王佳津，張 琪，張 濤，龍柯吉，師 銳

(1.四川省氣象臺，四川 成都 610072；2.中國氣象局成都高原氣象研究所，高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；3. 四川省成都市氣象局，四川 成都 610071)

引 言

在有利的大尺度環(huán)流背景下，暴雨由中小尺度天氣系統(tǒng)活動直接造成[1-2]。對于中尺度系統(tǒng)而言風場擾動相對于氣壓場更加敏感[3]，且中尺度對流活動與低層切變系統(tǒng)的發(fā)展、演變相吻合[4]。因此，分析低層風場特征，有助于進一步了解暴雨的中尺度特征。低層風場可能是暴雨觸發(fā)的因子，也可能是暴雨維持、增強的原因。研究發(fā)現(xiàn)低空急流先于暴雨形成，低層風速脈動是觸發(fā)暴雨的重要因子[5]，低層偏南風氣流即使未達到低空急流標準，風速加大也可以觸發(fā)產(chǎn)生暴雨[6-7]，且低層偏南風的加強為降雨區(qū)提供大量的水汽和不穩(wěn)定能量，在暴雨區(qū)的擴大和暴雨強度的增強中有重要作用[8-10]。此外，邊界層的冷空氣對中尺度對流的發(fā)生發(fā)展有重要意義，是盆地暴雨發(fā)生發(fā)展的重要原因之一[4,11]。

常規(guī)氣象高空觀測資料時空分辨率較低，不足以分辨中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展及演變過程[12]，風廓線雷達站網(wǎng)能夠彌補常規(guī)探空站網(wǎng)分布密度的不足[13]。風廓線雷達探測資料種類多，時空分辨率高，可以揭示中小尺度系統(tǒng)的連續(xù)變化過程，是研究暴雨期間低空風場特征的有力工具[14]。國外，風廓線雷達在天氣預報中的應用研究較早，如應用風廓線雷達數(shù)據(jù)分析低空急流特征、冷鋒結(jié)構(gòu)、雷暴特征、天氣系統(tǒng)的連續(xù)變化等[15-20]。

風廓線雷達對風的垂直結(jié)構(gòu)探測表現(xiàn)出較強的能力[14]，可以直觀顯示暴雨過程中的中小尺度系統(tǒng)活動[21,22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，高低空急流的向下脈動與強降水的開始和增強有密切聯(lián)系[22,25-29]，且低空急流向下脈動和加強引起的降水加強比高空急流向下脈動更為重要[22]，低空急流指數(shù)與降水強度存在正比關系[21,29]。強降水開始前數(shù)小時地面風場存在輻合，降水臨近時輻合層向上發(fā)展有利于降水發(fā)展[25,30]。值得指出的是，在不同天氣背景、下墊面環(huán)境等影響下，低空急流及風切變與強降水的相互作用表現(xiàn)不同[28]。

成都位于四川盆地西部，龍門山脈東側(cè)，共布有7部風廓線雷達，其觀測數(shù)據(jù)為研究成都暴雨期間中尺度風場結(jié)構(gòu)與強降水的關系提供了有利的數(shù)據(jù)支撐。2018年7月南壓高壓位置穩(wěn)定且偏強[31]，成都暴雨頻發(fā)，共出現(xiàn)7次暴雨過程，其中以7月2日和11日兩次過程強度最大。本文利用成都風廓線雷達探測資料，分析2018年7月2日10:00(北京時，下同)—12:00、7月11日02:00—05:00在成都出現(xiàn)的兩次強降水過程期間低空風場特征，以期對進一步認識成都暴雨期間的中尺度特征提供幫助。

1 風廓線雷達主要性能和資料

成都風廓線雷達是由北京敏視達雷達有限公司生產(chǎn)的TWP3，是利用UHF多普勒雷達技術和RASS技術在引進、吸收洛克希德-馬丁公司為美國海洋大氣管理局提供的風廓線雷達專有技術的基礎上，融合現(xiàn)代成熟技術開發(fā)的無人值守、自動和連續(xù)測量邊界層風廓線和溫度廓線的新型氣象裝備。TWP3的基本技術性能為：(1)在1270～1295 MHz和1300～1375 MHz頻率范圍內(nèi)選擇工作頻點；(2)最低探測高度為100 m；(3)最高探測高度為3～5 km；(4)高度分辨率為60 m及其倍數(shù)；(5)掃描波束數(shù)為5(天頂、偏東16.3°、偏南16.3°、偏西16.3°、偏北16.3°)。

