豫北2016年7月18—20日暴雨過程診斷分析

張啟紹

摘要 利用常規觀測資料、FNL1°×1°資料、區域站資料、衛星和新一代天氣雷達等資料，對2016年7月18—20日豫北一次暴雨天氣過程進行診斷分析。結果發現，此次暴雨發生在兩高穩定對峙的環流形勢下，中低層有低渦沿兩高之間的切變線向北緩慢移動，地面有氣旋生成北移，是一次典型的華北暴雨天氣形勢；此次過程太行山前、迎風坡上的降水明顯大于周邊地區的降水；低層輻合、高層輻散，有利于對流不穩定的發展，低層輻合線是此次強降水過程的抬升觸發條件之一；豫北中低層一直處于比濕場高值區中，低層水汽輻合明顯且長時間維持，是此次暴雨過程的特點之一；暴雨云團在移入不穩定區域后均得到顯著發展；“列車效應”，使得強降水長時間維持，是此次持續性暴雨出現的原因之一。

關鍵詞 特大暴雨；副熱帶高壓；列車效應；低渦

中圖分類號：P458.121.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2018）05-019-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.05.009

暴雨是我國主要災害性天氣之一，長期受到氣象工作者的高度關注，國內外的很多學者都對暴雨做了諸多研究[1-5]。暴雨是多種尺度天氣系統相互作用的產物，它既可以是穩定性降水或者是對流性降水，也可以是兩者相伴隨發生。暴雨是在大的環流背景下，由中小尺度系統直接影響所致。強烈的上升運動、充沛的水汽供應和持續較長的時間是暴雨形成的3個條件。近年來關于暴雨的研究取得了較大的進展，支樹林等[6]在利用中尺度分析方法研究南昌地區一次夜間發展起來的致災大暴雨過程中發現，在水汽條件、上升運動條件滿足的情況下，邊界層內偏東氣流的存在和風輻合加劇了降水回波的發展。陳玥等[7] 在對2007—2013年的5—9月長江中下游地區暖區暴雨進行分析中發現，暖區暴雨中短歷時強降水貢獻大， 冷鋒背景下的暖區暴雨通常產生在鋒前低壓槽中。曹楚等[8]在對2013年“菲特”暴雨過程進行物理量場診斷分析時發現，當垂直運動大值區與低層θse高能區對應時，一般都有強降水發生，且與強降水落區有較好的對應性。劉璐等[9]分析發現在2012年7月21日北京特大暴雨過程中，較強的水平風的垂直切變可造成濕位渦的斜壓分量異常， 從而導致條件性對稱不穩定的產生。胡容等[10]在對重慶一次暴雨過程進行診斷分析時發現，水汽散度通量低值區和水汽螺旋度高值區與強降水區有很好的對應和時間相關性。豫北西部為太行山脈，東部為平原，西部山區地形復雜，夏季的暴雨及強降水極易造成山體滑坡、泥石流等地質災害。筆者利用常規觀測資料、新一代天氣雷達資料、區域站資料和數值預報產品等對2016年7月18—20日出現的區域性暴雨天氣過程進行了診斷分析，以期為今后類似的暴雨天氣過程的預報提供一些參考依據。

1 天氣實況

7月18日夜至20日，受低渦、切變線和地面氣旋等系統的共同影響，河南北部出現了罕見的大暴雨、特大暴雨天氣，強降雨主要出現在安陽縣西部和林州（圖1a）。此次過程豫北有超過40個區域站雨量在250 mm以上，有11個站點降雨量超過400 mm，最大過程降雨量出現在林州市東馬鞍，為734 mm，超過林州市常年年平均降水量（649 mm），最大小時雨強出現在安陽縣馬家村，為137.8 mm（19日11：00—12：00）（圖1b）。

2 資料與方法

利用Micaps常規觀測資料、FNL1°×1°資料、區域站資料、新一代天氣雷達和衛星資料，對此次過程的成因進行了診斷分析。對影響系統、探空資料、水汽條件、熱力不穩定等方面進行綜合分析，探討此次暴雨天氣過程的成因。

3 區域暴雨成因分析

3.1 環流背景分析

從500 hPa上可以看出，7月18日20：00（圖2a）新疆高空附近存在一個明顯的高壓脊，位于西太平洋副熱帶高壓穩定維持，渤海灣到東北為一高壓脊，兩高之間存在明顯的切變線。從19日02：00（圖2b）和08：00（圖2c）來看，副高主體穩定維持，位于我國西部的大陸高壓脊略有東移，且明顯加強向蒙古國伸展，渤海灣到東北的高壓脊加強發展，使得兩高之間的切變加強，且東移受阻。到了19日14：00（圖2d），從華北到西南地區均存在明顯的切變線。因此從500 hPa上來看，控制系統的穩定維持，如果低層配合有中小系統的不斷生成，將有利于區域性暴雨天氣的出現，因此下文將會對中低層系統進行分析。

