应用气象学报  2016, 27 (1): 56-66   PDF    
内蒙古典型暴雨过程的中尺度雨团观测分析
常煜     
内蒙古呼伦贝尔市气象局,呼伦贝尔 021008
摘要: 利用FY-2E逐时云顶黑体亮温资料 (TBB)、闪电定位资料、自动气象站资料和逐时降水资料,对2009—2013年6—8月内蒙古7例暴雨天气过程的中尺度雨团特征进行分析。结果表明:内蒙古暴雨的降水强度在1~3 h即可达到暴雨或大暴雨量级,中尺度雨团活动是内蒙古暴雨过程形成原因,而80%雨团活动是中尺度对流系统 (MCS) 造成的。MCS内TBB不超过-52℃冷云区和地闪密度大值中心对雨团强度和发展具有重要的指示作用,冷锋云系中MCS造成的雨团多原地生成和消亡,TBB不超过-52℃冷云区面积小,维持时间为2~8 h,地闪密度增长缓慢而且发生频次低;冷涡云系中雨团跳跃式出现在MCS冷云区或冷空气流入一侧,出现TBB不超过-62℃冷云区,雨团出现频次高,持续出现时间可长达24 h,地闪密度增长迅速且发生频次高。7次暴雨过程中约有60%雨团伴有地闪活动,地闪密度达到最大值时刻预示未来1~3 h最强雨团出现和MCS发展到成熟。地面加密风场中尺度辐合线先于MCS和雨团出现,中尺度辐合线造成的局地辐合可作为MCS发展的启动机制。
关键词: 暴雨过程    中尺度雨团    中尺度对流系统    地闪密度    
Observational Analysis of Mesoscale Rain Cluster During Typical Torrential Rain Processes in Inner Mongolia
Chang Yu     
Hulun Buir Meteorological Bureau of Inner Mongolia, Hulun Buir 021008
Abstract: Inner Mongolia Autonomous Region is located in the northern frontier of China, where characteristics of torrential rain are local and convective, and the strong precipitation duration is short. High temporal and spatial data such as the satellite cloud, lighting data and automatic weather station data are very effective tools for discovering and monitoring mesoscale convective sgstem (MCS) continuously. But these approaches are not often carried out in Inner Mongolia. In view of this, using black body temperature (TBB) data of FY-2E, lightning data, automatic weather station data and hourly precipitation data, characteristics of mesoscale rain cluster (RC) of seven typical torrential rain cases are studied in Inner Mongolia from June to August during 2009-2013. Results show that in Inner Mongolia, hourly rain intensity of torrential rain processes can reach torrential rain or heavy torrential rain in 1 h or 3 h, and 80% RC activity is caused by MCS. The strong precipitation is closely related with the terrain, and the highest value occurs in the southward mountain facing warm moist airflow, which are favorable for the development of MCS. The highest peak of strong precipitation occurs in the afternoon, and the secondary peak occurs in the midnight and early morning. It has important presage function with regard to intensity and development of RC that the TBB no more than-52℃ cold-cloud shield centroid of MCS and high value center of cloud-to-ground lightning flashes density (CGD). RC in MCS of cold front cloud system gives expression to generation and extinction in the same region, the TBB no more than-52℃ cold-cloud shield centroid is small and last for 2-8 h, CGD increases slowly and has lower frequency. RC occurs jumpily in cold cloud area or the side cold air flowing into in MCS of the vortex clouds system, the TBB no more than-62℃ cold-cloud shield centroid emerge and last for 24 h, CGD increases rapidly and occur with higher frequency. RC is located in right side of coldest cloud of forward MCS where the cold air flows into. But the region where MCS shifts out exist RC caused by stratiform clouds. Approximately 60% RC of seven cases is associated with cloud-to-ground lightning flashes activities. RC appears around the highest value of CGD. The moment of maximum CGD value indicates maximum precipitation and the maturity stage of MCS in the future of 1-3 h. When CGD decrease or increase is not obvious, the rainfall intensity of RC weakens, and MCS is in the dissipation phase. Mesoscale convergence line on the dense surface wind field is prior to the MCS and RC, and the local convergence caused by mesoscale convergence line can be used as starting mechanism of MCS development.
Key words: torrential rain processes     mesoscale rain cluster     MCS     cloud-to-ground lightning flashes density    
引言

