劉一瑋，王 穎

（天津市氣象臺，天津300074）

局地暴雨是幾種不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結果，其發(fā)生、發(fā)展既有大尺度環(huán)境條件的制約，又與中尺度擾動有十分密切的關系[1-3]。隨著探測技術的發(fā)展，區(qū)域自動站、風廓線雷達等越來越多的探測設備進行布設，并業(yè)務應用。這不僅較大提高了對產(chǎn)生局地暴雨天氣系統(tǒng)活動的監(jiān)測能力，還有助于揭示暴雨的發(fā)生、發(fā)展機理[4-6]。羅王軍[7]利用常規(guī)觀測資料及雷達資料，分析弱垂直風切變條件下的暴雨過程，降水集中在回波開始合并增強的2 h內；通過分析雷達回波強度、移速、生命期等特征，得到不同類型強降水的預警方法[8]；陳永仁等[9]研究發(fā)現(xiàn)，短時強降雨通常由MCS中的深對流造成，水平尺度多為中尺度或更小的中尺度系統(tǒng)，具有云頂亮溫低、雷達反射率因子大和垂直累積液態(tài)水含量高等特點。因此中小尺度對流云團的TBB強度及變幅，可提前1～2 h預報短時強降水[10]。加密自動站資料顯示地面中尺度輻合系統(tǒng)與雨團的發(fā)生發(fā)展關系十分密切，且具有一定的預示作用[11]。大暴雨的分布與地面輻合線的走向基本一致，并隨其移動而移動[12]。

天津作為沿海大城市，受地形地貌特征的影響，出現(xiàn)局地強降水的的頻次較高，前期許多專家及預報員對此做了大量的分析研究。王彥等[13-14]應用多普勒雷達并結合多種探測資料，分析了渤海灣海風鋒的天氣氣候特征及對局地暴雨天氣觸發(fā)和形成作用。盧煥珍等[15]、王穎等[16]分別從個例分析及統(tǒng)計的角度，得到不同影響系統(tǒng)的天津局地暴雨過程的物理參數(shù)特征，并給出預報重點。目前在業(yè)務工作中天津局地暴雨的短期預報還有一定難度，漏報率較高，更多地依靠短臨訂正。隨著觀測業(yè)務的發(fā)展，越來越多的高時空分辨率的觀測資料在天津使用，但如何綜合應用數(shù)據(jù)，在短臨預報預警中發(fā)揮作用還有薄弱之處。因此本文對2017年8月8日夜間一次局地暴雨漏報的天氣過程進行分析，著重利用加密探測資料剖析天氣系統(tǒng)發(fā)展傳播特征，嘗試找到探測資料在局地大暴雨預報中的綜合應用著眼點，為短時臨近強降水預報拓寬思路。

1 降水過程概述

2017年8月8 日夜間天津地區(qū)出現(xiàn)暴雨局部大暴雨天氣，過程具有對流性強、降水時段集中、局地短時雨強大等特征。24 h全市平均降水量為36.6 mm，最大降水量為130.1 mm；全市雨量站中，6站出現(xiàn)大暴雨，占2.1%，70站出現(xiàn)暴雨，占24.4%；強降水集中出現(xiàn)在9日00—05時（北京時，下同），最大小時雨強79.6 mm/h；并伴有6～7級的雷暴大風。由于此次降水過程出現(xiàn)在夜間，且短時間雨量迅猛，受到城市地表排水能力的限制，城市主干道低洼路段嚴重積水，對早高峰交通產(chǎn)生較大影響。

2 環(huán)流形勢及環(huán)境參數(shù)分析

此次過程受冷渦低槽系統(tǒng)影響（圖1），8日20時冷渦位于黑龍江北部，500 hPa短波槽位于河套東北部，天津受偏西氣流控制。700 hPa和850 hPa在河套東北部存在風切變，形成前傾結構，有利于強對流發(fā)生。同時850 hPa在京津交界處存在另一弱切變，配合地面低壓、輻合抬升有利于天津地區(qū)出現(xiàn)降水。由于天津本地沒有探空資料，根據(jù)臨近北京探空得到的環(huán)境參數(shù)（表1）顯示，8—14時對流有效位能CAPE由 1492 J/kg增大到 2369 J/kg，850 hPa與500 hPa之間的溫差（T850-T500）增加了6℃，對流抑制能量CIN下降為0 J/kg，環(huán)境大氣的不穩(wěn)定度增大；850 hPa的比濕Q也明顯增大，為11.04 g/kg，這說明中低層的水汽得到積累。有利的環(huán)流配置和溫濕條件預示天津地區(qū)將出現(xiàn)強對流天氣。

圖1 8月8日20時，500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm），700 hPa相對濕度（陰影，單位：%）及 850 hPa風場（單位：m/s）

