王 瑩 董 暢 易笑園 王艷春 張文龍 徐 梅

1 天津市氣象臺(tái)，天津 300074 2 北京城市氣象研究院，北京 100089 3 天津市氣象信息中心，天津 300074

提 要： 利用睿圖-短期預(yù)報(bào)子系統(tǒng)的精細(xì)化預(yù)報(bào)結(jié)果、地面加密自動(dòng)站、多普勒雷達(dá)、FY-4A衛(wèi)星的逐5 min可見(jiàn)光云圖以及北京探空等資料，對(duì)2018年7月22日發(fā)生在天津城區(qū)的一次突發(fā)性γ中尺度短時(shí)暴雨的熱動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明：此次暴雨發(fā)生在500 hPa副熱帶高壓控制范圍內(nèi)，是由城區(qū)孤立風(fēng)暴造成的一次局地強(qiáng)降水過(guò)程，具有范圍小(不足20 km)、生命史短(1～2 h)、雨強(qiáng)大(62.4 mm·h-1)、中尺度邊界層環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。暴雨是在上游降水系統(tǒng)的冷池邊界還遠(yuǎn)離天津城區(qū)時(shí)，由城市熱島、上游冷池出流前的邊界層弱冷空氣、系統(tǒng)性東北風(fēng)和午后逐漸形成的中尺度海風(fēng)共同作用造成的。下墊面水平熱力差異及地表能量平衡的結(jié)果導(dǎo)致天津中心城區(qū)形成較為顯著的熱島效應(yīng)，熱島強(qiáng)度達(dá)2～4℃，與熱島效應(yīng)伴隨的城市熱島暖低壓的形成與發(fā)展導(dǎo)致城區(qū)形成中尺度輻合中心。上游降水產(chǎn)生的中尺度高壓(上游降水區(qū))和天津城市熱島暖低壓(下游非降水區(qū))之間的氣壓梯度導(dǎo)致冷池前沿形成了一支超越冷池出流邊界而率先到達(dá)天津城區(qū)的一支北風(fēng)，這支邊界層弱冷空氣與系統(tǒng)性東北風(fēng)、海風(fēng)在城市熱島暖低壓作用下均向城區(qū)匯合，進(jìn)一步增強(qiáng)了城區(qū)輻合中心的強(qiáng)度及維持時(shí)間。垂直方向上，沿城區(qū)的緯向、經(jīng)向分別形成了兩個(gè)方向相反的、非對(duì)稱(chēng)的中尺度次級(jí)環(huán)流，其上升支正好位于天津城區(qū)。上游冷池出流前中尺度鋒區(qū)東移造成的水汽集中以及熱島效應(yīng)伴隨的局地?zé)崃坷鄯e使城區(qū)逐漸發(fā)展為高濕高能區(qū)，且垂直方向上不穩(wěn)定度增強(qiáng)，為局地暴雨的發(fā)生提供了有利的中尺度環(huán)境條件。

引 言

局地暴雨(特別是短歷時(shí)強(qiáng)降水)是華北地區(qū)夏季常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣，常常造成城市瞬時(shí)積澇，從而給交通、生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。這類(lèi)暴雨具體表現(xiàn)為突發(fā)性強(qiáng)、降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，它們通常受大尺度天氣系統(tǒng)制約下的中小尺度系統(tǒng)影響。由于受到觀測(cè)條件和資料分辨率的限制, 我們對(duì)此類(lèi)中小尺度暴雨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及演變機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然不足，預(yù)報(bào)的難度也較大(孫繼松和楊波, 2008)。近年來(lái)，因局地暴雨給城市帶來(lái)的社會(huì)影響和危害往往更為顯著，因而該地區(qū)的局地暴雨預(yù)報(bào)更需要重視。

京津冀地區(qū)西面為太行山，東面環(huán)渤海，地理位置特殊。該地區(qū)中小尺度暴雨的發(fā)生發(fā)展除了與大尺度背景有關(guān)外，更與局地中尺度環(huán)境關(guān)系密切。在弱天氣系統(tǒng)控制下，該地區(qū)邊界層中可同時(shí)存在海陸風(fēng)、山谷風(fēng)、城市熱島環(huán)流及其明顯的耦合效應(yīng)，從而形成該區(qū)域復(fù)雜的低層大氣環(huán)流特征(劉樹(shù)華等,2009)。前人研究表明，該地區(qū)局地暴雨的觸發(fā)和增強(qiáng)常常與海陸風(fēng)環(huán)流(何群英等,2011;易笑園等,2014)、偏東風(fēng)(吳慶梅等,2015;尉英華等,2019)、雷暴出流(陳明軒和王迎春,2012;黃榮等,2012;靳振華等,2019;徐姝等,2019)、城市熱島環(huán)流(孫繼松和舒文軍,2007;鄭祚芳和任國(guó)玉,2018)以及地形(符嬌蘭等,2017)等有關(guān)，它們既可以單獨(dú)作用觸發(fā)對(duì)流，也可以相互影響共同觸發(fā)對(duì)流，其在華北地區(qū)的相互作用可歸結(jié)為海風(fēng)環(huán)流和雷暴出流、雷暴出流和偏東風(fēng)、城市熱島和海風(fēng)環(huán)流、地形和海陸風(fēng)環(huán)流相互作用等幾種常見(jiàn)的形式。

