2026, Vol. 52 
2. 华东区域相控阵天气雷达应用联合实验室, 上海 200030；
3. 山东省青岛市气象局, 青岛 266003
2. East China Phased Array Weather Radar Application Joint Laboratory, Shanghai 200030;
3. Qingdao Meteorological Bureau of Shandong Province, Qingdao 266003
近年来，受全球气候变化影响，我国极端降水事件呈现强度增强、频次增加、局地性突显的特征(Chen and Zhai, 2013；雷蕾等，2017；Zhou et al，2017；布和朝鲁等，2022；Liu et al，2023)，由此引发的山洪、泥石流及城市积涝等灾害造成重大经济损失和人员伤亡。极端强降水的形成机制复杂，涉及天气尺度环流、中小尺度系统相互作用及复杂地形强迫等耦合过程(Luo et al，2014；Xu et al，2022；张芳等，2022；符娇兰等，2023)。其中，中小尺度对流系统的触发、组织化及维持机制是预报难点(Schumacher and Johnson, 2000；张晓茹等，2022；张元春等，2023)。近年来，随着观测技术的进步和数值模式的发展，暴雨的多尺度相互作用机制逐渐清晰。研究表明，天气尺度高低空急流配置通过提供强水汽输送和动力抬升条件影响降水强度(Du et al，2022；汪小康等，2022；马长健等，2023；张端禹等，2024)，中尺度对流系统的组织化过程及其与低空急流的耦合作用(徐珺等，2018；Du and Chen, 2019；蒲义良等，2023)也是降水强度增强的关键因素，而地形抬升与边界层过程通过增强局地辐合进一步提升降水强度(Gan et al，2019；Xia et al，2019)。苏爱芳等(2022)发现豫北地区一次极端暴雨由中低层暖湿平流强迫、地形的强动力辐合抬升及低空弱冷空气入侵三者协同引发；龚琬丁等(2023)指出山东地区一次极端暴雨中，低涡与副热带高压间增强的气压梯度会通过加强低空急流等引发极端暴雨；郑丽娜和孙继松(2024)提出泰山地形引发的垂直运动可通过影响对流触发，改变降水强度与落区分布。
此外，极端降水强度的变化还与雨滴尺度分布及其微物理过程紧密相关，不同降水类型往往伴随着独特的微物理机制。雨滴谱是云降水物理学的核心研究内容之一，其特征分析对于揭示极端降水的发展演变及微物理过程具有重要参考价值(王俊等，2021；张哲等，2022；高安春和申高航，2022；王洪霞等，2023；杨涛等，2023)。相关研究揭示了不同场景下的规律，王俊等(2023)分析2021年郑州“7·20”特大暴雨发现，降水粒子直径的增长是暴雨强度增强的主因，粒子浓度增加为次因，2~4 mm直径雨滴对总降水量的贡献率高达61.9%；申高航等(2021)指出山东一次大范围强降水阶段雨滴谱较宽且呈双峰结构，直径>1 mm的雨滴数与分钟降水量相关性达95.68%，降水减弱时，谱宽变窄且呈单峰结构，该直径雨滴数量显著减少；李山山等(2023)发现短时与持续性强降水在雨滴谱特征上存在显著差异，且分别与对流云、层状云内的微物理过程相关。综上，极端降水过程中的雨滴分布特征及其微物理过程极为复杂，不同降水类型、同一过程的不同阶段乃至不同区域所表现出的微物理机制均存在显著差异。
2023年7月12日夜间，山东南部临沂费县等地区遭遇了年度最为猛烈的极端暴雨事件，降水的突发性强，累计降水量大，并伴有极端短时强降水，最大降水量为280.9 mm，最大1 h降水量为114.1 mm，引发城乡大面积积水、洪涝等灾害。尽管业务数值模式和主观预报对此次过程做出预报，但存在累计降水量和降水极值显著偏小、强降水落区偏南等问题，致使大范围暴雨漏报。这次极端暴雨过程中，天气系统、低空急流等因素如何相互作用，共同导致了降水的突发性强、累计降水量大且伴有极端短时强降水等特征？雨滴谱特征在降水不同阶段有何差异，这些差异所反映的微物理过程如何影响降水强度及雨强变化特征？本文将利用常规观测资料、地面加密自动站资料、临沂多普勒雷达资料、费县地面雨滴谱资料和ERA5再分析资料等，探究本次暴雨发生发展的环流条件、急流演变及微物理特征，旨在为类似突发性强、局地性显著的对流性暴雨的精细化预报预警提供参考。
