0 引言

中尺度對(duì)流性天氣包括暴雨、雷暴、冰雹、大風(fēng)、龍卷、下?lián)舯┝鞯?，它們空間尺度為幾千米至幾百千米、時(shí)間尺度僅為幾小時(shí)到十幾小時(shí)，且突發(fā)性、局地性強(qiáng)，常對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的危害(黃永明和倪允琪，2005;池再香等，2007)，對(duì)傳統(tǒng)預(yù)報(bào)分析模式的時(shí)空精度是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。近年來，雷達(dá)、自動(dòng)站、風(fēng)廓線和加密探空等資料的不斷應(yīng)用，在時(shí)空精度上填補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測(cè)手段的不足，為中尺度對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究打下了基礎(chǔ)。莊薇等(2010)認(rèn)為自動(dòng)站、多普勒雷達(dá)及其反演的風(fēng)場(chǎng)很好地揭示了颮線發(fā)生、發(fā)展、爆發(fā)過程及其回波和風(fēng)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)特征。漆梁波等(2006)用多普勒雷達(dá)、自動(dòng)站及風(fēng)廓線資料研究了颮線發(fā)展過程中回波、風(fēng)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)。廖曉農(nóng)等(2008)認(rèn)為基于探空資料計(jì)算得出的大氣穩(wěn)定度參數(shù)等，在冰雹成因分析中具有較好的效果。朱興明等(2010)發(fā)現(xiàn)地閃資料、雷達(dá)回波和逐小時(shí)的FY-2C紅外亮溫資料分別對(duì)不同生命史長(zhǎng)度的對(duì)流活動(dòng)有較好的反映。近年來，融合多種探測(cè)資料特別是中尺度探測(cè)資料的分析場(chǎng)，比單一的探測(cè)資料更客觀真實(shí)，在天氣形勢(shì)、降水分析、物理量診斷等方面顯現(xiàn)出越來越明顯的優(yōu)勢(shì)(周后福等，2010)。能融合多種中尺度觀測(cè)資料的局地分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)LAPS(local analysis and prediction system)分析場(chǎng)資料，時(shí)間分辨率1 h，空間分辨率3 km，能彌補(bǔ)全球和區(qū)域模式在時(shí)空分辨率上的不足(韓榮青等，2004;黃剛，2006;陳德輝等，2008)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的診斷和預(yù)報(bào)具有積極作用。

本文首先對(duì)2010年8月25日上海強(qiáng)對(duì)流天氣過程發(fā)生前的天氣尺度背景條件進(jìn)行概述，并對(duì)所使用的LAPS中尺度分析場(chǎng)資料進(jìn)行檢驗(yàn)，重點(diǎn)利用LAPS多種觀測(cè)資料融合結(jié)果，對(duì)此次強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行動(dòng)力、水汽和熱力條件的分析，闡述了風(fēng)暴發(fā)展不同階段的結(jié)構(gòu)特征。

1 強(qiáng)對(duì)流天氣過程概述及前期天氣背景條件

1.1 強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況

2010年8月25日中午至傍晚，上海部分地區(qū)出現(xiàn)了冰雹、雷雨大風(fēng)及短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。其中短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在寶山、浦東北部、市區(qū)、閔行及松江等地，13:00—16:00(北京時(shí)間，下同)3 h累積雨量最大為浦東防汛前線83.2 mm，另有多個(gè)站出現(xiàn)了1 h雨量大于50 mm的暴雨，閔行觀測(cè)站14:48觀測(cè)到最大直徑為15 mm的冰雹，雷雨大風(fēng)主要出現(xiàn)在崇明、寶山、嘉定、浦東北部及市區(qū)北部，以寶山吳淞口28.4 m/s為最大(圖1)。

1.2 天氣尺度環(huán)流背景

2010年8月25日08時(shí)，200 hPa高度上海處于南亞高壓東側(cè)脊線附近，即高空是一個(gè)輻散區(qū)(圖略)。25日08時(shí)(圖2)，500 hPa河套至秦嶺有一短波槽，急流軸位于黃河與長(zhǎng)江之間，位置相對(duì)于上海較為偏北，上海位于副高脊線北側(cè)，受副高控制。850 hPa槽線南側(cè)江蘇中部至安徽中南部存在一條西南急流，該急流與上海附近的偏南氣流形成反氣旋式切變。925 hPa上，黃海海域存在一個(gè)低壓中心，江蘇北部至安徽中部有一條較為顯著的切變，與其相對(duì)應(yīng)的地面靜止鋒橫跨江蘇南部、安徽南部，上海位于靜止鋒的南側(cè)，從風(fēng)場(chǎng)上看沒有明顯的輻合或切變。大尺度環(huán)流背景預(yù)示上海有發(fā)生雷陣雨天氣的可能，但強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的條件尚不充分。

圖1 2010年8月25日14:00—17:00上海3 h最大陣風(fēng)分布(a;單位:m/s)和雨量分布(b;單位:mm)Fig.1 The 3-hour(a)gust extreme distribution(m/s)and(b)rainfall distribution(mm)in Shanghai from 14:00 BST to 17:00 BST on August 25，2010

