三門峽“07.13”短時強降水形成機制及預報難點分析

呂作俊

(河南省三門峽市氣象局，河南三門峽 472000)

?

三門峽“07.13”短時強降水形成機制及預報難點分析

呂作俊

(河南省三門峽市氣象局，河南三門峽 472000)

利用單站氣象要素逐小時資料、NCEP 1°×1°再分析資料以及MICAPS常規資料，從過程實況、大尺度環流背景、物理量等方面，對2012年7月13日20：00～14日00：00發生在三門峽市區及附近的短時局地強降水過程的形成機制及預報難點進行了詳細分析。結果表明，這次短時強降水是在有利的大尺度環流背景下產生的，整個過程冷空氣活動均非常活躍；三門峽站氣象要素演變對降水開始具有較好的指示意義；過程的水汽條件及動力條件在降水開始前6 h左右仍然不利于產生降水，直到降水開始前2 h左右才逐漸轉化為有利條件。過程預報中存在氣象參考資料時空分辨率不足以及水汽條件與當地暴雨預報指標不一致兩大難點，業務中需要在不斷完善當地暴雨預報指標的基礎上，著重從短時臨近角度進行分析預報。

短時強降水；形成機制；預報難點；冷平流

短時強降水是一種具有突發性、局地性和致災性特征的強對流天氣，常引發山洪、城市積澇、泥石流和山體滑坡等地質災害，給人民生命財產帶來巨大損失，因其致災性強、預報難度較大，成為近年來災害性天氣研究的重要內容之一。許多氣象工作者分別從不同方面對其開展了大量研究，并取得一定的研究成果[1-5]，如紀曉玲等[1]利用多種資料對寧夏北部一次短時暴雨的中尺度對流系統特征分析發現，此次短時暴雨是在有利環流背景下由2個對流單體先后影響而后合并維持造成的，閃電發生頻率對降水有明顯的指示意義；慕建利等[6]利用T213常規資料及地面加密觀測資料，分析了發生在陜西關中的一次短歷時強暴雨的水汽條件，結果發現，關中強暴雨水汽來源于周圍的高濕區，暴雨區上空水汽淺薄，東西向水汽輻合是暴雨區水汽的主要來源；許愛華等[7]通過對我國南方梅雨期間發生的強降水過程進行分析，提出了有利于該類強降水的預報著眼點及暴雨落區判斷依據。

三門峽是河南省防汛重點區域，為山地及丘陵地形，下墊面復雜，是短時強降水的多發地區，經常造成嚴重災害，如2010年7月23～24日三門峽市出現罕見強降水過程，引發了山洪、泥石流、山體滑坡以及城市積澇，造成直接經濟損失12.96億元，死亡失蹤人口4人。因此，加強對三門峽市強降水形成機制及預報技術研究，減小此類氣象災害的影響，具有十分重要的意義。2012年7月13日20：00～14日00:00三門峽市區及其附近地帶出現了強烈的短時強降水天氣。由于降水集中在市中心并產生了嚴重災害，當日短期天氣預報中又未能預報出來，因而在社會大眾與政府部門中產生了一些不利影響。筆者利用單站氣象要素逐小時資料、NCEP 1°×1°再分析資料以及MICAPS常規資料，從過程實況、大氣環流背景、物理量等方面對這次過程進行詳細分析，找出此次過程的形成機制，并總結預報難點，以期為三門峽市短時強降水天氣的預報技術提供經驗和指標，從而減少這類失誤的發生。

1　過程實況分析

1.1降水與災情7月13日20：00～14日00：00三門峽市出現了少見的以市區為降水中心的短時強降水天氣。此次強降水的中心主要集中在三門峽市區及陜縣中部地區(圖1)，共有 8個自動站降水量超過50.0 mm，最大降水量為80.5 mm，出現在湖濱區磁鐘站，而市觀測站降水量為75.8 mm。降水主要出現在13日20：00之后，到14日00：00降水已經結束，降水集中時段為20：00～21：00、21：00～22：00，小時降水量分別達26.8和39.4 mm(圖2)。據民政部門統計，此次災害共造成湖濱區70戶246口人不同程度受災，城市道路及街道排洪排污管道被沖毀、坍塌，直接經濟損失達850萬元，慶幸的是未造成人員傷亡。由此可見，“07.13”短時強降水具有明顯的局地性、突發性和致災性特點。在如此集中的區域內，2～3 h就出現8個站點超過50.0 mm降水，在三門峽市實屬少見，預報難度比較大。

