2016 年7 月華北特大暴雨過程河北南部垂直風(fēng)切變觀測特征

劉 瑾，王叢梅*，耿 飛，李芷霞

（1.邢臺市氣象局，河北 邢臺054000；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044；3.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京100001）

垂直風(fēng)切變在天氣系統(tǒng)的演變中具有重要作用。關(guān)于熱帶氣旋或熱帶擾動的很多研究表明[1-6]，垂直風(fēng)切變對熱帶氣旋具有抑制作用，但是近年來也有研究發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋可以在強垂直風(fēng)切變環(huán)境中發(fā)展[7-10]。從中尺度系統(tǒng)形成和發(fā)展的動力學(xué)機制來看，環(huán)境垂直風(fēng)切變影響對流風(fēng)暴的組織和演變[11-13]。Weisman 等[14]指出在給定的浮力條件下，弱垂直風(fēng)切變環(huán)境產(chǎn)生短生命史孤立單體，低到中等垂直風(fēng)切變環(huán)境產(chǎn)生多單體風(fēng)暴，強垂直風(fēng)切變環(huán)境產(chǎn)生超級單體風(fēng)暴。高守亭等[15]指出當(dāng)大氣處于層結(jié)穩(wěn)定和慣性穩(wěn)定時，只要風(fēng)的垂直切變足夠大，傾斜對流環(huán)流就可以發(fā)展。Robe 等[16]研究表明，低層風(fēng)垂直切變增加使對流組織成線狀或弧狀，低層垂直風(fēng)切變是風(fēng)暴發(fā)展的關(guān)鍵因子[17-18]。

丁一匯[19]在總結(jié)中國暴雨發(fā)生條件時，指出弱垂直風(fēng)切變有利于暴雨的發(fā)生。樊李苗等[20]研究指出，純粹產(chǎn)生強降水的強對流天氣表現(xiàn)為弱垂直風(fēng)切變。肖遞祥等[21]研究表明，四川盆地的一些極端暴雨天氣過程具有垂直風(fēng)切變小的特征。羅王軍等[22]研究表明，甘肅省的一次局地大暴雨是在弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下產(chǎn)生的。但也有一些暴雨過程發(fā)生在較強的垂直風(fēng)切變環(huán)境中[23-27]。方德賢等[28]研究表明，強降水天氣條件下，重慶沙坪壩風(fēng)廓線雷達(dá)和陳家坪多普勒雷達(dá)觀測的垂直風(fēng)廓線較為一致，降水期間單一方向性風(fēng)切變和低空急流的出現(xiàn)有利于對流維持和水汽輸送。

2016 年7 月19—21 日，華北地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨，為2016 年京津冀汛期最強的一次降雨過程（簡稱“16·7 華北特大暴雨過程”），多站日雨量突破歷史極值、出現(xiàn)特大暴雨，帶來重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，國內(nèi)的專家和學(xué)者對“16·7”華北特大暴雨過程的氣旋發(fā)展演變機制、極端降雨的天氣學(xué)成因、地形作用以及不同數(shù)值模式的預(yù)報效果進(jìn)行了分析研究，取得了一些成果[29-36]，而對該過程的垂直風(fēng)切變研究較少。其環(huán)境垂直風(fēng)切變特征如何？對河北南部的降雨會產(chǎn)生什么影響？這些問題尚未見報道。邢臺L 波段探空站、石家莊多普勒天氣雷達(dá)站以及石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)站對此次過程中河北南部的大氣進(jìn)行了探測，獲取了一些風(fēng)場資料，這些風(fēng)場資料在計算垂直風(fēng)切變時是否具有一致的表現(xiàn)特征？本文利用獲得的水平風(fēng)對“16·7”華北特大暴雨過程中河北南部垂直風(fēng)切變的觀測特征進(jìn)行了初步分析。

1 資料與方法

各類氣象觀測資料來源于河北省氣象信息中心。高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）。

小時雨量數(shù)據(jù)為整點前1 h 內(nèi)累計降雨量（時間均為北京時，下同）。

風(fēng)廓線資料有邢臺L 波段探空、石家莊多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品和石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品。依據(jù)《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》[38]中幾何高度和位勢高度轉(zhuǎn)換公式將邢臺L 波段探空水平風(fēng)對應(yīng)的位勢高度轉(zhuǎn)換為海拔高度，利用內(nèi)插的方法將不同探測手段得到的水平風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速插值到同一高度上進(jìn)行風(fēng)向、風(fēng)速偏差的比較。

