武漢地區(qū)4次低質(zhì)心類短時強(qiáng)降水對流風(fēng)暴特征分析*

王孝慈 李雙君 孟英杰

武漢中心氣象臺，武漢 430074

提 要： 利用自動氣象站逐小時和逐5 min觀測資料、長江中游雷達(dá)組合反射率因子SWAN拼圖產(chǎn)品及NCEP FNL再分析資料，對武漢地區(qū)4次低質(zhì)心類短時強(qiáng)降水對流風(fēng)暴特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：不同的天氣背景誘發(fā)的對流系統(tǒng)特征不同，低層暖強(qiáng)迫造成的斜壓不穩(wěn)定背景下，環(huán)境條件高能高濕，雷暴冷池的積累有利于穩(wěn)定性降水前沿觸發(fā)線狀強(qiáng)對流；斜壓鋒生天氣背景下，冷暖劇烈交匯使得大氣斜壓性顯著增強(qiáng)，地面多有中尺度氣旋波發(fā)展，鋒區(qū)冷區(qū)穩(wěn)定性降水中多伴隨短時強(qiáng)降水，而暖區(qū)能量、濕度條件更好，易誘發(fā)短時強(qiáng)降水等分散性強(qiáng)對流；準(zhǔn)正壓天氣背景下，大氣斜壓性弱，環(huán)境高能高濕，多由近地面層流場強(qiáng)迫和局地?zé)崃Σ町愑|發(fā)劇烈的熱對流活動。從對流風(fēng)暴雷達(dá)回波特征和降水特征來看，TS類線狀中尺度對流系統(tǒng)(MCS)移速較快，短時強(qiáng)降水范圍小；準(zhǔn)靜止類表現(xiàn)為帶狀走向的大范圍層狀云回波穩(wěn)定維持，中間伴有多個積云對流生消迭代，每一階段降水增強(qiáng)都與新生對流單體途經(jīng)武漢站點(diǎn)相對應(yīng)；組織合并類在回波合并時，意味著短時強(qiáng)降水的發(fā)展增強(qiáng)，合并后的回波形態(tài)和走向影響著降水的強(qiáng)度和持續(xù)時間。在不同的環(huán)境背景、觸發(fā)誘因和組織形態(tài)下，短時強(qiáng)降水發(fā)生前后地面氣象要素表現(xiàn)出不同的變化特征，鋒面特征和對流觸發(fā)位置的不同導(dǎo)致溫度變化特征差異。地面中尺度系統(tǒng)對于MCS的觸發(fā)、組織發(fā)展有重要作用，其生消演變相對于MCS在時間上通常具有一定的提前量，關(guān)注地面輻合線、溫度鋒區(qū)等地面中尺度系統(tǒng)，對于預(yù)判MCS的觸發(fā)、組織形態(tài)的演變等具有很好的指示意義。

引 言

短時強(qiáng)降水作為夏季常見的一種災(zāi)害性天氣，雨強(qiáng)大，致災(zāi)性強(qiáng)，常誘發(fā)山區(qū)山洪、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，造成城市內(nèi)部突發(fā)內(nèi)澇、積漬，公共交通、民眾生活等深受影響。武漢地區(qū)作為長江中游經(jīng)濟(jì)、文化、政治中心，社會關(guān)注度高，同時也是短時強(qiáng)降水高影響區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計，武漢地區(qū)歷史上發(fā)生過多次影響較大的暴雨過程，這其中大多數(shù)均為短時強(qiáng)降水類；就武漢本站而言，短時強(qiáng)降水導(dǎo)致的暴雨為年均3次，暴雨日數(shù)為年均5次(毛以偉，2013)，由于其突發(fā)性強(qiáng)，雨強(qiáng)大，預(yù)報難，對民眾生活影響深遠(yuǎn)，研究短時強(qiáng)降水特征對于氣象災(zāi)害防御有重要的意義。如武漢2007年5月31日05時雨強(qiáng)為94 mm·h-1，創(chuàng)下了有完整氣象記錄以來5月最高，當(dāng)天中心城區(qū)有20多處明顯積水，最深處達(dá)2 m；武漢2013年7月7日08時的3 h累計降水量達(dá)76.2 mm，強(qiáng)降水導(dǎo)致49處路段交通受阻，10余個地庫500多輛車輛被淹，水產(chǎn)、農(nóng)作物直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.97億元；2016年6月1日受超強(qiáng)厄爾尼諾影響，武漢普降暴雨，光谷地段降水量達(dá)115 mm，數(shù)十處地段內(nèi)澇積漬嚴(yán)重，對交通及市民出行造成嚴(yán)重影響。