1.2單站氣象要素演變此次降水過程發生在市區，市觀測站恰好位于暴雨的中心位置，分析市觀測站從降水開始前6 h到結束后3 h內氣象要素的演變特征(圖2)發現，13日14：00三門峽站平均氣溫為29.2 ℃，隨著時間推移，溫度正常小幅度減小，至20:00溫度減小至26.0 ℃，平均減小幅度為0.5 ℃/h;到21：00，溫度突然下降至21.8 ℃，1 h下降幅度達4.2 ℃，對應降水量分布圖，則降水恰好開始;而后溫度一直保持在21.2～21.8 ℃，并有極小幅度的升降。由此可見，地面冷空氣侵入，激發了不穩定能量釋放，在有利的背景條件下產生了這次短時強降水。

圖1　2012年7月13日14：00～14日02：00三門峽市降水量分布Fig.1　The precipitation distribution in Sanmenxia City during 14:00, 13 July-02:00, 14 July 2012

注：為了繪圖方便，氣壓值截取了實際值的個位與小數點后1位數值并放大10倍，實際氣壓數值的百位與十位分別為9和5。 Note:In order to facilitate drawing,the unit and one digit after decimal point of actual value was intercepted and magnified 10 times as pressure value,hundred and ten point of actual pressure value is 9 and 5.圖2　2012年7月13日14：00～14日02：00三門峽本站各氣象要素時間演變Fig.2　The time evolution of meteorological elements in Sanmenxia Station during 14:00, 13 July-02:00, 14 July 2012

從三門峽站相對濕度(圖2)在降水前后的演變特征可以看出，降水開始前的6 h內，本站相對濕度均不大，一直維持在62%～65%。而13日20：00后，相對濕度突然增大至87%，21：00達最大(90%)，而后相對濕度基本維持在88%?？梢?，強降水開始前，當地濕度一直不大，而降水開始時相對濕度有一次跳躍性升高，降水開始后，相對濕度維持較大值很少變化。

分析三門峽站地面氣壓(圖2)變化可知，13日14：00～18：00該站氣壓變化不大，一直維持在953.4～953.7 hPa，從18：00開始，氣壓開始明顯增大，到19：00增大至954.7 hPa，1 h內正變壓為1.1 hPa，而20:00、21:00的小時正變壓分別為1.2、1.8 hPa;22:00氣壓略有下降，到23:00氣壓又出現略升。直至14日00:00以后，氣壓才穩步下降。由此可知，降水前氣壓升高，說明地面有冷空氣，正變壓大小表現了冷空氣的強弱，對應降水實況則為更大的降水量。這也從另外一個角度說明冷空氣是這次強降水發生的重要原因。

2　大尺度環流背景分析

分析發現，這次短時強降水是在有利的大尺度背景下產生的。13日14:00 500 hPa(圖3a)，歐亞大陸中高緯度為三低一高型，我國東北地區東部、貝加爾湖西北部以及巴爾喀什湖東部分別有一個低值中心，貝加爾湖南部一直到我國新疆東部地區為一高壓(簡稱貝湖高壓，下同)控制，高壓脊呈東北—西南走向，位于貝加爾湖西北部的低值系統與貝湖高壓反位相疊加；40°～45°N、110°～115°E區域內有一東西向橫槽，有利于冷空氣堆積，未來將沿貝湖高壓前部西北氣流南壓轉豎；三門峽處在橫槽前部的西北氣流里。到20:00(圖3b)，環流形勢已經發生明顯變化；東西2個低值中心穩定維持，貝加爾湖西北部的低值系統已經東移至貝加爾湖東北部；而貝加爾湖南部的貝湖高壓中心強度明顯增加，已由6 h前的5 824 gpm增加至5 832 gpm，并進一步向東伸展，其東部等壓線變得更加密集；環流形勢的這種調整，更有利于高壓前西北氣流攜帶冷空氣在橫槽內聚積；此時橫槽位置沒有變化，但強度加強，橫槽內出現閉合等值線，說明有冷空氣在此強烈堆積。14日02：00(圖3c)，此時降水已經結束，貝湖高壓明顯減弱，中心強度僅有5 816 gpm，橫槽已轉豎，冷空氣已經侵襲，而正是在冷空氣大舉向南暴發的階段出現了強降水。由于冷空氣很強，向南暴發速度快，所以降水強度激烈，持續時間很短。分析700和850 hPa的環流形勢，也有與之類似的結論。

