2024, Vol. 50 
2. 天津海洋中心气象台，天津 300074；
3. 天津市津南区气象局，天津 300350
2. Tianjin Ocean Center Meteorological Observatory, Tianjin 300074;
3. Jinnan District Meteorological Office of Tianjin, Tianjin 300350
华北地区夏季短时强降水和极端强降水频发(梁苏洁等, 2018；Yuan et al, 2021)，局地突发的短时强降水事件引发的城市内涝等灾害严重威胁人民生命和财产安全。相比于通过长时间累积造成的强降水事件，造成短时强降水的中小尺度对流系统具有空间尺度小、发展迅速、预报难度大的特点，这在华北地区表现得尤为显著(孙继松等, 2015；吴梦雯和罗亚丽, 2019；王莹等, 2021；周晓敏等, 2023; 尉英华等，2024)，因此对天气预报、城市建设以及社会应急管理提出了更大的挑战。开展局地短时强降水研究是提高精细化气象服务质量、提高气象防灾减灾和应对气候变化能力的主要环节之一，具有重要的理论和应用价值。
从日变化角度来看，白天和夜间的对流环境往往差别较大，太阳辐射的昼夜更替及下垫面辐射收支平衡导致大气低层稳定度也随之发生变化，夏季午后常处于热力不稳定层结状态而夜间至清晨则常常建立稳定层结，因此，预报夜间局地、突发的对流过程更具挑战性(Weckwerth et al, 2019；孙敏等, 2023)。实际上，华北地区的强对流降水、特别是一些局地大暴雨经常出现在防灾减灾难度更大的夜间(孙继松, 2005)，如2021年9月4日早晨天津滨海新区发生的极端短时强降水天气，1 h降水量达103.3 mm，直接造成1人死亡，多处交通要道瘫痪，经济损失严重。因此，研究华北地区夜间局地短时强降水并进一步探索其发生发展机制具有重要意义。
诸多观测事实和模拟结果均表明，华北夜间短时强降水过程中常伴有边界层偏东气流(张文龙等, 2013；尉英华等, 2019)，偏东风深入内陆的距离对强降水的落区有较好的指示意义。受海陆热力差异的昼夜演变影响，白天和夜间的偏东风有明显热力性质差异，白天往往具有冷湿性质(雷蕾等, 2014)，而夜间则为暖湿性质(张楠等, 2018)。在前人关于夜间强降水的研究中，郭虎等(2008)对2006年7月9日夜间北京的一次局地大暴雨进行分析，发现近地面层东南暖湿气流为强降水提供了有效的水汽和能量；赵宇等(2011)通过分析和模拟2005年7月22—24日华北夜间出现的一次特大暴雨，发现夜间由于边界层降温等局地热力作用诱生出的中尺度边界层急流是导致特大暴雨的关键因子之一；张楠等(2018)通过分析2014年8月16日天津地区非典型环流形势下的一次局地暴雨过程，指出夜间来自渤海湾的暖湿气流与上游雷暴冷池出流碰撞，是触发对流的重要机制。陶局等(2019)分析了2017年8月8日发生在天津—香河一带的夜间局地暴雨过程，发现冷池出流与来自渤海的暖湿东南气流形成的辐合线是对流系统维持的关键，这支暖湿气流的出现和加强可以为临近预报提供有效预报着眼点。
在前人对该地区夜间局地强降水的研究中(李津和王华, 2006；郭虎等, 2008；何群英等, 2009；盛春岩和高守亭, 2010；赵宇等, 2011；张楠等, 2018)，利用分钟级降水资料分析降水系统的精细中小尺度结构，或利用雷达高分辨率径向速度场资料分析对流发生发展环境的研究不多。因此，本文将采用分钟级降水数据、加密自动气象站、天气雷达及风廓线雷达等高分辨率多源实况资料，详细分析2022年7月3日发生在天津后半夜至清晨的一次极端短时强降水过程，深入分析此次过程的中尺度特征及其发生、发展的内在物理机制，并试图发现具有一定提前量的、明确预报意义的物理指标，从而为实际预报业务提供有价值的参考和借鉴。
1 资料介绍本文采用的资料主要包括：(1)天津及其周边地区逐5 min地面加密自动气象站资料及逐分钟降水资料，用于分析降水、温、压、湿、风等地面要素演变的中小尺度特征；(2)天津塘沽SA多普勒天气雷达逐6 min体扫观测资料，用于分析对流系统的演变及中尺度结构；(3)天津西青国家基本观测站逐6 min风廓线雷达资料，用于分析大气边界层风场演变特征；(4)欧洲中期天气预报中心的全球第5代大气再分析产品(ERA5，逐小时，0.25°×0.25°)，用于天气尺度形势分析及热动力物理量诊断。
