渤海灣西岸一次局地極端短時(shí)強(qiáng)降水事件的成因分析

摘 要 2021年9月4日早晨，渤海灣西岸的天津?yàn)I海新區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，過程累計(jì)降雨量達(dá)224.2 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)為110.9 mm·h-1，均打破當(dāng)?shù)亟ㄕ疽詠淼臍v史紀(jì)錄。利用加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站、風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒雷達(dá)等觀測(cè)資料，結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析資料，分析該事件成因及其與海陸環(huán)境的關(guān)系，探討對(duì)流系統(tǒng)新生、組織化機(jī)制以及水汽輸送特征等。結(jié)果表明：（1）對(duì)流單體在海岸線海水一側(cè)新生后西移登陸，經(jīng)多次與后向新生對(duì)流單體合并加強(qiáng)，最終發(fā)展為具有中γ尺度渦旋且位于線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)前端的強(qiáng)降水系統(tǒng)。（2）對(duì)流單體新生地點(diǎn)與兩條地面輻合線的相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)。一條南北向的風(fēng)速輻合線位于海上，與水陸表面摩擦系數(shù)差異有關(guān)；另一條東西向的風(fēng)向輻合線位于陸地，由東北殘余冷空氣與原有偏南風(fēng)相遇而成。（3）由于清晨海面濕度比陸地大，濕空氣被向岸偏東氣流從渤海灣帶到西岸，為對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供熱力條件；而850 hPa持續(xù)存在暖性切變線，為多個(gè)對(duì)流系統(tǒng)線狀組織排列提供了動(dòng)力支持；值得關(guān)注的是，淺層殘余弱冷空氣在925 hPa造成明顯的中尺度鋒生。（4）次級(jí)垂直環(huán)流促進(jìn)周圍水汽匯集和垂直向上輸送加強(qiáng)，而水汽垂直遞減率的大小（水汽垂直輻合）對(duì)小時(shí)雨強(qiáng)有指示意義。分鐘雨強(qiáng)很可能與中γ尺度渦旋有內(nèi)在聯(lián)系。

關(guān)鍵詞 極端強(qiáng)降水；向岸急流；觸發(fā)維持；水汽垂直輸送及遞減率；中γ尺度渦旋

中圖分類號(hào)： P426.6" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 2096-3599（2024）03-0001-13

DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20240529001

Causes of an extreme local short-time heavy precipitation eventalong the west coast of Bohai Bay

YI Xiaoyuan1， CHEN Hong2， ZHANG Qing1， SUN Xiaolei3， HU Chao4， LIU Yiwei1， HU Tiantian3

（1. Tianjin Meteorological Observatory， Tianjin 300074， China; 2. Tianjin Weather Modification Office， Tianjin 300074， China; 3. Tianjin Central Observatory for Oceanic Meteorology， Tianjin 300074， China; 4. Binhai New Area Meteorological Office of Tianjin， Tianjin 300457， China）

Abstract A short-time heavy precipitation process occurred in Binhai New Area， Tianjin on the west coast of Bohai Bay in the morning of 4 September 2021， with the accumulated rainfall of 224.2 mm and the maximum hourly rainfall intensity of 110.9 mm·h-1， which both break the station’s historical records since its foundation. Based on the observations of intensive automatic meteorological observing stations， wind profile radars and Doppler radars， as well as ERA5 data， the paper analyzes the causes of the event， its relationship with sea and land environment， convective initiation， organized mechanism， transfer of water vapor and so forth. The results are as follows. （1） The convective cell， born on the sea surface， moves westward to land， strengthens after merging with backward newborn convective cell， and finally develops into a heavy precipitation system with meso-γ-scale rotation at the front end of a linear mesoscale convective system. （2） Convective cells are triggered at the intersection of two surface convergence lines. One south-north wind speed convergence line， located on the sea surface， is related to the smaller friction coefficient of water surface than land. The other east-west wind direction convergence line， located on the land， is formed by the residual northeasterly cold air and original southerly. （3） In the morning， the humidity on the sea surface is higher than that on the land， so the warm and wet air is carried from Bohai Bay to its west coast by the boundary layer’s onshore easterly flow， which is a favorable thermal condition for the occurrence and development of the convective system near the coastline. At the same time， the persistent warm shear line at 850 hPa provides dynamic support for the convective system’s linear organized arrangement. It should be noticed that the residual weak cold air triggers meso-scale frontogenesis at 925 hPa. （4） The secondary vertical circulation promotes the accumulation and upward transfer of surrounding water vapor， and the lapse rate of water vapor （vertical convergence of water vapor） has indicative significance for hourly rainfall intensity. The minute rainfall intensity is probably intrinsically connected with the meso-γ-scale rotation.

