張曉茹 陳豫英 姚姍姍 蘇 洋 楊 銀

1 中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，銀川 750002 2 寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，銀川 750002 3 寧夏回族自治區(qū)氣象臺，銀川 750002

提 要：利用Himawari-8衛(wèi)星、銀川C波段多普勒雷達(dá)、ERA5逐1 h再分析、自動氣象站、常規(guī)氣象探測等多源氣象資料，對2019年8月賀蘭山東麓夜間突發(fā)的一次局地短歷時強(qiáng)對流暴雨的中尺度特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：700 hPa偏南急流于暴雨前6 h建立并在夜間增強(qiáng)北抬，促進(jìn)了低層高溫高濕、大氣不穩(wěn)定和動力、熱力抬升機(jī)制的發(fā)展加強(qiáng)，有利于地面中尺度輻合線在東麓山前觸發(fā)β中尺度對流系統(tǒng)，并使其增強(qiáng)為α中尺度對流系統(tǒng)，導(dǎo)致此次強(qiáng)對流暴雨的發(fā)生發(fā)展；暴雨區(qū)位于700 hPa 急流軸左前方及700 hPa水汽通量≥6 g·cm-1·s-1·hPa-1和850 hPa比濕≥12 g·kg-1的高濕區(qū),對流有效位能≥1 500 J·kg-1和850 hPa假相當(dāng)位溫≥346 K的高溫高能區(qū)，800 hPa中心強(qiáng)度≤-1.2 Pa·s-1的上升運(yùn)動區(qū)和冷云發(fā)展前端輻射亮溫梯度大值區(qū)；最大小時降水量出現(xiàn)在急流軸離暴雨區(qū)最近時段，期間輻射亮溫≤-66℃、輻射亮溫梯度≥27℃·km-1、回波強(qiáng)度≥65 dBz、回波頂高≥10 km、垂直累積液態(tài)水含量≥11 kg·m-2、≤-52℃冷云面積約為中尺度對流復(fù)合體的1/5；輻射亮溫越低、輻射亮溫梯度越大、降溫率越高，小時降水量越大；最低輻射亮溫、最大輻射亮溫梯度、回波強(qiáng)度和垂直累積液態(tài)水含量躍增、回波頂高增幅加大均較強(qiáng)降水提前10～20 min出現(xiàn)，地面中尺度輻合線較降水提前30 min出現(xiàn)。

引 言

賀蘭山東麓地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，位于寧夏中北部，境內(nèi)自西向東由賀蘭山(海拔高度為2 000～3 000 m，最高峰為3 566 m)、東坡山洪溝(海拔高度為1 122～1 500 m)和銀川平原(海拔高度為1 102～1 122 m)構(gòu)成。受地形、下墊面和氣候背景的綜合影響，該地區(qū)容易發(fā)生歷時短、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)的對流性暴雨，而引發(fā)短歷時暴雨的天氣尺度小、移速快，常規(guī)氣象探測很難對其捕捉，使得現(xiàn)行業(yè)務(wù)預(yù)報模式經(jīng)常出現(xiàn)漏報。因此，日常業(yè)務(wù)主要依靠區(qū)域自動氣象站(以下簡稱自動站)、衛(wèi)星云圖及雷達(dá)等非常規(guī)高分辨率觀測資料進(jìn)行短歷時暴雨的監(jiān)測預(yù)警。

國內(nèi)外眾多學(xué)者基于非常規(guī)高分辨率觀測資料對短歷時暴雨中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)行了研究，得到了很多具有實際業(yè)務(wù)應(yīng)用價值的成果。例如，丁仁海和周后福(2010)利用安徽自動站加密觀測資料研究發(fā)現(xiàn)，地形作用形成的風(fēng)場輻合會影響強(qiáng)降水的形成和發(fā)展，山區(qū)風(fēng)場在強(qiáng)降水發(fā)生前有明顯變化，且其變化與強(qiáng)降水的開始和增強(qiáng)具有一定時間對應(yīng)關(guān)系；趙玉春和崔春光(2010)、王寶鑒等(2017)利用雷達(dá)圖像識別出暴雨中尺度對流系統(tǒng)(MCS)可分為線狀和非線狀，前者具有明顯的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)，后者則一般為混合性降水回波或無組織結(jié)構(gòu)的單體嵌套在層狀降水回波中；石定樸等(1996)、王清平等(2016)、趙慶云等(2017)、陳傳雷等(2018)、魯亞斌等(2018)和徐姝等(2019)利用衛(wèi)星資料研究發(fā)現(xiàn)，對流云帶中向前傳播的β中尺度的MCS或后向傳播-準(zhǔn)靜止-渦旋狀的MCS是強(qiáng)對流暴雨的主要引發(fā)原因，輻射亮溫(TBB)等值線疏密所反映的輻射亮溫梯度(G)對MCS的發(fā)展有很好的指示意義，一般發(fā)展中的MCS的云體邊緣TBB等值線密集，且TBB≤-52℃的冷云區(qū)范圍與暴雨對應(yīng)較好，強(qiáng)降水易發(fā)生在MCS移動方前沿TBB低值中心偏向溫度梯度大值區(qū)一側(cè)，雨強(qiáng)變化與TBB及其梯度變化密切相關(guān)，一般TBB越低、G越大，降水量越大；觸發(fā)強(qiáng)對流的中尺度系統(tǒng)包括邊界層輻合線、中尺度地形和中尺度重力波等，其中最重要的為邊界層中尺度輻合線，在雷達(dá)上呈現(xiàn)為晴空窄帶回波，在可見光云圖上有時表現(xiàn)為明顯的積云線(丁仁海和周后福，2010；俞小鼎，2012)。

