華北局地大暴雨過程中多個β中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展對比分析*

徐 姝 易笑園 熊明明 孫密娜 林曉萌

1 天津市氣象臺,天津 300074

2 中國氣象局水文氣象重點開放實驗室,南京 210024

3 天津市氣候中心,天津 300074

提 要：利用常規(guī)地面高空觀測、多普勒雷達、風廓線、VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System)和NCEP再分析資料,對2018年8月5—6日副熱帶高壓(以下簡稱副高)控制下華北一次局地大暴雨過程中多個β中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)和發(fā)展機制進行了分析。結(jié)果表明:這次大暴雨發(fā)生在副高控制下,處于高溫、高濕氣團中,大氣層結(jié)極不穩(wěn)定。暴雨由多個相繼發(fā)展的中尺度對流系統(tǒng)造成,分別是太行山迎風坡上西南—東北向、華北平原地區(qū)保定一帶南北向、保定至霸州附近西南—東北向和以雄安新區(qū)為中心東西向原地生消的準靜止MCS-Ⅰ、MCS-Ⅱ、MCS-Ⅲ和MCS-Ⅳ,均屬于β中尺度。在相似的環(huán)境中,不同中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)機制有較大差異,太行山迎風坡上的MCS-Ⅰ是由近地層偏東暖濕氣流在迎風坡與山風形成的輻合抬升觸發(fā);由輻射差異和前期強降水形成的局地冷池受MCS-Ⅰ影響再次加強后,其出流與環(huán)境風形成的兩條地面輻合線分別觸發(fā)了MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ,并組織對流沿輻合線呈帶狀發(fā)展;而超低空偏東風增強疊加冷池出流在地形抬升作用下促使沿山暖濕氣團進一步抬升,使得原本消亡的MCS-Ⅰ再次重建。MCS-Ⅳ發(fā)展最旺盛、持續(xù)時間最長,是大暴雨中心的直接制造者,一方面MCS-Ⅱ與MCS-Ⅲ、MCS-Ⅰ與MCS-Ⅳ的兩次合并過程,是MCS-Ⅳ增強、持久的重要原因;另一方面邊界層偏東風急流為MCS-Ⅳ的發(fā)展提供了水汽和不穩(wěn)定能量等有利條件,同時推動其左前方中尺度渦旋的發(fā)展,導致MCS-Ⅳ所在地的氣旋性渦度大大增加,加強了以急流軸為中心的垂直次級環(huán)流發(fā)展,造成MCS-Ⅳ的發(fā)展維持,形成華北平原地區(qū)以雄安新區(qū)為中心的東西向大暴雨帶。

引 言

華北是中國三個暴雨集中分布區(qū)之一,近年來,以降水強度強、持續(xù)時間長為主要特征的極端降水事件在華北地區(qū)多次發(fā)生,造成了嚴重的生命財產(chǎn)損失和巨大的社會影響。為了探究華北暴雨的成因,氣象工作者從多個角度進行了深入研究,包括大尺度環(huán)流形勢(周璇等,2020)、中低緯度系統(tǒng)相互作用(趙思雄等,2018)、水汽輸送特征(王婧羽等,2014; 布和朝魯?shù)?2022)、高低空急流的作用(李青春等,2022)、天氣尺度和中尺度系統(tǒng)(楊波等,2016)以及復雜地形(程曉龍等,2021;趙衍斌等,2023;符嬌蘭等,2017;盛春巖等,2012)在華北暴雨中的作用。