短時強(qiáng)降水的發(fā)生與有利的天氣系統(tǒng)配置密切相關(guān)，不同的過程其天氣背景和中尺度環(huán)境特征往往也各有不同。眾多學(xué)者從不同的角度出發(fā)，對短時強(qiáng)降水影響天氣背景進(jìn)行了分析歸納和總結(jié)，如根據(jù)地面氣團(tuán)熱力性質(zhì)并結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品分析，建立了暖區(qū)對流系統(tǒng)和鋒面對流系統(tǒng)模型(魏慧娟等，2013)；根據(jù)500 hPa低值系統(tǒng)位置，結(jié)合物理量對比，分為冷渦槽前、槽后兩類天氣背景(鄭媛媛等，2011)；劉愛鳴等(2001a；2001b)以850 hPa影響系統(tǒng)為主，結(jié)合500 hPa和地面系統(tǒng)，歸納了六種天氣模型。不同地域短時強(qiáng)降水的天氣背景和中尺度環(huán)境特征具有各自的地域差異，王錫穩(wěn)等(2004)、許新田等(2010)、王毅等(2012)、張濤等(2012)和許愛華等(2014)對各自不同地域出現(xiàn)的引發(fā)短時強(qiáng)降水的天氣形勢配置進(jìn)行了分析，其中許愛華等(2014)通過大量個例總結(jié)，從強(qiáng)對流天氣形成的熱力不穩(wěn)定等條件出發(fā)，提出了中國中東部地區(qū)強(qiáng)對流天氣的5種天氣形勢和環(huán)境要素配置，張家國等(2018)應(yīng)用天氣診斷方法分析提煉了長江中游地區(qū)5種極端降水天氣系統(tǒng)配置，指出了不同配置條件下天氣預(yù)報的關(guān)注重點(diǎn)。同時，短時強(qiáng)降水的觸發(fā)以及組織發(fā)展常具有顯著的中尺度對流特征，以中尺度系統(tǒng)為著眼點(diǎn)，結(jié)合環(huán)流背景，許多氣象工作者基于個例統(tǒng)計分析，對中尺度影響系統(tǒng)分類，建立了相關(guān)中尺度概念模型以及預(yù)報方法(崔講學(xué)，2011；吳翠紅和王曉玲，2013；吳翠紅和龍利民，2011；毛以偉，2013)。按照產(chǎn)生強(qiáng)降水的對流系統(tǒng)特征和屬性差異，Lemon(1977)將強(qiáng)對流系統(tǒng)分為大陸和熱帶強(qiáng)對流型兩種，前者發(fā)展深厚，對流可發(fā)展到較高的高度，云體主要位于0℃層以上，云中存在很多大雨滴和雹粒子，因此也叫冷云型對流降水，簡稱高質(zhì)心大陸性；后者常由暖云降水為主導(dǎo)，稱低質(zhì)心降水，多發(fā)生在熱帶海洋上，但很多國內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在中國盛夏季節(jié)中高緯強(qiáng)降水也往往具有類似暖云降水的屬性(郝瑩等，2012；俞小鼎，2012；段鶴等，2014；孫繼松等，2015；鄭永光等，2017)。其中，郝瑩等(2012)、段鶴等(2014)分別對安徽和云南地區(qū)的強(qiáng)降水天氣特征進(jìn)行統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，在所有短時強(qiáng)降水天氣過程中，低質(zhì)心強(qiáng)降水回波出現(xiàn)的概率達(dá)到88%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于高質(zhì)心強(qiáng)降水回波。而從曹艷察等(2020)對低、高質(zhì)心對流風(fēng)暴的對比分析來看，高質(zhì)心降水具有強(qiáng)的垂直風(fēng)切變條件及較快的移動速度。

2020年長江中游經(jīng)歷超長梅雨期，梅雨期累計降水歷史排位第三，與前人研究有所區(qū)別，本文主要對2020年武漢地區(qū)4次低質(zhì)心類對流風(fēng)暴短時強(qiáng)降水過程的天氣模型、雷達(dá)回波組織結(jié)構(gòu)特征及地面中尺度系統(tǒng)、邊界層氣象要素特征等進(jìn)行對比分析，以期為汛期武漢地區(qū)短時強(qiáng)降水預(yù)報預(yù)警工作提供參考。

1 資料和方法

本文使用的資料包括：武漢地區(qū)氣象觀測站(國家站：5個站；區(qū)域站：189個站；如圖1所示)逐小時和逐5 min觀測資料；SWAN提供的長江中游多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子拼圖產(chǎn)品，時間分辨率為6 min；NCEP FNL再分析資料(空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6 h)。

圖1 武漢地區(qū)自動氣象站分布Fig.1 Distribution of automatic weather stations in Wuhan

武漢處于平原地區(qū)，地勢較為平坦，從致災(zāi)性角度來，引發(fā)城市內(nèi)澇需要達(dá)到較強(qiáng)的雨強(qiáng)，綜合俞小鼎(2013)、張家國等(2018)對極端強(qiáng)降水的研究結(jié)果，這里定義2020年武漢地區(qū)短時強(qiáng)降水個例篩選標(biāo)準(zhǔn)為：(1)出現(xiàn)雨強(qiáng)≥50 mm·h-1的站點(diǎn);(2)最強(qiáng)雷達(dá)回波組合反射率因子≥50 dBz，以混合型對流為主。

根據(jù)對流風(fēng)暴成熟階段的最大回波強(qiáng)度和垂直結(jié)構(gòu)特征，本文定義的低質(zhì)心型指最大反射率因子一般為50 dBz左右，其所對應(yīng)的強(qiáng)回波高度在0℃層以下，即質(zhì)心較低；高質(zhì)心通常最大反射率因子為55～65 dBz，50 dBz所對應(yīng)回波頂高高于0℃層2 km 以上，即質(zhì)心較高；混合型一般對應(yīng)最大反射率因子強(qiáng)度在50 dBz以上，其中50 dBz所對應(yīng)回波頂略高于0℃層，但未達(dá)到2 km以上。

2 降水和環(huán)流背景特征

2.1 2020年武漢地區(qū)強(qiáng)降水特征

從1961—2020年6—8月武漢地區(qū)國家站平均暴雨日數(shù)逐年變化曲線(圖2)可以看出，2020年日降水量≥50 mm的5個國家站算術(shù)平均值歷史排位第三，約為7.4 d，僅次于1991年的8.2 d和1969年的7.6 d，超歷史均值(3.1 d)4.3 d。2020年武漢地區(qū)共發(fā)生暴雨過程9次，分別為6月9日、6月12日、6月26日、6月28日、7月4—5日、7月6日、7月18日、8月10日和8月20日，因本文旨在對低質(zhì)心類短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行分析，經(jīng)過篩選只有6月12日、7月6日、8月10日、8月20日這4次過程滿足條件(毛以偉，2013)。后面將對這4次降水過程進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 1961—2020年6—8月武漢地區(qū)國家站平均暴雨日數(shù)逐年變化曲線Fig.2 Annual variation curve of average rainstorm days at national stations in Wuhan from June to August during 1961-2020

2.2 降水特點(diǎn)

4次過程武漢地區(qū)氣象觀測站累計降水量分布(圖3a～3d)表明，6月12日、8月10日和8月20日短時強(qiáng)降水過程的暴雨落區(qū)范圍小，較為分散；7月6日降水過程雨區(qū)覆蓋面積大，持續(xù)時間較長。其中，6月12日20—23時(北京時，下同)，3 h最大累計降水量站出現(xiàn)在武漢城區(qū)(63 mm)，(表1)；7月6日03—08時，3 h最大累計降水量站出現(xiàn)在江夏區(qū)(151 mm)；8月10日01—06時，3 h最大累計降水量站出現(xiàn)在黃陂區(qū)(132 mm)；8月20日14—17時，3 h最大累計降水量站出現(xiàn)在武漢城區(qū)(68 mm)。

