“23·7”河北太行山東麓罕見特大暴雨特征及成因*

楊曉亮 金曉青 孫 云 陳碧瑩 梁 天 楊 敏 閆雪瑾 李江波

1 中國(guó)氣象局雄安大氣邊界層重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,河北雄安 071800 2 河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050021 3 河北省氣象臺(tái),石家莊 050021 4 河北省氣象行政技術(shù)服務(wù)中心,石家莊 050021

提 要: 受臺(tái)風(fēng)杜蘇芮北上減弱的低壓影響,2023年7月29日至8月1日,京津冀地區(qū)遭受了歷史罕見的特大暴雨,海河發(fā)生流域性特大洪水并造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。利用高空觀測(cè)、地面自動(dòng)站、S波段多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、ERA5再分析資料等,對(duì)此次天氣過程進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明:特大暴雨過程具有累計(jì)降水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、地形作用明顯等特征。臺(tái)風(fēng)杜蘇芮、卡努提供了極為有利的水汽條件,華北北部形成的高壓壩阻擋了臺(tái)風(fēng)環(huán)流北上,華北地區(qū)先后經(jīng)歷了陣性降水、臺(tái)風(fēng)倒槽降水和倒槽減弱階段對(duì)流性降水三個(gè)階段,降水落區(qū)的疊加效應(yīng)是形成罕見特大暴雨的主要原因。臺(tái)風(fēng)倒槽階段850 hPa切變線受太行山阻擋移動(dòng)緩慢,降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),初期大氣處于近中性狀態(tài),雨強(qiáng)整體平穩(wěn),30日午后對(duì)流開始加強(qiáng),河北中部降水區(qū)冷池出流的偏北風(fēng)與偏東風(fēng)形成地面輻合線,使得河北東南部高能區(qū)中觸發(fā)的對(duì)流單體發(fā)展加強(qiáng)為MCS,移入保定后形成“列車效應(yīng)”;太行山冷池出流的偏北風(fēng)與地面東南風(fēng)形成輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,是30日夜間河北西南部降水維持的原因。31日早晨超過20 m·s-1的東南風(fēng)急流再次建立,造成北京南部超過110 mm·h-1的強(qiáng)降水。

引 言

每年7—8月,隨著夏季風(fēng)向北推進(jìn),華北進(jìn)入雨季,持續(xù)性大暴雨導(dǎo)致的洪水是華北夏季的主要災(zāi)害之一,例如1963年8月海河流域大洪水(簡(jiǎn)稱“63·8”)、1996年8月河北大暴雨(簡(jiǎn)稱“96·8”)、2012年7月北京大暴雨(簡(jiǎn)稱“12·7”)、2016年7月華北特大暴雨(簡(jiǎn)稱“16·7”)和2021年7月19—21日河南極端暴雨(簡(jiǎn)稱“21·7”)等,都給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。不少研究均表明(俞小鼎,2012;孫軍等,2012;諶蕓等,2012;孫建華等,2013;陳明軒等,2013),“12·7”大暴雨是在有利的大尺度環(huán)流背景下由多個(gè)長(zhǎng)生命史、穩(wěn)定少動(dòng)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)造成,分為暖區(qū)降水和鋒面降水兩個(gè)階段?！?6·7”華北特大暴雨的研究表明,高低空系統(tǒng)耦合背景下快速發(fā)展的深厚氣旋是影響強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展的重要系統(tǒng)(趙思雄等,2018),降水期間各物理量明顯偏離氣候平均態(tài)(栗晗等,2018),地形對(duì)降水增幅作用顯著(符嬌蘭等,2017;Xia and Zhang,2019),潛熱反饋過程也起到非常重要的作用(雷蕾等,2017)。徐珺等(2022)、Xu et al(2022)利用客觀分型方法對(duì)比了華北地區(qū)極端降水日與少雨日的環(huán)流型,解讀了河南“21·7”破紀(jì)錄降水事件的極端性。此外氣象學(xué)者從“21·7”特大暴雨的降水特征、極端性、水汽輸送、中尺度低空急流、地形作用等不同角度開展了廣泛研究(蘇愛芳等,2022;楊浩等,2022;汪小康等,2022;冉令坤等,2021;孔期等,2022;齊道日娜等,2023;Luo and Du,2023)。華北地區(qū)的強(qiáng)降水既受西風(fēng)帶系統(tǒng)影響,又有熱帶系統(tǒng)參與(孫建華等,2006;趙思雄和孫建華,2019;楊曉亮等,2021a;2022),臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離水汽輸送或臺(tái)風(fēng)北上是華北地區(qū)產(chǎn)生大暴雨或持續(xù)性大暴雨的重要條件(陶詩言,1980; 丁一匯,2019)。河南“75·8”特大暴雨就是臺(tái)風(fēng)登陸后北上至河南伏牛山脈與桐柏山脈之間的大弧形地帶“停滯少動(dòng)”,在其他天氣尺度系統(tǒng)參與下造成的(“75·8”暴雨會(huì)戰(zhàn)組,1977a;1977b)。丁一匯(2015)指出河南“75·8”特大暴雨既有熱帶和中緯度天氣系統(tǒng)的相互作用,又有高、低空系統(tǒng)的相互作用,還有不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用。孫建華等(2006)認(rèn)為“96·8”河北特大暴雨是比較少見的登陸臺(tái)風(fēng)北上受高壓阻擋停滯類型。楊曉亮等(2021b)研究環(huán)渤海地區(qū)的北上臺(tái)風(fēng)過程發(fā)現(xiàn),當(dāng)西太平洋副熱帶高壓控制整個(gè)河北或形成北部高壓壩時(shí),大暴雨主要位于河北南部太行山前。

受臺(tái)風(fēng)杜蘇芮減弱環(huán)流北上影響,2023年7月29日08時(shí)至8月2日08時(shí)(北京時(shí),下同),華北遭受了歷史罕見的特大暴雨(簡(jiǎn)稱“23·7”)(符嬌蘭等,2023;張芳華等,2023)。受持續(xù)強(qiáng)降水影響,海河發(fā)生流域性特大洪水,永定河及其支流清水河、拒馬河支流大石河等8 條河流發(fā)生有實(shí)測(cè)記錄以來最大洪水,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)(截至2023年8月10日),持續(xù)強(qiáng)降水造成河北110個(gè)縣(市、區(qū))388.86萬人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)958.11億元,因?yàn)?zāi)死亡29人,16人失聯(lián)。有必要回顧總結(jié)這次過程的降水特征及天氣成因,為華北極端特大暴雨預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 所用資料

