2024, Vol. 50 
2. 天津市气象台，天津 300074；
3. 中国民航大学，天津 300300
2. Tianjin Meteorological Observatory, Tianjin 300074;
3. Civil Aviation University of China, Tianjin 300300
暴雨容易引发城市内涝、山体滑坡和泥石流，是影响我国的主要灾害性天气之一，常给社会经济和人民生命财产安全带来严重危害，其分析和预报一直是气象工作者关注的重点。目前国内外对于典型天气形势或多尺度天气系统相互作用下的暴雨研究较多，如2012年“7·21”(俞小鼎，2012；孙军等，2012；Zhang et al，2013)和2016年“7·20”(赵思雄等，2018；Xia and Zhang, 2019)，但局地突发性暴雨的发生往往没有明显的天气尺度系统发展，属于弱天气尺度强迫背景或非典型天气形势。由于大气斜压性弱，大尺度预报信号不明显，数值模式表现出极大的局限性，此类局地突发性暴雨预报难度很大(Weckwerth et al，2019)。国内对弱天气尺度强迫背景下的局地暴雨已进行了较多的理论研究。潘留杰等(2015)通过多个个例分析了夏季弱天气系统强迫下黄土高原强对流云的初生及演变，指出弱天气系统强迫下对流云的触发可分为地形、干线、冷池、暖堆、辐合线等五种机制；Wang et al(2014)、Wu and Luo(2016)、傅佩玲等(2018)、叶朗明等(2019)、唐佳等(2021)、李琴和邓承之(2021)指出在弱天气尺度背景下暴雨触发与中尺度过程和有利的下垫面特征有关，如山脉抬升作用、地面中尺度边界等；徐珺等(2018)、田付友等(2018)、伍志方等(2018)对2017年5月7日无明显天气尺度系统配合的广州局地突发性特大暴雨进行分析，指出小尺度地形辐射降温和城市热岛导致的高温度梯度区有助于触发对流。这些研究揭示了弱天气尺度强迫背景下中小尺度天气系统与强降水落区、强度的关系。
目前针对华北地区弱天气尺度强迫背景下的局地突发性暴雨研究较少。张楠等(2018)对2014年8月16日天津地区非典型环流形势下局地暴雨过程的中尺度特征进行分析，指出露点锋、边界层辐合线的相互作用是触发局地强降水的主要机制；谌芸等(2018)、孙密娜等(2018)、雷蕾等(2020)、杨晓亮等(2021)则分别针对不同的槽前暖区暴雨案例进行分析，指出边界层中尺度辐合线等中尺度系统是强降水发生的关键因子。上述过程虽非经典流型配置，但亦存在低空急流或低空暖切变线等天气尺度系统影响，而对于无天气尺度强迫背景下的局地突发性暴雨鲜有研究，仅陈双等(2016)、王莹等(2021)、杨晓亮等(2022)对副热带高压控制区内无任何天气尺度系统影响的局地突发性暴雨触发和维持机制进行分析，指出对流系统受边界层中尺度系统支配，尤其是海陆风、山谷风、城市热岛环流等的耦合效应。上述研究虽然提高了预报员对华北地区弱天气尺度强迫背景下局地突发性暴雨的认识，但是这种非典型环流形势下的局地突发性暴雨的发生发展机制非常复杂，尚需进一步深入探讨。
天津地处渤海西岸，受海风与热岛耦合影响，每年夏季中心城区及环城四区局地突发性暴雨频繁发生，由于历时短、范围小、雨强大，且突发性特征明显，此类暴雨是当前气象预报预警业务中的难点，在城市内涝承载力弱的情况下往往给人民生命财产带来极大隐患。2018年7月22日12:00—14:00(北京时，下同)、2019年7月18日13:00—15:00，以及2021年8月23日14:00—16:00(以下分别简称“7·22”“7·18”“8·23”过程)天津中心城区附近均出现γ中尺度突发性暴雨，其中“7·18”和“8·23”分别伴有1个站和4个站7级以上雷暴大风，“7·22”则未出现雷暴大风，上述过程均属于无天气尺度系统影响或弱天气尺度强迫的非典型天气形势。从短期预报来看，由于大尺度预报信号不明显，数值模式表现出极大的局限性，业务预报中基本漏报；从短时临近预警来看，局地对流何时、何地触发，对流触发后原地减弱消亡或快速发展加强，也给预警服务增加了很大的不确定性。由于三次过程均以突发性暴雨天气为主，本文重点针对弱(无)天气系统影响下为何出现强降水、为何仅在中心城区附近出现强降水、对流是如何被触发等业务难点，探讨弱(无)天气尺度强迫背景下的中小尺度对流系统演变特征和发生发展机理，为局地突发性暴雨提供预警着眼点，以提升预警服务能力。