1 降水实况和极端性特征2023年7月12日夜间，山东南部地区遭遇了强烈的暴雨到大暴雨天气(图 1)，暴雨区主要集中在临沂、菏泽、枣庄、济宁、泰安等地，全省24 h平均降水量为48.8 mm，其中，257站次降水量为100~250 mm，7站次降水量超过250 mm，最大为280.9 mm(临沂市费县尚庄站)。本次降水过程的一个显著特征是伴随短时强降水，共有89站次小时降水量超过50 mm(表 1)，临沂费县尚庄站小时降水量达114.1 mm(21:00—22:00，北京时，下同)，10 min降水量达37.5 mm(21:10—21:20)，表现出累计降水量大、强降水时段集中和局地极端性突出的特征。
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图 1 2023年7月(a)12日08：00至13日08：00累计降水量和(b)12日夜间费县尚庄站逐10 min降水量 Fig. 1 (a) Accumulated precipitation from 08:00 BT 12 to 08:00 BT 13 July and (b) 10 min precipitation on the night of 12 July at Shangzhuang Station in Feixian County in 2023 |
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表 1 2023年7月12日08：00至13日08：00山东省最大小时降水量级分布统计 Table 1 Hourly maximum precipitation characteristics in Shandong Province from 08:00 BT 12 to 08:00 BT 13 July 2023 |
200 hPa形势场(图 2a)显示，2023年7月12日08:00鲁南地区处于南亚高压东北部气流的分流区，高空存在强烈辐散。500 hPa形势场(图 2b)表明，河南中北部一带的短波槽在东移过程中逐渐加深发展，影响山东中南部地区；同时西太平洋副热带高压(以下简称副高)强盛，呈西南—东北走向。850 hPa水汽输送通道畅通(图 2c)，西南低空急流(SW-LLJ)核位于湖南中部地区，最大风速达18 m·s-1，鲁南处于其出口区，风速辐合明显，该地区比湿普遍达16 g· kg-1，局地超过18 g·kg-1，极端强降水落区位于850 hPa低空急流出口区的左侧。高空的辐散抽吸效应配合低层辐合，共同促进鲁南地区上升运动的建立与维持。
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图 2 2023年7月12日08：00(a)200 hPa位势高度场(红色等值线，单位：dagpm)、高空急流(全风速≥30 m·s-1，填色)、风场(风羽)，(b)500 hPa位势高度场(红色等值线，单位：dagpm)、风场(风羽)、850 hPa比湿(填色)和(c)850 hPa位势高度场(红色等值线，单位：dagpm)、风场(风羽)、低空急流(全风速≥12 m·s-1，填色) 注：图b中粗实线为槽线。 Fig. 2 (a) 200 hPa geopotential height field (red contour, unit: dagpm), high-level jet stream (total wind speed ≥ 30 m·s-1, colored) and wind field (barb), (b) 500 hPa geopotential height field (red contour, unit: dagpm), wind field (barb), 850 hPa specific humidity (colored) and (c) 850 hPa geopotential height field (red contour, unit: dagpm), wind field (barb), low-level jet stream (total wind speed ≥ 12 m·s-1, colored) at 08:00 BT 12 July 2023 |
徐州探空资料显示，7月12日08：00极端强降水发生前(图 3a)，925 hPa及以下为东南风，其上为西南风，风随高度顺转，暖平流显著，对流有效位能(CAPE)为1045 J·kg-1，对流抑制能量(CIN)为162 J· kg-1，KI指数≥36℃，SI指数≤-0.44℃，大气可降水量(PW)为70.3 mm，暖云层厚度为4756 m。至20：00(图 3b)，风场结构未发生显著变化，但热力与不稳定参数等出现剧烈变化，CAPE显著跃增至4187 J·kg-1，CIN接近于零值，KI指数升高至≥45℃，SI指数降低至≤-4℃，自由对流高度低至210 m，PW增大至76.5 mm，暖云层厚度扩展至5114 m，且925 hPa以下温度露点差趋近于零值，表明了大气层结处于极端不稳定状态，极易触发深厚湿对流。