本文使用的資料包括:(1)歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心第五代全球大氣再分析資料(ERA5,0.25°×0.25°、1 h間隔),用于環(huán)流背景和診斷分析;(2)2023年7月28—31日北京和邢臺(tái)探空站資料,用于大氣垂直廓線分析;(3)河北氣象信息中心提供的經(jīng)質(zhì)量控制的京津冀區(qū)域逐小時(shí)自動(dòng)氣象站資料(共4037個(gè)站),包括氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速和小時(shí)降水量,用于地面要素和雨強(qiáng)分析;(4)2023年7月 29日至8月1日京津冀雷達(dá)拼圖產(chǎn)品及石家莊SA雷達(dá)單站數(shù)據(jù),用于雷達(dá)特征及剖面分析;(5)河北氣象信息中心提供的邯鄲成安和北京風(fēng)廓線雷達(dá)資料,用于分析水平風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間演變。站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 京津冀站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of stations in the Beijing-Tianjin-Hebei Region

2 降水特征

2.1 降水極端性分析

2023年7月29日至8月1日,河北和北京共有14個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱國(guó)家站)日降水量突破歷史極值,26個(gè)國(guó)家站3 d累計(jì)降水量突破歷史極值。河北79個(gè)國(guó)家站過程累計(jì)降水量超過本站7月降水量常年值,16個(gè)站超過本站夏季降水量常年值。與歷史上4次著名的大暴雨過程相比(圖2),本次過程河北平均降水量要低于“63·8”,但高于“96·8”“12·7”“16·7”;過程累計(jì)降水量極值為1003.4 mm(7月29日08時(shí)至8月2日08時(shí),邢臺(tái)梁家莊站),僅次于“63·8”過程的2051.0 mm?！?3·8”降水極值邢臺(tái)內(nèi)丘獐么站降水持續(xù)7 d,本次過程邢臺(tái)臨城梁家莊站降水持續(xù)時(shí)間不足3 d。

圖2 5次大暴雨過程降水情況對(duì)比Fig.2 Comparison of precipitation in five severe torrential rain processes

2.2 降水空間分布及演變特征

從過程累計(jì)降水量來看,北京西南部和河北中南部的太行山前普遍在250～800 mm(圖3a),250 mm以上的降水面積超過6.5萬km2,超過400 mm的站點(diǎn)沿太行山呈南北帶狀分布,主要集中在兩個(gè)區(qū)域,一處位于河北中部的保定中北部、北京西南部等地,另一處位于河北西南部的石家莊西部、邢臺(tái)西部、邯鄲西北部等地的太行山東麓。過程最大累計(jì)降水量為1003.4 mm(邢臺(tái)梁家莊站),其2 d的累計(jì)降水量接近河北年平均降水總量(505.6 mm)的2倍。從逐日演變來看,強(qiáng)降水自南向北發(fā)展。7月29日河北中南部偏西地區(qū)普遍出現(xiàn)暴雨(圖3b),河北西南部太行山山前出現(xiàn)大暴雨到特大暴雨,邢臺(tái)梁家莊站24 h降水量最大達(dá)511.1 mm;30日強(qiáng)降水向北發(fā)展(圖3c),大暴雨覆蓋的范圍最廣,河北中部的保定、北京西南部出現(xiàn)大范圍大暴雨到特大暴雨,保定遼道背站24 h降水量最大為497.7 mm,河北西南部太行山山前連續(xù)2 d出現(xiàn)大暴雨到特大暴雨, 邢臺(tái)梁家莊站24 h降水量為483.5 mm;31日,降水區(qū)進(jìn)一步北移,大暴雨主要集中在北京西部、南部及周邊區(qū)域(圖3d),北京昌平王家園水庫站24 h降水量最大為394.8 mm,河北南部降水明顯減弱;8月1日京津冀地區(qū)轉(zhuǎn)為分散性暴雨,過程趨于結(jié)束。

注:黑色實(shí)線為200 m地形等高線,圖a中▲為降水量極值中心邢臺(tái)梁家莊站。圖3 京津冀地區(qū)2023年(a)7月29日08時(shí)至8月2日08時(shí)過程累計(jì)降水量,(b)7月30日08時(shí)、(c)7月31日08時(shí)、(d)8月1日08時(shí)過去24 h累計(jì)降水量分布Fig.3 (a) Accumulated precipitation from 08: 00 BT 29 July to 08: 00 BT 2 August, and (b-d) 24 h accumulated precipitation at (b) 08: 00 BT 30 July, (c) 08: 00 BT 31 July, (d) 08: 00 BT 1 August 2023 in the Beijing-Tianjin-Hebei Region

2.3 降水時(shí)長(zhǎng)及雨強(qiáng)

本次過程兩個(gè)強(qiáng)降水區(qū)域的降水時(shí)長(zhǎng)普遍超過40 h(圖4a),相比而言河北中部地區(qū)的降水持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。其中保定中部、北京南部、承德西南部超過了60 h,保定易縣富崗站最長(zhǎng)達(dá)84 h,遠(yuǎn)超過了“16·7”過程的48 h(符嬌蘭等,2017)。從降水強(qiáng)度來看,各地最大小時(shí)降水量普遍在20～50 mm(圖4b),北京南部、河北中部和西南部的部分站點(diǎn)超過50 mm。日常業(yè)務(wù)中將小時(shí)降水量≥20 mm定義為短時(shí)強(qiáng)降水,本次過程短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)長(zhǎng)超過5 h的站點(diǎn)仍主要位于河北中部和西南部?jī)蓚€(gè)區(qū)域(圖4a中等值線),其中邢臺(tái)梁家莊站最長(zhǎng)達(dá)24 h。兩個(gè)區(qū)域?qū)Ρ葋砜?河北西南部總降水時(shí)間比河北中部短,小時(shí)雨強(qiáng)也不極端,雨勢(shì)整體較為平穩(wěn),其出現(xiàn)單站極值的主要原因是短時(shí)強(qiáng)降水維持時(shí)間長(zhǎng)。河北中部保定附近的最大小時(shí)雨強(qiáng)較河北西南部強(qiáng),且降水持續(xù)時(shí)間普遍超過了河北西南部,持續(xù)性特征明顯,因此河北中部大量站點(diǎn)的累計(jì)降水量超過了400 mm。

注:圖a、圖b中黑色粗實(shí)線為200 m地形等高線;圖c中坐標(biāo)軸下方綠線代表倒槽西北側(cè)的陣性降水階段,紅線代表臺(tái)風(fēng)倒槽降水階段,藍(lán)線代表倒槽減弱后的對(duì)流性降水階段。圖4 2023年(a,b)7月29日08時(shí)至8月2日08時(shí)(a)降水持續(xù)時(shí)間(彩色圓點(diǎn))和短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)長(zhǎng)(黑色等值線,單位:h),(b)最大小時(shí)雨強(qiáng)(填色)和(c)7月29日09時(shí)至8月2日09時(shí)京津冀地區(qū)最大小時(shí)雨強(qiáng)、≥20 mm·h-1和≥50 mm·h-1的站數(shù)的時(shí)間演變Fig.4 (a) Duration of rainfall (colored dot), duration of short-time intense rainfall (black contour, unit: h) and (b) maximum hourly rainfall intensity (colored) from 08:00 BT 29 July to 08:00 BT 2 August, (c) temporal evolution of maximum hourly rainfall intensity, the numbers of stations with precipitation over 20 mm·h-1 and over 50 mm·h-1 in the Beijing-Tianjin-Hebei Region from 09:00 BT 29 July to 09:00 BT 2 August 2023

