2021年7月11～12日河北一次暴雨天氣過程分析

劉炳杰，王 楠

（河北滄州市氣象局，河北 滄州 061000）

1 暴雨天氣實況

2021年7月11～12日河北出現(xiàn)一次暴雨天氣過程，從降水量分布圖來看：100mm以上的降水落區(qū)主要集中在燕山南麓、太行山東麓的京津冀廣大地區(qū)，滄州沿海地區(qū)也是此次降水較強的中心之一，其中鹽山望樹鎮(zhèn)雨量達206.3mm。

本次強降水影響河北中東部地區(qū)主要是在11日夜間～12日傍晚，降雨時多站出現(xiàn)短時強降水和短時大風(fēng)天氣。渤海新區(qū)海洋氣象探測基地風(fēng)速最大達27.9m/s（10級），本次過程有持續(xù)時間長、累計雨量大、分布不均勻等特點。

從雷達回波形態(tài)來看，本次強降水過程大致分為三個階段：第一階段11日20：00～12日02：00滄州西北部地區(qū)出現(xiàn)對流天氣；第二階段12日02：00～10：00螺旋雨帶自西南向東北影響我市大部分地區(qū)，以系統(tǒng)性降水為主；第三階段12日10：00～14：00對流系統(tǒng)持續(xù)的列車效應(yīng)影響我市東部地區(qū)。

根據(jù)雷達顯示降水的三個階段，我們選取三個站點雨強的時間序列，第一階段的降水比較集中，持續(xù)時間短，降水強度較大，具有很明顯的對流性質(zhì)。第二個階段，降水時間長，在一段時間內(nèi)，相對比較均勻，雨強不大，不過在發(fā)展過程中，也出現(xiàn)了短暫的雨強較大的時刻，說明，隨著系統(tǒng)東移，也會出現(xiàn)強對流降水。第三階段降水在一段時間內(nèi)一直停留在滄州的東部地區(qū)。

圖1 2021年7月12～13日24時河北地區(qū)累積降雨量分布

2 暴雨成因

2.1 第一階段環(huán)流背景

從雷達回波形態(tài)上來看，第一階段降水回波中心高度比較低，降水效率強，具有暖區(qū)降水的特征。結(jié)合歷年來學(xué)者對華北地區(qū)暖區(qū)降水的定義：（1）位于副熱帶高壓邊緣的高溫濕舌內(nèi)；（2）發(fā)生在7～9月；（3）暖區(qū)暴雨的強對流特征明顯，短時強降水的貢獻隨總雨量的增加而加大，且降水時段集中，主要降水產(chǎn)生在 6 h以內(nèi)；（4）主要在邊界層極端高溫高濕區(qū)觸發(fā)和維持。（5）動力條件不足；（6）弱輻合線的觸發(fā)。對第一階段的降水進行分析。

從11日20時500hPa形勢分析，滄州處于副高外圍高溫濕舌內(nèi)，為暖區(qū)暴雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件，結(jié)合雷達回波特點，主回波區(qū)前部出現(xiàn)塊狀回波，反射率因子梯度較大，具有對流性質(zhì)特征，結(jié)合自動站小時強度，塊狀回波降水效率較高，每小時可達30mm以上，因此從雨強上能夠指示第一階段具有暖區(qū)降水的特征。

圖2 第一階段500百帕天氣形勢

第一階段物理量分析：

11日20時水汽分布顯示滄州西部地區(qū)700hPa比濕為10～12g/kg，850hPa達到14～16g/kg，大氣低層比濕較高，本地水汽條件符合滄州地區(qū)出現(xiàn)暴雨的指標(biāo)；通過水汽通量剖面圖，在滄州西部地區(qū)，存在水汽通量正值區(qū)，說明有外來的水汽向滄州地區(qū)輸送，結(jié)合水汽通量散度可以看到在滄州西部地區(qū)存在水汽通量輻合，外來的水汽輸送加上本地充足的水汽，共同造成第一階段暖區(qū)暴雨的發(fā)生。但是由于水汽通量大值區(qū)存在于河北中南部與北部，因此滄州西部地區(qū)在整個降水過程中，并不是暴雨中心。