圖2 2010年8月25日08:00天氣尺度分析圖(棕色粗實(shí)線為不同高度場(chǎng)的槽線，線上數(shù)字表示該槽線所在高度;藍(lán)色箭頭為500 hPa顯著流線;藍(lán)色粗點(diǎn)劃線為500 hPa副高脊線;棕色箭頭為700 hPa顯著流線;紅色雙實(shí)線為700 hPa切變線;灰色雙實(shí)線為925 hPa切變線)Fig.2 The synoptic situation of Micaps data at 08:00 BST on August 25，2010 in East China(Thick brown contour lines denote the trough lines and the numbers marked on them denote their heights;blue arrow indicates 500 hPa significant streamlines;thick blue chain dotted line indicates 500 hPa subtropical high ridge line;brown arrow denotes 700 hPa significant streamlines;red double contour line denotes 700 hPa shear line;gray double contour line indicates 925 hPa shear line)

寶山探空站25日08:00的資料(圖略)顯示，風(fēng)速的垂直切邊并不明顯，500 hPa以下各層風(fēng)速穩(wěn)定在4 m/s左右，而切變風(fēng)暴(颮線、雹暴等)的環(huán)境垂直風(fēng)切變范圍是4.5×10－3～8.0×10－3s－1(陸漢城，2004)。云體低層環(huán)境風(fēng)不強(qiáng)，850 hPa風(fēng)速只有4 m/s。從地面到200 hPa，風(fēng)向隨高度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，偏轉(zhuǎn)方向有序，亦有利于切變風(fēng)暴的形成(莊薇等，2010)。對(duì)流有效位能(convective available potential energy，CAPE)不大，約為1 632 J/kg，沙氏指數(shù)和K指數(shù)也較小。因此，若僅以上述常用指數(shù)分析，并不易看出25日中午到傍晚有強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的潛勢(shì)。其主要原因在于基準(zhǔn)探空站的時(shí)間分辨率不高(時(shí)間間隔為12 h)，而大氣對(duì)流穩(wěn)定度的時(shí)空變化迅速，因此需要具有高時(shí)空分辨率的資料進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2 局地分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)及資料融合檢驗(yàn)

2.1 局地分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)

由美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局下屬的ESRL(Earth System Research Laboratory)研究開發(fā)的LAPS(local analysis and prediction system)，是一種具有變分同化功能的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，其基礎(chǔ)算法是在背景場(chǎng)基礎(chǔ)上采用距離權(quán)重插值得到網(wǎng)格點(diǎn)值，然后對(duì)氣溫、氣壓、風(fēng)的關(guān)系采用三維變分進(jìn)行約束，對(duì)垂直水汽分布采用一維變分進(jìn)行約束等。由于其變分分析只在少數(shù)幾個(gè)要素間進(jìn)行，計(jì)算量得到有效控制;通過調(diào)整權(quán)重等參數(shù)，可使分析場(chǎng)與觀測(cè)實(shí)況非常接近(高華等，2010)。

LAPS的開發(fā)始于20世紀(jì)90年代，發(fā)展至今已有十多年。Albers(1995)、Albers et al.(1996)和Birkenheuer(1999)認(rèn)為L(zhǎng)APS的云分析、溫度分析、風(fēng)分析等分析結(jié)果效果較好，可以為臨近預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)的大氣狀況場(chǎng)，還能作為局地中尺度預(yù)報(bào)模式的初始化機(jī)制。國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)LAPS北京、武漢、上海的本地化，并開始嘗試將LAPS應(yīng)用于中尺度對(duì)流性天氣系統(tǒng)的分析和診斷研究(李紅莉等，2008，2009;高華等，2009)，同時(shí)與目前流行的其他資料融合系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用潛力的對(duì)比(高華等，2010)。LAPS分析場(chǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用，不僅能提高多種資料的綜合應(yīng)用，還有助于分析中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的機(jī)理，提高天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效和準(zhǔn)確率。

2.2 研究區(qū)域和資料選取

針對(duì)2010年8月25日上海強(qiáng)對(duì)流天氣過程，選取的LAPS輸出區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)三角區(qū)域，在117.7～124.3°E、28.6～33.7°N范圍以內(nèi)，格點(diǎn)數(shù)201×201，垂直方向?yàn)?1層。LAPS采用15 km分辨率的WRF區(qū)域數(shù)值模式建立背景場(chǎng)，生成時(shí)間分辨率為1 h、空間分辨率為3 km的分析場(chǎng)。

LAPS分析場(chǎng)所融合的數(shù)據(jù)具體有:1)常規(guī)地面觀測(cè)和高密度自動(dòng)站探測(cè)資料。長(zhǎng)三角區(qū)域內(nèi)約140個(gè)常規(guī)觀測(cè)站，以及約1 500個(gè)自動(dòng)站的觀測(cè)資料。2)探空資料。區(qū)域范圍內(nèi)的7個(gè)探空站，分別在上海、南京、杭州、衢縣、洪家、安慶和射陽。3)風(fēng)廓線資料。上海青浦區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)逐30 min資料。4)雷達(dá)資料。區(qū)域范圍內(nèi)的6部多普勒天氣雷達(dá)，分別在青浦、南匯、南京、杭州、寧波、南通。5)風(fēng)云衛(wèi)星資料。風(fēng)云二號(hào)E星的紅外亮溫、紅外分裂窗亮溫、水汽亮溫、中紅外亮溫和可見光反射率五個(gè)通道的資料。

