山東一次淺薄冷空氣觸發(fā)強(qiáng)降水過程的對流系統(tǒng)組織形態(tài)演變分析*

高 帆 俞小鼎 尹承美 李 瑞 褚穎佳 焦 洋

1 山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250031

2 濟(jì)南市氣象局，濟(jì)南 250102

3 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

提 要： 2015年7月30日山東突發(fā)較大范圍暖區(qū)極端強(qiáng)降水，由于觸發(fā)機(jī)制不明顯、且對對流系統(tǒng)的發(fā)展方向判斷不足，導(dǎo)致預(yù)報偏差較大。利用多源探測資料對此次過程對流系統(tǒng)的觸發(fā)和組織形態(tài)演變機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)果表明，高空槽和低空急流構(gòu)成了深厚濕對流生成發(fā)展的有利形勢，對流發(fā)生前水汽和熱力條件有利，云圖和雷達(dá)上呈現(xiàn)的水平對流卷進(jìn)一步提高了對流生成和發(fā)展的潛勢。初始對流由淺薄冷空氣經(jīng)渤海南下侵入山東北部觸發(fā)，發(fā)展加強(qiáng)后產(chǎn)生地面冷池和陣風(fēng)鋒，陣風(fēng)鋒繼續(xù)觸發(fā)對流，形成后向發(fā)展(相對于風(fēng)暴承載層平均風(fēng)向，即平流方向)的多單體風(fēng)暴，此階段環(huán)境低層風(fēng)向決定了對流風(fēng)暴的發(fā)展方向。對流系統(tǒng)組織維持的機(jī)制為：冷池加強(qiáng)和對流風(fēng)暴發(fā)展形成正反饋，冷池與環(huán)境低層垂直風(fēng)切變達(dá)到動態(tài)平衡，多單體逐漸發(fā)展為線狀中尺度對流系統(tǒng)(LMCS)，且隨著深層垂直風(fēng)切變逐漸增強(qiáng)，LMCS結(jié)構(gòu)逐漸緊密。對流系統(tǒng)減弱消亡的機(jī)制為：地面冷池受魯中山區(qū)地形阻擋，主體滯留在山東中部，冷池前沿陣風(fēng)鋒強(qiáng)度迅速減弱，LMCS斷裂為東西兩段，在不利的低層垂直風(fēng)切變配置下先后減弱消亡。RKW理論適用于解釋此次LMCS組織形態(tài)的演變。

引 言

暖區(qū)暴雨由于觸發(fā)機(jī)制不明顯常常被漏報(諶蕓等，2018；孫密娜等，2018；陳濤等，2020)，其降水突發(fā)性強(qiáng)、雨強(qiáng)大，極易造成損失，因此暖區(qū)暴雨的觸發(fā)機(jī)制值得深入研究。針對2017年5月7日廣州突發(fā)的極端強(qiáng)降水過程，國內(nèi)許多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了深入的研究，在觸發(fā)機(jī)制方面，田付友等(2018)發(fā)現(xiàn)，弱冷空氣和地形共同作用，使偏南暖濕氣流向北移動受阻，在地形的強(qiáng)迫抬升下觸發(fā)了對流。伍志方等(2018)認(rèn)為高壓后部東南風(fēng)或偏南風(fēng)回流，經(jīng)過城市熱島區(qū)域后轉(zhuǎn)為偏暖氣流，與山坡下滑冷氣流在山前形成的水平風(fēng)場輻合，共同觸發(fā)了初生對流。王瑩等(2021)研究天津一次短時暴雨時發(fā)現(xiàn)，暴雨是由城市熱島、上游冷池出流前的邊界層弱冷空氣、系統(tǒng)性東北風(fēng)和午后逐漸形成的中尺度海風(fēng)共同作用造成的。王嘯華等(2021)研究南京一次突發(fā)局地特大暴雨時認(rèn)為，中尺度前傾高空槽過境誘發(fā)地面低壓，加強(qiáng)了地面輻合，形成上升運(yùn)動，觸發(fā)了線性對流風(fēng)暴。崔新艷等(2021)研究對流初生時認(rèn)為地基對流初生一般由邊界層輻合線觸發(fā)，但溫、濕度擾動及不穩(wěn)定性、微氣旋、垂直切變和地形等因素都對初生對流的產(chǎn)生和時空位置有一定影響。由此可見，暖區(qū)暴雨的觸發(fā)機(jī)制非常復(fù)雜。