2 天气概况 2.1 降水实况2022年7月3日04:30—07:00(北京时，下同)，天津市津南区突发一场局地大暴雨，强降水中伴有多站8级以上的雷暴大风，此次过程对城市排水、农业、交通、河道水库等均产生了较为严重的影响。图 1反映了此次降水的时空分布特征，从累计降水量的分布来看(图 1a)，降水局地性较强，暴雨以上量级的落区东西方向约35 km、南北方向约20 km，呈现出非常典型的中小尺度特征，有4个自动站累计降水量超过100 mm(黑色方框标出)，最大累计降水量为145.1 mm，出现在津南区农业园站。从大暴雨站点的逐时降水演变特征(图 1b)可以看出，降水从05:00开始，至07:00基本结束，持续时间仅1~2 h，其中05:00—06:00津南站最大小时雨强达96.3 mm·h-1，突破了该站近40年来极值(73.4 mm·h-1，出现在2003年8月23日08：00)，具有一定的历史极端性。
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图 1 2022年7月3日04:00—07:00(a)累计降水量分布(彩色圆点)，4个大暴雨站的(b)小时雨强及(c)分钟雨强演变 Fig. 1 (a) Distribution of accumulated precipitation (color dot), and evolution of (b) hourly rain intensity and (c) minutely rain intensity at four heavy rainstorm stations from 04:00 BT to 07:00 BT 3 July 2022 |
从分钟级雨强的演变特征(图 1c)可以看出，4个大暴雨站的分钟雨强均表现出明显的波动特征，其中3个站的最强分钟雨强达3~5 mm·min-1，且各站次累计出现时间可达5 min。孙虎林等(2019)研究表明，分钟雨强≥1 mm·min-1可以较好地反映出对流系统引发的降水在雨强上的极端性，≥3 mm·min-1则具有强极端性。“7·20”河南极端降水过程出现了持续性的3.0~4.7 mm·min-1的降水(齐道日娜等，2022)，“23·7”华北特大暴雨过程最强分钟雨强为3.0~3.5 mm·min-1(符娇兰等, 2023)。由此可见，本次过程的分钟级雨强也具有明显的极端性。
2.2 环流背景利用ERA5资料分析2022年7月3日强降水发生前(04:00)的环境背景场，图 2a和2b分别为500 hPa和850 hPa的环流形势场，可以看出，500 hPa我国东部30°N以南的大部分地区均处于西太平洋副热带高压控制之下，中高纬地区则维持一槽一脊的形势，主要天气系统为位于蒙古国一带的高空槽及其下游的高压脊，受下游高压脊阻挡，冷槽移动较为缓慢，从相应的风场及涡度平流的分布特征来看，华北平原东部的天津地区仍处在高压脊的影响中；低层700 hPa以下均为西南气流，且尚未发展形成天气尺度低空急流，在西南气流的风速脉动中存在一定的辐合上升区(图 2b蓝色虚线)，850 hPa假相当位温超过345 K，说明大气低层为高温高湿的环境；图 2c显示地面上有低压倒槽向华北平原伸展，对流有效位能在天津东部存在显著高值区(达2400 J· kg-1)，整层可降水量约为50 mm，可见水汽和不稳定能量条件均较为有利。从04:00津南站(最强降水位置)的模式探空图上(图 2d)可以看出，降水前地面气温和露点温度均较高，抬升凝结高度和自由对流高度均较低，对流层内风随高度一致顺转且中低层风力整体较弱，对流抑制能量较小，这些都为对流的发生提供了有利的环境条件。
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图 2 2022年7月3日04:00 ERA5再分析场(a)500 hPa位势高度(等值线，单位：dagpm)及风场(风羽)和涡度平流(填色)，(b)850 hPa风场(风羽)、假相当位温(填色)及垂直速度(等值线，单位：10-1 Pa·s-1)，(c)海平面气压场(黑色等值线，单位：hPa)、整层可降水量(彩色等值线，单位：mm)及对流有效位能(填色)，(d)津南站模式探空
注：图b，c中 表示最强降水位置；图d中蓝色线条表示0℃等温线，LCL、LFC分别表示抬升凝结高度和自由对流高度。 Fig. 2 ERA5 reanalysis field of (a) 500 hPa geopotential height (isoline, unit: dagpm), wind field (barb) and vorticity advection (colored), (b) 850 hPa wind field (barb), pseudo-equivalent potential temperature (colored) and vertical velocity (isoline, unit: 10-1 Pa·s-1), (c) sea level pressure field (black isoline, unit: hPa), integrated precipitable water (colored isoline, unit: mm) and CAPE (colored),