分析此次冷空氣堆積及暴發的原因可知，13日14:00(圖3a)，高壓頂部溫度槽落后于低壓槽，有冷平流，而貝湖高壓增強，南高北低系統反位相疊加，則有利于冷空氣沿西北氣流加速南下在橫槽內聚積。20:00(圖3b),隨著貝加爾湖西北部低槽東移，高壓后部開始轉為暖平流，暗示橫槽即將轉豎。14日 02:00,暖平流已侵入到橫槽內，阻高大幅度減弱，橫槽轉豎，冷空氣向南侵入。

圖3　2012年7月13日14:00(a)、20:00(b) 和14日02:00(c)500 hPa位勢高度線(單位：gpm)和等溫線(單位：K) Fig.3　The geopotential height line and isotherm at 500hPa at 14:00 BT (a), 20:00 BT (b) on 13 July and 02:00 BT (c) on 14 July 2012

從降水區(34°～35°N、111°～111.5°E)上空冷平流演變形勢看，13日14：00，該區上空等位勢高度線與等溫線有明顯交角，說明存在弱的冷平流(圖3a)；到20：00，等位勢高度線與等溫線接近垂直，冷平流明顯增強(圖3b)；到14日02：00，強冷平流已經影響到河南南部地區，降水區后部無冷暖平流(圖3c)，說明冷空氣對降水區的影響已經結束，降水停止。

3　物理量分析

3.1水汽條件分析

3.1.1相對濕度。分析這次過程的相對濕度變化發現，在強降水開始前的6 h內(圖4a、b)，降水區(111°～111.5°E)相對濕度并不大，尤其是900 hPa以下，相對濕度<80%，這與當地系統性降水過程中相對濕度一般均在90%以上的情況完全不符；在強降水發生之前，900～350 hPa相對濕度略有增加，但變化不大；直到降水結束后，14日02：00相對濕度才明顯增加，>80%的相對濕度向下伸展至1 000 hPa以下，而此時地面已經產生了降水，但整層相對濕度均在70%～90%，>90%的層次很少(圖4c)。由此可見，產生短時強降水的水汽條件中，相對濕度在70%以上就可以發生，這與當地氣象臺站總結的暴雨預報指標之一相對濕度>80%是不一致的，說明當地的暴雨預報指標還有待于進一步完善。

圖4　2012年7月13日14:00(a)、20:00(b) 和14日02:00(c)沿35°N相對濕度經向垂直剖面Fig. 4　The vertical section of relative humidity along 35°N at 14:00 BT (a), 20:00 BT (b) on 13 July and 02:00 BT (c) on 14 July 2012

3.1.2水汽通量及其散度。從圖5可以看出，13日14：00，降水區及其周圍均為正的水汽通量散度，水汽通量值很小，說明此時降水區上空有弱的水汽輻散，水汽輸送非常弱。到20：00，降水區及其周圍開始出現負的水汽通量散度，在山西南部到陜西關中一帶出現了一個負的大值中心，表明此時降水區上空已經開始出現水汽輻合，降水區出現在水汽輻合中心的南邊界；而從水汽輸送來看，降水區水汽來源有2個部分，一個是由位于陜西中北部到甘肅東部的水汽輻散中心向東南輻散出的水汽，圖中表現為西北向的水汽通量，另一個為山東與河南交界處的輻散中心向西輻散出的水汽，圖中表現為東東北向水汽通量。降水區就是出現在這兩股水汽通量的輻合地帶，但水汽通量很小，輻合強度也比較低，沒有較強的暖濕空氣輸送。這也與當地氣象臺站總結的暴雨預報指標(強西南暖濕氣流)相矛盾。這可能就是這次過程影響范圍非常小、持續時間短的原因。

