2016年赤峰市一次暴雨天氣診斷分析

晉亮亮

(赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

暴雨是赤峰市夏季主要?dú)庀鬄?zāi)害，局部暴雨常常導(dǎo)致洪水的爆發(fā)。赤峰市多丘陵山地，植被稀疏，對(duì)暴雨災(zāi)害的抵御能力較低，一旦發(fā)生常給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失[1]。2016年受超強(qiáng)厄爾尼諾的影響，我國(guó)南方地區(qū)遭受18輪強(qiáng)降水侵襲，多地降水突破歷史極值。在這樣的氣候背景下，2016年7月20日，受華北氣旋影響，赤峰市南部出現(xiàn)暴雨，局部大暴雨天氣，5個(gè)站日降水量突破極端閾值。而赤峰市對(duì)華北氣旋造成暴雨天氣研究較少，通過(guò)筆者研究提煉出物理量指標(biāo)，提高赤峰市對(duì)暴雨災(zāi)害的預(yù)報(bào)服務(wù)能力。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

資料來(lái)源于逐小時(shí)自動(dòng)站降水資料、雷達(dá)及NCEP FNL ( National Centers for Environmental Prediction，Global Final Analysis)全球1°×1°再分析資料( 時(shí)間分辨率為6 h)。

1.2 降水實(shí)況

受華北氣旋影響，7月20日—21日赤峰市出現(xiàn)2016年入夏以來(lái)最強(qiáng)降水天氣過(guò)程(見(jiàn)圖1)，此次降水過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、降水量大。全市普降大暴雨，南部及東北部出現(xiàn)區(qū)域性暴雨，局部降下大暴雨。全市(263個(gè)自動(dòng)站)共出現(xiàn)大暴雨23個(gè)站，暴雨103站。最大降水量出現(xiàn)在寧城縣八素臺(tái)河王營(yíng)子站，為209.8 mm。

圖1 7月20日07時(shí)—22日7時(shí)赤峰市降水量

2 大氣環(huán)流特點(diǎn)與主要影響系統(tǒng)分析

中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展與天氣形勢(shì)密切相關(guān)[2]。500 hPa 天氣圖上，7月18日08時(shí)—21日20時(shí)，500 hPa亞歐大陸中高緯呈“兩脊一槽”形勢(shì)，烏拉爾山地區(qū)有阻塞高壓存在，貝加爾湖北側(cè)為一穩(wěn)定低槽，在160°E堪察加半島上空為東側(cè)阻高。在中緯度，青藏高原東側(cè)存在低槽，上游巴爾喀什湖有穩(wěn)定低渦存在，高原東側(cè)低槽在東移過(guò)程中，由于上下游高壓脊的發(fā)展，低槽在20日02時(shí)華北平原南側(cè)形成切斷低渦。此時(shí)，副熱帶高壓呈經(jīng)向型塊狀，北側(cè)脊線伸向我國(guó)東北地區(qū)，與切斷低渦形成“東高西低”形勢(shì)。20日20時(shí)(見(jiàn)圖2a)低渦在華北南部穩(wěn)定少動(dòng)，赤峰市位于切斷低渦的第一象限，副高584線外圍。

(a)500 hPa形勢(shì)場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng) (b)200 hPa風(fēng)場(chǎng)、等風(fēng)速線

700 hPa上，19日20時(shí)低槽發(fā)展形成一個(gè)閉合的低渦，在引導(dǎo)氣流的作用下向北緩慢移動(dòng)，低渦西南部氣流加強(qiáng)，最大可達(dá)22 m/s。20日20時(shí)，低渦移至華北中南部地區(qū)，伴隨的暖式切變線和低空急流北抬，赤峰市南部位于急流軸出口區(qū)的左側(cè)，存在氣旋性切變，產(chǎn)生強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)。除了偏南風(fēng)急流，在渤海也存在著一支東南風(fēng)急流，兩支急流在赤峰市南部匯合，水汽和能量在此處富集，為降水提供了充足的水汽條件。

850 hPa與700 hPa相似，19日20時(shí)低渦生成后，緩慢北移加強(qiáng)，右側(cè)氣流加強(qiáng)。20日20時(shí)，低渦位于華北南部，暖式切變線位于赤峰市南部上空，偏南風(fēng)急流和東南急流將南方暖濕氣流和近海水汽向降水區(qū)域輸送，為這次暴雨提供了充足的水汽。

由200 hPa高空?qǐng)D也可以看到，20日20時(shí)(見(jiàn)圖2b)，青藏高壓和我國(guó)東海上空的反氣旋形成對(duì)峙，在華北中部形成弱風(fēng)區(qū)，有利于低層低渦在此處停滯，為降水提供較長(zhǎng)的時(shí)間，另外，赤峰南部地區(qū)位于高空急流入口區(qū)的右側(cè)，為次級(jí)環(huán)流的上升支，為強(qiáng)的風(fēng)向和風(fēng)速的輻散區(qū)。與低空急流相互配合，造成了高空輻散低空輻合的環(huán)流形勢(shì)，在赤峰南部地區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。為此次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件。

