王孝慈 李雙君 孟英杰

武漢中心氣象臺，武漢 430074

提 要： 利用自動氣象站逐小時和逐5 min觀測資料、長江中游雷達組合反射率因子SWAN拼圖產品及NCEP FNL再分析資料，對武漢地區(qū)4次低質心類短時強降水對流風暴特征進行分析。結果表明：不同的天氣背景誘發(fā)的對流系統特征不同，低層暖強迫造成的斜壓不穩(wěn)定背景下，環(huán)境條件高能高濕，雷暴冷池的積累有利于穩(wěn)定性降水前沿觸發(fā)線狀強對流；斜壓鋒生天氣背景下，冷暖劇烈交匯使得大氣斜壓性顯著增強，地面多有中尺度氣旋波發(fā)展，鋒區(qū)冷區(qū)穩(wěn)定性降水中多伴隨短時強降水，而暖區(qū)能量、濕度條件更好，易誘發(fā)短時強降水等分散性強對流；準正壓天氣背景下，大氣斜壓性弱，環(huán)境高能高濕，多由近地面層流場強迫和局地熱力差異觸發(fā)劇烈的熱對流活動。從對流風暴雷達回波特征和降水特征來看，TS類線狀中尺度對流系統(MCS)移速較快，短時強降水范圍??；準靜止類表現為帶狀走向的大范圍層狀云回波穩(wěn)定維持，中間伴有多個積云對流生消迭代，每一階段降水增強都與新生對流單體途經武漢站點相對應；組織合并類在回波合并時，意味著短時強降水的發(fā)展增強，合并后的回波形態(tài)和走向影響著降水的強度和持續(xù)時間。在不同的環(huán)境背景、觸發(fā)誘因和組織形態(tài)下，短時強降水發(fā)生前后地面氣象要素表現出不同的變化特征，鋒面特征和對流觸發(fā)位置的不同導致溫度變化特征差異。地面中尺度系統對于MCS的觸發(fā)、組織發(fā)展有重要作用，其生消演變相對于MCS在時間上通常具有一定的提前量，關注地面輻合線、溫度鋒區(qū)等地面中尺度系統，對于預判MCS的觸發(fā)、組織形態(tài)的演變等具有很好的指示意義。

引 言

短時強降水作為夏季常見的一種災害性天氣，雨強大，致災性強，常誘發(fā)山區(qū)山洪、滑坡等地質災害，造成城市內部突發(fā)內澇、積漬，公共交通、民眾生活等深受影響。武漢地區(qū)作為長江中游經濟、文化、政治中心，社會關注度高，同時也是短時強降水高影響區(qū)域。據統計，武漢地區(qū)歷史上發(fā)生過多次影響較大的暴雨過程，這其中大多數均為短時強降水類；就武漢本站而言，短時強降水導致的暴雨為年均3次，暴雨日數為年均5次(毛以偉，2013)，由于其突發(fā)性強，雨強大，預報難，對民眾生活影響深遠，研究短時強降水特征對于氣象災害防御有重要的意義。如武漢2007年5月31日05時雨強為94 mm·h-1，創(chuàng)下了有完整氣象記錄以來5月最高，當天中心城區(qū)有20多處明顯積水，最深處達2 m；武漢2013年7月7日08時的3 h累計降水量達76.2 mm，強降水導致49處路段交通受阻，10余個地庫500多輛車輛被淹，水產、農作物直接經濟損失達1.97億元；2016年6月1日受超強厄爾尼諾影響，武漢普降暴雨，光谷地段降水量達115 mm，數十處地段內澇積漬嚴重，對交通及市民出行造成嚴重影響。

短時強降水的發(fā)生與有利的天氣系統配置密切相關，不同的過程其天氣背景和中尺度環(huán)境特征往往也各有不同。眾多學者從不同的角度出發(fā)，對短時強降水影響天氣背景進行了分析歸納和總結，如根據地面氣團熱力性質并結合雷達產品分析，建立了暖區(qū)對流系統和鋒面對流系統模型(魏慧娟等，2013)；根據500 hPa低值系統位置，結合物理量對比，分為冷渦槽前、槽后兩類天氣背景(鄭媛媛等，2011)；劉愛鳴等(2001a；2001b)以850 hPa影響系統為主，結合500 hPa和地面系統，歸納了六種天氣模型。不同地域短時強降水的天氣背景和中尺度環(huán)境特征具有各自的地域差異，王錫穩(wěn)等(2004)、許新田等(2010)、王毅等(2012)、張濤等(2012)和許愛華等(2014)對各自不同地域出現的引發(fā)短時強降水的天氣形勢配置進行了分析，其中許愛華等(2014)通過大量個例總結，從強對流天氣形成的熱力不穩(wěn)定等條件出發(fā)，提出了中國中東部地區(qū)強對流天氣的5種天氣形勢和環(huán)境要素配置，張家國等(2018)應用天氣診斷方法分析提煉了長江中游地區(qū)5種極端降水天氣系統配置，指出了不同配置條件下天氣預報的關注重點。同時，短時強降水的觸發(fā)以及組織發(fā)展常具有顯著的中尺度對流特征，以中尺度系統為著眼點，結合環(huán)流背景，許多氣象工作者基于個例統計分析，對中尺度影響系統分類，建立了相關中尺度概念模型以及預報方法(崔講學，2011；吳翠紅和王曉玲，2013；吳翠紅和龍利民，2011；毛以偉，2013)。按照產生強降水的對流系統特征和屬性差異，Lemon(1977)將強對流系統分為大陸和熱帶強對流型兩種，前者發(fā)展深厚，對流可發(fā)展到較高的高度，云體主要位于0℃層以上，云中存在很多大雨滴和雹粒子，因此也叫冷云型對流降水，簡稱高質心大陸性；后者常由暖云降水為主導，稱低質心降水，多發(fā)生在熱帶海洋上，但很多國內學者研究發(fā)現在中國盛夏季節(jié)中高緯強降水也往往具有類似暖云降水的屬性(郝瑩等，2012；俞小鼎，2012；段鶴等，2014；孫繼松等，2015；鄭永光等，2017)。其中，郝瑩等(2012)、段鶴等(2014)分別對安徽和云南地區(qū)的強降水天氣特征進行統計研究發(fā)現，在所有短時強降水天氣過程中，低質心強降水回波出現的概率達到88%以上，遠遠多于高質心強降水回波。而從曹艷察等(2020)對低、高質心對流風暴的對比分析來看，高質心降水具有強的垂直風切變條件及較快的移動速度。

