雙流機(jī)場(chǎng)“7.21”暴雨微物理特征及觸發(fā)維持機(jī)制分析

宋靜 傅文伶

(民航西南空管局，成都 610202)

引 言

暴雨是四川盆地最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，容易引發(fā)山洪、泥石流和城市內(nèi)澇等災(zāi)害，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。四川盆地四面環(huán)山，地形復(fù)雜: 西部為青藏高原東麓，高原大地形促進(jìn)了偏東氣流的抬升；北部的大巴山和秦嶺阻滯了新疆、內(nèi)蒙方向的冷空氣南下；東部為低山丘陵，南下的冷空氣可經(jīng)盆地東北部回流; 南部為云貴高原，多低壓倒槽活動(dòng)，在盆地東南部誘發(fā)初生對(duì)流。盆地水汽來(lái)源豐富，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，天氣系統(tǒng)多樣：副熱帶高壓、臺(tái)風(fēng)、西南渦等都會(huì)對(duì)盆地造成影響。

關(guān)于四川盆地暴雨的研究，顧清源等[1]利用中尺度模式再分析資料分析2008年9月盆地西北部暴雨事件，指出低空急流為暴雨維持提供了水汽和不穩(wěn)定條件?？祶沟萚2]研究了2000—2010年四川暴雨和臺(tái)風(fēng)路徑的相關(guān)性，指出偏西、轉(zhuǎn)向和西北路徑和盆地暴雨的統(tǒng)計(jì)關(guān)系最為密切。王沛東等[3]指出盆地的地形對(duì)極端暴雨的出現(xiàn)和持續(xù)時(shí)間有著重要的作用。肖遞祥等[4]對(duì)1981—2015年四川盆地極端暴雨過(guò)程基本特征的分析表明，盆地西北部(綿陽(yáng)—成都)極端暴雨出現(xiàn)最多，并具有明顯的夜雨特征，夜間降水量多于白天。

在民航領(lǐng)域，降水強(qiáng)度達(dá)到暴雨時(shí)機(jī)場(chǎng)便無(wú)法起降航空器，造成航班備降或返航，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成飛行事故，因此需要業(yè)務(wù)人員研究并熟悉當(dāng)?shù)乇┯甑臍庀髿夂蛱卣?。雙流機(jī)場(chǎng)位于四川盆地西部龍門(mén)山脈與龍泉山脈之間東北—西南向的袋形走廊上，基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)為(30°34.8′N(xiāo)，103°56.9′E)。根據(jù)雙流機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)的記錄(1986—2015年)，機(jī)場(chǎng)累年年平均降水量為884.0 mm，最大降水量可達(dá)1 212.8 mm(1990年)，最少為580.9 mm(2012年)；最大日降水量出現(xiàn)于1998年7月5日，達(dá)264.5 mm。

國(guó)內(nèi)對(duì)暴雨的研究主要關(guān)注人口密集地區(qū)，對(duì)位于郊區(qū)的民航機(jī)場(chǎng)涉及較少；研究的空間范圍常以省—市為主，對(duì)機(jī)場(chǎng)狹小范圍的影響關(guān)注有限。本文以2017年夏季發(fā)生在成都雙流機(jī)場(chǎng)的一次雷雨過(guò)程為研究對(duì)象，分析和討論了中小尺度天氣系統(tǒng)在有限區(qū)域內(nèi)的發(fā)展演變，尤其是短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展，為航空飛行安全保障提供一定的參考。

1 降水實(shí)況

本文統(tǒng)計(jì)了2017年7月21日12—17時(shí)(世界時(shí)，下同)四川省內(nèi)157個(gè)測(cè)站，其中共7個(gè)測(cè)站6 h降水超過(guò)30 mm。雙流站降水量達(dá)45 mm，雙流機(jī)場(chǎng)跑道端自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)得降水量達(dá)60.9 mm(圖1)。本次過(guò)程具有降水范圍大、降水量集中的特點(diǎn)，主要落區(qū)為川東北和川東南；就雙流機(jī)場(chǎng)而言，80%的降水量發(fā)生在25 min的時(shí)段內(nèi)(7月21日14∶23—14∶41、16∶21—16∶27)，最大小時(shí)降水量達(dá)38.9 mm(14—15時(shí))。本文就該次過(guò)程的天氣尺度背景、中尺度系統(tǒng)演變和微物理特征展開(kāi)分析。

