引言

2008年8月11日05—06时和11—13时(北京时)在渤海西岸区的河北省抚宁县牛头崖镇、唐海站分别出现1小时雨量超100mm单站大暴雨天气，多单体风暴水平尺度分别为15km×25km和25km×45km，垂直高度为9～13km，3～4小时累积雨量达170～220mm。由于降雨强度大，降雨时段集中，牛头崖镇、唐海县城大范围积水，积水深度普遍60～70cm，部分低洼地区房屋水深1.5m，3万人受灾，经济损失惨重。次天气尺度系统背景下，时间间隔4小时，海岸带地区先后出现中γ、β尺度两起大暴雨天气，比较罕见。目前，中尺度数值产品参差不齐^[1]，云图、雷达中小尺度非线性外推等^[2]处于探讨阶段，对于不明显影响系统的突发性中小尺度系统暴雨的短时预报技术仍以定性为主，可预报性偏低，一般对于中β、γ尺度降水系统Z-R关系^[3]及非常规资料同化^[4]研究以1小时雨量为单位较多，以分钟甚少，而突发性中小尺度天气系统生命史一般1～2小时，中间1分钟雨量峰值可达4mm，10～20分累积雨量可达致灾的60mm，从临近预报服务角度分析，显然对于1小时雨量大于1 00m m以上中γ、β尺度降水系统时空尺度因子与对象是不匹配的，实际预警信号时效发布不足2 0分钟，就是可供群众转移时间小于10分钟。在本次预报过程中，对于前期中γ尺度大暴雨预报，主观外推03时的中β尺度雷达回波带可能在10时影响本站为中雷阵雨，结果在05时回波带前部出现大暴雨，后期08时的回波带减弱，预报下午一般雷阵雨，结果12时在回波带底部又出现大暴雨，初步分析该区域0～6小时突发性暴雨空、漏报的技术原因为：在中尺度数值预报引导下，主观平移中尺度回波区，对中γ、β尺度生消机理认识不足，忽略减弱回波带“死灰复燃”的一些强对流因子，因此，对于基层台站来说，利用现有中尺度监测网从中小尺度切入，充分利用雷达及非常规加密资料，寻找与预报对象时空尺度相匹配的预报因子，延长中γ、β尺度影响系统的预报时效，是增强短时临近预警能力有效途径之一。

1 天气背景、MM5检验及中尺度物理量诊断简析 1.1 天气背景

中γ、β尺度大暴雨天气的发生是次天气尺度系统背景特定条件下的产物, 次天气尺度与中尺度相互作用，必然导致中低层风场、气压、湿度场短时变化及中γ、β尺度系统的衍生。而突发性中小尺度大暴雨的强度、出现的地点又与大气稳定度、动力因子、水汽条件及特殊地理环境有十分密切的关系。由于强降水出现在06时和12时前后，所以08时形势场可以近似代替本次过程的空间变化背景资料。在11日08时(北京时，下同)500hPa图上(图 1)，秦皇岛地区为次天气尺度弱低槽，地面为弱的均压场，950hPa上，一支来自渤海的东风暖湿气流维持了8～12小时，为先后2个单站大暴雨天气发生，提供了必要的形势场条件。从图 2(见彩页)初步看出05—06时中γ尺度大暴雨区距“母体”回波带170km, 是间接影响；而12—13时中β尺度大暴雨落区为减弱的母体回波带底部新生强多单体风暴，是直接影响：下面河北海岸带地面中尺度监测网(有200个加密雨量未标注)实时资料和中尺度物理量诊断模式(60km×60km)格点资料的进一步分析，增强了时空尺度的分辨率，为中γ、β尺度大暴雨的基本特征及异同点分析提供一些客观依据。

在本次预报过程中，对于前期中γ尺度大暴雨预报，主观外推03时的中β尺度雷达回波带可能在10点影响本站为中雷阵雨，结果在05时回波带前部出现大暴雨，后期08时的回波带减弱，预报下午一般雷阵雨，结果12时在回波带底部又出现大暴雨。初步分析该区域0～6小时突发性暴雨空、漏报的技术原因为：对中γ、β尺度生消机理认识不足，忽略减弱回波带“死灰复燃”的一些强对流因子，但中尺度物理量场分析的垂直速度、饱和比湿及中尺度监测网实时资料对0～3小时预报订正尚有指示作用。

