天津沿海一次强降水超级单体环境条件及结构分析
靳振华; 易笑园; 孙晓磊; 刘一玮; 李钢
东汉开国【期刊名称】《《暴雨灾害》》
【年(卷),期】2019(038)006
最护肝的食物【总页数】9页(P606-614)
【关键词】强降水; 超级单体; 地面辐合线; 冷池; 回波参数; 水汽垂直递减率
【作 者】靳振华; 易笑园; 孙晓磊; 刘一玮; 李钢
【作者单位】天津市滨海新区气象局 天津300457; 天津市气象台 天津300074; 天津市海洋中心气象台 天津300074
【正文语种】中 文
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部门法【中图分类】P458.1+21.1
引 言
质量管理体系强对流天气包括雷电、雷暴大风、冰雹、龙卷、短时强降水等，常对人民的生命财产安全造成严重威胁。其中，短时强降水是指1 h降水量大于等于20 mm或3 h大于等于50 mm的降水过程(俞小鼎，2013)，可能会造成城市内涝、山体滑坡、泥石流等灾害。超级单体是造成短时强降水的重要中尺度天气系统之一，一直受到众多气象学家的关注，对超级单体的研究从20世纪50年代持续至今。Donaldson(1970)首次用多普勒雷达观测到超级单体的中气旋。之后，雷达气象学界判断是否有超级单体活动，依据是CIN-RAD/SA雷达是否监测到中气旋，采用美国天气局划定的中气旋标准，即满足以下判据(俞小鼎等，2006)：1) 核区直径小于等于10 km，转动速度超过相应的阈值；2)垂直伸展厚度大于等于风暴垂直尺度的三分之一；3)上述两类指标均满足持续时间至少为两个体扫。根据对流性降水强度和空间分布特征，把超级单体分为经典超级单体、强降水超级单体和弱降水超级单体(Moller et al.，1994)。
强降水超级单体的发生发展环境与不稳定条件、垂直风切变及水汽密不可分。俞小鼎等(2008)研究的2005 年7 月30 日安徽一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体，对应小时雨强
为52 mm·h-1，对流有效位能为1 200 J·kg-1，0—6 km 垂直风切变为16 m·s-1；潘玉洁等(2008)分析的2003年4月12日福建建阳的强降水超级单体，发生在中等对流不稳定(1 601 J·kg-1)、强垂直风切变(0—5 km，22 m·s-1)和低层高湿的环境中，这两次强降水超级单体的环境条件和结构特征与国外的研究非常相似，只是演变过程和回波形态不尽相同。陶祖钰等(2016)研究指出，露点温度的显著变化可以反映局地气团性质的变化，当地面露点温度达到20 ℃或更高，就有可能出现强雷暴并产生短时强降水。强降水超级单体触发、维持和加强的机制主要有中尺度地面辐合线(王啸华等，2012)、冷池出流与低层暖湿气流产生的扰动(牛奔等，2016；周后福等，2019)。王福侠等(2011)研究表明，出流边界前侧垂直风切变加大及其后侧冷池的加强是促进中气旋迅速形成的重要原因。陈明轩等(2017)进一步分析了出流边界对京津冀地区强对流局地新生及快速增强的动力效应。戴建华等(2012)研究表明，热岛效应和海陆风共同形成的低空辐合线对超级单体有加强作用。就东部沿海地区而言，近地面东风与沿岸对流活动关系密切，由海陆温差引起的海风触发沿岸对流的较多(易笑园等，2012；东高红等，2013)，张文龙等(2013)研究了由次天气尺度低涡引起的浅薄偏东风(500 m 以下)对渤海西岸强对流的影响，提出浅薄偏东风有利于形成局地强辐合，易造成突发性局地暴雨。
由于超级单体尺度小、突发性和局地性强、生消过程快、结构演变复杂，对其进行准确预报难度很大，因此深入了解超级单体的发生发展机理，对减轻极端强对流天气造成的生命财产损失是极为有意义的。目前，对于强降水超级单体的研究已取得一些成果，但主要侧重在定性方面，对其生成环境和结构的定量分析明显不足。2016年7月24日(北京时，下同)下午，天津大港地区出现极端强降水，预报员的主观预报和多家数值模式预报结果均漏报了这次强降水过程。为了研究强降水的影响系统及其发生、发展、维持的环境，本文利用多种高时空分辨率观测资料，对天气背景、环境条件及水汽的垂直分布进行精细化定性和定量分析，采用雷达回波参数量化描述强降水超级单体的结构演变，以期积累多种探测资料在局地强降水分析中的应用经验，提高渤海西岸局地强降水发生发展规律的认识。
1 资料与参量
资料主要有：1)地面、高空观测资料，其中天津地面加密自动站降水、气温、风向、风速为逐分钟间隔，区域站滨海水厂(A2604)为极端强降水发生地，露点温度来源于国家站大港站(54645)，静海位于大港站西侧。2)水汽密度(V)来源于MP3000型微波辐射计(位于天津西青站，可以较好地代表站点上空200 km范围大气的温湿变化)的观测值，单位为g·m-3，
垂直0—10 km 共58 层，分辨率为：0.5 km以下50 m，0.5—1 km为100 m，1 km 以上为250 m。3) 雷达探测资料源于天津塘沽(117.72°E，39.04°N)，雷达三维拼图资料为直角坐标系数据，水平分辨率0.01°×0.01°，即一个格点，垂直方向22层。0.5—5.5 km分为11层，间隔0.5 km；6—12 km分为7层，间隔1 km；14—20 km分为4层，间隔2 km。所有观测资料的时间段为2016年7月24日08:00—20:00。
