楊曉亮，楊敏，段宇輝，朱剛，孫云

(1.河北省氣象臺(tái)，石家莊 050021；2.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021；3.河北省氣象行政技術(shù)服務(wù)中心，石家莊 050021)

引言

暴雨是我國(guó)華北地區(qū)夏季主要的災(zāi)害性天氣之一，往往引發(fā)山洪、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害。華北地處中緯度地區(qū)，暴雨的局地性強(qiáng)、突發(fā)性明顯、影響系統(tǒng)多、物理機(jī)制復(fù)雜，與華南暴雨和長(zhǎng)江流域梅雨期暴雨相比具有一定的地域性特征，一直以來(lái)備受氣象學(xué)者和預(yù)報(bào)員關(guān)注。尤其是近年來(lái)，華北地區(qū)極端強(qiáng)降水過(guò)程頻發(fā)，眾多學(xué)者從環(huán)境條件、多尺度特征、物理機(jī)制、復(fù)雜地形、下墊面影響等諸多方面對(duì)華北暴雨進(jìn)行了研究。例如，對(duì)社會(huì)關(guān)注度極高的2012 年“7.21”北京及華北特大暴雨(以下簡(jiǎn)稱“7.21”特大暴雨)，不少研究(俞小鼎，2012；孫軍等，2012；諶蕓等，2012；孫建華等，2013；陳明軒等，2013)均表明，此次極端暴雨過(guò)程分為暖區(qū)降水和鋒面降水，是在有利的大尺度環(huán)流背景下由多個(gè)長(zhǎng)生命史、穩(wěn)定少動(dòng)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)造成。再如，對(duì)2016 年“7.19”華北極端強(qiáng)降水過(guò)程，相關(guān)研究表明，高低空系統(tǒng)耦合背景下快速發(fā)展的深厚氣旋是影響強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的重要系統(tǒng)(趙思雄等，2018)，降水期間各物理量明顯偏離氣候平均態(tài)(栗晗等，2018)，地形對(duì)降水增幅作用顯著(符嬌蘭等，2017)，潛熱反饋過(guò)程對(duì)強(qiáng)降水起非常重要的作用(雷蕾等，2017)。北方局地強(qiáng)降水多發(fā)生在高濕環(huán)境下，低空急流、邊界層中尺度輻合線等中尺度系統(tǒng)是觸發(fā)強(qiáng)降水的關(guān)鍵因子(徐珺等，2014；諶蕓等，2018；孫密娜等，2018；張楠等，2018；劉瑾等，2020)。特別是低空急流的動(dòng)力作用表現(xiàn)為風(fēng)速脈動(dòng)和風(fēng)速增大，有利于其出口區(qū)降壓形成氣旋性風(fēng)場(chǎng)或切變，觸發(fā)和加強(qiáng)對(duì)流(雷蕾等，2020)。盡管上述研究從理論上揭示了華北暴雨形成的環(huán)境條件和原因，對(duì)指導(dǎo)華北暴雨預(yù)報(bào)具有積極作用，但對(duì)于副高外圍暖區(qū)大暴雨預(yù)報(bào)的指導(dǎo)能力有限，尤其是京津冀地區(qū)地理環(huán)境多樣，暖區(qū)暴雨形成的機(jī)理極為復(fù)雜，在現(xiàn)有認(rèn)知和方法的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度難度很大(趙思雄和孫建華，2019)，暴雨預(yù)報(bào)時(shí)有失誤。因此，針對(duì)新近華北發(fā)生的暖區(qū)大暴雨過(guò)程深入研究其形成機(jī)制仍然十分必要。

2020 年8月12日早晨開始，京津冀地區(qū)自南向北先后迎來(lái)當(dāng)年入汛以來(lái)最強(qiáng)降雨天氣，多地自動(dòng)站日降雨量超過(guò)其建站以來(lái)8月中旬日雨量歷史極值。本次過(guò)程與“7.21”特大暴雨的天氣形勢(shì)非常相似，但降水分布存在明顯不同：一是本次過(guò)程鋒面造成的降水很弱，強(qiáng)降水主要發(fā)生在暖區(qū)；二是不同于“7.21”特大暴雨集中出現(xiàn)在京津冀的北部，本次過(guò)程在京津冀南北相距不足200 km區(qū)域內(nèi)先后兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)成片暖區(qū)大暴雨。盡管業(yè)務(wù)上預(yù)報(bào)出了本次強(qiáng)降水過(guò)程，但對(duì)于南北兩個(gè)區(qū)域暖區(qū)暴雨的估計(jì)和認(rèn)識(shí)均存在不足。那么，導(dǎo)致兩個(gè)區(qū)域暴雨的中小尺度系統(tǒng)是如何發(fā)展演變的、其形成機(jī)制有何不同？本文利用多源觀測(cè)資料對(duì)此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程的降水特征、環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)演變特征及其形成原因進(jìn)行了分析，期望為提高此類暴雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率、減少暴雨災(zāi)害損失提供參考。

1 資料說(shuō)明

本文使用的資料包括：(1)美國(guó)國(guó)家環(huán)境氣象預(yù)報(bào)中心(NCEP)逐6 h 再分析資料(分辨率1°×1°)。(2)2020 年8 月11—12 日北京和邢臺(tái)探空站資料。(3)河北省氣象信息中心提供的經(jīng)質(zhì)量控制的京津冀區(qū)域逐小時(shí)區(qū)域自動(dòng)站氣象資料，氣象要素包括溫度、露點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速和小時(shí)雨量。(4)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供的風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星云圖。(5)2020年8月12日05時(shí)(北京時(shí)，下同)—13日08時(shí)京津冀雷達(dá)拼圖產(chǎn)品。(6)河北省氣象信息中心提供的2020年8月12日02—09時(shí)邯鄲風(fēng)廓線雷達(dá)資料。(7)北京城市氣象研究院基于京津冀多部雷達(dá)資料的多普勒雷達(dá)變分同化分析系統(tǒng)(Variational Doppler Radar Analysis System，VDRAS)的熱力動(dòng)力反演資料，空間分辨率5 km×5 km，時(shí)間分辨率18 min，垂直方向15層，最低層距地面187.5 m。