雷暴出流可以和海風(fēng)環(huán)流前部的海風(fēng)鋒碰撞，并在碰撞交叉處形成雷暴天氣(王彥等,2014;劉彬賢等,2015)。除了海風(fēng)鋒外，偏東風(fēng)也可以和雷暴出流共同觸發(fā)并增強(qiáng)對(duì)流，王婷婷等(2011)分析了北京干、濕雷暴形成的環(huán)境物理?xiàng)l件，發(fā)現(xiàn)下游新生雷暴單體能否發(fā)展很大程度上取決于有沒(méi)有偏東風(fēng)和上游冷池出流形成輻合線(xiàn)。張楠等(2018)、陶局等(2019)和雷蕾等(2020)在隨后的研究中均證實(shí)了這一點(diǎn)，上游冷池的輻散氣流與低層入流相遇后可在降水區(qū)下游觸發(fā)新的雷暴或使原有對(duì)流維持及加強(qiáng)。尉英華等(2019)研究了渤海西岸邊界層偏東風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)和溫濕特性，認(rèn)為 0.6 km以下偏東風(fēng)風(fēng)速輻合強(qiáng)迫產(chǎn)生的上升氣流是γ中尺度對(duì)流單體的重要觸發(fā)機(jī)制，同時(shí)也提出了強(qiáng)降水冷池出流與不斷增強(qiáng)的暖濕偏東入流可以相互作用，從而使對(duì)流系統(tǒng)得以維持。此外，海風(fēng)環(huán)流和城市熱島也常常存在相互作用，共同影響夏季降水過(guò)程(于恩洪等,1987;劉樹(shù)華等,2009;黃利萍等,2013;苗峻峰,2014)，這對(duì)于沿海城市對(duì)流的發(fā)展和增強(qiáng)非常重要。城市熱島效應(yīng)能造成局地?zé)崃Σ痪?，并進(jìn)一步形成地面中尺度輻合線(xiàn)，當(dāng)海風(fēng)鋒與該輻合線(xiàn)相遇時(shí)，輻合上升運(yùn)動(dòng)明顯加強(qiáng)，在不穩(wěn)定天氣形勢(shì)條件下便可觸發(fā)局地不穩(wěn)定能量的釋放(東高紅等,2013；2015)。當(dāng)這幾種局地中尺度環(huán)流共同存在時(shí)，γ中尺度暴雨還可以由冷池出流、山谷風(fēng)環(huán)流、熱島環(huán)流以及環(huán)境風(fēng)的共同作用造成，比如Li et al(2017)通過(guò)研究北京城區(qū)一次孤立暴雨的觸發(fā)過(guò)程，認(rèn)為與上游山區(qū)持續(xù)性降水產(chǎn)生的冷池所伴隨的中高壓可以促使北風(fēng)超越冷池出流先抵達(dá)北京城區(qū)附近，并與由白天地形約束下的谷風(fēng)以及大尺度西南風(fēng)共同形成的偏南風(fēng)形成強(qiáng)烈輻合，熱島的持續(xù)作用使得輻合進(jìn)一步增強(qiáng)并突破逆溫層，從而引發(fā)城區(qū)強(qiáng)降水。

前人對(duì)于天津地區(qū)突發(fā)性的γ中尺度暴雨研究目前還較少(東高紅等,2013)，學(xué)者們大多選取的是區(qū)域性降水中出現(xiàn)局地暴雨的個(gè)例，而且很少有學(xué)者同時(shí)考慮上游冷池、城市熱島效應(yīng)和海風(fēng)環(huán)流等邊界層中尺度系統(tǒng)相互作用觸發(fā)暴雨的過(guò)程，再加上往往受到資料分辨率的限制，預(yù)報(bào)員對(duì)該地區(qū)γ中尺度暴雨的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。因此，本文選取2018年7月22日發(fā)生在天津城區(qū)的一次典型γ中尺度短時(shí)暴雨過(guò)程，利用睿圖-短期預(yù)報(bào)子系統(tǒng)(RMAPS-ST)的精細(xì)化預(yù)報(bào)結(jié)果、分鐘級(jí)地面自動(dòng)站資料、多普勒雷達(dá)資料、FY-4A衛(wèi)星的逐5 min可見(jiàn)光云圖以及北京探空資料，詳細(xì)分析此次過(guò)程的熱動(dòng)力環(huán)境條件及觸發(fā)機(jī)制，希望加深預(yù)報(bào)員對(duì)這類(lèi)突發(fā)性局地暴雨的認(rèn)識(shí)，從而有助于提高大城市暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 天氣過(guò)程概述

1.1 降水實(shí)況

2018年7月22日12—14時(shí)(北京時(shí), 下同)，天津城區(qū)突發(fā)了一次小范圍的局地短時(shí)暴雨過(guò)程，降水過(guò)程中伴有弱雷電活動(dòng)，無(wú)破壞性大風(fēng)和冰雹等其他強(qiáng)對(duì)流天氣。其中，有3個(gè)自動(dòng)站累積降水量超過(guò)60 mm，達(dá)到暴雨量級(jí)。其中，最大降水量出現(xiàn)在天津城市氣候監(jiān)測(cè)站，為64 mm(圖1)，最大小時(shí)雨強(qiáng)為62.4 mm·h-1，出現(xiàn)在天津站。從暴雨站的逐5 min降水演變來(lái)看，降水主要發(fā)生在12—13時(shí)，5 min降水量最大可達(dá)12.7 mm，13:10后對(duì)流趨于消散，生命史短暫。

圖1 2018年7月22日12—14時(shí)(a)地面加密自動(dòng)站累積降水量分布, (b)暴雨站逐5 min降水量變化Fig.1 Distribution of accumulated precipitation from surface dense automatic stations (a), 5 min precipitation at three heavy rain stations (b) from 12:00 BT to 14:00 BT 22 July 2018

1.2 環(huán)流背景

從當(dāng)天08時(shí)的中尺度分析圖(圖2a)可以看出，500 hPa等壓面上形勢(shì)為“西低東高”，副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高)脊線(xiàn)位于華北—黃淮一帶，西伸脊點(diǎn)達(dá)到河套中部，強(qiáng)度較強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)安比在江浙一帶登陸并沿副高外圍向西北方向移動(dòng)。天津處于副高內(nèi)部高溫高濕的環(huán)境中，其外圍有高空槽活動(dòng)，其中850 hPa低槽已東移至天津上游的河北西北部至北京一帶，并給該地區(qū)帶來(lái)了持續(xù)性降水天氣。地面圖上，天津處于弱的氣壓場(chǎng)中，受入海高壓底部偏東風(fēng)影響，風(fēng)力較小，同時(shí)在南部還存在東北風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合線(xiàn)，天氣晴朗悶熱。

