豫東北一次春季大暴雨的環(huán)境條件與中尺度特征分析

王春玲，張一平，崔力，唐影，王聰，劉曉燕

(1.河南省濮陽市氣象局，濮陽 457000；2.河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003)

引 言

相對(duì)于長江流域、華南地區(qū)和西南地區(qū)，我國北方地區(qū)春季暴雨發(fā)生較少，對(duì)其研究也較為有限(楊曉霞等，2005；王麗榮等，2006；侯淑梅等，2010；馬鴻青等，2011；劉菊菊等，2015；張熙等，2016；任麗等，2018；熱孜瓦古·孜比布拉等，2021)。地處華北南部黃河沖積平原的豫東北，雖然幾乎每年都有暴雨發(fā)生，但其中90%的暴雨出現(xiàn)在6—8月，春季出現(xiàn)暴雨非常罕見。近20 a來，諸多氣象科研業(yè)務(wù)工作者對(duì)河南暴雨的成因與中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變特征進(jìn)行了深入研究，涌現(xiàn)出較多研究成果。牛淑貞等(2001)通過分析河南一次特大暴雨過程的中尺度特征，揭示了該過程主要存在2個(gè)生命史達(dá)19 h和15 h的中尺度雨團(tuán)活動(dòng)，其具有典型的中尺度擾動(dòng)及強(qiáng)對(duì)流特征。蘇愛芳等(2018)分析豫西南一次局地大暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)結(jié)構(gòu)特征表明，對(duì)流系統(tǒng)在低層輻合線附近發(fā)展，輻合區(qū)合并造成對(duì)流系統(tǒng)合并，致使MCS爆發(fā)性發(fā)展和降水強(qiáng)度增大。馬月枝等(2017)分析2016年夏季新鄉(xiāng)一次暖區(qū)特大暴雨成因指出，華北中南部大范圍高濕環(huán)境、深厚暖云層和濕層以及異常偏低的自由對(duì)流高度、抬升凝結(jié)高度與中等偏強(qiáng)的對(duì)流有效位能是導(dǎo)致新鄉(xiāng)高降水效率的有利條件。針對(duì)河南春季暴雨，梁俊平(2014)分析了2010年春季河南一次區(qū)域性暴雨天氣過程；張一平等(2014)分析揭示了河南東南部一次春季暴雨過程伴隨的高架雷暴天氣的成因；胡燕平等(2011)對(duì)比分析河南兩次春季暴雨過程表明，其所需的水汽均集中在800 hPa以下，尤其是低層和邊界層水汽輻合起到重要作用；袁小超(2015)分析2012年春季河南一次區(qū)域暴雨指出，西南低渦沿切變線向東北方向移出使得切變線南側(cè)西南低空急流加強(qiáng)，造成了河南中東部暴雨。通過對(duì)2003—2014年河南119站春季暴雨的系統(tǒng)分析，魯坦等(2017)歸納總結(jié)出春季暴雨的特征和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，初步建立了此類天氣的物理概念模型，同時(shí)對(duì)20例河南春季暴雨的分析表明，其落區(qū)均不在豫東北。河南春季暴雨多發(fā)生在豫中南地區(qū)，豫東北地區(qū)則很少出現(xiàn)。如位于豫東北地區(qū)的濮陽市，歷年5月份平均暴雨日數(shù)僅0.13 d，屬小概率事件(王春玲等，2010)。以往研究中，對(duì)河南暴雨的研究主要集中在夏季，對(duì)春季暴雨的研究相對(duì)較少，對(duì)豫東北濮陽市這一小區(qū)域發(fā)生的春季暴雨分析研究更少。

2018年5月15日濮陽市出現(xiàn)一次罕見大暴雨過程(以下簡(jiǎn)稱“5·15”暴雨過程)。濮陽本站15日08時(shí)(北京時(shí)，下同)—16日08時(shí)降水量達(dá)100.5 mm，刷新自1971年以來近50 a該站歷年5月日降水量極值，區(qū)域站1 h最大降水量達(dá)87.2 mm，并伴有8級(jí)以上雷暴大風(fēng)，此次超歷史同期極值的春季強(qiáng)降水過程造成河南部分地區(qū)小麥倒伏、電線桿折斷、蔬菜大棚受損等，據(jù)民政局統(tǒng)計(jì)，其直接經(jīng)濟(jì)損失1 633萬元。對(duì)此次過程，EC、JAPAN、GRAPES等多家全球模式只預(yù)報(bào)了濮陽有小雨或中雨，降水量級(jí)預(yù)報(bào)明顯偏小，河南省氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)濮陽為中到大雨，同樣存在較大偏差。因此，本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)產(chǎn)品、區(qū)域自動(dòng)站資料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，分析了這次春季大暴雨過程的降水特點(diǎn)和形成原因，重點(diǎn)探討“5·15”暴雨過程的環(huán)境條件與中尺度特征，以期提高對(duì)河南春季暴雨物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為今后豫東北春季暴雨預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的參考。

1 降水實(shí)況

2018年5月15日08時(shí)—16日08時(shí)，河南省淮河以北大部地區(qū)出現(xiàn)暴雨、大暴雨(圖1a)，暴雨落區(qū)位于豫中北，雨區(qū)呈東北—西南向，全省有26個(gè)氣象觀測(cè)站(含區(qū)域站)日降水量在100 mm以上，138站為50～100 mm，其中位于豫東北的濮陽市就有18站日降水量達(dá)100 mm或以上、46站日降水量在50～100 mm之間，濮陽地區(qū)中部、新鄉(xiāng)地區(qū)東部和鄭州地區(qū)西北部各存在1個(gè)大暴雨中心。該過程最大日雨量為155.8 mm，出現(xiàn)在濮陽市華龍區(qū)葡萄園站，清豐縣六塔站次之為131.9 mm，濮陽縣城關(guān)站日雨量116.2 mm為第三多(圖1b)。最大小時(shí)雨量為87.2 mm，出現(xiàn)在清豐縣六塔站?？紤]到“5·15”暴雨過程的最大日雨量中心位于濮陽市中部，本文將分析重點(diǎn)放在濮陽市暴雨上。

