何麗華 王詠青 隆璘雪 閆雪瑾 耿飛 陳碧瑩 張迎新

摘要 2017年7月21日上午，石家莊地區(qū)出現(xiàn)了一次局地暴雨過程，強降水主要集中在石家莊市區(qū)及其東部、北部，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和主觀預(yù)報均漏報了此次暴雨過程。本文利用地面加密自動站、多普勒雷達(dá)觀測資料、雷達(dá)風(fēng)廓線、多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)（VDRAS）以及NCEP再分析資料，分析了造成本次局地暴雨的中尺度對流系統(tǒng)（Mesoseale Convective Systems，MCSs）的觸發(fā)機制，討論了該系統(tǒng)的傳播方向和影響整體運動的主要因子。結(jié)果表明：1）本次強降水發(fā)生前受“副高”588 dagpm線控制，降水區(qū)高溫、高濕，為降水的發(fā)生積聚了大量不穩(wěn)定能量。由于太行山在石家莊附近由東北-西南走向轉(zhuǎn)為西北-東南走向，東北氣流在此處逆轉(zhuǎn)為西西北氣流，從而在山前形成東北風(fēng)和西西北風(fēng)的輻合線;河北東北部秦皇島、唐山地區(qū)因強降水形成較強的雷暴高壓、冷池，雷暴高壓產(chǎn)生的氣壓梯度力影響東北風(fēng)逐漸加強，加強的東北風(fēng)氣流引導(dǎo)冷池呈舌狀逐漸西南方向移動到石家莊北部地區(qū)，在前述輻合線附近形成低層輻合、中層輻散的不穩(wěn)定層結(jié)，與西部太行山迎風(fēng)坡對東北氣流的強迫抬升共同作用，觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放。2）本次過程前期雷暴在發(fā)展加強過程中，MCSs降水形成的雷暴冷出流東北方向移動，移速緩慢，在與環(huán)境東北氣流輻合的區(qū)域，不斷有新的雷暴觸發(fā)，使得雷暴向東北方向傳播，此階段風(fēng)暴承載層平均風(fēng)（即MCSs的平移方向）風(fēng)速較小，MCSs的移動平流不明顯，以“后向傳播”為主，系統(tǒng)穩(wěn)定少動，表現(xiàn)為“準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)”;隨著風(fēng)暴承載層平均風(fēng)風(fēng)速的增加，MCSs的移動方向可以通過Corfidi矢量法，由低空急流的反向矢量和1.5 km以上（850～300 hPa）的平均風(fēng)速矢量合成得到，且此階段MCSs自身冷池的移動方向與風(fēng)暴承載層平均風(fēng)（西北風(fēng)）密切相關(guān)，對應(yīng)的雷暴冷出流東南方向移動，使得西北偏冷風(fēng)冷池出流與環(huán)境東南偏暖風(fēng)形成輻合，在MCSs前部不斷有雷暴單體新生，傳播方向與平流方向一致，系統(tǒng)“快速”東南方向移動。

關(guān)鍵詞 暖區(qū)暴雨;MCSs;冷池;地形;平流與傳播

中尺度對流系統(tǒng)（Mesoseale Convective Systems，MCSs）是一組有組織的雷暴，在至少一個方向上產(chǎn)生一個100 km或更遠(yuǎn)的連續(xù)降水區(qū)。該系統(tǒng)以塔狀對流云降水開始，發(fā)展為對流云-層狀云耦合垂直環(huán)流增長，最終以層狀云降水結(jié)束，其持續(xù)時間一般可達(dá)幾個小時，組織性較強的甚至可持續(xù)十幾個小時。Houze（2014）用云圖特征將MCSs描述為包含對流核的云結(jié)構(gòu)，它沿某一方向伸展大約100 km，形成一普遍降水區(qū)域。Schumacher et al.（2005）用雷達(dá)反射率因子定義MCSs，即對流系統(tǒng)的反射率因子大于等于40 dBz區(qū)域，其范圍大于100 km，持續(xù)時間為3～24 h。所有MCSs都可能導(dǎo)致暴雨（何立富等，2007，張艷霞等，2015;丁治英等，2017;苗春生等，2017;趙宇等，2018;王雪等，2019），有組織的MCSs還可能導(dǎo)致惡劣天氣，包括破壞性地面大風(fēng)（王福俠等，2016;于波等，2017;侯淑梅等，2020）、冰雹（王麗榮等，2019;王易等，2019）和偶爾的龍卷風(fēng)（Meng et al.，2012;王秀明等，2015）。此外，它們也是湍流的來源，對航空飛行造成危害（Lane et al.，2012）。MCSs是強對流天氣的直接制造者（王曉芳和崔春光，2011;俞小鼎等，2012;趙珊珊等，2017）。