表1 8月8日08時、14時物理量參數(shù)

3 中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展演變

3.1中尺度雨團特征

根據(jù)前人研究結果[10]，定義連續(xù)2 h有2站或以上降水量＞25 mm/h、空間尺度不超過200 km的雨團為中尺度雨團。通過逐小時降水量的演變特征，發(fā)現(xiàn)影響天津地區(qū)的降水分為兩個階段，分別為A、B兩個中尺度雨團（圖2）。A雨團自8日23時—9日02時持續(xù)了4 h，雨強相對較大，4 h最大降水量達100.8 mm，最大雨強79.6 mm/h，為天津中北部大暴雨及暴雨區(qū)的主要貢獻者；B雨團自9日02—04時持續(xù)3 h，雨強相對較小，為34 mm/h，3 h最大降水量50.8 mm，B雨團位置相對穩(wěn)定，維持在天津中南部地區(qū)，是中部、南部暴雨的主要貢獻者。

3.2 衛(wèi)星云圖特征

3.2.1 紅外云圖特征

對FY-2G紅外衛(wèi)星云圖及黑體輻射亮溫（TBB）分析發(fā)現(xiàn)，8日14時在河套地區(qū)，500 hPa高空槽前部有多個水平尺度不足50 km的中尺度對流云團發(fā)展。隨著高空槽的東移，云團的尺度逐漸增大，并于20時合并成東北—西南向云帶，對流云帶東移過程中不斷有小塊對流云合并，發(fā)展強烈，23時開始影響天津北部、中部地區(qū)，產(chǎn)生了第一個階段的強降水即雨團A（圖3）。同時在河北西南部又有新的對流云團觸發(fā)，云體迅速發(fā)展向東北方向移動，之后兩云團合并加強，最終造成了南部、中部的降水（雨團B）。

3.2.2TBB變化特征

22時天津地區(qū)上空TBB為268～286 K，隨著云團的東移南壓，天津上空TBB迅速下降至232～250K，1 h后天津的降水達到頂峰，多個自動站出現(xiàn)了雨強50 mm/h以上的降水，且強降水多發(fā)生在TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域。第二階段的降水TBB也有類似特征。02時天津西南部降水未開始前，TBB為250～268 K，03時降水發(fā)生后TBB下降到232～250 K，在TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域出現(xiàn)了雨強30 mm以上的降水出現(xiàn)，最大34 mm/h。

由此可見，TBB的迅速降低或梯度增大對強降水的出現(xiàn)有很好的指示意義。當MCS發(fā)展成熟時，強降水發(fā)生在中尺度對流云團TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域；MCS合并時期，TBB迅速下降，降水隨之增強，當TBB值1 h下降31 K以上時，1 h后易產(chǎn)生50 mm/h以上的強降水，與段鶴等[8]的研究結論類似，可作為短時強降水的監(jiān)測預警的重要指標。

圖2 8月8日23時—9日04時降水落區(qū)

圖3 8月8日22時—9日01時紅外云圖

3.3 雷達特征分析

8日20時，1.5°仰角上，在天津雷達的西北部150 km距離圈之外有多個小塊對流單體回波，回波向東南方向移動，合并增強為東北—西南向的帶狀回波，A雨團逐漸形成。23時強回波帶開始影響天津，回波反射率因子達到50～60 dBZ。00時帶狀回波分裂為南北兩端，并分別在其前沿，激發(fā)出陣風鋒，1.5°仰角徑向速度圖上存在26 m/s的徑向速度大值區(qū)，造成天津中北部地區(qū)6～7級的雷雨大風。01時后北段回波結構松散，強度逐漸減弱，南段弓形回波強度維持，緩慢向東南方向移動。同時在河北西南部有對流單體生成，向東北方向移動，回波強度維持在40～55 dBZ。01—03時河北西南部新生的單體，依次經(jīng)過天津中南部（圖4b～4d紅框內），形成“列車效應”，3 h降水達到20～25 mm。這一時間段內A雨團減弱消失，B雨團造成天津中南部地區(qū)暴雨。04時之后回波強度逐漸減弱，雨強明顯減弱。06時回波消散，天津地區(qū)降水結束。

對兩個時刻的雷達回波反射率因子作剖面（圖4e）并對比分析可知，A雨團時期為高質心降水回波，存在明顯的回波懸垂結構，低層存在弱回波區(qū)，40 dBZ強回波伸展高度達11 km，雷暴云垂直發(fā)展旺盛，對流性強。B雨團時期則為低質心降水回波帶狀回波（40～55 dBZ），回波強度均勻，無強回波懸垂，40 dBZ強回波伸展高度接近7 km。

