徐靈芝,呂江津,許長(zhǎng)義

(天津市濱海新區(qū)氣象局,天津 300457)

2012年7月末天津暴雨過程的擾動(dòng)特征

徐靈芝,呂江津,許長(zhǎng)義

(天津市濱海新區(qū)氣象局,天津 300457)

利用多普勒雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)資料,輔以高分辨率的地面自動(dòng)氣象站資料,對(duì)2012年7月25—26日天津地區(qū)的一次大暴雨(局部特大暴雨)過程進(jìn)行擾動(dòng)特征分析。結(jié)果表明:1)大暴雨過程的雷達(dá)回波表現(xiàn)為高質(zhì)心結(jié)構(gòu),氣旋式輻合與對(duì)流中上升氣流及后側(cè)下沉氣流緊密相連,表現(xiàn)出較好的對(duì)流組織性,也預(yù)示強(qiáng)降雨將持續(xù)發(fā)展。逆風(fēng)區(qū)的維持與伸展的高度可作為暴雨預(yù)報(bào)的先兆信號(hào)。2)地面輻合線與雷達(dá)回波上對(duì)流單體出現(xiàn)“列車效應(yīng)”的區(qū)域有很好的一致性。地面形成的氣旋性閉合環(huán)流和中小尺度環(huán)流輻合作用的穩(wěn)定維持是產(chǎn)生大暴雨的重要因素。3)由風(fēng)廓線資料可詳細(xì)分析出暴雨過程中低空急流及邊界層急流的擾動(dòng)過程。在強(qiáng)降雨發(fā)生前,急流強(qiáng)度明顯增強(qiáng),與雷達(dá)回波上的“列車效應(yīng)”是一致的,但比雷達(dá)更早出現(xiàn)。風(fēng)廓線資料中低空急流和邊界層急流的增強(qiáng)態(tài)勢(shì),對(duì)大暴雨短時(shí)臨近預(yù)報(bào)具有很好的指示意義。

大暴雨;逆風(fēng)區(qū);低空急流;擾動(dòng)特征

0 引言

暴雨是在有利的大尺度環(huán)流背景條件下,中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)相互作用并發(fā)生發(fā)展的結(jié)果。有關(guān)暴雨過程中中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)發(fā)生發(fā)展機(jī)理的研究,不僅有中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征及機(jī)理的研究(孫淑清和周玉淑,2007),也有對(duì)地形(矯梅燕和畢寶貴,2005)、邊界層和急流(孫繼松等,2006)等作用的探討。鄭媛媛等(2011)研究了發(fā)生在副高邊緣的槽前類雷雨大風(fēng)及東北冷渦形勢(shì)下強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警技術(shù)。王嘯華等(2012)分析了由超級(jí)單體產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水過程,指出強(qiáng)對(duì)流首先在700 hPa相對(duì)濕度梯度大值區(qū)與地面中尺度輻合線相交處被觸發(fā),強(qiáng)對(duì)流回波出現(xiàn)在地面中尺度輻合線附近。劉佳穎等(2013)應(yīng)用非常規(guī)資料,分析了暴雨過程中中尺度對(duì)流系統(tǒng)的特征。在華南持續(xù)性暴雨的研究中,何編等(2012)分析了低空急流對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展的作用。劉黎平等(2004)研究了長(zhǎng)江流域暴雨中尺度結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征,發(fā)現(xiàn)在西南—東北向的1 000 km長(zhǎng)暴雨雨帶中,存在許多尺度在20～50 km大小的中尺度強(qiáng)回波帶或回波團(tuán),并指出這些中尺度結(jié)構(gòu)在強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展過程中起到了很重要的作用。在應(yīng)用多普勒雷達(dá)進(jìn)行暴雨預(yù)警也有許多進(jìn)展,俞小鼎等(2005)研究新一代天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用,提出了較好的預(yù)警方法。陳杰等(2012)基于風(fēng)暴尺度模式,利用EnSRF同化實(shí)際多普勒雷達(dá)資料,對(duì)3個(gè)獨(dú)立的不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行同化試驗(yàn)。王彥等(2008)提出了暴雨的多普勒雷達(dá)速度輻合風(fēng)場(chǎng)特征。古金霞(2004)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙多普勒天氣雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的技術(shù)和發(fā)展動(dòng)態(tài),并闡述了雙多普勒天氣雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的技術(shù)方法。張少波等(2007)利用單部多普勒雷達(dá)資料,對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴低層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了反演。隨后,耿建軍等(2012)利用四維變分多普勒雷達(dá)資料分析系統(tǒng),反演得到了風(fēng)場(chǎng)和微物理場(chǎng)。楊成芳和朱君鑒(2008)則利用多普勒雷達(dá)資料,分析了弓狀回波和超級(jí)單體過程。在應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣方面,國(guó)外研究較早(Angevine et al.,1998)。Mitchell et al.(1995)利用風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)資料研究美國(guó)夏季大草原上的低空急流,發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線儀提供的高時(shí)空分辨率觀測(cè)資料可以很好地監(jiān)測(cè)低空急流的出現(xiàn),從而可以大大提高預(yù)報(bào)災(zāi)害性天氣的能力。Spencer et al.(1996)利用風(fēng)廓線儀提供的資料,診斷分析了斜壓波的發(fā)展和衰亡。運(yùn)用風(fēng)廓線儀進(jìn)行邊界層觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究(Grilmsdell and Angevine,1998)使得風(fēng)廓線儀的應(yīng)用得到發(fā)展。Bianco et al.(2005)聯(lián)合運(yùn)用微波輻射計(jì)和風(fēng)廓線雷達(dá)資料,反演出高分辨率的大氣濕度廓線。通過對(duì)風(fēng)廓線儀探測(cè)資料與同步探空儀資料的對(duì)比(王欣等,2005)發(fā)現(xiàn),大氣風(fēng)廓線儀對(duì)水平風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的探測(cè)能力,能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中尺度降水期間風(fēng)的垂直切變和對(duì)流特征。魏東等(2011)使用由微波輻射計(jì)和風(fēng)廓線資料構(gòu)建的探空資料,與常規(guī)探空進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為定性分析使用時(shí)可以有效地彌補(bǔ)常規(guī)探空資料時(shí)間分辨率低的不足,風(fēng)廓線雷達(dá)尤其適用于研究中尺度天氣現(xiàn)象。劉淑媛等(2003)利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料揭示出邊界層中與暴雨相聯(lián)系的中尺度現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)低空急流的脈動(dòng)及向地面擴(kuò)展程度與暴雨之間存在密切關(guān)系。上述研究表明,多普勒雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料已成為研究強(qiáng)降雨天氣問題的有效數(shù)據(jù),利用這些資料可以很好地描述和刻畫中尺度暴雨天氣的發(fā)生發(fā)展過程,及時(shí)捕捉到暴雨落區(qū)附近近地面和邊界層的擾動(dòng)動(dòng)力變化。本文將多普勒雷達(dá)與風(fēng)廓線雷達(dá)資料結(jié)合應(yīng)用,分析2012年7月25—26日天津地區(qū)大暴雨(局部特大暴雨)過程中尺度對(duì)流系統(tǒng)的擾動(dòng)特征,并探討大暴雨天氣的臨近預(yù)警方法。

