天津地区一次局地大暴雨过程MCS传播发展机制

刘一玮，王 颖

（天津市气象台，天津300074）

局地暴雨是几种不同尺度天气系统相互作用的结果，其发生、发展既有大尺度环境条件的制约，又与中尺度扰动有十分密切的关系[1-3]。随着探测技术的发展，区域自动站、风廓线雷达等越来越多的探测设备进行布设，并业务应用。这不仅较大提高了对产生局地暴雨天气系统活动的监测能力，还有助于揭示暴雨的发生、发展机理[4-6]。罗王军[7]利用常规观测资料及雷达资料，分析弱垂直风切变条件下的暴雨过程，降水集中在回波开始合并增强的2 h内；通过分析雷达回波强度、移速、生命期等特征，得到不同类型强降水的预警方法[8]；陈永仁等[9]研究发现，短时强降雨通常由MCS中的深对流造成，水平尺度多为中尺度或更小的中尺度系统，具有云顶亮温低、雷达反射率因子大和垂直累积液态水含量高等特点。因此中小尺度对流云团的TBB强度及变幅，可提前1～2 h预报短时强降水[10]。加密自动站资料显示地面中尺度辐合系统与雨团的发生发展关系十分密切，且具有一定的预示作用[11]。大暴雨的分布与地面辐合线的走向基本一致，并随其移动而移动[12]。

天津作为沿海大城市，受地形地貌特征的影响，出现局地强降水的的频次较高，前期许多专家及预报员对此做了大量的分析研究。王彦等[13-14]应用多普勒雷达并结合多种探测资料，分析了渤海湾海风锋的天气气候特征及对局地暴雨天气触发和形成作用。卢焕珍等[15]、王颖等[16]分别从个例分析及统计的角度，得到不同影响系统的天津局地暴雨过程的物理参数特征，并给出预报重点。目前在业务工作中天津局地暴雨的短期预报还有一定难度，漏报率较高，更多地依靠短临订正。随着观测业务的发展，越来越多的高时空分辨率的观测资料在天津使用，但如何综合应用数据，在短临预报预警中发挥作用还有薄弱之处。因此本文对2017年8月8日夜间一次局地暴雨漏报的天气过程进行分析，着重利用加密探测资料剖析天气系统发展传播特征，尝试找到探测资料在局地大暴雨预报中的综合应用着眼点，为短时临近强降水预报拓宽思路。

1 降水过程概述

2017年8月8 日夜间天津地区出现暴雨局部大暴雨天气，过程具有对流性强、降水时段集中、局地短时雨强大等特征。24 h全市平均降水量为36.6 mm，最大降水量为130.1 mm；全市雨量站中，6站出现大暴雨，占2.1%，70站出现暴雨，占24.4%；强降水集中出现在9日00—05时（北京时，下同），最大小时雨强79.6 mm/h；并伴有6～7级的雷暴大风。由于此次降水过程出现在夜间，且短时间雨量迅猛，受到城市地表排水能力的限制，城市主干道低洼路段严重积水，对早高峰交通产生较大影响。

2 环流形势及环境参数分析

此次过程受冷涡低槽系统影响（图1），8日20时冷涡位于黑龙江北部，500 hPa短波槽位于河套东北部，天津受偏西气流控制。700 hPa和850 hPa在河套东北部存在风切变，形成前倾结构，有利于强对流发生。同时850 hPa在京津交界处存在另一弱切变，配合地面低压、辐合抬升有利于天津地区出现降水。由于天津本地没有探空资料，根据临近北京探空得到的环境参数（表1）显示，8—14时对流有效位能CAPE由 1492 J/kg增大到 2369 J/kg，850 hPa与500 hPa之间的温差（T850-T500）增加了6℃，对流抑制能量CIN下降为0 J/kg，环境大气的不稳定度增大；850 hPa的比湿Q也明显增大，为11.04 g/kg，这说明中低层的水汽得到积累。有利的环流配置和温湿条件预示天津地区将出现强对流天气。

