河北“23.7”極端暴雨過程特征及成因初探

張江濤,何麗華*,李江波**,張成影,張美如,楊呂玉慈,閆雪瑾,謝祥永,王海川,隆璘雪,黃浩杰

① 中國氣象局雄安大氣邊界層重點開放實驗室,河北 雄安新區 071800;

② 河北省氣象與生態環境重點實驗室,河北 石家莊 050021;

③ 河北省氣象臺,河北 石家莊 050021;

④ 唐山市氣象局,河北 唐山 063008;

⑤ 邯鄲市氣象局,河北 邯鄲 056005;

⑥ 廊坊市氣象局,河北 廊坊 065099

在全球氣候變暖的背景下,各地極端天氣事件頻發,其中極端暴雨事件尤為突出。以華北地區為例,近十幾年內,在2012年7月21日發生北京河北特大暴雨(“7.21”特大暴雨)(諶蕓等,2012;孫軍等,2012)的4年之后,2016年7月19—21日,河北、河南、京津又出現了一次范圍更大、強度更強的“16.7”極端暴雨過程(雷蕾等,2017;Xia et al.,2022)。5年之后,2021年7月18—22日,河南省又發生了一次極端暴雨事件(“21.7”暴雨)(蘇愛芳等,2021;梁旭東等,2022)。對于近些年我國出現的極端暴雨過程,氣象學者應用多源資料,從大尺度環流背景(孫繼松等,2015;張霞等,2021;Xu et al.,2022;趙洋洋等,2023)、多尺度系統相互作用(孫思遠和管兆勇,2021;齊道日娜等,2023)、中小尺度對流系統的發生發展機制(徐珺等,2018;龔琬丁等,2023;Sun et al.,2023)、地形對暴雨的作用(丁一匯,2014;蘇愛芳等,2021)、水汽輸送與低空急流的作用(冉令坤等,2021;程佳佳和徐國強,2022)、降水系統的云微物理機制(Chen et al.,2022;黃丹青,2022)、模式預報效果檢驗評估(史文茹等,2021;栗晗等,2022)、城市化進程的影響(Luo et al.,2023)等不同角度進行了深入分析。

華北極端暴雨多發生在經向環流背景之下(朱乾根等,2007),但每次過程的環流背景與影響系統都不盡相同。2012年的“7.21”特大暴雨發生在北渦南槽的經向環流下,東高西低,低層低渦與切變線移至高空強輻散流場下并與其耦合是直接誘因(孫軍等,2012)。2016年“16.7”極端暴雨發生在南亞高壓東伸加強、副熱帶高壓西伸北抬、中高緯度西風帶低渦系統發展的環流背景下,黃淮氣旋、西南和東南低空急流的異常發展以及水汽的異常充沛表明此次強降水過程動力抬升和水汽條件非常有利(符嬌蘭等,2017);趙思雄等(2018)也從大尺度環境的調整、高低層系統的耦合和中低緯系統的相互作用等方面對此次強降水過程進行了初步探討。2021年河南極端暴雨環流背景則是:位于日本海附近的副熱帶高壓和大陸高壓連通形成穩定的高壓壩,高空低渦受阻于高壓壩,加上副高南側的臺風“煙花”和位于南海的臺風“查帕卡”向低渦源源不斷輸送大量的水汽,導致河南發生極端暴雨(梁旭東等,2022)。在穩定的經向環流背景下,低渦、臺風減弱的低氣壓、氣旋通常是極端暴雨的主要影響系統。歷史上造成重大自然災害的“63.8”華北特大暴雨(游景炎,1965;陶詩言,1980)、“7.21”北京特大暴雨(孫建華等,2013)、“21.7”河南極端暴雨(蘇愛芳等,2021)、“16.7”華北極端暴雨(雷蕾等,2017)均與低渦、氣旋有關。“96.8”海河流域特大暴雨(胡欣和馬瑞雋,1998)、“75.8”河南特大暴雨(“75.8”暴雨會戰組,1977a,1977b)是受臺風減弱的低氣壓影響所致。

在河南“21.7”極端暴雨2年之后,2023年7月28日—8月2日,華北地區出現了一次僅次于“63.8”暴雨的極端暴雨事件,給京津冀造成了重大災害。此次過程的累計雨量大、特大暴雨覆蓋范圍廣、降水時間長,極端性突出。極端暴雨出現在太行山區及沿山平原,導致海河流域發生特大洪水(https://www.sohu.com/a/716077634_121687424)。據河北省應急管理廳信息,截至8月10日,此次極端暴雨天氣過程已造成石家莊、秦皇島、邢臺、滄州、張家口、保定、衡水、廊坊、邯鄲、承德市和雄安新區的110個縣(區)遭受洪澇災害,共造成受災人口388.86萬人,其中因災死亡29人,16人失聯,累計轉移群眾175.74萬人,其中蓄滯洪區97.84萬人;農作物受災面積達31.97萬hm2,其中絕收13.15萬hm2;倒塌房屋4.09萬間,嚴重損壞房屋15.55萬間,受損中小學校、幼兒園1 150所,受損醫療機構1 871家;直接經濟損失達958.11億元。對于此次特大暴雨過程,氣象部門提前預報了將會出現600 mm以上的極端強降水,但降水預報的極值中心位置、落區和強度仍有偏差。究其原因在于對極端暴雨發生發展機理、多尺度系統相互作用機制的認識仍不清楚。因此,在預報的精準性、提前量等方面仍存在巨大挑戰。本文將對此次極端暴雨過程的極端性和成因進行初步分析,為進一步提高預報能力提供參考。

1 資料和方法

環流分析利用了歐洲中期天氣預報中心第五代全球氣候大氣再分析數據(ERA5;https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home),其空間水平分辨率為0.25°×0.25°,垂直37層,時間間隔為1 h。