圖3 2020年武漢地區(qū)短時強(qiáng)降水雨量分布特征：(a～d)國家站及區(qū)域站累計降水量,(e～h)最大小時雨強(qiáng)站點(diǎn)分布(彩色圓點(diǎn)，單位：mm· h-1；數(shù)字代表出現(xiàn)最強(qiáng)雨強(qiáng)的時間)(a，e)6月12日20—23時,(b,f)7月6日03—08時,(c,g)8月10日01—06時,(d,h)8月20日14—17時Fig.3 Rainfall distribution characteristics of short-time heavy rainfall in Wuhan Area (a-d) accumulated precipitation at national and regional stations, (e-h) distribution of stations with maximum hourly rainfall intensity (color dot, unit: mm · h-1. The number represents the time for the heaviest rainfall intensity) in 2020(a, e) 20:00-23:00 BT 12 June, (b, f) 03:00-08:00 BT 6 July, (c, g) 01:00-06:00 BT 10 August, (d, h) 14:00-17:00 BT 20 August

表1 2020年武漢地區(qū)4次降水過程對流風(fēng)暴類型及降水特點(diǎn)Table 1 Convective storm types and precipitation characteristics of four precipitation processes in Wuhan Area in 2020

從雨強(qiáng)站點(diǎn)分布圖(圖3e～3h)來看，雨強(qiáng)≥30 mm·h-1的站點(diǎn)多分布在武漢中部、南部。其中，6月12日站點(diǎn)雨強(qiáng)多以20～30 mm·h-1為主，30～50 mm·h-1次之，個別站點(diǎn)出現(xiàn)≥50 mm· h-1；7月6日和8月10日站點(diǎn)雨強(qiáng)≥20～30、30～50及50～80 mm·h-1出現(xiàn)頻次較為一致；8月20日站點(diǎn)雨強(qiáng)多以20～30 mm·h-1或30～50 mm·h-1為主，50～80 mm·h-1次之。4次過程的短時強(qiáng)降水維持時間約為2～3 h，強(qiáng)降水時段分別出現(xiàn)在夜間、清晨和午后。

2.3 4次過程天氣形勢配置

許愛華等(2014)對2000年以來中國中東部近百次強(qiáng)對流天氣個例環(huán)境場進(jìn)行分析，由強(qiáng)對流的不穩(wěn)定條件和主要觸發(fā)條件的角度觸發(fā)，提出中國中東部地區(qū)強(qiáng)對流天氣的5種基本類別，本節(jié)將參考上述分類，由強(qiáng)對流天氣發(fā)生的基本條件入手，從熱/動力不穩(wěn)定條件、水汽場特征這三個方面出發(fā)分析4次過程的天氣形勢配置。

2.3.1 6月12日過程——暖強(qiáng)迫類

6月12日降水過程為暖強(qiáng)迫類天氣，其高低空配置特征為(圖4)：從500 hPa來看，強(qiáng)降水發(fā)生在短波槽前與西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)西北側(cè)邊緣處，正渦度平流明顯，有利于垂直上升運(yùn)動；200 hPa在武漢上空為明顯的西風(fēng)急流分流區(qū)，抽吸作用顯著；925～700 hPa有強(qiáng)盛的西南暖濕急流發(fā)展，武漢處于急流出口左側(cè)，低層切變線發(fā)展，輻合明顯；高低空急流耦合產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動。從熱力條件來看，強(qiáng)天氣發(fā)生前和發(fā)生時，近地面層處于暖低壓倒槽的控制下，表現(xiàn)為高溫、高濕，常有中尺度輻合線形成發(fā)展，700 hPa以下西南暖濕急流強(qiáng)盛，等溫度線與風(fēng)向交角較大，暖平流強(qiáng)迫顯著，斜壓性增強(qiáng)，500 hPa溫度槽略超前高度槽，有弱的暖平流，中低層暖區(qū)建立快，有利于熱力不穩(wěn)定層結(jié)的加強(qiáng)。從武漢站探空資料來看，武漢上空西南氣流強(qiáng)盛，水汽充沛，濕層深厚，中低層暖平流顯著，有利于不穩(wěn)定能量的積累，對流有效位能(CAPE)高達(dá)2 800 J·kg-1，K指數(shù)為42℃，抬升凝結(jié)高度(LCL)約為950 hPa，對流凝結(jié)高度(CCL)約為890 hPa，較容易觸發(fā)對流活動，高能高濕，對流不穩(wěn)定顯著，為短時強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利的條件。

圖4 2020年6月12日20時(a)NCEP再分析資料天氣形勢及中尺度分析，(b)武漢站探空圖(圖4a中，等值線：500 hPa位勢高度場,單位：dagpm;風(fēng)羽：850 hPa風(fēng)場；紅色虛線：等溫線；棕色實(shí)線：槽線；紅色、灰色、紫色箭頭：850 hPa、925 hPa、200 hPa顯著氣流；黑色粗實(shí)線：地面等壓線；下同)Fig.4 (a) Synoptic situation and mesoscale analysis chart of NCEP final analysis data, (b) radiosonde map of Wuhan Station at 20:00 BT 12 June 2020(in Fig.4a, isoline: 500 hPa geopotential height field, unit: dagpm; barb: wind field at 850 hPa； red dotted line: isotherm; brown solid line: trough line; red, gray and purple arrows: 850 hPa, 925 hPa and 200 hPa significant air flow; black thick solid line: ground isobaric line; the same below)

