豫北2016年7月18—20日暴雨過(guò)程診斷分析

張啟紹

摘要 利用常規(guī)觀測(cè)資料、FNL1°×1°資料、區(qū)域站資料、衛(wèi)星和新一代天氣雷達(dá)等資料，對(duì)2016年7月18—20日豫北一次暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次暴雨發(fā)生在兩高穩(wěn)定對(duì)峙的環(huán)流形勢(shì)下，中低層有低渦沿兩高之間的切變線向北緩慢移動(dòng)，地面有氣旋生成北移，是一次典型的華北暴雨天氣形勢(shì)；此次過(guò)程太行山前、迎風(fēng)坡上的降水明顯大于周邊地區(qū)的降水；低層輻合、高層輻散，有利于對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)展，低層輻合線是此次強(qiáng)降水過(guò)程的抬升觸發(fā)條件之一；豫北中低層一直處于比濕場(chǎng)高值區(qū)中，低層水汽輻合明顯且長(zhǎng)時(shí)間維持，是此次暴雨過(guò)程的特點(diǎn)之一；暴雨云團(tuán)在移入不穩(wěn)定區(qū)域后均得到顯著發(fā)展；“列車(chē)效應(yīng)”，使得強(qiáng)降水長(zhǎng)時(shí)間維持，是此次持續(xù)性暴雨出現(xiàn)的原因之一。

關(guān)鍵詞 特大暴雨；副熱帶高壓；列車(chē)效應(yīng)；低渦

中圖分類(lèi)號(hào)：P458.121.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）05-019-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.05.009

暴雨是我國(guó)主要災(zāi)害性天氣之一，長(zhǎng)期受到氣象工作者的高度關(guān)注，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者都對(duì)暴雨做了諸多研究[1-5]。暴雨是多種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，它既可以是穩(wěn)定性降水或者是對(duì)流性降水，也可以是兩者相伴隨發(fā)生。暴雨是在大的環(huán)流背景下，由中小尺度系統(tǒng)直接影響所致。強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)、充沛的水汽供應(yīng)和持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間是暴雨形成的3個(gè)條件。近年來(lái)關(guān)于暴雨的研究取得了較大的進(jìn)展，支樹(shù)林等[6]在利用中尺度分析方法研究南昌地區(qū)一次夜間發(fā)展起來(lái)的致災(zāi)大暴雨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在水汽條件、上升運(yùn)動(dòng)條件滿足的情況下，邊界層內(nèi)偏東氣流的存在和風(fēng)輻合加劇了降水回波的發(fā)展。陳玥等[7] 在對(duì)2007—2013年的5—9月長(zhǎng)江中下游地區(qū)暖區(qū)暴雨進(jìn)行分析中發(fā)現(xiàn)，暖區(qū)暴雨中短歷時(shí)強(qiáng)降水貢獻(xiàn)大， 冷鋒背景下的暖區(qū)暴雨通常產(chǎn)生在鋒前低壓槽中。曹楚等[8]在對(duì)2013年“菲特”暴雨過(guò)程進(jìn)行物理量場(chǎng)診斷分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)大值區(qū)與低層θse高能區(qū)對(duì)應(yīng)時(shí)，一般都有強(qiáng)降水發(fā)生，且與強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)性。劉璐等[9]分析發(fā)現(xiàn)在2012年7月21日北京特大暴雨過(guò)程中，較強(qiáng)的水平風(fēng)的垂直切變可造成濕位渦的斜壓分量異常， 從而導(dǎo)致條件性對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定的產(chǎn)生。胡容等[10]在對(duì)重慶一次暴雨過(guò)程進(jìn)行診斷分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，水汽散度通量低值區(qū)和水汽螺旋度高值區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)和時(shí)間相關(guān)性。豫北西部為太行山脈，東部為平原，西部山區(qū)地形復(fù)雜，夏季的暴雨及強(qiáng)降水極易造成山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。筆者利用常規(guī)觀測(cè)資料、新一代天氣雷達(dá)資料、區(qū)域站資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等對(duì)2016年7月18—20日出現(xiàn)的區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，以期為今后類(lèi)似的暴雨天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)提供一些參考依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

7月18日夜至20日，受低渦、切變線和地面氣旋等系統(tǒng)的共同影響，河南北部出現(xiàn)了罕見(jiàn)的大暴雨、特大暴雨天氣，強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在安陽(yáng)縣西部和林州（圖1a）。此次過(guò)程豫北有超過(guò)40個(gè)區(qū)域站雨量在250 mm以上，有11個(gè)站點(diǎn)降雨量超過(guò)400 mm，最大過(guò)程降雨量出現(xiàn)在林州市東馬鞍，為734 mm，超過(guò)林州市常年年平均降水量（649 mm），最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在安陽(yáng)縣馬家村，為137.8 mm（19日11：00—12：00）（圖1b）。

