京津冀一次暖區(qū)大暴雨的成因分析

楊曉亮，楊敏，段宇輝，朱剛，孫云

(1.河北省氣象臺，石家莊 050021；2.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，石家莊 050021；3.河北省氣象行政技術服務中心，石家莊 050021)

引言

暴雨是我國華北地區(qū)夏季主要的災害性天氣之一，往往引發(fā)山洪、城市內(nèi)澇等次生災害。華北地處中緯度地區(qū)，暴雨的局地性強、突發(fā)性明顯、影響系統(tǒng)多、物理機制復雜，與華南暴雨和長江流域梅雨期暴雨相比具有一定的地域性特征，一直以來備受氣象學者和預報員關注。尤其是近年來，華北地區(qū)極端強降水過程頻發(fā)，眾多學者從環(huán)境條件、多尺度特征、物理機制、復雜地形、下墊面影響等諸多方面對華北暴雨進行了研究。例如，對社會關注度極高的2012 年“7.21”北京及華北特大暴雨(以下簡稱“7.21”特大暴雨)，不少研究(俞小鼎，2012；孫軍等，2012；諶蕓等，2012；孫建華等，2013；陳明軒等，2013)均表明，此次極端暴雨過程分為暖區(qū)降水和鋒面降水，是在有利的大尺度環(huán)流背景下由多個長生命史、穩(wěn)定少動的中尺度對流系統(tǒng)(MCS)造成。再如，對2016 年“7.19”華北極端強降水過程，相關研究表明，高低空系統(tǒng)耦合背景下快速發(fā)展的深厚氣旋是影響強降水發(fā)生發(fā)展的重要系統(tǒng)(趙思雄等，2018)，降水期間各物理量明顯偏離氣候平均態(tài)(栗晗等，2018)，地形對降水增幅作用顯著(符嬌蘭等，2017)，潛熱反饋過程對強降水起非常重要的作用(雷蕾等，2017)。北方局地強降水多發(fā)生在高濕環(huán)境下，低空急流、邊界層中尺度輻合線等中尺度系統(tǒng)是觸發(fā)強降水的關鍵因子(徐珺等，2014；諶蕓等，2018；孫密娜等，2018；張楠等，2018；劉瑾等，2020)。特別是低空急流的動力作用表現(xiàn)為風速脈動和風速增大，有利于其出口區(qū)降壓形成氣旋性風場或切變，觸發(fā)和加強對流(雷蕾等，2020)。盡管上述研究從理論上揭示了華北暴雨形成的環(huán)境條件和原因，對指導華北暴雨預報具有積極作用，但對于副高外圍暖區(qū)大暴雨預報的指導能力有限，尤其是京津冀地區(qū)地理環(huán)境多樣，暖區(qū)暴雨形成的機理極為復雜，在現(xiàn)有認知和方法的基礎上，準確預報暴雨的落區(qū)和強度難度很大(趙思雄和孫建華，2019)，暴雨預報時有失誤。因此，針對新近華北發(fā)生的暖區(qū)大暴雨過程深入研究其形成機制仍然十分必要。

2020 年8月12日早晨開始，京津冀地區(qū)自南向北先后迎來當年入汛以來最強降雨天氣，多地自動站日降雨量超過其建站以來8月中旬日雨量歷史極值。本次過程與“7.21”特大暴雨的天氣形勢非常相似，但降水分布存在明顯不同：一是本次過程鋒面造成的降水很弱，強降水主要發(fā)生在暖區(qū)；二是不同于“7.21”特大暴雨集中出現(xiàn)在京津冀的北部，本次過程在京津冀南北相距不足200 km區(qū)域內(nèi)先后兩個時段出現(xiàn)成片暖區(qū)大暴雨。盡管業(yè)務上預報出了本次強降水過程，但對于南北兩個區(qū)域暖區(qū)暴雨的估計和認識均存在不足。那么，導致兩個區(qū)域暴雨的中小尺度系統(tǒng)是如何發(fā)展演變的、其形成機制有何不同？本文利用多源觀測資料對此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程的降水特征、環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)演變特征及其形成原因進行了分析，期望為提高此類暴雨預報的準確率、減少暴雨災害損失提供參考。

1 資料說明

本文使用的資料包括：(1)美國國家環(huán)境氣象預報中心(NCEP)逐6 h 再分析資料(分辨率1°×1°)。(2)2020 年8 月11—12 日北京和邢臺探空站資料。(3)河北省氣象信息中心提供的經(jīng)質量控制的京津冀區(qū)域逐小時區(qū)域自動站氣象資料，氣象要素包括溫度、露點、風向、風速和小時雨量。(4)國家衛(wèi)星氣象中心提供的風云四號氣象衛(wèi)星云圖。(5)2020年8月12日05時(北京時，下同)—13日08時京津冀雷達拼圖產(chǎn)品。(6)河北省氣象信息中心提供的2020年8月12日02—09時邯鄲風廓線雷達資料。(7)北京城市氣象研究院基于京津冀多部雷達資料的多普勒雷達變分同化分析系統(tǒng)(Variational Doppler Radar Analysis System，VDRAS)的熱力動力反演資料，空間分辨率5 km×5 km，時間分辨率18 min，垂直方向15層，最低層距地面187.5 m。