眾多研究結(jié)果表明,暴雨事件多是在有利的大尺度環(huán)流背景下,由發(fā)展旺盛的中尺度對流系統(tǒng)引發(fā)(王曉芳和崔春光,2011),而中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)和發(fā)展維持機制一直是中尺度氣象界研究的重點和難點,也是提高局地強對流天氣演變的科學認知和短時臨近預報水平的關(guān)鍵所在。張文龍等(2013)對北京地區(qū)兩次暴雨天氣過程進行對比分析,研究發(fā)現(xiàn)若淺薄的偏東風與中高空輻散場有較好的配合,則其動力作用能夠?qū)τ|發(fā)中尺度對流系統(tǒng)(MCS)起到直接作用;若在對流層低層的潮濕層中存在深厚的偏東風,則有利于MCS的發(fā)展和維持;陳明軒等(2013)利用雷達資料、四維變分同化技術(shù)和三維數(shù)值云模式,為北京“7·21”特大暴雨中尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和傳播機理的分析提供了佐證,探討了地形強迫及低層動力場對MCS的觸發(fā)和維持作用;孔凡超等(2016)分析冀中特大暴雨的中尺度系統(tǒng)特征時指出暴雨是在地面中尺度渦旋的影響下,由暖區(qū)中的β中尺度對流云團在初生和發(fā)展階段造成的。諶蕓等(2018)通過分析2013年7月華北一次暖區(qū)大暴雨研究,指出高溫高濕環(huán)境下地面輻合線、冷池及中尺度渦旋的相互作用對對流系統(tǒng)的觸發(fā)及組織化發(fā)展至關(guān)重要;雷蕾等(2020)在分析北京2018年7月副熱帶高壓(以下簡稱副高)邊緣的一次特大暴雨時發(fā)現(xiàn),低空急流出口區(qū)出現(xiàn)的氣旋性風場或切變有利于觸發(fā)和加強對流。已有的研究多是針對相同天氣背景下的一個中尺度系統(tǒng)展開,如果在相同的天氣系統(tǒng)背景下,多個MCS相繼觸發(fā),其機制是否相同,為什么其中有些中尺度對流系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展,而另一些中尺度對流系統(tǒng)則維持時間相對較短?針對以上問題相關(guān)研究較少,認識也很有限,導致局地暴雨精細化預報水平不高,因此這些問題值得進一步研究。

2018年8月5日,在副高控制下,多個β中尺度對流系統(tǒng)相繼影響華北中部,形成三條短歷時暴雨帶,最大6 h累計雨量為202 mm,其中雄安新區(qū)容城的最大小時雨強達到118 mm·h-1。這次暴雨局地性、突發(fā)性強,強降水造成城區(qū)內(nèi)澇嚴重,電力通信中斷。一般預報經(jīng)驗認為,相比副高邊緣,副高控制下強降水發(fā)生概率低,加之數(shù)值天氣預報模式對這種弱強迫背景下局地降水預報也表現(xiàn)出明顯的局限性,導致短期預報的雨強偏弱,出現(xiàn)大暴雨漏報。本文利用多種觀測資料分析了此次強降水產(chǎn)生的中尺度環(huán)境條件,基于雷達產(chǎn)品給出多個中尺度對流系統(tǒng)演變過程,重點對比其觸發(fā)及發(fā)展機制,并給出此次副高控制下華北暖區(qū)大暴雨形成的概念模型。

1 資料和方法

文中使用多源觀測資料做綜合分析。資料包括:(1)加密自動站資料,用于分析雨強、降水分布、冷池和地面輻合線;(2)北京觀象臺SA多普勒天氣雷達資料,用于分析對流系統(tǒng)演變及中尺度結(jié)構(gòu);(3)一天四次的NCEP 0.25°×0.25°的FNL再分析資料,用于大尺度環(huán)流及物理量診斷;(4)天津西青L波段風廓線雷達資料,用于分析邊界層偏東風變化;(5)多普勒雷達四維變分分析系統(tǒng)(VDRAS)熱動力反演資料由北京城市氣象研究院提供,系統(tǒng)同化京津冀區(qū)域六部多普勒天氣雷達,并融合區(qū)域自動站逐5 min觀測和中尺度數(shù)值模式結(jié)果(陳明軒等,2016),用于分析中尺度環(huán)流動力、熱力特征;(6)華北地區(qū)地形資料,用于分析地形對降水的影響。