中尺度對流系統(tǒng)(MCS)是產(chǎn)生強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)和龍卷等災(zāi)害性天氣的重要系統(tǒng)(Maddox，1980；Doswell Ⅲ et al，1996；Shibagaki et al，2000；Schumacher and Johnson，2005)。根據(jù)云圖和雷達(dá)回波等特征，MCS有很多種分類(Anderson and Arritt，1998；Jirak et al，2003；岳治國等，2008；Blanchard，1990)，無論哪種分類方式，線狀中尺度對流系統(tǒng)(LMCS)都是與災(zāi)害性天氣相關(guān)性最高的一類MCS(Geerts，1998；Jirak et al，2003；Rigo and Llasat，2007；Gallus et al，2008；Schiesser et al，1995)。颮線是一種多單體線狀風(fēng)暴，國外的研究者并沒有將颮線與LMCS進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分，國外部分研究者和國內(nèi)的研究者一般認(rèn)為颮線是產(chǎn)生區(qū)域性雷暴大風(fēng)的一類LMCS(Maddox，1980；俞小鼎等，2020)。20世紀(jì)80年代的大量研究表明，較強(qiáng)環(huán)境低層(0～3 km)垂直風(fēng)切變是維持颮線發(fā)展的有利條件，如果垂直于颮線的低層垂直風(fēng)切變足夠強(qiáng)，就能阻止下沉氣流形成的冷池出流邊界(陣風(fēng)鋒)的快速離開，使冷池前沿的陣風(fēng)鋒與颮線前部暖濕氣流持續(xù)維持強(qiáng)的輻合，從而產(chǎn)生持續(xù)的垂直上升運(yùn)動，不斷觸發(fā)新風(fēng)暴單體，維持颮線的發(fā)展(Thorpe et al，1982；Droegemeier et al，1985；1987)。Rotunno R、Klemp J B和Weisman于1988年共同提出近地面冷池和環(huán)境低層垂直風(fēng)切變相互作用是颮線發(fā)展維持最為重要的動力和熱動力機(jī)制，并首次形成了描述颮線發(fā)展的RKW理論(Rotunno et al，1988)，該理論認(rèn)為冷池與低層垂直風(fēng)切變的相互作用決定了颮線前沿氣流抬升的高度和速度，從而決定了颮線發(fā)展的強(qiáng)度和生命史。陳明軒和王迎春(2012)、陳明軒等(2016)利用三維數(shù)值云模式和雷達(dá)資料四維變分同化技術(shù),分析了華北地區(qū)一次颮線過程的低層動力和熱動力影響機(jī)制，結(jié)果表明，影響這次颮線過程發(fā)展維持的低層垂直風(fēng)切變和冷池相互作用機(jī)制與RKW理論一致，同時指出了LMCS中對流風(fēng)暴單體不斷新生和后向傳播的機(jī)制。楊吉等(2020)利用四維變分同化分析系統(tǒng)模擬分析了江淮地區(qū)的一次弱颮線過程，結(jié)果表明，較強(qiáng)的地面輻合線是該過程在較弱穩(wěn)定條件下被觸發(fā)的重要原因，較差的溫濕條件、冷池和垂直風(fēng)切變之間的水平渦度不平衡是颮線發(fā)展較弱的主要原因。盛杰等(2020)在分析華北地區(qū)兩類產(chǎn)生極端強(qiáng)天氣的線狀對流系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，地面弱冷池或地形與低層南風(fēng)氣流相互作用維持的后向傳播是強(qiáng)降水型線狀對流系統(tǒng)發(fā)展和緩慢移動的主要機(jī)制，也是產(chǎn)生極端強(qiáng)降水的直接原因。

山東位于華北地區(qū)的下游，近年來每年都有LMCS發(fā)生，如2007年7月18日LMCS造成濟(jì)南大暴雨過程(卓鴻等，2011)、2009年6月2—3日強(qiáng)颮線過程(孫虎林等，2011；梁建宇和孫建華，2012；王秀明等，2013)、2012年8月18日颮線伴隨龍卷過程(侯淑梅等，2018)、2015年8月3日LMCS造成的暴雨伴隨龍卷過程(高帆等，2017)、2016年6月13—14日連續(xù)兩條颮線過程(張琴等，2017)和2018年6月13日強(qiáng)颮線過程，這些LMCS均造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。王俊(2017)統(tǒng)計(jì)了山東中西部地區(qū)148個LMCS的多普勒雷達(dá)回波特征，并發(fā)現(xiàn)太行山脈、魯中山區(qū)北麓和西麓易觸發(fā)形成LMCS。侯淑梅等(2020)總結(jié)了山東地區(qū)形成LMCS的三類天氣學(xué)模型和相應(yīng)的物理量指標(biāo)，并分析了LMCS與多單體風(fēng)暴的合并方式以及合并后的演變趨勢等特征。這些研究為認(rèn)識山東地區(qū)LMCS的發(fā)展演變和提高對LMCS的監(jiān)測預(yù)警提供了基礎(chǔ)。

2015年7月30日下午至夜間，一條在暖區(qū)觸發(fā)生成的LMCS造成山東突發(fā)較大范圍極端強(qiáng)降水天氣，各地受災(zāi)嚴(yán)重，僅濰坊一市經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)3.25億元。針對此次過程，山東各市氣象臺預(yù)報的量級均明顯偏小，事后多人從不同角度進(jìn)行了研究，刁秀廣和侯淑梅(2017)分析發(fā)現(xiàn)超低空西南急流的建立與維持和上下游雷達(dá)之間的超低空強(qiáng)輻合為強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的發(fā)展與維持提供了能量與動力條件，對強(qiáng)降水的形成與維持具有重要作用。萬夫敬和刁秀廣(2018)發(fā)現(xiàn)本次過程降水最強(qiáng)時刻是MCS的形成至成熟階段，強(qiáng)降水分布在TBB冷云中心附近及其等值線非常密集的一側(cè)。本文利用多源探測資料，從不同尺度分析對流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制以及冷池和垂直風(fēng)切變對對流系統(tǒng)組織形態(tài)演變的影響，希望揭示此次強(qiáng)降水過程的形成原因，為短時臨近預(yù)報預(yù)警提供一定的參考。