图1 8月8日20时，500 hPa高度场（等值线，单位：dagpm），700 hPa相对湿度（阴影，单位：%）及 850 hPa风场（单位：m/s）

表1 8月8日08时、14时物理量参数

3 中尺度对流系统发展演变

3.1中尺度雨团特征

根据前人研究结果[10]，定义连续2 h有2站或以上降水量＞25 mm/h、空间尺度不超过200 km的雨团为中尺度雨团。通过逐小时降水量的演变特征，发现影响天津地区的降水分为两个阶段，分别为A、B两个中尺度雨团（图2）。A雨团自8日23时—9日02时持续了4 h，雨强相对较大，4 h最大降水量达100.8 mm，最大雨强79.6 mm/h，为天津中北部大暴雨及暴雨区的主要贡献者；B雨团自9日02—04时持续3 h，雨强相对较小，为34 mm/h，3 h最大降水量50.8 mm，B雨团位置相对稳定，维持在天津中南部地区，是中部、南部暴雨的主要贡献者。

3.2 卫星云图特征

3.2.1 红外云图特征

对FY-2G红外卫星云图及黑体辐射亮温（TBB）分析发现，8日14时在河套地区，500 hPa高空槽前部有多个水平尺度不足50 km的中尺度对流云团发展。随着高空槽的东移，云团的尺度逐渐增大，并于20时合并成东北—西南向云带，对流云带东移过程中不断有小块对流云合并，发展强烈，23时开始影响天津北部、中部地区，产生了第一个阶段的强降水即雨团A（图3）。同时在河北西南部又有新的对流云团触发，云体迅速发展向东北方向移动，之后两云团合并加强，最终造成了南部、中部的降水（雨团B）。

3.2.2TBB变化特征

22时天津地区上空TBB为268～286 K，随着云团的东移南压，天津上空TBB迅速下降至232～250K，1 h后天津的降水达到顶峰，多个自动站出现了雨强50 mm/h以上的降水，且强降水多发生在TBB低值中心偏向温度梯度最大的区域。第二阶段的降水TBB也有类似特征。02时天津西南部降水未开始前，TBB为250～268 K，03时降水发生后TBB下降到232～250 K，在TBB低值中心偏向温度梯度最大的区域出现了雨强30 mm以上的降水出现，最大34 mm/h。

由此可见，TBB的迅速降低或梯度增大对强降水的出现有很好的指示意义。当MCS发展成熟时，强降水发生在中尺度对流云团TBB低值中心偏向温度梯度最大的区域；MCS合并时期，TBB迅速下降，降水随之增强，当TBB值1 h下降31 K以上时，1 h后易产生50 mm/h以上的强降水，与段鹤等[8]的研究结论类似，可作为短时强降水的监测预警的重要指标。

图2 8月8日23时—9日04时降水落区

图3 8月8日22时—9日01时红外云图

3.3 雷达特征分析

8日20时，1.5°仰角上，在天津雷达的西北部150 km距离圈之外有多个小块对流单体回波，回波向东南方向移动，合并增强为东北—西南向的带状回波，A雨团逐渐形成。23时强回波带开始影响天津，回波反射率因子达到50～60 dBZ。00时带状回波分裂为南北两端，并分别在其前沿，激发出阵风锋，1.5°仰角径向速度图上存在26 m/s的径向速度大值区，造成天津中北部地区6～7级的雷雨大风。01时后北段回波结构松散，强度逐渐减弱，南段弓形回波强度维持，缓慢向东南方向移动。同时在河北西南部有对流单体生成，向东北方向移动，回波强度维持在40～55 dBZ。01—03时河北西南部新生的单体，依次经过天津中南部（图4b～4d红框内），形成“列车效应”，3 h降水达到20～25 mm。这一时间段内A雨团减弱消失，B雨团造成天津中南部地区暴雨。04时之后回波强度逐渐减弱，雨强明显减弱。06时回波消散，天津地区降水结束。

对两个时刻的雷达回波反射率因子作剖面（图4e）并对比分析可知，A雨团时期为高质心降水回波，存在明显的回波悬垂结构，低层存在弱回波区，40 dBZ强回波伸展高度达11 km，雷暴云垂直发展旺盛，对流性强。B雨团时期则为低质心降水回波带状回波（40～55 dBZ），回波强度均匀，无强回波悬垂，40 dBZ强回波伸展高度接近7 km。