Keywords extremely heavy precipitation; onshore jet; initiation and maintenance; vertical transfer of water vapor and its lapse rate; meso-γ-scale rotation

引言

中國(guó)沿海地區(qū)是中尺度對(duì)流系統(tǒng)及短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)地帶［1-2］。短時(shí)強(qiáng)降水是一種強(qiáng)對(duì)流天氣，它側(cè)重強(qiáng)調(diào)降水強(qiáng)度，一般用1 h內(nèi)降雨量（即小時(shí)雨強(qiáng)）或1 min內(nèi)降雨量（即分鐘雨強(qiáng)）來描述，小時(shí)雨強(qiáng)超過50 mm·h-1屬于重大強(qiáng)對(duì)流天氣［3］。短時(shí)強(qiáng)降水具有突發(fā)性強(qiáng)、歷時(shí)短、影響范圍小等特點(diǎn)，常引發(fā)城市內(nèi)澇、暴洪、山體滑坡等次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。2017年5月7日凌晨，華南沿海廣州遭遇極端短時(shí)強(qiáng)降水襲擊，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)180 mm·h-1，分鐘雨強(qiáng)達(dá)5 mm·min-1，最大3 h和過程累計(jì)降雨量分別達(dá)382.6 mm（破歷史紀(jì)錄）和453.0 mm，造成8 600余人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)890多萬元［4］。

中小尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機(jī)理是強(qiáng)對(duì)流天氣研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，尤其是小尺度結(jié)構(gòu)特征以及精細(xì)物理過程等有待于深入研究。近年來，短時(shí)強(qiáng)降水被廣泛關(guān)注［5-13］，沿海地區(qū)聚集眾多大型港口和養(yǎng)殖基地，強(qiáng)降水與海岸線附近的氣象環(huán)境、下墊面以及沿海地區(qū)地形地貌等有極其密切的聯(lián)系［8-12］。如華南沿海頻繁發(fā)生的短時(shí)強(qiáng)降水與向岸低空急流以及海陸邊界摩擦差異有高度關(guān)聯(lián)［8］。Bai等［9］統(tǒng)計(jì)認(rèn)為華南沿海白天對(duì)流新生地集中在距海岸線100 km內(nèi)的陸地上，夜間大多分布在海岸線附近和鄰近山脈的近海地區(qū)。Du等［10］指出雙低空急流（包括低空急流和邊界層急流）及其耦合對(duì)華南沿海觸發(fā)對(duì)流系統(tǒng)起關(guān)鍵作用。同時(shí)，邊界層急流與海岸地形相遇會(huì)增強(qiáng)輻合，從而促使對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)，因此強(qiáng)降水事件時(shí)常發(fā)生在距海岸線附近幾十公里的迎風(fēng)區(qū)域中，這是向岸氣流攜帶大量水汽，影響岸上水汽輸送和動(dòng)力、熱力物理過程的原因。曾智琳等［11-12］認(rèn)為加大的向岸西南風(fēng)急流促使邊界層垂直風(fēng)速切變?cè)鰪?qiáng)，水平渦度傾斜部分轉(zhuǎn)化為垂直渦度并發(fā)展，同時(shí)，凹凸海岸線地形導(dǎo)致多條地面輻合線和多個(gè)小渦旋的出現(xiàn)，從而使局地上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。模擬研究［13-14］表明向岸風(fēng)增大了邊界層濕度，從而改變大氣垂直溫濕廓線和穩(wěn)定度。不同于華南沿海，渤海灣西岸的向岸氣流不是來自南海深厚的偏南風(fēng)（或季風(fēng)），而是偏東風(fēng)。渤海是半封閉的淺海，海陸溫差具有日變化，白天偏東氣流是冷濕的，夜間卻是暖濕的；來自渤海灣的濕氣流及其與上游冷池出流碰撞以及自身脈動(dòng)輻合等，在渤海灣西岸強(qiáng)降水事件中起到重要的作用［15-17］。

近年來，隨著新型探測(cè)設(shè)備的布設(shè)，“公里級(jí)、分鐘級(jí)”精細(xì)化觀測(cè)資料在揭示強(qiáng)對(duì)流天氣精細(xì)結(jié)構(gòu)及其物理過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，中尺度研究的視角逐漸從中β尺度轉(zhuǎn)向中γ尺度，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)極端強(qiáng)降水事件與水平尺度在2～20 km的中γ尺度旋轉(zhuǎn)（meso-γ-scale rotation）有聯(lián)系［18-25］。Nielsen等［21］指出，小時(shí)雨強(qiáng)超過75 mm·h-1的事件中，有50%與中γ尺度旋轉(zhuǎn)有關(guān)，旋轉(zhuǎn)促進(jìn)垂直速度加強(qiáng)和水汽聚集加劇，且旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力加速度助力降雨效率的增加。一般具有中γ尺度旋轉(zhuǎn)特征的渦旋有中氣旋（mesocyclone）和中渦旋（mesovortex），中氣旋存在于對(duì)流層中層，其強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)是由水平渦度傾斜和周圍風(fēng)垂直切變引起的，具有中氣旋的強(qiáng)降水（high precipitation，HP）超級(jí)單體是暴洪、冰雹、龍卷等惡劣天氣的主要制造者［18-20，22］；而中渦旋存在于對(duì)流層低層及以下，是由于冷池出流邊界產(chǎn)生的斜壓水平渦度傾斜［22］或摩擦產(chǎn)生水平渦度傾斜而產(chǎn)生垂直渦度［12，23-24］。盛杰等［25］利用小波分析方法指出，分鐘雨強(qiáng)時(shí)間序列上出現(xiàn)的波動(dòng)峰值可能是由分鐘級(jí)時(shí)間尺度的中γ尺度對(duì)流系統(tǒng)造成的。

