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  暴雨灾害   2019, Vol. 38 Issue (6): 640-648.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2019.06.009

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2019.06.009

资助项目

政府间国际科技创新合作重点专项(2016YFE0109400);湖北省防雷中心自立课题(FL-Y-2015006, FL-Y-2016008)

第一作者

余蓉, 主要从事雷电防护与预警应用研究。E-mail:hi_yurong@163.com.

通信作者

杜牧云, 主要从事双线偏振雷达应用研究。E-mail:Dumy1987@163.com.

文章历史

收稿日期:2018-07-24
定稿日期:2019-06-24
锋面短时强降水系统发展模态的环境因子浅析
余蓉1 , 杜牧云2 , 顾永刚3     
1. 湖北省防雷中心 武汉, 430074;
2. 中国气象局武汉暴雨研究所 暴雨监测预警湖北省重点实验室 武汉, 430205;
3. 中国气象局气象干部培训学院湖北分院 武汉, 430074
摘要:利用探空和地面加密自动站逐小时观测资料,对2010—2011年汛期发生在锋面上的四次具有不同发展模态的短时强降水过程的降水系统环境场特征进行了分析。结果表明:对于产生短时强降水的中尺度对流系统(MCS),地面假相当位温(θse)等值线密集区和地面切变线的分布形态及运动是影响其系统模态发展和移动方向的关键因素,且对流单体的新生还与地面辐合区密切相关。纬向型MCS的θse等值线密集区呈纬向分布;经向型MCS的θse等值线密集区呈经向分布;转向型MCS的θse等值线密集区则由经向转为纬向分布。不同发展模态MCS的强降水持续时间与地面θse高值区的持续时间关系密切。
关键词短时强降水    中尺度对流系统    假相当位温    发展模态    
Analysis of environmental characteristics affecting the evolution pattern of the frontal short-time heavy rainfall system
YU Rong1 , DU Muyun2 , GU Yonggang3     
1. Hubei Lightning Protection Center, Wuhan 430074;
2. Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430205;
3. Hubei Branch of China Meteorological Administation Training Centre, Wuhan 430074
Abstract: Using sounding and hourly data at ground automatic weather stations, the environmental field characteristics of four frontal short-time heavy rainfall events with different evolution patterns occurred in the prevailing period of Meiyu front in eastern China from 2010 to 2011 are analyzed. The results show that the evolution pattern and moving direction of MCSs are closely related to the distribution and motion of the dense isoline region of ground pseudo-equivalent temperature, and the formation of convective cells is relative to the ground convergence region. The dense isoline region of pseudo-equivalent potential temperature in the zonal, meridional and turning pattern of MCSs is in zonal, meridional and turning (from zonal to meridional) distribution, respectively. Moreover, the high value area of ground pseudo-equivalent temperature has a close relationship with the duration of heavy rainfall in different evolution patterns of MCSs.
Key words: short-time heavy rainfall    MCS    pseudo-equivalent potential temperature    evolution pattern    
引言

锋面上的短时强降水具有突发性强、强度大且降水时间集中的特点,常造成城市积涝、库塘漫堤、农田被毁、山体滑坡等气象衍生灾害,严重影响城市运行和社会生活,甚至威胁生命财产安全。因此,锋面上的短时强降水一直以来都是国内外研究的重点。许多气象学者采用诊断分析(杨波等,2016沈澄等,2016; 孙淑芳等,2018)和数值模拟(鲁蓉等,2018赵玉春等,2011)等方法对不同区域锋面短时强降水的形成机理和预警方法(牛淑贞等,2016陈元昭等,2016王芬等,2017)做了大量的研究工作,并取得了较多的研究成果。随着大气探测手段的不断丰富和完善,利用高时空分辨率的中尺度观测资料,特别是雷达观测资料对引发短时强降水的中尺度对流系统(MCS)组织形态分析研究也日益增多,诸多研究(Parker and Johnson, 20002004Schumacher and Johnson, 20052006王晓芳,2012王晓芳和崔春光,2012张小玲等,2014)表明,对MCSs组织形态分类认识对提高短时强降水的临近预报准确率具有重要意义。

