2012年7月9日豫北一次短時暴雨診斷分析

葉 東

(新鄉市氣象局，河南新鄉 453000)

2012年7月9日豫北一次短時暴雨診斷分析

葉 東

(新鄉市氣象局，河南新鄉 453000)

摘 要：利用常規觀測資料、加密自動站資料、新一代多普勒雷達資料和NCEP1°×1°全球再分析資料，對2012年7月9日出現在豫北地區的短時暴雨天氣過程診斷分析。結果表明：副高外圍強盛的西南急流將海上水汽輸送到降水區；中低層暖舌有利于暴雨區不穩定能量的增加；中低層的輻合上升運動、地面干線和輻合線是這次暴雨過程的觸發機制；穩定度指標的變化對強降水有較好的指示意義；雷達回波與中尺度輻合線有很好的對應關系；豫北地區的地形有利于降水的加強。

關鍵詞：短時暴雨；渦度；中尺度系統；垂直速度

由中尺度引發的強降水研究是氣象工作者研究的重點和難點。陶詩言提出，中尺度天氣系統對產生暴雨主要有兩個作用，一是直接作用產生暴雨，二是中尺度天氣系統對積云對流活動的發展有明顯的組織和增強作用[1]。近年來隨著觀測手段和氣象資料的豐富，加上中尺度數值模擬的發展，對中尺度天氣系統的研究取得了很大突破。劉黎平等[2]利用多普勒雷達對一次混合云暴雨過程的中尺度結構特征進行了研究。于仁成等[3]利用數值模擬分析了一次中尺度對流系統造成的暴雨，指出中尺度系統之間的碰撞合并有利于對流系統的發展。王嘯華等[4]指出地面中尺度輻合系統的移動與對流雨帶的移動相對應。陳曉紅等[5]利用紅外云圖輻射亮溫場(TBB)分析指出，暴雨雨團一般出現在TBB梯度大值區附近。何群英等[6]發現地面中尺度輻合線增強了地面的輻合抬升，是造成暴雨的中尺度系統和觸發條件。還有許多氣象工作者也對中尺度系統引起的暴雨進行了研究[7-8]。然而，對中尺度天氣系統產生的暴雨落區預報一直都是難點，對中尺度系統的發生、發展及移動變化規律的認識還有許多欠缺，在中尺度數值模式的資料同化和非常規資料的應用方面還值得進一步的研究。本文利用常規觀測資料、多普勒天氣雷達資料、加密自動站資料和NCEP再分析資料對2012年7月9日發生在河南西北部的一次短時暴雨過程診斷分析，研究造成這次短時暴雨的物理量特征和中尺度特征，探索這種突發性暴雨在臨近預報中的著眼點。

1 實況

2012年7月9日08—14時河南省西北部出現了一次短時強降水天氣。其中新鄉市西部的獲嘉縣6 h降水量達84 mm，全市降水量超過50 mm的鄉鎮有25個。這次降雨量較大地區集中在新鄉的西北部(圖1a)，雨帶呈東北—西南走向；降水時段集中在09—12時(圖1b)。具有時間短、強度大、范圍小的特點。寶泉水庫位于新鄉西北部與山西交界一帶，主要降水時段比獲嘉早1 h，雨團的移動軌跡是從山西向河南西北部移動。這次短時強降水致使輝縣山區部分鄉鎮出現山洪，造成多間房屋倒塌，獲嘉全縣2 000 hm2農田積水， 多處房屋倒塌。

圖1 2012-07-09T14河南省6 h累積雨量圖(a,單位為mm)和08—14時寶泉水庫、獲嘉縣逐小時雨量圖(b)

2 大尺度環流背景條件

2.1 高空環流形勢演變

利用NCEP 1°×1°再分析資料分析此次過程的高空形勢場。7月8日20時500 hPa高空形勢圖上(圖2a)，北半球為一槽兩脊形勢，東亞大槽位于貝加爾湖附近，由于長波擾動的影響，東亞大槽底部有小槽不斷分裂南下，影響我國北部地區。副高位于我國的東南沿海一帶，河南受副高外圍584 dagpm等高線的控制，河南北部處于584 dagpm線附近吹西南風。從等溫線的分布特征看，河南省從700 hPa至近地面都處于暖舌中(圖略)，有利于不穩定能量的積聚。700 hPa(圖略)在山西至河北南部有一切變線。9日08時高空圖上(圖2b)，584 dagpm線北抬至黃河以北，豫北地區仍處于副高外圍的西南氣流中，由于副高北抬，850 hPa原本從廣西到湖北一帶的低空急流向北伸到河南東南部一帶，雖然急流位置有些偏南，但鄭州站偏南風風速從4 m/s增大到8 m/s，中低層的偏南氣流為豫北地區提供了充沛的水汽，在沿黃一線有明顯的風向風速輻合，有利于水汽在豫北地區聚集。從850 hPa到1 000 hPa豫北地區都存在東西向的切變線，有利于輻合上升運動的發展。在850 hPa河南北部有一溫度槽，說明有冷空氣開始入侵，有利于前期累積的不穩定能量釋放。切變線位置處于500 hPa槽線南端，與暴雨落區對應較好。9日14時(圖略)500 hPa鄭州已經轉為槽后西西北氣流，850 hPa溫度槽收縮東移，1 000 hPa輻合線東移至山東中部，豫北地區降水過程基本結束。