2020年長江中游經歷超長梅雨期，梅雨期累計降水歷史排位第三，與前人研究有所區(qū)別，本文主要對2020年武漢地區(qū)4次低質心類對流風暴短時強降水過程的天氣模型、雷達回波組織結構特征及地面中尺度系統、邊界層氣象要素特征等進行對比分析，以期為汛期武漢地區(qū)短時強降水預報預警工作提供參考。

1 資料和方法

本文使用的資料包括：武漢地區(qū)氣象觀測站(國家站：5個站；區(qū)域站：189個站；如圖1所示)逐小時和逐5 min觀測資料；SWAN提供的長江中游多普勒天氣雷達組合反射率因子拼圖產品，時間分辨率為6 min；NCEP FNL再分析資料(空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6 h)。

圖1 武漢地區(qū)自動氣象站分布Fig.1 Distribution of automatic weather stations in Wuhan

武漢處于平原地區(qū)，地勢較為平坦，從致災性角度來，引發(fā)城市內澇需要達到較強的雨強，綜合俞小鼎(2013)、張家國等(2018)對極端強降水的研究結果，這里定義2020年武漢地區(qū)短時強降水個例篩選標準為：(1)出現雨強≥50 mm·h-1的站點;(2)最強雷達回波組合反射率因子≥50 dBz，以混合型對流為主。

根據對流風暴成熟階段的最大回波強度和垂直結構特征，本文定義的低質心型指最大反射率因子一般為50 dBz左右，其所對應的強回波高度在0℃層以下，即質心較低；高質心通常最大反射率因子為55～65 dBz，50 dBz所對應回波頂高高于0℃層2 km 以上，即質心較高；混合型一般對應最大反射率因子強度在50 dBz以上，其中50 dBz所對應回波頂略高于0℃層，但未達到2 km以上。

2 降水和環(huán)流背景特征

2.1 2020年武漢地區(qū)強降水特征

從1961—2020年6—8月武漢地區(qū)國家站平均暴雨日數逐年變化曲線(圖2)可以看出，2020年日降水量≥50 mm的5個國家站算術平均值歷史排位第三，約為7.4 d，僅次于1991年的8.2 d和1969年的7.6 d，超歷史均值(3.1 d)4.3 d。2020年武漢地區(qū)共發(fā)生暴雨過程9次，分別為6月9日、6月12日、6月26日、6月28日、7月4—5日、7月6日、7月18日、8月10日和8月20日，因本文旨在對低質心類短時強降水過程進行分析，經過篩選只有6月12日、7月6日、8月10日、8月20日這4次過程滿足條件(毛以偉，2013)。后面將對這4次降水過程進行詳細分析。

圖2 1961—2020年6—8月武漢地區(qū)國家站平均暴雨日數逐年變化曲線Fig.2 Annual variation curve of average rainstorm days at national stations in Wuhan from June to August during 1961-2020

2.2 降水特點

4次過程武漢地區(qū)氣象觀測站累計降水量分布(圖3a～3d)表明，6月12日、8月10日和8月20日短時強降水過程的暴雨落區(qū)范圍小，較為分散；7月6日降水過程雨區(qū)覆蓋面積大，持續(xù)時間較長。其中，6月12日20—23時(北京時，下同)，3 h最大累計降水量站出現在武漢城區(qū)(63 mm)，(表1)；7月6日03—08時，3 h最大累計降水量站出現在江夏區(qū)(151 mm)；8月10日01—06時，3 h最大累計降水量站出現在黃陂區(qū)(132 mm)；8月20日14—17時，3 h最大累計降水量站出現在武漢城區(qū)(68 mm)。