將中國氣象局下發的產品中三源融合逐小時降水累加,得到7月29日08時—8月2日08時的過程降水量,與實況降水量對比,發現兩者降水范圍一致,50與100 mm降水范圍也沒有明顯差異,站點降水量級相當,但是融合降水資料對極值的估算偏小,格點最大值為730 mm,與實況的1 003.4 mm偏差較大。盡管如此,資料整體可用性強,因此在做剖面分析時,地面降水資料就采用了融合降水資料。

利用1993—2022年ERA5(0.25°×0.25°)逐小時再分析資料,計算各要素的逐時次氣候態(標準差):

(1)

(2)

在統計學上,如果數據是正態分布,那么距離平均值1個標準差、2個標準差、3個標準差分別對應68%、95%和99%的位置(圖略),絕對值達到2.5個標準差意味著要素值發生的頻率為5%～16%,可以說是歷史上少有(張萍萍等,2018)。同時,文中部分資料引入歷史百分位數作為佐證。

用近30 a該時刻前后12 h(共25 h)數據作為樣本庫,按大小順序排列的歷史值劃分為100個等分,則這99個數值或99個點就稱為百分位數,將2023年該時刻的值與這100等分對比,如果大于100,則強制等于100,如果小于0,則強制等于0。由此得到最新數據在歷史數據中的百分位數。

2 降水極端性特征

2.1 極端性特征

2023年7月29日—8月2日,華北地區出現區域性大暴雨到特大暴雨過程,特大暴雨區位于太行山前河北地區迎風坡一側和山前平原,與地形密切相關(圖1a)。就河北而言,此次降水過程具有如下特點:1)降水時間長。此次降雨過程從7月29日08時開始至8月2日08時結束,持續時間達96 h,河北全省143個國家氣象站中有129個國家氣象站有效降水(≥0.1 mm)時間超過24 h,占總站數的90%,113個國家氣象站有效降水時間超過30 h,28個超過50 h,易縣有效降水時間達到64 h。2)累計雨量大,覆蓋范圍廣。在此次降水過程中,河北全省均出現降水,河北區域平均降水量為165.1 mm,有8個常規氣象觀測站過程雨量超過700 mm,10個國家氣象站24 h降雨量突破歷史極值,邢臺臨城梁家莊過程雨量達到1 003.4 mm。有2 480個觀測站(包括國家氣象站和常規氣象觀測站)累計降水量超過50 mm,占所有降水觀測站(3 159站)的78.5%,1 033個觀測站累計降水量超過100 mm,占比為32.7%,累計降水量超過250 mm的觀測站有743個,占比為23.5%。僅7月30日一天,暴雨及以上范圍、大暴雨及以上范圍,均為歷史單日范圍第二廣。3)極端性強。與河北有氣象記錄以來的前4次極端暴雨過程相比(表1),此次降水過程出現大暴雨以上站點數量已經超過“63.8”“96.8”和“12.7”過程,但少于“16.7”過程;過程雨量極值為1 003.4 mm,僅次于“63.8”過程中出現在內丘獐么的2 051 mm。但比較降雨時長可知,“63.8”過程中內丘獐么降雨過程為7 d,而此次降雨過程的臨城梁家莊僅為3 d。

表1 5次極端暴雨過程的比較

圖1 (a)2023年7月29日08時—8月2日08時京津冀累計雨量(陰影,單位:mm;黑圓點:河北≥700 mm站點位置;綠星狀:尉都、梁家莊站;綠實線:200 m地形高度線;藍實線:500 m地形高度線;黑方框:過程累計雨量大值中心(區域1:太行山北段;區域2:太行山中段));(b)≥250 mm累計降雨量落區(黑點:≥250 mm站點位置;陰影:地形);(c)≥400 mm累計降雨量落區(黑點:≥400 mm站點位置;紅實心三角:≥700 mm站點位置;陰影:地形);以及(d)梁家莊和(e)尉都過程累計雨量、小時雨量和逐5 min雨量(單位:mm)Fig.1 (a) Cumulative rainfall in Beijing-Tianjin-Hebei from 08:00 BST on July 29 to 08:00 BST on August 2,2023 (units:mm,Shadow;black dot:≥700 mm station location;Green star:Weidu,Liangjiazhuang Station;Solid green line:200 m terrain height line;Solid blue line:500 m terrain height line,the same below;Black box:high-value center of accumulated amount (Area 1:the northern part of Taihang Mountain;Zone 2:the middle part of Taihang Mountain)).(b)≥250 mm cumulative rainfall area (black spot:≥250 mm site location;Shadow:topography),(c)≥400 mm cumulative rainfall zone (black dot:≥400 mm site location,red solid triangle:≥700 mm site location;Shadow:topography),(d,e) Cumulative rainfall,hourly rainfall,and five-minute rainfall in Liangjiazhuang and Weidu (units:mm)

2.2 暴雨空間分布特征

河北歷史大暴雨日數的分布具有明顯的地理特征,主要集中在燕山地區和太行山東部(本書編寫組,2017)。此次降水過程大暴雨也集中在太行山東部,主要有兩個降雨中心。等一個降雨中心位于太行山北段(圖1a中區域1)河北保定的沿山及山前平原地區,降水范圍廣,雨強大,山區與平原降水量相當,其中保定和雄安新區共有18個國家氣象站的累計降水量均在250 mm及以上,該地區特大暴雨范圍之廣為歷史首次。該區域的極值中心易縣紫荊關的降水量為732.7 mm,過該極值點的經度—高度剖面(圖2a)顯示,400 mm及以上降水主要集中在太行山北段海拔高度為300～600 m的迎風坡上,極值點易縣紫荊關的海拔高度為531.7 m,但在平原地區也出現了一些大于400 m的站點,如次極值點(717.6 mm)易縣蔚都的海拔高度為80 m。第二個降水中心位于太行山中段(圖1a中區域2),即河北石家莊西部、邢臺西部的山前及淺山區,極值中心位于邢臺的臨城、內邱一帶,臨城梁家莊最大,為1 003.4 mm。由過極值點梁家莊的地形和降水分布(圖2b)可見,太行山東側迎風坡降水量隨海拔高度升高而增強,250 mm及以上降水主要位于太行山東部海拔高度為300～800 m的迎風坡上,極值點梁家莊的海拔高度為648.6 m,次極值點(過程雨量為853 mm)內邱獐么的海拔高度為342.2 m。

