沙潁河流域一次極端短時強降水的中尺度特征分析

胡燕平， 郭賀奇， 武 威， 單鐵良

(漯河市氣象局，河南 漯河 462300)

引 言

沙潁河流域位于河南中部、淮河流域的上游，夏季暴雨頻發，且持續時間長，累計雨量大，給淮河流域中下游的防汛造成很大壓力，尤其是極端暴雨，往往造成更大的洪澇災害。大量研究[1-6]表明，在有利的大尺度背景條件下，低空水汽輸送使暴雨區增濕，建立了大氣位勢不穩定層結，高空急流輻散與低層低渦切變線附近的輻合共同作用，產生垂直運動，從而釋放不穩定能量，觸發中尺度對流系統的生成，形成極端暴雨。諶蕓[7]、陳明軒[8]等對北京“7·21”特大暴雨過程從極端性、中尺度對流系統的環境場條件及暴雨云團的傳播和發生機理進行了研究。栗晗[9]、王君[10]等對2016年河南豫北罕見特大暴雨的降水特征、物理量因子的極端性、地形及中尺度對流系統特征進行了診斷分析。王叢梅等[11]的研究表明，半定常的地面輻合切變線對新生對流的觸發和已有對流的維持及加強起到重要作用。

極端暴雨中常伴有短時強降水產生。短時強降水多具有中尺度對流特征。在中尺度對流系統影響范圍內，中小尺度對流云團發展形成MCS，在部分或局部區域產生極端暴雨[12-13]。近年來，氣象工作者對強降水的時空分布特征、環流形勢及影響系統、物理量特征、中小尺度對流系統等做了大量研究。陳炯等[14]對中國暖季短時強降水分布和日變化特征及其與中尺度對流系統日變化關系進行了分析。王國榮等[15]分析了北京地區夏季短時強降水時空分布特征。王婧羽等[16]分析了河南省雨季短時強降水時空分布特征。侯凱等[17]分析了沙澧河流域短時強降水特征，并總結出4種天氣學概念模型。朱蒙等[18]分析了豫東地區短時強降水時空分布特征及物理量指標。姜玉印等[19]從大尺度環流背景、中尺度特征及地形等方面對宜昌一次致災極端短時強降水成因進行了分析。魏葳等[20]對一次典型的梅雨鋒短時強降水分析發現，短時強降水發生于邊界層輻合由弱變強且趨于最強的時段內，超低空風速的顯著增大對暴雨有著重要作用。

2017年8月18日夜間，沙潁河流域出現了一次罕見強降水過程，其中強降水中心1 h降水量高達81.0 mm，3 h降水量達161.3 mm，全球數值模式和指導預報均漏報。目前極端短時強降水尚無標準的定義。俞小鼎[21]把1 h降水量≥50 mm或者3 h降水量≥100 mm的事件稱為極端短時強降水；孫繼松等[22]將北京地區時間小于6 h、至少一個自動站降水強度≥40 mm·h-1定義為一次極端短時降水事件；王叢梅等[11]將最大雨強超過50 mm·h-1、3 h雨量超過100 mm的過程稱之為極端短時強降水。參考上述研究文獻，本次沙潁河流域降水過程可認為是一次極端短時強降水過程。

以往針對沙潁河流域的降水研究主要集中在持續時間長、影響范圍廣的系統性暴雨[23-27]，而對于突發性強、影響區域小、降水時段集中、降水強度大、致災性強的短時強降水則研究較少，尤其是對降水極值中心落區及極值的預報，由于預報經驗和技術不足，往往造成預報失誤。為吸取本次預報失誤的教訓，本文利用常規氣象觀測資料、地面自動站加密資料、FY-2E衛星資料、雷達資料和NCEP 1°×1°再分析資料，從環流背景、中小尺度影響系統及降水云團、雷達回波的演變特征分析此次極端短時強降水過程的環境條件和中尺度特征，為沙潁河流域極端短時強降水預報提供參考依據。

1 降水的極端性特征及大尺度環流背景

1.1 短時降水的極端性特征

2017年8月18日20:00-19日08:00，沙潁河流域出現了一次較大范圍強降水天氣，流域下游的漯河、周口等地出現大暴雨，局部特大暴雨(圖1a)。流域內有37個區域自動站雨量超過100.0 mm，2個站雨量達250.0 mm以上，最大強降水中心位于漯河市召陵區實驗中學，12 h降水量達280.8 mm。召陵區實驗中學逐時雨量(圖1b)變化顯示，強降水主要集中在18日23：00-19日07：00，有6個小時雨強均超過20.0 mm·h-1，其中19日02：00-03：00小時雨強達81.0 mm·h-1，02：00-05：00 3 h降水量更是達到161.3 mm。分析本次降水過程的逐小時最大雨強發現，小時雨強大于50.0 mm·h-1的區域自動站有38站，主要位于漯河的召陵區和西華、項城等縣區。小時雨強排名前三的站點分別是漯河市召陵區實驗中學(81.0 mm·h-1)、西華縣奉母鎮(74.1 mm·h-1)、西華縣聶堆鎮(73.9 mm·h-1)。有28個區域自動站3 h雨量超過100.0 mm。綜上，本次強降水過程具有顯著極端短時強降水特征。