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图 3 2023年7月12日(a)08：00和(b)20：00徐州站T-lnp图 Fig. 3 T-lnp diagram of Xuzhou Station at (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT 12 July 2023 |
在强降水过程中，对流层相对湿度的变化对降水效率具有重要影响。冉令坤等(2021)的研究表明，相对湿度增大能够有效降低雨滴蒸发率，从而提高降水效率。12日20：00强降水发生前，费县尚庄区域已出现整层大气饱和现象(图 4a)，其中600 hPa以上区域相对湿度超过95%。同时，0℃层高度稳定维持在600~500 hPa。21：00—22：00的强降水时段，暖云层发展尤为显著。期间，高层湿度场发生明显变化，至13日00：00左右，300 hPa高度附近相对湿度急剧下降至80%以下。然而，在中低层，由于低空急流持续水汽输送影响，相对湿度仍维持在较高水平。这种高低层湿度场的差异一直持续到SW-LLJ与西南边界层急流(SW-BLJ)减弱消失后，中低层相对湿度也随之快速下降。进一步分析发现，12日20：00起，费县尚庄上空的暖云(雨水+云水)层开始迅速增厚(图 4b)。在极端短时强降水发生前(约21：00)，暖云层达到最大厚度，垂直范围从近地面延伸至500 hPa，650 hPa高度附近出现液态水混合比含量大值中心，强度达4×10-4 kg·kg-1，且该高湿区持续时间较长。上述结构演变表明，暖云层厚度、最大液态水混合比含量大值中心与极端强降水的发生具有显著的正相关关系。
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图 4 2023年7月12日16：00至13日02：00尚庄站(a)相对湿度、(b)液态水混合比含量的高度-时间演变 注：图a中白线为0℃层高度。 Fig. 4 Height-time evolution of (a) relative humidity and (b) liquid water mixing ratio content at Shangzhuang Station from 16:00 BT 12 to 02:00 BT 13 July 2023 |
天气尺度低空急流通常指对流层中低层900~600 hPa风速≥12 m·s-1的西南气流(朱乾根，2000；马长健等, 2023)，最大风速位于1~4 km高度，其变化主要受天气形势影响。边界层急流(风速≥12 m·s-1)的最大风速出现在1 km以下的边界层内，具有明显的日变化特征。Du and Chen(2019)、Luo and Du(2023)通过研究华南、河南等地区700 hPa和950 hPa双低空急流过程，揭示了边界层急流与天气尺度低空急流间的多种耦合机制，其中双低空急流重叠型之一，即边界层急流出口区的低层辐合与天气尺度低空急流驱动的中层辐合上下叠置，共同促进了中低层显著的垂直上升运动。2023年7月12日19：00—22：00鲁南地区亦存在此类典型重叠结构：950 hPa SW-BLJ与700 hPa SW-LLJ在垂直方向上形成耦合(图 5)。这种上下重叠的急流耦合机制通过增强中低层辐合，对12日夜间费县尚庄站出现的极端短时强降水(114.1 mm· h-1)具有决定性促进作用。
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图 5 2023年7月12日(a)19：00，(b)20：00，(c)21：00，(d)22：00 700 hPa (红色风矢)、950 hPa(黑色风矢)风速≥12 m·s-1的水平风场 注：红色三角形为费县尚庄站位置，下同。 Fig. 5 Horizontal wind field with wind speed ≥ 12 m·s-1 at 700 hPa (red vector) and 950 hPa (black vector) at (a) 19:00 BT, (b) 20:00 BT, (c) 21:00 BT and (d) 22:00 BT 12 July 2023 |