1 资料数据本文采用的资料包括欧洲中期数值预报中心ERA5再分析(0.25°×0.25°)、加密自动气象站、多普勒天气雷达和变分多普勒天气雷达分析系统(VDRAS)等高时空分辨率资料。其中，ERA5再分析资料用于大尺度环流背景分析；加密自动气象站资料用于地面气温、气压、风场及散度场的中尺度特征分析，地面散度场由加密自动气象站风向风速计算得到；多普勒天气雷达资料来源于天津塘沽站CINRAD/SA雷达，海拔高度为69.8 m；VDRAS反演资料由北京城市气象研究院提供(陈明轩等，2011)，时间分辨率为18 min，空间分辨率为5 km×5 km。
2 过程概况2018年7月22日12:00—14:00、2019年7月18日13:00—15:00、2021年8月23日14:00—16:00天津中心城区附近不足20 km区域内均出现局地突发性暴雨天气。图 1分别为“7·22”“7·18”“8·23”天津地区加密自动气象站累计降水量分布。其中，2018年7月22日12:00—14:00加密自动气象站3个站累计降水量超过50 mm，最大降水量为64 mm，最大雨强为62.4 mm·h-1；2019年7月18日13:00—15:00 3个站累计降水量超过30 mm，最大降水量为52.9 mm；2021年8月23日14:00—16:00 7个站累计降水量超过30 mm，最大降水量为44.6 mm，其累计降水量虽未超过50 mm，但已达到天津地区暴雨蓝色预警信号发布标准(1 h降水量达到30 mm以上)。三次强降雨均具有历时短、雨强大、局地性强、突发性明显等特点，10 min最大降水量分别达21.1、19.5、23.4 mm，具有显著的中小尺度对流性降水特征。强降雨导致中心城区部分路段积水严重，虽未造成人民生命财产安全损失，但突发性强降雨造成的社会反响给气象部门预警服务工作带来了不小压力。
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图 1 (a) 2018年7月22日12:00—14:00, (b)2019年7月18日13:00—15:00, (c)2021年8月23日14:00—16:00天津地区累计降水量分布 Fig. 1 Distribution of accumulated precipitation in Tianjin from (a) 12:00 BT to 14:00 BT 22 July 2018, (b) 13:00 BT to 15:00 BT 18 July 2019 and (c) 14:00 BT to 16:00 BT 23 August 2021 |
2018年7月22日14:00(图 2a，2d)，500 hPa西太平洋副热带高压(以下简称副高)强盛，形成东西带状的高压坝，588 dagpm等高线北界位置超过了40°N，台风安比位于副高南侧苏沪沿海一带，天津局地突发性暴雨发生在副高内部，850~500 hPa均受反气旋性环流控制，地面亦位于入海高压后部。2019年7月18日14:00(图 2b，2e)，500 hPa欧亚中高纬为“两槽一脊”，天津受脊前的弱西北气流控制，850 hPa虽受偏南气流控制，但其与台风丹娜丝外围偏东气流在华北东部形成反气旋性环流形势，地面图上同样处于高压后部。2021年8月23日14:00(图 2c，2f)，500 hPa蒙古冷涡位于44°N、108°E，其底部低槽位于河套地区，冷涡和低槽位置均明显偏西，天津受槽前西南气流控制，850 hPa则在蒙古中部、山东中部和东北地区分别存在一个低涡中心，天津亦受三者之间的反气旋性环流控制，地面则处于大尺度低压带前部。三次局地突发性强降雨分别发生在副高内部、大陆高压脊前、高空槽前暖区，由于无明显天气尺度系统主导，预报预警难度很大。
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图 2 (a，d)2018年7月22日14:00, (b，e)2019年7月18日14:00, (c，f)2021年8月23日14:00(a~c)500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm), 850 hPa风场(风羽)及(d~f)海平面气压场(等值线，单位：hPa) 注：▲代表局地暴雨位置。 Fig. 2 (a-c) Geopotential height (contour, unit: dagpm) at 500 hPa, wind field (barb) at 850 hPa and (d-f) sea level pressure (contour, unit: hPa) at (a, d) 14:00 BT 22 July 2018, (b, e) 14:00 BT 18 July 2019 and (c, f) 14:00 BT 23 August 2021 |
