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        賀蘭山東麓一次局地強(qiáng)對流暴雨的中尺度特征*

        2022-08-11 06:40:10張曉茹陳豫英姚姍姍
        氣象 2022年7期
        關(guān)鍵詞:中尺度急流強(qiáng)對流

        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。

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