2016年張家口地區(qū)暴雨過程分析

姬雪帥 郭宏 黃山江

摘要 應(yīng)用MICAPS常規(guī)氣象資料、區(qū)域站加密降水資料以及NCEP再分析資料，對2016年7月19—20日發(fā)生在張家口地區(qū)的一次暴雨過程進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明，此次強(qiáng)降水過程是由于深厚的冷渦系統(tǒng)與副高外圍的暖濕氣流交匯而產(chǎn)生，冷渦系統(tǒng)及副高外圍暖濕氣流、地面倒槽系統(tǒng)為暴雨的產(chǎn)生提供必要的環(huán)流背景；各物理量分析表明，張家口地區(qū)動力條件、熱力條件（不穩(wěn)定）、水汽條件配合較好，均有利于強(qiáng)降水的發(fā)生；濕位渦可以較好地解釋此次暴雨的形成機(jī)制。

關(guān)鍵詞 暴雨；低渦；副高；濕位渦；河北張家口；2016年

中圖分類號 P458.1+21.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）04-0204-03

Abstract Based on MICAPS conventional meteorological data，regional station precipitation data and the NCEP reanalysis data，a rainstorm event occurred during July 19-20，2016 in Zhangjiakou area was analyzed in this paper. The results showed that the rainstorm event was caused by the intersection of deep cold eddy system and peripheral warm moist air flows of the subtropical high. The cold eddy system，peripheral warm moist air flows of the subtropical high and the ground inverted trough provided essential circulation background for the rainstorm.The analysis of each physical quantity showed that dynamic condition，thermal condition（unstable）and water vapor condition in Zhangjiakou area were favorable for the occurrence of rainstorm. The moist potential vorticity could explain the formation mechanism of this rainstorm well.

Key words rainstorm；vortex；subtropical high；the moist potential vorticity；Zhangjiakou Hebei；2016

暴雨是我國主要的災(zāi)害性天氣之一，長期以來，廣大氣象工作者對暴雨的影響系統(tǒng)、形成機(jī)理進(jìn)行了較深入的研究[1]。陶詩言[2]通過大量個例分析表明，西南低渦是造成中國夏半年暴雨的主要原因；張迎新等[3]分析了濕位渦在“96·8”特大暴雨過程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)濕位渦對暴雨有較好的指示意義；高萬全等[4]分析了華北一次強(qiáng)對流暴雨的濕位渦診斷分析。隨著國民經(jīng)濟(jì)和城市群的迅速發(fā)展，短歷時、強(qiáng)度大的局地暴雨給城市帶來的氣象災(zāi)害及城市次生災(zāi)害也越來越嚴(yán)重，如“7·30”上海暴雨、“7·18”濟(jì)南特大暴雨以及“7·21”北京特大暴雨。2016年7月19—20日張家口地區(qū)出現(xiàn)了暴雨天氣，本文從影響系統(tǒng)、動力條件、不穩(wěn)定機(jī)制等方面對此次過程進(jìn)行分析。

1 天氣概況

2016年7月19—20日，受低渦和西南暖濕氣流的共同影響，張家口市出現(xiàn)雷陣雨天氣過程，降水量分布不均，大部地區(qū)達(dá)到中到大雨，部分地區(qū)暴雨，局部大暴雨（圖1）。降水量較大的區(qū)域主要集中在中南部地區(qū)，降水強(qiáng)度較大的時段主要為20日下午至前半夜。全市平均過程總雨量為46.8 mm，最大為懷來東花園，達(dá)264.9 mm。其中，25～50 mm站點(diǎn)144個，50～100 mm站點(diǎn)160個，100 mm以上站點(diǎn)36個。

