開封“7·19”大暴雨天氣過程的極端性分析

冀翠華， 李姝霞

(1.開封市氣象防災減災重點實驗室，河南 開封 475004； 2.開封市氣象局，河南 開封 475004)

引 言

近年來，我國極端降水、干旱、高溫等異常天氣事件頻發[1-4]。暴雨作為夏季最常見的災害性天氣，不僅會造成巨大的人員傷亡和經濟損失，同時易引發城市內澇、滑坡、泥石流、山洪等重大災害，直接威脅到人們的生存環境和生命安全。譬如，1975年8月上旬河南省的重大洪災過程，傷亡人數直逼唐山大地震[5]。2016年7月中旬華北大范圍暴雨過程，不僅引發多起滑坡和泥石流，河南安陽、新鄉部分地區還出現山洪，影響巨大。

關于暴雨極端性及其成因方面的研究已有很多[6-7]。劉學華等[8]研究發現，近40年全國極端降水指數和年降水量均呈線性增加趨勢。沈陽等[9]分析夏季極端降水事件指出，極端降水事件與副熱帶高壓異常密切相關。俞小鼎[10]對2012年7月21日北京特大暴雨成因分析結果表明，高空低槽伴隨地面冷鋒東移，在華北遇到副熱帶高壓和山西地形阻擋移動緩慢，臺風低壓和副熱帶高壓之間形成強氣壓梯度，導致通向華北地區的東南風、南風低空急流建立并加強。諶蕓等[11]分析北京“7·21”特大暴雨中尺度對流系統的環境場條件發現，極端降水過程發生在高層輻散、中低層低渦切變和地面輻合線等高低空系統耦合的背景下。張芳華等[12]對冬季暴雨研究結果顯示，鋒生過程是構成有利于極端暴雨過程的天氣尺度環流背景。王君[13]和栗晗等[14]指出中尺度輻合線的生成、發展和維持及多個地面中尺度氣旋移動造成的列車效應，是導致局地特大暴雨的主要原因。孫軍等[15]研究證明，極端降水不僅發生在高低空、地面等多層系統耦合的背景下，而且具有極高的整層可降水量、強低層水汽輻合等水汽條件。王婧羽[16]、田紅[17]等研究發現，極端降水與異常水汽輸送具有一定關系。江志紅[18]、劉國強[19]等分析強降水過程水汽輸送特征時發現，不同降水階段水汽輸送軌跡、水汽源地及貢獻等存在差異。以上對極端暴雨的研究成果，為進一步開展研究和業務應用提供了條件。

開封地處豫東平原，北臨黃河，地勢低洼，河道下泄水流緩慢，一旦出現大暴雨事件，容易引發城市內澇、農田漬澇、交通癱瘓、人員傷亡等重大風險。2016年“7·19”大暴雨過程，造成開封7000余萬元農業經濟損失、4萬余人受災、嚴重的城區內澇和2人死亡。以往開封暴雨研究多集中于個例的形勢特征分析及物理量的診斷[20-21]，缺少環境場物理量的異常特征分析。本文分析“7·19”大暴雨的降水量極端性和環流背景，并從水汽和動力因子較氣候態的偏離程度等方面探討本次大暴雨過程環境場的極端性特征，利用HYSPLIT-4水汽軌跡模型[22-23]探究水汽來源及輸送特征，以期提高對此類極端降水發生發展過程的認識，提高對極端暴雨的預報能力。

1 降水實況和極端性分析

1.1 降水實況

2016年7月19日，受低渦氣旋共同影響，開封出現一次暴雨到大暴雨天氣過程，大暴雨主要出現在開封市區、杞縣東南部及蘭考局部地區(圖1a)。全市80個區域雨量站中降雨量超過50 mm的站點有60個，超過100 mm的站點有14個，其中排名前三的降水均出現在市區的站點，分別為杏花營站(163.7 mm)、北郊站和開封國家站(下文均簡稱開封站，159.7 mm)、柳園口站(142.8 mm)。由7月19日08：00-20日08：00開封站逐小時降水量變化(圖1b)可知，開封市區的強降水集中時段為19日17：00-19：00，短時強降水特征顯著。杏花營站最大小時雨強為79.0 mm·h-1，開封站最大小時雨強為64.6 mm·h-1，均出現在19日18：00，其中開封站最大小時雨強達到2011-2016年開封本站極大值。20：00后降雨明顯減弱,并逐漸結束。降水效率高,小時雨強大，是開封大暴雨的主要特征。