(d) model radiosonde chart in Jinnan Station at 04:00 BT 3 July 2022
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由于此次暴雨呈现出非常典型的中小尺度时空分布特征，以上大尺度环流特征尚不足以解释造成此次强降水的中小尺度成因，因此，下文将利用更精细的资料对产生极端降水的中小尺度成因进行深入分析。
3 中尺度对流系统演变特征采用距暴雨区最近(约30 km)的塘沽雷达资料分析中尺度对流系统的演变特征，从逐6 min的组合反射率演变趋势可以看出(图 3)，初始对流大约于03:30—04:00在天津西南部开始形成，随后沿西南引导气流缓慢向东北方向移动，回波北移过程中其周围特别是后侧不断有新生回波出现、合并，导致中尺度对流系统的尺度不断扩大，当05:24回波中心移动至津南站时，其强度达到最强，最强回波约60 dBz，尺度约为40~60 km，该β中尺度对流系统以组织性较高的多单体风暴形式呈现，直接造成津南站出现了极端短时强降水，05:36后，随着中尺度对流系统的组织性变差，回波开始减弱。
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图 3 2022年7月3日塘沽雷达组合反射率演变
注： 表示最强降水位置。 Fig. 3 Evolution of composite reflectivity of Tanggu Radar on 3 July 2022
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经最强降水中心作雷达回波垂直剖面，如图 4所示，可以清晰地看到多单体风暴的对流新生、合并过程，其中单体A为初始新生回波，随着时间演变，在单体A的后侧不断有单体B、C、D生成，单体A趋于消亡时单体D新生。从时间及位置关系来看，单体A是直接造成津南站出现极端强降水的对流单体，其回波质心的下降导致了分钟雨强出现快速增长。此外，单体A回波发展最强时刻，质心非常高，40 dBz以上的回波伸展至10 km(其中-20℃层约为8 km)，呈现出典型的大陆强对流型回波特征，这与孙继松(2015)对北京地区10次极端暴雨的中尺度对流系统雷达特征分析结果相一致，即深对流主导的极端暴雨事件一般由多单体组织、合并、加强造成。
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图 4 2022年7月3日过最强降水中心的雷达回波剖面
注：A、B、C、D均表示新生对流单体，雷达在横坐标右侧， 表示最强降水位置。 Fig. 4 Vertical profile of radar echoes along the severe precipitation center on 3 July 2022
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利用ERA5再分析场(图 5a, 5c, 5d)及地面加密自动气象站资料(图 5b)分析初始对流的触发，沿新生对流区作垂直速度的时间-高度剖面，如图 5a所示，可以清晰地看到对流触发区域从03:00到04:00垂直速度出现了明显跃增，且抬升主要位于925 hPa以下的边界层中，因而边界层辐合的增强是触发新生对流的直接原因。
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图 5 2022年7月3日(a)沿初始对流位置ERA5再分析场的垂直速度(等值线，单位：10-1 Pa·s-1)和温度场(填色)的时间-高度变化；(b)04:00地面加密自动气象站风场(风羽)及温度场(填色)；(c)03:00和(d)04:00的975 hPa ERA5再分析风场(风羽)、垂直速度(等值线，单位：10-1 Pa·s-1)
及假相当位温场(填色)；(e)03:00和(f)04:00沿强降水中心38.95°N假相当位温(填色)、垂直速度(等值线，单位：10-1 Pa·s-1)和风场(风羽)的垂直剖面
