副熱帶高壓控制下河北局地強(qiáng)降水觸發(fā)與維持機(jī)制分析*

楊曉亮 王秀明 楊 敏 朱 剛

1 河北省氣象臺(tái)，石家莊 050021 2 河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021 3 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081 4 河北省氣象行政技術(shù)服務(wù)中心，石家莊 050021

提 要： 2018年8月5日晚上，河北中部局地強(qiáng)降水引發(fā)山洪并造成2人死亡。利用常規(guī)觀測(cè)資料、地面自動(dòng)站資料、NCEP再分析資料、VDRAS資料、風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星和多普勒天氣雷達(dá)資料等，分析了強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)流背景及觸發(fā)與維持機(jī)制。結(jié)果表明：強(qiáng)降水發(fā)生在500 hPa偏強(qiáng)偏北的西太平洋副熱帶高壓控制之下，受北上臺(tái)風(fēng)云雀影響，河北上空水汽含量異常充沛：地面露點(diǎn)溫度高達(dá)28～29℃，大氣可降水量偏離氣候平均達(dá)4σ以上，同時(shí)對(duì)流有效位能CAPE很大，0～6 km 深層垂直風(fēng)切變很弱，環(huán)境條件有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。河北中部三處強(qiáng)降水形成的物理過程各不相同：保定東南部強(qiáng)降水的觸發(fā)和增強(qiáng)系統(tǒng)為陣風(fēng)鋒，陣風(fēng)鋒向南、向東推進(jìn)形成中尺度輻合中心，雷暴單體經(jīng)過輻合中心合并增強(qiáng)、后向傳播形成準(zhǔn)靜止雨帶；保定西部強(qiáng)降水由邊界層增強(qiáng)的偏東氣流在太行山前迎風(fēng)坡抬升觸發(fā)，降水形成的冷池與偏東風(fēng)對(duì)峙使回波在山前維持；保定東北部強(qiáng)降水經(jīng)歷了南北向?qū)α髟茙Ш蜄|西向?qū)α髟茙蓚€(gè)階段，是夜間最強(qiáng)降水階段。6日01時(shí)保定東側(cè)低空(距地1 500 m)加強(qiáng)的東南氣流與其西側(cè)正南氣流形成的南北向輻合線使得南北向回波發(fā)展，隨著東南氣流轉(zhuǎn)為正南氣流，其與北側(cè)偏東氣流形成的準(zhǔn)東西向暖式切變線使得回波轉(zhuǎn)為東西向，夜間增強(qiáng)的低空偏南氣流主導(dǎo)了保定東北部強(qiáng)降水回波的加強(qiáng)和維持，是決定強(qiáng)降水落區(qū)的關(guān)鍵因子。

引 言

華北雨季具有降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，局地強(qiáng)降水常引發(fā)山洪和城市內(nèi)澇。近年來，華北地區(qū)的極端強(qiáng)降水過程多發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，如2012年“7·21”北京特大暴雨(俞小鼎，2012；孫軍等，2012；Zhang et al,2013)和2016年“7·19”華北極端強(qiáng)降水(趙思雄等，2018)。孫建華等(2013)研究表明“7·21”極端強(qiáng)降水是在有利的大尺度環(huán)流背景下頻繁發(fā)生發(fā)展和穩(wěn)定少動(dòng)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)造成的，MCS具有超長(zhǎng)的生命史。“7·19”強(qiáng)降水期間各物理量明顯偏離氣候平均態(tài)(栗晗等，2018)，且地形對(duì)降水的增幅作用重要(符嬌蘭等，2017)。區(qū)域性極端強(qiáng)降水過程發(fā)生在典型流型之下，天氣尺度動(dòng)力強(qiáng)迫強(qiáng)，水汽輸送和輻合明顯，業(yè)務(wù)數(shù)值模式一般不會(huì)漏報(bào)，其預(yù)報(bào)難點(diǎn)在于極值量級(jí)、落區(qū)以及起止時(shí)間。弱天氣尺度動(dòng)力強(qiáng)迫背景下的局地強(qiáng)降水，由于大氣斜壓性弱，大尺度預(yù)報(bào)信號(hào)弱，數(shù)值模式大多沒有預(yù)報(bào)能力(諶蕓等，2018)，業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中容易漏報(bào)。徐珺等(2014)、諶蕓等(2018)、孫密娜等(2018)分析認(rèn)為華北局地強(qiáng)降水多發(fā)生在高濕環(huán)境下，且低空急流、邊界層中尺度輻合線等中尺度系統(tǒng)是強(qiáng)降水發(fā)生的關(guān)鍵因子。張楠等(2018)認(rèn)為中尺度模式的環(huán)境要素預(yù)報(bào)對(duì)華北局地強(qiáng)降水或有一定的指示意義。