圖2 2023年7月29日08時—8月2日08時累計雨量折線圖(紅實線:累計雨量,單位:mm;陰影:地形高度,單位:km):(a)沿39.19°N剖面(尉都);(b)沿37.48°N剖面(梁家莊站)Fig.2 Line chart of cumulative rainfall from 08:00 BST on July 29 to 08:00 BST on August 2,2023 (solid red line:cumulative rainfall distribution,units:mm,shadow:terrain,units:km):(a) along the 39.19°N profile (Weidu);(b) along the 37.48°N profile (Liangjiazhuang Station)

2.3 暴雨階段性特征

由7月29日—8月1日逐日降水量(圖3)可見,強降水區自南向北移動,100 mm以上的大暴雨區位于河北中西部。29日08時—30日08時,強降水區集中在河北南部的太行山中段迎風坡一側,臨城梁家莊24 h最大降水量為511 mm,但強降水區的降水強度并不大,以層積混合的穩定性降水為主,極值點的最大小時雨強不超過50 mm/h。30日08時—31日08時是降水最強的一天,100 mm以上的強降水明顯北移,范圍明顯擴大,同時河北西南部山區的強降水持續。250 mm以上的特大暴雨區除西部山區出現外,保定中東部的平原地區和雄安新區也大范圍出現(圖3b),極值中心出現在保定阜平遼道背(491.7 mm),次中心為臨城梁家莊(483.5 mm),此時梁家莊的累計雨量已接近1 000 mm。這一階段的降雨強度明顯增大,最大雨強為110.9 mm/h(圖3d),降水的對流性質增強。第三天(31日08時—9月1日08時),強降水區繼續北移,100 mm以上強降水強度和范圍減小,主要位于保定西部和北京地區,24 h最大雨量為323.3 mm,出現在保定易縣尉都(圖3c),最大雨強為80.4 mm/h,出現在廊坊的平原地區。從幾個700 mm以上站點的逐小時降水時序圖(圖3d)可以看出,太行山中段的極值點梁家莊主要降水時段集中在7月29日08時—31日03時,而北段易縣紫荊關的降水時段則集中在7月29日08時—8月1日08時,降水持續時間更長。

圖3 2023年7月29日08時—8月2日08時京津冀逐日24 h雨量分布(單位:mm;a.29日08時—30日08時;b.30日08時—31日08時;c.7月31日08時—8月1日08時)以及過程累計降水量≥700 mm站點小時降水量時序(d;d1為太行山中段,d2為太行山北段)Fig.3 (a—c) The cumulative 24-hour rainfall in Beijing-Tianjin-Hebei from 08:00 BST on July 29 to 08:00 BST on August 2,2023 (units:mm;(a) 08:00 BST on the 29th—08:00 BST on the 30th;(b) 08:00 BST on the 30th—08:00 BST on the 31st;(c) 08:00 BST on July 31 to 08:00 BST on August 1),(d) Time series diagram of hourly precipitation at stations with cumulative precipitation≥700 mm (d1:middle part of Taihang Mountain,d2:the northern part of Taihang Mountain)

3 極端降水成因

此次極端暴雨發生在西風帶冷空氣偏北、大陸高壓和副高連通形成高壓壩、登陸臺風北上西行受阻于高壓壩的穩定經向環流背景下,強降水自南向北移動,沿太行山形成南北兩個降水中心(圖1a),下面將按影響時間和區域來初步研究極端降水的成因。

3.1 太行山中段極端降水

3.1.1 影響系統和環境條件

28日上午,臺風“杜蘇芮”在福建南部登陸,中心氣壓為945 hPa。28日20時,“杜蘇芮”移至福建西北部,副熱帶高壓較強大、呈塊狀、位置偏北,中心位于日本海,北緣588 dagpm線在40°N以北,副高西北部有一高空槽東移北縮(圖略)。“杜蘇芮”在副高西側東南氣流的引導下,向北偏西方向移動,強度逐漸減弱,29日20時移至河南南部(圖4a),中心氣壓為999 hPa(圖略)。此時,副高西北部的高空槽已東移北縮,槽后的高壓脊和副高連通合并,形成西北—東南向高壓壩(圖4a),且穩定少動,而另一臺風“卡奴”已移至副高南部(圖略)。

圖4 500 hPa(a—c)和850 hPa(d—f)高度場(黑實線;單位:dagpm)、風場(風向桿;單位:m/s)和溫度場(紅虛線)(黑圓點表示臺風減弱的低壓中心),以及925 hPa水汽通量(黑實線;單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(陰影;單位:10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)(g—i):(a、d、g)29日20時;(b、e、h)30日20時;(c、f、i)31日08時Fig.4 (a—c) 500 hPa height field (black solid,unit:dagpm),wind field (barb,unit:m/s),and 850 hPa temperature field (red dashed line,units:K);(d—f) 850 hPa height field,wind field,and temperature field;(g—i) 925 hPa water vapor flux (barb and black solid,unit:g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (shadow,unit:10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1):(a,d,g) 20:00 on July 29;(b,e,h) 20:00 on July 30;(c,f,i) 08:00 on July 31,2023;black dot is the center of the weakening typhoon

由29日20時對流層中低層高度場、風場和溫度場(圖4a、d)可見,500、850、925 hPa(圖略)低渦中心位置基本重合,且有暖中心配合,說明臺風北上過程中維持著熱帶氣旋的暖心結構(這是由于高壓壩的存在阻擋了北方冷空氣的入侵,臺風殘渦的垂直結構變化不大)。在“杜蘇芮”的東北部,河北與山東的交界處,850 hPa有一條東北—西南向切變線,切變線兩側分別為東南風和東到東北風,與切變線配合,有東北—西南向的螺旋云系發展(圖略),雷達回波上則表現為帶狀回波(圖5a)。隨著臺風殘渦邊旋轉邊向西北方向移動,該螺旋雨帶向太行山中段移動,并在山前迎風坡一側加強。29日夜間至30日中午,有兩條近似南北向的螺旋雨帶影響太行山中段。