因天津未设探空站，本文采用距离天津中心城区局地暴雨位置约100 km的北京探空资料分析暴雨发生前的环境大气层结状况(图 3)。从图中可以看出，三次局地暴雨发生前925~850 hPa以西南暖湿气流为主，“8·23”西南风风速8.6 m·s-1，“7·22”和“7·18”西南风风速2~5 m·s-1，未出现低空急流，但对流层中下层垂直方向“上干下湿”特征显著，环境大气呈条件不稳定层结状态。其中，“7·22”和“8·23”对流有效位能(CAPE)分别达到1035 J· kg-1和2018 J·kg-1，而“7·18”CAPE仅147 J·kg-1。值得注意的是，三次局地突发性暴雨均发生在中午前后，仅采用当日08:00北京站探空资料不能完全代表天津下垫面特征，因此利用暴雨发生前天津中心城区地面观测资料对北京探空进行订正，“7·18”“7·22”“8·23”订正后CAPE分别达到1476、2192、2310 J·kg-1，同时对流抑制(CIN)均低于20 J·kg-1，环境大气具备较高的对流不稳定能量和较小的对流抑制能量。此外，局地暴雨发生前0~6 km风矢量差分别为16.4、5.1、10.3 m·s-1，14:00局地暴雨发生期间分别减弱至8.3、3.2、5.3 m·s-1，垂直风切变较弱，但三次过程发生前抬升凝结高度均较低，仅0.2~0.4 km，0℃层高度分别为5.2、5.3、4.3 km，暖云层较深厚，且低层均存在一定的湿层，有利于水汽凝结并形成强降水。
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图 3 (a) 2018年7月22日08:00, (b)2019年7月18日08:00, (c)2021年8月23日08:00北京站订正后T-lnp图 Fig. 3 Revised T-lnp diagram of Beijing Station at (a) 08:00 BT 22 July 2018, (b) 08:00 BT 18 July 2019 and (c) 08:00 BT 23 August 2021 |
综上所述，三次局地突发性暴雨过程虽没有明显天气尺度系统提供动力强迫背景，但水汽条件和不稳定条件均较好，具有一定的对流潜势。在大气热力条件有利于对流发生发展的情形下，局地突发性暴雨发生时间和地点应该与中小尺度系统有关，因此有必要通过高时空分辨率的观测资料对其中小尺度特征进行分析。
4 地面自动站温压场和风场特征边界层是地表与大气之间水汽和能量交换的重要场所，其内部的温度、气压、风场等条件变化往往对局地暴雨的产生发挥重要作用(孙继松等，2006)。图 4分别给出了天津地区三次局地突发性暴雨过程发生前的地面扰动温度和海平面气压分布情况。从加密自动气象站温度分布来看，天津中心城区附近均存在孤立的扰动温度正值中心，尤其“7·22”和“7·18”扰动温度中心值达到1.2℃以上，形成了较明显的城市热岛。此外，由于海陆下垫面吸收太阳辐射差异导致的非均匀加热特性，天津东部沿海温度明显低于内陆地区，沿海温度低值区与城市热岛暖中心之间形成明显的水平温度梯度，其中“7·22”和“7·18”中心城区东侧温度梯度更为显著。从海平面气压场来看，与热岛相应的中心城区南部均存在中尺度暖低压。城市热岛以及海陆下垫面热力差异使得中心城区附近温压场具有明显的非均匀分布特性，中尺度暖低压及其东侧的高温度梯度为对流发生发展提供了有利的环境条件。
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图 4 (a) 2018年7月22日11:10，(b)2019年7月18日12:40，(c)2021年8月23日13:20加密自动气象站扰动温度(填色)和海平面气压(等值线，单位：hPa)分布 注：字母D代表低压中心。 Fig. 4 Distribution of perturbation temperature (colored) and sea level pressure (contour, unit: hPa) from automatic weather stations at (a) 11:10 BT 22 July 2018, (b) 12:40 BT 18 July 2019 and (c) 13:20 BT 23 August 2021 |