目前,对中尺度对流系统(MCS)的组织形态认识已从早期的静态分类(Parker and Johnson, 20002004)发展到动态分类(Schumacher and Johnson, 2005王晓芳和崔春光,2012张小玲等,2014),由于影响机制较复杂,对其成因分析相对较少。Parker和Johnson (2000)将美国中部的线状对流系统分成尾随层状云(TS)降水、平行层状云(PS)降水和前导层状云(LS)降水三种线状MCSs模式,指出不同的环境场特征造成了线状MCSs的不同组织形态,并影响其生命史和降水分布,其TS结构具有更高的能量及可降水量,但其对流凝结高度(CCL)和抬升凝结高度(LCL)更低,因此TS结构的生命史比LS和PS长。随后他们进一步分析了准二维MCS的动力和结构特征,揭示了准二维MCS的三种流场结构,认为低层切变很重要,而中高层的切变提供更多的加速度(Parker and Johnson, 2004)。Schumacher和Johnson(2005)则主要从锋、出流边界、低空急流和水汽辐合方面解释了中尺度对流系统的组成,在分析了地面与850 hPa相当位温和风场的关系后指出,邻接层状单向发展(TL/AS)型MCS地面相当位温呈由南向北的密集梯度结构,后侧新生(BB)型MCS降水区域内的温度梯度比TL/AS型更密集。

上述工作主要是针对国外不同组织形态MCS的环境场特征进行的,目前国内开展的类似研究并不多。常煜等(2018)利用常规观测资料和卫星TBB资料分析内蒙古夏季典型短时强降水中尺度特征后指出,中气旋、中低压、中小尺度气旋式辐合风场和切变线是诱发MCS的重要因素,其中,地面温度锋区是触发MCS发生发展的关键因素。王晓芳(2012)将各种观测资料和NCEP逐日再分析资料进行合成并分析了不同类型线状MCS的环境特征,表明长江中下游地区梅雨期线状MCS的环境风相对对流线分量的垂直分布是决定线状MCS组织模型的重要因子,这也表明高温高湿环境是各类线状MCS发展环境的共同特征。虽然在不同地区会产生具有相似组织形态的MCS,但其环境场影响因子却存在显著差异。由于MCS在对流天气系统发生发展过程中,其组织形态不断变化,张小玲等(2014)根据MCS在强降水发生发展过程中的主要演变特征,将与锋面相伴的短时强降水系统按雷达回波形态演变分成四类,即:纬向型、经向型、转向型和合并型,并对不同类型MCS的移动、传播、结构及其导致的强降水的强度和持续时间进行统计分析,但尚未分析影响其形态演变的环境因子。本文以上述研究成果为基础,选取了分别代表纬向型、经向型、转向型和合并型的四个短时强降水过程,对四类不同发展模态中尺度对流系统的动力和热力场进行个例诊断分析,以获得到影响锋面短时强降水系统发展模态的主要环境因子,为锋面短时强降水的短时预报提供一定参考。

1 资料与方法

锋面上引发短时强降水的MCS通常具有纬向型、经向型、转向型和合并型四类演变过程(图 1张小玲等,2014)。本文选取了对应四类发展模态的MCS典型个例(表 1),并以此来分析其各自的环境场特征。其中,典型个例的雷达组合反射率因子如图 2所示。使用全国逐小时降水资料和每日两次(08:00和20:00,北京时,下同)的高空常规观测资料,分析各种发展模态短时强降水系统的大尺度环境场特征;使用地面加密自动站逐小时观测资料,分析各发展模态强降水系统与中尺度环境场之间的关系;使用单站的雷达组合反射率因子,追踪对流系统的发生发展过程。上述所用资料均由国家气象信息中心提供。

图 1 锋面上引发短时强降水MCS的四类演变过程示意图(张小玲等,2014) Fig. 1 Schematic reflectivity chart of idealized life cycles for the four types of frontal short-time heavy rainfall-producing MCSs (Zhang et al., 2014).

