符嬌蘭 權(quán)婉晴 麥 子 羅 琪 陳 濤 李曉蘭 許先煌 朱文劍 華 珊 韓旭卿

國家氣象中心,北京 100081

提 要: 基于ERA5再分析資料、國家級和區(qū)域級地面氣象觀測、雙偏振多普勒雷達(dá)、地面雨滴譜儀、閃電定位儀、風(fēng)廓線雷達(dá)等多源觀測資料,對“23·7”華北創(chuàng)紀(jì)錄極端降水過程中雨強(qiáng)的精細(xì)化特征,導(dǎo)致極端降水的中尺度對流系統(tǒng)(MCS),極端降水的微物理特征及動(dòng)力和熱力條件進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:整個(gè)過程小時(shí)雨強(qiáng)表現(xiàn)出面弱點(diǎn)強(qiáng)的特點(diǎn),局地小時(shí)、分鐘級雨強(qiáng)具有極端性。雨強(qiáng)階段性特征明顯,2023年7月30日08:00至31日20:00(第二階段)雨強(qiáng)最強(qiáng),與多個(gè)β-MCS發(fā)展有關(guān),并伴有后向傳播及列車效應(yīng)等中尺度過程,降水以中等直徑、高濃度雨滴為主,具有一定量的低濃度大粒子雨滴樣本,屬于海洋性與大陸性混合型降水,暖云碰并與冰晶聚合融化過程共存。7月29日08:00至30日08:00(第一階段)和7月31日20:00至8月2日08:00(第三階段)雨強(qiáng)相對較小,對應(yīng)于前者的MCS垂直伸展高度較低、強(qiáng)度不強(qiáng),以暖云降水為主導(dǎo),雨滴濃度高、直徑中等,對應(yīng)于后者的MCS發(fā)展強(qiáng)盛,但移動(dòng)速度快,也具有海洋性與大陸性降水混合型降水特征。三個(gè)階段的大氣整層可降水量最大值均超過70 mm,第一階段天氣尺度強(qiáng)迫強(qiáng),對流有效位能(CAPE)在500 J·kg-1左右,MCS發(fā)展高度相對較低;第二階段后期天氣尺度強(qiáng)迫有所減弱,但華北中南部對流不穩(wěn)定能量再次重建,上游地區(qū)CAPE較第一階段有所增大(600～1000 J·kg-1),導(dǎo)致極端降水的 MCS發(fā)展為深厚濕對流系統(tǒng),雨強(qiáng)明顯增大;第三階段天氣尺度強(qiáng)迫明顯減弱,低層偏南風(fēng)脈動(dòng)輻合和大的CAPE為MCS強(qiáng)烈發(fā)展提供了有利條件。

引 言

近年來,極端強(qiáng)降水頻發(fā),極端降水帶來的洪澇、山體滑坡等次生災(zāi)害給人們的生產(chǎn)生活造成了巨大影響,這是目前以及未來相當(dāng)長一段時(shí)間氣候預(yù)測以及天氣預(yù)報(bào)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)之一,相關(guān)科學(xué)問題也一直是氣象界研究關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

極端強(qiáng)降水是多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。持續(xù)性區(qū)域極端強(qiáng)降水過程通常具有大尺度環(huán)流場的穩(wěn)定維持,天氣尺度或者中尺度系統(tǒng)的異常發(fā)展,水汽等動(dòng)力、熱力條件的異常性等特點(diǎn)(韓潔等,2012;孫軍等,2012;符嬌蘭等,2017;張萍萍等,2018;胡寧等,2021;張霞等,2021)。而局地極端性強(qiáng)降水一般發(fā)生在弱天氣尺度強(qiáng)迫下,主要與穩(wěn)定少動(dòng)的中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展以及有利的下墊面等條件有關(guān)(田付友等,2018;徐珺等,2018;李琴和鄧承之,2021;汪海恒等,2021;潘佳文等,2022;陳博宇等,2023)。無論是哪一種類型的極端強(qiáng)降水,其時(shí)空演變特征均與中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展直接相關(guān)。Wei et al (2023)認(rèn)為“21·7”河南極端降水是由準(zhǔn)靜止的對流風(fēng)暴造成的,低層偏北氣流與β中尺度渦旋偏南風(fēng)氣流達(dá)到了平衡,最終使得對流風(fēng)暴穩(wěn)定維持,造成了極端小時(shí)雨強(qiáng)的出現(xiàn)。也有不少極端降水個(gè)例研究指出,極端強(qiáng)降水伴有多個(gè)γ中尺度系統(tǒng)以及MCS后向傳播、列車效應(yīng)等過程(徐珺等,2018;汪海恒等,2021;陳博宇等,2023)。

極端降水強(qiáng)度不僅與多尺度天氣系統(tǒng)及有利的環(huán)境條件有關(guān),也與雨滴尺度分布以及微物理過程直接相關(guān),不同降水系統(tǒng)微物理過程不同。潘佳文等(2022)對一次副熱帶高壓(以下簡稱副高)背景下的極端強(qiáng)降水分析指出,更大、更濃密的降水粒子形成了極高的降雨效率,過程中暖雨過程和冰相過程并存,前者對雨水的形成起主導(dǎo)作用,冰相粒子的融化加速了這一進(jìn)程。李欣和張璐(2022)研究表明北上臺風(fēng)降水與典型臺風(fēng)降水相比,雨滴平均直徑更大、濃度更低,雨滴的碰并增長和對云水的聚集作用在對流性降水中占主導(dǎo)地位,同時(shí)深厚的凇附過程對極端強(qiáng)降水的出現(xiàn)也起到了重要作用。Chen et al (2022)指出河南“21·7” 極端降雨微物理過程時(shí)空分布不均勻:平原地區(qū)強(qiáng)降水表現(xiàn)出高濃度、大粒徑的雨滴特征,這是由對流系統(tǒng)內(nèi)活躍的冰相過程和有效的暖雨碰撞聚集過程共同造成的;而山前地區(qū)強(qiáng)降水,大雨滴數(shù)量較少可忽略不計(jì),且對流系統(tǒng)內(nèi)冰相過程受限,主要表現(xiàn)為液態(tài)粒子的高效率聚集凝結(jié)過程?？梢?極端降水過程雨滴分布以及微物理過程是非常復(fù)雜的,不同過程甚至同一過程的不同階段、不同區(qū)域表現(xiàn)出的微物理過程不盡相同。