中尺度对流系统 (MCS) 发生发展机理研究是目前暴雨灾害性天气研究的重点之一[1]。中尺度涡旋 (扰动) 是暴雨的直接影响系统,而在涡旋中出现的中尺度云团,甚至更小的MCS,其生命史为数小时,水平尺度为数十千米,为暴雨中强降水的直接制造者[2-9]。在暖季 (4—9月) 美国落矶山和密西西比河大部分地区约有30%~70%的降水由MCS造成[10],一系列MCS是多数降水的制造者。MCS中-52℃冷云区与降水存在明显的相关性[11],强降水通常发生在冷云区中心前进方向右侧。MCS中新旧更替的对流单体能够产生列车效应[12],这种影响可能产生大量降水。由于暴雨过程中强降水极易造成局地洪涝灾害和城市内涝,给农业生产和人民生命财产造成威胁,因此, 研究中尺度暴雨特征具有非常重要的意义。

闪电数据能提高卫星降水估计以及更好理解和预测暴洪中发生的对流风暴[13],闪电数据可随时获取且覆盖范围广, 因此, 研究闪电探测技术在MCS中的应用具有非常重要的意义。强天气趋向于发生在风暴发展和成熟期[14-16],且发生在MCS南侧和西侧闪电活动区域。成熟阶段负地闪大量聚集且达到高峰,然后减少。衰退阶段负地闪迅速减少但仍聚集在对流区域。负地闪发生频率大值区出现在对流降水增强区域,闪电活动与对流活动区降水量的线性相关关系显著[17-19],地闪现象易出现在更加有组织和更强的对流系统中[20]

内蒙古自治区 (37°24′~53°23′N,97°12′~126°04′E) 地处中国北部边疆,东西狭长,海洋湿润气流难以深入,自东部地区的湿润气候向西部地区逐渐转变为干旱气候,内蒙古降水历时短、相对强度大、局地性强多对流性暴雨[21-22],因此,内蒙古暴雨过程中短时强降水极易形成局地洪涝灾害及山体滑坡,对当地人民生命财产造成威胁。气象雷达对监测强降水有重要作用,但由于内蒙古地域广阔,全区6部多普勒天气雷达覆盖区域有限,不利于连续监测短时强降水。利用高时空分辨率的卫星云图、闪电资料和自动气象站资料,对于发现和连续监测MCS很有效,到目前为止,关于云顶黑体亮温 (TBB) 资料、闪电资料和自动气象站资料相结合的方法研究内蒙古暴雨还较薄弱。鉴于此,本文采用FY-2E逐时TBB资料、闪电定位资料、自动气象站资料和逐时降水资料,对内蒙古近年来发生的典型暴雨过程中尺度雨团特征进行分析,探讨上述资料在内蒙古暴雨过程中的应用情况,积累监测和预警暴雨过程强降水的经验。

1 资料及暴雨个例 1.1 资料

本文所用资料包括2009—2013年6—8月内蒙古气象信息中心提供的全区119个气象观测站24 h降水量和1 h降水量资料、自动气象站资料、闪电定位资料及FY-2E逐时云顶TBB资料。

MCS定义标准参考文献[23]。暴雨定义是24 h (20:00—次日20:00, 北京时,下同) 降水量达50~99 mm[24]。本研究中将单站1 h降水量不低于10 mm定义为短时强降水 (简称强降水)。将强降水连续出现时间最大值定义为强降水持续时间。强降水最大累积降水量定义为强降水持续出现的时间段内累积降水量的最大值。为了便于对强降水进行研究,参照文献[25],将1 h降水量不低于10 mm,生命史不低于2 h且范围达到或超过几十千米的雨区称为雨团。闪电资料选取内蒙古21部ADTD雷击探测仪探测到的地闪资料,其中,内蒙古西部地区1部,中部地区8部,东部地区12部。该探测仪用来探测地闪,并能区分正负极性。本研究中将0.5°×0.5°网格内正地闪和负地闪发生频次总和定义为单位网格地闪密度 (简称地闪密度)。

