新鄉(xiāng)市大到暴雨天氣過(guò)程個(gè)例分析

摘要：利用常規(guī)氣象資料，對(duì)新鄉(xiāng)市2005年5月16日發(fā)生的大到暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行天氣動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明：這次大到暴雨過(guò)程是在有利的大尺度環(huán)流背景下，有較強(qiáng)南下冷空氣和北上西南暖濕氣流的共同作用，在中緯度地區(qū)形成深厚的SW急流，從而誘導(dǎo)西南低渦和低空急流的形成和發(fā)展。西南低渦、低空急流和地面冷鋒是造成這次天氣過(guò)程的主要天氣系統(tǒng)，在這些天氣系統(tǒng)的共同作用下，產(chǎn)生大到暴雨天氣過(guò)程。強(qiáng)降水的落區(qū)位于地面冷鋒前部、低空急流的前端。

關(guān)鍵詞：大到暴雨；冷鋒；急流；西南渦

2005年5月16日，新鄉(xiāng)市所轄8個(gè)縣（市）普降大到暴雨，降水量分別為輝縣35.7mm、衛(wèi)輝46.6mm、獲嘉42.5mm ，新鄉(xiāng)39.0mm，原陽(yáng)42.9mm，延津40.8mm，封丘36.0mm，長(zhǎng)垣38.7mm（圖1）。華北地區(qū)的降水80%～90%出現(xiàn)在6～8月，主要集中在雨季，其中又以7月下半月和8月上半月最集中 [1] ，春季的強(qiáng)降水過(guò)程很少，本文根據(jù)現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的基本特點(diǎn)，資料信息量大、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品豐富、預(yù)報(bào)工具多 [2] 。采用暴雨預(yù)報(bào)的技術(shù)和方法，對(duì)本次過(guò)程進(jìn)行分析和研究。氣象研究人員對(duì)暴雨預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了深入的研究工作 [3-5] ，隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的迅速發(fā)展，常規(guī)氣象資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品相結(jié)合，運(yùn)用《天氣學(xué)原理與方法》分析研究天氣預(yù)報(bào)，仍是現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。

圖1 5月16日降水量空間分布圖

1 中、短期環(huán)流形勢(shì)的演變及分析

過(guò)程前期，500hPa圖上，中高緯度地區(qū)維持二槽一脊型，副熱帶高壓維持在南海一帶。由于副高的加強(qiáng)北抬，與歐亞大陸發(fā)展東移的高脊合并，從南海到貝湖的東側(cè)形成強(qiáng)大的暖性高壓脊。由于暖性高壓脊的形成，使得高脊后有強(qiáng)盛的SW氣流得到強(qiáng)烈發(fā)展。16日08時(shí)在張掖、蘭州、成都到思茅一線(xiàn)形成深厚的低槽。從溫、壓場(chǎng)的配置來(lái)看，該天氣尺度系統(tǒng)是非對(duì)稱(chēng)的、斜壓的，因此天氣系統(tǒng)是發(fā)展加強(qiáng)的。在低槽前部的河套地區(qū)有飽和區(qū)；同時(shí)在重慶、達(dá)川到安康形成強(qiáng)盛的西南急流軸，軸線(xiàn)上的風(fēng)速都在20m/s以上。強(qiáng)盛的西南急流，為降水天氣的產(chǎn)生提供了水汽、能量和動(dòng)力條件。

700hPa：14日20時(shí)，高原東部形成西南渦。15日20時(shí)，西南渦發(fā)展東移到玉樹(shù)和達(dá)日一帶，在低渦前部，從貴州、鄂西到鄭州形成急流軸，新鄉(xiāng)地區(qū)位于急流軸的前端，在這里有風(fēng)速的輻合，有水汽和能量的聚集，有利于強(qiáng)降水天氣的產(chǎn)生。16日08時(shí)，在延安和成都一帶各生成一個(gè)低壓環(huán)流，低槽位于延安、西安到成都一線(xiàn)，延安到邢臺(tái)形成一條切變線(xiàn)，延安附近的低渦將沿切變線(xiàn)向東北方向移動(dòng)，新鄉(xiāng)地區(qū)將處于低渦的東南象限里，這里對(duì)應(yīng)著強(qiáng)降水的落區(qū)（圖2）。從我國(guó)的西南到黃河南岸產(chǎn)生廣闊的急流區(qū)，強(qiáng)盛的西南急流，源源不斷地把水汽、能量、渦度輸送到新鄉(xiāng)地區(qū)，為強(qiáng)降水天氣的產(chǎn)生提供了水汽和動(dòng)量。