2.4 降水的階段性特征

此次特大暴雨過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),表現(xiàn)出明顯的階段性特征。圖4c為京津冀地區(qū)最大小時(shí)雨強(qiáng)、小時(shí)降水量超過20 mm和50 mm站數(shù)的時(shí)間演變圖,圖中可以反映出降水不同階段的強(qiáng)度和范圍特征。7月29日23時(shí)之前京津冀地區(qū)最大小時(shí)雨強(qiáng)不超過60 mm·h-1,超過20 mm·h-1的站數(shù)較少,超過50 mm·h-1的只有1個(gè)。天氣系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn),29日臺(tái)風(fēng)倒槽主要位于河南和山東境內(nèi),此時(shí)為倒槽西北側(cè)陣性降水;30—31日臺(tái)風(fēng)倒槽直接影響河北,降水的強(qiáng)度和范圍明顯擴(kuò)大,30日凌晨最大小時(shí)雨強(qiáng)開始加大到60 mm·h-1以上, 超過20 mm·h-1的站數(shù)大部分時(shí)間超過100個(gè),30日18時(shí)最多達(dá)到了239個(gè),19時(shí)有14個(gè)超過50 mm·h-1,此時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水范圍最廣。31日凌晨后,超過20 mm·h-1的站數(shù)下降到100個(gè)以下,但31日03時(shí)、11時(shí)、17時(shí)和18時(shí)最大小時(shí)雨強(qiáng)分別達(dá)到了110.9、114.2、102.9、107.0 mm·h-1,分別為邢臺(tái)內(nèi)丘獐么站、北京門頭溝定都閣站、北京大興榆垡站和北京大興馬家屯站,超過50 mm·h-1的站數(shù)在31日09時(shí)和18時(shí)分別出現(xiàn)峰值,短時(shí)強(qiáng)降水范圍雖然有所減小,但雨強(qiáng)更極端。31日夜間到8月1日臺(tái)風(fēng)倒槽減弱,西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)逐漸加強(qiáng)控制京津冀地區(qū),超過20 mm· h-1的站數(shù)大部分時(shí)間在50個(gè)以下,最大小時(shí)雨強(qiáng)波動(dòng)較大,最大超過80 mm·h-1,此階段為倒槽減弱后的對(duì)流性降水。

綜上,本次特大暴雨河北平均降水量和單站極值均超過“96·8”“16·7”“12·7”極端暴雨過程,僅次于“63·8”。400 mm以上的降水區(qū)覆蓋了河北中部和西南部?jī)蓚€(gè)區(qū)域,降水中心集中在太行山前。強(qiáng)降水自南向北發(fā)展,兩個(gè)區(qū)域的降水時(shí)長(zhǎng)普遍超過40 h,河北中部的降水維持時(shí)間和最大小時(shí)雨強(qiáng)均強(qiáng)于河北西南部,但河北西南部太行山山前短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)長(zhǎng)超過了河北中部。強(qiáng)降水具有明顯的階段性特征:7月29日為臺(tái)風(fēng)倒槽西北側(cè)的陣性降水,具有間歇性、雨強(qiáng)不大的特點(diǎn);30—31日為臺(tái)風(fēng)倒槽直接影響產(chǎn)生的持續(xù)性強(qiáng)降水,雨勢(shì)加大,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),其中30日短時(shí)強(qiáng)降水范圍最廣,31日單站雨強(qiáng)最極端;31日夜間到8月1日為倒槽減弱后的對(duì)流性降水,持續(xù)時(shí)間短、局地性強(qiáng)、雨強(qiáng)變化大。降水特點(diǎn)不同,成因亦不同,以下對(duì)三個(gè)階段的降水成因進(jìn)行詳細(xì)分析。

3 臺(tái)風(fēng)倒槽西北側(cè)的陣性降水

7月29日14時(shí)500 hPa天氣圖上(圖5a),歐亞中高緯冷空氣活動(dòng)較弱,副高呈塊狀且位置偏北偏西,西側(cè)脊線北跳至36°N以北,588 dagpm線西伸至120°E以西。臺(tái)風(fēng)杜蘇芮28日在福建沿海登陸后沿副高西側(cè)偏南氣流一路北上(圖5a),其減弱的低渦環(huán)流經(jīng)江西、安徽進(jìn)入河南,低渦與東側(cè)副高之間的氣壓梯度加大,在850 hPa形成一支風(fēng)速超過20 m·s-1的天氣尺度低空急流,將暖濕空氣不斷向北方輸送,低空急流左側(cè)在河南東部到山東西北部一帶形成倒槽切變,低層存在風(fēng)向和風(fēng)速的水平輻合。對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的低空急流,925 hPa水汽通量中心值達(dá)36 g·cm-1·hPa-1·s-1,前沿存在多條水汽通量散度的輻合中心(圖5d),呈東北—西南向帶狀分布。對(duì)應(yīng)雷達(dá)拼圖上有東北—西南向的螺旋雨帶回波(圖略),螺旋雨帶上的中尺度對(duì)流系統(tǒng)在水汽通量散度輻合中心附近生成后,不斷發(fā)展并向西北方向頻散,之后進(jìn)入河北。降水回波為層積混合云,層狀云中鑲嵌尺度較小的對(duì)流單體,最強(qiáng)可達(dá)50 dBz以上,多條帶狀回波自東南向西北依次掃過河北南部地區(qū),地面降水呈現(xiàn)間歇性、不連續(xù)的特征,雨強(qiáng)普遍在50 mm·h-1以下。分析河北南部邢臺(tái)的探空曲線發(fā)現(xiàn)(圖6a),29日08時(shí)地面到200 hPa為深厚的飽和層,抬升凝結(jié)高度(LCL)和自由對(duì)流高度(LFC)貼近地面,對(duì)流有效位能(CAPE,190 J·kg-1)和0～6 km垂直風(fēng)切變(9.7 m·s-1)均較弱?？梢?此階段的環(huán)境大氣處于近乎濕絕熱狀態(tài),有弱的不穩(wěn)定能量、深厚的濕層、低的LCL和LFC,均有利于降水出現(xiàn)。

