固安縣“8·8”短時強(qiáng)降水過程分析

洪亞青　郭立平　金鵬舉　彭敏　石茗化

摘要? ? 利用國家衛(wèi)星氣象中心和固安的降水資料、FNL再分析資料（1°×1°），從環(huán)流背景、物理量診斷、衛(wèi)星云圖特征等方面對2018年8月8日固安縣一次短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行天氣動力學(xué)診斷和中尺度分析。結(jié)果表明，受副高邊緣西南暖濕氣流和西風(fēng)槽冷空氣共同影響，8日白天固安縣出現(xiàn)短時強(qiáng)降雨。強(qiáng)降水產(chǎn)生于有利的天氣尺度系統(tǒng)配置中，中層干、下層濕的層結(jié);中低層暖區(qū)，高層冷區(qū)的不穩(wěn)定溫度場配置;固安K指數(shù)>37.5 ℃，更易存在較強(qiáng)對流不穩(wěn)定潛勢。地形對短時強(qiáng)降雨的強(qiáng)度以及落區(qū)等起重要作用。

關(guān)鍵詞? ? 短時強(qiáng)降水;環(huán)流背景;物理量診斷;衛(wèi)星云圖;地形作用;河北固安

中圖分類號? ? P426.6? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）24-0156-04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Abstract? ? Using the National Satellite Meteorological Center and Gu′an precipitation data，F(xiàn)NL reanalysis data（1°×1°），a short-term heavy precipitation process in Gu′an County on August 8，2018 was analyzed by weather dynamics and mesoscale analysis from the aspects of circulation background，physical quantity diagnosis and satellite cloud image characteristics.The results showed that affected by the warm and humid airflow in the southwest of the subtropical high and the cold air in the west wind trough，there was a short-term heavy rainfall in Gu′an County during the day.Heavy precipitation was produced in a favorable weather scale system configuration，the middle layer was dry and the lower layer was wet;the middle and lower layer warm area，the unstable temperature field configuration of the high-rise cold area;the K index of Gu′an County was greater than 37.5 ℃，it was more prone to strong convective instability potential.The terrain played an important role in short-term heavy rainfall intensity and falling area.

Key words? ? short-term heavy precipitation;circulation background，physical quantity diagnosis;satellite cloud image;terrain;Gu′an Hebei

短時強(qiáng)降水天氣是我國的災(zāi)害性天氣之一，由于破壞力大，局地性強(qiáng)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了直接威脅。有關(guān)短時強(qiáng)降水預(yù)報技術(shù)的研究，一直以來是中小尺度天氣動力學(xué)、云物理過程研究的重要方向。近幾十年來，國內(nèi)外在以下幾個方面的研究都取得了長足的進(jìn)步[1-6]：一是強(qiáng)對流天氣的發(fā)生需要不穩(wěn)定層結(jié)、垂直風(fēng)切變、初始的抬升觸發(fā)機(jī)制和適當(dāng)?shù)乃a(bǔ)充條件;二是對流云的形態(tài)特征由大氣層結(jié)狀態(tài)和環(huán)境風(fēng)垂直切變決定;三是短時強(qiáng)降水的降水持續(xù)時間取決于對流系統(tǒng)的尺度、移動速度和傳播特征。

眾所周知，災(zāi)害性中小尺度天氣系統(tǒng)都是在有利的大氣環(huán)境背景下發(fā)生的，但是受觀測手段和資料時空分辨率的限制，對局地對流云單體的醞釀、生成和發(fā)展過程等與環(huán)境大氣之間相互作用的真實物理過程還缺乏足夠的認(rèn)識。

本文主要利用河北省固安縣稠密的自動站等觀測資料，對2018年8月8日上午至傍晚在固安縣出現(xiàn)的短時強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行中小尺度分析，尋求對流云形成過程與下墊面氣象要素演變之間的內(nèi)在聯(lián)系，對提高短時強(qiáng)降水天氣的準(zhǔn)確率有一定的參考價值。

