“23·7”河北太行山東麓罕見特大暴雨特征及成因*

楊曉亮 金曉青 孫 云 陳碧瑩 梁 天 楊 敏 閆雪瑾 李江波

1 中國氣象局雄安大氣邊界層重點開放實驗室,河北雄安 071800 2 河北省氣象與生態環境重點實驗室,石家莊 050021 3 河北省氣象臺,石家莊 050021 4 河北省氣象行政技術服務中心,石家莊 050021

提 要: 受臺風杜蘇芮北上減弱的低壓影響,2023年7月29日至8月1日,京津冀地區遭受了歷史罕見的特大暴雨,海河發生流域性特大洪水并造成人員傷亡和經濟損失。利用高空觀測、地面自動站、S波段多普勒天氣雷達、風廓線雷達、ERA5再分析資料等,對此次天氣過程進行了初步分析。結果表明:特大暴雨過程具有累計降水量大、持續時間長、地形作用明顯等特征。臺風杜蘇芮、卡努提供了極為有利的水汽條件,華北北部形成的高壓壩阻擋了臺風環流北上,華北地區先后經歷了陣性降水、臺風倒槽降水和倒槽減弱階段對流性降水三個階段,降水落區的疊加效應是形成罕見特大暴雨的主要原因。臺風倒槽階段850 hPa切變線受太行山阻擋移動緩慢,降水持續時間長,初期大氣處于近中性狀態,雨強整體平穩,30日午后對流開始加強,河北中部降水區冷池出流的偏北風與偏東風形成地面輻合線,使得河北東南部高能區中觸發的對流單體發展加強為MCS,移入保定后形成“列車效應”;太行山冷池出流的偏北風與地面東南風形成輻合線觸發不穩定能量釋放,是30日夜間河北西南部降水維持的原因。31日早晨超過20 m·s-1的東南風急流再次建立,造成北京南部超過110 mm·h-1的強降水。

引 言

每年7—8月,隨著夏季風向北推進,華北進入雨季,持續性大暴雨導致的洪水是華北夏季的主要災害之一,例如1963年8月海河流域大洪水(簡稱“63·8”)、1996年8月河北大暴雨(簡稱“96·8”)、2012年7月北京大暴雨(簡稱“12·7”)、2016年7月華北特大暴雨(簡稱“16·7”)和2021年7月19—21日河南極端暴雨(簡稱“21·7”)等,都給社會經濟和人民生命財產造成了重大損失。不少研究均表明(俞小鼎,2012;孫軍等,2012;諶蕓等,2012;孫建華等,2013;陳明軒等,2013),“12·7”大暴雨是在有利的大尺度環流背景下由多個長生命史、穩定少動的中尺度對流系統造成,分為暖區降水和鋒面降水兩個階段?！?6·7”華北特大暴雨的研究表明,高低空系統耦合背景下快速發展的深厚氣旋是影響強降水發生發展的重要系統(趙思雄等,2018),降水期間各物理量明顯偏離氣候平均態(栗晗等,2018),地形對降水增幅作用顯著(符嬌蘭等,2017;Xia and Zhang,2019),潛熱反饋過程也起到非常重要的作用(雷蕾等,2017)。徐珺等(2022)、Xu et al(2022)利用客觀分型方法對比了華北地區極端降水日與少雨日的環流型,解讀了河南“21·7”破紀錄降水事件的極端性。此外氣象學者從“21·7”特大暴雨的降水特征、極端性、水汽輸送、中尺度低空急流、地形作用等不同角度開展了廣泛研究(蘇愛芳等,2022;楊浩等,2022;汪小康等,2022;冉令坤等,2021;孔期等,2022;齊道日娜等,2023;Luo and Du,2023)。華北地區的強降水既受西風帶系統影響,又有熱帶系統參與(孫建華等,2006;趙思雄和孫建華,2019;楊曉亮等,2021a;2022),臺風遠距離水汽輸送或臺風北上是華北地區產生大暴雨或持續性大暴雨的重要條件(陶詩言,1980; 丁一匯,2019)。河南“75·8”特大暴雨就是臺風登陸后北上至河南伏牛山脈與桐柏山脈之間的大弧形地帶“停滯少動”,在其他天氣尺度系統參與下造成的(“75·8”暴雨會戰組,1977a;1977b)。丁一匯(2015)指出河南“75·8”特大暴雨既有熱帶和中緯度天氣系統的相互作用,又有高、低空系統的相互作用,還有不同尺度天氣系統相互作用。孫建華等(2006)認為“96·8”河北特大暴雨是比較少見的登陸臺風北上受高壓阻擋停滯類型。楊曉亮等(2021b)研究環渤海地區的北上臺風過程發現,當西太平洋副熱帶高壓控制整個河北或形成北部高壓壩時,大暴雨主要位于河北南部太行山前。

受臺風杜蘇芮減弱環流北上影響,2023年7月29日08時至8月2日08時(北京時,下同),華北遭受了歷史罕見的特大暴雨(簡稱“23·7”)(符嬌蘭等,2023;張芳華等,2023)。受持續強降水影響,海河發生流域性特大洪水,永定河及其支流清水河、拒馬河支流大石河等8 條河流發生有實測記錄以來最大洪水,據不完全統計(截至2023年8月10日),持續強降水造成河北110個縣(市、區)388.86萬人受災,直接經濟損失達958.11億元,因災死亡29人,16人失聯。有必要回顧總結這次過程的降水特征及天氣成因,為華北極端特大暴雨預報提供參考依據。