1 資料與方法

本文所用資料包括常規(guī)高空和地面資料、山東省加密區(qū)域自動氣象站資料、FY-2E衛(wèi)星資料、SA型多普勒天氣雷達(dá)資料(濰坊、濟(jì)南、商丘和徐州)和對流層風(fēng)廓線雷達(dá)資料(濰坊和濟(jì)南)。

山東省區(qū)域自動氣象站分布稠密且均勻，利用其加密觀測可以計(jì)算對流系統(tǒng)產(chǎn)生的地面冷池的前沿溫度梯度和作為冷池邊緣標(biāo)識的的22℃等溫線所圍面積(圖1)，以此代表冷池的出流強(qiáng)度和范圍。利用對流系統(tǒng)沿途所經(jīng)多普勒雷達(dá)的VWP產(chǎn)品可以計(jì)算環(huán)境大氣低層0～3 km和深層0～6 km垂直風(fēng)切變大小(2015年7月30日17—23時由濰坊和濟(jì)南多普勒雷達(dá)計(jì)算，30日23時至31日03時由于距離四部多普勒雷達(dá)均較遠(yuǎn)而無法計(jì)算，31日04—05時由徐州多普勒雷達(dá)計(jì)算)，并可判斷環(huán)境大氣低層0～3 km垂直風(fēng)廓線的配置。

圖1 2015年7月30日14時至31日05時冷池前沿溫度梯度、22℃等溫線所圍面積和0～3 km、0～6 km垂直風(fēng)切變的逐小時演變Fig.1 Hourly evolution of temperature gradient in front of the cold pool， area surrounded by the 22℃ isotherm， 0-3 km and 0-6 km vertical wind shears from 14:00 BT 30 to 05:00 BT 31 July 2015

2 天氣實(shí)況和背景

2.2 天氣實(shí)況

2015年7月30日14時至31日08時，山東中部和南部出現(xiàn)大范圍極端短時強(qiáng)降水天氣(圖2)，最大降水量為205 mm，出現(xiàn)在臨沂的岱崮氣象站和桃曲氣象站，其中岱崮氣象站30日20—23時3 h降水量為184.8 mm，桃曲氣象站30日23時至31日01時2 h 降水量為161.3 mm。對單站而言，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在2～3 h內(nèi)，歷時短、雨強(qiáng)大，137個氣象站出現(xiàn)50 mm·h-1的極端短時強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)為112.6 mm·h-1，山東中部出現(xiàn)8～10級雷雨大風(fēng)，濰坊出現(xiàn)冰雹，最大冰雹直徑為30 mm。

圖2 2015年7月30日14時至31日08時山東省區(qū)域自動氣象站降水量(彩色圓點(diǎn))及多普勒雷達(dá)(▲)和風(fēng)廓線雷達(dá)(■)站點(diǎn)位置Fig.2 Precipitation at the regional automatic meteorological station in Shandong (colored dots) from 14:00 BT 30 to 08:00 BT 31 July 2015 and locations of the Doppler radar (▲)and the wind profile radar (■)

2.2 環(huán)流形勢

30日08時，高層200 hPa河北樂亭風(fēng)速明顯大于山東章丘，山東上空有明顯輻散特征，同時河北上空也是風(fēng)速輻散，考慮到系統(tǒng)東移，30日白天 200 hPa 山東以風(fēng)速輻散為主；中層500 hPa高空槽位于山西和河北交界處上空，并逐漸東移，副熱帶高壓(簡稱副高，下同)位于東部沿海；低層850 hPa西南急流伸至山東中南部，露點(diǎn)溫度大于16℃的濕軸和對流有效位能(CAPE)大于1 200 J·kg-1的高能區(qū)自西南向東北覆蓋山東大部區(qū)域，遼東半島的低渦有利于引導(dǎo)東北的冷空氣經(jīng)渤海南下侵入山東北部；地面上山東位于東西向的地面倒槽內(nèi)，山東中西部存在一條準(zhǔn)靜止的地面輻合線(圖3a)。

未來500 hPa高空槽東移，副高東退，低層和地面系統(tǒng)穩(wěn)定維持，總體形勢有利于山東出現(xiàn)深厚濕對流。

2.2 對流潛勢

30日08時，山東中部章丘探空的850 hPa與500 hPa 的溫差為29℃，K指數(shù)為43℃，850 hPa和925 hPa的平均比濕為16 g·kg-1，大氣整層可降水量為60 mm，暖云層厚度為4.5 km，表明08時山東中部對流層中下層大氣處于明顯的條件不穩(wěn)定狀態(tài)，且具備了充沛的水汽條件(圖3b)，CAPE為1 570 J·kg-1，對流抑制能量(CIN)為160 J·kg-1，表明大氣層結(jié)具有顯著的深厚濕對流潛勢，但對流抑制較強(qiáng)，需要較強(qiáng)的抬升觸發(fā)機(jī)制才能觸發(fā)對流。由于初始對流發(fā)生在午后濰坊地區(qū)，考慮到系統(tǒng)的東移，用午后濰坊的溫度和露點(diǎn)溫度訂正08時章丘探空，CAPE增大到3 360 J·kg-1， CIN減小到10 J·kg-1，表明經(jīng)過太陽輻射加熱作用后，山東中部大氣層結(jié)不穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，對流潛勢明顯增大。0～6 km和0～3 km 垂直風(fēng)切變分別為15 m·s-1和8 m·s-1，屬于中等量級。