圖5 2023年7月29日20時—31日03時組合反射率(單位:dBZ)分布(藍實線:200 m海拔高度線;紅實線:500 m海拔高度線;a.29日20時;b.29日23時;c.30日05時;d.30日10時;e.30日13時;f.30日17時30分;g.30日20時24分;h.30日23時;i.31日02時),以及過程累計雨量極值點趙莊梁家莊的組合反射率(單位:dBZ)和小時雨強(單位:mm/h)的時間—高度剖面(j)Fig.5 Composite reflectivity (dBZ) from 20:00 BST on July 29,2023,to 03:00 BST on July 31,2023 (solid blue line:200 m altitude line above sea level;solid red line:500 m altitude line above sea level;(a) 20:00 BST on July 29;(b) 23:00 BST on July 29;(c) 05:00 BST on July 30;(d) 10:00 BST on July 30;(e) 13:00 BST on July 30;(f) 17:30 BST on July 30;(g) 20:24 BST on July 30;(h) 23:00 BST on July 30;(i) 02:00 BST on July 31);(j) time-height cross-section of reflectivity (dBZ) and hourly rain intensity (mm/h) in Liangjiazhuang,Zhaozhuang,which is the extreme region of the process of accumulated rainfall

西北—東南向的高壓壩自29日形成后直至30日夜間,強度和形態基本不變,臺風殘渦在高壓西側的東南氣流引導下,緩慢向西北方向移動,至30日20時,中心已移到山西南部,暖心結構繼續維持(圖4b、e)。在850 hPa上(圖4e),有兩條切變線,一條東西向切變線在河北與河南的交界處,為偏南風和偏東風切變,另一條沿太行山呈東北—西南向,為東南風和東北風切變,在雷達回波上這兩條切變線分別對應東西向帶狀回波和沿山的南北向帶狀回波(圖5d—f)。該東西向帶狀回波隨臺風向北移動,從30日中午至前夜持續影響太行山中段的邢臺地區。與此同時,受東北—西南向切變線的影響,河北中部沿山及平原的強降水也開始大面積出現。

受深厚的臺風減弱低壓和切變線系統影響的同時,環境條件也非常有利于極端降水發生。減弱的臺風低壓和副高相互作用,氣壓梯度增大,在700 hPa(圖略)和850 hPa(圖4d)上形成了風速大于20 m/s的東南低空急流,副高西側出現了一條西北—東南向的水汽通道,向河北南部和太行山輸送水汽,相應925 hPa的水汽通量最大達30 g·cm-1·hPa-1·s-1,在太行山沿山一帶形成水汽通量輻合中心,中心水汽通量散度達-2×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。強盛的水汽輻合有利于迎風坡一側強降水出現。同時,飽和層深厚,整個對流層近似飽和,河北中南部大氣可降水量達80 mm(圖略)。由沿暴雨極值點的緯向—高度剖面(圖6a、b)可以看出,隨著東南急流的增強,從30日08時到30日20時,整層的假相當位溫明顯增強,從350 K增大到364 K,說明不穩定能量增強,且在山脈迎風坡,從地面到600 hPa假相當位溫隨高度減小,說明對流不穩定性增強。邢臺站的對流有效位能(CAPE)從08時的381.9 J/kg增加到20時的810.8 J/kg(圖略)。垂直速度也有所增強,最大值出現在700 hPa上(圖略)。這些有利的環境條件導致了30日白天河北中南部尤其是中部地區降水強度增強。

圖6 沿過程累計雨量極值點梁家莊的假相當位溫(陰影;單位:K)和垂直速度(綠虛線;單位:10-2 m/s)的緯向—高度剖面:(a)30日08時;(b)30日20時Fig.6 Zonal-height cross-section of pseudo-equivalent potential temperature (shade,units:K) and vertical velocity (green dashed line,units:10-2 m/s) along the maximum value of accumulated rainfall in Liangjiazhuang:(a) 08:00 BST on July 30;(b) 20:00 BST on July 30,2023

綜上所述,穩定的高壓壩形成了明顯的阻擋形勢,導致臺風“杜蘇芮”殘渦受阻,移速減慢,停滯時間長,受減弱的臺風低壓外圍螺旋雨帶、低渦切變線、東南急流的影響,加之太行山地形輻合抬升作用,河北南部的太行山中段出現了極端降水。

3.1.2 中尺度系統

由太行山中段幾個強降水點逐小時雨量時序(圖3d)可以看出,主要降水時段為8月29日20時—31日03時,上述幾個大于700 mm的站點,除獐么(海拔高度為340 m)在31日02—03時小時雨強超過100 mm/h外,另外3個站點的最大雨強都小于50 mm/h。

圖5給出了29日20時至31日03時期間部分時次的組合反射率分布,可以看出,29日夜間至30日上午,臺風減弱的低氣壓暖心結構完整(圖4a、b、d、e),外圍北側有多條近似南北向的螺旋雨帶隨著“杜蘇芮”的旋轉自東向西移動,影響河北南部的太行山中段,以層積混合降水回波為主,回波強度為30～45 dBZ(圖5a—c),這一階段地面以東北風為主(圖略)。30日上午10時前后,影響太行山南段的南北向帶狀回波強度逐漸減弱,在河北南部和河南交界處,有兩條東西向的帶狀回波生成(圖5d),該東西向帶狀回波中的單體自東向西移動的同時,也隨著臺風殘渦的西北移動而向北移動,回波強度隨著低層東南急流的增強而加強,從中午至傍晚以“列車效應”影響邢臺臨城趙莊等地(圖5e、f),邢臺西部的累計雨量繼續增大,這一階段地面以東到東南風為主(圖略)。30日20時前后,隨著東西向帶狀回波向北移動,邢臺西部的降水減弱,此時,河北南部沿山迎風坡一側又有南北向帶狀回波生成(圖5g),在30日20時—31日03時時段內,帶狀回波中的單體自南向北移動,再次以“列車效應”通過邢臺西部山區,使得該地區成為極值中心(圖5h、i)。