2 強降水實況

2018年8月5—6日,河北中部出現(xiàn)了一次強降水天氣過程,最強降雨出現(xiàn)在5日23:00至6日05:00(北京時,下同),表現(xiàn)為四條降雨帶(圖1a),雨帶Ⅰ位于北京西南部和保定西部的太行山地區(qū),另外三條分布在地形相對平緩的平原地區(qū),分別是保定南部的南北向雨帶Ⅱ,保定至霸州附近的西南—東北向雨帶Ⅲ和以雄安新區(qū)為中心的東西向雨帶Ⅳ。上述地區(qū)6 h累計雨量最大為202 mm,出現(xiàn)在雄安新區(qū)的容城。選取不同雨帶上的四個代表站,逐小時雨量變化顯示(圖1b),雨帶Ⅰ上的北婁山站出現(xiàn)了兩次峰值,分別是5日23:00和6日03:00,最大雨強達67 mm·h-1;雨帶Ⅱ上留史鎮(zhèn)站和雨帶Ⅲ上新城鎮(zhèn)站降水峰值出現(xiàn)在北婁山站第一次峰值后,最大雨強分別達35 mm·h-1和25 mm·h-1;大暴雨帶Ⅳ上雄安新區(qū)容城站的峰值出現(xiàn)最晚(6日03:00),且與雨帶Ⅰ的第二次峰值同時,但強度最大,達到118 mm·h-1,雨帶Ⅳ是本文重點研究的降水區(qū)。此次降水分布不均、局地性強、雨強大,具有明顯的中尺度對流性降水特征,造成容城嚴重內(nèi)澇、供電設施斷電。

注:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所示為四條雨帶,◇、△、○、□為代表站位置。

3 環(huán)流形勢和環(huán)境條件

5日20:00(圖2a),500 hPa中高緯經(jīng)向型環(huán)流顯著,副高主體控制長江以北大部分地區(qū),內(nèi)蒙古以北104°E有一淺槽,6日02:00(圖2b),淺槽東移至108°E,槽前正渦度平流位于內(nèi)蒙古中部,副高北側(cè)588 dagpm線南落至河北北部,河北中南部地區(qū)仍受副高控制,河北地區(qū)925～500 hPa均為暖平流(圖略),無明顯冷空氣侵入特征。5日20:00和6日02:00,850 hPa上由偏南風和偏東風形成的暖切變線在河北南部穩(wěn)定少動。地面圖上,東北和河套地區(qū)分別存在一個高、低壓中心,華北地區(qū)處于低壓倒槽前部,受東南風影響,京津冀中東部平原露點溫度高達 26～28℃,且當日最高氣溫達35～37℃,為顯著的高溫、高濕環(huán)境。

注:●、▲、★分別表示北京、邢臺、大暴雨中心,“━”為850 hPa切變線所在位置。

利用北京(圖2c)和邢臺(圖2d)探空資料估計大暴雨區(qū)上空大氣層結(jié)狀況。5日20時探空表明北京對流有效位能(CAPE)達到1886 J·kg-1,對流抑制位能(CIN)只有30 J·kg-1,抬升凝結(jié)高度在975 hPa附近,自由對流高度在900 hPa附近;邢臺的CAPE達到3311 J·kg-1,CIN只有4 J·kg-1,抬升凝結(jié)高度則接近950 hPa,自由對流高度接近935 hPa。較低的抬升凝結(jié)高度和自由對流高度使得不需要很強的抬升即可觸發(fā)對流,700 hPa以下的溫度露點差均小于2℃,華北中東部的整層可降水量在強降水發(fā)生前和過程中均在60 mm以上,是形成強降水的有利能量、水汽條件。

4 中尺度對流系統(tǒng)演變特征與相互作用

4.1 中尺度對流系統(tǒng)的演變

為敘述簡便,以下分別將造成太行山迎風坡附近、華北平原地區(qū)保定一帶南北向、保定至霸州附近西南—東北向和以雄安新區(qū)為中心的東西向強降水的對流風暴系統(tǒng)分別稱為MCS-Ⅰ(其中北京西部山區(qū)的對流用 Ⅰ’表示)、MCS-Ⅱ、MCS-Ⅲ、MCS-Ⅳ。