圖1 2017年7月21日10—18時(shí)雙流機(jī)場(chǎng)的小時(shí)降水Fig.1 Variation of hourly rainfall in Shuangliu Airport during 1000 UTC-1800 UTC on 21 July 2017

2 環(huán)流形勢(shì)和環(huán)境條件

2.1 環(huán)流形勢(shì)

成都雙流機(jī)場(chǎng)12∶07聞雷，12∶30雷暴伴小陣雨，因此12時(shí)的形勢(shì)場(chǎng)顯示的是臨近狀態(tài)。12時(shí)，200 hPa青藏高壓中心位于青海甘肅一帶，高壓南側(cè)的東風(fēng)急流位于成都上空(圖2a)；500 hPa副熱帶高壓西伸控制川西和川南地區(qū)，高壓西側(cè)的偏南暖濕氣流自東南向西北經(jīng)過(guò)四川盆地，溫江站上空溫度略低于0 ℃，溫度露點(diǎn)差為4 ℃，表明暖層較為深厚，且濕度較高；整個(gè)四川地區(qū)700 hPa為一致的東南風(fēng)，溫江站上空溫度露點(diǎn)差僅為1 ℃，水汽條件較好；850 hPa，川北至隴南存在暖中心(29 ℃)，并向川東重慶一帶伸出暖舌，成都位于溫度槽和暖式切變前部，溫度為23 ℃，露點(diǎn)為22 ℃，低層溫濕條件很好，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生(圖2b)。地面圖上，冷鋒位于川西，川東南的弱低壓也向東北形成倒槽，成都位于鋒前暖區(qū)和地面倒槽前部：本例中暴雨出現(xiàn)在副熱帶高壓西側(cè)和地面倒槽冷側(cè)，有“暖區(qū)暴雨”特征。夏茹娣等[5]曾對(duì)一次華南鋒前暖區(qū)暴雨進(jìn)行研究，指出中低緯度系統(tǒng)的相互作用和當(dāng)?shù)氐睦瓤诘匦喂餐俪闪藢?duì)流的發(fā)生發(fā)展。本例中，冷空氣主要經(jīng)由低層切變線進(jìn)行侵入，少部分從川東回流，四川地區(qū)特殊的地理環(huán)境在此起到了一定作用。

圖2 2017年7月21日雙流機(jī)場(chǎng)暴雨天氣系統(tǒng)配置中尺度綜合圖(a)和溫江探空T-lnp圖(b)Fig.2 (a)Mesoscale comprehensive map of Shuangliu Airport rainstorm weather system configuration and (b)Wenjiang sounding T-lnp comprehensive map

2.2 環(huán)境條件

2.2.1 不穩(wěn)定條件

為分析成都雙流機(jī)場(chǎng)附近的層結(jié)和環(huán)境條件，選擇機(jī)場(chǎng)附近的溫江站(56187)探空。2017年7月21日12時(shí)溫江站無(wú)明顯回波(圖略)，適合作為臨近環(huán)境條件分析。

由圖2b可見(jiàn)，12時(shí)，溫江站的T-lnp圖反映的環(huán)境場(chǎng)特征如下：(1)近地面層到500 hPa，對(duì)流有效位能(Convetive Available Potential Energy, CAPE)明顯增加，呈長(zhǎng)條狀分布；(2)500 hPa以下比較潮濕，500 hPa以上溫度露點(diǎn)差較大，干空氣滲透深度由500 hPa下降到600 hPa，層結(jié)曲線呈向上開(kāi)口的喇叭狀，“上干冷、下暖濕”特征明顯；0 ℃高度約為6 km，-20 ℃時(shí)約為9 km；(3)中低層風(fēng)速不大，風(fēng)速隨高度變化較小，有一定強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變：這種結(jié)構(gòu)特征一般適合短時(shí)強(qiáng)降水[6]，并由于濕層深厚和暖區(qū)較厚主要為暖云降水。

