保定市一次暴雨天氣過程診斷分析

張思涵 (河北省定州市氣象局，河北定州 071000)

暴雨是華北地區(qū)主要氣象災害之一，常造成山體滑坡、道路沖毀、電力設(shè)施受損、房屋倒塌、村莊和農(nóng)田被淹等災害，嚴重威脅人民群眾的生命安全和生產(chǎn)生活。因此對其產(chǎn)生機制、診斷和預報等方面的研究一直是熱點問題。研究發(fā)現(xiàn)，副熱帶高壓西北側(cè)極易引發(fā)暴雨天氣，高低空系統(tǒng)的配置與高空急流的位置會直接影響降水強度及落區(qū)；豐曉君等認為，強且寬的假相當位溫能量鋒區(qū)是大連莊河地區(qū)產(chǎn)生大暴雨的必然因素。于德華等主要從動力因素和水汽條件對唐山、大連的暴雨天氣過程進行了診斷分析。侯瑞欽等對2005年7月23日發(fā)生在河北地區(qū)的暴雨天氣過程進行了中尺度分析，結(jié)果表明，高層輻散、低層水汽輻合為暴雨的發(fā)展和維持提供了充足的動力和能量條件。楊曉亮等對2007年7月18日發(fā)生在河北省的局地暴雨過程進行了研究，認為在相似天氣系統(tǒng)作用下河北不同地區(qū)暴雨的形成機制存在差異，高溫、高能和層結(jié)不穩(wěn)定等因素，加之地面冷鋒、鋒前低壓形成了較強的輻合抬升作用，進一步釋放不穩(wěn)定能量，導致了南部地區(qū)暴雨的發(fā)生；而河北東北部高、低空急流的耦合作用是強降水產(chǎn)生的主要原因。筆者針對2020年8月12—13日河北省保定市出現(xiàn)的一次暴雨天氣過程，從環(huán)流背景、物理量場等方面深入分析，探討此次強降水發(fā)生的環(huán)境場特征，從而進一步認識其成因，總結(jié)預報和服務(wù)經(jīng)驗，以期為今后暴雨預報提供思路和參考依據(jù)。

1 天氣實況

2020年8月12—13日，受副熱帶高壓外圍暖濕氣流和冷空氣的共同影響，保定全區(qū)出現(xiàn)降水天氣。全市平均降雨量51.4 mm，暴雨及以上降水主要分布在保定中東部地區(qū)，全市最大降水量137.8 mm，最大雨強72.3 mm/h。

2 環(huán)流背景分析

12日08：00，500 hPa亞洲中高緯為兩槽一脊型，高壓脊位于110°E附近，兩槽分別位于亞洲東部和烏拉爾山東部地區(qū)，且與冷中心對應，烏拉爾山高空冷渦分裂的冷空氣在河套北部形成一低槽，河北地區(qū)位于副熱帶高壓外圍584 dagpm線與588 dagpm線之間，此時保定地區(qū)受槽前西南急流影響。20：00，河套地區(qū)西風槽進一步東移影響保定，西風帶高壓脊與副熱帶高壓同位相疊加，高空槽東移緩慢，使得冷空氣在河套地區(qū)不斷堆積；同時副高外圍西南風大風速帶明顯加強，風速達14 m/s，冷暖空氣交匯形成明顯降水(圖1a)。

分析700 hPa形勢可知，12日08：00在河套北部形成一低渦，保定處于低渦前部，此時保定上空偏南急流維持在12 m/s左右。西南急流不僅為暴雨區(qū)保證了足夠的水汽供應，而且在河套地區(qū)與冷渦后部的偏北氣流形成冷切，促進了垂直上升運動的形成。20：00低渦加強并向東移動，切變線壓至保定西部，溫度槽與高度槽大體一致，此時保定地區(qū)的槽前偏南急流加強至14 m/s，為暴雨區(qū)帶來水汽和能量的同時也提供了較強的動力抬升力。

從850 hPa形勢上看，12日08：00在河北、河南交界有暖切形成，此時風速較小。20：00，暖切北抬至河北中南部地區(qū)，與河套地區(qū)冷切形成“人”字形切變，進一步加強了西南暖濕氣流輸送；同時，保定中東部急流加強至16 m/s，急流出口區(qū)位于河北東南部至山東北部一帶(圖1b)，產(chǎn)生了較強的不穩(wěn)定層結(jié)，形成保定中東部地區(qū)的強降水。低空急流、低層輻合切變與300～200 hPa明顯的高層輻散區(qū)的抽吸作用相配合，為暴雨的產(chǎn)生提供了動力保障。

