保定市一次暴雨天氣過程診斷分析

張思涵 (河北省定州市氣象局，河北定州 071000)

暴雨是華北地區(qū)主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，常造成山體滑坡、道路沖毀、電力設(shè)施受損、房屋倒塌、村莊和農(nóng)田被淹等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命安全和生產(chǎn)生活。因此對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制、診斷和預(yù)報(bào)等方面的研究一直是熱點(diǎn)問題。研究發(fā)現(xiàn)，副熱帶高壓西北側(cè)極易引發(fā)暴雨天氣，高低空系統(tǒng)的配置與高空急流的位置會(huì)直接影響降水強(qiáng)度及落區(qū)；豐曉君等認(rèn)為，強(qiáng)且寬的假相當(dāng)位溫能量鋒區(qū)是大連莊河地區(qū)產(chǎn)生大暴雨的必然因素。于德華等主要從動(dòng)力因素和水汽條件對(duì)唐山、大連的暴雨天氣過程進(jìn)行了診斷分析。侯瑞欽等對(duì)2005年7月23日發(fā)生在河北地區(qū)的暴雨天氣過程進(jìn)行了中尺度分析，結(jié)果表明，高層輻散、低層水汽輻合為暴雨的發(fā)展和維持提供了充足的動(dòng)力和能量條件。楊曉亮等對(duì)2007年7月18日發(fā)生在河北省的局地暴雨過程進(jìn)行了研究，認(rèn)為在相似天氣系統(tǒng)作用下河北不同地區(qū)暴雨的形成機(jī)制存在差異，高溫、高能和層結(jié)不穩(wěn)定等因素，加之地面冷鋒、鋒前低壓形成了較強(qiáng)的輻合抬升作用，進(jìn)一步釋放不穩(wěn)定能量，導(dǎo)致了南部地區(qū)暴雨的發(fā)生；而河北東北部高、低空急流的耦合作用是強(qiáng)降水產(chǎn)生的主要原因。筆者針對(duì)2020年8月12—13日河北省保定市出現(xiàn)的一次暴雨天氣過程，從環(huán)流背景、物理量場(chǎng)等方面深入分析，探討此次強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)境場(chǎng)特征，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其成因，總結(jié)預(yù)報(bào)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，以期為今后暴雨預(yù)報(bào)提供思路和參考依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

2020年8月12—13日，受副熱帶高壓外圍暖濕氣流和冷空氣的共同影響，保定全區(qū)出現(xiàn)降水天氣。全市平均降雨量51.4 mm，暴雨及以上降水主要分布在保定中東部地區(qū)，全市最大降水量137.8 mm，最大雨強(qiáng)72.3 mm/h。

2 環(huán)流背景分析

12日08：00，500 hPa亞洲中高緯為兩槽一脊型，高壓脊位于110°E附近，兩槽分別位于亞洲東部和烏拉爾山東部地區(qū)，且與冷中心對(duì)應(yīng)，烏拉爾山高空冷渦分裂的冷空氣在河套北部形成一低槽，河北地區(qū)位于副熱帶高壓外圍584 dagpm線與588 dagpm線之間，此時(shí)保定地區(qū)受槽前西南急流影響。20：00，河套地區(qū)西風(fēng)槽進(jìn)一步東移影響保定，西風(fēng)帶高壓脊與副熱帶高壓同位相疊加，高空槽東移緩慢，使得冷空氣在河套地區(qū)不斷堆積；同時(shí)副高外圍西南風(fēng)大風(fēng)速帶明顯加強(qiáng)，風(fēng)速達(dá)14 m/s，冷暖空氣交匯形成明顯降水(圖1a)。