圖3 2020年武漢地區(qū)短時強降水雨量分布特征：(a～d)國家站及區(qū)域站累計降水量,(e～h)最大小時雨強站點分布(彩色圓點，單位：mm· h-1；數字代表出現最強雨強的時間)(a，e)6月12日20—23時,(b,f)7月6日03—08時,(c,g)8月10日01—06時,(d,h)8月20日14—17時Fig.3 Rainfall distribution characteristics of short-time heavy rainfall in Wuhan Area (a-d) accumulated precipitation at national and regional stations, (e-h) distribution of stations with maximum hourly rainfall intensity (color dot, unit: mm · h-1. The number represents the time for the heaviest rainfall intensity) in 2020(a, e) 20:00-23:00 BT 12 June, (b, f) 03:00-08:00 BT 6 July, (c, g) 01:00-06:00 BT 10 August, (d, h) 14:00-17:00 BT 20 August

表1 2020年武漢地區(qū)4次降水過程對流風暴類型及降水特點Table 1 Convective storm types and precipitation characteristics of four precipitation processes in Wuhan Area in 2020

從雨強站點分布圖(圖3e～3h)來看，雨強≥30 mm·h-1的站點多分布在武漢中部、南部。其中，6月12日站點雨強多以20～30 mm·h-1為主，30～50 mm·h-1次之，個別站點出現≥50 mm· h-1；7月6日和8月10日站點雨強≥20～30、30～50及50～80 mm·h-1出現頻次較為一致；8月20日站點雨強多以20～30 mm·h-1或30～50 mm·h-1為主，50～80 mm·h-1次之。4次過程的短時強降水維持時間約為2～3 h，強降水時段分別出現在夜間、清晨和午后。

2.3 4次過程天氣形勢配置

許愛華等(2014)對2000年以來中國中東部近百次強對流天氣個例環(huán)境場進行分析，由強對流的不穩(wěn)定條件和主要觸發(fā)條件的角度觸發(fā)，提出中國中東部地區(qū)強對流天氣的5種基本類別，本節(jié)將參考上述分類，由強對流天氣發(fā)生的基本條件入手，從熱/動力不穩(wěn)定條件、水汽場特征這三個方面出發(fā)分析4次過程的天氣形勢配置。

2.3.1 6月12日過程——暖強迫類

6月12日降水過程為暖強迫類天氣，其高低空配置特征為(圖4)：從500 hPa來看，強降水發(fā)生在短波槽前與西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)西北側邊緣處，正渦度平流明顯，有利于垂直上升運動；200 hPa在武漢上空為明顯的西風急流分流區(qū)，抽吸作用顯著；925～700 hPa有強盛的西南暖濕急流發(fā)展，武漢處于急流出口左側，低層切變線發(fā)展，輻合明顯；高低空急流耦合產生強烈的垂直上升運動。從熱力條件來看，強天氣發(fā)生前和發(fā)生時，近地面層處于暖低壓倒槽的控制下，表現為高溫、高濕，常有中尺度輻合線形成發(fā)展，700 hPa以下西南暖濕急流強盛，等溫度線與風向交角較大，暖平流強迫顯著，斜壓性增強，500 hPa溫度槽略超前高度槽，有弱的暖平流，中低層暖區(qū)建立快，有利于熱力不穩(wěn)定層結的加強。從武漢站探空資料來看，武漢上空西南氣流強盛，水汽充沛，濕層深厚，中低層暖平流顯著，有利于不穩(wěn)定能量的積累，對流有效位能(CAPE)高達2 800 J·kg-1，K指數為42℃，抬升凝結高度(LCL)約為950 hPa，對流凝結高度(CCL)約為890 hPa，較容易觸發(fā)對流活動，高能高濕，對流不穩(wěn)定顯著，為短時強降水的發(fā)生提供了有利的條件。

圖4 2020年6月12日20時(a)NCEP再分析資料天氣形勢及中尺度分析，(b)武漢站探空圖(圖4a中，等值線：500 hPa位勢高度場,單位：dagpm;風羽：850 hPa風場；紅色虛線：等溫線；棕色實線：槽線；紅色、灰色、紫色箭頭：850 hPa、925 hPa、200 hPa顯著氣流；黑色粗實線：地面等壓線；下同)Fig.4 (a) Synoptic situation and mesoscale analysis chart of NCEP final analysis data, (b) radiosonde map of Wuhan Station at 20:00 BT 12 June 2020(in Fig.4a, isoline: 500 hPa geopotential height field, unit: dagpm; barb: wind field at 850 hPa； red dotted line: isotherm; brown solid line: trough line; red, gray and purple arrows: 850 hPa, 925 hPa and 200 hPa significant air flow; black thick solid line: ground isobaric line; the same below)

2.3.2 7月6日、8月10日過程——斜壓鋒生類

斜壓鋒生類天氣過程：7月6日個例(圖5a，5b)、8月10日個例(圖5c，5d)，強降水多發(fā)生在高空槽前，地面鋒區(qū)暖區(qū)附近。其高低空配置特征為：500 hPa 中緯度冷槽東移，槽后偏北氣流攜帶冷空氣南下，有明顯的冷平流發(fā)展；700～850 hPa切變線顯著，南側有強盛的西南暖濕急流，暖濕平流明顯，北側為顯著的偏北氣流，冷暖氣團交匯劇烈，大氣斜壓性增強，溫度梯度增大，導致強烈的鋒生和輻合抬升強迫；地面鋒區(qū)活躍，多有中尺度氣旋波發(fā)展，在氣旋波暖區(qū)觸發(fā)短時強降水等強對流天氣；同時，200 hPa位于西風急流分流輻散區(qū)，配合低空急流的耦合抽吸作用，進一步加劇了鋒面附近垂直上升對流活動。從探空圖上可以看出此類過程風垂直切變較大，從低層到高由西南氣流轉為偏北氣流。