2 降雨概況

2.1 累計降雨量和最大小時雨量分布

2016 年7 月18 日夜間，39°N 以南的河北省南部地區(qū)（下文簡稱“河北南部”）降雨逐漸開始，并不斷增強，7 月20 日白天逐漸減弱。18 日20 時—20日20 時，河北南部大部分地區(qū)累計降雨量超過100 mm，西部太行山沿山一帶超過250 mm（圖1a），其中石家莊、邢臺、邯鄲的山區(qū)局地超過500 mm，最大出現(xiàn)在石家莊市贊皇縣嶂石巖為810.2 mm。研究表明[11]，幾乎所有小時雨量在20 mm 以上的短時強降水事件都是由深厚濕對流產(chǎn)生的，本次過程中也呈現(xiàn)出深厚濕對流降水的特點，在河北南部，太行山沿山一帶到山前平原、平原東部分布著最大小時雨量超過40 mm 的兩片短時強降雨區(qū)，前者強度更強，強降雨的站點也更加密集（圖1b）。前者最大小時雨量為138.5 mm，出現(xiàn)在邢臺市市區(qū)（南大郭，19日22：00—23：00），次大值為128.1 mm，出現(xiàn)在石家莊市贊皇縣山區(qū)（嶂石巖，19 日16：00—17：00），也就是過程累計雨量最大的位置，屬極端短時強降水天氣；后者最大小時雨量為64.5 mm，出現(xiàn)在衡水市阜成縣（古城鎮(zhèn)，20 日04：00—05：00），可見，前者最大小時雨量是后者2 倍。

2.2 降雨隨時間變化特征

圖1 2016 年7 月18 日20 時—20 日20 時京津冀降雨量分布（a，單位：mm）和39°N 以南河北省境內(nèi)高程和最大小時雨量在40 mm 以上的雨量站分布（b）

圖2 河北南部36°～39°N 小時雨量經(jīng)向平均值（a）和經(jīng)向最大值（b）逐時變化以及高程經(jīng)向平均（c，d）

2016 年7 月19 日03 時河北南部降雨開始加強，最初的強降雨區(qū)并未出現(xiàn)在山區(qū)，而是出現(xiàn)在邯鄲南部114.5 °E 附近的平原地區(qū)，19 日上午強降雨區(qū)逐漸向西部山區(qū)推進(jìn)，19 日11 時河北南部沿太行山區(qū)形成南北向的雨帶。19 日11 時—20 日02時，強降雨區(qū)維持在西部山區(qū)到山前平原的迎風(fēng)坡處（圖2），多個時次最大小時雨量超過60 mm，屬極端短時強降水。20 日02 時之后西部山區(qū)迎風(fēng)坡降雨強度減弱，平原東部的降雨加強，強降雨區(qū)集中在平原東部，最大小時雨量超過30 mm。20 日14 時河北南部降雨強度明顯減弱。從同一緯度上降雨強度（小時雨量）經(jīng)向平均和最大值來看，西部山區(qū)到山區(qū)平原的降雨強度明顯大于平原東部地區(qū)，這與地形的作用密切相關(guān)。另外，強降雨階段西部山區(qū)到山前平原迎風(fēng)坡處多個時次小時雨量超過60 mm，但經(jīng)向平均小時雨量大部分時次低于30 mm，表明極端短時強降雨具有明顯的局地性特征，這與由中小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生有一定的關(guān)系。

3 垂直風(fēng)切變觀測特征

3.1 不同探測手段水平風(fēng)對比

圖3a 為同一時次3 種探測方式相互之間的風(fēng)向偏差平均值和風(fēng)向偏差低于30°的樣本比例，可以看到19 日08 時—20 日11 時的大部分時次，3 種探風(fēng)手段之間風(fēng)向偏差平均值＜30°，風(fēng)向偏差低于30°的樣本比例在80%以上，對應(yīng)石家莊周邊持續(xù)降雨階段。20 日12 時開始，風(fēng)向偏差平均值有所增大，風(fēng)向偏差低于30°的樣本比例有所降低，對應(yīng)于石家莊周邊降雨顯著減弱到結(jié)束階段。圖3b 為同一時次的風(fēng)速偏差平均值和風(fēng)速偏差低于3 m/s 的樣本比例，可以看到19 日08 時—20 日20 時，3 種探風(fēng)手段之間風(fēng)速偏差和風(fēng)速偏差低于3 m/s 的樣本比例在不同降雨階段沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢，大部時次風(fēng)速偏差平均值在2～4 m/s。因此，在本次降雨過程中，3 種探風(fēng)方式得到的高空風(fēng)具有一定的一致性。