天津北辰国家观测站24 h降水量达129.6 mm，由经过观测站上空的反射率因子时序图（图4f）可看出，北辰站的大暴雨为高质心降水和低质心降水共同造成的。00时前后云顶猛增，回波强度增加，最大强度在60 dBZ，回波顶高达14 km，10 min雨强达到23.1 mm，强回波影响时间约为30 min，带来77.7 mm/h的强降水，此为高质心降水。00：30后回波强度减弱到40～45 dBZ，回波顶高下降到8～10km，持续时间相对较长，超过60 min，最大小时雨强为23 mm/h。此外从时序图也可以看出，有回波不断经过该地，维持5 h，产生了大暴雨天气。

3.4 风廓线雷达特征

风廓线雷达的时间分辨率一般为6 min，空间高度分辨率一般为几十米到100 m左右，这是其他探测手段很难达到的高时空分辨率。这种探测优势和资料特点对天气发生发展机理的认识、精细化天气预报质量的提高产生明显效果[17-20]。风廓线雷达资料是除探空资料之外高空风资料最直接的来源，可以弥补高空探测网时空密度上的不足，是加强对灾害性天气监测能力的重要手段。使用多部风廓线雷达形成组网资料，能够反映降水发生前后的风场信息，揭示中小尺度天气系统的结构特征。由于降水回波的移动方向主要是由平流和传播影响，因此应用北京、天津地区风廓线雷达组网资料得到高时空分辨率的形势场演变情况，来分析引导风对回波移动的影响。

风廓线组网资料来自中国气象局下发产品，为逐6 min等高面数据，与多普勒雷达资料同步。本文使用等高面风廓线组网资料与同时刻反射率因子进行分析，说明环境风场对降水回波的作用（图5表示5.5 km的风廓线组网资料与雷达反射率因子叠加情况）。8月8日14时天津地区700 hPa以上为西北气流控制（图5），低层925 hPa天津中部存在东南风与西南风的切变，上冷下暖的形势增加了大气不稳定度，低层辐合产生上升运动，天气形势有利于在天津地区出现强对流天气。此时北京地区生成的回波在西北气流的引导下向东南方向移动，有利的动力、热力条件使回波在移动过程中不断加强，至23时回波影响天津时，对流单体已经合并发展成为一条带状回波。23时后中高层西北气流逐渐转为西南气流，850 hPa西南风增强。高空风的变化预示着未来回波受引导风作用，移动方向将发生改变；低层西南风加强，水汽输送随之增强。带状回波开始转变为西南—东北向移动，强回波在天津中北部稳定少动，造成了中北部的强降水。00—02时中高层维持西南风，850 hPa天津中部形成人字形切变，低空辐合加强，此时不仅有西南气流补充水汽，东南气流也可以将海上的水汽带到陆地。02时河北西南部新生的回波单体受西南风的引导，进入天津中南部地区向东北方向移动，不同来源的回波在天津中南部相遇，形成列车效应。受低层抬升和充足水汽的影响，小时雨强超过20 mm/h的降水维持较长时间。06时之后高、低空均转为西北气流，高空槽逐渐移出天津，降水结束。

对比两个阶段的降水，第一阶段为上冷下暖的高低空配置，因此降水具有明显的对流性特征，即降水强度大。而第二阶段的降水出现在整层西南气流中，有暖云降水的特性，降水平稳且维持时间长。由于受不同方向引导气流的影响，使得回波的移动方向不同，且回波的形态特征也有明显差异。

3.5 地面场特征

此次天气过程的降水分布并不均匀，比较大的降水出现在天津的中部、南部地区，利用降水前后加密自动站资料的分布特征说明差异原因及对降水的指示意义。

图6为地面气温场及露点、温度与风场分布情况。降水开始前，受暖气团影响，8日天津地区温度较高，最高气温达35～37℃，近地层存在西南气流和东南气流，气流在天津中部交汇，而两股气流交汇处不仅可以产生辐合上升运动，并且把内陆和渤海上的水汽输送至天津，并在中部地区辐合。16时后随着水汽的积累露点温度升高，而气温缓慢下降，温度露点差以1℃/h的速率下降。由于东南气流的加强，整个辐合区也逐渐向东北方向移动，湿度进一步增加，至9日02时天津中南部地区为显著湿区（露点温度＞25℃[21]，温度露点差＜4℃）。由于地面中尺度辐合线附近存在明显水汽辐合，导致回波进入天津后强度增强，中南部地区出现强降水。02时后露点温度快速下降，降水回波开始减弱。06时地面转为辐散场，露点温度下降到20℃以下，降水结束。