注：L表示冷, N表示暖；图b~d中黑色、蓝色粗虚线分别表示地面、975 hPa辐合线；图c、d中 表示对流初生区域，图e、f横坐标轴上▲表示强降水中心位置。 Fig. 5 (a) Time-height variation of vertical velocity (isoline, unit: 10-1 Pa·s-1) and temperature (colored) along the initial convective position of ERA5 reanalysis field, (b) wind field (barb) and temperature (colored) at surface automatic weather stations at 04:00 BT, (c, d) 975 hPa ERA5 reanalysis wind field (barb), vertical velocity (isoline, unit: 10-1 Pa·s-1) and pseudo-equivalent potential temperature (colored) at (c) 03:00 BT and (d) 04:00 BT, (e, f) vertical profile of pseudo-equivalent potential temperature (colored), vertical velocity (isoline, unit: 10-1 Pa·s-1) and wind field (barb) along the severe precipitation center (38.95°N) at (e) 03:00 BT and (f) 04:00 BT 3 July 2022
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初始对流形成时刻(04:00)，地面加密自动气象站风场上存在一条由西北风和偏东风构成的地面辐合线(图 5b)，其中西北风为上游北京地区降水(温度场上的蓝色区域)造成的冷池出流，偏东风为与地面低压倒槽对应的环境气流。而在边界层975 hPa(图 5c)，03:00时西南气流的顶端存在气旋性弯曲，在天津南部一带形成西南气流与东南气流构成的暖式切变线(蓝色粗虚线)，但此时切变线两侧并无辐合上升运动相配合，说明辐合的强度较弱；然而到04:00(图 5d)，随着切变线的气旋性曲率及两侧风速进一步增大，切变线北侧的东南气流中出现了明显的辐合上升运动(蓝色细虚线)，其垂直速度达到-0.25 Pa·s-1。如果将975 hPa和地面的两条辐合线相叠置，可以看到二者相交的区域与新生对流区非常吻合。
沿强降水中心作假相当位温、垂直速度和风场的垂直剖面，如图 5e和5f所示，可以看出，03:00暴雨区西侧的600 hPa附近存在假相当位温的低值区，表明中层有干冷空气入侵，而低层975 hPa以下均为假相当位温的高值区，代表了低层为暖湿空气；到04:00，中层的干冷空气东移至暴雨区上空且强度有所加强，低层的暖湿空气仍然维持，因而在暴雨区上空建立了“上干冷、下暖湿”的条件不稳定层结，上下层位温差达到70.5 K，这种大气垂直结构变化引起的稳定度变化对引发局地强对流至关重要，并且这种中层干冷空气的侵入也是造成此次降水回波呈现出大陆强对流型(高质心)回波特征的主要原因。可以看到随着不稳定度的增强，04:00暴雨区上空低层的垂直速度较03:00有所增强，且在暴雨区上空形成了明显的垂直速度中心，这和对流触发是相对应的。因此，可以认为高温高湿环境下边界层暖式切变线的增强与地面中尺度辐合线相配合，加之中层干冷空气入侵导致不稳定性增强，因而触发了初始对流。
4.2 对流组织化加强的原因初始对流触发后，在向东北方向移动的过程中不断合并、加强，从雷达回波上看，04:48—05:24期间回波得到快速组织化发展，因而导致津南站和北闸口站的分钟降水于05:06—05:28期间出现快速增加，相应的分钟雨强由0.5 mm·min-1跃增至5.0 mm· min-1(图 1c黄色和红色线)，那么对流在北移过程中为何会出现快速加强呢？
4.2.1 冷池前缘γ中尺度涡旋的出现当对流系统内开始产生下沉气流，往往在近地面形成冷池，冷池在对流系统发生、发展演变过程中起着重要作用。用热浮力可以较好地刻画表征冷池的强度变化，其表达式为(Du et al, 2020)：
| $ B=g\left(\theta_v-\overline{\theta_v}\right) / \overline{\theta_v} $ |