1.2 暴雨个例

内蒙古自治区有12个盟市,119个气象观测站,自西向东有贺兰山山脉、阴山山脉和大兴安岭。本文选取2009—2013年内蒙古地区发生的持续时间较长、影响范围较广的7次典型暴雨过程 (表 1), 其中,有5次发生大暴雨,7次过程发生时共同特征是500 hPa存在阻塞形势,包括贝加尔湖阻塞形势 (个例1, 5, 6) 和鄂霍次克海阻塞形势 (个例2, 3, 4, 7),7次过程均伴有台风活动,可见阻塞形势维持和热带天气系统活动共同为暴雨发生提供了有利的行星尺度环流背景条件。7次过程天气影响系统可分为低槽背景条件下发展的冷锋云系和冷涡背景条件下发展的涡旋云系。研究也表明,由于夏季内蒙古处于西风环流关键区[21],因此,暴雨落区随西风带短波槽快速东移,导致暴雨落区持续影响同一地区时间短,与南方暴雨持续影响某一地区的特征不同。

表 1 暴雨个例影响时间、范围和强度概况以及雨团特征 Table 1 Influence time, occurring area, intensity and rain cluster characteristics of torrential rain cases

对内蒙古7次暴雨过程的雨团特征 (表 1) 研究发现,雨团具有原地生消和移动中生消的特点,因此,本文将雨团在原地生成并消亡的过程定义为原地生消雨团过程;雨团连续发生或3 h内再次出现定义为移动雨团过程。在7次暴雨过程中,共出现14次原地生消雨团过程,9次伴有地闪活动,其中,个例1、个例2和个例7分别伴有1次地闪活动,个例3、个例4和个例6分别伴有2次地闪活动;移动雨团过程出现11次,6次伴有地闪活动,其中,个例2和个例6分别伴有1次地闪活动,个例4和个例5分别伴有2次地闪活动。地闪活动约占雨团总过程的60%。

2 暴雨过程强降水特征 2.1 暴雨和强降水空间分布

为了找出内蒙古暴雨过程强降水发生发展规律,对7次暴雨过程站次和强降水频次空间分布进行分析。研究表明:暴雨站次 (图 1a) 和强降水发生频次 (图 1b) 自西向东递增,高频区出现在大兴安岭东部和阴山山脉南部迎风坡,而其余地区出现频次较低,尤其是内蒙古西部阿拉善盟仅有1个站发生暴雨,阴山山脉以南和大兴安岭东部强降水频次高达10~12次,明显高于山脉背风坡强降水发生频次 (低于6次)。可见,在暴雨发生频次高的地区强降水发生频次也较高,强降水是内蒙古暴雨过程主要表现形式。

图 1. 7次过程暴雨站次 (a) 和强降水频次 (b) Fig 1. Total frequencies of torrential rain stations (a) and total frequencies of heavy rainfall (b) of seven torrential rain processes

2.2 强降水持续时间及雨强空间分布

内蒙古暴雨过程强降水持续时间为1~5 h (图 2a),其中,强降水持续时间为1~2 h发生频次较高,占总次数的88%,持续时间为4~5 h发生频次最低,占总次数的3%,出现在大兴安岭东部和阴山山脉南部暖湿气流迎风坡。强降水最大累积降水量空间分布也与地形关系密切,在山脉背风坡均为10~20 mm (图 2b),山脉迎风坡高于30 mm,尤其是内蒙古中部和东部偏南地区1 h或3 h强降水最大累积降水量超过50 mm,个别站点超过100 mm,强降水在较短时间可达到暴雨或大暴雨量级,即内蒙古暴雨过程在时间尺度上具有明显中尺度特征。2011年7月18日10:00—12:00内蒙古东南部的巴林右旗逐时雨强分别为46.1,53.4 mm·h-1和30 mm·h-1,1 h降水量达到暴雨,3 h累积降水量达到大暴雨;2012年7月21日10:00—14:00位于内蒙古中部地区的清水河县,逐时雨强分别为12.5,13.8,11.4,13.9 mm·h-1和13.2 mm·h-1,在5 h内达到暴雨。

图 2. 7次暴雨过程强降水持续时间 (单位:h)(a) 及强降水最大累积降水量 (单位:mm,阴影区降水量不小于50 mm)(b) Fig 2. The longest duration of heavy rainfall (unit:h)(a) and maximum total precipitation of heavy rainfall (unit:mm, precipitation of the shaded is no less than 50 mm)(b) of seven torrential rain processesq