圖2 16日08時(shí)700 hPa環(huán)流形勢(shì)圖

850hPa：由于冷暖空氣活躍，15日08時(shí)在成都到重慶一帶西南低渦形成。16日08時(shí)，西南渦略有加強(qiáng)北上，低渦中心位于重慶到成都一帶，低槽和切變線(xiàn)分別位于達(dá)川、重慶到昆明和達(dá)川、南陽(yáng)到南京一線(xiàn)。低渦中心沿切變線(xiàn)方向移動(dòng)，即東移北上影響新鄉(xiāng)地區(qū)（圖3）。

圖3 16日08時(shí)850 hPa環(huán)游形勢(shì)圖

地面圖：15日08時(shí)在臨河、蘭州到托托河生成冷鋒，西南地區(qū)有倒槽形成。在冷鋒東移發(fā)展過(guò)程中，與西南地區(qū)向東北方向強(qiáng)烈發(fā)展的倒槽合并，生成黃河氣旋。16日14時(shí)，同時(shí)受氣旋影響出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)段。

受高層西南急流、中低空西南渦和黃河氣旋的共同作用在新鄉(xiāng)地區(qū)產(chǎn)生大到暴雨天氣。

2 數(shù)值產(chǎn)品的分析和檢驗(yàn)

2.1 歐洲風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)分析。

歐洲中心的風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，500hPa：15日20時(shí)，達(dá)日、甘孜到巴塘有一低槽，新鄉(xiāng)地區(qū)處于槽前寬廣的西南氣流里；16日20時(shí)低槽發(fā)展東移到太原、洛陽(yáng)、安康到重慶一線(xiàn)，槽前西南氣流明顯增強(qiáng)，新鄉(xiāng)地區(qū)處于強(qiáng)盛西南氣流的前端。700hPa：16日20時(shí)，由氣旋性彎曲發(fā)展成西南渦向東北方向移動(dòng)，其中心位置位于延安到太原一帶，新鄉(xiāng)地區(qū)位于氣旋的東南象限，對(duì)應(yīng)于強(qiáng)降水落區(qū)。由歐洲的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)來(lái)看，對(duì)這次降水系統(tǒng)的生成、強(qiáng)度和移動(dòng)，與實(shí)況比較接近，預(yù)報(bào)能力較強(qiáng)，對(duì)天氣分析預(yù)報(bào)有一定的參考價(jià)值。

2.2 T213物理量診斷分析。

2.2.1 垂直速度分析。

T213物理量的預(yù)報(bào)場(chǎng)，500hPa：16日14時(shí)在新鄉(xiāng)地區(qū)西部的平?jīng)龈浇凶畲蟠怪彼俣葹?240×10 -3 百帕/秒的上升區(qū)，垂直速度的大值區(qū)呈南北向分布。20時(shí)，中心上升區(qū)向東北方向移動(dòng)，數(shù)值增加至-372×10 -3 百帕/秒。17日08時(shí)，垂直速度數(shù)值猛增，極值中心位于河北南部和河南北部，數(shù)值為-536×10 -3 百帕/秒。根據(jù)15日20時(shí)的預(yù)報(bào)場(chǎng)來(lái)看，16日14時(shí)在河南的西南部有一中心值為-256×10 -3 百帕/秒上升區(qū)。

700hPa：14日20時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng)，16日08時(shí)，在我國(guó)西南地區(qū)武都附近，有垂直速度上升區(qū)，垂直速度最大值為-84×10 -3 百帕/秒。14時(shí)，垂直速度上升區(qū)東北移，中心移至平?jīng)龈浇畲笾颠_(dá)-208×10 -3 百帕/秒，數(shù)值迅速增大。20時(shí)，最大中心移到延安附近，垂直速度最大值達(dá)-396×10 -3 百帕/秒。17日08時(shí)最大值移至河南北部，中心在安陽(yáng)附近，最大值達(dá)-440×10 -3 百帕/秒。

850hPa：14日20時(shí)的預(yù)報(bào)場(chǎng)，16日20時(shí)在新鄉(xiāng)地區(qū)的西部有垂直速度的上升區(qū)，17日08時(shí)，在河南北部到河北的中南部有一垂直速度的最大上升區(qū)，最大中心在河北南部，中心值達(dá)-264×10 -3 百帕/秒。通過(guò)對(duì)T213數(shù)值預(yù)報(bào)各層垂直速度的分析可以看出：T213對(duì)本次過(guò)程在垂直速度的預(yù)報(bào)上，移動(dòng)路徑和實(shí)況一致，時(shí)效上落后36小時(shí)，空間位置上偏北3個(gè)緯距，因此T213對(duì)這次強(qiáng)降水動(dòng)力過(guò)程的預(yù)報(bào)和實(shí)況有一定的偏差（圖略）。