ERA5资料显示，19：00(图 5a)，华中到黄淮一带SW-BLJ呈现出一窄一宽，南北两个显著的大风速带分别位于安徽至江苏中部、湖北东北部与河南南部交界区，两者风速均超过16 m·s-1。北侧较宽的SW-BLJ准连续地向东延伸至山东南部，并与SW-LLJ头部枝状相交于山东东南部，费县尚庄站位于950 hPa SW-BLJ出口区右侧与700 hPa SW-LLJ出口区左侧之间的重叠区域中部。20：00(图 5b)，SW-BLJ顶端宽度有所收缩，SW-LLJ则有加强北进趋势，两支急流顶端呈近似正交配置。21：00(图 5c)，两支急流位置关系发生显著调整：SW-BLJ明显南落，费县尚庄站转为其左前侧；SW-LLJ进一步北进延伸至山东半岛以东海域。此时，两支急流在延伸趋势上高度重合，近乎上下平行叠置。费县尚庄站转为双低空急流的典型重叠区，即SW-BLJ出口区左侧与SW-LLJ的左前侧。该配置持续至22：00(图 5d)，之后急流南落，极端雨强出现在21：00—22：00双低空急流上下重叠区的左前侧。根据江苏邳州风廓线雷达观测(位于费县尚庄站以南约77 km处)(图略)，20:20前后，上游低空急流显著增强并垂直扩展，形成典型的双低空急流结构：700 hPa高度的SW-LLJ叠加950 hPa附近的SW-BLJ。值得注意的是，2 km高度层风速始终低于12 m·s-1的急流阈值，未能形成独立的急流中心。该双急流配置自20:20持续至22：00左右，这一观测事实与ERA5资料所揭示的急流结构特征相吻合。
垂直方向上，强降水期间双低空急流强度增强，其重叠区左前侧的上升运动显著增强。20：00，降水区上空950~650 hPa范围内的西南气流尤为强劲，至21：00(图 6)，低空急流核强度达到最大，中心位于800 hPa附近，风速达16 m·s-1。此时，低层SW-BLJ出口区左侧与中层SW-LLJ出口区左侧的辐合区相叠加，形成了深厚的低层辐合层；高层则受南亚高压东北侧分流区的辐散作用影响，构成了“低层辐合-高层辐散”的动力结构。该配置在尚庄附近激发出强烈的上升运动，急流增强进一步加剧左前侧切变辐合，促使上升运动持续增强。21：00，400 hPa和700~500 hPa分别出现两个上升运动中心，强度均超过3.5 Pa·s-1。综上，SW-BLJ与SW-LLJ出口区辐合，配合南亚高压东北侧的高空辐散共同增强了鲁南地区的上升运动，是尚庄站出现极端降水(114.1 mm·h-1)的重要动力机制。
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图 6 2023年7月12日21：00水平风场(风矢)、风速(黑色等值线，单位：m·s-1)、散度(填色) 和垂直速度(红色等值线，单位：Pa·s-1) Fig. 6 Horizontal wind field (vector), wind speed (black contour, unit: m·s-1), divergence (colored) and vertical velocity (red contour, unit: Pa·s-1) at 21:00 BT 12 July 2023 |
2023年7月12日19:00—21:00临沂雷达组合反射率因子与地面风场演变(图 7)显示，19:00，西北风与东南风在山东滕州西部交汇形成的地面中尺度辐合线(图 7a)触发了初始对流单体。随后，在环境中层西南气流引导下，对流单体向东北方向移动，并于20:00移至滕州东部，对流单体进一步发展加强(图 7b)。21:00，对流单体逐渐演变为中尺度带状回波并移至费县附近(图 7c)，费县附近的东南风与偏北风形成地面中尺度辐合线，辐合线两侧冷暖差异显著、温度梯度大。同时，相应925 hPa附近西南风也显著增强，不稳定能量和水汽随着边界层急流的加强持续输送至费县附近。地面气温数据显示，20:00尚庄站的气温不降反升，由24.6℃升至25℃。尽管20:00徐州站的0~6 km垂直风切变中等偏弱，但是20:20起低空急流的建立和增强使垂直风切变达到中等到强水平；另外，在双低空急流上下重叠区的左前侧，天气尺度辐合抬升和水汽条件较好；双急流与南亚高压东北侧高空辐散协同作用，有利于深对流的发展。21：00尚庄附近存在显著的中尺度辐合线，即存在较强的抬升触发机制，以上均为带状回波加强为强降水超级单体提供了有利条件。最终，在中尺度辐合线及其右侧、温度梯度大值区偏暖区一侧，带状回波迅速增强，发展出强降水超级单体风暴。