2023年7月29日至8月1日,受臺風(fēng)杜蘇芮殘余環(huán)流以及副高與大陸高壓的共同影響,華北出現(xiàn)了持續(xù)性區(qū)域極端強(qiáng)降水,多個(gè)氣象觀測站點(diǎn)降水量突破歷史極值(張芳華等,2023;楊曉亮等,2023)。氣象部門對過程累計(jì)降水量、日降水量以及相應(yīng)的降水中心極值、強(qiáng)降水落區(qū)均做出了相當(dāng)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),為政府部門防災(zāi)減災(zāi)提供了重要支撐。但由于目前對強(qiáng)降水精細(xì)化演變,特別是不同階段中尺度對流系統(tǒng)(MCS)發(fā)生發(fā)展及小時(shí)雨強(qiáng)變化特征等認(rèn)識有限且預(yù)報(bào)支撐不足,導(dǎo)致短期時(shí)效內(nèi)小時(shí)雨強(qiáng)時(shí)空精細(xì)化預(yù)報(bào)仍存在較大的難度。因此有必要對此次過程不同階段雨強(qiáng)精細(xì)化特征、MCS、微物理過程以及相應(yīng)的動(dòng)力和熱力條件等進(jìn)行分析,從而為提升極端強(qiáng)降水精細(xì)化演變特征的認(rèn)識水平和預(yù)報(bào)能力提供參考。

1 資料和方法

所用資料包括7月29日至8月1日期間全國7萬多個(gè)地面自動(dòng)觀測氣象站、京冀2個(gè)探空站、京津冀175個(gè)地面雨滴譜儀(OTT)、3部S波段雙偏振雷達(dá)、4部風(fēng)廓線雷達(dá)、閃電定位儀等多源觀測以及ERA5再分析資料(空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 h,垂直層為19層)。本文所用到的探空、雨滴譜儀、雙偏振雷達(dá)以及風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)空間分布情況具體見圖1。

圖1 研究區(qū)域站點(diǎn)分布及海拔高度(陰影)Fig.1 Spatial distribution and the altitude (shaded) of the study area

雨滴譜數(shù)據(jù)為逐分鐘觀測,首先對其進(jìn)行質(zhì)量控制,剔除直徑6 mm以上、信噪比較大的觀測記錄,獲得全部站點(diǎn)在有效觀測時(shí)段的雨滴譜分布數(shù)據(jù)。然后通過式(1)～式(5)分別計(jì)算得到總粒子濃度N(Di)、液態(tài)水含量W(單位:g·m-3)、平均直徑D0(單位:mm)、質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm(單位:mm)以及歸一化截距參數(shù)Nw(單位:mm-1·m-3)(Chen et al,2022)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:n為粒子速度檔數(shù),京津冀地區(qū)絕大多數(shù)雨滴譜觀測儀記錄粒子速度檔數(shù)為32,少數(shù)儀器粒子速度檔數(shù)為22;Di為第i直徑檔直徑;nij為第i直徑檔第j速度檔的粒子個(gè)數(shù);Ai為取樣面積;Vj為第j速度檔的粒子下落速度;ΔDi為第i直徑檔的寬度;m為粒子直徑檔數(shù),京津冀地區(qū)絕大多數(shù)雨滴譜觀測儀記錄粒子直徑檔數(shù)為32,少數(shù)儀器粒子直徑檔數(shù)為20。

2 雨強(qiáng)精細(xì)化特征

2023年7月29日至8月2日過程累計(jì)降水量顯示(圖2a),北京、河北大部、天津、山西東部等地累計(jì)降水量達(dá)到50～250 mm,北京西部、河北中南部等地部分地區(qū)達(dá)到300～600 mm,北京門頭溝、昌平以及河北保定、石家莊、邢臺、邯鄲等地局地超過700 mm,最大達(dá)1003.4 mm(邢臺臨縣梁家莊村)。逐日降水量顯示(圖略),29日,河北中南部、山西東南部等地部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨,河北邯鄲、邢臺以及石家莊沿山一帶出現(xiàn)特大暴雨,最大達(dá)511.1 mm;30日,強(qiáng)降水進(jìn)一步發(fā)展,并向北擴(kuò)展,北京中南部、天津、河北中南部、山西東部等地出現(xiàn)持續(xù)性暴雨到大暴雨,北京門頭溝、房山及昌平西南部山區(qū)、河北保定大部、石家莊及邢臺沿山一帶等地出現(xiàn)了特大暴雨,最大達(dá)483.5 mm;31日,強(qiáng)降水范圍明顯減小,強(qiáng)度有所減弱,北京、河北中北部以及天津北部等地出現(xiàn)暴雨到大暴雨,河北保定、北京門頭溝、昌平以及懷柔沿山一帶局地出現(xiàn)特大暴雨,最大達(dá)394.8 mm;1日,強(qiáng)降水過程趨于結(jié)束,北京、河北中東部、天津等地部分地區(qū)出現(xiàn)中到大雨,局地暴雨或大暴雨。

圖2 2023年7月29日08:00至8月2日08:00過程(a)累計(jì)降水量,(b)最大雨強(qiáng),(c)雨強(qiáng)突破極值的站點(diǎn)分布Fig.2 The distribution of (a) accumulated rainfall, (b) maximum hourly rainfall intensity and (c) stations breaking the extreme hourly rainfall intensity records from 08:00 BT 29 July to 08:00 BT 2 August 2023

根據(jù)天氣系統(tǒng)演變以及雨強(qiáng)變化可以大致將整個(gè)降水過程劃分為三個(gè)階段:第一階段(7月29日08:00至30日08:00),受“杜蘇芮”殘渦倒槽影響,降水逐步發(fā)展;第二階段(7月30日08:00至31日20:00),“杜蘇芮”殘渦繼續(xù)北上,強(qiáng)度逐步減弱,后期與上游低渦合并,對流層低層暖式切變線和東南風(fēng)急流影響華北地區(qū),為降水最強(qiáng)階段;第三階段(7月31日20:00至8月2日08:00),殘渦填塞消亡,副高西伸控制華北地區(qū),中低層為偏南氣流,降水趨于減弱結(jié)束。