2.3 LAPS分析場(chǎng)與觀測(cè)實(shí)況對(duì)比檢驗(yàn)

將8月25日LAPS輸出的雷達(dá)回波產(chǎn)品與對(duì)應(yīng)時(shí)刻、高度的上海地區(qū)雷達(dá)拼圖進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)LAPS融合雷達(dá)資料的效果。15:00，實(shí)況觀測(cè)資料顯示，在中低空1.5 km高度處(圖3a)，有兩個(gè)回波高值區(qū)分別位于嘉定—寶山以及閔行南部，中心強(qiáng)度分別高達(dá)50 dBZ和55 dBZ，并發(fā)展至12 km的高空(圖3b);相應(yīng)時(shí)刻LAPS的850 hPa(約1.5 km)和200 hPa(約12 km)高度場(chǎng)也分別在相應(yīng)位置存在強(qiáng)度相同的強(qiáng)回波中心(圖3c、3d)，說明LAPS分析場(chǎng)雷達(dá)回波能夠反映真實(shí)回波情況，是可信的。

將LAPS地面水平風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品與對(duì)應(yīng)時(shí)刻、高度的自動(dòng)站實(shí)況進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)LAPS風(fēng)場(chǎng)的質(zhì)量。從25日11:00的自動(dòng)站實(shí)況可以看到長(zhǎng)江口附近、崇明西側(cè)存在一個(gè)西北風(fēng)與西南風(fēng)的弱切變，而LAPS對(duì)應(yīng)時(shí)刻的地面風(fēng)場(chǎng)中也存在西北氣流與西南氣流的弱切變，位置與實(shí)況相比略偏北(圖略)。14:00的自動(dòng)站實(shí)況圖上，隨著啟東北部沿海東北氣流不斷向陸地輸送，同時(shí)太湖附近偏西氣流增強(qiáng)，上一時(shí)次的弱切變得到維持和發(fā)展(圖4a)，而LAPS風(fēng)場(chǎng)中也有較為明顯的氣旋式氣流輻合在崇明西側(cè)發(fā)展(圖4b)，與實(shí)況較為一致，說明LAPS風(fēng)場(chǎng)質(zhì)量隨著風(fēng)速的增大而提高。因此在流場(chǎng)擾動(dòng)較為明顯的情況下，LAPS資料對(duì)實(shí)況的反映更為真實(shí)。

圖3 2010年8月25日15:00的上海WSR-88D雷達(dá)1.5 km高度(a)和12 km高度(b)反射率實(shí)況觀測(cè)場(chǎng)和LAPS輸出850 hPa(c)、200 hPa(d)雷達(dá)反射率因子場(chǎng)(單位:dBZ)Fig.3 The(a)1.5 km and(b)12 km radar reflectivity of Shanghai WSR-88D radar，and the(c)850 hPa and(d)200 hPa radar reflectivity analysis field by LAPS at 15:00 BST on August 25，2010(units:dBZ)

圖4 2010年8月25日地面風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s;粗虛線表示地面切變線)a.14:00地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)實(shí)況;b.14:00LAPS輸出地面風(fēng)場(chǎng)Fig.4 Surface wind field(units:m/s)on August 25，2010(thick dash line denotes surface shear line)a.AWS observation of Micaps data at 14:00 BST;b.analysis field at 14:00 BST by LAPS

3 強(qiáng)對(duì)流天氣過程的中尺度特征

3.1 回波及風(fēng)場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)

3.1.1 風(fēng)暴單體水平風(fēng)場(chǎng)和回波結(jié)構(gòu)

主要分析A、B兩個(gè)風(fēng)暴的動(dòng)力結(jié)構(gòu)。25日14:00，850 hPa(圖5a)浦東中部有西南氣流與偏南氣流的輻合，并與閔行中南部的輻合運(yùn)動(dòng)連接，該輻合線中部生成單體A1，最大回波強(qiáng)度超過50 dBZ。而A1的西南方向有西風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，有產(chǎn)生新生單體并與A1合并的可能，故風(fēng)暴影響區(qū)域有向西南方向擴(kuò)大的趨勢(shì)。輻合線北端的單體B1東側(cè)有較強(qiáng)的東南風(fēng)，因此B1有向西擴(kuò)大趨勢(shì)。上述輻合線從850 hPa(圖5a)延伸至500 hPa(圖5b)，并隨高度的增加及北側(cè)偏西氣流的增強(qiáng)，其北端由南—北走向逐漸轉(zhuǎn)為東北—西南走向。單體A1強(qiáng)回波(45 dBZ)高度超過500 hPa(約6 km)(圖5b)。

15:00左右，上海中東部地區(qū)東南偏南氣流較前一時(shí)次顯著加強(qiáng)，而前一時(shí)次位于浦東—閔行一線的輻合線分裂成南、北兩部分。南段向西南發(fā)展，其上新生單體陸續(xù)與A1發(fā)生合并加強(qiáng)(圖略)，在閔行南部發(fā)展為雹云單體A，其強(qiáng)回波(40 dBZ)發(fā)展至200 hPa(圖5f)。北段向西北移動(dòng)與嘉定、寶山附近的新生輻合線合并，同時(shí)在其兩側(cè)觸發(fā)新對(duì)流單體;新生單體與向西發(fā)展的單體B1合并加強(qiáng)為B(圖5d、e)。由于這段輻合線較為深厚，延伸至500 hPa，因此單體B的強(qiáng)回波高度在15:00也超過了500 hPa(圖5e)。