从降水前近1 h的加密自动气象站风场和散度场分布(图 5a~5c)来看，在城市热岛暖低压作用下，天津中心城区附近(39.0°~39.2°N、117.1°~117.3°E)地面风场表现为风向辐合特征，其中，“7·22”暖低压辐合强度为-2.0×10-4 s-1，“7·18”和“8·23”暖低压辐合强度较弱；而中心城区以东则表现为与等风速线密集带相对应的偏东风风速辐合特征，三次过程偏东风风速辐合中心强度均达到-2.5×10-4 s-1。此后，天津沿海偏东风进一步向中心城区推进，当城市热岛暖低压辐合与偏东风风速辐合相遇时，两者共同作用使得中尺度辐合明显加强，辐合中心值均达到-3.0×10-4 s-1(图 5d~5f)。城市热岛暖低压与偏东风风速扰动共同作用形成的中尺度辐合系统，为局地突发性暴雨的发生发展提供了有利的动力抬升条件，这与张赟程等(2017)研究城市热岛与海风环流相互作用得到的结论基本一致。
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图 5 2018年7月22日(a)11:10和(d)11:40，2019年7月18日(b)12:40和(e)13:20，2021年8月23日(c)13:20和(f)13:50加密自动气象站地面风场(风羽)、纬向风速(等值线，单位：m·s-1)和散度(填色)分布 Fig. 5 Distribution of surface wind field (barb), zonal wind speed (contour, unit: m·s-1) and divergence (colored) from automatic weather stations at (a) 11:10 BT and (d) 11:40 BT 22 July 2018, (b) 12:40 BT and (e) 13:20 BT 18 July 2019, (c) 13:20 BT and (f) 13:50 BT 23 August 2021 |
为了进一步探讨天津中心城区和沿海地区下垫面气象要素特征差异及其与中小尺度辐合系统的关系，选取位于中心城区的天津城市气候监测站和东部沿海的塘沽国家级气象观测站，对比分析两个站气温、气压、风向、风速时间演变(图 6)。从图中可以看出，三次局地突发性暴雨发生前天津城市气候监测站气温均呈明显上升趋势，而塘沽站气温均上升缓慢或稳定少变，两者气温差异逐渐增大，有利于形成高温度梯度，其中“7·22”和“7·18”两个站温差分别达4.4℃、3.9℃，“8·23”因塘沽站阵雨温差短暂加大，但中心城区局地突发性暴雨发生前温差约1.9℃。随着温差增大，天津城市气候监测站气压明显低于塘沽站，两个站气压差达1.0~1.2 hPa，有利于中心城区附近暖低压系统的发展。从风场演变来看，塘沽站“7·22”和“7·18”长时间受来自渤海的偏东风控制，且中午时段均出现了明显的海风加强，“8·23”在降水发生前1 h转受偏东风控制，同样出现了明显的海风加强，偏东风风速均增强至3.0~3.5 m·s-1，而天津城市气候监测站三次过程均表现为风速较小、风向多变的特点，两个站之间风向和风速的差异也有利于地面中小尺度辐合系统的形成。
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图 6 (a，d，g)2018年7月22日08:00—13:00，(b，e，h)2019年7月18日08:10—14:10，(c，f，i)2021年8月23日08:00—15:00天津城市气候监测站(红线)和塘沽站(黑线)(a~c)地面气温，(d~f)海平面气压，(g~i)地面风的变化 注：▲代表局地暴雨开始时间。 Fig. 6 Variation of (a-c) surface temperature, (d-f) sea level pressure, (g-i) surface wind at Tianjin Station (red line) and Tanggu Station (black line) from (a, d, g) 08:00 BT to 13:00 BT 22 July 2018, (b, e, h) 08:10 BT to 14:10 BT 18 July 2019 and (c, f, i) 08:00 BT to 15:00 BT 23 August 2021 |
