多源資料分析魯西局地大暴雨成因及降水的微物理特征*

高安春 申高航

山東省臨沂市氣象局，臨沂 276004

提 要： 受西風(fēng)槽、副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)利奇馬外圍風(fēng)場(chǎng)的共同影響，2019年8月9日20時(shí)至10日08時(shí)(北京時(shí))，位于魯西平原的山東省高唐縣出現(xiàn)了局地大暴雨。以FY-4A衛(wèi)星云圖和ECMWF數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品為參考，綜合利用雙偏振多普勒雷達(dá)、ADTD雷電定位數(shù)據(jù)、分鐘降水量、雨滴譜等資料，參考北京3 km區(qū)域模式產(chǎn)品，分析了高唐局地大暴雨過(guò)程的中小尺度天氣系統(tǒng)活動(dòng)及降水的微物理特征，主要結(jié)論如下：局地大暴雨前，西風(fēng)槽云帶出現(xiàn)明顯的斷裂，斷裂處底層有冷空氣擴(kuò)散到槽前，并與槽前暖濕氣流形成了一條α中尺度的低空切變線。局地大暴雨前期，低空切變線觸發(fā)的強(qiáng)對(duì)流下沉氣流出流與底層擴(kuò)散的冷空氣疊加，出流邊界回波帶很快遠(yuǎn)離母體，使其后切變線觸發(fā)的對(duì)流置于底層冷空氣墊上，回波很快減弱。出流邊界觸發(fā)的對(duì)流降水及暖濕氣流向西北推進(jìn)形成的準(zhǔn)線形對(duì)流降水，雖然降水強(qiáng)度大，但持續(xù)時(shí)間短，累計(jì)降水量較小，且由于底層性質(zhì)的不同，其降水的雨滴譜分布存在明顯差異。低空切變線長(zhǎng)時(shí)間維持，使暖濕空氣不斷積聚，在切變線暖區(qū)一側(cè)形成了假相當(dāng)位溫θse大值區(qū)；強(qiáng)降水開(kāi)始時(shí)，切變線上垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，925 hPa最大上升速度大于1.5 Pa·s-1，形成兩個(gè)β中尺度的氣旋性輻合中心；輻合中心在500 hPa槽前正渦度平流的作用下進(jìn)一步加強(qiáng)，觸發(fā)了環(huán)境不穩(wěn)定能量的釋放和深厚濕對(duì)流的產(chǎn)生；對(duì)流云團(tuán)在高空槽前西南氣流的引導(dǎo)下，沿切變線向東北方向逐次移過(guò)高唐，產(chǎn)生“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致高唐附近的較強(qiáng)降水。西風(fēng)槽和切變線回波結(jié)合到一起后，在高唐上空6～10 km持續(xù)維持較豐富的過(guò)冷卻水，促進(jìn)了冰晶的繁生和降水質(zhì)點(diǎn)的增長(zhǎng)，在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)雨滴數(shù)(特別是大雨滴數(shù))明顯增多，降水強(qiáng)度變大，強(qiáng)降水峰變寬，地面累計(jì)雨量明顯變大。魯西局地大暴雨過(guò)程中，地面雨滴尺度譜存在明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，雨滴直徑為1.2 mm 處峰的位置比較穩(wěn)定，另一個(gè)峰位于0.3～0.5 mm的小雨滴端；統(tǒng)計(jì)分析表明，大雨滴數(shù)序列與分鐘降水量序時(shí)間同步，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9867；小雨滴數(shù)時(shí)間序列滯后分鐘降水量時(shí)間序列2 min。

引 言

暴雨常導(dǎo)致許多自然災(zāi)害，長(zhǎng)期以來(lái)一直是氣象研究關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著熱帶氣旋研究的深入，熱帶氣旋與中緯度環(huán)流系統(tǒng)相互作用的研究有了較大發(fā)展(陳聯(lián)壽和丁一匯，1979；徐祥德等，1998；李英等，2006)，熱帶氣旋遠(yuǎn)距離暴雨也越來(lái)越受到關(guān)注。當(dāng)臺(tái)風(fēng)東側(cè)環(huán)流將水汽和能量輸送到中高緯度槽前時(shí)，可導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的發(fā)生(鈕學(xué)新等，2005；陳久康和丁治英，2000；梁軍等，2008；叢春華等，2012；趙思雄和孫建華，2013；朱紅芳等，2019；孫力等，2015)。朱洪巖等(2000)數(shù)值研究表明：臺(tái)風(fēng)可通過(guò)水汽和能量的輸送直接影響遠(yuǎn)距離降水區(qū)的分布，西風(fēng)槽可為臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離降水提供低層輻合、高層輻散以及槽前正渦度平流的大尺度背景，有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和降水的維持。趙嫻婷等(2020)在總結(jié)湖北省一次特大暴雨過(guò)程時(shí)，分析了其中的中小尺度天氣系統(tǒng)及其在降水中的作用。

