胡燕平， 郭賀奇， 武 威， 單鐵良

(漯河市氣象局，河南 漯河 462300)

引 言

沙潁河流域位于河南中部、淮河流域的上游，夏季暴雨頻發(fā)，且持續(xù)時(shí)間長，累計(jì)雨量大，給淮河流域中下游的防汛造成很大壓力，尤其是極端暴雨，往往造成更大的洪澇災(zāi)害。大量研究[1-6]表明，在有利的大尺度背景條件下，低空水汽輸送使暴雨區(qū)增濕，建立了大氣位勢不穩(wěn)定層結(jié)，高空急流輻散與低層低渦切變線附近的輻合共同作用，產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，從而釋放不穩(wěn)定能量，觸發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的生成，形成極端暴雨。諶蕓[7]、陳明軒[8]等對(duì)北京“7·21”特大暴雨過程從極端性、中尺度對(duì)流系統(tǒng)的環(huán)境場條件及暴雨云團(tuán)的傳播和發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究。栗晗[9]、王君[10]等對(duì)2016年河南豫北罕見特大暴雨的降水特征、物理量因子的極端性、地形及中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征進(jìn)行了診斷分析。王叢梅等[11]的研究表明，半定常的地面輻合切變線對(duì)新生對(duì)流的觸發(fā)和已有對(duì)流的維持及加強(qiáng)起到重要作用。

極端暴雨中常伴有短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生。短時(shí)強(qiáng)降水多具有中尺度對(duì)流特征。在中尺度對(duì)流系統(tǒng)影響范圍內(nèi)，中小尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展形成MCS，在部分或局部區(qū)域產(chǎn)生極端暴雨[12-13]。近年來，氣象工作者對(duì)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征、環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)、物理量特征、中小尺度對(duì)流系統(tǒng)等做了大量研究。陳炯等[14]對(duì)中國暖季短時(shí)強(qiáng)降水分布和日變化特征及其與中尺度對(duì)流系統(tǒng)日變化關(guān)系進(jìn)行了分析。王國榮等[15]分析了北京地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征。王婧羽等[16]分析了河南省雨季短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征。侯凱等[17]分析了沙澧河流域短時(shí)強(qiáng)降水特征，并總結(jié)出4種天氣學(xué)概念模型。朱蒙等[18]分析了豫東地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及物理量指標(biāo)。姜玉印等[19]從大尺度環(huán)流背景、中尺度特征及地形等方面對(duì)宜昌一次致災(zāi)極端短時(shí)強(qiáng)降水成因進(jìn)行了分析。魏葳等[20]對(duì)一次典型的梅雨鋒短時(shí)強(qiáng)降水分析發(fā)現(xiàn)，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生于邊界層輻合由弱變強(qiáng)且趨于最強(qiáng)的時(shí)段內(nèi)，超低空風(fēng)速的顯著增大對(duì)暴雨有著重要作用。

2017年8月18日夜間，沙潁河流域出現(xiàn)了一次罕見強(qiáng)降水過程，其中強(qiáng)降水中心1 h降水量高達(dá)81.0 mm，3 h降水量達(dá)161.3 mm，全球數(shù)值模式和指導(dǎo)預(yù)報(bào)均漏報(bào)。目前極端短時(shí)強(qiáng)降水尚無標(biāo)準(zhǔn)的定義。俞小鼎[21]把1 h降水量≥50 mm或者3 h降水量≥100 mm的事件稱為極端短時(shí)強(qiáng)降水；孫繼松等[22]將北京地區(qū)時(shí)間小于6 h、至少一個(gè)自動(dòng)站降水強(qiáng)度≥40 mm·h-1定義為一次極端短時(shí)降水事件；王叢梅等[11]將最大雨強(qiáng)超過50 mm·h-1、3 h雨量超過100 mm的過程稱之為極端短時(shí)強(qiáng)降水。參考上述研究文獻(xiàn)，本次沙潁河流域降水過程可認(rèn)為是一次極端短時(shí)強(qiáng)降水過程。