圖1 2016年7月19日08時-20日08時開封降雨量分布(a)和開封站逐小時降雨量(b)

1.2 日降水量極端性分析

利用百分位法對開封“7·19”暴雨日降水量進行極端性分析。百分位法[24]是將某站點逐年降水序列(日降水量≥ 0.1 mm)第95個百分位值的30年平均值，定義為該站點的極端降水閾值。由于開封主汛期在7、8月份，本文計算了1981—2010年開封站逐年7、8月降水日的24 h降水量序列的95分位值；再計算其30年算術平均，得到開封極端暴雨閾值為70.9 mm。將日雨量≥70.9 mm的暴雨定義為開封極端暴雨。1981以來開封極端暴雨日數統計結果見表1。由表1可看出，1981—2016年開封極端暴雨共有27例，其中7月、8月共有23例(占比85.2%)，9月有2例，4月、6月各有1例。開封歷史最大日降水量為1992年8月11日的217.8 mm，其次是1984年8月9日的200.6 mm。2016年“7·19”大暴雨過程開封站日降水量為150.1 mm，達開封極端暴雨閾值的2倍及以上，居1981年以來開封日雨量的第四位，居近20年首位，降水具有明顯極端性特征。

表1 1981-2016年開封極端暴雨日(日雨量≥70.9 mm)統計

2 大暴雨環流背景和環境場的極端性分析

2.1 大暴雨環流背景

降水開始前，19日08時500 hPa，我國中緯度地區以經向環流為主，內蒙古至陜南及四川地區均存在一低槽，槽后有明顯冷平流，有利于低槽加深發展，副熱帶高壓和高空低槽前高壓脊穩定加強西北伸，對低槽的東移形成阻擋，低槽移動緩慢，河南持續受槽前西南氣流影響。700 hPa、850 hPa上，陜西南部均有低渦，從低渦中心伸出“人字型”切變線(圖2a)，河南處于東西向切變線北側，中低層在東西向切變線的南側存在風速大于12 m/s的西南風急流，急流出口區位于湖北東部，充沛的水汽不斷向北輸送至暴雨區。副熱帶高壓與高空低槽形成的強氣壓梯度力使地面氣旋強烈發展，有利的天氣系統配置為開封大暴雨提供了持續的水汽輸送和上升運動條件。衛星云圖上，南段低槽、切變線與中低層急流之間形成帶狀云系，北段山西中南部也有云系發展(圖3a)，14：00—17: 00帶狀云系北抬，與山西中南部發展東移的云系相互作用，在開封上空發展加強(圖3b、c)。19日20：00，500 hPa高空低槽東移至山西中部到四川一線，700 hPa、850 hPa低渦移動到河南中北部上空，中低空西南急流和超低空偏南急流北伸至河南山東交界，輻合上升運動最強的區域移出開封，開封降水明顯減弱。

圖3 2016年7月19日08:15(a)、14:15(b)、17:15(c) FY-2E紅外云系亮溫分布圖

地面圖上，由逐3 h氣壓場演變及自動站加密風場分析可知，19日08：00-20：00，河南受西南低壓外圍暖倒槽(又稱長江中下游暖性倒槽[25])的影響，倒槽東北伸，影響開封,使開封偏東風氣流加強并形成輻合；20：00后形成黃淮氣旋[26]，影響河南北部和河北地區。開封地區強降雨出現期間，暖倒槽穩定維持在河南中東部地區，在加密風場上顯示出中小尺度輻合中心及輻合線(圖2b)。17：00-19：00輻合中心及輻合線維持在開封市區到尉氏一線，強烈的動力抬升運動，為大暴雨的產生提供了觸發機制。

圖2 2016年7月19日08時-20時高空系統演變(a)和19日17時地面氣壓形勢(b)

綜上，開封“7·19”大暴雨是在副熱帶高壓穩定加強的形勢下，高空低槽東移加深,引導中低層低渦切變線加強東北移,地面倒槽發展，誘發中小尺度輻合中心及輻合線引發的。

2.2 大暴雨過程的環境場極端性分析

2.2.1 暴雨過程的物理量統計特征

極端暴雨的發生往往具有異常的水汽和動力條件[27]。為保證再分析資料格點精度的一致性，本文選取2000-2015年的暴雨個例，利用NCEP 1°×1°逐6 h間隔再分析資料，以開封站為代表站，統計開封歷史暴雨過程中多種物理量環境參數日均值和最大值的特征，并將診斷分析的2016年“7·19”大暴雨過程特征與之對比，分析水汽條件和動力條件的極端性。