由降水極值點梁家莊回波時間剖面(圖5j)可以看出,30～45 dBZ的回波伸展到6 km高度(0 ℃層高度為5.3 km),為低質心熱帶型降水系統回波,降水效率很高。在小時雨強超過40 mm的幾個時次,回波反射率可達50 dBZ。梁家莊的降水持續時間近40 h,小時雨強≥20 mm的降水持續了24 h,過程累計降水量超過1 000 mm。綜上所述,造成太行山中段極端降水的中尺度系統按時間順序分別為:29日夜間至30日上午,有2條近似南北向的螺旋雨帶先后影響;30日中午至傍晚,有2條近似東西向的帶狀回波影響;30日20時前后至31日03時,迎風坡一側有南北向的帶狀回波影響。

圖7a—c分別為組合反射率因子≥20、40、45 dBZ的平均頻數空間分布。雷達回波特征統計分析主要使用國家氣象中心下發的SWAN產品中的逐6 min組合反射率因子拼圖數據(MCR),數據時間為2023年7月29日08時—8月2日08時。下文中的日平均表示將過程內的逐6 min MCR數據求閾值出現總頻數,再除以日數。

圖7 2023年7月29日08時—8月2日08時河北省組合反射率因子MCR日平均頻數的空間分布(a.≥20 dBZ;b.≥40 dBZ;c.≥45 dBZ),以及最大小時雨強大于40 mm/h的空間分布(d)Fig.7 Spatial distribution of the daily average frequency of MCR in Hebei Province from 08:00 BST on July 29 to 08:00 BST on August 2,2023 ((a)≥20 dBZ,(b)≥40 dBZ,(c)≥45 dBZ).(d) Spatial distribution of maximum hourly rainfall above 40 mm/h

總體而言,河北南部太行山中段的降水強度不大,以穩定性降水為主,反射率為25～40 dBZ的回波占主體(圖7d)。

3.1.3 地形作用

地形對降水的影響主要表現為迎風坡抬升(唐永蘭等,2022;Xia et al.,2022)、喇叭口地形輻合(陶詩言,1980)、氣流受阻形成與山脈平行的障礙急流(barrier jet;Wei et al.,2023)。太行山整體位于華北板塊的中部,北起北京西山,南接王屋山,全長400多km。受河流影響,大致可將太行山分為3段,滹沱河以北為北段,滹沱河與漳水之間為中段,漳水以南為南段。北段太行山大致呈東北—西南向,山前多淺山區,整個山區坡度相對平緩,山區東西寬度為80～120 km,因山體朝向緣故,對東南風的降水增幅較大。中段太行山在石家莊南部和邢臺北部山體呈西北—東南向,對東風和東北風更敏感,山體相對北段坡度更大,山前多山谷和喇叭口地形,是河北暴雨極值的易發區域。

由圖1b可見,河北南部降水大于250 mm的強降水大部分出現在山脈迎風坡一側,少部分出現在平原,而400 mm以上的降水全部出現在高度為300～800 m的山脈迎風坡。從700 mm以上站點的降水強度看,除獐么(海拔高度為340 m)31日02—03時的小時雨強超過100 mm/h外,其他站點最大小時雨強均在50 mm/h以下,而這幾個站點的海拔高度均在600 m以上(圖3d)。

在歷史上,“63.8”暴雨的極值點出現在邢臺內丘縣獐么,這一帶也是北方暴雨的極值中心(陶詩言,1980),但在此次降水過程中,極值點出現在獐么西北部的臨城縣梁家莊(海拔高度為648.6 m),獐么雨量次之。

從極值點附近放大的地形高程圖和三維立體圖(圖8b、c)可以看出,梁家莊處于向東北開口的東北—西南向山谷深處,海拔高度較高,獐么則處于向東向北開口的喇叭口地形收縮處,高度較低。前者有典型的“狹管效應”,后者則以氣流輻合為主。

圖8 (a)河北省地形高程圖(紅箭頭所指方框為圖b、c區域);(b)極值點地形圖;以及(c)極值點地形三維立體圖(綠箭頭指向為北)Fig.8 (a) Topographic elevation map of Hebei Province (red arrows:positions of Fig.8 (b,c));(b) Topographic map of extreme values;(c) Three-dimensional topography map of extreme values (green arrow:north)

由極值點梁家莊風場的高度—時間剖面(圖9a)可見,在29日20時—31日08時主要降水時段內,850 hPa(1 500 m)以下為較深厚的東到東北風急流,風速為12～20 m/s,以上為東南風到南風,梁家莊東部的平原內丘站(海拔高度為32 m)的風廓線雷達也觀測到1 000 m以下為12～20 m/s的東風急流(圖9c)。強勁深厚的東到東北風從平原近似垂直吹向西北—東南走向的太行山中段,一方面在大地形的迎風坡輻合抬升,在300～800 m的高度上垂直上升速度最大,水汽通量輻合也在該高度達到最大(圖9b),另一方面在梁家莊的小地形上沿狹長的山谷進入(圖8b),“狹管效應”導致輻合加強,在兩者的共同作用下,造成了梁家莊的極端降水。相比而言,獐么的海拔高度偏低,其迎風坡的抬升輻合和喇叭口地形輻合均弱于梁家莊,總降水量低于梁家莊,位居第二;而在31日02—03時,其小時雨強則達到110 mm/h,其原因還有待深入研究。

真之本質的轉變的第二重意義就是“哲學”變成了“形而上學”。Philosophia從對sophia[精通、智慧]的熱愛變成了“超越”存在者之陰影而“走向”存在者之理念的“形而上學”。最高的理念，善的理念，作為第一原因和最高原因，也被柏拉圖和亞里士多德稱為to theion[神]，因此探究存在者之存在的形而上學不僅是存在論，也是神學。[5]235-236形而上學的“存在-神學”機制在柏拉圖那里的發端處就已被預定。