天津北辰國家觀測站24 h降水量達129.6 mm，由經(jīng)過觀測站上空的反射率因子時序圖（圖4f）可看出，北辰站的大暴雨為高質心降水和低質心降水共同造成的。00時前后云頂猛增，回波強度增加，最大強度在60 dBZ，回波頂高達14 km，10 min雨強達到23.1 mm，強回波影響時間約為30 min，帶來77.7 mm/h的強降水，此為高質心降水。00：30后回波強度減弱到40～45 dBZ，回波頂高下降到8～10km，持續(xù)時間相對較長，超過60 min，最大小時雨強為23 mm/h。此外從時序圖也可以看出，有回波不斷經(jīng)過該地，維持5 h，產(chǎn)生了大暴雨天氣。

3.4 風廓線雷達特征

風廓線雷達的時間分辨率一般為6 min，空間高度分辨率一般為幾十米到100 m左右，這是其他探測手段很難達到的高時空分辨率。這種探測優(yōu)勢和資料特點對天氣發(fā)生發(fā)展機理的認識、精細化天氣預報質量的提高產(chǎn)生明顯效果[17-20]。風廓線雷達資料是除探空資料之外高空風資料最直接的來源，可以彌補高空探測網(wǎng)時空密度上的不足，是加強對災害性天氣監(jiān)測能力的重要手段。使用多部風廓線雷達形成組網(wǎng)資料，能夠反映降水發(fā)生前后的風場信息，揭示中小尺度天氣系統(tǒng)的結構特征。由于降水回波的移動方向主要是由平流和傳播影響，因此應用北京、天津地區(qū)風廓線雷達組網(wǎng)資料得到高時空分辨率的形勢場演變情況，來分析引導風對回波移動的影響。

風廓線組網(wǎng)資料來自中國氣象局下發(fā)產(chǎn)品，為逐6 min等高面數(shù)據(jù)，與多普勒雷達資料同步。本文使用等高面風廓線組網(wǎng)資料與同時刻反射率因子進行分析，說明環(huán)境風場對降水回波的作用（圖5表示5.5 km的風廓線組網(wǎng)資料與雷達反射率因子疊加情況）。8月8日14時天津地區(qū)700 hPa以上為西北氣流控制（圖5），低層925 hPa天津中部存在東南風與西南風的切變，上冷下暖的形勢增加了大氣不穩(wěn)定度，低層輻合產(chǎn)生上升運動，天氣形勢有利于在天津地區(qū)出現(xiàn)強對流天氣。此時北京地區(qū)生成的回波在西北氣流的引導下向東南方向移動，有利的動力、熱力條件使回波在移動過程中不斷加強，至23時回波影響天津時，對流單體已經(jīng)合并發(fā)展成為一條帶狀回波。23時后中高層西北氣流逐漸轉為西南氣流，850 hPa西南風增強。高空風的變化預示著未來回波受引導風作用，移動方向將發(fā)生改變；低層西南風加強，水汽輸送隨之增強。帶狀回波開始轉變?yōu)槲髂稀獤|北向移動，強回波在天津中北部穩(wěn)定少動，造成了中北部的強降水。00—02時中高層維持西南風，850 hPa天津中部形成人字形切變，低空輻合加強，此時不僅有西南氣流補充水汽，東南氣流也可以將海上的水汽帶到陸地。02時河北西南部新生的回波單體受西南風的引導，進入天津中南部地區(qū)向東北方向移動，不同來源的回波在天津中南部相遇，形成列車效應。受低層抬升和充足水汽的影響，小時雨強超過20 mm/h的降水維持較長時間。06時之后高、低空均轉為西北氣流，高空槽逐漸移出天津，降水結束。

對比兩個階段的降水，第一階段為上冷下暖的高低空配置，因此降水具有明顯的對流性特征，即降水強度大。而第二階段的降水出現(xiàn)在整層西南氣流中，有暖云降水的特性，降水平穩(wěn)且維持時間長。由于受不同方向引導氣流的影響，使得回波的移動方向不同，且回波的形態(tài)特征也有明顯差異。

3.5 地面場特征

此次天氣過程的降水分布并不均勻，比較大的降水出現(xiàn)在天津的中部、南部地區(qū)，利用降水前后加密自動站資料的分布特征說明差異原因及對降水的指示意義。

圖6為地面氣溫場及露點、溫度與風場分布情況。降水開始前，受暖氣團影響，8日天津地區(qū)溫度較高，最高氣溫達35～37℃，近地層存在西南氣流和東南氣流，氣流在天津中部交匯，而兩股氣流交匯處不僅可以產(chǎn)生輻合上升運動，并且把內陸和渤海上的水汽輸送至天津，并在中部地區(qū)輻合。16時后隨著水汽的積累露點溫度升高，而氣溫緩慢下降，溫度露點差以1℃/h的速率下降。由于東南氣流的加強，整個輻合區(qū)也逐漸向東北方向移動，濕度進一步增加，至9日02時天津中南部地區(qū)為顯著濕區(qū)（露點溫度＞25℃[21]，溫度露點差＜4℃）。由于地面中尺度輻合線附近存在明顯水汽輻合，導致回波進入天津后強度增強，中南部地區(qū)出現(xiàn)強降水。02時后露點溫度快速下降，降水回波開始減弱。06時地面轉為輻散場，露點溫度下降到20℃以下，降水結束。