表 1 四次短时强降水过程典型个例概况 Table 1 Overview of typical examples of four short-term heavy precipitation events.

图 2 锋面上引发短时强降水MCS典型个例的雷达组合反射率因子(单位:dBz): 2010年6月19日23:10 (纬向型) (a),2010年7月1日16:02 (经向型) (b),2010年6月1日03:20 (转向型) (c),2011年7月8日14:21 (合并型) (d) Fig. 2 Radar composite reflectivity (unit: dBz) of typical cases of frontal short-time heavy rainfall-producing MCSs at (a) 23:10 BT on 19 June 2010 (zonal type), (b) 16:02 BT 1 July 2010 (meridional type), (c) 03:20 BT 1 Jun 2010 (turning type) and (d) 14:21 BT 8 August 2011 (combined type).

假相当位温(θse)是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量,其反映了大气能量的分布,是一个综合反映湿度和温度的物理量。θse高值区既是高温高湿区也是高能区,θse场中的等值线密集区则代表能量锋区。郑永光等(2007)利用θse的分布决定梅雨锋的位置;常煜等(2018)认为地面温度锋区是触发MCS发生发展的关键因素;柳俊杰等(2003)对1999年一次典型梅雨锋锋面结构进行分析指出,θse场主要体现的是梅雨区的深厚对流。由此可见,可利用θse场分析锋面不同发展模态降水系统的环境场特征。因此,本文重点利用地面θse场分析锋面上不同回波演变模态中尺度对流系统的环境场特征。

2 短时强降水系统的环境场特征分析 2.1 纬向型发展模态短时强降水系统

纬向型发展模态MCS对流线一般呈东西向分布,层状云常位于对流线的北部(图 1图 2a);系统具有移动相对较慢,生命史长的特点(张小玲等,2014)。2010年6月19日在贵州东南部至广西中北部发生的短时强降水过程即为典型的纬向型MCS。

2010年6月19日16:00,有中尺度对流系统在贵州南部生成,该系统生命史长达20 h,其中,降水率超过30 mm·h-1和50 mm·h-1的持续时间分别达18 h和8 h。此次降水过程先后影响贵州南部和广西全省。由19日20:00 (图 3a)和20日08:00 (图 3b)的天气形势可知,该MCS发生在500 hPa西太平洋副热带高压(以下简称副高)588 dagpm线外围及贵州东部低压槽的槽前正涡度平流区,副高位置稳定,随着500 hPa短波槽东移,引导槽后冷空气南下,588 dagpm线略有南压,850 hPa切变线的南部有大于16 m·s-1的西南低空急流发展,强降水出现在低层850 hPa冷式切变线尾部,即两高之间的低值区,有利于大气层结不稳定的形成和加强,地面由气旋波(19日20:00)转为冷锋(20日08:00) (图 3ab)。综上分析可知,500 hPa槽线东移带动槽后冷空气南下、850 hPa切变线移动缓慢、急流长时间维持以及地面锋面有利于对流系统的形成。

图 3 2010年6月19日20:00 (a)与20日08:00 (b)天气形势图(红色双实线为850 hPa风场与切变; 棕色实线为500 hPa槽线; 细蓝色实线为500 hPa等高线; 粗蓝色实线为588 dagpm线; 绿色阴影为短时强降水区, 下同) Fig. 3 The synoptic condition at (a) 20:00 BT 19 and (b) 08:00 BT 20 June 2010 (The red double solid line indicates 850 hPa wind field and shear, the brown solid line indicates 500 hPa trough line, the thin blue solid line indicates 500 hPa contour line, the thick blue solid line indicates 588 dagpm line, and the green shade indicates short-time heavy rainfall area, the same hereafter).