2 環(huán)流形勢

19日20：00 500 hPa高空圖上華北、東北地區(qū)為兩脊一槽，副熱帶高壓中心位于海上，河北東部、環(huán)渤海區(qū)域以及東北地區(qū)均處于副高控制之下，河套西部高壓脊逐漸建立并加強(qiáng)，兩高之間的高空槽位置少動，冷空氣逐漸被河套西部的高壓脊切斷，該冷空氣在河套東部至河北西部一帶旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，逐漸形成一個閉合的低渦系統(tǒng)。由圖2（a）可知，20日8：00低渦已經(jīng)形成，低渦中心位于河北和陜西南部地區(qū)，低渦底部的西南氣流和副高外圍的西南氣流匯合，最大風(fēng)速達(dá)到28 m/s，張家口處于低渦的頂部，降水強(qiáng)度不大。由圖2（b）可知，20日20：00，低渦強(qiáng)度有所減弱，但低渦已經(jīng)北抬，張家口南部處于低渦中心附近，出現(xiàn)了強(qiáng)降水，并一直持續(xù)到夜間；21日8：00，強(qiáng)降水基本趨于結(jié)束。

3 物理量診斷

3.1 動力條件

對渦度和散度的時間剖面圖進(jìn)行分析，渦度剖面圖上，張家口地區(qū)200 hPa以下均維持正渦度，有利于輻合上升運(yùn)動，見圖3（a）；散度剖面圖上，從19日夜間開始，張家口地區(qū)700 hPa以下基本為負(fù)散度，一直維持到21日早晨，300～700 hPa維持正散度，這種低層輻合、高層輻散的形勢有利于強(qiáng)降水的發(fā)生，見圖3（b）。

對7月20日20：00沿115.5°E附近的渦度和散度經(jīng)向進(jìn)行剖面分析，在43°N以南的區(qū)域200 hPa以下均為正渦度區(qū)，以北地區(qū)300 hPa以下均為負(fù)渦度區(qū)，在40°N以南700 hPa附近存在強(qiáng)渦度中心，懷來正處于40°N附近，見圖4（a）；同時刻散度剖面圖上，在42°N以南500 hPa以下均為負(fù)散度區(qū)，在850 hPa存在1個負(fù)散度中心，在40°N以南地區(qū)上空散度的空間分布滿足“負(fù)—正—負(fù)”的分布特征，見圖4（b）。由準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論中的渦度方程可知，低層負(fù)散度中空氣向中心輻合，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，產(chǎn)生正渦度。由連續(xù)方程可知，會產(chǎn)生上升運(yùn)動。同時，低層正渦度區(qū)科氏力由渦度中心指向外，必須有向心的氣壓梯度力與其平衡，導(dǎo)致中心氣壓降低，負(fù)散度加強(qiáng)，這樣的耦合形勢對降水的持續(xù)和發(fā)展具有重要作用。

3.2 水汽條件

850 hPa水汽通量散度場上，低層水汽通量散度 >0，水汽輻散，不利于暴雨發(fā)生；低層水汽通量散度<0，水汽輻合，有利于暴雨發(fā)生。由圖5（a）可知，20日8：00河北西北部地區(qū)水汽通量散度均>0，水汽為輻散，此時張家口地區(qū)尚未發(fā)生強(qiáng)降水；由圖5（b）可知，20日20：00，整個河北地區(qū)水汽通量散度均<0，說明水汽輻合非常強(qiáng)烈，張家口地區(qū)從東南向西北水汽輻合強(qiáng)度呈減弱趨勢，與張家口地區(qū)降水分布較一致。

3.3 熱力條件

假相當(dāng)位溫可以綜合反映大氣的溫度、濕度和氣壓等特征。對假相當(dāng)位溫進(jìn)行剖面分析，在20日8：00以后，700 hPa以下θse逐漸增大，出現(xiàn)1個71 ℃的閉合中心，見圖6（a）。從20日午后開始，500 hPa以下θse以下的垂直梯度增大，在張家口地區(qū)上空500 hPa以下■>0，為對流不穩(wěn)定層結(jié)；500 hPa以上■<0為對流穩(wěn)定區(qū)。張家口地區(qū)K指數(shù)在32～36 ℃之間，大氣具有較高的潛能，熱力條件較好，見圖6（b）。

3.4 濕位渦的診斷分析

在p坐標(biāo)系中，濕位渦的定義為：

MPV=-g（f K+？塄×V）·？塄θse（1）

考慮大氣垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，當(dāng)忽略 ω的水平變化時，p坐標(biāo)下濕位渦守恒方程為：