楊曉霞等(2008)應(yīng)用歷史資料統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：華南沿海登陸和活動(dòng)的熱帶氣旋與西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)和副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)相互作用在山東造成的遠(yuǎn)距離熱帶氣旋暴雨年均為2.5次，出現(xiàn)暴雨的時(shí)間較熱帶氣旋登陸時(shí)間滯后1～3 d。在臺(tái)風(fēng)登陸后的12～48 h內(nèi)，山東暴雨區(qū)上空有大量的水汽和溫濕能的凈流入。暖濕氣流與西風(fēng)帶氣流相匯合，產(chǎn)生輻合上升，造成暴雨。

隨著觀測(cè)技術(shù)及手段的不斷豐富，著眼于中小尺度天氣系統(tǒng)在強(qiáng)對(duì)流和局地暴雨過(guò)程中的作用，科研人員進(jìn)行了大量的觀測(cè)分析和理論研究。梅垚等(2018)、楊忠林等(2019)、馮晉勤等(2018)、林文等(2020)采用雙偏振多普勒雷達(dá)，分析了中國(guó)不同地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的微物理結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)特征。俞小鼎等(2012)、王玨等(2019)、范元月等(2020)、孫密娜等(2018)、毛冬艷等(2018)基于多普勒雷達(dá)和高密度區(qū)域站對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的研究進(jìn)行了大量工作，概括出了短時(shí)強(qiáng)降水的多普勒雷達(dá)回波特征和概念模型。陳磊等(2013)、周黎明等(2014)、申高航等(2020)將地面雨滴譜等資料應(yīng)用于暴雨研究，分析了暴雨過(guò)程中地面雨滴譜的變化及微物理特征，加深了對(duì)暴雨過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

受西風(fēng)槽、副高和臺(tái)風(fēng)利奇馬外圍風(fēng)場(chǎng)的共同影響，2019年8月9日20時(shí)至10日08時(shí)，魯西平原的高唐縣出現(xiàn)了局地大暴雨。本文以FY-4A衛(wèi)星云圖和ECWMF數(shù)值預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，綜合利用山東省濟(jì)南(齊河)雙偏振多普勒雷達(dá)、中國(guó)ADTD雷電定位數(shù)據(jù)、區(qū)域站分鐘降水量、雨滴譜等資料，參考北京3 km區(qū)域模式產(chǎn)品，分析了本次局地大暴雨的成因及降水的微物理過(guò)程，加深了對(duì)本次過(guò)程的理解，得出了許多有意義的結(jié)論，對(duì)于今后多源資料的應(yīng)用研究及局地暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)都具有一定參考價(jià)值。

1 資料來(lái)源及說(shuō)明

本文雨滴譜數(shù)據(jù)來(lái)自高唐國(guó)家氣象站DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀，資料包括32個(gè)尺度通道和32個(gè)速度通道，其中降水粒子尺度測(cè)量范圍為0.1～22.4 mm,降水粒子速度測(cè)量范圍為0.125～26 m·s-1。

高唐站位于濟(jì)南(齊河)雙偏振多普勒雷達(dá)站偏西方向44 km處(圖1)，能被雷達(dá)有效覆蓋，本文選用齊河雙偏振多普勒雷達(dá)觀測(cè)的基數(shù)據(jù)，包括水平反射率因子(ZH)、徑向速度(V)、差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)及相關(guān)系數(shù)(CC)等參量。其中ZH經(jīng)過(guò)了去地物雜波處理，ZDR和KDP經(jīng)過(guò)了偏差訂正。除此之外未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行其他質(zhì)量控制。基數(shù)據(jù)采用VCP21掃描方式，6 min完成9個(gè)不同仰角的體掃。FY-4A云圖資料、ECWMF數(shù)值預(yù)報(bào)、北京3 km 區(qū)域模式產(chǎn)品取自氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS4)。區(qū)域自動(dòng)氣象站分鐘雨量及中國(guó)ADTD雷電定位數(shù)據(jù)從氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口(MUSIC)下載并解碼，時(shí)間由世界時(shí)變換為北京時(shí)，文中采用北京時(shí)。