2.3.2 7月6日、8月10日過程——斜壓鋒生類

斜壓鋒生類天氣過程：7月6日個例(圖5a，5b)、8月10日個例(圖5c，5d)，強(qiáng)降水多發(fā)生在高空槽前，地面鋒區(qū)暖區(qū)附近。其高低空配置特征為：500 hPa 中緯度冷槽東移，槽后偏北氣流攜帶冷空氣南下，有明顯的冷平流發(fā)展；700～850 hPa切變線顯著，南側(cè)有強(qiáng)盛的西南暖濕急流，暖濕平流明顯，北側(cè)為顯著的偏北氣流，冷暖氣團(tuán)交匯劇烈，大氣斜壓性增強(qiáng)，溫度梯度增大，導(dǎo)致強(qiáng)烈的鋒生和輻合抬升強(qiáng)迫；地面鋒區(qū)活躍，多有中尺度氣旋波發(fā)展，在氣旋波暖區(qū)觸發(fā)短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣；同時，200 hPa位于西風(fēng)急流分流輻散區(qū)，配合低空急流的耦合抽吸作用，進(jìn)一步加劇了鋒面附近垂直上升對流活動。從探空圖上可以看出此類過程風(fēng)垂直切變較大，從低層到高由西南氣流轉(zhuǎn)為偏北氣流。

圖5 2020年(a)7月6日02時和(c)8月10日02時NCEP最終分析資料天氣形勢及中尺度分析，(b)7月5日20時和(d)8月9日20時武漢站探空圖(圖5a中紅藍(lán)標(biāo)志：地面靜止鋒，圖5c中藍(lán)色標(biāo)志：地面冷鋒)Fig.5 (a, c) Synoptic situation and mesoscale analysis chart of NCEP final analysis data at (a) 02:00 BT 6 July, (c) 02:00 BT 10 August; (b, d) radiosonde map of Wuhan Station at (b) 20:00 BT 5 July, (d) 20:00 BT 9 August 2020(in Fig.5a， red and blue mark： ground stationary front； in Fig.5c， blue mark： ground cold front)

從熱力不穩(wěn)定條件和水汽條件來看，低空西南急流發(fā)展，暖濕平流顯著，帶來有利的能量積累以及充沛的水汽輻合，高空槽后冷平流擴(kuò)散到槽前，同低層暖濕氣流疊加，有利于熱力不穩(wěn)定層結(jié)的建立。從武漢探空圖上可以看出，7月5日20時武漢上空整層濕度條件較好，CAPE值約為1 000 J·kg-1，K指數(shù)為39℃，LCL很低，約為990 hPa，對流指數(shù)不是非常高，梅雨準(zhǔn)靜止鋒鋒面強(qiáng)迫起了關(guān)鍵觸發(fā)作用，多在范圍較大的降水回波中觸發(fā)短時強(qiáng)降水這類對流活動；8月9日20時低層為暖濕平流，中高層有弱干冷空氣侵入，CAPE值為1 800 J·kg-1，K指數(shù)為35℃，LCL約為920 hPA，跟7月5日相比，冷鋒移動速度較快，對流活動發(fā)展在鋒面南側(cè)暖區(qū)中，濕層條件沒有7月5日過程強(qiáng)，不穩(wěn)定能量較高，對流指數(shù)較高，有利于小范圍的短時強(qiáng)降水的觸發(fā)和組織，降水云團(tuán)移動更快。

2.3.3 8月20日過程——準(zhǔn)正壓類

準(zhǔn)正壓類天氣過程(8月20日個例)的高低空配置特征為(圖6)：西太平洋副高西伸北抬明顯，副高西北側(cè)有西風(fēng)帶低槽東移逼近，武漢位于低槽前部、副高西北邊緣的垂直運(yùn)動上升區(qū)，低層受熱帶低壓倒槽尾部和東風(fēng)擾動?xùn)|南氣流影響，存在一定的風(fēng)向、風(fēng)速輻合，提供了初始對流條件。從熱力條件和濕度條件來看，中低層為顯著暖區(qū)控制，風(fēng)場表現(xiàn)為一致的偏南風(fēng)氣流，能量積累顯著，水汽充沛，濕層深厚；跟前面?zhèn)€例相比，冷暖平流不明顯，大氣斜壓性較弱，近地面層的偏東風(fēng)流場強(qiáng)迫和局地的熱力差異是主要的對流觸發(fā)機(jī)制。從14時訂正的武漢探空資料來看，CAPE值高達(dá)2 540 J·kg-1，K指數(shù)為39.4℃，LCL約為950 hPa，CCL約為850 hPa，有一定的對流抑制能量(CIN)和邊界層逆溫，有利于對流能量的積聚，加劇對流活動的發(fā)展。

圖6 2020年8月20日(a)14時NCEP最終分析資料天氣形勢及中尺度分析，(b)08時武漢站探空圖Fig.6 (a) Synoptic situation and mesoscale analysis chart of NCEP final analysis data at 14:00 BT, (b) radiosonde map of Wuhan Station at 08:00 BT 20 August 2020

3 對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征和降水特點(diǎn)

諸多研究表明，短時強(qiáng)降水的發(fā)生是多種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果(楊波等，2016；易笑園等，2018)。不同環(huán)流背景下環(huán)境條件配置差異，導(dǎo)致誘發(fā)的對流風(fēng)暴的特征不同，是造成強(qiáng)降水不同分布特征的直接原因。本節(jié)將對不同天氣過程的對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征及降水特征進(jìn)行詳細(xì)分析，探討強(qiáng)降水在不同階段雨強(qiáng)差異的成因。

利用雷達(dá)組合反射率因子SWAN拼圖產(chǎn)品資料和區(qū)域站逐小時、逐5 min降水觀測資料，對4次低質(zhì)心對流風(fēng)暴的組織結(jié)構(gòu)、演變規(guī)律和降水特征進(jìn)行對比分析。根據(jù)對流風(fēng)暴成熟時期回波發(fā)展強(qiáng)度及垂直結(jié)構(gòu)特征，將其分為三類：低質(zhì)心、高質(zhì)心和混合型(曹艷察等，2020；孫繼松等，2015)。文中4次過程中前3次為低質(zhì)心型對流，最后1次是以低質(zhì)心型對流為主，伴有高質(zhì)心型(表1)。本節(jié)從對流風(fēng)暴的回波組織形態(tài)角度出發(fā)，分別對4次強(qiáng)降水過程的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征及降水特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 6月12日20—23時——尾隨層狀云類

