1 引言
晋城地处山西省东南部， 南依王屋山、 东依太行山与河南省新乡、 济源、 焦作交界， 中部为沁水流域谷地。2021年7月11日， 晋城西南局部地区出现了小时雨量超过100 mm、 6 h雨量超过200 mm、 12 h雨量超过250 mm的极端强降水事件， 其中晋城国家自动站出现了1961年以来7月第二强降水。极端强降水致使山西省晋城市泽州县南岭乡曹河村突发山洪， 多间房屋冲毁， 1人被埋， 7人失联； 山西阳城县100多辆汽车被冲走； 山西蟒河景区山洪暴发， 道路冲毁， 通信中断， 房屋受损， 700多人被围困。
极端降水事件因其较高的致灾性， 一直以来受到预报人员和学者们的普遍关注， Guhathakurta et al （2011）、 Lehmann et al （2015）研究发现， 许多地区的降水气候态有向极端化方向发展的趋势， 2012年北京7·21特大暴雨、 2016年7·19华北极端强降水、 2017年广州5·7局地突发特大暴雨、 2021年7·20河南特大暴雨等极端降水事件的频繁发生， 更引起了社会和学者们极大的关注。极端降水事件具有较强的地域差异， 其环流背景和主要影响系统也多有不同（牛若芸等， 2018； 周旋等， 2020； 钟敏等， 2020； 卢珊等， 2022）， 受不同地理位置、 海陆分布、 山脉地形等因素， 极端强降水发生的触发与维持机制、 中小尺度特征也存在明显差异（刘红武等， 2021； 李哲等， 2022； 史月琴等， 2022）。杨晓亮等（2022）分析在一次河北中部局地强降水过程中三处强降水形成的物理过程各不相同， 其触发和增强系统分别为阵风锋、 边界层偏东气流在太行山前迎风坡的抬升、 地面冷池以及偏南气流的维持和夜间增强； 徐珺等（2018）对2017年广州5·7局地突发特大暴雨过程的中尺度特征分析时指出： 喇叭口地形增强了风速辐合， 地形辐射降温配合城市热岛形成高温度梯度区加强上升运动， 后向传播引发列车效应导致极端强降水的产生。Xia and Zhang（2019）分析了2016年7月19 -20日太行山东麓南部、 中部、 北部的极端强降水事件， 指出极端强降水更易出现在200~600 m海拔区内， 低空急流带来的水汽输送强度、 西南涡引起的地面气旋发展、 气流方向与局部地形的坡度以及大气稳定度在此次太行山东麓极端强降水过程中发挥了重要作用。杨晓军等（2022）对2018年一次青藏高原东北侧边坡强对流暴雨过程分析， 发现边界层中尺度风速脉动、 地面辐合线及特殊地形等是触发MCS发生、 发展的主要因子， 地面中尺度辐合线的形成、 维持及移动与强降水的位置有很好的对应关系。
极端强降水具有降水强度强和降水持续时间长的特征， 其降水强度与降水类型及降水粒子的微物理特征密切相关（Doswell et al， 1996）， 理解降水结构和内部的微物理过程特征变化， 对于提高降水的监测和预报有重要的意义。目前常用的降水探测设备包括多普勒天气雷达、 地面雨量筒和雨滴谱仪等（刘晓阳等， 2010； 丛芳和刘黎平， 2011； 朱亚乔和刘元波， 2013； 柳臣中等， 2015； 明虎等， 2014）。与天气雷达和地面雨量筒相比， 地面雨滴谱仪可探测到近地面的雨滴谱分布， 有助于理解地面降水的微物理特征（王可法等， 2011； 罗俊颉等， 2012； 刘西川等， 2014）。如： Wu and Liu（2017）统计了 2014年 4 -7月那曲降水的雨滴谱， 发现层云降水的雨滴数浓度减小幅度随直径增大而增大， 对流降水中大雨滴的数浓度减小非常缓慢， 且数浓度小于中国东部地区； 刘红燕和雷恒池（2006）利用雨滴谱研究指出平均体积直径大于1.2 mm和中数体积直径大于1.5 mm的降水是对流云降水； 傅佩玲等（2018）研究指出2017年广州5·7局地特大暴雨过程中降水雨滴谱在高湿环境中表现为暖性降水的特征， 即小雨滴浓度非常高， 但同时存在部分大粒子， 从而导致了更高的降水效率和局地强降水； Wang et al（2021）对2017年东北一次极端强降水过程的分析发现， 极端强降水产生阶段， 小、 中、 大雨滴的数量和浓度迅速增加， 且持续时间较长， 并在最大降水量产生时刻达到峰值。
“0711”晋城极端强降水主要发生在中国地形二级阶梯中华北太行山脉复杂地形区。触发此次极端强降水的宏观有利条件有哪些？微物理结构特征如何？地形在此次极端强降水中起到了什么作用？针对以上问题， 本文试图利用ERA5逐小时再分析资料、 地面加密自动站、 高分辨率气象卫星、 多普勒天气雷达及激光雨滴谱仪数据， 研究此次极端强降水事件的宏微观结构特征， 旨在揭示此类局地强降水事件的宏观和微观特征， 为极端强降水的提前预警提供技术支撑。
2 资料来源与方法介绍