2 降水實(shí)況及特點(diǎn)

2020 年8 月12 日00 時(shí)—13 日14 時(shí)，京津冀各地自南向北先后迎來(lái)當(dāng)年入汛以來(lái)最強(qiáng)降水，該地區(qū)有240個(gè)自動(dòng)站(含區(qū)域站)過(guò)程降水量超過(guò)100 mm，強(qiáng)降水呈準(zhǔn)南北向帶狀分布(圖1a)。逐小時(shí)降水量(圖2)演變顯示，12日06時(shí)降水始于河北東南部，之后自南向北發(fā)展，雨區(qū)逐漸增大，14時(shí)之前河北東南部地區(qū)雨強(qiáng)較大(圖2c、d)。16 時(shí)后，河北中部地區(qū)降水開始加強(qiáng)(圖2g、h)，強(qiáng)降水中心緩慢向東北方向移動(dòng)?？梢?，此過(guò)程表現(xiàn)出明顯的階段性，強(qiáng)降水可分為兩個(gè)階段：第一階段是12日05—14時(shí)，暴雨區(qū)位于邯鄲中東部、邢臺(tái)中東部、石家莊東南部和衡水市(圖1a)，其中邢臺(tái)東部的趙店站過(guò)程雨量最大達(dá)217.2 mm；第二階段降水集中在12 日16 時(shí)—13 日06 時(shí)，暴雨區(qū)位于保定中東部、雄安新區(qū)、滄州西部、廊坊南部、北京中部、天津西部北部、承德和唐山北部等地(圖1a)，雨區(qū)范圍更廣，其中有三個(gè)大暴雨中心，雄安新區(qū)王家房站雨量最大為241.5 mm。兩個(gè)階段暴雨在空間上以石家莊—滄州為界(圖1a中白色虛線)。由自南向北依次選取的邯鄲陳村鄉(xiāng)、雄安王家房、北京沙河水庫(kù)、承德孟子嶺四個(gè)代表站小時(shí)降水量變化(圖1b)可知，陳村鄉(xiāng)站(代表第一階段強(qiáng)降水)強(qiáng)降水集中在12 日06—10 時(shí)，最大雨強(qiáng)超過(guò)80 mm·h-1；王家房、沙河水庫(kù)和孟子嶺站(代表第二階段強(qiáng)降水)自南向北從12 日16 時(shí)開始降水，一直到13 日06 時(shí)結(jié)束，持續(xù)14 h，其中王家房站在12 日18—19 時(shí)出現(xiàn)125.9 mm 極端小時(shí)降水。將雨強(qiáng)超過(guò)20 mm·h-1定義為短時(shí)強(qiáng)降水，從短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)的時(shí)間變化看(圖1b中折線)，第一階段在08—09時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水峰值，16時(shí)站數(shù)降至20站以下；第二階段在23時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)最多達(dá)141站，此時(shí)強(qiáng)降水范圍最廣，13日01時(shí)后短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)迅速下降。

圖1 2020年8月12日00時(shí)—13日14時(shí)京津冀地區(qū)累積降雨量分布(a，單位:mm；白色虛線為南北降水分界線)，以及大暴雨區(qū)四個(gè)代表站雨量(單位:mm)和京津冀地區(qū)超過(guò)20 mm·h-1強(qiáng)降水站數(shù)逐小時(shí)變化(b)Fig.1 (a)Accumulated precipitation(unit:mm)in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 00:00 BT 12 to 14:00 BT 13 August 2020,and(b)the hourly rainfall(unit:mm)at the four representative stations in the extra torrential rain zone and the hourly number of severe precipitation stations with hourly rainfall greater than 20 mm in this region.In(a)white dashed line denotes the north-south precipitation boundary.

圖2 2020年8月12日06時(shí)(a)、08時(shí)(b)、10時(shí)(c)、12時(shí)(d)、14時(shí)(e)、16時(shí)(f)、18時(shí)(g)、20時(shí)(h)、22時(shí)(i)以及13日00時(shí)(j)、02時(shí)(k)、04時(shí)(l)京津冀地區(qū)自動(dòng)站1 h雨量分布(單位:mm)Fig.2 Distribution of 1-hour rainfall(unit:mm)at the automatic weather stations(AWSs)over the Beijing-Tianjin-Hebei region at(a)06∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)10∶00 BT,(d)12∶00 BT,(e)14∶00 BT,(f)16∶00 BT,(g)18∶00 BT,(h)20∶00 BT,and(i)22∶00 BT on 12 and(j)00∶00 BT,(k)02∶00 BT,and(l)04∶00 BT on 13 August 2020.