7月21日00—12時(shí)，探空各項(xiàng)物理量出現(xiàn)了不同程度的變化(表1)。抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensation Level, LCL)由00 時(shí)的943 hPa抬升到886.9 hPa，對(duì)流抑制能量(Convective Inhibition, CIN)也由74.6 J·kg-1下降到0。注意到00時(shí)和12時(shí)邊界層以內(nèi)(2 km以下)飽和程度不同，12時(shí)相對(duì)較干，近地面未飽和(相對(duì)濕度低于80%)，需要在逆溫層上方開(kāi)始計(jì)算LCL，因此出現(xiàn)了LCL抬升的情況。王秀明等[7]指出，對(duì)流抑制對(duì)抬升氣塊的溫濕很敏感，低層增溫或增濕都會(huì)造成對(duì)流抑制的顯著減小。12時(shí)邊界層內(nèi)有明顯增溫，露點(diǎn)溫度也有所增加，因此CIN的減小是合理的。CIN代表氣塊做功需要克服的能量大小。7月21日00至12時(shí)的CIN的減小，表明水汽凝結(jié)和抬升條件向著有利于降水發(fā)生的方向改善，借助外界強(qiáng)迫的需求降低。平衡高度(Equilibrium Level, EL)由179 hPa上升到128.9 hPa，表明溫江附近的云頂理論伸展高度有明顯增加。0 ℃層高度由5 650 m略微下降到5 467 m。CAPE由869.7 J·kg-1增加到1 992.9 J·kg-1，屬于中等對(duì)流不穩(wěn)定[8]，相較極端的CAPE更有利于高效率降水的形成，可以在較大程度上避免使氣塊加速通過(guò)暖云層，從而延長(zhǎng)暖云的降水時(shí)間；K指數(shù)由43 ℃增至45 ℃，層結(jié)更加暖濕，主要源于850 hPa氣溫的增加和700 hPa溫度露點(diǎn)差的減小。

綜合來(lái)看，7月21日12時(shí)成都附近基本滿足了發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的不穩(wěn)定條件。

2.2.2 水汽條件

短時(shí)強(qiáng)降水需要充沛的水汽。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)短時(shí)強(qiáng)降水所需的大氣可降水量(Precipitable Water，PW)一般不低于20 mm，而70 mm則屬于較為極端的水汽條件[9]。表1中，根據(jù)“地面法”[10]計(jì)算得到溫江00時(shí)和12時(shí)的大氣可降水量為73 mm。由位于雙流機(jī)場(chǎng)的HTG-4型地基輻射儀反演數(shù)據(jù)可知，12時(shí)水汽總含量(Integrated Water Vapor，IWV)為63 mm，降水開(kāi)始前迅速增加到80 mm(圖4b)，和常規(guī)探空值吻合，表明水汽含量充沛，有利于強(qiáng)降水天氣的產(chǎn)生。

表1 2017年7月21日00、12時(shí)溫江站(56187)探空物理量和垂直切變值Table 1 Physical and vertical shear values at 0000 and 1200 UTC on 21 July from sounding of Wenjiang station

形勢(shì)場(chǎng)顯示，從00—12時(shí)，成都始終處于副熱帶高壓西北部偏南氣流控制下，中低層轉(zhuǎn)為一致的西南風(fēng)(圖2a)。探空?qǐng)D上，00至12時(shí)，盡管中層及以上仍然是較為干冷的區(qū)域，中低層的濕度卻普遍有所增加，尤其925 hPa出現(xiàn)了8 m·s-1的東南風(fēng)(圖2b)，證實(shí)了成都低層存在較強(qiáng)的暖濕輸送。