從雷達組合反射率演變(圖3)可以看到,MCS-Ⅰ貫穿整個降水過程,生命史長達7 h。MCS-Ⅰ演變大體上可以分為四個階段:分散對流階段、成熟階段、減弱消亡階段和重建階段。太行山迎風坡的強降水主要發(fā)生在MCS-Ⅰ成熟和重建階段。5日22:00分散對流階段(圖3a),太行山山前迎風坡一側(cè)開始出現(xiàn)與地形分布平行的多個新生對流單體, 23:12對流達到成熟階段(圖3b),這些分散單體合并組織成東北—西南向帶狀對流系統(tǒng)MCS-Ⅰ,位于河北中部至北京西部山區(qū),且MCS-Ⅰ南端回波帶強度明顯增強,受其影響,河北中部山區(qū)出現(xiàn)短時強降水,小時雨強40～80 mm·h-1。6日00:18,MCS-Ⅰ南端回波進入減弱消亡階段(圖3c),逐漸減弱消散,其北端北京西部山區(qū)的對流 Ⅰ’回波不斷增強,強回波中心達到55 dBz,小時雨強達到73 mm·h-1。01:06—04:06,MCS-Ⅰ南端回波又重新建立(圖3d,3f),持續(xù)影響河北中部沿山地區(qū)3 h,最大累計雨量達126 mm,最大雨強達87 mm·h-1,期間北端回波減弱消亡。MCS-Ⅰ在長達7 h的生命史里,經(jīng)歷了分散對流階段、成熟階段、減弱消亡階段和重建階段,且穩(wěn)定維持在太行山山前。

注:紅色線表示剖線,①、②分別表示剖線的起點和終點;Ⅰ’為北京西部山區(qū)的對流系統(tǒng)。

MCS-Ⅱ是在大氣層結(jié)狀態(tài)極不穩(wěn)定的平原地區(qū)被觸發(fā)、組織、發(fā)展起來。5日23:12,在保定西部的太行山山前對流系統(tǒng)發(fā)展加強過程中,其東部平原地區(qū)開始出現(xiàn)分散性新生回波,在山前對流系統(tǒng)減弱過程中,這些分散回波逐漸發(fā)展、合并,到6日00:18,形成南北向的MCS-Ⅱ,其水平尺度達120 km,結(jié)構(gòu)密實,強中心增大到45 dBz,對應的降水強度也隨之增大,雨帶Ⅱ上的留史鎮(zhèn)站出現(xiàn)最大雨強(35 mm·h-1)。MCS-Ⅱ在垂直剖面上呈現(xiàn)多單體特征,隨后的3 h MCS-Ⅱ逐漸減弱(圖3d～3f),且以準靜止狀態(tài)在保定南部維持,形成了華北平原地區(qū)的南北向雨帶Ⅱ。

MCS-Ⅲ同樣是在平原地區(qū)被觸發(fā)、組織、發(fā)展起來。6日00:18,北京西南部太行山前的對流系統(tǒng)Ⅰ’加強過程中,其東部偏南的平原地區(qū)觸發(fā)一條幾乎與之平行的西南—東北向的MCS-Ⅲ,對流發(fā)展迅速,導致新城鎮(zhèn)連續(xù)3 h雨強超20 mm·h-1。01:06,MCS-Ⅱ與MCS-Ⅲ相交后,其交點處對流Ⅳ迅速發(fā)展,最大回波強度達55 dBz。02:00,MCS-Ⅳ與沿山重生的MCS-Ⅰ合并,形成東西向MCS-Ⅳ,出現(xiàn)本次降水中的最大雨強(118 mm·h-1)。至04:06,MCS-Ⅳ在雄安新區(qū)維持了3 h,形成本次過程的極端強降水中心。

從上面的分析可以看到,在副高的控制下,造成太行山迎風坡附近、華北平原地區(qū)保定一帶南北向、保定至霸州附近西南—東北向和以雄安新區(qū)為中心的東西向強降水的對流風暴系統(tǒng)均處于準靜止狀態(tài),在其觸發(fā)地發(fā)展成熟直至減弱消散,造成強降水在同一地點長時間維持,形成對應的四條雨帶。

4.2 中尺度對流系統(tǒng)相互作用

圖4a～4e為圖3a～3e對應時刻沿著圖3b中①—②剖面得到的RHI圖,從圖4可以對比出MCS-Ⅰ和MCS-Ⅳ生成與發(fā)展在時間上存在先后順序,它們之間是如何相互作用的呢?