2 降水實況及特點

2020 年8 月12 日00 時—13 日14 時，京津冀各地自南向北先后迎來當年入汛以來最強降水，該地區(qū)有240個自動站(含區(qū)域站)過程降水量超過100 mm，強降水呈準南北向帶狀分布(圖1a)。逐小時降水量(圖2)演變顯示，12日06時降水始于河北東南部，之后自南向北發(fā)展，雨區(qū)逐漸增大，14時之前河北東南部地區(qū)雨強較大(圖2c、d)。16 時后，河北中部地區(qū)降水開始加強(圖2g、h)，強降水中心緩慢向東北方向移動?？梢姡诉^程表現(xiàn)出明顯的階段性，強降水可分為兩個階段：第一階段是12日05—14時，暴雨區(qū)位于邯鄲中東部、邢臺中東部、石家莊東南部和衡水市(圖1a)，其中邢臺東部的趙店站過程雨量最大達217.2 mm；第二階段降水集中在12 日16 時—13 日06 時，暴雨區(qū)位于保定中東部、雄安新區(qū)、滄州西部、廊坊南部、北京中部、天津西部北部、承德和唐山北部等地(圖1a)，雨區(qū)范圍更廣，其中有三個大暴雨中心，雄安新區(qū)王家房站雨量最大為241.5 mm。兩個階段暴雨在空間上以石家莊—滄州為界(圖1a中白色虛線)。由自南向北依次選取的邯鄲陳村鄉(xiāng)、雄安王家房、北京沙河水庫、承德孟子嶺四個代表站小時降水量變化(圖1b)可知，陳村鄉(xiāng)站(代表第一階段強降水)強降水集中在12 日06—10 時，最大雨強超過80 mm·h-1；王家房、沙河水庫和孟子嶺站(代表第二階段強降水)自南向北從12 日16 時開始降水，一直到13 日06 時結束，持續(xù)14 h，其中王家房站在12 日18—19 時出現(xiàn)125.9 mm 極端小時降水。將雨強超過20 mm·h-1定義為短時強降水，從短時強降水站數(shù)的時間變化看(圖1b中折線)，第一階段在08—09時出現(xiàn)第一個短時強降水峰值，16時站數(shù)降至20站以下；第二階段在23時短時強降水站數(shù)最多達141站，此時強降水范圍最廣，13日01時后短時強降水站數(shù)迅速下降。

圖1 2020年8月12日00時—13日14時京津冀地區(qū)累積降雨量分布(a，單位:mm；白色虛線為南北降水分界線)，以及大暴雨區(qū)四個代表站雨量(單位:mm)和京津冀地區(qū)超過20 mm·h-1強降水站數(shù)逐小時變化(b)Fig.1 (a)Accumulated precipitation(unit:mm)in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 00:00 BT 12 to 14:00 BT 13 August 2020,and(b)the hourly rainfall(unit:mm)at the four representative stations in the extra torrential rain zone and the hourly number of severe precipitation stations with hourly rainfall greater than 20 mm in this region.In(a)white dashed line denotes the north-south precipitation boundary.

圖2 2020年8月12日06時(a)、08時(b)、10時(c)、12時(d)、14時(e)、16時(f)、18時(g)、20時(h)、22時(i)以及13日00時(j)、02時(k)、04時(l)京津冀地區(qū)自動站1 h雨量分布(單位:mm)Fig.2 Distribution of 1-hour rainfall(unit:mm)at the automatic weather stations(AWSs)over the Beijing-Tianjin-Hebei region at(a)06∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)10∶00 BT,(d)12∶00 BT,(e)14∶00 BT,(f)16∶00 BT,(g)18∶00 BT,(h)20∶00 BT,and(i)22∶00 BT on 12 and(j)00∶00 BT,(k)02∶00 BT,and(l)04∶00 BT on 13 August 2020.