2 天氣形勢(shì)及降水量分布

圖1a是高唐局地暴雨前，2019年8月9日20時(shí)FY-4A紅外云圖疊加ECWMF再分析500 hPa等高線和850 hPa風(fēng)場(chǎng)。圖中，臺(tái)風(fēng)中心位于浙江東部海面上，距離高唐1 175 km；500 hPa副高位于臺(tái)風(fēng)東北側(cè)，主體在山東半島以東；受副高和臺(tái)風(fēng)阻擋，西風(fēng)槽主體北收，850 hPa 臺(tái)風(fēng)與副高之間的偏東氣流直接輸送到500 hPa槽前，并在高唐附近分為南北兩支。紅外云圖上，高空槽前斜壓葉狀云系完整，但在高唐以北出現(xiàn)了斷裂。對(duì)照9日20時(shí)北京3 km區(qū)域模式再分析925 hPa風(fēng)場(chǎng)和濟(jì)南20：03 的0.48°仰角雷達(dá)回波(圖1b)分析，云系斷裂處對(duì)應(yīng)著無(wú)回波區(qū)和成片的偏北風(fēng)，說(shuō)明槽后冷空氣已經(jīng)從底層擴(kuò)散到槽前，并和東南暖濕氣流形成了一條α中尺度的低空切變線，雷達(dá)觀測(cè)到的強(qiáng)回波帶沿切變線分布。

模式探空(圖1c)顯示：高唐站1000 hPa為西北風(fēng)，925 hPa及以上均為西南風(fēng)，對(duì)流有效位能為1141.4 J·kg-1,抬升指數(shù)為-2.55℃，濕層厚度為4798.5 m,K指數(shù)為39℃。適中的對(duì)流有效位能及其長(zhǎng)條形分布特征、深厚的濕層等參數(shù)都符合強(qiáng)降水產(chǎn)生的環(huán)境條件。

9日20時(shí)至10日08時(shí)，高唐站總降水量為165.5 mm，位于高唐西南8 km的姜店站降水量達(dá)185 mm。圖1d是根據(jù)區(qū)域加密自動(dòng)氣象站觀測(cè)和ADTD雷電定位數(shù)據(jù)繪制的過(guò)程降水量和閃電分布。圖中降水區(qū)域范圍較大，但降水量分布不均勻，較強(qiáng)降水主要沿平原—高唐—聊城一線分布，最大降水發(fā)生在高唐及其西南狹小的區(qū)域內(nèi)。另外，高唐及其西南強(qiáng)降水區(qū)的閃電很少，閃電在其東北的平原縣和西南的聊城市比較密集。

圖1 2019年8月9日20時(shí)天氣形勢(shì)及過(guò)程降水量和閃電分布

3 利用多源資料分析魯西局地大暴雨

根據(jù)雷達(dá)回波和分鐘降水量的時(shí)間變化特征，將魯西局地大暴雨分為兩個(gè)時(shí)間段。9日20時(shí)至10日02時(shí)為第一時(shí)段，主要是中小尺度對(duì)流活動(dòng)，降水以局地短時(shí)強(qiáng)降水為主，降水量占過(guò)程總量的比例較?。?0日02—08時(shí)為第二時(shí)段，表現(xiàn)為連續(xù)的混合性降水，降水強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降水量構(gòu)成了過(guò)程總降水量的主要部分。

3.1 第一時(shí)段冷暖空氣的相互作用及雷達(dá)回波特征

3.1.1 窄帶回波及其觸發(fā)的小尺度對(duì)流

高唐局地大暴雨第一時(shí)段，在低空切變線強(qiáng)回波帶以東，雷達(dá)觀測(cè)到一條弧狀的窄帶回波向東南方向移動(dòng)，并逐漸遠(yuǎn)離其后的切變線強(qiáng)回波帶。窄帶回波高度為1～2 km，回波強(qiáng)度較弱，一般在15 dBz 左右，ZDR值較大，CC值一般小于0.5，屬于非降水回波。

9日21：01齊河雷達(dá)1.45°仰角ZH圖像(圖2a)中，窄帶回波已移到高唐和德州一線，并在高唐附近觸發(fā)起對(duì)流，其回波強(qiáng)度介于35～40 dBz，降水效率較高，高唐站15 min降水量達(dá)24 mm。隨著窄帶回波遠(yuǎn)離，切變線強(qiáng)回波帶逐漸減弱為離散的對(duì)流單體。0.48°仰角的徑向速度圖(圖2b)中，雷達(dá)站西北象限有一條明顯的正負(fù)速度分界線，分界線與圖2a窄帶回波的位置一致，由西北向東南移動(dòng)。

分析9日21時(shí)北京3 km區(qū)域模式產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，925 hPa(圖2c)上切變線有所南壓，切變線后部的西北風(fēng)已擴(kuò)散到高唐附近。切變線上的假相當(dāng)位溫(θse)梯度較大，切變線以南，θse普遍大于360 K，且有多個(gè)365 K的極值中心;切變線以北，θse普遍小于355 K。沿圖2c中的虛線制作θse和風(fēng)場(chǎng)的距離高度廓線(圖2d)。圖中，700 hPa及以上為偏南風(fēng)，切變線后部的西北風(fēng)在850～925 hPa比較清楚，說(shuō)明弱冷空氣主要在低空存在，切變線輻合區(qū)隨高度略向西北傾斜，高唐(橫坐標(biāo)0 km處)處于切變線輻合區(qū)的前沿；高θse區(qū)域主要分布在850 hPa以下，尤其是925 hPa以下的邊界層內(nèi)。