08時(shí)北京探空?qǐng)D(圖2b)顯示，對(duì)流層中下層為“上干下濕”的條件不穩(wěn)定層結(jié)，從相應(yīng)的強(qiáng)對(duì)流參數(shù)(表1)可以看出，850 hPa比濕達(dá)17.3 g·kg-1，大氣整層可降水量(PW)達(dá)52.3 mm，同時(shí)具備較高的對(duì)流不穩(wěn)定能量(CAPE)和較小的對(duì)流抑制能量(CIN)，沙氏指數(shù)(SI)和抬升指數(shù)(LI)都為負(fù)值，水汽和不穩(wěn)定條件均較好，有一定的對(duì)流潛勢(shì)。抬升凝結(jié)高度(LFC)和自由對(duì)流高度(LCL)都比較低，對(duì)流能較易觸發(fā)。

圖2 2018年7月22日08時(shí)(a)華北地區(qū)中尺度分析圖和(b)北京探空?qǐng)DFig.2 Mesoscale analysis figure of North China (a), Beijing radiosonde figure (b) at 08:00 BT 22 July 2018

表1 2018年7月22日08時(shí)北京探空強(qiáng)對(duì)流參數(shù)Table 1 Convection parameters of Beijing radiosonde at 08:00 BT 22 July 2018

2 中尺度系統(tǒng)的觀測(cè)分析

2.1 雷達(dá)回波特征

在整個(gè)降水過(guò)程中選取三個(gè)典型時(shí)刻分析此次局地暴雨的雷達(dá)回波演變。從圖3中可以看到，11:54 初生單體僅在一個(gè)體掃的時(shí)間內(nèi)就迅速發(fā)展為不小于50 dBz的高強(qiáng)對(duì)流單體(圖3a)，沿圖3a 中AB線(xiàn)的剖面上強(qiáng)回波呈直立狀態(tài)，伸展高度達(dá)14 km，無(wú)明顯回波傾斜和懸垂特征(圖3d)。隨后在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，回波持續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，范圍由城區(qū)擴(kuò)大至環(huán)城四區(qū)，強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，12:42達(dá)到最強(qiáng)，中心強(qiáng)度維持在50～55 dBz(圖3b)，回波向上伸展至15 km以上，同時(shí)水平尺度也擴(kuò)大至5 km(圖3e)。13:18時(shí)，對(duì)流趨于消散，回波強(qiáng)度和高度迅速下降(圖3c,3f)。在此期間，位于天津上游地區(qū)的北京沿太行山一帶始終存在降水回波，且處于不斷減弱的趨勢(shì)。因此，由此次過(guò)程的雷達(dá)回波特征和自動(dòng)站雨量可以看出，這是一次典型的受中小尺度系統(tǒng)影響的γ中尺度暴雨過(guò)程，具有范圍小(不足20 km)、生命史短(1～2 h)、雨強(qiáng)大(62.4 mm·h-1)的特點(diǎn)。

2.2 可見(jiàn)光云圖特征

從FY-4A衛(wèi)星可見(jiàn)光云圖上可以看到，11時(shí)(圖4a)，河北—北京沿太行山一帶一直有東北—西南走向的對(duì)流云帶維持(藍(lán)色圓圈)，其前側(cè)有一條狹窄的、與雷暴母體間有明顯晴空區(qū)相隔的弧狀對(duì)流云線(xiàn)(即雷暴出流邊界，黃色箭頭)逐漸東移，弧狀云線(xiàn)的后部表征了上游持續(xù)性降水產(chǎn)生的冷池。11:00—11:53(圖4a～4c)，上游弧狀云線(xiàn)持續(xù)東移，并因脫離母體而逐漸減弱消失。此時(shí)，天津城區(qū)有一孤立對(duì)流云團(tuán)開(kāi)始形成并快速發(fā)展。從11:53的云圖上(圖4c)可以看到，對(duì)流云團(tuán)開(kāi)始形成時(shí)，上游降水區(qū)的出流邊界距其尚有一定距離，也就是說(shuō)，天津城區(qū)的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)是在上游降水系統(tǒng)的中尺度邊界還遠(yuǎn)離天津城區(qū)時(shí)觸發(fā)的，此中尺度邊界對(duì)天津城區(qū)的降水不具備直接觸發(fā)作用。12:15—13:00(圖4d～4g)，對(duì)流云團(tuán)快速發(fā)展并達(dá)到最強(qiáng)，云團(tuán)結(jié)構(gòu)密實(shí)，輪廓清晰，且有明顯的暗影，對(duì)流發(fā)展非常旺盛。13:30(圖4h)，對(duì)流開(kāi)始消散，整個(gè)暴雨云團(tuán)維持的時(shí)間僅一個(gè)多小時(shí)。

圖3 2018年7月22日(a,d)11:54,(b,e)12:42,(c,f)13:18塘沽多普勒雷達(dá) (a,b,c)組合反射率因子分布及(d,e,f)沿AB線(xiàn)的垂直剖面Fig.3 Distribution of composite reflectivity (a, b, c) and cross-sections along line AB (d, e, f) of Tanggu Doppler Radar at 11:54 BT (a, d), 12:42 BT (b, e), 13:18 BT(c, f) 22 July 2018

圖4 2018年7月22日11—14時(shí)FY-4A衛(wèi)星可見(jiàn)光云圖 (a)11:00,(b)11:45,(c)11:53,(d)12:15,(e)12:30,(f)12:45,(g)13:00,(h)13:30,(i)14:00 (藍(lán)色橢圓: 上游中尺度對(duì)流系統(tǒng)，黃色箭頭: 雷暴出流邊界，白色方框：對(duì)流云街，紅色圓圈：天津城區(qū)對(duì)流云團(tuán))Fig.4 Visible cloud image of FY-4A satellite from 11:00 BT to 14:00 BT 22 July 2018 (a) 11:00 BT, (b) 11:45 BT, (c) 11:53 BT, (d) 12:15 BT, (e) 12:30 BT, (f) 12:45 BT, (g) 13:00 BT, (h) 13:30 BT, (i) 14:00 BT (blue ellipse: upstream mesoscale convective system, yellow arrow: thunderstorm outflow boundary, white box: convective cloud street, red circle: convective cloud cluster over urban area of Tianjin)

