黃河中游一次致洪暴雨過程的天氣學診斷

喬春貴 梁鈺 王君 戴翠賢

摘 要：利用美國氣象環境預報中心制作的NCEP 1°×1°再分析資料和黃河流域國家氣象站（國家基準、基本和一般氣象站）、區域站（地面加密觀測站）逐小時降水資料，對2018年7月10—11日黃河流域中游出現的致洪暴雨過程進行診斷分析，結果表明：受臺風“瑪麗亞”西北移動影響，副高穩定少動，低槽移動緩慢，導致降水維持時間長，降水落區呈東北西南向;暴雨區主要的水汽來源為臺風“瑪利亞”，受黃河中游地形和中高緯度西北氣流的影響，水汽通量輻合區域走向和暴雨落區一致，850—700 hPa為暴雨主要水汽輸送層;暴雨區出現在中低層θse等值線密集區右側暖區一側，且中層存在θse/p>0的大值區域;高低空急流存在明顯的耦合機制，中低層輻合區、高層輻散區重疊是降水強度增強和喬溝灣站大暴雨產生的主要原因，200 hPa散度正值區的移動早于低層散度負值區的移動，對降水落區移動有指示意義。700 hPa鋒生函數水平分布和降水分布較為一致，鋒生函數數值南小北大的水平分布和降水分布一致，鋒生函數的大值中心和降水量超過100 mm的中心吻合。

關鍵詞：水汽通量;水汽通量散度;高低空急流耦合;鋒生函數;黃河中游

中圖分類號：P458.1+21.1;TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/;.issn.1000-1379.2021.08.005

引用格式：喬春貴，梁鈺，王君，等.黃河中游一次致洪暴雨過程的天氣學診斷[J].人民黃河，2021，43（8）：26-32.

Abstract： Using the NCEP 1°×1° reanalysis data produced by the U.S. Center for Meteorological and Environmental Prediction and the hourly precipitation data from the National Weather Station （national reference， basic and general weather station） and regional station （ground-based encrypted observation station） of the Yellow River Basin， the paper diagnosed and analyzed the process of flood-causing rainstorms that occurred in the middle reaches of the Yellow River Basin on July 10 and 11， 2018. The outcomes show that affected by the northwest movement of Typhoon Maria， the subtropical high is stable and moves less， and the low trough moves slowly， leading to long precipitation maintenance time and falling precipitation. The area is in the northeast-southwest direction; the main source of water vapor in the heavy rain area is typhoon Maria. Affected by the topography of the middle reaches of the Yellow River and the northwest airflow at mid-high latitudes， the trend of the water vapor flux convergence area is the same as that of the rainstorm area， 850-700 hPa It is the main water vapor transport layer of the rainstorm; the rainstorm area appears on the side of the warm area on the right side of the dense θse contour area in the middle and low layers， and there is a large value area of θse/p>0 in the middle layer; the high and low jets have obvious coupling mechanism， the convergence of the middle and low levels and the overlap of the high-level divergence areas are the main reasons for the increase in precipitation intensity and the heavy rain at Qiaogouwan Station. The movement of the 200 hPa positive divergence area is earlier than that the movement of the low-level divergence area. Movement is indicative. The horizontal distribution of the frontogenesis function at 700 hPa is consistent with the distribution of precipitation. The horizontal distribution of the frontogenesis function value is consistent with the distribution of precipitation in the south and the north is large. The large value center of the frontogenesis function coincides with the center where the precipitation exceeds 100 mm.

Key words： water vapor flux; water vapor flux divergence; high-level jet coupling; frontogenesis function; Middle Yellow River

暴雨是氣象災害中最嚴重、最常發生的災害之一，易造成大量人員傷亡和重大經濟損失[1]。黃河中游地處中國內陸，其暴雨具有華北暴雨的一些特點，國內有很多學者對華北地區的暴雨從天氣形勢演變、水汽通量分布特點、季風暖濕輸送帶、干冷空氣作用等方面進行了深入的分析總結[2-13]。黃河中游暴雨與華北地區暴雨產生條件有很大的不同，黃河中游地區水汽條件相對較差，大范圍強降水過程出現較少，雖然也有一些學者對黃河中游暴雨的水汽輸送、中尺度數值模擬等方面進行了研究[14-20]，但是對黃河中游致洪暴雨、大暴雨落區的全面診斷和分析較少。

