2016 年7 月華北特大暴雨過程河北南部垂直風切變觀測特征

劉 瑾，王叢梅*，耿 飛，李芷霞

（1.邢臺市氣象局，河北 邢臺054000；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，江蘇 南京210044；3.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100001）

垂直風切變在天氣系統的演變中具有重要作用。關于熱帶氣旋或熱帶擾動的很多研究表明[1-6]，垂直風切變對熱帶氣旋具有抑制作用，但是近年來也有研究發現熱帶氣旋可以在強垂直風切變環境中發展[7-10]。從中尺度系統形成和發展的動力學機制來看，環境垂直風切變影響對流風暴的組織和演變[11-13]。Weisman 等[14]指出在給定的浮力條件下，弱垂直風切變環境產生短生命史孤立單體，低到中等垂直風切變環境產生多單體風暴，強垂直風切變環境產生超級單體風暴。高守亭等[15]指出當大氣處于層結穩定和慣性穩定時，只要風的垂直切變足夠大，傾斜對流環流就可以發展。Robe 等[16]研究表明，低層風垂直切變增加使對流組織成線狀或弧狀，低層垂直風切變是風暴發展的關鍵因子[17-18]。

丁一匯[19]在總結中國暴雨發生條件時，指出弱垂直風切變有利于暴雨的發生。樊李苗等[20]研究指出，純粹產生強降水的強對流天氣表現為弱垂直風切變。肖遞祥等[21]研究表明，四川盆地的一些極端暴雨天氣過程具有垂直風切變小的特征。羅王軍等[22]研究表明，甘肅省的一次局地大暴雨是在弱垂直風切變環境下產生的。但也有一些暴雨過程發生在較強的垂直風切變環境中[23-27]。方德賢等[28]研究表明，強降水天氣條件下，重慶沙坪壩風廓線雷達和陳家坪多普勒雷達觀測的垂直風廓線較為一致，降水期間單一方向性風切變和低空急流的出現有利于對流維持和水汽輸送。

2016 年7 月19—21 日，華北地區出現大范圍暴雨，為2016 年京津冀汛期最強的一次降雨過程（簡稱“16·7 華北特大暴雨過程”），多站日雨量突破歷史極值、出現特大暴雨，帶來重大人員傷亡和經濟損失，國內的專家和學者對“16·7”華北特大暴雨過程的氣旋發展演變機制、極端降雨的天氣學成因、地形作用以及不同數值模式的預報效果進行了分析研究，取得了一些成果[29-36]，而對該過程的垂直風切變研究較少。其環境垂直風切變特征如何？對河北南部的降雨會產生什么影響？這些問題尚未見報道。邢臺L 波段探空站、石家莊多普勒天氣雷達站以及石家莊風廓線雷達站對此次過程中河北南部的大氣進行了探測，獲取了一些風場資料，這些風場資料在計算垂直風切變時是否具有一致的表現特征？本文利用獲得的水平風對“16·7”華北特大暴雨過程中河北南部垂直風切變的觀測特征進行了初步分析。

1 資料與方法

各類氣象觀測資料來源于河北省氣象信息中心。高程數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//www.gscloud.cn）。

小時雨量數據為整點前1 h 內累計降雨量（時間均為北京時，下同）。

風廓線資料有邢臺L 波段探空、石家莊多普勒天氣雷達風廓線產品和石家莊風廓線雷達產品。依據《常規高空氣象觀測業務規范》[38]中幾何高度和位勢高度轉換公式將邢臺L 波段探空水平風對應的位勢高度轉換為海拔高度，利用內插的方法將不同探測手段得到的水平風的風向、風速插值到同一高度上進行風向、風速偏差的比較。

2 降雨概況

2.1 累計降雨量和最大小時雨量分布

2016 年7 月18 日夜間，39°N 以南的河北省南部地區（下文簡稱“河北南部”）降雨逐漸開始，并不斷增強，7 月20 日白天逐漸減弱。18 日20 時—20日20 時，河北南部大部分地區累計降雨量超過100 mm，西部太行山沿山一帶超過250 mm（圖1a），其中石家莊、邢臺、邯鄲的山區局地超過500 mm，最大出現在石家莊市贊皇縣嶂石巖為810.2 mm。研究表明[11]，幾乎所有小時雨量在20 mm 以上的短時強降水事件都是由深厚濕對流產生的，本次過程中也呈現出深厚濕對流降水的特點，在河北南部，太行山沿山一帶到山前平原、平原東部分布著最大小時雨量超過40 mm 的兩片短時強降雨區，前者強度更強，強降雨的站點也更加密集（圖1b）。前者最大小時雨量為138.5 mm，出現在邢臺市市區（南大郭，19日22：00—23：00），次大值為128.1 mm，出現在石家莊市贊皇縣山區（嶂石巖，19 日16：00—17：00），也就是過程累計雨量最大的位置，屬極端短時強降水天氣；后者最大小時雨量為64.5 mm，出現在衡水市阜成縣（古城鎮，20 日04：00—05：00），可見，前者最大小時雨量是后者2 倍。