式中：B为冷池强度，g为重力加速度，θv为虚位温，θv为区域平均虚位温。
利用地面加密自动气象站资料分析冷池的变化特征(图 6)，当地面开始出现降水时，冷池有所体现，热浮力负值区域(蓝色区域)即为与降水对应的冷池。从图 6中可以看到，随着对流不断增强，冷池前沿与环境风之间形成了不规则但较为清晰的出流边界，结合地面流线和涡度场可以看出，大约从04:30开始沿出流边界附近有多个涡旋发生发展且正负涡度相间分布(粉色线)，其中在冷池前进方向的左前侧和右前侧有两个较为清晰的γ中尺度涡旋生成(用V1和V2表示)。从强度变化来看，较远处的V1强度相对较弱且变化不大，而位于津南站附近的V2则随着冷池加强和东移而不断增强，其正涡度于05:15达到最大。
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图 6 2022年7月3日04:30—05:20逐10 min强降水中心周围地面加密自动气象站的流场(流线)、涡度场(等值线，单位：10-3 s-1)及热浮力(填色)的分布
注：V1、V2表示γ中尺度涡旋；表示强降水中心。 Fig. 6 Distribution of flow field (stream line), vorticity field (isoline, unit: 10-3 s-1) and thermal buoyancy (colored) of surface automatic weather stations around the severe precipitation center every 10-min during 04:30-05:20 BT 3 July 2022
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利用逐5 min自动站风场数据和逐6 min雷达数据计算并绘制V2涡旋的涡度、相应的散度、5 min降水量、40 dBz以上强回波体积随时间的演变，如图 7所示。从图中可以清晰地看到，自04:30初始对流形成之后，涡旋V2的正涡度不断增大，且在04:55—05:20出现快速增强，至05:15达到最大，为3.8×10-3 s-1，与此同时，与该涡旋相伴随的气旋式辐合(负散度)于05:10达到最强，为-3.6×10-3 s-1。在此期间，随着涡旋V2逐渐加强，40 dBz以上强回波体积也逐渐增大，这说明回波出现了组织化合并加强，相对应的逐5 min降水量也出现了快速增加，并于05:30达到极大值。可见，涡旋发展的时间较强回波及强降水出现的时间约提前10~15 min，涡旋涡度、强回波体积、雨强之间这一对应关系说明了涡旋V2是造成此次极端降水最直接的中小尺度系统，与涡旋相伴随的强动力辐合导致了极端雨强的出现。那么接下来将通过分析V2涡旋的形成、增强机制来分析强降水的物理成因。
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图 7 2022年7月3日04:00—06:00(a)图 6中所标涡旋V2的涡度、散度及津南站逐5 min降水量，(b)大于40 dBz的雷达回波体积随时间的变化 Fig. 7 Time evolution of (a) vorticity, divergence of vortex V2 marked in Fig. 6 as well as 5 min precipitation at Jinnan Station and (b) volume of radar echo >40 dBz during 04:00-06:00 BT 3 July 2022 |
为进一步探究中尺度涡旋的生成和来源，利用塘沽SA多普勒雷达的径向速度场资料(图 8)分析中尺度涡旋的空间结构。由图 8可见，在整个对流发展期间，低层0.5°仰角始终表现为径向速度的辐散场，这是对流系统内强烈下沉气流引起的，与津南站05:30出现的下击暴流大风相对应。04:48，在1.5°和2.4°仰角上有弱中尺度涡旋生成，随后不断往更高仰角扩展，05:12—05:18扩展至4.3°仰角(蓝色圆圈)，05:18后涡旋强度明显减弱。结合图 6和图 8中涡旋位置和强降水中心位置来看，雷达图上能清晰看到的涡旋主要为V2，V1由于强度较弱且离雷达较远，反映并不清楚。以05:00为例，此时地面和雷达观测时间一致，以加号位置作参考，可以看到对于涡旋V2来说，从地面到0.5°仰角(约400 m高度)存在向上游倾斜的现象，粗略计算其倾斜角大概为3.4°，然后从400 m再往上的高度则几乎没有倾斜(1.5°仰角约为1 km、2.4°仰角约为1.5 km)，这可能与冷池主要分布在近地层有关系。