MCSs一般可分為以下幾類：非颮線對流簇、中尺度對流復(fù)合體、颮線或颮線簇、弓形回波。Jirak et al.（2003）使用衛(wèi)星資料，根據(jù)尺度大小和組織形狀將MCSs分為四類，即中尺度對流復(fù)合體（Mesoscale Convective Complex，MCC），持續(xù)拉長狀的對流系統(tǒng)（PECS），β中尺度對流復(fù)合體（Meso-βscale MCC，MβCC）和β中尺度持續(xù)拉長狀對流系統(tǒng)（Meso-βscale PECS，MβECS）。Parker et al.（2000）應(yīng)用雷達(dá)資料，根據(jù)層狀區(qū)相對于對流區(qū)的位置，將美國中部線狀中尺度對流系統(tǒng)（MCSs）分為三類：尾部層狀云（Trainling stratiform）、先導(dǎo)層狀云（Leading stratiform）、平行層狀云（Parallel stratiform），并給出了這3類MCSs的統(tǒng)計特征。

多年來，國內(nèi)外氣象學(xué)者對MCSs的組織結(jié)構(gòu)以及MCSs與大尺度環(huán)流的相互作用，從以下幾個方面進(jìn)行了研究：1）MCS中上升及下沉氣流結(jié)構(gòu)及概念模型（Zipser，1977;Houze et al.，1989;Moncrieff and Klinker，1997;Bryan and Fritsch，2000）。2）MCSs中層的中尺度對流渦旋（MCV）形成機制（Zhang，1992;Chen and Frank，1993;Skamarock et al.，1994）。3）MCSs的組織、移動及傳播模式（Rotunno et al.，1988;Fritsch et al.，1994;Corfidi et al.，1996;Doswell et al.，1996;Fritsch and Forbes，2001;Carbone et al.，2002）。4）MCSs的生命史及尺度的影響因子（Williams and Houze，1987;Chen et al.，1996;Webster et al.，2002）。5）MCSs通過動量和熱量交換對大尺度環(huán)境的反饋（LeMone，1983;Yuter and Houze，1998）。6）MCSs的全球分布和影響（Nesbitt et al.，2000;Schumacher and Houze，2003）。上述綜合研究表明：所有的MCSs最初都是通過環(huán)境風(fēng)切變來組織的，風(fēng)切變不僅決定了它們的組織模式，而且決定了中尺度上升氣流和下沉氣流的傾斜程度。最初，MCSs是對流塔，隨后會形成冷池，一旦冷池形成，他們沿著自己的冷池進(jìn)行組織，此時環(huán)境渦度和冷池渦度平衡;在成熟階段，MCSs主要是層狀降水，但仍然包含對流降水，特別是在其前緣;當(dāng)冷池遠(yuǎn)離對流塔時，低層入流和冷池出流的輻合終止，于是MCSs將減弱消亡，在這個階段，隨著對流塔的消亡，降水主要是層狀云。在長生命史、大型MCSs中，層狀云區(qū)域的潛熱釋放和輻合會導(dǎo)致中尺度對流渦旋（MCV）的形成，新的對流在會在MCV內(nèi)觸發(fā)。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對中尺度對流系統(tǒng)（MCSs）的分布、結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展移動特征及機制有了諸多認(rèn)識，但目前MCSs仍然不能被大尺度模式明確描述，中尺度模式雖然具備了描述MCSs的能力，但預(yù)報效果并不理想（Davis and Weisman，1994）。總體而言，不論大尺度模式還是中尺度模式，對MCSs的預(yù)報能力非常有限，特別是對弱天氣強迫下的強對流及暖區(qū)對流，幾乎沒有預(yù)報能力，對這類強天氣的預(yù)報，預(yù)報員面臨巨大的挑戰(zhàn)。2017年7月21日上午，河北石家莊地區(qū)出現(xiàn)了一次局地暴雨過程，強降水主要集中在石家莊市區(qū)及其東部、北部，是一次典型的β中尺度雨帶中的γ中尺度對流系統(tǒng)引發(fā)的大暴雨，造成了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇和交通擁堵。本次局地暴雨過程發(fā)生在副熱帶高壓內(nèi)，是弱天氣強迫下的暖區(qū)暴雨，此前的數(shù)值預(yù)報、主觀預(yù)報均漏報了此次暴雨過程。雷達(dá)分析表明，初始回波在石家莊西部的太行山山前突然產(chǎn)生，在原地快速發(fā)展增強并維持，2 h以后又迅速東移減弱消散，預(yù)報難度較大。那么本次MCSs的抬升觸發(fā)機制是什么？發(fā)生發(fā)展移動的原因又是什么？本文將通過多普勒雷達(dá)、高空和地面加密自動站、風(fēng)廓線雷達(dá)等高分辨率資料，利用變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)（VDRAS），深入剖析本次MCSs，重點討論與冷池、地形有關(guān)的影響新單體生成的原因，以及最終影響系統(tǒng)整體運動的因子，從而提升短期潛勢預(yù)報及短臨預(yù)警的能力。