綜上分析可知，此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程具有累積雨量大、影響范圍廣、過程持續(xù)時間長、單站雨強極端等特點，強降水表現(xiàn)出明顯的階段性，第一階段暴雨集中在河北東南部，小時短時強降水站數(shù)最多超過90站，持續(xù)時間8 h；第二階段暴雨出現(xiàn)在京津冀中北部，發(fā)生在第一階段之后，持續(xù)時間達14 h，短時強降水站數(shù)在23時最多達到141站。這表明第二階段強降水范圍更大、持續(xù)時間更長；在空間分布上，兩階段強降水區(qū)域明顯不同，以石家莊、滄州一線為界線分屬南北兩片。

3 環(huán)流形勢與環(huán)境條件分析

3.1 環(huán)流形勢與主要影響系統(tǒng)

2020 年8 月12 日02 時(圖3a)，200 hPa 高空急流偏北偏西，500 hPa副熱帶高壓(以下簡稱副高)呈塊狀且異常強盛，588 dagpm 等值線控制山東大部，西風槽和對應低層的低渦系統(tǒng)位于河套以西，河北處于500 hPa 副高外圍，850 hPa 河北南部地區(qū)為東南風控制；08時河套以西低槽(渦)略東移(圖3b)，副高進一步西伸，588 dagpm等值線到達河北東部，850 hPa河北轉為一致的東南風，在河北東南部與山東交界處出現(xiàn)小范圍低空急流，急流前側存在風速的輻合，此時第一階段強降水在河北東南部開始(圖2b)。14—20時(圖3c、d)，500 hPa 低槽(渦)系統(tǒng)加深發(fā)展、移動緩慢，588 dagpm等值線略向東撤，850 hPa有一支東南偏南風低空急流迅速向北向東發(fā)展，急流左側形成暖式切變線，并從京津向東移動到河北東部。20時850 hPa河北東北部風速超過20 m·s-1，急流軸寬度和強度明顯增大(圖3d)，急流軸左側有明顯的風速輻合和風向切變，此時河套低渦底部冷式切變線正好到達山西中部，說明本次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程無明顯冷空氣參與。隨著200 hPa高空急流東傳，京津冀北部轉為高空分流區(qū)，第二階段大范圍強降水在京津冀中北部發(fā)展。

圖3 2020年8月12日02時(a)、08時(b)、14時(c)、20時(d)200 hPa超過35 m·s-1急流區(qū)(填色區(qū)，單位:m·s-1)、500 hPa位勢高度(紅色和藍色等值線，單位:dagpm)以及850 hPa水平風場(風向桿，單位:m·s-1；紅色風向桿為低空急流)和溫度(紫色等值線,單位:℃)Fig.3 Jet stream(color-filled areas,unit:m·s-1)with wind speed greater than 35 m·s-1 at 200 hPa,geopotential height(red and blue contours,unit:dagpm)at 500 hPa and wind field(wind barbs,unit:m·s-1)and temperature(purple contours,unit:℃)at 850 hPa at(a)02∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)14:00 BT and(d)20∶00 BT on 12 August 2020.Red wind barbs denote the low-level jet.

以上分析表明，兩階段強降水均發(fā)生在副高邊緣、500 hPa 及以下層次的暖氣團中。第一階段降水發(fā)生在588 dagpm等值線邊緣，850 hPa低空東南急流前側的風速輻合區(qū)，急流強度和范圍較??；第二階段大暴雨發(fā)生在850 hPa偏南風低空急流明顯加強北上的背景下，低空急流、暖式切變線和200 hPa高空分流區(qū)為第二階段大范圍暴雨提供了更有利的動力條件。

3.2 水汽和不穩(wěn)定能量

水汽在暴雨中的作用至關重要(王華等，2019)，大氣中的水汽主要有兩個來源，一是本地大氣的絕對含水量，二是外地水汽輸送及在本地輻合。8月11日白天，隨著副高西伸加強，河北受反氣旋控制，天氣濕熱，平原大部分地區(qū)午后最高氣溫為32～33 ℃，露點溫度為24～27 ℃(圖略)，表明近地層水汽含量較大，雖然11日夜間氣溫有所下降，但12日早晨降水開始前，河北東南部地區(qū)地面露點溫度仍維持在25～26 ℃(圖4a)，大氣可降水量高達60 mm 以上。08—14 時隨著850 hPa南到東南風向北推進(圖4b、c)，水汽被輸送到河北中東部，水汽通量大值區(qū)前端存在水汽輻合。伴隨水汽輸送，京津冀東部地區(qū)整層大氣可降水量明顯上升，在降水發(fā)生前均增大到60～70 mm(圖4d)，表明整層大氣水汽含量充沛。Tian等(2015)研究指出，大氣可降水量(PWV)達到60 mm是我國東部地區(qū)短時強降水發(fā)生的充分條件。對照這一條件，此次過程第一階段強降水發(fā)生前河北東南部已聚集了充沛的水汽，而第二階段產(chǎn)生暴雨所需的水汽主要由東南風輸送。

圖4 2020年8月12日05時地面露點溫度(a,單位:℃)，08時(b)和14時(c)850 hPa水汽通量(等值線,單位:10-3g·cm-1·hPa-1?s-1)和水汽通量散度(填色區(qū)，單位:10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)，以及14時整層大氣可降水量(d,單位:mm)Fig.4 (a)Surface dew-point temperature(dots,unit:℃)at 05∶00 BT,the water vapor flux(contours,unit:10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)and water vapor flux divergence(color-filled areas,unit:10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)at 850 hPa at(b)08∶00 BT and(c)14∶00 BT,and(d)whole atmospheric precipitable water(numbers,unit:mm)at 14∶00 BT on 12 August 2020.