2018年7月22日11:42—11:54、2019年7月18日13:24—13:36、2021年8月23日13:48—14:00天津中心城区附近雷达组合反射率图中分别有孤立的γ中尺度对流单体新生(图略)，初生单体均在两个体扫的时间内迅速发展为不小于50 dBz的强对流单体，水平尺度不足10 km，此时对应的0.5°仰角基本反射率图中尚未出现强回波，强降水尚未接地。图 7分别给出了“7·22”“7·18”“8· 23”突发性暴雨过程中三个典型时刻的0.5°仰角基本反射率分布，从图中可以看出，“7·22”初生对流于12:00—12:06接地，初始对流单体移动非常缓慢，准静止地维持在天津站附近，持续产生降水，12:30其东南侧再次有γ中尺度对流单体新生，两者迅速合并发展，强回波范围有所扩大，水平尺度接近20 km，12:54回波结构略松散，随后对流快速减弱消亡；“7·18”强回波于13:36—13:42接地并在东风里站附近稳定维持，14:18—14:48初始对流逐渐减弱消亡，同时其西南侧又有对流单体新生，缓慢向南偏西方向移动后减弱消亡；“8·23”强降水回波于14:06—14:12接地，14:54快速发展并向西北方向移动至华苑小区附近，超过40 dBz的区域明显扩大，随后向西北方向移出中心城区。三次突发性暴雨过程初生对流均位于地面中尺度辐合线附近，且对流发展维持期间雷达径向速度图中均嵌有γ中尺度涡旋与强回波对应(图略)，旋转速度仅7.5 m·s-1，维持时间较短且较浅薄，在中尺度辐合线和中尺度涡旋的共同作用下，天津站、东风里站、华苑小区站在较短时间内降水量分别达到64.0、52.9、44.6 mm。三次过程均属于典型的由本地新生对流导致的γ中尺度暴雨过程，初始对流基本在中心城区及其附近生成，发生发展突然且生命史短，强降水突发性和局地性特征明显。
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图 7 (a~c)2018年7月22日，(d~f)2019年7月18日，(g~i)2021年8月23日塘沽多普勒雷达0.5°仰角基本反射率 Fig. 7 Base reflectivity at 0.5° elevation of Doppler radar in Tanggu on (a-c) 22 July 2018, (d-f) 18 July 2019 and (g-i) 23 August 2021 |
以局地暴雨中心观测站为代表，对塘沽多普勒雷达反射率因子和加密自动气象站逐6 min降水量演变(图 8)分析表明，三次局地暴雨过程均表现为明显的积状云对流回波特征，最大反射率因子超过50 dBz，持续时间仅1 h。不同的是，“7·22”对流初生阶段强反射率因子出现在5~8 km，回波顶高超过14 km，具有高质心对流结构特征，“7·18”和“8·23”对流初生阶段回波顶高和强回波质心明显低于“7·22”，对流伸展高度均不足8 km，成熟阶段“7·18”和“8·23”大于30 dBz回波主体的伸展高度同样低于“7·22”。虽然三次过程反射率因子垂直分布特征存在较大差异，但成熟阶段超过45 dBz的强回波均集中在5 km以下，具有高效的低质心暖云降雨特点，加密自动气象站对应6 min降水量分别达11.7、12.2、14.4 mm，这也是三次过程均产生强降水的主要原因。
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图 8 (a) 2018年7月22日11:00—14:00天津站，(b)2019年7月18日12:30—15:30东风里站，(c)2021年8月23日13:30—16:30华苑小区站逐6 min雷达反射率因子(填色) 时间-高度演变和降水量变化(蓝线) Fig. 8 Time-height variation of 6 min radar reflectivity factor (colored) and variation of precipitation (blue line) at (a) Tianjin Station from 11:00 BT to 14:00 BT 22 July 2018, (b) Dongfengli Station from 12:30 BT to 15:30 BT 18 July 2019 and (c) Huayuan Station from 13:30 BT to 16:30 BT 23 August 2021 |