1 資料與分析方法

使用的資料包括：2017年7月21日常規(guī)高空觀測和位于石家莊南側(cè)98 km的邢臺探空資料;每5 min一次的自動站加密多要素資料;位于石家莊市北側(cè)43 km的新樂S波段多普勒雷達(dá)平均約6 min一次的體掃資料;石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)資料;多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)（VDRAS）資料;以及1°×1°NCEP再分析格點資料。

首先通過對加密自動站雨量分析，了解和揭示了β中尺度雨團中的γ中尺度雨團的活動特點;其次利用常規(guī)天氣圖及1°×1° NCEP再分析格點資料分析了本次MCSs發(fā)生發(fā)展的天氣尺度環(huán)流背景;通過對加密自動站多要素資料及高時空分辨率的多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)（VDRAS）資料分析了本次暖區(qū)暴雨的觸發(fā)抬升機制，最后利用對加密自動站多要素資料、雷達(dá)反射率因子及風(fēng)廓線雷達(dá)資料的分析，揭示了最終影響系統(tǒng)整體運動的關(guān)鍵因子。

其中，多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)（Four Dimensional Variational Doppler Radar Analysis System，VDRAS），采用了四維變分資料同化技術(shù)、云尺度數(shù)值模式及其伴隨模式，利用單部或多部多普勒雷達(dá)觀測資料，反演對流尺度風(fēng)暴的動力結(jié)構(gòu)和微物理結(jié)構(gòu)，包括三維風(fēng)場、溫度場、濕度場等（耿建軍等，2012;孫繼松等，2013;陳明軒等，2016）。

2 過程概述

2017年7月21日08—14時（北京時，下同），河北石家莊地區(qū)出現(xiàn)了一次區(qū)域性暴雨過程，有59個站次（含區(qū)域站，下同）降水超過50 mm，其中8個站次降水量超過100 mm，最大降水量石家莊藁城縣張家莊站，為163 mm，其雨強達(dá)82.8 mm/h。本次局地暴雨過程從云圖上分析是一次典型的MCSs過程，其主要特點是：1）持續(xù)時間短，雨強大。強降水維持4 h，最大降水中心強降水時段主要集中在11—12時，1 h最大降水量達(dá)88.5 mm，之后1 h降水量也超過60 mm;2）降水落區(qū)相對集中，中尺度特征明顯（圖1a）。

短時強降水主要集中在石家莊市區(qū)及其東部、北部區(qū)域，大暴雨主要集中在兩個中心，一個中心位于石家莊北部不足5 km范圍內(nèi)，另一個中心位于石家莊東北部地區(qū)，降水范圍不足400 km2，由降水最強站逐5 min雨量演變（圖1b）可見，5 min雨強呈多個峰值特征，有四個雨鋒在5 mm/（5 min）以上，其中主峰雨強10.8 mm/（5 min），出現(xiàn)時間為11：35，是一次典型的β中尺度雨團中的γ中尺度對流系統(tǒng)引發(fā)的大暴雨過程。

3 環(huán)境場特征分析

本次強降水發(fā)生在西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）588 dagpm副高線控制區(qū)。2017年7月20日20時500 hPa高空（圖2a）上，588 dagpm線位于38°N附近，并不斷北抬，高空槽位于我國東北地區(qū)到蒙古國東部一線，且不斷東移。

河北省東北部（秦皇島附近）地區(qū)此時處于高空槽底部，副高外圍588 dagpm與584 dagpm之間較平直的偏西氣流中，在對流層低層850 hPa圖（圖2b）上，與500 hPa高空槽相配合的冷切變線位于吉林-遼寧-河北北部一線，河北省東北部（秦皇島附近）地區(qū)位于切變線前部的西南急流區(qū)。受該高空槽底部弱冷空氣及副高外圍暖濕氣流的共同影響，河北省東北部（秦皇島附近）地區(qū)在21日凌晨03—05時出現(xiàn)強降水（圖4a）。7月21日08時，500 hPa高度場（圖2c）上，588 dagpm線已北抬至40°N附近，其北側(cè)以偏西風(fēng)為主，且風(fēng)速較大，為16～18 m/s，不利于冷空氣南下，河北中南部大部分地區(qū)都處于副熱帶高壓控制，石家莊地區(qū)位于588 dagpm線以南的區(qū)域。地面圖（圖2d）上，21日08時氣壓場呈北高南低的形勢，高壓中心位于蒙古國東部地區(qū)，40°N附近（北京-天津北部一線）有一弱的冷鋒，鋒面南側(cè)為東北風(fēng)，河北省中南部地區(qū)氣溫較高，在28 ℃以上，石家莊地區(qū)附近的露點溫度均在26 ℃及以上，說明石家莊地區(qū)的溫濕條件非常有利于短時強降水等對流性天氣發(fā)生。