2.1 资料来源
文中所用的ERA5再分析资料是欧洲中期数值预报中心（ECMWF）的第五代再分析资料数据集， 逐小时高空和地表数据， 水平分辨率为0.25°×0.25°， 高空数据从1000 hPa到1 hPa共37层， 资料均从公开网站获得。地面加密自动站雨量及风速风向资料， 源于国家气象信息中心CIMISS实时资料数据库； FY-4A高时空分辨率卫星云图以及多普勒雷达和雷达拼图数据， 源于山西省气象信息中心； 晋城Parsivel激光雨滴谱仪数据源于山西省人工增雨防雷技术中心。
文中的地图均是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）1825的标准地图制作， 底图无修改。
2.2 方法介绍
本文采用Orlanski（1975）尺度划分方案对系统进行尺度划分， 大尺度系统为水平尺度2000 km以上的系统， 中α、 中β和中γ尺度系统分别对应水平尺度为200~2000 km、 20~200 km和2~20 km， 水平尺度2 km以下的为小尺度系统。
Parsivel激光雨滴谱仪数据共包括32个尺度通道和32个速度通道， 可探测雨滴直径为0~26 mm， 时间分辨率为1 min， 具体数据处理方法参见Wang et al（2021）和Bringi et al（2003）。
3 极端强降水概况
2021年7月11日， 天气图上中低层低涡系统经过太行山南部山区， 给山西南部、 河南北部以及河北南部带来大范围的暴雨和大暴雨天气。由11日04:00（北京时， 下同） -16:00的12 h累计降水量和小时降水量极值的空间分布图可知， 此阶段强降水中心主要位于山西晋城西南部与河南北部交界的王屋山南侧和东侧海拔600~1000 m的区域（图1 中左下红框区为1区）以及山西长治东南部太行山脉南段王莽岭东北部海拔800~1200 m的区域（图1 中右上红框为2区）， 其中， 1区共5个站的12 h累计降水量超过250 mm， 且最大小时降水强度达106 mm·h-1， 2区最大降水出现在壶关的鹅屋为268.5 mm， 整个区域中最大累计降水量出现在区域站阳城的蟒河景区［图1 （a）中的MH］， 高达345.9 mm， 小时降水量最大为90.9 mm； 国家站山西晋城12 h降水量197.8 mm， 10日20:00至11日20:00的24 h累计降水量达198.1 mm， 为1961年以来仅次于2012年221.2 mm的7月第二高， 其最大小时降水量70.9 mm， 也超过了晋城市99%百分位的小时极端降水量阈值。
图1 2021年7月11日04:00 -16:00累计降水量（a， 彩色区）和小时最大降水量（b， 彩色区）散点分布（单位： mm）灰色阴影为地形高度场， 黑色等值线分别为200 m、 600 m和1000 m的等高度线， ★代表强降水中心和晋城站， 其中“JC”代表晋城站， “MH”代表阳城蟒河景区站 Fig.1 Scatter map of accumulated rainfall （a， color area） and hourly maximum rainfall （b， color area） from 04:00 to16:00 on 11 July 2021. Unit： mm. Terrains shaded in gray， with the contours of 200， 600， and 1000-metre elevations. Black five-pointed stars （★） are positions of heavy rainfall center and Jincheng station， while “JC” and “MH” represent Jincheng and Manghe Scenic Area station， respectively |
由11日06:00 -14:00逐小时降水空间演变与地形高度的叠加图（图3 ）可知， 降水在黄河谷地向王屋山的过渡地带降水强度增强， 11日05:00开始在200 m地形高度以上出现20 mm·h-1以上的短时强降水， 且伴随降水系统向东北方向移动， 降水强度随地形高度的增加而增加， 当降水系统到达王屋山与太行山南段之间的沁河河谷地带时， 降水强度略有减弱， 之后经过晋城向太行山爬升的过程中， 降水强度再次加强， 并且降水系统先后2次经过此区域时降水强度得到加强， 给1区连续带来2次降水峰值， 降水持续时间达8 h， 最终造成200 mm以上的极端强降水； 对于2区强降水， 降水系统经由河南焦作向北沿太行山南麓爬升， 当爬升到400 m高度时降水强度增大到20 mm·h-1以上， 由于太行山脉整体呈南北走向， 且其南麓和东麓坡度更加陡峭， 强降水主要沿太行山脉东侧陡坡600~1200 m的高度上向北移动， 13:00开始与西南方向来的主降水区合并， 降水强度加强出现最大小时降水量70.9 mm， 随后强降水区沿太行山东麓向东北方向移动下山， 逐步移动到河北南部的平原地区， 带来强降水天气。