此外，從云圖中還可以看到北京—天津一帶存在多條互相平行的呈東北—西南走向的積云線(xiàn)(圖4a白色方框內(nèi))，它與低層西南暖濕氣流方向一致，表征該地區(qū)大氣層結(jié)不穩(wěn)定而且水汽充足，可以間接反映城市下墊面加熱的不均勻性(Kropfli and Kohn,1978)。

2.3 地面加密自動(dòng)站特征

從11時(shí)地面加密自動(dòng)站的溫度場(chǎng)分布(圖5a)可以看出，天津城區(qū)(黑色圓圈)出現(xiàn)了溫度達(dá)36℃的局地孤立高溫中心，比周?chē)紖^(qū)溫度高2℃左右，形成了較明顯的城市熱島。在上游北京山區(qū)，由于持續(xù)性降水的緣故近地面形成了溫度僅22℃左右的冷池，冷池前緣伴有溫度密集帶，上游降水區(qū)和下游非降水區(qū)形成了中尺度鋒區(qū)。此外，白天太陽(yáng)輻射下海陸下墊面差異導(dǎo)致天津東部的渤海灣溫度僅約為26℃。于是在整個(gè)近地面溫度場(chǎng)上自西北向東南形成了“冷—暖—冷”的空間分布特征，下墊面水平溫度梯度極其顯著。

在與2 m溫度對(duì)應(yīng)的海平面氣壓場(chǎng)上(圖5b)，與熱島對(duì)應(yīng)的天津城區(qū)形成了城市熱島暖低壓(黑色圓圈)，與上游冷池對(duì)應(yīng)的北京山區(qū)則形成了中高壓。從降水前1～2 h地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)的演變來(lái)看(圖5c,5d)，10時(shí)在天津城區(qū)，城市熱島暖低壓的作用導(dǎo)致中心城區(qū)形成了明顯的熱島環(huán)流，表現(xiàn)為尺度約30 km左右的中尺度輻合中心(紅色圈)，此時(shí)來(lái)自上游降水區(qū)的冷池出流邊界仍位于北京地區(qū)。11時(shí)(圖5d)，冷池出流邊界東移至京津交界處，且在出流邊界尾端的前部，出現(xiàn)了一支弱的西北風(fēng)(藍(lán)色圈)，這支西北風(fēng)并非冷池出流，它從上游冷池?cái)U(kuò)散出來(lái)并位于冷池邊界前，實(shí)際上是上游降水造成的中高壓促使北風(fēng)超越冷池出流邊界而形成的一支邊界層弱冷空氣；同時(shí)，在天津東部沿海地區(qū)出現(xiàn)了具有日變化特征的中尺度海風(fēng)(綠色圈)，冷池前沿的邊界層弱冷空氣、系統(tǒng)性東北風(fēng)、中尺度海風(fēng)進(jìn)一步向天津中心城區(qū)匯合，從而使城區(qū)的中尺度輻合中心維持和加強(qiáng)。

圖5 2018年7月22日地面加密自動(dòng)站11時(shí)(a)2 m溫度場(chǎng)、 (b)海平面氣壓場(chǎng),以及(c)10時(shí)、 (d)11時(shí)風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽) (圖5a黑色圓圈為天津城區(qū)，圖5b黑色圓圈為城市熱島暖低壓；圖5c、5d中紅色圈為 中尺度輻合中心，圖5d藍(lán)色圈為弱西北風(fēng)，綠色圈為中尺度海風(fēng))Fig.5 The 2 m temperature field (a), sea level pressure field (b) at 11:00 BT; wind field (barb) at 10:00 BT (c) and 11:00 BT (d) observed from surface dense automatic stations on 22 July 2018 (Black circle inFig.5a is urban area of Tianjing; black circle inFig.5b is warm low pressure of city island; red circles in Figs.5c and 5d are mesoscale convergence centers, respectively; inFig.5d, blue circle is weak northwesterly and green circle is mesoscale sea wind)

因此，從以上分析可以看出，城區(qū)的局地暴雨與城市熱島、冷池前沿弱冷空氣、系統(tǒng)性東北風(fēng)、海風(fēng)以及它們輻合形成的中尺度輻合中心有直接的關(guān)系。為進(jìn)一步分析此次暴雨發(fā)生的中尺度熱動(dòng)力環(huán)境，下文將用睿圖-短期預(yù)報(bào)子系統(tǒng)的精細(xì)化模擬結(jié)果來(lái)具體分析。

3 熱動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)及對(duì)流發(fā)展過(guò)程

3.1 睿圖模式簡(jiǎn)介及檢驗(yàn)

對(duì)于這次短時(shí)暴雨過(guò)程，歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)(ECMWF)模式、GRAPES-GFS、GRAPES-3 km以及天津本地的中尺度模式TJWRF等幾種常用的業(yè)務(wù)數(shù)值模式均沒(méi)有預(yù)報(bào)出來(lái)，只有北京的RMAPS-ST模式預(yù)報(bào)出了這次過(guò)程，表現(xiàn)優(yōu)于其他模式(圖略)。睿圖模式是北京城市氣象研究院研發(fā)的快速更新的多尺度分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是已經(jīng)業(yè)務(wù)化的區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，也是華北區(qū)域最具代表性的中尺度數(shù)值模式，預(yù)報(bào)性能較好。本文利用其短期預(yù)報(bào)子系統(tǒng)(RMAPS-ST)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。該系統(tǒng)同化了地面自動(dòng)站、京津冀雷達(dá)反射率因子和徑向風(fēng)等資料，采用水平分辨率分別為9 km和3 km 的兩重嵌套網(wǎng)格，垂直方向按等σ位面分為不等間距的49層，其中邊界層2 km以下加密設(shè)置12層，起報(bào)時(shí)間為2018年7月22日05時(shí)，積分時(shí)間為25 h，預(yù)報(bào)結(jié)果逐小時(shí)輸出。睿圖模式產(chǎn)品能為降水環(huán)境的分析提供密集的空間場(chǎng)，從而可以捕捉到天氣系統(tǒng)許多高時(shí)空分辨率的物理特征，能很好地彌補(bǔ)垂直探測(cè)資料的不足，是研究中小尺度系統(tǒng)的有力工具。

