2012年7月9日豫北一次短時(shí)暴雨診斷分析

葉 東

(新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng) 453000)

2012年7月9日豫北一次短時(shí)暴雨診斷分析

葉 東

(新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng) 453000)

摘 要：利用常規(guī)觀測資料、加密自動(dòng)站資料、新一代多普勒雷達(dá)資料和NCEP1°×1°全球再分析資料，對2012年7月9日出現(xiàn)在豫北地區(qū)的短時(shí)暴雨天氣過程診斷分析。結(jié)果表明：副高外圍強(qiáng)盛的西南急流將海上水汽輸送到降水區(qū)；中低層暖舌有利于暴雨區(qū)不穩(wěn)定能量的增加；中低層的輻合上升運(yùn)動(dòng)、地面干線和輻合線是這次暴雨過程的觸發(fā)機(jī)制；穩(wěn)定度指標(biāo)的變化對強(qiáng)降水有較好的指示意義；雷達(dá)回波與中尺度輻合線有很好的對應(yīng)關(guān)系；豫北地區(qū)的地形有利于降水的加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：短時(shí)暴雨；渦度；中尺度系統(tǒng)；垂直速度

由中尺度引發(fā)的強(qiáng)降水研究是氣象工作者研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。陶詩言提出，中尺度天氣系統(tǒng)對產(chǎn)生暴雨主要有兩個(gè)作用，一是直接作用產(chǎn)生暴雨，二是中尺度天氣系統(tǒng)對積云對流活動(dòng)的發(fā)展有明顯的組織和增強(qiáng)作用[1]。近年來隨著觀測手段和氣象資料的豐富，加上中尺度數(shù)值模擬的發(fā)展，對中尺度天氣系統(tǒng)的研究取得了很大突破。劉黎平等[2]利用多普勒雷達(dá)對一次混合云暴雨過程的中尺度結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究。于仁成等[3]利用數(shù)值模擬分析了一次中尺度對流系統(tǒng)造成的暴雨，指出中尺度系統(tǒng)之間的碰撞合并有利于對流系統(tǒng)的發(fā)展。王嘯華等[4]指出地面中尺度輻合系統(tǒng)的移動(dòng)與對流雨帶的移動(dòng)相對應(yīng)。陳曉紅等[5]利用紅外云圖輻射亮溫場(TBB)分析指出，暴雨雨團(tuán)一般出現(xiàn)在TBB梯度大值區(qū)附近。何群英等[6]發(fā)現(xiàn)地面中尺度輻合線增強(qiáng)了地面的輻合抬升，是造成暴雨的中尺度系統(tǒng)和觸發(fā)條件。還有許多氣象工作者也對中尺度系統(tǒng)引起的暴雨進(jìn)行了研究[7-8]。然而，對中尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)一直都是難點(diǎn)，對中尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展及移動(dòng)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還有許多欠缺，在中尺度數(shù)值模式的資料同化和非常規(guī)資料的應(yīng)用方面還值得進(jìn)一步的研究。本文利用常規(guī)觀測資料、多普勒天氣雷達(dá)資料、加密自動(dòng)站資料和NCEP再分析資料對2012年7月9日發(fā)生在河南西北部的一次短時(shí)暴雨過程診斷分析，研究造成這次短時(shí)暴雨的物理量特征和中尺度特征，探索這種突發(fā)性暴雨在臨近預(yù)報(bào)中的著眼點(diǎn)。

1 實(shí)況

2012年7月9日08—14時(shí)河南省西北部出現(xiàn)了一次短時(shí)強(qiáng)降水天氣。其中新鄉(xiāng)市西部的獲嘉縣6 h降水量達(dá)84 mm，全市降水量超過50 mm的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有25個(gè)。這次降雨量較大地區(qū)集中在新鄉(xiāng)的西北部(圖1a)，雨帶呈東北—西南走向；降水時(shí)段集中在09—12時(shí)(圖1b)。具有時(shí)間短、強(qiáng)度大、范圍小的特點(diǎn)。寶泉水庫位于新鄉(xiāng)西北部與山西交界一帶，主要降水時(shí)段比獲嘉早1 h，雨團(tuán)的移動(dòng)軌跡是從山西向河南西北部移動(dòng)。這次短時(shí)強(qiáng)降水致使輝縣山區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)山洪，造成多間房屋倒塌，獲嘉全縣2 000 hm2農(nóng)田積水， 多處房屋倒塌。