圖1 2018年5月15日08時(shí)—16日08時(shí)河南省(a)和濮陽市(b)24 h累積雨量(單位:mm)分布(圖1b中，D1、D2、D3分別代表日雨量第1、2、3多的站點(diǎn)，即葡萄園站、六塔站、濮陽城關(guān)站)Fig.1 The 24-hour accumulated rainfall(unit:mm)in(a)Henan Province and(b)Puyang City from 08∶00 BT 15 to 08∶00 BT 16 May 2018.In(b)D1,D2 and D3 mark,respectively,the stations(Putaoyuan,Liuta and Puyang Chengguan)with the first,second and thirdlargestdiurnalrainfall in Puyang City.

5月15日下午，濮陽市自西北至東南先后出現(xiàn)強(qiáng)降水，日雨量前3多的測(cè)站逐小時(shí)降水量分布(圖2)顯示，3站強(qiáng)降水開始與結(jié)束時(shí)間較為一致，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在15日15—21時(shí)，其中葡萄園站短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)3 h，15日16、17、18時(shí)小時(shí)雨量分別為36.0、48.2、32.1 mm；六塔站18時(shí)小時(shí)雨量87.2 mm；濮陽城關(guān)站18時(shí)和21時(shí)小時(shí)雨量分別為36.0 mm和34.3 mm。3站15—21時(shí)降水量分別為136.1、116.1、106.3 mm，分別占日雨量的87%、88%、91%，降水較為集中。鑒于此，本文重點(diǎn)分析短時(shí)強(qiáng)降水集中時(shí)段15日15—21時(shí)的對(duì)流性強(qiáng)降水。

圖2 2018年5月15日11時(shí)—16日08時(shí)濮陽市日降水量前3多站的逐小時(shí)降水量變化(單位:mm)Fig.2 Hourly precipitation(unit:mm)at Putaoyuan,Liuta and Puyang Chengguan stations in Puyang City from 11∶00 BT 15 to 08∶00 BT 16 May 2018.

2 環(huán)流形勢(shì)與影響系統(tǒng)分析

5月15日08 時(shí)，暴雨發(fā)生前(圖3a)，200 hPa存在南、北兩支44 m·s-1的高空西南急流，其南支位于重慶東部、湖北西部到河南中東部，北支位于河北中南部、天津南部到遼寧南部，濮陽位于南支急流出口區(qū)左前側(cè)和北支急流入口區(qū)右后側(cè)的高空強(qiáng)輻散區(qū)。500 hPa我國中東部為東高西低形勢(shì)，副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)主體位于臺(tái)灣省到福建沿海，588 dagpm線位于我國東南沿海地區(qū)，沿海高壓脊從臺(tái)灣海峽經(jīng)東海伸向東北地區(qū)南部，因南北大跨度的強(qiáng)勢(shì)高壓脊的阻擋，西風(fēng)帶系統(tǒng)東移緩慢。陜西南部有一冷渦，與其相伴的低槽位于西安、達(dá)州到威寧一線；槽前在陜中南、晉南、豫西一帶有-9℃的冷中心和小于-3℃的24 h變溫中心及-7 dagpm的24 h變高中心，冷中心略超前于低渦中心，低槽東移過程中有冷空氣向低層入侵。副高加強(qiáng)西伸北抬使得584 dagpm線外圍與槽前西南氣流疊加形成西南急流，鄭州站由上一時(shí)次的10 m·s-1西南風(fēng)增強(qiáng)至15日08時(shí)的22 m·s-1西南偏南風(fēng)，20 m·s-1以上的大尺度西南風(fēng)急流位于廣西、湖南、湖北到河南東部，豫東北則處于槽前、急流軸西側(cè)西南氣流中。20時(shí)(圖略)，隨低槽東移，暴雨區(qū)隨之東移，濮陽降水開始減弱。

圖3 2018年5月15日08時(shí)高空(a，等值線為500 hPa位勢(shì)高度，單位:dagpm)和地面(b，等值線為海平面氣壓，單位:hPa)主要天氣影響系統(tǒng)配置Fig.3 Superposition of the major weather influencing systems in(a)the upper air and(b)the surface layer at 08∶00 BT on 15 May 2018.Contours in(a)and(b)denote geopotential heights(unit:dagpm)at 500 hPa and sea level pressure(unit:hPa),respectively.