從700 hPa圖上看（圖3），19日08：00（圖3a）在陜西附近有低渦生成，并且配合有切變線生成，切變線前存在明顯的低空急流，低空急流的作用主要是向降水區輸送水汽和不穩定能量，造成位勢穩定，觸發不穩定能量的釋放，有利于暴雨的發生。到了19日14：00（圖3b）低渦沿著切變線和高層引導氣流略微向東北方向移動，低空急流明顯加強，豫北處于低空急流出口區的左側，這里存在正的切變渦度，輻合上升強烈，有利于暴雨在該區域出現。

19日14：00，850 hPa上（圖4a）的低渦位置較700 hPa略微偏南，從風速來看，850 hPa的低空急流較700 hPa要強，并且出現了明顯的偏東風擾動，從925 hPa（圖4b）上看，已經出現了明顯的偏東風急流，將東海的水汽向豫北輸送，西南暖濕氣流和東南暖濕氣流的匯合，為暴雨區提供了充足的水汽。

地面圖上（圖5），19日14：00，河南境內黃河中段北部（113.1°E，35°N）形成了地面氣旋波，且緩慢北上，到20：00位于新鄉，到20日08：00位于邯鄲，地面氣旋是一個逐漸北上的過程。地面氣旋的出現，加劇了輻合上升運動，雨強加強，對降水的增幅起了積極的作用。

綜合以上分析，此次特大暴雨發生在兩高穩定對峙的環流形勢下，中低層有低渦沿兩高之間的切變線向北緩慢移動，低空急流將水汽源源不斷地輸向雨區，地面有氣旋生成并北移，是一次典型的華北暴雨天氣形勢。

3.2 探空資料分析

由鄭州站探空資料分析（圖6）可知，7月18日20：00（圖6a）鄭州站700 hPa到500 hPa濕度條件較差，存在明顯干層，700 hPa以下濕度條件較好，低層濕、高層干的形勢，層結不穩定，所以18日夜里、19日凌晨，豫沿黃河一帶主要以對流天氣為主，伴有短時強降水和雷暴大風，由于0℃層高度偏高，不利于冰雹天氣的產生。19日08：00，受低渦切變影響，濕層變厚，以系統性降水為主。

對流有效位能（CAPE）是氣塊在給定環境中絕熱上升時的正浮力所產生能量的垂直積分，是風暴潛在強度的一個重要指標。在探空圖（圖6）上，CAPE值正比于狀態曲線（棕色實線）和層結曲線（藍色實線）從自由對流高度（LFC）至平衡高度所圍成的區域面積（即圖6中紅色區域）。18日20：00（圖6a）CAPE值較大（1 731.6 J/kg），有較強的對流潛勢，加上在低層濕層上存在中層干的現象，加劇了層結的不穩定，因此印證了上面的分析，18日以對流降水為主。而到19日08：00整層濕層變厚，CAPE變小，對流性降水逐漸轉為系統性降水。

3.3 物理量診斷分析

暴雨除了滿足一般的降水條件外，還必須滿足充沛的水汽供應、強烈的上升運動、較長的持續時間3個要素，如果配合一定的不穩定能量，將更加有利于強降水的出現。降水持續時間長短，影響降水量的大小，持續時間長是區域連續性暴雨的重要條件，從上面的環流背景分析來看，兩高穩定維持，使得兩高之間的切變、低層低渦切變長時間維持、發展，使得中小系統在很長一段時間內不斷影響，滿足長時間維持這一要素，因此以下將從動力條件、不穩定能量、水汽條件等進行物理量診斷分析。

3.3.1 動力條件分析 降水過程的輻合抬升條件不可忽略，降水往往在一定的上升運動中才會發生，此次過程將重點對散度的分布情況、地面輻合線的位置以及地形的一些作用進行分析。

產生暴雨需要具備抬升觸發機制和輻合上升運動條件。從（36°N，114°E）這個點散度的時間垂直剖面圖（圖7）上可以看出，從18日20：00到19日20：00，900 hPa左右均存在明顯的負散度，并且負散度的絕對值是隨時間逐漸增大的，到19日20：00 900 hPa這一層附近出現了一個負散度中心，其值為-15×10-5/s，而200 hPa左右出現了一個正散度中心，說明高層輻散。從19日11：00區域站風場（圖8）上來看，在新鄉西部到安陽西部有明顯的地面輻合線，部分地區存在較大對頭風輻合。低層輻合高層輻散，有利于對流不穩定的發展，低層輻合線是此次強降水過程的抬升觸發條件之一，且此次過程位于輻合線附近的降水量明顯大于周邊地區。

