王嘯華 鄭媛媛 張盛曦 慕瑞琪 呂潤(rùn)清

1 南京大學(xué)，南京 210023 2 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210009 3 江蘇省氣象臺(tái)，南京 210044

提 要： 2016年7月7日凌晨，受中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)影響，南京出現(xiàn)突發(fā)性局地特大暴雨，MCS發(fā)展持續(xù)近8 h，包括對(duì)流觸發(fā)、準(zhǔn)靜止后向傳播、強(qiáng)降水超級(jí)單體和冷池驅(qū)動(dòng)四個(gè)階段，造成嚴(yán)重內(nèi)澇。利用多普勒雷達(dá)、自動(dòng)站、風(fēng)廓線、中國(guó)區(qū)域再分析、江蘇融合同化分析等多源資料詳細(xì)分析造成這次強(qiáng)降水過(guò)程的天氣背景和MCS的演變特征，結(jié)果表明中尺度前傾高空槽過(guò)境誘發(fā)地面低壓，加強(qiáng)了地面輻合，形成上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)了線性對(duì)流風(fēng)暴。3～6 km高度西南氣流顯著增強(qiáng)，β中尺度次級(jí)環(huán)流左側(cè)被抬升和γ中尺度低層低壓與西南氣流的有利配置，使得南京上空MCS表現(xiàn)出后向傳播的準(zhǔn)靜止特征，最終發(fā)展成為持續(xù)8個(gè)“雷達(dá)體掃”時(shí)長(zhǎng)的強(qiáng)降水超級(jí)單體。強(qiáng)降水超級(jí)單體中強(qiáng)降水拖曳作用形成下沉氣流，導(dǎo)致近地面出流，在南側(cè)激發(fā)新的對(duì)流，MCS緩慢向南移動(dòng)。隨著MCS內(nèi)下沉氣流加強(qiáng)，地面出現(xiàn)冷池，強(qiáng)烈地面輻散加速M(fèi)CS移動(dòng)，強(qiáng)降水過(guò)程結(jié)束。

引 言

局地暴雨的監(jiān)測(cè)診斷和預(yù)報(bào)預(yù)警一直是氣象部門(mén)的業(yè)務(wù)重點(diǎn)。關(guān)于局地暴雨的形成機(jī)理，國(guó)內(nèi)外氣象工作者已有諸多研究(張舒陽(yáng)和閔錦忠，2018；江麗俐等，2018；胡雅君等，2020；王瑩等，2021)。其中，針對(duì)局地暴雨發(fā)生時(shí)對(duì)不同尺度天氣系統(tǒng)的相互作用研究表明，在有利的大尺度環(huán)流形勢(shì)下，中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)是產(chǎn)生局地暴雨的直接原因。更具體地說(shuō)，由于總降水量與降水率和降水持續(xù)時(shí)間直接相關(guān)(Doswell et al，1996；Chappell，1986)，因此當(dāng)MCS中的對(duì)流單體在固定區(qū)域重復(fù)通過(guò)時(shí)更容易誘發(fā)間歇性的短時(shí)強(qiáng)降水最終造成局地暴雨(何群英等，2009)。Schumacher and Johnson(2005)利用雷達(dá)資料統(tǒng)計(jì)1999—2001年美國(guó)洛基山東部的極端暴雨過(guò)程時(shí)提出了“后向傳播MCS”的概念，其雷達(dá)回波特征表現(xiàn)為新單體不斷在原系統(tǒng)上游的某個(gè)特定區(qū)域周期性地生成，并沿平行于對(duì)流線的方向移入系統(tǒng)后部。眾多研究指出，MCS的后向傳播是一種非常有利于局地暴雨的組織形式(王曉芳和崔春光，2012；俞小鼎，2013；Wang et al，2016；張寧等，2017；王玨等，2019；Hitchcock and Schumacher，2020)。王曉芳和崔春光(2012)將2010年6—7月長(zhǎng)江中下游地區(qū)降雨日的線狀MCS分為8類(lèi)，發(fā)現(xiàn)后向傳播MCS在所有線狀MCS中所占的比重居第二位。王玨等(2019)分析湖北省極端短時(shí)強(qiáng)降水MCS的雷達(dá)回波特征，歸納出類(lèi)似的結(jié)論。此外，俞小鼎(2013)對(duì)于北京“7·21”暴雨過(guò)程研究中發(fā)現(xiàn)，偏南向的低空急流受到了太行山地形的強(qiáng)迫抬升作用，使得新生單體不斷在降水區(qū)的西南側(cè)生成，隨后向東北偏北方向移動(dòng)，新生單體反復(fù)經(jīng)過(guò)同一個(gè)地區(qū)，導(dǎo)致極端降水。這些研究加深了對(duì)局地暴雨和MCS的認(rèn)識(shí)。