北方沿海的向岸氣流結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、環(huán)流背景與華南迥異，海岸線附近地區(qū)地形地貌相差甚遠(yuǎn)。目前針對(duì)渤海沿海強(qiáng)降水成因機(jī)理的研究較少，尤其是針對(duì)清晨或夜間的研究幾乎還是空白。因此，有必要針對(duì)典型事件進(jìn)行復(fù)盤，以探討沿海地區(qū)中小尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)維持的機(jī)制及環(huán)境特點(diǎn)，厘清海陸下墊面、向岸急流和殘余冷空氣等的特殊作用，為提升環(huán)渤海沿岸強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力提供借鑒和參考。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

圖1是分析所用海洋站、位于濱海的塘沽風(fēng)廓線雷達(dá)、滄州雷達(dá)（因當(dāng)日天津塘沽雷達(dá)檢修，未開機(jī)）的分布。由于加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站數(shù)量較多，約280多個(gè)，未在圖中標(biāo)出。為便于天氣背景分析，選擇當(dāng)天業(yè)務(wù)所用實(shí)況天氣圖。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5資料（時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°）主要用于天氣尺度背景、中尺度環(huán)境條件、無觀測(cè)時(shí)探空等分析。

1.2 分析方法

根據(jù)文獻(xiàn)［26］計(jì)算對(duì)流降水強(qiáng)度的簡(jiǎn)化公式，地面有效對(duì)流降水強(qiáng)度Rc可近似寫為

Eρ∫zz0qwzdz=Eρ（∫zz0qwzdz+∫zz0wqzdz）

≈Eρ∑qw 。（1）

由于對(duì)流降水過程氣柱內(nèi)水汽只有一部分降落到地面，另一部分在降水中被蒸發(fā)，因此引入有效凝結(jié)率E（無量綱），當(dāng)對(duì)流層整層相對(duì)濕度越大，垂直風(fēng)切變?cè)叫?，雨滴越不容易蒸發(fā)，降水效率越高；ρ為大氣密度，單位為kg·m-3；q為比濕（無量綱），單位為g·kg-1；w為上升速度，單位為m·s-1；z為氣柱高度，單位為m；∑qw為各高度層垂直水汽輸送量的總和。對(duì)于對(duì)流過程來說，Rc單位為kg·m-2·s-1，等同于mm·s-1（常用mm·h-1）。由公式（1）知，Rc還取決于∫zz0wqzdz，簡(jiǎn)化得到Rc∝-wqz，即水汽垂直梯度（qz）和上升速度w。

2 實(shí)況和降雨極端性分析

2021年9月4日早晨至中午，位于渤海灣西岸的天津?yàn)I海新區(qū)突發(fā)強(qiáng)降水（以下簡(jiǎn)稱“9·4”過程），最大小時(shí)雨強(qiáng)和分鐘雨強(qiáng)分別達(dá)110.9 mm·h-1和4.4 mm·min-1，4日05—11時(shí)，6 h累計(jì)降雨量達(dá)224.2 mm，打破當(dāng)?shù)赜袣庀蠹o(jì)錄以來極值，造成嚴(yán)重城市內(nèi)澇，一名人員遇難。由過程累計(jì)降雨量分布（圖2a）可見，強(qiáng)降水落區(qū)緊鄰海岸線，降水量超過100.0 mm的站有8個(gè)，其中紅圈內(nèi)含泵站和泰達(dá)街站，對(duì)應(yīng)兩站07：00—08：00的整點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)分別達(dá)97.3 mm·h-1和103.4 mm·h-1，分鐘雨強(qiáng)峰值分別出現(xiàn)在07：21和07：47，為4.4 mm·min-1和3.6 mm·min-1（圖2c）?？梢?，分鐘雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)在泵站，小時(shí)雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)在泰達(dá)街站，影響分鐘雨強(qiáng)和小時(shí)雨強(qiáng)的原因會(huì)在第4節(jié)和第6節(jié)進(jìn)行分析。