2.2 降雨隨時間變化特征

圖1 2016 年7 月18 日20 時—20 日20 時京津冀降雨量分布（a，單位：mm）和39°N 以南河北省境內高程和最大小時雨量在40 mm 以上的雨量站分布（b）

圖2 河北南部36°～39°N 小時雨量經向平均值（a）和經向最大值（b）逐時變化以及高程經向平均（c，d）

2016 年7 月19 日03 時河北南部降雨開始加強，最初的強降雨區并未出現在山區，而是出現在邯鄲南部114.5 °E 附近的平原地區，19 日上午強降雨區逐漸向西部山區推進，19 日11 時河北南部沿太行山區形成南北向的雨帶。19 日11 時—20 日02時，強降雨區維持在西部山區到山前平原的迎風坡處（圖2），多個時次最大小時雨量超過60 mm，屬極端短時強降水。20 日02 時之后西部山區迎風坡降雨強度減弱，平原東部的降雨加強，強降雨區集中在平原東部，最大小時雨量超過30 mm。20 日14 時河北南部降雨強度明顯減弱。從同一緯度上降雨強度（小時雨量）經向平均和最大值來看，西部山區到山區平原的降雨強度明顯大于平原東部地區，這與地形的作用密切相關。另外，強降雨階段西部山區到山前平原迎風坡處多個時次小時雨量超過60 mm，但經向平均小時雨量大部分時次低于30 mm，表明極端短時強降雨具有明顯的局地性特征，這與由中小尺度系統產生有一定的關系。

3 垂直風切變觀測特征

3.1 不同探測手段水平風對比

圖3a 為同一時次3 種探測方式相互之間的風向偏差平均值和風向偏差低于30°的樣本比例，可以看到19 日08 時—20 日11 時的大部分時次，3 種探風手段之間風向偏差平均值＜30°，風向偏差低于30°的樣本比例在80%以上，對應石家莊周邊持續降雨階段。20 日12 時開始，風向偏差平均值有所增大，風向偏差低于30°的樣本比例有所降低，對應于石家莊周邊降雨顯著減弱到結束階段。圖3b 為同一時次的風速偏差平均值和風速偏差低于3 m/s 的樣本比例，可以看到19 日08 時—20 日20 時，3 種探風手段之間風速偏差和風速偏差低于3 m/s 的樣本比例在不同降雨階段沒有表現出明顯的變化趨勢，大部時次風速偏差平均值在2～4 m/s。因此，在本次降雨過程中，3 種探風方式得到的高空風具有一定的一致性。

3.2 水平風深層垂直風切變變化特征

圖3 19 日08 時—20 日20 時石家莊風廓線雷達（W）、石家莊多普勒天氣雷達風廓線（R）和邢臺探空（L）對比

俞小鼎[39]將0～6 km 深層垂直風切變（Vertical Wind Shear，簡稱“VWS”）矢量大小劃分為3 個等級表征其強度：低于12 m/s 屬較弱垂直風切變，12～20 m/s 屬中等偏上強度垂直風切變，超過20 m/s 屬較強垂直風切變。利用石家莊風廓線雷達、石家莊多普勒天氣雷達風廓線整點時刻和邢臺探空站600 m、6 km 處的水平風計算VWS，并按照上述劃分將VWS 描述為弱、中等、強三等。3 種不同探測手段計算的河北南部0～6 km 深層VWS 具有一致的變化規律（圖4）。在降雨初始階段，VWS 為中等大小。在太行山迎風坡處強降雨階段，環境風維持著強的VWS，且強度處于最強階段，邢臺探空、石家莊多普勒天氣雷達和石家莊雷達風廓線產品計算得到的VWS 最大分別達到25.3、30.8、33.9 m/s（相當于4.7×10-3、5.7×10-3、6.3×10-3s-1）。當VWS 減弱到20 m/s 左右時，對應于迎風坡處降雨強度較之前減弱，平原東部降雨強度較強；河北南部降雨逐漸減弱的時段對應的VWS 也在減弱，降雨結束時，VWS 為弱垂直風切變。