在没有明显天气尺度系统提供动力强迫背景下，地面中尺度辐合系统在局地突发性强降水中往往起着主导作用，预报难点在于局地突发性对流何时、何地触发，因此深入分析中小尺度辐合系统与初生对流之间的关系尤为必要。图 9给出了“7·22”“7·18”“8·23”三次局地突发性暴雨过程γ中尺度对流单体初生时刻，雷达组合反射率与地面风场、散度场的分布情况。从图中可以看出，中心城区附近地面风场和散度场均表现为强的中尺度辐合特征，初生对流与中尺度辐合区存在明显的对应关系，散度中心值均达到-3.5×10-4 s-1，与对流触发前(图 5a~5c)相比辐合中心强度显著增强，初生的γ中尺度对流单体位于地面辐合上升区内，但并未在地面最强辐合中心正上空，而是对应辐合中心边缘。可见地面中尺度辐合系统在对流初生阶段起着重要的动力触发作用，是局地突发性暴雨发生的重要原因，而辐合强度达到-3.5×10-4 s-1是初生对流得以触发的关键阈值。
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图 9 (a) 2018年7月22日12:00，(b)2019年7月18日13:30，(c)2021年8月23日14:00加密自动气象站地面风场(风羽)、散度(虚线，单位：10-4 s-1)和雷达组合反射率(填色)分布 注：蓝线代表辐合线，字母D代表辐合中心，蓝色箭头表示风向。 Fig. 9 Distribution of surface wind field (barb) and divergence (dashed line, unit: 10-4 s-1) from automatic weather stations and radar composite reflectivity (colored) at (a) 12:00 BT 22 July 2018, (b) 13:30 BT 18 July 2019 and (c) 14:00 BT 23 August 2021 |
为了进一步探讨局地突发性暴雨的初生对流与地面中小尺度辐合强度的关系，图 10给出了三次局地突发性暴雨过程中心城区附近最小散度与最大降水量时间演变。从图中可以看出，降水开始前2~3 h中心城区附近已表现为辐合特征，但散度中心值仅为-2.0×10-4 s-1左右；此后辐合中心强度虽有波动，但总体呈现逐渐增强趋势，降水发生前地面中尺度辐合强度均已达到-3.5×10-4 s-1，随后地面加密自动气象站开始出现降水。可见，地面中尺度辐合系统强度与初生对流触发存在很好的对应关系。
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图 10 (a) 2018年7月22日10:00—14:00，(b)2019年7月18日11:00—15:00，(c)2021年8月23日12:00—16:00逐10 min最小散度(红线)和最大降水量(黑线) Fig. 10 10 min minimum divergence (red line) and maximum precipitation (black line) from (a) 10:00 BT to 14:00 BT 22 July 2018, (b) 11:00 BT to 15:00 BT 18 July 2019 and (c) 12:00 BT to 16:00 BT 23 August 2021 |
为了深入探讨三次局地突发性暴雨过程中尺度对流系统的触发机制，通过北京城市气象研究院提供的VDRAS反演风场资料进一步分析中尺度流场垂直结构特征。图 11给出了三次局地突发性暴雨过程的u-20w合成风场垂直剖面。从图中可以看出，三次过程天津中心城区附近均呈现低层辐合、高层辐散配置特征，强烈的辐合上升运动为暴雨发生提供了有利的抬升触发条件，辐合上升气流水平尺度约20~30 km，最强辐合中心均位于0.5 km以下的近地层，且1.5 km以下均存在来自渤海的偏东气流。但在不同的大尺度环流背景制约下，三次过程的中尺度辐合系统垂直结构呈现明显的差异性。其中，“7·22”处于强盛的副高控制下，深厚的西南暖湿气流与来自渤海的偏东气流在天津中心城区东侧117.4°E附近交汇，形成伸展至3 km的深厚且近乎垂直的中尺度辐合层；“7·18”中高层受冷涡后部西北或偏西气流控制，低层则为风向一致的偏东气流，中尺度辐合系统仅由浅薄的偏东风风速辐合造成，且风速辐合随高度向西倾斜，位于中心城区附近117.0°E的辐合层伸展高度不足1 km；“8·23”反气旋性环流的中心位于天津北部，其南侧偏北或东北气流与渤海偏东气流形成中尺度辐合系统并随高度向东倾斜，位于中心城区东侧117.4°E的辐合层伸展高度接近2 km。