豫北一次夏季雷雨大風(fēng)過程分析

段中夏

（新鄉(xiāng)市氣象局，新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

強對流天氣具有較小的時空尺度與劇烈的垂直運動，是目前天氣預(yù)報、預(yù)警的重大難題。雷暴、大風(fēng)、短時強降水等強對流天氣是河南省夏季常見的災(zāi)害性天氣。

短時強降水是指1 h降水量超過20 mm或者3 h降水量超過50 mm的降水，因降水強度大、降水時間短，往往會引發(fā)山洪、地質(zhì)災(zāi)害、城市內(nèi)澇等，造成重大經(jīng)濟損失。俞小鼎[1]認為短時強降水主要由雨強和降水持續(xù)時間確定。張靈等[2]、孫繼松等[3]、孫軍等[4]提出強降水與大尺度環(huán)流下的水汽輸送關(guān)系密切，較高的環(huán)境相對濕度、深厚的濕層、較低的抬升凝結(jié)高度和自由對流高度有利于提高降水效率。隨著探測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的非常規(guī)資料被應(yīng)用于研究。牛淑貞等[5]、漆梁波等[6]、胡文東等[7]、李國翠等[8]利用多普勒雷達產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)弱窄帶回波、輻合線相交可激發(fā)對流迅速發(fā)展，新對流易沿輻合線移動造成“列車效應(yīng)”；陣風(fēng)鋒可觸發(fā)強對流并引起其逆向傳播，其移向和移速暗示了主體回波的傳播和強弱。徐桂榮等[9]、趙玲等[10]、趙柏林等[11]、劉紅燕等[12]研究指出，微波輻射計可作為大氣水汽特性分析的有效工具。敖雪等[13]、汪小康等[14]發(fā)現(xiàn)了微波輻射計資料可作為降水臨近預(yù)報的參考指標。

豫北是強對流天氣的高發(fā)區(qū)，在較有利的大尺度環(huán)境條件下，容易產(chǎn)生突發(fā)性強、局地性強的強對流天氣并造成較大的經(jīng)濟損失[15-20]。2017年6月12日，河南省北部地區(qū)出現(xiàn)了一次雷雨大風(fēng)天氣，局地性強，強度較大，影響時段集中。由于前期客觀及主觀預(yù)報均對此過程的水汽條件和底層輻合條件預(yù)報不足，導(dǎo)致對短時強降水出現(xiàn)的漏報。為了揭示可能導(dǎo)致此次強對流天氣類別誤判的主要原因，本文對此次強對流天氣發(fā)生發(fā)展的特征加以分析，著重分析了回波維持時間和水汽條件的演變，為今后開展此類強對流天氣的預(yù)報預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 天氣實況

2017年6月12 日夜間，豫北地區(qū)自北向南出現(xiàn)了一次雷雨大風(fēng)天氣，降水時段集中，降水強度大（圖1）。鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站（表1）中，過程雨量超過50 mm的有34站/次，超過70 mm的有6個，最大出現(xiàn)在鶴壁?？h的郝村（79.5 mm）。有119個站次在12日20時—13日01時出現(xiàn)短時強降水（小時雨量≥20 mm），其中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)站小時雨量超過40 mm的有14個，超過50 mm的有2個，最大為安陽內(nèi)黃的田氏（56.5 mm）；國家自動站中，有7 h雨量達到短時強降水標準，其中湯陰小時雨量達44.2 mm。同時，共有13個國家自動站出現(xiàn)了8級以上大風(fēng)，最大出現(xiàn)在安陽達21.4 m/s。

表1 自動雨量站小時雨強在降水區(qū)間的站次Table 1 Number of rainfall events for various hourly rainfall intensity

2 環(huán)流背景

前期，500 hPa橫槽穩(wěn)定于東北到內(nèi)蒙古一帶，12日08時，500和700 hPa高緯均存在東西向橫槽，豫北處于橫槽南側(cè)，受高空西北氣流影響，晴朗少云，底層白天輻射增溫明顯。豫東北500 hPa 24 h降溫≥3℃，850 hPa河套南側(cè)暖脊東伸到豫北中部地區(qū)，925 hPa豫北出現(xiàn)22℃暖中心，層結(jié)具有較強的熱力不穩(wěn)定（圖2a）。此時，溫度槽已超前高度槽南下，有利于橫槽進一步旋轉(zhuǎn)南下，到20時，高空橫槽旋轉(zhuǎn)南壓，700 hPa東西向冷槽南壓到河北南部，500 hPa冷槽斷裂，西段移進山西（圖2b），未來高層冷槽繼續(xù)東移南下，影響整個豫北地區(qū)。高層冷空氣加強，疊加于低層暖脊及暖中心上，增強了層結(jié)不穩(wěn)定，為對流產(chǎn)生提供了較好的熱力條件。