图3 2021年7月11日06:00 -14:00逐小时降水（单位： mm·h-1）空间演变与地形图（阴影， 单位： m）黑色线为200 m、 600 m、 1000 m等地形高度线； 左边和右边★分别代表强降水中心蟒河景区和晋城站 Fig.3 Hourly precipitation spatial evolution （unit： mm·h-1） and topographic map （shaded， unit： m） from 06:00 to 14:00 on 11 July 2021. The black contours are 200， 600， and 1000-metre elevations. The left and right black five-pointed stars （★） are positions of heavy rainfall center （Manghe Scenic Area station） and Jincheng station， respectively |
综上， 此次极端强降水过程， 逐小时降水演变具有上山加强、 下山减弱的特点， 且当地形高度达到200 m时降水强度开始增大到20 mm·h-1以上， 当高度继续上升到600 m以上时， 则出现60 mm·h-1以上的极端强降水， 尤其坡前局部地区还出现了超过80 mm·h-1的极端强降水。实况证实了迎风坡对降水具有增幅作用。
4 宏观结构特征分析
4.1 环流背景及高低空流型配置
由大尺度环流背景场可知［图4 （a）， （b）］， 7月11日， 山西南部、 河南北部以及河北南部处于200 hPa西风槽前、 高空偏西急流入口区右侧水平辐散（>10-4 s-1）区。此高空急流自11日07:00在山西东南部出现， 向东北移动过程中逐步加强至35 m·s-1以上， 14:00之后， 高空急流逐渐分为东西两段， 东段移动速度明显加快， 与辐散中心逐渐远离， 西段高空急流强度减弱， 至21:00减弱消失。辐散中心最大时段出现在11日07:00 -08:00， 对应山西阳城蟒河景区的第一次雨峰， 1 h降水量47.6 mm。
图4 2021年7月11日200 hPa位势高度场（黑色实线， 单位： dagpm）、 辐散场（彩色区， 单位： ×10-5 s-1）、 高空急流（全风速≥30 m·s-1， 黄色实线）（a， b）和500 hPa位势高度场（黑色实线， 单位： dagpm）、 温度场（红色点线， 单位： ℃）、 850 hPa低空急流（风羽， 单位： m·s-1）、 整层大气可降水量PW（彩色区， 单位： mm）（c， d）★代表晋城站 Fig.4 The geopotential height （black line， unit： dagpm）， convergence filed （color area， unit： ×10-5 s-1）， high-level jet （full wind speed ≥ 30 m·s-1， yellow line） at 200 hPa （a， b）， and the geopotential height （black line， unit： dagpm）， temperature filed （red dotted line， unit： ℃） at 500 hPa， 850 hPa low-level jet （barb， unit： m·s-1）， precipitable water of the whole layer （color area， unit： mm） （c， d） on 11 July 2021. The five-pointed stars （★） is Jincheng station position |