2018年8月5日夜間到6日凌晨(北京時(shí)，下同)，河北中部地區(qū)突發(fā)局地強(qiáng)降水致河道內(nèi)洪水暴漲，引發(fā)保定滿城區(qū)神星鎮(zhèn)境內(nèi)山洪并致2人死亡、2人輕傷，多戶村民家中被淹，部分水、電、道路等基礎(chǔ)設(shè)施毀壞，共有21萬人和2萬 hm2農(nóng)作物受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.1億元。由于數(shù)值模式和預(yù)報(bào)員都出現(xiàn)了明顯的漏報(bào)，因此此次強(qiáng)降水過程值得分析研究。副熱帶副壓(以下簡(jiǎn)稱副高)控制下產(chǎn)生強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)是如何觸發(fā)、加強(qiáng)和維持的呢？針對(duì)以上問題，利用VDARS快速更新同化資料、地面加密自動(dòng)站、高分辨率氣象衛(wèi)星和多普勒天氣雷達(dá)資料等，研究此次副高控制下局地強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)境條件特點(diǎn)及產(chǎn)生強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)與維持機(jī)制，以期加深此類局地強(qiáng)降水事件的理解，為類似過程的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文使用的資料包括：①美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)一日四次的再分析資料，空間分辨率為1°×1°、時(shí)間分辨率為6 h。②探空資料：2018年8月5日20時(shí)北京和邢臺(tái)站探空。③GPS/MET水汽：來自全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)，由GPS信號(hào)和地面氣溫、氣壓計(jì)算的垂直積分水汽總量。④自動(dòng)站氣象資料：京津冀地區(qū)逐小時(shí)自動(dòng)站氣象資料，要素包括氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速和小時(shí)降水量。⑤國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供的風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星產(chǎn)品。⑥2018年8月5日19時(shí)至6日08時(shí)石家莊和滄州多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)。⑦由北京城市氣象研究院提供的變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)(variational doppler radar analysis system,VDRAS)的熱動(dòng)力反演資料，空間分辨率為5 km×5 km,時(shí)間分辨率為18 min，垂直方向?yàn)?5層，最低層距地面187.5 m。VDARS資料0～3 km的風(fēng)速、風(fēng)向和氣溫的模擬誤差總體較小(陳明軒等，2016)，能給出對(duì)流風(fēng)暴低層三維動(dòng)力、熱力和水汽特征，已在華北地區(qū)雷暴的研究中得到廣泛應(yīng)用(陳明軒等，2013；楊璐等,2019；雷蕾等,2021)。

1.2 方 法

物理量的異常度診斷，是指要素或物理量偏離氣候平均值的程度，采用標(biāo)準(zhǔn)化異常度法(張萍萍等,2018)，計(jì)算公式為：N=(X-μ)·σ-1。其中N為標(biāo)準(zhǔn)化異常度，X為氣象要素值，μ為氣候平均值，σ為氣候標(biāo)準(zhǔn)差。氣候平均和氣候標(biāo)準(zhǔn)差利用1981—2010年的NCEP再分析資料計(jì)算得出，一般偏離3σ以上表示偏離氣候平均明顯(諶蕓等，2012)。

2 副高控制下的局地強(qiáng)降水

2.1 降水實(shí)況

2018年8月5日白天，受臺(tái)風(fēng)云雀殘留倒槽影響，位于太行山東側(cè)的河北中南部地區(qū)出現(xiàn)降雨(圖略)，雨量在25～50 mm，雨強(qiáng)普遍在20～40 mm·h-1。16時(shí)后隨著臺(tái)風(fēng)倒槽西移，河北中南部降水出現(xiàn)短暫間歇。5日20時(shí)到6日08時(shí)，河北中部再次出現(xiàn)局地短時(shí)強(qiáng)降水(圖1a)，保定中東部、衡水北部等地有317個(gè)站次雨強(qiáng)在20 mm·h-1以上，53個(gè)站次超過50 mm·h-1，保定易縣12 h累計(jì)雨量達(dá)212 mm(圖1a)。從三個(gè)代表站降水隨時(shí)間的演變看(圖1b)，強(qiáng)降水集中在三個(gè)主要時(shí)段，分別為5日20—22時(shí)、22時(shí)至6日00時(shí)以及6日01—04時(shí)，出現(xiàn)在不同區(qū)域。5日20—22時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在保定東南部與滄州、衡水交界處(圖1a中藍(lán)色圓點(diǎn)，以下簡(jiǎn)稱保定東南部強(qiáng)降水)，師素鎮(zhèn)20時(shí)開始出現(xiàn)降水(圖1b)， 其中5日21—22時(shí)最大雨強(qiáng)為78.3 mm·h-1,此后轉(zhuǎn)為積層混合云降水，小時(shí)雨強(qiáng)在20 mm·h-1以下；5日22時(shí)至6日00時(shí)強(qiáng)降水集中在保定中西部(圖1a中綠色三角，以下簡(jiǎn)稱保定西部強(qiáng)降水)，雨區(qū)南北走向，代表站八達(dá)嶺22時(shí)后開始降水(圖1b)，其中23時(shí)至6日00時(shí)最大雨強(qiáng)為78 mm·h-1，降水持續(xù)時(shí)間較短；6日01—04時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水范圍最廣(以下簡(jiǎn)稱保定東北部強(qiáng)降水)，覆蓋保定中東部大部分地區(qū)(圖1a中紅色圓點(diǎn))，超過20 mm·h-1的站數(shù)最多(圖1b)，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，雨強(qiáng)也最大，以南張鎮(zhèn)為代表站6日02—04時(shí)雨強(qiáng)均在45 mm·h-1以上，瀑河站02—03時(shí)的雨強(qiáng)更是達(dá)到了罕見的118.4 mm·h-1(圖1b)，超過北京“7·21”的100.3 mm·h-1(諶蕓等，2012)。上述三個(gè)代表站平均水平距離在50～90 km，但強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)間和強(qiáng)度明顯不同，強(qiáng)降水中心自南向北移動(dòng)，明顯由中尺度系統(tǒng)造成。