綜上分析可知，此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程具有累積雨量大、影響范圍廣、過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、單站雨強(qiáng)極端等特點(diǎn)，強(qiáng)降水表現(xiàn)出明顯的階段性，第一階段暴雨集中在河北東南部，小時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)最多超過(guò)90站，持續(xù)時(shí)間8 h；第二階段暴雨出現(xiàn)在京津冀中北部，發(fā)生在第一階段之后，持續(xù)時(shí)間達(dá)14 h，短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)在23時(shí)最多達(dá)到141站。這表明第二階段強(qiáng)降水范圍更大、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)；在空間分布上，兩階段強(qiáng)降水區(qū)域明顯不同，以石家莊、滄州一線為界線分屬南北兩片。

3 環(huán)流形勢(shì)與環(huán)境條件分析

3.1 環(huán)流形勢(shì)與主要影響系統(tǒng)

2020 年8 月12 日02 時(shí)(圖3a)，200 hPa 高空急流偏北偏西，500 hPa副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)呈塊狀且異常強(qiáng)盛，588 dagpm 等值線控制山東大部，西風(fēng)槽和對(duì)應(yīng)低層的低渦系統(tǒng)位于河套以西，河北處于500 hPa 副高外圍，850 hPa 河北南部地區(qū)為東南風(fēng)控制；08時(shí)河套以西低槽(渦)略東移(圖3b)，副高進(jìn)一步西伸，588 dagpm等值線到達(dá)河北東部，850 hPa河北轉(zhuǎn)為一致的東南風(fēng)，在河北東南部與山東交界處出現(xiàn)小范圍低空急流，急流前側(cè)存在風(fēng)速的輻合，此時(shí)第一階段強(qiáng)降水在河北東南部開始(圖2b)。14—20時(shí)(圖3c、d)，500 hPa 低槽(渦)系統(tǒng)加深發(fā)展、移動(dòng)緩慢，588 dagpm等值線略向東撤，850 hPa有一支東南偏南風(fēng)低空急流迅速向北向東發(fā)展，急流左側(cè)形成暖式切變線，并從京津向東移動(dòng)到河北東部。20時(shí)850 hPa河北東北部風(fēng)速超過(guò)20 m·s-1，急流軸寬度和強(qiáng)度明顯增大(圖3d)，急流軸左側(cè)有明顯的風(fēng)速輻合和風(fēng)向切變，此時(shí)河套低渦底部冷式切變線正好到達(dá)山西中部，說(shuō)明本次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程無(wú)明顯冷空氣參與。隨著200 hPa高空急流東傳，京津冀北部轉(zhuǎn)為高空分流區(qū)，第二階段大范圍強(qiáng)降水在京津冀中北部發(fā)展。

圖3 2020年8月12日02時(shí)(a)、08時(shí)(b)、14時(shí)(c)、20時(shí)(d)200 hPa超過(guò)35 m·s-1急流區(qū)(填色區(qū)，單位:m·s-1)、500 hPa位勢(shì)高度(紅色和藍(lán)色等值線，單位:dagpm)以及850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位:m·s-1；紅色風(fēng)向桿為低空急流)和溫度(紫色等值線,單位:℃)Fig.3 Jet stream(color-filled areas,unit:m·s-1)with wind speed greater than 35 m·s-1 at 200 hPa,geopotential height(red and blue contours,unit:dagpm)at 500 hPa and wind field(wind barbs,unit:m·s-1)and temperature(purple contours,unit:℃)at 850 hPa at(a)02∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)14:00 BT and(d)20∶00 BT on 12 August 2020.Red wind barbs denote the low-level jet.

以上分析表明，兩階段強(qiáng)降水均發(fā)生在副高邊緣、500 hPa 及以下層次的暖氣團(tuán)中。第一階段降水發(fā)生在588 dagpm等值線邊緣，850 hPa低空東南急流前側(cè)的風(fēng)速輻合區(qū)，急流強(qiáng)度和范圍較小；第二階段大暴雨發(fā)生在850 hPa偏南風(fēng)低空急流明顯加強(qiáng)北上的背景下，低空急流、暖式切變線和200 hPa高空分流區(qū)為第二階段大范圍暴雨提供了更有利的動(dòng)力條件。

3.2 水汽和不穩(wěn)定能量

水汽在暴雨中的作用至關(guān)重要(王華等，2019)，大氣中的水汽主要有兩個(gè)來(lái)源，一是本地大氣的絕對(duì)含水量，二是外地水汽輸送及在本地輻合。8月11日白天，隨著副高西伸加強(qiáng)，河北受反氣旋控制，天氣濕熱，平原大部分地區(qū)午后最高氣溫為32～33 ℃，露點(diǎn)溫度為24～27 ℃(圖略)，表明近地層水汽含量較大，雖然11日夜間氣溫有所下降，但12日早晨降水開始前，河北東南部地區(qū)地面露點(diǎn)溫度仍維持在25～26 ℃(圖4a)，大氣可降水量高達(dá)60 mm 以上。08—14 時(shí)隨著850 hPa南到東南風(fēng)向北推進(jìn)(圖4b、c)，水汽被輸送到河北中東部，水汽通量大值區(qū)前端存在水汽輻合。伴隨水汽輸送，京津冀東部地區(qū)整層大氣可降水量明顯上升，在降水發(fā)生前均增大到60～70 mm(圖4d)，表明整層大氣水汽含量充沛。Tian等(2015)研究指出，大氣可降水量(PWV)達(dá)到60 mm是我國(guó)東部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的充分條件。對(duì)照這一條件，此次過(guò)程第一階段強(qiáng)降水發(fā)生前河北東南部已聚集了充沛的水汽，而第二階段產(chǎn)生暴雨所需的水汽主要由東南風(fēng)輸送。

圖4 2020年8月12日05時(shí)地面露點(diǎn)溫度(a,單位:℃)，08時(shí)(b)和14時(shí)(c)850 hPa水汽通量(等值線,單位:10-3g·cm-1·hPa-1?s-1)和水汽通量散度(填色區(qū)，單位:10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)，以及14時(shí)整層大氣可降水量(d,單位:mm)Fig.4 (a)Surface dew-point temperature(dots,unit:℃)at 05∶00 BT,the water vapor flux(contours,unit:10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)and water vapor flux divergence(color-filled areas,unit:10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)at 850 hPa at(b)08∶00 BT and(c)14∶00 BT,and(d)whole atmospheric precipitable water(numbers,unit:mm)at 14∶00 BT on 12 August 2020.