探測期間原始數(shù)據(jù)時間分辨率為6 min，最低探測高度100 m，最大探測高度4000 m，高度分辨率為60 m。資料為風廓線雷達輸出的60 min平均產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2 天氣形勢

2018年7月2日和11日成都連續(xù)出現(xiàn)了兩次暴雨過程，暴雨中心皆為彭州站，強降水時段分別在白天和夜間，日降水量分別為144.3 mm和253.4 mm，最大1 h降水量為50.4 mm(2日10:00—11:00)和52.7 mm(11日03:00—04:00)。2日08:00 500 hPa高原槽位于甘肅南部至四川甘孜州北部，槽后伴有較強冷平流，后續(xù)逐漸發(fā)展加強成高原渦，強降水區(qū)位于低渦前部，副熱帶高壓(簡稱“副高”)位于海上，588 dagpm線的西脊點位于130°E附近[圖 1 (a)]；850hPa強降水區(qū)存在風向、風速的輻合，偏南風增強，且達到急流強度，最大風速16 m·s-1，水汽主要來自孟加拉灣[圖 1 (b)]； 2日08:00的探空圖(圖略)上，大氣存在熱力不穩(wěn)定，CAPE值為537.6 J·kg-1，濕層較厚。10日20:00 500 hPa貝加爾湖南部至甘孜州南部存在一高空槽，溫度槽落后于高度槽，槽內(nèi)冷平流明顯，強降水區(qū)位于槽前底部，副高588 dagpm線的西脊點位于110°E附近，且穩(wěn)定維持，對低槽有一定的阻擋作用[圖 1(c)]；850 hPa強降水區(qū)主要為偏東風，存在明顯的風速輻合，水汽主要來自東海[圖 1 (d)]； 10日20:00的探空圖(圖略)上，大氣熱力不穩(wěn)定較2日過程偏小，CAPE值為377.5 J·kg-1，但與2日過程相似的是濕層較厚(圖略)。

圖1 2018年7月2日08:00(a、b)和10日20:00(c、d)500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)與風場(風向桿，單位：m·s-1)(a、c)和四川地區(qū)850 hPa風場(b、d，單位：m·s-1)(三角形為彭州站)Fig.1 The 500 hPa geopotential height field (isoline, Unit: dagpm) and wind field (wind stem, Unit: m·s-1) (a, c) and 850 hPa wind field (b, d, Unit: m·s-1) over Sichuan area at 08:00 BST on 2 (a, b) and 20:00 BST on 10 (c, d) July 2018(the triangle for Pengzhou station)

1 h降水量達到或超過20 mm為短時強降水[32]，兩次降水過程強降水出現(xiàn)時間分別為2日10:00—12:00和11日02:00—05:00(圖2)。

圖2 2018年彭州站7月2日(a)和11日(b)兩次暴雨過程逐小時降水量Fig.2 Hourly precipitation during two rainstorms at Pengzhou station on 2 (a) and 11 (b) July 2018

3 暴雨期間風場特征

3.1 大氣垂直結(jié)構(gòu)特征

兩次過程的暴雨中心都在彭州，彭州附近有2個風廓線雷達站，分別在距彭州約19 km、27 km的郫縣站和新都站，3個站點的分布如圖3所示，彭州介于新都和郫縣之間，位置偏北，且2個風廓線雷達站的緯度相近。下文將主要根據(jù)新都、郫縣站的風廓線雷達資料分析兩次強降水期間的低空風場特征。

圖3 氣象站點空間分布Fig.3 Spatial distribution of meteorological stations

風廓線探測要求探測的風場在每個采樣高度及其所在范圍的平面內(nèi)風向風速“相同”[21]。在強降水天氣中，單一時次資料缺乏代表性，文中所用風廓線雷達數(shù)據(jù)為1 h平均值。溫江探空站位于郫縣西南側(cè)，與郫縣風廓線雷達相距約13 km。圖4為2018年7月11日08:00郫縣風廓線雷達與溫江探空水平風廓線?？梢钥闯觯瑑烧? km以下水平風場分布較為一致，即風廓線雷達資料具有一定的可信度，此外，羅娟[33]研究也指出500 hPa以下風廓線雷達資料具有較高的可用性。