圖5 2020年(a)7月6日02時和(c)8月10日02時NCEP最終分析資料天氣形勢及中尺度分析，(b)7月5日20時和(d)8月9日20時武漢站探空圖(圖5a中紅藍標志：地面靜止鋒，圖5c中藍色標志：地面冷鋒)Fig.5 (a, c) Synoptic situation and mesoscale analysis chart of NCEP final analysis data at (a) 02:00 BT 6 July, (c) 02:00 BT 10 August; (b, d) radiosonde map of Wuhan Station at (b) 20:00 BT 5 July, (d) 20:00 BT 9 August 2020(in Fig.5a， red and blue mark： ground stationary front； in Fig.5c， blue mark： ground cold front)

從熱力不穩(wěn)定條件和水汽條件來看，低空西南急流發(fā)展，暖濕平流顯著，帶來有利的能量積累以及充沛的水汽輻合，高空槽后冷平流擴散到槽前，同低層暖濕氣流疊加，有利于熱力不穩(wěn)定層結的建立。從武漢探空圖上可以看出，7月5日20時武漢上空整層濕度條件較好，CAPE值約為1 000 J·kg-1，K指數為39℃，LCL很低，約為990 hPa，對流指數不是非常高，梅雨準靜止鋒鋒面強迫起了關鍵觸發(fā)作用，多在范圍較大的降水回波中觸發(fā)短時強降水這類對流活動；8月9日20時低層為暖濕平流，中高層有弱干冷空氣侵入，CAPE值為1 800 J·kg-1，K指數為35℃，LCL約為920 hPA，跟7月5日相比，冷鋒移動速度較快，對流活動發(fā)展在鋒面南側暖區(qū)中，濕層條件沒有7月5日過程強，不穩(wěn)定能量較高，對流指數較高，有利于小范圍的短時強降水的觸發(fā)和組織，降水云團移動更快。

2.3.3 8月20日過程——準正壓類

準正壓類天氣過程(8月20日個例)的高低空配置特征為(圖6)：西太平洋副高西伸北抬明顯，副高西北側有西風帶低槽東移逼近，武漢位于低槽前部、副高西北邊緣的垂直運動上升區(qū)，低層受熱帶低壓倒槽尾部和東風擾動東南氣流影響，存在一定的風向、風速輻合，提供了初始對流條件。從熱力條件和濕度條件來看，中低層為顯著暖區(qū)控制，風場表現為一致的偏南風氣流，能量積累顯著，水汽充沛，濕層深厚；跟前面?zhèn)€例相比，冷暖平流不明顯，大氣斜壓性較弱，近地面層的偏東風流場強迫和局地的熱力差異是主要的對流觸發(fā)機制。從14時訂正的武漢探空資料來看，CAPE值高達2 540 J·kg-1，K指數為39.4℃，LCL約為950 hPa，CCL約為850 hPa，有一定的對流抑制能量(CIN)和邊界層逆溫，有利于對流能量的積聚，加劇對流活動的發(fā)展。

圖6 2020年8月20日(a)14時NCEP最終分析資料天氣形勢及中尺度分析，(b)08時武漢站探空圖Fig.6 (a) Synoptic situation and mesoscale analysis chart of NCEP final analysis data at 14:00 BT, (b) radiosonde map of Wuhan Station at 08:00 BT 20 August 2020

3 對流風暴結構特征和降水特點

諸多研究表明，短時強降水的發(fā)生是多種尺度天氣系統相互作用的結果(楊波等，2016；易笑園等，2018)。不同環(huán)流背景下環(huán)境條件配置差異，導致誘發(fā)的對流風暴的特征不同，是造成強降水不同分布特征的直接原因。本節(jié)將對不同天氣過程的對流風暴結構特征及降水特征進行詳細分析，探討強降水在不同階段雨強差異的成因。

利用雷達組合反射率因子SWAN拼圖產品資料和區(qū)域站逐小時、逐5 min降水觀測資料，對4次低質心對流風暴的組織結構、演變規(guī)律和降水特征進行對比分析。根據對流風暴成熟時期回波發(fā)展強度及垂直結構特征，將其分為三類：低質心、高質心和混合型(曹艷察等，2020；孫繼松等，2015)。文中4次過程中前3次為低質心型對流，最后1次是以低質心型對流為主，伴有高質心型(表1)。本節(jié)從對流風暴的回波組織形態(tài)角度出發(fā)，分別對4次強降水過程的風暴結構特征及降水特點進行詳細分析。