近年來(lái)，在全球變暖的背景下，江淮地區(qū)極端暴雨頻次呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。 2016年7月7日凌晨，南京出現(xiàn)突發(fā)局地暴雨， 17個(gè)站1 h雨量超過(guò)50 mm，8個(gè)站3 h雨量超過(guò)100 mm。上游新生對(duì)流單體依次移入南京上空，形成的“后向傳播MCS”是造成這次強(qiáng)降水的直接原因。由于中小尺度系統(tǒng)的演變過(guò)程復(fù)雜，此次突發(fā)局地暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警難度大，實(shí)際業(yè)務(wù)中客觀和主觀預(yù)報(bào)均發(fā)生漏報(bào)，預(yù)警信號(hào)未在強(qiáng)降水發(fā)生前提前發(fā)布，且預(yù)警級(jí)別不夠。因此有必要對(duì)其發(fā)生發(fā)展機(jī)制進(jìn)行分析，以提高對(duì)這類(lèi)天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 實(shí) 況

受高空槽影響，2016年7月6日白天江蘇淮河以南地區(qū)出現(xiàn)大范圍降水，雨量不大。20時(shí)(北京時(shí)，下同)以后，沿江中東部降水增強(qiáng)，雨量為大到暴雨。6日22時(shí)至7日00時(shí)南京附近降水逐漸停止。7日00—01時(shí)，中尺度對(duì)流系統(tǒng)在南京市區(qū)南部突然觸發(fā)并迅速發(fā)展，02—06時(shí)對(duì)流系統(tǒng)準(zhǔn)靜止少動(dòng)，造成局地持續(xù)強(qiáng)降水。07時(shí)以后，系統(tǒng)向東南方向移動(dòng)，降水隨之減弱直至消失。自動(dòng)觀測(cè)站資料顯示，7日00—08時(shí)，南京主城和江寧的73個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站中有14個(gè)站降水量超過(guò)100 mm、21個(gè)站超過(guò)50 mm，最大降水量(259.9 mm)出現(xiàn)在市區(qū)的梅山二中(圖1a)。01—05時(shí)，梅山二中的累計(jì)降水量達(dá)258.3 mm，其中02—03時(shí)1 h降水量達(dá)到129.2 mm(圖1b)。這次暴雨過(guò)程具有突發(fā)性和局地性，中尺度特征明顯，短時(shí)間降水強(qiáng)度之大較為罕見(jiàn)。受其影響，南京市區(qū)和江寧區(qū)出現(xiàn)大范圍積水，部分小區(qū)被淹，7日上午南京公交、地鐵運(yùn)營(yíng)中斷，交通接近癱瘓。

圖1 2016年7月7日00—08時(shí)南京8 h累計(jì)降水量分布(a) 和梅山二中逐小時(shí)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 大氣層結(jié)穩(wěn)定條件