圖1 2018年8月5日20時(shí)至6日08時(shí)(a)河北中部地區(qū)12 h雨量(等值線，單位:mm，圓點(diǎn)和三角為20 mm·h-1以上的站點(diǎn)，藍(lán)色表示第一個(gè)時(shí)段，綠色表示第二個(gè)時(shí)段，紅色表示第三個(gè)時(shí)段)；(b)師素鎮(zhèn)、八達(dá)嶺、南張鎮(zhèn)雨強(qiáng)、最大雨強(qiáng)及超過20 mm·h-1的站數(shù)隨時(shí)間的演變Fig.1 (a) The 12 h precipitation (contour, unit: mm) in central Hebei from 20:00 BT 5 August to 08:00 BT 6 August 2018 (dots and triangles: more than 20 mm·h-1; blue: the first period, green: the second period, and red: the third period)； (b) evolution of rainfall intensity, maximum rainfall intensity and the number of stations more than 20 mm·h-1 rainfall in Shisuzhen, Badaling and Nanzhangzhen from 21:00 BT 5 August to 08:00 BT 6 August 2018

2.2 環(huán)流背景和環(huán)境條件分析

2018年8月5日20時(shí)高空天氣圖上，200 hPa南亞高壓脊線位于36°N(圖略)，500 hPa西太平洋副高強(qiáng)盛(圖2a)，與大陸高壓連通形成東西帶狀的高壓壩，588 dagpm等高線北界位置超過了40°N；副高南側(cè)熱帶系統(tǒng)活躍，臺(tái)風(fēng)云雀3日在滬浙沿海登陸后一路西北行，5日20時(shí)減弱的臺(tái)風(fēng)倒槽到達(dá)陜西南部，將海上暖濕空氣輸送至內(nèi)陸地區(qū)。河北處于副高控制之下，500 hPa為4～6 m·s-1的偏南風(fēng)和西南風(fēng),700 hPa(圖2b)和850 hPa位于臺(tái)風(fēng)殘留倒槽北側(cè)，東到東南風(fēng)風(fēng)速在4 m·s-1以下。海平面氣壓場(chǎng)呈北高南低分布(圖2c、2d)，在河北東南部存在地面倒槽，14時(shí)倒槽等壓線密集帶的西側(cè)到北側(cè)一帶有5個(gè)β中尺度對(duì)流云團(tuán)生成(圖2c及圖4a)，對(duì)應(yīng)5日白天河北太行山東側(cè)地面出現(xiàn)的分散降水(圖略)。以上分析表明，本次過程發(fā)生在副高的控制之下，降水發(fā)生在副高內(nèi)部，5日白天太行山東側(cè)降水由臺(tái)風(fēng)殘留倒槽直接產(chǎn)生；5日夜間到6日凌晨河北中部的局地強(qiáng)降水發(fā)生在臺(tái)風(fēng)地面倒槽的西北側(cè)(圖2d)，強(qiáng)度明顯超過白天，位置與5日下午出現(xiàn)降水的C1云團(tuán)(圖2c)部分重合，這是本次過程預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。

圖2 2018年8月5日20時(shí)(a)500 hPa,(b)700 hPa的位勢(shì)高度(藍(lán)線，單位: dagpm)、水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)；5日(c)14時(shí)和(d)20時(shí)的海平面氣壓 (藍(lán)線，單位:hPa)和10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)(圖2a中紅色符號(hào)代表臺(tái)風(fēng)位置，黑字為日期和時(shí)間，圖2c中符號(hào)C0～C4標(biāo)注同時(shí)刻對(duì)流云圖的位置，下同；圖2a、2d中黑色實(shí)心三角標(biāo)注保定的位置)Fig.2 (a, b) Geopotential height (blue line, unit: dagpm)， horizontal wind (barb) at (a) 500 hPa， (b) 700 hPa at 20:00 BT 5 August; (c, d) sea level pressure (blue line, unit: hPa) and 10 m wind (barb) at (c) 14:00 BT, (d) 20:00 BT 5 August 2018 (In Fig.2a, the red symbol represents the location of typhoon, black characters represent the date and time； the symbols C0-C4 in Fig.2c are the locations of the convective cloud at the same time, the same below; the black solid triangles in Figs.2a and 2d are the location of the Baoding Station)

受降雨和云系覆蓋的影響，5日白天河北中南部最高氣溫大多不足35℃，但露點(diǎn)溫度維持在26～27℃以上，部分地區(qū)高達(dá)28～29℃(圖略)，地面具有異常高濕的特征。GPS反演的大氣可降水量(PWV)分布圖顯示(圖3a)，5日22時(shí)河北中南部PWV均超過60 mm，保定中部的部分地區(qū)超70 mm，表明整層水汽都十分充沛。Tian et al(2015)研究表明PWV達(dá)到60 mm是我國(guó)東部短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的充分條件，70 mm是大氣中極端的水汽條件。與30年平均相比，河北平原的大部分地區(qū)水汽異常度的標(biāo)準(zhǔn)化距平達(dá)到4倍以上，華北平原東部地面倒槽附近超過了5倍，表明臺(tái)風(fēng)云雀減弱的倒槽帶來了充沛的水汽，使副高控制之下的河北中南部水汽含量極端性顯著。

圖3 2018年8月5日22時(shí)(a)GPS/MET反演的大氣可降水量及異常度距平和20時(shí)(b)北京站、(c)邢臺(tái)站探空曲線(圖3a中,數(shù)字為大氣可降水量,單位:mm；填色為水汽異常度的標(biāo)準(zhǔn)化距平；實(shí)心三角標(biāo)注保定的位置 ，實(shí)心方框和圓形分別為北京、邢臺(tái)探空站的位置)Fig.3 (a) Precipitable water and standardized anomaly retrieved by GPS/MET at 22:00 BT and sounding skew T-lnp of (b) Beijing Station and (c) Xingtai Station at 20:00 BT 5 August 2018(In Fig.3a, number: PWV, unit: mm; colored: standardized anomaly; solid triangle: Baoding Station, box and circle: the location of Beijing and Xingtai sounding stations)