15日08時(shí)，700 hPa低渦位于河套地區(qū)，陜西北部到河北南部有一西南風(fēng)與東南風(fēng)形成的暖切變線，河南北部、河北中南部、山東中西部有溫度露點(diǎn)差(TTd)≥26℃且Td(邢臺(tái)站)低至-15℃的干區(qū)。850 hPa晉南、冀南—魯西和豫西南—川東北分別有一西南風(fēng)與東南風(fēng)形成的暖式切變線，20℃暖中心位于晉東南、冀南到豫北一帶，豫中北、魯西、冀南、晉南、陜南為850 hPa與500 hPa溫差(ΔT850-500)達(dá)27℃的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，晉南、冀中南、河南大部、山東為T-Td≤2℃且Td(鄭州站)達(dá)18℃的高濕區(qū)，12 m·s-1以上西南低空急流位于廣西中部經(jīng)湖南中部、湖北東部、河南東部到山東西部，濮陽處于低空急流軸西側(cè)。925 hPa上，冀南到豫西有一西南偏南風(fēng)與東北偏北風(fēng)輻合線，廣西、湖南、湖北東部到河南東部為12 m·s-1以上西南偏南超低空急流控制，武漢偏南風(fēng)達(dá)20 m·s-1。

地面圖上(圖3b)，15日08時(shí)，東高西低形勢(shì)明顯，高、低壓之間的河北南部有一輻合線(L1)，豫東北位于L1東南部的東南氣流中。14時(shí)，受850 hPa暖切變輻合抬升和地面輻合線的觸發(fā)作用，河北南部先出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，河南北部京廣線以西地區(qū)出現(xiàn)雷陣雨，強(qiáng)對(duì)流天氣影響使氣溫下降3℃左右。由于對(duì)流天氣造成的冷池導(dǎo)致冷空氣擴(kuò)散南下，致使河南北部形成明顯的地面中尺度輻合線(L2)，位于L2東側(cè)的豫東北東南風(fēng)增大了2 m·s-1，露點(diǎn)溫度達(dá)25℃且高于周邊地區(qū)，為顯著高濕區(qū)，氣溫明顯高于上游地區(qū)，豫東北高溫高濕環(huán)境有利中尺度系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，由于500 hPa冷中心略超前于低渦中心，降溫中心位于槽前，隨500 hPa低槽、冷渦東移，有弱冷空氣向低層入侵，致使997.5 hPa等壓線呈“S型”，河北中南部到山西南部為東北—西南向弱高壓脊，河南北部到山東西北部出現(xiàn)氣旋性環(huán)流，豫北位于形似倒槽的氣壓場(chǎng)中，倒槽北部、西北部為偏北風(fēng)到西北風(fēng)，弱冷空氣擴(kuò)散，豫東北3 h變壓達(dá)-3 hPa以上，清豐站位于3 h負(fù)變壓中心(-3.9 hPa)，此時(shí)995.0 hPa中尺度低壓生成，豫東北氣旋性輻合加強(qiáng)，有利于對(duì)流發(fā)展。17時(shí)，隨著系統(tǒng)東移南壓，有一輻合線(L3)位于濮陽地區(qū)東部臺(tái)前經(jīng)濮陽縣到安陽地區(qū)南部滑縣一線，繼續(xù)影響濮陽地區(qū)南部和東部。由于地面輻合線東西兩側(cè)風(fēng)力接近，使得輻合線移動(dòng)緩慢，輻合線北側(cè)的河北中南部中低層弱冷空氣擴(kuò)散，導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，為強(qiáng)降水提供了動(dòng)力條件，地面輻合加強(qiáng)觸發(fā)豫東北對(duì)流性強(qiáng)降水并使之不斷增強(qiáng)。

上述分析表明，強(qiáng)降水開始前，副高西側(cè)西南急流輸送、對(duì)流層中低層短波槽影響、副高加強(qiáng)北抬、低空急流加強(qiáng)發(fā)展及北上、200 hPa高空強(qiáng)輻散等天氣系統(tǒng)合理配置，為“5·15”暴雨的發(fā)生提供了十分有利的天氣尺度背景條件。從雨區(qū)與高低空天氣系統(tǒng)配置看，強(qiáng)降雨主要發(fā)生在925 hPa切變線附近，雨區(qū)分布在850 hPa切變線以南、925 hPa切變線以東及超低空急流以西、地面氣旋性輻合中心東南側(cè)、地面3 h負(fù)變壓大值區(qū)內(nèi)(圖3b)。

3 環(huán)境條件分析

5月份豫東北發(fā)生如此強(qiáng)的對(duì)流性降水，有著怎樣的對(duì)流發(fā)展環(huán)境條件值得探討。下文利用有關(guān)物理診斷量、訂正后的探空及NCEP再分析資料，分析5月15日豫東北上空水汽變化、大氣不穩(wěn)定狀況及垂直運(yùn)動(dòng)等環(huán)境條件。

3.1 水汽條件

3.1.1 超低空水汽輸送與強(qiáng)輻合

925 hPa水汽通量和水汽通量散度圖顯示，5月15日08時(shí)(圖4a)，與925 hPa超低空偏南急流相伴有一寬廣的水汽輸送通道，有一27 g·s-1·cm-1·hPa-1的水汽通量大值中心位于湖北東部20 m·s-1的偏南風(fēng)區(qū)附近，豫東北水汽通量為7.5 g·s-1·cm-1·hPa-1；水汽通量散度圖上，-3×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1以上水汽輻合中心位于河南中北部，豫東北水汽通量散度為-2×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1左右。到20時(shí)(圖4b)，水汽通量大值中心北抬到河南南部，豫東北水汽通量增至11 g·s-1·cm-1·hPa-1左右；量值為-3×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的水汽輻合中心北抬至豫北到冀南，豫東北水汽輻合增強(qiáng)至-3.4×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1。這說明豫東北強(qiáng)降水開始前和降水期間，暴雨區(qū)及其上游地區(qū)低層有較強(qiáng)的水汽輸送及輻合，低層水汽通量和水汽通量散度均超出河南盛夏暴雨發(fā)生時(shí)7 g·s-1·cm-1·hPa-1和-1×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的閾值(《河南省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)》編寫組，2017)。

圖4 2018年5月15日08時(shí)(a)、20時(shí)(b)925 hPa水汽通量(填色，單位:g·s-1·cm-1·hPa-1)和水汽通量散度(等值線，單位:10-8g·s-1·cm-2·hPa-1)疊加圖(白色圓點(diǎn)為濮陽大暴雨中心)Fig.4 Superposition of water vapor flux(color-filled areas,unit:g·s-1·cm-1·hPa-1)and water vapor flux divergence(contours,unit:10-8 g·s-1·cm-2·hPa-1)at 925 hPa at(a)08∶00 BT and(b)20∶00 BT on 15 May 2018.White dots mark the rainstorm centers in Puyang City.

