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  气象   2021, Vol. 47 Issue (11): 1369-1379.  DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2021.11.006

论文

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王啸华, 郑媛媛, 张盛曦, 等, 2021. 一次准静止中尺度对流系统维持机制研究[J]. 气象, 47(11): 1369-1379. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2021.11.006.
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WANG Xiaohua, ZHENG Yuanyuan, ZHANG Shengxi, et al, 2021. Study on the Maintenance Mechanism of a Quasi-Stationary Mesoscale Convective System[J]. Meteorological Monthly, 47(11): 1369-1379. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2021.11.006.
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资助项目

国家重点研发计划(2018YFC1507503)和江苏省“333工程”科研项目(BRA17521)共同资助

第一作者

王啸华,主要从事强对流天气预报、雷达资料应用等研究.E-mail: njbocai@163.com

通信作者

郑媛媛,主要从事雷达气象和天气预报研究.E-mail: zhengyy63@sina.com.

文章历史

2020年6月9日收稿
2021年9月27日收修定稿
一次准静止中尺度对流系统维持机制研究
王啸华 1, 郑媛媛 2, 张盛曦 3, 慕瑞琪 3, 吕润清 3    
1. 南京大学,南京 210023
2. 南京气象科技创新研究院,南京 210009
3. 江苏省气象台,南京 210044
摘要:2016年7月7日凌晨,受中尺度对流系统(MCS)影响,南京出现突发性局地特大暴雨,MCS发展持续近8 h,包括对流触发、准静止后向传播、强降水超级单体和冷池驱动四个阶段,造成严重内涝。利用多普勒雷达、自动站、风廓线、中国区域再分析、江苏融合同化分析等多源资料详细分析造成这次强降水过程的天气背景和MCS的演变特征,结果表明中尺度前倾高空槽过境诱发地面低压,加强了地面辐合,形成上升运动,触发了线性对流风暴。3~6 km高度西南气流显著增强,β中尺度次级环流左侧被抬升和γ中尺度低层低压与西南气流的有利配置,使得南京上空MCS表现出后向传播的准静止特征,最终发展成为持续8个“雷达体扫”时长的强降水超级单体。强降水超级单体中强降水拖曳作用形成下沉气流,导致近地面出流,在南侧激发新的对流,MCS缓慢向南移动。随着MCS内下沉气流加强,地面出现冷池,强烈地面辐散加速MCS移动,强降水过程结束。
关键词中尺度对流系统(MCS)    后向传播    强降水超级单体    冷池    
Study on the Maintenance Mechanism of a Quasi-Stationary Mesoscale Convective System
WANG Xiaohua1, ZHENG Yuanyuan2, ZHANG Shengxi3, MU Ruiqi3, LYU Runqing3    
1. Nanjing University, Nanjing 210023;
2. Nanjing Joint Institute for Atmospheric Sciences, Nanjing 210009;
3. Jiangsu Meteorological Observatory, Nanjing 210044
Abstract: In the early morning of 7 July 2016, due to the influence of mesoscale convective system (MCS), a sudden local rainstorm occurred in Nanjing. Development of the MCS including convection triggering, quasi-stationary backward propagation, heavy rainfall supercell and cold pool driving lasted for nearly 8 hours, resulting in serious waterlogging. The synoptic background and MCS evolution characteristics of this heavy rainfall process are analyzed in detail by using multi-source datasets from Doppler radar, automatic stations, wind profile, China regional reanalysis (CNRR), Jiangsu merged assimilation analysis and so forth. The results show that a mesoscale forward-tilting trough induced low pressure at the surface, strengthening convergence, forming an uplifting movement and triggering linear convective storms. The warm and humid southwesterly flow between 3 km and 6 km was significantly enhanced. The favorable configuration of the uplifted left side of meso-β scale secondary circulation, the meso-γ scale low-level low pressure and the southwesterly flow made the MCS over Nanjing exhibit a quasi-stationary feature of backward propagation, eventually leading to a heavy precipitation supercell in eight consecutive radar volume scans. The drag effect of heavy precipitation formed a downdraft, which led to the outflow near the surface and stimulated a new convection on the south side, causing the MCS to move slowly to the south. As the downdraft strengthened in the MCS, a cold pool appeared on the ground. The strong divergence accelerated the movement of the MCS, and then the heavy precipitation process ended.
Key words: mesoscale convective system (MCS)    backward propagation    heavy precipitation supercell    cold pool    
引言