位于河北南部的邢臺(tái)探空站實(shí)測(cè)資料顯示，此過(guò)程第一階段降水前的11日20時(shí)(圖5a)，600 hPa以下為一致的南到東南風(fēng)，風(fēng)速在10 m·s-1以下，對(duì)流有效位能(CAPE)達(dá)到2 504 J·kg-1，對(duì)流抑制能量(CIN)僅52.8 J·kg-1，抬升凝結(jié)高度(LCL)在925 hPa，表明大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，對(duì)流較易被觸發(fā)。另由北京站探空曲線可見，此過(guò)程第二階段強(qiáng)降水發(fā)生前的12日08時(shí)(圖5b)，600 hPa以下為一致的偏南風(fēng)，CAPE為554 J·kg-1，CIN 為0，LCL 在925 hPa 以下，14 時(shí)(圖略)低層風(fēng)速明顯增大并出現(xiàn)低空急流，700 hPa 附近偏南風(fēng)增至18 m·s-1，而925 hPa東南風(fēng)增至12 m·s-1以上，利用14時(shí)北京地面氣溫和露點(diǎn)溫度對(duì)08 時(shí)探空進(jìn)行訂正后的CAPE(圖5b 中綠色斜線)高達(dá)2 532 J·kg-1，表明大氣層結(jié)變得更不穩(wěn)定?？梢姡诙A段隨著低空急流增強(qiáng)，低層增溫增濕，使得大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定，對(duì)流也更易被觸發(fā)。

圖5 2020年8月11日20時(shí)邢臺(tái)站(a)和12日08時(shí)北京站(b)探空曲線(圖b中綠色斜線為用14時(shí)北京地面氣溫和露點(diǎn)溫度訂正的對(duì)流有效位能，單位:J·kg-1)Fig.5 Sounding chart at(a)Xingtai station at 20∶00 BT on 11 and(b)Beijing station at 08∶00 BT on 12 August 2020.In(b)the green short-line shaded area is Convective Available Potential Energy(unit:J·kg-1)corrected by surface temperature and dew-point temperature at Beijing station at 14∶00 BT on 12 August 2020.

綜上分析表明，此過(guò)程第一階段強(qiáng)降水發(fā)生前暴雨區(qū)水汽充沛、對(duì)流能量充足，低層?xùn)|南風(fēng)輸送了大量水汽；第二階段水汽主要來(lái)自偏南風(fēng)輸送，低空急流的增強(qiáng)使的低層增暖增濕，大氣層結(jié)變得更加不穩(wěn)定，抬升凝結(jié)高度更低，對(duì)流更易被觸發(fā)。

3.3 低空急流的演變

對(duì)環(huán)流形勢(shì)的分析發(fā)現(xiàn)本次過(guò)程兩個(gè)強(qiáng)降水階段均伴有低空急流。下文利用更精細(xì)的風(fēng)廓線雷達(dá)和VDARS資料分析低空急流的演變。從8月12日02時(shí)開始，邯鄲上空3 km 以下始終維持一致的東南風(fēng)，風(fēng)速在10 m·s-1以下(圖6a)，其變化不大。到06時(shí)，近地面風(fēng)速增大到10 m·s-1以上，地面開始出現(xiàn)零星降水(圖6b)；07—08 時(shí)1—3 km 東南風(fēng)明顯增大，出現(xiàn)了風(fēng)速超過(guò)12 m·s-1的低空急流，隨著風(fēng)速增大，邯鄲地面小時(shí)降水迅速增大到35.9 mm(圖6b)，之后邯鄲降水隨著低空急流消失而很快減弱。VDRAS 距地面1 000 m高度的水平風(fēng)場(chǎng)和水平散度場(chǎng)顯示，10時(shí)邢臺(tái)北部到衡水西南部一帶東南風(fēng)風(fēng)速在10～12 m·s-1之間(圖7a)，配合小范圍的水平輻合，地面降水強(qiáng)度在10～30 mm·h-1。12時(shí)，邢臺(tái)北部到衡水西南部的東南風(fēng)明顯加強(qiáng)(圖7b)，風(fēng)速加大到14～16 m·s-1，急流軸寬度在100 km左右，散度場(chǎng)上輻合區(qū)范圍仍較小，地面20～40 mm·h-1強(qiáng)降水位于急流出口區(qū)左前側(cè)?？梢?，第一階段地面降水增強(qiáng)與低空急流的出現(xiàn)關(guān)系密切，強(qiáng)降水主要位于邊界層急流出口區(qū)左前側(cè)。

圖6 2020年8月12日02—09時(shí)邯鄲上空垂直風(fēng)廓線(a,風(fēng)矢，單位:m·s-1；等值線為超過(guò)12 m·s-1的低空急流)及位于其西北側(cè)的邯鄲開發(fā)區(qū)自動(dòng)站逐小時(shí)降水量演變(b,單位:mm)Fig.6 (a)Vertical wind profile(wind barbs,unit:m·s-1)at Handan station and(b)hourly precipitation(unit:mm)at the Handan Kaifaqu AWS in the northwest of Handan from 02∶00 BT to 09∶00 BT on 12 August 2020.In(a)contours represent the low-level jet of wind speed greater than 12 m·s-1.

圖7 2020年8月12日10時(shí)(a)、12時(shí)(b)、16時(shí)(c)、18時(shí)(d)、20時(shí)(e)和22時(shí)(f)VDARS 1 000 m高度水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位:m·s-1)、散度(等值線，單位:10-5s-1)與其后1 h降水量≥10 mm的自動(dòng)站點(diǎn)(彩色圓點(diǎn)，單位:mm)分布疊加圖Fig.7 Superposition of the horizontal wind(wind bars,unit:m·s-1)and divergence(contours,unit:10-5s-1)at 1 000 m height from VDARS and the stations(color dots,unit:mm)of post-1 h accumulated precipitation greater than or equal to 10 mm at(a)10∶00 BT,(b)12∶00 BT,(c)16∶00 BT,(d)18∶00 BT,(e)20∶00 BT,and(f)22∶00 BT on 12 August 2020.