分析探空可知,在19日20:00 (图 4a),从地面至500 hPa高度层的水汽较为充沛,而500 hPa以上则相对较干;与此同时,近地层至500 hPa风随高度顺时针转变,即存在暖平流,500 hPa以上风向转换较少,综合水汽和热力条件表现为上干下暖湿;且此时对流有效位能(CAPE)达3 466 J·kg-1,即大气积累了显著的不稳定能量;低层风垂直切变明显;另外,从急流的分布可知,此时中层存在西风急流,高层无急流。

图 4 2010年6月19日20:00河池站(a)、7月1日08:00郑州站(b)、6月1日08:00百色站(c)和2011年7月8日08:00杭州站(d)的T-lnp Fig. 4 T-lnp chart at (a) Hechi sounding station at 20:00 BT 19 June 2010, (b) Zhengzhou sounding station at 08:00 BT 1 July 2010, (c) Baise sounding station at 08:00 BT 1 June 2010, and (d) at Hangzhou sounding station at 08:00 BT 8 July 2011.

图 5为地面假相当位温θse、风场和散度场的合成图,分析可知,θse等值线密集区随时间主要呈东西取向分布。在19日20:00 (图 5a),25.4°—25.8°N出现呈东西走向的θse等直线密集带;强降水系统在地面风向切变、θse等值线密集区形成东西走向的对流线,并在河池北部、贵州和广西交界处产生了降水率在30 mm·h-1以上的短时强降水(图略);对流线西部的地面辐合区域内不断有新单体生成,并向东南方向移动,在与西伸的对流线合并后一起向南运动。到20日00:00 (图 5b),偏南气流带来的暖湿气流使24.4°N以南成为暖湿区,并出现高能舌;与此同时,偏北气流不断把冷空气输送到24.4°N以北,形成一个冷舌;从而构成了南暖北冷的热力结构。热力梯度值大和地面风场辐合区,对流线西侧及系统南侧不断触发出新的对流单体;随着系统的逐渐加强,对流线北侧的冷区开始出现层状云,即对应雷达图上的层状云回波(图略),而在θse梯度大值区、伴有风向切变的辐合区产生了此次降水过程的局部最强降水,降水率达84 mm·h-1(图 5b,黑色方框所示)。

图 5 2010年6月19日20:00 (a)与20日00:00 (b)地面假相当位温θse、风场和散度场的合成图(阴影表示散度场, 单位: 10-5 s-1; 标杆表示风场; 实线表示θse, 单位: K; 黑色椭圆形为对流线位置; 三角形为新单体出现的位置; 黑色箭头为系统移动方向; 黑色虚线为地面切变线; 黑色方框为最强降水率位置, 下同) Fig. 5 Composite image by ground pseudo-equivalent potential temperature (θse), wind field and divergence field at (a) 20:00 BT 19 and (b) 00:00 BT 20 June 2010. The shadow indicates divergence field (unit: 10-5s-1). The wind shaft indicates wind field (unit: 4 m·s-1). The solid line indicates pseudo-equivalent potential temperature (unit: K). The black elliptic indicates location of the convective line. The triangle indicates location of the new convective cell. The black arrow indicates direction of movement for MCS. The black dotted line indicates ground shear line. The black box indicates location of the maximum rainfall rate.

综上可知,在强降水发生前期,能量不断积累,θse逐渐上升并达到最大值,伴随降水的发生,能量逐步得到释放,θse也开始下降。随着冷空气的不断南移,冷暖空气交汇区随之南移,造成系统的整体向南运动。总体而言,此次降水过程的地面θse整体偏高,且高值的维持时间长、梯度大,从而对应的降水强度强、持续时间也长。地面切变对降水有一定的指示作用,即强降水发生在冷舌和暖湿舌交汇的θse等值线分布密集且辐合明显的区域。

2.2 经向型发展模态短时强降水系统

经向型发展模态MCS对流线随系统发展一般呈南北向分布,水平尺度一般在100 km左右,层状云通常出现在对流线的西北部或北部,有时则没有层状云伴随(图 1图 2b)。此类系统移速快,生命史和产生的强降水持续时间均比其他两类MCS短(张小玲等,2014)。2010年7月1日在郑州中南部出现的降水过程即为典型的由经向型MCS引发的短时强降水过程。