11日14時北京站探空圖顯示700hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，700hPa以上風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流，上干冷下暖濕結(jié)構(gòu)配置，顯示大氣層結(jié)為不穩(wěn)定層結(jié)，結(jié)合cape值已達到2400J/kg，說明此次降水前期不穩(wěn)定能量較大，利于上升運動的持續(xù)，同時抬升凝結(jié)高度為0.5km，0度層為4.7km，暖層厚度達4.2km，降水效率較高，綜合以上因素都有利于第一階段暖區(qū)暴雨的發(fā)生。

另外，從假相當(dāng)位溫垂直剖面上可以分析在滄州西部暖區(qū)降水發(fā)生前上空，θse隨高度降低上干冷下暖濕，且900hPa以下為θse密集帶有較好能量條件，與強降水區(qū)域位置對應(yīng)比較一致。

沿滄州中西部地區(qū)做垂直速度和渦度分布剖面，在降水時700hPa以上有比較弱的上升，在低層出現(xiàn)下沉，中低層動力條件較弱，同時從地面自動站客觀分析場發(fā)現(xiàn)（圖略）：滄州西部有一條東北-西南向輻合線，兩側(cè)有西北-東南風(fēng)切變，有利于輻合上升運動，觸發(fā)對流，中層弱輻合上升配合低層輻合，并結(jié)合實況也說明此次過程的第一階段具有暖區(qū)暴雨的特征。

綜上所述，通過暖區(qū)暴雨的特征，結(jié)合此次過程特點，初步判斷此次過程的第一階段為暖區(qū)暴雨，此次暖區(qū)暴雨在滄州雨強不是特別強，可能是與水汽輸送不強有關(guān)。另外通過第一階段分析，對于低渦主體影響之前暖區(qū)對流，我們預(yù)報時最應(yīng)該關(guān)注：低層輻合線對暖區(qū)暴雨的指示意義；水汽、能量的分布梯度大值區(qū)往往是暖區(qū)暴雨發(fā)生的位置；雷達回波的特征分析也可以判斷暖區(qū)暴雨的發(fā)生地點。

2.2 第二階段環(huán)流背景

隨著系統(tǒng)東移，低渦北上，降水性質(zhì)發(fā)生變化，從雷達圖顯示，反射率因子基本在40dBz以下，為穩(wěn)定性降水。從500百帕與850百帕高低空配置看，12日02時200hPa上河北剛好位于西風(fēng)急流出口區(qū)左側(cè)，高空強輻散，利于強上升運動加強。500hPa上巴湖和貝湖之間有一寬廣低壓槽，和河套地區(qū)低壓槽呈階梯狀分布，不斷引導(dǎo)冷空氣南下，11日20時在河北地區(qū)形成一閉合低壓。副高外圍584線北伸與北部弱脊合并加強，形成高壓壩，出現(xiàn)“東高西低” 有利環(huán)流形勢。12日02時低渦移至河北，有明顯的低空急流，最大風(fēng)速中心達18m/s，切變線、低渦和低空急流共同影響，產(chǎn)生低層輻合，有強烈上升運動，水汽配合上升運動，利于降水的發(fā)生。

第二階段水汽條件與能量條件：

比濕垂直分布顯示，隨著低渦北上，滄州低層水汽整體較好，700百帕以下達到了10g/kg，在外來水汽輸送方面，受低渦影響，渦前部的東南氣流逐漸控制滄州地區(qū)，水汽輻合中心也逐漸移到華北中部地區(qū)，利于強降水的發(fā)生。

通過垂直運動與能量分布分析，降水第二階段開始時，受低渦前部正渦度平流影響，700到850百帕存在明顯的上升區(qū)，比第一階段垂直運動較強。從能量分布來看（圖略），此時高層冷平流逐漸減弱，隨著前期降水發(fā)生，高層也逐漸變濕，而低層暖平流變化不大，上干下濕，上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)也逐漸減弱，因此，雖然此時中層存在持續(xù)的上升運動，但是不穩(wěn)定層結(jié)的減弱，很難觸發(fā)對流天氣，因此以穩(wěn)定性降水為主。