第二階段降水在16 時(shí)后開始增強(qiáng)(圖7c)，16—17時(shí)保定東部和滄州西部附近地面大于20 mm·h-1短時(shí)強(qiáng)降水的面積超過(guò)2 300 km2，最大雨強(qiáng)超過(guò)50 mm·h-1；17—18時(shí)在保定東部、滄州西部等地出現(xiàn)大范圍短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)超過(guò)70 mm·h-1(圖7d)。分析VDRAS距地面1 000 m 高度的水平風(fēng)場(chǎng)和水平散度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，此階段降水的發(fā)生發(fā)展與邊界層?xùn)|南風(fēng)急流的關(guān)系更為密切。12 日16 時(shí)(圖7c)，衡水北部到滄州西部存在一支較強(qiáng)邊界層?xùn)|南風(fēng)急流，急流軸寬度約150 km，急流核風(fēng)速16～18 m·s-1，水平輻合主要位于急流出口區(qū)左側(cè)，對(duì)應(yīng)地面10～20 mm 的小時(shí)雨量分布，超過(guò)20 mm的站數(shù)較少。17時(shí)滄州西部急流核超過(guò)20 m·s-1(圖略)，其前側(cè)水平輻合明顯增強(qiáng)，地面小時(shí)雨量超過(guò)20 mm的范圍明顯擴(kuò)大。18時(shí)超過(guò)20 m·s-1的急流核范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，輻合中心呈南北向帶狀，地面降水繼續(xù)增強(qiáng)，單站最大小時(shí)雨量超過(guò)70 mm(圖7d)。20 時(shí)(圖7e)，急流核左側(cè)維持強(qiáng)輻合，輻合區(qū)由南北向帶狀轉(zhuǎn)為“逗點(diǎn)狀”，同時(shí)保定、雄安附近形成水平尺度超過(guò)100 km的中尺度低渦，維持近5 h，強(qiáng)降水位于中尺度低渦東側(cè)、急流核左側(cè)強(qiáng)輻合區(qū)中。12日22 時(shí)—13 日00 時(shí)，低空東南急流和中尺度低渦強(qiáng)度維持，先后影響北京和河北東北部(圖略)，造成北京中部、承德南部、唐山北部等地強(qiáng)降水。

以上分析表明，兩個(gè)階段地面降水均與低空急流關(guān)系密切，第一階段強(qiáng)降水位于邊界層急流出口區(qū)左前側(cè)，急流軸水平尺度較小。第二階段邊界層急流軸寬度和強(qiáng)度均強(qiáng)于第一階段，水平輻合區(qū)范圍更大，配合中尺度低渦系統(tǒng)，強(qiáng)降水主要位于中尺度低渦東側(cè)、急流出口區(qū)左側(cè)以及水平輻合區(qū)內(nèi)。

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變與強(qiáng)降水成因

4.1 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的云圖特征

為揭示本次過(guò)程兩個(gè)階段的強(qiáng)降水環(huán)境條件和中小尺度天氣系統(tǒng)演變的差異，本文利用國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供的逐15 min 的FY-4 氣象衛(wèi)星云圖，分析不同階段暴雨區(qū)對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)特征。從上述兩個(gè)階段對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展演變圖(圖8)上看到，8月12日06時(shí)，隨著低層?xùn)|南風(fēng)向北推進(jìn)，處于副高外圍的山東西部有兩個(gè)塊狀對(duì)流云團(tuán)(A1和A2)發(fā)展，同時(shí)河北南部地面輻合線附近(圖9a)有一β中尺度對(duì)流云團(tuán)(A3)被觸發(fā)，此時(shí)河北境內(nèi)地面降水還較弱(圖8a)。A3被觸發(fā)后迅速增強(qiáng)、面積增大，地面降水隨之加大，08時(shí)A3與A1、A2合并(圖8b)，可見光云圖(圖略)顯示A3云頂起伏不平、呈花菜狀，其上沖云頂和暗影清晰可見，表明對(duì)流發(fā)展旺盛，而A1、A2云頂較均勻并呈纖維狀，說(shuō)明其以高空卷云為主，對(duì)應(yīng)地面小時(shí)降水普遍不足10 mm(圖8b)，可見光云圖上的這種云頂結(jié)構(gòu)差異是此階段紅外圖像上冷云蓋面積很大而強(qiáng)降水只出現(xiàn)在其左側(cè)的原因。對(duì)應(yīng)地面風(fēng)場(chǎng)(圖9b)，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在地面輻合線附近，強(qiáng)降水與地面輻合線的對(duì)應(yīng)關(guān)系要好于其與云頂亮溫低值區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。10時(shí)A3發(fā)展成熟(圖8c)，形成一近乎圓形的α中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MαCS)，其云頂亮溫接近-70 ℃，≤-52 ℃的冷云蓋面積接近3×105km2，維持2 h，受其影響，云團(tuán)西側(cè)地面出現(xiàn)超過(guò)80 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水，直接造成河北東南部暴雨。12 時(shí)后，A3 減弱并向東移出河北(圖8d)，其西側(cè)在石家莊、衡水有β中尺度對(duì)流云團(tuán)新生，其水平尺度小，由于地面無(wú)明顯輻合線配合，只造成河北中部局地強(qiáng)降水。

圖8 2020年8月12日06時(shí)(a)、08時(shí)(b)、10時(shí)(c)、12時(shí)(d)、16時(shí)(e)、18時(shí)(f)、20時(shí)(g)、22時(shí)(h)FY-4衛(wèi)星紅外云圖與其后1 h超過(guò)20 mm降水站點(diǎn)(彩色圓點(diǎn)，單位:mm)分布疊加圖Fig.8 Superposition of FY-4 infrared images at(a)06∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)10∶00 BT,(d)12∶00 BT,(e)16∶00 BT,(f)18∶00 BT,(g)20∶00 BT and(h)22:00 BT on 12 August 2020 and the stations(color dots,unit:mm)of post-1 h accumulated precipitation greater than or equal to 20 mm.