Himawari-8(以下簡稱H8)是第三代靜止氣象衛(wèi)星，其搭載的先進(jìn)葵花成像儀(advanced Himawari imager，AHI)具有高時空分辨率的特點，能夠在10 min內(nèi)完成全盤掃描，紅外通道空間分辨率可達(dá)2 km，在監(jiān)測暴雨對流云團(tuán)方面具有明顯的持續(xù)性和時間分辨率優(yōu)勢，可以較FY-2衛(wèi)星平均提前23 min發(fā)現(xiàn)對流云團(tuán)，較雷達(dá)平均提前33 min(Rinaldy et al，2017；Honda et al，2018；張夕迪和孫軍，2018)，可提前預(yù)判夏季初生對流的發(fā)生，進(jìn)一步提高暴雨的臨近預(yù)報準(zhǔn)確率(郭巍等，2018)。目前基于衛(wèi)星資料開展的旱區(qū)暴雨研究多集中于TRMM衛(wèi)星和風(fēng)云系列衛(wèi)星，而H8衛(wèi)星資料對旱區(qū)暴雨的指示作用還有待研究。

2019年8月2日夜間，賀蘭山東麓出現(xiàn)了一次年內(nèi)最強(qiáng)的局地短歷時強(qiáng)對流暴雨，但業(yè)務(wù)數(shù)值模式漏報了這次過程。本文利用區(qū)域自動站逐5 min、逐10 min和逐1 h地面加密觀測、H8衛(wèi)星、銀川C波段多普勒雷達(dá)、ERA5 0.25°×0.25°逐1 h再分析、常規(guī)氣象探測等多源氣象資料，對此次局地強(qiáng)對流暴雨過程的中尺度特征進(jìn)行分析，以提高對干旱區(qū)的短歷時強(qiáng)對流暴雨中尺度對流系統(tǒng)的認(rèn)識，探索這種突發(fā)性、局地性很強(qiáng)的對流暴雨的可預(yù)報性。

1 資料與方法

本文所用資料包括：(1)H8靜止衛(wèi)星R21和B13通道數(shù)據(jù)(中心波長為10.4 μm)，其時空分辨為2 km·(10 min)-1；(2)歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心(ECMWF)提供的空間分辨率為0.25°×0.25°、間隔1 h的ERA5再分析資料；(3)國家氣象信息中心下發(fā)的常規(guī)觀測和探空資料；(4)寧夏氣象信息中心提供的逐5 min、10 min和1 h自動氣象站、逐 6 min 銀川C波段多普勒雷達(dá)、逐毫秒雷電等高分辨率觀測資料。文中所用時間均為北京時。

其中，H8的R21通道數(shù)據(jù)和銀川C波段多普勒雷達(dá)資料用于分析MCS的觸發(fā)和發(fā)展；H8的B13通道數(shù)據(jù)和逐10 min自動站降水?dāng)?shù)據(jù)用于研究降水期間強(qiáng)對流云團(tuán)物理量特征，分析中以-45℃為TBB閾值，對降水期間主要降水站點對應(yīng)的強(qiáng)對流云團(tuán)進(jìn)行提取，并對TBB、G和降溫率(CR)等云團(tuán)特征參數(shù)進(jìn)行計算,計算方法詳見徐雙柱等(2011)、張春龍等(2012)；ERA5再分析、常規(guī)氣象探測和自動站資料用于研究觸發(fā)MCS的環(huán)境場特征；自動站降水?dāng)?shù)據(jù)和雷電資料用于降水實況分析。