圖2 2019年8月9日21:01齊河雷達(dá)(a)1.45°仰角的水平反射率因子ZH,(b)0.48°仰角的徑向速度V,21：00(c)925 hPa的θse(填色)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)，(d)沿圖2c虛線剖面的θse(填色)及風(fēng)廓線(風(fēng)羽)

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)：低空弱冷空氣向東南擴(kuò)散，與臺(tái)風(fēng)和副高之間的偏東氣流交匯形成切變線，暖濕氣流在切變線暖區(qū)一側(cè)逐漸積聚，形成了一條高θse帶，這里溫濕條件較好，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生，高唐及未來(lái)強(qiáng)降水區(qū)均處于高θse帶中。低空中尺度切變線觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流回波帶，強(qiáng)對(duì)流下沉氣流出流疊加在底層向暖區(qū)擴(kuò)散的冷空氣上，使出流邊界回波快速遠(yuǎn)離母體，從底層切斷了母體的暖濕空氣供應(yīng)，并使母體處于一個(gè)穩(wěn)定層結(jié)的低層冷空氣墊上，而迅速減弱。

3.1.2 低空暖濕氣流的加強(qiáng)及準(zhǔn)線形對(duì)流回波帶

在窄帶回波向東南移動(dòng)的過(guò)程中，其后部的母體(切變線回波)逐漸減弱，出現(xiàn)了大片無(wú)回波區(qū)。9日22:40后，窄帶回波消失。在窄帶回波消失的位置及其東南不斷有新的對(duì)流單體出現(xiàn)，并組成一個(gè)松散的準(zhǔn)線形對(duì)流回波帶，轉(zhuǎn)而向西北方向移動(dòng)。9日23:31(圖3a)，準(zhǔn)線形對(duì)流回波帶自東南向西北移過(guò)高唐，影響時(shí)間約為15 min，降水量為5.4 mm。到10日00:00(圖3b)，半個(gè)小時(shí)內(nèi)回波帶向西北移動(dòng)了15 km左右，且有明顯發(fā)展；回波帶由多個(gè)對(duì)流單體組成，其中最強(qiáng)對(duì)流單體的ZH達(dá)50 dBz，明顯強(qiáng)于出流邊界觸發(fā)的對(duì)流單體；雙偏振ZDR大于0.5 dB，部分區(qū)域大于3 dB，CC大于0.97，說(shuō)明雨滴平均尺度較大。在回波帶向西北移動(dòng)的過(guò)程中，聊城周圍對(duì)流逐漸活躍，回波明顯增強(qiáng)。

10日00:00北京3 km區(qū)域模式925 hPa風(fēng)場(chǎng)上(圖3c)，α中低空切變線位置穩(wěn)定少動(dòng)，仍然維持在高唐—臨清一線，但切變線以南轉(zhuǎn)為一致的東南風(fēng)，以北轉(zhuǎn)為東北風(fēng)和北風(fēng)。沿圖3c中虛線制作θse和風(fēng)距離-高度廓線(圖3d),比較圖2d發(fā)現(xiàn)：切變線東南部，低層?xùn)|南風(fēng)明顯增強(qiáng)；高唐西北約30 km 范圍內(nèi)，850 hPa的θse明顯高于低層，說(shuō)明切變線西北，低層形成了一個(gè)層結(jié)穩(wěn)定的冷墊。

圖3 2019年8月(a)9日23：31、(b)10日00：00齊河雷達(dá)0.48°仰角的ZH；10日00：00(c)925 hPa的θse(填色)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)，(d)沿圖2c虛線剖面的θse廓線(填色)及風(fēng)廓線(風(fēng)羽)

綜合圖3的分析發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段925 hPa切變線位置穩(wěn)定少動(dòng)，但準(zhǔn)線形對(duì)流回波帶向西北方向移動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)不再是偏西風(fēng)主導(dǎo)，而是由副高與臺(tái)風(fēng)外圍的東南氣流主導(dǎo)，加強(qiáng)的東南氣流輸送暖濕空氣在低空切變線附近不斷堆積，并沿著850 hPa以下的冷墊向西北方向爬升，冷暖空氣在切變線附近交匯觸發(fā)對(duì)流，對(duì)流單體沿切變線排列形成準(zhǔn)線形對(duì)流回波帶。