圖4 2018年7月11日08:00郫縣風廓線雷達(左)與溫江探空(右)水平風廓線Fig.4 The horizontal wind profile from Pixian wind profile radar (the left) and Wenjiang sounding station (the right) at 08:00 BST on 11 July 2018

圖5為2018年7月2日和11日溫江探空站相對濕度廓線和兩次過程溫江探空假相當位溫廓線?？梢钥闯?，兩次降水過程大氣垂直結(jié)構(gòu)略有不同。對于2日的降水過程，短時強降水開始于2日10:00，08:00低層沒有出現(xiàn)低空急流， 850～500 hPa大氣處于不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，且大氣相對濕度處于整層飽和狀態(tài)(>90%)，這種高濕且不穩(wěn)定的狀態(tài)有利于降水的發(fā)展；20:00 850～500 hPa大氣處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但大氣相對濕度仍處于整層飽和狀態(tài)，降水以穩(wěn)定性降水為主。11日降水過程，短時強降水開始于11日02:00，2～4 km存在低空急流，10日20:00的大氣整層都處于層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)，大氣相對濕度整層處于近飽和狀態(tài)，這種飽和且不穩(wěn)定的大氣環(huán)境非常有利于強降水發(fā)生；11日08:00 850～500 hPa大氣處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，且此時大氣相對濕度從850 hPa超過80%遞減到400 hPa 50%左右，此時降水以穩(wěn)定性降水為主并趨于結(jié)束。

圖5 2018年7月2日(a)和11日(b)溫江探空站相對濕度廓線和兩次過程溫江探空假相當位溫廓線(c)Fig.5 Relative humidity profiles at Wenjiang sounding station on 2 (a) and 11 (b) July 2018, and pseudo-equivalent potential temperature profile at Wenjiang sounding station during two processes (c)

3.2 低空風場特征

風廓線雷達水平風場的時間-高度剖面除了可以分析低空急流外，還可以分析低層風場擾動，這種擾動與兩種情況對應:一是與急流；二是與冷空氣入侵[34]。圖6為兩次暴雨過程郫縣和新都站風廓線雷達水平風的時間-高度剖面?？梢钥闯?，2日暴雨過程未建立低空急流，從1日18:00至2日08:00，1～4 km高度主要為偏南風，風隨高度順轉(zhuǎn)，為暖平流。2日02:00 2～4 km高度南風有所加強，最大風速為10 m·s-1，持續(xù)至05:00，并在08:00南風再次增大，最大風速達18 m·s-1，但持續(xù)時間較短。而1 km以下高度主要為偏北風，2日06:00，偏北風風速有所增加， 08:00，0.5 km高度出現(xiàn)第一次風場擾動，此時2 km以下偏南風逐漸轉(zhuǎn)為偏東風，風隨高度逆轉(zhuǎn)，中低層有冷空氣侵入。2日10:00 1 km高度出現(xiàn)第二次風場擾動，1～4 km皆轉(zhuǎn)為偏東風，整層都有冷平流，且風速增大，短時強降水開始。隨后整層偏北風風速繼續(xù)增大，在0.5～1 km高度上表現(xiàn)尤為顯著，12:00出現(xiàn)了風速大于20 m·s-1的北風大值中心，此時短時強降水結(jié)束。綜上所述，此次過程強降水時段介于3 km高度附近出現(xiàn)南風大值中心和1 km以下高度出現(xiàn)北風大值的時間段之間。

圖6 2018年7月1日18:00至2日22:00(a、c)，10日13:00至11日17:00(b、d)兩次暴雨過程郫縣(a、b)、新都(c、d)風廓線雷達水平風的時間-高度剖面(箭頭表示強降水開始時刻，陰影為≥8 m·s-1風速，圖a中10:00—20:00資料缺測)Fig.6 The time-height cross sections of horizontal wind from Pixian (a, b) and Xindu (c, d) wind profile radars during two rainstorm processes from 18:00 BST on 1 to 22:00 BST on 2 (a, c), and from 13:00 BST on 10 to 17:00 BST on 11 (b, d) July 2018 (The arrow indicates beginning moment of heavy rain, the shaded for wind speed greater than or equal to 8 m·s-1, the material is missing during 10:00 BST-20:00 BST in Fig.6(a))