1 所用資料

本文使用的資料包括:(1)歐洲中期數值預報中心第五代全球大氣再分析資料(ERA5,0.25°×0.25°、1 h間隔),用于環流背景和診斷分析;(2)2023年7月28—31日北京和邢臺探空站資料,用于大氣垂直廓線分析;(3)河北氣象信息中心提供的經質量控制的京津冀區域逐小時自動氣象站資料(共4037個站),包括氣溫、風向、風速和小時降水量,用于地面要素和雨強分析;(4)2023年7月 29日至8月1日京津冀雷達拼圖產品及石家莊SA雷達單站數據,用于雷達特征及剖面分析;(5)河北氣象信息中心提供的邯鄲成安和北京風廓線雷達資料,用于分析水平風場的時間演變。站點分布如圖1所示。

圖1 京津冀站點分布Fig.1 Distribution of stations in the Beijing-Tianjin-Hebei Region

2 降水特征

2.1 降水極端性分析

2023年7月29日至8月1日,河北和北京共有14個國家級氣象觀測站(以下簡稱國家站)日降水量突破歷史極值,26個國家站3 d累計降水量突破歷史極值。河北79個國家站過程累計降水量超過本站7月降水量常年值,16個站超過本站夏季降水量常年值。與歷史上4次著名的大暴雨過程相比(圖2),本次過程河北平均降水量要低于“63·8”,但高于“96·8”“12·7”“16·7”;過程累計降水量極值為1003.4 mm(7月29日08時至8月2日08時,邢臺梁家莊站),僅次于“63·8”過程的2051.0 mm?！?3·8”降水極值邢臺內丘獐么站降水持續7 d,本次過程邢臺臨城梁家莊站降水持續時間不足3 d。

圖2 5次大暴雨過程降水情況對比Fig.2 Comparison of precipitation in five severe torrential rain processes

2.2 降水空間分布及演變特征

從過程累計降水量來看,北京西南部和河北中南部的太行山前普遍在250～800 mm(圖3a),250 mm以上的降水面積超過6.5萬km2,超過400 mm的站點沿太行山呈南北帶狀分布,主要集中在兩個區域,一處位于河北中部的保定中北部、北京西南部等地,另一處位于河北西南部的石家莊西部、邢臺西部、邯鄲西北部等地的太行山東麓。過程最大累計降水量為1003.4 mm(邢臺梁家莊站),其2 d的累計降水量接近河北年平均降水總量(505.6 mm)的2倍。從逐日演變來看,強降水自南向北發展。7月29日河北中南部偏西地區普遍出現暴雨(圖3b),河北西南部太行山山前出現大暴雨到特大暴雨,邢臺梁家莊站24 h降水量最大達511.1 mm;30日強降水向北發展(圖3c),大暴雨覆蓋的范圍最廣,河北中部的保定、北京西南部出現大范圍大暴雨到特大暴雨,保定遼道背站24 h降水量最大為497.7 mm,河北西南部太行山山前連續2 d出現大暴雨到特大暴雨, 邢臺梁家莊站24 h降水量為483.5 mm;31日,降水區進一步北移,大暴雨主要集中在北京西部、南部及周邊區域(圖3d),北京昌平王家園水庫站24 h降水量最大為394.8 mm,河北南部降水明顯減弱;8月1日京津冀地區轉為分散性暴雨,過程趨于結束。

注:黑色實線為200 m地形等高線,圖a中▲為降水量極值中心邢臺梁家莊站。圖3 京津冀地區2023年(a)7月29日08時至8月2日08時過程累計降水量,(b)7月30日08時、(c)7月31日08時、(d)8月1日08時過去24 h累計降水量分布Fig.3 (a) Accumulated precipitation from 08: 00 BT 29 July to 08: 00 BT 2 August, and (b-d) 24 h accumulated precipitation at (b) 08: 00 BT 30 July, (c) 08: 00 BT 31 July, (d) 08: 00 BT 1 August 2023 in the Beijing-Tianjin-Hebei Region

2.3 降水時長及雨強

本次過程兩個強降水區域的降水時長普遍超過40 h(圖4a),相比而言河北中部地區的降水持續時間更長。其中保定中部、北京南部、承德西南部超過了60 h,保定易縣富崗站最長達84 h,遠超過了“16·7”過程的48 h(符嬌蘭等,2017)。從降水強度來看,各地最大小時降水量普遍在20～50 mm(圖4b),北京南部、河北中部和西南部的部分站點超過50 mm。日常業務中將小時降水量≥20 mm定義為短時強降水,本次過程短時強降水時長超過5 h的站點仍主要位于河北中部和西南部兩個區域(圖4a中等值線),其中邢臺梁家莊站最長達24 h。兩個區域對比來看,河北西南部總降水時間比河北中部短,小時雨強也不極端,雨勢整體較為平穩,其出現單站極值的主要原因是短時強降水維持時間長。河北中部保定附近的最大小時雨強較河北西南部強,且降水持續時間普遍超過了河北西南部,持續性特征明顯,因此河北中部大量站點的累計降水量超過了400 mm。