1? ? 天氣實況分析

1.1? ? 天氣概況

8月8日8：00—19：00固安縣降水量分布：固安鎮(zhèn)36.7 mm，宮村34.3 mm，渠溝15.6 mm，馬莊13.5 mm，柳泉24.4 mm，東灣18.5 mm，彭村10.7 mm，牛駝24.1 mm，禮讓店20 mm，知子營32.4 mm，公主府49.5 mm，紅寺14.5 mm（圖1）。固安站8日9：00和10：00出現(xiàn)持續(xù)的強(qiáng)降水，9：00最強(qiáng)，達(dá)到20.1 mm，過程累計降水量達(dá)39.2 mm，對此次固安短時強(qiáng)降水天氣分析對于應(yīng)對氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實意義。

1.2? ? 大尺度環(huán)流背景

短時強(qiáng)降水時間主要為2018年8月8日9：00—15：00，大尺度環(huán)流背景主要表現(xiàn)為8：00 500 hPa新疆北部為脊區(qū)，貝加爾湖有一個低渦系統(tǒng)，東北地區(qū)為脊區(qū)，在低渦底部有弱的短波槽，固安受短波槽影響，溫度槽落后于高度槽，有利于槽加深，見圖2（a）;14：00從新疆西移的脊加強(qiáng)，在河北南部的副高北伸，范圍擴(kuò)大。受副高邊緣西南暖濕氣流和西風(fēng)槽冷空氣的共同影響，8日白天固安縣出現(xiàn)短時強(qiáng)降雨，見圖2（b）。

2? ? 成因分析

從相對濕度、垂直速度和風(fēng)的垂直時間剖面（圖3）可看出，固安在8日2：00—14：00，400～600 hPa中層存在一個干區(qū)，而150～250 hPa存在一個較強(qiáng)的達(dá)到100%的相對濕度區(qū)，對流層中層存在明顯干層將會使降水導(dǎo)致的下沉氣流中雨滴、霰、冰粒、雪片等水物質(zhì)強(qiáng)烈蒸發(fā)、融化或升華而導(dǎo)致下沉氣流顯著降溫[7]，產(chǎn)生較大負(fù)浮力，有利于地面雷暴的產(chǎn)生。孫建華等[8]指出了雷暴易發(fā)生在中層干、下層濕的環(huán)境中，這種層結(jié)條件對雷暴高壓的增強(qiáng)有重要作用。從垂直速度來看，8日2：00在800 hPa以下有負(fù)值中心。8：00—20：00 900 hPa以下有一個負(fù)值中心，150～400 hPa有一個負(fù)值中心且有較強(qiáng)的上升運(yùn)動。從風(fēng)場來看，8：00中層偏西風(fēng)風(fēng)速較大，8：00和14：00在850 hPa以下出現(xiàn)風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)的冷平流。

2.1? ? 動力條件

從溫度場和風(fēng)場上看（圖4），8月8日8：00 200 hPa風(fēng)場，在河北地區(qū)北部上空有明顯的偏西急流，在河北地區(qū)有明顯的高空冷舌。500 hPa，在山東地區(qū)存在氣旋式環(huán)流，說明中空有強(qiáng)烈的輻合氣流。固安為西南氣流，氣旋式環(huán)流將渤海灣的水汽攜帶到固安。700 hPa，在山東地區(qū)仍存在氣旋式環(huán)流，固安為偏西氣流控制。850 hPa，氣旋中心移至渤海上空，固安受西南氣流控制。在溫度場上，200 hPa河北地區(qū)南部有冷中心，而500 hPa以下的溫度較周圍高，這樣中低層暖區(qū)，高層冷區(qū)的不穩(wěn)定溫度場配置，溫度垂直遞減率變大，增加大氣的不穩(wěn)定性從而有利于短時強(qiáng)降水產(chǎn)生。

2.2? ? 水汽條件

對本次天氣低層（850 hPa）水汽通量進(jìn)行分析可知（圖5），8日2：00水汽通量大值區(qū)在河北與山東的交界線，中心最大值達(dá)到1.5 g/（s·cm·hPa），在大值區(qū)伴隨西南急流向固安輸送水汽。14：00，水汽通量減小，水汽通量范圍縮小，固安降水明顯減弱。