2000-2015年開封7、8月份共有21例暴雨過程，統計動力因子(垂直速度)和水汽因子(水汽通量、整層可降水量、比濕)的變化特征，日均值、最大值分別表示每例暴雨過程前一日20時至當日20時5個時次(前一日20：00、當日02：00、08：00、14：00、20：00)所選物理量的算術平均值和絕對值最大的數值，再對21例暴雨過程中各物理量的日均值和最大值的變化進行統計，則得到表2。表2中平均值(Avg)、標準偏差(σ)的計算公式如下：

Avg=(x1+x1+…+xn)/n

(1)

(2)

式中,x1、x2、xn分別為2000-2015年開封歷史暴雨過程對應的環境參數的日均值或最大值，n為暴雨例數。

由表2環境參數日均值和最大值的值域范圍和標準偏差可知，開封2000年以來的暴雨過程中，700 hPa和850 hPa垂直速度極值均達-21.5×10-1Pa·s-1，日均值極值分別為-7.1×10-1、-5.4 ×10-1Pa·s-1；850 hPa和925 hPa水汽通量極值分別達到36.0、31.2 g·cm-1·hPa-1·s-1，日均值極值則分別達到16.5、18.5 g·cm-1·hPa-1·s-1。整層可降水量日均值為37～71 mm，極值達73 mm；比濕的大小具有隨高度遞減的特征，925-700 hPa比濕極值分別為20.5、17.1和12.4 g·kg-1，各層比濕平均值自925-700 hPa分別為15.4、13.6和9.4 g·kg-1。

表2 2000-2015年開封歷史暴雨過程物理量日均值和最大值

2.2.2 暴雨過程的動力條件極端性

圖4為開封站上空垂直速度的時間—高度剖面圖。由圖4可看出，7月18日20：00-20日02：00，暴雨區上空的動力條件呈現先增強后減弱的變化特征。19日14：00，高空三層切變線系統及地面倒槽均開始影響開封，動力條件達到最強，700 hPa垂直速度最大達-40.6 ×10-1Pa·s-1，850 hPa垂直速度達-24.7 ×10-1Pa·s-1，說明中低層切變線和低空急流的共同作用為大暴雨提供了強的動力條件。19日20：00地面形成氣旋，開封處于氣旋后側，隨著系統北抬，動力條件減弱，整層垂直速度均減小。

圖4 2016年7月18日20時-20日08時開封垂直速度時間-高度剖面圖

對比開封2000年以來暴雨過程物理量，“7·19”大暴雨過程中700 hPa和850 hPa垂直速度最大值均超過2000年以來的暴雨過程垂直速度極值，居第一位；850 hPa垂直速度平均值、700 hPa垂直速度平均值分居2000年以來開封暴雨過程平均垂直速度的第一位和第二位。

將“7·19”大暴雨過程的垂直速度與2000年以來21例暴雨過程垂直速度(日均值和最大值)的平均值(Avg)進行比較，計算兩者之差(以下簡稱差值)，并轉換為標準偏差的倍數，用于探討動力條件的極端性。結果表明，當差值超過2 σ時可定義為極端值，若多個環境參數的差值均超過2 σ，則預示著極端天氣的出現[28]。通過計算“7·19”大暴雨700 hPa、850 hPa垂直速度極值，同歷史暴雨過程的差值分別達到-6.9 σ和-4.7 σ；700 hPa、850 hPa垂直速度平均值，同歷史暴雨過程的差值達到-4.9 σ和-4.6 σ。因此，“7·19”大暴雨過程中，開封站的動力條件具有強極端性。

2.2.3 暴雨過程的水汽條件極端性

分析“7·19”暴雨過程中開封站上空比濕、水汽通量時間-高度剖面圖(圖5a、c)可知，7月18日20：00-20日08：00，比濕、水汽通量呈先增大后減小的趨勢，且水汽通量的極大值分布在850-925 hPa之間，說明隨著低層急流的東移北推，開封地區上空水汽條件呈先增強后減弱的變化。19日14：00比濕、水汽通量達到極值，700 hPa、850 hPa和925 hPa比濕分別為12.2、16.0和18.0 g·kg-1，水汽通量分別為16.2、25.6和25.8 g·cm-1·hPa-1·s-1，且水汽輸送大值區集中在850 hPa以下。圖5(d)為水汽通量散度時間剖面圖，顯示19日14：00開封上空900-1000 hPa的水汽通量散度達到最大,為-6×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。綜上分析，14：00開封上空的水汽輸送和水汽輻合均達最強，開封強降水正是14：00之后顯著增強，小時雨強更是有2個時次超過了50 mm·h-1；20：00后水汽輸送和水汽通量散度均減弱，開封站的降水也呈明顯減弱趨勢。