1.2 水汽条件中尺度物理量诊断

应用北京大学中尺度物理量诊断模式(60km×60km)格点资料对11日08时(北京时，下同)105°E为中心, 沿39°N纬向比湿剖面(图 3)，水汽条件^[5]分析是短时强降水预报着眼点之一，充沛的水汽供给和短期补充是维持短时间中γ、β尺度强降水的重要条件，尤其是不同层面湿平流的宏观动态叠加，中层水汽水平输送主要来自于中低层700hPa次天气尺度的西南—南暖湿空气平流，比湿大于8g·kg^-1；低层渤海^[6]高湿区输送则来自950 hPa以下东—东南风，比湿大于14g·kg^-1；雷达VWP(图略)上，950hPa附近维持6～8小时东南—东风，把渤海低层的暖湿气流迅速地向西岸区上风坡输送; 01—05时地面场暴雨区临近5个加密自动站(图略)相对湿度由84%升至95%并维持少变，为中γ、β尺度大暴雨提供了充沛的水汽条件，是1小时降水达到100mm主要因素之一。

1.3 垂直速度中尺度物理量诊断

图 4给出了11日08时(北京时)105°E为中心, 沿39°N纬向垂直速度剖面。由图 4可以看出此次过程从低层至200hPa均为上升区，-3.6hPa·h^-1最大值区域在5～6km之间，接近于两个大暴雨区上空，在东—西向100～125°E有两组中β天气尺度上升与下沉区，12小时后(图略)东移入海，最大值区域高度降至3～4km，数值也下降为-2.8hPa·h^-1。08时散度场低层950hPa中心值-8hPa·h^-1辐合区，对应300hPa中心值为+12hPa·h^-1辐散区(图略)，这种次天气尺度环流背景下的垂直波动引起的中尺度上升与下沉运动的交替变换，导致不同层面中β天气尺度水平风场的辐合辐散，为前期γ尺度强降水系统的发展和β尺度后期新生提供了必要动力^[7]条件。

2 中γ尺度大暴雨分析 2.1 单站中γ尺度大暴雨雷达回波特征分析

天气雷达是探测降水系统的主要手段^[8]，是中β、γ尺度大暴雨及强对流天气进行决策和预警的主要工具之一。目前，新一代天气雷达可提供3个基数据(RDA)和70多个反演产品(R PG), 通过PUP主用户终端供预报员选择运用，比较常用的有反射率因子、平均径向速度、回波顶高ET、风廓线VWP等。从11日03时00分(北京时)秦皇岛雷达组合反射率因子CR38图(图 5，见彩页)中明显看出，在北京一线中β尺度混合云45dBz回波带(66km×280km)缓慢东移，其前部有多个大于50dBz中γ尺度的块状回波，与主回波带明显分离，在距秦皇岛雷达站89°、46km处生成55dBz最强回波区——大暴雨A区(15km×25km)，移向北北西，雷达PUP产品同步认定为中气旋(图 6，见彩页)，在风场垂直结构上，VWP风向风速顺时针随高度增大(图 7)，850hP a以下为大于12m·s^-1的超低空东北向急流，局部放大(图 6，见彩页)为普通双单体风暴(05—06时大暴雨)，ET大于8km，反射率因子剖面A区γ尺度的回波上下强度基本一致，无弱回波区，双峰区后部偏弱，速度剖面底层径向辐合高层为发散形态，疑似重力波能量呈扇形频散所致。

2.2 VCS/RCS垂直剖面与同步降水峰值分钟雨量分析

目前，对于中β、γ尺度降水系统研究以小时雨量为单位较多^[2]，以分钟甚少，而本次暴雨A区突发性中小尺度天气系统生命史为2小时，中间1分钟雨量峰值可达3.6mm，10～20分累积雨量可达致灾的50mm，从超短时预报角度分析，显然对于小时雨量大于100m m以上中γ尺度(15km×25km)降水系统时空尺度因子与对象是不匹配的。因此，用分钟雨量对应6分钟雷达体扫资料来寻找新的可预报因子是切入点之一。暴雨A站(39.50.05 °N、1 19.23.55°E，H15m)γ尺度降水系统持续2小时，总量170mm，1小时雨量105mm出现在05—0 6时，分钟最大3.6mm有2个峰值，之间间隔20分钟，大于2mm持续时间约34分，与雷达反射率因子、回波顶高6分钟资料具有一致性(图 8，见彩页)。