1 降雨實(shí)況和環(huán)流背景

2012年7月25日下午至26日白天,天津地區(qū)普降大暴雨,25日14時(shí)—26日14時(shí)(北京時(shí)間,下同)全市13個(gè)區(qū)縣國(guó)家基本站平均降雨量為111.0 mm,其中2站出現(xiàn)特大暴雨(大港區(qū)和津南區(qū)的雨量分別達(dá)到255.8、253.3 mm,均突破最大日降雨量歷史記錄),6站出現(xiàn)大暴雨,2站出現(xiàn)暴雨(按天津市氣象局業(yè)務(wù)規(guī)定:只要多于4個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站出現(xiàn)大暴雨即可定義為區(qū)域大暴雨)。在加密自動(dòng)氣象觀測(cè)站中,最大雨量出現(xiàn)在西青區(qū)的大寺,為344.9 mm(圖1a)。這次過程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度大的特點(diǎn),降雨主要集中在25日夜間(20—23時(shí))和26日上午(05—11時(shí))兩個(gè)時(shí)段。大港區(qū)有5個(gè)時(shí)次雨強(qiáng)超過25 mm/h;津南區(qū)有4個(gè)時(shí)次雨強(qiáng)超過25 mm/h,其1 h最大降雨量為64.5 mm(圖1b)。這次過程降雨給天津地區(qū)造成了大面積淹泡(部分地區(qū)淹泡超過3 d),城區(qū)多處路段中斷,所幸沒有人員傷亡。

圖1 2012年7月25日14時(shí)—26日14時(shí)天津暴雨過程雨量分布(a;單位:mm;紅色圓點(diǎn)表示塘沽和寶坻兩部風(fēng)廓線雷達(dá)位置),以及7月25日14時(shí)—26日13時(shí)天津地區(qū)代表站逐小時(shí)雨量變化(b;單位:mm)Fig.1 (a)Distribution of accumulated rainfall in Tianjin from 14:00 BST 25 to 14:00 BST 26 July 2012 (units:mm;the red dots represent the locations of wind profiler radar at Tanggu and Baodi),and (b)hourly rainfall changes of Tianjin representative stations from 14:00 BST 25 to 13:00 BST 26 July(units:mm)

這是一次弱冷鋒前的強(qiáng)對(duì)流性降雨,環(huán)流背景為低槽東移型(圖略)。高空從蒙古到華北北部有低槽東移,西太平洋副熱帶高壓勢(shì)力強(qiáng)盛,500 hPa高空上588 dagpm等值線西伸脊點(diǎn)到達(dá)青藏高原以東,甘肅與四川的交界處,北緣越過40°N。降雨落區(qū)主要位于高空槽前、副高邊緣偏南氣流中。天津上空受西南氣流控制,同時(shí)低層700～850 hPa配合有閉合低渦、切變線;26日08時(shí)850 hPa上華北東部、北部的西南風(fēng)速最大可達(dá)16 m/s,低空急流給降雨提供了充沛的水汽條件。

圖2 2012年7月26日05:36雷達(dá)反射率因子剖面圖(a)及07:36的2.4°仰角雷達(dá)徑向速度圖(箭頭所示為逆風(fēng)區(qū))Fig.2 (a)Cross section of radar reflectivity factor at Tianjin at 05:36 BST 26 July 2012,and (b)the radial velocity image observed by Doppler radar with 2.4° elevation at 07:36 BST 26 July 2012(the arrow represents location of adverse wind region)