3.2 水平風(fēng)深層垂直風(fēng)切變變化特征

圖3 19 日08 時—20 日20 時石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)（W）、石家莊多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線（R）和邢臺探空（L）對比

俞小鼎[39]將0～6 km 深層垂直風(fēng)切變（Vertical Wind Shear，簡稱“VWS”）矢量大小劃分為3 個等級表征其強度：低于12 m/s 屬較弱垂直風(fēng)切變，12～20 m/s 屬中等偏上強度垂直風(fēng)切變，超過20 m/s 屬較強垂直風(fēng)切變。利用石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)、石家莊多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線整點時刻和邢臺探空站600 m、6 km 處的水平風(fēng)計算VWS，并按照上述劃分將VWS 描述為弱、中等、強三等。3 種不同探測手段計算的河北南部0～6 km 深層VWS 具有一致的變化規(guī)律（圖4）。在降雨初始階段，VWS 為中等大小。在太行山迎風(fēng)坡處強降雨階段，環(huán)境風(fēng)維持著強的VWS，且強度處于最強階段，邢臺探空、石家莊多普勒天氣雷達(dá)和石家莊雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品計算得到的VWS 最大分別達(dá)到25.3、30.8、33.9 m/s（相當(dāng)于4.7×10-3、5.7×10-3、6.3×10-3s-1）。當(dāng)VWS 減弱到20 m/s 左右時，對應(yīng)于迎風(fēng)坡處降雨強度較之前減弱，平原東部降雨強度較強；河北南部降雨逐漸減弱的時段對應(yīng)的VWS 也在減弱，降雨結(jié)束時，VWS 為弱垂直風(fēng)切變。

圖4 不同探測手段計算VWS、石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)600 m 和6 km 處風(fēng)向風(fēng)速隨時間變化

“16·7”華北特大暴雨過程中呈現(xiàn)出顯著的對流性強降雨特點[11]，在河北南部，分布著最大小時雨量超過40 mm 的兩片短時強降雨區(qū)，部分站點最大小時雨量超過100 mm。研究表明[11-13]，垂直風(fēng)切變影響對流風(fēng)暴的組織和演變，強垂直風(fēng)切變使對流呈現(xiàn)更高度的組織性，在強垂直風(fēng)切變作用下更容易導(dǎo)致中γ 尺度渦旋形成，產(chǎn)生更強的上升運動。在一些強降水事件[11，40]中，強垂直風(fēng)切變使對流增強，產(chǎn)生更強的上升運動，進(jìn)一步使降雨增強?！?6·7”華北特大暴雨過程中，石家莊多普勒天氣雷達(dá)在河北南部多個時次識別出中γ 尺度渦旋（切變）。圖5 中標(biāo)號為W9 的單體即為中γ 尺度強對流單體，19 日18：00—18：36 伴隨有中γ 尺度渦旋（切變），其附近的東回舍觀測到的最大小時雨量為109.7 mm，出現(xiàn)在19 日18：00—19：00，即W9 強對流單體影響階段，此時也對應(yīng)于環(huán)境強垂直風(fēng)切變階段?？梢?，“16·7”華北特大暴雨過程中，河北南部強垂直風(fēng)切變環(huán)境有利于本次降雨過程中的對流性增強，甚至產(chǎn)生了中γ 尺度強對流單體，增強的上升運動利于降水的進(jìn)一步增強。

石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)時間分辨率和各層水平風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取率較高，因此利用其600 m 和6 km處風(fēng)的變化來分析引起上述深層垂直風(fēng)切變變化的原因（圖4）。19 日08 時—19 日21 時，低層600 m處維持的偏東風(fēng)風(fēng)速不斷增大，同時中層6 km 處維持西南風(fēng)且風(fēng)速不斷增大，兩層次之間的u 風(fēng)差和v 風(fēng)差均在增大，引起VWS 不斷增強，同時低層偏東風(fēng)的增大也增強了迎風(fēng)坡處的水汽輸送，利于地形輻合抬升作用的增強，對應(yīng)于迎風(fēng)坡處降雨增強。19 日22 時—20 日10 時，VWS 由30 m/s 以上逐漸降低到20 m/s 左右，此時低層600 m 處偏東風(fēng)維持在較高風(fēng)速，部分時次風(fēng)速仍在20 m/s，中層6 km 處風(fēng)向由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，兩層次之間的u 風(fēng)差明顯減小，引起深層垂直風(fēng)切變減小，而此時迎風(fēng)坡處降雨強度較之前有所減弱。20 日11 時之后，兩層次的風(fēng)速均有所減小，v 風(fēng)差也逐漸減小，VWS 逐漸減弱到弱垂直風(fēng)切變等級。