3.1.2 豫東北水汽含量大

近地層和低層(925—850 hPa)是水汽集聚層，其水汽充沛且水汽輻合明顯的區(qū)域通常對(duì)應(yīng)暴雨或大暴雨落區(qū)。5月15日08時(shí)比濕場(chǎng)(圖略)顯示，距離濮陽最近的鄭州探空站，其850 hPa和925 hPa比濕分別高達(dá)15 g·㎏-1和16 g·㎏-1，20時(shí)比濕分別增至16 g·㎏-1和17 g·㎏-1，均超出河南盛夏發(fā)生暴雨和大暴雨時(shí)12 g·㎏-1和14 g·㎏-1的850 hPa比濕閾值(《河南省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)》編寫組，2017)。結(jié)合圖3a可知，較大水汽含量表明暴雨區(qū)低層暖濕平流較強(qiáng)，增溫增濕明顯，為豫東北大暴雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽條件。

3.2 不穩(wěn)定條件

“5.15”豫東北大暴雨具有明顯的對(duì)流性特征，下文利用08時(shí)鄭州探空以及用濮陽14時(shí)氣壓、溫度、露點(diǎn)訂正的08時(shí)鄭州站探空資料分析大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件。從15日08時(shí)鄭州站探空T-ln p圖(圖5)可見：700 hPa層較干(T-Td為13℃)，850 hPa以下層較濕(T-Td≤3℃)，這種上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)有利于短時(shí)強(qiáng)降水和強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生；925—850 hPa風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，風(fēng)速快速增大，低層暖平流較強(qiáng)，850—500 hPa風(fēng)隨高度略微逆轉(zhuǎn)，中低層有弱的干冷空氣侵入，200 hPa西南風(fēng)速達(dá)38 m·s-1，高空急流強(qiáng)輻散引起的抽吸效應(yīng)有利于加強(qiáng)低層輻合上升運(yùn)動(dòng)；中低層風(fēng)垂直切變大，有利于形成雷暴大風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣(此次過程中濮陽局地出現(xiàn)8級(jí)以上短時(shí)大風(fēng))；0℃層高度為4.6 km，春季出現(xiàn)如此高的0℃層表明暖云層深厚，有利于發(fā)生高效率強(qiáng)降水。

圖5 2018年5月15日08時(shí)鄭州探空曲線(圖中綠色斜線為用14時(shí)濮陽地面氣壓、氣溫和露點(diǎn)溫度訂正的對(duì)流有效位能，單位:J·kg-1)Fig.5 Sounding chart at Zhengzhou station at 08∶00 BT on 15 May 2018.The green short-line shaded area is convective available potential energy(unit:J·kg-1)corrected by the pressure,temperature and dew-point temperature in the surface layer at Puyang station at 14∶00 BT on 15 May 2018.

用濮陽站14時(shí)(強(qiáng)降水發(fā)生前1 h)的氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度訂正的鄭州08時(shí)探空見圖5，從中看到，訂正后的對(duì)流有效位能(CAPE)高達(dá)4 623 J·kg-1，氣團(tuán)內(nèi)部具有很強(qiáng)的濕對(duì)流不穩(wěn)定能量。K指數(shù)、沙氏指數(shù)(SI)和抬升指數(shù)(LI)分別為32℃、-5.5℃和-9.7℃，850 hPa與500 hPa溫差(ΔT850-500)達(dá)26℃，850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫差(Δθse850-500)約為22℃，以上對(duì)流參數(shù)表明豫北上空大氣層結(jié)極不穩(wěn)定。這樣的層結(jié)條件下，只需弱的干冷空氣侵入，就能觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生對(duì)流性強(qiáng)降水。

綜上可知，CAPE偏高達(dá)4 623 J·kg-1，SI為-5.5℃，LI達(dá)-9.7℃，均超出了河南盛夏產(chǎn)生100 mm以上大暴雨時(shí)CAPE≥1 000 J·kg-1、SI≤0℃、LI≤-2℃的閾值(《河南省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)》編寫組，2017)，較強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定為對(duì)流性高效率強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了極為有利的環(huán)境條件。

3.3 動(dòng)力條件

從5月15日不同時(shí)刻過濮陽暴雨中心附近沿115°E所作的垂直速度經(jīng)向剖面圖上可見，08時(shí)(圖略)，在34°N附近(河南中部)720 hPa存在-1.0 Pa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)中心。14時(shí)(圖6a)，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)向北擴(kuò)展到35°N，其中心高度降至860 hPa，濮陽西部由上一時(shí)次的下沉運(yùn)動(dòng)(0.15 Pa·s-1)轉(zhuǎn)為此時(shí)的上升運(yùn)動(dòng)(-0.15 Pa·s-1)，上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)。20時(shí)(圖6b)，上升運(yùn)動(dòng)中心高度繼續(xù)下降至900 hPa，其強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)(-0.75 Pa·s-1)，其范圍向北擴(kuò)展到36°N，上升運(yùn)動(dòng)中心正好位于暴雨區(qū)上空，同時(shí)600 hPa為下沉運(yùn)動(dòng)中心(0.3 Pa·s-1)，下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)向下伸展到700 hPa以下，降水強(qiáng)度開始減弱。14—20時(shí)上升運(yùn)動(dòng)中心增強(qiáng)北上的過程中，水汽隨南方暖濕氣流輸送到豫東北上空，使?jié)駥雍穸仍龃?，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，造成豫東北強(qiáng)降水，這在以往河南暴雨天氣分析中也得到了證實(shí)(趙培娟等，2009)。