圖6a～6c為RMAPS-ST預(yù)報(bào)的22日10—12時(shí)逐小時(shí)降水，可以看到其很好地預(yù)報(bào)出了這次短時(shí)暴雨過(guò)程，落區(qū)和強(qiáng)度與實(shí)況基本完全吻合，但它預(yù)報(bào)的城區(qū)降水于10時(shí)開(kāi)始，強(qiáng)降水時(shí)段主要為10—11時(shí)，而實(shí)況則為12—13時(shí)，預(yù)報(bào)的降水時(shí)間比實(shí)況提前了2 h。將RMAPS-ST預(yù)報(bào)的對(duì)流發(fā)生前的地面溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)及相應(yīng)的氣壓場(chǎng)(圖6d～6f)和實(shí)況(圖5)作對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，RMAPS-ST能較好地預(yù)報(bào)出中心城區(qū)的城市熱島以及城市熱島暖低壓，風(fēng)場(chǎng)上也能較好地反映出自動(dòng)站中出現(xiàn)的熱島環(huán)流以及位于天津市區(qū)的中尺度輻合中心等關(guān)鍵系統(tǒng)。

那為什么預(yù)報(bào)的降水時(shí)間比實(shí)況提前了2 h呢？從模式預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)上可以看出，模式預(yù)報(bào)的上游冷池、冷出流的強(qiáng)度比實(shí)況強(qiáng)，出流邊界東移的速度也偏快，且模式并未區(qū)分出冷池出流和冷池前沿的邊界層弱冷空氣，而是表現(xiàn)為大范圍較強(qiáng)的西北氣流(以下稱(chēng)其為冷池出流)；另外，RMAPS-ST預(yù)報(bào)的08時(shí)風(fēng)場(chǎng)上就已經(jīng)出現(xiàn)海風(fēng)，而實(shí)況中卻是隨著水平熱力差異增大在降水前一小時(shí)才逐漸形成。整體來(lái)看，模式預(yù)報(bào)的動(dòng)力場(chǎng)比實(shí)況偏強(qiáng)，因而提早觸發(fā)了對(duì)流，導(dǎo)致預(yù)報(bào)的降水時(shí)間比實(shí)況提前了2 h。因此，雖然RMAPS-ST造成了降水時(shí)間的提前，但對(duì)于降水強(qiáng)度、落區(qū)以及影響降水關(guān)鍵系統(tǒng)的把握大體上仍是準(zhǔn)確的，因此，可以基于模式預(yù)報(bào)結(jié)果詳細(xì)分析此次過(guò)程。

3.2 動(dòng)力環(huán)境分析

從模式預(yù)報(bào)的水平風(fēng)場(chǎng)上來(lái)看，如圖6d,6e所示，08—09時(shí)，冷池出流、東北風(fēng)和海風(fēng)同時(shí)向天津城區(qū)匯合，形成了覆蓋天津中南部地區(qū)的低層風(fēng)場(chǎng)輻合，并在天津城區(qū)形成了尺度約20～30 km的中尺度輻合中心。

從垂直方向上看，低層環(huán)流場(chǎng)同樣表現(xiàn)出了獨(dú)特的垂直結(jié)構(gòu)(圖7)。從圖7a可以看出，09時(shí)在城區(qū)以西有一支下沉輻散氣流(紅色圓圈)，這是上游降水系統(tǒng)形成的下沉氣流，此處500 m高度上溫度等值線(xiàn)的“波谷”體現(xiàn)了降水的拖曳冷卻作用，近地面向東輻散的一支即為冷池出流。在城區(qū)以東，東風(fēng)的厚度達(dá)到了1 km，這支東風(fēng)即為水平風(fēng)場(chǎng)上東北風(fēng)和中尺度海風(fēng)的偏東分量，它和西面的冷池出流在天津城區(qū)輻合，形成了一支較強(qiáng)的上升氣流，垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，為暴雨的發(fā)生提供了有利的觸發(fā)和抬升條件。上升氣流大約在2.2 km高度向兩側(cè)輻散形成兩支高空回流，回流分別在116.5°E和117.6°E處下沉，這樣就在城區(qū)兩側(cè)形成了兩個(gè)方向相反的中尺度次級(jí)環(huán)流，環(huán)流閉合完整。圖7b中同樣在南北方向形成了兩個(gè)閉合的環(huán)流圈，其中城區(qū)以南低層向城區(qū)輻合的一支氣流為中尺度海風(fēng)，雖然這支海風(fēng)較弱，但卻是形成上述水平和垂直環(huán)流場(chǎng)的重要因素，是城區(qū)中尺度輻合中心的直接參與者。另外，從溫度場(chǎng)上看，由于西側(cè)冷池出流的溫度比東北風(fēng)和海風(fēng)更低，導(dǎo)致城區(qū)與冷池一側(cè)下墊面的熱力差異更大，因而城區(qū)兩側(cè)的中尺度次級(jí)環(huán)流表現(xiàn)出了非對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)特征，西側(cè)的次級(jí)環(huán)流圈水平尺度大于東側(cè)，南北方向上亦同。經(jīng)向環(huán)流圈形成的時(shí)間比緯向晚1 h、水平尺度也更小，這是熱力因素制約的結(jié)果(城區(qū)以南和城區(qū)的水平溫度梯度較小)。

圖6 RMAPS-ST預(yù)報(bào)的2018年7月22日(a)10時(shí)、(b)11時(shí)、 (c)12時(shí)降水, (d)08時(shí)、(e)09時(shí)2 m溫度(填色)和10 m風(fēng)場(chǎng),(f)09時(shí)海平面氣壓Fig.6 Distribution of hourly precipitation at 10:00 BT (a), 11:00 BT (b), 12:00 BT (c); 2 m temperature (colored) and 10 m wind field at 08:00 BT (d), 09:00 BT (e); sea level pressure at 09:00 BT (f) 22 July 2018, simulated by RMAPS-ST