分析700 hPa形勢(shì)可知，12日08：00在河套北部形成一低渦，保定處于低渦前部，此時(shí)保定上空偏南急流維持在12 m/s左右。西南急流不僅為暴雨區(qū)保證了足夠的水汽供應(yīng)，而且在河套地區(qū)與冷渦后部的偏北氣流形成冷切，促進(jìn)了垂直上升運(yùn)動(dòng)的形成。20：00低渦加強(qiáng)并向東移動(dòng)，切變線壓至保定西部，溫度槽與高度槽大體一致，此時(shí)保定地區(qū)的槽前偏南急流加強(qiáng)至14 m/s，為暴雨區(qū)帶來水汽和能量的同時(shí)也提供了較強(qiáng)的動(dòng)力抬升力。

從850 hPa形勢(shì)上看，12日08：00在河北、河南交界有暖切形成，此時(shí)風(fēng)速較小。20：00，暖切北抬至河北中南部地區(qū)，與河套地區(qū)冷切形成“人”字形切變，進(jìn)一步加強(qiáng)了西南暖濕氣流輸送；同時(shí)，保定中東部急流加強(qiáng)至16 m/s，急流出口區(qū)位于河北東南部至山東北部一帶(圖1b)，產(chǎn)生了較強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)，形成保定中東部地區(qū)的強(qiáng)降水。低空急流、低層輻合切變與300～200 hPa明顯的高層輻散區(qū)的抽吸作用相配合，為暴雨的產(chǎn)生提供了動(dòng)力保障。

圖1 2020年8月12日20：00 500 hPa(a)和850 hPa(b)位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)Fig.1 Geopotential height field(unit：dagpm)and wind field(unit：m/s)at 500 hPa(a)and 850 hPa(b)at 20：00 on August 12，2020

分析云圖(圖2)發(fā)現(xiàn)，12日08：00河北地區(qū)已受槽前云系影響，保定西部已出現(xiàn)降水，此時(shí)對(duì)流云團(tuán)在河北南部地區(qū)生成；14：00，對(duì)流云團(tuán)北抬至保定東部地區(qū)，開始出現(xiàn)強(qiáng)降水；20：00，對(duì)流云團(tuán)移至保定東北部地區(qū)，保定東部強(qiáng)降水逐漸減弱；夜間，高空槽云系開始影響保定，保定西部開始出現(xiàn)強(qiáng)降水區(qū)。

圖2 2020年8月12日08：00(a)、14：00(b)、20：00(c)紅外云圖Fig.2 Infrared cloud image at 08：00(a)，14：00(b)，20：00(c)on August 12，2020

綜上可知，造成此次暴雨過程的主要影響系統(tǒng)為高空槽、高低空急流、低層切變線。高空槽后冷空氣不斷東移南壓，配合副熱帶高壓外圍的偏南暖濕氣流，以及850 hPa“人”字形切變，共同導(dǎo)致了此次暴雨的發(fā)生。同時(shí)，高低空急流對(duì)此次暴雨的形成有重要作用，低空急流帶來能量和暖濕氣流的輸送，而高空急流導(dǎo)致干冷空氣平流，進(jìn)一步加強(qiáng)了大氣的不穩(wěn)定性。

3 物理量分析

水汽條件是形成降水的主要條件之一，其中暴雨區(qū)上空大氣含水量、水汽的輸送通道及其水汽的輻合輻散對(duì)降水的強(qiáng)度及降水量有重要影響。與風(fēng)速輻合區(qū)相配合，降雨過程中伴有高比濕區(qū)自南向北移動(dòng)，水汽平流較強(qiáng)。12日10：00，850 hPa有一濕舌延伸至華北地區(qū)(圖3a)，保定上空比濕達(dá)14 g/kg，具備暴雨所需的本地水汽條件。同時(shí)，由南向北輸送到暴雨區(qū)的水汽通量明顯增大。從700 hPa水汽通量分布情況看，08：00急流出口區(qū)位于河北、河南交界，此時(shí)水汽通量大值區(qū)尚未進(jìn)入河北，保定地區(qū)水汽通量在10 g/(cm·hPa·s)以下；暴雨發(fā)生期間，南海有源源不斷的水汽從西南方向輸送到河北地區(qū)，11：00保定大部分地區(qū)水汽通量基本維持在12～14 g/(cm·hPa·s)(圖3b)，14：00保定東部水汽通量達(dá)最大，為16～18 g/(cm·hPa·s)，所以西南地區(qū)豐富的水汽輸送為此次保定中東部暴雨的發(fā)生提供了有利的水汽條件。