河南西北部地處太行山東麓，地形西高東低，此次過程地面一直維持較強的偏東氣流（圖9），地形抬升偏東氣流，有利于上升運動的加強，使得云層增厚，對降水的增幅起到積極作用，此次過程超過200 mm的降水恰好出現在太行山東麓。

3.3.2 不穩定能量條件分析 暴雨過程中大氣往往不需要具備較大的層結不穩定和不穩定能量，但是在水汽條件較好和有一定觸發機制的情況下，對流層中低層具有一定的不穩定層結、不穩定能量時，對暴雨的發生發展有較大的積極意義。此次過程，將重點分析假相當位溫（Qse）和K指數的分布情況。

從18—19日36°N、114°E假相當位溫的時間垂直剖面圖上（圖10）來看，此次過程中低層的假相當位溫隨高度減小，19日08：00—20：00這一現象尤為明顯，說明此次過程一直存在對流性不穩定；從K指數分布（圖11）情況來看，19日08：00（圖11a）、20：00（圖11b）河南北部地區K指數在34℃以上。綜合考慮上述指標有利于河南北部地區產生短時強降水、暴雨和局地的雷暴等對流性天氣。

3.3.3 水汽條件分析 水汽條件將從比濕和水汽通量散度2個物理量進行分析，因為除了相當高的比濕外，還必須有充分的水汽在降水區域輻合上升，只靠某一層的水汽含量或某一地區的大氣柱中所含的水汽凝結下降量很小。

從850 hPa比濕場（圖12a）可以看出，19日14：00，河南省北部地區850 hPa比濕大于14 g/kg，而在700 hPa上（圖12b）比濕在10 g/kg以上，說明中低層濕度條件較好。除了相當高的比濕以外，還必須有充足的水汽供應，且在降水區輻合上升，才會出現強的降水。從18—19日36°N、114°E水汽通量散度時間垂直剖面圖（圖13a）和19日14：00 925 hPa水汽通量散度（圖13b）上看，19日08：00—20：00中低層存在明顯的水汽輻合，19日14：00—20：00 900 hPa附近維持一個-30×10-8 g/（cm2·hPa·s）的水汽通量散度中心。14：00 925 hPa上，豫北處于-14×10-8 g/（cm2·hPa·s）水汽通量散度中心。

從水汽條件分析來看，19日08：00—20：00豫北中低層一直處于高的比濕場中，低層水汽輻合明顯且長時間維持，是此次暴雨過程的特點之一。

4 衛星云圖分析

衛星云圖可以檢測到不同尺度系統的發生、發展，利用衛星云圖可以識別不同的天氣系統，確定它們的位置，估計其強度和發展趨勢，為天氣診斷分析提供了有利的手段。從上面形勢分析、物理量診斷分析來看，此次過程豫北處在能量不穩定區域和水汽輻合區域。因此從衛星云圖上看（圖14），暴雨云團在移入不穩定區域后均得到發展。并且從圖14c和圖14d上可以看出，低層出現偏東風擾動后，出現了明顯的西北東南向的對流云帶，與原來已經存在的南北向云帶在豫北結合后明顯加強。

5 雷達回波分析

分析濮陽新一代天氣雷達發現，從19日01：01基本反射率因子1.5°仰角上（圖15a），在新鄉到鶴壁存在2條回波帶，回波最強52 dBz，其在向西北移動過程中合并加強（圖15b），并且位于沿黃河一帶的回波已經北移，且在河北南部出現了一些零散的對流回波。到了03：58（圖15c）位于河北的回波加強發展成一回波帶，于07：00南北兩回波帶合并加強。由于大尺度系統的穩定，造成回波帶長時間維持，回波移入豫北不斷加強，形成“列車效應”，使得強降水長時間維持，是此次持續性暴雨出現的原因之一。低層東南氣流的加強后，從蘇北到豫北出現了一西北東南向的強回波帶（圖15e），該回波帶與東北西南向的回波帶在豫北合并（圖15f）后明顯增強，使得豫北強降水得到進一步的發展。

6 結論和討論

此次特大暴雨發生在兩高穩定對峙的環流形勢下，中低層有低渦沿兩高之間的切變線向北緩慢移動，地面有氣旋生成北移，是一次典型的華北暴雨天氣形勢。此次過程太行山前、迎風坡上的降水明顯大于周邊地區的降水。低層輻合、高層輻散，有利于對流不穩定的發展，低層輻合線是此次強降水過程的抬升觸發條件之一。豫北中低層一直處于比濕場高值區中，低層水汽輻合明顯且長時間維持，是此次暴雨過程的特點之一。暴雨云團在移入不穩定區域后均得到顯著發展。“列車效應”，使得強降水長時間維持，是此次持續性暴雨出現的原因之一。此次過程降水效率高的原因沒有展開分析，是否與此次過程伴有暖云性質的降水有關，值得進一步分析、討論。

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責任編輯：鄭丹丹