一次豫東暖區(qū)暴雨特征分析

康莊 康邵鈞

摘要 利用常規(guī)氣象資料、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波等觀測資料，從環(huán)流特征、影響系統(tǒng)、物理量場等方面，對2016年7月19—20日豫東地區(qū)一次暴雨特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，此次暴雨主要有暖區(qū)對流降水造成，范圍廣，強(qiáng)度大，主要影響系統(tǒng)有副熱帶高壓、低渦、切變線和低空急流等。動力條件有低層正渦度增大，輻合加強(qiáng)，有利于上升運動。西南和東南急流提供充沛水汽，暖云層和濕層厚，層結(jié)不穩(wěn)定，降水效率高，雨強(qiáng)大。云圖表現(xiàn)為斜壓葉狀云系，雷達(dá)為多單體渦帶狀回波。

關(guān)鍵詞 暖區(qū)暴雨；環(huán)流特征；影響系統(tǒng)；衛(wèi)星云圖；雷達(dá)回波；物理量場

中圖分類號 S161.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）18-0148-03

Abstract Using the observation data such as conventional meteorological data， numerical forecast products， satellite cloud images and radar echoes， the characteristics of rainstorms in the eastern Henan Province during July 19-20，2016 were analyzed from the aspects of circulation characteristics， influence system and physical field.The results showed that the rainstorm was mainly caused by the convective precipitation in the warm area.The range was wide and the intensity was large.The main influence systems were subtropical high， low vortex， shear line and low level jet.The dynamic condition was that the positive vorticity of the lower layer increases， and the convergence was enhanced， which was favorable for the ascending motion.Southwest and Southeast jet provided abundant water vapor， warm clouds and wet layer thick， unstable stratification， high precipitation efficiency， strong rain.Cloud was the baroclinic leaflike structures， and radar was single vortex band echo.

Key words Warm rainstorm；Circulation characteristics；Influence system；Satellite cloud image；Radar echo；Physical field

暴雨是豫東夏季主要災(zāi)害性天氣之一，一般具有降水強(qiáng)度大、范圍廣、雨量分布不均勻等特點，對暴雨的診斷分析和預(yù)報研究一直是氣象工作者的難題。陶詩言[1]指出，暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，大尺度環(huán)流為暴雨產(chǎn)生提供了有利背景，中小尺度天氣系統(tǒng)則是暴雨的直接制造者。朱乾根等[2]闡述了暴雨形成的條件：充足的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運動和較長的持續(xù)時間。國內(nèi)一些氣象專家學(xué)者對河南乃至全國區(qū)域暴雨發(fā)生的機(jī)制和特征進(jìn)行了分析[3-5]，但暖區(qū)暴雨研究相對較少[6-7]。筆者利用常規(guī)觀測資料、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波等氣象資料，對2016年7月19—20日商丘暖區(qū)暴雨天氣過程的特征進(jìn)行分析，為以后夏季豫東地區(qū)此類暴雨預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料選取

常規(guī)觀測資料采用高低空觀測資料及商丘市所轄7個國家氣象站降水實況資料；非常規(guī)觀測資料采用商丘市165個自動氣象站降水資料、FY-2E衛(wèi)星云圖、商丘雷達(dá)站CINRAD/SB型新一代多普勒天氣雷達(dá)探測資料；數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品采用歐洲細(xì)網(wǎng)格資料；氣象資料通過中國氣象局氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（MICAPS4）和雷達(dá)顯示工作站（PUP）分析調(diào)用。

2 暴雨特征

2016年7月19—20日，受低渦切變線和地面氣旋東移北上共同影響，商丘全市大部地區(qū)出現(xiàn)暴雨，其中寧陵、睢縣、民權(quán)大暴雨，為2016年汛期最強(qiáng)降水，并伴有短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。這次降水過程有以下特點：①降水總量大，強(qiáng)度強(qiáng)。19日08∶00—20日08∶00各縣市降水量為42.1～184.1 mm，平均降水量96.3 mm；最大降水量為寧陵的184.1 mm，寧陵6 h最大降水量為126.8 mm，3 h最大降水量為84.0 mm，1 h最大降水量為39.8 mm；最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在梁園區(qū)謝集（19日23∶00—24∶00），為54.3 mm。②強(qiáng)降水范圍廣。全市達(dá)到暴雨及以上量級的雨量站有124個，占全市站點（165個）的75%，其中暴雨65個（占39%）、大暴雨59個（占36%）。