注:圖a、圖b中黑色粗實線為200 m地形等高線;圖c中坐標軸下方綠線代表倒槽西北側的陣性降水階段,紅線代表臺風倒槽降水階段,藍線代表倒槽減弱后的對流性降水階段。圖4 2023年(a,b)7月29日08時至8月2日08時(a)降水持續時間(彩色圓點)和短時強降水時長(黑色等值線,單位:h),(b)最大小時雨強(填色)和(c)7月29日09時至8月2日09時京津冀地區最大小時雨強、≥20 mm·h-1和≥50 mm·h-1的站數的時間演變Fig.4 (a) Duration of rainfall (colored dot), duration of short-time intense rainfall (black contour, unit: h) and (b) maximum hourly rainfall intensity (colored) from 08:00 BT 29 July to 08:00 BT 2 August, (c) temporal evolution of maximum hourly rainfall intensity, the numbers of stations with precipitation over 20 mm·h-1 and over 50 mm·h-1 in the Beijing-Tianjin-Hebei Region from 09:00 BT 29 July to 09:00 BT 2 August 2023

2.4 降水的階段性特征

此次特大暴雨過程持續時間長,表現出明顯的階段性特征。圖4c為京津冀地區最大小時雨強、小時降水量超過20 mm和50 mm站數的時間演變圖,圖中可以反映出降水不同階段的強度和范圍特征。7月29日23時之前京津冀地區最大小時雨強不超過60 mm·h-1,超過20 mm·h-1的站數較少,超過50 mm·h-1的只有1個。天氣系統分析發現,29日臺風倒槽主要位于河南和山東境內,此時為倒槽西北側陣性降水;30—31日臺風倒槽直接影響河北,降水的強度和范圍明顯擴大,30日凌晨最大小時雨強開始加大到60 mm·h-1以上, 超過20 mm·h-1的站數大部分時間超過100個,30日18時最多達到了239個,19時有14個超過50 mm·h-1,此時短時強降水范圍最廣。31日凌晨后,超過20 mm·h-1的站數下降到100個以下,但31日03時、11時、17時和18時最大小時雨強分別達到了110.9、114.2、102.9、107.0 mm·h-1,分別為邢臺內丘獐么站、北京門頭溝定都閣站、北京大興榆垡站和北京大興馬家屯站,超過50 mm·h-1的站數在31日09時和18時分別出現峰值,短時強降水范圍雖然有所減小,但雨強更極端。31日夜間到8月1日臺風倒槽減弱,西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)逐漸加強控制京津冀地區,超過20 mm· h-1的站數大部分時間在50個以下,最大小時雨強波動較大,最大超過80 mm·h-1,此階段為倒槽減弱后的對流性降水。

綜上,本次特大暴雨河北平均降水量和單站極值均超過“96·8”“16·7”“12·7”極端暴雨過程,僅次于“63·8”。400 mm以上的降水區覆蓋了河北中部和西南部兩個區域,降水中心集中在太行山前。強降水自南向北發展,兩個區域的降水時長普遍超過40 h,河北中部的降水維持時間和最大小時雨強均強于河北西南部,但河北西南部太行山山前短時強降水的時長超過了河北中部。強降水具有明顯的階段性特征:7月29日為臺風倒槽西北側的陣性降水,具有間歇性、雨強不大的特點;30—31日為臺風倒槽直接影響產生的持續性強降水,雨勢加大,持續時間較長,其中30日短時強降水范圍最廣,31日單站雨強最極端;31日夜間到8月1日為倒槽減弱后的對流性降水,持續時間短、局地性強、雨強變化大。降水特點不同,成因亦不同,以下對三個階段的降水成因進行詳細分析。

3 臺風倒槽西北側的陣性降水

7月29日14時500 hPa天氣圖上(圖5a),歐亞中高緯冷空氣活動較弱,副高呈塊狀且位置偏北偏西,西側脊線北跳至36°N以北,588 dagpm線西伸至120°E以西。臺風杜蘇芮28日在福建沿海登陸后沿副高西側偏南氣流一路北上(圖5a),其減弱的低渦環流經江西、安徽進入河南,低渦與東側副高之間的氣壓梯度加大,在850 hPa形成一支風速超過20 m·s-1的天氣尺度低空急流,將暖濕空氣不斷向北方輸送,低空急流左側在河南東部到山東西北部一帶形成倒槽切變,低層存在風向和風速的水平輻合。對應較強的低空急流,925 hPa水汽通量中心值達36 g·cm-1·hPa-1·s-1,前沿存在多條水汽通量散度的輻合中心(圖5d),呈東北—西南向帶狀分布。對應雷達拼圖上有東北—西南向的螺旋雨帶回波(圖略),螺旋雨帶上的中尺度對流系統在水汽通量散度輻合中心附近生成后,不斷發展并向西北方向頻散,之后進入河北。降水回波為層積混合云,層狀云中鑲嵌尺度較小的對流單體,最強可達50 dBz以上,多條帶狀回波自東南向西北依次掃過河北南部地區,地面降水呈現間歇性、不連續的特征,雨強普遍在50 mm·h-1以下。分析河北南部邢臺的探空曲線發現(圖6a),29日08時地面到200 hPa為深厚的飽和層,抬升凝結高度(LCL)和自由對流高度(LFC)貼近地面,對流有效位能(CAPE,190 J·kg-1)和0～6 km垂直風切變(9.7 m·s-1)均較弱?？梢?此階段的環境大氣處于近乎濕絕熱狀態,有弱的不穩定能量、深厚的濕層、低的LCL和LFC,均有利于降水出現。