圖6 2018年5月15日14時(shí)(a)和20時(shí)(b)過濮陽暴雨中心附近沿115°E的垂直速度(單位:Pa·s-1)經(jīng)向剖面圖(黑三角為豫東北濮陽市位置)Fig.6 Meridional cross section of vertical velocity(unit:Pa·s-1)across the rainstorm center near Puyang along 115°E at 14∶00 BT on 15 May 2018.Black triangle marks Puyangin the northeast Henan.

4 暴雨中尺度特征分析

通過衛(wèi)星云圖和雷達(dá)產(chǎn)品可以直觀地看到在各種天氣系統(tǒng)下產(chǎn)生的云系和回波及其演變，同時(shí)也可幫助識(shí)別云系和回波對(duì)應(yīng)的天氣系統(tǒng)。下文利用FY-4A紅外云圖和濮陽雷達(dá)站基本反射率資料，并結(jié)合國家站和區(qū)域站逐小時(shí)降水資料，針對(duì)豫東北濮陽暴雨中心，綜合分析此次大暴雨過程的中尺度系統(tǒng)變化特征。鑒于強(qiáng)降水主要集中在15日15—21時(shí)，下文重點(diǎn)分析此時(shí)段對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)、雷達(dá)回波演變與強(qiáng)降水的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.1 中尺度對(duì)流云團(tuán)演變特征

2018年5月15日，在500 hPa槽前、850 hPa切變線以南、925 hPa切變線以東及超低空西南急流以西形成西南氣流強(qiáng)輻合區(qū)，受暖濕氣流輻合抬升、弱冷空氣擴(kuò)散、低層切變線和地面輻合線的影響，高溫高濕環(huán)境下的河南北部不斷有對(duì)流云單體初生并發(fā)展，對(duì)流云單體在高空西南氣流的引導(dǎo)下沿925 hPa切變線東北移，并在濮陽地區(qū)強(qiáng)烈發(fā)展形成兩個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)，15—21時(shí)其先后影響濮陽，造成濮陽中部大暴雨。

從FY-4A紅外云圖與國家站地面1 h風(fēng)場(chǎng)疊加圖上可見(圖7)，此次強(qiáng)降水開始前，隨著500 hPa低槽、冷渦東移，15日03時(shí)(圖略)起河北南部地面持續(xù)出現(xiàn)小于2 m·s-1的偏北風(fēng)，有弱冷空氣擴(kuò)散。對(duì)流層中層槽前與副高西側(cè)西南氣流疊加區(qū)西南急流發(fā)展，低空急流發(fā)展加強(qiáng)及北上，河南北部不斷激發(fā)生成對(duì)流云單體。14時(shí)(圖7a)，受850 hPa暖切變線輻合抬升及地面輻合線(圖3b中L1)觸發(fā)，河北南部有對(duì)流云團(tuán)發(fā)展并產(chǎn)生雷暴大風(fēng)，對(duì)流產(chǎn)生的冷池出流在河南北部與暖濕氣流相互作用形成一條東北—西南向中尺度輻合線，地面風(fēng)場(chǎng)顯示輻合線位于內(nèi)黃、滑縣到原陽一帶(見圖3b中L2)，L2兩側(cè)最大風(fēng)速增至6 m·s-1，風(fēng)向相反，清豐附近伴有中尺度低壓產(chǎn)生，氣旋性輻合加強(qiáng)促使對(duì)流發(fā)展。L2西側(cè)有對(duì)流云團(tuán)C1生成，C1北端對(duì)流旺盛并逐漸發(fā)展為中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)。

圖7 2018年5月15日14∶00(a)、15∶00(b)、16∶00(c)、17∶00(d)、19∶00(e)、20∶00(f)疊加地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)的FY-4A紅外云圖(C1、C2表示對(duì)流云團(tuán)；黑色虛線表示地面中尺度輻合線)Fig.7 FY-2E infrared images superimposed ground wind field(wind barb)at(a)14∶00 BT,(b)15∶00 BT,(c)16∶00 BT,(d)17∶00 BT,(e)19∶00 BT and(f)20∶00 BT on 15 May 2018.Symbols“C1”and“C2”denote convective cloud clusters,and black dashed lines with forks denote surface mesoscale convergence lines.