圖4 不同探測手段計算VWS、石家莊風廓線雷達600 m 和6 km 處風向風速隨時間變化

“16·7”華北特大暴雨過程中呈現出顯著的對流性強降雨特點[11]，在河北南部，分布著最大小時雨量超過40 mm 的兩片短時強降雨區，部分站點最大小時雨量超過100 mm。研究表明[11-13]，垂直風切變影響對流風暴的組織和演變，強垂直風切變使對流呈現更高度的組織性，在強垂直風切變作用下更容易導致中γ 尺度渦旋形成，產生更強的上升運動。在一些強降水事件[11，40]中，強垂直風切變使對流增強，產生更強的上升運動，進一步使降雨增強。“16·7”華北特大暴雨過程中，石家莊多普勒天氣雷達在河北南部多個時次識別出中γ 尺度渦旋（切變）。圖5 中標號為W9 的單體即為中γ 尺度強對流單體，19 日18：00—18：36 伴隨有中γ 尺度渦旋（切變），其附近的東回舍觀測到的最大小時雨量為109.7 mm，出現在19 日18：00—19：00，即W9 強對流單體影響階段，此時也對應于環境強垂直風切變階段。可見，“16·7”華北特大暴雨過程中，河北南部強垂直風切變環境有利于本次降雨過程中的對流性增強，甚至產生了中γ 尺度強對流單體，增強的上升運動利于降水的進一步增強。

石家莊風廓線雷達數據時間分辨率和各層水平風數據的獲取率較高，因此利用其600 m 和6 km處風的變化來分析引起上述深層垂直風切變變化的原因（圖4）。19 日08 時—19 日21 時，低層600 m處維持的偏東風風速不斷增大，同時中層6 km 處維持西南風且風速不斷增大，兩層次之間的u 風差和v 風差均在增大，引起VWS 不斷增強，同時低層偏東風的增大也增強了迎風坡處的水汽輸送，利于地形輻合抬升作用的增強，對應于迎風坡處降雨增強。19 日22 時—20 日10 時，VWS 由30 m/s 以上逐漸降低到20 m/s 左右，此時低層600 m 處偏東風維持在較高風速，部分時次風速仍在20 m/s，中層6 km 處風向由西南風逐漸轉為偏東風，兩層次之間的u 風差明顯減小，引起深層垂直風切變減小，而此時迎風坡處降雨強度較之前有所減弱。20 日11 時之后，兩層次的風速均有所減小，v 風差也逐漸減小，VWS 逐漸減弱到弱垂直風切變等級。

圖5 7 月19 日18：00、18：36 石家莊多普勒天氣雷達0.5°仰角徑向速度和反射率因子

綜上可知，3 種探風方式給出的VWS 的變化特征具有一致性。河北南部強降雨發生在強VWS 環境中，強VWS 環境有利于本次過程中對流的增強，對上升運動和降水的增強產生積極作用。其中3 種探風方式給出的VWS 在迎風坡處最強降雨階段超過25 m/s，如此強的VWS 緣于u 風差和v 風差同時增強。隨著偏東風層次增厚，6 km 處由西南風轉為東南風，u 風差迅速減小，強VWS 由25 m/s 的強度降至20 m/s，對應于山區降雨強度明顯減弱。

3.3 風廓線雷達逐層水平風垂直風切變和切變矢量變化特征

從河北南部不同降雨階段石家莊風廓線雷達高空水平風隨高度變化（圖6）來看，無論是西部山區到山前平原，還是平原東部，水平風垂直切變矢量在強降雨階段基本表現為單一方向順時針切變；而在河北南部降雨結束階段，水平風垂直切變矢量在垂直方向上變化復雜，2 km 以下的低層，呈順時針切變，2～6 km 的風切變方向變化較為雜亂，6 km 以上則基本表現為逆時針切變，垂直風切變矢量大小也明顯減小，由此可見，本次降雨過程中，水平風垂直切變矢量在垂直方向表現為單一方向順時針切變的風場環境對強降雨有積極作用。利用石家莊風廓線雷達逐240 m 高度間隔的水平風計算相鄰層次之間的水平風垂直風切變，得到水平風垂直風切變大小隨高度的分布（圖7）。與上文僅用兩層水平風計算的0～6 km 的垂直風切變相比，大部時次計算得到的6 km 以下的最大垂直風切變的數量級要大出1 個數量級，個別時次甚至大出2～3 個數量級，而原因在于風隨高度的變化并非線性，文中計算深層垂直風切變和各層風切變用的高度差分別為5 400 m和240 m，高度差作為分子相差1 個數量級，而風速差的數量級卻沒有那么大，因此，用這兩種高度差計算的垂直風切變強度不宜放在一起直接比較大小。從垂直風切變大小隨高度的分布來看，大的垂直風切變分布在低層1～4 km，在西部山區強降雨階段，低層的垂直風切變顯著增強，最大垂直風切變達到1.15 s-1（19 日15 時），直到20 日05 時，低層仍維持較強的垂直風切變。20 日05 時之后，低層垂直風切變明顯減弱，對應于河北南部降雨減弱到結束的階段。