注:白色虛線表示0℃層所在高度。

5日22:00,MCS-Ⅰ正在發(fā)展加強中,回波核心45 dBz位于4 km處,此時,Ⅳ點處還未出現(xiàn)回波,23:12,MCS-Ⅰ達到成熟階段(圖4b),大于45 dBz的對流云回波發(fā)展到6 km,中心強度達到50 dBz以上,MCS-Ⅰ形成的冷池出流觸發(fā)了MCS-Ⅱ,Ⅳ點處回波逐漸生成(圖4c),隨后的1 h, Ⅳ點處回波進一步發(fā)展,而MCS-Ⅰ逐漸減弱消散(圖4c)。6日01:06,MCS-Ⅳ迅速發(fā)展,大于45 dBz的對流云回波發(fā)展到9 km,中心強度達到55 dBz,超低空偏東風疊加其形成的冷池出流與地形的相互作用觸發(fā)了MCS-Ⅰ,使得原本消散的MCS-Ⅰ又重新發(fā)展起來。02:型對流非常有利于高降水效率的(圖4e),MCS-Ⅳ與重建的MCS-Ⅰ合并,最大反射率為55 dBz,反射率45 dBz以上的強回波均集中在0℃層以下,由于抬升凝結(jié)高度在700 m左右, 暖云層厚度達4800 m,暖云主導型對流非常有利于高降水效率的產(chǎn)生(俞小鼎,2012),加之合并后的回波帶長時間位于河北中部,導致局地強降水持續(xù),形成一條東西向的大暴雨帶。

為了研究MCS-Ⅱ與MCS-Ⅲ的相互作用,沿著圖3c中①—②剖線做剖面,從圖5a和5b對比看出,交點處的MCS-Ⅳ在不到1 h的時間里迅速發(fā)展成熟,中心強度達到55 dBz,具有發(fā)展快、強度大的特點。對應圖3c和3d可以發(fā)現(xiàn),由于MCS-Ⅱ與MCS-Ⅲ兩條帶狀回波相交,導致交點處MCS-Ⅳ迅速發(fā)展,進入成熟階段。

注:白色虛線表示0℃層所在高度。

上述分析表明,在副高的控制下,MCS-Ⅰ觸發(fā)了MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ,MCS-Ⅱ與MCS-Ⅲ交點處的MCS-Ⅳ發(fā)展成熟后反過來又觸發(fā)MCS-Ⅰ重建;對流單體合并是促使對流系統(tǒng)成長、增強、持久的重要因素(易笑園等,2017)。本次大暴雨過程,MCS-Ⅱ與MCS-Ⅲ,MCS-Ⅳ與MCS-Ⅰ的合并是對流增強、持久的重要原因。

5 對流觸發(fā)機制分析

5.1 地形抬升觸發(fā)對流MCS-Ⅰ

5日22:00,華北地區(qū)位于低壓倒槽前,其中東部平原地區(qū)處于高溫、高濕的環(huán)境條件下,偏東風一直沿伸至太行山東麓,太行山迎風坡附近由于地形效應,夜間吹山風即西北風(王麗榮等,2013),山前200 m高度附近,東南風與山風形成的輻合抬升釋放不穩(wěn)定能量,觸發(fā)了MCS-Ⅰ南段的對流單體(圖6a),入夜后,山風增強,最大風速達到6 m·s-1,此時沿山的輻合加強,輻合中心值達-2.5×10-4s-1,MCS-Ⅰ南段發(fā)展到成熟階段,最大雨強為80 mm·h-1,與此同時,偏東風在北京西部山區(qū)的輻合抬升觸發(fā)了MCS-Ⅰ北段的對流 Ⅰ’(圖6b)。由前面探空資料對比可知,北京的環(huán)境場條件較南部邢臺略差,導致強迫抬升的高度比MSC-Ⅰ南段略高,偏東風抬升至600 m高度附近才觸發(fā)了MCS-Ⅰ北段的對流 Ⅰ’。副高控制型暴雨一般與午后至傍晚的局地熱對流發(fā)展有關(guān)(李強等,2019),而MCS-Ⅰ在夜間被觸發(fā),主要是由近地層偏東暖濕氣流在迎風坡強迫抬升后,與山風共同觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量的釋放。