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图 8 2022年7月3日塘沽雷达04:54—05:18期间0.5°~4.3°仰角的径向速度场
注：蓝色圆圈表示中尺度涡旋，表示最强降水中心的位置。 Fig. 8 Radial velocity field at 0.5°-4.3° elevation at Tanggu Radar during 04:54-05:18 BT 3 July 2022
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Zeng and Wang(2022)对雷达图上的这种中尺度涡旋作过如下定义，认为其需要满足以下几个条件：(1)直径为1.5~10.0 km，(2) 速度对径向速度差≥16 m·s-1，(3)旋转速度>3.2×10-3 s-1。将图 8反映的中尺度涡旋的空间信息和强度作定量化计算(表略)，发现其除了个别时次速度对的径向速度差不满足16 m·s-1以外，其他条件均满足，但考虑到即使是弱涡旋对降水的作用也很大(俞小鼎等, 2020)，本文仍将其认为是中尺度涡旋。将图 6和图 8反映的中尺度涡旋的高度、最大正负速度、直径及仰角信息等绘制在一张图上，如图 9所示，可以清晰地看到从地面到空中γ中尺度涡旋发生发展的时序变化。从图中可以看到，中尺度涡旋首先在地面和底层产生，然后中低层再出现，涡旋为自下向上发展。涡旋基本位于边界层内，最高伸展至2.5 km，平均高度约为1.3 km，平均直径约为7.6 km(γ中尺度)，最大涡度为8×10-3 s-1。据前人研究，这种自下而上发展的中尺度涡旋与中层涡旋(中气旋)生成后向上向下拉伸的原理不同，其主要由底层冷池强迫产生。其涡度ξ主要由两部分构成，一部分是环境正压涡度ξ1，主要和环境气流相关，另一部分是斜压涡度ξ2，主要来源于风暴下沉气流底部、冷池边界附近逐渐增强的气旋性切变涡度，其中ξ2占主要作用。
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图 9 2022年7月3日04:42—05:30低层中尺度涡旋的时空变化特征 Fig. 9 Spatial-temporal variation of low-level mesoscale vortices during 04:42-05:30 BT 3 July 2022 |
从地面加密自动气象站的假相当位温分布(图 10) 可以看出，有一支来自海上的偏东暖湿气流伸向内陆(黄色箭头)，其对应的假相当位温值超过367 K，而涡旋V2正好位于暖湿舌和冷池出流的交界位置。另外，从距暴雨区西侧20 km的西青站风廓线(图 11a)可以看到，这支来自海上的偏东暖湿气流在500 m以下高度均有体现，且在100 m高度上形成了较为浅薄的边界层急流，最大风速达14.4 m·s-1，这支急流于04:18开始增强，05:18减弱，维持时间约1 h。那么涡旋V2的增强是否与冷池和这支来自海上的环境暖湿气流的相互作用有关系？
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图 10 2022年7月3日04:55地面加密自动气象站假相当位温(填色)及风场(风羽)分布
注：蓝色箭头表示对流系统的冷池出流，黄色箭头表示来自海上的偏东暖湿气流，V1、V2表示γ中尺度涡旋，表示强降水中心。 Fig. 10 Distribution of pseudo-equivalent potential temperature (colored) and wind field (barb) of surface automatic weather stations at 04:55 BT 3 July 2022
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图 11 2022年7月3日03:30—05:42(a)西青站逐6 min风廓线(风矢)、风速(等值线)及垂直速度(阴影)，(b)根据风廓线计算的低层、浅层及深层垂直风切变演变 Fig. 11 Evolution of (a) wind profile (wind vector), wind speed (isoline) and vertical speed (shaded) at Xiqing Station every 6 min and (b) low-level, shallow and deep vertical wind shears calculated based on the wind profile during 03:30-05:42 BT 3 July 2022 |