2 降水實況

2019年8月2日19:20—23:00，靠近賀蘭山東坡山前突發(fā)局地短歷時強(qiáng)對流暴雨天氣。如圖1a和表1所示，該過程歷時不足4 h，降水最強(qiáng)時段在20:00—21:00，落區(qū)集中面積不足160 km2，過程累計雨量超過50 mm有6個站，最大小時降水量超過20 mm 的有34個站，超過50 mm的有3個站；最大過程降水量和小時降水量均出現(xiàn)在暖泉農(nóng)場，分別為70.1 mm和53.9 mm(20:00—21:00)，降水效率(1 h降水量與過程累計降水量之比)高達(dá)76.9%，該站最大10 min降水量為16.8 mm(20:30—20:40)；18:40—22:30暴雨區(qū)還出現(xiàn)了60次雷電，最強(qiáng)在19:00—20:00，達(dá)168.6 kA，雷電和強(qiáng)雷電出現(xiàn)時間均較強(qiáng)降水提前約1 h。由此可見，此次暴雨過程具有歷時短、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)、夜發(fā)性明顯等強(qiáng)對流天氣特征。此外，分析強(qiáng)降水期間逐小時降水量落區(qū)變化(圖1b～1e)可知，強(qiáng)降水中心先西行，再沿賀蘭山東麓山前南下，強(qiáng)降水區(qū)集中在銀川平原，暴雨中心暖泉農(nóng)場的海拔高度為1 105 m，距離賀蘭山約有11.2 km。

圖1 2019年8月2日(a)19:00—23:00、(b)19:00—20:00、(c)20:00—21:00、(d)21:00—22:00、(e)22:00—23:00賀蘭山東麓暴雨過程降水量(空心圓表示暴雨中心或強(qiáng)降水中心)

表1 2019年8月2日賀蘭山東麓暴雨過程相關(guān)信息統(tǒng)計

3 觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境場特征

研究表明，水汽、大氣不穩(wěn)定和抬升觸發(fā)機(jī)制是此類強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的基本條件(Parker and Johnson，2000；俞小鼎等，2012；陳豫英等，2021)，此外，來自熱帶地區(qū)的暖濕水汽輸送帶也是北方地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)暴雨的必要條件，暖而濕的低空急流不僅能為西北地區(qū)暴雨提供充足的水汽，也有利于暴雨區(qū)大氣不穩(wěn)定與上升運(yùn)動的增強(qiáng)，從而為暴雨的發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造有利的環(huán)境場條件(陶詩言，1980；錢正安等，2018；Chen et al，2021)。以下圍繞低空急流的演變著重分析暴雨區(qū)的環(huán)境場特征。

3.1 水汽輸送

暴雨發(fā)生前22 h，即8月1日21：00，700 hPa和850 hPa上來自臺風(fēng)韋伯外圍南海和西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)西南側(cè)東海的偏東暖濕氣流在四川盆地匯聚后北上，將水汽輸送至暴雨區(qū)；隨著臺風(fēng)在海南登陸北上，2日13：00，在700 hPa上甘肅和四川的交界處建立了中心強(qiáng)度為12 m·s-1的偏南急流；暴雨時段，即2日19：00—23：00，850 hPa 上的東海水汽輸送通道與700 hPa趨于重合，水汽通量增大、水汽輻合增強(qiáng)(圖2a，2b)，隨著700 hPa急流不斷增強(qiáng)北抬至寧夏中部，中心強(qiáng)度達(dá)14 m·s-1，急流將東海和南海的水汽源源不斷送到暴雨區(qū)，暴雨區(qū)水汽通量增加至6 g·cm-1·s-1·hPa-1(圖2c)，850 hPa急流較700 hPa偏北(圖2d)，暴雨區(qū)位于700 hPa急流軸左前方。強(qiáng)降水期間，濕層增厚、濕度增大，相對濕度≥70%的高濕區(qū)向上擴(kuò)展至600 hPa附近，比濕≥10 g·kg-1的濕層延伸至700 hPa，850 hPa比濕≥12 g·kg-1(圖2e)。

3.2 大氣不穩(wěn)定

暴雨中心位于銀川探空站(海拔高度為1 106 m)的西側(cè)，且在強(qiáng)降水期間，對流層低層盛行東南氣流。因此，利用ERA5再分析資料分析過程前后暴雨中心假相當(dāng)位溫(θse)，并利用銀川探空資料對比分析暴雨前后對流有效位能(CAPE)、對流抑制能量(CIN)、K指數(shù)、沙氏指數(shù)(SI)、抬升指數(shù)(LI)和0～6 km 垂直風(fēng)切變(Wsr)等對流參數(shù)，從而診斷環(huán)境大氣的穩(wěn)定性。