此次過程,小時(shí)雨強(qiáng)表現(xiàn)出面弱點(diǎn)強(qiáng)的特點(diǎn),京津冀晉大部地區(qū)大部分時(shí)段雨強(qiáng)小于20 mm·h-1,雨強(qiáng)小于20 mm·h-1樣本的累計(jì)降水量占過程累計(jì)降水量的80%以上(圖略)。從過程最大小時(shí)雨強(qiáng)分布可以看出(圖2b),京津冀晉強(qiáng)降水區(qū)最大雨強(qiáng)一般為20～40 mm·h-1,其累計(jì)降水量占上述區(qū)域過程累計(jì)降水量的20%～40%,河北西南部沿山和中部及北京西南部等地部分地區(qū)最大雨強(qiáng)達(dá)到50～82.2 mm·h-1,其中河北內(nèi)丘、北京大興、豐臺有4個(gè)站次超過100 mm·h-1,最大出現(xiàn)在北京豐臺千靈山(111.8 mm·h-1),主要出現(xiàn)在7月31日03:00—18:00,雨強(qiáng)大于50 mm·h-1的累計(jì)降水量占過程累計(jì)降水量的比例,局地可達(dá)20%或以上。河北中南部、北京西部和南部等地局地小時(shí)雨強(qiáng)突破歷史同期極值(為2011—2022年7—8月逐小時(shí)京津冀降水極值)(圖2c)。

從時(shí)間演變來看,小時(shí)雨強(qiáng)也表現(xiàn)出明顯的階段性特征(圖3)。第一階段,小時(shí)雨強(qiáng)總體不大,短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在河北南部和中部、北京東南部、天津南部等地,最大雨強(qiáng)為20～40 mm·h-1,河北局地超過50 mm·h-1。第二階段,小時(shí)雨強(qiáng)明顯增大,短時(shí)強(qiáng)降水影響范圍擴(kuò)大,北京中南部、河北中部和西部沿山等地雨強(qiáng)達(dá)到30～50 mm·h-1,部分地區(qū)雨強(qiáng)達(dá)到50～80 mm·h-1,局地超過100 mm·h-1。第三階段,出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的范圍明顯減小,北京、河北、天津西部等地出現(xiàn)分散性短時(shí)強(qiáng)降水,最大雨強(qiáng)為20～40 mm·h-1,局地超過70 mm·h-1。雨強(qiáng)達(dá)到50 mm·h-1以上的站次時(shí)間序列顯示,第一階段、第三階段大于50 mm·h-1的站次相對較少,第二階段站次相對較多,且表現(xiàn)出波動(dòng)特征。其中第一階段最強(qiáng)雨強(qiáng)出現(xiàn)在29日后半夜至30日凌晨,第二階段主要出現(xiàn)在30日的中午、傍晚至前半夜以及31日的上午、傍晚,第三階段主要出現(xiàn)在8月1日17:00—18:00。

圖3 2023年7月29日08:00至8月2日08:00(a～c)不同階段最大小時(shí)雨強(qiáng)分布,以及(d)50 mm·h-1以上雨強(qiáng)站次時(shí)間序列(a)第一階段,(b)第二階段,(c)第三階段Fig.3 (a-c) The spatial distribution of maximum hourly rainfall intensity in different stages and (d) time series of number of stations with rainfall intensity over 50 mm·h-1 from 08:00 BT 29 July to 08:00 BT 2 August 2023(a) the 1st stage, (b) the 2nd stage, (b) the 3rd stage

選取雨強(qiáng)大于100 mm·h-1以上的站點(diǎn)進(jìn)一步分析了分鐘級雨強(qiáng)演變特征(圖4),分鐘級雨強(qiáng)表現(xiàn)出明顯波動(dòng)特征,圖中所示4個(gè)站點(diǎn)均出現(xiàn)了持續(xù)1～2.5 mm的分鐘降水量,其中3個(gè)站點(diǎn)最強(qiáng)分鐘級雨強(qiáng)為3～3.5 mm·min-1,且各站次累計(jì)出現(xiàn)時(shí)間可達(dá)5～10 min。孫虎林等(2019)研究表明,分鐘降水量≥1 mm可以較好地反映出對流系統(tǒng)引發(fā)的降水在雨強(qiáng)上的極端性,≥3.0 mm則具有強(qiáng)極端性。“7·20”河南極端降水過程出現(xiàn)了持續(xù)性的3～4.7 mm的分鐘級降水(齊道日娜等,2022)。可見,此次過程分鐘級雨強(qiáng)具有明顯的極端性,但持續(xù)時(shí)間以及強(qiáng)度要明顯低于河南“7·20”過程。

圖4 2023年7月31日4個(gè)站點(diǎn)分鐘級降水量時(shí)間序列Fig.4 Time series of minute rainfall at four stations on 31 July 2023

綜上所述,此次過程累計(jì)降水量大,小時(shí)雨強(qiáng)表現(xiàn)出面弱點(diǎn)強(qiáng)的特點(diǎn),局地小時(shí)雨強(qiáng)和分鐘級雨強(qiáng)均表現(xiàn)出明顯的極端性。同時(shí),降水階段性特征明顯,7月29日小時(shí)雨強(qiáng)相對較小,30日起雨強(qiáng)開始增強(qiáng),至31日白天小時(shí)雨強(qiáng)極值達(dá)到最強(qiáng),31日夜間小時(shí)雨強(qiáng)開始減小,強(qiáng)降水過程進(jìn)入明顯減弱與結(jié)束階段。下文進(jìn)一步從MCS發(fā)生發(fā)展、微物理特征、動(dòng)力和熱力條件等方面探究雨強(qiáng)極端性及階段性特征的可能原因。

3 中尺度對流系統(tǒng)特征

此次降水過程主要以天氣尺度系統(tǒng)造成的層積混合云降水回波為主,大部分地區(qū)組合反射率在30～40 dBz,部分時(shí)段部分區(qū)域有MCS發(fā)展。選取出現(xiàn)明顯中尺度雨團(tuán)且雨團(tuán)內(nèi)最大雨強(qiáng)大于50 mm·h-1或100 mm·h-1的時(shí)段,進(jìn)一步分析不同階段MCS活動(dòng)特征。