3.1.2 風(fēng)暴單體垂直結(jié)構(gòu)特征

圖6a、b分別為15:00、16:00沿圖5e中直線ab(31.4°N緯線)方向風(fēng)暴B的垂直剖面(垂直風(fēng)場(chǎng)為根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)計(jì)算得的風(fēng)暴相對(duì)速度場(chǎng)，剔除了風(fēng)暴移動(dòng)速度的影響，下同)。

從風(fēng)暴成熟階段垂直剖面(圖6a)可見，強(qiáng)回波區(qū)向下基本接地，向上則已發(fā)展至350 hPa附近。在對(duì)流單體底層，東南風(fēng)與西北風(fēng)在單體西側(cè)約121°E發(fā)生輻合，兩支氣流交匯處形成略向東傾斜的上升氣流，上升運(yùn)動(dòng)從近地面延伸至200 hPa以上。上升氣流區(qū)東側(cè)氣流在強(qiáng)回波區(qū)中上部約400 hPa開始，逐漸轉(zhuǎn)為偏西氣流，并在降水粒子的拖曳作用下在單體東側(cè)形成下沉。上升氣流與下沉氣流在垂直面上構(gòu)成一個(gè)比較完整的、中心位于強(qiáng)回波區(qū)中上部約450 hPa處的中尺度環(huán)流系統(tǒng)。

16:00風(fēng)暴進(jìn)入消散階段(圖6b、c)，前一時(shí)次位于強(qiáng)回波區(qū)中部的環(huán)流中心依然維持，但回波幾乎已徹底消散。底層仍存在東南風(fēng)與西北風(fēng)的輻合，在垂直環(huán)流西側(cè)形成向東傾斜的上升氣流，但上升高度較前一時(shí)刻明顯降低，東側(cè)最高約到達(dá)300 hPa，西側(cè)在約550 hPa處即轉(zhuǎn)為偏西氣流，中高層主要受偏西氣流控制。

圖7為單體A分別沿不同方向的垂直剖面圖，圖7a和圖7b為沿圖5e中直線cd(31.05°N緯線)方向垂直剖面圖，圖7c和圖7d為沿圖5e中直線ef(121.4°E經(jīng)線)方向垂直剖面圖。兩組剖面圖恰好能分析不同發(fā)展階段風(fēng)暴單體的空間結(jié)構(gòu)。

圖5 2010年8月25日14:00 850 hPa(a)、500 hPa(b)、200 hPa(c)及15:00 850 hPa(d)、500 hPa(e)、200 hPa(f)的LAPS水平風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(chǎng)(單位:dBZ)(a、d中的粗黑線表示對(duì)應(yīng)高度的輻合線;e中黑實(shí)線為垂直剖面圖位置示意)Fig.5 The horizontal wind field(arrow;units:m/s)and horizontal radar reflectivity(shaded;units:dBZ)analysis field by LAPS at(a)850 hPa，(b)500 hPa and(c)200 hPa at 14:00 BST，and at(d)850 hPa，(e)500 hPa and(f)200 hPa at 15:00 BST(thick black contour lines in a and d denote convergence lines;thick black contour lines in e denote the vertical cross-section fields)

圖6 2010年8月25日15:00(a)和16:00(b)沿直線ab剖面的LAPS風(fēng)暴相對(duì)速度場(chǎng)(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(chǎng)(單位:dBZ)，以及16:00 850 hPa LAPS水平風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(chǎng)(單位:dBZ)(c)(粗黑虛線箭頭表示上升氣流;粗黑實(shí)線箭頭表示下沉氣流)Fig.6 The vertical cross-sections of the storm relative flow field(arrow;units:m/s)and radar reflectivity(shaded;units:dBZ)along ab at(a)15:00 BST and(b)16:00 BST，and(c)the horizontal wind(arrow;units:m/s)and horizontal radar reflectivity(shaded;units:dBZ)analysis field by LAPS at 850 hPa at 16:00 BST(Thick black dash arrows denote the updraft，and thick black solid arrows denote downdraft in a and b)