③降水時段集中。一方面全市降水時段主要在19日12∶00—20日05∶00；另一方面強(qiáng)降水有2個高峰期，分別是19日19∶00—21∶00和19日23∶00—20日02∶00。

④降水特性。主要由暖區(qū)對流降水造成，暖區(qū)降水開始時間早，強(qiáng)降水中心較為分散，持續(xù)時間長，氣旋降水階段為螺旋雨帶，移動性強(qiáng)，持續(xù)時間較短。

3 環(huán)流特征和影響系統(tǒng)

7月19日08∶00，500 hPa低槽位于河套東部、四川東部到云南西北部，588 dagpm線位于廣東北部、江西南部、福建北部到浙江南部；低層850 hPa，西南低渦中心位于四川東部和重慶西部交界處，其暖切位于四川東部、重慶北部、湖北北部、河南南部、安徽中部到浙江北部，南側(cè)西南急流自廣東、廣西向北伸展至湖北東部和安徽南部。19日20∶00（圖1），500 hPa低槽移至河套東部、河南中部到湖北中部，588 dagpm線位于廣東北部、江西中部到浙皖交界處；850 hPa，低渦中心移至河北南部，暖切位于河北南部到山東中部，其南側(cè)西南急流自廣西、湖南向北伸展至湖北東部和安徽中部。

綜合分析，19—20日，200 hPa高空南亞高壓增強(qiáng)，為東部型，高空急流自河南北部向北伸展至河北北部；500 hPa副高西伸，低槽和副高對峙，環(huán)流經(jīng)向度加大，形勢穩(wěn)定，西南暖濕氣流進(jìn)一步加強(qiáng)，一支西南急流不斷向東北方向伸展至華北東部，另一支東南急流從東海向西北伸展至河南北部，兩支低空急流在河南上空交匯，形成大氣不穩(wěn)定層結(jié)，并提供充沛水汽，低層有低渦沿暖切并隨西南急流緩慢向東北方向移動，西南風(fēng)速最強(qiáng)，達(dá)30 m/s，低渦切變線附近風(fēng)速輻合加大，同時邊界層輻合線和急流風(fēng)速脈動在高濕區(qū)觸發(fā)對流，商丘市位于高空急流入口區(qū)和低空急流出口區(qū)，濕對流有效位能CAPE值較大，利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)展。21日隨著副高逐漸增強(qiáng)北抬，商丘市雨勢明顯減弱。

4 衛(wèi)星云圖特征

分析7月19日12∶00—20日05∶00 FY-2E紅外云圖和水汽圖像演變可知，西南氣流水汽輸送通道明顯，有一條東北—西南向的暖輸送帶，降水云團(tuán)不斷在暖輸送帶內(nèi)向東北方向移動，初始表現(xiàn)為斜壓葉狀云系，分散對流逐漸組織化，隨后發(fā)展成逗點云系，成熟為螺旋狀云系。在紅外云圖上（圖2），有降水云團(tuán)合并加強(qiáng)，并逐漸發(fā)展成中尺度對流云團(tuán)MCC，云頂亮溫低，暴雨發(fā)生在TBB高梯度區(qū)；在水汽圖像上，干濕分界線明顯，其西北部有明顯暗區(qū)，表示有干冷空氣和下沉運動，東南部有西南急流和水汽云團(tuán)，并向東北方向移動，云層水汽含量逐漸增大；19日20∶15，寧陵上空中尺度對流云團(tuán)TBB值達(dá)243 K，隨后逐漸減小。由此可見，在大尺度暖輸送帶中，有中尺度對流云團(tuán)生成、發(fā)展，產(chǎn)生暴雨。