注:◆、▲、■分別表示北婁山、史留鎮(zhèn)、容城所在位置。

5.2 地面輻合線觸發(fā)MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ

從逐時紅外衛(wèi)星云圖可以看出,5日12:00開始,太行山沿山及北京南部有對流云生成,維持至18:00(圖6h),對流云導致該區(qū)域出現(xiàn)局地強降水(圖6i),直至19:00完全消散。受輻射差異及強降水影響,太行山沿山及北京以南地區(qū)較東部地區(qū)偏低3～5℃,冷出流前沿已經(jīng)接近留史鎮(zhèn)及容城站點(圖略)。23:00(圖6b),MCS-Ⅰ中的雨滴蒸發(fā)冷卻后導致近地面冷池加強,其前沿偏北風出流進一步東擴,與環(huán)境場偏東暖濕入流相遇,在保定南部形成南北向的地面輻合線,在高溫、高濕和對流不穩(wěn)定的環(huán)境層結(jié)下,地面輻合線有利于對流觸發(fā)及加強發(fā)展,位于平原地區(qū)的地面輻合線與散度場上的中尺度輻合區(qū)對應,輻合中心值達-2.5×10-4s-1,輻合線上觸發(fā)了多個新生對流單體并組織發(fā)展成MCS-Ⅱ。6日00:00(圖6c),受MCS-Ⅰ北端的北京西部沿山冷池出流影響,北京以南地區(qū)溫度進一步下降,風也由東風轉(zhuǎn)為了東北風,與環(huán)境東南風在雄安新區(qū)附近形成一條西南—東北向的地面輻合線,該地面輻合線觸發(fā)了MCS-Ⅲ,隨后該條地面輻合線的西端與保定南部輻合線的北端在雄安新區(qū)的容城上空相遇,輻合明顯。在兩條邊界層輻合線的相交處,如果大氣垂直層結(jié)有利于對流發(fā)展,則幾乎肯定會有風暴在那里生成;如果邊界層輻合線相交處本來就有風暴,則該風暴會迅速發(fā)展(刁秀廣等,2009),兩條邊界層輻合線的相交,促使MCS-Ⅳ迅速成長(圖5b)。01:00以后(圖6d～6g),兩條回波帶上的強降水形成局地冷空氣堆,溫度進一步下降,冷池出流與環(huán)境東南風對峙有助于地面中尺度輻合穩(wěn)定維持,且組織對流沿著輻合線繼續(xù)呈帶狀發(fā)展。

5.3 超低空偏東風結(jié)合冷池出流與地形的相互作用再次觸發(fā)MCS-Ⅰ

在MCS-Ⅳ與MCS-Ⅰ相互作用過程中,沿山原本消亡的MSC-Ⅰ是如何重建的呢?從雷達剖面(圖4d)和對應時刻的流場(圖7a)中可以看到,北婁山回波附近有偏東風沿山爬升,且擾動溫度為負值,結(jié)合圖8a,6日01:00以后超低空偏東風出現(xiàn)脈動,雖未達到急流標準,但明顯增強,從4 m·s-1增大到8 m·s-1,且該偏東風具有冷濕特性(圖8b),由于MCS-Ⅳ的發(fā)展,在平原地區(qū)近地面形成冷池,中心溫度為24℃,冷池偏東出流向西推進,從圖6e中也可以看到,回波西側(cè)的地面偏東風由1～2 m·s-1增大到8 m·s-1,此時北婁山處的溫度為27℃,露點溫度為26℃,超低空偏東風增強疊加冷池出流促使北婁山沿山一帶相對暖濕的氣團抬升,115.2°E附近有一支明顯的上升氣流,在2 km高度達最強,相對輻合中心值達到-1.5×10-4s-1,與楊曉亮等(2022)研究結(jié)論一致。由前面環(huán)境場的分析得知,本次過程的抬升凝結(jié)高度和自由對流高度都較低,不需要很強的抬升即可觸發(fā)對流,超低空偏東風增強疊加冷池出流后在地形抬升作用下使得沿山MCS-Ⅰ再次觸發(fā);6日00:00,MCS-Ⅳ與MCS-Ⅰ回波合并,輻合上升運動進一步加強,輻合中心值為-4.0×10-4s-1(圖7b),45 dBz以上回波面積擴大,強回波中心發(fā)展到5.5 km(圖4d),造成沿山地區(qū)雨強80 mm·h-1、雄安新區(qū)雨強118.4 mm·h-1的強降水,即MCS-Ⅰ的第二次峰值和MCS-Ⅳ的峰值。

注:◆、■分別表示北婁山、容城所在位置,黑色為地形。

注:━代表MCS-Ⅳ所在位置,▲代表風廓線雷達位置,黑色代表地形。

6 MCS-Ⅳ的發(fā)展機制

從前面的分析可見,MCS-Ⅰ與MCS-Ⅳ合并后,東西向的MCS-Ⅳ中心強度保持在45 dBz維持了3 h,最強發(fā)展到55 dBz以上,而在同一時間段中,南北向的MCS-Ⅱ南端結(jié)構(gòu)逐漸松散,多為小于35 dBz的層狀云區(qū)。在相似環(huán)流背景下,MCS-Ⅳ為何可以持續(xù)發(fā)展更長的時間?

