2016年河南開封一次局地大暴雨成因分析

冀翠華　呂哲源

摘要利用MICAPS天氣圖、地面加密觀測資料、雷達產品以及NCEP 1°×1° 6 h再分析資料，對2016年7月19日河南開封出現的一次局地大暴雨過程的環流背景、物理量特征、雷達回波等進行了分析。結果表明，此次大暴雨過程是在副熱帶高壓西伸北抬過程中，高空槽配合低層低渦、切變線、地面倒槽共同作用下產生的；西南低空急流的加強北抬，提供了較強的熱力不穩定條件；偏東和偏南超低空急流向暴雨區輸送了充沛的水汽；地面中小尺度輻合系統則是主要的抬升觸發機制，輻合中心的位置與局地大暴雨落區對應較好。雷達速度場上0.5°仰角逆風區的出現，為暴雨及時預警提供了有利判據。

關鍵詞局地大暴雨；成因分析；環流背景；物理量特征；雷達回波；開封

中圖分類號S161.6文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）36-0186-04

AbstractUsing the MICAPS weather map， ground encrypted observation data， radar products and NCEP 1°× 1° 6 h reanalysis data，the circulation background， physical characteristics and radar echo of a local heavy rainstorm were analyzed in Kaifeng City of Henan Province on July 19， 2016.The results showed that the process of heavy rainfall was caused by the combination of lowlevel vortex， shear line and ground trough in the process of northward extension of subtropical high.Southwest lowlevel jet to strengthen the north lift， providing a strong thermal instability conditions；Southwest lowlevel jet to strengthen the north lift， which provide a strong thermal instability conditions；East and south of the ultralowlevel jet transported plenty of water vapor to the storm area.Ground small scale convergence system was the main lifting trigger mechanism，the location of the convergent center corresponds to the local heavy rain falling area.The presence of the 0.5° elevation angle upwind zone in the radar velocity field provided a favorable criterion for the timely warning of rainfall.

Key wordsLocal heavy rainfall；Cause analysis；Circulation background；Physical quantity characteristics；Radar echo；Kaifeng

近年來，受厄爾尼諾影響，我國極端天氣氣候事件多發，局地暴雨作為我國夏季主要災害性天氣之一，在降水落區和強度上均表現出一定的極端性特點。夏季暴雨，由于其成因復雜、局地性強、預報難度大等特點，一直以來都是氣象工作者研究的重點[1-5]。2016年7月19日開封地區出現大到暴雨、局部大暴雨過程，不但造成嚴重的城市內澇和經濟損失，也給人們的生命安全帶來嚴重威脅。筆者利用MICAPS天氣圖、NCEP 1°×1° 6 h再分析實況資料、地面加密自動站數據、雷達資料等，從環流背景、物理量分析、雷達特征等方面，對7月19日開封市局地大暴雨的成因進行研究，總結此次暴雨形成的背景和條件，加深對局地大暴雨形成機理的認識，從而提高區域或局地暴雨的預報能力。

1降水實況

2016年7月19日下午到夜里，河南開封地區出現大到暴雨、局部大暴雨天氣過程。全市80個鄉鎮雨量站中，降水量≥100.0 mm的站15個，50.0～99.9 mm的站40個，25.0～49.9 mm的站13個；強降水主要集中在開封市區和杞縣東部，日最大降水量出現在市區杏花營站160.0 mm，達到歷史極值，而通許、尉氏均普降大到暴雨。

此次暴雨過程以短時強降水為主，伴有雷電，具有雨量分布不均、強降水時段集中、局地性強等特點。市區大暴雨對應強降水時段在19日17：00—19：00（圖1），最大小時雨強出現在市區杏花營79 mm/h，其次是市區西郊65 mm/h；杞縣、通許、尉氏站點最大小時雨強均小于30 mm/h。此次強降水過程災情嚴重，農作物受災面積約0.7萬hm2，倒塌房屋13戶28間，受災人口42 342人，且觸電死亡2人，不但造成嚴重的城市內澇和經濟損失，而且給人們生命安全帶來嚴重威脅。