為說明“9·4”過程小時(shí)雨強(qiáng)的極端性，通過統(tǒng)計(jì)2017—2021年5 a間（圖2b），天津各自動(dòng)氣象觀測(cè)站共發(fā)生30次整點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)超過70.0 mm·h-1的降水事件，此次整點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)103.4 mm·h-1，位列第二位，且主要降水集中在07：10—08：10，期間滾動(dòng)小時(shí)雨強(qiáng)更強(qiáng)，達(dá)110.9 mm·h-1。以上統(tǒng)計(jì)表明，該過程的小時(shí)雨強(qiáng)具有極端性。

3 環(huán)境背景分析

2021年9月4日08時(shí)（研究時(shí)段為05—11時(shí)），500 hPa，天津及渤海位于冷渦底部平直環(huán)流中，河北東北部和遼寧地區(qū)為西北氣流（圖3a），山東半島有濃密云系；850 hPa，河南有低壓倒槽，天津及渤海位于倒槽外圍寬廣的東南氣流帶中，風(fēng)速為8 m·s-1左右（圖3b）。由地面形勢(shì)場(chǎng)（圖3c）來看，同樣存在倒槽，與850 hPa低壓渦旋相對(duì)應(yīng)，此時(shí)山東和河南南部有大片降雨區(qū)，天津及渤海被東南氣流控制，從降水發(fā)生前的4日02時(shí)倒槽外圍等壓線位置（圖略）對(duì)比看，東北方向有高壓系統(tǒng)向西南方移動(dòng)，地面東北風(fēng)加大，此股東北氣流是前一天殘余冷空氣形成的。

由降水發(fā)生前的4日05時(shí)極端強(qiáng)降雨區(qū)探空（圖3d）看，強(qiáng)降雨前對(duì)流有效位能（convective available potential energy，CAPE）為314 J·kg-1，對(duì)流抑制能（convective inhibition， CIN）為3.6 J·kg-1，強(qiáng)天氣威脅（Severe WEAther Threat， SWEAT）指數(shù)為189，自由對(duì)流高度（level of free convection，LFC）為957 hPa，0～6 km風(fēng)切變?yōu)?.2 s-1。

由位于渤海灣西岸沿海的塘沽站風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)資料（圖3e）看，06：12，塘沽站低層500 m以下偏東風(fēng)持續(xù)加大，07：00前后，500～1 000 m偏東風(fēng)風(fēng)速增大，且偏東風(fēng)大值區(qū)向上延伸。07：24，邊界層內(nèi)750 m附近和近地層有兩個(gè)急流中心，偏東風(fēng)風(fēng)速均大于10.0 m·s-1，最大風(fēng)速達(dá)12.6 m·s-1。07：00—08：00，向岸偏東氣流加強(qiáng)增厚。

為對(duì)比海陸環(huán)境，選取位于海面的A平臺(tái)站（站號(hào)54646）、位于海岸線的塘沽站和距海岸線約50 km的城區(qū)站，分別代表海面、岸邊和內(nèi)陸3種下墊面的氣溫、濕度的逐時(shí)變化（圖3f）。白天（3日08：00—20：00），氣溫由陸地站至海面站呈現(xiàn)逐漸降低的分布特征，且陸地城區(qū)站和塘沽站升溫最快，而反映濕度的露點(diǎn)溫度變化幅度小。夜間（3日21：00—4日05：00），城區(qū)站、塘沽站和A平臺(tái)站的氣溫、露點(diǎn)變化均不大。05時(shí)，A平臺(tái)的溫度、露點(diǎn)均最高，說明對(duì)流系統(tǒng)出現(xiàn)之前海面相對(duì)于渤海灣西岸來說，濕度大、溫度高，自海面吹向陸地的向岸東風(fēng)是一支暖而濕的氣流。

4 對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波演變

按照雷達(dá)組合反射率變化特征將對(duì)流系統(tǒng)演變過程分為兩個(gè)階段：第一階段為回波單體新生及后向新單體不斷生成、合并加強(qiáng)階段（05：30—06：54，圖4a—h），從中可見對(duì)流單體最初被觸發(fā)的地點(diǎn)，多次合并發(fā)展為孤立強(qiáng)回波過程。第二階段為強(qiáng)單體被組織為線狀排列階段（06：54—09：48，圖4i—k）。