在对流层中低层［图4 （c）， （d）］， 11日08:00 500 hPa位于河套南部的西风槽在东移的过程中逐渐加深增强， 11日20:00形成中心<580 dagpm的低涡［图4 （d）］， 同时西太平洋副热带高压强盛， 中心脊线位于25°N附近， 副高特征线（588 dagpm等高线）在中国西南至河南段呈东北-西南走向， 其西北侧等高线密集， 对应低空西南气流强盛， 850 hPa ［图4 （c）， （d）］出现12 m·s-1以上的西南急流， 急流核位于河南省中南部， 最大风速超过20 m·s-1， 山西南部和河南北部位于低空急流的出口区， 有明显的风速辐合， 低涡前部西南风与东南风形成明显的暖式切变线辐合［图4 （c）］， 极端强降水在850 hPa暖式切变线附近（太行山南段）触发， 最大小时降水量达106 mm。随着低涡东北向移动， 低空急流轴东移到河南东部地区［图4 （d）］， 强降水区随之向东北方向移动至太行山东麓及以东的河北南部地区， 局地最大小时雨量达125 mm。由整层大气可降水量也可以看出， 低空急流为强降水区输送了大量水汽， 整层大气可降水量普遍达55 mm以上， 在山西南部和河南北部最强可达65 mm以上， 11日下午至夜间， 当系统东移影响河北南部时， 整层大气可降水量高达70 mm， 导致该区域小时降水量最高达125 mm。
由11日08:00高低空流型配置及12 h累计100 mm以上降水落区（图5 ）可知， 此次极端强降水的影响系统主要包括： （1）中α尺度的500 hPa高度槽、 700 hPa和850 hPa冷式切变线、 700 hPa和850 hPa暖式切变线以及低空急流、 850 hPa干侵入线和地面干线、 中β和中γ尺度的地面切变线和辐合线。（2）高低空流型配置结构特征为： 500 hPa高度槽超前700 hPa和850 hPa冷式切变线， 中低空大气层结不稳定， 地面区域及自动站风场有中β和中γ尺度切变线和辐合线活动， 高层反气旋辐散区与低层西南急流耦合， 中低层湿度大， 地面露点温度为山地低平原高， 23 ℃地面露点温度位于山区与平原的交界地带。触发机制： 位于中低层不稳定湿区的700 hPa和850 hPa暖式切变线、 850 hPa干侵入线、 地面干线、 地面中尺度切变线和辐合线触发了湿对流发展。极端强降水落区： 极端强降水位于200 hPa高空急流入口区右侧， 低空急流出口区北侧， 500 hPa高度槽、 850 hPa和700 hPa暖切变线、 地面干线所围成的不规则四边形区域， 且与500 hPa T-Td≤4 ℃、 700 hPa T-Td≤3 ℃、 850 hPa T-Td≤2 ℃、 Ki指数≥38 ℃、 Si指数≤-1 ℃所控制的区域相重叠， 在地面干线和地面中尺度切变线0~30 km范围内极端降水量最大。中α尺度的850 hPa暖式切变线和地面干线以及中β尺度的地面切变线和辐合线是晋城地区极端强降水的触发系统。
由郑州探空曲线图（图6 ）可知， 极端强降水发生时段内， 925 hPa及以下为偏东风， 以上为西南或偏南风， 且对流不稳定能量CAPE值一直维持在3000 J·kg-1以上， 对流抑制能量很小， CIN接近为0， 自由对流高度仅112 m， 说明大气层结极其不稳定， 极易触发深厚湿对流。
过极端强降水中心35.25°N作假相当位温、 散度、 涡度、 纬向风与垂直速度的纬向剖面图（图7 ）可知， 900 hPa以下近地面层， 假相当位温呈东高西低分布， 受近地面偏东气流影响， 从平原向王屋山区存在一条高能舌沿地形向西向上爬升， 11日06:00， 第一次雨峰开始前， 800 hPa以下极端强降水区及以东地区假相当位温随高度减小， 为潜在不稳定区， 低涡系统主体位于112°E以西， 水平辐合中心和上升运动主要位于800 hPa以下到近地层； 10:00， 低涡系统在东移的过程中， 受山区下垫面摩擦作用影响， 低层系统移动的速度明显慢于中高层， 正涡度柱由近似垂直逐渐转为东北-西南向， 正涡度区主要位于400 hPa以下， 低涡前部辐合区和上升区范围明显增大， 对应降水区域扩大， 同时， 极端强降水区低层潜在不稳定条件维持， 近地面东风风速加大。加强的近地面东风在遇到中条山、 王屋山、 河南熊耳山、 嵩山形成的向东开口的喇叭口特殊地形时被迫辐合抬升， 促使极端降水区辐合上升运动增强， 叠加低涡系统前部动力辐合作用， 此时极端强降水区低层辐合中心强度已达-2×10-4 s-1， 上升气流伸展高度达300 hPa， 对应在阳城蟒河景区出现了较第一次雨峰更强的第二次雨峰。
图7 2021年7月11日沿35.25°N散度（彩色区， 单位： ×10-5 s-1）、 涡度（紫色实线， 单位： ×10-5 s-1）、 假相当位温（红色实线， 单位： ℃）、 风场（矢量， u， 单位： m·s-1； w×0.1， 单位： ×0.1 Pa·s-1）的纬向垂直剖面 Fig.7 Vertical cross sections of divergence （color area， unit： ×10-5 s-1）， vorticity （purple line， unit： ×10-5 s-1）， pseudo equivalent potential temperature （red line， unit： ℃）， wind filed （vector， u， unit： m·s-1； w×0.1， unit： ×0.1 Pa·s-1） along 35.25°N on 11 July 2021. |