3.1 6月12日20—23時——尾隨層狀云類

6月12日武漢大暴雨過程的中尺度對流系統(MCS)呈東北—西南向線狀對流，向東北方向移動，表現為TS類線狀中尺度對流系統特征(王玨等，2019)。這類MCS層狀云降水回波尾隨在線狀對流帶之后，新單體在對流帶之前生成，即向前傳播，傳播方向與對流帶幾乎垂直(圖7a，7e,7i)。從雷達回波垂直剖面圖(圖7a,7i)可以看出，層狀云降水回波的強度在10～40 dBz，30 dBz強度的回波高度可達12～14 km；強回波集中在MCS的中下部，45 dBz 基本在7 km (0℃層)以下，最大反射率因子高度在2 km上下，回波質心偏低。從降水強度時間序列分布來看，6月12日20—21時東西湖體育中心站雨強為56.6 mm·h-1，其中21：30達到15 mm·(5 min)-1的高峰，之后維持在10 mm·(5 min)-1的平均峰值近15 min。此類MCS前沿為多單體組成的線狀對流，移速較快，造成的短時強降水范圍小，降水強度多呈單峰分布。

圖7 2020年(a)6月12日20：36，(b)7月6日04:12，(c)8月10日02:24，(d)8月20日14:48風暴成熟階段武漢雷達組合反射率因子;(e)6月12日21—23時東西湖體育中心站，(f)7月6日03—07時烏龍泉站，(g)8月10日03—05時灄口站，(h)8月20日15—17時暴雨預警中心站最大雨強代表站小時雨量變化及最大小時降水時段內的分鐘雨量變化;(i～l)時間同圖7a～7d，但為風暴成熟階段沿圖7a～7d中A-B線段所示回波垂直剖面Fig.7 (a-d) Radar composite reflectivity factor at (a) 20:36 BT 12 June, (b) 04:12 BT 6 July, (c) 02:24 BT 10 August, (d) 14:48 BT 20 August 2020; (e-h) hourly rainfall variation of maximum rainfall intensity at representative stations and minutely rainfall variation within maximum hourly precipitation period at (e) 21:00-23:00 BT 12 June at Dongxihu Sports Center Station, (f) 03:00-07:00 BT 6 July at Wulongquan Station, (g) 03:00-05:00 BT 10 August at KaiKou Station, (h) 15:00-17:00 BT 20 August at Rainstorm Warning Center in 2020; (i-l) same as those of time in Figs.7a-7d, but vertical echo profiles along line A-B in Figs.7a-7d in storm mature stage

3.2 7月6日03—08時——準靜止類

7月6日武漢大暴雨是梅雨準靜止鋒背景下伴隨的短時強降水過程(圖7b,7f,7j)。梅雨鋒鋒面雨帶在長江中游沿線長時間維持，表現為東西帶狀走向的大范圍穩(wěn)定性層狀云降水回波穩(wěn)定維持，大片的層狀云回波中有不斷生消的積云對流回波從武漢上空交替經過，穩(wěn)定性降水中伴隨有突然增強的短時強降水(圖7f)。從雷達回波垂直剖面來看(圖7j)，層狀云回波強度在10～35 dBz，30 dBz 回波高度可達10～12 km；造成短時強降水的對流回波45 dBz 發(fā)展高度可達8～9 km，最大反射率因子高度在2 km上下，回波質心偏低。7月6日03—07時的雨強為88.3 mm·h-1，3 h累計降水達150 mm左右。04—05時的5 min雨量時間演變序列顯示，該時段內降水特征呈波動式變化；在04：10達到第一個峰值,為11 mm·(5 min)-1，之后呈下降趨勢，04：35 開始降水再次增強，在04：55達到第二個峰值,為14 mm·(5 min)-1，每一階段降水增強都與新生對流單體途經武漢站點相對應，途經該站的對流單體生消交替，造成了穩(wěn)定性降水與短時強降水的交替迭代，這種回波特征與降水特點同梅雨鋒南側高能高濕的環(huán)境特征有關，與熱帶系統強降水特點有相似(田付友等，2017)。

3.3 8月10日01—06時——組織合并類

8月10日武漢大暴雨對流風暴回波結構表現出組織合并特征(圖7c,7g,7k)。01時在江夏南部有窄帶回波形成并向偏北方向移動發(fā)展，結構略松散，同時在武漢西部有分散性塊狀對流回波向東傳播，02時南部窄帶回波同西部塊狀回波在武漢中部合并加強，回波形態(tài)變得緊湊密實，之后受低層偏南風氣流引導北上。從雷達回波垂直剖面來看，該過程中回波伸展高度不高，45 dBz強回波的發(fā)展高度在5 km以下，質心較低。從降水時間序列來看，強降水發(fā)生時段出現在回波合并之后，回波開始合并加強對應著降水量躍增，02—03時的雨強達74.6 mm·h-1，02：35達到第一個峰值,為17 mm·(5 min)-1，并在10 min之后再次達到峰值；回波合并后移速緩慢，維持了2個多小時才開始減弱，與此對應，03—04時的雨強仍維持在50 mm·h-1左右，強降水過程持續(xù)約2 h。