2 資料與方法

利用Micaps常規(guī)觀測(cè)資料、FNL1°×1°資料、區(qū)域站資料、新一代天氣雷達(dá)和衛(wèi)星資料，對(duì)此次過(guò)程的成因進(jìn)行了診斷分析。對(duì)影響系統(tǒng)、探空資料、水汽條件、熱力不穩(wěn)定等方面進(jìn)行綜合分析，探討此次暴雨天氣過(guò)程的成因。

3 區(qū)域暴雨成因分析

3.1 環(huán)流背景分析

從500 hPa上可以看出，7月18日20：00（圖2a）新疆高空附近存在一個(gè)明顯的高壓脊，位于西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定維持，渤海灣到東北為一高壓脊，兩高之間存在明顯的切變線。從19日02：00（圖2b）和08：00（圖2c）來(lái)看，副高主體穩(wěn)定維持，位于我國(guó)西部的大陸高壓脊略有東移，且明顯加強(qiáng)向蒙古國(guó)伸展，渤海灣到東北的高壓脊加強(qiáng)發(fā)展，使得兩高之間的切變加強(qiáng)，且東移受阻。到了19日14：00（圖2d），從華北到西南地區(qū)均存在明顯的切變線。因此從500 hPa上來(lái)看，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定維持，如果低層配合有中小系統(tǒng)的不斷生成，將有利于區(qū)域性暴雨天氣的出現(xiàn)，因此下文將會(huì)對(duì)中低層系統(tǒng)進(jìn)行分析。

從700 hPa圖上看（圖3），19日08：00（圖3a）在陜西附近有低渦生成，并且配合有切變線生成，切變線前存在明顯的低空急流，低空急流的作用主要是向降水區(qū)輸送水汽和不穩(wěn)定能量，造成位勢(shì)穩(wěn)定，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，有利于暴雨的發(fā)生。到了19日14：00（圖3b）低渦沿著切變線和高層引導(dǎo)氣流略微向東北方向移動(dòng)，低空急流明顯加強(qiáng)，豫北處于低空急流出口區(qū)的左側(cè)，這里存在正的切變渦度，輻合上升強(qiáng)烈，有利于暴雨在該區(qū)域出現(xiàn)。

19日14：00，850 hPa上（圖4a）的低渦位置較700 hPa略微偏南，從風(fēng)速來(lái)看，850 hPa的低空急流較700 hPa要強(qiáng)，并且出現(xiàn)了明顯的偏東風(fēng)擾動(dòng)，從925 hPa（圖4b）上看，已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的偏東風(fēng)急流，將東海的水汽向豫北輸送，西南暖濕氣流和東南暖濕氣流的匯合，為暴雨區(qū)提供了充足的水汽。

地面圖上（圖5），19日14：00，河南境內(nèi)黃河中段北部（113.1°E，35°N）形成了地面氣旋波，且緩慢北上，到20：00位于新鄉(xiāng)，到20日08：00位于邯鄲，地面氣旋是一個(gè)逐漸北上的過(guò)程。地面氣旋的出現(xiàn)，加劇了輻合上升運(yùn)動(dòng)，雨強(qiáng)加強(qiáng)，對(duì)降水的增幅起了積極的作用。

綜合以上分析，此次特大暴雨發(fā)生在兩高穩(wěn)定對(duì)峙的環(huán)流形勢(shì)下，中低層有低渦沿兩高之間的切變線向北緩慢移動(dòng)，低空急流將水汽源源不斷地輸向雨區(qū)，地面有氣旋生成并北移，是一次典型的華北暴雨天氣形勢(shì)。

3.2 探空資料分析

由鄭州站探空資料分析（圖6）可知，7月18日20：00（圖6a）鄭州站700 hPa到500 hPa濕度條件較差，存在明顯干層，700 hPa以下濕度條件較好，低層濕、高層干的形勢(shì)，層結(jié)不穩(wěn)定，所以18日夜里、19日凌晨，豫沿黃河一帶主要以對(duì)流天氣為主，伴有短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)，由于0℃層高度偏高，不利于冰雹天氣的產(chǎn)生。19日08：00，受低渦切變影響，濕層變厚，以系統(tǒng)性降水為主。