低层边界层急流的建立往往伴随垂直风切变的增强，利用逐6 min风廓线分别计算0.1~1.0 km、0.1~ 2.5 km及0.1~5.0 km的垂直风切变，用以反映降水前后时刻大气低层及深层的风切变变化。如图 11b所示，随着边界层急流的建立，三层的风切变基本上均是在04:12—04:18时开始快速增长，最强时刻超过16 m·s-1；从减弱时间来看，0.1~5.0 km风切变一直未出现明显减弱，0.1~2.5 km风切变于05:18后随着边界层急流的减弱而减弱，而0.1~1.0 km的深层风切变于04:48开始减弱。结合图 3中对流系统的发展演变来看，其与0.1~2.5 km的低层风切变演变对应最好。
前人研究结果表明，强低层垂直风切变下更容易发展出强冷池与之平衡，二者之间的相互作用关系可以用冷池强度C和垂直于冷池边缘的0~2.5 km风切δU的大小关系来近似表示，当C与δU接近时，对流系统发展至最强。其公式为：
| $ C=\sqrt{2 \int_0^H(-B) \mathrm{d} z} $ |
式中：B为热浮力。
利用逐6 min塘沽雷达的径向速度资料计算以上参量并进一步分析冷池特征，沿雷达径向过最强降水中心作垂直剖面，如图 12所示，从雷达正负速度对的分布特征可以清楚看到边界层内冷池的发展状况，横坐标轴的黑色三角位置即为冷池中心，其两侧在低层表现为速度辐散，对应降水导致的下沉气流，以上则为明显的速度辐合，与对流系统内的上升气流一致。可以看到，04:48，对流冷池比较浅薄，厚度大约只有1 km且强度较弱，上升气流也较弱，随着时间推移，冷池强度不断增强且变得更加深厚，05:18发展至最强，厚度约为2 km，2 km以上的中层径向辐合上升区也在此时达到最强，表明此时对流系统发展至最强。
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图 12 2022年7月3日塘沽雷达04:36—05:36过最强降水中心的径向速度垂直剖面
注：黑色箭头表示上升气流，蓝色气流表示下沉气流，▲表示冷池中心位置，表示强降水中心位置，雷达在x轴右侧。 Fig. 12 Vertical profile of radial velocity along the severe precipitation center of Tanggu Radar during 04:36-05:36 BT 3 July 2022
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根据雷达径向速度计算冷池强度、热浮力、风切变等参量(表略)发现，04:42—05:18，冷池强度C和0.1~2.5 km垂直风切变均不断加强，至05:18时C/δU达到0.88(接近1)，这与地面加密自动气象站上涡旋发展的最强时间(05:15)相一致，也就是说在此期间，暖湿边界层急流与对流冷池的强度都在不断增强，二者相互对峙且达到了短暂的平衡，因而使得出流边界前侧涡旋不断增强并自下而上发展，与涡旋相伴随的强动力辐合直接导致分钟级雨强快速增长并持续数分钟，最终导致了极端短时强降水的出现。05:18后，随着边界层急流的减弱，0.1~2.5 km垂直风切变减弱，而弱风切变下难以发展出强冷池与之平衡，因而γ中尺度涡旋逐渐减弱，与涡旋伴随的辐合上升运动也随之减弱，雨强也随之减小。
4.3 对流发生在夜间的原因如前所述，夜间出现的来自海上的偏东边界层急流在本次降水过程中发挥着重要的作用，其造成低层垂直风切变增大，并与逐渐增强的冷池之间达到短暂的平衡，因而使得对流系统内中尺度涡旋快速发展。前人众多研究表明，边界层急流具有明显的夜发性(孙继松，2005；Terao et al, 2006；Xue et al, 2018)，其形成过程可以简单概括为：夜间边界层混合作用减小甚至消失，湍流摩擦力减弱，边界层惯性振荡将导致非地转风发生顺时针旋转，白天次地转风逐渐转为夜间的超地转风，从而形成夜间显著增强的低空急流或边界层急流，这就是Blackadar(1957)提出的边界层惯性振荡理论。而夜间急流的形成和加强总伴随逆温的生成发展(郝为锋等, 1991)，温度场逆温出现和维持一定强度及时间后，利于在逆温层附近出现风速相应增大的现象，其动力学机制可解释为逆温层的存在阻止了上下层的动量交换，迫使逆温层附近的多余动量以超地转风的急流形式在某高度释放，以维持动量守恒(何建中, 1992)。因此，边界层夜间惯性振荡导致的非地转风顺转及逆温层结可以较好地解释边界层急流的夜发性，也能较好地解释本次强降水为什么出现在夜间。