圖1 2017年8月18日20時-19日08時沙潁河流域累積降雨量分布(a)和漯河市召陵區實驗中學逐小時降雨量(b)

1.2 大尺度環流背景

18日08：00(圖略)，500 hPa中高緯環流形勢為兩槽一脊型，低槽分別位于新疆西部和日本海北部，貝加爾湖到東北地區為一高壓脊，河套東部有一淺槽東移，副熱帶高壓控制華南地區，其北界位于30°N附近，沙潁河流域位于槽前西南氣流中。700 hPa切變線位于陜北、山西和河北北部，西南急流軸位于貴陽、懷化、武漢一線。850 hPa和925 hPa暖切變線位于河南中部，西南急流軸位于懷化、武漢一線。18日20：00(圖2a)，副高北抬，河套淺槽東移，與副高邊緣的西南暖濕氣流在河南交匯。700 hPa切變線穩定，西南低空急流向北伸展，850 hPa和925 hPa暖切變線仍位于河南中部，在切變線南部形成明顯的風速輻合，沙潁河流域水汽飽和。19日02：00(圖略)，500 hPa 低槽進一步東移；低層切變線維持，低空急流有所增強，沙潁河流域水汽飽和，有利于強降水發展。地面圖上，受低空急流發展影響，近地層暖平流明顯加強，地面減壓，倒槽發展。18日20：00(圖略)，沙潁河流域中部形成東北-西南向的中尺度輻合線。19日02：00(圖2b)，中尺度輻合線逐漸東移南壓至漯河東部。19日05：00(圖略)，在漯河東部形成一個中尺度輻合中心，伴有人字形輻合線，輻合上升運動進一步加強，與強降水集中時段對應較好。

圖2 2017年8月18日20時高空影響系統綜合圖(a)和19日02時沙潁河流域地面加密風場(b)

2 中尺度對流發生發展的有利環境條件

2.1 充分的水汽條件

分析沿降水中心的水汽通量和水汽通量散度經向-垂直剖面(圖略)可知，18日20：00強降水發生前，31-32 °N和35 °N附近的水汽通量中心分別達18 g·cm-1·hPa-1·s-1和12 g·cm-1·hPa-1·s-1，31-35 °N為水汽輻合區，降水中心處于水汽通量散度為-30×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合大值區內。19日02：00(圖略)，隨著超低空急流的增強，31 -32°N的水汽通量和水汽輻合逐漸增強，中心強度分別達20 g·cm-1·hPa-1·s-1和-40×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，主要集中在850 hPa高度以下。由此可知，本次過程中充足的水汽輸送及強水汽輻合中心出現在邊界層內。分析18日20：00 850 hPa比濕水平分布(圖3a)可知，受西南氣流輸送影響，沙潁河流域處于14 g·kg-1以上的高比濕區內，局部比濕中心高達16 g·kg-1，且高濕舌逐漸伸向下游地區，為強降水發生提供了有利的水汽條件。張霞等[28]對河南省13個極端暴雨個例分析結果表明，河南中南部極端暴雨過程850 hPa比濕平均在14 g·kg-1以上。王君[10]對河南北部兩次極端暴雨分析發現，兩次過程850 hPa比濕均達到16 g·kg-1。本次過程強降水發生前，比濕已達到河南省極端暴雨發生的水汽條件。由此可知，低層充分的水汽輸送、顯著的強水汽輻合中心及異常偏高的比濕，不僅為極端短時強降水提供了水汽供應，也為中尺度對流系統發展提供了必備的水汽條件。