圖3 2015年7月30日08時(a)環(huán)流形勢(紫色箭頭為200 hPa高空急流，藍(lán)線為500 hPa等高線，棕線為500 hPa高空槽，紅色D為850 hPa低渦，綠線為850 hPa露點(diǎn)溫度大于16℃區(qū)域，紅色箭頭為850 hPa低空急流，黃線為對流有效位能大于1 200 J·kg-1區(qū)域，黑色點(diǎn)畫線為地面輻合線)，(b)章丘探空和(c)2007年7月18日08時章丘探空Fig.3 (a) Circulation situation (purple arrow： 200 hPa upper jet； blue line: 500 hPa geopotential height contour； brown line： 500 hPa upper trough; red D: 850 hPa vortex; green line: area with dew temperature >16℃； red arrow: 850 hPa low-level jet; yellow line: area with CAPE >1 200 J·kg-1; black dotted line: surface convergence line) and (b) sounding in Zhangqiu at 08:00 BT 30 July 2015, (c) sounding in Zhangqiu at 08:00 BT 18 July 2007

30日下午，F(xiàn)Y-2E衛(wèi)星可見光云圖和商丘、徐州雷達(dá)均可看出山東中部至南部存在大片的水平對流卷(圖4)，表明上述地區(qū)為有利于深厚濕對流產(chǎn)生、已經(jīng)生成的濕對流發(fā)展的有利區(qū)域(俞小鼎等，2012；2020)。

圖4 2015年7月30日15：15(a)FY-2E衛(wèi)星可見光云圖及同時刻(b)商丘和(c)徐州多普勒雷達(dá)反射率因子Fig.4 (a) FY-2E satellite visible light cloud image, (b, c) Doppler radar reflectivity factor in (b) Shangqiu and (c) Xuzhou at 15:15 BT 30 July 2015

綜上所述，考慮到較大的CAPE、中等大小的 0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變、很大的可降水量，30日的天氣條件有利于出現(xiàn)以短時強(qiáng)降水為主的深厚濕對流。

根據(jù)雷達(dá)回波的發(fā)展，可將造成此次強(qiáng)對流天氣的對流系統(tǒng)的演變劃分為四個階段：30日13—17時為觸發(fā)階段，觸發(fā)初始對流，后向發(fā)展加強(qiáng)為多單體風(fēng)暴；30日17—20時為組織階段，多單體風(fēng)暴繼續(xù)向西南方向后向發(fā)展加強(qiáng)，合并局地對流，組織為結(jié)構(gòu)松散的LMCS；30日20時至31日00時為維持階段，LMCS轉(zhuǎn)向西南偏南方向后向發(fā)展，結(jié)構(gòu)逐漸緊密，尺度逐漸增大；31日00時以后為減弱階段，LMCS斷裂為東西兩段，逐漸轉(zhuǎn)向正南方向發(fā)展，東段和西段先后減弱消亡。以下分別討論各個階段對流系統(tǒng)組織形態(tài)的演變機(jī)制。

3 對流系統(tǒng)的觸發(fā)和演變

3.3 觸發(fā)階段

3.1.1 冷空氣觸發(fā)

30日白天主體位于東北的冷空氣在遼東半島低渦的引導(dǎo)下經(jīng)渤海南下，從近地層逐漸侵入山東北部，與山東中南部的暖濕氣流之間形成輻合線，雷達(dá)上表現(xiàn)為反射率因子窄帶回波(圖5)逐漸南壓。12—13時冷空氣前沿輻合線自北向南移過濰坊，13時在濰坊附近觸發(fā)出初始對流，之后繼續(xù)緩慢南壓，不斷觸發(fā)更多對流。

圖5 2015年7月30日13時地面溫度(數(shù)字,單位：℃)、風(fēng)場(風(fēng)羽)和同時刻濟(jì)南、濰坊多普勒雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(填色)(綠色點(diǎn)劃線為代表海風(fēng)鋒輻合線的窄帶回波,黑色點(diǎn)劃線為代表冷空氣前沿輻合線的窄帶回波,下同)Fig.5 Surface temperature (values, unit: ℃), wind field (barbs) and Doppler radar reflectivity factor (colored) at 0.5° elevation in Jinan and Weifang at 13:00 BT 30 July 2015 (Black dotted line and green dotted line denote the narrow-band echoes representing the convergence line in front of cold air and in sea breeze front, respectively; the same below)

隨著冷空氣南壓，其也侵入到了濟(jì)南，但沒能觸發(fā)對流，原因一是冷空氣過境濰坊時，濰坊風(fēng)廓線雷達(dá)顯示近地面至0.5 km高度自下向上逐漸由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為4 m·s-1的東北風(fēng)，過境濟(jì)南時，濟(jì)南風(fēng)廓線雷達(dá)顯示僅在近地面轉(zhuǎn)為2 m·s-1的東北風(fēng)，說明冷空氣侵入山東內(nèi)陸后勢力進(jìn)一步減弱，抬升觸發(fā)條件不如濰坊；另外，午后濰坊附近氣溫較濟(jì)南附近高2～3℃，熱力條件也更好。