2010年7月1日中午,在河南中东部产生了短时强降水,降水率在30 mm·h-1和50 mm·h-1以上的持续时间分别为2 h和1 h。整个降水过程的中尺度系统处在西风带中,呈南北纵向分布,并向东移动,生命史约为9 h。在强降水发生阶段,即7月1日08:00—20:00 (图 6a6b),500 hPa副高588 dagpm特征线位于湖北西北部至河南东南部,副高位置有一个西伸北抬加强的过程,此时受副高阻挡作用,陕西至四川盆地有低槽东移缓慢,河南处于槽前正涡度平流区,有利于低层低值辐合系统的发展。850 hPa冷式切变线位于河南中部并缓慢东移,切变线东部有大于12 m·s-1的西南低空急流,为强降水提供充足的水汽,切变线西侧的干冷空气与副高外围的暖湿气流在河南中部交汇。地面锋面相对稳定少动,强降水则主要发生在锋前的暖区中。在高低空系统的共同影响下,18:00在河南东部,副高584 dagpm与588 dagpm线之间,850 hPa切变线附近生了降水率为65 mm·h-1的强降水(图 6b)。

图 6图 3,但为2010年7月1日08:00 (a)和20:00 (b)天气形势图 Fig. 6 Same as Fig. 3, but for (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT on 1 July 2010.

分析探空(图 4b)可知,从地面至400 hPa以偏西风为主,风向变化较少,风速随高度明显增大;近地层至300 hPa温度露点差较小,表现为中低层水汽较为充沛;对流有效位能为1 314 J·kg-1。水汽和不稳定条件均有利于强降水的发生和加强。另外,700—500 hPa的环境风为偏西风,500 hPa急流在系统的东侧,新生单体以前向传播为主,从而导致系统东移速度快,新生单体与母体脱离,系统很快消亡。

经向型发展模态系统的θse梯度大值区随时间一般呈南北向分布,其对流线东侧的辐合强度比纬向型和经向转纬向型均要大(图 7ab)。在15:00,低层西北风带来的冷空气在郑州西部形成冷舌,偏南风带来的暖湿空气在河南东部形成暖湿舌,从而整体上形成了东暖西冷的热力结构;切变线位于113.7°E附近,与辐合带在此区域汇合;对流单体在地面风向切变、θse梯度大值区合并发展成南北分布的对流线,并随能量锋区逐渐东移;其热力梯度值高和地面风向辐合区,对流线东侧和西南侧皆有新单体不断生成(图 7a)。随着MCS出流所形成的冷池进一步东移,其对应的冷舌也逐步东移,2 h后在114.5°—115°E区域内,θse梯度达到最大,辐合显著,热力结构也最为明显;此时在对流线北部,伴有风向切变的辐合区内,产生了本次过程的最强降水率(图 7b)。不过此降水过程持续时间并不长,约1 h后,系统开始迅速消散。

图 7图 5,但为2010年7月1日15:00 (a)和17:00 (b)地面假相当位温θse、风场和散度场的合成图 Fig. 7 Same as Fig. 5, but for (a) 15:00 BT and (b) 17:00 BT on 1 July 2010.

综上可知,随着冷池的不断东移,冷暖空气交汇处呈经向分布并随之东移,系统对流线也随之呈现出南北取向结构并向东运动。此次降水过程地面θse较高、梯度较大,但高值的维持时间短,因此其降水强度整体较强但持续时间较短。强降水发生在冷舌和暖湿舌交汇、θse等值线密集且辐合明显的区域。

2.3 转向型发展模态短时强降水系统

转向型发展模态MCS在初生阶段,系统对流线一般呈经向型(纬向型)分布,随系统发展至成熟阶段系统转变为纬向型(经向型)分布(图 1图 2c);这类系统移动速度较纬向型快,但生命史比纬向型短(张小玲等,2014)。2010年5月31日—6月1日发生在广西中北部的短时强降水过程即为此类转向型系统引发的。