15時(shí)(圖7b)，L2東移至清豐、濮陽、滑縣東到原陽，其西側(cè)的清豐站由6 m·s-1東南風(fēng)轉(zhuǎn)為8 m·s-1西北風(fēng)，濮陽站由4 m·s-1南西南風(fēng)轉(zhuǎn)為4 m·s-1西北風(fēng)，東側(cè)的南樂站東南風(fēng)由2 m·s-1增至6 m·s-1，兩側(cè)風(fēng)速增大導(dǎo)致輻合上升加強(qiáng)，使得水汽輻合增強(qiáng)。C1明顯加強(qiáng)，其南端可見對(duì)流云單體新生，其北端與河北南部的對(duì)流云團(tuán)合并，開始影響濮陽西北部，造成15時(shí)8站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，其中清豐縣食品園站最大小時(shí)雨量達(dá)48.2 mm。

16時(shí)(圖7c)，L2東北段形成偏北風(fēng)與偏東風(fēng)輻合區(qū)并東移南壓，西南段為東北風(fēng)與西南風(fēng)形成的輻合區(qū)并東移北抬，斜跨濮陽中部并位于范縣、濮陽、滑縣到衛(wèi)輝一帶，其北側(cè)偏北風(fēng)減小為2 m·s-1。C1強(qiáng)度明顯增強(qiáng)、寬度變大，其北段云頂亮溫達(dá)到-64℃，發(fā)展為中尺度對(duì)流云帶，并影響濮陽北部和中部，造成16時(shí)14站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，其中南樂縣千口站最大小時(shí)雨量為54.0 mm、葡萄園站36.0 mm。

到17時(shí)(圖7d)，由于對(duì)流層中低層冷槽東移使得冷空氣向低層滲透，地面上濮陽東部臺(tái)前經(jīng)濮陽縣到安陽地區(qū)南部滑縣產(chǎn)生一輻合線(圖3b中的L3)，L3以北的濮陽中部地區(qū)偏北風(fēng)增大，清豐站由西北風(fēng)(2 m·s-1)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)(4 m·s-1)，邊界層動(dòng)力抬升作用明顯，在850 hPa切變線以南、925 hPa切變線以東高溫高濕區(qū)激發(fā)多個(gè)對(duì)流云單體，并沿925 hPa切變線向東北方向移動(dòng)，且在濮陽上空強(qiáng)烈發(fā)展后與C1合并，C1進(jìn)一步發(fā)展增強(qiáng)，東西向明顯增寬，云頂亮溫降至-66℃，演變成近圓形β中尺度對(duì)流云團(tuán)，其中鑲嵌有中尺度雨團(tuán)(1 h降水量＞10 mm，生命史≥3 h)，17—19時(shí)增強(qiáng)后的C1持續(xù)影響豫東北，造成17時(shí)濮陽中東部7站短時(shí)強(qiáng)降水(其中葡萄園站最大小時(shí)雨量48.2 mm)、18時(shí)18站短時(shí)強(qiáng)降水(其中六塔站最大小時(shí)雨量87.2 mm)和19時(shí)2站短時(shí)強(qiáng)降水(其中范縣顏村鋪站最大小時(shí)雨量36.2 mm)。19時(shí)后，C1逐漸移出濮陽。C1對(duì)濮陽地區(qū)的影響歷經(jīng)7 h，連續(xù)造成4 h的強(qiáng)降水，強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)在15∶30—16∶30和17∶00—18∶00，其演變與降水強(qiáng)弱變化相一致。

在C1形成、發(fā)展與移出濮陽的過程中，在18時(shí)(圖略)，新鄉(xiāng)東部有一對(duì)流云團(tuán)(C2)新生，伴有東南風(fēng)與東北風(fēng)輻合線，C2沿925 hPa切變線向東北方向移動(dòng)并快速發(fā)展。19時(shí)(圖7e)，C2東北移至衛(wèi)輝、淇縣到湯陰一帶，強(qiáng)度加強(qiáng)，范圍擴(kuò)大，發(fā)展為橢圓形對(duì)流云團(tuán)，地面輻合線位于內(nèi)黃、滑縣中部到延津一帶。20∶00(圖7f)，C2東移至內(nèi)黃到浚縣一帶，其前沿進(jìn)入濮陽西部，云頂亮溫為-60℃，加強(qiáng)為近圓形β中尺度對(duì)流系統(tǒng)。隨著天氣系統(tǒng)和急流軸東移，濮陽上空水汽輸送減弱，使得C2強(qiáng)度不如C1，且其東移中強(qiáng)度減弱也較快，C2東北移影響濮陽中南部地區(qū)，造成21時(shí)該地區(qū)11站短時(shí)強(qiáng)降水，濮陽城關(guān)站最大小時(shí)雨量34.3 mm。21時(shí)后(圖略)，C2主體減弱明顯，21：30移出濮陽。C2在濮陽歷經(jīng)1.5 h，其帶來的強(qiáng)降水集中在20∶10—20∶50，約40 min。

以上分析表明，在高溫高濕環(huán)境中，對(duì)流層中低層低槽東移向低層侵入弱冷空氣，低層切變線觸發(fā)及暖濕氣流抬升，豫北生成多個(gè)對(duì)流云單體，并沿著925 hPa切變線向東北移動(dòng)，在濮陽地區(qū)上空組織發(fā)展為中尺度對(duì)流云團(tuán)，造成豫東北地區(qū)產(chǎn)生對(duì)流性強(qiáng)降水，地面中尺度輻合線在短時(shí)強(qiáng)降水過程中起到了輻合抬升和加強(qiáng)作用。

4.2 雷達(dá)回波特征

從濮陽多普勒天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度演變看出，5月15日15—21時(shí)伴隨925 hPa切變線東側(cè)對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)，不斷有不規(guī)則的塊狀回波形成，其中有多個(gè)對(duì)流單體發(fā)展，隨其緩慢東移南壓，受高空西南引導(dǎo)氣流的影響，對(duì)流單體向東北方向移動(dòng)，依次通過濮陽中部形成“列車效應(yīng)”，造成濮陽中部大暴雨。