第一階段降水在7月29日夜間逐漸加強(qiáng)。其中,30日00:00—02:00,河北石家莊西南部山前出現(xiàn)了明顯的中尺度雨團(tuán),最大雨強(qiáng)達(dá)到了40～57 mm·h-1(圖略)。29日午后至夜間,“杜蘇芮”殘渦環(huán)流東側(cè)不斷有螺旋雨帶自山東向華北地區(qū)移動(dòng)(圖略)。圖5a顯示,30日00:00—02:00,河北中南部至山西東南部一帶受層積混合云系影響,河北東南部有α-MCS發(fā)展并沿著東南風(fēng)向河北西南部山區(qū)移動(dòng),并在山前停滯少動(dòng),最強(qiáng)雷達(dá)組合反射率在40～50 dBz,導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)了明顯的短時(shí)強(qiáng)降水天氣。圖6a顯示,降水回波發(fā)展高度不高,回波頂高在8 km左右,35 dBz以上強(qiáng)度回波主要位于5 km 以下,此時(shí)0℃層高度在5 km左右,可見該階段主要為低質(zhì)心暖云主導(dǎo)型降水。

圖5 2023年7月30日至8月1日雷達(dá)組合反射率(a)7月30日00:00—02:00,(b)7月31月09:00—11:00,(c)7月31日16:00—18:00,(d)8月1日17:00—19:00Fig.5 Radar composit reflectivity from(a) 00:00 BT to 02:00 BT 30 July, (b) 09:00 BT to 11:00 BT 31 July, (c) 16:00 BT to 18:00 BT 31 July and (d) 17:00 BT to 19:00 BT 1 August 2023

圖6 2023年(a)7月30日01:00,(b)7月31日10:30,(c)7月31日17:00,(d)8月1日17:30的三維雷達(dá)組網(wǎng)拼圖Fig.6 The 3D radar mosic in different stages at (a) 01:00 BT 30 July, (b) 10:30 BT 31 July, (c) 17:00 BT 31 July and (d) 17:30 BT 1 August 2023

第二階段(圖5b)最強(qiáng)小時(shí)雨強(qiáng)時(shí)段有兩個(gè),分別為7月31日09:00—11:00和16:00—18:00,前一個(gè)時(shí)段中尺度雨團(tuán)主要出現(xiàn)在北京西南部房山、門頭溝以及豐臺等地,后一個(gè)時(shí)段中尺度雨團(tuán)主要影響北京大興、河北永清等地。圖5b的雷達(dá)組合反射率顯示,31日09:00—11:00,東南風(fēng)急流內(nèi)有β-MCS發(fā)展并成塊狀分布,中尺度對流單體回波最強(qiáng)為45～55 dBz,在北京西南部山前緩慢移動(dòng),導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)了明顯的短時(shí)強(qiáng)降水天氣,最強(qiáng)雨強(qiáng)達(dá)到了111.8 mm·h-1。圖6b顯示,此階段較第一階段回波頂高明顯增加,最大頂高在10～14 km,但35 dBz以上回波主要位于5 km以下,仍為暖云主導(dǎo)型降水。31日午后,河北中南部多對流單體活動(dòng),并沿高空偏南風(fēng)逐漸向北移動(dòng)影響北京大興等地,16:00—18:00(圖5c),對流單體合并發(fā)展,在大興—河北永清境內(nèi)發(fā)展為帶狀β-MCS,MCS呈西北—東南走向,最大回波強(qiáng)度在45～60 dBz,大興先后出現(xiàn)2個(gè)站次100 mm·h-1以上的降水。帶狀MCS回波南側(cè)不斷有新生對流單體生成合并,出現(xiàn)后向傳播過程。由于回波走向與單體移動(dòng)方向基本平行,導(dǎo)致大興等地出現(xiàn)了列車效應(yīng),從而使得該地出現(xiàn)了持續(xù)性的強(qiáng)降水,大興站分鐘級雨強(qiáng)演變展現(xiàn)了該過程(圖4c,4d)。圖6c顯示,對流垂直發(fā)展高度進(jìn)一步升高,回波頂高在10～16 km,回波大值中心仍位于5 km以下,但對流單體35 dBz發(fā)展高度達(dá)到了10 km左右,表明該階段除了暖云降水之外,冷云過程也起到了重要作用。

第三階段系統(tǒng)明顯減弱,強(qiáng)降水范圍和強(qiáng)度明顯減小,8月1日下午至傍晚前后,在京津冀交界處附近出現(xiàn)了中尺度雨團(tuán),其中,17:00天津西部出現(xiàn)明顯短時(shí)強(qiáng)降水,最大雨強(qiáng)為40～75.4 mm·h-1。1日午后,在河北中部有分散MCS發(fā)展,并沿著高空西南風(fēng)向東北方向移動(dòng),17:00 MCS合并發(fā)展,并在天津境內(nèi)發(fā)展為β-MCS,呈南北向,其在東移過程中逐漸減弱,最大回波強(qiáng)度為40～60 dBz。圖6d顯示,對流垂直發(fā)展高度高,回波頂高在10～16 km,對流單體35 dBz發(fā)展高度接近15 km,表明冷云過程較第二階段更為顯著。

過程累計(jì)閃電密度分布顯示(圖7a),閃電密度大值區(qū)主要位于北京南部、河北中東部、天津西部等地,過程累計(jì)降水量超過400 mm以上的大部分區(qū)域閃電密度相對北京南部、河北中東部、天津西部等地要小。從不同階段閃電密度對比可以看出,第一階段(圖7b)閃電密度非常小,僅在局地出現(xiàn)了少量閃電,這與該階段降水云系主要以暖云主導(dǎo)有關(guān);第二階段(圖7c)閃電密度大值區(qū)主要位于北京大興—河北廊坊、保定以及滄州一帶,主要與7月30日下午以及31日傍晚前后對流系統(tǒng)發(fā)展有關(guān),對流發(fā)展高度超過了15 km,北京西南部閃電密度相對而言較上述區(qū)域要小,這也與對流垂直結(jié)構(gòu)及發(fā)展高度吻合較好;第三階段(圖7c),在北京南部、河北中東部、天津西部出現(xiàn)了分散的閃電大值區(qū),與8月1日午后至傍晚MCS系統(tǒng)發(fā)展結(jié)構(gòu)與高度基本一致。Williams and Stanfill(2002)指出對流云內(nèi)出現(xiàn)閃電與云內(nèi)混合相態(tài)過程、過冷卻水在冰晶上的吸附以及冰晶與霰粒子之間的碰撞有關(guān)。

圖7 2023年7月30日至8月1日(a)過程累計(jì)和(b～d)不同階段閃電密度分布(b)第一階段,(c)第二階段,(d)第三階段Fig.7 Lightning density distribution of (a) process accumulation and (b-d) different stages from 30 July to 1 August 2023(b) the 1st stage, (c) the 2nd stage, (d) the 3rd stage