注：矢量表示水汽通量，單位是kg/(hPa·m·s);陰影區表示水汽通量散度，單位是 kg/(hPa·m2·s)?！ote: Vector represents water vapor flux, the unit is kg/(hPa·m·s); shadow area indicates water vapor flux divergence, the unit is kg/(hPa·m2·s). 圖5　2012年7月13日14:00(a)、20:00(b) 和14日02:00(c)700 hPa水汽通量及水汽通量散度Fig.5　The water vapor flux and divergence of water vapor flux at 700 hPa at 14:00 BT (a), 20:00 BT (b) on 13 July and 02:00 BT (c) on 14 July 2012

3.2動力條件分析

3.2.1垂直速度。13日14：00(圖6a)，降水區(111°～111.5°E)上空基本維持弱的下沉運動，900 hPa以下下沉運動最強;到20:00(圖6b)，800 hPa以下仍然維持下沉運動，800～300 hPa為上升運動，300 hPa以上為下沉運動。綜合前述分析可知，在冷空氣由高空向低層侵入的過程中，降水區上升運動越來越強，上升運動的厚度也越來越大。14日02:00(圖6c)，850 hPa以下是上升運動，850～400 hPa為下沉運動，400 hPa以上則為上升運動。850 hPa以上出現下沉運動，阻止了水汽進一步上升凝結，是降水結束的重要標志。 由此可知，此次強降水過程在降水開始前6 h左右整層為弱的下沉運動，而在降水將要發生時降水區上空800～300 hPa才轉為上升運動，上升運動厚度比較厚，運動速度逐漸增大，說明整個降水云層厚度也較厚，動力條件有利于產生短時強降水。而中層出現下沉運動，則意味著降水結束。

圖6　2012年7月13日14:00(a)、20:00(b) 和14日02:00(c)沿35°N垂直速度經向垂直剖面(單位：hPa/s)Fig. 6　The vertical section of vertical veloxity along 35°N at 14:00 BT (a), 20:00 BT (b) on 13 July and 02:00 BT (c) on 14 July 2012

3.2.2相對渦度。沿35°N計算各經度不同高度上的相對渦度大小(圖7)發現，13日14：00，降水區上空500 hPa以下高度均為負的相對渦度，對應著弱的下沉運動，500 hPa以上高度為正的相對渦度。到20：00，600 hPa以下各高度負的相對渦度值減小至0，600 hPa以上相對渦度均為正值，高空的正渦度中心向下伸展至600 hPa高度，說明降水區上空整層動力條件在向著有利于強降水發生的方向轉化。到14日02：00，降水區上空500 hPa以下高度均變為負的相對渦度，說明500 hPa以下開始出現下沉運動，動力條件不利于降水發生，降水結束。由此可見，此次強降水過程開始前和降水結束后，500 hPa以下均為負的相對渦度，對應下沉運動，不利于產生降水；而到降水即將開始時，500 hPa以上正渦度中心開始向下伸展至600 hPa，而原來600 hPa以下的負的渦度值已減小至0，向正的渦度轉化，旋轉上升運動加強，導致強降水的發生。

4　預報難點分析

通過上文分析可見，這次短時強降水過程是在有利的大尺度環流條件下，逐漸轉化為有利于降水發生的動力條件促使水汽在降水區輻合抬升而產生的。其主要特點為：①強降水開始前6 h，500 hPa南高北低形勢建立并反位相疊加，高壓開始增強，頂部出現冷平流，有利于冷空氣在高壓前部的橫槽里堆積；但此時水汽條件及動力條件均不利于產生強降水。②13日20：00開始，500 hPa高壓后部開始出現暖平流，意味著橫槽轉豎，而此時水汽已經開始在降水區輻合，動力條件開始向有利于強降水發生的方向發展。③此次強降水過程的水汽條件與當地氣象臺站總結的暴雨預報指標不一致。