由圖7a可見，單體A底層存在東南風(fēng)與偏西風(fēng)的輻合，并在單體東側(cè)121.6°E附近形成略向西傾斜的上升氣流;900 hPa至350 hPa的偏東風(fēng)在單體內(nèi)部也轉(zhuǎn)為斜升(向西傾斜)氣流;單體內(nèi)的垂直風(fēng)速變化很大，850 hPa附近約為5 m/s，而中高層400 hPa以上達(dá)到近20 m/s;整個(gè)風(fēng)暴回波處于較均一的斜升氣流控制之中，僅在回波西側(cè)約121.2°E附近、中層500～300 hPa處有弱的下沉波動(dòng)，完整的垂直環(huán)流尚未建立。強(qiáng)烈的斜升氣流為雹粒的增長(zhǎng)提供持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng)機(jī)制和水汽供應(yīng)通道。強(qiáng)回波在對(duì)流云中部，最大強(qiáng)度超過50 dBZ。同時(shí)刻圖7c中，風(fēng)暴單體處于風(fēng)向較均一的斜升氣流環(huán)境中。圖7e給出了14:00閔行風(fēng)暴單體附近區(qū)域各物理量平均的垂直分布情況。從相對(duì)渦度的分布看，450 hPa以下是正渦度區(qū)，其中600～1 000 hPa為相對(duì)大值區(qū)，最大值超過3×10－4s－1(900 hPa)，對(duì)應(yīng)氣旋性渦旋環(huán)流的生成;450～200 hPa的渦度為負(fù)值，且絕對(duì)值隨著高度的增加亦呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，200 hPa高度處超過了－5×10－4s－1，說明中高空反氣旋性環(huán)流較強(qiáng)。從散度分布看，整個(gè)渦旋環(huán)流(即450 hPa以下)全部處于輻合區(qū)，最強(qiáng)輻合區(qū)位于900 hPa，與最大正渦度層一致。中層500 hPa左右仍為較弱的輻合區(qū)，至300 hPa起轉(zhuǎn)為輻散區(qū)，強(qiáng)度隨高度增加而增大，表明高層出流明顯，上升氣流的抽吸作用已較強(qiáng)烈，使低層氣旋性渦旋進(jìn)一步加強(qiáng)。渦度與散度的分析結(jié)果與前述風(fēng)場(chǎng)分析結(jié)果基本一致，風(fēng)暴正處在中尺度對(duì)流渦旋形成階段，環(huán)境場(chǎng)條件有利于風(fēng)暴的進(jìn)一步發(fā)展。

圖7 2010年8月25日14:00(a)、15:00(b)沿直線cd剖面的LAPS風(fēng)暴相對(duì)速度場(chǎng)(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(chǎng)(單位:dBZ);14:00(c)、15:00(d)沿直線ef剖面的LAPS風(fēng)暴相對(duì)速度場(chǎng)(單位:m/s)和雷達(dá)反射率因子場(chǎng)(單位:dBZ);14:00(e)、15:00(f)風(fēng)暴中心附近0.1°×0.3°區(qū)域的LAPS平均渦度(單位:10－4s－1)、散度(單位:10－4s－1)、垂直速度(單位:0.5 Pa/s)分布(粗黑虛箭頭表示上升氣流;粗黑實(shí)箭頭表示下沉氣流;d中600 hPa處空白方塊為觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失所致)Fig.7 The vertical cross-sections of the storm relative flow field(m/s)and radar reflectivity(dBZ)along cd at(a)14:00 BST and(b)15:00 BST;The vertical cross-sections of the storm relative flow field(m/s)and radar reflectivity(dBZ)along ef at(c)14:00 BST and(d)15:00 BST;The area-averaged(31.0—31.1°N，121.5—121.7°E)vorticity(10－4s－1)，divergence(10－4s－1)，vertical velocity(0.5 Pa/s)near the storm center at(e)14:00 BST and(f)15:00 BST(thick black dash arrows denote the updraft，while thick black solid arrows denote downdraft;white square at 600 hPa layer in d is caused by lack of observation data)

由圖7b、d可見，風(fēng)暴單體由前一時(shí)刻的偏東西向發(fā)展轉(zhuǎn)為偏南北向發(fā)展。雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)已經(jīng)及地，地面強(qiáng)回波中心值大于50 dBZ，位于121.4°E、31.05°N附近;大于45 dBZ的回波達(dá)到250 hPa層高度。底層仍為東南風(fēng)與偏西風(fēng)的輻合，但輻合點(diǎn)移至121.2°E附近;較明顯的下沉氣流出現(xiàn)在121.1°E附近，在強(qiáng)回波西側(cè)形成了一個(gè)中心位于300 hPa的、完整的豎直環(huán)流。由圖7d可見，大于45 dBZ的回波已經(jīng)突破200 hPa，發(fā)展高度明顯高于成熟階段的單體B，為冰雹的增長(zhǎng)提供了發(fā)展空間。單體西側(cè)500 hPa以上出現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱并出現(xiàn)下沉氣流，800 hPa以下已被較一致的下沉氣流控制。在下沉氣流拖曳作用下，單體北側(cè)上升氣流轉(zhuǎn)為略向南傾斜，并在中高層逐漸轉(zhuǎn)為西偏北的出流。由于下沉氣流的阻斷作用，維持風(fēng)暴單體發(fā)展的上升運(yùn)動(dòng)和水汽補(bǔ)充均受到影響，預(yù)示風(fēng)暴單體已經(jīng)發(fā)展到成熟階段并將衰減。圖7f給出了15:00閔行風(fēng)暴單體附近區(qū)域各物理量的平均垂直分布情況。由圖可見，400 hPa以下基本已經(jīng)轉(zhuǎn)為負(fù)渦度區(qū)，僅在750 hPa、800 hPa有弱的正渦度層，但對(duì)應(yīng)區(qū)域還存在較明顯的輻合運(yùn)動(dòng);而高空全部轉(zhuǎn)為正渦度區(qū)，弱的輻散運(yùn)動(dòng)僅維持在550～300 hPa。高、低層的環(huán)流動(dòng)力結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)不同程度的破壞，雹云已經(jīng)完成成熟階段的發(fā)展，即將進(jìn)入消散階段。