圖5 7 月19 日18：00、18：36 石家莊多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角徑向速度和反射率因子

綜上可知，3 種探風(fēng)方式給出的VWS 的變化特征具有一致性。河北南部強降雨發(fā)生在強VWS 環(huán)境中，強VWS 環(huán)境有利于本次過程中對流的增強，對上升運動和降水的增強產(chǎn)生積極作用。其中3 種探風(fēng)方式給出的VWS 在迎風(fēng)坡處最強降雨階段超過25 m/s，如此強的VWS 緣于u 風(fēng)差和v 風(fēng)差同時增強。隨著偏東風(fēng)層次增厚，6 km 處由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，u 風(fēng)差迅速減小，強VWS 由25 m/s 的強度降至20 m/s，對應(yīng)于山區(qū)降雨強度明顯減弱。

3.3 風(fēng)廓線雷達(dá)逐層水平風(fēng)垂直風(fēng)切變和切變矢量變化特征

從河北南部不同降雨階段石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)高空水平風(fēng)隨高度變化（圖6）來看，無論是西部山區(qū)到山前平原，還是平原東部，水平風(fēng)垂直切變矢量在強降雨階段基本表現(xiàn)為單一方向順時針切變；而在河北南部降雨結(jié)束階段，水平風(fēng)垂直切變矢量在垂直方向上變化復(fù)雜，2 km 以下的低層，呈順時針切變，2～6 km 的風(fēng)切變方向變化較為雜亂，6 km 以上則基本表現(xiàn)為逆時針切變，垂直風(fēng)切變矢量大小也明顯減小，由此可見，本次降雨過程中，水平風(fēng)垂直切變矢量在垂直方向表現(xiàn)為單一方向順時針切變的風(fēng)場環(huán)境對強降雨有積極作用。利用石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)逐240 m 高度間隔的水平風(fēng)計算相鄰層次之間的水平風(fēng)垂直風(fēng)切變，得到水平風(fēng)垂直風(fēng)切變大小隨高度的分布（圖7）。與上文僅用兩層水平風(fēng)計算的0～6 km 的垂直風(fēng)切變相比，大部時次計算得到的6 km 以下的最大垂直風(fēng)切變的數(shù)量級要大出1 個數(shù)量級，個別時次甚至大出2～3 個數(shù)量級，而原因在于風(fēng)隨高度的變化并非線性，文中計算深層垂直風(fēng)切變和各層風(fēng)切變用的高度差分別為5 400 m和240 m，高度差作為分子相差1 個數(shù)量級，而風(fēng)速差的數(shù)量級卻沒有那么大，因此，用這兩種高度差計算的垂直風(fēng)切變強度不宜放在一起直接比較大小。從垂直風(fēng)切變大小隨高度的分布來看，大的垂直風(fēng)切變分布在低層1～4 km，在西部山區(qū)強降雨階段，低層的垂直風(fēng)切變顯著增強，最大垂直風(fēng)切變達(dá)到1.15 s-1（19 日15 時），直到20 日05 時，低層仍維持較強的垂直風(fēng)切變。20 日05 時之后，低層垂直風(fēng)切變明顯減弱，對應(yīng)于河北南部降雨減弱到結(jié)束的階段。

圖6 7 月19 日17、23 時，20 日02、05、14 時風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)矢端隨高度變化

圖7 7 月19 日08 時—20 日20 時石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)垂直風(fēng)切變隨高度分布（單位：s-1）