綜上，在高低空環(huán)流場(chǎng)有利的配合下，無(wú)論是動(dòng)力還是熱力方面，均為這次暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了非常有利的條件。

3 假相當(dāng)位溫分析

利用NCEP再分析資料對(duì)“7.20”赤峰暴雨過(guò)程的水汽和穩(wěn)定度進(jìn)行分析。假相當(dāng)位溫(θse)是表示溫濕特征的物理量，在暴雨分析中得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。分析850 hPaθse與風(fēng)場(chǎng)疊加圖發(fā)現(xiàn)，在暴雨過(guò)程開(kāi)始前20日20時(shí)(見(jiàn)圖3a)，赤峰中北部地區(qū)為θse低值區(qū)，京津冀地區(qū)為θse高值區(qū)，在河北東北部出現(xiàn)Ω系統(tǒng)，赤峰南部位于Ω系統(tǒng)的頂部，等θse線密集區(qū)北側(cè)，對(duì)應(yīng)850 hPa 切變線，開(kāi)始有陣雨發(fā)生。21日02時(shí)(見(jiàn)圖3b)，隨著暖濕空氣北推，河北東北部θse高值區(qū)向北移，較強(qiáng)的低空西南急流和東南急流將南方和近海的水汽和能量不斷向北輸送，導(dǎo)致赤峰南部地區(qū)位于θse大于346 K的高能區(qū)內(nèi)。因此，在赤峰南部形成一條明顯的東西向θse能量鋒區(qū)。21日02時(shí)，沿119°E作假相當(dāng)位溫、風(fēng)場(chǎng)的剖面，從圖3上可以看出，由于暴雨的出現(xiàn)，空氣中飽和的水汽凝結(jié)，釋放大量潛熱，導(dǎo)致假相當(dāng)位溫突然增大，從而出現(xiàn)下凹的現(xiàn)象，并出現(xiàn)假相當(dāng)位溫等值線陡峭且密集區(qū)。此時(shí)赤峰市南部出現(xiàn)區(qū)域性降水，20日20時(shí)—21日02時(shí)，南部地區(qū)有14個(gè)區(qū)域自動(dòng)站降水量超過(guò)50 mm，最大降水量達(dá)到96.2 mm。

(a)2016年7月20日20時(shí)850 hPa風(fēng)場(chǎng)、假相當(dāng)位溫(K)

4 物理量場(chǎng)分析

4.1 水汽條件分析

暴雨的發(fā)生不但要有充沛的水汽，還要有源源不斷的水汽輸送和風(fēng)場(chǎng)輻合，通過(guò)分析此次暴雨天氣水汽輸送12 h前就開(kāi)始了。分析850 hPa水汽通量演變發(fā)現(xiàn)，此次暴雨開(kāi)始前，20日08時(shí)，赤峰南部的水汽通量為8 g·cm-1·hPa-1·s-1，而20日20時(shí)，水汽通量達(dá)到20 g·cm-1·hPa-1·s-1，此時(shí)南部降水開(kāi)始增強(qiáng)。到了21日02時(shí)(見(jiàn)圖4a)，水汽通量達(dá)到了此次降水過(guò)程的峰值，為25 g·cm-1·hPa-1·s-1，這也與降水增強(qiáng)時(shí)段相吻合。從水汽通量散度分析，20日08時(shí)-20日14時(shí)，赤峰沒(méi)有明顯的水汽輻合，降水僅在赤峰南部出現(xiàn)小量級(jí)的陣雨。而到20日20時(shí)，赤峰南部水汽通量散度為-60×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，降水強(qiáng)度明顯增大，小時(shí)雨強(qiáng)從5mm以下增大到10 mm以上。21日02時(shí)(圖4b)，赤峰南部水汽通量散度出現(xiàn)強(qiáng)中心，為-120×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，區(qū)域自動(dòng)站小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)20 mm。21日08時(shí)，水汽通量散度中心移至赤峰中部，強(qiáng)降水中心隨之北抬。至21日14時(shí)水汽通量散度明顯減弱，中心移至赤峰東北地區(qū)，赤峰南部降水趨于結(jié)束。由此可見(jiàn)，水汽輻合強(qiáng)度與暴雨區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(a)水汽通量(g·cm-1·hPa-1·s-1)

4.2 動(dòng)力條件分析

從7月20日20時(shí)渦度沿119°E經(jīng)線剖面圖上可以看到，在900 hPa～800 hPa之間赤峰南部處在-16×10-5s-1正渦度中心，正渦度區(qū)域延伸到500 hPa，500 hPa以上轉(zhuǎn)為負(fù)渦度；到21日02時(shí)大的正渦度中心北移到赤峰市中部，正渦度中心仍為16×10-5s-1，同時(shí)可以看出，正渦度在傾斜方向有所發(fā)展，43°N上空400 hPa處出現(xiàn)4×10-5s-1的正渦度中心，表明正渦度的垂直層次并不深厚，但是低層正渦度維持時(shí)間較長(zhǎng)。