6月12日武漢大暴雨過程的中尺度對流系統(tǒng)(MCS)呈東北—西南向線狀對流，向東北方向移動，表現(xiàn)為TS類線狀中尺度對流系統(tǒng)特征(王玨等，2019)。這類MCS層狀云降水回波尾隨在線狀對流帶之后，新單體在對流帶之前生成，即向前傳播，傳播方向與對流帶幾乎垂直(圖7a，7e,7i)。從雷達(dá)回波垂直剖面圖(圖7a,7i)可以看出，層狀云降水回波的強(qiáng)度在10～40 dBz，30 dBz強(qiáng)度的回波高度可達(dá)12～14 km；強(qiáng)回波集中在MCS的中下部，45 dBz 基本在7 km (0℃層)以下，最大反射率因子高度在2 km上下，回波質(zhì)心偏低。從降水強(qiáng)度時間序列分布來看，6月12日20—21時東西湖體育中心站雨強(qiáng)為56.6 mm·h-1，其中21：30達(dá)到15 mm·(5 min)-1的高峰，之后維持在10 mm·(5 min)-1的平均峰值近15 min。此類MCS前沿為多單體組成的線狀對流，移速較快，造成的短時強(qiáng)降水范圍小，降水強(qiáng)度多呈單峰分布。

圖7 2020年(a)6月12日20：36，(b)7月6日04:12，(c)8月10日02:24，(d)8月20日14:48風(fēng)暴成熟階段武漢雷達(dá)組合反射率因子;(e)6月12日21—23時東西湖體育中心站，(f)7月6日03—07時烏龍泉站，(g)8月10日03—05時灄口站，(h)8月20日15—17時暴雨預(yù)警中心站最大雨強(qiáng)代表站小時雨量變化及最大小時降水時段內(nèi)的分鐘雨量變化;(i～l)時間同圖7a～7d，但為風(fēng)暴成熟階段沿圖7a～7d中A-B線段所示回波垂直剖面Fig.7 (a-d) Radar composite reflectivity factor at (a) 20:36 BT 12 June, (b) 04:12 BT 6 July, (c) 02:24 BT 10 August, (d) 14:48 BT 20 August 2020; (e-h) hourly rainfall variation of maximum rainfall intensity at representative stations and minutely rainfall variation within maximum hourly precipitation period at (e) 21:00-23:00 BT 12 June at Dongxihu Sports Center Station, (f) 03:00-07:00 BT 6 July at Wulongquan Station, (g) 03:00-05:00 BT 10 August at KaiKou Station, (h) 15:00-17:00 BT 20 August at Rainstorm Warning Center in 2020; (i-l) same as those of time in Figs.7a-7d, but vertical echo profiles along line A-B in Figs.7a-7d in storm mature stage

3.2 7月6日03—08時——準(zhǔn)靜止類

7月6日武漢大暴雨是梅雨準(zhǔn)靜止鋒背景下伴隨的短時強(qiáng)降水過程(圖7b,7f,7j)。梅雨鋒鋒面雨帶在長江中游沿線長時間維持，表現(xiàn)為東西帶狀走向的大范圍穩(wěn)定性層狀云降水回波穩(wěn)定維持，大片的層狀云回波中有不斷生消的積云對流回波從武漢上空交替經(jīng)過，穩(wěn)定性降水中伴隨有突然增強(qiáng)的短時強(qiáng)降水(圖7f)。從雷達(dá)回波垂直剖面來看(圖7j)，層狀云回波強(qiáng)度在10～35 dBz，30 dBz 回波高度可達(dá)10～12 km；造成短時強(qiáng)降水的對流回波45 dBz 發(fā)展高度可達(dá)8～9 km，最大反射率因子高度在2 km上下，回波質(zhì)心偏低。7月6日03—07時的雨強(qiáng)為88.3 mm·h-1，3 h累計降水達(dá)150 mm左右。04—05時的5 min雨量時間演變序列顯示，該時段內(nèi)降水特征呈波動式變化；在04：10達(dá)到第一個峰值,為11 mm·(5 min)-1，之后呈下降趨勢，04：35 開始降水再次增強(qiáng)，在04：55達(dá)到第二個峰值,為14 mm·(5 min)-1，每一階段降水增強(qiáng)都與新生對流單體途經(jīng)武漢站點(diǎn)相對應(yīng)，途經(jīng)該站的對流單體生消交替，造成了穩(wěn)定性降水與短時強(qiáng)降水的交替迭代，這種回波特征與降水特點(diǎn)同梅雨鋒南側(cè)高能高濕的環(huán)境特征有關(guān)，與熱帶系統(tǒng)強(qiáng)降水特點(diǎn)有相似(田付友等，2017)。

3.3 8月10日01—06時——組織合并類

8月10日武漢大暴雨對流風(fēng)暴回波結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出組織合并特征(圖7c,7g,7k)。01時在江夏南部有窄帶回波形成并向偏北方向移動發(fā)展，結(jié)構(gòu)略松散，同時在武漢西部有分散性塊狀對流回波向東傳播，02時南部窄帶回波同西部塊狀回波在武漢中部合并加強(qiáng)，回波形態(tài)變得緊湊密實(shí)，之后受低層偏南風(fēng)氣流引導(dǎo)北上。從雷達(dá)回波垂直剖面來看，該過程中回波伸展高度不高，45 dBz強(qiáng)回波的發(fā)展高度在5 km以下，質(zhì)心較低。從降水時間序列來看，強(qiáng)降水發(fā)生時段出現(xiàn)在回波合并之后，回波開始合并加強(qiáng)對應(yīng)著降水量躍增，02—03時的雨強(qiáng)達(dá)74.6 mm·h-1，02：35達(dá)到第一個峰值,為17 mm·(5 min)-1，并在10 min之后再次達(dá)到峰值；回波合并后移速緩慢，維持了2個多小時才開始減弱，與此對應(yīng)，03—04時的雨強(qiáng)仍維持在50 mm·h-1左右，強(qiáng)降水過程持續(xù)約2 h。