注:圖a中彩色線條為臺風杜蘇芮移動路徑。圖5 2023年7月29—31日(a～c)500 hPa位勢高度(等值線,單位:dagpm)、850 hPa水平風(風向桿)和低空急流(填色),(d～f)925 hPa水汽通量(等值線和箭矢,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(填色,單位: 10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)(a,d)29日14時,(b,e)30日08時,(c,f)31日08時Fig.5 (a-c) 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm), 850 hPa horizontal wind (barb) and low-level jet (colored), (d-f) 925 hPa water vapor flux (contour and vector, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (colored, unit: 10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)at (a, d) 14:00 BT 29, (b, e) 08:00 BT 30, and (c, f) 08:00 BT 31 July 2023

圖6 2023年7月(a)29日08時邢臺、(b)30日02時邢臺、(c)30日20時北京、(d)31日14時邢臺的探空曲線,(e)28日20時至30日00時邯鄲成安、(f)30日08時至31日14時北京風廓線雷達的水平風(風向桿)和風速(填色)分布Fig.6 The sounding curves of (a, b, d) Xingtai at (a) 08:00 BT 29, (b) 02:00 BT 30, (d) 14:00 BT 31 July and (c) Beijing at 20:00 BT 30 July 2023; (e, f) the horizontal wind (barb) and wind speed (colored) of wind profile radar products at (e) Cheng’an of Handan from 20:00 BT 28 to 00:00 BT 30 July and (f) Beijing from 08:00 BT 30 to 14:00 BT 31 July 2023

綜上,層積混合云降水回波在925 hPa水汽通量散度的輻合中心和850 hPa切變線附近形成后,沿著500 hPa東南氣流向河北中南部平流和傳播,由于整體處于倒槽西北側的東北風中,加之0～6 km 垂直風切變較弱,回波的組織性較差,地面雨強普遍不強,因此該階段的降水主要表現為階段性、間歇性的陣性降水。

4 臺風倒槽產生的降水

位于河北東南部的邯鄲成安風廓線雷達顯示(圖6e,位置見圖1),29日14時后2 km以下的風速逐漸加大,20時前后500～1500 m風速最大達18 m·s-1,22時風向由東北風轉為東到東南風,說明臺風減弱后的低渦北側的倒槽切變開始進入河北。30日08時(圖5b),500 hPa副高與河套東移的大陸高壓脊相連,在河北北部形成準東西向的高壓壩,臺風殘渦中心位于河南,850 hPa倒槽切變位于河北中南部,切變線東側風速超過16 m·s-1的東南風低空急流維持。河北中南部位于925 hPa水汽通量大值區前沿,超過32 g·cm-1·hPa-1·s-1的中心位于河北中部。河北中部和西南部太行山山前是水汽通量大值區的前沿、水汽通量散度的強輻合區(圖5e)。31日08時(圖5c),華北北部高壓壩發展強盛,臺風殘渦受其阻擋移動緩慢,環流中心進入河套以西,850 hPa倒槽減弱,在北京附近形成東西向的暖式切變線,切變線北側東南風低空急流位于北京北部,水平尺度減小。925 hPa超過32 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心移至北京附近,其大值區前沿位于北京西部到河北中部的太行山山前一帶,同時為強的水汽通量散度輻合中心(圖5f)。30日02—20時被臺風倒槽東側的東南氣流控制之后,河北大部分地區的環境條件變化不大,邢臺和北京探空曲線上(圖6b,6c),環境大氣維持深厚的濕層、低的LCL和LFC、弱的0～6 km垂直風切變(10.6 m·s-1、9.1 m·s-1)和弱CAPE(350 J·kg-1、19 J·kg-1),仍然接近濕絕熱狀態。

4.1 河北西南部特大暴雨對流系統的演變

河北西南部降水29日夜間開始加強,31日凌晨趨于結束。利用京津冀雷達反射率因子拼圖、地面自動站、ERA5資料,對造成特大暴雨的對流系統結構、發展演變特征進行分析。29日20時(圖7b),隨著850 hPa東南風與東北風的切變線移入,河北東南部開始出現大片分布均勻且密實的層積混合云回波,強度在30～50 dBz,地面開始出現成片的短時強降水。23時降水回波伴隨著切變線移至河北西南部(圖7c),之后1 h的短時強降水強度和范圍均達到最大,最強超過50 mm·h-1,主要位于河北西南部山前200 m地形線以西。30日01—08時(圖7d,7e),850 hPa切變線在河北南部的太行山附近穩定少動,其東側東南風急流中不斷有層狀云回波生成并西移至太行山前,短時強降水主要出現在河北西南部,中心位置南北略有擺動。09時之后,大范圍降水回波北上至河北中部,河北西南部山前的層狀云降水回波維持,地面仍出現短時強降水,但范圍和強度減小,河北東南部降水出現短暫間歇。14時(圖7f),由于850 hPa切變線仍位于河北西南部,太行山附近降水仍然維持,同時河北東南部的東南風急流脈動中有分散的β中尺度對流單體新生,中心強度超過50 dBz,逐漸發展成多個東西向的中尺度對流系統(MCS),地面最大雨強超過50 mm·h-1。18時分散的MCS逐漸合并成兩條準東西向的線狀MCS并向北移動(圖7g),22時逐漸與河北中部的降水回波合并(圖7h),給河北中部帶來超過70 mm·h-1的強降水。分析850 hPa風場發現,18時河北西南部切變線已開始減弱,東南風風速亦減小,雖然地面仍出現短時強降水,但回波的組織性變差。22時850 hPa切變線移出(圖7h),但河北西南部沿山的降水回波再次組織發展,地面形成超過60 mm·h-1的南北向強降水帶,31日02時850 hPa由東南風轉為偏南風(圖7i),回波北上給邯鄲西北部、邢臺西部、石家莊西部帶來強降水,之后此區域的降水逐漸結束。