21日08時邢臺（站號：53789，位置如圖4a所示）探空資料顯示（圖3），濕層深厚（600 hPa以下），尤其是近地層872 hPa以下T-Td≤2 ℃，基本處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，對流凝結(jié)高度CCL較低，位于924 hPa，有利于短時強降水發(fā)生，886～850 hPa之間存在2 ℃的淺薄逆溫層，有利于低層能量的積聚，K指數(shù)達(dá)到43 ℃，沙氏指數(shù)達(dá)-2.99 ℃，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定。濕對流有效位能CAPE值高達(dá)1 715.7 J·kg-1，盡管有對流抑制能量存在，但相對較小，僅為121.7 J·kg-1。0 ℃層高度高于460 hPa等壓面，達(dá)5 910 m，高度較高，說明暖云層厚度較厚，易出現(xiàn)熱帶型降水，降水效率較高。

由物理量場分析（圖略）表明，石家莊地區(qū)局地暴雨發(fā)生前，整層大氣可降水量在70～78 mm，850 hPa比濕達(dá)到17 g/kg及以上，局地水汽十分充沛;850 hPa假相當(dāng)位溫高達(dá)361 K，暖濕氣團強盛。

總之，河北中南部在副高控制下，具備了較好的水汽條件、熱力條件和對流不穩(wěn)定條件。一旦有了抬升機制，便可觸發(fā)對流，釋放不穩(wěn)定能量。

4 遠(yuǎn)距離冷池、地形與對流的觸發(fā)

4.1 遠(yuǎn)距離冷池出流

冷池是雷暴系統(tǒng)內(nèi)因降水粒子在下降過程中由于融化、蒸發(fā)等過程導(dǎo)致氣塊降溫，下降氣塊在近地層堆積而形成冷空氣堆。2017年7月21日02—05時，在河北省東北部的唐山、秦皇島地區(qū)出現(xiàn)短時強降水（圖4a），區(qū)域站最大降水量出現(xiàn)在秦皇島北戴河區(qū)的海濱站，150.6 mm。受強降水影響，秦皇島和唐山地區(qū)地面氣溫明顯下降，由21日05時地面自動站3 h變溫（圖4b）顯示，該冷池中心最大降溫強度達(dá)-7.9 ℃，形成雷暴冷池，溫度的快速下降導(dǎo)致當(dāng)?shù)貧鈮嚎焖偕撸?1日05時地面自動站3 h變壓場最大的氣壓增值為4.9 hPa。

此時地面氣壓場為北高南低的形勢（圖2d），秦皇島、唐山地區(qū)位于為高壓底部，為東北風(fēng)，形成東北風(fēng)冷池出流，中心最大風(fēng)速達(dá)20 m/s，冷池高壓邊界處的風(fēng)速也達(dá)12～18 m/s（圖4b）。在雷暴高壓產(chǎn)生的氣壓梯度力影響下，東北風(fēng)冷池出流逐漸西南方向移動。冷空氣運動在很大程度上是由動量傳遞決定的。由圖4c—e分析可知，在東北風(fēng)冷池出流引導(dǎo)下，河北省東北部（秦皇島、唐山）地區(qū)的雷暴冷池向西南方向逐漸被拉伸，負(fù)變溫場的移動與地面加密自動站觀測到的東北風(fēng)大風(fēng)速區(qū)相配合。當(dāng)冷池邊界（變溫0 ℃線）被拉長時，其某些部分必然會垂直于東北風(fēng)，而其他部分則會平行于東北風(fēng)（Corfidi，2003）。垂直于東北風(fēng)的邊界部分隨著時間的推移而向東北風(fēng)下游（西南方向）推進(jìn)。

冷中心的外圍，是一個溫度的不連續(xù)邊界，具有低層輻合和上升的特點（Purdom，1973;Charba，1974;Craig，1976）。因此，冷池的外圍邊界通常新對流單體容易生成。當(dāng)08時前后冷池前緣邊界向西南（東北風(fēng)下風(fēng)）方向移動到石家莊北部地區(qū)，受太行山地形阻擋，負(fù)變溫區(qū)域前沿西南方向移速減緩（4e—f），冷暖邊界（變溫0 ℃線為邊界）有一個較長時間維持的過程，從而觸發(fā)了本次強對流的發(fā)展。