局地暴雨的监测诊断和预报预警一直是气象部门的业务重点。关于局地暴雨的形成机理,国内外气象工作者已有诸多研究(张舒阳和闵锦忠,2018江丽俐等,2018胡雅君等,2020王莹等,2021)。其中,针对局地暴雨发生时对不同尺度天气系统的相互作用研究表明,在有利的大尺度环流形势下,中尺度对流系统(MCS)是产生局地暴雨的直接原因。更具体地说,由于总降水量与降水率和降水持续时间直接相关(Doswell et al,1996Chappell,1986),因此当MCS中的对流单体在固定区域重复通过时更容易诱发间歇性的短时强降水最终造成局地暴雨(何群英等,2009)。Schumacher and Johnson(2005)利用雷达资料统计1999—2001年美国洛基山东部的极端暴雨过程时提出了“后向传播MCS”的概念,其雷达回波特征表现为新单体不断在原系统上游的某个特定区域周期性地生成,并沿平行于对流线的方向移入系统后部。众多研究指出,MCS的后向传播是一种非常有利于局地暴雨的组织形式(王晓芳和崔春光,2012俞小鼎,2013Wang et al,2016张宁等,2017王珏等,2019Hitchcock and Schumacher, 2020)。王晓芳和崔春光(2012)将2010年6—7月长江中下游地区降雨日的线状MCS分为8类,发现后向传播MCS在所有线状MCS中所占的比重居第二位。王珏等(2019)分析湖北省极端短时强降水MCS的雷达回波特征,归纳出类似的结论。此外,俞小鼎(2013)对于北京“7·21”暴雨过程研究中发现,偏南向的低空急流受到了太行山地形的强迫抬升作用,使得新生单体不断在降水区的西南侧生成,随后向东北偏北方向移动,新生单体反复经过同一个地区,导致极端降水。这些研究加深了对局地暴雨和MCS的认识。

近年来,在全球变暖的背景下,江淮地区极端暴雨频次呈现增加趋势。2016年7月7日凌晨,南京出现突发局地暴雨,17个站1 h雨量超过50 mm,8个站3 h雨量超过100 mm。上游新生对流单体依次移入南京上空,形成的“后向传播MCS”是造成这次强降水的直接原因。由于中小尺度系统的演变过程复杂,此次突发局地暴雨预报预警难度大,实际业务中客观和主观预报均发生漏报,预警信号未在强降水发生前提前发布,且预警级别不够。因此有必要对其发生发展机制进行分析,以提高对这类天气的预报预警能力。

1 实况

受高空槽影响,2016年7月6日白天江苏淮河以南地区出现大范围降水,雨量不大。20时(北京时,下同)以后,沿江中东部降水增强,雨量为大到暴雨。6日22时至7日00时南京附近降水逐渐停止。7日00—01时,中尺度对流系统在南京市区南部突然触发并迅速发展,02—06时对流系统准静止少动,造成局地持续强降水。07时以后,系统向东南方向移动,降水随之减弱直至消失。自动观测站资料显示,7日00—08时,南京主城和江宁的73个自动观测站中有14个站降水量超过100 mm、21个站超过50 mm,最大降水量(259.9 mm)出现在市区的梅山二中(图 1a)。01—05时,梅山二中的累计降水量达258.3 mm,其中02—03时1 h降水量达到129.2 mm(图 1b)。这次暴雨过程具有突发性和局地性,中尺度特征明显,短时间降水强度之大较为罕见。受其影响,南京市区和江宁区出现大范围积水,部分小区被淹,7日上午南京公交、地铁运营中断,交通接近瘫痪。