6日20時(shí)，500 hPa高空槽南移到江蘇沿淮地區(qū)，南京位于西南—東北走向的狹長(zhǎng)顯著濕區(qū)(南京位于圖2a中紅色三角處)、高空槽前的深厚濕層中(圖2a)。700 hPa南京上空為14 m·s-1的西南氣流，南京位于濕舌頂部和西南氣流顯著流線的頂端。大氣的最大可降水量為57.3 mm，CAPE值達(dá)到2004.9 J·kg-1，抬升凝結(jié)高度為1 km，沙氏指數(shù)為-1.84℃，且550 hPa以下為深厚的濕層，550～300 hPa為相對(duì)干區(qū)，不穩(wěn)定特征明顯(圖2b)。

圖2 2016年7月6日20時(shí)天氣圖(a)和南京溫度對(duì)數(shù)壓力圖(b) (圖2a中，藍(lán)色線條：500 hPa等高線，單位：dagpm;黑色風(fēng)羽：500 hPa風(fēng)；紅色三角：南京的位置)Fig.2 Synoptic chart (a) and skew T diagram of Nanjing (b) at 20:00 BT 6 July 2016 (inFig.2a, blue line: contour at 500 hPa, unit: dagpm; black wind barb: winds at 500 hPa; red triangle: location of Nanjing)

3 對(duì)流風(fēng)暴的中尺度演變特征

受高空低槽和切變線影響，6日08—20時(shí)沿江和蘇南地區(qū)中到大雨，局部出現(xiàn)暴雨。20時(shí)以后，降水回波主體東移入海，沿江以南降水逐漸停止。近4小時(shí)左右的降水間歇后，南京上空局地對(duì)流風(fēng)暴觸發(fā)并快速發(fā)展，雷達(dá)回波演變顯示，造成此次強(qiáng)降水的MCS從生成到完全消散，其生命史長(zhǎng)達(dá)到8 h，先后經(jīng)歷了局地觸發(fā)、準(zhǔn)靜止后向傳播、強(qiáng)降水超級(jí)單體和冷池驅(qū)動(dòng)發(fā)展四個(gè)階段。

3.1 對(duì)流風(fēng)暴觸發(fā)機(jī)制

7日00時(shí)開(kāi)始，江寧境內(nèi)有多個(gè)對(duì)流風(fēng)暴單體快速觸發(fā)。至00:12，5個(gè)對(duì)流單體在江寧大部和句容局部地區(qū)呈東北—西南向線性排列(圖3a)，單體的中心回波強(qiáng)度都在40 dBz以上，最強(qiáng)超過(guò)60 dBz，回波頂高度約3～5 km，垂直累積液態(tài)含水量為5～20 kg·m-2。垂直結(jié)構(gòu)來(lái)看，對(duì)流單體西側(cè)回波梯度較大，整體隨高度向東傾斜(圖3b)。研究表明，這種傾斜結(jié)構(gòu)有利于前后對(duì)流單體的合并從而使得對(duì)流單體尺度增大、強(qiáng)度增強(qiáng)(French and Parker，2014；Ping et al，2014；黃勇等，2012；2013；翟菁等，2012)。00:18，距離最近、對(duì)流較強(qiáng)的單體C和D首先發(fā)生合并，30分鐘后，B、C、D三個(gè)對(duì)流單體已經(jīng)合并成一個(gè)多單體風(fēng)暴，并向東西兩側(cè)擴(kuò)展，對(duì)流單體A、E也在局地發(fā)展(圖略)。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，至01:20南京上空已形成較密實(shí)的對(duì)流回波帶，對(duì)流回波強(qiáng)度為45～50 dBz，回波頂高增大到11～12 km，垂直累積液態(tài)含水量增大到25～40 kg·m-2。南京市區(qū)和江寧的降水迅速增強(qiáng)，市區(qū)梅山二中站7日00:30雨強(qiáng)增大到2 mm·min-1。

圖3 2016年7月7日00:12南京雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(a)和 沿圖3a中白實(shí)線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 inFig.3a from south to north (b) at 00:12 BT 7 July 2016