與上述對(duì)流云團(tuán)C1的形成與發(fā)展相對(duì)應(yīng)，15日14∶00(圖8a)，C1北端對(duì)流云塊前部有多個(gè)孤立的對(duì)流單體出現(xiàn)并排成一列，形成一條東北—西南向多單體風(fēng)暴回波線。15∶00(圖8b)，隨著C1南端明顯發(fā)展，上述回波線東移到南樂中東部、清豐西部、濮陽市區(qū)西側(cè)、內(nèi)黃東南部到滑縣東部一帶，對(duì)流單體有所增加，其中各單體首尾相連，中心強(qiáng)度達(dá)48 dBz，回波主體緩慢東移南壓的同時(shí)，由暖濕氣流抬升、925 hPa切變線和地面輻合線及邊界層弱冷空氣觸發(fā)的各對(duì)流單體，在高空西南氣流的引導(dǎo)下沿低層切變線向東北移動(dòng)。15∶30(圖略)，回波線東移至南樂東部、清豐中東部、濮陽市區(qū)、濮陽縣西北部到滑縣一帶，其前沿開始影響華龍區(qū)葡萄園、清豐縣六塔、濮陽縣城關(guān)等地。16∶00(圖8c)，隨著C1發(fā)展加強(qiáng)，與其前部溫度大梯度區(qū)對(duì)應(yīng)，回波線主體東移至清豐東部，濮陽市區(qū)中東部、濮陽縣北部到滑縣北中部一帶，48 dBz強(qiáng)回波面積明顯增大，此時(shí)葡萄園、六塔、城關(guān)等地受此多單體影響，其中葡萄園和六塔受同一單體影響，城關(guān)受另一單體影響；同時(shí)有兩個(gè)新生γ中尺度單體(T1和T2)分別在濮陽縣東部和滑縣東部出現(xiàn)并向東北移動(dòng)，于16∶18并入到上述回波線，T1與濮陽市區(qū)東部、清豐東南部回波合并加強(qiáng)，T2與濮陽縣西北部、市區(qū)中南部的回波合并加強(qiáng)，新單體使對(duì)流更加活躍，強(qiáng)回波逐漸向東擴(kuò)展，其強(qiáng)度普遍在40～45 dBz之間，中心強(qiáng)度達(dá)48 dBz以上，對(duì)應(yīng)濮陽中部降水明顯增強(qiáng)。16：18(圖略)，濮陽縣東部和滑縣東部又有兩個(gè)γ中尺度對(duì)流單體(T3和T4)新生發(fā)展。16∶30(圖略)，回波線仍位于清豐東部，濮陽市區(qū)、濮陽縣北部到滑縣一帶，但其東北段已進(jìn)入山東西部，濮陽中部強(qiáng)降水逐漸減弱。至此，上述回波線東北段對(duì)濮陽中部的影響已為10個(gè)體掃，其中葡萄園站有6個(gè)體掃強(qiáng)回波中心維持在40 dBz以上，葡萄園、六塔、城關(guān)15∶30—16∶30雨強(qiáng)分別為75.4、16.9、30.7 mm·h-1，葡萄園站10 min雨量極值達(dá)20.8 mm(16∶10—16∶20)。由于新鄉(xiāng)地區(qū)東部不斷有對(duì)流單體新生發(fā)展東北移，經(jīng)滑縣到濮陽縣西北部及濮陽市區(qū)西南部，致使上述回波線西南段穩(wěn)定在濮陽市區(qū)、濮陽縣西北部到滑縣中北部，與對(duì)C1不斷增強(qiáng)增寬相吻合。此時(shí)T3和T4繼續(xù)東北移，中心強(qiáng)度達(dá)48 dBz。

圖8 2018年5月15日14∶00(a)、15∶00(b)、16∶00(c)、17∶00(d)、20∶00(e)、20∶30(f)濮陽雷達(dá)1.5°仰角基本反射率因子(白色圓點(diǎn)為濮陽雷達(dá)站位置；D1、D2、D3分別表示葡萄園站、六塔站和濮陽城關(guān)站位置；T1—T4為對(duì)流單體，紅色圓圈為新生單體或發(fā)展并入位置)Fig.8 Basic reflectivity factor(unit:dBz)at 1.5°elevation angle from the Puyang radar at(a)14∶00 BT,(b)15∶00 BT,(c)16∶00 BT,(d)17∶00 BT,(e)20∶00 BT and(f)20∶30 BT on 15 May 2018.White dot marks Puyang radar station.Symbols D1,D2 and D3 denote the stations of Putaoyuan,Liuta and Puyang Chengguan,respectively.Symbols T1,T2,T3 and T4 denote convective cells.Red circles denote new cell or its merging location.

到17∶00(圖8d)，隨著C1繼續(xù)增強(qiáng)增寬發(fā)展為MCS，T3、T4隨之發(fā)展加強(qiáng)東北移，再次與上述回波線系統(tǒng)合并而使之加強(qiáng)，與T1、T2并入位置相近，葡萄園、六塔、城關(guān)等地再次受強(qiáng)回波影響，葡萄園和六塔為同一單體影響，城關(guān)受另一單體影響，增強(qiáng)后的對(duì)流單體再次影響同一地區(qū)形成“列車效應(yīng)”，造成濮陽中部大暴雨，同時(shí)局地伴有短時(shí)雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。17：30(圖略)，回波線東北移，影響清豐東部、濮陽市區(qū)、濮陽縣西北部，其中心強(qiáng)度達(dá)48 dBz。18：00(圖略)，多單體強(qiáng)回波主體東移出濮陽市區(qū)，市區(qū)各站降水減弱。此合并加強(qiáng)后的回波線也影響濮陽中部10個(gè)體掃，17∶00—18∶00葡萄園、六塔、城關(guān)雨強(qiáng)分別達(dá)32.1、87.2、36.0 mm·h-1，六塔站10 min雨量極值達(dá)21.7 mm(17∶10—17∶20)。另在18時(shí)新鄉(xiāng)東部有一γ中尺度單體(T5)發(fā)展東北移。