位于河北南部的邢臺探空站實測資料顯示，此過程第一階段降水前的11日20時(圖5a)，600 hPa以下為一致的南到東南風，風速在10 m·s-1以下，對流有效位能(CAPE)達到2 504 J·kg-1，對流抑制能量(CIN)僅52.8 J·kg-1，抬升凝結高度(LCL)在925 hPa，表明大氣層結極不穩(wěn)定，對流較易被觸發(fā)。另由北京站探空曲線可見，此過程第二階段強降水發(fā)生前的12日08時(圖5b)，600 hPa以下為一致的偏南風，CAPE為554 J·kg-1，CIN 為0，LCL 在925 hPa 以下，14 時(圖略)低層風速明顯增大并出現(xiàn)低空急流，700 hPa 附近偏南風增至18 m·s-1，而925 hPa東南風增至12 m·s-1以上，利用14時北京地面氣溫和露點溫度對08 時探空進行訂正后的CAPE(圖5b 中綠色斜線)高達2 532 J·kg-1，表明大氣層結變得更不穩(wěn)定?？梢姡诙A段隨著低空急流增強，低層增溫增濕，使得大氣層結更加不穩(wěn)定，對流也更易被觸發(fā)。

圖5 2020年8月11日20時邢臺站(a)和12日08時北京站(b)探空曲線(圖b中綠色斜線為用14時北京地面氣溫和露點溫度訂正的對流有效位能，單位:J·kg-1)Fig.5 Sounding chart at(a)Xingtai station at 20∶00 BT on 11 and(b)Beijing station at 08∶00 BT on 12 August 2020.In(b)the green short-line shaded area is Convective Available Potential Energy(unit:J·kg-1)corrected by surface temperature and dew-point temperature at Beijing station at 14∶00 BT on 12 August 2020.

綜上分析表明，此過程第一階段強降水發(fā)生前暴雨區(qū)水汽充沛、對流能量充足，低層東南風輸送了大量水汽；第二階段水汽主要來自偏南風輸送，低空急流的增強使的低層增暖增濕，大氣層結變得更加不穩(wěn)定，抬升凝結高度更低，對流更易被觸發(fā)。

3.3 低空急流的演變

對環(huán)流形勢的分析發(fā)現(xiàn)本次過程兩個強降水階段均伴有低空急流。下文利用更精細的風廓線雷達和VDARS資料分析低空急流的演變。從8月12日02時開始，邯鄲上空3 km 以下始終維持一致的東南風，風速在10 m·s-1以下(圖6a)，其變化不大。到06時，近地面風速增大到10 m·s-1以上，地面開始出現(xiàn)零星降水(圖6b)；07—08 時1—3 km 東南風明顯增大，出現(xiàn)了風速超過12 m·s-1的低空急流，隨著風速增大，邯鄲地面小時降水迅速增大到35.9 mm(圖6b)，之后邯鄲降水隨著低空急流消失而很快減弱。VDRAS 距地面1 000 m高度的水平風場和水平散度場顯示，10時邢臺北部到衡水西南部一帶東南風風速在10～12 m·s-1之間(圖7a)，配合小范圍的水平輻合，地面降水強度在10～30 mm·h-1。12時，邢臺北部到衡水西南部的東南風明顯加強(圖7b)，風速加大到14～16 m·s-1，急流軸寬度在100 km左右，散度場上輻合區(qū)范圍仍較小，地面20～40 mm·h-1強降水位于急流出口區(qū)左前側?？梢?，第一階段地面降水增強與低空急流的出現(xiàn)關系密切，強降水主要位于邊界層急流出口區(qū)左前側。

圖6 2020年8月12日02—09時邯鄲上空垂直風廓線(a,風矢，單位:m·s-1；等值線為超過12 m·s-1的低空急流)及位于其西北側的邯鄲開發(fā)區(qū)自動站逐小時降水量演變(b,單位:mm)Fig.6 (a)Vertical wind profile(wind barbs,unit:m·s-1)at Handan station and(b)hourly precipitation(unit:mm)at the Handan Kaifaqu AWS in the northwest of Handan from 02∶00 BT to 09∶00 BT on 12 August 2020.In(a)contours represent the low-level jet of wind speed greater than 12 m·s-1.