3.1.2 陣風(fēng)鋒觸發(fā)

30日13：34和13：28冷空氣前沿輻合線在濰坊觸發(fā)出兩個單體:A和B，13：28—13：52單體B的強(qiáng)中心高度和垂直累積液態(tài)水含量經(jīng)歷了同步躍升(增)，14：04單體B出現(xiàn)勾狀回波和中氣旋(圖6a,6b)，發(fā)展為超級單體，14：34—14：51其強(qiáng)中心高度和垂直累積液態(tài)水含量經(jīng)歷了近乎同步的快速下降。單體強(qiáng)中心高度和垂直累積液態(tài)水含量的同步躍升(增)和快速下降預(yù)示地面將出現(xiàn)冰雹和雷暴大風(fēng)天氣。推測單體A應(yīng)該也經(jīng)歷了類似的過程，但由于距離雷達(dá)太近，靜錐區(qū)的存在導(dǎo)致風(fēng)暴參數(shù)反映不出這種變化。災(zāi)情調(diào)查得知，14時開始濰坊多地出現(xiàn)冰雹、大風(fēng)和短時強(qiáng)降水。

圖6 2015年7月30日濰坊多普勒雷達(dá)(a,c,e,g)反射率因子和(b,d,f,h)徑向速度(a,b)14:04，(c,d)15:03，(e,f)16:02，(g,h)17:02Fig.6 Doppler radar (a, c, e, g) reflectivity factor and (b, d, f, h) radial velocity in Weifang at (a, b) 14:04 BT, (c, d) 15:03 BT, (e, f) 16:02 BT, and (g, h) 17:02 BT 30 July 2015

14—15時，受單體A影響，高速西站降水量為0.3 mm，最大陣風(fēng)為18.4 m·s-1，氣溫下降8.2℃，受超級單體B影響，宋莊站降水量為77.7 mm，最大陣風(fēng)為25.4 m·s-1，氣溫下降10.1℃。結(jié)合濰坊多普勒雷達(dá)0.5°仰角徑向速度可知，單體A和B產(chǎn)生了兩股下?lián)舯┝?圖6d)，形成了兩個冷池，冷池的兩條陣風(fēng)鋒向外擴(kuò)展，逐漸將上述冷空氣前沿輻合線合并。

由于環(huán)境大氣低層為西南風(fēng)，所以兩條陣風(fēng)鋒在向外傳播過程中主要在其西南方向不斷觸發(fā)新生對流單體，其余方向基本沒有觸發(fā)。新生單體沿風(fēng)暴承載層平均風(fēng)(風(fēng)速為12 m·s-1的西南風(fēng))向東北方向平流，由于陣風(fēng)鋒的傳播速度大于對流單體的平流速度，因此雷達(dá)上表現(xiàn)為對流單體跟隨陣風(fēng)鋒向西南方向后向發(fā)展。

15時A和B分別發(fā)展為兩個多單體風(fēng)暴(圖6c)，產(chǎn)生的兩股下?lián)舯┝鞯恼?fù)速度極值相距均為3 km(圖6d)，極值差分別為27 m·s-1和29 m·s-1。15—16時，受多單體風(fēng)暴A影響，高速西站降水量為0.9 mm，最大陣風(fēng)風(fēng)速為16.3 m·s-1，符山站降水量為52.6 mm(符山站沒有風(fēng)向風(fēng)速儀)，受多單體風(fēng)暴B影響，宋莊站降水量為55 mm，最大陣風(fēng)風(fēng)速為24.3 m·s-1，朱里站降水量為100.4 mm(朱里站沒有風(fēng)向風(fēng)速儀)。16時多單體風(fēng)暴A和B形成的地面冷池最低氣溫分別為24℃和22℃。

從造成的降水強(qiáng)度、氣溫下降幅度、最大陣風(fēng)和冷池最低氣溫來看，B較A發(fā)展更強(qiáng)盛，形成的地面冷池也更強(qiáng)，但由于環(huán)境大氣低層為西南風(fēng)，A位于B的西偏南方向，更容易獲得低層西南暖濕氣流的輸送和支持，因此15—16時A的陣風(fēng)鋒逐漸將B的陣風(fēng)鋒合并(圖6e)，16—17時A發(fā)展為具有一定組織化程度的多單體風(fēng)暴，B則減弱消亡(圖6g)。

由此也可見，在觸發(fā)階段，在環(huán)境深層垂直風(fēng)切變中等偏弱的情況下，與對流系統(tǒng)傳播密切相關(guān)的環(huán)境低層風(fēng)向決定了對流的發(fā)展方向(Rotunno et al,1988；Corfidi,2003；俞小鼎等，2012；2020)。

另外，30日下午冷空氣前沿輻合線和陣風(fēng)鋒均與自青島向?yàn)H坊緩慢移動的海風(fēng)鋒輻合線相遇(圖6g)，觸發(fā)對流，造成山東半島出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。

3.1.3 地面輻合線觸發(fā)