2.3 强降水极值和日变化特征

7次暴雨过程强降水极值空间分布也与地形关系密切 (图 3a),阴山山脉和大兴安岭背风坡强降水极值为10~20 mm·h-1,山脉迎风坡强降水极值在以上,最大强降水极值为68.4 mm·h-1,出现在2012年6月25日16:00内蒙古中部察哈尔右翼后旗, 1 h即达到暴雨,内蒙古西部干旱区阿拉善盟的偏南地区也出现大于20 mm·h-1的强降水事件。对7次暴雨过程中强降水发生站次日变化研究表明 (图 3b),09:00—14:00强降水最不活跃,15:00—18:00强降水发生频次开始增加,18:00达到峰值,20:00以后强降水发生频次开始回落,24:00和06:00出现次峰值。研究表明,午后热对流是暴雨过程强降水发生的主要机制,内蒙古暴雨过程强降水次峰值出现在午夜和凌晨的原因可能与低空急流日变化有关,低层风速一般在日落时开始增大,而到凌晨日出前达到最大值[26]

图 3. 7次暴雨过程强降水极值 (a) 及强降水站次日变化 (b) Fig 3. Maximum precipitation of heavy rainfall (a) and daily station-time variation of heavy rainfall (b) of seven torrential rain processes

分析可知,内蒙古暴雨过程强降水在1 h或3 h可达暴雨或大暴雨量级;内蒙古暴雨和强降水与地形关系密切,大值区均出现在有利于MCS发展的山脉偏南暖湿气流迎风坡,地形的迎风坡具有动力及屏障作用,可使气流绕地形流动和被迫爬升,地形也可作为MCS的触发机制,造成不稳定能量的释放[24, 27]

3 中尺度雨团特征 3.1 MCS与雨团

研究表明,7次暴雨过程中80%雨团活动是MCS造成的,冷锋云系中发展的MCS造成的雨团持续时间为3~8 h,多原地生消雨团;涡旋云系中不断生消的MCS是造成雨团呈跳跃式出现的主要原因, 雨团跳跃式出现持续时间可长达24 h,多移动性雨团过程。雨团与TBB不超过-52℃的冷云区有很好的对应关系,强降水位于MCS前进方向冷云区右侧冷空气流入一侧,这与文献[11]研究结果相一致。另外,在MCS移出区域仍有雨团出现,但雨强较弱,为10~20 mm·h-1。就形成机制[28]而言,层状云雨区可能是由对流云区后向平流的雪或冰雹的沉降物受层状云区中尺度上升运动向上输送的结果。可见,当MCS移出强降水区后,由层状云引发的强降水在预报中也不容忽视。下面重点对个例2和个例5进行分析。

3.1.1 个例2 MCS和雨团特征

个例2中原地生消雨团是冷锋云系中MCS直接造成的,持续时间为8 h。2011年7月18日06:00—13:00逐时雨团落区与TBB的叠加分析 (图 4) 可见,06:00—07:00出现TBB不超过-52℃冷云区,形成γ中尺度对流云团,雨团出现在冷云区附近,08:00—09:00 γ中尺度对流云团少动 (图略),TBB不超过-52℃冷云区对应雨团雨强为15 mm·h-1;10:00雨团雨强增强,中心值达到46.1 mm·h-1;11:00 γ中尺度对流云团中心出现TBB不超过-52℃的冷云区,MCS达到成熟,雨团雨强达到53.4 mm·h-1;12:00 γ中尺度对流云团内TBB不超过-52℃的冷云区消失,雨团强度开始减弱;13:00 γ中尺度对流云团内TBB不超过-42℃,MCS处于消散阶段。可见,MCS内TBB不超过-52℃的冷云区与雨团有很好的对应关系,TBB最低时刻对应雨强最强,TBB不超过-52℃低值区消失, MCS消散,雨团雨强也随之减弱。即冷锋云系背景下发展的MCS造成的雨团多原地生消雨团,持续时间短,雨团与TBB不超过-52℃的冷云区有很好的对应关系。

图 4. 个例2中2011年7月18日06:00—13:00逐时TBB (填色) 和1 h降水量 (等值线,单位:mm,最小值为10 mm, 间隔为10 mm) Fig 4. TBB (the shaded) and 1 h precipitation (the contour, unit:mm, the minimun is 10 mm, interval is 10 mm) from 06:00 BT to 1300 BT on 18 Jul 2011 of Case 2