圖7 2020年8月12日10時(a)、12時(b)、16時(c)、18時(d)、20時(e)和22時(f)VDARS 1 000 m高度水平風場(風矢，單位:m·s-1)、散度(等值線，單位:10-5s-1)與其后1 h降水量≥10 mm的自動站點(彩色圓點，單位:mm)分布疊加圖Fig.7 Superposition of the horizontal wind(wind bars,unit:m·s-1)and divergence(contours,unit:10-5s-1)at 1 000 m height from VDARS and the stations(color dots,unit:mm)of post-1 h accumulated precipitation greater than or equal to 10 mm at(a)10∶00 BT,(b)12∶00 BT,(c)16∶00 BT,(d)18∶00 BT,(e)20∶00 BT,and(f)22∶00 BT on 12 August 2020.

第二階段降水在16 時后開始增強(圖7c)，16—17時保定東部和滄州西部附近地面大于20 mm·h-1短時強降水的面積超過2 300 km2，最大雨強超過50 mm·h-1；17—18時在保定東部、滄州西部等地出現(xiàn)大范圍短時強降水，最大雨強超過70 mm·h-1(圖7d)。分析VDRAS距地面1 000 m 高度的水平風場和水平散度場發(fā)現(xiàn)，此階段降水的發(fā)生發(fā)展與邊界層東南風急流的關系更為密切。12 日16 時(圖7c)，衡水北部到滄州西部存在一支較強邊界層東南風急流，急流軸寬度約150 km，急流核風速16～18 m·s-1，水平輻合主要位于急流出口區(qū)左側，對應地面10～20 mm 的小時雨量分布，超過20 mm的站數(shù)較少。17時滄州西部急流核超過20 m·s-1(圖略)，其前側水平輻合明顯增強，地面小時雨量超過20 mm的范圍明顯擴大。18時超過20 m·s-1的急流核范圍進一步擴大，輻合中心呈南北向帶狀，地面降水繼續(xù)增強，單站最大小時雨量超過70 mm(圖7d)。20 時(圖7e)，急流核左側維持強輻合，輻合區(qū)由南北向帶狀轉為“逗點狀”，同時保定、雄安附近形成水平尺度超過100 km的中尺度低渦，維持近5 h，強降水位于中尺度低渦東側、急流核左側強輻合區(qū)中。12日22 時—13 日00 時，低空東南急流和中尺度低渦強度維持，先后影響北京和河北東北部(圖略)，造成北京中部、承德南部、唐山北部等地強降水。

以上分析表明，兩個階段地面降水均與低空急流關系密切，第一階段強降水位于邊界層急流出口區(qū)左前側，急流軸水平尺度較小。第二階段邊界層急流軸寬度和強度均強于第一階段，水平輻合區(qū)范圍更大，配合中尺度低渦系統(tǒng)，強降水主要位于中尺度低渦東側、急流出口區(qū)左側以及水平輻合區(qū)內(nèi)。

4 中尺度對流系統(tǒng)的演變與強降水成因

4.1 中尺度對流系統(tǒng)的云圖特征

為揭示本次過程兩個階段的強降水環(huán)境條件和中小尺度天氣系統(tǒng)演變的差異，本文利用國家衛(wèi)星氣象中心提供的逐15 min 的FY-4 氣象衛(wèi)星云圖，分析不同階段暴雨區(qū)對流云團活動特征。從上述兩個階段對流云團的發(fā)展演變圖(圖8)上看到，8月12日06時，隨著低層東南風向北推進，處于副高外圍的山東西部有兩個塊狀對流云團(A1和A2)發(fā)展，同時河北南部地面輻合線附近(圖9a)有一β中尺度對流云團(A3)被觸發(fā)，此時河北境內(nèi)地面降水還較弱(圖8a)。A3被觸發(fā)后迅速增強、面積增大，地面降水隨之加大，08時A3與A1、A2合并(圖8b)，可見光云圖(圖略)顯示A3云頂起伏不平、呈花菜狀，其上沖云頂和暗影清晰可見，表明對流發(fā)展旺盛，而A1、A2云頂較均勻并呈纖維狀，說明其以高空卷云為主，對應地面小時降水普遍不足10 mm(圖8b)，可見光云圖上的這種云頂結構差異是此階段紅外圖像上冷云蓋面積很大而強降水只出現(xiàn)在其左側的原因。對應地面風場(圖9b)，強降水主要出現(xiàn)在地面輻合線附近，強降水與地面輻合線的對應關系要好于其與云頂亮溫低值區(qū)的對應關系。10時A3發(fā)展成熟(圖8c)，形成一近乎圓形的α中尺度對流系統(tǒng)(MαCS)，其云頂亮溫接近-70 ℃，≤-52 ℃的冷云蓋面積接近3×105km2，維持2 h，受其影響，云團西側地面出現(xiàn)超過80 mm·h-1的短時強降水，直接造成河北東南部暴雨。12 時后，A3 減弱并向東移出河北(圖8d)，其西側在石家莊、衡水有β中尺度對流云團新生，其水平尺度小，由于地面無明顯輻合線配合，只造成河北中部局地強降水。