4.2 地形強迫

河北省地形復(fù)雜，北部為燕山山脈，西側(cè)為太行山山脈。石家莊地區(qū)地勢大體是西高東低，地形復(fù)雜，其西側(cè)太行山脈由東北-西南走向轉(zhuǎn)為西北-東南走向，為向東開口的“人”字形地形結(jié)構(gòu)。21日05—09時（圖4b—f）地面自動站東北風(fēng)氣流沿太行山東麓，受太行山“人”字形地形結(jié)構(gòu)強迫，東北氣流在石家莊地區(qū)沿山脈走向逆轉(zhuǎn)為西西北氣流，從而在山前形成東北風(fēng)和西西北風(fēng)的輻合線（圖4d—f），為觸發(fā)本次MCSs生成發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。且該輻合線長時間維持，降水回波不斷在輻合線附近生成加強。

由圖4地形與風(fēng)場配置可知，在本次MCSs觸發(fā)過程中，石家莊西南側(cè)西北東南走向的太行山地形，與東北風(fēng)氣流基本成正交，此處太行山高約800 m，近地層的東北風(fēng)氣流受太行山體迎風(fēng)坡強迫抬升作用，加劇了大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性。利用高時空分辨率的多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)（VDRAS）資料反演的風(fēng)場垂直分布（圖略）可以看出，東北風(fēng)氣流在08：42開始在太行山地形迎風(fēng)坡山前傾斜抬升，隨著東北風(fēng)的逐漸加強，09：18左右在1 000～3 500 m高處，氣流基本處于垂直上升狀態(tài)。

為了更清楚地研究分析本次MCSs的觸發(fā)機制，本文使用高時空分辨率的多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)（VDRAS）資料對其進(jìn)行分析。降水發(fā)生前（圖5a），利用VDRAS資料反演的187.5 m高度擾動溫度場與散度場表明，21日08：12，負(fù)擾動溫度的前緣，以及地面自動站風(fēng)場輻合線（紅色雙線）相配合，中心散度為-10×10-5 s-1（圖5a），沿114.3E垂直剖面圖（圖5c）可以很明顯地看出，該輻合區(qū)只位于1 000 m以下很低的層次，其最大值僅僅出現(xiàn)在500 m以下的近地面層，該輻合區(qū)的產(chǎn)生與地面自動站風(fēng)場輻合線以及冷中心前緣的溫度不連續(xù)面的存在有關(guān)。與該中心配合的2 062.5 m高度上為7×10-5 s-1（圖5c）的輻散中心，從而形成近地層輻合，中層輻散的有利于對流發(fā)展的動力場（圖5c紅框內(nèi)），與低層輻合、中層輻散相配合的，上升速度區(qū)發(fā)展高度達(dá)4 500 m，中心位于1 500 m，中心最大值10×10-2 m/s（圖5c），地面輻合線附近8：12雷達(dá)回波圖上能分析出27.5 dBZ的很弱的分散的對流單體生成。隨著地面自動站風(fēng)場輻合線的維持，以及隨東北風(fēng)西南下的冷中心前緣的穩(wěn)定少動，低層輻合中層輻散的有利形勢一直存在且逐漸加強，中γ尺度對流初生回波在地面輻合線偏冷一側(cè)，呈多個不規(guī)則的片絮狀回波，沿輻合線西北東南方向帶狀排列（圖5b），09時（圖5d紅框內(nèi)）輻合中心雖然仍只是存在于1 000 m以下，但中心值增強為-14×10-5 s-1，與該動力抬升區(qū)域配合的最大上升中心速度也增加至18×10-2 m/s，此時多普勒雷達(dá)回波可以看到很明顯的對流單體逐漸發(fā)展加強，其回波強度中心已加強為52.5 dBZ。

綜合以上分析得知，河北東北部秦皇島、唐山地區(qū)因強降水形成較強的雷暴高壓、冷池，雷暴高壓產(chǎn)生的氣壓梯度力影響東北風(fēng)逐漸加強，加強的東北風(fēng)氣流引導(dǎo)冷池呈舌狀逐漸西南方向移動到石家莊北部地區(qū)。太行山東麓的東北風(fēng)氣流受太行山地形強迫發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成東北風(fēng)與西西北風(fēng)的輻合，并長時間維持。東北風(fēng)氣流在地面風(fēng)場輻合及冷池前緣溫度不連續(xù)面附近形成近地面的輻合，并受太行山地形迎風(fēng)坡強迫抬升作用影響形成上升氣流，觸發(fā)了本次雷暴的發(fā)生。