除了上述冷空氣前沿輻合線、陣風(fēng)鋒和海風(fēng)鋒外，30日白天山東中西部維持一條準(zhǔn)靜止的地面輻合線，其性質(zhì)和最初起源不是很清楚，該輻合線兩側(cè)分別為偏南風(fēng)和偏北風(fēng)，由于存在時間較長，輻合線附近逐漸形成3 h變壓的負(fù)值中心和露點(diǎn)溫度的大值中心，17時3 h變壓中心值為-1.5 hPa(章丘站)，露點(diǎn)溫度中心值為28℃(圖7)，較強(qiáng)的負(fù)變壓意味著將產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動，大的露點(diǎn)溫度能夠提供了對流發(fā)生所需的水汽。

位于該輻合線附近、魯中山區(qū)北麓的濟(jì)南風(fēng)廓線雷達(dá)顯示，16:30—17:30低層0.7 km以下逐漸由南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)(圖略)，表明輻合線北側(cè)的偏北風(fēng)加強(qiáng)，地面風(fēng)場的輻合進(jìn)一步加強(qiáng)，同時偏北風(fēng)在魯中山區(qū)地形的阻擋作用下，有利于產(chǎn)生上升運(yùn)動，18時開始輻合線上逐漸觸發(fā)出局地對流(圖7)。

圖7 2015年7月30日17時地面風(fēng)場、輻合線、3 h變壓(數(shù)值,單位：hPa)、露點(diǎn)溫度(左側(cè)填色)和19時濟(jì)南雷達(dá)反射率因子(右側(cè)填色)Fig.7 Surface wind field, convergence line, 3 h allobar (values, unit: hPa), dew point temperature (colored on the left) at 17:00 BT and radar reflectivity factor (colored on right) in Jinan at 19:00 BT 30 July 2015

3.3 組織階段

30日17—20時，多單體風(fēng)暴A的陣風(fēng)鋒繼續(xù)向西南方向后向傳播，濰坊多普勒雷達(dá)VWP產(chǎn)品顯示低層維持西南風(fēng)，中層逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，西南風(fēng)和偏北風(fēng)的轉(zhuǎn)變高度由1.2 km逐漸上升至2.4 km(圖略)。17時對流系統(tǒng)垂直剖面(圖8b)顯示陣風(fēng)鋒的高度約為2 km,可知冷池的深度約為2 km。因此，陣風(fēng)鋒的傳播方向與0～3 km垂直風(fēng)切變的配置符合Wilson et al(1998)參照RKW理論建立的概念模型(圖略)，有利于對流的發(fā)展加強(qiáng)。

多單體風(fēng)暴A的發(fā)展加強(qiáng)導(dǎo)致降水增強(qiáng)，17—20時每小時短時強(qiáng)降水站次由4站次增加至18站次，最大雨強(qiáng)由71.3 mm·h-1增加至89.5 mm·h-1，降水蒸發(fā)冷卻，導(dǎo)致冷空氣不斷下沉，加強(qiáng)了地面冷池，冷池前沿溫度梯度由于日落導(dǎo)致環(huán)境溫度整體下降而變化不大，但冷池范圍逐漸擴(kuò)張(圖1)，22℃等溫線面積由近乎為0 km2增加至4×103km2，陣風(fēng)鋒得到維持和加強(qiáng)，繼續(xù)與環(huán)境低層西南風(fēng)產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動，觸發(fā)新生對流，進(jìn)一步加強(qiáng)多單體風(fēng)暴A，形成了“對流發(fā)展—冷池加強(qiáng)—對流發(fā)展”的正反饋機(jī)制，同時0～6 km垂直風(fēng)切變由12 m·s-1增強(qiáng)至15 m·s-1，將促使對流發(fā)展的上升氣流和冷池加強(qiáng)的下沉氣流分離開，延長了正反饋機(jī)制的作用時間。

20時多單體風(fēng)暴A與地面輻合線觸發(fā)的局地對流合并，發(fā)展為一條長約120 km、西北—東南向、組織結(jié)構(gòu)較松散的LMCS(圖8c)。沿前進(jìn)方向的垂直剖面上，LMCS呈前傾結(jié)構(gòu)，低層存在弱回波區(qū)，中高層存在回波懸垂，由于此時環(huán)境熱力條件較好，對流發(fā)展旺盛，50 dBz強(qiáng)回波發(fā)展至11 km，中心強(qiáng)度為60～65 dBz(圖8b,8d)。此階段降水為大陸強(qiáng)對流型(俞小鼎等，2012;2020)，盡管降水效率相對較低，但由于后向傳播發(fā)展，仍能產(chǎn)生80 mm·h-1以上的極端短時強(qiáng)降水。

3.3 維持階段

3.3.1 雷達(dá)回波演變

30日20時至31日00時，LMCS轉(zhuǎn)向西南偏南方向發(fā)展，組織結(jié)構(gòu)逐漸緊密，尺度逐漸增大，同時后部出現(xiàn)層狀云降水回波，31日00時達(dá)到最強(qiáng)，此時長度約為230 km。此階段風(fēng)暴承載層平均風(fēng)為偏西風(fēng)，與LMCS移動方向的交角超過90°，仍屬于后向傳播。