第一階段：05：30，有一對(duì)流單體A在海岸線海水一側(cè)新生（圖4a）、發(fā)展（圖4b），回波強(qiáng)度增強(qiáng)到50 dBZ，隨后繼續(xù)加強(qiáng)并向西移動(dòng)。05：54（圖4c），回波單體向西登陸且加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到55 dBZ，同時(shí)，其移動(dòng)方向后側(cè)（東南側(cè)）有新生單體B生成。06：06（圖4d），B與A相接并開始合并，12 min后，在回波南側(cè)的海面中，再次有新生回波C生成發(fā)展，此時(shí)原主體A強(qiáng)度略有減弱（圖4e）。06：30（圖4f），C單體登陸并加強(qiáng)，強(qiáng)度達(dá)到55 dBZ。06：42（圖4g），C與A接近。06：54（圖4h），A與C合并后中心強(qiáng)度增至60 dBZ。對(duì)流系統(tǒng)演變中，后向傳播（即在對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)后側(cè)不斷有對(duì)流新生）易形成“列車效應(yīng)”或多個(gè)對(duì)流系統(tǒng)合并使其加強(qiáng)，延長(zhǎng)生命史，從而造成強(qiáng)降水［27-28］。

第二階段：A位置穩(wěn)定少動(dòng)，但海面上不斷有新生回波（D、E）生成，并入A中（圖4i、j），再次表現(xiàn)出后向發(fā)展特征。此時(shí)陸地上，多個(gè)強(qiáng)回波單體生成并沿東西向直線排列。海岸線附近的A回波位于線狀中尺度系統(tǒng)對(duì)流串的東南端，強(qiáng)度為50～55 dBZ。這一階段降水強(qiáng)度最強(qiáng)、最集中，累計(jì)降水量達(dá)82.7 mm，分鐘雨量超過1 mm的時(shí)段集中在07：10—07：48（圖2c）。

Zeng等［23］利用垂直回波結(jié)構(gòu)演變發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)回波核（界定強(qiáng)度為50 dBZ）發(fā)展后下降到地面時(shí)刻，即產(chǎn)生4.8 mm·min-1的雨強(qiáng)峰值，說明分鐘雨強(qiáng)與反射率核心（反射率超過50 dBZ）高度及其變化有很好的相關(guān)性。為了探究此次強(qiáng)回波核心高度及其變化與分鐘雨強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制垂直回波演變圖（圖5a—b），由55 dBZ強(qiáng)回波核心維持時(shí)間看，泵站（06：54—07：30）和泰達(dá)街站（07：18—07：54）的55 dBZ以上回波核垂直伸展高度達(dá)5 km，說明此時(shí)回波發(fā)展強(qiáng)盛，且維持了30 min左右，地面監(jiān)測(cè)到分鐘雨強(qiáng)分別達(dá)到4.4 mm·min-1和3.6 mm·min-1，對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波核及地時(shí)刻（圖5a—b中箭頭所指），正好與泵站分鐘雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)時(shí)刻（07：21）、泰達(dá)街站分鐘雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)時(shí)刻（07：47）對(duì)應(yīng)，與參考文獻(xiàn)［23］結(jié)論一致。

由07：06—07：18泵站（圖5c—e）和07：36—07：48泰達(dá)街站（圖5f—h）徑向速度看，均有正負(fù)速度對(duì)存在，泵站的正速度為5～10 m·s-1，泰達(dá)街站正速度為1～5 m·s-1，二者負(fù)速度均為5～10 m·s-1，故存在中γ尺度旋轉(zhuǎn)，但未達(dá)到中氣旋標(biāo)準(zhǔn)［29］。由中γ尺度渦旋類型和強(qiáng)度看，二者都是氣旋性速度對(duì)，泵站旋轉(zhuǎn)速度比泰達(dá)街站略大，分鐘雨強(qiáng)峰值也大于泰達(dá)街站。其間是否存在內(nèi)在聯(lián)系，還需要大量個(gè)例佐證。

5 對(duì)流的觸發(fā)與組織

為了進(jìn)一步分析對(duì)流系統(tǒng)新生地點(diǎn)和發(fā)展維持的原因，用地面加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站實(shí)況資料，計(jì)算地面假相當(dāng)位溫、散度、水汽通量等物理量；結(jié)合ERA5資料，計(jì)算邊界層和對(duì)流層低層鋒生函數(shù)及散度。

5.1 地面熱力和動(dòng)力環(huán)境條件

假相當(dāng)位溫（θse）大值區(qū)代表高能量區(qū)，是對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展有利的熱力環(huán)境。04—06時(shí)（圖6a、b），渤海灣是高能量區(qū)，海面到天津地區(qū)始終有一條高θse帶（色階），且覆蓋極端強(qiáng)降水區(qū)。向岸東南氣流由渤海向西岸匯集，形成漸近線（輻合帶），為對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)發(fā)展提供熱力和動(dòng)力支持。圖6c是9月4日02—11時(shí)極端降水區(qū)附近地面散度，可見地面散度從03時(shí)開始出現(xiàn)負(fù)值，表明此時(shí)此位置存在上升輻合的動(dòng)力條件，且強(qiáng)度逐漸增大，07時(shí)地面輻合達(dá)到峰值（-1.0×10-5 s-1），地面輻合早于降水兩個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)，且輻合最大值出現(xiàn)后，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到最大值。因此，地面散度正負(fù)及強(qiáng)度變化，對(duì)對(duì)流發(fā)生及降水加強(qiáng)具有預(yù)警意義。