王華和孫繼松(2008)、代刊等(2010)、諶蕓等(2012)、方翀等(2012)和郭英蓮等(2012)研究表明，地面輻合線有利于局地對(duì)流的觸發(fā)和發(fā)展。分析本次過(guò)程中對(duì)流風(fēng)暴觸發(fā)之前的地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，地面風(fēng)力較小且風(fēng)向比較雜亂，未見(jiàn)明顯的地面輻合系統(tǒng)(圖略)。而南京6 min間隔的風(fēng)廓線(圖4)顯示，6日23:54至7日01:00，2.5～4.5 km 高空自上而下由偏南風(fēng)或偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)或偏北風(fēng)(如圖4中紅色曲線所示)，表明有高空槽過(guò)境，高空先轉(zhuǎn)為北風(fēng)，高空槽且具有前傾特征。相同時(shí)段，高淳和六合的風(fēng)廓線一直為西南氣流(六合、南京、高淳風(fēng)廓線雷達(dá)位于圖4b中紅色三角處)，未觀測(cè)到高空槽，從時(shí)空尺度判斷是一個(gè)中尺度的高空槽，中尺度前傾高空槽過(guò)境誘發(fā)了地面低壓。7日00:24—01:12近地面0.5 km以下由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)成東南風(fēng)再轉(zhuǎn)為東北風(fēng)(如圖4中綠色箭頭所示)，這表明南京附近出現(xiàn)近地面低壓。

圖4 (a)2016年7月6日23:36至7日02：00南京6 min間隔風(fēng)廓線， (b)六合、南京、高淳風(fēng)廓線雷達(dá)位置(紅色三角) (圖4a中，紅色實(shí)線：風(fēng)場(chǎng)由偏南風(fēng)或偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)或偏北風(fēng)，綠色箭頭：風(fēng)場(chǎng)由偏東風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東北風(fēng))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) (inFig.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)

近地面低壓的形成引起了地面輻合，地面散度場(chǎng)和雷達(dá)回波疊加演變圖顯示(圖5)，從7日00時(shí)開(kāi)始風(fēng)暴發(fā)展區(qū)域的散度負(fù)值快速增大，7日00:11在觸發(fā)的線性回波帶附近有-10 m·s-1·(°)-1的輻合中心,00:29輻合中心散度負(fù)值增加到-20 m·s-1·(°)-1以上，00:42形成-30 m·s-1·(°)-1以上強(qiáng)輻合中心，且范圍顯著擴(kuò)大，與之相對(duì)應(yīng)的線性分布的對(duì)流回波迅速發(fā)展增強(qiáng)，形成強(qiáng)對(duì)流回波帶。之后輻合中心在原地維持，雖有所減弱但直到01:20仍維持著-10 m·s-1·(°)-1以下，期間對(duì)流回波帶繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)。

圖5 2016年7月7日00:11(a)和00:49(b)南京雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(填色) 疊加地面散度[等值線，單位：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：中尺度前傾高空槽過(guò)境誘發(fā)地面低壓，進(jìn)而引起地面輻合快速增強(qiáng)，導(dǎo)致了對(duì)流回波帶的迅速發(fā)展，是此次極端強(qiáng)降水對(duì)流風(fēng)暴的觸發(fā)機(jī)制。