3.4 8月20日14—17時——組織合并類

同8月10日過程類似，8月20日過程也為組織合并類對流風(fēng)暴。 14時在武漢中西部有分散的塊狀回波在向東移動，過程中快速組織發(fā)展成一條南北向窄帶回波，同時在江夏南部也有一條東西向窄帶弓形回波向北移動，其西段同南北向窄帶回波南段于14：30在武漢中南部合并加強(qiáng)成新的弓狀回波，之后在近地面層南風(fēng)急流的作用下截斷為東西兩端，東段維持高組織化的帶狀回波向東北方向移動發(fā)展，西段向西偏北方向移動中逐漸分散消亡。與8月10日過程不同的是，此次過程無論是合并前還是合并后，回波均表現(xiàn)為高度組織化的線狀對流，對流發(fā)展更為劇烈，強(qiáng)回波影響范圍和強(qiáng)度也明顯強(qiáng)于8月10日，移動速度更快。從雷達(dá)回波垂直剖面圖中可以看出(圖7l)，弓狀回波中有多個對流單體存在，層狀云降水回波的高度在10～14 km，30 dBz 回波可達(dá)10～12 km高度；對流性降水回波發(fā)展很高，50 dBz回波最高發(fā)展到7～9 km高度。強(qiáng)回波集中回波體的中上部，因此此次強(qiáng)降水過程還伴隨有地面雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)。從強(qiáng)降水時序圖可以看出，在15：05回波合并后降水強(qiáng)度達(dá)到頂峰,為14 mm·(5 min)-1，之后回波斷裂移出，降水也在20 min之后降水趨于結(jié)束，同8月10日相比，由于系統(tǒng)移動較快，降水強(qiáng)度和影響范圍更小。

同6月12日過程相比，兩次過程回波都表現(xiàn)出高度組織化的線狀對流，回波移動快速，不同的是線狀對流后方?jīng)]有大范圍的層狀云存在，究其原因，可能與不同的對流強(qiáng)迫觸發(fā)有關(guān)，6月12日過程為低層強(qiáng)西南暖濕平流強(qiáng)迫觸發(fā)，在大范圍穩(wěn)定性降水后，對應(yīng)地面降溫升壓產(chǎn)生冷池，冷池能量積累到一定程度，激發(fā)的冷出流于層狀云回波前沿同環(huán)境風(fēng)輻合抬升，在有利的高能高濕環(huán)境下，形成劇烈發(fā)展的線狀對流；而8月20日過程為準(zhǔn)正壓環(huán)境下局地的熱力強(qiáng)迫和偏東風(fēng)擾動強(qiáng)迫觸發(fā)，對流在觸發(fā)開始就非常劇烈，很快形成多個高度組織化的線狀對流。從降水時間序列來看，兩次過程降水量均呈單峰型，強(qiáng)降水影響時間短，范圍小，不同的是6月12日短時強(qiáng)降水后伴隨較長時間的層狀云穩(wěn)定性降水，而此次過程線狀回波快速過境后，降水即結(jié)束，為典型的盛夏午后熱對流活動。

4 地面中尺度特征

4.1 地面氣象要素時間變化特征

4次武漢地區(qū)短時強(qiáng)降水過程的天氣系統(tǒng)配置不同、對流風(fēng)暴回波組織不同、強(qiáng)降水時段也不同。本節(jié)對這4次過程的地面氣象要素進(jìn)行對比，分析短時強(qiáng)降水發(fā)生前、中、后期地面相關(guān)要素變化規(guī)律。

6月12日過程中，短時強(qiáng)降水時段發(fā)生在20：30—21：00(圖8a)，最大降水強(qiáng)度為15 mm·(5 min)-1，降水呈單峰型。在強(qiáng)降水發(fā)生前5～10 min，風(fēng)速開始加大，強(qiáng)降水結(jié)束前5 min風(fēng)速迅速減?。唤邓l(fā)生前溫度和露點(diǎn)溫度差值為4℃，降水開始后，溫度降低，溫度露點(diǎn)差逐漸減小最終達(dá)到一致，即濕度快速上升達(dá)到飽和；降水發(fā)生中、后期，氣壓呈波動上升狀態(tài)，形成小高壓鼻。地面氣象要素演變具有明顯的TS類線狀MCS過境特征，對流發(fā)生前，后部冷池發(fā)展溢出的冷出流前進(jìn)到回波前沿，風(fēng)速加大，同前方環(huán)境風(fēng)輻合，激發(fā)新的線狀對流，濕度增加，降水發(fā)生，同時后部冷池跟隨前進(jìn)發(fā)展，氣壓升高。

8月20日過程與6月12日過程類似，都是由線狀對流導(dǎo)致，地面要素變化有明顯弓形回波雷暴過境的特征(圖8b)，強(qiáng)降水呈單峰型，發(fā)生在15：00—15：35，最大降水強(qiáng)度為14 mm·(5 min)-1，在降水發(fā)生時，溫度露點(diǎn)差迅速減小，濕度快速達(dá)到飽和狀態(tài)，風(fēng)速明顯增大，與降水的起止時間一致，氣壓從降水開始時就呈波動上升狀態(tài)，上升到一定值后逐漸下降。同6月12日過程相比，風(fēng)速增大和氣壓升高同短時強(qiáng)降水同時發(fā)生，而6月12日過程，風(fēng)速增大和氣壓升高發(fā)生在短時強(qiáng)降水發(fā)生前，風(fēng)力加大更為顯著；這可能與此次過程為2條線狀對流組織合并發(fā)展有關(guān)，相向而行的2條帶狀回波在武漢中南部合并，輻合上升對流增強(qiáng)，同時也對合并位置處風(fēng)速的增大有一定的遏制，而6月12日過程首先是雷暴冷出流風(fēng)力加大，然后同前沿環(huán)境風(fēng)輻合觸發(fā)線狀對流，因此風(fēng)力加大早于短時強(qiáng)降水發(fā)生。

圖8 2020年4次短時強(qiáng)降水氣象要素變化(a)6月12日20—23時東西湖體育中心，(b)8月20日14—17時軟件學(xué)院，(c)7月6日03—06時梁子湖，(d)8月10日02—05時武漢三環(huán)線(雨強(qiáng)，單位：mm·h-1；T,Td,單位：℃；v,單位：m·s-1)Fig.8 Element variations of four short-time heavy precipitations in 2020(a) Dongxihu Sports Center at 20:00-23:00 BT 12 June, (b) Software College at 14:00-17:00 BT 20 August, (c) Liangzi Lake at 03:00-06:00 BT 6 July, (d) Wuhan Third Ring Road at 02:00-05:00 BT 10 August(intensity of precipitation, unit: mm·h-1; T, Td, unit: ℃; v, unit: m · s-1)