3.4 水平風(fēng)垂直分布

從河北南部石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)高空水平風(fēng)u 風(fēng)分量垂直分布（圖8）和降雨分布的逐時變化（圖2）來看，19 日08 時開始，隨著黃河氣旋移動和發(fā)展，河北南部偏東風(fēng)厚度不斷增厚，逐漸向高空伸展，從19 日15 時—20 日11 時河北南部逐時最大東風(fēng)分量持續(xù)超過16 m/s。在19 日23 時，偏東風(fēng)伸展高度超過6 km，偏東風(fēng)氣流的增厚，有利于引導(dǎo)氣流的東風(fēng)分量增大，降雨云系隨引導(dǎo)氣流向山區(qū)方向移動，迎風(fēng)坡處多站連續(xù)4～5 h 出現(xiàn)雨強超過20 mm/h的強降雨。19 日08 時開始，太行山脈高度以下的東風(fēng)不斷增強，在迎風(fēng)坡出現(xiàn)風(fēng)速的輻合，有利于迎風(fēng)坡處降雨的進(jìn)一步增強，19 日11 時迎風(fēng)坡處降雨強度開始明顯增大，對應(yīng)于太行山脈以下最大東風(fēng)分量開始增加到8 m/s 以上且持續(xù)增強，至19 日19時東風(fēng)分量達(dá)到最大為28 m/s，出現(xiàn)在1 km 高度上。20 日01 時自近地面開始轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，偏北風(fēng)厚度自地面逐漸向上伸展，東風(fēng)分量逐漸減小，迎風(fēng)坡處輻合減弱，同時最大東風(fēng)分量所處的高度也明顯增高，也可引起迎風(fēng)坡輻合減弱[41]，西部山區(qū)和山前降雨逐漸減弱。孫繼松[41]研究表明，當(dāng)東風(fēng)氣流隨高度減弱時，有利于在地形迎風(fēng)坡處形成水平輻合，迎風(fēng)坡的上升速度取決于低空最大東風(fēng)層的風(fēng)速大小和山體的坡度，從36°～39°N 高程平均（圖2）來看，河北南部山區(qū)海拔高度自東向西總體呈升高趨勢，最高超過1 200 m，事實上部分山峰海拔高度超過1 500 m。本次過程中從19 日11—23 時，1 500 m高度以下多個時次出現(xiàn)東風(fēng)分量隨高度減小的層次，有利于迎風(fēng)坡輻合。

圖8 7 月19 日08 時—20 日20 時石家莊風(fēng)廓線雷達(dá)6 km 以下水平風(fēng)（風(fēng)標(biāo)）和u 風(fēng)分量（填色）垂直分布（單位：m·s-1）

4 結(jié)論

通過對“16·7”華北特大暴雨過程中河北省南部地區(qū)小時雨量、高空風(fēng)垂直分布以及降雨不同階段水平風(fēng)的垂直變化特征分析，得出以下結(jié)論：

（1）河北南部，太行山沿山一帶到山前平原、平原東部分布著小時雨量在40 mm 以上的兩片短時強降雨區(qū)，前者降雨強度更強，強降雨的站點也更加密集，最大雨強是后者的2 倍，這與地形作用密切相關(guān)。極端短時強降雨具有明顯的局地性特征，這與由中小尺度系統(tǒng)產(chǎn)生有一定關(guān)系。

（2）在本次降雨過程中，不同探風(fēng)方式得到的河北南部的高空風(fēng)以及垂直風(fēng)切變變化特征具有一定的一致性。河北南部強降雨發(fā)生在強深層垂直風(fēng)切變環(huán)境中，強垂直風(fēng)切變環(huán)境有利于本次過程中對流的增強，對降水的增強產(chǎn)生積極作用。其中山區(qū)和山前平原出現(xiàn)強降雨階段，3 種探風(fēng)方式給出的0～6 km 深層垂直風(fēng)切變在最強降雨階段超過25 m/s。如此強的垂直風(fēng)切變緣于u 風(fēng)差和v 風(fēng)差同時增強，偏東風(fēng)層次伸展到6 km，u 風(fēng)差迅速減小，對應(yīng)于山區(qū)降雨強度明顯減弱。

（3）水平風(fēng)隨高度變化無論是西部山區(qū)到山前平原的強降雨階段，還是平原東部強降雨階段，水平風(fēng)垂直切變矢量基本上表現(xiàn)為單一方向順時針切變，且低層風(fēng)垂直切變較大。垂直風(fēng)切變大小隨高度的分布表明，大的垂直風(fēng)切變分布在低層1～4 km，在西部山區(qū)強降雨階段，低層的垂直風(fēng)切變顯著增強。河北南部降雨減弱到結(jié)束的階段，對應(yīng)于低層垂直風(fēng)切變明顯減弱。水平風(fēng)垂直切變矢量基本上表現(xiàn)為單一方向順時針切變，且低層風(fēng)垂直切變較大的環(huán)境對強降雨有積極作用，而其動力學(xué)作用機制有待進(jìn)一步研究。

（4）u 風(fēng)分量的垂直分布表明，太行山脈高度以下的東風(fēng)不斷增強，最大東風(fēng)分量達(dá)到8～28 m/s，有利于山區(qū)和山前降雨的增強。另外，在山區(qū)和山前強降雨階段，1 500 m 高度以下在多個時次上也出現(xiàn)東風(fēng)分量隨高度減小的層次。