2.3? ? 不穩(wěn)定條件

2018年8月8日2：00和14：00 850 hPa的K指數(shù)分布如圖6所示。可以看出，強(qiáng)降雨發(fā)生前期8日2：00，固安K指數(shù)較大，>37.5 ℃，存在較強(qiáng)對流不穩(wěn)定潛勢，9：00固安出現(xiàn)降水達(dá)19.1 mm/h，具有很好的預(yù)報意義。在降水減弱的后期14：00，固安K指數(shù)減弱，為35 ℃，在山西以西存在一個42.5 ℃為中心的K指數(shù)大值帶。

2.4? ? 地形作用

圖7是河北省的地形特征圖，紅色三角為固安縣所在地，固安位于太行山的背風(fēng)側(cè)。李? 冀等[9]利用數(shù)值模式表明，背風(fēng)波的存在可以加大背風(fēng)一側(cè)對流的產(chǎn)生。由于過太行山后的短波槽系統(tǒng)處于背風(fēng)一側(cè)，山脈的存在會使氣流產(chǎn)生背風(fēng)擾動，背風(fēng)擾動加大固安在背風(fēng)一側(cè)對流的產(chǎn)生。同時，因為地形阻礙作用，抑制了一部分水汽向北輸送（圖5），轉(zhuǎn)而向東北輸送，為固安提供更充沛的水汽。

3? ? 衛(wèi)星云圖資料應(yīng)用

從衛(wèi)星云圖上可以看出（圖8），8：00的云圖上，在滄州和衡水上空有中尺度對流性云團(tuán)，最低云頂亮溫<-52 ℃，說明此時對流性云團(tuán)較強(qiáng);9：00滄州和衡水上空的對流云團(tuán)加強(qiáng)，云團(tuán)面積擴(kuò)大，云頂亮溫梯度增大，在北京南部形成新的對流云團(tuán)，最低云頂亮溫低于-52 ℃，9：00—10：00固安1 h雨強(qiáng)為19.1 mm;10：00北京南部的對流云團(tuán)面積擴(kuò)大，進(jìn)一步東移增強(qiáng)，10：00—11：00固安1 h雨強(qiáng)為19 mm;在11：00北京南部的對流云團(tuán)與滄州和衡水上空對流云團(tuán)匯合加強(qiáng)，東移至天津上空，在石家莊上空形成新的對流云團(tuán)，最低云頂亮溫<-52 ℃;在12：00石家莊上空對流云團(tuán)向東北移動，云團(tuán)面積擴(kuò)大;在13：00云團(tuán)最低云頂亮溫區(qū)移至保定和廊坊一帶，13：00—14：00固安1 h雨強(qiáng)為0.2 mm;在14：00隨著云團(tuán)進(jìn)一步東北移，云團(tuán)面積縮小，14：00—15：00固安1 h雨強(qiáng)為0.8 mm;在15：00云團(tuán)東移減弱，降水趨于結(jié)束。

4? ? 結(jié)論

（1）受副高邊緣西南暖濕氣流和西風(fēng)槽冷空氣共同影響，8日白天固安縣出現(xiàn)短時強(qiáng)降雨。

（2）強(qiáng)降水產(chǎn)生于有利的天氣尺度系統(tǒng)配置中，中層干、下層濕的層結(jié)，有利于對流產(chǎn)生;中低層暖區(qū)，高層冷區(qū)的不穩(wěn)定的溫度場配置，有利于短時強(qiáng)降水產(chǎn)生;當(dāng)固安K指數(shù)>37.5 ℃時，更易存在較強(qiáng)對流不穩(wěn)定潛勢。

（3）地形對短時強(qiáng)降雨的強(qiáng)度以及落區(qū)等起重要作用，由于過太行山后的短波槽系統(tǒng)處于背風(fēng)一側(cè)，山脈的存在會使氣流產(chǎn)生背風(fēng)擾動，背風(fēng)擾動加大固安在背風(fēng)一側(cè)對流的產(chǎn)生。同時，因為地形阻礙作用，抑制了一部分水汽向北輸送，轉(zhuǎn)而向東北輸送，為固安提供更充沛的水汽。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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