注:圖a中彩色線條為臺(tái)風(fēng)杜蘇芮移動(dòng)路徑。圖5 2023年7月29—31日(a～c)500 hPa位勢(shì)高度(等值線,單位:dagpm)、850 hPa水平風(fēng)(風(fēng)向桿)和低空急流(填色),(d～f)925 hPa水汽通量(等值線和箭矢,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(填色,單位: 10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)(a,d)29日14時(shí),(b,e)30日08時(shí),(c,f)31日08時(shí)Fig.5 (a-c) 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm), 850 hPa horizontal wind (barb) and low-level jet (colored), (d-f) 925 hPa water vapor flux (contour and vector, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (colored, unit: 10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)at (a, d) 14:00 BT 29, (b, e) 08:00 BT 30, and (c, f) 08:00 BT 31 July 2023

圖6 2023年7月(a)29日08時(shí)邢臺(tái)、(b)30日02時(shí)邢臺(tái)、(c)30日20時(shí)北京、(d)31日14時(shí)邢臺(tái)的探空曲線,(e)28日20時(shí)至30日00時(shí)邯鄲成安、(f)30日08時(shí)至31日14時(shí)北京風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)(風(fēng)向桿)和風(fēng)速(填色)分布Fig.6 The sounding curves of (a, b, d) Xingtai at (a) 08:00 BT 29, (b) 02:00 BT 30, (d) 14:00 BT 31 July and (c) Beijing at 20:00 BT 30 July 2023; (e, f) the horizontal wind (barb) and wind speed (colored) of wind profile radar products at (e) Cheng’an of Handan from 20:00 BT 28 to 00:00 BT 30 July and (f) Beijing from 08:00 BT 30 to 14:00 BT 31 July 2023

綜上,層積混合云降水回波在925 hPa水汽通量散度的輻合中心和850 hPa切變線附近形成后,沿著500 hPa東南氣流向河北中南部平流和傳播,由于整體處于倒槽西北側(cè)的東北風(fēng)中,加之0～6 km 垂直風(fēng)切變較弱,回波的組織性較差,地面雨強(qiáng)普遍不強(qiáng),因此該階段的降水主要表現(xiàn)為階段性、間歇性的陣性降水。

4 臺(tái)風(fēng)倒槽產(chǎn)生的降水

位于河北東南部的邯鄲成安風(fēng)廓線雷達(dá)顯示(圖6e,位置見圖1),29日14時(shí)后2 km以下的風(fēng)速逐漸加大,20時(shí)前后500～1500 m風(fēng)速最大達(dá)18 m·s-1,22時(shí)風(fēng)向由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為東到東南風(fēng),說明臺(tái)風(fēng)減弱后的低渦北側(cè)的倒槽切變開始進(jìn)入河北。30日08時(shí)(圖5b),500 hPa副高與河套東移的大陸高壓脊相連,在河北北部形成準(zhǔn)東西向的高壓壩,臺(tái)風(fēng)殘渦中心位于河南,850 hPa倒槽切變位于河北中南部,切變線東側(cè)風(fēng)速超過16 m·s-1的東南風(fēng)低空急流維持。河北中南部位于925 hPa水汽通量大值區(qū)前沿,超過32 g·cm-1·hPa-1·s-1的中心位于河北中部。河北中部和西南部太行山山前是水汽通量大值區(qū)的前沿、水汽通量散度的強(qiáng)輻合區(qū)(圖5e)。31日08時(shí)(圖5c),華北北部高壓壩發(fā)展強(qiáng)盛,臺(tái)風(fēng)殘渦受其阻擋移動(dòng)緩慢,環(huán)流中心進(jìn)入河套以西,850 hPa倒槽減弱,在北京附近形成東西向的暖式切變線,切變線北側(cè)東南風(fēng)低空急流位于北京北部,水平尺度減小。925 hPa超過32 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心移至北京附近,其大值區(qū)前沿位于北京西部到河北中部的太行山山前一帶,同時(shí)為強(qiáng)的水汽通量散度輻合中心(圖5f)。30日02—20時(shí)被臺(tái)風(fēng)倒槽東側(cè)的東南氣流控制之后,河北大部分地區(qū)的環(huán)境條件變化不大,邢臺(tái)和北京探空曲線上(圖6b,6c),環(huán)境大氣維持深厚的濕層、低的LCL和LFC、弱的0～6 km垂直風(fēng)切變(10.6 m·s-1、9.1 m·s-1)和弱CAPE(350 J·kg-1、19 J·kg-1),仍然接近濕絕熱狀態(tài)。

4.1 河北西南部特大暴雨對(duì)流系統(tǒng)的演變

河北西南部降水29日夜間開始加強(qiáng),31日凌晨趨于結(jié)束。利用京津冀雷達(dá)反射率因子拼圖、地面自動(dòng)站、ERA5資料,對(duì)造成特大暴雨的對(duì)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變特征進(jìn)行分析。29日20時(shí)(圖7b),隨著850 hPa東南風(fēng)與東北風(fēng)的切變線移入,河北東南部開始出現(xiàn)大片分布均勻且密實(shí)的層積混合云回波,強(qiáng)度在30～50 dBz,地面開始出現(xiàn)成片的短時(shí)強(qiáng)降水。23時(shí)降水回波伴隨著切變線移至河北西南部(圖7c),之后1 h的短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度和范圍均達(dá)到最大,最強(qiáng)超過50 mm·h-1,主要位于河北西南部山前200 m地形線以西。30日01—08時(shí)(圖7d,7e),850 hPa切變線在河北南部的太行山附近穩(wěn)定少動(dòng),其東側(cè)東南風(fēng)急流中不斷有層狀云回波生成并西移至太行山前,短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在河北西南部,中心位置南北略有擺動(dòng)。09時(shí)之后,大范圍降水回波北上至河北中部,河北西南部山前的層狀云降水回波維持,地面仍出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,但范圍和強(qiáng)度減小,河北東南部降水出現(xiàn)短暫間歇。14時(shí)(圖7f),由于850 hPa切變線仍位于河北西南部,太行山附近降水仍然維持,同時(shí)河北東南部的東南風(fēng)急流脈動(dòng)中有分散的β中尺度對(duì)流單體新生,中心強(qiáng)度超過50 dBz,逐漸發(fā)展成多個(gè)東西向的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS),地面最大雨強(qiáng)超過50 mm·h-1。18時(shí)分散的MCS逐漸合并成兩條準(zhǔn)東西向的線狀MCS并向北移動(dòng)(圖7g),22時(shí)逐漸與河北中部的降水回波合并(圖7h),給河北中部帶來超過70 mm·h-1的強(qiáng)降水。分析850 hPa風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn),18時(shí)河北西南部切變線已開始減弱,東南風(fēng)風(fēng)速亦減小,雖然地面仍出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,但回波的組織性變差。22時(shí)850 hPa切變線移出(圖7h),但河北西南部沿山的降水回波再次組織發(fā)展,地面形成超過60 mm·h-1的南北向強(qiáng)降水帶,31日02時(shí)850 hPa由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)(圖7i),回波北上給邯鄲西北部、邢臺(tái)西部、石家莊西部帶來強(qiáng)降水,之后此區(qū)域的降水逐漸結(jié)束。