2.3 重力波特征分析

大气重力波的研究^[9]是中尺度天气动力学主要内容之一，卫星、雷达及加密自动站是主要监测工具。大多数学者^[10]认为“大振幅的重力波与中β、γ尺度强对流天气的发生有密切关系，主要条件是Ri＜0.25”，当重力波造成的辐合和辐散传播到位势不稳定海岸带区域时激发对流天气的快速发展，同一时刻不同下垫面作用相反，如图 10(见彩页)同一经度距离38km北部半山区对流天气被抑制。而此次疑似重力波个例有4点，①中γ尺度大暴雨落区与点源“母体回波带”距离大于100km，中间有多个大于55dBz次中β尺度(25km×45km)的带状回波，2小时“体扫”300km空间双剖面有明显波动传播且有新多单体风暴产生。②山海关08时探空：Ri＜0.05, K指数29.3, 风速垂直切变＞16m·s^-1。③雷达回波覆盖区域地面加密自动站暴雨前3小时无辐合线且均压场凌晨无海风摩擦辐合，暴雨回波区邻近2测站气压振幅0.1～2.0 hPa，偏东风风速小波振动小于4m·s^-1，与经典小振幅规则型重力波相似。④暴雨前后2～ 3小时中尺度格点资料垂直速度中心高度5～7km，速度大于3.0hPa·h^-1，垂直位移，500～800m。而另一起大暴雨，虽然与同一中尺度回波带有关，但不满足上述①②条件，恰好相反，与重力波关系小，定为另类区别，也从反方向初步确定中γ尺度大暴雨与重力波有关。

2.3.1 雷达反射率因子纬向300km空间双剖面与地面同步气压波动变化

11日02时54分在北京一线中β尺度混合云30～45dBz回波带(66km×280km)缓慢东移，相对γ尺度强对流天气区域，可以视为理论重力波点源，并引起重力波能量呈扇形频散，其前部1.5度仰角反射率因子有多个大于55dBz次中β尺度(25km×45km)的带状回波(图 9，见彩页)，1小时后在下游生成新的大于55dBz中γ尺度(15km×25km)的块状回波，雷达反射率因子纬向300km空间双剖面(图 10、11，见彩页)，比较真实地监测到所谓的“水平方向重力波波包频散效应”和空间波动激发新对流云团发展过程。

2.3.2 北京、山海关探空

10日20时北京探空渤海西岸区大暴雨落区上空700hPa的T-T_d≤3℃; K指数达到39 ℃，SI指数为-2.0，大多数条件对产生大暴雨非常有利。但是，11日08时上游北京探空不稳定能量为负值区，K指数为29℃，SI指数为1.0，不利于对流发展。由此推断，不稳定能量平流作用来自于前方中β天气尺度回波带激发出的重力波，与上面垂直速度剖面和11日03时55分雷达反射率因子纬向300km空间双剖面结论相近似(图略)。

2.3.3 地面加密资料

重力波发展的基本条件为Ri＜0.25, 风速垂直切变大于16m·s^-1，而较强的低层静力稳定度主要是增强重力波的地面气压振幅。由于大暴雨落区恰好位于两个标准测站之间给重力波的监测带来机遇。暴雨落区恰好在秦皇岛和抚宁站之间，水平距离小于30km。通过时间分辨2分钟地面气压资料分析，暴雨回波区邻近2测站气压振幅0.1～2.0hPa且上游抚宁站低谷出现时间比大于100mm值区提前35分钟(图 12)，强降水时段周期60～100分钟；近地面(图 13)偏东风风速小波振动小于4m·s^-1，与经典小振幅规则型波相似，结合上述物理量场及雷达双剖面分析结果表明：具有明显的重力波特征。

3 单站B中β尺度大暴雨分析 3.1 单站中β尺度大暴雨雷达回波资料分析

从11日05时在北京一线中β尺度混合云35dBz回波带(66km×280km)减弱东北移动，5小时后在中β尺度低层弱切变扰动加之中午热力条件下，使得位能、水汽潜热大量释放得到动能迅速激活减弱混合云30dBz回波带，其底部在10时30分距秦皇岛雷达站160°、98km处重新加强，生成55dBz强回波区(25km×45km)，即单站B强烈双单体风暴(12—13时大暴雨)，移向东南，为弱回波带新生型(图 14, 见彩页)，对应大暴雨区，ET大于13km，VWP风风场用时间代替空间，在2.1km高度有明显弱切变线(图 15)，900m以下持续超低空东风气流。进一步中γ尺度剖面分析：2.4度速度图局部放大后中层有“小尺度的速度逆风区”，中心风速-5m·s^-1，预示着海岸带地区降水天气有增强趋势并可能伴有强雷暴天气。