圖8 2020年8月12日06時(a)、08時(b)、10時(c)、12時(d)、16時(e)、18時(f)、20時(g)、22時(h)FY-4衛(wèi)星紅外云圖與其后1 h超過20 mm降水站點(彩色圓點，單位:mm)分布疊加圖Fig.8 Superposition of FY-4 infrared images at(a)06∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)10∶00 BT,(d)12∶00 BT,(e)16∶00 BT,(f)18∶00 BT,(g)20∶00 BT and(h)22:00 BT on 12 August 2020 and the stations(color dots,unit:mm)of post-1 h accumulated precipitation greater than or equal to 20 mm.

14—15時，河北上空對流系統(tǒng)分布與之前相比變化不大(圖略)。16 時，在邊界層東南風急流出口輻合區(qū)附近的保定、雄安一帶(圖7c)，有一β中尺度對流云團(B1)新生(圖8e)，之后其云頂亮溫迅速降低，水平尺度迅速擴大，18時已經(jīng)發(fā)展為拉長型中尺度對流系統(tǒng)(圖8f)。20時，B1已經(jīng)移到河北東部(圖8g)，同時在京津地區(qū)另有兩個對流云團（B2 和B3）與之相隨，其中B2 在22 時前后其云頂亮溫接近-70 ℃(圖8h)，已發(fā)展成為接近α中尺度對流系統(tǒng)，造成天津西部強降水。13 日00 時，北京和河北東北部的大暴雨則由B2 北面的兩個新生β中尺度對流云團(B4 和B5)直接造成(圖略)。對比地面降水發(fā)現(xiàn)，第二階段強降水始終未出現(xiàn)在云頂亮溫最低處，而是位于B1—B5云團的西南側，且云團發(fā)展后迅速隨副高外圍西南氣流向東北方向移動，明顯快于強降水的移動。究其原因，可能是強降水云團發(fā)展的高度并不高，雷達反射率因子垂直剖面(圖10e)顯示，強降水回波高度一般在7 km以下，因此衛(wèi)星紅外圖像上一般表現(xiàn)為較暗的色調，而云頂亮溫更低的區(qū)域以卷云氈為主，其反映的并不是對流發(fā)展的旺盛程度，因此降水并不位于云頂亮溫最低處；同時隨著200 hPa高空急流移入(圖3d)，云氈移速明顯加快，強降水主要對應1 000 m 高度水平輻合區(qū)(圖7c—f)，因此其移動緩慢。

以上分析表明，造成此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程的兩個階段中尺度對流系統(tǒng)演變特征存在明顯不同：第一階段強降水由一MαCS直接造成，對流發(fā)展強，云頂亮溫低，強降水位于MαCS西側地面輻合線附近；第二階段強降水由多個β中尺度對流云團造成，降水云團發(fā)展高度低，云頂亮溫較高，地面強降水并不出現(xiàn)在云頂亮溫最低處。實際業(yè)務預報中，一次華北暴雨過程很少出現(xiàn)兩個暴雨區(qū)(王華等，2019)。而此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程兩個暴雨區(qū)的出現(xiàn)，說明產(chǎn)生強降水的對流風暴可能存在更復雜的移動和傳播機制。為此，下文對該過程兩個階段對流風暴的雷達回波特征和演變進行了詳細分析。

4.2 中尺度對流系統(tǒng)的雷達回波特征

4.2.1 第一階段強降水中尺度對流系統(tǒng)