图4 8 月 9 日 00：12（a）、01 时（b）、02 时（c）、02：30（d）反射率因子及剖面图（a、d）及 8 月 8 日 23：30—8月9日06时经过北辰站反射率随时间变化特征（e）、组合反射率（折线）、回波顶高（阴影）随时间变化（f横坐标时间为世界时，单位：dBZ）

图7为降水发生后1 h变压和1 h变温与其后1 h降水的分布情况。8日23时—9日04时两个阶段降水过程中变温及变压梯度区均与降水有较好的对应。受降水蒸发作用的影响，配合中低层冷空气渗透，地面出现5～7℃负变温和2.0～2.5 hPa的正变压，形成中尺度冷性高压。高压前侧的冷性水平出流与东南气流形成的辐合，即变压及变温梯度区，有利于降水系统发展加强。同时由于变压梯度的存在，产生变压梯度力，负变压中心区产生变压风辐合，进一步引发上升运动，也有利于在变压前侧产生强降水，而强的变压梯度也是产生地面大风的原因之一。前期天气总结中也有类似结论，即天津地区强降水发生在东到东南风的地面辐合线与高露点的区域，地面小时变压为2.0～2.5 hPa，变温平均为4℃，最高为9℃。由此可见，降水过程中变压、变温等因素影响降水系统的发展、移动、增强，对判断局地暴雨演变的环境条件有一定指示性。

图5 8月8日14时（a）、23时（b）、9日02时（c）、07时（d）风廓线组网风场（单位：m/s）与雷达CAPPI（单位：dBZ）

4 结论与讨论

利用常规观测资料、加密自动站资料、卫星云图、雷达、风廓线组网资料对2017年8月8日夜间天津地区暴雨天气进行分析，得到以下结论：

（1）此次影响天津地区的A、B两个中尺度雨团具有显著不同的特征。A雨团为带状回波产生，自西北向东南方向移动，质心高，组织性强，存在悬垂结构，雨强较大，达77.7 mm/h。B雨团回波自西南向东北方向移动，具有后向传播的特征，存在列车效应，回波为低质心带状降水回波（40～45 dBZ），回波强度均匀，最大雨强仅为23 mm/h。

（2）降水过程中两个云团先后影响天津，第一阶段TBB更低，小时变率更大。TBB数值大小的迅速降低或梯度的增大，对强降水的出现有较好的指示意义。当MCS发展成熟时，强降水发生在中尺度对流云团TBB低值中心偏向温度梯度最大的区域，当TBB值1 h下降31℃以上时，1 h后易产生50 mm/h以上的强降水。

（3）风廓线组网资料分析两个阶段降水的中尺度特征时显示，第一阶段为上冷下暖的高低空配置，而第二阶段的降水出现在整层西南气流中。高空引导风的不同，导致回波的移动和回波形态特征的显著差异。

图6 8月 8日 16时（a）和 23时气温（b，单位：℃）及地面风场（c、d，流线，单位：m/s）、露点（c、d，阴影，单位：℃）分布

图7 8月 8日 23时小时变压（a，单位：Pa）、变温（b，单位：℃）与其后 1 h降水（单位：mm）叠加

本文的分析方法尚有一定的局限性，暴雨天气的形成是一个复杂的物理过程，受天气系统和环境大气的温、压、风、湿等基本要素的影响。而当强降水发生时，又会剧烈地改变周边大气基本要素的水平梯度和垂直梯度，形成与环境大气的相互作用，进而影响强降水系统的生消、维持或移动。本文仅用一个个例进行分析，结合前期的工作得到一些有意义的结论，未来如何让高时空分辨率的探测资料在预报预警工作中发挥更大的作用，需做进一步研究。