3.1.2 个例5 MCS和雨团特征

个例5是在贝加尔湖阻塞形势影响下发生的,雨团跳跃式出现在涡旋云系不断生消的MCS中, 持续时间长达24 h。2012年7月20日08:00西太平洋副热带高压西侧偏南气流与西风槽后的偏北气流形成辐合带 (图略),为河套附近MCS的形成提供了有利的环境场,7月21日08:00西风槽东移至河套附近加深形成中尺度涡旋 (图略),因此, 重点研究20日14:00—21日08:00,即对涡旋云系波动到成熟阶段雨团的演变特征进行分析 (图 5)。20日14:00涡旋云系处于波动阶段,阿拉善盟西南部出现MCS, 雨团出现在TBB不超过-52℃冷云区西侧,雨强达到30.1 mm·h-1;15:00内蒙古西部雨团雨强减弱,中部地区γ中尺度对流云团新生,其北侧有雨团出现,强度较14:00加强;18:00 γ中尺度对流云团随涡旋云系顶部偏东气流向西旋转移动,出现TBB不超过-62℃冷云区,雨团也随之西移,强度继续加强,雨强达到43.7 mm·h-1;19:00—21:00涡旋云系处于发展阶段,TBB不超过-52℃冷云区面积不断扩大,向冷区凸起的部分越来越明显,γ中尺度对流云团发展演变为β中尺度对流云团,并出现向西南方向的旋转特征,雨团出现在β中尺度对流云团北侧冷空气流入一侧,雨强为10~20 mm·h-1;22:00—23:00 β中尺度对流云团内TBB不超过-52℃冷云区出现雨团;02:00 β中尺度对流云团面积继续增大,达到成熟阶段,雨团出现在TBB不超过-62℃冷云区;03:00—08:00由于冷空气侵入,涡旋云系达到锢囚阶段出现螺旋结构特征,雨团雨强为10~20 mm·h-1。09:00—14:00冷云区随涡旋云系向偏南方向移出内蒙古 (图略),雨团出现在MCS移出区域,雨强为10~20 mm·h-1

图 5. 个例5中2012年7月20日14:00—21日08:00逐时TBB (填色) 和1 h降水量等值线 (单位:mm,最小值为10 mm, 间隔10 mm) Fig 5. TBB (the shaded) and 1 h precipitation (the contour, unit:mm, the minimum is 10 mm, interval is 10 mm) from 1400 BT 20 Jun to 0800 BT 21 Jul in 2012 of Case 5

3.2 地闪密度与雨团特征

表 1中15次伴有地闪活动的雨团研究发现,共同特征是在雨团出现前6 h地闪密度较小或基本没有地闪发生,与之相伴出现的MCS处于发展阶段;雨团出现前1~3 h地闪密度呈增多趋势,TBB不超过-52℃冷云区面积增大;地闪密度迅速增多或达到最大值,预示未来1~3 h雨团雨强将增强,MCS发展成熟;地闪密度减少,雨团雨强也随之减弱或结束。Holle等[14]研究证实了地闪密度增强与云顶面积增大表明对流系统将持续, 在对流系统消散阶段闪电发生频次迅速降为零,强天气趋向于发生在风暴发展和成熟期。不同特征是移动雨团过程地闪密度增长速度明显高于原地生消雨团过程地闪密度的增长速度,且移动雨团地闪密度最大值较高 (单位网格最大值500次·h-1),原地生消雨团过程地闪密度最大值较低 (单位网格最大值156次·h-1),前者MCS冷云区TBB值也较低。如9次伴有闪电活动的原地生消雨团过程中有7次地闪密度在100次·h-1以下,仅在2011年7月24日19:00—25日01:00和2011年7月25日16:00—19:00(个例3) 雨团活动过程伴随的地闪密度最大值分别达到132次·h-1和156次·h-1。移动雨团过程地闪密度普遍较高,基本在200次·h-1以上,最大可达500次·h-1。Tadesse等[29]研究指出,在对流系统成长阶段云地闪活动和面积扩展率对对流发生的强度、降水量和雷暴持续时间具有很好的指示意义。