5.2 對(duì)流單體的新生地點(diǎn)

對(duì)流單體A新生地點(diǎn)位于海岸線以東的海水下墊面，4日04—07時(shí)（圖7），地面始終存在弱東北風(fēng)，風(fēng)速約為2 m·s-1，自渤海灣北岸吹向西南，這股氣流與圖3c中反映的東北風(fēng)一致，是前一天東移南下冷空氣的殘余勢(shì)力。一致的東北風(fēng)與南側(cè)風(fēng)形成西北—東南走向的風(fēng)向輻合線，由地面水汽通量分布看，此時(shí)東北風(fēng)攜帶著濕空氣。

4日04時(shí)（圖7a），海岸線附近A、B、C三站均有向岸東風(fēng)氣流，且風(fēng)速均較小，僅為2 m·s-1；05時(shí)（圖7b），向岸東風(fēng)有所加大，但越靠近海岸線，風(fēng)速越小，海水中A、B站風(fēng)速分別為4 m·s-1和8 m·s-1，而陸地上的C站風(fēng)速仍為2 m·s-1，這可能是水面摩擦系數(shù)小于陸地的原因。一條南北走向的風(fēng)速輻合線沿海岸線形成，隨著向岸風(fēng)進(jìn)一步加大，風(fēng)速輻合線向陸地推進(jìn)，與陸地上西北—東南走向的風(fēng)向輻合線相遇。在相交點(diǎn)位置，05：18，對(duì)流單體A生成（圖略）；直至06時(shí)（圖7c），風(fēng)速輻合線登陸，交匯點(diǎn)靠近海岸線，此時(shí)C站風(fēng)速也增大到6 m·s-1，與A、B站風(fēng)速一致。07時(shí)（圖7d），西移登陸的南北向風(fēng)速輻合線維持少動(dòng)，其與東西向風(fēng)向輻合線依然相交，對(duì)應(yīng)交點(diǎn)上單體A強(qiáng)度增至60 dBZ（圖4i、j）。水汽通量散度表明，多個(gè)對(duì)流單體發(fā)生發(fā)展的地點(diǎn)始終是地面水汽通量大的輻合區(qū)，04、05、06、07時(shí)，極端強(qiáng)降水區(qū)地面水汽通量散度分別為-20×10-5、-30×10-5、-30×10-5、-35×10-5 g·s-1·hPa-1·cm-2，這表明水汽隨著向岸偏東風(fēng)向相交點(diǎn)匯集?？傊?，兩條輻合線交匯點(diǎn)是氣流輻合、上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)區(qū)，交匯點(diǎn)海面一側(cè)是向岸氣流匯集、高能量中心和水汽輸送旺盛帶，因此，這一區(qū)域不斷有多個(gè)對(duì)流單體（A—E，圖4）新生和發(fā)展。

5.3 多個(gè)回波單體線狀組織排列機(jī)制

眾多對(duì)流單體排列組織維持，僅靠有利的地面條件是不夠的，因此分析925～700 hPa各層的動(dòng)力條件和鋒生作用。

4日05—08時(shí)，850 hPa，河北中部至渤海灣海岸線存在一條西南風(fēng)與東南風(fēng)的切變線，切變線持續(xù)且略向北移動(dòng)，其東端位于極端強(qiáng)降水區(qū)上空，南側(cè)偏南風(fēng)維持在4～6 m·s-1，北側(cè)東南氣流加強(qiáng)到6 m·s-1。05（圖略）—08時(shí)，切變線呈東西向穩(wěn)定維持在天津塘沽—北辰—武清一線，08時(shí)（圖8a）切變線略北抬。同時(shí)，負(fù)散度區(qū)與切變線配合較好，負(fù)散度中心維持在30×10-5 s-1，切變線穿過負(fù)散度中心且在天津中部維持，為線狀排列提供了持久的動(dòng)力支持。

鋒生描述冷暖氣團(tuán)相互作用及動(dòng)態(tài)變化，鋒生函數(shù)是量化鋒生鋒消的物理量參數(shù)。進(jìn)一步計(jì)算鋒生函數(shù)水平分布，發(fā)現(xiàn)925 hPa上05（圖略）—08時(shí)（圖8b）天津地區(qū)明顯存在中尺度鋒區(qū)，且顯著高于850 hPa和700 hPa（圖略）。05—08時(shí)，鋒生函數(shù)越來越強(qiáng)，位置略北推。這表明冷暖氣流的匯合僅在邊界層存在，淺薄且高度低，鋒生區(qū)與850 hPa切變線位置相對(duì)應(yīng)。