2.2.3 垂直風(fēng)切變

水平風(fēng)的垂直切變大小影響雷暴的組織程度和生命史長(zhǎng)短，業(yè)務(wù)上常用深層垂直風(fēng)切變(0～6 km)來(lái)分析強(qiáng)雷暴，用淺層垂直風(fēng)切變(0～1 km)來(lái)分析龍卷。2017年7月21日12時(shí)，溫江各特征層風(fēng)切變見(jiàn)表1：其中，0～500 hPa垂直風(fēng)切變僅有0.58×10-3s-1，低于多數(shù)多單體風(fēng)暴的切變值(1.5～2.5×10-3s-1)[11]，這意味著12時(shí)的垂直風(fēng)切變條件只滿足普通單體雷暴或組織松散的多單體風(fēng)暴的條件。但從0～700 hPa的風(fēng)切變值來(lái)看，達(dá)到了多單體風(fēng)暴的標(biāo)準(zhǔn)，而0～925 hPa的切變值則高于強(qiáng)風(fēng)暴標(biāo)準(zhǔn)(4.5～8.0×10-3s-1)：這表明容易形成低質(zhì)心的對(duì)流風(fēng)暴。實(shí)際上，2017年“7.21”雙流機(jī)場(chǎng)暴雨過(guò)程的降水主體為低質(zhì)心普通單體雷暴。

綜合來(lái)看，2017年“7.21”暴雨過(guò)程在層結(jié)結(jié)構(gòu)上屬于比較深厚的濕層；CAPE值中等，未達(dá)到極端強(qiáng)對(duì)流天氣要求的條件[12]；中高層切變偏弱，不利于強(qiáng)風(fēng)暴生成和維持，低層較強(qiáng)切變有利于低質(zhì)心對(duì)流風(fēng)暴的產(chǎn)生和發(fā)展。這些都符合高強(qiáng)度降水天氣的環(huán)境特征[13-14]。

3 對(duì)流系統(tǒng)演變及微物理特征

3.1 雷達(dá)回波演變特征

根據(jù)四川省氣象局多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，2017年7月21日傍晚到午夜的對(duì)流天氣過(guò)程大致分為兩個(gè)階段：

階段1：陣風(fēng)鋒觸發(fā)淺薄對(duì)流單體(09—14時(shí))

09∶06，雷達(dá)站西北20 km處有中尺度輻合線，東北有分散回波(圖3a)。陣風(fēng)鋒a長(zhǎng)度約20 km，回波強(qiáng)度5～10 dBZ，自東北向西南移動(dòng)，移速約20 km·h-1；10∶04(圖3b)，a長(zhǎng)度增至50 km左右，回波強(qiáng)度10～15 dBZ，南下接近雷達(dá)坐標(biāo)中心點(diǎn)，和中尺度輻合線交叉，觸發(fā)對(duì)流單體A。單體A向機(jī)場(chǎng)方向移動(dòng)途中產(chǎn)生了陣風(fēng)鋒b(圖3c、d)。b初生時(shí)回波強(qiáng)度5～10 dBZ，長(zhǎng)度25～30 km，移速約15 km·h-1，南下途經(jīng)雙流機(jī)場(chǎng)，造成近地面氣溫短時(shí)下降(11∶00—11∶30，由33 ℃降至30 ℃)，并于機(jī)場(chǎng)北面5 km處觸發(fā)新的單體B(圖3e)。陣風(fēng)鋒b經(jīng)過(guò)機(jī)場(chǎng)后長(zhǎng)度和強(qiáng)度都有所減弱，繼續(xù)南壓時(shí)于機(jī)場(chǎng)東南6 km處觸發(fā)新的單體C后消失(圖3f)。單體C回波強(qiáng)度35 dBZ，已達(dá)初生對(duì)流標(biāo)準(zhǔn)，生成后逐漸向機(jī)場(chǎng)(西北)移動(dòng)并造成雷暴伴小陣雨天氣。此后，機(jī)場(chǎng)東側(cè)約25 km的龍泉山脈附近對(duì)流明顯增強(qiáng)并逐漸西移北抬，于機(jī)場(chǎng)附近觸發(fā)更多單體(圖3g、h)。