圖1 2020年8月12日20：00 500 hPa(a)和850 hPa(b)位勢高度場(單位：dagpm)、風場(單位：m/s)Fig.1 Geopotential height field(unit：dagpm)and wind field(unit：m/s)at 500 hPa(a)and 850 hPa(b)at 20：00 on August 12，2020

分析云圖(圖2)發(fā)現(xiàn)，12日08：00河北地區(qū)已受槽前云系影響，保定西部已出現(xiàn)降水，此時對流云團在河北南部地區(qū)生成；14：00，對流云團北抬至保定東部地區(qū)，開始出現(xiàn)強降水；20：00，對流云團移至保定東北部地區(qū)，保定東部強降水逐漸減弱；夜間，高空槽云系開始影響保定，保定西部開始出現(xiàn)強降水區(qū)。

圖2 2020年8月12日08：00(a)、14：00(b)、20：00(c)紅外云圖Fig.2 Infrared cloud image at 08：00(a)，14：00(b)，20：00(c)on August 12，2020

綜上可知，造成此次暴雨過程的主要影響系統(tǒng)為高空槽、高低空急流、低層切變線。高空槽后冷空氣不斷東移南壓，配合副熱帶高壓外圍的偏南暖濕氣流，以及850 hPa“人”字形切變，共同導致了此次暴雨的發(fā)生。同時，高低空急流對此次暴雨的形成有重要作用，低空急流帶來能量和暖濕氣流的輸送，而高空急流導致干冷空氣平流，進一步加強了大氣的不穩(wěn)定性。

3 物理量分析

水汽條件是形成降水的主要條件之一，其中暴雨區(qū)上空大氣含水量、水汽的輸送通道及其水汽的輻合輻散對降水的強度及降水量有重要影響。與風速輻合區(qū)相配合，降雨過程中伴有高比濕區(qū)自南向北移動，水汽平流較強。12日10：00，850 hPa有一濕舌延伸至華北地區(qū)(圖3a)，保定上空比濕達14 g/kg，具備暴雨所需的本地水汽條件。同時，由南向北輸送到暴雨區(qū)的水汽通量明顯增大。從700 hPa水汽通量分布情況看，08：00急流出口區(qū)位于河北、河南交界，此時水汽通量大值區(qū)尚未進入河北，保定地區(qū)水汽通量在10 g/(cm·hPa·s)以下；暴雨發(fā)生期間，南海有源源不斷的水汽從西南方向輸送到河北地區(qū)，11：00保定大部分地區(qū)水汽通量基本維持在12～14 g/(cm·hPa·s)(圖3b)，14：00保定東部水汽通量達最大，為16～18 g/(cm·hPa·s)，所以西南地區(qū)豐富的水汽輸送為此次保定中東部暴雨的發(fā)生提供了有利的水汽條件。

此外，水汽通量輻合反應對暴雨的落區(qū)有較好的指示意義。此次過程中水汽輻合發(fā)生在500 hPa以下中低層。從850 hPa水汽通量散度場看，08：00保定地區(qū)水汽通量散度為正值，13：00保定地區(qū)處在大片水汽輻合區(qū)中(圖3c)，中心值達-25×10g/(cm·hPa·s)，對應中東部強降水。之后水汽輻合帶逐漸抬升，降水趨于減弱。因此，較強的水汽輻合也為暴雨的持續(xù)發(fā)展提供了充沛的水汽條件。

高空急流誘發(fā)高空輻散。12日08：00，在200 hPa高空上，36°～43°N區(qū)域有一支較寬的高空西南急流軸，中心風速將近50 m/s；20：00風速明顯增大(圖4)，高空急流中心右后側(cè)輻散也進一步加強，從而導致保定上空產(chǎn)生較強的垂直上升運動。同時，配合850 hPa低空急流，更有利于低層輻合以及切變線的維持。高層輻散、低層輻合的正熱力次級環(huán)流為此次暴雨的發(fā)展提供了有利條件。

圖3 2020年8月12日10：00 850 hPa比濕(a，g/kg)、11：00 700 hPa水汽通量[b，g/(cm·hPa·s)]、13：00 850 hPa水汽通量散度[c，×106 g/(cm2·hPa·s)]Fig.3 850 hPa specific humidity at 10：00(a，g/kg)，700 hPa water vapor flux at 11：00[b，g/(cm·hPa·s)]，850 hPa Water vapor flux divergence 13：00[c，×106 g/(cm2·hPa·s)] on August 12，2020

圖4 2020年8月12日20：00 200 hPa位勢高度場(單位：dagpm)、風場(單位：m/s)Fig.4 200 hPa geopotential height field(unit：dagpm)and wind field(unit：m/s)at 20：00 on August 12，2020