實線為500 hPa等高線(單位為dagpm)；虛線為925 hPa等溫線(單位為 ℃)； 粗實線為850 hPa切變線；灰色箭頭為850 hPa低空急流；黑色方塊為強降水區圖2 2012-07-08T20 500 hPa高度場、風場(a)和2012-07-09T08高空綜合圖(b，風場為850 hPa)

2.2 地面形勢

7月8日20時至9日14時地面圖(圖略)上，豫北至四川一帶處于高溫帶內，在河北、河南北部至四川有一倒槽，豫北地區一直受倒槽影響，且倒槽有加強北抬的發展趨勢，倒槽附近的東南氣流不僅帶來了豐富的水汽，而且與北部擴散南下的冷空氣配合，形成地面輻合線，從而造成強烈的上升運動，地面輻合線是這次短時暴雨的主要觸發機制。

3 不穩定條件

表1給出了K指數[9]、假相當位溫(θse)、對流有效位能(CAPE)、對流抑制能量(CIN)和地面露點溫度差(t-td)等不穩定指標在降水過程前后的變化情況，K指數、θse、CAPE在強降水之前不斷增加，而在強降水之后迅速下降，而CIN的變化與之相反；露點溫度差在降水前較小，說明空氣的飽和度高，有利于降水產生。利用NCEP資料對這次降水中心附近(113.6°E，35.6°N)做探空分析(圖3)，可以看出08時強降水中心的自由對流高度較低，在900 hPa附近，氣塊更易抬升到自由對流高度以上，有利于對流運動發展，層結曲線和濕絕熱線之間的不穩定能量較大，且在900 hPa以下高空風有東南風與東北風的水平切變，產生的正渦度平流有利于氣流輻合，從而觸發不穩定能量釋放。14時自由對流高度抬升至800 hPa附近，而此時900 hPa以下為一致的東北風，正不穩定能量區也迅速縮小，強降水隨即結束。

表1 2012-07-08—09探空資料計算的穩定度參數

虛線為層結曲線；實線為濕絕熱線圖3 2012-07-09 強降水中心(113.6°E,35.6°N)T-lnp圖

4 水汽條件

水汽通量是表示水汽在單位時間內輸送強度的物理量,而水汽通量散度則表征了水汽在單位時間內的輻合強度[10]。從圖4可看出，02時在33°N附近900 hPa高度有2.4 g/(cm·hPa·s)的水汽通量大值區，同時水汽通量散度在36°N以南的中低層有-2×10-7g/(cm2·hPa·s)帶狀的水汽輻合區，說明此時大量水汽還位于強降水落區以南，但強降水落區上空已經有水汽開始輻合。隨著副高進一步北抬，9日08時900 hPa的水汽通量中心向北移動至35°N附近，中心強度仍維持在2.4 g/(cm·hPa·s)。相對應在強降水區上空900 hPa附近存在一-6×10-7g/(cm2·hPa·s)的強水汽輻合中心，同時中低層的偏南風風速也顯著增加，說明此時在強降水區上空水汽含量充沛，并且有強的水汽輻合，有利于大氣低層的水汽向上輸送。9日14時水汽通量大值區北移至38°N附近(圖略)，且水汽通量中心值減小至1.2 g/(cm·hPa·s)，強降水落區上空的水汽通量散度轉為正值，降水過程結束。此次強降水過程的水汽變化具有短時強降水的特點：前期水汽條件不明顯，降水發生時水汽突然增加且有強水汽輻合，降水結束后水汽條件迅速減弱。

實線為水汽通量；虛線為水汽通量散度小于零的區域(大于零的區域略)；黑色三角為強降水區圖4 2012-07-09 700 hPa水汽通量(單位：10-1 g/(cm·hPa·s))、水汽通量散度(單位：10-7 g/(cm2·hPa·s))沿強降水中心113.5°E緯向剖面與風場疊加圖