为极端强降水中心蟒河景区位置
is heavy rainfall center （ Manghe Scenic Area station） position综上， 山西晋城的极端强降水发生在200 hPa西风槽、 500 hPa切断低涡东移的环流背景下； 高空急流入口区右侧的强辐散、 低空急流出口区风速的辐合及低涡前部暖式切变线的强辐合是极端强降水的宏观动力条件； 低空急流将水汽源源不断地向极端降水区输送， 23 ℃以上的地面露点温度及65 mm以上的整层大气可降水量是极端强降水的宏观水汽条件； 500 hPa高度槽超前700 hPa和850 hPa冷式切变线形成了宏观的大气动力不稳； 位于极端强降水区上空的中α尺度850 hPa暖式切变线与地面干线以及中β尺度的地面切变线和辐合线共同作用触发了晋城地区的极端强降水； 近地层加强的偏东气流在遇到向东开口的喇叭口特殊地形时被迫辐合抬升， 促使极端降水区辐合上升运动增强， 降水增幅。
4.2 中 α 和中 β 尺度特征
由图4 （c）和图4 （d）中850 hPa低空急流及图5 高低空流型配置图中的低空急流位置可知， 11日06:30， 在低空低涡暖式切变线南侧、 低空急流大风轴到低空急流出口区的位置有中β尺度的A对流云团覆盖， 云顶亮温≤210 K， 与此同时， 在A云团的西北侧（副高特征线588 dagpm线的西北侧）中低层不稳定湿区、 850 hPa暖式切变线附近触发中β尺度的B、 C对流云团［图8 （a）］， 强降水中心阳城蟒河景区位于A云团的西北侧云顶亮温梯度大值区、 C云团移动方向的前部， 06:00 -06:30， 闪电出现第一次峰值， 闪电主要位于云顶亮温≤220 K的云区和云顶亮温梯度的大值区， 06:40 -07:00阳城蟒河景区出现第一次雨峰， 5 min最大降水量达10.2 mm（图2 ）； 之后B和C云团受500 hPa西南气流引导向东北方向移动， 07:30， B和C对流云团在向东北方向移动过程中发展加强， C云团的云顶亮温迅速降至210 K， 并覆盖了晋城， C云团和B云团及A云团相接［图8 （b）］， 07:20 -07:30闪电出现第二次峰值， 07:30 -08:00， 晋城站出现第一次雨峰， 5 min最大降水量为10.8 mm； 与此同时， 在500 hPa槽后、 700 hPa低涡冷式切变线前部、 700 hPa与850 hPa低涡暖式切变线之间的不稳定区域又有D、 E、 F对流云团生成； 之后D、 E、 F对流云团在500 hPa西南引导气流作用下向东北方向移动过程中发展， 09:00， D云团云顶亮温已降到210 K以下， 且与A、 B、 C对流云团合并成为中α尺度的对流云团［图8 （c）］， 08:45 -09:15， 闪电出现第三次峰值， 09:30 - 10:15阳城蟒河景区出现第二次雨峰， 5 min最大降水量达14.8 mm（图2 ）； 此刻， 在500 hPa槽后、 700 hPa低涡冷式切变线前部、 700 hPa与850 hPa低涡暖式切变线之间的不稳定区域又有G对流云团新生［图8 （c）］； 之后G云团在向东北方向移动过程中发展加强［图8 （d）］； 09:45 -10:00， 闪电出现第四次峰值（图2 ）， 10:30， G云团与A+B+C+D相接［图8 （e）］， A+B+C+D云团云顶亮温最低降至200 K以下， 极端强降水中心阳城蟒河景区处于A+B+C+D云团和G云团南侧的亮温梯度大值区， 10:30 -11:30蟒河景区出现第三次雨峰， 5 min最大降水量达12.7 mm（图2 ）； 10:30之后G云团与A+B+C+D云团合并， 同时在对流云团中部出现一条西北-东南向的亮温高值带， 并不断加长加宽， 最终导致合并后的中α尺度对流云团分裂为南、 北两部分， 晋城市处于A+B+C+D+G（S）云团的西部核心区， 11:30 -12:49， 晋城附近云顶亮温维持206~215 K， 晋城降水再次加强， 出现第二次雨峰， 之后伴随着云团的快速东移， 晋城地区降水结束。
由FY-4A卫星水汽图像演变（图9 ）可知， 水汽图像的白亮区出现在低涡系统前部的偏南气流中， 后部为暗黑区， 分别对应低涡系统第一、 四象限的上升运动区和第二、 三象限的下沉气流区， 随着低涡东北方向移动， 水汽暗黑区范围扩大， 水汽区西侧和南侧边界逐渐整齐光滑， 说明高层偏西气流加强且有干冷空气侵入， 对流云团发展加强， 降水强度增强。