3.2 準(zhǔn)靜止的后向傳播機(jī)制

7日01:30開(kāi)始在對(duì)流帶的西側(cè)不斷有新的對(duì)流回波生成，向偏東方向移動(dòng)并入南京上空，使得原有對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)；而當(dāng)對(duì)流回波向東移過(guò)南京上空，則迅速減弱，這一特征一直持續(xù)到03:40(圖6a，6b)。由03:00反射率因子垂直剖面圖可見(jiàn)，多個(gè)對(duì)流風(fēng)暴單體合并加強(qiáng)，且50 dBz以上強(qiáng)回波一直延伸至地面，大部分位于零度層高度(4.7 km，由20時(shí)南京探空計(jì)算得到)以下，屬于低質(zhì)心高效率降水對(duì)流風(fēng)暴(圖6c)。受其影響，梅山二中站01:30—03:30累計(jì)降水達(dá)到215.5 mm，連續(xù)4個(gè)時(shí)次10 min降水量超20 mm(圖6d)。此外，對(duì)流單體整體隨高度向東傾斜，在向東移動(dòng)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)流單體高度向上伸展，但在對(duì)流帶東側(cè)回波強(qiáng)度明顯減弱，對(duì)流風(fēng)暴整體呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜止的后向傳播特征。

圖6 2016年7月7日03:00(a)和03:30(b)南京雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(白色方框：對(duì)流 回波帶)，03:30沿圖6a白色線段反射率因子剖面(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 inFig.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間隔風(fēng)廓線雷達(dá)資料顯示，7日01:30 開(kāi)始1.5 km以下東南風(fēng)、1.5～5 km高度西南風(fēng)逐漸增強(qiáng)。03：00，3～5 km高度西南風(fēng)逐漸達(dá)到12 m·s-1以上(圖7中紅色透明區(qū)域所示)，03:30 之后3～5 km高度西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，3 km以下偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，南京上空3～5 km高度西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)(圖7)。西南氣流加強(qiáng)發(fā)展階段時(shí)間,正好與對(duì)流回波帶西側(cè)不斷有對(duì)流單體生成、東移并入對(duì)流風(fēng)暴的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。西南氣流的加強(qiáng)發(fā)展加大了南京上空大氣層結(jié)的不穩(wěn)定度，為強(qiáng)降水帶來(lái)了充沛的水汽和能量。

圖7 2016年7月7日01:24—03:48 南京6 min間隔風(fēng)廓線 (紅色區(qū)域：西南風(fēng)風(fēng)速逐漸達(dá)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)

南京大學(xué)使用WRF模式，采用非靜力平衡控制方程，以歐洲中心全球再分析資料為初始邊界條件，同化多源觀測(cè)數(shù)據(jù)研發(fā)的高分辨率中國(guó)區(qū)域數(shù)據(jù)資料(CNRR)空間分辨率為18 km,時(shí)間分辨率為1 h。Zhang et al(2017)研究表明，使用高分辨率CNRR資料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)及科學(xué)研究中，具有可行性和優(yōu)越性。因此，本文應(yīng)用CNRR資料對(duì)這次強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行了分析。圖8是CNRR沿32°N的相對(duì)濕度、溫度、v-w緯向剖面，可以看到6日20時(shí)在120°E以東為干空氣，900 hPa 以下近地面為弱的偏東風(fēng)，850 hPa以上為偏西風(fēng)，濕區(qū)主要集中在700 hPa以上(圖8a)。7日02時(shí)由于沿江中東部降水，高空濕度減小，干空氣由高空向下，自東向西楔入，干舌底部抵達(dá)118°E，900 hPa以下近地面偏東風(fēng)增強(qiáng)，在干舌頂端形成風(fēng)速輻合上升運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，700 hPa高空西南氣流加強(qiáng)，118°E附近偏西風(fēng)風(fēng)速輻合，形成上升運(yùn)動(dòng)。對(duì)流層中低層和近地面的上升氣流疊加，加強(qiáng)了從地面到高空的上升氣流。上升氣流在500 hPa以上被向東平移后，在120°E以東下沉補(bǔ)償干舌，導(dǎo)致低層向西的出流，從而形成閉合的β中尺度次級(jí)環(huán)流C(如圖8b)。西南暖濕氣流在環(huán)流C左側(cè)被抬升，釋放凝結(jié)潛熱，又加強(qiáng)了環(huán)流左側(cè)即南京上空的上升氣流，這與徐亞欽等(2019)研究浙江典型梅雨鋒強(qiáng)降水區(qū)的環(huán)流特征較接近。結(jié)合風(fēng)廓線和雷達(dá)回波資料分析得到，7日01時(shí)以后南京上空的西南氣流開(kāi)始逐漸發(fā)展，正環(huán)流的傾斜上升運(yùn)動(dòng)區(qū)在南京附近加強(qiáng)，對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展。