2018年7月10—11日，黃河中游地區出現了一次大范圍的暴雨過程，使渭河發生超警戒水位洪水，渭河華縣站7月14日出現3 400 m3/s的洪峰流量，潼關站出現入汛后最大的洪峰流量4 620 m3/s。暴雨洪澇災害造成人員傷亡、房屋倒塌等嚴重后果，直接經濟損失數億元。針對此次強降水過程，黃河流域氣象中心提前做出了預報，但預報量級偏小，大暴雨落區偏南。

為了更清晰地認識此次暴雨的形成機理，利用美國氣象環境預報中心制作的NCEP 1°×1°的每6 h間隔再分析資料，結合黃河流域國家站（國家基準氣象站、國家基本氣象站和國家一般氣象站）、區域站（地面加密觀測站）逐小時降水實測資料，從強降水發生和持續時水汽、熱力、動力等物理條件變化及中尺度結構特征方面作詳細診斷分析，以揭示黃河中游暴雨機理、凝練預報指標，為提高黃河中游致洪暴雨預報水平和防災減災能力提供參考。

1 暴雨實況

2018年7月10—11日，黃河中游出現一次大范圍暴雨天氣過程，雨帶呈東北-西南向分布（見圖1），降水從甘肅東南部開始，向東北方向移動，從山西北部移出黃河流域。降水過程持續31 h，以穩定性降水為主，局部伴有短時強降水，最大小時雨強26.2 mm。國家站降水量大于50 mm的有56站，最大的為榆林站（90.6 mm），中北部出現多個降水量在100 mm以上的區域站，最大值為榆林市靖邊縣的喬溝灣站（151.7 mm）。

2 大尺度環流背景

烏拉爾山以東和鄂霍次克海以東均為高壓脊，兩脊之間東經75°—140°范圍內為穩定而寬廣的低壓環流，貝加爾湖有冷中心，低壓底部不斷分裂冷空氣隨短波槽向東南方向擴散。東經100°附近為一低槽，副熱帶高壓較強，黃河中游處于低槽前和588 dagpm線邊緣的西南氣流之中。第8號臺風“瑪利亞”加強成超強臺風向西北移動，使副高穩定少動，低槽移動緩慢，降水在黃河中游得以長時間維持，7月10日20時低槽進一步加深，此時降水范圍擴大，雨量增大。到11日2時和8時，受副高北抬影響，低槽沿副高邊緣向東北方向收縮移動，黃河中游的降水也自西南向東北方向移動，形成了東北西南向的暴雨帶，并逐漸移出。

3 環境條件診斷

為了分析強降水落區的垂直環流特征，選取降水量最大的喬溝灣站（東經108.9°，北緯37.4°）作為研究對象，分析該站暴雨發生前、中、后不同時段垂直方向的風場、濕度場和垂直速度場的變化，直觀地診斷分析此次強降水過程。

3.1 垂直環流特征

圖2給出了強降水時段10日14時—11日8時沿北緯37.4°緯向垂直環流情況，陰影區為相對濕度>90%區域，黑色陰影為地形高度，紅色三角為喬溝灣站位置，等值線為垂直速度（單位Pa/s）和風（鳳羽，單位m/s）合成，箭頭表示次級環流（紅色表示上升，藍色表示下沉）。

10日14時地面—700 hPa在東經106°—107°有西北風和偏南風形成的輻合，輻合層垂直且深厚，其上空是較深厚的西南氣流。10日20時輻合區東移到東經108°—109°，11日2時在輻合區東側垂直方向出現大于12 m/s的西南急流。在高空急流入口區右側、低空急流出口區左側東經106°—112°范圍內形成了一個較強的上升運動區（等值虛線），上升到150 hPa，中心極值達-2.17 Pa/s。喬溝灣站上空有強垂直上升運動，西邊形成弱下沉氣流，形成了次級環流，有利于垂直運動的發展和增強，由于地形為西高東低（黑色陰影），因此位于低層的東南氣流在地形作用下抬升，在迎風坡一側形成上升運動，對降水有增強作用。同時中層西南氣流（伴有急流）源源不斷輸送水汽，在上升運動區內出現相對濕度大于90%的濕度準飽和區，垂直上升運動把中低層的水汽往上輸送，使喬溝灣站濕區厚度為地面—150 hPa。強降水減弱階段（11日8時），隨著低層輻合系統東移到東經110°，整層準飽和區減小，上升運動區厚度變薄，并隨低層輻合系統東移到東經110°，降水減弱趨于結束。