图 1 2016年7月7日00—08时南京8 h累计降水量分布(a) 和梅山二中逐小时雨量(b) Fig. 1 Observed 8 h accumulated rainfall in Nanjing (a) and hourly rainfall at Meishan Second Middle School (b) in 00:00-08:00 BT 7 July 2016
2 大气层结稳定条件

6日20时,500 hPa高空槽南移到江苏沿淮地区,南京位于西南—东北走向的狭长显著湿区(南京位于图 2a中红色三角处)、高空槽前的深厚湿层中(图 2a)。700 hPa南京上空为14 m·s-1的西南气流,南京位于湿舌顶部和西南气流显著流线的顶端。大气的最大可降水量为57.3 mm,CAPE值达到2004.9 J·kg-1,抬升凝结高度为1 km,沙氏指数为-1.84℃,且550 hPa以下为深厚的湿层,550~300 hPa为相对干区,不稳定特征明显(图 2b)。

图 2 2016年7月6日20时天气图(a)和南京温度对数压力图(b) (图2a中,蓝色线条:500 hPa等高线,单位:dagpm; 黑色风羽:500 hPa风;红色三角:南京的位置) Fig. 2 Synoptic chart (a) and skew T diagram of Nanjing (b) at 20:00 BT 6 July 2016 (in Fig. 2a, blue line: contour at 500 hPa, unit: dagpm; black wind barb: winds at 500 hPa; red triangle: location of Nanjing)
3 对流风暴的中尺度演变特征

受高空低槽和切变线影响,6日08—20时沿江和苏南地区中到大雨,局部出现暴雨。20时以后,降水回波主体东移入海,沿江以南降水逐渐停止。近4小时左右的降水间歇后,南京上空局地对流风暴触发并快速发展,雷达回波演变显示,造成此次强降水的MCS从生成到完全消散,其生命史长达到8 h,先后经历了局地触发、准静止后向传播、强降水超级单体和冷池驱动发展四个阶段。

3.1 对流风暴触发机制

7日00时开始,江宁境内有多个对流风暴单体快速触发。至00:12,5个对流单体在江宁大部和句容局部地区呈东北—西南向线性排列(图 3a),单体的中心回波强度都在40 dBz以上,最强超过60 dBz,回波顶高度约3~5 km,垂直累积液态含水量为5~20 kg·m-2。垂直结构来看,对流单体西侧回波梯度较大,整体随高度向东倾斜(图 3b)。研究表明,这种倾斜结构有利于前后对流单体的合并从而使得对流单体尺度增大、强度增强(French and Parker, 2014Ping et al,2014黄勇等,20122013翟菁等,2012)。00:18,距离最近、对流较强的单体C和D首先发生合并,30分钟后,B、C、D三个对流单体已经合并成一个多单体风暴,并向东西两侧扩展,对流单体A、E也在局地发展(图略)。经过上述过程,至01:20南京上空已形成较密实的对流回波带,对流回波强度为45~50 dBz,回波顶高增大到11~12 km,垂直累积液态含水量增大到25~40 kg· m-2。南京市区和江宁的降水迅速增强,市区梅山二中站7日00:30雨强增大到2 mm·min-1

图 3 2016年7月7日00:12南京雷达1.5°仰角反射率因子(a)和沿图3a中白实线自南向北反射率因子垂直剖面(b) Fig. 3 The radar reflectivity of Nanjing at 1.5° elevation (a) and reflectivity profile along the white solid line in Fig. 3a from south to north (b) at 00:12 BT 7 July 2016

王华和孙继松(2008)代刊等(2010)谌芸等(2012)方翀等(2012)郭英莲等(2012)研究表明,地面辐合线有利于局地对流的触发和发展。分析本次过程中对流风暴触发之前的地面自动站风场发现,地面风力较小且风向比较杂乱,未见明显的地面辐合系统(图略)。而南京6 min间隔的风廓线(图 4)显示,6日23:54至7日01:00,2.5~4.5 km高空自上而下由偏南风或偏西风转为西北风或偏北风(如图 4中红色曲线所示),表明有高空槽过境,高空先转为北风,高空槽且具有前倾特征。相同时段,高淳和六合的风廓线一直为西南气流(六合、南京、高淳风廓线雷达位于图 4b中红色三角处),未观测到高空槽,从时空尺度判断是一个中尺度的高空槽,中尺度前倾高空槽过境诱发了地面低压。7日00:24—01:12近地面0.5 km以下由偏东风转成东南风再转为东北风(如图 4中绿色箭头所示),这表明南京附近出现近地面低压。