由上可見,三個(gè)階段雷達(dá)回波垂直結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出低質(zhì)心的特點(diǎn),這與以短時(shí)強(qiáng)降水為主的強(qiáng)對流雷達(dá)回波特征基本吻合(孫繼松,2014)。除此之外,強(qiáng)降水時(shí)段對應(yīng)的MCS特征則存在明顯差異。第一階段大的雨強(qiáng)主要由α-MCS造成,對流發(fā)展高度不高、強(qiáng)度不強(qiáng),但在河北山前移動(dòng)緩慢,為低質(zhì)心暖云主導(dǎo)型降水,對應(yīng)的閃電密度較小。第二階段大的雨強(qiáng)主要由β-MCS引起,7月31日上午MCS在北京西南部山前移動(dòng)緩慢,對流發(fā)展高度明顯升高,但仍以低質(zhì)心暖云為主導(dǎo);31日下午,對流發(fā)展高度不斷升高,維持時(shí)間較長且表現(xiàn)出明顯的后向傳播和列車效應(yīng),閃電密度較大,說明冰相過程對雨強(qiáng)的增強(qiáng)起到了非常重要的作用。第三階段,大的雨強(qiáng)由發(fā)展強(qiáng)盛的帶狀β-MCS產(chǎn)生,對流發(fā)展高度高、閃電密度大,但MCS生命史相對較短。

4 微物理特征分析

進(jìn)一步對強(qiáng)降水對應(yīng)的雙偏振雷達(dá)、雨滴譜等資料進(jìn)行分析,從而更好地對比不同階段降水微物理特征的異同點(diǎn)。第一階段,最強(qiáng)降水出現(xiàn)在7月30日凌晨石家莊西南部。石家莊雙偏振天氣雷達(dá)剖面顯示(圖8),30日00:30河北西南部山前強(qiáng)降水對應(yīng)的最大反射率因子(ZH)為49 dBz,表征對流垂直發(fā)展強(qiáng)度的35 dBz回波頂高主要維持在6 km 以下,低于-10℃溫度層對應(yīng)的高度,表明其對流總體發(fā)展高度不高且回波質(zhì)心在4 km以下,29日20:00探空顯示0℃層高度在5.5 km左右,可見該階段主要以低質(zhì)心暖云降水為主。差分反射率(ZDR)與差分相移率(KDP)在0℃層以下高度的總體數(shù)值分布較窄,其最大值分別小于1.8 dB和1.8°·km-1,表明降水粒子直徑較小,粒子濃度以及液態(tài)含水量較高。ZDR、KDP在0℃層以下隨高度降低迅速增加,近地面是0℃層高度的2倍以上,可推測出其液態(tài)水含量向下的快速增長,反映暖雨碰并增長過程效率較高。ZDR柱伸展到了-10℃左右的高度,表明對流系統(tǒng)內(nèi)ZDR柱位置存在較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),對應(yīng)正浮力區(qū),該上升運(yùn)動(dòng)區(qū)溫度明顯高于同高度環(huán)境溫度。-10～0℃層的ZH基本在30 dBz 以下,且數(shù)值隨高度降低明顯增加,對應(yīng)KDP略大于0°·km-1,ZDR數(shù)值基本在1 dB以下,反映其對應(yīng)高度層上存在一定程度的冰晶聚合過程(Barnes and Houze,2014)。而在0℃層高度附近,ZH、ZDR的緩慢增加表明存在一定程度的冰晶聚合體融化,對應(yīng)相關(guān)系數(shù)在0.90～0.95(圖略)?？傮w而言,該階段對流發(fā)展較淺,主要還是以暖雨碰并增長為主,輔以一定程度的冰晶聚合及融化過程。

圖8 2023年7月30日00:30石家莊雙偏振天氣雷達(dá)沿(37.76°N、114.32°E)—(37.72°N、114.51°E)的剖面(a)ZH,(b)徑向速度,(c)ZDR,(d)KDPFig.8 Cross-section of Shijiazhuang Dual Polarization Radar along (37.76°N,114.32°E)-(37.72°N,114.51°E) at 00:30 BT 30 July 2023(a) ZH, (b) radial velocity, (c) ZDR, (d) KDP

第二階段最強(qiáng)雨強(qiáng)出現(xiàn)在7月31日白天。圖9為31日10:42北京雙偏振天氣雷達(dá)剖面,顯示豐臺附近強(qiáng)降水最大ZH為60 dBz,35 dBz回波頂高達(dá)10 km左右,高于-20℃層對應(yīng)的高度,表明對流發(fā)展高度高,但回波質(zhì)心位于5.5 km以下。ZDR與KDP在0℃層以下高度的總體數(shù)值分布寬,其最大值分別小于4.5 dB和5.0°·km-1,表明此時(shí)對應(yīng)的雨滴粒子直徑大、濃度高,液態(tài)含水量高,可能還伴有融化的冰雹或霰粒子混合物,對應(yīng)的小時(shí)雨強(qiáng)明顯大于30日凌晨石家莊西南部降水。0℃層以下高度,ZH、ZDR、KDP數(shù)值隨高度減小逐步增大,反映雨滴在暖云內(nèi)的增長過程快,較第一階段暖云增長過程更為顯著。與此同時(shí),-20～-10℃層附近對應(yīng)高度層,ZH隨高度下降明顯增加,ZH數(shù)值整體低于35 dBz,ZDR、KDP數(shù)值均略大于零,表明出現(xiàn)了冰晶聚合過程(Barnes and Houze,2014)。而在-10～0℃層,ZH大于35 dBz,且KDP、ZDR數(shù)值分別約增大至1°·km-1和1 dB,可推斷其對應(yīng)髙度層區(qū)間存在較高比例因凇附過程形成的霰粒子(Barnes and Houze,2014),而在0℃層與4 km高度區(qū)間內(nèi),ZH、ZDR、KDP向下快速增加,這對應(yīng)了較大尺寸的冰相粒子(霰粒子、雹等)融化。可見,31日對流發(fā)展旺盛,降水粒子大、粒子濃度和液態(tài)含水量高,除暖雨碰并之外,冰相粒子聚合和融化過程對雨強(qiáng)增加起到了重要作用。