從持續(xù)時(shí)間來(lái)看，該階段由陣風(fēng)鋒觸發(fā)的單體A、B和C都屬于淺薄的對(duì)流單體，持續(xù)時(shí)間都在1 h左右，消散較快，回波頂高也較低，僅有3～4 km。淺薄單體的快速生消表明機(jī)場(chǎng)附近層結(jié)具備了產(chǎn)生對(duì)流的條件，氣層暖濕且不穩(wěn)定，在受到陣風(fēng)鋒一類邊界層天氣尺度系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)較易發(fā)生對(duì)流，但中層以上的垂直風(fēng)切變條件較差，限制了對(duì)流的發(fā)展和維持，難以產(chǎn)生深厚的對(duì)流系統(tǒng)。

階段2：短時(shí)強(qiáng)降水回波演變(14—17時(shí))

14時(shí)后，龍泉山脈以東附近對(duì)流加強(qiáng)，成都西南、東北和正東方向出現(xiàn)片狀回波，機(jī)場(chǎng)附近也由孤立的單體雷暴演變成多個(gè)單體并存，并和龍泉附近回波逐漸連成帶狀，向西北移動(dòng)，不斷激發(fā)新的單體。圖3i中，帶狀回波覆蓋機(jī)場(chǎng)上空，并滯留半小時(shí)以上，強(qiáng)度達(dá)35 dBZ以上的回波面積逐漸擴(kuò)大，覆蓋約10×10 km2的范圍，其中強(qiáng)單體(回波強(qiáng)度超過(guò)50 dBZ)于14∶23—14∶41期間在機(jī)場(chǎng)造成38.6 mm的降水量(合128.6 mm·h-1)。15時(shí)后帶狀回波繼續(xù)向西北方向移動(dòng)(圖3j)，移速約為10 km·h-1，并逐漸分裂：帶狀回波西南端(眉山附近)移動(dòng)較回波主體遲緩，這部分落后的回波向機(jī)場(chǎng)方向持續(xù)生成新的對(duì)流單體，并于16∶21—16∶27造成10.0 mm的降水量(合100 mm·h-1)。16∶52(圖3l)，機(jī)場(chǎng)附近10 km范圍內(nèi)回波已逐漸減弱，也無(wú)新的回波生成。該階段單體強(qiáng)度明顯高于一階段，強(qiáng)單體反射率超過(guò)50 dBZ，回波頂高也更高，達(dá)到了6～8 km，降水效率也大幅增加，但缺乏明顯的深對(duì)流活動(dòng)特征。

綜上，此次過(guò)程回波特征為：來(lái)自東北部的陣風(fēng)鋒南壓過(guò)程中，于機(jī)場(chǎng)北部觸發(fā)孤立強(qiáng)單體雷暴，隨后又觸發(fā)了多個(gè)單體雷暴。受龍泉山脈的影響，逐步演變成帶狀強(qiáng)回波。過(guò)程的“列車(chē)效應(yīng)”[15]不明顯，主要降水集中在14∶30和16∶30前后合計(jì)不足半小時(shí)的時(shí)段內(nèi)達(dá)到了過(guò)程降水量的80%。這表明，低質(zhì)心對(duì)流云團(tuán)造成了強(qiáng)降水。

3.2 微物理特征

前文討論了暴雨發(fā)生前的環(huán)境特征和對(duì)流云團(tuán)的移動(dòng)發(fā)展情況，而局地暴雨的發(fā)生和維持，還和各種氣象要素的空間分布、發(fā)展演變密不可分。為深入了解暴雨過(guò)程的各種細(xì)節(jié)和云團(tuán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用天氣雷達(dá)和輻射儀數(shù)據(jù)對(duì)濕度相關(guān)的物理要素進(jìn)行分析。