图 4 (a) 2016年7月6日23:36至7日02:00南京6 min间隔风廓线,(b)六合、南京、高淳风廓线雷达位置(红色三角) (图4a中,红色实线:风场由偏南风或偏西风转为西北风或偏北风,绿色箭头:风场由偏东风逐渐转为东北风) Fig. 4 The 6 min wind profile of Nanjing from 23:36 BT 6 to 02:00 BT 7 July 2016 (a) and wind profile stations' location (red triangle) of Luhe, Nanjing and Gaochun (b) (in Fig. 4a, red solid line: the wind turning from southerly or westerly to northwesterly or northerly, green arrow: the wind gradually turning from easterly to northeasterly)

近地面低压的形成引起了地面辐合,地面散度场和雷达回波叠加演变图显示(图 5),从7日00时开始风暴发展区域的散度负值快速增大,7日00:11在触发的线性回波带附近有-10 m·s-1·(°)-1的辐合中心, 00:29辐合中心散度负值增加到-20 m·s-1·(°)-1以上,00:42形成-30 m·s-1·(°)-1以上强辐合中心,且范围显著扩大,与之相对应的线性分布的对流回波迅速发展增强,形成强对流回波带。之后辐合中心在原地维持,虽有所减弱但直到01:20仍维持着-10 m·s-1·(°)-1以下,期间对流回波带继续发展加强。

图 5 2016年7月7日00:11(a)和00:49(b)南京雷达1.5°仰角反射率因子(填色) 叠加地面散度[等值线,单位:m·s-1·(°)-1] Fig. 5 The radar reflectivity (colored) of Nanjing at 1.5° elevation and surface divergence [contour, unit: m·s-1·(°)-1] at 00:11 BT (a) and 00:49 BT (b) 7 July 2016

上述分析表明:中尺度前倾高空槽过境诱发地面低压,进而引起地面辐合快速增强,导致了对流回波带的迅速发展,是此次极端强降水对流风暴的触发机制。

3.2 准静止的后向传播机制

7日01:30开始在对流带的西侧不断有新的对流回波生成,向偏东方向移动并入南京上空,使得原有对流系统发展加强;而当对流回波向东移过南京上空,则迅速减弱,这一特征一直持续到03:40(图 6a6b)。由03:00反射率因子垂直剖面图可见,多个对流风暴单体合并加强,且50 dBz以上强回波一直延伸至地面,大部分位于零度层高度(4.7 km,由20时南京探空计算得到)以下,属于低质心高效率降水对流风暴(图 6c)。受其影响,梅山二中站01:30—03:30累计降水达到215.5 mm,连续4个时次10 min降水量超20 mm(图 6d)。此外,对流单体整体随高度向东倾斜,在向东移动发展过程中,对流单体高度向上伸展,但在对流带东侧回波强度明显减弱,对流风暴整体呈现出准静止的后向传播特征。

图 6 2016年7月7日03:00(a)和03:30(b)南京雷达1.5°仰角反射率因子(白色方框:对流回波带),03:30沿图6a白色线段反射率因子剖面(c),01:00—03:40梅山二中站逐10 min雨量(d) Fig. 6 The radar reflectivity of Nanjing at 1.5° elevation at 03:00 BT 7 (a) and 03:30 BT 7 (b, white box: convective echo zone), reflectivity profile along the white solid line in Fig. 6a from south to north (c), and 10 min rainfall of Meishan Second Middle School from 01:00 BT to 03:40 BT 7 (d) July 2016