垂直方向，LMCS由前傾結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)為豎直結(jié)構(gòu)，由于環(huán)境熱力條件減弱，對流發(fā)展高度有所下降，31日00時50 dBz強(qiáng)回波發(fā)展至8 km，中心強(qiáng)度為55～60 dBz(圖8f)。對流系統(tǒng)強(qiáng)中心高度的下降預(yù)示此階段將產(chǎn)生較多的大風(fēng)天氣，降水逐漸由大陸強(qiáng)對流型轉(zhuǎn)變?yōu)闊釒ШＱ笮?，降水效率將明顯提高。

3.3.2 維持機(jī)制

30日20時，500 hPa高空槽移至山東中部，槽后中層偏北風(fēng)逐漸侵入山東中部，30日20時至31日00時濰坊和濟(jì)南多普勒雷達(dá)VWP產(chǎn)品均顯示中層偏北風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，而低層維持偏南風(fēng)(圖略)，導(dǎo)致0～6 km垂直風(fēng)切變由15 m·s-1迅速增強(qiáng)至24 m·s-1(圖1)，這有利于LMCS的組織化加強(qiáng)。與此同時，地面冷池強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，表現(xiàn)為冷池范圍迅速擴(kuò)張，冷池前沿溫度梯度逐漸增大(圖1)，使得陣風(fēng)鋒與低層偏南風(fēng)持續(xù)輻合，在陣風(fēng)鋒附近維持較強(qiáng)的垂直上升氣流，不斷觸發(fā)新生對流。另外，低層偏南風(fēng)、3 km偏北風(fēng)的0～3 km垂直風(fēng)切變配置對應(yīng)于圖9上的情況，仍有利于對流系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)。

因此，在有利的陣風(fēng)鋒傳播方向和0～3 km垂直風(fēng)切變配置下，冷池與低層垂直風(fēng)切變保持同步增強(qiáng)的動態(tài)平衡狀態(tài)，0～6 km垂直風(fēng)切變也逐漸增強(qiáng)，LMCS組織結(jié)構(gòu)逐漸緊密，尺度逐漸增大，逐漸發(fā)展加強(qiáng)。

31日00時之后，LMCS從中部(濟(jì)寧附近)斷裂為東西兩段(圖8e)，并逐漸轉(zhuǎn)向正南方向發(fā)展，地面冷池受魯中山區(qū)地形阻擋，主體滯留在山東中部，導(dǎo)致冷池前沿溫度梯度迅速減小(圖8g)，冷池出流與低層偏南風(fēng)輻合產(chǎn)生的上升氣流迅速減弱。00—04時，環(huán)境大氣低層1.5 km以下維持西南風(fēng)，中高層3～7 km在東段維持遠(yuǎn)離多普勒雷達(dá)的西南風(fēng)，在西段維持向著多普勒雷達(dá)的西北風(fēng)(圖略)，在迅速減弱的冷池出流作用和不利的0～3 km垂直風(fēng)切變配置下，東段首先減弱消亡。垂直方向上，此階段對流發(fā)展高度進(jìn)一步降低(圖8h)，降水完全為熱帶海洋型。04時之后，西段移至徐州附近，徐州多普勒雷達(dá)VWP產(chǎn)品顯示環(huán)境大氣低層至中高層為一致的西南風(fēng)(圖略)，此時冷池出流更弱，環(huán)境熱力條件更差，西段迅速減弱消亡。

4 概念模型和強(qiáng)對流天氣

綜上所述，本次突發(fā)極端強(qiáng)降水過程對流系統(tǒng)的觸發(fā)和組織形態(tài)演變可以歸納為圖9的概念模型，淺薄冷空氣自渤海侵入山東北部，勢力減弱前在濰坊觸發(fā)出初始對流，在充足的水汽和熱力條件下，迅速發(fā)展為多單體風(fēng)暴，形成地面冷池，陣風(fēng)鋒向四周傳播，與環(huán)境低層西南風(fēng)相遇的部分繼續(xù)觸發(fā)對流，多單體風(fēng)暴逐漸向西南方向后向傳播發(fā)展，冷池加強(qiáng)和對流風(fēng)暴發(fā)展形成正反饋，冷池與環(huán)境低層垂直切變達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，多單體逐漸發(fā)展為LMCS，且隨著深層垂直風(fēng)切變逐漸增強(qiáng)，LMCS結(jié)構(gòu)逐漸緊密。當(dāng)?shù)孛胬涑厥艿匦巫钃?、滯留在魯中山區(qū)后，陣風(fēng)鋒強(qiáng)度迅速減弱，LMCS斷裂為東、西兩段，在不利的垂直風(fēng)切變配置下先后減弱消亡。

30日08時，山東中部章丘探空濕球溫度0℃層高度為4.6 km，高度較高，有利于冰雹在下落過程中的融化，但由于對流單體發(fā)展為超級單體，導(dǎo)致50 dBz強(qiáng)回波發(fā)展至12.5 km，60 dBz強(qiáng)回波發(fā)展至9 km(圖略)，在盛夏季節(jié)記錄到了30 mm的大冰雹。