3.2 水汽特征

暴雨的形成需要源源不斷的水汽輸送到暴雨區，水汽的輸送有兩個要素，一是需要有水汽源，二是需要有大氣環流輸送和渦動輸送的配合。水汽的輸送是把水汽源中的水汽沿著流場的方向輸送到暴雨區，并在暴雨區形成水汽的輻合聚集。

3.2.1 水汽分布特征

對暴雨過程中喬溝灣站的水汽條件進行空間—時間分析，見圖3（a），（a）圖中陰影為比濕，等值線為水汽通量散度，矢量箭頭為水汽通量，（b）（c）圖中陰影區為水汽通量積分值，單位103 g/（cm hPa s），流線為水汽通量積分輸送方向，紅色等值線分別為700、850 hPa水汽通量散度負值區，單位為10-7 g/（cm2 hPa s），黑色陰影對應高度上的地形。暴雨開始前（10日8時和14時）喬溝灣站上空濕層較淺薄，水汽主要集中在600 hPa以下，水汽含量占整層水汽含量的97.5%和97.8%。暴雨開始時，600 hPa以上濕度明顯提高，濕層增厚，等比濕2 g/kg線由10日8時的600 hPa升高到300 hPa，600 hPa上比濕從10日8時的2.4 g/kg增大到20時的8.38 g/kg，11日2時進一步增大到8.62 g/kg，達到最大，小時雨強隨濕度增大而增強，11日0—1時的雨量為26.2 mm，達到最強，11日8時比濕降至7.81 g/kg，隨后喬溝灣站降水減弱，11日3時以后降水量在5 mm以下，11日14時比濕減小到2.72 g/kg，降水停止。比濕的變化和小時雨強關系密切，在強降水發生時段，整層比濕增大，濕層明顯增厚。

分析該站水汽通量和水汽通量散度（圖3（a）中矢量箭頭和等值線）發現，暴雨發生前，700 hPa以下水汽從東南向西北方向輸送，降水最強時段在800—600 hPa出現最大水汽通量，700 hPa以上水汽從西南往東北方向輸送，在10日20時和11日2時出現較強的水汽通量散度負值區，11日2時中心值為-8.46×10-7 g/（cm2 hPa s）。

3.2.2 水汽輸送特征

為了診斷水汽源地和不同高度的水汽輸送通道及水汽輻合特征，對11日2時地面—300 hPa、地面—850 hPa、850—700 hPa水汽通量進行垂直積分，分析發現地面—300 hPa整層水汽輸送到暴雨區的水汽通道（見圖3（b））有3個：一是“瑪利亞”臺風向西移動，其北側的水汽輸送通道是從安徽、河南輸送到暴雨區;二是來自南海的水汽在往北輸送的過程中與從臺風北側往西南輸送的水汽匯合后，從廣西、四川北上進入暴雨區;三是從孟加拉灣沿西南氣流向東北方向輸送到黃河流域。從水汽通量的數值（陰影區）分析，來自孟加拉灣往東北輸送的水汽較少，其最北端到達黃河流域南部和第2個通道匯合輸送到暴雨區，對暴雨區水汽輸送貢獻不大。水汽的主要來源是臺風“瑪利亞”所建立的水汽通道往暴雨區不斷輸送水汽，700 hPa上從東南輸送的水汽通量和中高緯度的西北氣流在暴雨區輻合，形成水汽通量散度負值區（紅色虛線），呈東北西南向。分析地面—850 hPa的水汽通量積分（見圖3（c））可知，臺風所形成的東風氣流把水汽輸送到暴雨區，黃河中游流域地形為西南高東北低（圖3（c）黑色陰影），水汽輸送到暴雨區后受到地形的抬升，在地形迎風坡（850 hPa）形成較強的東北西南向水汽通量散度負值區（紅色虛線），和暴雨落區一致。850—700 hPa水汽輸送量（圖略）明顯比地面—850 hPa的大，在暴雨區形成大于3×104 g/（cm hPa ）水汽通量的大值區域。850—700 hPa水汽通道上的水汽通量是地面—850 hPa的4～12倍，在黃河中游暴雨區達10～30倍，因此可知850—700 hPa是暴雨區的主要水汽輸送層（見圖3（d）），分析黃河中游高海拔地區強降水天氣的水汽條件時，應關注850—700 hPa的水汽輸送。

