zhǎng)治晉城地區(qū)為一致的東南風(fēng)，東南風(fēng)受地形阻擋，在長(zhǎng)治西北部形成東南風(fēng)與東北風(fēng)強(qiáng)輻合中心，之后東南風(fēng)偏東分量增強(qiáng)，偏南風(fēng)分量減弱，在20時(shí)變?yōu)橐恢碌钠黠L(fēng)，強(qiáng)輻合中心南壓、西擴(kuò)，臨汾、運(yùn)城、晉城等地均存在明顯的輻合中心，直至23時(shí)，850 hPa風(fēng)場(chǎng)在運(yùn)城地區(qū)都存在一條近似東-西走向的切變線。這種風(fēng)場(chǎng)在不同層次上的垂直結(jié)構(gòu)及變化，為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件。

35.15°N處20時(shí)、23時(shí)的風(fēng)場(chǎng)垂直剖面顯示，20時(shí)，在111°E附近垂直層上主要表現(xiàn)為緯向風(fēng)切變，且近地層到500 hPa緯向切變達(dá)到15 m/s，而經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速較小，在111°E附近表現(xiàn)為多層切變，切變最強(qiáng)為6 m/s。23時(shí)，在111°E附近經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速增加，風(fēng)速垂直切變迅速增強(qiáng)，近地層到500 hPa最強(qiáng)垂直經(jīng)向風(fēng)切變達(dá)到16 m/s(圖9a)，緯向風(fēng)切變層壓縮，對(duì)流層低層風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)，近地層到700 hPa垂直風(fēng)切變達(dá)到12 m/s，而且從700 hPa到500 hPa之間也存在較弱的緯向風(fēng)切變(圖9b)。與20時(shí)的風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)相比，23時(shí)的風(fēng)場(chǎng)垂直切變顯著增強(qiáng)，因此23時(shí)的降水強(qiáng)度較20時(shí)要強(qiáng)(圖9c)。葉更新等[31]研究表明,風(fēng)垂直切變對(duì)風(fēng)暴的作用只表現(xiàn)在風(fēng)速大小隨高度的變化和水平渦度的作用上，而風(fēng)向隨高度的變化是大氣對(duì)流的結(jié)果而不是原因，對(duì)流越強(qiáng)，風(fēng)向垂直切變?cè)綇?qiáng)。從35.15°N在16時(shí)到23時(shí)的風(fēng)速垂直變化來(lái)看(圖略)，18時(shí)在111°E附近650 hPa以下風(fēng)速垂直變化增大，比強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間提前2 h，而22時(shí)在111°E附近又出現(xiàn)多層風(fēng)速垂直變化?？梢?jiàn)，風(fēng)速隨高度的變化作為風(fēng)暴發(fā)生的原因，能夠提高對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效性。

圖9 過(guò)35.15°N經(jīng)向風(fēng)分量v在2014年7月22日23時(shí)(a)和緯向風(fēng)分量u在20時(shí)(b)、23時(shí)(c)的垂直剖面

風(fēng)場(chǎng)及散度場(chǎng)(圖略)的變化，局地特征明顯。16時(shí)前后低層的輻合主要出現(xiàn)在山西東南部沁源附近。隨著時(shí)間的推移，20時(shí)前后輻合在運(yùn)城附近更為明顯，而且23時(shí)前后輻合增強(qiáng)，運(yùn)城地區(qū)降水增幅。從風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)變化可以看出，運(yùn)城和夏縣23時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度比20時(shí)的顯著偏大的原因，主要是動(dòng)力條件加強(qiáng)，23時(shí)的風(fēng)場(chǎng)輻合及垂直風(fēng)切變強(qiáng)度明顯大于20時(shí)的。

6 結(jié)果與討論

此次暴雨天氣過(guò)程主要是由短時(shí)強(qiáng)降水造成的，降水強(qiáng)度大,持續(xù)時(shí)間短,局地性強(qiáng)。通過(guò)天氣背景、FY-2E氣象衛(wèi)星和雷達(dá)及地面加密分鐘資料和數(shù)值模擬結(jié)果精細(xì)分析，得出以下結(jié)論：

(1)200 hPa南亞高壓強(qiáng)盛穩(wěn)定，500 hPa副高穩(wěn)定西伸，低層切變線穩(wěn)定少動(dòng)，山西南部低層大氣不穩(wěn)定度持續(xù)增強(qiáng)，是造成此次對(duì)流性暴雨天氣的主要環(huán)境條件。

(2)衛(wèi)星和地面降水資料對(duì)應(yīng)分析表明，降水初期對(duì)流云團(tuán)分散，沁源站的降水強(qiáng)度隨著本地對(duì)流云團(tuán)的減弱而迅速減小，而運(yùn)城、夏縣的對(duì)流云團(tuán)在有利的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)下出現(xiàn)了合并，≥1 mm/min的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)流云團(tuán)初生階段強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)偏東偏南側(cè)的TBB梯度大值區(qū)，而在發(fā)展旺盛階段強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)外圍偏西偏北側(cè)的TBB大值區(qū)、靠近中心位置附近；對(duì)流云團(tuán)成熟階段時(shí)降水強(qiáng)度最強(qiáng)，之后降水強(qiáng)度減弱。

(3)從雷達(dá)反射率因子分析知，沁源站的強(qiáng)降水是由“列車效應(yīng)”造成的，而運(yùn)城、夏縣兩站的短時(shí)強(qiáng)降水，主要是由于強(qiáng)回波移速較慢，在局地停留時(shí)間較長(zhǎng)造成的。雷達(dá)徑向速度與地面分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)分析表明，沁源站在成片的負(fù)速度區(qū)出現(xiàn)小范圍正速度區(qū)，這種風(fēng)場(chǎng)的不連續(xù)，是造成沁源短時(shí)強(qiáng)降水的重要觸發(fā)因素；而運(yùn)城、夏縣的降水增幅與偏南風(fēng)風(fēng)速的增加有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。雷達(dá)徑向速度場(chǎng)上徑向風(fēng)向風(fēng)速的變化對(duì)降水強(qiáng)度變化有很好的指示意義。

(4)風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)及演變特征顯示，強(qiáng)回波區(qū)上空高層輻散、低層輻合的傾斜垂直結(jié)構(gòu)，不僅加強(qiáng)了對(duì)流單體的發(fā)展，而且延長(zhǎng)了對(duì)流的時(shí)間，為短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件。計(jì)算分析垂直風(fēng)切變變化表明，緯向和徑向風(fēng)切變?cè)趯?duì)流的不同發(fā)展階段特征不同，對(duì)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展及強(qiáng)降水的作用也不同。低層徑向風(fēng)切變大小與短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度關(guān)系更密切。