注:黑色實(shí)線為200 m地形等高線,棕色線為850 hPa切變線。圖7 2023年7月29日(a)14時(shí)、(b)20時(shí)、(c)23時(shí),30日(d)05時(shí)、(e)08時(shí)、(f)14時(shí)、(g)18時(shí)、(h)22時(shí)和(i)31日02時(shí)河北南部雷達(dá)反射率因子拼圖(填色),850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)與之后1 h的短時(shí)強(qiáng)降水(彩色圓點(diǎn)) Fig.7 Radar reflectivity (colored), 850 hPa horizontal wind (barb) and 1 h short-time severe precipitation thereafter (colored dot) in southern Hebei at (a) 14:00 BT 29, (b) 20:00 BT 29, (c) 23:00 BT 29 July, (d) 05:00 BT 30, (e) 08:00 BT 30, (f) 14:00 BT 30, (g) 18:00 BT 30, (h) 22:00 BT 30 and (i) 02:00 BT 31 July 2023

4.2 河北西南部對(duì)流系統(tǒng)演變的原因

受倒槽西北側(cè)的回波影響,河北西南部到山西高原降水開始較早,29日14時(shí)河北西南部太行山以西已形成大范圍20～22℃的冷池(圖8a),而東側(cè)平原地區(qū)2 m氣溫在27～30℃,在太行山東側(cè)形成南北向的水平溫度梯度帶。29日夜間隨著降水區(qū)自東向西發(fā)展(圖8b～8e),河北南部平原地面2 m氣溫下降到25℃左右,山區(qū)維持在22℃上下,水平溫度梯度減小,但始終存在3℃左右的溫差。分析地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn),30日08時(shí)之前,河北南部為一致的東北風(fēng),太行山前冷池附近的輻合并不明顯。30日14時(shí)(圖8f),由于河北東南部降水出現(xiàn)間歇,平原地區(qū)2 m氣溫迅速回升至29～30℃,與河北西南部山前降水區(qū)的水平溫度梯度加大,同時(shí)河北東南部地面露點(diǎn)溫度也升至27～28℃,環(huán)境大氣處于高溫高濕狀態(tài),為對(duì)流發(fā)展加強(qiáng)提供了有利條件。隨著強(qiáng)降水區(qū)移動(dòng)到河北中部,保定附近形成大范圍冷池,地面風(fēng)場(chǎng)也發(fā)生了明顯變化,風(fēng)向轉(zhuǎn)為北風(fēng),而東部滄州、衡水等地維持一致的偏東風(fēng),在保定東南部到石家莊東部形成地面輻合線(圖8f),河北東南部新生的對(duì)流單體北上遇地面輻合線發(fā)展加強(qiáng),形成東西帶狀的MCS。18時(shí)上述地面輻合線維持,同時(shí)河北南部平原的風(fēng)向由偏東風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)(圖8g),與西側(cè)太行山冷池出流造成的偏北風(fēng)形成輻合線并穩(wěn)定少動(dòng)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)22時(shí)河北西南部CAPE維持在400 J·kg-1上下(詳見4.4節(jié)),地面輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,使原本減弱的降水回波再次組織加強(qiáng)形成南北向強(qiáng)降水帶(圖7h)。31日02時(shí)(圖8i),河北南部平原維持東到東南風(fēng),與西側(cè)冷池之間的地面輻合線維持,仍有分散對(duì)流生成,08時(shí)隨著850 hPa到地面東南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),河北西南部太行山前強(qiáng)降水趨于結(jié)束。

注:黑色粗實(shí)線為200 m地形等高線,棕色線為地面輻合線。圖8 2023年7月29日(a)14時(shí)、(b)20時(shí)、(c)23時(shí),30日(d)05時(shí)、(e)08時(shí)、(f)14時(shí)、(g)18時(shí)、(h)22時(shí)和(i)31日02時(shí)地面自動(dòng)站2 m氣溫(彩色圓點(diǎn))和10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)Fig.8 The 2 m temperature (colored dot) and 10 m wind (barb) from ground automatic stations at (a) 14:00 BT 29, (b) 20:00 BT 29, (c) 23:00 BT 29, (d) 05:00 BT 30, (e) 08:00 BT 30, (f) 14:00 BT 30, (g) 18:00 BT 30, (h) 22:00 BT 30 and (i) 02:00 BT 31 July 2023

可見,河北西南部降水前期地面為一致的偏北風(fēng)。30日14時(shí)河北中部強(qiáng)降水區(qū)冷池出流的偏北風(fēng)與東側(cè)偏東風(fēng)形成地面輻合線,河北東南部高溫高濕環(huán)境中觸發(fā)的對(duì)流在地面輻合線附近發(fā)展加強(qiáng)。隨著30日18時(shí)河北南部平原地面轉(zhuǎn)為東南風(fēng),其與西側(cè)太行山冷池出流的偏北風(fēng)形成地面輻合線,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,是30日夜間850 hPa切變線移出、東南風(fēng)急流減弱后河北南部降水再次加強(qiáng)的原因。

4.3 河北中部特大暴雨對(duì)流系統(tǒng)的演變

河北中部降水于30日凌晨開始加強(qiáng)。30日08時(shí)(圖9a),密實(shí)的層積混合云回波開始進(jìn)入河北中部,850 hPa東南風(fēng)與東北風(fēng)形成的切變線位于保定中部到石家莊中部一帶,其東側(cè)在滄州到保定北部有超過20 m·s-1的東南風(fēng)低空急流,急流附近最大雷達(dá)反射率因子超過50 dBz,地面形成一條短時(shí)強(qiáng)降水帶。11時(shí)降水回波呈東北—西南走向(圖9b),強(qiáng)回波位于850 hPa東南風(fēng)急流前沿的切變線附近,地面最大雨強(qiáng)超過50 mm·h-1。14時(shí)850 hPa切變線移動(dòng)緩慢(圖9c),超過20 m·s-1的東南風(fēng)急流進(jìn)入北京南部,最強(qiáng)回波位于偏東風(fēng)與東南風(fēng)切變處,保定東部地面雨強(qiáng)超過70 mm·h-1。17時(shí)切變線附近強(qiáng)降水回波穩(wěn)定少動(dòng)(圖9d),其東南方滄州、衡水附近的帶狀MCS開始移入,逐漸與切變線附近回波相連,地面超過70 mm· h-1的強(qiáng)降水主要由準(zhǔn)東西向MCS造成。20時(shí),保定南部到衡水一線的MCS發(fā)展達(dá)最強(qiáng),回波超過50 dBz(圖9e),從垂直剖面可見(圖9i),多個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體排列緊湊,為典型的低質(zhì)心結(jié)構(gòu),強(qiáng)回波集中出現(xiàn)在6 km附近、0℃層以下,以暖云降水為主,地面最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)70～80 mm·h-1,且回波長(zhǎng)軸方向與移動(dòng)方向一致,在保定南部平原附近形成明顯的“列車效應(yīng)”。入夜后切變線在保定西部太行山前維持(圖9f),東南風(fēng)急流強(qiáng)度略有減弱,MCS強(qiáng)度減弱,地面降水的強(qiáng)度和范圍減小,主要位于保定西部山區(qū)。31日07時(shí)隨著河北南部850 hPa東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南偏南風(fēng)(圖9g),保定至天津附近形成東西向暖式切變線,其北側(cè)東南風(fēng)急流中的回波在廊坊附近突然發(fā)展加強(qiáng),地面降水迅速加大,31日08時(shí)后移入北京(圖9h),給北京西南部帶來強(qiáng)降水,11時(shí)最大雨強(qiáng)達(dá)到114.2 mm·h-1。