將“7·19”暴雨過程中比濕和水汽通量與開封2000年以來的歷史暴雨過程進行對比發現，“7·19”暴雨過程中850 hPa比濕最大值居第三位，700 hPa比濕最大值僅次于歷史暴雨過程的極大值，居第二位。850 hPa、925 hPa水汽通量最大值在2000年以來暴雨過程中分別處于第三位和第二位，水汽通量日均值(850 hPa和925 hPa)超過2000年以來暴雨過程平均水汽通量的極大值。

整層可降水量對極端強降水事件具有一定的指示意義。開封“7·19”暴雨過程平均整層可降水量達到71 mm，大于開封歷史暴雨過程整層可降水量均值60 mm。同時，19日14：00整層可降水量值達75 mm(圖5b)，超過2000年以來歷史暴雨過程該物理量的極大值。

圖5 2016年7月18日20時—20日08時開封比濕(a)、整層可降水量(b)、水汽通量(c)和水汽通量散度(d)

對“7·19”大暴雨水汽因子與2000年以來暴雨過程的同一物理量均值進行比較發現，“7·19”大暴雨700 hPa比濕最大值的差值達1.5 σ，925 hPa比濕日均值差值達2.9 σ；850 hPa水汽通量日均值的差值達1.5 σ,925 hPa的達1.9 σ，創2000年以來暴雨過程水汽通量均值之最。綜上分析，“7·19”大暴雨的水汽輸送和邊界層水汽輻合均表現出強極端性特征。

2.2.4 暴雨的水汽來源和貢獻率

為分析“7·19”大暴雨的水汽來源和不同層次水汽輸送的貢獻率，利用HYSPLIT-4軌跡在線模型，繪制開封大暴雨上空4個高度、5個時刻的水汽后向軌跡曲線(圖6)，模擬高度為5000 m、3000 m、1500 m和500 m，模擬站點為開封站，后向模擬時長為72 h，初始時刻選擇20日08時，每6 h后向追蹤分析一次，每6 h輸出一次軌跡點的位置。由圖6可知，19日08：00-20：00，所有高度層次上，隨著時間變化，水汽軌跡曲線均呈順時針旋轉，且后向軌跡曲線也逐漸增長，說明隨著急流的加強北推，水汽通道也越來越長，對應了開封降水增強時段；20日02：00-08：00，中低層水汽軌跡由東南向轉為西北向，經分析，與中低層偏東急流建立和黃河氣旋生成有關，高層轉為偏西或西北通道，輸送偏干冷空氣，這種高層偏西風、低層西北風的配置不利于強降水的持續，19日20：00后，開封降水明顯減弱。為追蹤水汽源地，將模擬時間增加到120 h(圖略)，發現開封最強降水時段的19日17：00-19：00，5000 m水汽后向軌跡源地為孟加拉灣，3000 m、1500 m和500 m 3個高度上，水汽后向軌跡源地均為南海，說明開封“7·19”大暴雨水汽源地主要為南海，其次是孟加拉灣。

圖6 2016年7月19日08時—20日08時開封5000 m (a)、3000 m (b)、1500 m (c)、500 m (d)逐6 h水汽后向軌跡模擬圖

參考文獻[29]對水汽貢獻率的定義，利用公式(3)計算不同水汽源地或通道的水汽貢獻率QS。其中比濕qlast是根據軌跡模式輸出最終位置的物理量(包括氣壓lev、溫度TMPprs、相對濕度RHprs)，通過公式(4)(5)(6)計算得到:

(3)

es=6.112×exp[17.67×(TMPprs-273.15)-(TMPprs-29.65)]

(4)

qs=0.622×es-(lev-0.278×es)×1000

(5)

q=qs×RHprs/100

(6)