以往針對(duì)沙潁河流域的降水研究主要集中在持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣的系統(tǒng)性暴雨[23-27]，而對(duì)于突發(fā)性強(qiáng)、影響區(qū)域小、降水時(shí)段集中、降水強(qiáng)度大、致災(zāi)性強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水則研究較少，尤其是對(duì)降水極值中心落區(qū)及極值的預(yù)報(bào)，由于預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)不足，往往造成預(yù)報(bào)失誤。為吸取本次預(yù)報(bào)失誤的教訓(xùn)，本文利用常規(guī)氣象觀測資料、地面自動(dòng)站加密資料、FY-2E衛(wèi)星資料、雷達(dá)資料和NCEP 1°×1°再分析資料，從環(huán)流背景、中小尺度影響系統(tǒng)及降水云團(tuán)、雷達(dá)回波的演變特征分析此次極端短時(shí)強(qiáng)降水過程的環(huán)境條件和中尺度特征，為沙潁河流域極端短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 降水的極端性特征及大尺度環(huán)流背景

1.1 短時(shí)降水的極端性特征

2017年8月18日20:00-19日08:00，沙潁河流域出現(xiàn)了一次較大范圍強(qiáng)降水天氣，流域下游的漯河、周口等地出現(xiàn)大暴雨，局部特大暴雨(圖1a)。流域內(nèi)有37個(gè)區(qū)域自動(dòng)站雨量超過100.0 mm，2個(gè)站雨量達(dá)250.0 mm以上，最大強(qiáng)降水中心位于漯河市召陵區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)，12 h降水量達(dá)280.8 mm。召陵區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)逐時(shí)雨量(圖1b)變化顯示，強(qiáng)降水主要集中在18日23：00-19日07：00，有6個(gè)小時(shí)雨強(qiáng)均超過20.0 mm·h-1，其中19日02：00-03：00小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)81.0 mm·h-1，02：00-05：00 3 h降水量更是達(dá)到161.3 mm。分析本次降水過程的逐小時(shí)最大雨強(qiáng)發(fā)現(xiàn)，小時(shí)雨強(qiáng)大于50.0 mm·h-1的區(qū)域自動(dòng)站有38站，主要位于漯河的召陵區(qū)和西華、項(xiàng)城等縣區(qū)。小時(shí)雨強(qiáng)排名前三的站點(diǎn)分別是漯河市召陵區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)(81.0 mm·h-1)、西華縣奉母鎮(zhèn)(74.1 mm·h-1)、西華縣聶堆鎮(zhèn)(73.9 mm·h-1)。有28個(gè)區(qū)域自動(dòng)站3 h雨量超過100.0 mm。綜上，本次強(qiáng)降水過程具有顯著極端短時(shí)強(qiáng)降水特征。

圖1 2017年8月18日20時(shí)-19日08時(shí)沙潁河流域累積降雨量分布(a)和漯河市召陵區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)逐小時(shí)降雨量(b)

1.2 大尺度環(huán)流背景

18日08：00(圖略)，500 hPa中高緯環(huán)流形勢為兩槽一脊型，低槽分別位于新疆西部和日本海北部，貝加爾湖到東北地區(qū)為一高壓脊，河套東部有一淺槽東移，副熱帶高壓控制華南地區(qū)，其北界位于30°N附近，沙潁河流域位于槽前西南氣流中。700 hPa切變線位于陜北、山西和河北北部，西南急流軸位于貴陽、懷化、武漢一線。850 hPa和925 hPa暖切變線位于河南中部，西南急流軸位于懷化、武漢一線。18日20：00(圖2a)，副高北抬，河套淺槽東移，與副高邊緣的西南暖濕氣流在河南交匯。700 hPa切變線穩(wěn)定，西南低空急流向北伸展，850 hPa和925 hPa暖切變線仍位于河南中部，在切變線南部形成明顯的風(fēng)速輻合，沙潁河流域水汽飽和。19日02：00(圖略)，500 hPa 低槽進(jìn)一步東移；低層切變線維持，低空急流有所增強(qiáng)，沙潁河流域水汽飽和，有利于強(qiáng)降水發(fā)展。地面圖上，受低空急流發(fā)展影響，近地層暖平流明顯加強(qiáng)，地面減壓，倒槽發(fā)展。18日20：00(圖略)，沙潁河流域中部形成東北-西南向的中尺度輻合線。19日02：00(圖2b)，中尺度輻合線逐漸東移南壓至漯河?xùn)|部。19日05：00(圖略)，在漯河?xùn)|部形成一個(gè)中尺度輻合中心，伴有人字形輻合線，輻合上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)，與強(qiáng)降水集中時(shí)段對(duì)應(yīng)較好。