圖1 2012-07-09T14河南省6 h累積雨量圖(a,單位為mm)和08—14時(shí)寶泉水庫、獲嘉縣逐小時(shí)雨量圖(b)

2 大尺度環(huán)流背景條件

2.1 高空環(huán)流形勢演變

利用NCEP 1°×1°再分析資料分析此次過程的高空形勢場。7月8日20時(shí)500 hPa高空形勢圖上(圖2a)，北半球?yàn)橐徊蹆杉剐蝿?，東亞大槽位于貝加爾湖附近，由于長波擾動(dòng)的影響，東亞大槽底部有小槽不斷分裂南下，影響我國北部地區(qū)。副高位于我國的東南沿海一帶，河南受副高外圍584 dagpm等高線的控制，河南北部處于584 dagpm線附近吹西南風(fēng)。從等溫線的分布特征看，河南省從700 hPa至近地面都處于暖舌中(圖略)，有利于不穩(wěn)定能量的積聚。700 hPa(圖略)在山西至河北南部有一切變線。9日08時(shí)高空圖上(圖2b)，584 dagpm線北抬至黃河以北，豫北地區(qū)仍處于副高外圍的西南氣流中，由于副高北抬，850 hPa原本從廣西到湖北一帶的低空急流向北伸到河南東南部一帶，雖然急流位置有些偏南，但鄭州站偏南風(fēng)風(fēng)速從4 m/s增大到8 m/s，中低層的偏南氣流為豫北地區(qū)提供了充沛的水汽，在沿黃一線有明顯的風(fēng)向風(fēng)速輻合，有利于水汽在豫北地區(qū)聚集。從850 hPa到1 000 hPa豫北地區(qū)都存在東西向的切變線，有利于輻合上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。在850 hPa河南北部有一溫度槽，說明有冷空氣開始入侵，有利于前期累積的不穩(wěn)定能量釋放。切變線位置處于500 hPa槽線南端，與暴雨落區(qū)對應(yīng)較好。9日14時(shí)(圖略)500 hPa鄭州已經(jīng)轉(zhuǎn)為槽后西西北氣流，850 hPa溫度槽收縮東移，1 000 hPa輻合線東移至山東中部，豫北地區(qū)降水過程基本結(jié)束。

實(shí)線為500 hPa等高線(單位為dagpm)；虛線為925 hPa等溫線(單位為 ℃)； 粗實(shí)線為850 hPa切變線；灰色箭頭為850 hPa低空急流；黑色方塊為強(qiáng)降水區(qū)圖2 2012-07-08T20 500 hPa高度場、風(fēng)場(a)和2012-07-09T08高空綜合圖(b，風(fēng)場為850 hPa)

2.2 地面形勢

7月8日20時(shí)至9日14時(shí)地面圖(圖略)上，豫北至四川一帶處于高溫帶內(nèi)，在河北、河南北部至四川有一倒槽，豫北地區(qū)一直受倒槽影響，且倒槽有加強(qiáng)北抬的發(fā)展趨勢，倒槽附近的東南氣流不僅帶來了豐富的水汽，而且與北部擴(kuò)散南下的冷空氣配合，形成地面輻合線，從而造成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，地面輻合線是這次短時(shí)暴雨的主要觸發(fā)機(jī)制。