圖9 (a)邢臺梁家莊風場高度—時間剖面(陰影為比濕,單位:g/kg);(b)小時降水量和風場、水汽通量散度沿37.48°N(梁家莊)的經度—高度垂直剖面(柱狀為小時降水量,單位:mm;紅實線為水汽通量散度,單位:10-6 g/(cm2·hPa·s);箭頭表示u和w合成風,單位:m/s;黑陰影為地形高度);以及(c)內丘站風廓線雷達風場高度—時間剖面Fig.9 (a) Wind field height-time cross-section of Liangjiazhuang,Xingtai (shadow:specific humidity,units:g/kg);(b) Zonal-height cross-section of hourly precipitation,wind field,and water vapor flux divergence along 37.48°N (Liangjiazhuang) (columnar:hourly precipitation,units:mm;solid red line:water vapor flux divergence,units:10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1);arrow:u*w synthetic wind,units:m/s;Black shading:topography);(c) Wind field height-time cross-section of wind profile radar in Neiqiu station

3.2 太行山北段極端降水

3.2.1 影響系統和環境條件

由太行山北段降水的逐日和逐小時演變(圖3)可知,強降水主要集中在30日白天至31日白天,最大48 h累計雨量為易縣紫荊關的677 mm,易縣尉都的657.3 mm次之(圖略)。第3.1.1節在分析30日白天太行山中段山區的強降水持續時,提到了北段及相鄰平原降水也開始加強,下文重點分析該區域的環流和影響系統。

30日白天,高壓壩繼續加強,至30日20時大陸高壓和副高的中心分別達到了592和594 dagpm(圖4b),臺風和高壓壩之間低空東南急流和邊界層急流建立,并向河北輸送大量水汽。由30日14時(圖略)、20時850 hPa(圖4e)、925 hPa(圖10a、b)風場和水汽通量場可以看出,水汽通道有兩條,一條是臺風低壓自身所攜帶水汽,另一條是來自副高南側臺風“卡奴”的水汽輸送,兩者在河北中部匯合,水汽通量高值中心達40 g·cm-1·hPa-1·s-1。由衛星云圖可清晰地看到這條窄而長的水汽通道(圖10c)。由925 hPa水汽通量散度(圖4h)也可看出,水汽在沿山迎風坡地區和東部相鄰平原為輻合中心,絕對值最大值達6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1,在邊界層925 hPa以下其更強(圖略)。東南低空急流向暴雨區輸送大量水汽和不穩定能量,導致太行山北段相鄰平原的降水對流性更強。由各站點最大小時雨強分布(圖7d)可以看出,保定平原地區、雄安新區、廊坊一帶的雨強為50～80 mm/h,明顯高于山區迎風坡。隨著臺風殘渦在高壓壩西側東南氣流引導下緩慢向西北方向移動,低渦東北象限的東南風和東北風在河北中部的保定、雄安、廊坊一帶長時間輻合(圖4e),造成該區域發生了強降水。

圖10 30日20時(a)和31日08時(b)925 hPa高度場(黑實線;單位:dagpm)、風場(風向桿;單位:m/s)和水汽通量場(陰影;單位:g·cm-1·hPa-1·s-1),以及30日20時紅外云圖(c)Fig.10 925 hPa height field (black solid,unit:dagpm),wind field (barb,unit:m/s),and water vapor flux field (shadow,units:g·cm-1·hPa-1·s-1):(a) 20:00 BST on July 30;(b) 08:00 BST on July 31;(c) infrared cloud image at 20:00 BST on July 30

從30日后半夜開始,500和700 hPa低渦向西北方向移動且東南急流北移,31日08時500 hPa和850 hPa上,與低渦相伴的東西向切變線已移至40°N(圖4c、f),強降水區移到北京西部山區。31日20時,500 hPa高空低渦位于河套以北的內蒙古地區,西北—東南向的高壓壩也向南北向的塊狀高壓轉換(圖11a),700 hPa及以上層次,河北西部區域轉為受偏南氣流控制,而850 hPa以下層次仍為東南氣流,但風速已達不到急流水平。東南風垂直吹向東北—西南走向的太行山北段,山區迎風坡降水持續,同時在保定與石家莊的交界處不斷有新生對流出現,以后向傳播的方式沿高空偏南氣流向北移動(圖12f、g),持續影響保定西部山區,使得該區域降水繼續增加,導致了紫荊關、尉都的極端降水。從尉都的逐小時雨量時序圖(圖1e)可以看出,31日該站的降水強度強于30日,31日14時和19時尉都雨強接近80 mm/h。那么,是什么原因導致了在東南急流減弱的情況下,降水強度反而增加呢?由31日08時、14時北京探空圖的溫度露點廓線(圖11c、d)可以看出,08時整層飽和,14時則在850 hPa以上層次出現了相對的干層,導致500 hPa以下假相當位溫隨高度遞減,對流不穩定增強,因此對流性加強,雨強增大。

圖11 7月31日20時(a)和8月1日08時(b)500 hPa高度場(黑實線)、風場(風向桿)和水汽通量場(陰影),以及31日08時(c)和14時(d)北京市探空圖Fig.11 500 hPa height field (black solid),wind field (barb),water vapor flux (shadow):(a) 20:00 BST on July 31;(b) 08:00 BST on August 1,and Beijing Sounding:(c) 08:00 BST on July 31;(d)14:00 BST on July 31,2023

圖12 太行山北段強降水組合反射率(單位:dBZ)和4級以上小時極大風(單位:m/s)(虛線橢圓為后向傳播的對流初生處)(a.30日08時;b.30日13時;c.30日20時;d.30日23時;e.31日07時;f.31日12時;g.31日19時;h.8月1日00時),以及紫荊關反射率高度—時間剖面(i)Fig.12 Composite reflectivity (dBZ) of heavy precipitation in the northern part of Taihang Mountain and hourly extreme wind (m/s) above grade 4 ((a) 08:00 BST on July 30;(b) 13:00 BST on July 30;(c) 20:00 BST on July 30;(d) 23:00 BST on July 30;(e) 07:00 BST on July 31;(f) 12:00 BST on July 31;(g) 19:00 BST on July 31;(h) 00:00 BST on August 1;(i) height-time cross-section of reflectivity (dBZ) in Zijinguan.The dashed ellipse is the origin of the backward-propagating convection)