圖2 2017年8月18日20時(shí)高空影響系統(tǒng)綜合圖(a)和19日02時(shí)沙潁河流域地面加密風(fēng)場(b)

2 中尺度對(duì)流發(fā)生發(fā)展的有利環(huán)境條件

2.1 充分的水汽條件

分析沿降水中心的水汽通量和水汽通量散度經(jīng)向-垂直剖面(圖略)可知，18日20：00強(qiáng)降水發(fā)生前，31-32 °N和35 °N附近的水汽通量中心分別達(dá)18 g·cm-1·hPa-1·s-1和12 g·cm-1·hPa-1·s-1，31-35 °N為水汽輻合區(qū)，降水中心處于水汽通量散度為-30×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合大值區(qū)內(nèi)。19日02：00(圖略)，隨著超低空急流的增強(qiáng)，31 -32°N的水汽通量和水汽輻合逐漸增強(qiáng)，中心強(qiáng)度分別達(dá)20 g·cm-1·hPa-1·s-1和-40×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，主要集中在850 hPa高度以下。由此可知，本次過程中充足的水汽輸送及強(qiáng)水汽輻合中心出現(xiàn)在邊界層內(nèi)。分析18日20：00 850 hPa比濕水平分布(圖3a)可知，受西南氣流輸送影響，沙潁河流域處于14 g·kg-1以上的高比濕區(qū)內(nèi)，局部比濕中心高達(dá)16 g·kg-1，且高濕舌逐漸伸向下游地區(qū)，為強(qiáng)降水發(fā)生提供了有利的水汽條件。張霞等[28]對(duì)河南省13個(gè)極端暴雨個(gè)例分析結(jié)果表明，河南中南部極端暴雨過程850 hPa比濕平均在14 g·kg-1以上。王君[10]對(duì)河南北部兩次極端暴雨分析發(fā)現(xiàn)，兩次過程850 hPa比濕均達(dá)到16 g·kg-1。本次過程強(qiáng)降水發(fā)生前，比濕已達(dá)到河南省極端暴雨發(fā)生的水汽條件。由此可知，低層充分的水汽輸送、顯著的強(qiáng)水汽輻合中心及異常偏高的比濕，不僅為極端短時(shí)強(qiáng)降水提供了水汽供應(yīng)，也為中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展提供了必備的水汽條件。

2.2 大氣對(duì)流性不穩(wěn)定

分析假相當(dāng)位溫沿降水中心時(shí)間-垂直剖面(圖略)發(fā)現(xiàn)，過程開始前18日08：00-14:00，隨著超低空急流加強(qiáng)，900 hPa高度以下θse逐漸增加。18日20：00，低層θse達(dá)到最強(qiáng)，950 hPa高度附近出現(xiàn)356 K的高值中心；500 hPa受高空低槽攜帶的冷空氣東移影響，出現(xiàn)中心強(qiáng)度為332 K的低能舌，并逐漸向中低層滲透。可見強(qiáng)降水來臨前，θse隨高度減小，大氣層結(jié)表現(xiàn)為強(qiáng)的對(duì)流性不穩(wěn)定。18日20：00，中高層低能舌下凹，低層高能舌向上凸起，中高層低能舌疊加在低層高能舌之上，二者溫差達(dá)到20 K，有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展。由18日20：00對(duì)流有效位能(CAPE)水平分布圖(圖3b)可知，沙潁河流域中南部對(duì)流有效位能高值區(qū)顯著，CAPE在1200 J·kg-1以上，局部高達(dá)1400～1600 J·kg-1。對(duì)流性強(qiáng)降水過程的上升氣流強(qiáng)度直接與CAPE有關(guān)，CAPE越大，上升氣流越強(qiáng)。根據(jù)雨強(qiáng)公式[29]

圖3 2017年8月18日20時(shí)850 hPa比濕、風(fēng)場(a)和對(duì)流有效位能水平分布(b)

R=E·ω·q

可知，雨強(qiáng)(R)與降水效率(E)、云底上升氣流速度(ω)和比濕(q)成正比。本次過程比濕極端，上升氣流速度較強(qiáng)，有利于極高雨強(qiáng)產(chǎn)生。19日02：00-08：00，隨著強(qiáng)降水產(chǎn)生發(fā)展，CAPE釋放，低層θse逐漸減弱，中高層的θse逐漸增強(qiáng)，強(qiáng)降水區(qū)上空θse隨高度減小，對(duì)流性不穩(wěn)定明顯減弱。