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图 7 2023年7月12日(a)19：00，(b)20：00，(c)21：00组合反射率因子(填色)、地面自动站风场(风羽)及气温(红色等值线，单位：℃) 注：黑色实线为地面辐合线。 Fig. 7 Composite reflectivity factor (colored), wind field (barb) and temperature (red contour, unit: ℃) of ground automatic stations at (a) 19:00 BT, (b) 20:00 BT and (c) 21:00 BT 12 July 2023 |
此次极端强降水是层积混合型降水，局地伴有明显的对流性质。大范围30~40 dBz层云降水回波嵌入强回波带或块，并观测到强降水超级单体(图 8a)。12日夜间，中尺度带状回波西南侧不断有新生对流单体生成后合并，形成与低空急流伸展方向一致的层积混合降水带。单体的后向传播导致对流雨带长时间影响同一地区，尤其是21:00—22:00，费县附近出现一条西南—东北向、强度超过50 dBz的中尺度弓状回波带，镶嵌于大片层云回波中。此外，由于回波带走向与单体移动方向近乎平行，费县及其附近的尚庄等地出现了“列车效应”，导致持续性强降水发生，尚庄站10 min级雨强演变直观地展示了这一过程(图 1b)。系统发展高度较低，回波顶高约为12 km左右，而40 dBz以上强度的回波主要集中在8 km以下(图 8b)。回波结构密实，大于50 dBz的强回波质心位于5 km以下，低于0℃层高度(5.2 km)。降水效率较高，以低质心暖云主导，具有典型的暖云降水型特征。
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图 8 2023年7月12日21:16(a)临沂多普勒雷达0.5°仰角反射率因子和(b)沿图8a中黑色实线的反射率因子剖面 Fig. 8 (a) Reflectivity factor at 0.5° elevation of Linyi Doppler Radar at 21:16 BT 12 July 2023, and (b) profile of reflectivity factor along the black solid line in Fig. 8a |
21:10开始，费县站附近风暴逐渐呈现出强降水超级单体的特征，21:16，超级单体发展趋于完整，形态更加典型(图 9a)。其东南侧包含着一个与弱回波区相关联的前侧V型缺口，缺口处镶嵌前侧中气旋，从仰角1.5°垂直伸展到3.4°，中气旋直径约4.7 km、底高为1.5 km(图 9b)，持续3个体扫。超级单体中气旋(图 9黑色圆圈)最大转动速度为16 m·s-1，属于中等强度(俞小鼎等，2006)，该中气旋被降水回波所包裹，位于弓形超级单体右侧顶端，与Moller et al(1994)关于强降水超级单体特征的研究结果相吻合。此外，弓状回波后侧V型缺口与后侧入流缺口(RIN)相对应(图 9a)。之后，超级单体进入成熟阶段，中气旋附近的辐合强度达到6.8×10-3 s-1，此时费县尚庄站10 min降水量达37.5 mm。以上分析可见，天气尺度短波槽和低空急流以及中尺度辐合线多尺度系统协同作用导致了此次极端降水的发生。
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图 9 2023年7月12日21:16临沂多普勒雷达(a)1.5°仰角反射率因子和(b)1.5°、(c)2.4°及(d)3.4°仰角径向速度 注：蓝色箭头为前侧V型缺口，黑色箭头为后侧入流急流，黑色圆圈为中气旋。 Fig. 9 (a) Reflectivity factor at 1.5° elevation, and the radial velocities at (b) 1.5° elevation, (c) 2.4° elevation and (d) 3.4° elevation in Linyi Doppler Radar at 21:16 BT 12 July 2023 |