2.3 第三階段環(huán)流背景

后期隨著系統(tǒng)東移，500百帕逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流控制，低層強的暖濕氣流仍然控制滄州地區(qū)，從回波演變來看，降水回波由層狀云降水轉(zhuǎn)為對流降水，并且結(jié)合回波傳播方向以及對流單體形成的位置，出現(xiàn)了明顯的列車效應(yīng)特征，因此在滄州黃驊地區(qū)形成一個強降水中心，造成了滄州東部地區(qū)出現(xiàn)206mm的降水。

第三階段垂直條件與能量條件：

隨著高空轉(zhuǎn)為冷空氣控制，滄州上空θse隨高度降低，上干冷下暖濕不穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)逐漸加強，在900hPa附近存在能量鋒區(qū)，容易觸發(fā)不穩(wěn)定能量，造成對流天氣的發(fā)生，從k指數(shù)分布看（圖略）滄州東部一直維持在38～40℃，不穩(wěn)定能量也較強。

從渦度場分布來看，滄州東部地區(qū)處于正渦度區(qū)，因此在速度圖上低層也對應(yīng)著上升運動，結(jié)合前面不穩(wěn)定層結(jié)的分析，不穩(wěn)定能量配合垂直運動造成了滄州黃驊地區(qū)的強降水天氣。

另外根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，低空暖濕氣流和低空急流附近，往往存在條件靜力不穩(wěn)定性，這是列車效應(yīng)發(fā)生的有利環(huán)境，從850百帕風(fēng)場與濕度場疊加顯示（圖略），滄州東部地區(qū)正好處于低層?xùn)|南氣流的控制，且比濕達到了14g/kg以上。強的水汽與能量條件預(yù)示著滄州東部地區(qū)發(fā)生列車效應(yīng)的可能。

從500百帕引導(dǎo)氣流與雷達回波傳播方向看，受引導(dǎo)氣流的影響，雷達整體由西南向東北方向傳播，而雷暴新生單體存在后向傳播的趨勢，從平移與傳播的疊加來看，新生單體與總體回波夾角較小，因此利于回波列車效應(yīng)的形成，造成滄州東部地區(qū)強降水中心。

3 結(jié)論

利用多種資料，對2021年7月11～12日降水特征、環(huán)境條件及降水的演變等方面進行了綜合分析。主要結(jié)論如下：

（1）此次低渦造成河北降水分為三個階段，第一階段為偏南氣流控制區(qū)內(nèi)的暖區(qū)暴雨，此階段降水強度大，具有強對流特征，同時預(yù)報難度較大；第二階段為低渦控制下的穩(wěn)定性降水，此階段對流強度不強，回波上表現(xiàn)為大片的層狀云降水回波，但持續(xù)時間較長，降水總量也較大；第三階段，由于高空降溫，低層低空急流維持，不穩(wěn)定層結(jié)加大，往往會出現(xiàn)對流性質(zhì)的降水，但是由于引導(dǎo)氣流偏弱，回波容易出現(xiàn)后向傳播，易出現(xiàn)雷達回波上的“列車效應(yīng)”，降水總量上可能造成局地強降水中心。

（2）根據(jù)三個階段不同成因分析，我們對于此次低渦降水每個階段降水預(yù)報落區(qū)及量級關(guān)注點也不同，其中對于暖區(qū)暴雨，我們要關(guān)注低層輻合線及能量鋒區(qū)和大值區(qū)所在的位置；低渦控制時，我們關(guān)注點在于低渦影響區(qū)域以及水汽輻合位置；當(dāng)?shù)蜏u東移，高空轉(zhuǎn)為西北氣流時，高空西北氣流與低層低空氣流耦合的區(qū)域，往往容易出現(xiàn)列車效應(yīng)造成的較強降水。

通過以上分析，我們對河北地區(qū)在低渦影響下每個階段降水特性有了一定的了解，尤其對暖區(qū)降水的預(yù)報方面提供了一些幫助，但是由于我們研究范圍較小，選取的只是代表性的區(qū)域，對整個過程的演變及認知還存在不足，所以加強低渦影響下華北地區(qū)暴雨產(chǎn)生機制還顯得非常必要，在以后研究中，擴大研究范圍，細化低渦降水的階段，研究各階段降水單體特征，為準確預(yù)報華北地區(qū)低渦強降水會有一定的指導(dǎo)意義。