結(jié)合暴雨中心溫濕物理量的時空剖面和銀川站探空資料分析可知，2日11：00—15：00，隨著低空偏南急流的建立，在500～850 hPa上，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)逐漸明顯(圖3a)，對流層中低層暖平流增強(qiáng)，配合600～800 hPa上θse等值線梯度增加(圖3a)，同時，600～400 hPa存在明顯的干層(圖2e)，對流層中低層形成“上干冷、下暖濕”的垂直分布，環(huán)境大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)；2日16：00—18：00，受500 hPa低渦東北移動影響，500～400 hPa由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北、偏東風(fēng)(圖3a)，冷空氣入侵，進(jìn)一步加劇了大氣不穩(wěn)定的發(fā)展；2日19：00—23：00(暴雨過程中)，低空急流加強(qiáng)北上，配合θse在低層(800～650 hPa)水平方向上形成梯度區(qū)(圖3a)。同時，暴雨過程中，暴雨區(qū)的CAPE、SI、LI等對流參數(shù)增加了近5倍，CIN減小了近6倍，K指數(shù)從37℃激增到45℃。此外，Wsr在過程前和過程中均較弱，不足1.5 m·s-1(表2)，有利于短時暴雨的發(fā)生(肖遞祥等，2017；刁秀廣等，2020)。上述物理量和對流參數(shù)的變化表明，暴雨區(qū)環(huán)境大氣極其不穩(wěn)定，有利于對流系統(tǒng)的觸發(fā)和加強(qiáng)。

圖2 2019年8月2日19：00(a)700 hPa和(b)850 hPa的水汽通量輻合(陰影,單位:g·cm-2·s-1·hPa-1)和流場(流線)，23：00(c)700 hPa和(d)850 hPa的水汽通量(陰影,單位:g·cm-1·s-1·hPa-1)和風(fēng)場(風(fēng)矢；黑線分別表示風(fēng)速≥12 m·s-1和≥10 m·s-1的急流)；(e)2日08：00至3日02：00沿暴雨中心的相對濕度≥60%(陰影)和比濕(黑線,單位:g·kg-1)的時空剖面(圖2a～2d中黑色方框為暴雨區(qū),圖2e中為暴雨時段)

3.3 抬升觸發(fā)機(jī)制

在此次暴雨發(fā)生前和過程中，雖然CIN從231 J·kg-1降低到38.9 J·kg-1，自由對流高度(LFC)從567 hPa下降到724 hPa(表2)，但LFC仍然較高，低層需要一定強(qiáng)度的上升氣流克服LFC以下的CIN，將地面附近氣塊抬升到LFC，對流系統(tǒng)才能得以被觸發(fā)。由暴雨中心的風(fēng)場和垂直運(yùn)動隨時間演變可知，低空急流建立前(13：00前)，中低層無明顯的水平風(fēng)向輻合，弱天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫的上升運(yùn)動弱，垂直速度中心位于600 hPa附近，僅為-0.2 Pa·s-1(圖3a)；13:00后，隨著急流的建立和發(fā)展，不穩(wěn)定條件加強(qiáng)，低層持續(xù)存在346 K以上的θse高溫區(qū)(圖3a)、相對濕度≥60%的高濕區(qū)(圖2e)、CAPE超過1 500 J·kg-1的高能區(qū)(表2)，這種強(qiáng)烈高溫高濕高能的熱力抬升條件進(jìn)一步促使了上升運(yùn)動增強(qiáng)，但強(qiáng)度達(dá)-1.2 Pa·s-1的上升速度中心較高，在400 hPa附近(圖3a)；暴雨過程中(2日19:00—23:00)，低空急流加強(qiáng)北上，上升運(yùn)動中心迅速下降，最強(qiáng)降水時段(20:00—21:00)，上升速度中心降至800 hPa附近，強(qiáng)度維持在-1.2 Pa·s-1(圖3a)。因此，低空急流的建立和發(fā)展為中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持提供了有利條件。