3.2 第二時(shí)段的天氣形勢(shì)及雷達(dá)雙偏振回波特征

3.2.1 天氣形勢(shì)及紅外云圖特征

高唐局地大暴雨第二時(shí)段開(kāi)始于10日02時(shí)左右，02時(shí)模式探空得出，高唐濕對(duì)流有效位能為465.7 J·kg-1，抬升指數(shù)LI達(dá)-3.4℃，濕層厚度增加到12 484 m,K指數(shù)為43.1℃。環(huán)境有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖4a是02時(shí)FY-4A紅外云圖疊加ECWMF再分析資料的500 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)。圖中西風(fēng)槽南段緩慢移動(dòng)到112°E，高唐處于500 hPa槽前西南氣流中。此時(shí)，臺(tái)風(fēng)剛剛登陸，中心位置(28.22°N、121.50°E)距離高唐1040 km。與圖1a對(duì)比，西風(fēng)槽云系前沿對(duì)流發(fā)展旺盛，分布著多個(gè)處于不同發(fā)展階段的對(duì)流云團(tuán)，在槽前西南氣流的引導(dǎo)下，對(duì)流云團(tuán)依次向東北方向移動(dòng)影響高唐。

同時(shí)次的925 hPa(圖4b)上，切變線仍位于高唐附近，切變線以南仍為暖濕的東南氣流，但切變線以北的東北風(fēng)明顯減弱，代之以北風(fēng)與西北風(fēng)，說(shuō)明500 hPa西風(fēng)槽緩慢移動(dòng)到112°E時(shí)，冷空氣在低空逐漸補(bǔ)充到切變線的北側(cè)。加強(qiáng)的冷暖空氣在切變線附近激烈交匯，形成兩個(gè)β中尺度的氣旋性輻合中心(圖4b)，β中尺度輻合產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)在500 hPa槽前正渦度平流的作用下進(jìn)一步加強(qiáng)。輻合中心與垂直上升速度中心相重合，高唐附近上升速度中心大于1.5 Pa·s-1。

低空切變線及其上的輻合上升中心與強(qiáng)對(duì)流云帶的位置相對(duì)應(yīng)，對(duì)流云團(tuán)在高空槽前西南氣流的引導(dǎo)下，沿切變線向東北方向逐次移過(guò)高唐，產(chǎn)生“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致高唐附近發(fā)生較強(qiáng)降水。

3.2.2 雙偏振多普勒雷達(dá)回波特征

降水過(guò)程進(jìn)入第二時(shí)段后，10日02:17齊河雷達(dá)1.43°仰角的雷達(dá)反射率(圖5a)顯示，在高唐至聊城間相應(yīng)中尺度切變線(圖4b)的位置上，有一條強(qiáng)回波帶，其與西部的西風(fēng)槽降水回波帶間存在明顯的無(wú)回波間隙。西風(fēng)槽降水回波帶結(jié)構(gòu)均勻，ZH小于45 dBz；切變線回波帶ZH一般大于45 dBz，其中分布著幾個(gè)ZH超過(guò)55 dBz的γ中尺度強(qiáng)回波塊，高唐在這個(gè)回波帶的東北端。此外，臨清附近，西風(fēng)槽降水回波與切變線降水回波相連處，回波較強(qiáng)。分析同時(shí)次齊河雷達(dá)1.49°仰角的徑向速度(圖5b)，高唐、聊城等地的強(qiáng)回波區(qū)多與徑向速度輻合區(qū)相聯(lián)系，該結(jié)果也與圖4b的數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品相吻合。切變線降水回波帶上ZDR較大(圖5c)，最大值大于3.5 dB，說(shuō)明雨滴平均直徑較大；西風(fēng)槽降水回波區(qū)域ZDR較小，最大值小于1.5 dB，說(shuō)明雨滴平均直徑較小。切變線降水回波帶上KDP值普遍大于0.5°·km-1(圖5d),最大值大于2.4°·km-1，說(shuō)明有豐富的液態(tài)水;西風(fēng)槽降水回波KDP值普遍小于0.2°·km-1,液態(tài)水含量明顯低于切變線降水強(qiáng)回波區(qū)。

圖4 2019年8月10日02時(shí)(a)FY-4A紅外云圖(填色)和500 hPa高度場(chǎng)(實(shí)線，單位：dagpm)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)，(b)925 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)和垂直速度(填色)

圖5 2019年8月10日02:17齊河雷達(dá)1.43°仰角的(a)雷達(dá)反射率因子ZH,(c)差分反射率因子ZDR,(d)差分相移率KDP及(b)1.49°仰角的徑向速度V(“+”為正地閃，“-”為負(fù)地閃，符號(hào)大小為閃電相對(duì)強(qiáng)度)

綜合第二時(shí)段初期的雷達(dá)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)回波帶與低空切變線位置一致，強(qiáng)降水主要發(fā)生在低空切變線暖區(qū)一側(cè)，由于回波強(qiáng)度大、雨滴平均尺度大、液態(tài)水含量豐富，降水強(qiáng)度也大。強(qiáng)降水開(kāi)始時(shí)，切變線回波帶與后部的西風(fēng)槽降水回波帶間存在明顯的無(wú)回波間隙，在切變線回波與西風(fēng)槽回波結(jié)合處，回波較強(qiáng)，降水強(qiáng)度明顯增大；到10日04時(shí)左右，切變線回波與西風(fēng)槽回波基本融合在一起。