图 13a为利用ERA5资料计算得到的边界层急流形成前3 h的逐时非地转风矢量，可以看出从02:00(红色)至04:00(蓝色)，非地转风存在较为明显的顺时针旋转，局部旋转角度可达180°。另外，图 13b为降水中心位置7月2—3日不同时次的边界层温度垂直廓线图，可以清楚地看到近地面夜间逆温的形成过程：2日18:00，边界层内温度为向上递减，这是白天太阳辐射导致的热力层结，3日02:00后，975 hPa以下形成了明显的夜间逆温层结，至04:00依然维持，05:00后逐渐减弱消失。这一逆温层的形成时间比上文提到的边界层急流形成的时间约提前2~3 h，而二者结束时间基本一致，逆温层的提前出现为边界层急流的形成提供了有利的条件。因此，可以认为，正是夜间边界层惯性振荡导致的非地转风顺转以及逐渐形成的逆温层结促使来自海上的东南暖湿气流不断加强为了边界层急流。此次暴雨过程的物理概念模型如图 14所示。
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图 13 利用ERA5资料计算的2023年7月(a)3日不同时刻975 hPa非地转风矢量，(b)2日18:00至3日07：00降水中心位置不同时次边界层温度垂直廓线
注：为降水中心位置。 Fig. 13 (a) Ageostrophic wind vector at 975 hPa on 3 July, (b) vertical profile of boundary layer temperature of precipitation center calculated by using ERA5 data at different times from 18:00 BT 2 to 07:00 BT 3 July 2023
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图 14 2022年7月3日天津夜间极端短时强降水的物理概念模型 Fig. 14 Physical conceptual model for extreme short-time severe precipitation in Tianjin at night on 3 July 2022 |
综合利用地面加密自动气象站资料、分钟降水资料、多普勒天气雷达资料及风廓线资料等，对2022年7月3日夜间发生在天津市津南区的一次极端强降水进行了详细诊断分析，结论主要如下。
(1) 此次过程发生在500 hPa无明显低值天气系统、低层也无天气尺度低空急流背景下，主要由中小尺度强迫造成，具有明显的局地性、突发性、极端性等特点。造成降水的β中尺度对流系统以组织性较高的多单体风暴形式呈现，其由零散回波组织合并形成，雷达回波质心较高，呈现出大陆强对流型回波特征。
(2) 高温高湿环境下，边界层975 hPa切变线的增强与地面中尺度辐合线相配合，再加上中层干冷空气入侵导致大气不稳定性增强，导致了初始对流的触发。
(3) 降水发生后，冷池不规则出流边界的左前侧和右前侧有两个γ中尺度涡旋生成(V1和V2)。其中左前侧的V2涡旋不断增强，其发生发展与对流系统内强回波及强降水的出现相一致，认为V2是造成局地极端强降水的最直接中小尺度系统。该涡旋基本位于边界层内，自下向上发展且向上游倾斜，倾斜角约为3.4°，其形成机制主要归因于底层冷池的强迫作用。
(5) 夜间边界层惯性振荡导致的非地转风顺转以及逐渐形成的逆温层结导致来自海上的东南暖湿气流不断加强为边界层急流，并造成0.1~2.5 km垂直风切变增强，其与增强的冷池之间相互作用并达到短暂平衡，因而导致冷池出流边界前侧的涡旋V2不断增强，并直接造成其附近的津南站分钟雨强快速增长且持续数分钟，最终导致了极端短时强降水的出现。
对于华北地区夏季夜间常出现的这种局地突发的强降水过程，特别是在天气尺度强迫较弱的形势下，其预报难度极大，潜势预报常常无法做到准确把握降水落区及量级。本文的分析表明，夜间出现的来自海上的偏东边界层急流在本次降水过程中起着重要作用，从时空尺度来看，该边界层急流属于中尺度急流，因此必须依赖更精细的垂直观测资料或分辨率更高的中尺度数值模式才能捕捉到。当边界层急流方向与对流系统冷池相向移动时，需加强地面加密自动气象站及雷达径向速度场的分析，高度关注冷池边界前侧中尺度涡旋的发生发展及其可能带来的强降水，为临近预警的发布争取时间。
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