圖2 高低空綜合分析圖Fig. 2 The upper- and low-level comprehensive analysis diagram

08時，850和925 hPa切變線及200 hPa急流軸均處于河北南部，豫北位于高空急流入口區(qū)的右側(cè)，未來隨切變線及急流的南壓，到20時豫北北側(cè)恰好位于低空切變線南側(cè)，高空急流軸入口區(qū)南側(cè)，低層輻合及高層輻散作用大大增強，有利于產(chǎn)生較大的上升運動，且較大的垂直風(fēng)切變有利于風(fēng)暴的維持和發(fā)展，低空切變和高空急流為強對流發(fā)生發(fā)展提供了較好的動力條件。雖然高層干區(qū)明顯且隨系統(tǒng)南壓發(fā)展到整個豫北上空，但是低層無濕區(qū)配合，低層切變輻合系統(tǒng)稍偏北，是否南下及南下影響落區(qū)也較難把握。

從14時鄭州站加密探空的垂直位溫分布圖（圖3a）也可發(fā)現(xiàn)，中低層條件熱力不穩(wěn)定特征明顯。14時加密探空可看出，此時CAPE值較大（1309 J/kg），自由對流高度（LFC）較低，風(fēng)切變也較大，低層層結(jié)溫度垂直遞減率接近干絕熱遞減率（圖3b），容易因擾動形成熱對流。但整層濕度條件不好，抬升凝結(jié)高度（LCL）及對流凝結(jié)高度（CCL）都較高，因此導(dǎo)致前期分析中對此次過程中的短時強降水估計不足。

圖3 鄭州站上空層結(jié)狀況Fig. 3 Sounding chart from the Zhengzhou station

3 底層觸發(fā)條件

08時全省出現(xiàn)輕霧，底層層結(jié)和濕度條件較好。白天輻射增溫明顯，豫北大部分地區(qū)最高溫度均超過34℃，熱力條件較好。14時，河北西側(cè)弱冷空氣南下，在豫北安陽附近形成東北—西南向輻合線，豫北東部近地面露點溫度超過20℃（圖略），雖然相對濕度條件較差，但絕對濕度條件較好。局地加熱作用和較低的LFC導(dǎo)致午后河北南部和豫北開始產(chǎn)生零散的局地對流，尤其是河北南部的地面輻合線附近，由于暖濕條件和輻合抬升條件相對較好，出現(xiàn)了較強局地性回波。

17時24分，位于聊城的對流A單體東南側(cè)出現(xiàn)弱的出流邊界，其西北部暖濕條件較好且在輻合線附近，后側(cè)出流產(chǎn)生了新生小單體B，此時冷空氣南下，輻合線也顯著加強（圖4a）。17時42分新生單體B周圍的出流邊界與A的出流邊界合并，增加了原來A東南側(cè)出流邊界的西伸長度和強度（圖4b），到17時56分單體B的西北部又出現(xiàn)后側(cè)新生單體C，其底層外流造成出流邊界進一步西伸加強（圖4c）。18時36分，出流邊界和輻合線交點處對流開始暴發(fā)性發(fā)展（圖4d）。一方面前期生成發(fā)展的雷暴隨引導(dǎo)氣流向東南方向移動，另一方面在地面輻合線附近不斷新生單體并在與西伸的出流邊界交點不斷發(fā)展增強，導(dǎo)致零散塊狀回波逐漸有組織地發(fā)展成東西向弧狀回波帶，從而導(dǎo)致強對流落區(qū)南下發(fā)展。