南京6 min间隔风廓线雷达资料显示,7日01:30开始1.5 km以下东南风、1.5~5 km高度西南风逐渐增强。03:00,3~5 km高度西南风逐渐达到12 m·s-1以上(图 7中红色透明区域所示),03:30之后3~5 km高度西南风转为偏南风,3 km以下偏南风转为东南风,南京上空3~5 km高度西南风转为偏南风(图 7)。西南气流加强发展阶段时间, 正好与对流回波带西侧不断有对流单体生成、东移并入对流风暴的时间相对应。西南气流的加强发展加大了南京上空大气层结的不稳定度,为强降水带来了充沛的水汽和能量。

图 7 2016年7月7日01:24—03:48南京6 min间隔风廓线 (红色区域:西南风风速逐渐达到12 m·s-1) Fig. 7 The 6 min wind interval profile of Nanjing from 01:24 BT to 03:48 BT 7 July 2016 (red area: the area where the southwest wind speed gradually reaches 12 m·s-1)

南京大学使用WRF模式,采用非静力平衡控制方程,以欧洲中心全球再分析资料为初始边界条件,同化多源观测数据研发的高分辨率中国区域数据资料(CNRR)空间分辨率为18 km, 时间分辨率为1 h。Zhang et al(2017)研究表明,使用高分辨率CNRR资料代替传统的观测数据,在业务预报及科学研究中,具有可行性和优越性。因此,本文应用CNRR资料对这次强降水过程进行了分析。图 8是CNRR沿32°N的相对湿度、温度、v-w纬向剖面,可以看到6日20时在120°E以东为干空气,900 hPa以下近地面为弱的偏东风,850 hPa以上为偏西风,湿区主要集中在700 hPa以上(图 8a)。7日02时由于沿江中东部降水,高空湿度减小,干空气由高空向下,自东向西楔入,干舌底部抵达118°E,900 hPa以下近地面偏东风增强,在干舌顶端形成风速辐合上升运动。同时,700 hPa高空西南气流加强,118°E附近偏西风风速辐合,形成上升运动。对流层中低层和近地面的上升气流叠加,加强了从地面到高空的上升气流。上升气流在500 hPa以上被向东平移后,在120°E以东下沉补偿干舌,导致低层向西的出流,从而形成闭合的β中尺度次级环流C(如图 8b)。西南暖湿气流在环流C左侧被抬升,释放凝结潜热,又加强了环流左侧即南京上空的上升气流,这与徐亚钦等(2019)研究浙江典型梅雨锋强降水区的环流特征较接近。结合风廓线和雷达回波资料分析得到,7日01时以后南京上空的西南气流开始逐渐发展,正环流的倾斜上升运动区在南京附近加强,对流系统强烈发展。

图 8 2016年7月6日20时(a)和7日02时(b)沿32°N的相对湿度(填色),温度(红色实线,单位:℃),v-w合成纬向剖面(黑色实线:次级环流) Fig. 8 The zonal profiles of relative humidity (colored), temperature (red solid line, unit: ℃) and v-w along 32°N (black solid line: secondary circulation) at 20:00 BT 6 (a) and 02:00 BT 7 (b) July 2016

为进一步分析γ中尺度的风暴演变特征,本文应用分辨率达到1 km的江苏融合同化分析资料,该资料是利用江苏省高精度数值预报系统(PWAFS)进行同化分析(PWAFS系统包括ARPS的3DVAR同化子系统及WRF模拟子系统),以NCEP的0.5°×0.5°分辨率再分析资料为背景场,生成水平分辨率为9 km、垂直方向上51层的数值模拟结果,将此结果插值到1 km分辨率,作为背景场,同化南京、常州、淮安及泰州多普勒天气雷达反射率及径向速度资料,生成水平分辨率1 km、垂直方向上51层的同化分析资料。7日03时江苏融合同化分析资料风场和回波叠加图(图 9)显示,南京附近1.2 km高度上,对流回波带西侧存在一个γ中尺度气旋性涡旋,对应的低压中心D位于强对流主体回波西南方向,50 dBz以上的强对流回波主体处于低压倒槽两侧东南风和东北风的辐合区之中(图 9a)。3 km高度上,气旋性低压辐合中心D位于对流回波带西侧的50 dBz强回波主体附近,同时南京处于一支明显的西南气流A之中,119°E附近低压D南侧气旋环流B为西南风,与西南气流A叠加,使气旋性辐合增强,加强了对流的发展。而在119.5°E以东,低压中心D东侧气旋性辐合明显减弱,导致对流移入后快速减弱(图 9b)。上述分析可见,南京西部中低层辐合上升形成的低压和3 km高空西南气流的有利配置,导致对流回波带西侧对流持续发展,东移后在对流回波带东侧快速减弱。