2.3 抬升觸發(fā)機(jī)制

分析強(qiáng)降水中心的散度和垂直速度的時(shí)間-垂直剖面(圖略)可知，18日08：00，強(qiáng)降水區(qū)上空低層輻合、高層輻散較弱，整層為弱的上升運(yùn)動(dòng)。18日14：00以后，低層輻合、高層輻散逐漸增強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)也逐漸增強(qiáng)。18日20：00-19日02：00，高層250 hPa出現(xiàn)4.0×10-5s-1的輻散中心，高層輻散強(qiáng)于低層輻合，抽吸機(jī)制建立，高層輻散、低層輻合的結(jié)構(gòu)有利于上升運(yùn)動(dòng)，700 hPa以下出現(xiàn)-0.3 Pa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。同時(shí)，高層輻散導(dǎo)致低層進(jìn)一步減壓，低層輻合明顯加強(qiáng)，尤其是邊界層900 hPa以下輻合更為顯著，到19日08：00，邊界層輻合中心強(qiáng)度高達(dá)-5.0×10-5s-1。邊界層上強(qiáng)烈輻合抬升不僅有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持，也對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)起到關(guān)鍵作用。

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征

3.1 基于衛(wèi)星的中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變特征

分析這次過程強(qiáng)降水集中時(shí)段紅外云團(tuán)、Tbb及后推1 h降水量的逐時(shí)演變特征(圖4)發(fā)現(xiàn)，18日22：00(圖4a)隨著超低空西南氣流增強(qiáng)，沙潁河流域西南地區(qū)有對(duì)流云團(tuán)A逐漸形成，云團(tuán)分布呈圓狀,范圍大，Tbb中心≤230 K；同時(shí)流域東部地區(qū)暖切變線附近也有對(duì)流云團(tuán)B發(fā)展，Tbb≤240 K。18日23：00(圖略)-19日01：00(圖略),流域上游地區(qū)云團(tuán)A隨槽前暖濕氣流東移北上并發(fā)展增強(qiáng)，流域東北部的對(duì)流云團(tuán)B隨低層和邊界層切變線前側(cè)偏東氣流西移南壓。19日02：00(圖4b)，流域東部對(duì)流云團(tuán)B進(jìn)一步南壓，強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，范圍向西南擴(kuò)展，與上游對(duì)流云團(tuán)A銜接、合并，中心強(qiáng)度達(dá)220 K，水平尺度達(dá)200 km左右，逐漸形成發(fā)展為中β尺度對(duì)流系統(tǒng)C。19日03：00(圖略)，該對(duì)流系統(tǒng)C發(fā)展加強(qiáng)，230 K的冷中心區(qū)增大，橢圓狀結(jié)構(gòu)清晰，其西北側(cè)梯度較高，造成流域中部多地區(qū)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。19日04：00(圖略)-05：00 (圖4c)，MβCS持續(xù)發(fā)展且穩(wěn)定少動(dòng)，云團(tuán)附近多站雨強(qiáng)在50.0 mm·h-1以上。19日06：00-07：00(圖略)，對(duì)流系統(tǒng)在沙潁河下游地區(qū)穩(wěn)定維持，但整個(gè)冷云罩形狀逐漸轉(zhuǎn)為橢圓形。19日08：00(圖略)，中尺度對(duì)流系統(tǒng)移出下游，強(qiáng)降水時(shí)段結(jié)束。

圖4 2017年8月18日22時(shí)(a)、19日02時(shí)(b)、05時(shí)(c)的紅外云團(tuán)、Tbb及后推1 h降水量逐時(shí)演變