從20日20時(shí)散度沿119°E經(jīng)線剖面圖上可以分析出，在該時(shí)次出現(xiàn)正渦度中心的緯度上，有輻合中心存在，散度達(dá)到-16×10-5s-1；在600 hPa～500 hPa之間和300 hPa～200 hPa各存在兩個(gè)輻散中心，散度中心強(qiáng)度分別達(dá)到8×10-5s-1和12×10-5s-1，300 hPa～200 hPa的輻散中心正是對(duì)應(yīng)200 hPa高空急流入口區(qū)的右側(cè)。21日02時(shí)，低層輻合中心北抬，在900 hPa存在輻合中心，強(qiáng)度達(dá)-10×10-5s-1，700 hPa～500 hPa的對(duì)流層中層輻合輻散并不明顯，500 hPa～100 hPa為輻散，中心位于200 hPa，散度為5×10-5s-1。這種低層輻合高層輻散的結(jié)構(gòu)，有利加大上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)觸發(fā)中尺度對(duì)流和暴雨的產(chǎn)生提供了有利條件。

從20日20時(shí)垂直速度經(jīng)向剖面圖上可看到，赤峰南部處于最大上升速度中心，上升速度在800hPa達(dá)到-4Pa·s-1，在其北側(cè)的41°N附近有一-3 Pa·s-1上升中心，43°N以北為下沉區(qū)。21日02時(shí)，最大上升速度中心北抬，強(qiáng)度維持在-4 Pa·s-1，而北側(cè)仍為下沉區(qū)。這種分布形成的反饋機(jī)制加強(qiáng)和維持了垂直上升運(yùn)動(dòng)。中低層輻合上升，水汽凝結(jié)釋放的潛熱又成為驅(qū)動(dòng)大尺度擾動(dòng)所需要的能量，中小尺度系統(tǒng)和大尺度流場(chǎng)的相互作用，加強(qiáng)和維持了暴雨對(duì)流系統(tǒng)。但是， 正渦度中心、輻合中心及上升速度中心都集中在700 hPa，甚至800 hPa以下，導(dǎo)致小時(shí)雨強(qiáng)不大，而系統(tǒng)維持時(shí)間較長(zhǎng)，使赤峰南部出現(xiàn)大范圍暴雨、局地大暴雨天氣。

5 雷達(dá)資料特征

從7月20日19時(shí)—22時(shí)基本反射率可以看出，降水回波以混合型回波為主，最強(qiáng)反射率因子為44 dBZ；一直有高反射率因子反復(fù)經(jīng)過(guò)赤峰南部，形成“列車效應(yīng)”，造成南部地區(qū)的強(qiáng)降水。從基本徑向速度圖可以看出，零等速度線呈“S”形，說(shuō)明有暖平流；在低層2 km處，有對(duì)稱牛眼結(jié)構(gòu)，指向西北方向，入流和出流速度都達(dá)到23 m/s，說(shuō)明低層有東南風(fēng)急流形成，急流的建立與維持，有利于水汽和能量向赤峰南部輸送，為強(qiáng)降水提供有利條件；在高層為一致的西南風(fēng)，并且出現(xiàn)了速度模糊，入流速度達(dá)到了31 m/s，出流速度達(dá)到了42 m/s，強(qiáng)的中層西南急流，有利于系統(tǒng)性上升氣流的維持，對(duì)中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有利。從基本反射率剖面可以看出，降水回波的厚度不大，基本在6 km左右，但是質(zhì)心較低，仍然有較高的降水效率。

6 結(jié)論

①200 hPa青藏高壓與東海氣旋形成對(duì)峙，使500 hPa切斷低渦在華北南部停滯；而切斷低渦與西太平洋副熱帶高壓，形成“東高西低”的形勢(shì)，這是形成此次暴雨天氣的大尺度形勢(shì)。偏南急流和東南急流的建立和維持，有利將南方的水汽和能量向降水區(qū)域輸送，為強(qiáng)降水的發(fā)生和維持提供必要條件。②暖濕切變線和能量峰的北抬是本次降水的觸發(fā)條件，而降水的發(fā)生，釋放潛熱，有使能量鋒維持，降水得以持續(xù)。③暴雨出現(xiàn)在高空急流入口區(qū)右側(cè)，低空急流出口區(qū)的左側(cè)，并與水汽通量高值區(qū)對(duì)應(yīng)，也與輻合區(qū)和上升速度大值區(qū)相吻合。④反射率因子大值區(qū)反復(fù)在赤峰南部出現(xiàn)，形成列車效應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)降水的出現(xiàn)；降水回波低質(zhì)心也是出現(xiàn)強(qiáng)降水的另一個(gè)原因。