2010年5月31日—6月1日,在广西西北部产生了极端强降水,此次过程强降水维持时间较长,其中降水率在30 mm·h-1和50 mm·h-1以上的持续时间分别为17 h和11 h。强降水发生前,系统处于东风气流中,中低空有明显的偏东急流存在(图 8a)。副高位置稳定,随着地面冷锋不断南压,850 hPa切变线向东移入系统,低层系统加强。6月1日08:00 (图 8b),冷锋缓慢南压进入广西北部;而850 hPa暖式切变线稳定维持在广西北部地区,切变线两侧的风速逐渐增大,有利于低层辐合上升运动的加强,尤其是切变线南侧的西南气流显著增强,最大风速达14 m·s-1,这也为降水的后续发展提供了较为充足的水汽。在锋面抬升和低层辐合系统增强的共同作用下,在584 dagpm与588 dagpm线之间,地面低压中心附近产生了极端降水事件。

图 8图 3,但为2010年5月31日20:00 (a)和6月1日08:00 (b)天气形势图 Fig. 8 Same as Fig. 3, but for (a) 20:00 BT 31 May and (b) 08:00 BT on 1 June 2010.

分析6月1日08:00的探空(图 4c)可知,近地层至500 hPa温度露点差较小,对应低层水汽条件较好,500 hPa以上相对较干;同时地面至500 hPa风向随高度顺时针转变,有明显的暖平流;对应CAPE值达2 352 J·kg-1,反应出有较强的不稳定能量;在925 hPa有明显的逆温层,一旦有机制破坏逆温层,可诱发更强的对流活动,产生强降水。从动力条件分析,低层存在显著的切变,高层则为西风急流。

分析图 9可知,在02:00东南风带来的暖湿气流使得108.5°E以西为暖湿区,形成西北-东南取向的高能舌,高能舌东北部有冷区,从而形成了西南暖东北冷的热力结构;强降水系统在地面风向切变、θse等值线密集区形成西北-东南走向分布的对流线,并在河池南部产生了52 mm·h-1的强降水(图 9a)。由于存在气旋型低压,高能舌北部的θse减弱,南部的θse增高,高能舌也由西北-东南取向逐渐转变成东西取向(图略)。09:00对流线随θse梯度大值区呈东西向分布,新的对流单体不断在对流线西侧的地面风场辐合区生成,随后1 h在对流线东侧、伴有风向切变的辐合区产生了76 mm的降水(图 9b)。

图 9图 5,但为2010年6月1日02:00 (a)与09:00 (b)地面假相当位温θse、风场和散度场的合成图 Fig. 9 Same as Fig. 5, but for (a) 02:00 BT and (b) 09:00 BT on 1 June 2010.

综上所述,在强降水发生前,能量不断积累,θse处于最大值阶段,能量舌呈西北-东南走向。由于气旋性低压的存在,能量舌发生逆时针旋转,能量舌的形态逐步由经向转变成纬向,其雷达回波也从经向型转变成纬向型。此次降水过程的θse峰值虽不如纬向型系统那么高,但高值的维持时间同样很长,θse梯度也较大,从而导致其降水强度较强且持续时间较长。强降水同样发生在θse等值线密集且伴有风向切变的辐合区。

2.4 合并型发展模态短时强降水系统

合并型MCS通常是由多个孤立对流单体通过合并,发展成具有统一上升气流的卵状或狭窄对流带的云团(图 1图 2d);该类MCS大部分呈卵状结构,较少移动,生命史较短,且强降水持续时间也不长(张小玲等,2014)。2011年7月8日午后浙江东部发生的短时强降水即为典型的受合并发展型系统影响的降水过程。

2011年7月8日13:00,浙江大部地区发生了短时强降水,且整个系统生命史内均出现30 mm·h-1以上强度的降水,其中三门出现94 mm·h-1的极端强降水。该对流系统发生时副高稳定维持在海上,低涡低槽东移,带动槽后冷空气不断南下。在08:00时,浙江处在南风气流控制中;随着切变线东移,20:00浙江位于850 hPa切变线附近,地面有冷锋南下,冷空气汇入暖湿气流中,诱发对流系统发展(图 10ab)。同时,强降水及其附近站点的温度露点差大于37 ℃,为干冷空气,三门附近的温度露点差小于4 ℃,说明低层的湿度条件较好,上层干冷、下层暖湿的环境配置利于不稳定能量的积蓄,在具备热力不稳定的条件下引发对流系统发展。

图 10图 3,但为2011年7月8日08:00 (a)与20:00 (b)天气形势图 Fig. 10 Same as Fig. 3, but for (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT on 8 July 2011.