3.2.1 相對(duì)濕度和水汽總含量演變

足量水汽供應(yīng)是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的重要條件之一。相對(duì)濕度在垂直方向的分布和變化可以反映水汽供給的情況。過(guò)程發(fā)生前2～3 h(圖4a)，相對(duì)濕度大致呈5～10 km低、1～5 km高、0～1 km低的“上下干、中間濕”三層結(jié)構(gòu)。雷暴發(fā)生前約1 h，0～10 km相對(duì)濕度都有所增加，變?yōu)椤吧细?、下濕”兩層結(jié)構(gòu)，基本維持到雷暴結(jié)束。降水開(kāi)始時(shí)(圖5a、b中白色箭矢)，5 km以下相對(duì)濕度達(dá)到90%以上，由0 ℃層(圖4b白色實(shí)線)分布可知，高濕區(qū)基本位于溫度高于0 ℃的暖區(qū)，與探空結(jié)果相一致，即暖云層深厚，水汽供應(yīng)充足。降水強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，相對(duì)濕度呈現(xiàn)明顯的波峰(圖4b黑色箭矢)，飽和區(qū)(相對(duì)濕度≥95%)也向上擴(kuò)展，在最主要的兩次降水期間(14∶23—14∶41和16∶21—16∶27)，飽和區(qū)中心高度都低于4 km，多數(shù)位于1～3 km之間，表明低層有持續(xù)足量的水汽補(bǔ)充。

IWV是輻射計(jì)反演的0～10 km氣柱中的水汽總含量。圖4b中，IWV在過(guò)程前迅速增長(zhǎng)、過(guò)程結(jié)束后迅速下降，雷暴和降水都發(fā)生在IWV快速增長(zhǎng)的波峰上，并對(duì)應(yīng)了降水強(qiáng)度的變化。過(guò)程臨近時(shí)，IWV達(dá)到60 mm，峰值在過(guò)程期間多次超過(guò)了85 mm，表明有持續(xù)的水汽來(lái)源(偏南暖濕氣流)，有利于強(qiáng)降水天氣的發(fā)生。

3.2.2 液態(tài)水密度特征演變

由四川省氣象局天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)可知，14∶30(圖5c)，35 dBZ以上回波近地層寬度達(dá)10 km，回波整體呈傾斜結(jié)構(gòu)，核心寬闊致密，50 dBZ強(qiáng)回波區(qū)位于2～4 km高度并向移動(dòng)方向傾斜；前方可見(jiàn)小范圍的弱回波區(qū)，有明顯的回波梯度，小部分強(qiáng)回波及地，表明強(qiáng)盛的上升氣流繼續(xù)維持，降水強(qiáng)度短時(shí)間不會(huì)減小，造成了整個(gè)過(guò)程中最多的降水。16∶14，云團(tuán)包含多個(gè)單體(圖5d)，層狀云降水回波范圍顯著擴(kuò)大，范圍達(dá)25～30 km；35 dBZ以上回波松散，強(qiáng)回波核心基本位于2 km以下，多數(shù)已經(jīng)及地，但個(gè)別單體仍然較強(qiáng)，從而使得降水強(qiáng)度有明顯波動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)仍能產(chǎn)生較大降水。而圖5a、b中以孤立的回波單體為主，回波整體呈直立結(jié)構(gòu)，強(qiáng)回波核心范圍較小且很快及地，表明上升氣流不足以維持對(duì)流發(fā)展，能夠造成的降水十分有限。

本次過(guò)程中對(duì)流云團(tuán)回波頂高普遍在6～8 km，屬于中等深對(duì)流[16]。云體大部位于0 ℃層以下，云底高度較低，表明降水云團(tuán)主要由0 ℃層附近及以下高度的液態(tài)雨滴構(gòu)成[17]，呈現(xiàn)暖云降水特征。50 dBZ以上的強(qiáng)回波基本都在4 km以下，多數(shù)位于2 km附近，屬于降水效率較高的熱帶低質(zhì)心降水系統(tǒng)。又由四川省氣象局的地基閃電定位網(wǎng)數(shù)據(jù)可知，2017年7月21日12—17時(shí)期間，發(fā)生在雙流境內(nèi)的總閃電僅為74次，遠(yuǎn)少于一般強(qiáng)對(duì)流過(guò)程[18]：低質(zhì)心降水云團(tuán)中降水粒子相態(tài)以液態(tài)水(含過(guò)冷水)為主，混合相態(tài)粒子含量不高，造成閃電次數(shù)偏少。