高的地面露點(diǎn)溫度和PWV除了彰顯水汽充沛外，同時(shí)還容易形成低的抬升凝結(jié)高度(LCL)，這在探空?qǐng)D上可以得到證實(shí)。由5日20時(shí)北京探空?qǐng)D顯示(圖3b)，LCL在950 hPa附近，距地500 m，邢臺(tái)探空的抬升凝結(jié)高度更低(圖3c)；北京自由對(duì)流高度(LFC)在890 hPa附近(距地面1.1 km以下)，對(duì)應(yīng)的對(duì)流抑制能量(CIN)僅為30 J· kg-1，邢臺(tái)CIN近乎于零，說明高濕的環(huán)境大氣對(duì)抬升觸發(fā)要求降低，特別是河北中南部平原。降水產(chǎn)生前20時(shí)邢臺(tái)探空計(jì)算的對(duì)流有效位能(CAPE)值超過了3 300 J· kg-1，北京和邢臺(tái)站的K指數(shù)分別達(dá)到了40℃和38℃，為強(qiáng)降水積蓄了充足的能量條件。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)0℃層高度超過了5.5 km，暖云層厚度大，700 hPa以下整層大氣都接近飽和，濕層深厚，可以大大降低雨滴在下降過程的蒸發(fā)率，這些均有利于降水效率的提高(俞小鼎，2012)。

上述環(huán)境條件表明，5日夜間河北中部存在極端高的水汽、低的抬升凝結(jié)高度、充沛的能量和深厚的濕層，利于強(qiáng)降水發(fā)生。北京探空(圖3b)0～3 km和0～6 km垂直風(fēng)切變只有1 m· s-1和7.5 m·s-1，邢臺(tái)探空(圖3c)0～6 km垂直風(fēng)切變亦不足5 m·s-1，均屬于弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境，有利于雷暴移速緩慢、提高降水效率。

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變

河北中部局地強(qiáng)降水由中尺度對(duì)流系統(tǒng)直接產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)三處強(qiáng)降水，中尺度對(duì)流系統(tǒng)有三個(gè)發(fā)展演變過程，以下通過地面自動(dòng)站、VDRAS資料、多普勒天氣雷達(dá)和氣象衛(wèi)星資料進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 保定東南部強(qiáng)降水

3.1.1 雷暴的觸發(fā)

5日08時(shí)開始，在臺(tái)風(fēng)云雀減弱倒槽的外圍東南氣流和地形共同作用下，太行山東麓迎風(fēng)坡一帶局地有β中尺度對(duì)流云發(fā)展，呈白亮的團(tuán)狀(圖4a標(biāo)注了云團(tuán)位置)，邯鄲西部、邢臺(tái)西部和石家莊西南部先后出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。14時(shí)后云系向北擴(kuò)展(圖4a)，逐漸形成與地形等高線走向一致的東北—西南向云帶，需關(guān)注云帶上位于河北中部的云團(tuán)C1和C2。16時(shí)C1與兩側(cè)新生單體合并后產(chǎn)生對(duì)流性降水(圖4b)，使得保定東部地面附近出現(xiàn)弱的冷池(圖4c，藍(lán)色實(shí)心圓點(diǎn)表示冷池)，冷池前側(cè)的偏北風(fēng)出流與南側(cè)的東—東南風(fēng)形成明顯的輻合線(圖4c黑色長(zhǎng)虛線)，同時(shí)C2產(chǎn)生對(duì)流降水與太行山東麓迎風(fēng)坡較大范圍的臺(tái)風(fēng)倒槽降水疊加，形成了更大范圍冷池，冷池邊界后側(cè)西北風(fēng)與前側(cè)偏東風(fēng)形成南北向輻合線(圖4c藍(lán)色實(shí)線)，石家莊雷達(dá)0.5°仰角出現(xiàn)了清晰的窄帶回波(圖4c)，形成陣風(fēng)鋒。與一般強(qiáng)雷暴高壓形成的快速移動(dòng)型陣風(fēng)鋒不同，本次過程的陣風(fēng)鋒由于后側(cè)冷池強(qiáng)度較弱，沒有明顯的氣壓差，水平溫度差僅在5℃上下，出流不強(qiáng)且移動(dòng)緩慢。17時(shí)陣風(fēng)鋒緩慢向南、向東推進(jìn)，逐漸遠(yuǎn)離雷達(dá)使得雷達(dá)回波上的陣風(fēng)鋒特征變得不清晰，但其后部弱的偏北風(fēng)仍繼續(xù)向南、向東推進(jìn)，在衡水北部形成了明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合中心(圖4d標(biāo)注“D”處)。17:30滄州雷達(dá)反射率因子顯示(圖4d)，滄州西部和衡水北部原來地面倒槽附近(圖2c)存在的小積云(圖4b和4c)在地面輻合交匯處明顯加強(qiáng)發(fā)展。

圖4 2018年8月5日(a)14:00、(b)16:00風(fēng)云4號(hào)衛(wèi)星可見光圖像(紅色圓點(diǎn)是主要城市的位置),(c)16:00地面10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、2 m氣溫(彩色圓點(diǎn)，單位:℃)和石家莊雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(填色，單位：dBz)的疊加，以及(d)17:00地面10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、 2 m氣溫(彩色圓點(diǎn)，單位:℃)與17:30滄州雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(填色，單位：dBz)的疊加Fig.4 (a, b) Visible cloud images detected by FY-4 satellite (red dots mark the location of cities) at (a) 14:00 BT, (b) 16:00 BT; (c) 10 m wind (barb), 2 m temperature (color dot, unit: ℃) and reflectivity (colored, unit: dBz) at elevation 0.5° from Shijiazhuang Radar at 16:00 BT; (d) 10 m wind (barb)， 2 m temperature (color dot, unit: ℃) at 17:00 and reflectivity (colored, unit: dBz) at elevation 0.5° from Cangzhou Radar at 17:30 BT 5 August 2018