表2 2019年8月2日銀川站暴雨發(fā)生前和發(fā)生時的對流參數(shù)對比

王曉芳和崔春光(2011)、俞小鼎(2012)、蘇愛芳等(2016)研究表明，中尺度抬升機(jī)制是強(qiáng)對流天氣被觸發(fā)的必要條件，尤其是中尺度輻合線，可通過提供帶狀輻合上升運(yùn)動，起著胚胎和組織積云對流的作用。從逐5 min地面自動站風(fēng)場可發(fā)現(xiàn)，過程降水開始前30 min，即18:50，銀川站北側(cè)出現(xiàn)一條東北風(fēng)和東南風(fēng)形成的中尺度輻合線A(圖3b黑虛線)，該輻合線維持至21:05，期間受地形影響和500 hPa 低渦外圍氣流引導(dǎo)而自北向南緩慢移動且略微西行，于19:25發(fā)展最明顯，東北風(fēng)和東南風(fēng)最強(qiáng)分別達(dá)10 m·s-1和14 m·s-1，對應(yīng)強(qiáng)降水開始時刻；19:00—20:00，賀蘭山沿山平羅—賀蘭段也有一條西北風(fēng)和東南風(fēng)形成的中尺度輻合線B(圖3b紅虛線)，該輻合線穩(wěn)定少動，于19:35發(fā)展最明顯，西北風(fēng)和東南風(fēng)最強(qiáng)分別達(dá)8 m·s-1和12 m·s-1。對應(yīng)雷達(dá)回波可知，兩條輻合線附近均有對流系統(tǒng)存在(圖4a，4b)，表明中尺度輻合線的存在和維持也為該過程對流系統(tǒng)的觸發(fā)、組織和維持提供了有利條件，這和樊利強(qiáng)等(2009)的研究結(jié)果相似。

4 中尺度對流系統(tǒng)特征

此次暴雨過程從開始到結(jié)束持續(xù)不足4 h，突發(fā)性、局地性和夜發(fā)性特征顯著，具有β中尺度活動特征。為此，利用2019年8月2日19：00—23：00的H8衛(wèi)星和銀川C波段多普勒雷達(dá)資料，著重對暴雨中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)(19：00—20：00)、發(fā)展(20：00—21：00)和過程期間(19：00—23：00)云團(tuán)特征參數(shù)進(jìn)行深入分析。

4.1 中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)

從H8紅外云圖演變(圖略)分析可知，8月1日08：00，青藏高原就有斜壓葉狀云系生成，并于 20:00發(fā)展為低渦云系，對應(yīng)500 hPa低渦；受東部副高阻擋，該低渦沿副高外圍584 dagpm線西北側(cè)緩慢東北向移動，于2日08：00進(jìn)入寧夏南部從而逐漸影響寧夏；13：00，低渦云系頭部覆蓋寧夏北部地區(qū)，但云體并不稠密；19：00，配合500 hPa低渦發(fā)展、700 hPa急流增強(qiáng)北抬和地面中尺度輻合線生成，云系發(fā)展增強(qiáng)，低渦云系頭部不斷有獨(dú)立的對流云團(tuán)于降水區(qū)上空生成，初始對流云團(tuán)M1位置偏東，位于銀川平原東側(cè)，面積較小，云頂較低(圖5a紅圈所示)；至19:30，M1受低渦外圍偏東氣流引導(dǎo)略西移并不斷發(fā)展，≤-45℃的冷云面積約為40 km2，平均輻射亮溫(TBBavg)約為-46℃，最低輻射亮溫(TBBmin)為-52℃，為引起該過程降水的初始β中尺度的MCS(圖5b)，其于10 min(19:20—19:30)內(nèi)造成平羅縣高仁鄉(xiāng)八頃村的強(qiáng)降水(21.2 mm)；19:40，M1的TBBmin已迅速降至-62℃，≤-45℃的冷云面積已增長至上一時次的3倍大小(圖5c)，同時，受500 hPa低渦后部南下冷空氣、東南低空急流及地面輻合線的共同影響，賀蘭山沿山平羅段又有小對流云團(tuán)M2(圖5c紅框所示)發(fā)展；20：00，各獨(dú)立對流云團(tuán)已迅速合并發(fā)展為一個橢圓形的、TBBavg約為-52℃、TBBmin為-62℃、水平范圍達(dá)α中尺度的 MCS(圖5d)，為造成此次局地暴雨過程的主要對流系統(tǒng)。

圖5 2019年8月2日(a)19:00、(b)19:30、(c)19:40和(d)20:00 H8 TBB演變(紅色圓圈M1和紅色方框M2均代表對流云團(tuán))