3.2.3 濕層特征演變

此外，由雙流機(jī)場(chǎng)地基微波輻射儀反演得到抬LCL、自由對(duì)流高度(Level of Free Convection, LFC)、濕層厚度(Wet Layer Thickness，WLT)和單位面積上氣柱所含液態(tài)水總量(Liquid Water Profile，LWP)隨時(shí)間的演變(圖6)，可以反映降水過(guò)程期間的大氣層結(jié)變化特征。

LCL(圖6中實(shí)線)在降水開(kāi)始前1 h保持持續(xù)下降(圖6a)，從11∶01的820 hPa下降到11∶59的864 hPa，12∶31降水落地，此時(shí)LCL已經(jīng)降至950 hPa，并在降水停止前(17∶03)保持“恒定”(理論上，LCL至多降至近地面，這里不妨取輻射儀有效數(shù)據(jù)最低層的氣壓值)，降水結(jié)束后開(kāi)始上升(17∶16升至938 hPa)。當(dāng)?shù)蛯酉鄬?duì)濕度由于水汽輸送逐漸達(dá)到飽和時(shí)，LCL的高度逐漸下降，反映了云底高度的降低和濕層的增厚；當(dāng)降水趨于結(jié)束，LCL高度升高，又反映了云底高度的抬升和低層變干。Rasmussen, et al[19]曾用美國(guó)6 000個(gè)00時(shí)探空資料分析了關(guān)于超級(jí)單體的預(yù)報(bào)參數(shù)，并根據(jù)技巧評(píng)分高低排序，其中最有效的參數(shù)便是抬升凝結(jié)高度LCL。因此，對(duì)于常見(jiàn)的深厚濕對(duì)流過(guò)程，可增加對(duì)LCL的關(guān)注。

圖4 2017年7月21日0800—2000 UTC雙流機(jī)場(chǎng)微波輻射儀反演的水汽總含量(a)和相對(duì)濕度(b)(白色箭矢表示降雨開(kāi)始，黑色箭矢表示中陣雨)Fig.4 Temporal variation of integrated water vapor(a) and relative humidity(b) calculated with microwave radiometer data during 0800 UTC—2000 UTC on 21 July 2017 at Shuangliu Airport (white arrow indicates the starting of rain and black arrows show the timing of moderate shower)

圖5 2017年7月21日不同時(shí)刻的成都雷達(dá)反射率因子剖面 (剖面位置見(jiàn)圖3相應(yīng)時(shí)刻圖中白色實(shí)線):(a)12∶51;(b)13∶48;(c)14∶25;(d)16∶14Fig.5 Reflectivity profiles of Chengdu radar at different time on 21 July 2017 (The positions of profiles at corresponding time aremarked as white lines in Fig.3)： (a)1251 UTC; (b)1348 UTC; (c)1425 UTC; (d)1614 UTC

圖6 2017年7月21日11—18時(shí)雙流機(jī)場(chǎng)微波輻射儀反演的LCL、LFC、LWP和WLTFig.6 Temporal variation of LCL，LFC，LWP and WLT calculated with microwave radiometer data during 1100 UTC-1800 UTC on 21 July 2017 at Shuangliu Airport (The positions of profiles at corresponding time are marked as white lines in Fig.3)

LFC(圖6中虛線)在臨近降雨前1 h左右也隨著LCL的下降(圖6a)，由694 hPa下降到758 hPa)，表明機(jī)場(chǎng)附近的溫濕條件改善使得氣塊不需要過(guò)多的外界強(qiáng)迫即可依靠自身浮力上升，同時(shí)提升了CAPE，減少了CIN，對(duì)流發(fā)生的條件進(jìn)一步得到滿足。LFC在降雨開(kāi)始后并不像LCL一樣穩(wěn)定，而是大幅波動(dòng)，但呈現(xiàn)階段性的相對(duì)穩(wěn)定(圍繞某個(gè)高度上下波動(dòng))。