注:黑色實線為200 m地形等高線,棕色線為850 hPa切變線。圖7 2023年7月29日(a)14時、(b)20時、(c)23時,30日(d)05時、(e)08時、(f)14時、(g)18時、(h)22時和(i)31日02時河北南部雷達反射率因子拼圖(填色),850 hPa水平風場(風向桿)與之后1 h的短時強降水(彩色圓點) Fig.7 Radar reflectivity (colored), 850 hPa horizontal wind (barb) and 1 h short-time severe precipitation thereafter (colored dot) in southern Hebei at (a) 14:00 BT 29, (b) 20:00 BT 29, (c) 23:00 BT 29 July, (d) 05:00 BT 30, (e) 08:00 BT 30, (f) 14:00 BT 30, (g) 18:00 BT 30, (h) 22:00 BT 30 and (i) 02:00 BT 31 July 2023

4.2 河北西南部對流系統演變的原因

受倒槽西北側的回波影響,河北西南部到山西高原降水開始較早,29日14時河北西南部太行山以西已形成大范圍20～22℃的冷池(圖8a),而東側平原地區2 m氣溫在27～30℃,在太行山東側形成南北向的水平溫度梯度帶。29日夜間隨著降水區自東向西發展(圖8b～8e),河北南部平原地面2 m氣溫下降到25℃左右,山區維持在22℃上下,水平溫度梯度減小,但始終存在3℃左右的溫差。分析地面風場發現,30日08時之前,河北南部為一致的東北風,太行山前冷池附近的輻合并不明顯。30日14時(圖8f),由于河北東南部降水出現間歇,平原地區2 m氣溫迅速回升至29～30℃,與河北西南部山前降水區的水平溫度梯度加大,同時河北東南部地面露點溫度也升至27～28℃,環境大氣處于高溫高濕狀態,為對流發展加強提供了有利條件。隨著強降水區移動到河北中部,保定附近形成大范圍冷池,地面風場也發生了明顯變化,風向轉為北風,而東部滄州、衡水等地維持一致的偏東風,在保定東南部到石家莊東部形成地面輻合線(圖8f),河北東南部新生的對流單體北上遇地面輻合線發展加強,形成東西帶狀的MCS。18時上述地面輻合線維持,同時河北南部平原的風向由偏東風逐漸轉為東南風(圖8g),與西側太行山冷池出流造成的偏北風形成輻合線并穩定少動。對比分析發現22時河北西南部CAPE維持在400 J·kg-1上下(詳見4.4節),地面輻合線觸發不穩定能量釋放,使原本減弱的降水回波再次組織加強形成南北向強降水帶(圖7h)。31日02時(圖8i),河北南部平原維持東到東南風,與西側冷池之間的地面輻合線維持,仍有分散對流生成,08時隨著850 hPa到地面東南風逐漸轉為偏南風,河北西南部太行山前強降水趨于結束。

注:黑色粗實線為200 m地形等高線,棕色線為地面輻合線。圖8 2023年7月29日(a)14時、(b)20時、(c)23時,30日(d)05時、(e)08時、(f)14時、(g)18時、(h)22時和(i)31日02時地面自動站2 m氣溫(彩色圓點)和10 m風場(風向桿)Fig.8 The 2 m temperature (colored dot) and 10 m wind (barb) from ground automatic stations at (a) 14:00 BT 29, (b) 20:00 BT 29, (c) 23:00 BT 29, (d) 05:00 BT 30, (e) 08:00 BT 30, (f) 14:00 BT 30, (g) 18:00 BT 30, (h) 22:00 BT 30 and (i) 02:00 BT 31 July 2023

可見,河北西南部降水前期地面為一致的偏北風。30日14時河北中部強降水區冷池出流的偏北風與東側偏東風形成地面輻合線,河北東南部高溫高濕環境中觸發的對流在地面輻合線附近發展加強。隨著30日18時河北南部平原地面轉為東南風,其與西側太行山冷池出流的偏北風形成地面輻合線,觸發不穩定能量釋放,是30日夜間850 hPa切變線移出、東南風急流減弱后河北南部降水再次加強的原因。