2.2.2 渦度分析。

14日20時(shí)渦度預(yù)報(bào)分析表明，17日08時(shí)850hPa，在黃河以北到河北中部分別有一正渦度區(qū)，最大數(shù)值達(dá)24×10 -5 /秒，與實(shí)況位置略偏西，時(shí)效落后。

2.2.3 水汽通量分析。

T213水汽通量預(yù)報(bào)場(chǎng)，15日20時(shí)，在重慶一帶有120×10 -7 克/百帕·厘米·秒的大值區(qū)，16日02時(shí)增大到160×10 -7 克/百帕·厘米·秒，且向東北方向移動(dòng)。16日08時(shí)，水汽通量中心移到湖北的西北部。14時(shí)，水汽中心轉(zhuǎn)向偏東方向移動(dòng)。20時(shí)，減弱東北移。從水汽的移動(dòng)路徑來(lái)看，起始位置和天氣系統(tǒng)比較接近，移動(dòng)方向有一定偏差。

從T213的物理量場(chǎng)分析可以看出，T213對(duì)這次強(qiáng)降水過(guò)程的預(yù)報(bào)場(chǎng)和實(shí)況場(chǎng)有一定的偏差，在指導(dǎo)預(yù)報(bào)上要進(jìn)行訂正。

3 日本傳真圖的分析及應(yīng)用

從日本降水預(yù)報(bào)可以看出，14日08時(shí)72小時(shí)預(yù)報(bào)：新鄉(xiāng)地區(qū)的降水量在30～35mm之間，量級(jí)基本接近實(shí)況。南北各有一中心值，中心值有40mm以上，接近降水實(shí)況，位置有些偏差（圖4），對(duì)本次降水預(yù)報(bào)有指導(dǎo)作用。從日本降水預(yù)報(bào)的連續(xù)演變過(guò)程分析可以看出：隨著時(shí)間的臨近，降水預(yù)報(bào)誤差的量級(jí)卻逐漸在減小，對(duì)降水預(yù)報(bào)能力較強(qiáng)。因此，日本降水預(yù)報(bào)對(duì)系統(tǒng)性降水過(guò)程預(yù)報(bào)能力較強(qiáng)，可作為一個(gè)參考工具。

圖4 日本14日08時(shí)72小時(shí)降水預(yù)報(bào)

4 急流分析

低空急流是給中緯度暴雨和強(qiáng)風(fēng)暴提供水汽和動(dòng)量最重要的機(jī)制。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，低空急流與暴雨之間的正相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.80，暴雨一般發(fā)生在低空急流風(fēng)速最大值的左前方。

4.1 急流成因機(jī)制分析。

根據(jù)天氣圖的分析可知：12號(hào)位于20°N以南的副熱帶高壓加強(qiáng)北抬，同時(shí)，位于50°N以北的冷高壓勢(shì)力也在不斷加強(qiáng)；南部的暖性高壓勢(shì)力強(qiáng)大，系統(tǒng)深厚，從低層到高層均受暖高壓控制。北部的冷性系統(tǒng)，在850hPa以下表現(xiàn)為冷高壓，850hPa以上為冷性低值系統(tǒng)，冷空氣勢(shì)力強(qiáng)大。兩種熱力性質(zhì)不同的氣團(tuán)相向運(yùn)動(dòng)，使冷暖空氣在中緯度地區(qū)交匯，形成空氣質(zhì)量的堆積。同時(shí)，由于冷暖空氣的擠壓作用，在水平方向上氣壓梯度 增大，在空氣密度和地轉(zhuǎn)參數(shù)的變化所引起的地轉(zhuǎn)風(fēng)的變化可以忽略不計(jì)的情況下，即地轉(zhuǎn)風(fēng)的變化主要是由于氣壓梯度 的變化引起的，根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)公式： 由于氣壓梯度 的增大，而使地轉(zhuǎn)風(fēng)Vg增大，結(jié)果在中緯度地區(qū)形成急流。這次過(guò)程中的急流在水平方向上產(chǎn)生的順序?yàn)橄仍诮粗g形成急流，然后逐漸加強(qiáng)向北移動(dòng)；在垂直方向上形成的順序是由高層向低層發(fā)展延伸，即動(dòng)量的向下傳播。