地面輻合抬升分析。分析地面風場(圖5)發(fā)現(xiàn)，12日08：00地面風場輻合中心壓在河北與河南交界處，隨后開始北抬；17：00輻合中心北上至保定中東部，東南風風速較大，保證了充足的水汽供應，對應中東部地區(qū)較強的雨強；20：00輻合中心繼續(xù)北頂，影響保定東北部，造成明顯的強降水，且東部地區(qū)仍受切變線影響；13日02：00輻合中心移出保定地區(qū)，降水趨于結(jié)束。

圖5 2020年8月12日08：00(a)、17：00(b)、20：00(c)、13日02：00(d)地面風場(單位：m/s)Fig.5 Surface wind field at 08：00(a)，17：00(b)，20：00(c)on August 12 and 02：00 on August 13(d)in 2020(unit：m/s)

垂直上升運動分析。垂直速度分析表明，暴雨區(qū)上空為強烈的上升氣流(圖6)。12日08：00，在此次暴雨過程發(fā)生前，保定地區(qū)為弱的上升氣流，垂直速度在-2.0 Pa/s左右，13：00暴雨區(qū)垂直上升運動從850 hPa伸展到200 hPa，保定地區(qū)垂直速度均維持在-15 Pa/s，中心值達-40 Pa/s。低層的能量、水汽通過劇烈的垂直上升運動，被不斷輸送至高空，導致濕層不斷增厚，降水持續(xù)形成。當大氣的上升運動強度減弱，僅高層存在上升氣流時，降水趨于結(jié)束?？梢姶怪彼俣扰c強降水出現(xiàn)的時間和落區(qū)對應良好，為暴雨的形成提供了必要的動力條件。

圖6 2020年8月12日08：00(a)和13：00(b)850 hPa垂直速度(單位：Pa/s)Fig.6 850 hPa vertical velocity at 08：00(a)and 13：00(b)on August 12，2020(unit：Pa/s)

充沛的水汽和較強的動力條件對暴雨的形成至關(guān)重要，而持續(xù)的不穩(wěn)定能量也是形成強降水的必要條件。假相當位溫(θ)反映了大氣的溫度、氣壓和濕度情況，θ等值線密集區(qū)(能量鋒區(qū))是斜壓不穩(wěn)定和位勢不穩(wěn)定存在的區(qū)域，往往是不同熱力性質(zhì)氣團的分界區(qū)，從而保持了源源不斷的能量供應，對高空槽和垂直上升運動的加強具有積極意義。分析850 hPa假相當位溫θ(圖7)可知，850 hPa能量鋒區(qū)的位置與暴雨落區(qū)較為吻合。12日08：00，暴雨發(fā)生前有一東北—西南向高能舌伸向華北地區(qū)，此時保定地區(qū)θ維持在344 K左右，且等值線較為稀疏；13：00高能舌繼續(xù)向北伸展并加強，保定地區(qū)位于假相當位溫鋒區(qū)南側(cè)高值附近，θ值達352 K。同時，分析整層大氣可知，高度越高θ相比減小，由此說明層結(jié)不穩(wěn)定，上下層配合形成垂直向上的能量柱，保障了強降雨的能量供應。

低空急流也有利于不穩(wěn)定能量的積聚。持續(xù)存在的低空西南急流，將南海上空的高假相當位溫空氣向華北地區(qū)平流，除了補充水汽外，還有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立。

圖7 2020年8月12日08：00(a)和13：00(b)850 hPa假相當位溫(單位：K)Fig.7 False equivalent potential temperature of 850 hPa at 08：00(a)and 13：00(b)on August 12，2020(unit：K)

4 結(jié)論

(1)此次暴雨天氣的主要影響系統(tǒng)為高空槽、高低空急流、低層切變線。高空槽后冷空氣不斷東移南壓，配合副熱帶高壓外圍的偏南暖濕氣流，以及850 hPa“人”字形切變，共同導致了此次暴雨的發(fā)生。

(2)高低空急流對此次暴雨的形成有重要作用。保定中東部急流加強帶來能量和暖濕氣流的輸送，從而形成不穩(wěn)定層結(jié)，產(chǎn)生較強的輻合上升運動，造成了保定中東部地區(qū)的強降水。配合高層300～200 hPa明顯的高空輻散區(qū)抽吸作用，低空急流和低層輻合切變?yōu)楸┯甑男纬商峁┝藙恿ΡＵ稀?/p>

(3)850 hPa濕舌延伸至河北地區(qū)表明本地水汽條件良好，同時西南季風加強北頂為此次暴雨提供了充足的水汽，水汽輻合也為暴雨的維持提供了有利條件。

(4)保定上空850 hPa假相當位溫(θ)能量鋒區(qū)對高空槽和上升運動的發(fā)展具有積極意義，為中尺度對流運動保證了充足的能量供應。