京津冀一次區(qū)域性暴雨特征分析

李美琪，賈小衛(wèi)，郭 蕊，吳 丹，劉 浩

(河北省氣象服務中心，河北 石家莊 050021)

1 引言

華北暴雨具有極強的區(qū)域性，20世紀50年代以來，諸多學者對華北暴雨進行系統(tǒng)性研究。許多暴雨過程出現(xiàn)在大尺度環(huán)流發(fā)生明顯調整的時期[1]，而低渦、暖切變線和低槽冷鋒是造成華北暴雨的3個主要天氣系統(tǒng)[2]。高低空急流在暴雨過程中有重要作用，當高空急流與低空急流之間的距離縮小到一定程度，高低空的輻散和輻合中心重合并位于暴雨區(qū)上空時，高、低空補償機制將加強[3]，大尺度低空急流為暖濕空氣的主要輸送者[4]，華北暴雨的水汽通常來自于孟加拉灣和中國海域，但重要性不盡相同[5]。來自高層的冷干空氣侵入促進了暴雨區(qū)的不穩(wěn)定，對華北暴雨有增強作用[6]。非均勻飽和引起的局部濕度集中會使暴雨發(fā)生更加局地化[7]。而華北盛夏的暖區(qū)暴雨則受大氣低層濕空氣及地形的動力抬升影響[8]。

2 天氣實況

2019年7月22～23日，京津冀地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨，局地大暴雨，主要集中在中部地區(qū)，呈帶狀分布，并伴隨著雷電和短時強降水活動。此次暴雨過程出現(xiàn)暴雨站460個，大暴雨站27個，最大日降水量為142.5 mm，最大小時降水量為76.8 mm/h，暴雨范圍集中在保定、廊坊、天津、滄州北部、唐山南部一帶，本次暴雨的短時強降水集中在22日傍晚到夜間，強降水時間在2～5 h，降水效率高。

3 環(huán)流形勢分析

華北地區(qū)200 hPa高空盛行偏西氣流(圖1a)，京津冀地區(qū)位于急流軸入口右側，有明顯的輻散運動，有利于低層輻合上升運動。降水前期，歐亞大陸500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢(圖1b)，河北處于貝加爾湖以南的高空槽前，槽前正渦度平流有利于大尺度上升運動，副高呈塊狀，西伸至江漢地區(qū)到黃淮流域，其頂部位于黃海海域，與東北地區(qū)的高壓脊疊加進一步阻礙高空槽東移，有利于出現(xiàn)長時間降水。700 hPa(圖1c)和850 hPa(圖1d)中在降水前期均在河套地區(qū)有一條冷性切變線存在，切變線右側有明顯的西南急流，隨著低槽東移，河北低空位于急流出口區(qū)，為正渦區(qū)和氣流輻合區(qū)，可產生明顯上升運動。同時，850 hPa急流攜水汽和熱量北上，使低層相對濕度達到90%以上，為暴雨提供了水汽條件，也利于不穩(wěn)定層結的建立。在本次過程中，西南低空急流移近高空急流入口區(qū)右側的上升運動區(qū)時，在高空急流的抽吸作用下產生系統(tǒng)性抬升[9]，本次暴雨就出現(xiàn)在這一強上升區(qū)中，為暴雨的短時強降水提供了背景條件。

4 衛(wèi)星云圖分析

強降水過程主要發(fā)生在22日夜間，據(jù)該時段的紅外衛(wèi)星云圖分析，22日17時，山西有一對流云團東移并發(fā)展，19時(圖2a)已發(fā)展成中尺度對流復合體(MCC)，大的降水強度發(fā)生在MCC西側，云頂亮溫梯度大的區(qū)域[10]，為保定、石家莊帶來了短時強降水，隨著云團東移至廊坊滄州一帶，在保定滄州交界又生成一新對流云團(圖2b)，該對流云團迅速發(fā)展，并與東部MCC合并北上(圖2c)，保定東部的蠡縣站21時降水量達到了37.7 mm/h。23日凌晨，兩云團已完全合并為中β尺度云團，影響范圍達到200 km，同時南部地區(qū)也生成并發(fā)展了一個圓形β尺度對流云團逐漸北移，兩者先后唐山、秦皇島一帶帶來強降水，直接導致唐山豐南尖字沽鄉(xiāng)142.6 mm的大暴雨。23日午后，隨著對流云團的東移消散，降水基本結束。此次暴雨的產生受中尺度對流云團的連續(xù)生成合并影響，降水效率高，河北中部的帶狀分布暴雨也與對流云團的軌跡相吻合。