2 大暴雨的回波結(jié)構(gòu)特征

2.1 高質(zhì)心結(jié)構(gòu)的對(duì)流降雨

此次降雨過程雷達(dá)回波呈高質(zhì)心結(jié)構(gòu)特征,對(duì)流發(fā)展深厚,50 dBz以上的強(qiáng)回波中心伸展高度達(dá)到0 ℃層以上,高度為5～8 km,垂直積分液態(tài)水含量較大,達(dá)到50 kg/m2。上述特征與冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的雷達(dá)特征相似,但不同的是強(qiáng)降雨回波移動(dòng)速度較慢,平均為10～30 km/h。降雨回波自西南向東北方向移動(dòng),最大回波強(qiáng)度為50～55 dBz。在反射率因子剖面圖(圖2a)上,50～55 dBz強(qiáng)回波伸展高度超過0 ℃層,達(dá)到6.5 km(26日08時(shí)0 ℃層高度為5 160 m,-20 ℃層高度為8 483 m),45～50 dBz的回波也伸展到7.0 km,且在高懸的強(qiáng)回波下有弱回波區(qū),即懸垂回波(圖2a)。在強(qiáng)降雨發(fā)生之前垂直積分液態(tài)水含量從43 kg/m2迅速增加到48 kg/m2,但是在強(qiáng)降雨過程中呈減小的趨勢(shì),09:48減小到23 kg/m2以下。此外,在降雨減弱時(shí),質(zhì)心呈下降趨勢(shì),強(qiáng)度也迅速減弱,高質(zhì)心結(jié)構(gòu)特征消失。

2.2 “逆風(fēng)區(qū)”分析

大暴雨的發(fā)生在雷達(dá)回波圖上表現(xiàn)為強(qiáng)回波長(zhǎng)時(shí)間影響同一地區(qū)。此次過程45～55 dBz的強(qiáng)回波維持了近5 h,因此探尋強(qiáng)回波因何能長(zhǎng)時(shí)間存在且維持一定強(qiáng)度,是強(qiáng)降雨預(yù)報(bào)預(yù)警的關(guān)鍵。分析雷達(dá)徑向速度場(chǎng)發(fā)現(xiàn),逆風(fēng)區(qū)(即中小尺度氣旋式輻合)的穩(wěn)定維持是強(qiáng)降雨回波持續(xù)的主要原因。逆風(fēng)區(qū)在1.5°仰角、2.4°仰角、3.4°仰角、4.3°仰角、6.0°仰角及9.9°仰角上(圖略)均有表現(xiàn),范圍隨著高度而減小,邊緣更加清晰,逆風(fēng)區(qū)從1.5°仰角延伸至9.9°仰角,在各個(gè)高度均出現(xiàn),表明輻合區(qū)深厚,伸展高度已達(dá)對(duì)流層中層。這種逆風(fēng)區(qū)持續(xù)時(shí)間近3 h,且仰角越低,觀測(cè)到的時(shí)間越早。另外,在2.4°仰角上(圖2b),逆風(fēng)區(qū)有清晰的表現(xiàn),最早出現(xiàn)始于26日07:18,位于雷達(dá)站西北方向50 km處(圖中箭頭所示),此前雷達(dá)西北方向?yàn)榇蠓秶呢?fù)速度區(qū),隨后負(fù)速度區(qū)中出現(xiàn)正速度,初始為3 m/s,07:36增大到7 m/s,1 h后繼續(xù)增大到12 m/s,09:06逆風(fēng)區(qū)最大速度達(dá)17 m/s,大風(fēng)區(qū)面積也逐步增大。大風(fēng)核向偏南方向移動(dòng),與雷達(dá)徑向左側(cè)的入流(-15 m/s)形成強(qiáng)氣旋式輻合,氣旋式輻合是對(duì)流中上升氣流和后側(cè)下沉氣流緊密相連的渦旋,表明對(duì)流有一定的組織性,預(yù)示了強(qiáng)降雨回波在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)減弱,強(qiáng)降雨將持續(xù)發(fā)展。逆風(fēng)區(qū)的維持與伸展的高度(8.8 km)可作為暴雨預(yù)報(bào)的有力判據(jù)。

2.3 “列車效應(yīng)”的作用

此次暴雨過程中強(qiáng)降雨主要集中在兩個(gè)階段,第一階段出現(xiàn)在25日20—23時(shí),第二階段出現(xiàn)在26日05—11時(shí),這兩個(gè)時(shí)段降雨的共同特性是系統(tǒng)移動(dòng)緩慢及回波有組織地排列形成“列車效應(yīng)”(train effect)。由于對(duì)流回波單體依次經(jīng)過同一地點(diǎn),對(duì)該地區(qū)造成持續(xù)性的影響,從而產(chǎn)生最大的累積雨量。第一階段,在25日20時(shí)以后出現(xiàn)的強(qiáng)降雨中,降雨回波帶呈東北—西南向(圖3a中圓圈所示),對(duì)流云團(tuán)不斷從雷達(dá)站西部100 km處生成,強(qiáng)度為45～55 dBz,向東北方向移動(dòng),新單體逐漸代替其前部的舊單體,可見降雨系統(tǒng)中的單體移動(dòng)和傳播此消彼長(zhǎng),新的單體不斷發(fā)展,造成了天津北部地區(qū)在25日22時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)降水,“列車效應(yīng)”的最先出現(xiàn)提前了1 h 36 min。第二階段,強(qiáng)降雨集中在26日凌晨開始至上午,雷達(dá)基本反射率因子圖上呈現(xiàn)出兩個(gè)“列車效應(yīng)”(圖3b中A和B兩組圓圈),移動(dòng)方向均從西南西向東北東方向移動(dòng),強(qiáng)度維持在45～50 dBz,最大為53 dBz,1 h后兩條回波帶合并,范圍加寬,布滿雷達(dá)站的西南方向,強(qiáng)度維持。兩個(gè)時(shí)段表現(xiàn)出的雷達(dá)回波“列車效應(yīng)”與降雨的實(shí)況非常吻合。