圖7 RMAPS-ST預(yù)報(bào)的2018年7月22日(a)09時(shí)沿39°N的緯向風(fēng)(流線(xiàn)，w擴(kuò)大10倍后合并)、溫度 (填色)垂直剖面，(b)10時(shí)沿117.24°E的經(jīng)向風(fēng)(流線(xiàn)，w擴(kuò)大10倍后合并)、溫度(填色)垂直剖面 (圖7a中紅色圓圈為下沉輻散氣流;橫坐標(biāo)的黑色線(xiàn)段表示城市下墊面，藍(lán)色線(xiàn)段表示海洋下墊面，下同)Fig.7 Vertical cross sections of zonal wind (stream, w×10) and temperature (colored) along 39°N at 09:00 BT (a), meridional wind (stream, w×10) and temperature (colored) along 117.24°E at 10:00 BT (b) on 22 July 2018, simulated by RMAPS-ST (Red circle inFig.7a is sinking divergent flow; the urban and marine areas are outlined in black and blue segments along the abscissa, respectively, the same as below)

3.3 熱力環(huán)境分析

3.3.1 城市熱島特征

在地面自動(dòng)站和模式模擬的地面溫度場(chǎng)上均看到了城區(qū)存在熱島效應(yīng)，那熱島是怎么形成的呢？由于城市熱島在區(qū)域地表能量平衡和水循環(huán)過(guò)程中起著重要作用(Bornstein and Lin, 2000)，因此首先通過(guò)分析地表能量平衡方程來(lái)分析城市化給地表能量帶來(lái)的影響。Oke(1988)曾在原來(lái)地表能量平衡基礎(chǔ)上提出了專(zhuān)門(mén)適用于城市的能量收支平衡關(guān)系：

Q*+QF=QH+QE+QS+QA

式中：Q*為凈輻射，對(duì)城鄉(xiāng)來(lái)說(shuō)差別不大；QF為人為加熱，與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系密切，量級(jí)較小且變化緩慢；QH、QE分別為感熱通量和潛熱通量，是方程中最重要的兩項(xiàng)；QS為局地?zé)岽鎯?chǔ)量，變化時(shí)間尺度較長(zhǎng)，精確評(píng)估有相當(dāng)難度，該項(xiàng)對(duì)于夜間的能量平衡來(lái)說(shuō)最為顯著；QA為氣柱內(nèi)熱量平流在城區(qū)和郊區(qū)內(nèi)部變化不大，對(duì)于能量平衡的貢獻(xiàn)很小。因此，可以較好且方便地反映短時(shí)間內(nèi)城市熱島效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)是QH和QE。

圖8a,8b分別為對(duì)流發(fā)生前一小時(shí)QH和QE的空間分布特征。09時(shí)，隨著太陽(yáng)輻射的增加，QH迅速增加，而且由于城鄉(xiāng)下墊面性質(zhì)的區(qū)別，QH在城區(qū)形成了明顯的高值區(qū)(圖8a)，城鄉(xiāng)最大可相差200 W·m-2，而QE則正好相反，城區(qū)為低值中心，這是由于城區(qū)下墊面多為水泥、瀝青等具有較小反照率、較大熱容的人造表面，植被較少，蒸發(fā)和蒸騰作用均較小，因此使得城區(qū)較為干燥，QE較小(圖8b，壽亦萱和張大林,2012)。因此，感熱和潛熱的共同作用造成了城區(qū)干熱的地面加熱場(chǎng)，有利于城區(qū)溫度進(jìn)一步升高，最終在天津中部地區(qū)形成了高溫中心，城區(qū)與郊區(qū)溫差顯著，說(shuō)明了熱島的存在。

圖8 RMAPS-ST預(yù)報(bào)的2018年7月22日09時(shí)地表(a)感熱通量,(b)潛熱通量, (c)地表2 m溫度及熱島強(qiáng)度計(jì)算取點(diǎn)圖(O表示城區(qū)，E、W、S、N分別 表示東、西、南、北四個(gè)郊區(qū)方向);(d)05—10時(shí)熱島強(qiáng)度(UHI)演變趨勢(shì)Fig.8 Distributions of surface sensible heat flux (a), latent heat flux (b) and 2 m temperature at 09:00 BT and point taking methods of the calculation of urban heat island intensity (c； O represents urban area and E,W,S,N represent the directions of east, west, south and north, respectively); as well as evolution of urban heat island intensity (d) from 05:00 BT to 10:00 BT 22 July 2018, simulated by RMAPS-ST

如果將城市下墊面處與非城市下墊面處2 m溫度的差值定義為城市熱島強(qiáng)度(曾勝蘭,2015)，在城區(qū)20～50 km范圍內(nèi)東、南、西、北四個(gè)方向分別選取四個(gè)點(diǎn)用來(lái)代表郊區(qū)的溫度(圖8c)，然后與城區(qū)的溫度作差值來(lái)表征四個(gè)方向的熱島強(qiáng)度。通過(guò)圖8d可以看出，05—09時(shí)，東、南、西、北四個(gè)方向的熱島強(qiáng)度均隨時(shí)間而增加，到09時(shí)達(dá)到了2～4℃，熱島較強(qiáng)。另外，高溫區(qū)首先在城區(qū)上空出現(xiàn)，也間接說(shuō)明了熱島是存在的。熱島是城市熱島環(huán)流的源，當(dāng)熱島強(qiáng)度達(dá)4.0℃時(shí), 擾動(dòng)場(chǎng)上即會(huì)出現(xiàn)熱島環(huán)流(Miao,1987)，這種局地環(huán)流是大氣對(duì)與感熱通量梯度有關(guān)的溫度水平變化的一種中尺度響應(yīng)(Hidalgo et al,2010)，在該個(gè)例中，熱島強(qiáng)度在09時(shí)已達(dá)到4℃，足以產(chǎn)生熱島環(huán)流，因此城區(qū)最初形成的中尺度輻合中心其實(shí)是城市熱島暖低壓發(fā)展所致。