3 不穩(wěn)定條件

表1給出了K指數(shù)[9]、假相當(dāng)位溫(θse)、對流有效位能(CAPE)、對流抑制能量(CIN)和地面露點(diǎn)溫度差(t-td)等不穩(wěn)定指標(biāo)在降水過程前后的變化情況，K指數(shù)、θse、CAPE在強(qiáng)降水之前不斷增加，而在強(qiáng)降水之后迅速下降，而CIN的變化與之相反；露點(diǎn)溫度差在降水前較小，說明空氣的飽和度高，有利于降水產(chǎn)生。利用NCEP資料對這次降水中心附近(113.6°E，35.6°N)做探空分析(圖3)，可以看出08時(shí)強(qiáng)降水中心的自由對流高度較低，在900 hPa附近，氣塊更易抬升到自由對流高度以上，有利于對流運(yùn)動(dòng)發(fā)展，層結(jié)曲線和濕絕熱線之間的不穩(wěn)定能量較大，且在900 hPa以下高空風(fēng)有東南風(fēng)與東北風(fēng)的水平切變，產(chǎn)生的正渦度平流有利于氣流輻合，從而觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。14時(shí)自由對流高度抬升至800 hPa附近，而此時(shí)900 hPa以下為一致的東北風(fēng)，正不穩(wěn)定能量區(qū)也迅速縮小，強(qiáng)降水隨即結(jié)束。

表1 2012-07-08—09探空資料計(jì)算的穩(wěn)定度參數(shù)

虛線為層結(jié)曲線；實(shí)線為濕絕熱線圖3 2012-07-09 強(qiáng)降水中心(113.6°E,35.6°N)T-lnp圖

4 水汽條件

水汽通量是表示水汽在單位時(shí)間內(nèi)輸送強(qiáng)度的物理量,而水汽通量散度則表征了水汽在單位時(shí)間內(nèi)的輻合強(qiáng)度[10]。從圖4可看出，02時(shí)在33°N附近900 hPa高度有2.4 g/(cm·hPa·s)的水汽通量大值區(qū)，同時(shí)水汽通量散度在36°N以南的中低層有-2×10-7g/(cm2·hPa·s)帶狀的水汽輻合區(qū)，說明此時(shí)大量水汽還位于強(qiáng)降水落區(qū)以南，但強(qiáng)降水落區(qū)上空已經(jīng)有水汽開始輻合。隨著副高進(jìn)一步北抬，9日08時(shí)900 hPa的水汽通量中心向北移動(dòng)至35°N附近，中心強(qiáng)度仍維持在2.4 g/(cm·hPa·s)。相對應(yīng)在強(qiáng)降水區(qū)上空900 hPa附近存在一-6×10-7g/(cm2·hPa·s)的強(qiáng)水汽輻合中心，同時(shí)中低層的偏南風(fēng)風(fēng)速也顯著增加，說明此時(shí)在強(qiáng)降水區(qū)上空水汽含量充沛，并且有強(qiáng)的水汽輻合，有利于大氣低層的水汽向上輸送。9日14時(shí)水汽通量大值區(qū)北移至38°N附近(圖略)，且水汽通量中心值減小至1.2 g/(cm·hPa·s)，強(qiáng)降水落區(qū)上空的水汽通量散度轉(zhuǎn)為正值，降水過程結(jié)束。此次強(qiáng)降水過程的水汽變化具有短時(shí)強(qiáng)降水的特點(diǎn)：前期水汽條件不明顯，降水發(fā)生時(shí)水汽突然增加且有強(qiáng)水汽輻合，降水結(jié)束后水汽條件迅速減弱。

實(shí)線為水汽通量；虛線為水汽通量散度小于零的區(qū)域(大于零的區(qū)域略)；黑色三角為強(qiáng)降水區(qū)圖4 2012-07-09 700 hPa水汽通量(單位：10-1 g/(cm·hPa·s))、水汽通量散度(單位：10-7 g/(cm2·hPa·s))沿強(qiáng)降水中心113.5°E緯向剖面與風(fēng)場疊加圖