圖3 2012年7月25日20:24(a)和26日06:30(b)多普勒雷達(dá)1.5°仰角基本反射率因子(單位:dBz)Fig.3 Echo images for base reflectivity factor by Doppler weather radar at 1.5° elevation at (a)20:24 BST 25 and (b)06:30 BST 26 July 2012(unit:dBz)

3 大暴雨的形成機(jī)制

3.1 地面輻合線對(duì)“列車效應(yīng)”單體的作用

地面輻合線與“列車效應(yīng)”單體出現(xiàn)的區(qū)域有很好的一致性,這一點(diǎn)可以從加密自動(dòng)氣象站資料的分析中得到驗(yàn)證。加密地面風(fēng)場(chǎng)(圖4a)顯示,26日04:00強(qiáng)降雨開始之前,在強(qiáng)降雨中心的上游處風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北風(fēng),因而出現(xiàn)一條北—南向長(zhǎng)約40 km的中尺度輻合線,風(fēng)場(chǎng)上主要表現(xiàn)為東北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合,強(qiáng)降雨中心大港區(qū)、津南區(qū)處于輻合線前側(cè),自動(dòng)站西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)到8 m/s。06時(shí)(圖4b)中尺度輻合線仍然存在,向東移動(dòng)約20 km,呈西北—東南走向,風(fēng)速仍維持8 m/s。08時(shí)(圖4c)天津南部繼續(xù)呈現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)輻合,此時(shí)風(fēng)速雖然沒有加大,但出現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)輻合中心(圖中標(biāo)C之處),輻合線呈西—東走向,降雨中心位于輻合線北側(cè)東南風(fēng)氣流中,這種西南風(fēng)、東南風(fēng)氣旋式輻合一直維持到10時(shí)前后。強(qiáng)降雨過程的地面中尺度輻合線維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6 h,輻合線的上風(fēng)方(天津西南部)不斷有回波生成,下風(fēng)方減弱、衰亡,回波有組織地排列,并且在高空西南氣流引導(dǎo)下,向東北偏東方向移動(dòng),從而在雷達(dá)回波中表現(xiàn)出“列車效應(yīng)”。地面存在中尺度輻合中心(或輻合),增加了該地區(qū)的水汽和能量聚積,且形成氣旋性閉合環(huán)流,導(dǎo)致中小尺度輻合的穩(wěn)定維持,這也是產(chǎn)生大暴雨的重要因素,大暴雨的分布與地面輻合線的走向基本相對(duì)應(yīng)。

3.2 低空急流和邊界層急流對(duì)大暴雨形成、發(fā)展和維持的作用

通過風(fēng)廓線資料可以詳細(xì)分析出暴雨過程中低空急流和邊界層急流的作用。本文使用天津地區(qū)兩部風(fēng)廓線雷達(dá)(寶坻區(qū)和塘沽區(qū),位置如圖1a紅色圓點(diǎn)所示)的探測(cè)資料,時(shí)間分辨率為6 min,垂直方向有59層,最高可達(dá)5 000 m高度層,900 m以下的空間分辨率為50 m,900 m以上則為100 m。

3.2.1 低空急流的作用

在第一階段強(qiáng)降雨的前期,低空急流有一明顯的孕育過程,從塘沽風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析發(fā)現(xiàn):25日15:06在650 m高度開始出現(xiàn)大于12.0 m/s的南風(fēng)急流,風(fēng)速隨高度增加而增大,1 300 m高度偏南風(fēng)風(fēng)速激增至16.2 m/s,此后急流帶逐漸向上擴(kuò)展,16:24到達(dá)2 900 m高度,近地面200 m處在15:54則由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng),可見存在著近地面層的偏東氣流和低空南風(fēng)急流這兩支水汽輸送帶。低空急流出現(xiàn)的時(shí)間距離天津地區(qū)較強(qiáng)降水開始時(shí)間提前近1 h(圖略)。

圖4 2012年7月26日04時(shí)(a,d)、06時(shí)(b,e)和08時(shí)(c,f)地面加密自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)(a,b,c;單位:m/s)及相應(yīng)時(shí)刻的雷達(dá)回波組合反射率因子圖(d,e,f)(曲線為風(fēng)場(chǎng)輻合線;方框?yàn)轱L(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)的區(qū)域;C為輻合中心)Fig.4 (a,b,c)Surface wind field(unit:m/s) from surface automatic weather stations and (d,e,f)echo images for composite reflectivity factor(units:dBz) by Doppler weather radar at (a,d)04:00 BST,(b,e)06:00 BST and (c,f)08:00 BST 26 July 2012(the curves represent surface convergence line;the pane is a region where the wind varies from southwester to northeaster;the C is center of convergence)