3.3 局地大暴雨過(guò)程中的微物理特征

雙偏振多普勒雷達(dá)ZDR表示一個(gè)探測(cè)空間體(距離庫(kù))平均的粒子形狀，ZDR值與雨滴平均大小密切相關(guān)；KDP表示一個(gè)探測(cè)空間體平均的液態(tài)水含量，與降水率成比例；CC反映探測(cè)空間體中降水粒子相態(tài)相似度。國(guó)內(nèi)外氣象工作者綜合利用雷達(dá)雙偏振參量對(duì)水凝物相態(tài)進(jìn)行分類，成功研究了強(qiáng)對(duì)流天氣的微物理機(jī)制和微物理過(guò)程(Carey and Rutledge,2000)。地面降水是天氣系統(tǒng)熱力、動(dòng)力、水汽等相互作用的綜合結(jié)果，其中包含云降水微物理過(guò)程的復(fù)雜信息。對(duì)照分析局地暴雨過(guò)程中高唐站雷達(dá)雙偏振參量垂直廓線、雨滴譜和分鐘降水量時(shí)間序列，有助于加深對(duì)本次暴雨微物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)，更好地理解天氣過(guò)程的演變特征。

3.3.1 高唐站局地大暴雨第二時(shí)段雷達(dá)雙偏振參量的廓線特征

高唐局地大暴雨第二時(shí)段從10日02時(shí)開(kāi)始，選取10日01:25—08:00齊河雙偏振多普勒雷達(dá)的觀測(cè)資料，讀取高唐上空的各偏振參量，分別制作ZH、ZDR、KDP和CC的高度-時(shí)間廓線。

在第二時(shí)段內(nèi)，紅外云圖(圖4a) 上先后有3個(gè)強(qiáng)云團(tuán)移過(guò)高唐，相應(yīng)地在反射率因子廓線(圖6a)中出現(xiàn)了3個(gè)反射率因子大值區(qū)；04:00之前，廓線表現(xiàn)出明顯的對(duì)流特征，強(qiáng)度15 dBz的回波頂較高，最大高度大于11 km；04:00之后，強(qiáng)度15 dBz 的回波頂高度明顯變低，基本小于10 km?？傮w看回波質(zhì)心較低，大于30 dBz的回波分布在8 km以下，大于45 dBz的強(qiáng)回波均在干球0℃層以下，高度不超過(guò)6 km。說(shuō)明過(guò)程中降水強(qiáng)度較大，但對(duì)流不強(qiáng)，所以高唐附近降水較強(qiáng)但沒(méi)有閃電(圖5a)。

高唐ZDR廓線(圖6b)總體上表現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)，干球0℃層以上降水粒子以冰相為主，可能多為冰晶聚集體，ZDR較小；干球0℃ 層以下冰晶融化，降水粒子以雨滴為主，ZDR變大。在對(duì)應(yīng)圖6a的強(qiáng)回波區(qū)域內(nèi)，ZDR較大，說(shuō)明雨滴平均尺度大，大雨滴較多。

KDP廓線(圖6c)中，03：10—07：00，高度6～10 km 持續(xù)存在一個(gè)KDP較大層次。從3.2.2節(jié)的分析來(lái)看，這一較大KDP層的出現(xiàn)與西風(fēng)槽回波和切變線回波的合并有關(guān)。考慮到該層次所在的環(huán)境溫度，這里有較豐富的過(guò)冷卻水和凍滴。在對(duì)應(yīng)圖6a的強(qiáng)回波區(qū)域內(nèi)，KDP較大，說(shuō)明降水強(qiáng)度較大。

03：48后，CC廓線(圖6d)在8 km高度附近出現(xiàn)了平頂結(jié)構(gòu)，該位置附近存在很大的CC垂直梯度；在此之前，廓線頂存在比較大的起伏，表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)流特征。