图 9 2016年7月7日03时南京站1.2 km(a)和3 km(b)雷达回波(填色)与反演风场叠加 Fig. 9 The radar reflectivity (colored) and retrieved wind fields of Nanjing Station at the heights of 1.2 km (a) and 3 km (b) at 03:00 BT 7 July 2016
3.3 强降水超级单体

03:30开始,雷达回波图上MCS由带状逐渐转为团状,强回波中心反射率因子达到60 dBz,径向速度图上出现明显的“速度对”且结构较深厚(垂直延展厚度6 km),03:30—04:20,连续8个“雷达体扫”在钩状回波处出现中气旋,中气旋底高在2.0~2.4 km, 顶高3.0~5.4 km,切变在04:01达到最大(23×10-3 s-1表 1)。根据江苏2005—2014年发生过的1 370个中气旋统计,只有7.6 %生命史超过5个体扫,最大风切变平均值为20.5×10-3 s-1(王易等,2018田荟君等,2018),可见此处属于强中气旋。04:13,回波顶高(ET)为15 km,垂直积分液态含水量(VIL)最大达67 kg·m-2,对应中气旋M北侧的秣陵街道自动气象站03:50—04:20降水达到45.6 mm(图 10),对流回波和中气旋以5 km·h-1的速度向东南方向缓慢移动,对流风暴发展为强降水超级单体。

表 1 2016年7月7日03:42—04:26强降水超级单体中的中气旋A0底高、顶高、最大切变高度、切变 Table 1 The bottom and top height of meso-cyclone A0, the height of maximum shear and the shear in the heavy precipitation supercell from 03:42 BT to 04:26 BT 7 July 2016

图 10 2016年7月7日04:13南京雷达1.5°仰角反射率因子(a),2.4°径向速度(b,黄色圆圈:中气旋),垂直积分液态含水量(c),7日03:50—04:40秣陵街道逐10 min降水(d) Fig. 10 Radar reflectivity at 1.5° elevation (a), radial velocity at 2.4° elevation (b, yellow cycle: meso-cyclone) and VIL (c) of Nanjing at 04:13 BT 7, 10 min rainfall of Moling Street from 03:50 BT to 04:40 BT 7 (d) in July 2016

04:01中气旋M切变最强时刻,沿南京雷达站和中气旋中心雷达反射率因子强度剖面(图 11a)可见,中气旋M位于发展旺盛的对流主体前侧,强对流回波由触发阶段倾斜于地面转变为垂直于地面向上伸张,55 dBz以上对流回波伸展到9 km附近, 45 dBz的对流回波伸展到12 km附近, 65 dBz以上对流回波02:48在2.5~3 km、04:01上升到3 km左右、04:29上升到3.2 km高度附近(图略)。长生命史中气旋与上升气流重合或者部分重合增加了上升气流的垂直螺旋度,使得对流系统生命史延长,同时中气旋与环境相互作用导致上升的气压梯度力增强了上升气流,从而导致了强降水。

图 11 2016年7月7日04:01沿南京雷达和中气旋中心连线的径向剖面(a)反射率因子(白色矩形:反射率因子≥50 dBz;棕色圆形:中气旋),(b)径向速度(J1:中层入流;J2:下沉气流;J3:上升气流;棕色圆形:中气旋) Fig. 11 Cross-sections of reflectivity (a; white box: reflectivity ≥50 dBz, brown circle: meso-cyclone) and radial velocity (b; J1: middle-level inflow, J2: downdraft, J3: updraft, brown circle: meso-cyclone) along the white line from Nanjing Radar to the center of meso-cyclone at 04:01 BT 7 July 2016