5 動(dòng)力條件

分析渦度場的空間分布可以進(jìn)一步說明大氣在垂直方向的動(dòng)力特征。圖5為強(qiáng)降水中心(35.6°N，113.5°E)的渦度時(shí)間剖面圖?？梢钥闯?日08時(shí)中層大氣渦度明顯增大，800 hPa附近有一個(gè)6×10-5s-1的正渦度中心，500 hPa到900 hPa渦度均為正值，說明中層大氣有氣旋性環(huán)流，根據(jù)渦度方程，渦度的變化與散度的變化有負(fù)相關(guān)性，渦度隨時(shí)間增大有輻合運(yùn)動(dòng)。在300 hPa附近有一個(gè)-6×10-5s-1的負(fù)渦度中心，說明高層大氣有反氣旋性環(huán)流，有輻散運(yùn)動(dòng)，中層輻合高層輻散產(chǎn)生的抽吸作用有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，利于低層的不穩(wěn)定能量向上輸送和不穩(wěn)定能量的釋放，從而產(chǎn)生強(qiáng)降水。9日14時(shí)，中低層的渦度迅速減小到1×10-5s-1，上升運(yùn)動(dòng)減弱，降水過程結(jié)束。

垂直速度場(圖略)上，8日20時(shí)在河套地區(qū)東部700～850 hPa有明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，而豫北地區(qū)為弱的下沉氣流；9日08時(shí)河套地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)東移至山西與河南交界一帶，豫北地區(qū)500 hPa以下均為上升運(yùn)動(dòng)，有利于低層水汽和不穩(wěn)定能量向高層輸送，同時(shí)在900 hPa以下豫北地區(qū)為弱的下沉運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該與地面弱冷空氣的入侵有關(guān)，弱冷空氣觸發(fā)近地面不穩(wěn)定能量的釋放，加強(qiáng)了垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

圖5 2012-07-09—10沿強(qiáng)降水中心(35.6°N,113.5°E)渦度(單位：10-5 s-1)時(shí)間剖面圖

6 中尺度系統(tǒng)

6.1 地面中尺度系統(tǒng)

分析全國逐小時(shí)自動(dòng)站加密資料，可彌補(bǔ)常規(guī)觀測資料時(shí)空分辨率較低的弱點(diǎn)，使預(yù)報(bào)員更清楚地認(rèn)識(shí)中尺度天氣爆發(fā)的特點(diǎn)，從而找出預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。圖6是9日08—12時(shí)地面中尺度系統(tǒng)與降水量疊加圖，可以看出08時(shí)在山西南部至河南西北部存在一條西北—東南向的輻合線和一條干線，而山西南部到河南西部都處于t-td≤5 ℃的濕區(qū)中，降水大值區(qū)位于干線西側(cè)，輻合線的南側(cè)。10時(shí)地面濕舌明顯東移，整個(gè)河南北中部地區(qū)都處于濕區(qū)內(nèi)。地面輻合線和干線略有東移，同時(shí)輻合線轉(zhuǎn)為東—西走向，此時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)位于輻合線北側(cè)干線西側(cè)與山西交界一帶，且降水強(qiáng)度有所增強(qiáng)，中心雨強(qiáng)大于50 mm/h。11時(shí)輻合線繼續(xù)東移，輻合線東側(cè)略有北抬，干線東移至京廣線附近，此時(shí)降水中心已經(jīng)位于河南中北部地區(qū)，強(qiáng)降水范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，中心雨強(qiáng)仍大于30 mm/h。12時(shí)以后輻合線東移減弱，降水強(qiáng)度隨即降為5 mm/h以下。通過以上分析，可以看出強(qiáng)降水與輻合線、干線、濕舌有較好的對應(yīng)性，強(qiáng)降水出現(xiàn)在輻合線與干線相交點(diǎn)的濕區(qū)一側(cè)。此次降水過程中，輻合線形成后自西向東移動(dòng)，且09—11時(shí)始終在沿黃以北一帶維持，干線也基本維持在河南西北部，濕舌則有明顯的北抬東移跡象，豫北地區(qū)一直維持偏東氣流，干冷空氣從干區(qū)流向濕區(qū)有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)，輻合線則有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，該時(shí)段也是此次過程雨量集中的時(shí)段。