3.2 水汽條件

3.2.1 地面相對(duì)濕度分析

10:00—13:00(圖略)，由于輻合運(yùn)動(dòng)的維持與發(fā)展，導(dǎo)致低層水汽不斷抬升，因此上海及其周邊地區(qū)地面相對(duì)濕度不斷降低;13:00(圖8a)后，閔行、浦東一帶地面風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)域附近相對(duì)濕度迅速增加，并在15:00地面風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)為輻散場(chǎng)時(shí)(圖8c)達(dá)到最大(121.5°E附近，大于90%)，和觀測(cè)到的短時(shí)強(qiáng)降水位置基本一致。

3.2.2 中高層水汽條件分析

中高層水汽輻合可直接導(dǎo)致中高層相對(duì)濕度的增加。李武階等(2007)利用2004年6—7月的武漢探空資料考察當(dāng)年梅雨期武漢上空水汽演變與暴雨的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，將中高層平均的比濕和相對(duì)濕度結(jié)合，分析中高層水汽演變，這對(duì)暴雨預(yù)報(bào)有很好的指示意義。崔春光等(2008)在研究鄂東暴雨過程中再次驗(yàn)證了這一對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用LAPS資料，計(jì)算得出25日閔行雹云附近區(qū)域平均相對(duì)濕度隨高度的分布情況。中高層(700～300 hPa)的相對(duì)濕度在強(qiáng)降水發(fā)生前存在一個(gè)迅速增長(zhǎng)的過程，其中500 hPa附近增幅較大，從12:00(圖9a)的35%增長(zhǎng)至15:00(圖9b)的55%，即在強(qiáng)降水期間達(dá)到最大值。16:00(圖略)500 hPa附近的相對(duì)濕度明顯下降。

圖8 2010年8月25日13:00(a)、14:00(b)和15:00(c)LAPS地面流線和相對(duì)濕度(陰影;單位:%)Fig.8 Surface stream field and relative humidity field(shaded;units:%)by LAPS at(a)13:00 BST，(b)14:00 BST，and(c)15:00 BST on August 25，2010

3.3 熱力條件

LAPS分析場(chǎng)可以輸出很多物理量，包括氣團(tuán)指數(shù)K、抬升指數(shù)、沙氏指數(shù)、對(duì)流有效位能CAPE和對(duì)流抑制能量等。下面選取K指數(shù)和CAPE分析25日強(qiáng)對(duì)流過程中閔行附近低層能量的水平分布情況。

3.3.1 對(duì)流有效位能的分布

圖10為25日12:00—15:00上海的CAPE值水平分布情況。CAPE值越大，表示不穩(wěn)定大氣中能提供其快速垂直運(yùn)動(dòng)的潛在能量越大，當(dāng)CAPE值大于3 500 J/kg時(shí)，表示極不穩(wěn)定的狀態(tài)。25日上午，上海全市及蘇州、嘉興大部均處于極不穩(wěn)定的大氣條件下。12:00以前，隨著低層溫度的增加，CAPE值也迅速增加(圖略)，這與廖曉農(nóng)等(2008)分析1969年8月29日北京罕見大雹事件時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)流前北京上空CAPE值陡增情況類似。南匯西北維持著一個(gè)高值中心，并于12:00時(shí)達(dá)到5 000 J/kg，顯著高于同類研究中的CAPE值(約3 000～4 000 J/kg)(黃治勇等，2007;崔春光等，2008)。12:00后，隨著單體向成熟階段的迅速發(fā)展，地面能量為風(fēng)暴單體的向上發(fā)展提供熱力條件，上述區(qū)域CAPE值開始減小。13:00前后，隨著強(qiáng)降水的開始，原來一直維持高值的南匯、閔行一帶CAPE值迅速減小，15:00時(shí)上海全市地面CAPE值已降至2 500 J/kg以下(圖10)。

3.3.2 氣團(tuán)指數(shù)的分布

K指數(shù)數(shù)值大于35℃時(shí)有可能出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流或強(qiáng)降水天氣，隨著數(shù)值的增大出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性也增大。從上海地區(qū)K指數(shù)分布情況看，11:00開始金山中部至嘉定北部一線西側(cè)的上海各區(qū)，以及閔行中南部、徐匯、浦東西北、崇明大部，強(qiáng)對(duì)流天氣可能發(fā)生區(qū)域迅速擴(kuò)大(圖略)。根據(jù)25日上海自動(dòng)站數(shù)據(jù)，當(dāng)日最早的10 min雨量記錄出現(xiàn)在12:35的閔行與浦東交界，以及長(zhǎng)興島附近(圖11a，其中C為閔行與浦東交界雨量記錄點(diǎn)，D為長(zhǎng)興島附近雨量記錄點(diǎn))，這與12:00的K指數(shù)高值區(qū)分布一致。與CAPE值略有差異的是，K指數(shù)峰值出現(xiàn)在13:00前后(圖11b)，大于等于37℃的高值區(qū)覆蓋閔行南部和浦東大部，其中閔行南部出現(xiàn)大于等于39℃的高值中心。相關(guān)研究表明在其他條件適合的情況下，35℃的K指數(shù)就能出現(xiàn)局地強(qiáng)冰雹事件(劉志雄等，2009)。13:00后，隨著強(qiáng)降水的開始，該區(qū)域的K指數(shù)也迅速減小;至14:00，上海中東部大于等于32℃的高能區(qū)已經(jīng)消失(圖11c)。