4.3 河北中部特大暴雨對流系統的演變

河北中部降水于30日凌晨開始加強。30日08時(圖9a),密實的層積混合云回波開始進入河北中部,850 hPa東南風與東北風形成的切變線位于保定中部到石家莊中部一帶,其東側在滄州到保定北部有超過20 m·s-1的東南風低空急流,急流附近最大雷達反射率因子超過50 dBz,地面形成一條短時強降水帶。11時降水回波呈東北—西南走向(圖9b),強回波位于850 hPa東南風急流前沿的切變線附近,地面最大雨強超過50 mm·h-1。14時850 hPa切變線移動緩慢(圖9c),超過20 m·s-1的東南風急流進入北京南部,最強回波位于偏東風與東南風切變處,保定東部地面雨強超過70 mm·h-1。17時切變線附近強降水回波穩定少動(圖9d),其東南方滄州、衡水附近的帶狀MCS開始移入,逐漸與切變線附近回波相連,地面超過70 mm· h-1的強降水主要由準東西向MCS造成。20時,保定南部到衡水一線的MCS發展達最強,回波超過50 dBz(圖9e),從垂直剖面可見(圖9i),多個強對流單體排列緊湊,為典型的低質心結構,強回波集中出現在6 km附近、0℃層以下,以暖云降水為主,地面最大小時雨強達70～80 mm·h-1,且回波長軸方向與移動方向一致,在保定南部平原附近形成明顯的“列車效應”。入夜后切變線在保定西部太行山前維持(圖9f),東南風急流強度略有減弱,MCS強度減弱,地面降水的強度和范圍減小,主要位于保定西部山區。31日07時隨著河北南部850 hPa東南風轉為西南偏南風(圖9g),保定至天津附近形成東西向暖式切變線,其北側東南風急流中的回波在廊坊附近突然發展加強,地面降水迅速加大,31日08時后移入北京(圖9h),給北京西南部帶來強降水,11時最大雨強達到114.2 mm·h-1。

注:黑色實線為200 m地形等高線,棕色線為850 hPa切變線。圖9 2023年7月30日(a)08時、(b)11時、(c)14時、(d)17時、(e)20時,31日(f)02時、(g)07時和(h)10時雷達反射率因子拼圖(填色),850 hPa水平風場(風向桿)與之后1 h的短時強降水(彩色圓點),(i)石家莊雷達反射率因子沿圖9e中黑線的剖面Fig.9 Radar reflectivity (colored), 850 hPa horizontal wind (barb) and 1 h short-time severe precipitation thereafter (colored dot) at (a) 08:00 BT 30, (b) 11:00 BT 30, (c) 14:00 BT 30, (d) 17:00 BT 30, (e) 20:00 BT 30 and (f) 02:00 BT 31, (g) 07:00 BT 31, (h) 10:00 BT 31 July 2023, (i) the cross-section of radar reflectivity along the black solid line in Fig.9e at Shijiazhuang

4.4 河北中部對流系統演變的原因

30日08—11時,河北中部地面為一致的東北風(圖略),風向與西部太行山走向基本一致。14時,河北中部冷池出流產生的偏北風與其東側的偏東風形成地面輻合線,輻合線以東由于午后氣溫和露點溫度升高,積累了充足的不穩定能量,CAPE值在滄州附近出現接近2000 J·kg-1的中心(圖10a),在850 hPa東南急流脈動作用下不斷有對流單體觸發、發展形成MCS(圖9c)。20時 CAPE大值區向西擴展至河北中部(圖10b),800 J·kg-1的中心位于保定西南部,地面仍以東北偏東風為主,保定至衡水有弱的風場輻合線,MCS在高能區、輻合線附近合并發展加強,后向傳播形成“列車效應”(圖9e)。22時(圖10c),河北東南部CAPE值減小,MCS強度開始減弱。31日02時(圖10d),北京南部、保定北部、廊坊附近存在400 J·kg-1的CAPE,地面仍為東北風,而保定以南的風向開始轉為東南偏東風,此時降水區還主要位于河北中部太行山前。31日07時(圖10e),超過400 J·kg-1的CAPE僅在北京、廊坊附近存在,廊坊以南地面為一致的東南風,與北側的東北風形成輻合線,降水回波在地面輻合線附近發展加強。從風廓線資料可見(圖6f),北京上空分別在30日15—22時和31日08—10時出現風速超過20 m·s-1的低空急流,前者為臺風倒槽向北發展過程中伴隨的低空急流,高度在2 km以下,急流核以偏東風為主。與30日不同,31日08時前后加強的低空急流發展得很高,接近4 km高度,超過20 m·s-1的急流核從0.5 km向上伸展到4 km 附近,風向為東南風。對比天氣形勢,此時臺風殘渦減弱,副高開始西伸,588 dagpm線剛好位于北京附近上空,850 hPa上北京以南的東南風已轉為西南偏南風。

注:黑色粗實線為200 m地形等高線,棕色線為地面輻合線。圖10 2023年7月30日(a)14時、(b)20時、(c)22時,31日(d)02時、(e)07時地面自動站10 m風場(風向桿)和CAPE(填色),(f)30日08時至31日14時北京附近上空假相當位溫(填色和黑色等值線)、ξMPV1(紅色等值線,單位:PVU)的演變Fig.10 The 10 m wind (barb) from ground automatic station, CAPE (colored) at (a) 14:00 BT 30, (b) 20:00 BT 30, (c) 22:00 BT 30 July and (d) 02:00 BT 31, (e) 07:00 BT 31 July 2023, (f) the time-altitude evolution of θse (colored and black contour) and ξMPV1 (red contour, unit: PVU) from 08:00 BT 30 to 14:00 BT 31 July 2023

為考察天氣形勢變化帶來的氣團及層結穩定度的演變,計算了北京附近上空假相當位溫以及濕位渦的濕正壓項:

式中:ξMPV1表示慣性穩定度和對流穩定度,北半球大氣一般是慣性穩定的即(ζp+f)>0,ξMPV1<0[(?θe/?p)>0]時為對流性不穩定,因此ξMPV1可以反映對流穩定度的變化。