圖5 2012年7月25日16:00—23:30寶坻站(a)和塘沽站(b)風(fēng)廓線(方框?yàn)轱L(fēng)速大于等于16 m/s時(shí)段;兩條曲線為擾動(dòng)的傳播;橢圓所在時(shí)間為寶坻站西北風(fēng)與塘沽站西南風(fēng)的風(fēng)向輻合時(shí)段)Fig.5 Wind profiles at (a)Baodi and (b)Tanggu stations from 16:00 BST to 23:30 BST 25 July 2012(the pane is a period when wind speed exceeds 16 m/s;the two curves are periods when the disturbance spreads;the ellipse denotes a period of wind convergence between the northwester at Baodi station and southwester at Tanggu station)

1 700 m高度以上的西南低空急流于21:18再一次增強(qiáng),且逐漸向下層傳播,持續(xù)時(shí)間近1 h,大于16.0 m/s的急流區(qū)向下傳播到1 000 m高度,說明低空急流的發(fā)生先于強(qiáng)降雨的發(fā)生,且強(qiáng)度也是在強(qiáng)降雨發(fā)生前達(dá)到最強(qiáng),持續(xù)性強(qiáng)降雨與短時(shí)強(qiáng)降雨有所不同,短時(shí)強(qiáng)降雨是在降雨開始時(shí)急流開始自低而高有所加強(qiáng)(郝瑩等,2012)。另外,從位于寶坻站(圖5a,間隔30 min)和塘沽站(圖5b,間隔6 min)的風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料的對(duì)比可以看出:21:18東部塘沽地區(qū)低空西南風(fēng)急流最大增至18.9 m/s(圖5b,方框部位),近1 h后在22:06大風(fēng)區(qū)向下傳播到1 000 m高度,北部寶坻地區(qū)也存在低空西南急流(圖5a,方框部位)。高空風(fēng)的切變,即寶坻站西北風(fēng)與塘沽站西南風(fēng)風(fēng)向輻合發(fā)生在22:00(圖5a、5b中橢圓部位),3 500 m高度以上塘沽地區(qū)仍然維持西南風(fēng),但寶坻已開始轉(zhuǎn)為西北風(fēng),表明弱冷空氣從中層侵入,產(chǎn)生風(fēng)向輻合,造成了武清、北辰地區(qū)的強(qiáng)降雨,其中北辰區(qū)22:00的1 h雨量達(dá)46.2 mm。此外,由圖5a還可看出,實(shí)際上前期20:30—22:00還有風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)伴隨(圖5a,曲線部位)。

圖6 2012年7月26日01:12—02:42在4 500 m高度(a)和1 500 m高度(b)的塘沽風(fēng)廓線(方框?yàn)檫吔鐚禹旓L(fēng)速大于等于16 m/s時(shí)段;橢圓為擾動(dòng)的傳播)Fig.6 The wind profiles at Tanggu station at (a)4 500 m high and (b)1 500 m high from 01:12 BST to 02:42 BST 26 July 2012(the pane is a period when wind speed exceeds 16 m/s at the top of boundary layer;the ellipse is a period when the disturbance spreads)

圖7 2012年7月26日00:00—01:30(a)、01:36—03:06(b)、03:12—04:42(c)和06:48—08:18(d)1 000 m高度塘沽風(fēng)廓線(紅色方框?yàn)榇笥诘扔?2 m/s風(fēng)速區(qū);藍(lán)色方框?yàn)榇笥诘扔?6 m/s風(fēng)速區(qū))Fig.7 The wind profiles at Tanggu station at 1 000 m high during (a)00:00—01:30 BST,(b)01:36—03:06 BST,(c)03:12—04:42 BST,and (d)06:48—08:18 BST 26 July 2012(the red pane is a period when wind speed exceeds 12 m/s;the blue pane is a period when wind speed exceeds 16 m/s)

強(qiáng)降雨的第二個(gè)階段中低空急流始終存在。從01:24開始,低空急流加強(qiáng)并向下傳播(圖6a,方框),從而觸發(fā)邊界層內(nèi)擾動(dòng)發(fā)生(圖6a,橢圓),表現(xiàn)在1 200 m處風(fēng)速增大到16.1 m/s,急流帶不斷向下擴(kuò)展,0.5 h后傳播到邊界層內(nèi)誘發(fā)擾動(dòng)。擾動(dòng)過后,邊界層頂以上風(fēng)速迅速增大,均大于16.0 m/s,整層大氣西南急流加強(qiáng),其中大于20.0 m/s的風(fēng)速擴(kuò)展至2 300～4 000 m高度。這種狀態(tài)維持了2 h,到04:00厚度達(dá)3 km的20 m/s風(fēng)速急流才有所減弱,但風(fēng)速仍維持在14～16 m/s的急流水平。