2.2 大氣對流性不穩定

分析假相當位溫沿降水中心時間-垂直剖面(圖略)發現，過程開始前18日08：00-14:00，隨著超低空急流加強，900 hPa高度以下θse逐漸增加。18日20：00，低層θse達到最強，950 hPa高度附近出現356 K的高值中心；500 hPa受高空低槽攜帶的冷空氣東移影響，出現中心強度為332 K的低能舌，并逐漸向中低層滲透。可見強降水來臨前，θse隨高度減小，大氣層結表現為強的對流性不穩定。18日20：00，中高層低能舌下凹，低層高能舌向上凸起，中高層低能舌疊加在低層高能舌之上，二者溫差達到20 K，有利于中尺度對流系統發展。由18日20：00對流有效位能(CAPE)水平分布圖(圖3b)可知，沙潁河流域中南部對流有效位能高值區顯著，CAPE在1200 J·kg-1以上，局部高達1400～1600 J·kg-1。對流性強降水過程的上升氣流強度直接與CAPE有關，CAPE越大，上升氣流越強。根據雨強公式[29]

圖3 2017年8月18日20時850 hPa比濕、風場(a)和對流有效位能水平分布(b)

R=E·ω·q

可知，雨強(R)與降水效率(E)、云底上升氣流速度(ω)和比濕(q)成正比。本次過程比濕極端，上升氣流速度較強，有利于極高雨強產生。19日02：00-08：00，隨著強降水產生發展，CAPE釋放，低層θse逐漸減弱，中高層的θse逐漸增強，強降水區上空θse隨高度減小，對流性不穩定明顯減弱。

2.3 抬升觸發機制

分析強降水中心的散度和垂直速度的時間-垂直剖面(圖略)可知，18日08：00，強降水區上空低層輻合、高層輻散較弱，整層為弱的上升運動。18日14：00以后，低層輻合、高層輻散逐漸增強，上升運動也逐漸增強。18日20：00-19日02：00，高層250 hPa出現4.0×10-5s-1的輻散中心，高層輻散強于低層輻合，抽吸機制建立，高層輻散、低層輻合的結構有利于上升運動，700 hPa以下出現-0.3 Pa·s-1的上升運動區。同時，高層輻散導致低層進一步減壓，低層輻合明顯加強，尤其是邊界層900 hPa以下輻合更為顯著，到19日08：00，邊界層輻合中心強度高達-5.0×10-5s-1。邊界層上強烈輻合抬升不僅有利于上升運動的維持，也對中尺度對流系統的觸發起到關鍵作用。

3 中尺度對流系統特征

3.1 基于衛星的中尺度對流系統演變特征

分析這次過程強降水集中時段紅外云團、Tbb及后推1 h降水量的逐時演變特征(圖4)發現，18日22：00(圖4a)隨著超低空西南氣流增強，沙潁河流域西南地區有對流云團A逐漸形成，云團分布呈圓狀,范圍大，Tbb中心≤230 K；同時流域東部地區暖切變線附近也有對流云團B發展，Tbb≤240 K。18日23：00(圖略)-19日01：00(圖略),流域上游地區云團A隨槽前暖濕氣流東移北上并發展增強，流域東北部的對流云團B隨低層和邊界層切變線前側偏東氣流西移南壓。19日02：00(圖4b)，流域東部對流云團B進一步南壓，強度明顯增強，范圍向西南擴展，與上游對流云團A銜接、合并，中心強度達220 K，水平尺度達200 km左右，逐漸形成發展為中β尺度對流系統C。19日03：00(圖略)，該對流系統C發展加強，230 K的冷中心區增大，橢圓狀結構清晰，其西北側梯度較高，造成流域中部多地區產生短時強降水。19日04：00(圖略)-05：00 (圖4c)，MβCS持續發展且穩定少動，云團附近多站雨強在50.0 mm·h-1以上。19日06：00-07：00(圖略)，對流系統在沙潁河下游地區穩定維持，但整個冷云罩形狀逐漸轉為橢圓形。19日08：00(圖略)，中尺度對流系統移出下游，強降水時段結束。

圖4 2017年8月18日22時(a)、19日02時(b)、05時(c)的紅外云團、Tbb及后推1 h降水量逐時演變

同時結合Tbb分布對本次強降水落區進行追蹤分析發現，地面中尺度雨團與Tbb低值中心高梯度區有很好的對應關系。8月18日23：00-19日00：00，沙潁河流域上游出現大范圍對流云團，強降水主要分布在Tbb低值中心后側等值線密集帶中，多個區域自動站出現20 mm以上的短時強降水。19日01：00-02：00為MβCS形成并強烈發展階段，Tbb梯度加大，短時強降水不斷發展，20 mm以上的短時強降水主要位于Tbb低值中心后側等值線密集帶，多個區域自動站雨強大于50 mm·h-1。19日02：00-05：00為MβCS成熟并維持階段，強降水落區與Tbb低值中心后側等值線密集帶對應特征更加顯著。綜上，極端短時強降水時段與中β尺度對流系統的形成、發展并穩定維持密切相關，兩個對流云團相向而行，在沙潁河流域中下游合并發展成MβCS，且呈準靜止狀態維持3 h以上，導致流域中下游強降水發展。從強降水落區分布上看，本次極端短時強降水與Tbb低值中心后側等值線密集帶對應較好。