7月11日暴雨過程的風場結(jié)構(gòu)與7月2日略有不同，在11日強降水前期，存在低空急流，水平風速在垂直方向上存在一個大值中心。郫縣風廓線時間-高度剖面上，10日13:00—20:00，1 km以上風向隨高度順轉(zhuǎn)，為暖平流，1 km以下由東風逐漸轉(zhuǎn)為偏北風，地面存在淺薄冷空氣。10日20:00 2～4 km高度風場由前期的東南風轉(zhuǎn)為南風，且風速增大，并出現(xiàn)風速大值區(qū)(≥12 m·s-1)，低空急流持續(xù)至11日03:00，維持近8 h，為強降雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽和動力條件。10日23:00至11日01:00， 0.5 km高度及以下區(qū)域出現(xiàn)第一次風場擾動，11日02:00開始0.5 km以下轉(zhuǎn)為一致的偏北風并且風速增強，迫使地面暖濕空氣抬升，對流強烈發(fā)展，此時1 km高度上存在第二次風場擾動，短時強降水開始，而后隨著中層風場由偏南風轉(zhuǎn)為偏北風，冷平流入侵，冷暖空氣擾動增強，短時強降水增強，低空急流消失。11日06:00 3 km以下轉(zhuǎn)為一致的偏北風，北風風速增加，1 km高度風速增大較為顯著，強降水減弱。而偏東的新都風廓線雷達站，風場結(jié)構(gòu)特征與郫縣基本一致，只是風速大值區(qū)(≥12 m·s-1)出現(xiàn)在10日18:00—22:00，中心值達16 m·s-1，出現(xiàn)時間較郫縣站早2 h。本次強降水過程低空急流的出現(xiàn)早于強降水，其強度也是在強降水發(fā)生前達到最強，且低空急流發(fā)生層次(800～700 hPa)較高，屬于天氣尺度急流[35]，其形成與地形的熱力和動力強迫作用相關。成都位于龍門山脈東側(cè)，午后輻射加熱作用顯著，形成強烈的上山氣流，在科里奧利力及慣性振蕩機制共同作用下氣流逐漸向北轉(zhuǎn)，在夜間呈現(xiàn)明顯的南風分量并加強原有偏南氣流形成低空急流[35]。急流東側(cè)是副高，西側(cè)為高原槽，高低壓系統(tǒng)的過渡帶存在較大的氣壓梯度，風速得到加強也易形成低空急流。800～1000m附近的偏北風急流比強降水開始前1500 m附近的偏南風急流更強，該急流主要是由冷空氣入侵而引起的邊界層急流，伴隨著強降水的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束。而強降水開始前的低空急流，與擾動相聯(lián)系，并與天氣系統(tǒng)的發(fā)展相關[36]，其對降水的作用主要體現(xiàn)在3個方面：輸送水汽；形成大氣不穩(wěn)定層結(jié)；產(chǎn)生上升運動[37-38]。

綜上所述，兩次暴雨的強降水開始時間都是在0.5 km高度附近出現(xiàn)第一次風場擾動之后，1 km高度附近出現(xiàn)第二次風場擾動之時，第一次風場擾動較強降水開始提前約1 h。兩次暴雨過程由地面到高層依次出現(xiàn)的風場擾動主要由冷空氣侵入造成。

3.3 低空急流指數(shù)

11日暴雨過程期間有明顯的低空急流。為了進一步理解暴雨強度與低空急流的關系，引入低空急流指數(shù)I[22,29,39]，I=V/D，V(m·s-1)為2 km以下急流中心最大風速；D(m)為12 m·s-1風速最低高度；I(10-3s-1)值越大說明急流所在高度越低，對降水越有利。

圖7為2018年7月11日暴雨過程彭州降水量和新都低空急流指數(shù)I的逐時變化。可以看到，強降水(11日02:00—05:00)前，10日19:00—22:00I維持在10×10-3s-1左右，22:00出現(xiàn)最大值10.6×10-3s-1，3 h后出現(xiàn)短時強降水，I峰值超前短時強降水3 h。

圖7 2018年7月11日暴雨過程彭州站降水量和新都站低空急流指數(shù)的逐時變化Fig.7 Hourly variations of precipitation at Pengzhou station and low-level jet index over Xindu station during the rainstorm process on July 11, 2018

7月2日暴雨過程，沒有低空急流建立的過程，但彭州仍然出現(xiàn)了短時強降水，這表明低空急流的建立不是短時強將水出現(xiàn)的必要條件，且I與強降水強度也不一定正相關，還需要其他條件的配合。