5 動力條件

分析渦度場的空間分布可以進一步說明大氣在垂直方向的動力特征。圖5為強降水中心(35.6°N，113.5°E)的渦度時間剖面圖?？梢钥闯?日08時中層大氣渦度明顯增大，800 hPa附近有一個6×10-5s-1的正渦度中心，500 hPa到900 hPa渦度均為正值，說明中層大氣有氣旋性環流，根據渦度方程，渦度的變化與散度的變化有負相關性，渦度隨時間增大有輻合運動。在300 hPa附近有一個-6×10-5s-1的負渦度中心，說明高層大氣有反氣旋性環流，有輻散運動，中層輻合高層輻散產生的抽吸作用有利于上升運動的發展，利于低層的不穩定能量向上輸送和不穩定能量的釋放，從而產生強降水。9日14時，中低層的渦度迅速減小到1×10-5s-1，上升運動減弱，降水過程結束。

垂直速度場(圖略)上，8日20時在河套地區東部700～850 hPa有明顯的垂直上升運動，而豫北地區為弱的下沉氣流；9日08時河套地區的上升運動區東移至山西與河南交界一帶，豫北地區500 hPa以下均為上升運動，有利于低層水汽和不穩定能量向高層輸送，同時在900 hPa以下豫北地區為弱的下沉運動，應該與地面弱冷空氣的入侵有關，弱冷空氣觸發近地面不穩定能量的釋放，加強了垂直運動的發展。

圖5 2012-07-09—10沿強降水中心(35.6°N,113.5°E)渦度(單位：10-5 s-1)時間剖面圖

6 中尺度系統

6.1 地面中尺度系統

分析全國逐小時自動站加密資料，可彌補常規觀測資料時空分辨率較低的弱點，使預報員更清楚地認識中尺度天氣爆發的特點，從而找出預報著眼點。圖6是9日08—12時地面中尺度系統與降水量疊加圖，可以看出08時在山西南部至河南西北部存在一條西北—東南向的輻合線和一條干線，而山西南部到河南西部都處于t-td≤5 ℃的濕區中，降水大值區位于干線西側，輻合線的南側。10時地面濕舌明顯東移，整個河南北中部地區都處于濕區內。地面輻合線和干線略有東移，同時輻合線轉為東—西走向，此時強降水落區位于輻合線北側干線西側與山西交界一帶，且降水強度有所增強，中心雨強大于50 mm/h。11時輻合線繼續東移，輻合線東側略有北抬，干線東移至京廣線附近，此時降水中心已經位于河南中北部地區，強降水范圍進一步擴大，中心雨強仍大于30 mm/h。12時以后輻合線東移減弱，降水強度隨即降為5 mm/h以下。通過以上分析，可以看出強降水與輻合線、干線、濕舌有較好的對應性，強降水出現在輻合線與干線相交點的濕區一側。此次降水過程中，輻合線形成后自西向東移動，且09—11時始終在沿黃以北一帶維持，干線也基本維持在河南西北部，濕舌則有明顯的北抬東移跡象，豫北地區一直維持偏東氣流，干冷空氣從干區流向濕區有利于不穩定能量的觸發，輻合線則有利于上升運動的發展，該時段也是此次過程雨量集中的時段。

陰影為1 h降雨量(單位:mm)；箭頭線為流線；實線為輻合線；虛線為干線(露點鋒)；點劃線為濕舌(t-td≤5 ℃)圖6 2012-07-09 地面中尺度系統與雨量疊加圖

6.2 FY-2E衛星云圖黑體亮溫(TBB)

降水與TBB有很好的相關性[7-9]。9日07時在山西南部與河南交界一帶出現一對流云團(圖略)，尺度較小，整個對流云團的頂部溫度低于-35 ℃。此后對流云團在東移過程中迅速發展，云頂溫度不斷降低，范圍也迅速擴大，08時云頂中心溫度降至-50 ℃，山西南部至河南西北部一帶TBB值均在-40 ℃以下。10時對流云東移至新鄉西北部地區，影響范圍進一步擴大，TBB值均在-44 ℃以下，11時以后TBB中心迅速移至河南東北部，且升高到-35 ℃，整個新鄉地區TBB值也快速升至-30 ℃以上，降水趨于結束。分析可知，強降水發生的時段新鄉上空對流云團TBB值在-50～-44 ℃之間，表明對流并不是很旺盛，所以這次過程以強降水為主，并沒有出現其他強對流天氣現象。