綜合圖6分析發(fā)現(xiàn)，高唐局地大暴雨第二時(shí)間段雷達(dá)雙偏振參量廓線的分布與該階段強(qiáng)降水特征相吻合。從時(shí)間變化上看，04:00前，西風(fēng)槽降水回波和切變線降水回波還沒(méi)有完全結(jié)合到一起，由于中尺度切變線上較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流發(fā)展旺盛，回波頂高存在很大的起伏，各參量廓線更多地表現(xiàn)為對(duì)流降水特征；04:00后，西風(fēng)槽降水回波和切變線降水回波結(jié)合到一起，回波高度明顯降低，回波頂變平，起伏不大，更多表現(xiàn)為穩(wěn)定的混合性降水特征。西風(fēng)槽降水回波和切變線降水回波結(jié)合到一起后，高唐上空高度6～10 km持續(xù)存在一個(gè)KDP較大層次，結(jié)合該高度層次所處的溫度，應(yīng)當(dāng)有較豐富的過(guò)冷卻水存在，非常有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。一是過(guò)冷卻水滴在低于-20℃的環(huán)境下能夠迅速凍結(jié)，較大的凍滴破碎，促進(jìn)了冰晶繁生，增大了降水質(zhì)點(diǎn)的數(shù)濃度(Carey and Rutledge,2000)；二是環(huán)境溫度在-12℃左右，冰面飽和水汽壓和水面飽和水汽壓差值較大，冰-水轉(zhuǎn)化效率較高，豐富的過(guò)冷卻水存在，特別適合冰晶效應(yīng)的進(jìn)行，有利于冰晶快速增長(zhǎng)。從CC廓線(圖6d)看，在-20℃層附近，由于冰晶、過(guò)冷卻水、霰、雪等多種粒子共存，CC小于0.6；向下不到1 km的距離CC快速增加到0.9以上，說(shuō)明冰晶效應(yīng)迅速，至8 km高度處，冰晶數(shù)密度已快速占據(jù)主導(dǎo)地位了。

圖6 2019年8月10日02—08時(shí)高唐站多普勒雷達(dá)回波參量的時(shí)間變化

3.3.2 局地大暴雨過(guò)程中高唐分鐘雨滴譜和降水量時(shí)間序列對(duì)照分析

局地暴雨開(kāi)始后的第一時(shí)段，高唐主要受出流邊界觸發(fā)的對(duì)流和準(zhǔn)線形對(duì)流影響，降水尺度小(圖7a)，持續(xù)時(shí)間短(約為14.4 min)；準(zhǔn)線形對(duì)流降水中直徑0.5 mm左右的雨滴比例明顯少于出流邊界觸發(fā)的降水，這可能是由于準(zhǔn)線形對(duì)流帶在向西北移動(dòng)的過(guò)程中，其下已經(jīng)是冷空氣墊，底層的蒸發(fā)改變了降水的雨滴尺度分布，使小雨滴(直徑≤1 mm)比例明顯減小。

從10日02:00開(kāi)始，第二時(shí)段的雨滴譜分布比較連續(xù)，明顯不同于第一時(shí)間段；較連續(xù)的雨滴譜分布中存在3個(gè)雨滴相對(duì)集中的區(qū)間，區(qū)間尺度約為75 min，每個(gè)區(qū)間中又包含多個(gè)時(shí)間尺度更小的結(jié)構(gòu)，反映出第二時(shí)間段降水中各種中小尺度天氣系統(tǒng)的影響；02：15—03：25，西風(fēng)槽降水回波和切變線降水回波還沒(méi)有結(jié)合到一起，雨滴譜分布中小結(jié)構(gòu)的時(shí)間尺度與前期小尺度對(duì)流相近(14.4 min)；04：25 后，西風(fēng)槽降水回波和切變線降水回波結(jié)合到一起，小結(jié)構(gòu)的時(shí)間尺度明顯變大，達(dá)到30 min。

整個(gè)局地大暴雨期間，雨滴尺度譜存在明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，雨滴直徑1.2 mm處峰的位置比較清晰，另一個(gè)峰在0.3～0.5 mm的小雨滴端。

由于較強(qiáng)降水主要與直徑>1 mm的雨滴貢獻(xiàn)有關(guān)(申高航等，2020)，本文以1 mm直徑為界，將雨滴分為小雨滴(直徑≤1 mm)和大雨滴(直徑>1 mm)，分析了大小雨滴數(shù)及分鐘降水量之間的關(guān)系(圖7b)。從整個(gè)降水過(guò)程來(lái)看，小雨滴數(shù)明顯多于大雨滴數(shù)，小雨滴數(shù)與大雨滴數(shù)的兩條曲線走向吻合，峰值相對(duì)應(yīng)，兩序列的相關(guān)系數(shù)為0.9479，置信水平小于0.001；小雨滴數(shù)時(shí)間序列變化滯后分鐘降水量時(shí)間序列2 min，大雨滴數(shù)時(shí)間序列與分鐘降水量序列時(shí)間同步，大雨滴數(shù)時(shí)間序列與分鐘降水量序列表現(xiàn)出非常強(qiáng)的相關(guān)性，兩序列的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9867，置信水平小于0.001。小雨滴數(shù)曲線較好地包絡(luò)了大雨滴數(shù)和分鐘降水量的時(shí)間變化，但大雨滴數(shù)曲線可以更精細(xì)地表述分鐘降水量的變化。

圖7 2019年8月9日20：00至10日08：00高唐站(a)雨滴譜，(b)分鐘降水量、大雨滴數(shù)(直徑>1 mm)、小雨滴數(shù)(直徑≤1 mm)的時(shí)間變化