對應(yīng)分析雷達(dá)(離地1 180 m)組合反射率和地面輻合線演變(圖3b)可知，19:01，銀川站北側(cè)的輻合線A南側(cè)有兩個對流單體C1和C2，最大回波強(qiáng)度均超過60 dBz，且其前側(cè)有一條由冷池出流生成的陣風(fēng)鋒，賀蘭山沿山平羅—賀蘭段的輻合線B附近有對流單體C3，最大回波強(qiáng)度約為50 dBz(圖4a)；隨后，輻合線A北側(cè)有單體C4于19:20生成，并受東北風(fēng)引導(dǎo)西南向發(fā)展移動，于19:35發(fā)展最強(qiáng)(50 dBz)，在此期間，單體C1和陣風(fēng)鋒受東南風(fēng)引導(dǎo)也緩慢西行，C1超過50 dBz的強(qiáng)回波范圍發(fā)展擴(kuò)大(圖4b)，對應(yīng)區(qū)域10 min(19:20—19:30)出現(xiàn)21.2 mm的強(qiáng)降水；19:47—20:04，分散的強(qiáng)對流回波單體C1、C3和C4已于輻合線附近合并成一條多個強(qiáng)度中心為55 dBz、西北—東南向狹長的強(qiáng)回波帶(圖4c，4d)，對應(yīng)實況，此時強(qiáng)降水中心西移(圖1b，1c)。此外，2.4°仰角的徑向速度圖上自19:01 起均可觀察到低層?xùn)|南風(fēng)明顯增大(圖4e)，19:35出現(xiàn)明顯的速度模糊，去模糊后東南風(fēng)速為20～22 m·s-1(圖4f)；19:47—20:04徑向速度圖可看到清楚的“牛眼”結(jié)構(gòu)(圖4g,4h)，其維持高度在1.4～2.0 km，最大速度超過20 m·s-1，表明低層存在一定的垂直風(fēng)切變，且低空急流已增強(qiáng)明顯，該急流對水汽及能量的輸送和動力抬升十分重要。

圖3 2019年8月(a)2日08:00至3日02:00暴雨中心(暖泉農(nóng)場)假相當(dāng)位溫(黑線,單位:K)、上升速度(陰影)和風(fēng)場(風(fēng)羽)的時空剖面，(b)2日18:50—21:05地面輻合線演變和19:25自動站風(fēng)場(風(fēng)羽)(圖3a中為暴雨時段,圖3b中和為地面輻合線)

圖4 2019年8月2日(a，e)19:01、(b，f)19:35、(c，g)19:47和(d，h)20:04的(a～d)雷達(dá)組合反射率和(e～h)雷達(dá)2.4°仰角徑向速度場(圖4a～4d中紅色圓圈代表對流單體或回波帶,C1～C4為單體編號;圖4f～4h中白色圓圈代表大風(fēng)速中心)

4.2 對流系統(tǒng)的發(fā)展

20:00后，對流云系始終處于500 hPa低渦北側(cè)，受低渦外圍偏東氣流引導(dǎo)，在α中尺度MCS的上風(fēng)方，即其后部東北側(cè)不斷有對流云團(tuán)并入，使得云系自身形態(tài)和結(jié)構(gòu)不斷組織化發(fā)展增強(qiáng)，冷云面積不斷增加，TBB也迅速下降，同時，配合偏東氣流及賀蘭山地形抬升，冷云前端西南側(cè)也不斷有對流單體生成并入(圖6a，6b)，使得MCS強(qiáng)中心始終沿著賀蘭山東麓地形南擴(kuò)(圖6c，6d)。MCS于20:10—20:40發(fā)展極為強(qiáng)烈，此期間云團(tuán)更為密實，云頂高度更高，TBB更低，可見光圖上可看到明顯的上沖云頂(圖略)，對應(yīng)200 hPa輻散，850 hPa輻合，說明此時MCS位于天氣尺度上升氣流區(qū)的有利環(huán)境下。對流發(fā)展最旺盛的時刻為20:30—20:40(圖6c)，此時TBB≤-45℃的面積增加至1.5×104km2，TBB≤-52℃的面積增加至0.9×104km2，但仍小于Maddox(1980)定義的中尺度對流復(fù)合體(MCC)的冷云面積(5×104km2)，約為其1/5，因此，捕捉和預(yù)報這種尺度的天氣現(xiàn)象無疑十分困難，但云團(tuán)特征對其仍有一定反映——冷云中心值迅速降至-66℃，冷云發(fā)展前端TBB等值線密集，G最大為27 ℃·km-1，此后10 min內(nèi)最大G前端出現(xiàn)16.8 mm的強(qiáng)降水，落區(qū)為暴雨中心暖泉農(nóng)場，魯亞斌等(2018)、楊磊等(2020)的研究也可對其印證，MCS移動前沿的對流旺盛區(qū)與短時強(qiáng)降水區(qū)域?qū)?yīng)較好，強(qiáng)對流暴雨易發(fā)生在TBB等值線密集區(qū)梯度最大處。此期間，低空急流的維持(圖略)一方面為降水提供了充沛的水汽，另一方面低層暖濕氣流的輸送也能維持一定的對流有效位能，從而為促進(jìn)MCS的發(fā)展提供了保證。趙嫻婷等(2020)也指出，強(qiáng)對流的發(fā)展維持與低空急流密切相關(guān)。