對(duì)流有效位能（CAPE）是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時(shí)的正浮力所產(chǎn)生能量的垂直積分，是風(fēng)暴潛在強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。在探空?qǐng)D（圖6）上，CAPE值正比于狀態(tài)曲線（棕色實(shí)線）和層結(jié)曲線（藍(lán)色實(shí)線）從自由對(duì)流高度（LFC）至平衡高度所圍成的區(qū)域面積（即圖6中紅色區(qū)域）。18日20：00（圖6a）CAPE值較大（1 731.6 J/kg），有較強(qiáng)的對(duì)流潛勢(shì)，加上在低層濕層上存在中層干的現(xiàn)象，加劇了層結(jié)的不穩(wěn)定，因此印證了上面的分析，18日以對(duì)流降水為主。而到19日08：00整層濕層變厚，CAPE變小，對(duì)流性降水逐漸轉(zhuǎn)為系統(tǒng)性降水。

3.3 物理量診斷分析

暴雨除了滿足一般的降水條件外，還必須滿足充沛的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)、較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間3個(gè)要素，如果配合一定的不穩(wěn)定能量，將更加有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，影響降水量的大小，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是區(qū)域連續(xù)性暴雨的重要條件，從上面的環(huán)流背景分析來(lái)看，兩高穩(wěn)定維持，使得兩高之間的切變、低層低渦切變長(zhǎng)時(shí)間維持、發(fā)展，使得中小系統(tǒng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不斷影響，滿足長(zhǎng)時(shí)間維持這一要素，因此以下將從動(dòng)力條件、不穩(wěn)定能量、水汽條件等進(jìn)行物理量診斷分析。

3.3.1 動(dòng)力條件分析 降水過(guò)程的輻合抬升條件不可忽略，降水往往在一定的上升運(yùn)動(dòng)中才會(huì)發(fā)生，此次過(guò)程將重點(diǎn)對(duì)散度的分布情況、地面輻合線的位置以及地形的一些作用進(jìn)行分析。

產(chǎn)生暴雨需要具備抬升觸發(fā)機(jī)制和輻合上升運(yùn)動(dòng)條件。從（36°N，114°E）這個(gè)點(diǎn)散度的時(shí)間垂直剖面圖（圖7）上可以看出，從18日20：00到19日20：00，900 hPa左右均存在明顯的負(fù)散度，并且負(fù)散度的絕對(duì)值是隨時(shí)間逐漸增大的，到19日20：00 900 hPa這一層附近出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)散度中心，其值為-15×10-5/s，而200 hPa左右出現(xiàn)了一個(gè)正散度中心，說(shuō)明高層輻散。從19日11：00區(qū)域站風(fēng)場(chǎng)（圖8）上來(lái)看，在新鄉(xiāng)西部到安陽(yáng)西部有明顯的地面輻合線，部分地區(qū)存在較大對(duì)頭風(fēng)輻合。低層輻合高層輻散，有利于對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)展，低層輻合線是此次強(qiáng)降水過(guò)程的抬升觸發(fā)條件之一，且此次過(guò)程位于輻合線附近的降水量明顯大于周邊地區(qū)。

河南西北部地處太行山東麓，地形西高東低，此次過(guò)程地面一直維持較強(qiáng)的偏東氣流（圖9），地形抬升偏東氣流，有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，使得云層增厚，對(duì)降水的增幅起到積極作用，此次過(guò)程超過(guò)200 mm的降水恰好出現(xiàn)在太行山東麓。

3.3.2 不穩(wěn)定能量條件分析 暴雨過(guò)程中大氣往往不需要具備較大的層結(jié)不穩(wěn)定和不穩(wěn)定能量，但是在水汽條件較好和有一定觸發(fā)機(jī)制的情況下，對(duì)流層中低層具有一定的不穩(wěn)定層結(jié)、不穩(wěn)定能量時(shí)，對(duì)暴雨的發(fā)生發(fā)展有較大的積極意義。此次過(guò)程，將重點(diǎn)分析假相當(dāng)位溫（Qse）和K指數(shù)的分布情況。

從18—19日36°N、114°E假相當(dāng)位溫的時(shí)間垂直剖面圖上（圖10）來(lái)看，此次過(guò)程中低層的假相當(dāng)位溫隨高度減小，19日08：00—20：00這一現(xiàn)象尤為明顯，說(shuō)明此次過(guò)程一直存在對(duì)流性不穩(wěn)定；從K指數(shù)分布（圖11）情況來(lái)看，19日08：00（圖11a）、20：00（圖11b）河南北部地區(qū)K指數(shù)在34℃以上。綜合考慮上述指標(biāo)有利于河南北部地區(qū)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水、暴雨和局地的雷暴等對(duì)流性天氣。

3.3.3 水汽條件分析 水汽條件將從比濕和水汽通量散度2個(gè)物理量進(jìn)行分析，因?yàn)槌讼喈?dāng)高的比濕外，還必須有充分的水汽在降水區(qū)域輻合上升，只靠某一層的水汽含量或某一地區(qū)的大氣柱中所含的水汽凝結(jié)下降量很小。