由輻射儀反演得到的WLT和LWP可以進(jìn)一步分析降水期間濕層特征的變化(圖6b)。韓玨靖等[20]將濕層厚度定義為相對(duì)濕度超過(guò)85%的垂直厚度，可以在一定程度上反映整層水汽的飽和程度。在降水開(kāi)始前半小時(shí)，WLT由2 km快速增至5 km，并在14∶17附近取得極大值6.5 km，對(duì)應(yīng)過(guò)程中最大的降雨強(qiáng)度和降雨量；盡管此時(shí)的WLT不如16∶30附近的深厚(7.0 km)，但相差僅有7.7%，實(shí)際雨強(qiáng)也非常接近，表明深厚的濕層對(duì)降水強(qiáng)度增加有利。WLT在過(guò)程開(kāi)始前的變化指示性較為明顯，降雨結(jié)束后的指示性變差。液態(tài)水路徑LWP降雨開(kāi)始前僅有0.5 mm，降雨開(kāi)始后迅速升至3.4 mm，最高達(dá)到3.5 mm，降雨結(jié)束后又快速回落至0.5 mm，顯示了更好的指示作用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)成都雙流機(jī)場(chǎng)2017年“7.21”暴雨過(guò)程的環(huán)境條件、中尺度系統(tǒng)、微物理特征和觸發(fā)機(jī)制的分析，結(jié)論如下：

(1)此次暴雨過(guò)程局地性強(qiáng)，短時(shí)降雨強(qiáng)度大，水汽條件極端性較明顯，天氣尺度的熱力和動(dòng)力條件較弱。在弱風(fēng)場(chǎng)背景下，地面倒槽前部少量冷空氣經(jīng)城市熱島加熱后匯入城市暖出流，與山前冷出流輻合，在較強(qiáng)溫度梯度帶上形成初生對(duì)流。隨著副熱帶高壓西進(jìn)，偏南氣流增強(qiáng)，配合地面輻合線，對(duì)流西移影響機(jī)場(chǎng)，造成第一波強(qiáng)降水；之后在冷池的作用下觸發(fā)新的單體，產(chǎn)生第二波強(qiáng)降水。

(2)此次暴雨過(guò)程的強(qiáng)降水回波結(jié)構(gòu)密實(shí)，最強(qiáng)回波低于60 dBZ，50 dBZ回波高度低于4 km(平均為2 km)，云體大部處于0 ℃層以下，為高效的熱帶低質(zhì)心降水系統(tǒng)。冷云部分高度有限，冰相粒子含量較少，對(duì)流過(guò)程閃電偏少。

(3)微物理特征分析顯示，暴雨發(fā)生前環(huán)境非常潮濕，相對(duì)濕度、水汽總含量、液態(tài)水密度、濕層厚度和液態(tài)水路徑等都顯示了由于對(duì)流過(guò)程中偏南暖濕氣流的持續(xù)輸送，保證了水汽的充足供應(yīng)，使得氣層持續(xù)保持不穩(wěn)定狀態(tài)，在低層中小尺度系統(tǒng)的擾動(dòng)下觸發(fā)對(duì)流天氣。對(duì)抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度的診斷表明，抬升凝結(jié)高度對(duì)強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的發(fā)生發(fā)展更為敏感，在臨近預(yù)報(bào)中有著更好的應(yīng)用價(jià)值。

(4)高空引導(dǎo)氣流不強(qiáng)，近地層偏南氣流偏弱，導(dǎo)致對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)整體偏慢，基本沿著引導(dǎo)氣流方向緩慢移動(dòng)，從而導(dǎo)致了局地強(qiáng)降水的爆發(fā)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上屬于前向傳播，盡管有著較為極端的水汽條件，但缺乏更有效的組織也限制了實(shí)際的降水量。