3.2 中尺度對流系統的雷達特征

分析8月18日夜間至19日凌晨駐馬店雷達組合反射率(圖5)可知，強降水以對流性回波為主，中心強度達45 dBZ以上。強降水集中階段對流性回波演變可分為東北發展階段、東北-西南向后向傳播階段和準靜止階段三個階段，其中極端短時強降水發生在后向傳播和準靜止兩個階段。

18日21:00至19日02:00為中尺度對流系統向東北發展階段(圖5a-c)：沙潁河流域上游地區出現明顯的塊狀對流回波，中心強度達50 dBZ以上，并鑲嵌著55～60 dBZ的對流單體。隨后在西南氣流引導下，塊狀對流性回波東移北上并有所發展，強回波經過的測站均出現20 mm·h-1以上的強降水。

19日02:00至19日04:00為中尺度對流系統轉為東北-西南向后向傳播階段(圖5d-f)：此階段與沙潁河流域下游的極端短時強降水階段相對應。02：36(圖5d)，流域下游出現西北-東南向帶狀強回波，中心強度在50 dBZ以上，同時也不斷有新生對流單體從沙潁河流域南部生成并逐漸并入強回波帶。03：30(圖5e)，隨著超低空西南暖濕急流發展，對流單體在沙潁河流域的西南方向生成后，在西南引導氣流下不斷向東北移動，其移動方向和新生對流單體傳播方向幾乎相反，后向傳播特征顯著。04：00(圖5f)，漯河地區的中尺度對流系統后部不斷有對流單體生成并發展，代替前面衰減的對流單體，形成明顯的列車效應，導致漯河出現極端短時強降水。

19日04:00至19日06:12為中尺度對流系統準靜止階段(圖5g-i)：對流性強回波在沙潁河流域中部穩定少動，該階段多個發展旺盛的對流單體影響漯河、周口等地區，且50 dBZ以上強回波中心在漯河、周口附近穩定維持，準靜止特征明顯，有利于強降水增幅。

沿04:00(圖5f)與06:12(圖5i)作雷達反射率垂直剖面(圖5j、k)。從剖面圖中可見，強回波主要位于低層，呈單個柱狀或柱狀連片，≥45 dBZ的強回波位于6 km以下，具有低質心回波的暖區對流結構，回波結構密實，類似于熱帶海洋型回波，降水效率高，導致極端短時強降水天氣發生。俞小鼎[21]指出，在這種熱帶海洋型回波中，大于45 dBZ的強回波1 h對應降水量在50 mm以上。而本次過程45 dBZ以上的強回波在沙潁河流域中下游穩定維持，對應19日02:00-03:00、03:00-04:00召陵區實驗中學站小時雨強分別為81.0 mm·h-1、54.2 mm·h-1，與上述分析一致。

圖5 2017年8月18日22:30(a)、18日23:30(b)、19日01:00(c)、19日02:36(d)、19日03:30(e)、19日04:00(f)、19日04:36(g)、19日05:36(h)、19日06:12(i)駐馬店雷達組合反射率圖及沿圖(f)、(i)所作的19日04:00(j)、19日06:12(k)雷達反射率剖面圖

徑向速度圖上(圖6)，18日22:42(圖6a)沙潁河上游出現中氣旋，中氣旋導致中尺度對流系統更具有組織性，而對流單體持續時間較長，有利于極端短時強降水發生發展。19日01:54(圖略)，漯河附近出現氣旋性輻合，范圍逐漸擴大，同時氣旋性渦旋右前方伴隨中氣旋產生。02:42(圖略)-03:30(圖6b)，沙潁河流域下游的漯河、西華、周口不斷有多個中氣旋出現，并且移速緩慢，有利于強降水進一步增強。對應03:30雷達徑向速度剖面(圖6c)上，降水區為低層輻合特征，或低層中尺度輻合與高層輻散疊加的特征，上升運動強烈，有利于極端短時強降水的發展和維持。