3.2.1 个例2地闪密度和雨团特征

由个例2原地生消雨团与地闪活动演变 (图 6) 可知,2011年7月18日06:00地闪不活跃,最大地闪密度约为20次·h-1, 地闪密度密集区位于γ中尺度对流云团TBB不超过-52℃冷云区东南 (图 4);07:00地闪密度迅速增加,最大地闪密度为132次·h-1;10:00地闪密度减至13次·h-1, 出现在γ中尺度对流云团东北, 雨团雨强增强;11:00 MCS达到成熟阶段,且雨强最大,达到53.4 mm·h-1,雨团出现在地闪密度大值区西南;12:00和13:00单位网格地闪密度最大值分别为17次·h-1和25次·h-1, γ中尺度对流云团TBB不超过-52℃冷云区消失 (图 4),雨强减弱。可见,地闪密度的增加预示MCS将发展并出现雨团,雨团雨强达到最强出现在地闪密度迅速增多或达到最大值的1~3 h后,地闪密度减少或不再增多,雨团雨强也随之减弱,MCS处于消散阶段。

图 6. 个例2中2011年7月18日06:00—13:00逐时地闪密度 (填色) 和1 h降水量 (等值线,单位:mm,最小值为10 mm, 间隔为10 mm)(虚线矩形为所研究正、负地闪区域) Fig 6. CG lightning density (the shaded) and 1 h precipitation (the contour, unit:mm, the minimun is 10 mm, interval is 10 mm) from 0600 BT to 1300 BT on 18 Jul 2011 of Case 2 (the dotted rectangle represents the target region of positive and negative CG lighting)

3.2.2 个例5地闪密度和雨团特征

由个例5雨团与地闪密度演变特征 (图 7) 可知,2012年7月20日14:00内蒙古西部阿拉善盟开始出现MCS, 但由于该区未安装闪电定位仪,因此,不分析该区的闪电密度特征,此时,内蒙古中部出现雨团,最大地闪密度达到173次·h-1;15:00地闪密度大值中心较前一时刻明显增强,达到493次·h-1,γ中尺度对流单体新生,对应雨团雨强增强;18:00最大地闪密度为489次·h-1, 位于雨团和γ中尺度对流云团东侧,此刻TBB不超过-62℃且面积增大,雨强达到最强;21:00—23:00最大地闪密度由337次·h-1迅速减少到17次·h-1,与雨团和对流云团基本相重合,对应MCS达到成熟阶段;23:00地闪密度不再增加,雨团雨强减弱;21日00:00—14:00地闪密度开始逐渐减少 (图略),限于文章篇幅,不再赘述。

图 7. 个例5中2012年7月20日14:00—23:00逐时地闪密度 (阴影) 和1 h降水量 (等值线,单位:mm,最小值为10 mm, 间隔为10 mm)(虚线矩形为所研究正、负地闪区域) Fig 7. CG lightning density (the shaded) and 1 h precipitation (the contour unit:mm, the minimum is 10 mm, interval is 10 mm) from 1400 BT to 2300 BT on 20 Jul 2012 of Case 5 (the dotted rectangle represents the target region of positive and negative CG lighting)

综合上述分析可知,地闪密度达到最大值可以预示最强雨团的出现和MCS达到成熟,移动雨团过程中地闪密度增长速度明显高于原地生消雨团过程中地闪密度的增长速度。

对个例2(图 6) 和个例5(图 7) 中正、负地闪占总地闪百分比 (虚线矩形区域) 研究可见,强降水出现前1~3 h负地闪占总地闪百分比迅速增加。个例2中2011年7月18日06:00阿鲁科尔沁强降水发生前1 h正地闪开始减少,负地闪比例增加到77.8%(图 8a)。同样,个例5中2012年7月20日14:00希拉穆仁强降水出现前2 h,负地闪占总地闪比例迅速增加到99%以上 (图 8b)。研究也发现,强降水发生时,正地闪所占比例有时也高于负地闪所占比例,个例2中2011年7月18日12:00阿鲁科尔沁强降水发生时,正地闪所占比例开始增加,且在11:00和12:00所占百分比高于负地闪。两个个例共同特征是当强降水结束时,负地闪所占比例迅速减少。Rutledge等[15]研究指出,层状云区域中正地闪发生是来自对流单体高层相对风暴气流影响形成的后向平流小冰粒中正电荷形成的。这可能是个例2中雨团出现在地闪密度大值中心西侧 (图 6) 且正地闪比例高于负地闪 (图 8a) 的主要原因。