位于MCS-Ⅳ上游的天津風廓線雷達顯示(圖8a),6日01:00以后,邊界層大氣經(jīng)歷了從偏東風風速脈動,到低空急流建立并長時間存在的過程。使用NCEP的0.25°×0.25° FNL資料,分析風廓線雷達所在緯度的緯向風速、溫度和比濕垂直剖面(圖8b),從圖中看到,這支東風急流核位于950 hPa左右,與風廓線一致,從海上一直推進至太行山前強降水區(qū)域,偏東風具有冷濕特性,一方面引起水汽的輸送和輻合,山前的水汽通量散度中心值達到-4.0×10-8g·hPa-1·m-2·s-1,這種對流層低層到近地面的水汽強輻合對極端暴雨的出現(xiàn)有重要貢獻;另一方面形成θse等值線密集帶(圖8c),水平梯度加大,增強大氣不穩(wěn)定性。MCS-Ⅳ位于這支邊界層偏東風急流內(nèi),偏東風急流為MCS-Ⅳ的發(fā)展提供了水汽和不穩(wěn)定能量等有利條件。

基于VDRAS資料分析進一步分析這支邊界層偏東風急流逐小時演變特征,從圖9a～9d中看到,當邊界層偏東急流建立后逐漸增強時,在其左前方形成β中尺度渦旋,隨著大風核的減弱消失,β中尺度低渦也減弱、消失,且強渦度值和降水、邊界層急流的位置吻合較好。這個中尺度渦旋與邊界層急流之間有什么關(guān)系?從圖8a風場演變看,從6日01:00—03:00,隨著時間的推移,偏東風從4～6 m·s-1逐漸增大至10～14 m·s-1,邊界層偏東風急流的增強導致切變渦度的增強,使得其南側(cè)的氣旋式渦度增加,由此造成該地區(qū)局地氣旋式切變或風場出現(xiàn),即本文中形成的中尺度渦旋(圖9),其渦度的大值區(qū)正好與東西向的MCS-Ⅳ重合。渦旋的動力驅(qū)動作用促使MCS區(qū)域輻合上升,同時以氣旋性環(huán)流方式向其輸送渦旋以東地區(qū)的暖濕空氣。由此可見,邊界層急流的加強,推動了其左前方中尺度渦旋的發(fā)展,在兩者的共同作用下,MCS-Ⅳ在急流核南側(cè)強氣旋性環(huán)流的正渦度強迫下迅速加強,導致其發(fā)展和局地強降水的發(fā)生。

注:━表示剖線,■代表大暴雨中心位置,綠色填色為地形高度。

同時暴雨中的凝結(jié)加熱以及積云對流垂直混合也對急流有正反饋作用,對流發(fā)展釋放更多的凝結(jié)潛熱造成降水區(qū)上空迅速增溫,降水區(qū)邊界層則變得更冷,形成對流層中層和邊界層符號相反的水平溫度梯度(圖9e),這種熱力強迫作用使邊界層風場進一步加速(楊舒楠等,2017),可以說這種積云對流與邊界層急流(和中尺度渦旋)的相互作用是導致MCS-Ⅳ持續(xù)的主要因素。04:00以后,隨著低空急流的減弱,中尺度渦旋減弱。在有利的環(huán)境背景下,邊界層急流、中尺度低渦與暴雨相互制約、相互依存。邊界層急流促使暴雨發(fā)生和中尺度低渦生成,而暴雨的出現(xiàn)有利于潛熱釋放、中尺度低渦和急流的維持,垂直上升運動是急流和渦的紐帶,也是渦動力驅(qū)動的結(jié)果。