3.4 8月20日14—17時——組織合并類

同8月10日過程類似，8月20日過程也為組織合并類對流風暴。 14時在武漢中西部有分散的塊狀回波在向東移動，過程中快速組織發(fā)展成一條南北向窄帶回波，同時在江夏南部也有一條東西向窄帶弓形回波向北移動，其西段同南北向窄帶回波南段于14：30在武漢中南部合并加強成新的弓狀回波，之后在近地面層南風急流的作用下截斷為東西兩端，東段維持高組織化的帶狀回波向東北方向移動發(fā)展，西段向西偏北方向移動中逐漸分散消亡。與8月10日過程不同的是，此次過程無論是合并前還是合并后，回波均表現為高度組織化的線狀對流，對流發(fā)展更為劇烈，強回波影響范圍和強度也明顯強于8月10日，移動速度更快。從雷達回波垂直剖面圖中可以看出(圖7l)，弓狀回波中有多個對流單體存在，層狀云降水回波的高度在10～14 km，30 dBz 回波可達10～12 km高度；對流性降水回波發(fā)展很高，50 dBz回波最高發(fā)展到7～9 km高度。強回波集中回波體的中上部，因此此次強降水過程還伴隨有地面雷暴大風的出現。從強降水時序圖可以看出，在15：05回波合并后降水強度達到頂峰,為14 mm·(5 min)-1，之后回波斷裂移出，降水也在20 min之后降水趨于結束，同8月10日相比，由于系統移動較快，降水強度和影響范圍更小。

同6月12日過程相比，兩次過程回波都表現出高度組織化的線狀對流，回波移動快速，不同的是線狀對流后方沒有大范圍的層狀云存在，究其原因，可能與不同的對流強迫觸發(fā)有關，6月12日過程為低層強西南暖濕平流強迫觸發(fā)，在大范圍穩(wěn)定性降水后，對應地面降溫升壓產生冷池，冷池能量積累到一定程度，激發(fā)的冷出流于層狀云回波前沿同環(huán)境風輻合抬升，在有利的高能高濕環(huán)境下，形成劇烈發(fā)展的線狀對流；而8月20日過程為準正壓環(huán)境下局地的熱力強迫和偏東風擾動強迫觸發(fā)，對流在觸發(fā)開始就非常劇烈，很快形成多個高度組織化的線狀對流。從降水時間序列來看，兩次過程降水量均呈單峰型，強降水影響時間短，范圍小，不同的是6月12日短時強降水后伴隨較長時間的層狀云穩(wěn)定性降水，而此次過程線狀回波快速過境后，降水即結束，為典型的盛夏午后熱對流活動。

4 地面中尺度特征

4.1 地面氣象要素時間變化特征

4次武漢地區(qū)短時強降水過程的天氣系統配置不同、對流風暴回波組織不同、強降水時段也不同。本節(jié)對這4次過程的地面氣象要素進行對比，分析短時強降水發(fā)生前、中、后期地面相關要素變化規(guī)律。

6月12日過程中，短時強降水時段發(fā)生在20：30—21：00(圖8a)，最大降水強度為15 mm·(5 min)-1，降水呈單峰型。在強降水發(fā)生前5～10 min，風速開始加大，強降水結束前5 min風速迅速減小；降水發(fā)生前溫度和露點溫度差值為4℃，降水開始后，溫度降低，溫度露點差逐漸減小最終達到一致，即濕度快速上升達到飽和；降水發(fā)生中、后期，氣壓呈波動上升狀態(tài)，形成小高壓鼻。地面氣象要素演變具有明顯的TS類線狀MCS過境特征，對流發(fā)生前，后部冷池發(fā)展溢出的冷出流前進到回波前沿，風速加大，同前方環(huán)境風輻合，激發(fā)新的線狀對流，濕度增加，降水發(fā)生，同時后部冷池跟隨前進發(fā)展，氣壓升高。

8月20日過程與6月12日過程類似，都是由線狀對流導致，地面要素變化有明顯弓形回波雷暴過境的特征(圖8b)，強降水呈單峰型，發(fā)生在15：00—15：35，最大降水強度為14 mm·(5 min)-1，在降水發(fā)生時，溫度露點差迅速減小，濕度快速達到飽和狀態(tài)，風速明顯增大，與降水的起止時間一致，氣壓從降水開始時就呈波動上升狀態(tài)，上升到一定值后逐漸下降。同6月12日過程相比，風速增大和氣壓升高同短時強降水同時發(fā)生，而6月12日過程，風速增大和氣壓升高發(fā)生在短時強降水發(fā)生前，風力加大更為顯著；這可能與此次過程為2條線狀對流組織合并發(fā)展有關，相向而行的2條帶狀回波在武漢中南部合并，輻合上升對流增強，同時也對合并位置處風速的增大有一定的遏制，而6月12日過程首先是雷暴冷出流風力加大，然后同前沿環(huán)境風輻合觸發(fā)線狀對流，因此風力加大早于短時強降水發(fā)生。

圖8 2020年4次短時強降水氣象要素變化(a)6月12日20—23時東西湖體育中心，(b)8月20日14—17時軟件學院，(c)7月6日03—06時梁子湖，(d)8月10日02—05時武漢三環(huán)線(雨強，單位：mm·h-1；T,Td,單位：℃；v,單位：m·s-1)Fig.8 Element variations of four short-time heavy precipitations in 2020(a) Dongxihu Sports Center at 20:00-23:00 BT 12 June, (b) Software College at 14:00-17:00 BT 20 August, (c) Liangzi Lake at 03:00-06:00 BT 6 July, (d) Wuhan Third Ring Road at 02:00-05:00 BT 10 August(intensity of precipitation, unit: mm·h-1; T, Td, unit: ℃; v, unit: m · s-1)