同時(shí)結(jié)合Tbb分布對(duì)本次強(qiáng)降水落區(qū)進(jìn)行追蹤分析發(fā)現(xiàn)，地面中尺度雨團(tuán)與Tbb低值中心高梯度區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。8月18日23：00-19日00：00，沙潁河流域上游出現(xiàn)大范圍對(duì)流云團(tuán)，強(qiáng)降水主要分布在Tbb低值中心后側(cè)等值線密集帶中，多個(gè)區(qū)域自動(dòng)站出現(xiàn)20 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水。19日01：00-02：00為MβCS形成并強(qiáng)烈發(fā)展階段，Tbb梯度加大，短時(shí)強(qiáng)降水不斷發(fā)展，20 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水主要位于Tbb低值中心后側(cè)等值線密集帶，多個(gè)區(qū)域自動(dòng)站雨強(qiáng)大于50 mm·h-1。19日02：00-05：00為MβCS成熟并維持階段，強(qiáng)降水落區(qū)與Tbb低值中心后側(cè)等值線密集帶對(duì)應(yīng)特征更加顯著。綜上，極端短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段與中β尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成、發(fā)展并穩(wěn)定維持密切相關(guān)，兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)相向而行，在沙潁河流域中下游合并發(fā)展成MβCS，且呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)維持3 h以上，導(dǎo)致流域中下游強(qiáng)降水發(fā)展。從強(qiáng)降水落區(qū)分布上看，本次極端短時(shí)強(qiáng)降水與Tbb低值中心后側(cè)等值線密集帶對(duì)應(yīng)較好。

3.2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)特征

分析8月18日夜間至19日凌晨駐馬店雷達(dá)組合反射率(圖5)可知，強(qiáng)降水以對(duì)流性回波為主，中心強(qiáng)度達(dá)45 dBZ以上。強(qiáng)降水集中階段對(duì)流性回波演變可分為東北發(fā)展階段、東北-西南向后向傳播階段和準(zhǔn)靜止階段三個(gè)階段，其中極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在后向傳播和準(zhǔn)靜止兩個(gè)階段。

18日21:00至19日02:00為中尺度對(duì)流系統(tǒng)向東北發(fā)展階段(圖5a-c)：沙潁河流域上游地區(qū)出現(xiàn)明顯的塊狀對(duì)流回波，中心強(qiáng)度達(dá)50 dBZ以上，并鑲嵌著55～60 dBZ的對(duì)流單體。隨后在西南氣流引導(dǎo)下，塊狀對(duì)流性回波東移北上并有所發(fā)展，強(qiáng)回波經(jīng)過的測站均出現(xiàn)20 mm·h-1以上的強(qiáng)降水。

19日02:00至19日04:00為中尺度對(duì)流系統(tǒng)轉(zhuǎn)為東北-西南向后向傳播階段(圖5d-f)：此階段與沙潁河流域下游的極端短時(shí)強(qiáng)降水階段相對(duì)應(yīng)。02：36(圖5d)，流域下游出現(xiàn)西北-東南向帶狀強(qiáng)回波，中心強(qiáng)度在50 dBZ以上，同時(shí)也不斷有新生對(duì)流單體從沙潁河流域南部生成并逐漸并入強(qiáng)回波帶。03：30(圖5e)，隨著超低空西南暖濕急流發(fā)展，對(duì)流單體在沙潁河流域的西南方向生成后，在西南引導(dǎo)氣流下不斷向東北移動(dòng)，其移動(dòng)方向和新生對(duì)流單體傳播方向幾乎相反，后向傳播特征顯著。04：00(圖5f)，漯河地區(qū)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)后部不斷有對(duì)流單體生成并發(fā)展，代替前面衰減的對(duì)流單體，形成明顯的列車效應(yīng)，導(dǎo)致漯河出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水。

19日04:00至19日06:12為中尺度對(duì)流系統(tǒng)準(zhǔn)靜止階段(圖5g-i)：對(duì)流性強(qiáng)回波在沙潁河流域中部穩(wěn)定少動(dòng)，該階段多個(gè)發(fā)展旺盛的對(duì)流單體影響漯河、周口等地區(qū)，且50 dBZ以上強(qiáng)回波中心在漯河、周口附近穩(wěn)定維持，準(zhǔn)靜止特征明顯，有利于強(qiáng)降水增幅。