圖6 2017年8月18日22:42(a)、03:30(b)駐馬店雷達1.5°仰角徑向速度圖及沿圖(b)所作03:30(c)雷達徑向速度剖面圖

強降水集中時段多次有中氣旋產生。俞小鼎[21]指出，在有利于強降水的環境條件下，中尺度對流系統中含有中氣旋會明顯增加強降水的可能性，這是因為多個中氣旋之間相互作用增加上升氣流強度、回波強度及雨強，致使局地極端強降水發展；同時中氣旋都與部分上升氣流重合，使對流風暴形成較大的垂直螺旋度，導致對流系統能夠維持較長的生命史。結合18日08:00至19日14:00降水中心的垂直螺旋度的時間-高度垂直分布分析發現(圖略)，從18日20：00至19日08：00降水中心底層始終有明顯的正螺旋度維持。其中，19日02：00 900 hPa附近出現2.0×10-7hPa·s-2的正垂直螺旋度中心，有利于中尺度對流系統強烈發展。這印證了俞小鼎的研究結論。

由此可見，本次過程中心強度達45 dBZ以上的對流性回波在沙潁河流域上游生成，在近地層輻合抬升作用下，逐漸發展為旺盛的對流單體，在西南氣流引導下向東北移動，同時超低空西南急流上有新生對流單體向西南傳播，后向傳播特征顯著。流域中下游不斷有強回波對流單體更新交替，形成明顯的列車效應。反射率垂直剖面上，強回波主要位于低層，呈單個柱狀或柱狀連片，具有低質心回波的暖區對流結構，降水效率較高。徑向速度在低層出現中小尺度氣旋性流場或輻合區及中氣旋，在高層出現輻散，形成中尺度垂直環流，有利于產生極端短時強降水。

4 極端短時強降水預報著眼點

圖7為本次過程各尺度系統結構圖。如圖7所示，本次極端短時強降水過程中500 hPa高空槽較淺，700 hPa切變線較弱，弱天氣系統強迫的上升運動弱。結合水汽和熱力條件診斷分析可知，充分的水汽供應出現在近地層；低層925 hPaθse中心值高達356 K，且強降水時段900 hPa以下持續有354 K以上的高能區，因此即使動力抬升條件有限，但近地層強烈持續的高溫高濕為中尺度對流系統的觸發提供了重要條件。同時隨著夜間超低空急流的發展，低空急流左側的強輻合中心增強，也加強了邊界層輻合抬升作用，對中尺度對流系統的觸發起到關鍵作用。產生極端短時強降水的直接系統是中β尺度對流系統，它是由低空急流風速輻合帶上的對流云團和切變線云系上對流云團合并發展而成，在沙潁河流域中下游維持3 h以上形成極端短時強降水，強降水中心主要分布在MβCS中心后側Tbb等值線密集區。

圖7 沙潁河流域“8·19”過程極端短時強降水各尺度系統結構圖

綜上所述，本次過程發生在弱天氣強迫下由中尺度對流系統觸發。目前的數值模式在極端降水方面可預報性較差，此類天氣的預報著眼點主要在于對中尺度對流系統生消及強度變化的把握。在中高層天氣尺度系統不明顯或弱強迫下，除了要關注低層尤其是邊界層系統和對極端短時強降水有指示意義的環境參數外，更不能忽略中小尺度對流系統準靜止、列車效應、后向傳播等特征對極端短時降水預報預警的重要作用。

5 結 論

(1)本次極端短時強降水過程發生在高空淺槽與副熱帶高壓邊緣交匯背景下，超低空西南急流帶來充沛水汽和不穩定能量，低層切變線及地面輻合線穩定維持，為中尺度對流系統發生發展提供了有利的環境條件。

(2)低層充分水汽輸送、較強水汽輻合中心與異常偏高的比濕，為強降水提供了水汽供應；大氣對流不穩定明顯，CAPE較高，導致極端短時雨強產生；邊界層上強烈輻合抬升不僅有利于上升運動的維持，也對中尺度對流系統的觸發起到關鍵作用。

(3)強降水與中β尺度對流系統形成、發展、維持有關。兩個中小尺度對流云團合并發展成MβCS，MβCS形成后在流域下游呈準靜止狀態并維持3 h以上，造成極端短時強降水，其落區分布在Tbb低值中心后側等值線密集區。

(4)強降水回波可分為東北發展階段、東北-西南向后向傳播階段和準靜止階段三個階段。其中，極端強降水發生在后向傳播和準靜止兩個階段。在反射率垂直剖面上，強降水具有低質心回波的暖區對流結構，對應速度場上有氣旋性輻合區及中氣旋、高層輻散等特征。

(5)在大尺度或天氣尺度系統弱強迫作用下，此類降水天氣的預報著眼點不僅要關注低層尤其是邊界層系統和一些重要的對流參數，也要關注中尺度對流系統準靜止、列車效應、后向傳播等特征，后者對極端短時降水預報預警同樣具有重要意義。