4.2 高低空急流的耦合分析。

高空急流與鋒面及鋒面的次級(jí)環(huán)流有密切的關(guān)系，高空急流和鋒面統(tǒng)稱(chēng)急流——鋒系，它們相伴隨的次級(jí)環(huán)流稱(chēng)急流——鋒次級(jí)環(huán)流。低空急流是一種動(dòng)量、熱量和水汽的高度集中帶，低空急流主要是以中尺度擾動(dòng)的形式向暴雨區(qū)輸送動(dòng)量、熱量和水汽 [6] 。高空急流的形成和傳播誘導(dǎo)低空急流的產(chǎn)生和發(fā)展，高、低空急流的相互作用，引起三維質(zhì)量——?jiǎng)恿空{(diào)整，三維質(zhì)量——?jiǎng)恿康恼{(diào)整必然伴隨天氣過(guò)程的產(chǎn)生和發(fā)展。在高空急流中心的入口區(qū)和出口區(qū)都有高低空急流的耦合，與高低空急流相聯(lián)系的次級(jí)環(huán)流和上升支都位于低空急流的左側(cè)。當(dāng)?shù)孛胬滗h前的上升運(yùn)動(dòng)與高低空急流耦合的次級(jí)環(huán)流的上升運(yùn)動(dòng)相疊加，有利于垂直運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的天氣過(guò)程。同時(shí)，在低空急流的前端，有較強(qiáng)的水汽通量和水汽通量輻合。對(duì)本次過(guò)程來(lái)說(shuō)，高、低空急流和冷鋒的配置關(guān)系與演變過(guò)程滿(mǎn)足高、低急流的耦合關(guān)系，容易產(chǎn)生強(qiáng)天氣過(guò)程，其平面配置圖如圖6所示。這次出現(xiàn)的強(qiáng)降水過(guò)程，就是在高、低空急流和地面冷鋒的相互配合作用下而產(chǎn)生的大到暴雨過(guò)程。

5 降水時(shí)空分布規(guī)律及特點(diǎn)

15日08時(shí)，新鄉(xiāng)市上空SW氣流建立，降水開(kāi)始，但由于是受暖性高壓脊后部的SW氣流影響，即暖氣團(tuán)的控制，降水性質(zhì)多以陣雨或零星小雨為主，降水量不大。隨著系統(tǒng)的發(fā)展東移，當(dāng)冷鋒逼近新鄉(xiāng)地區(qū)，即有冷空氣侵入時(shí)，降水強(qiáng)度開(kāi)始加大，表明冷鋒的動(dòng)力抬升明顯，16日16～18時(shí)為降水的主要集中時(shí)段。強(qiáng)降水的落區(qū)位于冷鋒前部、低空急流的前端。如圖5，這里是暖濕空氣的主要上升支。

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圖5 16日08時(shí)高、低空急流耦合圖

6 結(jié)束語(yǔ)

61 對(duì)于春季強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)，特別是對(duì)于長(zhǎng)期少雨時(shí)段的轉(zhuǎn)折過(guò)程，預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)應(yīng)放在天氣尺度環(huán)流形勢(shì)的調(diào)整上，只有在大尺度環(huán)流形勢(shì)調(diào)整后，才有可能產(chǎn)生較強(qiáng)的天氣過(guò)程。本次強(qiáng)降水過(guò)程是在大尺度環(huán)流形勢(shì)調(diào)整的基礎(chǔ)上，強(qiáng)冷暖空氣在本地上空交匯產(chǎn)生的。

62 對(duì)于本次區(qū)域性的強(qiáng)降水過(guò)程，具備了以下幾個(gè)條件：穩(wěn)定的天氣尺度環(huán)流形勢(shì)、低值系統(tǒng)的生成和發(fā)展、深厚的強(qiáng)SW急流，這些條件的形成對(duì)大到暴雨天氣過(guò)程提供了動(dòng)力條件。

63 這次降水過(guò)程的主導(dǎo)天氣系統(tǒng)是500hPa的低槽，影響系統(tǒng)是西南低渦，西南低渦是在大的環(huán)流形勢(shì)調(diào)整的過(guò)程中、在冷暖空氣的交匯地區(qū)即在斜壓大氣中產(chǎn)生、發(fā)展起來(lái)的。

64 用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論很好地解釋了急流的成因，通過(guò)對(duì)高、低空急流耦合和地面冷鋒的配置關(guān)系，對(duì)分析降水落區(qū)和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文等.天氣學(xué)原理和方法[M].（第三版）.北京：氣象出版社，2000：360.

[2] 中央氣象臺(tái).天氣預(yù)報(bào)方法與業(yè)務(wù)系統(tǒng)研究文集[M].北京：氣象出版社，2002.

[3] 陶詩(shī)言.中國(guó)之暴雨[M].北京：科學(xué)出版社，1980：1- 225.

[4] 《華北暴雨》編寫(xiě)組.華北暴雨[M].北京：氣象出版社，1992：1- 182.

[5] 王鍵，壽紹文.“03.8”遼寧地區(qū)暴雨過(guò)程成因的診斷分析[J].氣象，2003，31（4）：18- 21.

[6] 丁一匯.高等天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社，2005：443- 444.