31日后半夜,低渦繼續北移減弱,西北—東南向的高壓壩已變為塊狀副高,8月1日08時,588 dagpm線控制河北,河北轉受西南氣流控制(圖11b),太行山北段的強降水基本結束。

3.2.2 中尺度系統

由反射率因子頻次分布(圖7a—c)可見,太行山北段淺山區和相鄰山前平原40、45 dBZ以上發生頻次明顯高于太行山中段,40 dBZ主要發生在太行山北段山前平原,45 dBZ主要發生山前平原東部。這說明太行山北段降水的對流性明顯高于中段,平原的對流性明顯高于山區。

太行山北段的極端暴雨降水時間集中在7月29日20時—8月1日上午,降水時間明顯長于中段(圖3e)。圖12給出了7月30日08時至8月1日期間部分時次的組合反射率和小時極大風(4級以上)分布。可以看出,30日白天至夜間,受臺風殘渦外圍螺旋雨帶、低渦切變線及東南急流影響,大片密實回波覆蓋在太行山北段的保定、雄安新區、廊坊一帶,平原地區的回波強度更強(圖12a—d)。30日凌晨至上午,覆蓋在太行山北段及平原的大面積回波為臺風減弱低壓最外圍雨帶,回波強度為30～50 dBZ,這段時間臺風減弱低壓仍保持暖心結構(圖4a、d)。30日中午前后開始,隨著殘渦向西北方向移動,河北中部出現了東北風和東南風輻合,大面積的東北—西南向回波帶向西北方向推進,35 dBZ以上的回波在東北風一側(圖12b)。30日傍晚前后,在副高外圍的東南急流里形成的一條狹窄的西北—東南向強回波帶開始自河北南部向北推進,18—23時其與東北風里的回波匯合,在河北中部保定、雄安新區形成最強降水(圖12c、d)。30日后半夜至31日早晨,降水強度有所減弱,來自石家莊、衡水一帶的東西向回波向北推進(圖12e)。31日白天,高壓壩已演變成南北向塊狀高壓,在保定和石家莊交界處不斷有強對流回波生成(即后向傳播),在高空偏南氣流驅動下向北移動,經過太行山北段的淺山區,極值點和次極值點的雨強都強于30日,尉都有兩個時次的雨強接近80 mm/h(圖12f、g)。31日后夜開始,南北向塊狀副高變成東北—西南向,降水變成副高外圍降水,回波呈東北—西南向的帶狀(圖12h)。由太行山北段降水極值點易縣紫荊關回波的高度—時間剖面(圖12i)可以看出,30～45 dBZ的回波伸展至4～5 km高度,為低質心熱帶型降水系統回波,其小時雨強不超過40 mm/h,但其降水持續時間長,過程累計降水量達732.7 mm。

3.2.3 地形作用

從紫荊關附近放大的地形高程圖和三維立體圖(圖13b、c)可以看出,紫荊關處于向東南開口的喇叭口地形收縮處,又處于西北—東南向山谷深處,海拔高度為531.7 m,具有“狹管效應”和喇叭口地形輻合雙重效應。

圖13 (a)河北省地形高程圖(紅箭頭所指方框為圖b、c區域);(b)太行山北段極值點地形圖;以及(c)太行山北段極值點地形三維立體圖(綠箭頭指向為北)Fig.13 (a) Topographic elevation map of Hebei Province (red arrows:positions of Fig.13 (b,c));(b) Topographic map of extreme values in the northern part of Taihang Mountain;(c) Three-dimensional topography of extreme values in the northern part of Taihang Mountain (green arrow:north)

由極值點紫荊關風場的高度—時間剖面(圖14a)可以看出,在7月29日20時—8月1日08時主要降水時段內,31日02時之前,925 hPa(720 m)以下為東到東北風,以上為東南風到南風;31日02時之后,925 hPa以下逐漸轉為東南風。東南風從平原吹向東北—西南向的太行山北段迎風坡,一方面在大地形的迎風坡輻合抬升,在400～700 m高度上垂直上升速度最大,水汽通量輻合也在該高度達到最大(圖14b),另一方面氣流在紫荊關的小地形上沿狹長山谷進入(圖13b),“狹管效應”導致輻合加強,在兩者的共同作用下,造成了紫荊關的極端降水。

圖14 保定紫荊關風場的高度—時間剖面(a)以及沿紫荊關的小時降水量和合成風場、水汽通量散度的緯向—高度剖面(b;柱狀為小時降水量,單位mm;紅線為水汽通量散度,單位:10-6 g/(cm2·hPa·s);箭頭表示u和w合成風,單位:m/s;黑陰影為地形)Fig.14 (a) Height-time cross-section of wind field in Zijingguan,Baoding;(b) Zonal-height cross-section of hourly precipitation (columnar),wind field (arrow,units:m/s),and water vapor flux divergence(red line,units:10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1) in Zijingguan,Baoding (black shade:terrain)

4 環境場極端性

前述已將此次極端暴雨過程與歷史上發生在河北的幾次強降水過程做了對比(表1),從全省過程平均降雨量來看,此次降水過程低于1963年“63.8”過程,但超過了1996年“96.8”、2012年“12.7”和2016年“16.7”過程,具有明顯的極端性。為了表征“23.7”過程物理量場的極端性,本文選取1993—2022年作為歷史氣候態,利用ERA5再分析資料,計算了“23.7”過程中物理量相對于氣候態標準差的倍數。