圖6 2019年8月2日(a)20:10、(b)20:30、(c)20:40和(d)21:00 H8 TBB演變(圖6a，6b中紅色方框代表冷云發(fā)展處,圖6c，6d中紅色圓圈代表MCS強(qiáng)中心)

對應(yīng)的雷達(dá)回波和地面輻合線演變(圖3b)顯示，受地面輻合線A南壓和地形影響，強(qiáng)回波帶西段不斷沿賀蘭山東麓向南移動并發(fā)展增強(qiáng)。20:26單體C2也并入回波帶中(圖7a)，強(qiáng)回波整體組織化發(fā)展，并呈現(xiàn)渦旋狀旋轉(zhuǎn)，于20:38達(dá)最強(qiáng)(圖7b)，此期間對流發(fā)展最旺盛，回波帶西段移動速度明顯較快，伴有大范圍50 dBz以上的強(qiáng)回波區(qū)，最大反射率因子超過65 dBz，垂直累積液態(tài)水含量(VIL)在11 kg·m-2以上(圖7e)，回波頂高超過10 km(圖7d)，強(qiáng)回波的位置和強(qiáng)度均和云圖上出現(xiàn)的TBBmin≤-66℃的對流旺盛區(qū)對應(yīng)較好。對20:38的強(qiáng)回波如圖7b黑色實線所示方向做垂直剖面(圖7c)，回波帶上依次排列著3個強(qiáng)度≥55 dBz的強(qiáng)回波中心，且55 dBz強(qiáng)回波的高度基本在0℃以下或附近(20:00的零度層高度為4.8 km，表2)，使得降水效率較高，這也是造成該過程20：00—21：00小時降水量達(dá)53.9 mm的原因之一。此外，19:45—20:50暴雨中心逐5 min的降水量與回波強(qiáng)度、回波頂高及VIL隨時間演變趨勢(圖7f)顯示，強(qiáng)降水開始(20:25)前，回波頂高始終保持增加趨勢，但其增幅在強(qiáng)降水開始前20 min明顯加大(20:04—20:09 回波高度升高4.2 km)，此時，回波強(qiáng)度和VIL也出現(xiàn)躍升現(xiàn)象(20:04—20:09回波強(qiáng)度和VIL分別增加31 dBz和19.5 kg·m-2)，此后逐漸減小，表明回波強(qiáng)度和VIL的躍升、回波頂高的持續(xù)升高均對強(qiáng)降水的出現(xiàn)有較好的指示作用。

圖7 2019年8月2日(a)20:26和(b)20:38雷達(dá)組合反射率，(c)20:38的回波垂直剖面，(d)回波頂高和(e)VIL;(f)19:45—20:50暴雨中心(暖泉農(nóng)場)逐5 min降水量、回波強(qiáng)度、回波頂高及VIL隨時間演變(圖7b中黑線為圖7c剖面位置，為強(qiáng)降水時段)

4.3 對流云團(tuán)特征參數(shù)

徐雙柱等(2011)、張春龍等(2012)研究指出，TBB、G和CR等云團(tuán)特征參數(shù)能反映對流云團(tuán)發(fā)展程度及對流活躍強(qiáng)度，一般TBB越低、G和CR越大，表明云頂伸展越高，云體紋理越豐富、對流發(fā)展越旺盛。因此，利用H8的B13通道數(shù)據(jù)對19:00—23:00每小時最大降水量站點對應(yīng)的強(qiáng)對流云團(tuán)特征參數(shù)進(jìn)行計算(表3)，進(jìn)而結(jié)合逐10 min降水資料來揭示云團(tuán)特征參數(shù)對暴雨的指示作用。