8月11日夜間到12日凌晨，河北南部處于500 hPa副高邊緣偏南氣流中(圖3a)。12日02時，925 hPa河北東南部地區(qū)東南風逐漸加大到8～10 m·s-1(圖6a)。地面加密自動站風場顯示，12 日05 時(圖略)，邯鄲東部開始吹偏東風，很快在邯鄲中部地區(qū)出現(xiàn)一條由偏北風和偏東風形成的輻合線，輻合線附近露點溫度維持在25～26 ℃之間(圖4a)，對流能量充足，使該地區(qū)處于高濕高能區(qū)。京津冀地區(qū)雷達拼圖顯示，在河北南部高濕高能環(huán)境條件下，12日06時開始，在地面輻合線附近有多個分散對流單體被觸發(fā)(圖9a)，最強回波超過45 dBz，對流單體呈東北—西南向線狀排列。07—08 時隨著地面輻合線北推，對流單體迅速組織化發(fā)展增強并形成一條東北—西南向線狀強回波帶(圖9b)，回波強度普遍超過45 dBz，對應地面形成一條超過20 mm·h-1的強雨帶(圖8b)。10—12 時(圖9c、d)，強回波帶緩慢北上，其北側有不斷被觸發(fā)的線狀強回波，南側伴隨大片分布相對均勻的層狀云降水回波，強度多不超45 dBz。而08時后，位于層狀云回波南側的河北東南部地區(qū)出現(xiàn)了水平尺度在50 km 左右、平均強度超過50 dBz密實的螺旋狀強回波帶，維持近3 h，造成該地區(qū)平均雨強達30～40 mm·h-1，邯鄲東北部陳村鄉(xiāng)站10 時雨強達83.8 mm·h-1(圖8c)。對應此時紅外云圖上(圖8c)，該站位于MαCS西側云頂亮溫梯度最大處。分析地面風場發(fā)現(xiàn)，09時開始在邯鄲東部出現(xiàn)了完整的氣旋性環(huán)流(圖略)，環(huán)流直徑在50 km 左右，10時地面氣旋性環(huán)流緩慢北移，其中心位于邯鄲與邢臺交界處，氣旋性環(huán)流的位置、形狀及空間尺度均與雷達回波圖上強度超過50 dBz的密實螺旋狀強回波一致(圖9c)。12時后(圖9d)，上述螺旋狀強回波帶結構逐漸變得松散，但地面氣旋性環(huán)流仍維持，可見層狀云降水回波繼續(xù)北上。因此，此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程第一階段回波前沿為線狀強回波，與地面輻合線關系密切，地面中尺度輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導致對流性降水回波發(fā)展加強，強降水回波主要出現(xiàn)在地面輻合線附近；其后部為相對均勻的層狀云回波，在層狀云回波南側生成后迅速組織化發(fā)展形成的螺旋狀強回波造成了河北東南部強降水，地面氣旋性環(huán)流是螺旋狀強降水回波得以形成的重要原因。

圖9 2020年8月12日06時(a)、08時(b)、10時(c)、12時(d)京津冀地區(qū)雷達反射率因子拼圖(單位:dBz)與地面10 m風場(單位:m·s-1)(紅線代表河北省界)Fig.9 Radar mosaic of reflectivity factor(shaded,unit:dBz)and the 10 m wind(wind barbs,unit:m·s-1)in the Beijing-Tianjin-Hebei region at(a)06∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)10∶00 BT and(d)12∶00 BT on 12 August 2020.Red lines denote the boundary of Hebei Province.

4.2.2 第二階段強降水中尺度對流系統(tǒng)

到8 月12 日15 時，河北中部降水雖有減弱，但邊界層東南風急流仍維持，大片以層狀云為主的回波仍沿副高外圍西南氣流北上(圖略)。16時鑲嵌兩塊積狀云回波的東西向大片層狀云回波開始影響保定和滄州西部(圖10a)，對應1 000 m 高度水平輻合區(qū)(圖7c)，且50 dBz以上強回波范圍開始擴大，此時地面氣旋性環(huán)流仍然存在，但降水回波主要位于其東北側。18時片狀回波演變?yōu)楸辈康摹岸軤睢睂訝钤苹夭ê湍喜康哪媳毕蚍e狀云強回波結構(圖10b)，積狀云強回波仍位于地面氣旋性環(huán)流中心的北側，與1 000 m 高度南北向帶狀輻合中心對應(圖7d)。強反射率因子垂直剖面顯示(圖10e)，50 dBz 強回波主要位于5 km 以下，表現(xiàn)為典型的“低質心”結構(俞小鼎，2013)，此時探空曲線上0 ℃層高度在5 km 附近，說明降水以暖云降水為主；積狀云回波走向與移動方向一致，18—19 時對流單體自南向北依次通過雄安新區(qū)王家房站上空，形成明顯的“列車效應”，造成125.9 mm 小時降水極值。20 時，上述回波單體繼續(xù)組織化發(fā)展(圖10c)形成“逗點狀”強回波，1 000 m 高度水平散度強輻合區(qū)附近的逗點尾部(圖7e)不斷有新生對流單體發(fā)展并入“逗點狀”回波中。VDARS 資料1 000 m 高度水平風場顯示，保定至雄安一帶附近存在水平尺度超過100 km的中尺度低渦(圖7d)，對應地面為氣旋性環(huán)流中心(圖10c)，說明中尺度低渦從1 000 m 下伸到地面成為深厚低渦系統(tǒng)，同時1 000 m 散度場水平強輻合由南北向帶狀轉為“逗點狀”(圖7e)，這是雷達回波呈“逗點狀”分布的主要原因。22 時后，“逗點狀”回波開始斷裂，逗點尾部強回波向偏東方向移到天津(圖10d)，與云團B2(圖8h)發(fā)展演變一致，而逗點頭部回波移入北京中部后繼續(xù)加強，自南向北造成北京中部區(qū)域性大暴雨(圖略)。13日02時后，強回波移出北京影響河北，造成冀東承德南部、唐山北部大暴雨。