此外，水汽通量輻合反應(yīng)對(duì)暴雨的落區(qū)有較好的指示意義。此次過程中水汽輻合發(fā)生在500 hPa以下中低層。從850 hPa水汽通量散度場(chǎng)看，08：00保定地區(qū)水汽通量散度為正值，13：00保定地區(qū)處在大片水汽輻合區(qū)中(圖3c)，中心值達(dá)-25×10g/(cm·hPa·s)，對(duì)應(yīng)中東部強(qiáng)降水。之后水汽輻合帶逐漸抬升，降水趨于減弱。因此，較強(qiáng)的水汽輻合也為暴雨的持續(xù)發(fā)展提供了充沛的水汽條件。

高空急流誘發(fā)高空輻散。12日08：00，在200 hPa高空上，36°～43°N區(qū)域有一支較寬的高空西南急流軸，中心風(fēng)速將近50 m/s；20：00風(fēng)速明顯增大(圖4)，高空急流中心右后側(cè)輻散也進(jìn)一步加強(qiáng)，從而導(dǎo)致保定上空產(chǎn)生較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，配合850 hPa低空急流，更有利于低層輻合以及切變線的維持。高層輻散、低層輻合的正熱力次級(jí)環(huán)流為此次暴雨的發(fā)展提供了有利條件。

圖3 2020年8月12日10：00 850 hPa比濕(a，g/kg)、11：00 700 hPa水汽通量[b，g/(cm·hPa·s)]、13：00 850 hPa水汽通量散度[c，×106 g/(cm2·hPa·s)]Fig.3 850 hPa specific humidity at 10：00(a，g/kg)，700 hPa water vapor flux at 11：00[b，g/(cm·hPa·s)]，850 hPa Water vapor flux divergence 13：00[c，×106 g/(cm2·hPa·s)] on August 12，2020

圖4 2020年8月12日20：00 200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)Fig.4 200 hPa geopotential height field(unit：dagpm)and wind field(unit：m/s)at 20：00 on August 12，2020

地面輻合抬升分析。分析地面風(fēng)場(chǎng)(圖5)發(fā)現(xiàn)，12日08：00地面風(fēng)場(chǎng)輻合中心壓在河北與河南交界處，隨后開始北抬；17：00輻合中心北上至保定中東部，東南風(fēng)風(fēng)速較大，保證了充足的水汽供應(yīng)，對(duì)應(yīng)中東部地區(qū)較強(qiáng)的雨強(qiáng)；20：00輻合中心繼續(xù)北頂，影響保定東北部，造成明顯的強(qiáng)降水，且東部地區(qū)仍受切變線影響；13日02：00輻合中心移出保定地區(qū)，降水趨于結(jié)束。

圖5 2020年8月12日08：00(a)、17：00(b)、20：00(c)、13日02：00(d)地面風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)Fig.5 Surface wind field at 08：00(a)，17：00(b)，20：00(c)on August 12 and 02：00 on August 13(d)in 2020(unit：m/s)

垂直上升運(yùn)動(dòng)分析。垂直速度分析表明，暴雨區(qū)上空為強(qiáng)烈的上升氣流(圖6)。12日08：00，在此次暴雨過程發(fā)生前，保定地區(qū)為弱的上升氣流，垂直速度在-2.0 Pa/s左右，13：00暴雨區(qū)垂直上升運(yùn)動(dòng)從850 hPa伸展到200 hPa，保定地區(qū)垂直速度均維持在-15 Pa/s，中心值達(dá)-40 Pa/s。低層的能量、水汽通過劇烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，被不斷輸送至高空，導(dǎo)致濕層不斷增厚，降水持續(xù)形成。當(dāng)大氣的上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱，僅高層存在上升氣流時(shí)，降水趨于結(jié)束。可見垂直速度與強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)間和落區(qū)對(duì)應(yīng)良好，為暴雨的形成提供了必要的動(dòng)力條件。