以上分析表明，LAPS物理量指標(biāo)能較好地反映風(fēng)暴發(fā)生過程中低層能量的變化情況，其反映的能量衰長(zhǎng)與風(fēng)暴單體發(fā)展階段對(duì)應(yīng)較好，能為研究人員和預(yù)報(bào)員從能量角度分析中尺度對(duì)流行天氣過程發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r提供有效參考。

3.4 成雹條件

圖9 2010年8月25日12:00(a)和15:00(b)風(fēng)暴中心附近0.3°×0.4°區(qū)域LAPS平均相對(duì)濕度(單位:%)的垂直分布Fig.9 The area-averaged(30.9—31.2°N，121.2—121.6°E)relative humidity(%)near the storm center at(a)12:00 BST and(b)15:00 BST on August 25，2010

圖10 2010年8月25日12:00(a)、13:00(b)、14:00(c)和15:00(d)的LAPS對(duì)流有效位能CAPE值(單位:J/kg)Fig.10 Convective available potential energy(J/kg)field by LAPS at(a)12:00 BST，(b)13:00 BST，(c)14:00 BST and(d)15:00 BST on August 25，2010

在綜合前述動(dòng)力、水汽、熱力條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合逐小時(shí)等壓面垂直速度和等壓面水汽條件、冰晶含量等物理量(圖略)，簡(jiǎn)要分析閔行雹云形成的條件。25日11:00后，閔行上空的0℃層(圖12中點(diǎn)劃線所示)基本穩(wěn)定在560 hPa附近，隨著0℃層以上垂直速度的增大，高低層風(fēng)速切變的加強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)不斷增強(qiáng)，加上水汽供應(yīng)充足，12:00起在垂直速度大值區(qū)的附近，冰晶含量開始迅速增加。13:00左右(圖12)閔行上空700～400 hPa的相對(duì)干區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)濕度大于75%的通道，中心峰值均超過90%，并分別與冰晶含量高值中心、風(fēng)暴上升氣流區(qū)(圖7c)對(duì)應(yīng)。綜上所述，閔行上空風(fēng)暴單體在動(dòng)力結(jié)構(gòu)和水汽條件上，均具備雹云形成的一般特征(朱乾根等，2007;劉志雄等，2009)。

4 結(jié)論

1)偏西氣流與來自海面、水汽充沛的東南氣流在浦東中部沿海至閔行南部一線產(chǎn)生東北—西南走向的中尺度輻合帶，東南氣流進(jìn)一步增大且在輻合帶西南側(cè)激發(fā)生成新的輻合運(yùn)動(dòng)，使輻合帶得以維持并向西南延伸;同時(shí)，輻合帶的維持觸發(fā)低層不穩(wěn)定能量釋放，從而產(chǎn)生對(duì)流。

2)中尺度對(duì)流系統(tǒng)在形成階段的主要結(jié)構(gòu)特征是:中層450 hPa以下為正渦度區(qū)，對(duì)應(yīng)輻合運(yùn)動(dòng)的大值區(qū)和垂直風(fēng)速切變大值區(qū)，450 hPa以上為負(fù)渦度區(qū)，對(duì)應(yīng)弱輻合區(qū)向輻散區(qū)的過渡;底層不穩(wěn)定能量快速增加，氣流輻合主要源于偏西氣流與東南暖濕氣流在單體中心東側(cè)的匯合，顯著的垂直風(fēng)切變使上升氣流發(fā)生傾斜，減少上升、下沉氣流的相互干擾，促進(jìn)中尺度垂直環(huán)流的加強(qiáng);最大垂直上升速度和無輻散層已經(jīng)達(dá)到300 hPa附近，0℃層維持在600 hPa上下，中高層相對(duì)濕度迅速增加，滿足冰雹增長(zhǎng)的動(dòng)力、熱力和水汽條件。

3)中尺度對(duì)流系統(tǒng)在成熟后期的主要結(jié)構(gòu)特征是:中低層正渦度區(qū)迅速減小，出現(xiàn)弱的負(fù)渦度，對(duì)應(yīng)輻合區(qū)也迅速縮小，垂直風(fēng)切變強(qiáng)度減弱，高層轉(zhuǎn)為正渦度，對(duì)應(yīng)弱輻散區(qū);底層輻合減弱，底層積聚的能量在降水作用下迅速減少，單體底部開始被下沉氣流控制，上升氣流強(qiáng)度和水汽供應(yīng)被阻斷;最大垂直速度層下降至600 hPa附近，中高層相對(duì)濕度顯著下降;垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)被破壞。

圖11 2010年8月25日12:00(a)、13:00(b)和14:00(c)的LAPS氣團(tuán)指數(shù)K(單位:℃)Fig.11 K index(units:℃)field by LAPS at(a)12:00 BST，(b)13:00 BST and(c)14:00 BST on August 25，2010