6.3 雷達回波特征

中尺度天氣系統持續時間短、強度大、變化快，運用常規觀測資料分析預報，手段有限，多普勒雷達的一次體掃時間是6分鐘，可以快速發現并追蹤中小尺度天氣系統，是臨近預報的重要手段。圖7是強降水發生前后濮陽新一代多普勒雷達產品?；痉瓷渎蕡D上，9日08：02新鄉西部至山西有零散回波，強度不大；08：32在原陽、獲嘉和輝縣西部出現三個降水回波帶(圖7a)，中心強度35 dBZ，隨后3個回波帶在獲嘉西部合并，中心強度增加到40 dBZ；10：45降水回波進一步增強，中心最大強度達到45～50 dBZ(圖7b)；12：03回波帶分散東移，強度有所減弱，在新鄉其他地區造成了短時降水，但強度不大(圖略)。圖7c是10：33平均徑向速度回波圖，可以看出獲嘉和輝縣有兩個風向的輻合區(黃色圓圈)，輻合區的位置與強降水的位置相對應。圖7(d)是10：38雷達垂直液態含水量圖(VIL), VIL能夠較好的反映強降水發生前后降水區域液態水的變化，從而找出預報規律。圖中河南西北部基本處于5 kg/m2的區域中，強降水區域上空的VIL達到20 kg/m2，此時正是降水發生的最強時段。11：30以后VIL迅速減小，降水也隨之結束。從整個雷達回波的演變趨勢可以看出，回波帶的移動軌跡與地面中尺度輻合線移動軌跡一致，強回波帶位置與中低層切變線位置相對應，徑向速度產品能夠辨別中尺度的輻合區，這些輻合區與強對流天氣相對應，VIL的變化與降水量的變化有較好的一致性，這對臨近預報有很好的參考價值。

(a)08：32基本反射率圖(b)10：45基本反射率圖(c)10：33平均徑向速度圖(d)10：38垂直液態含水量圖圖7 2012-07-09濮陽多普勒雷達產品圖(仰角2.4°；距離圈間隔50 km)

6.4 地形抬升作用

河南地處華北平原，地勢西高東低，北部與太行山脈相連，西部為秦嶺余脈，南部為大別山脈、桐柏山脈。新鄉地處豫北，其西北部與位于山西的太行山脈相接，由于其特殊地形使暴雨帶常集中于新鄉西北部一帶。從降水空間分布來看，此次降水過程中暴雨帶位于新鄉西北部，且雨帶走向呈東北—西南向，這與新鄉西北部沿太行山一側地形走向相似。圖8是9日08時高空風場與地形疊加剖面圖，可以看出從山西南部到河南南部為一致的偏南風，黃河以北靠近太行山東南側的地區為偏東風，新鄉西北部正好處于迎風坡，有利于水汽在迎風坡一側抬升凝結，從而加強了山前區域的降水。

圖8 2012-07-09T08 高空風場疊加地形剖面圖

7 小結

7.1 這次新鄉地區短時暴雨過程是由于副高北抬和低空急流提供了充足的水汽條件和不穩定能量，高空短波槽和中尺度地面輻合線是這次天氣過程的觸發機制。

7.2 K指數、對流有效位能、假相當位溫與強降水有較好的對應關系，溫度露點差能夠有效判斷空氣飽和程度，多種指標相結合可作為預報對流性強降水的判據。

7.3 中低層強烈的上升運動有利于把低層的水汽和不穩定能量輸送到高層，同時上升運動帶來的降溫加速了不穩定能量釋放。中尺度地面輻合線與強降水落區有很好的對應關系，強降水出現在地面輻合線附近，且雨團沿850 hPa切變線方向移動，結合中尺度地面輻合線和中低層切變可以判斷中尺度雨團的發展移動。

7.4 雷達強回波帶移動軌跡與地面中尺度輻合線移動軌跡一致，強回波帶位置與中低層切變線位置向對應，這對以后的臨近預報有很好的參考價值。

7.5 豫北地區西北高東南低的地形使得近地面的東南風在太行山南側強迫抬升，有利于降水在迎風坡一側加強。

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中圖分類號：P458.1211

A

文章編號：1006-4354(2013)05-0013-07

收稿日期：2013-04-11

作者簡介：葉東(1983—)，男，漢,河南新鄉人,理學學士,助理工程師,從事短期天氣預報。

基金項目：河南省氣象局“精細化暴雨預報配料法技術研究與應用”(z201102)