5 雷達(dá)回波特征

分析7月19日19∶50商丘新一代天氣雷達(dá)組合反射率因子發(fā)現(xiàn)，在大片穩(wěn)定降水回波中鑲嵌著對流降水回波，表現(xiàn)為多單體渦帶狀，水平范圍較大、邊緣破碎、無明顯邊界，為層積混合性降水回波，回波強(qiáng)度為40～45 dBz，強(qiáng)中心為55 dBz，回波頂高度為11～12 km，強(qiáng)中心頂高為8～9 km，對流發(fā)展旺盛時，最大回波頂高度達(dá)15.8 km，回波移向與高空引導(dǎo)氣流方向基本一致，即整體回波由西南向東北方向移動，但移速緩慢。同時回波帶的西南端不斷有對流回波生成、發(fā)展、加強(qiáng)，并向東北方向移動，在暴雨區(qū)生消，導(dǎo)致列車效應(yīng)。層積混合降水的過程就是積云單體不斷新生、發(fā)展、并入層積混合云主體的過程。

分析7月19日19∶50商丘新一代天氣雷達(dá)基本徑向速度和風(fēng)廓線產(chǎn)品可知，回波表現(xiàn)出風(fēng)向輻合、0速度線“S”型和速度模糊等特征；從低層到高層為南風(fēng)和西南風(fēng)，風(fēng)向順時針旋轉(zhuǎn)，表明有暖平流，處于暖區(qū)降水中；低空風(fēng)速較大，風(fēng)速超過12 m/s，中心最大值達(dá)63 m/s，表明有西南急流和東南急流，由于風(fēng)速大，在正負(fù)速度區(qū)中有速度模糊特征。

6 物理量場分析

6.1 層結(jié)條件

降水系統(tǒng)中暖云層越厚，越有利于高降水率的產(chǎn)生，降水效率愈高，雨強(qiáng)愈大。分析7月19日20∶00寧陵站歐洲細(xì)網(wǎng)格模式探空資料發(fā)現(xiàn)，1 000～200 hPa垂直高度層上，各層相對濕度均大于83%，低層850和925 hPa接近飽和，分別為99%和98%，濕層厚；另外，抬升凝結(jié)高度（LCL）和自由對流高度（LFC）低，分別為113.3和627.3 m；0 ℃層高度為5 503 m，暖云層厚；K指數(shù)為37.8 ℃，SI指數(shù)為-0.03 ℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。可見，暖云層厚和濕層厚，層結(jié)不穩(wěn)定，降水效率高，雨強(qiáng)大。

6.2 水汽條件

經(jīng)分析，此次暴雨有2個水汽輸送通道，一個是西南氣流加強(qiáng)建立了南北水汽通道，另一個是偏東氣流加強(qiáng)建立東海水汽輸送。從水汽通量來看，此次暴雨主要有西南水汽輸送的，水汽通量逐漸增大，大值區(qū)從廣西向北經(jīng)湖南、湖北、河南至山東南部，7月19日20：00（圖3），850 hPa水汽通量≥16 g/（cm·hPa·s），中心最大值達(dá)34 g/（cm·hPa·s），商丘處于大值區(qū)內(nèi)，水汽通量為30 g/（cm·hPa·s），可見，水汽輸送明顯。另外，水汽通量散度逐漸減小，19日08∶00，850 hPa商丘附近為負(fù)值區(qū)，中心值-48×10-6g/（cm2·hPa·s），西部為正值區(qū)，寧陵水汽通量散度值為4×10-6 g/（cm2·hPa·s）；至19日20∶00，850 hPa河南大部為負(fù)值區(qū)，商丘為負(fù)值中心，中心值-668×10-6 g/（cm2·hPa·s），寧陵水汽通量散度值為-55×10-6 g/（cm2·hPa·s），水汽通量散度負(fù)值減小，水汽輻合明顯。由此可見，既有充沛的水汽輸送，又有強(qiáng)烈的水汽輻合，滿足了暴雨水汽條件。