式中,QS為通道水汽輸送貢獻率，qlast為通道上最終位置的比濕，m為該通道所包含軌跡的條數，n為所有軌跡的總條數，m、n分別取1、4；es為飽和水汽壓(單位:hPa)，qs為飽和比濕(單位:g·kg-1)，q為比濕(單位:g·kg-1)。5000 m、3000 m、1500 m和500 m 4個高度的軌跡比濕分別為18.15、16.65、11.31和7.12 g·kg-1，代入公式(1)，得出4個高度上的水汽輸送貢獻率分別為13.38%、21.24%、31.27%和34.95%。可見水汽輸送的貢獻層次深厚，從低層到高層水汽輸送的貢獻率逐漸減小，且3000 m高度以下水汽輸送總貢獻率達85%以上。

3 開封極端暴雨物理量閾值設定

根據1.2節中對開封夏季極端暴雨閾值的定義(日雨量≥70.9 mm)，2000-2016年7、8月開封的極端暴雨共有12例、普通暴雨10例。統計其動力因子(垂直速度)和水汽因子(水汽通量、整層可降水量、比濕)的變化特征發現，除850 hPa和925 hPa水汽通量極大值在極端暴雨過程中的極端性不明顯外，其他物理量(日均值和最大值)的極值均表現為極端暴雨過程值明顯強于普通暴雨值，尤其是整層可降水量，其日均值和最大值在極端暴雨過程中值域范圍更加集中。

綜合以上特點，將極端暴雨物理量(日均值和最大值)絕對值最小的數值作為極端暴雨出現的最低指標，則得到開封夏季極端暴雨的物理量閾值(見表3)。由表3可以看到，對于開封夏季極端暴雨的判別，要求低層700和850 hPa的垂直速度最大值分別小于-0.2×10-1和-1.3×10-1Pa·s-1；850和925 hPa水汽通量最大值分別大于11.4和8.0 g·cm-1·hPa-1·s-1，日均值分別大于6.4和5.3 g·cm-1·hPa-1·s-1；對于整層可降水量，日均值指標與最大值指標差別不大，分別要求在57 mm和60 mm以上。比濕閾值要求700-925 hPa比濕逐漸增加，且700 hPa比濕達到9 g·kg-1，850 hPa比濕達到13 g·kg-1以上，925 hPa比濕達到12 g·kg-1以上。

表3 開封夏季極端暴雨物理量閾值指標

上述開封站極端暴雨閾值的設定，可為極端暴雨預報提供參考。因暴雨尤其極端暴雨機理復雜，實際預報中還需綜合分析不同尺度影響系統和多個環境參數，以做出正確判斷。

4 結 論

(1)開封“7·19”大暴雨過程是在副熱帶高壓穩定加強的形勢下，高空低槽東移加深,引導中低層低渦切變線加強東北移,地面倒槽發展，誘發中小尺度輻合中心及輻合線引發的。

(2)采用1981—2010年7、8月份降水序列的95%分位定義了開封夏季極端暴雨閾值，“7·19”大暴雨日降水量達到開封夏季極端暴雨閾值(70.9 mm)的2倍以上，且居近20年首位和1981年以來第四位，降水具有明顯極端性特征。

(3)把“7·19”大暴雨物理量特征與2000-2015年開封歷史暴雨過程物理量特征進行對比發現，開封站上空動力條件具有強極端性，700 hPa、850 hPa垂直速度最大值為-40.6×10-1、-24.7×10-1Pa·s-1，正態差值分別達到-6.9 σ、-4.7 σ，均超出2000年以來暴雨過程的物理量極值。水汽輸送條件整體較強，850 hPa、925 hPa水汽通量最大值均≥25 g·cm-1·hPa-1·s-1以上。整層可降水量達75 mm，創下2000年以來暴雨過程中該物理量的極值。

(4)利用后向軌跡模擬“7·19”大暴雨過程中的水汽輸送情況，結果發現，開封大暴雨事件的水汽來源主要是南海，其次是孟加拉灣；水汽輸送貢獻隨高度遞減，3000 m高度以下水汽輸送貢獻率達到85%以上。

(5)通過比較2000年以來開封極端暴雨過程與普通暴雨過程物理量差異，定義開封夏季極端暴雨過程的物理量閾值，得到部分動力因子和水汽因子的極端指標，其普適性還需在實際預報業務中進一步驗證完善和改進。

致謝：本文寫作過程中，河南省氣象臺正高級工程師張霞老師給予了大力幫助和指導，在此深表感謝！