沿04:00(圖5f)與06:12(圖5i)作雷達(dá)反射率垂直剖面(圖5j、k)。從剖面圖中可見，強(qiáng)回波主要位于低層，呈單個(gè)柱狀或柱狀連片，≥45 dBZ的強(qiáng)回波位于6 km以下，具有低質(zhì)心回波的暖區(qū)對(duì)流結(jié)構(gòu)，回波結(jié)構(gòu)密實(shí)，類似于熱帶海洋型回波，降水效率高，導(dǎo)致極端短時(shí)強(qiáng)降水天氣發(fā)生。俞小鼎[21]指出，在這種熱帶海洋型回波中，大于45 dBZ的強(qiáng)回波1 h對(duì)應(yīng)降水量在50 mm以上。而本次過程45 dBZ以上的強(qiáng)回波在沙潁河流域中下游穩(wěn)定維持，對(duì)應(yīng)19日02:00-03:00、03:00-04:00召陵區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)站小時(shí)雨強(qiáng)分別為81.0 mm·h-1、54.2 mm·h-1，與上述分析一致。

圖5 2017年8月18日22:30(a)、18日23:30(b)、19日01:00(c)、19日02:36(d)、19日03:30(e)、19日04:00(f)、19日04:36(g)、19日05:36(h)、19日06:12(i)駐馬店雷達(dá)組合反射率圖及沿圖(f)、(i)所作的19日04:00(j)、19日06:12(k)雷達(dá)反射率剖面圖

徑向速度圖上(圖6)，18日22:42(圖6a)沙潁河上游出現(xiàn)中氣旋，中氣旋導(dǎo)致中尺度對(duì)流系統(tǒng)更具有組織性，而對(duì)流單體持續(xù)時(shí)間較長，有利于極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展。19日01:54(圖略)，漯河附近出現(xiàn)氣旋性輻合，范圍逐漸擴(kuò)大，同時(shí)氣旋性渦旋右前方伴隨中氣旋產(chǎn)生。02:42(圖略)-03:30(圖6b)，沙潁河流域下游的漯河、西華、周口不斷有多個(gè)中氣旋出現(xiàn)，并且移速緩慢，有利于強(qiáng)降水進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)應(yīng)03:30雷達(dá)徑向速度剖面(圖6c)上，降水區(qū)為低層輻合特征，或低層中尺度輻合與高層輻散疊加的特征，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，有利于極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)展和維持。

圖6 2017年8月18日22:42(a)、03:30(b)駐馬店雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖及沿圖(b)所作03:30(c)雷達(dá)徑向速度剖面圖

強(qiáng)降水集中時(shí)段多次有中氣旋產(chǎn)生。俞小鼎[21]指出，在有利于強(qiáng)降水的環(huán)境條件下，中尺度對(duì)流系統(tǒng)中含有中氣旋會(huì)明顯增加強(qiáng)降水的可能性，這是因?yàn)槎鄠€(gè)中氣旋之間相互作用增加上升氣流強(qiáng)度、回波強(qiáng)度及雨強(qiáng)，致使局地極端強(qiáng)降水發(fā)展；同時(shí)中氣旋都與部分上升氣流重合，使對(duì)流風(fēng)暴形成較大的垂直螺旋度，導(dǎo)致對(duì)流系統(tǒng)能夠維持較長的生命史。結(jié)合18日08:00至19日14:00降水中心的垂直螺旋度的時(shí)間-高度垂直分布分析發(fā)現(xiàn)(圖略)，從18日20：00至19日08：00降水中心底層始終有明顯的正螺旋度維持。其中，19日02：00 900 hPa附近出現(xiàn)2.0×10-7hPa·s-2的正垂直螺旋度中心，有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展。這印證了俞小鼎的研究結(jié)論。

由此可見，本次過程中心強(qiáng)度達(dá)45 dBZ以上的對(duì)流性回波在沙潁河流域上游生成，在近地層輻合抬升作用下，逐漸發(fā)展為旺盛的對(duì)流單體，在西南氣流引導(dǎo)下向東北移動(dòng)，同時(shí)超低空西南急流上有新生對(duì)流單體向西南傳播，后向傳播特征顯著。流域中下游不斷有強(qiáng)回波對(duì)流單體更新交替，形成明顯的列車效應(yīng)。反射率垂直剖面上，強(qiáng)回波主要位于低層，呈單個(gè)柱狀或柱狀連片，具有低質(zhì)心回波的暖區(qū)對(duì)流結(jié)構(gòu)，降水效率較高。徑向速度在低層出現(xiàn)中小尺度氣旋性流場或輻合區(qū)及中氣旋，在高層出現(xiàn)輻散，形成中尺度垂直環(huán)流，有利于產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水。

4 極端短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)