注:黑色實(shí)線為200 m地形等高線,棕色線為850 hPa切變線。圖9 2023年7月30日(a)08時(shí)、(b)11時(shí)、(c)14時(shí)、(d)17時(shí)、(e)20時(shí),31日(f)02時(shí)、(g)07時(shí)和(h)10時(shí)雷達(dá)反射率因子拼圖(填色),850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)與之后1 h的短時(shí)強(qiáng)降水(彩色圓點(diǎn)),(i)石家莊雷達(dá)反射率因子沿圖9e中黑線的剖面Fig.9 Radar reflectivity (colored), 850 hPa horizontal wind (barb) and 1 h short-time severe precipitation thereafter (colored dot) at (a) 08:00 BT 30, (b) 11:00 BT 30, (c) 14:00 BT 30, (d) 17:00 BT 30, (e) 20:00 BT 30 and (f) 02:00 BT 31, (g) 07:00 BT 31, (h) 10:00 BT 31 July 2023, (i) the cross-section of radar reflectivity along the black solid line in Fig.9e at Shijiazhuang

4.4 河北中部對(duì)流系統(tǒng)演變的原因

30日08—11時(shí),河北中部地面為一致的東北風(fēng)(圖略),風(fēng)向與西部太行山走向基本一致。14時(shí),河北中部冷池出流產(chǎn)生的偏北風(fēng)與其東側(cè)的偏東風(fēng)形成地面輻合線,輻合線以東由于午后氣溫和露點(diǎn)溫度升高,積累了充足的不穩(wěn)定能量,CAPE值在滄州附近出現(xiàn)接近2000 J·kg-1的中心(圖10a),在850 hPa東南急流脈動(dòng)作用下不斷有對(duì)流單體觸發(fā)、發(fā)展形成MCS(圖9c)。20時(shí) CAPE大值區(qū)向西擴(kuò)展至河北中部(圖10b),800 J·kg-1的中心位于保定西南部,地面仍以東北偏東風(fēng)為主,保定至衡水有弱的風(fēng)場(chǎng)輻合線,MCS在高能區(qū)、輻合線附近合并發(fā)展加強(qiáng),后向傳播形成“列車效應(yīng)”(圖9e)。22時(shí)(圖10c),河北東南部CAPE值減小,MCS強(qiáng)度開始減弱。31日02時(shí)(圖10d),北京南部、保定北部、廊坊附近存在400 J·kg-1的CAPE,地面仍為東北風(fēng),而保定以南的風(fēng)向開始轉(zhuǎn)為東南偏東風(fēng),此時(shí)降水區(qū)還主要位于河北中部太行山前。31日07時(shí)(圖10e),超過400 J·kg-1的CAPE僅在北京、廊坊附近存在,廊坊以南地面為一致的東南風(fēng),與北側(cè)的東北風(fēng)形成輻合線,降水回波在地面輻合線附近發(fā)展加強(qiáng)。從風(fēng)廓線資料可見(圖6f),北京上空分別在30日15—22時(shí)和31日08—10時(shí)出現(xiàn)風(fēng)速超過20 m·s-1的低空急流,前者為臺(tái)風(fēng)倒槽向北發(fā)展過程中伴隨的低空急流,高度在2 km以下,急流核以偏東風(fēng)為主。與30日不同,31日08時(shí)前后加強(qiáng)的低空急流發(fā)展得很高,接近4 km高度,超過20 m·s-1的急流核從0.5 km向上伸展到4 km 附近,風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)。對(duì)比天氣形勢(shì),此時(shí)臺(tái)風(fēng)殘渦減弱,副高開始西伸,588 dagpm線剛好位于北京附近上空,850 hPa上北京以南的東南風(fēng)已轉(zhuǎn)為西南偏南風(fēng)。

注:黑色粗實(shí)線為200 m地形等高線,棕色線為地面輻合線。圖10 2023年7月30日(a)14時(shí)、(b)20時(shí)、(c)22時(shí),31日(d)02時(shí)、(e)07時(shí)地面自動(dòng)站10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)和CAPE(填色),(f)30日08時(shí)至31日14時(shí)北京附近上空假相當(dāng)位溫(填色和黑色等值線)、ξMPV1(紅色等值線,單位:PVU)的演變Fig.10 The 10 m wind (barb) from ground automatic station, CAPE (colored) at (a) 14:00 BT 30, (b) 20:00 BT 30, (c) 22:00 BT 30 July and (d) 02:00 BT 31, (e) 07:00 BT 31 July 2023, (f) the time-altitude evolution of θse (colored and black contour) and ξMPV1 (red contour, unit: PVU) from 08:00 BT 30 to 14:00 BT 31 July 2023

為考察天氣形勢(shì)變化帶來的氣團(tuán)及層結(jié)穩(wěn)定度的演變,計(jì)算了北京附近上空假相當(dāng)位溫以及濕位渦的濕正壓項(xiàng):

式中:ξMPV1表示慣性穩(wěn)定度和對(duì)流穩(wěn)定度,北半球大氣一般是慣性穩(wěn)定的即(ζp+f)>0,ξMPV1<0[(?θe/?p)>0]時(shí)為對(duì)流性不穩(wěn)定,因此ξMPV1可以反映對(duì)流穩(wěn)定度的變化。