圖8b表明，冷暖空氣相對(duì)勢(shì)力增強(qiáng)，鋒生加大，925 hPa鋒生函數(shù)由05時(shí)的0.86 K·（100 km·3 h）-1增大為07時(shí)的峰值1.16 K·（100 km·3 h）-1，而其他層鋒生函數(shù)幾乎接近0。從東北路南下的弱冷空氣厚度淺薄，僅限于邊界層，而來自南方的暖氣流厚度達(dá)到850 hPa以上。圖8c是4日00—11時(shí)鋒生函數(shù)隨時(shí)間變化，850 hPa和700 hPa在04—11時(shí)鋒生函數(shù)幾乎為0，而在925 hPa為正值，07時(shí)達(dá)到最大值，結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)（圖3e），說明這段時(shí)間中尺度鋒區(qū)以北的東北氣流與以南的偏南氣流都在加強(qiáng)，而冷暖空氣的對(duì)峙僅在925 hPa以下高度內(nèi)。鋒生函數(shù)為正的區(qū)域，利于上升氣流發(fā)展，鋒生作用為第一階段對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)和第二階段排列組織化起到促進(jìn)作用。

6 水汽垂直輸送及遞減率

“9·4”過程的降水量、雨強(qiáng)均破歷史紀(jì)錄，同一般短時(shí)強(qiáng)降水相比，其水汽輸送應(yīng)具特殊性。短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨都與水平方向的水汽匯集相聯(lián)系，而降水強(qiáng)度更取決于水汽垂直梯度和上升速度［26］。

4日05時(shí)（圖9a），強(qiáng)降水還未出現(xiàn)，在極端強(qiáng)降水區(qū)上空，垂直速度較大，825～750 hPa有垂直上升速度強(qiáng)值中心，為-0.7 Pa·s-1（負(fù)值為上升運(yùn)動(dòng)）；同時(shí)在西側(cè)116.5°E、38.85°N附近，存在垂直下沉速度大值中心，為0.4 Pa·s-1。下沉氣流的上、下邊界分別為700 hPa和950 hPa（以垂直速度為0 Pa·s-1界定）。下沉氣流與上升氣流之間的區(qū)域，700 hPa為東南氣流，存在偏東氣流分量；950 hPa為西南氣流，存在偏西氣流分量。偏西氣流分量—極端強(qiáng)降水區(qū)上升氣流—偏東氣流分量—西側(cè)下沉氣流正好形成封閉的垂直次級(jí)環(huán)流圈，這對(duì)上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)和持久起關(guān)鍵作用。925 hPa附近存在一個(gè)水汽通量輻合中心，水汽由西南氣流提供，輸送的水汽厚度為975～800 hPa；同時(shí)， 975 hPa以下，水汽隨向岸偏東風(fēng)由渤海灣向陸地輸送，輸送的水汽厚度為地面至950 hPa。隨著06時(shí)（圖略）兩個(gè)中心合并，西南和東南兩支通道將大量水汽匯集在極端降水區(qū)上空。

4日08時(shí)（圖9b），垂直上升速度大值中心抬升至750～700 hPa，上升運(yùn)動(dòng)的下邊界由05時(shí)地面抬升至900 hPa，此時(shí)900 hPa以下為下沉運(yùn)動(dòng)，中心強(qiáng)度為0.3 Pa·s-1，這是降雨在邊界層造成拖曳下沉氣流。07—08時(shí)，極端強(qiáng)降水區(qū)內(nèi)泵站和泰達(dá)街站的降雨量最大，此時(shí)僅一個(gè)水汽通量輻合中心，高度在900 hPa附近，大量水汽匯聚在950～700 hPa。與區(qū)域大暴雨相比，“9·4”過程的水平通量輻合強(qiáng)度值小2個(gè)量級(jí)。那么，垂直向上的水汽輸送是否對(duì)雨量和雨強(qiáng)有某種指示意義？通過簡(jiǎn)化定量計(jì)算水汽的垂直輸送及比濕垂直遞減率（比濕隨高度的變化），找出影響降雨強(qiáng)度的關(guān)鍵因子。

圖9c是4日00—11時(shí)比濕（q）及其與垂直速度（w）的乘積qw隨高度的變化，qw大值區(qū)集中在925～650 hPa。圖9d計(jì)算了07時(shí)和08時(shí)925、850、700 hPa高度qw值（負(fù)值表示向上水汽輸送）逐時(shí)變化，分別為2.3×10-3、-5.3×10-3、-5.4×10-3 Pa·s-1和2.7×10-3、-4.6×10-3、-5.5×10-3 Pa·s-1，700 hPa的qw絕對(duì)值最大，表明小時(shí)雨強(qiáng)與850、700 hPa的水汽垂直輸送效率關(guān)系密切，特別是700 hPa垂直水汽輸送，對(duì)小時(shí)雨強(qiáng)的指示性最強(qiáng)。