6.3 動力條件

分析850 hPa渦度場可知，19日08∶00寧陵渦度為-4.6×10-5 s-1，20∶00渦度轉(zhuǎn)為正值，為5.9×10-5 s-1；20日02∶00渦度增大，為19.4×10-5 s-1，正渦度增加。從渦度平流分析，19日20∶00，寧陵處于正渦度平流區(qū)，渦度平流為68.5×10-9 s-2，中心值達(dá)164×10-9 s-2，正渦度平流加大，低層輻合加強(qiáng)，有利于上升運動。

從中低層700和850 hPa垂直運動場分布來看，在寧陵和商丘附近存在負(fù)速度區(qū)，有上升運動。分析19日20∶00沿115.4°E垂直速度剖面圖發(fā)現(xiàn)，19日20∶00，在34.5°N 附近上空，從低層一直到100 hPa左右，為負(fù)垂直速度，1 000～2 00 hPa負(fù)垂直速度減小，在200 hPa附近有一個負(fù)垂直速度大值中心，中心值達(dá)-465 Pa/s，此時有強(qiáng)烈的垂直上升運

動，上升速度在加強(qiáng)，對應(yīng)暴雨中心，也是降水較強(qiáng)的時間。由此可見，上升運動為暴雨提供動力條件，單站上空要有強(qiáng)的垂直上升運動才有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

分析渦度、散度、相對濕度、風(fēng)場垂直剖面可知，正渦度柱發(fā)展，產(chǎn)生次級環(huán)流，導(dǎo)致上升運動；東北象限切變渦度強(qiáng)迫邊界層輻合線；西南和東南象限急流輸送水汽和熱量。這3個方面共同作用有利于對流產(chǎn)生，導(dǎo)致中尺度渦旋發(fā)展，從而產(chǎn)生中低層低渦。

6.4 熱力條件

6.4.1

溫度平流。分析7月19日08∶00—20∶00 500 hPa溫度平流可知，在110°～120°E、30°～40°N區(qū)域均為正溫度平流，河北南部為正值中心，隨著副高西側(cè)西南暖濕氣流加強(qiáng)，水汽和熱量不斷向上向北輸送，對流層中下層大氣溫度升高，正溫度平流增強(qiáng)，冷平流減弱，加大了熱力不穩(wěn)定能量的釋放。

6.4.2

假相當(dāng)位溫。分析7月19日08∶00—20∶00 850 hPa假相當(dāng)位溫場可知，在河南與山西和河北交界處有一能量鋒區(qū)，河南處于鋒區(qū)南部，高溫高濕區(qū)，其內(nèi)積累了大量的不穩(wěn)定能量，在高能舌頂端、能量鋒區(qū)處不斷有對流單體生成，導(dǎo)致列車效應(yīng)。

7 結(jié)論

（1）此次暴雨主要由暖區(qū)對流降水造成，范圍廣，雨強(qiáng)大，且持續(xù)時間長；云圖表現(xiàn)為斜壓葉狀云系發(fā)展為逗點云系，分散對流逐漸組織化，干空氣進(jìn)入，對流加強(qiáng)，暴雨在TBB高梯度區(qū)；雷達(dá)表現(xiàn)為多單體渦帶狀，層積混合性降水回波，有風(fēng)向輻合、0速度線“S”型和速度模糊等特征。

（2）高空南亞高壓強(qiáng)，為東部型，副高西伸，低槽和副高對峙，環(huán)流經(jīng)向度大，低槽和低渦系統(tǒng)深厚，形勢穩(wěn)定；低空切變線附近風(fēng)速輻合上升，邊界層輻合線和急流風(fēng)速脈動在高濕區(qū)觸發(fā)對流，西南和東南急流提供充沛水汽，暴雨區(qū)位于高空急流入口區(qū)和低空急流出口區(qū)。

（3）暴雨產(chǎn)生的直接成因是中尺度對流系統(tǒng)，而中尺度對流系統(tǒng)和天氣尺度的天氣系統(tǒng)有著正反饋機(jī)制；同時有較高的環(huán)境相對濕度和濕層較厚，較低的抬升凝結(jié)高度和自由對流高度以及暖云層厚，降水效率高；水汽含量異常大，環(huán)境高溫高濕，具有動力不穩(wěn)定和熱力不穩(wěn)定，有利于上升運動發(fā)展。

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