2環流形勢和中尺度分析

2.1環流背景分析

分析高低空環流形勢及影響系統的演變發現，降水開始前，18日20：00 500 hPa亞歐中高緯為兩槽兩脊的環流形勢，巴湖有冷渦，貝湖到我國河套西部地區有冷槽，四川地區有低槽，副高588 dagpm線維持在我國東南沿海一帶略有西伸。

由于溫度槽落后于高度槽，至19日08：00，河套低槽東移發展，河南省處于槽前的西南氣流中；低層850 hPa在山西、陜西、河南三省交界處均有低渦、切變線東移和北抬，受低層西南氣流的影響，水汽條件均較好；同時配合地面倒槽向東北方向發展，河南中西部處于倒槽頂部，開始出現降水。

19日20：00，副高明顯西伸北抬，高空槽、切變線也向東移動，850 hPa低渦及地面倒槽北抬已經影響開封；同時配合低層西南急流的加強北抬，以及偏東急流的形成，向開封地區持續輸送暖濕空氣，尉氏和開封城區先后出現強降水天氣。20日08：00之后，地面倒槽加強，黃淮氣旋生成，并在副高繼續北抬的過程中，逐漸向東北方向移動，與此同時850 hPa低渦也基本移出河南省，降水趨于結束停止。

形勢分析可知，此次強降水過程是在副熱帶高壓西伸北抬和高空槽、切變線東移南下過程中，低層低渦配合地面倒槽共同作用造成的，動力條件很強，屬于典型的低渦型暴雨環流形勢[6-7]，即低渦移動的前方，或低空急流軸的左前方，容易出現對流性暴雨。

2.2地面中尺度分析

夏季暴雨的產生，受中小尺度系統的直接影響，且地面有輻合系統時往往對應有強降水產生。所以，在有利的環流背景形勢下，是否伴有中小尺度系統的生成是短時強降雨發生的關鍵所在。從地面加密自動站風場資料（圖2）可以看到，19日17：45—18：35在開封地區的西部存在中尺度切變線，輻合中心位置與大暴雨區對應較好。所以，地面中尺度輻合系統對于強降水出現的時間和落區均具有一定的指示意義。

3物理量分析

由于開封局地大暴雨主要是由大于50.0 mm的短時強降水造成，所以下面依次從不穩定能量條件、動力條件和水汽條件對環境場進行分析。

3.1不穩定能量條件

不穩定能量條件是強對流生成和發

展的必要條件之一，而且強降水的結束也往往對應著不穩定能量的迅速釋放。從19日08：00開封上游鄭州站的探空曲線（圖3）可以看出，濕層深厚，不穩定較強，抬升凝結高度較低，非常有利于短時強降水的產生。另外，從熱力不穩定度參數的變化情況（表1）也可以看到，19日08：00 K指數達到37 ℃，CAPE值大于1 400 J/kg，且SI指數小于0 ℃，均說明不穩定能量較好；20：00 CAPE值迅速減小，與強降水時段的結束對應較好。

從19日14：00假相當位溫（θse）分布（圖4b）可以看出，850 hPa存在伸向東北方向的高能舌，θse約350 K左右，推測不穩定能量主要是西南急流輸送暖濕空氣的貢獻。開封城區局地大暴雨的假相當位溫的時間剖面（圖4a）顯示，降水開始前（19日08：00），700 hPa以下θse隨高度遞減，大氣處于

不穩定狀態，且不穩定層結逐漸增厚；14：00—20：00不穩定層頂達到600 hPa左右，強不穩定能量在低層積聚，為短時強降水的發生提供了強不穩定條件；20日02：00之后，不穩定能量得到釋放，低層大氣層結也趨于穩定，降水逐漸停止。

3.2動力條件

上升運動是成云致雨的關鍵，強烈的上升運動可以使大量水汽得以冷卻凝結，產生強降水。從大暴雨上空散度時間剖面（圖5a）可以看出，19日20：00前后開封市區大暴雨上空動力配置非常好，925 hPa以下對應強輻合（-100×10-7s-1），700 hPa對應強輻散（40×10-7s-1），有利于產生強烈的上升運動；19日14：00—20：00，850 hPa垂直上升運動速度達-0.8 hPa/s。而大暴雨出現在開封城區，可能與垂直運動的大值中心偏西有關（圖5b）。