圖9 2023年7月31日10:42北京雙偏振天氣雷達(dá)沿(40.01°N、115.94°E)—(39.81°N、116.24°E )的剖面(a)ZH,(b)徑向速度,(c)ZDR,(d)KDPFig.9 Cross-section of Beijing Dual Polarization Radar along (40.01°N,115.94°E)-(39.81°N,116.24°E ) at 10:42 BT 31 July 2023 (a) ZH, (b) radial velocity, (c) ZDR, (d) KDP

第三階段強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在8月1日17:00前后。天津?qū)氎骐p偏振天氣雷達(dá)回波剖面顯示(圖略),最大ZH為60 dBz左右,35 dBz回波頂高達(dá)14 km 左右,對流發(fā)展高度比第二階段還高,表明冰相聚合以及融化過程較第二階段更為顯著。ZDR與KDP在0℃層以下高度的總體數(shù)值分布寬,其最大值分別小于5.7 dB和4.9°·km-1,ZDR、KDP數(shù)值總體較第二階段大,此時(shí)對應(yīng)的雨滴粒子直徑大、濃度高,液態(tài)含水量高,且可能存在融化的冰雹或霰粒子混合物,同時(shí),在4 km以下層次ZDR向下明顯增長,KDP也隨高度減小增加,表明該階段也存在明顯的暖雨碰并過程。

進(jìn)一步從三個(gè)階段雨滴譜分布分析近地面降水的微物理特征。圖10a顯示,第一階段降水粒子主要以中等粒徑(1 mm3 mm)樣本較少,但濃度lg(Nw)>5.0 mm-1·m-3,對應(yīng)的液態(tài)水含量(W)在4 g·m-3以下,表明該階段雨強(qiáng)相對較大,以高濃度的中等粒子為主。依據(jù)Bringi et al(2003)對降水微物理過程類型的分類研究,該階段主要以海洋性降水特征為主,大陸性對流降水樣本相對較少。第二階段仍以高濃度的中等粒徑為主,但高液態(tài)水含量以及大陸性對流降水樣本(大粒徑、低濃度)明顯增加(圖10b),結(jié)合雷達(dá)變量分析,可知大粒徑雨滴主要出現(xiàn)于存在冰相過程的深對流中(Chen et al,2022)。該階段Nw-Dm數(shù)值處于海洋性降水與大陸性對流性降水特征區(qū)域的中間(Bringi et al,2003)。第三階段強(qiáng)降水樣本相對較少,但其Nw-Dm分布與第二階段類似(圖10c),既有高濃度的中等粒徑雨滴,也有低濃度的大粒徑樣本,也表現(xiàn)出海洋性降水與大陸性對流性降水混合狀態(tài)。

注:N為樣本數(shù)。圖10 2023年7月30日至8月1日不同階段雨滴譜分布特征(a)第一階段,(b)第二階段,(c)第三階段Fig.10 Distribution of raindrop spectra in different stages from 30 July to 1 August 2023 (a) the 1st stage, (b) the 2nd stage, (c) the 3rd stage

5 MCS發(fā)生發(fā)展動(dòng)力和熱力條件分析

接下來進(jìn)一步分析不同階段MCS發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力和熱力條件。7月29日至8月1日,臺風(fēng)杜蘇芮減弱后的殘余環(huán)流繼續(xù)北上影響華北地區(qū),其東側(cè)副高和北側(cè)大陸高壓打通形成高壓壩,導(dǎo)致其移動(dòng)緩慢,且其東側(cè)以及北側(cè)存在偏南和偏東急流,同時(shí)華北地區(qū)位于200 hPa高層副熱帶西風(fēng)急流入口區(qū)右側(cè),此外臺風(fēng)卡努位于臺灣以東洋面,大尺度環(huán)流背景和天氣尺度系統(tǒng)為中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展以及持續(xù)性強(qiáng)降水提供了有利的動(dòng)力抬升、水汽等條件。

在第一階段,臺風(fēng)杜蘇芮減弱后的殘余環(huán)流中心位于河南境內(nèi),京津冀地區(qū)受低壓倒槽控制,其中河北西南部沿山附近偏東風(fēng)與東北風(fēng)風(fēng)速較大, 850 hPa偏東急流風(fēng)速超過了16 m·s-1(圖11a)。風(fēng)廓線顯示(圖12a),7月30日00:00前后石家莊附近900～850 hPa出現(xiàn)偏東風(fēng)急流脈動(dòng),最大風(fēng)速達(dá)到了20 m·s-1。受倒槽輻合以及偏東風(fēng)急流地形抬升共同影響,該地區(qū)850 hPa輻合超過了-4×10-5s-1,與此同時(shí),200 hPa高空急流入口區(qū)輻散達(dá)到了4×10-5s-1以上,高空抽吸以及低層輻合有利于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展(圖11a)。雷達(dá)徑向速度剖面顯示(圖8b),山前對流發(fā)展導(dǎo)致邊界層有偏北風(fēng)出流,偏北風(fēng)與偏東風(fēng)在山前對峙,為MCS在山前的維持提供了有利條件。受副高外圍偏南急流以及低壓殘余環(huán)流水汽輸送影響,整層可降水量達(dá)到了60 mm以上,其中河北南部達(dá)到了70 mm以上,河北中南部對流有效位能(CAPE)在500 J·kg-1左右(圖13a)。在石家莊西南部出現(xiàn)強(qiáng)降水前(29日20:00),其南部邢臺CAPE超過了1300 J·kg-1,濕層非常深厚,且CAPE為狹長型,抬升凝結(jié)高度為184 m(圖14a),有利于中小尺度系統(tǒng)發(fā)展以及強(qiáng)降水的產(chǎn)生(Davis,2001)。

圖11 2023年(a)7月30日00:00,(b)7月31日10:00,(c)8月1日16:00的500 hPa高度場(紫色等值線,單位:dagpm)、850 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽)、850 hPa輻合區(qū)(填色)、200 hPa輻散場(綠色等值線,單位:10-5 s-1) Fig.11 The 500 hPa geopotential height (purple contour, unit: dagpm), 850 hPa wind (barb), 850 hPa convergence (colored) and 200 hPa divergence (green contour, unit: 10-5 s-1) at (a) 00:00 BT 30 July, (b) 10:00 BT 31 July, (c) 16:00 BT 1 August 2023