3.2.2 邊界層急流的作用

邊界層急流(低空1 000 m內(nèi))在強(qiáng)降雨發(fā)生前始終存在,并不斷增強(qiáng),1 h內(nèi)可增強(qiáng)4～6 m/s。圖7是塘沽風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)到的降雨前邊界層(1 000 m以下)風(fēng)速的演變情況。由圖7a(外圈方框)可見,風(fēng)速?gòu)?6日00:06開始增大,最先在850 m處達(dá)到12 m/s,大風(fēng)速區(qū)迅速向下傳播并加強(qiáng),1 h后到達(dá)300 m附近,最大風(fēng)速為15.5 m/s。邊界層急流較天津東部地區(qū)強(qiáng)降水的出現(xiàn)(26日02時(shí))提前約2 h。特別是01:36在850 m處出現(xiàn)大于16 m/s的急流中心(圖7b,內(nèi)圈方框),并向下傳播,強(qiáng)度達(dá)19.1m/s,持續(xù)時(shí)間為36 min,此后略有減弱,03:00再次出現(xiàn)大于16 m/s的急流中心,持續(xù)30 min(圖7c,外圈方框),而大于12 m/s的急流區(qū)始終位于300 m及以上高度。這種現(xiàn)象與短時(shí)強(qiáng)降雨隨著雨強(qiáng)逐漸增強(qiáng)時(shí)邊界層風(fēng)速進(jìn)一步增大不同。持續(xù)性強(qiáng)降雨開始后,邊界層急流卻相對(duì)較弱,僅出現(xiàn)兩次(圖7d),第一次是06:36出現(xiàn)在200 m高度,最大風(fēng)速為13.0 m/s,持續(xù)時(shí)間僅為24 min,第二次是08:00短暫出現(xiàn),最大風(fēng)速為12.6 m/s,但前期邊界層急流的形成時(shí)間和維持時(shí)間要比短時(shí)強(qiáng)降雨的急流存在時(shí)間長(zhǎng)得多,可見邊界層急流的前期顯著增強(qiáng)和維持時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)持續(xù)性強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)有較好的指示意義。

3.3 邊界層和中低層擾動(dòng)

除了上述討論的地面輻合線和低層急流之外,低層的擾動(dòng)也可通過風(fēng)廓線資料分析看到。此次大暴雨過程的又一突出特點(diǎn)是:這種擾動(dòng)按出現(xiàn)的位置可以劃分為邊界層擾動(dòng)(1 000 m以下)和低空擾動(dòng)(1 000～4 000 m);按產(chǎn)生機(jī)制可以劃分為急流擾動(dòng)和冷空氣入侵?jǐn)_動(dòng)。下面分別述之。

3.3.1 邊界層內(nèi)擾動(dòng)

風(fēng)廓線資料中900 m高度以下數(shù)據(jù)的空間間隔為50 m,這種更高分辨率的資料為邊界層的精細(xì)分析提供了可能。將圖6a邊界層內(nèi)的擾動(dòng)情況放大即為圖6b?？梢?26日01:12近地面層100 m以下為西北風(fēng)(2.0 m/s),之上為西南風(fēng)(5.8 m/s),西南風(fēng)風(fēng)速隨高度增加,到350 m高度已達(dá)到12.0 m/s的急流強(qiáng)度,0.5 h后900 m高度處風(fēng)速迅速增大到16.1 m/s。隨著急流向下傳播,邊界層內(nèi)有3次擾動(dòng)發(fā)生(圖6b,橢圓),最先出現(xiàn)在低空250 m高度,強(qiáng)度較弱(3.6 m/s),出現(xiàn)時(shí)間為01:42,而塘沽站的降水發(fā)生在02:00前后,邊界層擾動(dòng)提前約18 min。隨后擾動(dòng)增強(qiáng)并向上層發(fā)展,300～400 m高度出現(xiàn)第二次擾動(dòng),到02:00擾動(dòng)發(fā)展到600～800 m高度,強(qiáng)度增大到19.1 m/s。但這個(gè)擾動(dòng)僅止于邊界層內(nèi),并沒有向?qū)α鲗觽鞑?也沒有繼續(xù)發(fā)展起來,持續(xù)時(shí)間約為20 min,邊界層很快又恢復(fù)為一致的西南風(fēng),它帶來的結(jié)果是地面產(chǎn)生了9.4 mm的降雨,對(duì)產(chǎn)生大暴雨的貢獻(xiàn)不大。

3.3.2 低空擾動(dòng)

對(duì)第二階段降雨風(fēng)廓線資料的分析,得到了強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)低空一系列的中尺度擾動(dòng)信息(圖8)。04:42開始出現(xiàn)擾動(dòng)(圖8a,橢圓A),是由低空急流迅速加強(qiáng)而致,此前位于2 000 m高度的西南風(fēng)風(fēng)速加大,由14.4 m/s躍增到19.5 m/s(圖8a,方框),急流區(qū)向上發(fā)展,持續(xù)18min,A擾動(dòng)就發(fā)生在風(fēng)速加大的高度,約為2 600 m,這與前述的邊界層內(nèi)的擾動(dòng)也是因急流增強(qiáng)而產(chǎn)生是一致的,不同的是邊界層頂風(fēng)速加大的方向向下傳播,因而擾動(dòng)發(fā)生在邊界層內(nèi),可見擾動(dòng)正是發(fā)生在急流傳播的方向上。05時(shí)B擾動(dòng)發(fā)生,時(shí)間尺度小,距離A擾動(dòng)的發(fā)生不到20 min。接連的擾動(dòng)輻合導(dǎo)致地面降雨,大港區(qū)04:00—05:00的1 h降雨量為32.3 mm,津南區(qū)的1 h降雨量為23.0 mm。第一次低空擾動(dòng)的出現(xiàn)較短時(shí)強(qiáng)降水提前18 min。C擾動(dòng)的發(fā)生與前兩次不同,前兩次是在暖區(qū)中主要由風(fēng)速輻合誘發(fā),而這一次則是由于中低空弱冷空氣侵入(圖8a,灰色陰影)而致,05:24在2 800 m高度由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng),風(fēng)速為4.1 m/s,冷空氣向下擴(kuò)散,0.5 h后到達(dá)1 500 m附近,伴隨著冷空氣向下擴(kuò)散,擾動(dòng)也向下傳播,05:48在1 900 m高度附近產(chǎn)生D擾動(dòng)。受弱冷空氣影響,大港的氣溫從25.2 ℃下降到22.1 ℃,1 h內(nèi)降雨量為51.2 mm,津南降雨量為26.4 mm。