3.3水汽條件

從大暴雨區水汽通量和水汽通量散度的時間剖面圖和分布圖（圖6）可以看出，大值中心均出現在925 hPa，中心值分別達24×10-2 g/（cm·hPa·s）和-21×10-7g/（cm2·hPa·s），說明大暴雨區的強水汽輸送及輻合均集中在超低層，且水汽來源主要由偏東和偏南2支超低空急流提供。水汽通量散度極大值出現時間與強降水時段對應關系較好，也說明了強大的水汽輻合是強降水形成的直接原因[8]。水汽輻合中心偏北，也是導致開封城區局地大暴雨的原因之一。

4雷達回波特征

4.1反射率因子

分析鄭州多普勒雷達0.5°仰角反射率因子可見，強降水開始前，開封地區上空存在弱的降水回波，組合反射率因子低于45 dBz，沒有出現強降水。19日17：00，尉氏開始出現強對流回波，并沿西南—東北方向呈帶狀移動和發展，反射率因子達50 dBz以上，其中17：31—18：29，開封市區強回波中心強度超過55 dBz（圖7），對應回波頂高11～12 km，且40 dBz回波高度擴展到約9 km，說明對流發展非常旺盛。有研究表明，當強回波擴展到比較高的高度時，40 dBz回波高度高于-20 ℃等溫線高度時，說明此次過程是典型的大陸強對流降水型[9]，50 dBz對應小時雨強是62 mm/h，與實況最大小時雨強非常吻合。

4.2平均徑向速度

分析鄭州多普勒雷達反射率徑向速度（圖8）可見，19日17：25，祥符區西部開始出現一中尺度逆風區，并向北移動，一直持續到18：40，對應1.5°仰角在開封西部也存在風速輻合，與地面中尺度輻合線的出現對應關系較好。研究表明[10-14]，逆風區是前方輻合上升、后方下沉的渦管結構，對應中尺度垂直環流的形成，往往伴隨著劇烈的天氣過程，尤其與短時強降水關系密切，不僅是強對流天氣的判據，也是很好的暴雨判據。且逆風區存在的情況下，回波強度不會降低，所以在開封市區產生強降水。因此及時發現逆風區，在一定程度上能夠提高暴雨預警的時效性。

5結論

（1）7月19日開封市暴雨過程具有雨量分布不均、降水時段集中、局地性強、影響大等特點。市區出現局地大暴雨，強降水時段主要集中在19日17：00—19：00，最大小時雨強出現在杏花營79 mm/h，其次是西郊65 mm/h。

（2）此次暴雨屬于典型的低渦型暴雨，是在副熱帶高壓西伸北抬過程中，高空槽東移南下，配合低層低渦和地面倒槽共同抬升作用造成的。

（3）地面中小尺度輻合系統是此次過程主要的抬升觸發機制，其位置決定了強上升運動中心和水汽輻合強中心的偏西、偏北，是導致開封市區局地大暴雨的主要原因。

（4）物理量診斷發現，西南低空急流的加強北抬，向暴雨區持續輸送暖濕空氣，為對流的發展提供了熱力不穩定條件；偏東和偏南超低空急流為暴雨的產生提供了有利的水汽條件，強大的水汽輻合是暴雨產生的根本原因。

（5）雷達回波圖上，組合反射率因子達到50 dBz以上，且速度場上低層出現輻合或逆風區，均有利于強降水的產生，也為暴雨及時預警提供了有利判據。

參考文獻

[1] 楊曉亮，李江波，楊敏.河北2007年7月18日局地暴雨成因分析[J].氣象，2008，34（9）：47-56.

[2] 俞小鼎.2012年7月21日北京特大暴雨成因分析[J].氣象，2012，38（11）：1313-1329.

[3] 孫建華，趙思雄，傅慎明，等.2012年7月21日北京特大暴雨的多尺度特征[J].大氣科學，2013，37（3）：705-718.