5 MCSs移動特征

Moore et al.（1993）研究表明MCSs在何處發(fā)生前向傳播、后向傳播和準(zhǔn)平穩(wěn)情況，除與850～300 hPa平均風(fēng)有關(guān)以外，還與最大對流有效勢能、鋒面邊界、850 hPa等效位溫脊線、300 hPa高空急流和南側(cè)LLJ等天氣條件有關(guān)。Liang et al.（2019）認(rèn)為低層垂直風(fēng)切變的增強，是造成華南地區(qū)MCSs突然轉(zhuǎn)向運動的關(guān)鍵因素。2017年7月21日08—14時石家莊多普雷雷達(dá)回波圖上MCSs發(fā)展、移動的特征發(fā)現(xiàn)，08：00—10：42這一時間段是本次過程MCSs初生和發(fā)展加強的階段，在該階段雷達(dá)回波處于“準(zhǔn)靜止”狀態(tài)，故把該階段定義為本次過程的第一階段準(zhǔn)靜止階段。10：42—14：00雷暴發(fā)展成熟，快速東移過程中逐漸減弱消亡，故把該階段定義為第二階段快速東移階段。

本次過程中，導(dǎo)致不同階段MCSs運動特征的關(guān)鍵因素有哪些？非常值得深入研究。Corfidi et al.（1996），利用低空急流來估計風(fēng)暴傳播的方向和速度，以預(yù)測MCSs中尺度核心或“質(zhì)心”的短期（3～6 h）運動。預(yù)報質(zhì)心運動：1）一個矢量，它代表平均云層風(fēng)（“云層”為850～300 hPa層）;2）單體平流，一個矢量代表風(fēng)暴傳播，即新的單體發(fā)展，大小相等，但與低層急流相反。在實踐中，850 hPa風(fēng)被用來近似低空急流。按照Bonner（1968）的規(guī)定，在垂直方向沒有明顯的低空風(fēng)速最大值的情況下，通常使用最低1.5 km的最強風(fēng)。上述方法適用于任何類型的環(huán)境風(fēng)場，只需了解850 hPa和平均云層風(fēng)。

下面將具體分析本次過程中MCSs的移動，并應(yīng)用上述方法預(yù)測MCSs整體運動，以期分析結(jié)果能對預(yù)報員在實際業(yè)務(wù)中對MCSs運動的外推有所幫助。

5.1 準(zhǔn)靜止階段

1.5°仰角雷達(dá)回波反射率因子顯示：在對流系統(tǒng)的初生階段（08：30，圖5b），多個片絮狀γ中尺度對流單體回波沿地面輻合線西北東南向帶狀分布，9：00—10：42中γ尺度回波單體在原地（地面輻合線附近）發(fā)展加強，并伴有單體合并及新生。中尺度對流系統(tǒng)回波主體位于地面輻合線附近，最強回波中心達(dá)57.5 dBZ，從回波垂直結(jié)構(gòu)來看（圖略），強回波質(zhì)心（反射率因子≥45 dBZ）分布在5 km以及下，低于0 ℃層高度（5 910 m）的暖層云，說明大的反射率因子主要由液態(tài)雨滴產(chǎn)生，降水效率較高，09：10—10：00降水區(qū)10 min雨強一直保持在≥17.2 mm的高效率降水（非同一個站點），其中09：20—09：30自動站10 min雨強高達(dá)21.1 mm，從這2 h的小時雨強來看，10：00和11：00兩個時次的最大小時雨強分別為91.3 mm·h-1和73.7 mm·h-1，由此分析可知，在本次過程初期，對流發(fā)展旺盛，其十分鐘雨強和小時雨強都非常大。伴隨著強降水的持續(xù)，其雷暴冷池周圍的外泄氣流與環(huán)境場的不連續(xù)線即冷出流邊界（張家國等，2015）越發(fā)明顯。Corfidi（2003）指出，在相對于MCSs出流邊界的環(huán)境低層流入最大的地方，最容易產(chǎn)生新的對流單體。這是因為相對流入較強的地區(qū)也將是輻合的最大區(qū)域。由地面自動站風(fēng)場分析可知，東北風(fēng)由6 m/s（圖6a）增加至8 m/s（圖6b）。在此期間，當(dāng)MCSs受西側(cè)太行山地形阻擋而形成西北偏西的冷池出流與其東北側(cè)逐漸加強的東北風(fēng)入流形成輻合區(qū)，并與第5節(jié)中分析的地面輻合線疊加且較長時間維持（圖7b），多普勒雷達(dá)回波反射率因子圖上表現(xiàn)為：MCSs東北側(cè)不斷有新單體生成和發(fā)展（圖6b），MCSs向東北方向逆風(fēng)傳播。分析石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)資料（圖8）可知，在08：00—10：42期間，石家莊站上空1.5～5 km高度的偏西徑向風(fēng)風(fēng)速很小，更直觀地說明雷暴移動的引導(dǎo)氣流相對較弱。與之相適應(yīng)，雷暴主體沿引導(dǎo)氣流方向移動緩慢（圖6a、b），說明MCSs在這一階段的移動平流運動不明顯，其移動特征以傳播為主，系統(tǒng)處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。