圖1 2019年7月22日20時(北京時，下同)(a)200hPa高度場、風場和高空急流(陰影)；(b)500hPa高度場，風向和渦度(陰影)；(c)700hPa高度場、風場和低空急流(陰影)；(d)850hPa高度場、風場和相對濕度(陰影)

圖2 京津冀地區(qū)的衛(wèi)星云圖

5 特征分析

5.1 水汽條件

在本次過程中，低層偏南風持續(xù)向河北輸送暖濕空氣，800 hPa以下邊界層水汽通量在河北中部輻合，形成一條明顯濕舌(圖3a)。在暴雨前期，850 hPa存在一條西南氣流輸送的水汽通道，將孟加拉灣的水汽遠距離輸送至河北，隨著低層的西南氣流加強，向北輸送的水汽增加，使得水汽通量散度負值區(qū)即水汽輻合區(qū)不斷向東北方向發(fā)展，22日20時，水汽輻合區(qū)呈南北帶狀分布，位于保定、石家莊一帶，水汽通量散度中心達到了-6×10-4g·cm-2·hPa-1·s-1，與此時的暴雨集中區(qū)域相吻合。23日02時，隨著低層西南風的推送，水汽通量輻合區(qū)東移，同時在副高外圍還存在一條弱水汽通道(圖3b)，將黃渤海的偏南氣流輸送至京津冀東部，為暴雨補充水汽，因此京津冀東部地區(qū)水汽通量輻合明顯，兩條偏南暖濕氣流的水汽通道為本次暴雨提供了充分的水汽條件。

沿38N做比濕和水汽通量散度的剖面圖(圖3c)，從114～116°E的各層比濕配置可以看出，700 hPa比濕達到了10 g·kg-1，850 hPa比濕達到了14 g·kg-1以上，已達到了出現(xiàn)暴雨的有利條件[11]。20時保定地區(qū)的輻合中心位于850 hPa，低層的水汽輻合可以延伸至600 hPa，隨著水汽通量輻合中心向東北移動，23日02時水汽通量散度隨降水發(fā)展增加到-8×10-4g·cm-2·hPa-1·s-1，但輻合中心降至925 hPa，在降水中后期，暴雨區(qū)的水汽主要來源于低層的水汽輻合。因此，在本次降水過程中，西南方向的水汽輸送和黃渤海的補充水汽為暴雨提供了良好的水汽條件，在京津冀中部的水汽輻合抬升則為暴雨提供了動力條件。

5.2 熱力條件

假相當位溫θse是一個把溫度、氣壓和濕度包括在一起的綜合物理量，可以表征大氣的熱力性質，θse高值區(qū)代表了高溫高濕區(qū)，其水平分布和垂直分布與對流的發(fā)生發(fā)展密切相關。在降水前期(圖4a)，京津冀南部位于θse高值區(qū)，而θse等值線密集區(qū)即能量鋒區(qū)位于京津冀中部，高空弱冷空氣的入侵對不穩(wěn)定能量的釋放起到了觸發(fā)作用，是暴雨發(fā)生的重要條件之一[12]。22日20時(圖4b)，θse等值線密集區(qū)位于保定、廊坊一帶，也是對流云團活躍區(qū)域，與暴雨區(qū)域相一致。將該時刻沿37°N做θse垂直剖面圖(圖4c)，112～116°E處925 hPa以下為超過360 K的暖中心，高溫高濕，有大量不穩(wěn)定能量聚集，假相當位溫隨高度遞減，這種上干冷下暖濕的空間配置表明上空對流性不穩(wěn)定特征明顯，一旦觸發(fā)對流，即產生強對流天氣。在降水發(fā)生后(圖4d)，925 hPa以下θse減小，密集區(qū)所在高度隨之降低，表明降水后凝結潛熱已釋放，114～116°E處925 hPa以下已轉為對流穩(wěn)定。