2023年7月12日19：00—23：00是降水主要时段，其中强降水超级单体在21:05—21:22经过费县站(图 8a)，该时段的雨滴谱资料较好地捕捉并反映了强降水超级单体影响前后的微物理特性。图 10a为19：00—23：00质量加权平均直径(Dm)与降水强度(R)的关系：R＜40 mm·h-1时，Dm随R增大显著增大；R＞40 mm·h-1后，Dm增大趋势减缓，最终稳定在约2.5 mm左右。这一现象说明，在高强度降水条件下，雨滴的碰并与破碎趋于动态平衡，从而限制了雨滴直径的进一步增长。图 10b为样本Dm与截距参数(lgNw，Nw为归一化截距参数)的散点分布，依据Bringi et al(2003)的分类标准，对流降水可分为热带海洋性与大陆对流性两类：海洋性对流通常表现为较小的Dm和较高的lgNw，而大陆性对流则相反。本次降水中，多数样本点位于两类对流之间的过渡区域，海洋性区域落点较多，大陆性区域无落点(图 10b)，反映出本次降水兼具较高雨滴数浓度和较大雨滴直径的特征，属于热带海洋性与大陆对流性混合型降水。当R为20~50 mm·h-1时，Dm主要分布在1.5~2.5 mm，而lgNw分布在3.5~4.5 mm-1·m-3。随着R增强，Dm-lgNw分布向右上方偏移。当R超过100 mm· h-1时，高lgNw值与大Dm值并存，说明水汽极其丰富，雨滴碰并增长强烈，Dm随之增大，共同促成了114.1 mm·h-1的极端短时强降水。综上，这次极端短时强降水源于西南暖湿低空急流和超低空急流输送的丰富热带海洋水汽北上，并与中纬度冷空气相互作用，兼具大陆对流性与热带海洋性混合的特征，且更偏向于海洋性对流类型。
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图 10 2023年7月12日19:00—23:00费县站雨滴谱观测仪(a)R-Dm和(b)Dm-lgNw分布 注：图a中红线为基于最小二乘法拟合的全体样本曲线；图b中绿框为海洋性分布区域，蓝框为大陆性分布区域(Bringi et al，2023)。 Fig. 10 Distribution of (a) R-Dm and (b) Dm-lgNw of the raindrop spectrum observation instrument at Feixian Station from 19:00 BT to 23:00 BT 12 July 2023 |
图 11为2023年7月12日19:00—23:00经三点平滑处理的雨滴谱特征量随时间的变化，该处理有效降低了1 min样本的随机波动，更准确地呈现了特征量的变化趋势。自19:30起，粒子数浓度(Nt)与Dm的变化展现出明显的同步性。强降水发生前，Nt保持低水平，降水发生后，Nt和Dm同步增长，且两者峰值出现的时段一致。尽管Dm与R的变化趋势相近，但Nt与Dm的同步性更为显著。具体而言，R快速增大时，Dm亦迅速增大至峰值(约3.2 mm)，与该时段114.1 mm·h-1的强降水相对应。随后，Dm与Nt下降，R亦随之迅速减弱。22:00后，R再次增强时，Nt与Dm有波动式小幅激增。以上分析表明，强降水开始时，降水滴谱发生显著变化，表现在雨滴数浓度急剧增加和雨滴直径的显著增大，中小雨滴占大多数，大雨滴数量随R的增大而增多。
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图 11 2023年7月12日19:00—23:00费县站雨滴谱特征时序变化 Fig. 11 Time-series of raindrop spectrum characteristics at Feixian Station from 19:00 BT to 23:00 BT 12 July 2023 |
2023年7月12日21:00—22:00经质量控制后雨滴谱仪观测的降水粒子数量、速度与直径的分布如图 12所示，该时段降水粒子直径和速度关系与理论预期一致，粒子数量大值区紧密沿理论曲线分布。粒径为0.5~4 mm的粒子数量最集中，尤其在理论曲线附近，粒子数超4000个，4 mm附近仍高达600个以上。大雨滴的增长主要归因于碰并过程，该机制促使大雨滴吸纳众多小雨滴，导致小雨滴浓度下降。同时，雨滴尺寸增大后，增速趋缓，从而制约了大雨滴数量的急剧增加。在本次降水过程中，大雨滴的数量却异常多，这暗示了大气中水汽含量极为充沛。此外，本时段观测到直径超8 mm的粒子。Beard et al(1986)指出，自然降水粒子直径上限约8 mm，超出此范围可能因表面张力与空气阻力共同作用而破碎，因此，当前超限观测值的真实性尚不确定，可能源于真实粒子或其他因素。