3.1.2 中尺度系統(tǒng)的加強(qiáng)和維持

雷達(dá)反射率因子圖顯示在5日18時(shí)(圖5a)，保定南部、衡水北部、滄州西部等地的多個(gè)孤立γ中尺度雷暴單體，在環(huán)境風(fēng)引導(dǎo)下緩慢向西移動(dòng)，經(jīng)過地面輻合中心附近后逐漸合并加強(qiáng)(圖5b),19時(shí)(圖5b)先后形成兩塊水平尺度約為50 km的帶狀回波，此時(shí)回波強(qiáng)度不大，地面小時(shí)降水普遍不足20 mm。20時(shí)，兩塊帶狀回波開始合并(圖5c)，回波進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)。21時(shí)(圖5d)，對(duì)流系統(tǒng)呈準(zhǔn)東西帶狀分布，回波范圍增大、強(qiáng)度普遍超過45 dBz，垂直剖面圖上(圖5e)具有多單體結(jié)構(gòu)特征，自東向西先后為新生單體、成熟單體、消亡單體，上游新雷暴被觸發(fā)后合并到帶狀對(duì)流系統(tǒng)中。對(duì)整個(gè)對(duì)流系統(tǒng)而言，單體移動(dòng)和傳播方向接近相反，回波整體呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。成熟單體的強(qiáng)回波中心集中在6 km以下，具有低質(zhì)心結(jié)構(gòu)，地面自動(dòng)站觀測(cè)顯示最大小時(shí)降水超過50 mm，“列車效應(yīng)”加劇了此階段的局地強(qiáng)降水。從回波所在區(qū)域平均的水平風(fēng)場(chǎng)、散度場(chǎng)和垂直速度演變來看(圖5f)，5 km以下風(fēng)速始終很小，3 km以下以偏東風(fēng)為主，17:30—19:30水平散度的輻合主要位于近地面500 m以下，對(duì)應(yīng)其上1～2 km高度為水平輻散，垂直速度場(chǎng)在500～1 500 m 高度存在10-2m·s-1的上升運(yùn)動(dòng)中心，18:00達(dá)最強(qiáng)，這與地面風(fēng)場(chǎng)輻合中心出現(xiàn)的時(shí)間和位置一致(圖5a)。19:00之前2～3 km高度的輻合、輻散層較淺薄，幾乎沒有上升運(yùn)動(dòng)配合，此時(shí)雷達(dá)圖上多個(gè)孤立γ中尺度雷暴單體處于發(fā)展階段。19:30后近地面輻合消失轉(zhuǎn)為輻散下沉，距地2.5 km 的水平輻合開始向下發(fā)展，尤其是20:30后2.5 km高度的輻合層向下發(fā)展到地面1 km 上空，輻合、輻散的厚度和強(qiáng)度均明顯加強(qiáng)，1～4 km高度維持強(qiáng)的上升氣流，上升中心達(dá)4×10-2m·s-1，伴隨水平散度和垂直速度的演變，雷達(dá)圖上孤立、分散的對(duì)流回波發(fā)展為呈帶狀聚集分布，而弱的引導(dǎo)氣流和垂直風(fēng)切變使強(qiáng)回波幾乎靜止。可見，5日14—16時(shí)云團(tuán)C1和C2發(fā)展后產(chǎn)生的降水，疊加太行山東麓迎風(fēng)坡較大范圍的臺(tái)風(fēng)倒槽降水，形成地面冷池，冷池邊界前側(cè)的陣風(fēng)鋒向南、向東推進(jìn)過程形成地面中尺度輻合中心，直接加強(qiáng)此階段的對(duì)流單體，對(duì)流系統(tǒng)在水平輻合區(qū)附近合并加強(qiáng)和后向傳播使得回波整體維持了近3 h，造成保定東南部的強(qiáng)降水，22時(shí)以后此區(qū)域降水減弱。

圖5 2018年8月5日(a)18時(shí)、(b)19時(shí)、(c)20時(shí)、(d)21時(shí)石家莊雷達(dá)0.5°仰角反射率因子和(e)沿圖5d中黑線的反射率因子剖面,以及(f)VDARS資料沿圖5d中紅框平均的水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、水平散度(填色)、垂直速度(等值線，單位:10-2 m·s-1)的高度-時(shí)間剖面(圖5a中“D”為地面輻合中心)Fig.5 Reflectivity at elevation 0.5° observation from Shijiazhuang Radar at (a) 18:00 BT, (b) 19:00 BT, (c) 20:00 BT, (d) 21:00 BT 5 August 2018 and (e) cross-section of reflectivity along black line in Fig.5d, (f) time-height cross-sections of averaged wind (barb), horizontal divergence (colored) and vertical velocity (contour, unit: 10-2 m·s-1) of VDARS data along the red frame in Fig.5d (in Fig.5a, “D”: position of convergence center)