圖8 2016年7月6日20時(shí)(a)和7日02時(shí)(b)沿32°N的相對(duì)濕度(填色)，溫度(紅色實(shí)線，單位：℃)， v-w合成緯向剖面(黑色實(shí)線：次級(jí)環(huán)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

為進(jìn)一步分析γ中尺度的風(fēng)暴演變特征，本文應(yīng)用分辨率達(dá)到1 km的江蘇融合同化分析資料，該資料是利用江蘇省高精度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)(PWAFS)進(jìn)行同化分析(PWAFS系統(tǒng)包括ARPS的3DVAR同化子系統(tǒng)及WRF模擬子系統(tǒng))，以NCEP的0.5°×0.5°分辨率再分析資料為背景場(chǎng)，生成水平分辨率為9 km、垂直方向上51層的數(shù)值模擬結(jié)果，將此結(jié)果插值到1 km分辨率，作為背景場(chǎng)，同化南京、常州、淮安及泰州多普勒天氣雷達(dá)反射率及徑向速度資料，生成水平分辨率1 km、垂直方向上51層的同化分析資料。7日03時(shí)江蘇融合同化分析資料風(fēng)場(chǎng)和回波疊加圖(圖9)顯示，南京附近1.2 km高度上，對(duì)流回波帶西側(cè)存在一個(gè)γ中尺度氣旋性渦旋，對(duì)應(yīng)的低壓中心D位于強(qiáng)對(duì)流主體回波西南方向，50 dBz以上的強(qiáng)對(duì)流回波主體處于低壓倒槽兩側(cè)東南風(fēng)和東北風(fēng)的輻合區(qū)之中(圖9a)。3 km高度上，氣旋性低壓輻合中心D位于對(duì)流回波帶西側(cè)的50 dBz強(qiáng)回波主體附近，同時(shí)南京處于一支明顯的西南氣流A之中，119°E附近低壓D南側(cè)氣旋環(huán)流B為西南風(fēng)，與西南氣流A疊加，使氣旋性輻合增強(qiáng)，加強(qiáng)了對(duì)流的發(fā)展。而在119.5°E 以東，低壓中心D東側(cè)氣旋性輻合明顯減弱，導(dǎo)致對(duì)流移入后快速減弱(圖9b)。上述分析可見(jiàn)，南京西部中低層輻合上升形成的低壓和3 km高空西南氣流的有利配置，導(dǎo)致對(duì)流回波帶西側(cè)對(duì)流持續(xù)發(fā)展，東移后在對(duì)流回波帶東側(cè)快速減弱。

圖9 2016年7月7日03時(shí)南京站1.2 km(a)和3 km(b)雷達(dá)回波(填色)與反演風(fēng)場(chǎng)疊加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 強(qiáng)降水超級(jí)單體

03:30開(kāi)始，雷達(dá)回波圖上MCS由帶狀逐漸轉(zhuǎn)為團(tuán)狀，強(qiáng)回波中心反射率因子達(dá)到60 dBz，徑向速度圖上出現(xiàn)明顯的“速度對(duì)”且結(jié)構(gòu)較深厚(垂直延展厚度6 km)，03:30—04:20，連續(xù)8個(gè)“雷達(dá)體掃”在鉤狀回波處出現(xiàn)中氣旋，中氣旋底高在2.0～2.4 km,頂高3.0～5.4 km，切變?cè)?4:01達(dá)到最大(23×10-3s-1，表1)。根據(jù)江蘇2005—2014年發(fā)生過(guò)的1 370個(gè)中氣旋統(tǒng)計(jì)，只有7.6 %生命史超過(guò)5個(gè)體掃，最大風(fēng)切變平均值為20.5×10-3s-1(王易等，2018；田薈君等，2018)，可見(jiàn)此處屬于強(qiáng)中氣旋。04:13，回波頂高( ET)為15 km，垂直積分液態(tài)含水量(VIL)最大達(dá)67 kg·m-2，對(duì)應(yīng)中氣旋M北側(cè)的秣陵街道自動(dòng)氣象站03:50—04:20降水達(dá)到45.6 mm(圖10)，對(duì)流回波和中氣旋以5 km·h-1的速度向東南方向緩慢移動(dòng)，對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展為強(qiáng)降水超級(jí)單體。