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图 12 2023年7月12日21：00—22：00费县站雨滴谱观测仪观测的降水粒子数量(填色)、速度与雨滴直径的分布 注：黑色实线是雨滴下落末速度经验公式，黑色虚线是速度数据质量控制线。 Fig. 12 Distribution of precipitation particle number (colored), velocity and raindrop diameter observed by the raindrop spectrum observation instrument at Feixian Station from 21:00 BT to 22:00 BT 12 July 2023 |
基于雨滴粒子Dm的精细划分(＜1、1~2、2~3、3~4、4~5、5~6、6~7、≥7 mm)，剖析了21:00— 22:00各粒径区间粒子对降水量的贡献率及其出现占比。21:00—22:00(表 2)，从占比分布看，Dm＜1 mm和1~2 mm的小粒子占主导，分别占43.35%和41.17%，合计接近85%，2~3 mm的中粒子占11.77%，而更大粒径(Dm ≥ 3 mm)的粒子出现频率较低。这表明在本次强降水过程中，小粒径粒子在数量上占绝对优势。从对降水量的贡献率来看，2~3 mm的粒子贡献率最大，达到32.74%，尽管其占比仅为11.77%。其次是1~2 mm的小粒子，贡献率占23.48%，3~4 mm较大粒子虽然占比少，为2.95%，但是贡献率也占23.11%，4~5 mm大粒子贡献率为10.77%，而＜1 mm尽管数量多，但对降水的贡献率却不足4%。5~6、6~7、≥7 mm粒子单项贡献均较低。综上，1≤Dm＜4 mm的粒子共同贡献了总降水量的79.33%，是本次强降水的主要贡献者。特别值得注意的是，2~3 mm的中等直径粒子虽出现频率不高，却是降水贡献最大的群体；而Dm＜1 mm的小粒子尽管数量占优，对降水的直接贡献却十分有限。
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表 2 2023年7月12日21：00—22：00不同直径的粒子占比和对降水量的贡献率 Table 2 Contribution rates and frequency ratios of particles with different diameters to precipitation from 21:00 BT to 22:00 BT 12 July 2023 |
2023年7月12日21:00—22:00费县站分钟级降水量和雨滴数浓度分布(图 13)显示，当中尺度带状对流回波主体影响费县时(21:00—21:35)，降水强度与雨滴数浓度同步迅速增长。该阶段出现两个降水峰值，21:14前后费县站1 min降水量达到第一个峰值，为3.2 mm，由大量的0.5~3 mm粒子与少量超过5 mm的大粒子共同贡献；第二个在21:27，贡献粒子组成类似。21:40后，随着主体回波后侧层云降水开始，降水强度与雨滴数浓度骤降，雨滴谱变窄，直径减小，降水粒子主要集中在0.5~ 1 mm，揭示了对流降水与后续层云降水在雨滴谱上的显著差异，这一发现与王俊等(2016)的研究结果一致。整个过程中，粒子数浓度增高(尤其是中、大粒子)，使谱宽达到峰值，说明伴随着对流系统的发展，在剧烈辐合上升运动中，大量小粒子碰并增长为中、大雨滴，粒子呈现出较大粒径、较高数浓度的特征，呈现出海洋性与大陆性对流混合特征，导致降水效率较高、雨强增大。
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图 13 2023年7月12日21:00—22:00费县站雨滴谱观测仪观测的降水粒子数量(填色)、直径与分钟降水强度(实线)分布 Fig. 13 Distribution of precipitatin particle number (colored), raindrop diameter observed by the raindrop spectrum observation instrument and minutely precipitation intensity (solid line) at Feixian Station from 21:00 to 22:00 12 July 2023 |