3.3.2 水汽和能量場(chǎng)演變

從低層濕度場(chǎng)分布可以看到(圖9)，上游冷池出流前沿伴隨有向東略偏南方向向市中心移動(dòng)的高比濕帶及高能帶，形成了與溫度密集帶相對(duì)應(yīng)的濕度和能量鋒區(qū)。濕度分布和潛熱通量類(lèi)似，對(duì)流觸發(fā)前的09時(shí)，與熱島相對(duì)應(yīng)的城區(qū)比濕低于四周。在這種情況下，雖然城市熱島會(huì)導(dǎo)致城區(qū)溫度升高，但濕度的下降會(huì)導(dǎo)致對(duì)流有效位能總體趨于減小(蒙偉光等,2007)，因此城區(qū)的不穩(wěn)定能量仍要低于郊區(qū)。也就是說(shuō)，熱島效應(yīng)的前期，城區(qū)會(huì)變得干燥且能量較低，這一結(jié)論符合鄭祚芳和任國(guó)玉(2018)在對(duì)北京地區(qū)的城市化進(jìn)行研究時(shí)提到的城市“干島效應(yīng)”。但從圖9b可以看出，到了對(duì)流觸發(fā)時(shí)刻的10時(shí)，隨著熱島的不斷增強(qiáng)，城區(qū)已經(jīng)逐漸發(fā)展為局地比濕超過(guò)20 g·kg-1的高值區(qū)，相應(yīng)的不穩(wěn)定能量也由09時(shí)的1 800 J·kg-1增加至2 000 J·kg-1。那是什么原因造成水汽和能量增加，并形成了城區(qū)有利于出現(xiàn)局地暴雨的中尺度環(huán)境呢？

研究表明，局地不穩(wěn)定能量的增加可能與低層水汽強(qiáng)烈輻合造成的濕度增加有關(guān)(Rozoff et al,2003)。從降水前邊界層水汽通量的演變(圖10a,10b)來(lái)看，在城區(qū)的西北和東北方向建立了兩個(gè)明顯的水汽通道，分別與上游冷池出流和東北風(fēng)相對(duì)應(yīng)。沿這兩個(gè)通道分別有一支水汽帶向城區(qū)輸送水汽，從矢量箭頭的大小以及填色值上來(lái)看，西北一側(cè)的水汽輸送更加明顯，東北側(cè)的則較弱一些。這兩支水汽帶在09時(shí)就已經(jīng)有向城區(qū)輻合的趨勢(shì)，到10時(shí)在市中心匯聚。其中，西北支水汽通量大值帶的前沿與圖9中高比濕帶一致，此高比濕帶實(shí)際上是冷池前緣中尺度鋒區(qū)附近的輻合區(qū)對(duì)水汽的集中作用。從水汽的垂直分布來(lái)看(圖10c,10d中填色)，水汽主要分布在邊界層1.5 km以下，且比濕大值中心主要分布在城區(qū)西側(cè)，20 g·kg-1等值線(xiàn)的前端與冷池前沿吻合，09時(shí)大致位于117°E；到了10時(shí)，冷池出流進(jìn)一步南下，水汽大值帶東移南壓至天津城區(qū)，城區(qū)局地比濕超過(guò)20 g·kg-1，為暴雨的發(fā)生提供了充沛的水汽條件。因此，從水汽場(chǎng)的演變可以看出，本次局地暴雨的水汽主要來(lái)源于冷池出流前沿中尺度鋒區(qū)的輻合作用，而東北風(fēng)和海風(fēng)輸送的水汽則相對(duì)較少。在這次過(guò)程中，與中尺度海風(fēng)對(duì)應(yīng)的水汽通量非常小，這可能是由于此次過(guò)程中海風(fēng)較弱造成的，這一點(diǎn)有別于前人研究(何群英等,2011;易笑園等,2014)。

圖9 RMAPS-ST預(yù)報(bào)的2018年7月22日(a)09時(shí),(b)10時(shí)2 m比濕(填色) 和對(duì)流有效位能CAPE(等值線(xiàn), 單位: J·kg-1) (藍(lán)色方框代表天津城區(qū))Fig.9 Distribution of 2 m specific humidity (colored) and convection effective potential energy (contour, unit: J·kg-1) at 09:00 BT (a) and 10:00 BT (b) 22 July 2018, simulated by RMAPS-ST (Blue rectangle represents the urban area of Tianjin)

圖10 RMAPS-ST預(yù)報(bào)的2018年7月22日(a,c,e)09時(shí),(b,d,f)10時(shí)第四模式層(約350 m) 的(a,b)水汽通量(箭頭表示方向,填色表示大小,單位:g·s-1·hPa-1·cm-1); 沿39°N的(c,d)比濕(填色,單位:g·kg-1)、云中水凝物(等值線(xiàn),單位:g·kg-1)和 (e,f)假相當(dāng)位溫(填色、等值線(xiàn),單位:℃)的緯向垂直剖面 (圖10a，10b中紅色方框表示城區(qū))Fig.10 Distribution of water vapor flux (arrows： direction, colored: size, unit: g·s-1·hPa-1·cm-1) at the forth model level (about 350 m) (a, b); latitudinal vertical profiles of specific humidity (colored, unit: g·kg-1) and hydrometeor in cloud (contours, unit: g·kg-1) (c, d); pseudo-equivalent potential temperature (colored and contour, unit: ℃) (e, f) along 39°N at 09:00 BT (a, c, e) and 10:00 BT (b, d, f) (Red rectangle represents urban area in Figs.10a, 10b)

與此同時(shí)，在相對(duì)應(yīng)的假相當(dāng)位溫場(chǎng)上(圖10e,10f)，09時(shí)，天津城區(qū)周?chē)?km高度內(nèi)形成了超過(guò)70℃的高值中心，最大約為85℃；到了10時(shí)，冷池出流、東北風(fēng)和海風(fēng)進(jìn)一步逼近，而前人研究,如易笑園等(2014)和王彥等(2014)均印證了環(huán)渤海地區(qū)的中尺度海風(fēng)具有濕冷的性質(zhì)，因此在這幾支氣流共同作用下，城區(qū)及其周?chē)傧喈?dāng)位溫梯度明顯增大，體現(xiàn)了冷暖空氣的相互作用。假相當(dāng)位溫最大值正好位于市中心且增加至90℃，這是冷池出流前中尺度鋒區(qū)造成的水汽集中以及熱島效應(yīng)伴隨的局地?zé)崃坷鄯e作用共同造成的。從假相當(dāng)位溫的垂直分布來(lái)看，垂直方向上不穩(wěn)定度增強(qiáng)，提供了有利于暴雨發(fā)生的不穩(wěn)定條件。如果用云中的云水混合比、雨水混合比等水凝物來(lái)表征對(duì)流云(如圖10c,10d中黑色等值線(xiàn))的話(huà)，可以看到對(duì)流云的演變趨勢(shì)和發(fā)展形態(tài)基本上與低層水汽和能量場(chǎng)的變化一致。