此后05:48—08:00西北氣流維持在1 500～3 500 m高度(圖略),其間沒有明顯的擾動(dòng)發(fā)生,降雨相對(duì)穩(wěn)定,但風(fēng)速有所減弱,由19.3 m/s減小到13.4 m/s,且范圍減小,急流范圍維持在2 500 m高度附近。08:00隨著冷空氣勢(shì)力再次有所加強(qiáng),且分別向上、下擴(kuò)散(圖8b,陰影),新一輪擾動(dòng)再度被激發(fā)(圖8b,橢圓),擾動(dòng)從A開始,6 min后迅速向上傳播到3 500 m高度,B擾動(dòng)發(fā)生,又從B擾動(dòng)一直傳播到N擾動(dòng)(圖8c)。這一系列接連不斷的擾動(dòng)在時(shí)間上幾近是一個(gè)無(wú)縫隙的過程,尺度小,發(fā)生發(fā)展非常迅速,08:24—10:30,持續(xù)約2 h,期間造成地面降雨(大港為52.4 mm,津南為106.3 mm)。從擾動(dòng)的強(qiáng)度來看,從A擾動(dòng)到N擾動(dòng),風(fēng)速分別為6.8、8.6、9.4、9.6、13.6、7.1、14.3、5.5、10.1、6.0、7.6、11.6、10.8和12.8 m/s,呈弱—強(qiáng)—弱—強(qiáng)間隔排列的特點(diǎn)。分析圖8b還發(fā)現(xiàn),擾動(dòng)發(fā)生的高度位置與冷空氣向上層發(fā)展的高度是一致的,持續(xù)發(fā)生在3 000～4 300 m高度附近,與此同時(shí)冷空氣在向低層擴(kuò)散時(shí),邊界層頂附近在09:06和09:12也可分析出a擾動(dòng)和b擾動(dòng)的發(fā)生,基本處于冷暖空氣交匯的部位。

圖8 2012年7月26日04:24—05:54(a)、07:54—09:24(b)和09:30—11:00(c)塘沽風(fēng)廓線(方框?yàn)轱L(fēng)速≥16 m/s的時(shí)段;橢圓為擾動(dòng)的傳播;陰影為風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)的時(shí)段)Fig.8 Wind profiles at Tanggu station during (a)04:24—05:54 BST,(b)07:54—09:24 BST,and (c)09:30—11:00 BST 26 July 2012(the pane is a period when wind speed exceeds 16 m/s;the ellipse is a period when the disturbance spreads;the shading is a period of northwest wind)

3.3.3 擾動(dòng)成因

由前述分析可知,風(fēng)廓線資料詳細(xì)地捕捉到了對(duì)流層低層和邊界層內(nèi)的擾動(dòng)過程及其誘發(fā)原因,這些擾動(dòng)的誘發(fā)原因可分為兩種情況:一是與急流相對(duì)應(yīng)(圖8a中A和圖6a方框部位)的擾動(dòng),低空急流迅速發(fā)展,風(fēng)速加大,輻合加強(qiáng),誘發(fā)擾動(dòng),且擾動(dòng)發(fā)生在急流的傳播方向上,伴隨著產(chǎn)生了26日05時(shí)51.2 mm/h的強(qiáng)降雨;二是由冷空氣入侵引起(圖8b中A)的擾動(dòng),08—09時(shí)在冷空氣向高層擴(kuò)展時(shí)誘發(fā)了擾動(dòng),同時(shí)在冷空氣向下擴(kuò)展時(shí)也有擾動(dòng)發(fā)生,表明西北風(fēng)向下擴(kuò)展的同時(shí),可能存在動(dòng)量下傳,引起低空擾動(dòng)加強(qiáng),在暴雨過程中,正是由于中層冷空氣的侵入,導(dǎo)致一系列擾動(dòng)的發(fā)生發(fā)展,其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),伴隨產(chǎn)生了48.2 mm/h的降雨。對(duì)比上述擾動(dòng)的發(fā)生時(shí)間與雷達(dá)回波中“列車效應(yīng)”的出現(xiàn)時(shí)間可知,雷達(dá)回波的“列車效應(yīng)”特征,其實(shí)就是這些中小尺度擾動(dòng)的反映。

綜上所述,地面輻合線的存在和位置與大暴雨維持和落區(qū)相一致,有利于該區(qū)域的中小尺度輻合系統(tǒng)穩(wěn)定維持;低空急流的存在為大暴雨提供水汽輸送,加強(qiáng)了層結(jié)不穩(wěn)定度,同時(shí)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放;而低層大氣中的一系列擾動(dòng)則是大暴雨中的一系列對(duì)流云團(tuán)產(chǎn)生的直接原因。上述多普勒雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)在暴雨過程中的特征歸納如表1所示。

4 結(jié)論

對(duì)2012年7月25—26日天津大暴雨過程進(jìn)行細(xì)致分析,得到以下結(jié)論:

1)此次大暴雨過程雷達(dá)回波表現(xiàn)為高質(zhì)心結(jié)構(gòu),50～55 dBz強(qiáng)回波伸展高度超過0 ℃層達(dá)到6.5 km高度,并在高懸的強(qiáng)回波下有弱回波區(qū);徑向速度圖上逆風(fēng)區(qū)從1.5°仰角延伸至9.9°仰角,在各個(gè)高度均有出現(xiàn),輻合區(qū)深厚,伸展高度已達(dá)對(duì)流層中層。氣旋式輻合與對(duì)流中上升氣流和后側(cè)下沉氣流緊密相連,表現(xiàn)出較好的對(duì)流組織性,也預(yù)示強(qiáng)降雨將持續(xù)發(fā)展。逆風(fēng)區(qū)的維持與伸展的高度可作為暴雨預(yù)報(bào)的先兆信號(hào)。

表1多普勒雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)資料在暴雨過程中的指示意義

Table 1 The indicator meaning of Doppler radar and wind profiler radar data in the rainstorm

暴雨開始孕育階段暴雨產(chǎn)生階段無(wú)高質(zhì)心結(jié)構(gòu)的回波;有高質(zhì)心結(jié)構(gòu)的回波;多普勒雷達(dá)特征無(wú)明顯逆風(fēng)區(qū);有逆風(fēng)區(qū),從低層至高層均有表現(xiàn),輻合深厚;無(wú)“列車效應(yīng)”回波?！傲熊囆?yīng)”,與地面中尺度輻合區(qū)一致。風(fēng)廓線雷達(dá)特征暴雨開始前約1～2h,有邊界層急流建立;邊界層急流降水開始后逐步減弱;暴雨開始前約1～2h,有低空急流建立,且強(qiáng)降水發(fā)生前達(dá)到最強(qiáng);低空急流維持并逐步減弱;暴雨開始前約1h,有中層弱冷空氣侵入,并向低層擴(kuò)散;暴雨開始前10～20min,開始有邊界層擾動(dòng)和低空擾動(dòng)。邊界層擾動(dòng)和低空擾動(dòng)不斷生成和持續(xù)發(fā)展。

2)地面輻合線與雷達(dá)回波上的對(duì)流單體出現(xiàn)“列車效應(yīng)”區(qū)域有很好的一致性。地面形成的氣旋性閉合環(huán)流和中小尺度環(huán)流輻合作用的穩(wěn)定維持,增加了該地區(qū)的水汽和能量聚積,提供了產(chǎn)生大暴雨的有利條件。

3)由風(fēng)廓線資料可詳細(xì)分析出暴雨過程中低空急流和邊界層急流的擾動(dòng)過程。在強(qiáng)降雨發(fā)生前,增強(qiáng)的低空急流、邊界層急流一方面提供水汽輸送,更重要的是造成低層強(qiáng)的暖濕空氣匯聚,增強(qiáng)了層結(jié)不穩(wěn)定,進(jìn)而引發(fā)低層的擾動(dòng),觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。這與雷達(dá)回波上的“列車效應(yīng)”是對(duì)應(yīng)的,但能夠比雷達(dá)更早地出現(xiàn)。分析風(fēng)廓線資料中的低空急流和邊界層急流增強(qiáng)態(tài)勢(shì),對(duì)大暴雨的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

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(責(zé)任編輯：倪東鴻)

FluctuationcharacteristicsofTianjinrainstorminlateJuly2012

XU Ling-zhi,Lü Jiang-jin,XU Chang-yi

(Tianjin Binhai Meteorological Bureau,Tianjin 300457,China)

Based on Doppler radar data,wind profiler radar data and high-density observations of AWSs(automatic weather stations),a heavy rainfall event in Tianjin during 25—26 July 2012 is investigated.Results show that:(1)The radar echo shows the high centroid structure during the heavy rainfall event,and the cyclonic convergence with updraft is closely linked with rear downdraft,indicating that the convection has certain organizations and the strong rain echo will not be weakened in a certain time so the heavy rainfall will be continued.The maintenance and extended height of adverse wind region can be used as a threatened signal of heavy rainfall.(2)The surface convergence line is in good agreement with “train effect” area on the radar echo map.The mesoscale surface convergence center and the steady maintenance of meso- and micro-scale convergence are important factors affecting the rainstorm.(3)The disturbance process of low level jet and boundary layer jet can be analyzed in detail based on the wind profile data.The jet is significantly strengthened before the heavy rainstorm,which is consistent with “train effect” on the radar echo map,but can be warned more earlier than radar.The enhanced characteristics of low level jet and boundary layer jet from the wind profiler radar have a good indicative significance for the short-term weather forecast of heavy rainfall.

heavy rainfall;adverse wind region;low level jet;fluctuation characteristics

2013-07-18;改回日期2014-04-30

中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)資助項(xiàng)目(CMAYBY2013-004)

徐靈芝,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橹谐叨葹?zāi)害性天氣預(yù)報(bào),lingchee_hsu@163.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130718001.

1674-7097(2014)05-0613-10

P442;P457.6

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130718001

徐靈芝,呂江津,許長(zhǎng)義.2014.2012年7月末天津暴雨過程的擾動(dòng)特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(5):613-622.

Xu Ling-zhi,Lü Jiang-jin,Xu Chang-yi.2014.Fluctuation characteristics of Tianjin rainstorm in late July 2012[J].Trans Atmos Sci,37(5):613-622.(in Chinese)