對流系統(tǒng)在觸發(fā)、組織和維持三個階段均為傳播導(dǎo)致的后向發(fā)展，且逐漸左移，整個生命史中產(chǎn)生的短時強(qiáng)降水站次遠(yuǎn)多于大風(fēng)站次(圖10)，大風(fēng)主要出現(xiàn)在地面冷池快速擴(kuò)張、冷池前沿溫度梯度最大的維持階段，環(huán)境大氣層結(jié)為條件不穩(wěn)定層結(jié)，并且對流層中層存在明顯干層，說明主要是強(qiáng)降水拖曳和干空氣夾卷進(jìn)入下沉氣流使得雨滴蒸發(fā)降溫，產(chǎn)生強(qiáng)烈的下沉氣流，而動量下傳和冷池密度流作用進(jìn)一步疊加在下沉氣流輻散風(fēng)上，導(dǎo)致了較強(qiáng)的地面直線型大風(fēng)。短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在維持階段和減弱階段，與對流系統(tǒng)尺度逐漸增大、逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈唾|(zhì)心高降水效率的熱帶海洋型結(jié)構(gòu)有關(guān)，但在各個階段均能產(chǎn)生極端短時強(qiáng)降水。

2007年7月18日大暴雨過程的最大降水量和小時雨強(qiáng)與本次過程相當(dāng)，對流系統(tǒng)也發(fā)展為LMCS，也有明顯的后向傳播現(xiàn)象，不同的是7月18日過程天氣尺度系統(tǒng)的強(qiáng)迫更明顯，水汽和不穩(wěn)定能量更充足(圖3c)，相應(yīng)的LMCS主要由鋒面對流構(gòu)成，而本次過程的LMCS完全在暖區(qū)觸發(fā)生成，因此預(yù)報難度更大。

5 結(jié)論與討論

利用各種常規(guī)和加密觀測資料，對一次由于觸發(fā)機(jī)制不明顯、對流發(fā)展方向異常導(dǎo)致預(yù)報偏差較大的暖區(qū)極端強(qiáng)降水過程進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了對流系統(tǒng)的觸發(fā)和組織形態(tài)演變機(jī)理，得到以下結(jié)論：

(1)對流發(fā)生前，山東處于高空槽和副高之間，低層西南急流和地面輻合線穩(wěn)定維持，水汽條件充足，訂正后的探空表明午后熱力條件明顯增強(qiáng)，CAPE值較大，0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變中等，有利于組織化程度較高的深厚濕對流系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)展，云圖和雷達(dá)上呈現(xiàn)的水平對流卷進(jìn)一步表明山東中南部的大氣邊界層有利于深厚濕對流的產(chǎn)生和發(fā)展，總體形勢有利于山東出現(xiàn)以短時強(qiáng)降水為主的深厚濕對流。

(2)30日下午，850 hPa低渦引導(dǎo)近地層淺薄冷空氣經(jīng)渤海南下侵入山東北部，在濰坊附近觸發(fā)初始對流，在充分的水汽和熱力條件下迅速發(fā)展加強(qiáng)，產(chǎn)生地面冷池和陣風(fēng)鋒，陣風(fēng)鋒與環(huán)境低層西南風(fēng)構(gòu)成的輻合上升運(yùn)動觸發(fā)更多對流，初始對流通過后向發(fā)展演化為具有一定組織化程度的多單體風(fēng)暴。觸發(fā)階段環(huán)境深層0～6 km垂直風(fēng)切變相對較弱，環(huán)境低層0～3 km垂直風(fēng)切變對對流系統(tǒng)的發(fā)展方向起了決定作用。30日傍晚，陣風(fēng)鋒傳播方向與低層0～3 km垂直風(fēng)切變的配置符合RKW理論建立的概念模型，多單體風(fēng)暴不斷發(fā)展加強(qiáng)，降水增強(qiáng)，地面冷池加強(qiáng)，形成了對流發(fā)展和冷池加強(qiáng)的正反饋機(jī)制，同時逐漸增強(qiáng)的0～6 km垂直風(fēng)切變使正反饋機(jī)制能夠維持較長時間，多單體風(fēng)暴發(fā)展為組織結(jié)構(gòu)相對松散的LMCS。

(3)30日前半夜，地面冷池和環(huán)境低層垂直風(fēng)切變保持同步增長的動態(tài)平衡狀態(tài)，深層0～6 km垂直風(fēng)切變繼續(xù)增強(qiáng)，LMCS組織結(jié)構(gòu)逐漸緊密，尺度逐漸增大，組織程度逐漸增強(qiáng)，垂直方向上LMCS由前傾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直結(jié)構(gòu)，降水逐漸轉(zhuǎn)為高效率的熱帶海洋型。31日凌晨之后，地面冷池受地形阻擋滯留在魯中山區(qū)，導(dǎo)致陣風(fēng)鋒迅速減弱，LMCS斷裂為東西兩段，在不利的0～3 km垂直風(fēng)切變配置下，東段和西段先后減弱消亡。

(4)本次過程對流系統(tǒng)在暖區(qū)觸發(fā)，大部分時間為傳播導(dǎo)致的后向發(fā)展，預(yù)報難度比2007年7月18日由沿著冷鋒發(fā)展的LMCS導(dǎo)致的大暴雨過程大。RKW理論適用于解釋本次LMCS的組織形成和維持，實(shí)際業(yè)務(wù)中可以利用加密區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)計(jì)算地面冷池的出流強(qiáng)度，多普勒雷達(dá)VWP產(chǎn)品可用于獲取實(shí)時近風(fēng)暴環(huán)境風(fēng)場信息，對判斷對流系統(tǒng)組織程度加強(qiáng)或減弱具有重要價值。