3.2 太行山地形影響下的保定西部強(qiáng)降水

從地形來看，保定西部為東北—西南走向的太行山脈(圖6a中灰色)，最高海拔超過1 000 m，東部為華北平原，地勢(shì)由東南向西北逐漸抬高，18:00后保定平原地區(qū)地面逐漸轉(zhuǎn)為與山脈走向接近平行的東北風(fēng)并維持。隨著保定東南部回波向西北方向移動(dòng)，21:30后，保定西部山前的地面風(fēng)向逐漸從東北風(fēng)轉(zhuǎn)為東—東南風(fēng)(圖6a),有利于山前抬升觸發(fā)對(duì)流，5日22:00至6日00:00短時(shí)強(qiáng)降水主要位于平原與山脈的過渡地區(qū)(圖6a中方框)，超過40 mm· h-1的站點(diǎn)位于海拔200 m處，顯然與偏東風(fēng)在迎風(fēng)坡上輻合和強(qiáng)迫抬升有密切的關(guān)系。

22時(shí)雷達(dá)回波顯示(圖6b)，保定山前雷暴單體逐漸發(fā)展加強(qiáng)為東北—西南向?qū)α骰夭◣В?3時(shí)，回波范圍和強(qiáng)度快速增大(圖6c)，最大回波強(qiáng)度超過了50 dBz，地面出現(xiàn)超過50 mm·h-1的強(qiáng)降水中心。分析VDARS資料距地187.5 m水平風(fēng)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)22—23時(shí)回波帶所在區(qū)域8～10 m·s-1的東—東南風(fēng)與地形等高線幾乎垂直，對(duì)應(yīng)水平散度亦成東北—西南走向，水平輻合中心與雷達(dá)強(qiáng)回波的位置接近重合(圖6c)，而其南北兩側(cè)水平風(fēng)向與地形等高線的交角減小。圖6d為強(qiáng)降水區(qū)上空的流場(chǎng)，可以看出115.2°E附近有一支明顯的上升氣流，此處山體雖然不高，但坡度很大，8～10 m·s-1的偏東風(fēng)被強(qiáng)迫抬升，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，上升氣流在2 km高度達(dá)最強(qiáng),降水后地面出現(xiàn)冷池(圖6a中綠色圓點(diǎn))，與山前暖濕的偏東氣流對(duì)峙，對(duì)流得以維持。可見，5日22時(shí)至6日00時(shí)的保定西部強(qiáng)降水主要由偏東風(fēng)帶來暖濕空氣，太行山前地形強(qiáng)迫抬升作用觸發(fā)并增強(qiáng)了對(duì)流，降水形成后冷池與偏東風(fēng)對(duì)峙，雨帶在山前穩(wěn)定少動(dòng)，說明保定西部強(qiáng)降水與地形關(guān)系密切。6日00時(shí)后隨著山前偏東風(fēng)逐漸消失，降水趨于減弱。

圖6 2018年8月5日(a)22時(shí)地面10 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、2 m氣溫(彩色圓點(diǎn))、22—24時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水(方框代表超過40 mm·h-1)和地形高度的疊加(灰色陰影);(b)22時(shí)、(c)23時(shí)石家莊雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(填色)、VDARS 187.5 m風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)和水平散度場(chǎng)(黑色等值線,單位:10-5 s-1)以及地形高度的疊加(灰色陰影);(d)23時(shí)沿39°N的u風(fēng)與垂直速度的緯向-高度剖面(黑色為地形，▲為地面短時(shí)強(qiáng)降水附近)Fig.6 (a) 10 m wind (barb), 2 m temperature (color dot) at 22:00 BT, flash heavy rain from 22:00 BT to 24:00 BT (square: more than 40 mm·h-1) overlaying terrain height (gray shaded); (b, c) reflectivity (colored) at elevation 1.5° from Shijiazhuang Radar, VDARS 187.5 m wind (barb), and divergence (black line, unit: 10-5 s-1) overlaying terrain height (gray shaded) at (b) 22:00 BT， (c) 23:00 BT； (d) zonal height cross-section of u-wind and vertical velocity along the 39°N at 23:00 BT 5 August 2018 (balck： torrain; ▲： the position near flash heavy rain)

3.3 保定東北部致洪強(qiáng)降水

3.3.1 中尺度系統(tǒng)的加強(qiáng)和維持

保定西部強(qiáng)降水回波在5日23時(shí)至6日00時(shí)發(fā)展至最強(qiáng)的同時(shí)，保定東南部的回波并未完全消亡，而是在保定東南部—衡水北部一帶減弱為以層狀云為主的降水回波(圖6c)。6日00時(shí)以后(圖7a)，保定、衡水交界處的層狀云回波開始發(fā)展加強(qiáng)，形成水平尺度約為150 km的南北向帶狀回波并北上(圖7b)，地面產(chǎn)生一條很窄的雨帶(圖略)，雨強(qiáng)增大到30 mm· h-1。01：30后，回波帶出現(xiàn)斷裂，南側(cè)回波并未得到發(fā)展，而北側(cè)位于保定滿城、徐水的回波則迅速增強(qiáng)，強(qiáng)回波開始向西發(fā)展，強(qiáng)度普遍超過50 dBz且穩(wěn)定少動(dòng)(圖7c)，雨帶由南北走向轉(zhuǎn)為東西向。02時(shí)紅外云圖上(圖7e)，保定上空形成了水平尺度約為200 km近乎圓形的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MαCS),維持了近3 h。對(duì)比02—03時(shí)雷達(dá)回波發(fā)現(xiàn)，塊狀強(qiáng)回波似乎被限定在保定滿城到徐水一帶穩(wěn)定少動(dòng)，回波西側(cè)發(fā)展最強(qiáng)(圖7c)，反射率剖面上回波頂高接近11 km，強(qiáng)回波主要位于5 km以下(0℃層位于5.5 km上下)，低質(zhì)心結(jié)構(gòu)屬于熱帶型降水回波(俞小鼎，2012;2013)，暖云降水效率很高，地面自動(dòng)站雨強(qiáng)普遍超過60 mm·h-1，持續(xù)近2 h，極端小時(shí)雨量達(dá)到了118.4 mm，對(duì)應(yīng)雷達(dá)回波強(qiáng)度為57 dBz，直接引發(fā)了保定滿城區(qū)神星鎮(zhèn)局地的山洪災(zāi)害。