從850 hPa比濕場(chǎng)（圖12a）可以看出，19日14：00，河南省北部地區(qū)850 hPa比濕大于14 g/kg，而在700 hPa上（圖12b）比濕在10 g/kg以上，說(shuō)明中低層濕度條件較好。除了相當(dāng)高的比濕以外，還必須有充足的水汽供應(yīng)，且在降水區(qū)輻合上升，才會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)的降水。從18—19日36°N、114°E水汽通量散度時(shí)間垂直剖面圖（圖13a）和19日14：00 925 hPa水汽通量散度（圖13b）上看，19日08：00—20：00中低層存在明顯的水汽輻合，19日14：00—20：00 900 hPa附近維持一個(gè)-30×10-8 g/（cm2·hPa·s）的水汽通量散度中心。14：00 925 hPa上，豫北處于-14×10-8 g/（cm2·hPa·s）水汽通量散度中心。

從水汽條件分析來(lái)看，19日08：00—20：00豫北中低層一直處于高的比濕場(chǎng)中，低層水汽輻合明顯且長(zhǎng)時(shí)間維持，是此次暴雨過(guò)程的特點(diǎn)之一。

4 衛(wèi)星云圖分析

衛(wèi)星云圖可以檢測(cè)到不同尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展，利用衛(wèi)星云圖可以識(shí)別不同的天氣系統(tǒng)，確定它們的位置，估計(jì)其強(qiáng)度和發(fā)展趨勢(shì)，為天氣診斷分析提供了有利的手段。從上面形勢(shì)分析、物理量診斷分析來(lái)看，此次過(guò)程豫北處在能量不穩(wěn)定區(qū)域和水汽輻合區(qū)域。因此從衛(wèi)星云圖上看（圖14），暴雨云團(tuán)在移入不穩(wěn)定區(qū)域后均得到發(fā)展。并且從圖14c和圖14d上可以看出，低層出現(xiàn)偏東風(fēng)擾動(dòng)后，出現(xiàn)了明顯的西北東南向的對(duì)流云帶，與原來(lái)已經(jīng)存在的南北向云帶在豫北結(jié)合后明顯加強(qiáng)。

5 雷達(dá)回波分析

分析濮陽(yáng)新一代天氣雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，從19日01：01基本反射率因子1.5°仰角上（圖15a），在新鄉(xiāng)到鶴壁存在2條回波帶，回波最強(qiáng)52 dBz，其在向西北移動(dòng)過(guò)程中合并加強(qiáng)（圖15b），并且位于沿黃河一帶的回波已經(jīng)北移，且在河北南部出現(xiàn)了一些零散的對(duì)流回波。到了03：58（圖15c）位于河北的回波加強(qiáng)發(fā)展成一回波帶，于07：00南北兩回波帶合并加強(qiáng)。由于大尺度系統(tǒng)的穩(wěn)定，造成回波帶長(zhǎng)時(shí)間維持，回波移入豫北不斷加強(qiáng)，形成“列車(chē)效應(yīng)”，使得強(qiáng)降水長(zhǎng)時(shí)間維持，是此次持續(xù)性暴雨出現(xiàn)的原因之一。低層?xùn)|南氣流的加強(qiáng)后，從蘇北到豫北出現(xiàn)了一西北東南向的強(qiáng)回波帶（圖15e），該回波帶與東北西南向的回波帶在豫北合并（圖15f）后明顯增強(qiáng)，使得豫北強(qiáng)降水得到進(jìn)一步的發(fā)展。

6 結(jié)論和討論

此次特大暴雨發(fā)生在兩高穩(wěn)定對(duì)峙的環(huán)流形勢(shì)下，中低層有低渦沿兩高之間的切變線向北緩慢移動(dòng)，地面有氣旋生成北移，是一次典型的華北暴雨天氣形勢(shì)。此次過(guò)程太行山前、迎風(fēng)坡上的降水明顯大于周邊地區(qū)的降水。低層輻合、高層輻散，有利于對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)展，低層輻合線是此次強(qiáng)降水過(guò)程的抬升觸發(fā)條件之一。豫北中低層一直處于比濕場(chǎng)高值區(qū)中，低層水汽輻合明顯且長(zhǎng)時(shí)間維持，是此次暴雨過(guò)程的特點(diǎn)之一。暴雨云團(tuán)在移入不穩(wěn)定區(qū)域后均得到顯著發(fā)展。“列車(chē)效應(yīng)”，使得強(qiáng)降水長(zhǎng)時(shí)間維持，是此次持續(xù)性暴雨出現(xiàn)的原因之一。此次過(guò)程降水效率高的原因沒(méi)有展開(kāi)分析，是否與此次過(guò)程伴有暖云性質(zhì)的降水有關(guān)，值得進(jìn)一步分析、討論。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