圖10 2016年7月7日04:13南京雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(a)，2.4°徑向速度(b，黃色圓圈： 中氣旋)，垂直積分液態(tài)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

表1 2016年7月7日03:42—04:26強(qiáng)降水超級(jí)單體中的中氣旋A0底高、頂高、最大切變高度、切變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

04:01中氣旋M切變最強(qiáng)時(shí)刻，沿南京雷達(dá)站和中氣旋中心雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度剖面(圖11a)可見(jiàn)，中氣旋M位于發(fā)展旺盛的對(duì)流主體前側(cè)，強(qiáng)對(duì)流回波由觸發(fā)階段傾斜于地面轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇诘孛嫦蛏仙鞆垼?5 dBz以上對(duì)流回波伸展到9 km附近,45 dBz 的對(duì)流回波伸展到12 km附近,65 dBz以上對(duì)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(圖略)。長(zhǎng)生命史中氣旋與上升氣流重合或者部分重合增加了上升氣流的垂直螺旋度，使得對(duì)流系統(tǒng)生命史延長(zhǎng)，同時(shí)中氣旋與環(huán)境相互作用導(dǎo)致上升的氣壓梯度力增強(qiáng)了上升氣流，從而導(dǎo)致了強(qiáng)降水。

04:01沿南京雷達(dá)站和中氣旋中心徑向速度剖面(圖11b，圖中白色輪廓為50 dBz以上強(qiáng)回波區(qū)域)可見(jiàn)，后側(cè)中層入流J1在強(qiáng)降水拖曳作用形成對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)的下沉氣流J2，在近地面向外輻散，導(dǎo)致M下方近地面了出現(xiàn)遠(yuǎn)離雷達(dá)的出流區(qū)域，在出流區(qū)右側(cè)形成出流邊界，強(qiáng)迫前方對(duì)流層低層朝向雷達(dá)的暖濕氣流J3向上爬升，在現(xiàn)有對(duì)流主體的前方觸發(fā)新的對(duì)流，同時(shí)，3 km 高度上，出流的“正速度”與入流的“負(fù)速度”形成強(qiáng)烈的水平風(fēng)切變，維持了中氣旋發(fā)展。區(qū)別于其他類(lèi)型的超級(jí)單體，低層入流方向位于中氣旋移動(dòng)方向的前側(cè)，中氣旋大部分被包裹強(qiáng)降水中，是強(qiáng)降水超級(jí)單體的重要特點(diǎn)(張文龍等，2019)。整個(gè)強(qiáng)降水超級(jí)單體期間，中氣旋和“出流區(qū)”一起向遠(yuǎn)離雷達(dá)方向移動(dòng)，且中氣旋所在高度和出流區(qū)域的高度向上擴(kuò)展。值得注意的是，這一階段對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)仍有較強(qiáng)的上升氣流存在，整體下層氣流不強(qiáng)，在地面未見(jiàn)明顯的中尺度高壓和冷池，對(duì)流風(fēng)暴主體向南移動(dòng)的速度較慢。

圖11 2016年7月7日04:01沿南京雷達(dá)和中氣旋中心連線的徑向剖面 (a)反射率因子(白色矩形：反射率因子≥50 dBz；棕色圓形：中氣旋)， (b)徑向速度(J1：中層入流；J2：下沉氣流；J3：上升氣流；棕色圓形：中氣旋)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