圖7為本次過程各尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖7所示，本次極端短時(shí)強(qiáng)降水過程中500 hPa高空槽較淺，700 hPa切變線較弱，弱天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫的上升運(yùn)動(dòng)弱。結(jié)合水汽和熱力條件診斷分析可知，充分的水汽供應(yīng)出現(xiàn)在近地層；低層925 hPaθse中心值高達(dá)356 K，且強(qiáng)降水時(shí)段900 hPa以下持續(xù)有354 K以上的高能區(qū)，因此即使動(dòng)力抬升條件有限，但近地層強(qiáng)烈持續(xù)的高溫高濕為中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)提供了重要條件。同時(shí)隨著夜間超低空急流的發(fā)展，低空急流左側(cè)的強(qiáng)輻合中心增強(qiáng)，也加強(qiáng)了邊界層輻合抬升作用，對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)起到關(guān)鍵作用。產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水的直接系統(tǒng)是中β尺度對(duì)流系統(tǒng)，它是由低空急流風(fēng)速輻合帶上的對(duì)流云團(tuán)和切變線云系上對(duì)流云團(tuán)合并發(fā)展而成，在沙潁河流域中下游維持3 h以上形成極端短時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水中心主要分布在MβCS中心后側(cè)Tbb等值線密集區(qū)。

圖7 沙潁河流域“8·19”過程極端短時(shí)強(qiáng)降水各尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，本次過程發(fā)生在弱天氣強(qiáng)迫下由中尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)。目前的數(shù)值模式在極端降水方面可預(yù)報(bào)性較差，此類天氣的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)主要在于對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)生消及強(qiáng)度變化的把握。在中高層天氣尺度系統(tǒng)不明顯或弱強(qiáng)迫下，除了要關(guān)注低層尤其是邊界層系統(tǒng)和對(duì)極端短時(shí)強(qiáng)降水有指示意義的環(huán)境參數(shù)外，更不能忽略中小尺度對(duì)流系統(tǒng)準(zhǔn)靜止、列車效應(yīng)、后向傳播等特征對(duì)極端短時(shí)降水預(yù)報(bào)預(yù)警的重要作用。

5 結(jié) 論

(1)本次極端短時(shí)強(qiáng)降水過程發(fā)生在高空淺槽與副熱帶高壓邊緣交匯背景下，超低空西南急流帶來充沛水汽和不穩(wěn)定能量，低層切變線及地面輻合線穩(wěn)定維持，為中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

(2)低層充分水汽輸送、較強(qiáng)水汽輻合中心與異常偏高的比濕，為強(qiáng)降水提供了水汽供應(yīng)；大氣對(duì)流不穩(wěn)定明顯，CAPE較高，導(dǎo)致極端短時(shí)雨強(qiáng)產(chǎn)生；邊界層上強(qiáng)烈輻合抬升不僅有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持，也對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)起到關(guān)鍵作用。

(3)強(qiáng)降水與中β尺度對(duì)流系統(tǒng)形成、發(fā)展、維持有關(guān)。兩個(gè)中小尺度對(duì)流云團(tuán)合并發(fā)展成MβCS，MβCS形成后在流域下游呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)并維持3 h以上，造成極端短時(shí)強(qiáng)降水，其落區(qū)分布在Tbb低值中心后側(cè)等值線密集區(qū)。

(4)強(qiáng)降水回波可分為東北發(fā)展階段、東北-西南向后向傳播階段和準(zhǔn)靜止階段三個(gè)階段。其中，極端強(qiáng)降水發(fā)生在后向傳播和準(zhǔn)靜止兩個(gè)階段。在反射率垂直剖面上，強(qiáng)降水具有低質(zhì)心回波的暖區(qū)對(duì)流結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)速度場上有氣旋性輻合區(qū)及中氣旋、高層輻散等特征。

(5)在大尺度或天氣尺度系統(tǒng)弱強(qiáng)迫作用下，此類降水天氣的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)不僅要關(guān)注低層尤其是邊界層系統(tǒng)和一些重要的對(duì)流參數(shù)，也要關(guān)注中尺度對(duì)流系統(tǒng)準(zhǔn)靜止、列車效應(yīng)、后向傳播等特征，后者對(duì)極端短時(shí)降水預(yù)報(bào)預(yù)警同樣具有重要意義。