陰影為1 h降雨量(單位:mm)；箭頭線為流線；實(shí)線為輻合線；虛線為干線(露點(diǎn)鋒)；點(diǎn)劃線為濕舌(t-td≤5 ℃)圖6 2012-07-09 地面中尺度系統(tǒng)與雨量疊加圖

6.2 FY-2E衛(wèi)星云圖黑體亮溫(TBB)

降水與TBB有很好的相關(guān)性[7-9]。9日07時(shí)在山西南部與河南交界一帶出現(xiàn)一對流云團(tuán)(圖略)，尺度較小，整個(gè)對流云團(tuán)的頂部溫度低于-35 ℃。此后對流云團(tuán)在東移過程中迅速發(fā)展，云頂溫度不斷降低，范圍也迅速擴(kuò)大，08時(shí)云頂中心溫度降至-50 ℃，山西南部至河南西北部一帶TBB值均在-40 ℃以下。10時(shí)對流云東移至新鄉(xiāng)西北部地區(qū)，影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，TBB值均在-44 ℃以下，11時(shí)以后TBB中心迅速移至河南東北部，且升高到-35 ℃，整個(gè)新鄉(xiāng)地區(qū)TBB值也快速升至-30 ℃以上，降水趨于結(jié)束。分析可知，強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)段新鄉(xiāng)上空對流云團(tuán)TBB值在-50～-44 ℃之間，表明對流并不是很旺盛，所以這次過程以強(qiáng)降水為主，并沒有出現(xiàn)其他強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象。

6.3 雷達(dá)回波特征

中尺度天氣系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度大、變化快，運(yùn)用常規(guī)觀測資料分析預(yù)報(bào)，手段有限，多普勒雷達(dá)的一次體掃時(shí)間是6分鐘，可以快速發(fā)現(xiàn)并追蹤中小尺度天氣系統(tǒng)，是臨近預(yù)報(bào)的重要手段。圖7是強(qiáng)降水發(fā)生前后濮陽新一代多普勒雷達(dá)產(chǎn)品。基本反射率圖上，9日08：02新鄉(xiāng)西部至山西有零散回波，強(qiáng)度不大；08：32在原陽、獲嘉和輝縣西部出現(xiàn)三個(gè)降水回波帶(圖7a)，中心強(qiáng)度35 dBZ，隨后3個(gè)回波帶在獲嘉西部合并，中心強(qiáng)度增加到40 dBZ；10：45降水回波進(jìn)一步增強(qiáng)，中心最大強(qiáng)度達(dá)到45～50 dBZ(圖7b)；12：03回波帶分散東移，強(qiáng)度有所減弱，在新鄉(xiāng)其他地區(qū)造成了短時(shí)降水，但強(qiáng)度不大(圖略)。圖7c是10：33平均徑向速度回波圖，可以看出獲嘉和輝縣有兩個(gè)風(fēng)向的輻合區(qū)(黃色圓圈)，輻合區(qū)的位置與強(qiáng)降水的位置相對應(yīng)。圖7(d)是10：38雷達(dá)垂直液態(tài)含水量圖(VIL), VIL能夠較好的反映強(qiáng)降水發(fā)生前后降水區(qū)域液態(tài)水的變化，從而找出預(yù)報(bào)規(guī)律。圖中河南西北部基本處于5 kg/m2的區(qū)域中，強(qiáng)降水區(qū)域上空的VIL達(dá)到20 kg/m2，此時(shí)正是降水發(fā)生的最強(qiáng)時(shí)段。11：30以后VIL迅速減小，降水也隨之結(jié)束。從整個(gè)雷達(dá)回波的演變趨勢可以看出，回波帶的移動(dòng)軌跡與地面中尺度輻合線移動(dòng)軌跡一致，強(qiáng)回波帶位置與中低層切變線位置相對應(yīng)，徑向速度產(chǎn)品能夠辨別中尺度的輻合區(qū)，這些輻合區(qū)與強(qiáng)對流天氣相對應(yīng)，VIL的變化與降水量的變化有較好的一致性，這對臨近預(yù)報(bào)有很好的參考價(jià)值。