MPV=-g（ξ+f）■+g（■■-■■）=const（2）

將其寫成分量形式，則：

MPV1=-g（ξ+f）■（3）

MPV2=g（■■-■■）（4）

式（3）中，MPV1為濕位渦（單位為PVU）的垂直分量（即為正壓項(xiàng)），其值取決于空氣塊絕對渦度的垂直分量和相當(dāng)位溫垂直梯度的乘積（ξ為垂直方向渦度，f為地轉(zhuǎn)渦度，θse為假相當(dāng)位溫）。因?yàn)榻^對渦度為正值，當(dāng)大氣為對流不穩(wěn)定時，■>0，所以MPV1<0；若大氣對流穩(wěn)定時，則■<0，MPV1>0；MPV2為濕位渦的水平分量（即為斜壓項(xiàng)），其數(shù)值由風(fēng)的垂直切變（水平渦度）和θse的水平梯度決定，表征大氣的濕斜壓性。水平濕斜壓增加或風(fēng)垂直切變的增加均能引起濕等熵面的傾斜，進(jìn)而引起垂直渦度的增長，有利于強(qiáng)降水發(fā)生或加劇。

3.4.1 等壓面上的濕位渦的垂直分量（MPV1）。分析20日6：00—7：00的小時降水量，降水量較大的區(qū)域集中在廊坊南部、天津中南部以及滄州北部；從20日14：00 850 hPa的等壓面上MPV1分布來看，以上區(qū)域均處于負(fù)值區(qū)，說明存在對流不穩(wěn)定，見圖7（a）。到20日20：00，在承德南部出現(xiàn)了MPV1的正值中心，說明從承德南部到北京一直到保定西部有冷空氣活動。東南部仍為負(fù)值區(qū)，仍然有暖濕氣流輸送，并且暖濕氣流比較強(qiáng)盛，負(fù)值區(qū)一直向北伸展，見圖7（b）。21日0：00，MPV1負(fù)值區(qū)進(jìn)一步向北向西伸展，張家口南部、保定東部、北京南部、廊坊、唐山、秦皇島、承德南部均為負(fù)值區(qū)，與20日14：00至21日0：00的強(qiáng)降水落區(qū)分布較一致。MPV1的零值線附近是冷暖空氣的交匯地帶，伴隨著零線移動，強(qiáng)降水區(qū)域不斷擴(kuò)大，強(qiáng)降水區(qū)域覆蓋MPV1的負(fù)值區(qū)，零線區(qū)域分布對強(qiáng)降水落區(qū)有較好的指示意義。

3.4.2 等壓面上的濕位渦水平分量（MPV2）。分析20日20：00（上接第206頁）

的濕位渦水平分量（MPV2）（圖8），正值區(qū)的移動可作為低空急流和暖濕氣流活動或渦旋活動的示蹤[3]，20：00張家口地區(qū)基本為負(fù)值區(qū)控制，21日0：00均為弱的正值區(qū)。

綜合討論分析可得出，MPV1<0且MPV2>0的區(qū)域?qū)?yīng)暴雨區(qū)。

4 結(jié)論

（1）2016年7月19—20日張家口地區(qū)暴雨天氣主要是由冷渦系統(tǒng)與副高外圍的暖濕氣流交匯，同時中低層有閉合低渦及水汽輸送配合地面倒槽結(jié)構(gòu)配合產(chǎn)生的。

（2）物理場量中渦度、散度相互耦合，動力條件較有利，高層、中層、低層水汽充足，同時熱力條件提供了較強(qiáng)的能量，均為此次暴雨產(chǎn)生提供了有利條件。

（3）濕位渦能夠較好地解釋此次暴雨的形成機(jī)制，從850 hPa等壓面上看，MPV1<0且MPV2>0的區(qū)域?qū)?yīng)暴雨區(qū)。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 晉建設(shè)，王超，王淑娟，等.2007年7月12-15日河南省大暴雨天氣診斷分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2010，33（4）：64-70.

[2] 陶詩言.中國暴雨[M].北京：科學(xué)出版社，1980：196-199.

[3] 張迎新，胡欣，張守保.濕位渦在“96·8”特大暴雨過程中的應(yīng)用分析[J].氣象科技，2004，23（12）：25-28.

[4] 高萬全，周偉燦，李玉娥.華北一次強(qiáng)對流暴雨的濕位渦診斷分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2011，27（1）：1-6.