分析7月8日08:00的探空(图 4d)可知,700 hPa以下为湿层,700 hPa以上为干空气层,上干下湿,此时CAPE值为1 996 J·kg-1,这种层结利于对流的发展;从动力条件分析,此次降水过程无明显急流,主要表现为低层的风向切线。

在金华的东北部(图 11ab中圆圈处),不稳定能量在降水前期不断积累,θse值在不断上升并达到极大值。13:00金华东北部的θse达到锋值,并在系统北部出现明显辐合(图 11a)。从13:15的雷达图(图略)可知,金华东北部开始出现对流单体。此后,新单体在系统东北偏北方向的由地面风向切变引起的辐合中心不断生成,并在系统向北移动的过程中与新单体合并,迅速发展成具有统一上升气流的卵状MCS。在θse的极大值、辐合的中心处产生强降水,并在15:00达到了降水峰值(94 mm·h-1) (图 11b)。随着降水的出现,θse快速下降,系统处于冷区,辐合中心东移,系统迅速减弱并消亡(图略)。

图 11图 5,但为2011年7月8日13:00 (a)与15:00 (b)地面假相当位温θse、风场和散度场的合成图 Fig. 11 Same as Fig. 5, but for (a) 13:00 BT and (b) 15:00 BT on 8 July 2011.

由此可知,在强降水发生前,能量在对流区域不断累积;随着降水的发生,能量开始释放,θse也随之迅速下降。此次降水过程中θse的峰值高、升降幅度大,但高值的维持时间较短。不同于纬向型、经向型和转向型发展模态MCS的强降水常发生在θse等值线密集区,合并型发展模态MCS的强降水主要集中在θse的极大值区。

3 结论

选取发生在我国汛期且雷达回波模态分别为纬向型、经向型、转向型和合并型的四次典型锋面短时强降水过程个例,利用逐小时降水资料、高空观测资料和地面加密自动站逐小时观测资料,对不同发展模态的强降水系统与环境场之间的关系进行了分析,得到如下结论:

(1) 纬向型、经向型和转向型发展模态短时强降水系统的发展形态和运动方向主要受地面假相当位温θse等值线密集区与地面切变线的综合影响,两者相结合可以判断其形态结构与移动方向。其中纬向型发展模态存在南暖北冷的热力结构,θse等值线呈纬向分布;经向型发展模态存在东暖西冷的热力结构,θse等值线密集区呈经向分布;而转向型发展模态的θse等值线密集区则呈由经向型转为纬向型分布。

(2) 不同发展模态MCS的新对流单体均在高θse值且伴有地面风向辐合的区域触发。

(3) 纬向型、经向型和转向型发展模态短时强降水系统的强降水主要发生在地面θse密集并伴有风向切变的辐合区域,而合并型发展模态则发生在θse极大值的辐合中心区域。

(4) 不同发展模态MCS的强降水持续时间与地面θse高值区的持续时间密切相关。降水发生前期,均存在一个能量不断积累的过程,随着降水的出现,能量释放,θse也开始下降。若θse峰值高、梯度大、高值维持时间长且升降幅度缓慢,对应的降水强度大、持续时间长;反之若θse高值的维持时间较短且升降幅度较大时,强降水的持续时间也将随之缩短。

本文仅选取了四次分别代表纬向型、经向型、转向型和合并型发展模态的强降水过程进行了个例分析,后期有待收集更多个例进行研究,以求获得更具普适性的结论。此外,对锋面短时强降水系统发展模态的发生和维持机制还有待做进一步的研究。

致谢:武汉中心气象台苟阿宁高工对本文进行了精心指导,谨致谢忱。

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