基于费县站在主体对流回波影响前(阶段A：21:01—21:02，雨强0.6 mm·min-1)、强降水超级单体影响期间阶段(阶段B：21:13—21:14，雨强3.2 mm·min-1)和主体回波后侧的尾随层状云区域影响时(阶段C：21:44—21:45，雨强0.2 mm·min-1)三个特定时段，探讨分阶段、不同雨强下降水微物理特征的差异(图 14)，各直径区间雨滴粒子对降水量的贡献率及其占比。在阶段A，采样体积内的雨滴粒子数量相对较少(1519个)，以直径＜2 mm的小雨滴为主，占比高达88.08%。尽管小雨滴占据主导地位，但直径在2~3 mm区间的粒子却对此时的降水量贡献最大，占比达到46.31%。此外，观测到极少的最大雨滴直径(Dmax)为3.7 mm的粒子。对于阶段B，雨强显著增强，采样体积内雨滴粒子数量剧增至4699个，反映出降水粒子浓度大幅提升，该阶段小雨滴(直径＜1 mm)占比下降，中到大雨滴占比上升。特别是直径1~2 mm的粒子占比最大，达41.22%，而直径3~4 mm的粒子占比虽不足6%，但成为降水量的最大贡献群体，占30.04%。相对阶段A直径在2~3 mm区间的粒子对降水量贡献最大，出现了粒子直径尺度“升尺度”的特征。值得注意的是，直径＞1 mm的雨滴对降水量总贡献率超过97%，且观测到直径＞6 mm的特大粒子(Dmax达7.5 mm)，特大粒子对降水贡献率达8.81%。可见，经暖雨过程后粒子数浓度与直径同步剧增，高浓度小雨滴通过强碰并过程迅速增长为大粒子，形成宽谱分布，从而显著提升降水效率。在阶段C，粒子数量迅速减少至504个，尽管仍以直径＜2 mm的粒子为主(占比90.08%)，但2~3 mm的粒子成为降水量最主要的贡献群体(42.14%)，与阶段B相比，反映出粒子直径尺度的“降尺度”的现象。C阶段的降水中未见直径>6 mm的粒子，Dmax减小至3.2 mm。综合三个阶段可见，雨强较小时以中、小雨滴为主；雨强增大时，大雨滴数量增多，强降水对应更多的大粒径雨滴，阶段B雨滴直径最大、谱宽最广，因而在短时间内形成极端强降水；而雨滴直径过小则难以形成强降水。
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图 14 2023年7月12日21：00费县站A、B和C阶段(a)不同平均直径粒子占比和(b)其对降水量的贡献率 Fig. 14 (a) Proportion of particles with different average diameters and (b) their contribution rates to precipitation at stage A, B, and C at Feixian Station at 21:00 BT 12 July 2023 |
本文利用地面气象观测数据、探空站数据、多普勒天气雷达观测数据、地面雨滴谱仪数据以及ERA5再分析资料，研究了2023年7月12日山东南部地区一次极端降水事件的天气背景、双低空急流耦合机制、中小尺度系统的活动及降水的微物理特征，结论如下：
(1) 7月12日山东南部极端降水事件发生在500 hPa短波槽前、200 hPa南亚高压东部脊线邻近的分流区，具备有利的环流形势、环境风场、水汽传输条件。极端降水时段暖云层厚度从地面延伸至500 hPa，暖云层厚度、最大液态水混合比含量大值中心与极端强降水具有较好的相关性。
(2) 迅速发展的SW-BLJ与SW-LLJ在山东南部地区耦合，双低空急流和南亚高压东北侧分流区高空辐散之间的相互作用，形成对流层由低到高的辐合-辐散配置，致使极端降水阶段山东南部地区上空对流层的上升运动显著增强，促进了对流活动的增强。天气尺度短波槽和低空急流、中尺度辐合线、小尺度中气旋多尺度系统协同触发强降水。地面中尺度辐合线触发和促使了对流单体的发生发展，降水过程具有强降水超级单体和低质心暖云降水特征。
(3) 本次极端强降水由西南暖湿低空急流和超低空急流携带的丰富水汽北上，与中纬度冷空气相互作用，兼具海洋性与大陆性混合特征，更趋近海洋性对流。降水初期，雨滴数浓度急剧增加伴随雨滴直径显著增大。降水主要发生时段(21：00—22：00)，尽管Dm＜2 mm的小粒子在数量上占绝对优势(接近85%)，但对降水的实际贡献主要来自中、大粒径粒子，其中1≤Dm＜4 mm的粒子共同贡献了总降水量的79.33%，特别是2~3 mm直径的粒子虽出现频率仅为11.77%，却贡献了32.74%的降水量，成为最主要的降水贡献群体，其次是1~2 mm的小粒子，Dm＜1 mm的粒子数量虽然多，占43.35%，但是贡献率不足4.00%。充沛的水汽条件促使雨滴谱拓宽并呈现显著的“升尺度”特征，粒子数浓度与直径同步剧增，高浓度小雨滴通过碰并过程迅速增长为大粒子。强降水超级单体影响阶段，3~4 mm粒子占比虽不足6.00%，但对降水贡献率最大，达30.04%。
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