圖4 8 月 9 日 00：12（a）、01 時（b）、02 時（c）、02：30（d）反射率因子及剖面圖（a、d）及 8 月 8 日 23：30—8月9日06時經(jīng)過北辰站反射率隨時間變化特征（e）、組合反射率（折線）、回波頂高（陰影）隨時間變化（f橫坐標時間為世界時，單位：dBZ）

圖7為降水發(fā)生后1 h變壓和1 h變溫與其后1 h降水的分布情況。8日23時—9日04時兩個階段降水過程中變溫及變壓梯度區(qū)均與降水有較好的對應。受降水蒸發(fā)作用的影響，配合中低層冷空氣滲透，地面出現(xiàn)5～7℃負變溫和2.0～2.5 hPa的正變壓，形成中尺度冷性高壓。高壓前側的冷性水平出流與東南氣流形成的輻合，即變壓及變溫梯度區(qū)，有利于降水系統(tǒng)發(fā)展加強。同時由于變壓梯度的存在，產(chǎn)生變壓梯度力，負變壓中心區(qū)產(chǎn)生變壓風輻合，進一步引發(fā)上升運動，也有利于在變壓前側產(chǎn)生強降水，而強的變壓梯度也是產(chǎn)生地面大風的原因之一。前期天氣總結中也有類似結論，即天津地區(qū)強降水發(fā)生在東到東南風的地面輻合線與高露點的區(qū)域，地面小時變壓為2.0～2.5 hPa，變溫平均為4℃，最高為9℃。由此可見，降水過程中變壓、變溫等因素影響降水系統(tǒng)的發(fā)展、移動、增強，對判斷局地暴雨演變的環(huán)境條件有一定指示性。

圖5 8月8日14時（a）、23時（b）、9日02時（c）、07時（d）風廓線組網(wǎng)風場（單位：m/s）與雷達CAPPI（單位：dBZ）

4 結論與討論

利用常規(guī)觀測資料、加密自動站資料、衛(wèi)星云圖、雷達、風廓線組網(wǎng)資料對2017年8月8日夜間天津地區(qū)暴雨天氣進行分析，得到以下結論：

（1）此次影響天津地區(qū)的A、B兩個中尺度雨團具有顯著不同的特征。A雨團為帶狀回波產(chǎn)生，自西北向東南方向移動，質心高，組織性強，存在懸垂結構，雨強較大，達77.7 mm/h。B雨團回波自西南向東北方向移動，具有后向傳播的特征，存在列車效應，回波為低質心帶狀降水回波（40～45 dBZ），回波強度均勻，最大雨強僅為23 mm/h。

（2）降水過程中兩個云團先后影響天津，第一階段TBB更低，小時變率更大。TBB數(shù)值大小的迅速降低或梯度的增大，對強降水的出現(xiàn)有較好的指示意義。當MCS發(fā)展成熟時，強降水發(fā)生在中尺度對流云團TBB低值中心偏向溫度梯度最大的區(qū)域，當TBB值1 h下降31℃以上時，1 h后易產(chǎn)生50 mm/h以上的強降水。

（3）風廓線組網(wǎng)資料分析兩個階段降水的中尺度特征時顯示，第一階段為上冷下暖的高低空配置，而第二階段的降水出現(xiàn)在整層西南氣流中。高空引導風的不同，導致回波的移動和回波形態(tài)特征的顯著差異。

圖6 8月 8日 16時（a）和 23時氣溫（b，單位：℃）及地面風場（c、d，流線，單位：m/s）、露點（c、d，陰影，單位：℃）分布

圖7 8月 8日 23時小時變壓（a，單位：Pa）、變溫（b，單位：℃）與其后 1 h降水（單位：mm）疊加

本文的分析方法尚有一定的局限性，暴雨天氣的形成是一個復雜的物理過程，受天氣系統(tǒng)和環(huán)境大氣的溫、壓、風、濕等基本要素的影響。而當強降水發(fā)生時，又會劇烈地改變周邊大氣基本要素的水平梯度和垂直梯度，形成與環(huán)境大氣的相互作用，進而影響強降水系統(tǒng)的生消、維持或移動。本文僅用一個個例進行分析，結合前期的工作得到一些有意義的結論，未來如何讓高時空分辨率的探測資料在預報預警工作中發(fā)揮更大的作用，需做進一步研究。