從假相當(dāng)位溫的時(shí)間演變來看(圖10f),30日20時(shí)之前,北京附近上空900～500 hPa假相當(dāng)位溫等值線接近垂直,即垂直梯度很小,大氣處于近中性狀態(tài),只是在900 hPa以下存在假相當(dāng)位溫的垂直梯度,對(duì)應(yīng)ξMPV1<0,說明近地面存在對(duì)流不穩(wěn)定。31日02時(shí),隨著低空偏南風(fēng)向北推進(jìn),850 hPa假相當(dāng)位溫增大到356 K,氣團(tuán)更加暖濕,假相當(dāng)位溫等值線以水平分布為主,垂直方向梯度增大,從900～600 hPa都出現(xiàn)了ξMPV1<0區(qū)域,說明對(duì)流不穩(wěn)定層在抬高增厚?？梢?隨著副高西伸,低層?xùn)|南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南氣流,北京附近氣團(tuán)相比于臺(tái)風(fēng)倒槽影響時(shí)更加高濕高能,大氣對(duì)流不穩(wěn)定層次增加,4 km以下東南風(fēng)急流加大,地面形成東北風(fēng)與東南風(fēng)的輻合線,使得07時(shí)后廊坊附近降水回波發(fā)展加強(qiáng),之后向西北方向發(fā)展,給北京西南部帶來極端強(qiáng)降水。

可見,850 hPa切變線在河北中部山前穩(wěn)定少動(dòng)帶來持續(xù)性降水。河北東南部能量高值區(qū)中生成的對(duì)流單體在地面輻合線附近發(fā)展加強(qiáng),移入保定平原地區(qū)后形成“列車效應(yīng)”,因此河北中部400 mm以上的強(qiáng)降水并不全出現(xiàn)在山區(qū)。31日早晨副高588 dagpm線西伸至北京附近上空,850 hPa轉(zhuǎn)為西南偏南風(fēng),氣團(tuán)變得更加高濕高能,對(duì)流不穩(wěn)定層增厚,20 m·s-1的東南風(fēng)急流再次建立,發(fā)展到4 km高度,使得降水回波在廊坊附近發(fā)展加強(qiáng),31日白天造成北京西南部的極端強(qiáng)降水。

30—31日特大暴雨的概念圖見圖11。

注:LLJ及填色區(qū)為低空急流,紅色、黑色風(fēng)向桿分別為850 hPa、地面10 m風(fēng),黑色點(diǎn)斷線為地面輻合線,彩色為雷達(dá)回波。圖11 “23·7”臺(tái)風(fēng)倒槽階段河北特大暴雨的概念模型(a)30日,(b)31日Fig.11 The conceptual model of the July 2023 severe torrential rain during the stage of typhoon trough in Hebei Province for the precipitation on (a) 30 and (b) 31 July 2023

4.5 地形在強(qiáng)降水中的作用

太行山平均海拔為1000～1500 m,在河北中部呈東北—西南走向(圖12a),在河北南部呈南北走向。地形對(duì)華北暴雨的增幅作用已有不少研究(孫建華等,2006;符嬌蘭等,2017;栗晗等,2018;Xia and Zhang,2019;蘇愛芳等,2022)。從本次過程累計(jì)降水量超過400 mm的站點(diǎn)分布來看(圖12a),除了保定中部部分站點(diǎn)出現(xiàn)在平原地區(qū)外,大部分站點(diǎn)分布在太行山東麓附近地區(qū)。尤其是河北西南部強(qiáng)降水站點(diǎn)與地形等高線高度吻合,累計(jì)降水量在400 mm 以上站點(diǎn)的海拔高度中位數(shù)接近500 m(圖12b),而河北中部站點(diǎn)的海拔高度離散度較大,說明此處超過400 mm的站點(diǎn)分布既有平原,又有海拔較高的山區(qū)。以下重點(diǎn)對(duì)河北西南部降水極值中心附近地形作用進(jìn)行分析。

圖12 (a,b)“23·7”過程累計(jì)降水量在400 mm以上的站點(diǎn)(a)分布(彩色圓點(diǎn))和地形(填色)、(b)海拔高度箱線圖,(c)邢臺(tái)梁家莊站所在緯度過程累計(jì)降水量(紅線)與海拔高度(陰影)的緯向變化,(d)圖12a中方框放大后的精細(xì)化地形(填色)Fig.12 (a) Distribution of the stations with accumulated rainfall over 400 mm (dot) and topography (colored),(b) box plot of elevation for stations with accumulated rainfall over 400 mm, (c) zonal variation of accumulated rainfall (red line) and terrain height (shaded) at the latitude of Liangjiazhuang Station in Xingtai, (d) enlarged refined terrain (colored) in the box of Fig.12a from 29 July to 1 August 2023

對(duì)比梁家莊站所在緯度的過程累計(jì)降水量和地形的緯向分布(圖12c)可見,太行山東麓的累計(jì)降水量明顯高于東部平原地區(qū),降水量超過400 mm的區(qū)域主要位于海拔600 m以上的山區(qū)。降水過程極值中心附近的精細(xì)地形分析發(fā)現(xiàn)(圖12d),邢臺(tái)梁家莊站位于向東北開口的山谷內(nèi),海拔高度自東北向西南升高。29—30日地面為持續(xù)的東北風(fēng),氣流在狹長(zhǎng)的山谷內(nèi)被輻合抬升,對(duì)比周邊3 km范圍內(nèi)鄰近自動(dòng)站逐小時(shí)降水(圖略),梁家莊站各時(shí)次的降水量都要高于周邊站,地形效應(yīng)明顯。邢臺(tái)獐么站東西兩側(cè)也為海拔900 m左右的山脈,北側(cè)海拔相對(duì)較低,東北風(fēng)容易被山谷兩側(cè)山脈強(qiáng)迫輻合,地面累計(jì)降水量也達(dá)到了843.8 mm?？梢?河北南部太行山山脈有許多向東、向北開口的喇叭口微尺度地形,本次過程在持續(xù)的偏東和東北風(fēng)氣流影響下,地形對(duì)降水的增幅作用明顯。

5 倒槽減弱后的對(duì)流性降水

31日20時(shí),華北地區(qū)500 hPa受588 dagpm線控制(圖略),河北南部850 hPa已經(jīng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng),北京到河北西北部仍維持東南風(fēng)。925 hPa東南風(fēng)遠(yuǎn)距離將臺(tái)風(fēng)卡努外圍的水汽源源不斷地輸送到華北平原,河北大部地面露點(diǎn)溫度仍然維持在26℃以上。隨著31日午后河北中南部云量減少,環(huán)境條件發(fā)生了明顯變化,地面2 m氣溫快速升至30℃以上,地面處于高溫高濕狀態(tài);14時(shí)邢臺(tái)探空曲線上(圖6d),整層相對(duì)濕度下降、環(huán)境溫度直減率加大,不穩(wěn)定能量迅速增加,CAPE達(dá)3300 J·kg-1,同時(shí)LCL和LFC仍然很低,地面附近的弱輻合抬升即可觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放促使對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展。雷達(dá)拼圖顯示31日夜間和8月1日中午(圖13a,13b),在河北中南部地面輻合線附近分別有近乎南北向的線狀強(qiáng)對(duì)流回波形成,回波強(qiáng)度超過50 dBz,垂直剖面圖可以看出為典型的多單體風(fēng)暴(圖13c,13d),單體發(fā)展高度普遍達(dá)12 km以上,45 dBz以上的強(qiáng)回波主要位于0℃層附近及以下,以暖云降水為主,環(huán)境濕度大有利于提高降水效率,回波生成后沿著偏南氣流北上繼續(xù)給河北中部山前及平原帶來對(duì)流性降水。