14—15時(shí)，河北上空對(duì)流系統(tǒng)分布與之前相比變化不大(圖略)。16 時(shí)，在邊界層?xùn)|南風(fēng)急流出口輻合區(qū)附近的保定、雄安一帶(圖7c)，有一β中尺度對(duì)流云團(tuán)(B1)新生(圖8e)，之后其云頂亮溫迅速降低，水平尺度迅速擴(kuò)大，18時(shí)已經(jīng)發(fā)展為拉長(zhǎng)型中尺度對(duì)流系統(tǒng)(圖8f)。20時(shí)，B1已經(jīng)移到河北東部(圖8g)，同時(shí)在京津地區(qū)另有兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)（B2 和B3）與之相隨，其中B2 在22 時(shí)前后其云頂亮溫接近-70 ℃(圖8h)，已發(fā)展成為接近α中尺度對(duì)流系統(tǒng)，造成天津西部強(qiáng)降水。13 日00 時(shí)，北京和河北東北部的大暴雨則由B2 北面的兩個(gè)新生β中尺度對(duì)流云團(tuán)(B4 和B5)直接造成(圖略)。對(duì)比地面降水發(fā)現(xiàn)，第二階段強(qiáng)降水始終未出現(xiàn)在云頂亮溫最低處，而是位于B1—B5云團(tuán)的西南側(cè)，且云團(tuán)發(fā)展后迅速隨副高外圍西南氣流向東北方向移動(dòng)，明顯快于強(qiáng)降水的移動(dòng)。究其原因，可能是強(qiáng)降水云團(tuán)發(fā)展的高度并不高，雷達(dá)反射率因子垂直剖面(圖10e)顯示，強(qiáng)降水回波高度一般在7 km以下，因此衛(wèi)星紅外圖像上一般表現(xiàn)為較暗的色調(diào)，而云頂亮溫更低的區(qū)域以卷云氈為主，其反映的并不是對(duì)流發(fā)展的旺盛程度，因此降水并不位于云頂亮溫最低處；同時(shí)隨著200 hPa高空急流移入(圖3d)，云氈移速明顯加快，強(qiáng)降水主要對(duì)應(yīng)1 000 m 高度水平輻合區(qū)(圖7c—f)，因此其移動(dòng)緩慢。

以上分析表明，造成此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程的兩個(gè)階段中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變特征存在明顯不同：第一階段強(qiáng)降水由一MαCS直接造成，對(duì)流發(fā)展強(qiáng)，云頂亮溫低，強(qiáng)降水位于MαCS西側(cè)地面輻合線附近；第二階段強(qiáng)降水由多個(gè)β中尺度對(duì)流云團(tuán)造成，降水云團(tuán)發(fā)展高度低，云頂亮溫較高，地面強(qiáng)降水并不出現(xiàn)在云頂亮溫最低處。實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，一次華北暴雨過(guò)程很少出現(xiàn)兩個(gè)暴雨區(qū)(王華等，2019)。而此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程兩個(gè)暴雨區(qū)的出現(xiàn)，說(shuō)明產(chǎn)生強(qiáng)降水的對(duì)流風(fēng)暴可能存在更復(fù)雜的移動(dòng)和傳播機(jī)制。為此，下文對(duì)該過(guò)程兩個(gè)階段對(duì)流風(fēng)暴的雷達(dá)回波特征和演變進(jìn)行了詳細(xì)分析。

4.2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波特征

4.2.1 第一階段強(qiáng)降水中尺度對(duì)流系統(tǒng)