(a)08：32基本反射率圖(b)10：45基本反射率圖(c)10：33平均徑向速度圖(d)10：38垂直液態(tài)含水量圖圖7 2012-07-09濮陽多普勒雷達(dá)產(chǎn)品圖(仰角2.4°；距離圈間隔50 km)

6.4 地形抬升作用

河南地處華北平原，地勢西高東低，北部與太行山脈相連，西部為秦嶺余脈，南部為大別山脈、桐柏山脈。新鄉(xiāng)地處豫北，其西北部與位于山西的太行山脈相接，由于其特殊地形使暴雨帶常集中于新鄉(xiāng)西北部一帶。從降水空間分布來看，此次降水過程中暴雨帶位于新鄉(xiāng)西北部，且雨帶走向呈東北—西南向，這與新鄉(xiāng)西北部沿太行山一側(cè)地形走向相似。圖8是9日08時(shí)高空風(fēng)場與地形疊加剖面圖，可以看出從山西南部到河南南部為一致的偏南風(fēng)，黃河以北靠近太行山東南側(cè)的地區(qū)為偏東風(fēng)，新鄉(xiāng)西北部正好處于迎風(fēng)坡，有利于水汽在迎風(fēng)坡一側(cè)抬升凝結(jié)，從而加強(qiáng)了山前區(qū)域的降水。

圖8 2012-07-09T08 高空風(fēng)場疊加地形剖面圖

7 小結(jié)

7.1 這次新鄉(xiāng)地區(qū)短時(shí)暴雨過程是由于副高北抬和低空急流提供了充足的水汽條件和不穩(wěn)定能量，高空短波槽和中尺度地面輻合線是這次天氣過程的觸發(fā)機(jī)制。

7.2 K指數(shù)、對流有效位能、假相當(dāng)位溫與強(qiáng)降水有較好的對應(yīng)關(guān)系，溫度露點(diǎn)差能夠有效判斷空氣飽和程度，多種指標(biāo)相結(jié)合可作為預(yù)報(bào)對流性強(qiáng)降水的判據(jù)。

7.3 中低層強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)有利于把低層的水汽和不穩(wěn)定能量輸送到高層，同時(shí)上升運(yùn)動(dòng)帶來的降溫加速了不穩(wěn)定能量釋放。中尺度地面輻合線與強(qiáng)降水落區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水出現(xiàn)在地面輻合線附近，且雨團(tuán)沿850 hPa切變線方向移動(dòng)，結(jié)合中尺度地面輻合線和中低層切變可以判斷中尺度雨團(tuán)的發(fā)展移動(dòng)。

7.4 雷達(dá)強(qiáng)回波帶移動(dòng)軌跡與地面中尺度輻合線移動(dòng)軌跡一致，強(qiáng)回波帶位置與中低層切變線位置向?qū)?yīng)，這對以后的臨近預(yù)報(bào)有很好的參考價(jià)值。

7.5 豫北地區(qū)西北高東南低的地形使得近地面的東南風(fēng)在太行山南側(cè)強(qiáng)迫抬升，有利于降水在迎風(fēng)坡一側(cè)加強(qiáng)。

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中圖分類號(hào)：P458.1211

A

文章編號(hào)：1006-4354(2013)05-0013-07

收稿日期：2013-04-11

作者簡介：葉東(1983—)，男，漢,河南新鄉(xiāng)人,理學(xué)學(xué)士,助理工程師,從事短期天氣預(yù)報(bào)。

基金項(xiàng)目：河南省氣象局“精細(xì)化暴雨預(yù)報(bào)配料法技術(shù)研究與應(yīng)用”(z201102)