20∶00(圖8e)，T5發(fā)展并東北移形成一帶狀對(duì)流多單體風(fēng)暴系統(tǒng)，位于中尺度對(duì)流云團(tuán)C2前的溫度大梯度區(qū)，即清豐西南部、濮陽市區(qū)西部、內(nèi)黃南部、滑縣東部到長垣北部一帶，內(nèi)黃南部對(duì)流旺盛，強(qiáng)回波中心達(dá)50 dBz以上。20∶30(圖8f)，鑲嵌在C2中的多單體回波主體發(fā)展為倒三角形塊狀回波，在東移過程中向北擴(kuò)展，≥48 dBz強(qiáng)回波區(qū)面積增大，濮陽中部地區(qū)再次出現(xiàn)強(qiáng)降水，此時(shí)葡萄園、六塔、城關(guān)雨強(qiáng)分別達(dá)18.6、4.6、34.3 mm·h-1。21時(shí)后，強(qiáng)回波繼續(xù)向東北移動(dòng)，其強(qiáng)度逐漸減弱，強(qiáng)中心移出濮陽中部，濮陽強(qiáng)降水隨之減弱停止。由于C2東移中有所減弱，鑲嵌其中的后一帶狀對(duì)流多單體風(fēng)暴東移中回波強(qiáng)度也相應(yīng)減弱，對(duì)濮陽影響時(shí)間相對(duì)較短，造成的強(qiáng)降水弱于前一多單體風(fēng)暴回波線，帶狀對(duì)流多單體風(fēng)暴對(duì)濮陽市中部影響為10個(gè)體掃，因該其回波主體偏南，濮陽縣受其影響較明顯，城關(guān)站10 min雨量極值為14.2 mm。

綜上分析表明，在伴有中尺度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)的背景下，豫北多地不斷有γ中尺度對(duì)流單體生成，其東移中加強(qiáng)并在豫東北發(fā)展形成線(帶)狀多單體風(fēng)暴，多個(gè)對(duì)流單體沿相同路徑影響同一區(qū)域形成“列車效應(yīng)”；另外，上游地區(qū)新生的對(duì)流單體在西南氣流引導(dǎo)下向東北方向移動(dòng)，新的對(duì)流單體在舊單體的右后方生成，回波單體存在明顯的后向傳播特征。

5 結(jié)論與討論

本文使用多種常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測(cè)資料，分析了“5·15”暴雨過程的環(huán)境條件與中尺度特征，揭示一些重要的事實(shí)，主要得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)副高西側(cè)西南急流輸送、對(duì)流層中層短波槽影響、低空急流加強(qiáng)發(fā)展及北上、高空強(qiáng)輻散等天氣系統(tǒng)合理配置，是這次暴雨過程發(fā)生的有利環(huán)流背景。強(qiáng)盛的低空急流為暴雨的形成提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量。弱冷空氣擴(kuò)散、低層切變線觸發(fā)、地面中尺度輻合線和暖濕氣流抬升是暴雨形成的動(dòng)力機(jī)制。

(2)925 hPa豫東北水汽通量和水汽通量散度分別達(dá)到11 g·s-1·cm-1·hPa-1和-3.4×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1，比濕超過15 g·㎏-1，訂正后的CAPE值偏高達(dá)4 623 J·kg-1，均超出河南暴雨發(fā)生的物理量閾值。超低空水汽輸送與強(qiáng)輻合、較大水汽含量及上干冷、下暖濕極不穩(wěn)定對(duì)流層結(jié)為對(duì)流性高效率強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了極為有利的環(huán)境條件。

(3)強(qiáng)降水主要由兩個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展造成，暴雨區(qū)上空β中尺度對(duì)流系統(tǒng)維持或移入是強(qiáng)降水能夠維持較長時(shí)間的重要原因。

(4)與中尺度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)對(duì)應(yīng)，豫北多地不斷有γ中尺度對(duì)流單體生成，其東移中加強(qiáng)并在豫東北發(fā)展形成線(帶)狀多單體風(fēng)暴，多個(gè)對(duì)流單體沿相同路徑影響同一區(qū)域形成“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致此次豫東北局地大暴雨；上游地區(qū)新生的對(duì)流單體在西南氣流引導(dǎo)下向東北移動(dòng)，新對(duì)流單體在舊單體右后方生成，回波單體存在明顯的后向傳播特征。

“5.15”暴雨過程的對(duì)流性降水特征明顯，高效率強(qiáng)降雨發(fā)生在異常強(qiáng)的水汽輸送及輻合且較強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定的有利環(huán)境條件下，使得EC等多家全球模式對(duì)這次大暴雨過程預(yù)報(bào)失敗。可見，對(duì)中尺度特征明顯的對(duì)流性降水，全球模式對(duì)其降水量級(jí)的預(yù)報(bào)存在偏差，預(yù)報(bào)員不應(yīng)過度依賴數(shù)值模式產(chǎn)品，需要結(jié)合當(dāng)?shù)販貪駰l件和探空訂正提供的環(huán)境條件等進(jìn)行綜合分析判斷，在全球模式預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上對(duì)可能觸發(fā)的對(duì)流性暴雨進(jìn)行主觀訂正。下一步將篩選出豫東北乃至河南省內(nèi)若干春季大暴雨個(gè)例，加強(qiáng)對(duì)全球模式數(shù)值產(chǎn)品的釋用研究。