3.3 假相當位溫分析

通常情況下，取θse=340 K作為高暖濕氣團和一般氣團的分界線，等值線密集區（即θse梯度大值區）是能量鋒區，代表干冷暖濕空氣的交匯區[21]。在垂直結構上，當θse/p>0時，大氣層結處于不穩定狀態，該區域是大氣不穩定區域[22]。

700 hPa上，10日8時暴雨發生前，黃河中游暴雨區有θse高值區，呈東北偏東向，有暖舌向北伸展，見圖4（a）。10日14時 340 K線東側的能量鋒區緩慢東移，強降水發生在鋒區的右側即暖區一側，10日20時和11日2時隨著鋒區東移到暴雨區時降水最強，鋒區演變成東北西南向，鋒區和暴雨的走向一致（圖4（b））。11日8時鋒區在暴雨區上空，暴雨區西部的降水減弱（圖略）。11日14時和20時鋒區移出暴雨區（圖略），強降水結束。通過分析可知降水的移動、走向和鋒區一致，降水在340 K線密集區暖區一側。

對喬溝灣站10日8時沿東經108.9°的θse（陰影區）和θse/p（等值線）的空間分布分析，北緯35°—40°上空700—500 hPa有強不穩定層，中心強度為15 K/hPa，北緯34°—37°中低層為大氣穩定區域，在這種大氣垂直分布狀態下有利于降水天氣的發生。11日2時不穩定能量得到釋放，隨后降水減弱。

3.4 高低空急流的耦合分析

朱乾根等[23]對1998年7月22日8時至14時武漢發生的一次強降水過程進行分析，發現高空西風急流、低空偏西風急流和邊界層偏南風急流上下耦合對暴雨形成和維持至關重要。

2018年7月10—11日暴雨過程最明顯的特征是在強降水發生時存在明顯的高低空急流耦合機制。10日14時200 hPa 南亞高壓呈東西帶狀，見圖5（a）。陰影為200 hPa散度負值區，單位為10-5 s-1;黑色風向桿為200 hPa急流風速≥30 m/s;黑色等值線為200 hPa高度場;紅色等值線為700 hPa散度負值區，單位為10-5 s-1;紅色風向桿為700 hPa急流風速≥12 m/s;綠色等值線為850 hPa散度負值區，單位為10-5 s-1;綠色風向桿為850 hPa急流風速≥12 m/s。

其北側有大于30 m/s高空偏西急流，在高空急流入口區右側存在9.8×10-5 s-1的強輻散中心（陰影區）。同時700 hPa上存在一支伸向黃河中游南部流域大于12 m/s偏南強風帶（紅色風向桿），其出口區左側形成-9.5×10-5 s-1的強輻合中心（紅色等值線），同時850 hPa上有東南急流（綠色風向桿）由東海伸向黃河中游，在其出口區的左側有東北西南向的散度負值區（綠色等值線），散度中心值為-6.8×10-5 s-1。可見，在高空急流入口區右側強輻散區域和低空急流出口區左側強輻合區域形成高低空急流的耦合機制，此時黃河中游流域南部出現強降水。20時南亞高壓增強，其北界1 252 dagpm線隨之北抬（見圖5（b）），高空急流也隨之北抬，此時700 hPa上轉為西南急流，急流強度增強，850 hPa上的東南急流也增強，同時200 hPa強輻散區北抬至喬溝灣站附近，700 hPa和850 hPa的強輻合區位于中游流域中南部，此時強降水落區北抬，在流域中、北部降水增強，南部降水維持。11日2時700 hPa上西南急流帶范圍增大，850 hPa上東南急流增強，200 hPa、700 hPa和850 hPa散度區的位置重疊在中游流域中北部的喬溝灣站附近（見圖5（c）），此時該區域降水強度增大，為最強降水時段，100 mm以上降水出現在該區域。11日8時，輻合輻散位置移動到山西北部（見圖5（d）），此時山西北部降水強度增強，南部、中部降水減弱并逐漸停止。由此可知，高低空急流耦合機制存在且隨其輻合輻散區域移動，高低空急流強度提高，輻合輻散區重疊在同一個區域是黃河中游降水強度增強和喬溝灣站大暴雨產生的主要原因，另外200 hPa散度大值區的移動早于低層散度值移動，和降水強度增大區域一致。