综上， 在中低层不稳定湿区共有7个中β尺度的对流云团生成和发展， 其中， 沿850 hPa低涡暖式切变线生成发展的5个对流云团在极端强降水区叠加了特殊的地形影响， 对蟒河景区和晋城站的极端降水有贡献， E和F对流云团生成位置偏北， 只带来了一般的降水天气。这说明有利的环流背景和高低空流型配置与特殊地形同等重要， 缺一不可。
4.3 低涡暖切变云系上的中 γ 尺度特征
由11日05:30 -11:30雷达组合反射率因子拼图与地面风场叠加演变（图10 ）可知， 河南北部黄河流域地面为偏东气流， 其西部和北部为中条山、 王屋山， 与河南境内的熊耳山、 嵩山形成一个向东开口的喇叭口地形， 在中α尺度低涡切变线云系中的王屋山南侧200~600 m迎风坡和太行山南侧不断有中γ尺度对流单体新生发展， 在500 hPa西南引导气流下向东北方向移动。
图10 2021年7月11日05:30 -11:30组合反射率因子（彩色区， 单位： dBZ）与地面自动站风场（风羽， 单位： m·s-1）黑色等值线分别为200 m、 600 m和1000 m的等地形高度线， 棕色线为地面切变线和辐合线 Fig.10 Radar combined reflectivity （color area， unit： dBZ） and wind field of ground automatic stations （barb， unit： m·s-1） from 05:30 to 11:30 on 11 July 2021. The black contours are 200， 600， and 1000 m elevations， and brown lines are surface shear lines and convergence lines |
极端强降水中心蟒河景区的降水主要是由11日06:30 -07:00、 09:30 -10:15和10:30 -11:30的三个阶段的强降水构成， 其5 min最大降水量分别为10.2 mm、 14.8 mm和12.7 mm。1、 3和5号中γ尺度对流单体均初生于王屋山南迎风坡400~600 m地形高度处， 发展加强相继影响极端强降水中心， 形成列车效应。11日05:30， 偏北山风与西南风形成的地面中尺度辐合线［图10 （a）］触发了1号对流单体生成； 之后受西南引导气流影响， 1号对流单体向东北方向移动， 06:30 -07:00移至蟒河景区东南风与西北风形成的地面中尺度切变线附近［图10 （b）， （c）］发展加强， 同时激发2号对流单体新生， 蟒河景区出现第一次雨峰（5 min最大降水量为10.2 mm）； 07:30， 2号对流单体在向东北方向移动过程中， 在东南风与偏北风形成的中γ尺度地面切变线附近发展加强影响晋城［图10 （d）］， 07:30 - 08:00晋城出现第一次雨峰（5 min最大降水量为10.8 mm）， 与此同时， 在1号对流单体的西南部偏西风与偏东风形成的中γ尺度地面辐合线附近触发了3号对流单体［图10 （d）］； 之后3号对流单体向东北方向移动， 09:00， 在蟒河景区西南侧偏西风与偏东风形成的中γ尺度地面辐合线附近发展加强， 此时3号对流单体的东北边界已伸向蟒河景区［图10 （e）］； 09:48， 3号对流单体覆盖蟒河景区， 同时， 在3号对流单体的西南部又有5号对流单体新生［图10 （f）］， 09:30 -10:15， 蟒河景区出现第二次雨峰（5 min最大降水量为14.8 mm）； 10:30， 5号对流单体在偏北风与东南风形成的地面中尺度切变线附近发展加强［图10 （g）］， 10:30 -11:30， 5号对流单体与3号对流单体合并［图10 （h）］， 蟒河景区出现第三次雨峰（5 min最大降水量为12.7 mm）； 11:30之后， 3+5号对流复合体向东北方向移动， 给晋城带来了第二次雨峰。
为揭示中α尺度低涡暖式切变线云带内部的组织结构， 沿图10 （f）（11日09:48组合反射率雷达拼图）的 P1~P2线做垂直剖面， 即过极端强降水中心蟒河景区沿强回波带做垂直剖面得到图11 。在中α尺度低涡暖式切变线云系发展阶段［图10 （f）］， 是由数个具有独立回波核（反射率因子≥40 dBZ）的对流单体有组织地排列组成， 各对流单体的水平尺度为γ中尺度， 40 dBZ强回波均在６km以上高度， 回波核的位置在4~7 km的高度。
在蟒河景区第二次雨峰阶段， 09:42和09:48连续两个体扫均出现了径向速度达25 m·s-1以上的强中气旋［图12 （b）， （c）］， 沿图12 （c）的A-B线即沿低层入流方向过中气旋中心做垂直剖面， 可看到明显的回波墙和高悬的强反射率因子及有界弱回波区［图12 （d）］。表明对流单体3具有超级单体风暴的典型结构特征（尽管2.5 km以下雷达无法探测到）。