图 8. 正、负地闪百分比和1 h降水量 (a)2011年7月18日, (b)2012年7月20日 Fig 8. The percentage of positive and negative CG lightning and 1 h precipitation (a)18 Jul 2011, (b)20 Jul 2012

3.3 地面加密风场特征

地面资料能提供MCS演化过程和生命期所处阶段信息,具有指示意义[12]。由于本研究仅有2012—2013年自动气象站资料, 因此, 对个例4~个例7中共出现的14次雨团过程自动气象站风场与雨团和TBB进行分析。结果表明,14次雨团过程中, 除了2012年6月27日稳定少动雨团 (出现在内蒙古河套地区北部边界处,北部无风场信息),其余13次的雨团活动伴有中尺度辐合线和中小尺度涡旋。限于文章篇幅,仅对个例5进行讨论。

2012年7月20日14:00—21日08:00地面加密风场与雨团和MCS叠加 (图 9) 可见,20日11:00(图略),强降水出现前,河套南部为1~4 m·s-1的偏南风,河套西北部存在东北—西南向中尺度辐合线,且持续至14:00, 但辐合线附近没有雨团和对流单体出现,在阿拉善盟雨团落区存在西北风和东北风风向切变;18:00河套西北部辐合线略向东移并略呈顺时针旋转 (图略),其南侧出现γ中尺度对流云团,北侧出现雨强不小于30 mm·h-1的雨团;21:00辐合线继续顺转呈东西向,在其南侧出现β中尺度对流云团TBB不超过-62℃冷云区, 辐合线北侧有雨团出现;23:00辐合线南压 (图略),MCS和雨团也随之向东南移动,但此时地面中尺度辐合线附近的风速与20:00相比没有明显变化;21日02:00地面中尺度辐合线北侧的偏北风风速突增,最大风速达到8 m·s-1;21日08:00雨团附近风场转为一致东北风,雨团雨强开始减弱。由此可见,雨团与地面中尺度辐合线有很好的对应关系,雨团出现在中尺度辐合线附近,且地面中尺度风场辐合提前雨团出现。MCS发生在地面风场较弱环境中,风场扰动可能先于对流扰动出现,地面中尺度辐合线造成的局地辐合是启动对流活动的中尺度系统。

图 9. 个例5中2012年7月20日14:00—21日08:00自动气象站风场 (风羽)、辐合线 (双实线)、逐时TBB (填色) 和1 h降水量 (等值线,单位:mm,最小值为10 mm, 间隔为10 mm) Fig 9. Wind field of automatic weather stations (the barb), convergence line (double solid lines), TBB (the shaded) and 1 h precipitation (the contour, unit:mm, the minimum is 10 mm, interval is 10 mm) from 1400 BT 20 Jul to 0800 BT 21 Jul in 2012 of Case 5

4 小结

研究表明:

1) 内蒙古暴雨过程雨强在1 h或3 h即可达到暴雨或大暴雨量级,中尺度雨团活动是内蒙古暴雨过程形成原因。强降水峰值出现在午后,次峰值出现在午夜至凌晨,与低空急流日变化关系密切。

2) 内蒙古暴雨过程天气影响系统可分为低槽背景条件下发展的冷锋云系和冷涡背景条件下发展的涡旋云系。冷锋云系中MCS造成的雨团多原地生消,TBB不超过-52℃冷云区面积小,维持时间为2~8 h,地闪密度值较小,在MCS发展到成熟时期增长缓慢;涡旋云系中MCS造成的雨团呈跳跃式,出现TBB不超过-62℃冷云区,雨团出现的频次较高,维持时间可长达24 h,地闪密度值较大,在MCS发展到成熟时期快速增多。

3) 内蒙古暴雨过程地闪密度与雨团存在较好的对应关系,地闪密度增大可提前预示对流单体将要发展及雨团将要出现,雨团出现在地闪密集区附近,强降水出现前1~3 h负地闪占总地闪百分比迅速增加,强降水发生时,正地闪所占比例有时也高于负地闪所占比例。

4) 地面加密风场中尺度辐合线先于MCS和雨团的出现,MCS发生在地面风场较弱环境中,地面中尺度辐合线造成的局地辐合是启动对流活动的中尺度系统。

本文仅分析了造成内蒙古中尺度暴雨过程MCS的基本特征,对其发生发展机制还需要结合雷达、风廓线等资料进行更深入研究。

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