5.2 快速東移階段

Corfidi（2003）認(rèn)為，中尺度對流系統(tǒng)的傳播受對流有效位能、對流抑制能量、雷暴出流邊界等多因素影響。一般而言，冷池的移動方向與風(fēng)暴承載層平均風(fēng)即MCSs的平移方向有關(guān)。石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)資料（圖8）顯示，1.5 km以上風(fēng)暴承載層偏西徑向風(fēng)風(fēng)速增加明顯，這從一個側(cè)面說明此時間段內(nèi)風(fēng)暴引導(dǎo)氣流明顯增強。

從多普勒雷達(dá)反射率因子11—12時的逐6 min回波演變分析可知，圖6b中在“準(zhǔn)靜止階段”長時間“穩(wěn)定少動”的強降水對流回波在原地逐漸減弱消亡，在其東南側(cè)有新的中尺度對流單體生成并發(fā)展加強，11時雷達(dá)強回波東南向移速加快，并表現(xiàn)為呈東北西南向帶狀分布（圖6c），此時10 min最大雨強為22.8 mm（10：50—11：00，圖略），降水強度仍維持在一個相當(dāng)高的水平。與之相對應(yīng)，此時強降水產(chǎn)生冷池西北風(fēng)外泄氣流逐漸增強，在11時地面最大風(fēng)速增加到6～8 m/s，且地面溫度梯度明顯增加（圖7c）。受其影響，強回波中心向東南方向移速明顯加快。12：24（圖略）開始，帶狀回波北段逐漸減弱，其南段（圖6e）受冷池西北風(fēng)出流影響，向東南方向被逐漸“拉長”，呈西北東南向拉伸的片絮狀回波。在冷池出流邊界，溫度梯度大值區(qū)，依然不斷有對流回波的發(fā)生、發(fā)展，且對流發(fā)展旺盛，回波頂高達(dá)14～18 km高度，回波質(zhì)心仍位于較低高度，反射率因子≥45 dBZ均分布在6 km及以下，維持典型的短時強降水回波特征，13時地面自動站小時最大雨強達(dá)72.9 mm。

上述分析可知，10：42—13：00時間段，MCSs東南方向移動明顯。隨著中尺度對流系統(tǒng)的維持發(fā)展，在地面自動站風(fēng)場、溫度場上（圖7c、d），中尺度對流系統(tǒng)擾動引起的動力、熱力中尺度特征—雷暴出流邊界、顯著降溫區(qū)演變過程十分明顯。該階段地面雷暴冷池形成西北風(fēng)冷池出流，西北風(fēng)偏冷風(fēng)冷池出流與環(huán)境東南偏暖風(fēng)形成輻合，造成該階段在石家莊東南部不斷有對流新生。隨著冷池前緣被西北風(fēng)向東南方向呈舌狀逐漸拉伸，MCSs不斷在垂直于地面自動站西北風(fēng)的冷池前緣部分新生，從而使得MCSs不斷“向前（東南方向）”快速傳播。隨著承載層西北風(fēng)速的增加以及地面西北風(fēng)冷池出流最大風(fēng)速由4～6 m/s增加至10～12 m/s，MCSs冷池前緣向東南方向移速加快（圖6e），從而影響石家莊地區(qū)的降水回波迅速東南移動，在14時雷暴移出石家莊地區(qū)，本次降水過程結(jié)束。

由以上分析可知，在本階段MCSs移動方向與風(fēng)暴承載層平均風(fēng)方向一致，對應(yīng)的雷暴出流邊界轉(zhuǎn)向東南方向移動，MCSs在冷池出流邊界不斷的新生傳播。且本階段MCSs的移動為平流與傳播同方向（東南方向）疊加，這也是本階段系統(tǒng)東移速度加快的原因之一。

6 結(jié)論與討論

利用多普勒雷達(dá)觀測資料、地面加密自動站、雷達(dá)風(fēng)廓線、多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)（VDRAS），對石家莊地區(qū)2017年7月21日一次局地強降水過程進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）本次強降水發(fā)生在“副高”588 dagpm副高線控制區(qū)，降水區(qū)具備了較好的水汽條件、熱力條件和對流不穩(wěn)定條件。

2）降水前期，河北東北部秦皇島、唐山地區(qū)因強降水形成較強的雷暴高壓、冷池。雷暴高壓產(chǎn)生的氣壓梯度力影響東北風(fēng)逐漸加強，加強的東北風(fēng)氣流引導(dǎo)冷池呈舌狀逐漸西南方向移動到石家莊北部地區(qū)。太行山東麓的東北風(fēng)氣流受太行山地形的強迫發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成東北風(fēng)與西北風(fēng)的輻合線。當(dāng)邊界層風(fēng)場輻合與地面冷池前緣溫度不連續(xù)面相疊加，形成低層輻合，中層輻散的不穩(wěn)定垂直結(jié)構(gòu)，與太行山地形迎風(fēng)坡對東北氣流的強迫抬升作用想配合，觸發(fā)了對流不穩(wěn)定能量的釋放。