圖6 2020年8月12日08：00(a)和13：00(b)850 hPa垂直速度(單位：Pa/s)Fig.6 850 hPa vertical velocity at 08：00(a)and 13：00(b)on August 12，2020(unit：Pa/s)

充沛的水汽和較強(qiáng)的動(dòng)力條件對(duì)暴雨的形成至關(guān)重要，而持續(xù)的不穩(wěn)定能量也是形成強(qiáng)降水的必要條件。假相當(dāng)位溫(θ)反映了大氣的溫度、氣壓和濕度情況，θ等值線密集區(qū)(能量鋒區(qū))是斜壓不穩(wěn)定和位勢(shì)不穩(wěn)定存在的區(qū)域，往往是不同熱力性質(zhì)氣團(tuán)的分界區(qū)，從而保持了源源不斷的能量供應(yīng)，對(duì)高空槽和垂直上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)具有積極意義。分析850 hPa假相當(dāng)位溫θ(圖7)可知，850 hPa能量鋒區(qū)的位置與暴雨落區(qū)較為吻合。12日08：00，暴雨發(fā)生前有一東北—西南向高能舌伸向華北地區(qū)，此時(shí)保定地區(qū)θ維持在344 K左右，且等值線較為稀疏；13：00高能舌繼續(xù)向北伸展并加強(qiáng)，保定地區(qū)位于假相當(dāng)位溫鋒區(qū)南側(cè)高值附近，θ值達(dá)352 K。同時(shí)，分析整層大氣可知，高度越高θ相比減小，由此說明層結(jié)不穩(wěn)定，上下層配合形成垂直向上的能量柱，保障了強(qiáng)降雨的能量供應(yīng)。

低空急流也有利于不穩(wěn)定能量的積聚。持續(xù)存在的低空西南急流，將南海上空的高假相當(dāng)位溫空氣向華北地區(qū)平流，除了補(bǔ)充水汽外，還有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立。

圖7 2020年8月12日08：00(a)和13：00(b)850 hPa假相當(dāng)位溫(單位：K)Fig.7 False equivalent potential temperature of 850 hPa at 08：00(a)and 13：00(b)on August 12，2020(unit：K)

4 結(jié)論

(1)此次暴雨天氣的主要影響系統(tǒng)為高空槽、高低空急流、低層切變線。高空槽后冷空氣不斷東移南壓，配合副熱帶高壓外圍的偏南暖濕氣流，以及850 hPa“人”字形切變，共同導(dǎo)致了此次暴雨的發(fā)生。

(2)高低空急流對(duì)此次暴雨的形成有重要作用。保定中東部急流加強(qiáng)帶來能量和暖濕氣流的輸送，從而形成不穩(wěn)定層結(jié)，產(chǎn)生較強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，造成了保定中東部地區(qū)的強(qiáng)降水。配合高層300～200 hPa明顯的高空輻散區(qū)抽吸作用，低空急流和低層輻合切變?yōu)楸┯甑男纬商峁┝藙?dòng)力保障。

(3)850 hPa濕舌延伸至河北地區(qū)表明本地水汽條件良好，同時(shí)西南季風(fēng)加強(qiáng)北頂為此次暴雨提供了充足的水汽，水汽輻合也為暴雨的維持提供了有利條件。

(4)保定上空850 hPa假相當(dāng)位溫(θ)能量鋒區(qū)對(duì)高空槽和上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展具有積極意義，為中尺度對(duì)流運(yùn)動(dòng)保證了充足的能量供應(yīng)。