结合雷达反射率因子(图 8)分析发现，边界层中尺度辐合系统的垂直结构差异是造成回波垂直分布差异的主要原因，“7·22”在伸展至3 km深厚且近乎垂直的中尺度辐合系统作用下，初生对流伸展高度较高，对流发展更为旺盛，“7· 18”和“8·23”中尺度辐合系统在垂直方向呈倾斜结构，且位于暴雨区附近的辐合层较浅薄，因而回波伸展高度明显低于“7·22”，但由于“7·18”和“8·23”近地层辐合强度明显强于“7·22”，散度中心值均超过-3.0×10-4 s-1，亦造成了突发性强降水。此外，初生的γ中尺度对流单体位于地面强辐合中心边缘(图 9)，亦与边界层辐合系统的垂直结构配置以及环境垂直风切变作用下强辐合上升气流并非完全直立等有关，“7·18”和“8·23”边界层辐合上升气流明显倾斜，“7·22”地面伸展至3 km的中尺度辐合系统虽近乎直立，但在环境垂直风切变作用下, 3 km以上高度的上升气流亦逐渐倾斜。可见，边界层中尺度辐合系统是局地突发性暴雨初生对流触发的关键，辐合强度、辐合层垂直结构配置及辐合层厚度对其发生发展具有一定作用，同时来自渤海的偏东风是形成中心城区附近中尺度辐合系统的重要因素。
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图 11 (a) 2018年7月22日12:12，(b)2019年7月18日13:24，(c)2021年8月23日14:24VDRAS散度(填色)和u-20w合成风场(流线)垂直剖面 Fig. 11 Cross-section of divergence (colored) and u-20w wind field (streamline) of VDRAS at (a) 12:12 BT 22 July 2018, (b) 13:24 BT 18 July 2019, and (c) 14:24 BT 23 August 2021 |
综上所述，三次局地突发性暴雨分别发生在500 hPa副高内部、大陆高压脊前、高空槽前暖区，850 hPa均为反气旋性环流控制，地面位于入海高压后部，在没有天气尺度系统提供动力强迫背景下，天津中心城区附近局地突发性暴雨的发生取决于边界层中尺度系统，并将其归结为图 12所示的概念模型。受城市热岛及海陆下垫面热力差异作用，局地突发性暴雨发生前天津中心城区附近均存在中尺度暖低压，同时入海高压后部来自渤海的偏东或东南气流逐渐加强，城市热岛暖低压辐合与偏东风风速辐合共同作用在中心城区附近，形成明显的中尺度辐合线或中尺度辐合中心，辐合强度达到-3.5× 10-4 s-1，为局地暴雨的发生提供了有利的触发机制，初生对流在强辐合区触发并位于地面辐合中心边缘上空。
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图 12 弱天气背景下天津中心城区附近局地突发暴雨的触发机理概念模型 Fig. 12 Conceptual model of triggering mechanism for the sudden rainstorm under the weak synoptic scale background near urban area of Tianjin |
本文综合使用多种资料对比分析了2018年7月22日、2019年7月18日、2021年8月23日三次天津中心城区局地突发性暴雨过程发生发展机理，得到以下主要结论：
(1) 三次局地突发性强降雨均没有明显天气尺度系统提供动力强迫背景，500 hPa分别处于副高内部、大陆高压脊前、高空槽前暖区背景下，低层850 hPa均受反气旋性环流控制。虽无明显天气尺度系统主导，但环境大气具备较高的对流不稳定能量和较小的对流抑制能量，抬升凝结高度仅为0.2~ 0.4 km，且对流层“上干下湿”特征显著，低层均存在一定的湿层。
(2) 由于城市热岛及海陆下垫面特征差异，局地突发性暴雨发生前天津城市气候监测站气温明显升高，而沿海地区气温上升缓慢或稳定少变，两地之间温差和气压差增大，使得中心城区附近温压场具有明显的非均匀分布特性，中尺度暖低压及其东侧的高温度梯度为局地突发性暴雨的发生提供了有利的中尺度环境条件。
(3) 三次局地突发性暴雨发生前沿海地区均出现了明显的海风加强，当城市热岛暖低压辐合与偏东风风速辐合相遇，两者共同作用使得中尺度辐合明显加强，初生γ中尺度对流单体均位于地面强辐合中心边缘上空。城市热岛暖低压与海风相互作用形成的中尺度辐合系统是局地突发性暴雨发生的主要原因。
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