圖12 2023年(a)7月29日23:00至30日03:00河北石家莊站,(b)7月31日09:00—13:00北京海淀站,(c)7月31日15:00—19:00北京南郊站,(d)8月1日14:00—18:00天津西青站的風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場Fig.12 Horizontal wind of wind-profiling radars at (a) Shijiazhuang Station from 23:00 BT 29 to 03:00 BT 30 July, (b) Haidian Station from 09:00 BT to 13:00 BT 31 July, (c) Nanjiao Station from 15:00 BT to 19:00 BT 31 July and (d) Xiqing Station from 14:00 BT to 18:00 BT 1 August 2023

圖13 2023年(a) 7月29日23:00,(b)7月31日09:00,(c)8月1日16:00的CAPE(等值線,單位:J·kg-1)、整層可降水量(填色)以及850 hPa水汽通量分布(箭矢,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)Fig.13 The different-stage CAPE (contour, unit: J·kg-1), integrated precipitable water (colored), and 850 hPa water vapor flux (vector, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) at (a) 23:00 BT 29 July, (b) 09:00 BT 31 July and (c) 16:00 BT 1 August 2023

圖14 2023年(a)7月29日20:00河北邢臺站,(b)7月31日08:00北京站,(c)7月31日14:00北京站,(d)8月1日14:00北京站的T-lnp圖Fig.14 T-lnp diagrams for (a) Xingtai Station at 20:00 BT 29 July, (b) Beijing Station at 08:00 BT 31 July, (c) Beijing Station at 14:00 BT 31 July and (d) Beijing Station at 14:00 BT 1 August 2023

在第二階段,低壓殘余環(huán)流進(jìn)一步北上,強(qiáng)度有所減弱,7月30日20:00前后低壓環(huán)流與其上游的西北地區(qū)東南部弱低壓環(huán)流合并。與此同時(shí),副高進(jìn)一步西伸,北側(cè)高壓壩進(jìn)一步發(fā)展,東南急流較為強(qiáng)盛,華北平原中北部地區(qū)位于偏南風(fēng)與東南風(fēng)暖切變輻合區(qū)內(nèi),同時(shí)東南風(fēng)受河北中部以及北京西部山前地形抬升影響。此外,200 hPa高空急流進(jìn)一步北收,輻散區(qū)主要位于河北中部—北京一帶(圖11b)。風(fēng)廓線顯示(圖12b,12c),31日09:00—11:00,近地面偏東風(fēng)加強(qiáng),對流層低層至700 hPa有東南風(fēng)強(qiáng)烈發(fā)展,最大風(fēng)速超過24 m·s-1,對應(yīng)北京西部山前有明顯的對流發(fā)展,對流伸展高度明顯高于第一階段,隨著低空急流強(qiáng)度減小以及層次變薄,對流和強(qiáng)降水有所減弱。而31日下午,隨著天氣尺度系統(tǒng)的減弱,偏南風(fēng)與偏東風(fēng)較前期整體減弱明顯,但16:00—18:00,偏東風(fēng)與偏南風(fēng)出現(xiàn)脈動(dòng),強(qiáng)度再次加強(qiáng),925 hPa以上偏東風(fēng)加大至12 m·s-1以上,850～700 hPa偏南風(fēng)加強(qiáng)至8～12 m·s-1,500 hPa以上偏南風(fēng)加大,邊界層偏東風(fēng)以及中低層偏南風(fēng)脈動(dòng)為該時(shí)段MCS發(fā)展提供了有利抬升條件。此外,從雷達(dá)徑向速度剖面也可以看出(圖9b),31日10:42,邊界層內(nèi)有明顯的出流,對流出流與偏東風(fēng)在山前對峙,為MCS維持以及新生提供了有利條件。與此同時(shí),31日18:00前后,北京大興、河北保定附近除了監(jiān)測到明顯的偏北風(fēng)出流與環(huán)境偏南風(fēng)的輻合區(qū),使得該階段出現(xiàn)了后向傳播以及列車效應(yīng)外,同時(shí)也監(jiān)測到了多個(gè)中尺度渦旋(圖略),為MCS發(fā)生發(fā)展提供了非常有利的抬升條件。此時(shí)除副高外圍偏南氣流水汽輸送之外,臺風(fēng)卡努水汽遠(yuǎn)距離輸送也為第二階段水汽供應(yīng)起到了關(guān)鍵作用。此時(shí),整層可降水量大于70 mm 的區(qū)域主要位于河北中部、北京以及天津一帶。受持續(xù)降水影響,北京地區(qū)CAPE不斷得到釋放,減少為100 J·kg-1左右(圖13b)。從北京站31日 08:00 探空曲線可以看出(圖14b),此時(shí)仍表現(xiàn)為濕層深厚、狹長CAPE的特點(diǎn),CAPE為195 J·kg-1,其上游河北邢臺、山東章丘CAPE在500～1000 J·kg-1。在31日中午前后(圖14c),受偏南暖濕輸送以及對流層中上層干層的影響,對流能量得到重建,北京地區(qū)CAPE增加至超過400 J·kg-1,河北邢臺站CAPE超過3300 J·kg-1(圖略),ERA5分析場顯示,17:00河北南部CAPE為600～1000 J·kg-1(圖略),為31日下午北京大興及河北廊坊等地MCS的發(fā)展提供了有利的能量和水汽條件。

在第三階段,副高進(jìn)一步西伸加強(qiáng),合并后的弱低壓環(huán)流東移北上控制我國內(nèi)蒙古等地,高空急流也進(jìn)一步東移,華北低層受偏南氣流控制,高空受反氣旋影響,天氣尺度抬升明顯減弱,但此時(shí)偏南風(fēng)仍維持在10 m·s-1左右(圖11c)。從風(fēng)廓線(圖12d)可以看出,8月1日17:00前后,南風(fēng)存在明顯的脈動(dòng),7 km以下南風(fēng)風(fēng)速明顯加大,強(qiáng)南風(fēng)脈動(dòng)輻合為MCS的發(fā)展提供了有利的動(dòng)力抬升條件。雷達(dá)徑向速度剖面上(圖略),主要以一致的偏南風(fēng)為主,未在對流剖面附近監(jiān)測到明顯的出流與環(huán)境風(fēng)場的輻合區(qū),這也是該階段對流系統(tǒng)維持時(shí)間較短,且在東移過程中并未出現(xiàn)明顯的對流單體新生的原因。與此同時(shí),臺風(fēng)卡努遠(yuǎn)距離水汽輸送為對流發(fā)展提供了有利的水汽條件(圖13c),京津冀交界處整層可降水量達(dá)到了70 mm以上,而且對流不穩(wěn)定能量增長至1000 J·kg-1以上(圖14d)。盡管該階段低壓環(huán)流明顯減弱北上,但華北中東部地區(qū)偏南風(fēng)急流脈動(dòng)發(fā)展與強(qiáng)的對流不穩(wěn)定能量的存在仍然可為MCS發(fā)展提供有利的動(dòng)力和熱力條件。