3.4 冷池發(fā)展

04:30以后，對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)部逐漸形成強(qiáng)烈的下層氣流，高層冷空氣被帶到地面，在地面形成冷池和中尺度地面高壓。地面高壓導(dǎo)致的強(qiáng)烈輻散出流在風(fēng)暴主體東南側(cè)不斷觸發(fā)出新的對(duì)流，從而導(dǎo)致整個(gè)對(duì)流風(fēng)暴迅速向東南方向移動(dòng)，同時(shí)地面冷池和中尺度地面高壓隨風(fēng)暴主體移動(dòng)。06時(shí)左右風(fēng)暴主體移到溧水，地面冷池和出流也達(dá)到了最強(qiáng)，地面出現(xiàn)了低于22.8℃的“冷中心”和70 m·s-1·(°)-1以上的地面輻散中心。23℃等溫線以?xún)?nèi)風(fēng)向呈現(xiàn)反氣旋性環(huán)流，23℃等溫線以外風(fēng)向穿過(guò)等溫線呈現(xiàn)明顯出流，在出流前側(cè)為新生的強(qiáng)回波區(qū)(圖12)。07時(shí)對(duì)流風(fēng)暴移入溧陽(yáng)境內(nèi)，此后回波強(qiáng)度快速減弱，體積減小，09時(shí)最終在距雷達(dá)站東南方的120 km處消散。

圖12 2016年7月7日(a)05:59南京雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(填色)疊加地面 散度[等值線，單位：m·s-1·(°)-1)]，(b)06:20南京雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(填色)疊加 地面溫度(等值線，單位：℃)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽,單位：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 結(jié) 論

本文分析了2016年7月7日凌晨南京出現(xiàn)的極端短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的環(huán)境條件和觸發(fā)、維持發(fā)展機(jī)制，主要結(jié)論如下：

(1)2016年7月7日凌晨南京特大暴雨過(guò)程對(duì)流觸發(fā)前，地面未出現(xiàn)明顯風(fēng)向或風(fēng)速輻合，中尺度的高空前傾槽過(guò)境誘發(fā)地面低壓，加強(qiáng)了地面輻合，形成上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)了線性對(duì)流風(fēng)暴。

(2)沿江中東部干空氣下沉形成干舌自東向西楔入，干舌頂端風(fēng)速輻合上升與南京上空已經(jīng)觸發(fā)對(duì)流的上升運(yùn)動(dòng)疊加，形成β中尺度的次級(jí)環(huán)流，發(fā)展加強(qiáng)的西南暖濕氣流在次級(jí)環(huán)流左側(cè)(南京)被上升氣流抬升，釋放潛熱能量，對(duì)流加強(qiáng)發(fā)展，又反過(guò)來(lái)加強(qiáng)了次級(jí)環(huán)流，形成正反饋機(jī)制。

(3)南京西部中低層輻合上升形成的γ中尺度低壓和3 km高空西南氣流的加強(qiáng)有利于對(duì)流回波帶西側(cè)對(duì)流持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致MCS在南京表現(xiàn)出準(zhǔn)靜止特征。MCS最終發(fā)展成強(qiáng)降水超級(jí)單體，強(qiáng)降水超級(jí)單體中強(qiáng)降水拖曳作用形成下沉氣流，導(dǎo)致近地面輻散出流，隨著MCS內(nèi)下沉氣流加強(qiáng)，地面出現(xiàn)冷池，強(qiáng)降水過(guò)程結(jié)束。

目前江蘇地區(qū)初步完成業(yè)務(wù)S波段天氣雷達(dá)雙偏振功能升級(jí)，基于雙偏振天氣雷達(dá)可以揭示形成短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)流風(fēng)暴微物理過(guò)程，提高對(duì)局地突發(fā)特大暴雨的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力。