8月11日夜間到12日凌晨，河北南部處于500 hPa副高邊緣偏南氣流中(圖3a)。12日02時(shí)，925 hPa河北東南部地區(qū)東南風(fēng)逐漸加大到8～10 m·s-1(圖6a)。地面加密自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)顯示，12 日05 時(shí)(圖略)，邯鄲東部開始吹偏東風(fēng)，很快在邯鄲中部地區(qū)出現(xiàn)一條由偏北風(fēng)和偏東風(fēng)形成的輻合線，輻合線附近露點(diǎn)溫度維持在25～26 ℃之間(圖4a)，對(duì)流能量充足，使該地區(qū)處于高濕高能區(qū)。京津冀地區(qū)雷達(dá)拼圖顯示，在河北南部高濕高能環(huán)境條件下，12日06時(shí)開始，在地面輻合線附近有多個(gè)分散對(duì)流單體被觸發(fā)(圖9a)，最強(qiáng)回波超過(guò)45 dBz，對(duì)流單體呈東北—西南向線狀排列。07—08 時(shí)隨著地面輻合線北推，對(duì)流單體迅速組織化發(fā)展增強(qiáng)并形成一條東北—西南向線狀強(qiáng)回波帶(圖9b)，回波強(qiáng)度普遍超過(guò)45 dBz，對(duì)應(yīng)地面形成一條超過(guò)20 mm·h-1的強(qiáng)雨帶(圖8b)。10—12 時(shí)(圖9c、d)，強(qiáng)回波帶緩慢北上，其北側(cè)有不斷被觸發(fā)的線狀強(qiáng)回波，南側(cè)伴隨大片分布相對(duì)均勻的層狀云降水回波，強(qiáng)度多不超45 dBz。而08時(shí)后，位于層狀云回波南側(cè)的河北東南部地區(qū)出現(xiàn)了水平尺度在50 km 左右、平均強(qiáng)度超過(guò)50 dBz密實(shí)的螺旋狀強(qiáng)回波帶，維持近3 h，造成該地區(qū)平均雨強(qiáng)達(dá)30～40 mm·h-1，邯鄲東北部陳村鄉(xiāng)站10 時(shí)雨強(qiáng)達(dá)83.8 mm·h-1(圖8c)。對(duì)應(yīng)此時(shí)紅外云圖上(圖8c)，該站位于MαCS西側(cè)云頂亮溫梯度最大處。分析地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，09時(shí)開始在邯鄲東部出現(xiàn)了完整的氣旋性環(huán)流(圖略)，環(huán)流直徑在50 km 左右，10時(shí)地面氣旋性環(huán)流緩慢北移，其中心位于邯鄲與邢臺(tái)交界處，氣旋性環(huán)流的位置、形狀及空間尺度均與雷達(dá)回波圖上強(qiáng)度超過(guò)50 dBz的密實(shí)螺旋狀強(qiáng)回波一致(圖9c)。12時(shí)后(圖9d)，上述螺旋狀強(qiáng)回波帶結(jié)構(gòu)逐漸變得松散，但地面氣旋性環(huán)流仍維持，可見層狀云降水回波繼續(xù)北上。因此，此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程第一階段回波前沿為線狀強(qiáng)回波，與地面輻合線關(guān)系密切，地面中尺度輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致對(duì)流性降水回波發(fā)展加強(qiáng)，強(qiáng)降水回波主要出現(xiàn)在地面輻合線附近；其后部為相對(duì)均勻的層狀云回波，在層狀云回波南側(cè)生成后迅速組織化發(fā)展形成的螺旋狀強(qiáng)回波造成了河北東南部強(qiáng)降水，地面氣旋性環(huán)流是螺旋狀強(qiáng)降水回波得以形成的重要原因。

圖9 2020年8月12日06時(shí)(a)、08時(shí)(b)、10時(shí)(c)、12時(shí)(d)京津冀地區(qū)雷達(dá)反射率因子拼圖(單位:dBz)與地面10 m風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1)(紅線代表河北省界)Fig.9 Radar mosaic of reflectivity factor(shaded,unit:dBz)and the 10 m wind(wind barbs,unit:m·s-1)in the Beijing-Tianjin-Hebei region at(a)06∶00 BT,(b)08∶00 BT,(c)10∶00 BT and(d)12∶00 BT on 12 August 2020.Red lines denote the boundary of Hebei Province.

4.2.2 第二階段強(qiáng)降水中尺度對(duì)流系統(tǒng)

到8 月12 日15 時(shí)，河北中部降水雖有減弱，但邊界層?xùn)|南風(fēng)急流仍維持，大片以層狀云為主的回波仍沿副高外圍西南氣流北上(圖略)。16時(shí)鑲嵌兩塊積狀云回波的東西向大片層狀云回波開始影響保定和滄州西部(圖10a)，對(duì)應(yīng)1 000 m 高度水平輻合區(qū)(圖7c)，且50 dBz以上強(qiáng)回波范圍開始擴(kuò)大，此時(shí)地面氣旋性環(huán)流仍然存在，但降水回波主要位于其東北側(cè)。18時(shí)片狀回波演變?yōu)楸辈康摹岸軤睢睂訝钤苹夭ê湍喜康哪媳毕蚍e狀云強(qiáng)回波結(jié)構(gòu)(圖10b)，積狀云強(qiáng)回波仍位于地面氣旋性環(huán)流中心的北側(cè)，與1 000 m 高度南北向帶狀輻合中心對(duì)應(yīng)(圖7d)。強(qiáng)反射率因子垂直剖面顯示(圖10e)，50 dBz 強(qiáng)回波主要位于5 km 以下，表現(xiàn)為典型的“低質(zhì)心”結(jié)構(gòu)(俞小鼎，2013)，此時(shí)探空曲線上0 ℃層高度在5 km 附近，說(shuō)明降水以暖云降水為主；積狀云回波走向與移動(dòng)方向一致，18—19 時(shí)對(duì)流單體自南向北依次通過(guò)雄安新區(qū)王家房站上空，形成明顯的“列車效應(yīng)”，造成125.9 mm 小時(shí)降水極值。20 時(shí)，上述回波單體繼續(xù)組織化發(fā)展(圖10c)形成“逗點(diǎn)狀”強(qiáng)回波，1 000 m 高度水平散度強(qiáng)輻合區(qū)附近的逗點(diǎn)尾部(圖7e)不斷有新生對(duì)流單體發(fā)展并入“逗點(diǎn)狀”回波中。VDARS 資料1 000 m 高度水平風(fēng)場(chǎng)顯示，保定至雄安一帶附近存在水平尺度超過(guò)100 km的中尺度低渦(圖7d)，對(duì)應(yīng)地面為氣旋性環(huán)流中心(圖10c)，說(shuō)明中尺度低渦從1 000 m 下伸到地面成為深厚低渦系統(tǒng)，同時(shí)1 000 m 散度場(chǎng)水平強(qiáng)輻合由南北向帶狀轉(zhuǎn)為“逗點(diǎn)狀”(圖7e)，這是雷達(dá)回波呈“逗點(diǎn)狀”分布的主要原因。22 時(shí)后，“逗點(diǎn)狀”回波開始斷裂，逗點(diǎn)尾部強(qiáng)回波向偏東方向移到天津(圖10d)，與云團(tuán)B2(圖8h)發(fā)展演變一致，而逗點(diǎn)頭部回波移入北京中部后繼續(xù)加強(qiáng)，自南向北造成北京中部區(qū)域性大暴雨(圖略)。13日02時(shí)后，強(qiáng)回波移出北京影響河北，造成冀東承德南部、唐山北部大暴雨。