6 結(jié)論與討論

基于地面自動(dòng)氣象站、雙偏振雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、閃電定位儀、地面雨滴譜儀以及ERA5再分析資料,對2023年7月29日至8月1日華北極端強(qiáng)降水的雨強(qiáng)精細(xì)化特征、MCS、微物理特征及其發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力和熱力條件進(jìn)行了初步分析,結(jié)論如下。

(1)此次極端強(qiáng)降水過程小時(shí)雨強(qiáng)表現(xiàn)出面弱點(diǎn)強(qiáng)的特點(diǎn),局地雨強(qiáng)大,小時(shí)、分鐘級雨強(qiáng)均具有一定的極端性。雨強(qiáng)表現(xiàn)出明顯的階段性特征:第一階段(7月29日08:00至30日08:00)為降水開始發(fā)展階段,雨強(qiáng)相對較小;第二階段(7月30日08:00至31日20:00),為降水最強(qiáng)時(shí)段,雨強(qiáng)最強(qiáng),大于100 mm·h-1的雨強(qiáng)主要出現(xiàn)在該階段后期;第三階段(7月31日20:00至8月2日08:00),過程降水和小時(shí)雨強(qiáng)均明顯減弱,最大小時(shí)雨強(qiáng)略強(qiáng)于第一階段。

(2)三個(gè)階段強(qiáng)降水時(shí)段對應(yīng)的MCS和微物理特征也存在明顯差異。第一階段大的雨強(qiáng)主要由α-MCS造成,對流發(fā)展高度不高、強(qiáng)度不強(qiáng)、移動(dòng)緩慢,以低質(zhì)心暖云降水為主,對應(yīng)的閃電密度較小,雨滴直徑中等、濃度較大,以暖云碰并增長為主,海洋性降水特征更明顯;第二階段大的雨強(qiáng)主要由β-MCS造成,對流發(fā)展高度明顯升高,除暖云降水之外,冷云降水也起了非常重要的作用,閃電密度較大,且表現(xiàn)出明顯的后向傳播和列車效應(yīng),雨滴直徑明顯增大、濃度增加,海洋性降水與陸地性降水特征共存,暖雨碰并增長與冰晶聚合、凇附以及融化過程共存;第三階段,大的雨強(qiáng)由發(fā)展強(qiáng)盛的帶狀β-MCS產(chǎn)生,對流發(fā)展高度更高、閃電密度大,但MCS生命史相對較短,較第二階段冷云降水過程更為顯著,同時(shí)存在暖云碰并增長過程。與第二階段類似,該階段既有高濃度的中等粒徑雨滴,也有低濃度的大粒徑樣本,海洋性降水與陸地性降水特征共存。

(3)第一階段天氣尺度強(qiáng)迫強(qiáng),臺風(fēng)杜蘇芮殘渦倒槽輻合以及偏東風(fēng)急流地形強(qiáng)迫抬升為強(qiáng)降水出現(xiàn)提供了有利動(dòng)力條件,且水汽充沛,CAPE在500 J·kg-1左右,主要以層積混合云為主,MCS發(fā)展高度相對較低。第二階段臺風(fēng)杜蘇芮殘渦環(huán)流逐步減弱與上游低壓合并,東南風(fēng)與偏南風(fēng)暖式切變以及東南風(fēng)急流地形抬升或偏南風(fēng)脈動(dòng)輻合抬升明顯。此外,對流出流與偏南風(fēng)脈動(dòng)輻合為7月31日下午MCS的后向傳播以及列車效應(yīng)提供了有利條件。臺風(fēng)卡努水汽遠(yuǎn)距離輸送為這一階段MCS和強(qiáng)降水提供了充沛的水汽。受低層暖濕輸送與中高層干空氣共同影響,該階段后期對流不穩(wěn)定能量再次重建,上游地區(qū)CAPE達(dá)到了600～1000 J·kg-1,有利于深厚對流系統(tǒng)的發(fā)展。第三階段,低壓環(huán)流明顯減弱,但整層可降水量仍然非常充沛,偏南風(fēng)急流脈動(dòng)輻合為該階段MCS和降水提供了動(dòng)力條件,由于該階段對流不穩(wěn)定能量大,導(dǎo)致該階段MCS發(fā)展強(qiáng)度強(qiáng)、伸展高度高。

綜上所述,此次過程不同階段雨強(qiáng)特征與中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展、微物理特征直接相關(guān),天氣尺度系統(tǒng)以及水汽熱力條件為強(qiáng)降水和中尺度系統(tǒng)提供了有利背景。三個(gè)階段,第一階段為臺風(fēng)杜蘇芮殘渦最強(qiáng)階段,水汽充沛,具有一定的對流不穩(wěn)定能量,但對流系統(tǒng)及雨強(qiáng)明顯弱于另外兩個(gè)階段;第二個(gè)階段殘渦逐漸減弱,后期天氣尺度抬升條件不及第一階段,24 h累計(jì)強(qiáng)降水范圍和強(qiáng)度明顯減小,但對流不穩(wěn)定能量有所增加,出現(xiàn)了多個(gè)深厚對流系統(tǒng),且小時(shí)雨強(qiáng)為整個(gè)過程最強(qiáng)。目前,不同階段多尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展對小時(shí)雨強(qiáng)變化的影響機(jī)制尚不清楚,仍需要進(jìn)一步深入研究。此外,短期時(shí)效內(nèi)僅依據(jù)動(dòng)力、水汽以及不穩(wěn)定條件對雨強(qiáng)精細(xì)化特征進(jìn)行預(yù)報(bào)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,特別是在天氣尺度強(qiáng)迫減弱階段,準(zhǔn)確研判對流系統(tǒng)發(fā)展強(qiáng)度以及可能出現(xiàn)的后向傳播以及列車效應(yīng)等中尺度過程是極端雨強(qiáng)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。