900 hPa高度處的比濕為12 g·kg-1，450 hPa高度處的比濕為2 g·kg-1，900 hPa和450 hPa的高度差為450 hPa，比濕差為10 g·kg-1，比濕隨高度的變率為每百帕降低0.22 g·kg-1。對(duì)比北京“6·23”強(qiáng)降水過程（雨強(qiáng)為128 mm·h-1）［18，26］，比濕隨高度的變率為每百帕降低0.25 g·kg-1，比濕在垂直方向上變率略小。該算法只是粗略推斷，還需大量實(shí)例來佐證。

7 物理過程概念模型

“9·4”極端強(qiáng)降水過程中，空間風(fēng)場(chǎng)配置有地面向岸偏東風(fēng)氣流、邊界層內(nèi)弱東北冷空氣、850 hPa東南風(fēng)與偏南風(fēng)形成的切變線、上升氣流與中γ尺度渦旋等多尺度氣流共同作用。渤海灣海面提供了利于對(duì)流發(fā)展的暖濕環(huán)境，邊界層水汽隨向岸偏東風(fēng)由海面向陸地輸送，對(duì)流層低層水汽來自偏南氣流，兩支水汽通道將大量水汽匯集在極端降水區(qū)上空。對(duì)流單體新生位置對(duì)應(yīng)兩條地面輻合線的交點(diǎn)，925 hPa存在較明顯的淺層中尺度鋒生，在對(duì)流層低層存在穩(wěn)定少動(dòng)的切變線，為眾多對(duì)流系統(tǒng)被組織排列為線狀提供熱力和動(dòng)力支持（圖10）。

8 小結(jié)

利用加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站、風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒雷達(dá)、探空等觀測(cè)資料和ERA5資料，分析“9·4”渤海灣畔天津?yàn)I海新區(qū)出現(xiàn)的極端短時(shí)強(qiáng)降水事件的成因及其與海陸環(huán)境的關(guān)系，探討北方海岸線附近中小尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)維持機(jī)制以及水汽在水平、垂直方向的輸送特征等。得到以下結(jié)果：

（1）“9·4”事件發(fā)生在冷空氣過后倒槽外圍氣流影響的弱天氣背景下，尚存殘余弱冷空氣自東北路徑南下，影響渤海及其沿岸地區(qū)，清晨海面濕度較大，海陸溫差較午后小，向岸邊界層?xùn)|風(fēng)氣流（加強(qiáng)為急流）將海上暖濕空氣帶到陸地。

（2）對(duì)流單體在海岸線海水一側(cè)新生后西移登陸，其移動(dòng)方后側(cè)不斷有對(duì)流單體新生，經(jīng)多次合并加強(qiáng)為強(qiáng)降水系統(tǒng)，其內(nèi)部有中γ尺度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)促進(jìn)垂直速度加強(qiáng)和水汽聚集加劇，且旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力加速度助力降雨效率的增加。

（3）對(duì)流單體被觸發(fā)位置對(duì)應(yīng)兩條地面輻合線的相交處。一條南北向風(fēng)速輻合線位于海面，其形成與水陸表面摩擦系數(shù)存在差異有關(guān)；另一條東西向風(fēng)向輻合線位于陸地，是由殘余冷空氣形成的東北風(fēng)與原有風(fēng)相遇而成的。清晨邊界層向岸東風(fēng)加強(qiáng)為急流，使切變線加強(qiáng)且穩(wěn)定少動(dòng)，同時(shí)在邊界層內(nèi)殘余的濕冷空氣與原有干暖空氣形成弱的淺層中尺度鋒生，為對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展、眾多對(duì)流系統(tǒng)組織排列為線狀提供動(dòng)力和熱力支持。

（4）次級(jí)垂直環(huán)流的存在促進(jìn)了周圍水汽匯集（水汽通量負(fù)散度大）及垂直向上輸送，而水汽垂直輸送及比濕垂直遞減率的大?。ɑ蛩诖怪毕虻妮椇蠌?qiáng)弱）對(duì)極端小時(shí)雨強(qiáng)有指示意義。分鐘雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)強(qiáng)回波核心及地時(shí)刻，其強(qiáng)度大小很可能與中γ尺度渦旋的存在及強(qiáng)度有內(nèi)在聯(lián)系。

總之，“分鐘級(jí)”和“公里級(jí)”高分辨率資料的運(yùn)用是深入研究中小尺度天氣成因的關(guān)鍵，此文雖為個(gè)例研究，但對(duì)提高沿海地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水機(jī)理的認(rèn)識(shí)有一定的借鑒和參考意義。

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