分析圖7b可以發(fā)現(xiàn)，西風(fēng)槽降水回波和切變線降水回波結(jié)合到一起(10日03:25前)，小雨滴數(shù)與大雨滴數(shù)的兩條曲線前沿貼合，大雨滴數(shù)峰的位置比小雨滴超前；這種分布反映出該階段降水更多地表現(xiàn)出對(duì)流特征。對(duì)流開(kāi)始時(shí)，云中上升氣流較強(qiáng)，下落的雨滴較大，隨著降水拖曳產(chǎn)生的下沉氣流增大和擴(kuò)展，上升氣流減弱，有更多的小雨滴下落。西風(fēng)槽降水回波和切變線降水回波結(jié)合到一起(10日04：00后)，小雨滴數(shù)與大雨滴數(shù)的兩條曲線基本同步，雨滴數(shù)(特別是大雨滴數(shù))明顯增多，降水強(qiáng)度變大，強(qiáng)降水峰變寬(30 min)，累計(jì)降水量明顯變大。

4 結(jié) 論

高唐局地大暴雨發(fā)生在西風(fēng)槽和副高與臺(tái)風(fēng)利奇馬外圍風(fēng)場(chǎng)相互作用的環(huán)流背景下，高時(shí)空分辨率的多源資料為更好地分析本次過(guò)程提供了有利條件。本文以FY-4A衛(wèi)星云圖和ECWMF數(shù)值預(yù)報(bào)為參考，綜合利用雙偏振多普勒雷達(dá)、中國(guó)雷電定位數(shù)據(jù)，區(qū)域站分鐘降水量、雨滴譜等資料，參考北京3 km高分辨率區(qū)域模式產(chǎn)品，分析了高唐局地大暴雨的成因、中小尺度系統(tǒng)的活動(dòng)及降水的微物理特征，加深了對(duì)本次魯西局地大暴雨過(guò)程許多細(xì)節(jié)的了解，主要結(jié)論如下：

(1) 局地大暴雨前，西風(fēng)槽云帶出現(xiàn)明顯的斷裂，斷裂處底層有冷空氣擴(kuò)散到槽前，并與槽前暖濕氣流形成了一條α中尺度的低空切變線。局地大暴雨前期，由于切變線觸發(fā)的強(qiáng)對(duì)流下沉氣流出流與底層擴(kuò)散的冷空氣疊加，出流邊界回波帶很快遠(yuǎn)離母體，使切變線強(qiáng)回波帶置于底層冷空氣墊上，切變線強(qiáng)回波很快減弱。出流邊界觸發(fā)的對(duì)流降水及暖濕氣流向西北推進(jìn)形成的準(zhǔn)線形對(duì)流降水，雖然降水強(qiáng)度大，但持續(xù)時(shí)間短，累計(jì)雨量較小，且由于底層性質(zhì)的不同，其降水的雨滴譜分布存在明顯差異。

(2) 低空切變線長(zhǎng)時(shí)間維持，使暖濕空氣不斷積聚，在切變線暖區(qū)一側(cè)形成了θse大值區(qū)。強(qiáng)降水開(kāi)始時(shí)，切變線上垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，925 hPa最大上升速度大于1.5 Pa·s-1，形成兩個(gè)β中尺度的氣旋性輻合中心。輻合中心在500 hPa槽前正渦度平流的作用下進(jìn)一步加強(qiáng)。觸發(fā)了環(huán)境不穩(wěn)定能量的釋放和深厚濕對(duì)流的產(chǎn)生。對(duì)流云團(tuán)在高空槽前西南氣流的引導(dǎo)下，沿切變線向東北方向逐次移過(guò)高唐，產(chǎn)生“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致高唐附近的較強(qiáng)降水。

(3) 西風(fēng)槽和切變線回波結(jié)合到一起后，在高唐上空6～10 km持續(xù)維持較豐富的過(guò)冷卻水，促進(jìn)了冰晶的繁生和降水質(zhì)點(diǎn)的增長(zhǎng)，在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)雨滴數(shù)(特別是大雨滴數(shù))明顯增多，降水強(qiáng)度變大，強(qiáng)降水峰變寬，地面累計(jì)雨量明顯變大。

(4)魯西局地大暴雨過(guò)程中，地面雨滴尺度譜存在明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，雨滴直徑1.2 mm處峰的位置比較清晰，另一個(gè)峰在0.3～0.5 mm的小雨滴端；統(tǒng)計(jì)表明，大雨滴數(shù)序列與分鐘降水量序時(shí)間同步，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9867；小雨滴數(shù)時(shí)間序列滯后分鐘降水量時(shí)間序列2 min。

致謝：感謝山東省人工影響天氣辦公室龔佃利正研級(jí)高工對(duì)本文的指導(dǎo)。