盡管這次強降水過程具有如此明顯的特點，然而在當日的預報業務中并未預報出來。經過對比分析發現，預報難點主要在于目前天氣預報業務參考資料的時空分辨率不夠，未能及時顯示上述天氣特點。上述分析的結論是在6 h 1次的NCEP 1°×1°高時空分辨率資料里分析得到的。而在日常預報分析業務中，常規高空觀測資料及數值模式資料(T639、ECMWF等)時間分辨率為12 h(即每日08:00和20:00各一次)，空間分辨率為2.5°×2.5°(大約277 km×227 km),在分析如此小范圍(大約50 km×30 km)的短時強降水過程時，資料的時空分辨率顯然不夠滿足業務需求。

從13日08：00高空觀測資料(圖8a)可以看出，13日08:00， 500 hPa上空三門峽市西南部有一低槽，700 hPa有一西北—東南向的切變線正在影響當地，850 hPa有一西北指向東南的相對濕度>70%的濕舌，而在925 hPa有個東北—西南向的顯著流線指向當地。由中尺度分析結果，三門峽市在08：00前后應有一定強度的強對流天氣出現，而實況顯示，當日并未出現任何對流性天氣，說明這些因素在當地的配置并不利于產生強對流天氣。由ECMWF 13日20：00 24 h預報形勢場(圖8b)可見，13日20:00，500 hPa上空有一顯著流線從降水區西部經過，850 hPa陜西與山西交界處有一接近南北向并向東突出的切變線，這種形勢對三門峽市強天氣的預報指示意義不大，主要是缺少相應的水汽條件及動力因子特征。由前文分析可知，這些因子在NCEP 1°×1°資料里可以分析到，常規天氣預報參考資料空間分辨率太大，從而平滑掉了這些弱的特征。因此，當日15:00在全省會商中，省市兩級臺站均未能預報出這次短時強降水。

圖8　2012年7月13日08:00高空實況(a)與ECMWF 12日20:00初始場預報13日20:00高空形勢(b)Fig.8　High altitude observation at 08:00 on 13, July 2012 (a) and ECMWF high-altitude situation forecasted field at 20:00 on 13, July 2012 based on the initial field at 20:00 on 12, July 2012 (b)

另外，這次強降水過程的水汽條件與當地氣象臺站總結的暴雨預報指標不一致，整個降水過程相對濕度未超過90%，低于當地暴雨預報指標。過程始末也無當地暴雨發生時必須的大范圍水汽輸送帶、水汽源地以及強西南暖濕氣流補充水汽等條件。這也是此次短時強降水過程難以預報準確的一個重要原因。

5　小結與討論

該研究利用觀測站記錄的氣象要素逐小時資料、NCEP一日4次的1°×1°再分析資料，對2012年7月13日20：00～14日00：00發生在三門峽市區及其附近地區的短時強降水過程及預報難點進行了詳細分析，得出以下結論：

(1)三門峽市“07.13”短時強降水過程具有局地性、突發性和致災性特點，三門峽站氣象要素，如溫度的突降、相對濕度的跳躍性升高以及地面正變壓的明顯增大等變化，對強降水開始具有較好的指示意義，其中氣壓變化的指示效果最好，具有提前性。

(2)這次短時強降水是在中高緯度三低一高的有利形勢下產生的。貝湖高壓的增強與大幅度減弱，橫槽的加深與轉豎是這次過程的直接動因。高空南高北低的系統配置及反位相疊加加強了冷空氣堆積及向南暴發的強度。降水區上空冷平流的發展演變與強降水開始與結束有很好的對應關系。