圖7 2018年8月6日(a)00:00、(b)01:00、(c)02:00、(d)03:00石家莊雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(填色)和地形疊加(灰色陰影)，以及(a)5日23:30、6日(b)00:30、(c)01:30、(d)02:30 VDARS 1 500 m水平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，棕色虛線為切變線)、水平輻合(藍(lán)色線,單位:10-5 s-1)； (e)6日02:00衛(wèi)星紅外圖像；(f)6日02:00—04:00降水量(等值線，單位:mm；“+”為發(fā)生山洪的位置)Fig.7 Reflectivity (colored) at elevation 1.5° at (a) 00:00 BT， (b) 01:00 BT， (c) 02:00 BT， (d) 03:00 BT 6 Augustfrom Shijiazhuang Radar and terrain height (gray shaded)， and VDARS 1 500 m wind (barb, brown dashed line: shear line), convergence (blue line, unit: 10-5 s-1) at (a) 23:30 BT, (b) 00:30 BT, (c) 01:30 BT, (d) 02:30 BT 6 August; (e) infrared cloud image detected by FY-4 satellite at 02:00 BT 6 August; (f) precipitation (unit: mm;“+”: the position with flash flood) from 02:00 BT to 04:00 BT 6 August 2018

3.3.2 致洪強(qiáng)降水的加強(qiáng)維持機(jī)制

利用VDARS資料繪制了強(qiáng)降水發(fā)生前后1 500 m 水平風(fēng)場(chǎng)的演變圖(圖7a～7d，圖中風(fēng)場(chǎng)及水平散度比雷達(dá)回波提前半小時(shí))。5日23:30 1 500 m 高度上輻合較弱，主要分布在保定山前；保定東南部為一致的超過6 m·s-1的東南風(fēng)，風(fēng)速較20:00有所加大，南北向存在多個(gè)零散的輻合中心(圖7a中等值線)，輻合中心附近的雷達(dá)回波呈發(fā)展加強(qiáng)態(tài)勢(shì)。6日00:30保定東南部水平風(fēng)速較1 h前繼續(xù)加大，增大到8 m·s-1左右，東南氣流顯著增強(qiáng)，增強(qiáng)的東南風(fēng)西側(cè)(保定西南)為弱的正南風(fēng)，二者形成輻合區(qū)，散度場(chǎng)上可見輻合區(qū)連接成南北帶狀(圖7b中等值線)，水平散度中心從-10×10-5s-1增大到-20×10-5s-1，水平輻合增大一倍，隨著強(qiáng)回波在南北向輻合帶上發(fā)展，半小時(shí)后回波亦發(fā)展為南北帶狀。

6日01:30，隨著臺(tái)風(fēng)倒槽西移(圖略)，保定及其以南地區(qū)轉(zhuǎn)為正南氣流(圖7c)，風(fēng)向的輻合減弱，南北向回波不再發(fā)展加強(qiáng)，而保定東北部上空形成了由南風(fēng)與偏東風(fēng)形成的中尺度暖式切變線(圖7c中棕色虛線)，散度場(chǎng)上對(duì)應(yīng)呈準(zhǔn)東西走向的強(qiáng)輻合區(qū)，輻合中心散度值達(dá)-30×10-5s-1，隨后30 min 強(qiáng)回波在輻合區(qū)發(fā)展，形成東西向強(qiáng)回波帶。由此可見，伴隨暖切變線和強(qiáng)水平輻合的出現(xiàn)，回波開始沿切變線向西發(fā)展，回波整體由南北向轉(zhuǎn)為東西向(圖7c)，對(duì)流和降水顯著增強(qiáng)。暖切變線穩(wěn)定維持(圖7d中棕色虛線)，對(duì)應(yīng)東西向邊界層水平輻合亦維持，東西向強(qiáng)回波帶從02:00一直持續(xù)到04:00前后，短短2個(gè)小時(shí)累計(jì)降水超過50 mm 的面積超過了2 000 km2(圖7f),期間出現(xiàn)了單雨強(qiáng)為118.4 mm·h-1的極端短時(shí)降水天氣。以上分析發(fā)現(xiàn)，6日凌晨以后開始增強(qiáng)的低空偏南風(fēng)是保定東北部中尺度對(duì)流系統(tǒng)加強(qiáng)和維持的關(guān)鍵中尺度系統(tǒng)，東南風(fēng)與正南風(fēng)形成的南北向中尺度輻合線、偏南氣流與偏東風(fēng)形成的東西向暖式切變線都與加強(qiáng)的偏南氣流有關(guān)。

采用孫繼松(2005)推導(dǎo)的方程組對(duì)偏南氣流加強(qiáng)的原因進(jìn)行定性分析。取沿偏南氣流軸向?yàn)閤軸，不考慮科里奧利力影響的Boussinesq近似擾動(dòng)方程組可推導(dǎo)出：

(1)

綜上所述，在副高控制的背景下，受臺(tái)風(fēng)倒槽外圍東南氣流影響,華北地區(qū)地面處于高濕、高能狀態(tài)，強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展取決于邊界層中尺度系統(tǒng)：保定東南部強(qiáng)降水的直接影響系統(tǒng)為前期降水形成的陣風(fēng)鋒(圖9a)；保定西部強(qiáng)降水由增強(qiáng)的東南氣流與地形作用在迎風(fēng)坡附近觸發(fā)并維持(圖9a)；保定東北部致洪強(qiáng)降水由凌晨增強(qiáng)的偏南氣流以及其風(fēng)向變化形成的南北向和東西向兩條中尺度輻合線觸發(fā)、組織(圖9b)。