图12 极端强降水中心蟒河景区最大雨强时段对流单体3的径向速度（a~c， 单位： m·s-1）和沿着图（c）A-B线的反射率因子垂直剖面（d， 单位： dBZ）（郑州雷达， 图像放大16倍）Fig.12 Radial velocity map of convective cell 3 during the maximum rainfall intensity period in Manghe scenic area （a~c， unit： m·s-1）， and the reflectivity factor profile （Zhengzhou radar， images are magnified 16 times） along A-B line in Fig. 12（c） （d， unit： dBZ） |
综上， 由地面中尺度切变线和辐合线触发的1、 2、 3、 5号对流单体是晋城地区极端强降水的中γ尺度直接影响系统； 1、 3、 5号对流单体是极端强降水中心蟒河景区极端强降水形成的主要贡献者， 而2号对流单体和3+5号对流复合体是晋城站极端强降水形成的主要贡献者。3号对流单体具有强回波悬垂、 有界弱回波区、 回波墙和强中气旋等典型超级单体风暴的特征， 其带来的极端降水最强。
5 微物理结构特征
由晋城11日03:00 -19:00云冰和云水含量时间演变（图13 ）可知， 强降水开始阶段降水云系以水云和冰云为主， 且云水主要集中出现在0 ℃层以上， 为过冷水， 07:00 -08:00， 云中过冷水层增厚， 高度升高， 主要出现在600~300 hPa， 且出现2个大值中心， 对应冷涡系统前部中高层强烈的上升运动， 导致中高层云水和云冰含量的增加， 而08:00 -13: 00， 由于低层上升运动加强， 低云降水云系发展， 云中暖水含量增加， 对应高层500~400 hPa过冷水含量再次增加， 10:00 -12:00， 高层和低层云水含量均达到此阶段的大值， 对应极端强降水区最高雨峰（第二次雨峰， 5 min最大降水量14.8 mm）。
由晋城激光雨滴谱仪对降水粒子的探测（图14 ）可知， 05:00 -14:00降水阶段， 晋城激光雨滴谱仪观测的雨滴浓度很大， 并以直径≤2 mm的小雨滴为主， 最强降水时段（07:30 -07:55、 11:50 -12:50）的小雨滴浓度最大可达到104 mm-1·m-3以上， 中等雨滴（即2 mm<D≤4 mm）浓度同时出现跃增， 并与2次雨峰时刻对应一致， 第一次雨峰时段内（07:30 - 07:55）， 最大小雨滴和中等雨滴浓度分别达到了1.9×104 mm-1·m-3和296 mm-1·m-3， 相比第二次雨峰时段（11:50 -12:50）， 雨滴浓度相对更大， 但持续时间相对较短， 对应2个阶段雨峰的最大5 min降水量第一阶段10.8 mm强于第二阶段的8.5 mm。同时在强降水过程中， 有小部分雨滴直径可达到4 mm以上（大雨滴）， 但浓度非常小（<0.1 mm-1·m-3）， 这意味着晋城强降水过程中雨滴粒径分布较广， 但以高浓度的小雨滴和中等雨滴为极端强降水的主要贡献者。
图14 2021年7月11日05:00 -14:00降水阶段晋城雨滴谱数浓度时间演变（a， 单位： mm-1·m-3）、 小雨滴（直径0~2 mm）和中等雨滴（直径2~4 mm）数浓度时间演变（b）Fig.14 Time variation of raindrop spectrum （a， unit： mm-1·m-3）， and concentration of small raindrops （0~2 mm） and medium raindrops （2~4 mm） （b） detected by Jincheng raindrop spectrometer from 05:00 to 14:00 on 11 July 2021 |
由11日05:00 -14:00晋城降水时段内强降水时段（07:30 -08:00、 11:50 -12:50）和非强降水时段的lg（Nw）和DM 的散点对比层云和对流降水的分类标准（Bringi et al， 2003）（图15 ）可知， 晋城的降水为层、 积混合云降水， 且层云降水约占总降水的54%， 在07:30 -08:00和11:50 -12:50两次强降水时段内， 平均5 min降水量>6 mm， 具有比非强降水时段更大的雨滴和数量浓度， 计算强降水时段内lg（Nw）的平均值为4.13 mm-1·m-3， 较Bringi et al（2003）给出的大陆性对流降水的平均范围3.0~3.5 mm-1·m-3大， 而平均DM 值为1.62 mm， 较平均范围2~2.75 mm小。