圖12 2010年8月25日13:00的31.2°N冰晶含量(單位:g/m3)和相對(duì)濕度(單位:%)隨等壓面的變化(點(diǎn)劃線為0℃等溫線，實(shí)線為冰晶含量，陰影部分為相對(duì)濕度)Fig.12 The variability of ice crystal concentration(solid line;units:g/m3)and relative humidity(shaded;units:%)with isobaric surfaces at 13:00 BST on August 25，2010(chain dotted line denotes 0℃isotherm)

與天氣尺度的分析場(chǎng)相比，LAPS通過對(duì)多種中尺度探測(cè)資料的融合處理，不僅提高了分析場(chǎng)的時(shí)空精度，還有利于常規(guī)觀測(cè)資料、加密自動(dòng)站、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)拼圖和風(fēng)廓線等資料的對(duì)比分析和相互校正，提高各種觀測(cè)資料的利用率和客觀性的同時(shí)，也為進(jìn)一步研究中小尺度天氣系統(tǒng)的演變過程和結(jié)構(gòu)特征提供參考。

致謝:上海中心氣象臺(tái)正研級(jí)高級(jí)工程師楊引明對(duì)本文給予了寶貴的支持和幫助，特此感謝。

陳德輝，薛紀(jì)善，楊學(xué)勝，等.2008.GRAPES新一代全球/區(qū)域多尺度統(tǒng)一數(shù)值預(yù)報(bào)模式總體設(shè)計(jì)研究［J］.科學(xué)通報(bào)，53(20):2396-2407.

池再香，白慧，龔雪芹，等.2007.二維非定常中尺度氣象過程對(duì)黔東南降雹天氣的影響［J］.高原氣象，26(4):830-836.

崔春光，李紅莉，彭菊香，等.2008.LAPS資料在一次鄂東初夏暴雨分析中的應(yīng)用［J］.暴雨災(zāi)害，27(4):307-312.

高華，譚曉光，李英華，等.2009.局地分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)(LAPS)在北京市氣象局移植與應(yīng)用［C］//第26屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì).杭州:中國(guó)氣象學(xué)會(huì).

高華，譚曉光，李紅莉.2010.LAPS系統(tǒng)與變分同化系統(tǒng)WRFVAR的效果對(duì)比分析［C］//第27屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì).北京:中國(guó)氣象學(xué)會(huì).

韓榮青，李維京，胡國(guó)權(quán).2004.GAME再分析資料與NCEP在分析資料在1998年HUBEX試驗(yàn)期的對(duì)比［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，15(2):141-151.

黃剛.2006.NCEP/NCAR和ERA-40再分析資料以及探空觀測(cè)資料分析中國(guó)北方地區(qū)年代際氣候變化［J］.氣候與環(huán)境研究，11(3):310-320.

黃永明，倪允琪.2005.長(zhǎng)江中下游一次非典型梅雨鋒中尺度暴雨過程的分析研究［J］.氣象學(xué)報(bào)，63(1):100-114.

黃治勇，王鈺，王興濤，等.2007.鄂東南一次大暴雨過程成因分析與潛勢(shì)預(yù)報(bào)［J］.暴雨災(zāi)害，26(2):125-129.

李紅莉，張兵，陳波.2008.局地分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)(LAPS)及其應(yīng)用［J］.氣象科技，36(1):20-24.

李紅莉，崔春光，王志斌.2009.LAPS的設(shè)計(jì)原理、模塊功能與產(chǎn)品應(yīng)用［J］.暴雨災(zāi)害，28(1):64-70.

李武階，李俊，公穎，等.2007.2004年梅雨期武漢上空水汽的演變及其與暴雨的關(guān)系［J］.氣象，33(2):3-9.

廖曉農(nóng)，俞小鼎，于波.2008.北京盛夏一次罕見的大雹事件分析［J］.氣象，34(2):10-17.

劉志雄，戴澤軍，彭菊香，等.2009.基于LAPS的一次局地強(qiáng)冰雹過程分析［J］.暴雨災(zāi)害，28(4):313-320.

陸漢城.2004.中尺度天氣原理和預(yù)報(bào)［M］.北京:氣象出版社.

漆梁波，陳春紅，劉強(qiáng)軍.2006.窄帶回波在分析和預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用［J］.氣象學(xué)報(bào)，64(1):112-120.

周后福，郭品文，翟菁，等.2010.LAPS分析場(chǎng)資料在暴雨中尺度分析中的應(yīng)用［J］.高原氣象，29(2):461-470.

朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.2007.天氣學(xué)原理與方法［M］.北京:氣象出版社.

朱興明，鄭永光，郭麗娜，等.2010.2008年廣東及周邊海域暴雨期間強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)時(shí)空分布特征［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，46(5):784-792.

莊薇，劉黎平，薄兆海，等.2010.新疆一次強(qiáng)颮線過程雙多普勒雷達(dá)觀測(cè)的中尺度風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析［J］.氣象學(xué)報(bào)，68(2):224-234.

Albers S C.1995.The LAPS wind analysis［J］.Wea Forecasting，10(2):342-352.

Albers S C，Mcginley J A，Birkenheuer D L，et al.1996.The local analysis and prediction system(LAPS):Analyses of clouds，precipitation，and temperature［J］.Wea Forecasting，11(3):273-287.

Birkenheuer D.1999.The effect of using digital satellite imagery in the LAPS moisture analysis［J］.Wea Forecasting，14(5):782-788.