圖6 7 月19 日17、23 時，20 日02、05、14 時風廓線雷達水平風矢端隨高度變化

圖7 7 月19 日08 時—20 日20 時石家莊風廓線雷達水平風垂直風切變隨高度分布（單位：s-1）

3.4 水平風垂直分布

從河北南部石家莊風廓線雷達高空水平風u 風分量垂直分布（圖8）和降雨分布的逐時變化（圖2）來看，19 日08 時開始，隨著黃河氣旋移動和發展，河北南部偏東風厚度不斷增厚，逐漸向高空伸展，從19 日15 時—20 日11 時河北南部逐時最大東風分量持續超過16 m/s。在19 日23 時，偏東風伸展高度超過6 km，偏東風氣流的增厚，有利于引導氣流的東風分量增大，降雨云系隨引導氣流向山區方向移動，迎風坡處多站連續4～5 h 出現雨強超過20 mm/h的強降雨。19 日08 時開始，太行山脈高度以下的東風不斷增強，在迎風坡出現風速的輻合，有利于迎風坡處降雨的進一步增強，19 日11 時迎風坡處降雨強度開始明顯增大，對應于太行山脈以下最大東風分量開始增加到8 m/s 以上且持續增強，至19 日19時東風分量達到最大為28 m/s，出現在1 km 高度上。20 日01 時自近地面開始轉為偏北風，偏北風厚度自地面逐漸向上伸展，東風分量逐漸減小，迎風坡處輻合減弱，同時最大東風分量所處的高度也明顯增高，也可引起迎風坡輻合減弱[41]，西部山區和山前降雨逐漸減弱。孫繼松[41]研究表明，當東風氣流隨高度減弱時，有利于在地形迎風坡處形成水平輻合，迎風坡的上升速度取決于低空最大東風層的風速大小和山體的坡度，從36°～39°N 高程平均（圖2）來看，河北南部山區海拔高度自東向西總體呈升高趨勢，最高超過1 200 m，事實上部分山峰海拔高度超過1 500 m。本次過程中從19 日11—23 時，1 500 m高度以下多個時次出現東風分量隨高度減小的層次，有利于迎風坡輻合。

圖8 7 月19 日08 時—20 日20 時石家莊風廓線雷達6 km 以下水平風（風標）和u 風分量（填色）垂直分布（單位：m·s-1）

4 結論

通過對“16·7”華北特大暴雨過程中河北省南部地區小時雨量、高空風垂直分布以及降雨不同階段水平風的垂直變化特征分析，得出以下結論：

（1）河北南部，太行山沿山一帶到山前平原、平原東部分布著小時雨量在40 mm 以上的兩片短時強降雨區，前者降雨強度更強，強降雨的站點也更加密集，最大雨強是后者的2 倍，這與地形作用密切相關。極端短時強降雨具有明顯的局地性特征，這與由中小尺度系統產生有一定關系。

（2）在本次降雨過程中，不同探風方式得到的河北南部的高空風以及垂直風切變變化特征具有一定的一致性。河北南部強降雨發生在強深層垂直風切變環境中，強垂直風切變環境有利于本次過程中對流的增強，對降水的增強產生積極作用。其中山區和山前平原出現強降雨階段，3 種探風方式給出的0～6 km 深層垂直風切變在最強降雨階段超過25 m/s。如此強的垂直風切變緣于u 風差和v 風差同時增強，偏東風層次伸展到6 km，u 風差迅速減小，對應于山區降雨強度明顯減弱。

（3）水平風隨高度變化無論是西部山區到山前平原的強降雨階段，還是平原東部強降雨階段，水平風垂直切變矢量基本上表現為單一方向順時針切變，且低層風垂直切變較大。垂直風切變大小隨高度的分布表明，大的垂直風切變分布在低層1～4 km，在西部山區強降雨階段，低層的垂直風切變顯著增強。河北南部降雨減弱到結束的階段，對應于低層垂直風切變明顯減弱。水平風垂直切變矢量基本上表現為單一方向順時針切變，且低層風垂直切變較大的環境對強降雨有積極作用，而其動力學作用機制有待進一步研究。

（4）u 風分量的垂直分布表明，太行山脈高度以下的東風不斷增強，最大東風分量達到8～28 m/s，有利于山區和山前降雨的增強。另外，在山區和山前強降雨階段，1 500 m 高度以下在多個時次上也出現東風分量隨高度減小的層次。