圖10 2020年8月12日16時(shí)(a)、18時(shí)(b)、20時(shí)(c)、22時(shí)(d)京津冀地區(qū)雷達(dá)反射率因子(陰影，單位：dBz)拼圖與地面10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)疊加圖(紅線代表河北省界)，以及對(duì)應(yīng)圖b中黑線位置的石家莊雷達(dá)反射率因子垂直剖面(e)Fig.10 Radar mosaic of reflectivity factor(shaded,unit:dBz)and the 10 m wind(wind barbs,unit:m·s-1)in the Beijing-Tianjin-Hebei region at(a)16∶00 BT,(b)18∶00 BT,(c)20∶00 BT and(d)22∶00 BT on 12 August 2020,and(e)vertical cross sections of reflectivity factor from Shijiazhuang radar along the black line in(b).In(a)to(d)red lines denote the boundary of Hebei Province.

以上分析表明，北上層狀云回波12 日16 后到達(dá)河北中部，在1 000 m 高度水平強(qiáng)輻合區(qū)再次發(fā)展加強(qiáng)形成南北向強(qiáng)回波帶，暖云降水疊加“列車效應(yīng)”共同造成了雄安新區(qū)王家房125.9 mm 極端小時(shí)強(qiáng)降水?；夭ǜ叨冉M織化形成北側(cè)層狀云回波、南側(cè)積狀云回波的“逗點(diǎn)狀”回波結(jié)構(gòu)，逗點(diǎn)尾部南北向強(qiáng)回波造成短時(shí)強(qiáng)降水后，其尾部回波減弱、頭部回波加強(qiáng)并自西向東影響北京中部和河北東北部地區(qū)，產(chǎn)生第二階段強(qiáng)降水。降水回波主要位于地面氣旋性環(huán)流中心的北到東北側(cè)和1 000 m高度水平輻合區(qū)內(nèi)。

5 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、多源非常規(guī)探測(cè)資料和VDRAS反演資料，分析了2020年8月12日京津冀地區(qū)一次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程的降水特征、環(huán)流背景、中尺度系統(tǒng)演變特征及其成因。主要結(jié)論如下：

(1)受850 hPa 低空急流和暖式切變線影響，此暴雨過(guò)程發(fā)生在副高邊緣、500 hPa以下暖區(qū)團(tuán)中，無(wú)明顯冷空氣參與。暴雨過(guò)程可分為兩個(gè)階段，對(duì)應(yīng)南北兩個(gè)暴雨區(qū)。第一階段強(qiáng)降水前暴雨區(qū)水汽充足、能量充沛，低層?xùn)|南風(fēng)將水汽源源不斷輸送到暴雨區(qū)；第二階段低層?xùn)|南風(fēng)急流為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了很好的水汽和動(dòng)力條件，低的抬升凝結(jié)高度為極端短時(shí)強(qiáng)降水提供了有利的環(huán)境條件。

(2)造成上述兩個(gè)階段強(qiáng)降水的中尺度系統(tǒng)云圖特征明顯不同：第一階段強(qiáng)降水由一個(gè)云頂亮溫低、維持時(shí)間長(zhǎng)的MαCS 直接造成，第二階段強(qiáng)降水由多個(gè)水平尺度小、云頂高度低的β中尺度云團(tuán)產(chǎn)生，地面強(qiáng)降水并不出現(xiàn)在云頂亮溫最低處。

(3)強(qiáng)降水第一階段，地面中尺度輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，形成層狀云回波北側(cè)前沿線狀強(qiáng)回波，強(qiáng)降水主要位于地面輻合線附近；層狀云回波南側(cè)密實(shí)的螺旋狀強(qiáng)回波與地面氣旋性環(huán)流密切相關(guān)，河北東南部強(qiáng)降水主要由螺旋狀回波產(chǎn)生，且位于邊界層急流出口區(qū)左前側(cè)、地面氣旋性環(huán)流中心附近。

(4)強(qiáng)降水第二階段，雷達(dá)拼圖上出現(xiàn)了層狀云回波演變?yōu)楸眰?cè)層狀云回波、南側(cè)積狀云“逗點(diǎn)狀”回波結(jié)構(gòu)，逗點(diǎn)尾部南北向強(qiáng)回波的暖云降水疊加“列車效應(yīng)”共同造成雄安新區(qū)單站125.9 mm極端小時(shí)強(qiáng)降水。1 000 m高度邊界層急流加強(qiáng)、水平輻合由南北向帶狀轉(zhuǎn)為“逗點(diǎn)狀”以及地面到1 000 m高度低渦系統(tǒng)是“逗點(diǎn)狀”回波形成的重要原因，強(qiáng)降水位于中尺度低渦東側(cè)、1 000 m高度急流出口區(qū)左側(cè)、水平散度輻合區(qū)中。

此次區(qū)域性暖區(qū)大暴雨過(guò)程與2012 年北京“7.21”特大暴雨天氣形勢(shì)類似，作出暴雨預(yù)報(bào)并不難，但準(zhǔn)確預(yù)報(bào)兩個(gè)階段暖區(qū)暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度難度很大。要提高此類大暴雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，需進(jìn)一步揭示暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)維持機(jī)制和發(fā)展演變規(guī)律。本文只是對(duì)該過(guò)程兩個(gè)階段強(qiáng)降水形成的環(huán)流背景和中尺度系統(tǒng)及其成因進(jìn)行了初步研究，由于應(yīng)用的垂直探測(cè)資料較少，對(duì)第一階段地面輻合中心以及第二階段中尺度低渦系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)、低空急流傳播等特征未作更多分析，還需通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行深入探討。