表3 2019年8月2日暴雨過程中逐小時最大降水量站點對應(yīng)云團(tuán)特征參數(shù)統(tǒng)計

如表3所示，當(dāng)小時降水量介于20～30 mm時，TBBavg和TBBmin分別為-49℃和-54℃，G最大為14 ℃·km-1，CR為6 ℃·h-1；當(dāng)小時降水量介于40～50 mm時，TBBavg和TBBmin分別約為-53℃和-62℃，G最大約為27 ℃·km-1，CR為18 ℃·h-1；當(dāng)小時降水量大于50 mm時，TBBavg和TBBmin分別為-53℃和-66℃，G最大為27 ℃·km-1，CR為24 ℃·h-1。由此可知，小時降水量的變化與強(qiáng)對流云團(tuán)特征參數(shù)的變化密切相關(guān)，TBB越低，G越大，CR越高時，小時降水量越大，且小時降水量的變化幅度明顯大于TBB的變化。此外，利用逐10 min 資料對19：00—22：00的3個強(qiáng)降水中心(依次為平羅高仁八頃村、賀蘭暖泉農(nóng)場、西夏葡萄園)做降水量與云團(tuán)特征參數(shù)對應(yīng)關(guān)系分析，對于高仁八頃村(圖8a)，最大G較最強(qiáng)降水提前10 min出現(xiàn)，TBBmin出現(xiàn)在最強(qiáng)降水時刻；對于暖泉農(nóng)場(圖8b)，最大G和TBBmin均較最強(qiáng)降水提前20 min 出現(xiàn)；對于葡萄園(圖8c)，最大G和TBBmin較最強(qiáng)降水分別提前10 min和20 min出現(xiàn)，這表明TBBmin和G對強(qiáng)降水的出現(xiàn)也具有明顯的指示作用，可作為對流快速發(fā)展，降水迅速增強(qiáng)的重要指標(biāo)。

圖8 2019年8月2日(a)19：00—20：00、(b)20：00—21：00和(c)21：00—22：00最大小時降水量站點的逐10 min降水量和云團(tuán)特征參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

5 結(jié) 論

2019年8月2日19:20—23:00，寧夏賀蘭山東麓突發(fā)年內(nèi)最強(qiáng)、歷時短、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)、夜發(fā)性明顯的強(qiáng)對流暴雨過程。利用H8衛(wèi)星、銀川C波段多普勒雷達(dá)、ERA5 0.25°×0.25°逐1 h再分析、地面加密觀測、常規(guī)氣象探測等多源氣象資料，對該過程的中尺度特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)低空急流的建立、發(fā)展、加強(qiáng)北上為此次暴雨過程提供了有利的環(huán)境場條件。來自東海和南海的低空偏東暖濕氣流于暴雨前6 h匯合形成低空急流，在暴雨時段增強(qiáng)北抬，促使暴雨區(qū)上空水汽、大氣不穩(wěn)定性、動力和熱力抬升增強(qiáng)，暴雨區(qū)出現(xiàn)在700 hPa急流軸左前方。暴雨期間，700 hPa急流軸距離暴雨區(qū)最近，低層持續(xù)有中心強(qiáng)度≤-1.2 Pa·s-1的上升運(yùn)動區(qū)、346 K以上的θse高溫區(qū)、水汽通量≥6 g·cm-1·s-1·hPa-1和比濕≥10 g·kg-1的高濕區(qū)、CAPE≥1 500 J·kg-1的高能區(qū)。

(2)β中尺度的MCS及其組織形成的α中尺度的MCS是此次強(qiáng)對流暴雨的直接影響系統(tǒng)。對流發(fā)展最旺盛階段冷云中心TBB低至-66℃，G高達(dá)27 ℃·km-1，但低于-52℃的冷云面積約為MCC的1/5。云團(tuán)特征參數(shù)與降水量相關(guān)性較好，TBB越低，G越大，CR越高，小時降水量越大，且暴雨中心出現(xiàn)在冷云發(fā)展前端TBB梯度大值區(qū)，降水量的變化幅度大于TBB的變化。TBBmin和最大G一般較最強(qiáng)降水提前10～20 min出現(xiàn)，可作為對流快速發(fā)展，降水迅速增強(qiáng)的重要指標(biāo)。

(3)降水開始前30 min形成的中尺度地面輻合線為此次強(qiáng)對流天氣的重要觸發(fā)機(jī)制。輻合線觸發(fā)生成的對流單體前部因冷池出流又生成陣風(fēng)鋒，兩者相互作用，促使回波組織化發(fā)展增強(qiáng)。最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)期間，回波中心強(qiáng)度超過65 dBz，回波頂高超過10 km，VIL高于11 kg·m-2?；夭敻?、強(qiáng)度和VIL對強(qiáng)降水的出現(xiàn)有較好指示作用，強(qiáng)降水出現(xiàn)前20 min，回波強(qiáng)度和VIL躍升、回波頂高增幅加大。