7月6日03—06時和8月10日02—05時地面氣象要素變化特征較為一致，都是斜壓鋒生類鋒面附近降水的氣象要素特征。降水均呈多鋒波動型(圖8c，8d)；在降水發(fā)生前、中、后濕度、風速均變化不大；氣壓在降水發(fā)生后有小幅度波動性上升，形成小高壓鼻；2次降水過程中溫度露點差始終為0℃，濕度一致達到飽和狀態(tài)。2次過程都發(fā)生在半夜，7月6日03—06時降水發(fā)生前后溫度變化不明顯，但8月10日02—05時這次過程在降水發(fā)生前溫度就開始下降，降水發(fā)生時溫度幅度達4℃，這與2次過程不同的觸發(fā)位置有關，7月6日MCS為準靜止鋒鋒面上觸發(fā)的強對流活動，鋒面附近氣象要素趨于穩(wěn)定，而8月10日過程為冷鋒推進過程中后部冷空氣侵入鋒前暖區(qū)誘發(fā)強對流，伴隨有地面氣溫的明顯下降。

由此可見，不同的環(huán)境背景、觸發(fā)誘因和組織形態(tài)下，短時強降水發(fā)生前后地面氣象要素表現出不同的變化特征，這與蘇俐敏等(2014)、吳進等(2018)在研究江西和北京地區(qū)短時強降水邊界層氣象要素變化特征時得到的結論一致。6月12日過程與8月20日過程都是高度組織化的線狀對流，具有相似的要素變化特征，濕度、風力、氣壓明顯增加，但觸發(fā)機制不同導致風力加大的時間和幅度不同；7月6日過程和7月10日過程都是斜壓鋒生類鋒面附近降水，濕度始終較為飽和，風速、氣壓在降水前后小幅波動，但鋒面特征和對流觸發(fā)位置的不同導致降水溫度變化不同。

4.2 地面輻合線

大尺度天氣環(huán)流背景和環(huán)境特征為對流風暴的形成提供有利的環(huán)境條件，MCS則是對流能否觸發(fā)的關鍵(孔凡超等，2016)。本節(jié)將圍繞地面要素(溫度、風向、風速)特征，分析武漢地區(qū)誘發(fā)短時強降水的MCS的可能觸發(fā)機制。

由圖9a可以看出，6月12日20時武漢東南部溫度較高為28℃，西側由于降水和雷暴冷池的溫度輸送作用為24℃，東西兩側溫差達到4℃。地面輻合線同溫度梯度區(qū)密集帶相對應，其西側為西偏北的雷暴冷出流，東側為環(huán)境偏東風。尾隨層狀云類MCS的線狀回波線在地面輻合線附近形成，后部有層狀云回波發(fā)展；由于西北部冷性氣流鍥入導致對流線頭部一段有混合型降水構成的渦旋狀回波，強降水常發(fā)生在這個部位。這可能是因為近地面冷空氣進入暖低壓倒槽后有利于中尺度渦旋的組織和發(fā)展，逗點狀的MCS與地面渦旋環(huán)流相配合，同時，回波帶處于相對暖濕區(qū)域內，對流活躍，易產生強降水。

7月6日在準靜止鋒附近有東西走向的大范圍層狀云回波，中間伴隨積云對流回波發(fā)展。02：35武漢地區(qū)東南部有地面輻合線形成(圖9b)，地面輻合線位于準靜止鋒鋒區(qū)地面冷區(qū)一側，從地面溫度場來看，武漢地區(qū)處于25℃的鋒面冷區(qū)內，其南側是28℃的鋒面暖區(qū)，輻合線東側為東偏南風，西側為偏北風，40 min之后，層狀云回波中出現東北—西南走向的強對流回波短帶自西向東發(fā)展、傳播；受準靜止鋒和地面輻合線共同影響，層狀云回波中不斷有分散的塊狀回波或窄帶回波生消交替，使得長時間的穩(wěn)定性降水中伴隨有短時強降水的起伏波動，每一次降水峰值對應新的積云對流過境。此次短時強降水的觸發(fā)與地面輻合線的形成有關，并且地面中尺度天氣系統發(fā)生發(fā)展早于對應的MCS發(fā)生發(fā)展，對預報預警工作有重要的指導意義。

圖9 2020年(a)6月12日20：00，(b)7月6日02：35，(c)8月10日00：20，(d)8月20日14：25武漢及周邊地區(qū)地面自動站風場(藍虛線：冷舌，紅虛線：暖舌,黑虛線：地面輻合線)Fig.9 Wind field of ground automatic stations in Wuhan and surrounding areas at (a) 20:00 BT 12 June, (b) 02:35 BT 6 July, (c) 00:20 BT 10 August, and (d) 14:25 BT 20 August 2020(blue dotted line: cold tongue, red dotted line: warm tongue, black dotted line: ground convergence line)

8月10日過程發(fā)生在地面鋒區(qū)暖區(qū)，從00：20地面溫度場可以看到武漢溫度為28℃(圖9c)，相對周邊明顯高出4℃，地面熱力不均導致局地升溫是此次地面中尺度輻合系統生成的主要原因(喻謙花等，2016)。對流初始階段武漢西側由于冷鋒推進有零散對流發(fā)展東移，南側隨著暖區(qū)南風發(fā)展有東西向窄帶回波發(fā)展北上，之后武漢中部在地面風場上表現為三支氣流交匯的地面輻合線，分別為順著漢江下來的西北氣流，從湖南北部上來的西南氣流，以及從東部過來的偏東南氣流；此時，武漢南部窄帶回波逐漸轉豎并與西側向東傳播的團狀回波相遇合并發(fā)展，同地面輻合線走向一致，地面中尺度輻合系統的發(fā)生發(fā)展觸發(fā)了中小尺度對流系統的發(fā)生發(fā)展，從而誘發(fā)了武漢中部的短時強降水天氣。