04:01沿南京雷达站和中气旋中心径向速度剖面(图 11b,图中白色轮廓为50 dBz以上强回波区域)可见,后侧中层入流J1在强降水拖曳作用形成对流风暴内的下沉气流J2,在近地面向外辐散,导致M下方近地面了出现远离雷达的出流区域,在出流区右侧形成出流边界,强迫前方对流层低层朝向雷达的暖湿气流J3向上爬升,在现有对流主体的前方触发新的对流,同时,3 km高度上,出流的“正速度”与入流的“负速度”形成强烈的水平风切变,维持了中气旋发展。区别于其他类型的超级单体,低层入流方向位于中气旋移动方向的前侧,中气旋大部分被包裹强降水中,是强降水超级单体的重要特点(张文龙等,2019)。整个强降水超级单体期间,中气旋和“出流区”一起向远离雷达方向移动,且中气旋所在高度和出流区域的高度向上扩展。值得注意的是,这一阶段对流风暴内仍有较强的上升气流存在,整体下层气流不强,在地面未见明显的中尺度高压和冷池,对流风暴主体向南移动的速度较慢。

3.4 冷池发展

04:30以后,对流风暴内部逐渐形成强烈的下层气流,高层冷空气被带到地面,在地面形成冷池和中尺度地面高压。地面高压导致的强烈辐散出流在风暴主体东南侧不断触发出新的对流,从而导致整个对流风暴迅速向东南方向移动,同时地面冷池和中尺度地面高压随风暴主体移动。06时左右风暴主体移到溧水,地面冷池和出流也达到了最强,地面出现了低于22.8℃的“冷中心”和70 m·s-1·(°)-1以上的地面辐散中心。23℃等温线以内风向呈现反气旋性环流,23℃等温线以外风向穿过等温线呈现明显出流,在出流前侧为新生的强回波区(图 12)。07时对流风暴移入溧阳境内,此后回波强度快速减弱,体积减小,09时最终在距雷达站东南方的120 km处消散。

图 12 2016年7月7日(a)05:59南京雷达1.5°仰角反射率因子(填色)叠加地面散度[等值线,单位:m·s-1·(°)-1)],(b)06:20南京雷达1.5°仰角反射率因子(填色)叠加地面温度(等值线,单位:℃)和风场(风羽, 单位:m·s-1) Fig. 12 The radar reflectivity (colored) of Nanjing at 1.5° elevation and surface divergence [contour, unit: m·s-1·(°)-1] at 05:59 BT (a) and the radar reflectivity of Nanjing at 1.5° elevation (colored), surface temperature (contour, unit: ℃) and wind (wind barb, unit: m·s-1) at 06:20 BT (b) 7 July 2016
4 结论

本文分析了2016年7月7日凌晨南京出现的极端短时强降水过程的环境条件和触发、维持发展机制,主要结论如下:

(1) 2016年7月7日凌晨南京特大暴雨过程对流触发前,地面未出现明显风向或风速辐合,中尺度的高空前倾槽过境诱发地面低压,加强了地面辐合,形成上升运动,触发了线性对流风暴。

(2) 沿江中东部干空气下沉形成干舌自东向西楔入,干舌顶端风速辐合上升与南京上空已经触发对流的上升运动叠加,形成β中尺度的次级环流,发展加强的西南暖湿气流在次级环流左侧(南京)被上升气流抬升,释放潜热能量,对流加强发展,又反过来加强了次级环流,形成正反馈机制。

(3) 南京西部中低层辐合上升形成的γ中尺度低压和3 km高空西南气流的加强有利于对流回波带西侧对流持续发展,导致MCS在南京表现出准静止特征。MCS最终发展成强降水超级单体,强降水超级单体中强降水拖曳作用形成下沉气流,导致近地面辐散出流,随着MCS内下沉气流加强,地面出现冷池,强降水过程结束。

目前江苏地区初步完成业务S波段天气雷达双偏振功能升级,基于双偏振天气雷达可以揭示形成短时强降水对流风暴微物理过程,提高对局地突发特大暴雨的监测和预警能力。

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