3.2 中β尺度强降水峰值VCS/RCS垂直剖面与同步分钟雨量分析

暴雨B(39.16.40 °N、118.27.12°E，H3m)VCS/RCS3个时次垂直剖面与同步分钟雨量资料具有一致性(图 16，见彩页)。VCS垂直剖面低层弱切变辐合随双单体合并快速增强，海区风向来自东—东南, 径向速度随高度增大5～27m·s^-1，对应RCS垂直剖面为双质心中β尺度对流风暴，回波强中心与分钟雨量峰值相对应，降水系统持续3小时，总量220mm，小时最大雨量122mm, 出现在12—13时，分钟最大4.6mm, 有2个峰值，之间间隔10分钟，大于2mm, 持续时间约30分钟。

4 中γ、β尺度暴雨异同点分析 4.1 相同点

两次大暴雨在同一次中尺度尺度背景下，均与上游“母体”中β尺度混合云35dBz回波带(6 6km×280km)移动有关；地理条件相似，为河北海岸带地区，降水强度与海区偏东风水汽短期输送呈正比，小时雨量均大于100mm；均为双质心对流风暴，强降水时相对引导风静止，能量释放后，沿引导风运动，没有冰雹天气。

4.2 不同点

触发机制、尺度及出现时间不同，中γ尺度暴雨与重力波相关联，为普通多单体风暴，地面无辐合线扰动，而暴雨B是弱回波新生型与低层辐合线及热力因子有关，为强多单体风暴；水平与垂直尺度不同，VWP有明显区别，复合多单体两者径向速度风场垂直剖面结构差异较大；准静止状态前期移向不同，持续时间不同。

5 结语

(1) 在次天气尺度低值系统背景下，950hPa上，维持8～12小时东风暖湿气流，中尺度物理量场的动力及水汽因子有利于强降水，为后期单站大暴雨天气发生，提供了必要的条件；预报区上游存在“母体”中β尺度混合云45dBz回波带缓慢东移，以重力波能量频散方式激发出多个新的中γ尺度55dBz复合单体风暴，造成下游海岸带秦皇岛一线中γ尺度大暴雨天气；随着主体回波带减弱东移，在弱切变扰动和热力因子作用下，其底部重新生成强双单体风暴，导致唐海一线新中β尺度大暴雨发生；而中β尺度界定基于雷达GPS与加密站GIS质心定位及RAD基数据时空剖面。

(2) 中γ尺度多单体风暴发展过程，地面加密自动站暴雨前3小时无辐合线且均压场凌晨无海风摩擦辐合，上游中β尺度相互作用，是间接影响，由重力波造成的辐合和辐散传播到10 0km以外位势不稳定区域时引发中γ尺度对流天气，预报区Ri＜0.02, 风速垂直切变＞16m·s^-1，邻近2测站气压振幅0.1～2.0hPa且低谷出现时间比大于100mm峰值区提前35分钟，周期60～100分钟；与同步雷达反射率因子空间(13km×300km)剖面基本一致，具有明显重力波特征，可作为1小时预报因子。而中β尺度强多单体风暴发展过程为：在减弱东移30dBz回波带底部(是直接影响)，低层弱切变扰动加之中午热力条件，使得位能水汽潜热释放得到动能迅速激活中β尺度混合云回波块(25km×45km), 强度由30dBz增至55dBz，ET大于13km，VWP风场用时间代替空间在2.1km高度有明显弱切变线，当降水达到峰值后随即消失，VW P风场转标准强雷暴结构，仍可维持小时雨量大于50mm, 可作为1小时预报因子。

(3) 处于准静止状态中γ、β尺度55dBz多单体风暴，中心位置距离海岸线6～12km, 海区持续偏东风作用与高层引导气流相反，影响小尺度系统移速移向且提供充沛水汽；反射率因子局部放大后中高层均有“双核”小尺度质心，两个小γ尺度强对流复合体互相拖带或原地旋转，偏离引导气流，故短时相对静止，相对延长局地降水时间。

(4) VCS/RCS垂直剖面与同步强降水峰值分钟雨量分析，中γ、β尺度双单体风暴小时雨量达到100mm分钟雨量分布为：2mm分钟雨量大于30分钟且有两个峰值，大于3mm分钟雨量大于1 0分钟且有两个峰值。经4个预报个例回放试报，不明显系统突发性中γ、β尺度暴雨可预报时效为30～40分钟。

(5) 天津与秦皇岛同步资料校对，CR值差5dBz，间距大于75km，唐海个例径向速度0.5°较一致，1.5°、2.4°差异较大，给双雷达风场资料反演带来困难。重力波研究仅限于雷达和地面加密资料特征分析，但是重力波激发中γ、β尺度强对流天气的发展取决于Ri。由于篇幅限制未加入云图分析及新的相似个例分析。