3.4 風切變

圖8為2018年7月1日18:00至2日22:00和10日13:00至11日17:00新都站水平風垂直切變的時間-高度剖面?？梢钥闯觯趦纱螐娊邓_始前幾小時，3 km左右高度風場垂直切變逐漸增強。1日08:00，即強降水開始前2 h左右， 3 km附近出現(xiàn)明顯的垂直切變中心(南風增強產(chǎn)生)，中心值大于0.04 s-1；10日21:00，即強降水開始前5 h左右，3.5 km附近出現(xiàn)明顯的垂直切變強中心(南風增強產(chǎn)生，大于0.04 s-1)。此外，在強降水開始后的幾小時，1 km以下高度風場垂直切變逐漸增強。其中2日12:00，即強降水開始后2 h左右， 1 km以下高度出現(xiàn)明顯的垂直切變中心(北風增強產(chǎn)生)，中心值大于0.04 s-1，隨后降水逐漸減弱； 11日06:00，即強降水開始后4 h， 1 km高度以下出現(xiàn)大于0.04 s-1垂直切變中心(北風增強產(chǎn)生)，隨后降水逐漸減弱。

圖8 2018年7月1日18:00至2日22:00(a)和10日13:00至11日17:00(b)新都水平風垂直切變的時間-高度剖面(單位：s-1)Fig.8 The time-height cross section of and vertical shear of horizontal wind from 18:00 BST on 1 to 22:00 BST on 2 (a), and from 13:00 BST on 10 to 17:00 BST on 11 (b) July 2018 (Unit: s-1)

為進一步分析南風增強和北風增強而產(chǎn)生的垂直切變中心對強對流組織發(fā)展的影響，以11日強降水過程為例，選取4個時刻，詳細分析不同階段的強對流雷達回波特征。在垂直切變中心形成前，即10日14:58[圖 9(a)]新都附近有回波生成，最大反射率因子為22 dBZ；南風增強形成垂直切變中心時，即10日20:59[圖 9(b)]，新都西側(cè)存在新生發(fā)展的塊狀回波，最大反射率因子為43 dBZ；強降水開始時，即11日02:09[圖 9(c)]，新都站南側(cè)回波北上，在新都附近明顯加強，最大反射率因子為50 dBZ；北風增強開始形成垂直切變中心時，即11日06:02[圖 9(d)]，0 dBZ以上回波主要位于新都西側(cè)更靠近郫縣地區(qū)，新都附近回波的反射率因子為30 dBZ左右；隨著偏北風的進一步增強，11日07:54新都西側(cè)的強降水回波完全消失。

圖9 2018年7月10日14:58(a)、21:08(b)、11日02:09(c)和06:02(d)成都站雷達回波反射率因子(單位：dBZ)(彭州、郫縣和新都站在紅色圓圈內(nèi))Fig.9 The reflectivity factor at Chengdu radar station at 14:58 BST (a), 21:08 BST (b) on 10, 02:09 BST (c) and 06:02 BST (d) on 11 July, 2018 (Unit: dBZ)(Pengzhou, Pixian and Xindu stations are inside the red circle)

綜上所述，強降水開始前，由南風風速增強(2～4 km)形成強垂直風切變中心，有利于對流組織發(fā)展，從而產(chǎn)生強降水，而強降水開始后，由北風風速增強(1 km附近及以下)形成的強垂直風切變中心，破壞對流組織發(fā)展，降水逐漸減弱，這與王彥等[43]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)強降水開始前，2～4 km左右的偏南風有所加強，7月11日過程甚至加強為低空急流，低空急流發(fā)生層次較高，屬于天氣尺度急流，急流的形成與成都地形熱力作用和“東高西低”的動力強迫作用相關。低空急流指數(shù)I的峰值較短時強降水出現(xiàn)提前3 h。

(2)兩次降水過程，強降水開始時間都在0.5 km左右高度附近出現(xiàn)風場擾動之后，1 km高度附近出現(xiàn)風場擾動之時。0.5 km高度附近風場擾動出現(xiàn)時間較強降水開始時間提前約1 h。

(3)南風增強和北風增強產(chǎn)生的強垂直切變對強降水的作用有所不同。2～4 km南風逐漸加強而形成的強垂直切變有利于對流組織發(fā)展，從而產(chǎn)生強降水；1 km附近及以下北風逐漸加強形成的強垂直切變，破壞對流組織發(fā)展，降水逐漸減弱。