就高度場而言,從28日18時(圖略)開始,華北區域40°N以北500 hPa位勢高度標準化異常均在1σ以上,700、850 hPa高壓強度更強一些,異常值在2σ以上,隨后高壓持續增強,500、700 hPa標準化異常中心最大值超過3σ(圖15),這種標準差異常大于3σ的情況從29日夜間一直持續到31日夜間。“21.7”河南極端暴雨過程中,500 hPa上呈阻擋形勢的高壓系統標準差異常中心為4σ～6σ(梁旭東等,2022),對比兩次過程可見,此次降水過程的位勢高度的異常度較低。分析850 hPa風場標準化異常(圖略)可知,u、v分量異常值最大均達到6σ以上,與“12.7”過程中850 hPa風速偏離氣候的平均程度大于3σ(諶蕓等,2012;孫軍等,2012)相比,此次降水過程的極端性更強。

圖15 30日20時500 hPa(a)和700 hPa(b)位勢高度、風場及位勢高度的標準化異常(實線為位勢高度,單位:dagpm;陰影為位勢高度的標準化異常)Fig.15 Potential height,wind,and standardized anomalies of potential height at 20:00 BST on July 30 ((a) 500 hPa,(b) 700 hPa;solid line:potential height,units:dagpm;shadow:standardized anomalies of potential height)

就水汽條件而言,此次降水過程水汽通量和水汽通量散度標準化偏差均在5σ以上(圖16)。分別計算太行山中段(113.5°～116°E,36°～38.5°N)和太行山北段(113.5°～117.8°E,38.5°～40°N)兩個強降水中心區域平均的700 hPa、850 hPa、925 hPa三層水汽通量和水汽通量散度異常值,結果表明:太行山中段三層水汽輸送和水汽通量輻合異常度在29日20時前后均出現躍增,在29日20時至30日20時的24 h內,其異常值均維持接近或超過3σ～4σ;太行山北段水汽條件的異常度更高一些,30日08時水汽通量標準化異常值最大為6σ。此次降水過程水汽條件的極端性與“21.7”河南降雨過程水汽條件(張霞等,2021)相當,但明顯偏高于“12.7”北京特大暴雨的異常值3σ(諶蕓等,2012;孫軍等,2012)。

圖16 2023年7月29日08時—8月2日08時太行山中段(a—c)和太行山北段(d—f)區域平均的700 hPa(紅色)、850 hPa(綠色)和925 hPa(黑色)水汽通量標準差(a、d)及水汽通量散度標準差(b、e),以及它們的區域平均范圍(c、f)Fig.16 Regional mean of water vapor flux standard deviations for three layers (700 hPa,red;850 hPa,green;925 hPa,black) in the middle- and north-part of Taihang Mountain from 08:00 BST on July 29 to 08:00 BST on August 2,2023 ((a) middle part of Taihang Mountain;(d) northern part of Taihang Mountain);Regional mean of the standard deviation of water vapor flux divergence ((b) middle part of Taihang Mountain,(e) northern part of Taihang Mountain);Regional mean range ((c) middle part of Taihang Mountain;(f) northern part of Taihang Mountain)

綜上所述,此次降水過程異常偏強的高壓在河北北部呈阻擋形勢,使得“杜蘇芮”減弱低壓移動緩慢,降水長時間維持,而深厚的濕層及對流層下層異常偏強的水汽條件則與此次華北極端強降雨的發生關系密切。

5 結論與討論

針對2023年7月29日—8月1日河北極端暴雨過程,應用高空、地面、衛星云圖和多普勒天氣雷達、風廓線雷達等觀測資料以及ERA5再分析資料,對降水極端性特征、環流形勢演變、天氣尺度系統特征、中尺度對流系統演變、地形作用進行了研究,初步揭示了此次極端暴雨的成因,同時就其極端性,與北方歷史上發生的極端暴雨過程進行了比較,得到以下結論:

1)極端降水發生的大尺度環流背景是:中緯度大陸高壓東移并與北上西進的副熱帶高壓連通,在河北北部形成穩定的西北—東南向高壓壩,臺風“杜蘇芮”登陸后北上西行至河南境內時,受阻于高壓壩,速度減慢、停滯,導致臺風殘渦降水長時間維持。

2)臺風“杜蘇芮”北上自身攜帶的水汽以及副高南側的臺風“卡奴”遠距離輸送的水汽,為河北極端暴雨的發生提供了充足的水汽;臺風北上減弱過程中結構不變,東北風急流和東南風急流輻合,加上太行山地形的輻合抬升作用,共同為極端降水提供了強盛的動力條件。

3)太行山中段的強降水時段集中在29日夜間至30日夜間,主要是減弱臺風殘渦的螺旋雨帶、東到東北風急流在迎風坡抬升以及喇叭口地形、“狹管效應”增強輻合共同作用所致,250 mm以上的強降水出現在太行山東麓300～800 m的迎風坡上,以穩定性、低質心的暖云降水為主。

4)與太行山中段的極端降水相比,太行山北段的降水時間更長,主要降水時段集中在29日夜間至31日夜間,250 mm以上的強降水范圍更大,既包括北段山脈東麓300～600 m的迎風坡,也包括相鄰的東部平原,但迎風坡上的降水強度要小于太行山中段迎風坡上的降水強度,而平原地區的降水強度則要高于太行山中段迎風坡上的降水強度。強降水主要受與山脈平行的東北急流和東南急流輻合以及地形作用所致,山脈東側淺山區和平原降水對流性更強。

5)此次極端降水的水汽、動力、熱力等物理量場都表現出了較強的極端性,偏強2σ～6σ。

本文對河北極端降水的成因和極端性進行了初步研究,由于此次降水持續時間長,范圍廣,涉及多尺度系統的相互作用,還有許多具體問題尚需深入研究,如:臺風“杜蘇芮”登陸西北行進過程中的結構變化特征,以及對極端降水的影響機制;導致邢臺西部、保定西部、北京西部三個極端降水中心的中小尺度對流系統的觸發、組織機制、三維結構及云微物理機制;與歷史上相似的影響河北的西北行臺風(如“96.8”和“56.8”)在大尺度環流和水汽、熱力、動力等環境條件,中尺度對流系統發展演變規律及結構特征之間的差異等。