图15 7月11日05:00 -14:00晋城强降水时段（07:30 -07:55、 11:50-12:50）（红色圆点）和非强降水时段（蓝色圆点）的lg（Nw ）和质量加权平均直径（DM ）的散点分布黑色方框为强降水时段的平均lg（Nw ）和DM 的散点， 黑色点虚线为层云和对流降水的标准线（Bringi et al， 2003） Fig.15 Scatter diagram of lg（NW ） and DM of Jincheng heavy precipitation period （07:30 -07:55， 11:50 -12:50） （red dot） and non-heavy precipitation period （blue dot） from 05:00 to 14:00 on July 11. The black box is the scatter of the average lg （N W ） and average DM during the period of heavy precipitation， the black dotted line is the standard line of stratiform clouds and convective precipitation （Bringi et al， 2003） |
6 结论
综上“0711”极端降水的宏微观特征分析， 主要获得如下结论：
（1） 晋城极端强降水发生在200 hPa西风槽、 500 hPa切断低涡东移的环流背景下； 高空急流入口区右侧强辐散、 低空急流出口区风速辐合、 低涡暖式切变线附近强辐合是此次极端强降水的宏观动力条件； 低空急流将水汽源源不断向极端强降水区输送， 整层大气可降水量高达65 mm以上是此次极端强降水发生的宏观水汽条件； 500 hPa高度槽超前700 hPa和850 hPa冷式切变线， 是此次极端强降水发生的宏观动力不稳定条件。
（2） 此次极端强降水是大尺度与中小尺度天气系统相互作用以及喇叭口特殊地形的多重影响结果； 位于极端强降水区上空的中α尺度850 hPa暖式切变线与地面干线以及中β尺度的地面切变线和辐合线共同作用触发了晋城地区的极端强降水； 近地层加强的偏东气流在遇到向东开口的喇叭口特殊地形时被迫辐合抬升， 促使极端降水区辐合上升运动增强， 降水增幅。
（3） 由地面中尺度切变线和辐合线触发的多个对流单体及对流复合体是此次极端强降水的直接影响系统， 其中， 造成蟒河景区最大雨峰的对流单体具有强回波悬垂、 有界弱回波区、 回波墙和强中气旋等典型超级单体风暴结构特征。
（4） 在中低层不稳定湿区共有7个中β尺度的对流云团生成和发展， 其中， 沿850 hPa低涡暖式切变线生成发展的5个对流云团在极端强降水区叠加了特殊的地形影响， 对蟒河景区和晋城站的极端降水有贡献， 其余2个对流云团生成位置偏北， 只带来了一般的降水天气。这说明有利的环流背景和高低空流型配置与特殊地形同等重要， 缺一不可。
（5） 极端强降水落区位于200 hPa高空急流入口区右侧， 低空急流出口区北侧， 500 hPa高度槽、 850 hPa和700 hPa暖切变线、 地面干线所围成的四边形区域， 且与500 hPa T-Td≤4 ℃、 700 hPa T-Td≤3 ℃、 850 hPa T-Td≤2 ℃、 Ki指数≥38 ℃、 Si指数≤-1 ℃所控制区域相重叠， 在地面干线和地面中尺度切变线0~30 km范围内极端降水量最大。
（6） 中α尺度的低涡暖切变系统激发了中α尺度的低涡云系统发展， 云系主要位于低涡的第一、 四象限， 二、 三象限（后部）为下沉气流区， 对流云团的发展演变为后向发展型， 在云团后部西南低空急流出口区的左前方和晋城西南部复杂地形上不断有新生对流云团形成和发展， 多个中β尺度对流云团的形成、 发展与合并导致了极端降水区多个雨峰的形成； 极端强降水发生在对流云团西南侧亮温梯度的大值区和云团西南部的低亮温区中。
（7） 云水含量的显著增大促使降水强度的增强， -20~0 ℃层过冷水含量大值区对应地面极端强降水区； 晋城极端强降水为层、 积混合云降水， 雨滴粒径分布较广， 极端强降水的主要贡献者为高浓度的小雨滴和中等雨滴， 这与南方暖性降水特征一致； 与典型大陆性对流降水有别的是， 本次极端强降水阶段的平均lg（Nw）较典型大陆性对流降水的平均范围大， 而平均DM 较平均范围略小。
本文仅对山西晋城一次极端强降水过程的宏微观物理结构特征进行了分析， 由于所研究区域距附近雷达站点普遍在125 km以外， 对2.5 km高度以下系统演变缺乏探测能力， 同时由于极端强降水本身局地性、 突发性较强， 且与复杂地形密切相关， 未来需利用数值模拟获得更精细化的资料对其微观特征进行更进一步的细致分析。