圖13 2023年(a)7月31日22時(shí)和(b)8月1日14時(shí)京津冀地區(qū)雷達(dá)反射率因子拼圖(填色)及地面10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿),石家莊站雷達(dá)反射率因子(c)沿圖13a和(d)沿圖13b中黑色實(shí)線的剖面Fig.13 (a, b) Radar reflectivity (colored) and 10 m wind field (barb) in the Beijing-Tianjin-Hebei Region at (a) 22: 00 BT 31 July and (b) 14: 00 BT 1 August 2023, (c, d) vertical cross-sections of radar reflectivity along the black line in (c) Fig.13a and (d) Fig.13b at Shijiazhuang

可見,倒槽減弱后河北500 hPa上空逐漸轉(zhuǎn)為副高588 dagpm線控制,環(huán)境大氣調(diào)整為高溫、高濕、高能狀態(tài),地面輻合線觸發(fā)帶狀對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展,回波沿偏南氣流北上,地面雨帶雖窄,但與臺(tái)風(fēng)倒槽影響階段河北中部的雨區(qū)基本重疊,進(jìn)一步加大了累計(jì)降水量。

6 結(jié)論與討論

利用探空、地面自動(dòng)站、S波段多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等觀測(cè)和ERA5再分析資料,對(duì)“23.7”河北太行山東麓特大暴雨的降水特征、三個(gè)階段的降水成因進(jìn)行了初步分析,得到以下結(jié)論。

(1)本次過程具有累計(jì)降水量大、覆蓋范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、與地形關(guān)系密切等特征。過程平均和單站極值降水量?jī)H次于“63·8”,極端性特征明顯。累計(jì)降水量超過400 mm的站點(diǎn)集中出現(xiàn)在河北中部、河北西南部山前兩個(gè)區(qū)域,降水時(shí)間超過40 h,河北中部的降水時(shí)長(zhǎng)和最大小時(shí)雨強(qiáng)均高于河北西南部。河北西南部雨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn),但短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)長(zhǎng)超過河北中部。降水還表現(xiàn)出階段性特征,30日短時(shí)強(qiáng)降水范圍最廣,31日單站雨強(qiáng)最極端。

(2)罕見特大暴雨過程發(fā)生在相對(duì)穩(wěn)定的大尺度經(jīng)向環(huán)流背景下,塊狀副高位置偏北偏西,有利于臺(tái)風(fēng)杜蘇芮減弱低壓一路北上,副高外圍加強(qiáng)的東南風(fēng)低空急流為大暴雨發(fā)生提供了充足的水汽,850 hPa倒槽切變?cè)谔猩角胺€(wěn)定少動(dòng)提供了持久的輻合抬升條件。31日之前降水區(qū)的環(huán)境特征是深厚的濕層、低的LCL和LFC、弱的0～6 km垂直風(fēng)切變,對(duì)流發(fā)展的不穩(wěn)定能量條件相對(duì)較弱,只是30日下午在河北東南部CAPE得到了增長(zhǎng);31日副高逐漸控制華北地區(qū)后,環(huán)境溫度直減率加大,大氣不穩(wěn)定能量迅速增加。

(3)強(qiáng)降水分為倒槽西北側(cè)的陣性降水、臺(tái)風(fēng)倒槽降水和倒槽減弱后的對(duì)流性降水三個(gè)階段。倒槽西北側(cè)的陣性降水在925 hPa水汽通量大值區(qū)前沿輻合區(qū)生成,表現(xiàn)為一條條螺旋帶狀回波向河北傳播,降水間歇性波動(dòng)特征明顯。臺(tái)風(fēng)倒槽降水階段(概念圖見圖11),強(qiáng)的東南風(fēng)低空急流和水汽通量大值區(qū)進(jìn)入河北,雨強(qiáng)明顯加大。850 hPa切變線在太行山前穩(wěn)定少動(dòng),30日14時(shí)河北中部強(qiáng)降水區(qū)冷池出流的偏北風(fēng)與東側(cè)偏東風(fēng)形成地面輻合線,有利于河北東南部高能區(qū)觸發(fā)的對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)為MCS,MCS移入保定平原地區(qū)后形成“列車效應(yīng)”,增大了河北中部平原的降水量。地面東南風(fēng)與太行山冷池出流的偏北風(fēng)構(gòu)成的地面輻合線觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,是30日夜間河北西南部降水加強(qiáng)的原因。31日早晨副高西伸,850 hPa轉(zhuǎn)為西南偏南風(fēng),對(duì)流不穩(wěn)定層增厚,20 m·s-1的東南風(fēng)急流再次建立,造成北京西南部的極端強(qiáng)降水。倒槽減弱后河北主要受副高588 dagpm線控制, 臺(tái)風(fēng)卡努遠(yuǎn)距離輸送水汽使河北中南部處于高溫、高濕、高能狀態(tài),31日夜間和8月1日白天先后在河北中南部地面輻合線附近觸發(fā)兩條對(duì)流回波并北上,雨區(qū)重疊效應(yīng),進(jìn)一步加大了累計(jì)降水量。

(4)臺(tái)風(fēng)倒槽直接影響階段850 hPa切變線受太行山地形阻擋移動(dòng)緩慢,使得太行山山前長(zhǎng)時(shí)間維持偏東風(fēng),降水回波穩(wěn)定少動(dòng)是太行山山前累計(jì)降水量大的重要原因。河北西南部強(qiáng)降水主要發(fā)生在平均海拔600 m左右的山區(qū),過程極值梁家莊站位于向東北開口的狹長(zhǎng)山谷內(nèi),地面東北風(fēng)的長(zhǎng)時(shí)間維持加強(qiáng)了水汽在山脈間的強(qiáng)迫輻合,其各小時(shí)降水量均高于周邊站點(diǎn)。

本文基于基本觀測(cè)事實(shí),從天氣學(xué)的角度對(duì)本次罕見特大暴雨過程的成因進(jìn)行了初步分析,有更多問題需要深入開展研究,如:太行山地形在回波組織、維持及降水增幅等方面的作用有多大?31日上午副高西伸加強(qiáng)后,北京低空急流再次加強(qiáng)是否與降水潛熱反饋有關(guān)?還需要采用數(shù)值模擬、敏感性試驗(yàn)等手段進(jìn)一步給出定量的研究結(jié)果。