圖10 2020年8月12日16時(a)、18時(b)、20時(c)、22時(d)京津冀地區(qū)雷達反射率因子(陰影，單位：dBz)拼圖與地面10 m風場(風向桿,單位:m·s-1)疊加圖(紅線代表河北省界)，以及對應圖b中黑線位置的石家莊雷達反射率因子垂直剖面(e)Fig.10 Radar mosaic of reflectivity factor(shaded,unit:dBz)and the 10 m wind(wind barbs,unit:m·s-1)in the Beijing-Tianjin-Hebei region at(a)16∶00 BT,(b)18∶00 BT,(c)20∶00 BT and(d)22∶00 BT on 12 August 2020,and(e)vertical cross sections of reflectivity factor from Shijiazhuang radar along the black line in(b).In(a)to(d)red lines denote the boundary of Hebei Province.

以上分析表明，北上層狀云回波12 日16 后到達河北中部，在1 000 m 高度水平強輻合區(qū)再次發(fā)展加強形成南北向強回波帶，暖云降水疊加“列車效應”共同造成了雄安新區(qū)王家房125.9 mm 極端小時強降水?；夭ǜ叨冉M織化形成北側層狀云回波、南側積狀云回波的“逗點狀”回波結構，逗點尾部南北向強回波造成短時強降水后，其尾部回波減弱、頭部回波加強并自西向東影響北京中部和河北東北部地區(qū)，產(chǎn)生第二階段強降水。降水回波主要位于地面氣旋性環(huán)流中心的北到東北側和1 000 m高度水平輻合區(qū)內(nèi)。

5 結論與討論

本文利用常規(guī)氣象觀測資料、多源非常規(guī)探測資料和VDRAS反演資料，分析了2020年8月12日京津冀地區(qū)一次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程的降水特征、環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)演變特征及其成因。主要結論如下：

(1)受850 hPa 低空急流和暖式切變線影響，此暴雨過程發(fā)生在副高邊緣、500 hPa以下暖區(qū)團中，無明顯冷空氣參與。暴雨過程可分為兩個階段，對應南北兩個暴雨區(qū)。第一階段強降水前暴雨區(qū)水汽充足、能量充沛，低層東南風將水汽源源不斷輸送到暴雨區(qū)；第二階段低層東南風急流為強降水的發(fā)生提供了很好的水汽和動力條件，低的抬升凝結高度為極端短時強降水提供了有利的環(huán)境條件。

(2)造成上述兩個階段強降水的中尺度系統(tǒng)云圖特征明顯不同：第一階段強降水由一個云頂亮溫低、維持時間長的MαCS 直接造成，第二階段強降水由多個水平尺度小、云頂高度低的β中尺度云團產(chǎn)生，地面強降水并不出現(xiàn)在云頂亮溫最低處。

(3)強降水第一階段，地面中尺度輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，形成層狀云回波北側前沿線狀強回波，強降水主要位于地面輻合線附近；層狀云回波南側密實的螺旋狀強回波與地面氣旋性環(huán)流密切相關，河北東南部強降水主要由螺旋狀回波產(chǎn)生，且位于邊界層急流出口區(qū)左前側、地面氣旋性環(huán)流中心附近。

(4)強降水第二階段，雷達拼圖上出現(xiàn)了層狀云回波演變?yōu)楸眰葘訝钤苹夭?、南側積狀云“逗點狀”回波結構，逗點尾部南北向強回波的暖云降水疊加“列車效應”共同造成雄安新區(qū)單站125.9 mm極端小時強降水。1 000 m高度邊界層急流加強、水平輻合由南北向帶狀轉為“逗點狀”以及地面到1 000 m高度低渦系統(tǒng)是“逗點狀”回波形成的重要原因，強降水位于中尺度低渦東側、1 000 m高度急流出口區(qū)左側、水平散度輻合區(qū)中。

此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過程與2012 年北京“7.21”特大暴雨天氣形勢類似，作出暴雨預報并不難，但準確預報兩個階段暖區(qū)暴雨的落區(qū)和強度難度很大。要提高此類大暴雨的預報準確率，需進一步揭示暴雨中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)維持機制和發(fā)展演變規(guī)律。本文只是對該過程兩個階段強降水形成的環(huán)流背景和中尺度系統(tǒng)及其成因進行了初步研究，由于應用的垂直探測資料較少，對第一階段地面輻合中心以及第二階段中尺度低渦系統(tǒng)三維結構、低空急流傳播等特征未作更多分析，還需通過數(shù)值模擬方法進行深入探討。