5.3 動力條件

以蠡縣單站為例，分析整個降水過程中垂直方向的垂直速度變化，降水開始前，22日11時，蠡縣整層處于下沉運動區(qū)，14時中低層轉為弱上升氣流，其中心位于800 hPa，強度為-0.9 Pa/s，20時上升氣流增大到最強，上升速度中心高度降至900 hPa，強度增加到-1.5 Pa/s，同時在600 hPa也有一個上升速度中心，表明冷空氣將暖濕氣流抬升，中低層被強上升氣流控制，有利于水汽抬升和低層輻合上升運動。此時的降水強度也達到最強，與實況較為吻合，降水持續(xù)至23時逐漸結束，中低層也轉為下沉氣流。從散度的垂直剖面可以看出，在22日08時起900 hPa以下就存在弱輻合運動，隨著時間推移，輻合運動增強，輻合高度抬升，20時，輻合高度已抬升至600 hPa，輻合中心位于900 hPa和700 hPa，強度達到了-9×10-5s-1和-2×10-5s-1，而在500 hPa有強輻散中心，強度達到了5×10-5s-1，這種低層輻合、高層輻散的結構使得高層的抽吸作用更強，更有利于上升運動的維持與發(fā)展[13]，此時的降水強度達到頂峰。23日02時，900 hPa以下轉為輻散氣流，600～900 hPa轉為輻合區(qū)，表明垂直結構轉為低層輻散，中層輻合的狀態(tài)，不利于降水維持(圖5)。

圖3 2019年7月(a)22日20時850hPa水汽通量(矢量)和水汽通量散度(陰影和等值線);(b)23日02時850hPa水汽通量(矢量)和水汽通量散度(陰影和等值線)；(c)22日20時沿38°N的水汽通量散度(等值線)和比濕(陰影)的緯向-垂直剖面;(d)23日02時沿40°N的水汽通量散度(等值線)和比濕(陰影)的緯向-垂直剖面

圖4 2019年7月22日(a)14時、(b)20時假相當位溫(單位：K)，(c)20時沿37°N、(d)23日02時沿40°N的假相當位溫剖面(單位：K)

圖5 沿蠡縣(115.3°E、38.27°N)的垂直速度(a，單位：Pa/s)和散度(b，單位：10-5s-1)時間—垂直剖面

6 結論

副高北抬與高壓脊疊加對高空槽的阻礙是本次降水過程的環(huán)流背景，京津冀地區(qū)位于高空槽前，西南低空急流位置，在高空急流的抽吸作用下產生系統(tǒng)性抬升，為暴雨的產生提供了抬升條件。西南方向的水汽輸送和黃渤海的補充水汽為暴雨提供了良好的水汽條件，在河北中部的水汽輻合抬升則為暴雨提供了動力條件。本次暴雨的產生受中尺度對流云團的連續(xù)生成合并影響，降水效率高，河北中部的帶狀分布暴雨也與對流云團的軌跡相吻合。在暴雨中心整層表現(xiàn)為低層輻合、高層輻散，上升速度中心明顯，使得高層的抽吸作用更強，更有利于上升運動的維持與發(fā)展，為降水強度增大提供了有力的動力條件。冷空氣將暖濕氣流抬升，中低層被強上升氣流控制，有利于水汽抬升和低層輻合上升運動。在本次降水過程中，假相當位溫等值線密集區(qū)即能量鋒區(qū)，高空弱冷空氣的入侵對不穩(wěn)定能量的釋放起到了觸發(fā)作用。