8月20日14時，武漢地區(qū)有兩處對流發(fā)展：一處位于武漢南部，呈向北突起的弓形線狀對流帶向北發(fā)展，另一處位于武漢西部，呈塊狀對流單體向東移動。從地面觀測來看，風場呈現出“人”字型地面輻合線(圖9d)，西段為西南—東北向，位于西部塊狀對流和南部弓形對流西段之間，東段為東西向，位于南部弓狀回波東段前沿。隨著弓狀回波后部南風以及西部塊狀回波后部北風的發(fā)展，西段地面輻合線加強，西部分散性塊狀對流逐漸發(fā)展合并為南—北向帶狀對流，隨后與北上的弓形對流西段再次合并加強，形成新的線狀對流，造成武漢地區(qū)中部的短時強降水。此外，從圖中可以看出西段對流線位于溫度梯度大值區(qū)內，冷暖交匯顯著，這種配置下容易激發(fā)高度組織化的線狀或帶狀對流。

由此可見，地面中尺度系統對于MCS的觸發(fā)、組織發(fā)展有重要作用，它的發(fā)生、發(fā)展和消亡相對于MCS的演變在時間上通常具有一定的提前量。因此，短時臨近預警業(yè)務中，關注地面輻合線，溫度鋒區(qū)等地面中尺度系統的發(fā)展演變，對于預判MCS的觸發(fā)、組織形態(tài)的演變等具有很好的指示意義。

5 結論與討論

本文利用武漢地區(qū)自動氣象站逐小時和逐5 min 降水資料、SWAN提供的長江中游雷達組合反射率因子拼圖產品及NCEP/FNL再分析資料，對武漢地區(qū)4次低質心類短時強降水對流風暴特征進行分析。結果表明：

(1)4次過程中雨強≥30 mm·h-1的站點多分布在武漢地區(qū)中部、南部，短時強降水維持時長均在2～3 h，強降水時段多出現在夜間、清晨和午后。

(2)從熱力不穩(wěn)定強迫角度出發(fā)，4次過程的天氣形勢配置分別為暖強迫類、斜壓鋒生類和準正壓類。不同天氣背景造成的不同對流特征，暖強迫背景下，環(huán)境條件高能高濕，雷暴冷池的積累有利于穩(wěn)定性降水前沿觸發(fā)TS類線狀對流MCS；斜壓鋒生背景下，冷暖氣團交匯劇烈，大氣斜壓性強，地面鋒區(qū)活躍，多有中尺度氣旋波發(fā)展，鋒區(qū)冷區(qū)穩(wěn)定性降水中多伴隨短時強降水，暖區(qū)能量、濕度條件更好，易誘發(fā)短時強降水等分散性強對流；準正壓背景下，大氣斜壓性較弱，但高能高濕的環(huán)境以及近地面層流場強迫和局地熱力差異，易觸發(fā)劇烈的熱對流活動。

(3)從對流風暴雷達回波特征和降水特征來看，4次低質心降水過程分別為1次TS類線狀中尺度對流系統、1次準靜止類和2次組織合并類。TS類表現為層狀云降水回波尾隨在線狀對流帶之后，移速較快，造成的短時強降水范圍小，之后多伴隨穩(wěn)定性降水；準靜止類表現為帶狀走向的大范圍層狀云回波穩(wěn)定維持，中間伴隨有多個積云對流回波生消交替，每一階段降水增強都與新生對流單體途經武漢站點相對應，造成了穩(wěn)定性降水與短時強降水的交替迭代；組織合并類為兩處或多處分散的回波相遇合并加強，回波合并時常伴隨著強降水的發(fā)生，合并后的回波形態(tài)和走向影響著降水的強度和持續(xù)時間。

(4)不同的環(huán)境背景、觸發(fā)誘因和組織形態(tài)下，短時強降水發(fā)生前后地面氣象要素表現出不同的變化特征。6月12日過程與8月20日過程都是高度組織化的線狀對流，具有相似的要素變化特征，濕度、風力、氣壓明顯增加，但觸發(fā)機制不同導致風力加大的時間和幅度不同；7月6日過程和7月10日過程都是斜壓鋒生類鋒面附近降水，濕度始終較為飽和，風速、氣壓在降水前后小幅波動，但鋒面特征和對流觸發(fā)位置的不同導致降水溫度變化不同。

(5)地面中尺度系統對于MCS的觸發(fā)、組織發(fā)展有重要作用，它的發(fā)生、發(fā)展和消亡相對于MCS的演變在時間上通常具有一定的提前量，4次過程均有地面輻合線的參與，因此，在短時臨近預警業(yè)務中，關注地面輻合線，溫度鋒區(qū)等地面中尺度系統的發(fā)展演變，對于預判MCS的觸發(fā)、組織形態(tài)的演變等具有很好的指示意義。