圖8 2018年8月6日02時(shí)(a)地面2 m氣溫(彩色圓點(diǎn)，“+”為發(fā)生山洪的位置)和(b)擾動(dòng)溫度(單位：℃)沿圖8a中實(shí)線的經(jīng)向-高度剖面Fig.8 (a) The 2 m temperature (color dot， “+”: the position with flash flood) and (b) meridional height cross-section of temperature perturbation (unit: ℃) along the brown line in Fig.8a at 02:00 BT 6 August 2018

圖9 副高控制下(a)保定東南部、保定西部短時(shí)強(qiáng)降水和(b)保定東北部致洪短時(shí)強(qiáng)降水概念模型(圖9a中，棕色區(qū)域?yàn)榈匦危噬珵槔走_(dá)回波，藍(lán)線為17時(shí)的冷池，藍(lán)色點(diǎn)劃線為地面輻合線，風(fēng)羽為10 m水平風(fēng)場(chǎng)，紅色箭頭指187.5 m流線；圖9b同圖9a，但黑虛線為低空切變線，風(fēng)羽為1 500 m水平風(fēng)場(chǎng)，紅色箭頭為1 500 m流線,白色“+”為山洪發(fā)生地點(diǎn))Fig.9 Conceptual model of flash heavy rain under the control of subtropical high in Hebei Province (a) flash heavy rain in southeast and west of Baoding and (b) flash heavy rain in northeast of Baoding (in Fig.9a, brown area: terrain height, colored: radar echo, blue thin line: cool pool at 17:00 BT 5 August, blue dash dotted line: ground surface convergence line, wind barb: 10 m wind, red arrow: wind at 187.5 m; in Fig.9b, same as Fig.9a, but dotted black line: low level shear line, wind barb: 1 500 m wind, red arrow: stream field at 1 500 m, “+”: the spot with flash flood)

4 結(jié)論與討論

利用多源觀測(cè)資料和VDRAS系統(tǒng)反演資料，對(duì)副高控制下的一次河北局地強(qiáng)降水形成的物理過程進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)強(qiáng)降水發(fā)生在強(qiáng)度異常偏強(qiáng)、位置異常偏北的副高內(nèi)部，降水發(fā)生前具有極端高的水汽(地面露點(diǎn)溫度高達(dá)28～29℃，整層大氣可降水量超60 mm)、低的抬升凝結(jié)高度(950 hPa)、充足的能量(CAPE值超過3 300 J· kg-1)和弱的垂直風(fēng)切變(0～6 km風(fēng)垂直切變小于8 m·s-1)環(huán)境，三處強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展演變過程。

(2)保定東南部強(qiáng)降水的觸發(fā)與維持機(jī)制為：午后河北中部降水云團(tuán)C1和C2形成地面冷池，其邊界前側(cè)的陣風(fēng)鋒在向南、向東推進(jìn)過程中形成地面中尺度輻合中心，雷暴單體被觸發(fā)后在水平輻合區(qū)合并增強(qiáng)，單體后向傳播使其強(qiáng)度維持。

(3)保定西部強(qiáng)降水主要由潮濕的偏東風(fēng)在太行山迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升產(chǎn)生，降水形成的冷池與偏東風(fēng)對(duì)峙使回波在山前穩(wěn)定少動(dòng)，強(qiáng)降水的觸發(fā)和增強(qiáng)與太行山地形關(guān)系密切。

(4)保定東北部致洪強(qiáng)降水先后經(jīng)歷了南北向和東西向兩個(gè)階段，是夜間降水的最強(qiáng)階段。6日1時(shí)保定東側(cè)低空1 500 m加強(qiáng)的東南氣流與其西側(cè)正南氣流形成的南北向輻合線使得保定東北部南北向回波顯著增強(qiáng)。隨著臺(tái)風(fēng)倒槽西移，保定以南地區(qū)全部轉(zhuǎn)為正南氣流，南風(fēng)與其北側(cè)偏東氣流形成的準(zhǔn)東西向中尺度暖式切變線使得回波轉(zhuǎn)為東西向發(fā)展。強(qiáng)降水潛熱釋放和蒸發(fā)冷卻加大了對(duì)流層中層和地面的水平溫度梯度，造成邊界層偏南氣流加大，進(jìn)而使南北向中尺度輻合線和東西向暖式切變線增強(qiáng)，強(qiáng)降水得以加強(qiáng)和維持。

由于本次過程的物理機(jī)制極其復(fù)雜，數(shù)值模式很難模擬其中尺度演變過程，在短期時(shí)效內(nèi)無論數(shù)值模式還是預(yù)報(bào)員都很難預(yù)報(bào)。因此，對(duì)此次副高控制下致洪強(qiáng)降水觸發(fā)和維持機(jī)制的綜合分析表明，對(duì)流系統(tǒng)受邊界層中尺度系統(tǒng)支配，但產(chǎn)生三處強(qiáng)降水的邊界層中尺度系統(tǒng)形成的物理過程各不相同，需要結(jié)合多種觀測(cè)資料并充分利用快速更新同化系統(tǒng)才能捕捉，此外保定西部強(qiáng)降水中地形對(duì)降水的增幅作用、保定東北部致洪強(qiáng)降水中偏南風(fēng)的增強(qiáng)等需要通過數(shù)值模擬的手段進(jìn)一步開展定量研究。