從假相當位溫的時間演變來看(圖10f),30日20時之前,北京附近上空900～500 hPa假相當位溫等值線接近垂直,即垂直梯度很小,大氣處于近中性狀態,只是在900 hPa以下存在假相當位溫的垂直梯度,對應ξMPV1<0,說明近地面存在對流不穩定。31日02時,隨著低空偏南風向北推進,850 hPa假相當位溫增大到356 K,氣團更加暖濕,假相當位溫等值線以水平分布為主,垂直方向梯度增大,從900～600 hPa都出現了ξMPV1<0區域,說明對流不穩定層在抬高增厚。可見,隨著副高西伸,低層東南風轉為偏南氣流,北京附近氣團相比于臺風倒槽影響時更加高濕高能,大氣對流不穩定層次增加,4 km以下東南風急流加大,地面形成東北風與東南風的輻合線,使得07時后廊坊附近降水回波發展加強,之后向西北方向發展,給北京西南部帶來極端強降水。

可見,850 hPa切變線在河北中部山前穩定少動帶來持續性降水。河北東南部能量高值區中生成的對流單體在地面輻合線附近發展加強,移入保定平原地區后形成“列車效應”,因此河北中部400 mm以上的強降水并不全出現在山區。31日早晨副高588 dagpm線西伸至北京附近上空,850 hPa轉為西南偏南風,氣團變得更加高濕高能,對流不穩定層增厚,20 m·s-1的東南風急流再次建立,發展到4 km高度,使得降水回波在廊坊附近發展加強,31日白天造成北京西南部的極端強降水。

30—31日特大暴雨的概念圖見圖11。

注:LLJ及填色區為低空急流,紅色、黑色風向桿分別為850 hPa、地面10 m風,黑色點斷線為地面輻合線,彩色為雷達回波。圖11 “23·7”臺風倒槽階段河北特大暴雨的概念模型(a)30日,(b)31日Fig.11 The conceptual model of the July 2023 severe torrential rain during the stage of typhoon trough in Hebei Province for the precipitation on (a) 30 and (b) 31 July 2023

4.5 地形在強降水中的作用

太行山平均海拔為1000～1500 m,在河北中部呈東北—西南走向(圖12a),在河北南部呈南北走向。地形對華北暴雨的增幅作用已有不少研究(孫建華等,2006;符嬌蘭等,2017;栗晗等,2018;Xia and Zhang,2019;蘇愛芳等,2022)。從本次過程累計降水量超過400 mm的站點分布來看(圖12a),除了保定中部部分站點出現在平原地區外,大部分站點分布在太行山東麓附近地區。尤其是河北西南部強降水站點與地形等高線高度吻合,累計降水量在400 mm 以上站點的海拔高度中位數接近500 m(圖12b),而河北中部站點的海拔高度離散度較大,說明此處超過400 mm的站點分布既有平原,又有海拔較高的山區。以下重點對河北西南部降水極值中心附近地形作用進行分析。

圖12 (a,b)“23·7”過程累計降水量在400 mm以上的站點(a)分布(彩色圓點)和地形(填色)、(b)海拔高度箱線圖,(c)邢臺梁家莊站所在緯度過程累計降水量(紅線)與海拔高度(陰影)的緯向變化,(d)圖12a中方框放大后的精細化地形(填色)Fig.12 (a) Distribution of the stations with accumulated rainfall over 400 mm (dot) and topography (colored),(b) box plot of elevation for stations with accumulated rainfall over 400 mm, (c) zonal variation of accumulated rainfall (red line) and terrain height (shaded) at the latitude of Liangjiazhuang Station in Xingtai, (d) enlarged refined terrain (colored) in the box of Fig.12a from 29 July to 1 August 2023

對比梁家莊站所在緯度的過程累計降水量和地形的緯向分布(圖12c)可見,太行山東麓的累計降水量明顯高于東部平原地區,降水量超過400 mm的區域主要位于海拔600 m以上的山區。降水過程極值中心附近的精細地形分析發現(圖12d),邢臺梁家莊站位于向東北開口的山谷內,海拔高度自東北向西南升高。29—30日地面為持續的東北風,氣流在狹長的山谷內被輻合抬升,對比周邊3 km范圍內鄰近自動站逐小時降水(圖略),梁家莊站各時次的降水量都要高于周邊站,地形效應明顯。邢臺獐么站東西兩側也為海拔900 m左右的山脈,北側海拔相對較低,東北風容易被山谷兩側山脈強迫輻合,地面累計降水量也達到了843.8 mm。可見,河北南部太行山山脈有許多向東、向北開口的喇叭口微尺度地形,本次過程在持續的偏東和東北風氣流影響下,地形對降水的增幅作用明顯。

5 倒槽減弱后的對流性降水

31日20時,華北地區500 hPa受588 dagpm線控制(圖略),河北南部850 hPa已經轉為偏南風,北京到河北西北部仍維持東南風。925 hPa東南風遠距離將臺風卡努外圍的水汽源源不斷地輸送到華北平原,河北大部地面露點溫度仍然維持在26℃以上。隨著31日午后河北中南部云量減少,環境條件發生了明顯變化,地面2 m氣溫快速升至30℃以上,地面處于高溫高濕狀態;14時邢臺探空曲線上(圖6d),整層相對濕度下降、環境溫度直減率加大,不穩定能量迅速增加,CAPE達3300 J·kg-1,同時LCL和LFC仍然很低,地面附近的弱輻合抬升即可觸發不穩定能量釋放促使對流強烈發展。雷達拼圖顯示31日夜間和8月1日中午(圖13a,13b),在河北中南部地面輻合線附近分別有近乎南北向的線狀強對流回波形成,回波強度超過50 dBz,垂直剖面圖可以看出為典型的多單體風暴(圖13c,13d),單體發展高度普遍達12 km以上,45 dBz以上的強回波主要位于0℃層附近及以下,以暖云降水為主,環境濕度大有利于提高降水效率,回波生成后沿著偏南氣流北上繼續給河北中部山前及平原帶來對流性降水。