3）在MCSs生成和發(fā)展加強過程中，向東北方向“后向傳播”，其平流運動不明顯，系統(tǒng)穩(wěn)定少動，表現(xiàn)為“準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)”。本階段MCSs的運動與雷暴冷池出流邊界和東北風(fēng)最大入流之間形成較強邊界層中尺度輻合密切相關(guān)，新生單體不斷在此中尺度輻合區(qū)生成和發(fā)展，雷暴運動在本階段以傳播為主，移速緩慢。

4）“快速東移階段”，冷池的移動方向與風(fēng)暴承載層平均風(fēng)即MCSs的平移方向密切相關(guān)。風(fēng)暴承載層平均風(fēng)為西北風(fēng)，MCSs東南方向平流運動明顯，對應(yīng)的雷暴出流邊界轉(zhuǎn)向東南方向移動，隨著地面冷池前緣被西北風(fēng)向東南方向逐漸的拉伸，MCSs不斷在垂直于地面自動站西北偏暖風(fēng)的冷池前緣部分新生，從而使得MCSs前向（東南方向）傳播。故本階段MCSs移動為平流與傳播同方向疊加，使得系統(tǒng)快速東移。

本研究僅僅從觀測角度詳細(xì)分析了華北地區(qū)2017年7月21日發(fā)生在副熱帶高壓內(nèi)，弱天氣強迫下的暖區(qū)局地暴雨觸發(fā)抬升機制，研究結(jié)果表明本次過程中近地層弱冷空氣的侵入、邊界層的中尺度輻合系統(tǒng)及太行山特殊地形為雷暴觸發(fā)的關(guān)鍵因素;雷暴被觸發(fā)后，其發(fā)展、傳播與自身冷池出流邊界活動規(guī)律密切相關(guān)。那么，在本次過程中雷暴冷池出流邊界的移動發(fā)生明顯變化的原因是什么？華北暖區(qū)暴雨的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展過程的三維動力、熱力結(jié)構(gòu)特征是什么？還需要在以后的工作中進(jìn)一步深入探究。

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On the morning of July 21，2017，a localized rainstorm event occurred in Shijiazhuang，with the heavy rain mainly concentrating in its urban area，eastern and northern parts，which was omitted by both numerical and subjective forecasts.In this paper，the triggering mechanisms of the mesoscale convective system（MCS） causing this rainstorm，the propagation direction of the system and the main factors affecting the overall movement were analyzed by using the intensified surface observation data，Doppler radar data，radar wind profile，the four-dimensional variational Doppler radar analysis system（VDRAS） and NCEP reanalysis data.The results show that：1）Before the heavy precipitation occurring，a large amount of unstable energy was accumulated because of the high temperature and high humidity in this area.The surface airflow was turned by Taihang Mountain in the vicinity of Shijiazhuang，forming the shear line of northeast wind and west-northwest wind in front of the mountain.The strong thunderstorm high and cold pool was formed by the heavy precipitation in Qinhuangdao and Tangshan areas.The pressure gradient force generated by the thunderstorm high strengthened the northeast wind，which guiding the cold pool to gradually move southwest in a tongue shape to the north of Shijiazhuang area.In the vicinity of the aforementioned shear line，an unstable stratification of low-level convergence and middle-level divergence was formed，which was combined with the topographic forced uplift of the windward slope triggering the unstable energy release.2）During the development and strengthening of thunderstorm，the cold outflow formed by the precipitation of MCS moved slowly in the northeast direction.In the area where the northeast airflow was converged，new thunderstorms were constantly triggered，which made thunderstorms spread northeast.At this stage，the average wind speed of the storm bearing layer（ie，the translation direction of the MCS） was small，the system was stable and less moving，mainly in the form of “backward propagation”，which was shown as “quasi-static state”.With the increase of the average wind speed in the storm bearing layer，the moving direction of the MCS could be synthesized from the reverse vector of the low-level jet and the average wind vector above 1.5 Km（between 850 and 300 hPa layers）.At this stage，the moving direction of the cold pool was closely related to the average wind in the storm bearing layer，causing the thunderstorm cold outflow moving southeast.The northwest cold outflow of the cold pool formed the convergence with the southeast warm environmental flow，leading to the constantly emerging thunderstorm cells in the front of the MCS.The propagation direction was consistent with the advection direction，and the system moved “fast” to the southeast.

warm-sector rainstorm;MCSs;cold pool;terrain;advection and propagation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20191104002

（責(zé)任編輯：袁東敏）