表征水汽条件的水汽密度垂直递减率用FV表示，单位为g·m-4。此外，本文还使用了描述超级单体结构变化的4 个参量，其中，单体有效厚度(H)和有效面积(D)取自天津大学与天津市气象局联合开发的强天气分类识别系统(杨忠山，2012)，V50-up(down)4和FV50-up(down)4参照易笑园等(2013，2017)构建回波参数的方法，变率是前后6 min 间隔的变化量。4 个参量分别表示的物理含义为：1) 有效厚度(H)为雷暴单体45 dBz 回波顶高与-20 ℃层高度的差值，单位为103 m；2)有效面积(D)为雷暴单体40 dBz 回波围成的面积，单位为106 m2；3)V50-up(down)4为雷暴单体4 km 高度以上(以下)大于50 dBz回波体积，单位为109·m3，反映某一时刻强回波核的大小和所在高度；4)FV50-up(down)4为雷暴单体4 km高度以上(以下)大于50 dBz回波体积的变率，单位为109 m3·6 min，反映单位时间V50-up(down)4的增减幅度，其正值反映V50-up(down)4是发展增强的趋势，其数值减小反映V
50-up(down)4虽然有发展但势头减弱；其负值说明不在发展。
2 实况简介
黑苦荞茶2.1 降水实况
2016 年7 月24 日下午，华北中部发生局地强降水天气。图1 给出2016 年7 月24 日13:00—17:00（北京时，下同）华北中部降水量分布和滨海水厂14:00—15:00逐6 min降水量。分析可知，雨带呈东北-西南方向，位于河北中部至天津南部，各地降水量分布不均，强降水集中时段为13:00—17:00，天津地区有3站的4 h降水量超过100 mm (图1a)。14:00—15:00，最大小时雨强为95.0 mm·h-1(图略)，突破了当地自2006 年以来的历史极值。14:18最大6 min降水量为16.6 mm，14:06—14:24的6 min降水量均超过10 mm(图1b)。以上特征表明，此次强降水历时短、雨强大、局地性强。
图1 2016年7月24日13:00—17:00华北中部降水量(R)分布(a)和滨海水厂区域站14:00—15:00逐6 min降水量(b)(单位:mm,红色三角形表示区域站滨海水厂,蓝色三角形表示国家站大港站)Fig.1(a)The distribution of precipitation(unit:mm)in Central North China from 13:00
BT to 17:00 BT and(b)6 min precipitation(unit:mm)from 14:00 BT to 15:00 BT at Binhaishuichang station on 24 July 2016(The red triangle reprents the regional station Binhaishuichang.The blue triangle reprents national station Dagang).
2.2 回波演变实况
图2 2016年7月24日13:00(a)、13:24(b)、14:00(c)、14:24(d)天津塘沽多普勒天气雷达3.4°反射率因子(单位:dBz)和加密自动站风场(双线表示由东北风和东南风组织成的地面辐合线,黑色实线围成的区域表示雷暴出流形成的偏北风)Fig.2 Weather radar reflectivity(unit:dBz)from Tanggu in Tianjin at 3.4°and wind from intensive automatic station at(a)13:00 BT,(b)13:24 BT,(c)14:00 BT,(d)14:24 BT on 24 July 2016(The double lines reprent ground convergence lines organized by northeasterly and southeasterly winds,and the area surrounded by a black solid line indicates the northerly wind generated by thunderstorm outflow).
从图2 给出的2016 年7 月24 日13:00—14:24 的3.4°反射率因子分布变化可以看出，13:00滨海水厂西侧出现降水回波，最强为50 dBz；13:24 回波不断向北扩展，50 dBz较强回波
范围有所扩大；14:00回波快速东移发展，滨海水厂和大港站均出现50 dBz较强回波；14:24滨海水厂最强回波达55 dBz。以上分析表明，强降水回波影响天津大港地区的时间为1—2 h。下面将从大尺度环流背景、中尺度触发机制及雷达回波定性定量特征等方面，详细探究导致降水回波快速发生发展的原因。
古诗拼音3 环流背景分析
3.1 大尺度环流形势
造成强对流天气的中尺度系统与大尺度环流形势有密切关系。图3a给出2016年7月24日08:00环境条件配置图，从中可见，降水发生前，500 hPa天津位于冷涡前部、副热带高压外围西南暖湿气流中，700 hPa切变线略偏东，850—925 hPa切变线近乎重叠，呈前倾槽结构，西南气流显著，水汽输送、充足，有利于水汽堆积和能量积累，地面气压场显示，天津位于低压顶部，有利于垂直上升运动。图3b给出同时刻700 hPa水汽通量散度与风场的叠加图，可见西南气流风速在天津至河北南部明显辐合，对应水汽辐合大值区，辐合中心为-1.5·10-6·g·cm-2·hPa-1·s-1。综上，前倾槽结构、地面低压及西南气流风速的辐合，为中尺度系统的发展和强降水的发生提供了良好的水汽辐合及动力抬升条件。
蛇与什么属相相克相冲图3 2016年7月24日08:00环境条件配置(a)以及700 hPa水汽通量散度(等值线，单位:10-7·g·cm-2·hPa-1·s-1)与风场(单位：m·s-1)的叠加图(b)(红色实心三角表示天津)Fig.3(a)Environment condition configuration,(b)superposition of vapor flux divergence(contour,unit:10-7·g·cm-2·hPa-1·s-1)and wind field(unit:m·s-1)of 700 hPa at 08:00 BT on 24 July 2016(Red solid triangle reprents Tianjin).