7月6日03—06時和8月10日02—05時地面氣象要素變化特征較為一致，都是斜壓鋒生類鋒面附近降水的氣象要素特征。降水均呈多鋒波動型(圖8c，8d)；在降水發(fā)生前、中、后濕度、風(fēng)速均變化不大；氣壓在降水發(fā)生后有小幅度波動性上升，形成小高壓鼻；2次降水過程中溫度露點(diǎn)差始終為0℃，濕度一致達(dá)到飽和狀態(tài)。2次過程都發(fā)生在半夜，7月6日03—06時降水發(fā)生前后溫度變化不明顯，但8月10日02—05時這次過程在降水發(fā)生前溫度就開始下降，降水發(fā)生時溫度幅度達(dá)4℃，這與2次過程不同的觸發(fā)位置有關(guān)，7月6日MCS為準(zhǔn)靜止鋒鋒面上觸發(fā)的強(qiáng)對流活動，鋒面附近氣象要素趨于穩(wěn)定，而8月10日過程為冷鋒推進(jìn)過程中后部冷空氣侵入鋒前暖區(qū)誘發(fā)強(qiáng)對流，伴隨有地面氣溫的明顯下降。

由此可見，不同的環(huán)境背景、觸發(fā)誘因和組織形態(tài)下，短時強(qiáng)降水發(fā)生前后地面氣象要素表現(xiàn)出不同的變化特征，這與蘇俐敏等(2014)、吳進(jìn)等(2018)在研究江西和北京地區(qū)短時強(qiáng)降水邊界層氣象要素變化特征時得到的結(jié)論一致。6月12日過程與8月20日過程都是高度組織化的線狀對流，具有相似的要素變化特征，濕度、風(fēng)力、氣壓明顯增加，但觸發(fā)機(jī)制不同導(dǎo)致風(fēng)力加大的時間和幅度不同；7月6日過程和7月10日過程都是斜壓鋒生類鋒面附近降水，濕度始終較為飽和，風(fēng)速、氣壓在降水前后小幅波動，但鋒面特征和對流觸發(fā)位置的不同導(dǎo)致降水溫度變化不同。

4.2 地面輻合線

大尺度天氣環(huán)流背景和環(huán)境特征為對流風(fēng)暴的形成提供有利的環(huán)境條件，MCS則是對流能否觸發(fā)的關(guān)鍵(孔凡超等，2016)。本節(jié)將圍繞地面要素(溫度、風(fēng)向、風(fēng)速)特征，分析武漢地區(qū)誘發(fā)短時強(qiáng)降水的MCS的可能觸發(fā)機(jī)制。

由圖9a可以看出，6月12日20時武漢東南部溫度較高為28℃，西側(cè)由于降水和雷暴冷池的溫度輸送作用為24℃，東西兩側(cè)溫差達(dá)到4℃。地面輻合線同溫度梯度區(qū)密集帶相對應(yīng)，其西側(cè)為西偏北的雷暴冷出流，東側(cè)為環(huán)境偏東風(fēng)。尾隨層狀云類MCS的線狀回波線在地面輻合線附近形成，后部有層狀云回波發(fā)展；由于西北部冷性氣流鍥入導(dǎo)致對流線頭部一段有混合型降水構(gòu)成的渦旋狀回波，強(qiáng)降水常發(fā)生在這個部位。這可能是因?yàn)榻孛胬淇諝膺M(jìn)入暖低壓倒槽后有利于中尺度渦旋的組織和發(fā)展，逗點(diǎn)狀的MCS與地面渦旋環(huán)流相配合，同時，回波帶處于相對暖濕區(qū)域內(nèi)，對流活躍，易產(chǎn)生強(qiáng)降水。

7月6日在準(zhǔn)靜止鋒附近有東西走向的大范圍層狀云回波，中間伴隨積云對流回波發(fā)展。02：35武漢地區(qū)東南部有地面輻合線形成(圖9b)，地面輻合線位于準(zhǔn)靜止鋒鋒區(qū)地面冷區(qū)一側(cè)，從地面溫度場來看，武漢地區(qū)處于25℃的鋒面冷區(qū)內(nèi)，其南側(cè)是28℃的鋒面暖區(qū)，輻合線東側(cè)為東偏南風(fēng)，西側(cè)為偏北風(fēng)，40 min之后，層狀云回波中出現(xiàn)東北—西南走向的強(qiáng)對流回波短帶自西向東發(fā)展、傳播；受準(zhǔn)靜止鋒和地面輻合線共同影響，層狀云回波中不斷有分散的塊狀回波或窄帶回波生消交替，使得長時間的穩(wěn)定性降水中伴隨有短時強(qiáng)降水的起伏波動，每一次降水峰值對應(yīng)新的積云對流過境。此次短時強(qiáng)降水的觸發(fā)與地面輻合線的形成有關(guān)，并且地面中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展早于對應(yīng)的MCS發(fā)生發(fā)展，對預(yù)報預(yù)警工作有重要的指導(dǎo)意義。

圖9 2020年(a)6月12日20：00，(b)7月6日02：35，(c)8月10日00：20，(d)8月20日14：25武漢及周邊地區(qū)地面自動站風(fēng)場(藍(lán)虛線：冷舌，紅虛線：暖舌,黑虛線：地面輻合線)Fig.9 Wind field of ground automatic stations in Wuhan and surrounding areas at (a) 20:00 BT 12 June, (b) 02:35 BT 6 July, (c) 00:20 BT 10 August, and (d) 14:25 BT 20 August 2020(blue dotted line: cold tongue, red dotted line: warm tongue, black dotted line: ground convergence line)

8月10日過程發(fā)生在地面鋒區(qū)暖區(qū)，從00：20地面溫度場可以看到武漢溫度為28℃(圖9c)，相對周邊明顯高出4℃，地面熱力不均導(dǎo)致局地升溫是此次地面中尺度輻合系統(tǒng)生成的主要原因(喻謙花等，2016)。對流初始階段武漢西側(cè)由于冷鋒推進(jìn)有零散對流發(fā)展東移，南側(cè)隨著暖區(qū)南風(fēng)發(fā)展有東西向窄帶回波發(fā)展北上，之后武漢中部在地面風(fēng)場上表現(xiàn)為三支氣流交匯的地面輻合線，分別為順著漢江下來的西北氣流，從湖南北部上來的西南氣流，以及從東部過來的偏東南氣流；此時，武漢南部窄帶回波逐漸轉(zhuǎn)豎并與西側(cè)向東傳播的團(tuán)狀回波相遇合并發(fā)展，同地面輻合線走向一致，地面中尺度輻合系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展觸發(fā)了中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，從而誘發(fā)了武漢中部的短時強(qiáng)降水天氣。