因此，結(jié)合以上分析可知，本次天津城區(qū)γ中尺度孤立對(duì)流由城區(qū)熱島效應(yīng)、上游冷池出流前的邊界層弱冷空氣、系統(tǒng)性東北風(fēng)和中尺度海風(fēng)共同作用造成，并可將其歸結(jié)為圖11所示的概念模型。下墊面的水平熱力差異及地表能量平衡的結(jié)果導(dǎo)致天津中心城區(qū)形成較為顯著的熱島效應(yīng)，與熱島效應(yīng)伴隨的城市熱島暖低壓的形成與發(fā)展導(dǎo)致中心城區(qū)形成中尺度輻合中心。上游降水產(chǎn)生的中高壓(上游降水區(qū))和天津城市熱島暖低壓(下游非降水區(qū))之間的氣壓梯度導(dǎo)致冷池前沿形成了一支超越冷池出流邊界率先到達(dá)天津城區(qū)的一支北風(fēng)，這支邊界層弱冷空氣與系統(tǒng)性東北風(fēng)、中尺度海風(fēng)在城市熱島暖低壓作用下均向城區(qū)匯合，進(jìn)一步增強(qiáng)了城區(qū)輻合中心的強(qiáng)度及維持時(shí)間。冷池出流前中尺度鋒區(qū)造成的水汽集中以及熱島效應(yīng)伴隨的局地?zé)崃坷鄯e作用使得城區(qū)成為局地高濕、高能區(qū)，且垂直方向上不穩(wěn)定增強(qiáng)，為局地暴雨的發(fā)生提供了有利的中尺度環(huán)境條件。

圖11 2018年7月22日天津城區(qū)附近 造成突發(fā)強(qiáng)降水的孤立對(duì)流 觸發(fā)機(jī)理概念模型Fig.11 Concept model of isolated convective triggering mechanism for the sudden severe rainfall near urban area of Tianjin on July 22 2018

4 結(jié) 論

本文利用睿圖-短期預(yù)報(bào)子系統(tǒng)(RMAPS-ST)的精細(xì)化預(yù)報(bào)結(jié)果、地面加密自動(dòng)站資料、多普勒雷達(dá)資料、FY-4A衛(wèi)星的逐5 min可見(jiàn)光云圖以及北京探空資料，對(duì)2018年7月22日中午發(fā)生在天津城區(qū)的一次突發(fā)性孤立γ中尺度短時(shí)暴雨過(guò)程的熱動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)本次暴雨發(fā)生在500 hPa副高控制范圍內(nèi)，是由城區(qū)孤立風(fēng)暴造成的一次局地強(qiáng)降水過(guò)程，具有范圍小(不足20 km)、生命史短(1～2 h)、雨強(qiáng)大(62.4 mm·h-1)、中尺度邊界層環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)。由可見(jiàn)光云圖上可見(jiàn)對(duì)流是在上游降水系統(tǒng)的冷池邊界還遠(yuǎn)離天津城區(qū)時(shí)觸發(fā)的，此中尺度邊界對(duì)天津城區(qū)的降水不具備直接觸發(fā)作用。

(2)地面加密自動(dòng)站及精細(xì)化數(shù)值模擬資料揭示出城區(qū)的局地暴雨與城市熱島、上游冷池前沿弱冷空氣、系統(tǒng)性東北風(fēng)、海風(fēng)以及它們輻合形成的中尺度輻合中心有直接的關(guān)系：下墊面的水平熱力差異及地表能量平衡的結(jié)果導(dǎo)致天津中心城區(qū)形成較為顯著的熱島效應(yīng)，熱島強(qiáng)度達(dá)2～4℃，與熱島效應(yīng)伴隨的城市熱島暖低壓的形成與發(fā)展導(dǎo)致中心城區(qū)形成中尺度輻合中心。而在降水前的下一個(gè)時(shí)刻，上游降水產(chǎn)生的中尺度高壓(上游降水區(qū))和天津城市熱島暖低壓(下游非降水區(qū))之間形成明顯氣壓梯度，從而導(dǎo)致冷池前沿形成了一支超越冷池出流邊界而率先到達(dá)天津城區(qū)的一支西北風(fēng)，這支西北風(fēng)并非冷池出流，它從上游冷池區(qū)擴(kuò)散出來(lái)并位于冷池邊界前，與系統(tǒng)性東北風(fēng)、午后逐漸形成的中尺度海風(fēng)在城市熱島暖低壓作用下均向城區(qū)匯合，進(jìn)一步增強(qiáng)了城區(qū)輻合中心的強(qiáng)度及維持時(shí)間。另外，從垂直方向上看，沿城區(qū)的緯向、經(jīng)向分別形成了兩個(gè)方向相反的、非對(duì)稱(chēng)的中尺度次級(jí)環(huán)流，其上升支正好位于天津城區(qū)。

(3)通過(guò)分析此次暴雨過(guò)程的熱力環(huán)境，可以發(fā)現(xiàn)在中心城區(qū)形成熱島效應(yīng)的前期，城區(qū)會(huì)變得相對(duì)干燥且能量較低。但到環(huán)流發(fā)展的盛期，隨著冷池出流前中尺度鋒區(qū)造成的水汽集中以及熱島效應(yīng)伴隨的局地?zé)崃坷鄯e，城區(qū)逐漸成為局地高濕、高能區(qū)，且垂直方向上不穩(wěn)定度增強(qiáng)，為局地暴雨的發(fā)生提供了有利的中尺度環(huán)境條件。