3.5 鋒生函數診斷分析

朱乾根等[24]認為，鋒生導致水平位溫梯度隨時間增大，形成垂直于鋒區暖區上升、冷區下沉的次級環流。本文計算了此次天氣過程鋒生函數，鋒生函數采用標量鋒生函數，考慮到此次過程大氣水汽含量大，大氣處于準飽和狀態，熱力參數采用假相當位溫[25-26]。

3.5.1 鋒生函數的高度-時間分布

鄭婧等[27]對江西北部短時大暴雨過程的鋒生函數進行分析，發現中尺度鋒生中心與該時刻降水中心位置吻合，且新的暴雨云團位于強鋒生中心前進方向的東側、鋒生梯度最大處。本文計算喬溝灣站鋒生函數7月10日8時—11日8時高度-時間序列演變（圖6（a）），10日8時喬溝灣站上空鋒生弱，對應該站無降水產生，14時地面—850 hPa出現中心為15.74×10-10 K/（ms）的鋒生值，隨后在暴雨區14—15時突然出現13.4 mm的降水。10日20時和11日2時喬溝灣站上空出現了15.1×10-10 ～26.79×10-10 K/（ms）的鋒生函數值，位于700—750 hPa上，對應時刻在700 hPa上出現強的上升運動，11日8時以后隨著鋒生函數減小，降水減弱并逐漸消失。從以上分析可以看到，喬溝灣站上空鋒生函數的演變和降水量增大關系密切。

3.5.2 鋒生函數的水平分布

分析700 hPa上黃河流域鋒生函數水平分布情況，14時在黃河上游北部出現強的鋒生函數正值分布區域，上游南部也出現鋒生函數正值分布區域（圖6（b））。20時隨著鋒區東移，在暴雨區北部呈現中心為50×10-10 K/（ms）的正值區，南部呈現30×10-10K/（ms）的正值區（見圖6（c）），鋒生函數數值南小北大的水平分布和降水南小北大的分布一致。11日2時流域南部鋒生減弱，鋒生函數值減小（見圖6（d）），對應的南部降水減弱并逐漸停止。此時中北部區域出現兩個中心，兩個中心和降水量100 mm以上區域基本吻合，在喬溝灣站西北部有鋒生函數負值區域，存在明顯鋒消。11日8時隨著鋒消移動到喬溝灣站附近，降水逐漸停止。由以上分析可知，700 hPa鋒生函數的水平分布和降水的分布基本一致，鋒生的加強對降水增強至關重要。

4 結 論

通過對2018年7月10—11日黃河中游地區暴雨過程的天氣動力學診斷分析，得到如下主要結論。

（1）受臺風“瑪利亞”西北移動影響，副高穩定少動，使低槽移動緩慢，降水落區沿低槽移動方向呈東北西南向，降水維持時間長。垂直方向上在暴雨區出現次級環流，為暴雨的發生提供了強烈的動力條件。

（2）暴雨區的水汽來源于東海、南海和孟加拉灣，其中主要的水汽來源為東海即由臺風“瑪利亞”建立的水汽通道向暴雨區不斷輸送水汽。受中高緯度西北氣流和黃河中游地區地形的作用，水汽輸送到暴雨區后產生水汽的輻合區。850—700 hPa是暴雨區的主要水汽輸送層。

（3）強降水出現在θse鋒區的右側暖區一側，并隨鋒區的移動而移動，暴雨和鋒區的走向一致。垂直方向上θse呈漏斗狀分布，低層有高θse分布，呈高溫、高濕狀態，中層存在強的θse/p>0不穩定區域。

（4）暴雨過程中高低空急流存在明顯的耦合機制，強降水落區隨輻合輻散區域移動，高低空急流強度增強，輻合輻散區重疊在同一個區域是降水強度增強和喬家灣站大暴雨產生的主要原因。

（5）700 hPa鋒生函數水平分布與降水分布較為一致，鋒生函數數值南小北大的水平分布和降水南小北大的分布一致，鋒生函數的大值中心和降水量超過100 mm的中心吻合，因此鋒生函數可以作為診斷強降水落區的物理量指標。

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【責任編輯 張 帥】