8月20日14時，武漢地區(qū)有兩處對流發(fā)展：一處位于武漢南部，呈向北突起的弓形線狀對流帶向北發(fā)展，另一處位于武漢西部，呈塊狀對流單體向東移動。從地面觀測來看，風(fēng)場呈現(xiàn)出“人”字型地面輻合線(圖9d)，西段為西南—東北向，位于西部塊狀對流和南部弓形對流西段之間，東段為東西向，位于南部弓狀回波東段前沿。隨著弓狀回波后部南風(fēng)以及西部塊狀回波后部北風(fēng)的發(fā)展，西段地面輻合線加強(qiáng)，西部分散性塊狀對流逐漸發(fā)展合并為南—北向帶狀對流，隨后與北上的弓形對流西段再次合并加強(qiáng)，形成新的線狀對流，造成武漢地區(qū)中部的短時強(qiáng)降水。此外，從圖中可以看出西段對流線位于溫度梯度大值區(qū)內(nèi)，冷暖交匯顯著，這種配置下容易激發(fā)高度組織化的線狀或帶狀對流。

由此可見，地面中尺度系統(tǒng)對于MCS的觸發(fā)、組織發(fā)展有重要作用，它的發(fā)生、發(fā)展和消亡相對于MCS的演變在時間上通常具有一定的提前量。因此，短時臨近預(yù)警業(yè)務(wù)中，關(guān)注地面輻合線，溫度鋒區(qū)等地面中尺度系統(tǒng)的發(fā)展演變，對于預(yù)判MCS的觸發(fā)、組織形態(tài)的演變等具有很好的指示意義。

5 結(jié)論與討論

本文利用武漢地區(qū)自動氣象站逐小時和逐5 min 降水資料、SWAN提供的長江中游雷達(dá)組合反射率因子拼圖產(chǎn)品及NCEP/FNL再分析資料，對武漢地區(qū)4次低質(zhì)心類短時強(qiáng)降水對流風(fēng)暴特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：

(1)4次過程中雨強(qiáng)≥30 mm·h-1的站點(diǎn)多分布在武漢地區(qū)中部、南部，短時強(qiáng)降水維持時長均在2～3 h，強(qiáng)降水時段多出現(xiàn)在夜間、清晨和午后。

(2)從熱力不穩(wěn)定強(qiáng)迫角度出發(fā)，4次過程的天氣形勢配置分別為暖強(qiáng)迫類、斜壓鋒生類和準(zhǔn)正壓類。不同天氣背景造成的不同對流特征，暖強(qiáng)迫背景下，環(huán)境條件高能高濕，雷暴冷池的積累有利于穩(wěn)定性降水前沿觸發(fā)TS類線狀對流MCS；斜壓鋒生背景下，冷暖氣團(tuán)交匯劇烈，大氣斜壓性強(qiáng)，地面鋒區(qū)活躍，多有中尺度氣旋波發(fā)展，鋒區(qū)冷區(qū)穩(wěn)定性降水中多伴隨短時強(qiáng)降水，暖區(qū)能量、濕度條件更好，易誘發(fā)短時強(qiáng)降水等分散性強(qiáng)對流；準(zhǔn)正壓背景下，大氣斜壓性較弱，但高能高濕的環(huán)境以及近地面層流場強(qiáng)迫和局地?zé)崃Σ町悾子|發(fā)劇烈的熱對流活動。

(3)從對流風(fēng)暴雷達(dá)回波特征和降水特征來看，4次低質(zhì)心降水過程分別為1次TS類線狀中尺度對流系統(tǒng)、1次準(zhǔn)靜止類和2次組織合并類。TS類表現(xiàn)為層狀云降水回波尾隨在線狀對流帶之后，移速較快，造成的短時強(qiáng)降水范圍小，之后多伴隨穩(wěn)定性降水；準(zhǔn)靜止類表現(xiàn)為帶狀走向的大范圍層狀云回波穩(wěn)定維持，中間伴隨有多個積云對流回波生消交替，每一階段降水增強(qiáng)都與新生對流單體途經(jīng)武漢站點(diǎn)相對應(yīng)，造成了穩(wěn)定性降水與短時強(qiáng)降水的交替迭代；組織合并類為兩處或多處分散的回波相遇合并加強(qiáng)，回波合并時常伴隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，合并后的回波形態(tài)和走向影響著降水的強(qiáng)度和持續(xù)時間。

(4)不同的環(huán)境背景、觸發(fā)誘因和組織形態(tài)下，短時強(qiáng)降水發(fā)生前后地面氣象要素表現(xiàn)出不同的變化特征。6月12日過程與8月20日過程都是高度組織化的線狀對流，具有相似的要素變化特征，濕度、風(fēng)力、氣壓明顯增加，但觸發(fā)機(jī)制不同導(dǎo)致風(fēng)力加大的時間和幅度不同；7月6日過程和7月10日過程都是斜壓鋒生類鋒面附近降水，濕度始終較為飽和，風(fēng)速、氣壓在降水前后小幅波動，但鋒面特征和對流觸發(fā)位置的不同導(dǎo)致降水溫度變化不同。

(5)地面中尺度系統(tǒng)對于MCS的觸發(fā)、組織發(fā)展有重要作用，它的發(fā)生、發(fā)展和消亡相對于MCS的演變在時間上通常具有一定的提前量，4次過程均有地面輻合線的參與，因此，在短時臨近預(yù)警業(yè)務(wù)中，關(guān)注地面輻合線，溫度鋒區(qū)等地面中尺度系統(tǒng)的發(fā)展演變，對于預(yù)判MCS的觸發(fā)、組織形態(tài)的演變等具有很好的指示意義。