圖13 2023年(a)7月31日22時和(b)8月1日14時京津冀地區雷達反射率因子拼圖(填色)及地面10 m風場(風向桿),石家莊站雷達反射率因子(c)沿圖13a和(d)沿圖13b中黑色實線的剖面Fig.13 (a, b) Radar reflectivity (colored) and 10 m wind field (barb) in the Beijing-Tianjin-Hebei Region at (a) 22: 00 BT 31 July and (b) 14: 00 BT 1 August 2023, (c, d) vertical cross-sections of radar reflectivity along the black line in (c) Fig.13a and (d) Fig.13b at Shijiazhuang

可見,倒槽減弱后河北500 hPa上空逐漸轉為副高588 dagpm線控制,環境大氣調整為高溫、高濕、高能狀態,地面輻合線觸發帶狀對流強烈發展,回波沿偏南氣流北上,地面雨帶雖窄,但與臺風倒槽影響階段河北中部的雨區基本重疊,進一步加大了累計降水量。

6 結論與討論

利用探空、地面自動站、S波段多普勒天氣雷達、風廓線雷達等觀測和ERA5再分析資料,對“23.7”河北太行山東麓特大暴雨的降水特征、三個階段的降水成因進行了初步分析,得到以下結論。

(1)本次過程具有累計降水量大、覆蓋范圍廣、持續時間長、與地形關系密切等特征。過程平均和單站極值降水量僅次于“63·8”,極端性特征明顯。累計降水量超過400 mm的站點集中出現在河北中部、河北西南部山前兩個區域,降水時間超過40 h,河北中部的降水時長和最大小時雨強均高于河北西南部。河北西南部雨勢相對平穩,但短時強降水時長超過河北中部。降水還表現出階段性特征,30日短時強降水范圍最廣,31日單站雨強最極端。

(2)罕見特大暴雨過程發生在相對穩定的大尺度經向環流背景下,塊狀副高位置偏北偏西,有利于臺風杜蘇芮減弱低壓一路北上,副高外圍加強的東南風低空急流為大暴雨發生提供了充足的水汽,850 hPa倒槽切變在太行山前穩定少動提供了持久的輻合抬升條件。31日之前降水區的環境特征是深厚的濕層、低的LCL和LFC、弱的0～6 km垂直風切變,對流發展的不穩定能量條件相對較弱,只是30日下午在河北東南部CAPE得到了增長;31日副高逐漸控制華北地區后,環境溫度直減率加大,大氣不穩定能量迅速增加。

(3)強降水分為倒槽西北側的陣性降水、臺風倒槽降水和倒槽減弱后的對流性降水三個階段。倒槽西北側的陣性降水在925 hPa水汽通量大值區前沿輻合區生成,表現為一條條螺旋帶狀回波向河北傳播,降水間歇性波動特征明顯。臺風倒槽降水階段(概念圖見圖11),強的東南風低空急流和水汽通量大值區進入河北,雨強明顯加大。850 hPa切變線在太行山前穩定少動,30日14時河北中部強降水區冷池出流的偏北風與東側偏東風形成地面輻合線,有利于河北東南部高能區觸發的對流系統發展加強為MCS,MCS移入保定平原地區后形成“列車效應”,增大了河北中部平原的降水量。地面東南風與太行山冷池出流的偏北風構成的地面輻合線觸發不穩定能量釋放,是30日夜間河北西南部降水加強的原因。31日早晨副高西伸,850 hPa轉為西南偏南風,對流不穩定層增厚,20 m·s-1的東南風急流再次建立,造成北京西南部的極端強降水。倒槽減弱后河北主要受副高588 dagpm線控制, 臺風卡努遠距離輸送水汽使河北中南部處于高溫、高濕、高能狀態,31日夜間和8月1日白天先后在河北中南部地面輻合線附近觸發兩條對流回波并北上,雨區重疊效應,進一步加大了累計降水量。

(4)臺風倒槽直接影響階段850 hPa切變線受太行山地形阻擋移動緩慢,使得太行山山前長時間維持偏東風,降水回波穩定少動是太行山山前累計降水量大的重要原因。河北西南部強降水主要發生在平均海拔600 m左右的山區,過程極值梁家莊站位于向東北開口的狹長山谷內,地面東北風的長時間維持加強了水汽在山脈間的強迫輻合,其各小時降水量均高于周邊站點。

本文基于基本觀測事實,從天氣學的角度對本次罕見特大暴雨過程的成因進行了初步分析,有更多問題需要深入開展研究,如:太行山地形在回波組織、維持及降水增幅等方面的作用有多大?31日上午副高西伸加強后,北京低空急流再次加強是否與降水潛熱反饋有關?還需要采用數值模擬、敏感性試驗等手段進一步給出定量的研究結果。