7 結(jié)論與討論

綜合使用多種資料分析了發(fā)生在副高影響下一次局地大暴雨的形成原因,包括中尺度環(huán)境條件,中尺度對流系統(tǒng)抬升觸發(fā)及維持發(fā)展機制,給出此次大暴雨的概念模型(圖10)。結(jié)果表明:

注:MCS雷達反射率結(jié)構(gòu)用彩色表示,紅色實線為588 dagpm線,灰色陰影為氣旋性渦度的大值區(qū),紅色雙實線為850 hPa切變線,粗灰色線為200、600 m 地形高度等值線。

(1)此次局地強降水發(fā)生在副高控制下,環(huán)境大氣層結(jié)極不穩(wěn)定,邊界層高溫、高濕,CAPE大于1886 J·kg-1,且CIN小于30 J·kg-1,抬升凝結(jié)高度和自由對流高度低,有利于對流觸發(fā)和發(fā)生。

(2)四條雨帶分別是由太行山迎風坡上西南—東北向、華北平原地區(qū)保定一帶南北向、保定至霸州附近西南—東北向和以雄安新區(qū)為中心東西向的原地生消的準靜止中尺度對流系統(tǒng)MCS-Ⅰ、MCS-Ⅱ、MCS-Ⅲ和MCS-Ⅳ造成的。中尺度對流系統(tǒng)間的相互作用促發(fā)強降水,MCS-Ⅱ與MCS-Ⅲ,MCS-Ⅰ與MCS-Ⅳ的兩次合并,是MCS-Ⅳ增強、持久的重要原因。

(3)近地層偏東暖濕氣流與山風形成的輻合抬升釋放不穩(wěn)定能量,觸發(fā)了MCS-Ⅰ;午后至傍晚,太行山沿山及北京以南地區(qū)受輻射差異及強降水影響,形成局地冷池,而MCS-Ⅰ中降水蒸發(fā)冷卻導致地面冷池進一步加強,其南北兩端的出流與環(huán)境風形成了南北向、西南—東北向的兩條地面輻合線分別觸發(fā)了MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ,并組織對流沿輻合線呈帶狀發(fā)展(圖10a);超低空偏東風增強疊加冷池出流后在地形抬升作用下使得北婁山處暖濕氣團進一步抬升,再次觸發(fā)MCS-Ⅰ重建。

(4)偏東風急流為MCS-Ⅳ的發(fā)展提供了水汽和不穩(wěn)定能量等有利條件,同時推動了其左前方中尺度渦旋的發(fā)展(圖10b),MCS-Ⅳ在急流核南側(cè)強氣旋性環(huán)流的正渦度強迫下迅速加強,導致其發(fā)展和局地強降水的發(fā)生。而暴雨的潛熱釋放,又進一步加強了急流軸為中心的垂直次級環(huán)流發(fā)展(圖10b1),形成有利于強降水產(chǎn)生及維持的正反饋機制。

已有的研究強調(diào)暴雨中地形的強迫作用不容忽視,本次大暴雨中地形的動力抬升和輻合作用對初始對流的啟動起到了關(guān)鍵作用,MCS-Ⅰ與太行山地形有很好的對應關(guān)系,回波帶位于海拔200～600 m處,這與偏東風在迎風坡上輻合與強迫抬升關(guān)系密切,而這個中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展直接影響到平原地區(qū)回波帶的觸發(fā)與加強。對比圖9b～9d中,中尺度低渦與其所在地區(qū)的喇叭口地形有很好的對應關(guān)系。有研究指出,由于喇叭口地形或峽谷地形的阻滯、繞流作用,以及地形側(cè)邊界的摩擦作用,邊界層內(nèi)常有局地性中小尺度渦旋發(fā)生發(fā)展,將其命名為地形性渦旋,這種地形性渦旋的水平尺度多為十多至數(shù)十千米,鉛直厚度約為 300～600 m,生命史短、厚度薄(馬革蘭和羅哲賢,2006)。其生消、發(fā)展擾動與降水均有密切關(guān)系,尤其是當與天氣尺度系統(tǒng)疊加時會使降水明顯增幅。所以中尺度低渦的形成除了與急流有關(guān)外,是否與太行山的地形有聯(lián)系,更細致的研究有待于利用數(shù)值模擬來深入,將另文討論。