(3)無論是地面溫度與氣壓變化，還是高空冷平流的演變，均說明冷空氣的侵入是這次強降水發生的重要激發機制。

(4)此次強降水過程的水汽來源于附近地區2個水汽輻散中心輻散出的水汽在降水區的輻合，沒有大范圍水汽輸送帶，也沒有西南暖濕氣流；而強降水發生前整層相對濕度均不大；水汽條件與當地暴雨預報指標不一致。

(5)強降水開始前動力條件不利于產生降水，直到降水即將開始時，動力條件才逐漸向有利于產生降水的方向轉化。動力條件顯示，上升運動向上伸展的高度較高，說明云層較厚，有利于產生短時強降水。而中層出現下沉運動，則意味著降水結束。

(6)此次短時強降水過程因持續時間短、影響范圍小，所以預報難度較大，主要表現為：目前天氣預報業務參考資料的時空分辨率不足，不能及時顯示此次天氣過程的特點；這次強降水過程的水汽條件與當地氣象臺站總結的暴雨預報指標不一致，水汽的輸送及來源均與當地暴雨常規形勢不同。應對這2個難點的方法是：首先業務中需要從短時臨近角度，利用多普勒天氣雷達、多要素站及自動站資料相結合來分析預報；其次需要在當地暴雨預報指標的基礎上加強對此類短時強降水的認識和研究，完善暴雨預報指標，提高預報能力。

[1] 紀曉玲, 馮建民,穆建華,等.寧夏北部一次短時暴雨中尺度對流系統的特征分析[J].大氣科學學報,2010,33(6):711-718.

[2] 王麗榮,劉黎平,王立榮,等.一次局地短時大暴雨的中-γ尺度分析[J].高原氣象, 2011, 30(1):217-225.

[3] 王嘯華,吳海英,唐紅昇,等. 2009年7月7日南京短時暴雨的中尺度特征分析[J].氣象, 2012, 38(9):1060-1069.

[4] 吳蓁,范學峰,鄭世林,等.臺風外圍偏東氣流中的暴雨及其等墑位渦特征[J].高原氣象,2008,27(3)：584-595.

[5] 杜小玲． 2012年貴州暴雨的中尺度環境場分析及短期預報著眼點[J].氣象, 2013,39(7):861-873．

[6] 慕建利,李澤椿,趙琳娜,等. “07.08”陜西關中短歷時強暴雨水汽條件分析[J].高原氣象, 2012,31(4):1042-1052.

[7] 許愛華,諶蕓.中尺度天氣圖分析技術在2011年我國南方4次強降水過程中的應用[J].氣象, 2013,39(7):883-893．

Analysis on Formation Mechanism and Forecast Difficulty of the Short-time Strong Rainfall Occurred in Sanmenxia on 13 July

LU Zuo-jun

(Sanmenxia Meteorological Administration, Sanmenxia, Henan 472000)

Based on the single station meteorological hourly data, NCEP 1°×1° reanalysis data and MICAPS data, from aspects of process, large scale circulation backgroud, physical quantity, the formation mechanism and forecasting difficulties of the short-time strong precipitation process was analyzed in detail, which occurred in Sanmenxia City and the nearby local from 20:00 13 July to 00:00 14 July, 2012. The results showed that the short-time strong rainfall generated in the favorable large scale circulation background, the cold air activities during the whole process were very active;the Sanmenxia meteorological elements evolution had a good indication to precipitation; water vapor conditions and dynamic conditions won’t still conducive to produce precipitation on 6 hours before precipitation in the precipitation process, until 2 hours before the rainfall it gradually gradually transformed into favorable conditions.Two difficulties of forecasting were low time and space resolution of the meteorological reference information and diffence of water vapor conditions and local rainstorm forecast indicators,analysis and forecast were conducted mainly from the angle of nowcasting, based on continuous improvement of the local rainstorm forecast index.

Short-time strong precipitation; Formation mechanism; Forecast difficulty; Cold advection

氣象關鍵技術集成與應用項目(CMAGJ2014M33)。

呂作俊(1981- )，男，河南信陽人，工程師，碩士，從事短期與短時臨近預報技術研究。

2016-06-12

S 161.6

A

0517-6611(2016)21-166-06