東部沿海高壓較為穩(wěn)定，東北—西南向的輻合線維持，20時45分之后，隨冷空氣南下，地面上東北—西南向的輻合線逐漸消失，在豫北地區(qū)形成了一條東西向的切變線，并逐漸向西南方向推進，豫北地區(qū)自北向南開始出現(xiàn)較大范圍的雷雨大風(fēng)。地面東北風(fēng)的脈動增加了底層的輻合抬升作用，南移過程中對流逐漸加強發(fā)展，20時45分之后，0.5°仰角就開始出現(xiàn)中心值大于27 m/s的大風(fēng)速中心，21時36分大風(fēng)速區(qū)明顯增大，中心位于濮陽東南方，此時強回波區(qū)東側(cè)又出現(xiàn)了一條出流邊界，出流邊界前沿與大風(fēng)速區(qū)南邊界對應(yīng)（圖5a和5b）。22時48分，出流邊界移至輝縣，其西邊界和輝縣西北部的地形輻合線相遇，觸發(fā)新單體在太行山東側(cè)加強發(fā)展，使強回波表現(xiàn)為西跳型發(fā)展（圖5c和5d）。之后，出流邊界明顯加長且快速向南移動，給豫北多地帶來了短時大風(fēng)。

圖4 濮陽雷達站0.5°仰角的基本反射率因子（a）17時24分，（b）17時42分，（c）17時54分，（d）18時36分Fig. 4 Base reflectivity at 0.5° elevation angle from the Puyang radar station(a) 17∶24 BT, (b) 17∶42 BT, (c) 17∶54 BT, (d) 18∶36 BT

4 層結(jié)水汽條件

前期由于對水汽條件的判斷失誤而導(dǎo)致這次過程對短時強降水產(chǎn)生了較大的低估，對短時強降水產(chǎn)生了誤判。下面主要針對此次過程中的水汽條件加以分析。使用探空觀測實況推算而得的物理量場資料進行分析。

局地比濕的變化主要由比濕平流、比濕的垂直輸送、蒸發(fā)和凝結(jié)、湍流輸送造成。隨底層有弱冷空氣侵入（圖6a），豫北西部近地面風(fēng)場產(chǎn)生了弱的輻合，同時造成了底層水汽的弱輻合。從鶴壁的比濕通量散度場的垂直方向時序圖（圖6c）也可清楚地看到08時之后850 hPa以下水汽通量散度開始小于0，對應(yīng)底層水汽的輻合，且到20時，底層水汽輻合達到最強，有利于底層水汽的大量積聚，但是中高層水平方向上水汽通量表現(xiàn)為弱輻散，這容易造成對中高層水汽含量估計不足。12日20時，鶴壁附近近地面的冷平流達到最強（圖6a），對應(yīng)了中低層較強的上升運動，850 hPa出現(xiàn)了超過-6 Pa/s的強上升運動中心（圖6d），強上升運動造成了顯著的水汽垂直輸送，925 hPa鶴壁附近的比濕通量垂直速度超過了2050 g/(s·cm·hPa)（圖6b），中低層的比濕通量垂直速度方向均為自下而上，從而導(dǎo)致底層積聚的水汽迅速向中高層輸送，整層層結(jié)的濕度條件迅速改善。

鶴壁的微波輻射計資料（圖7）也表現(xiàn)了底層水汽的垂直輸送和冷平流的作用在水汽動態(tài)變化上有著顯著作用。07時之后，由于輻射增溫作用，鶴壁上空的整層溫度都開始增高，同時伴隨著整層相對濕度的減小，并在近地層表現(xiàn)更加明顯。到19時左右，可以看出中高層突然出現(xiàn)了振幅較大的溫度的脈動，同時對應(yīng)整層濕度的短時躍增，這與局地?zé)釋α髟斐傻讓拥呐瘽窨諝庀蚋邔虞斔拖嗥ヅ洹?0時，隨較強冷空氣的入侵，溫度整層層結(jié)溫度均有所下降，尤其是中低層降幅更大，此時伴隨了整層相對濕度的顯著增加，整層氣層達到飽和狀態(tài)，有利于之后短時強降水的發(fā)生。

圖5 0.5°仰角雷達產(chǎn)品（a）濮陽雷達站21時36分基本反射率因子，（b）濮陽雷達站21時36分徑向速度，（c）鄭州雷達站22時48分基本反射率因子，（d）鄭州雷達站23時30分基本反射率因子Fig. 5 Radar products at 0.5° elevation angle(a) base reflectivity from the Puyang radar station at 21∶36 BT, (b) radial velocity from the Puyang radar station at 21∶36 BT, (c) base reflectivity from the Zhengzhou radar station at 22∶48 BT, (d) radial velocity from the Zhengzhou radar station at 23∶30 BT

5 結(jié)論與討論

利用常規(guī)資料、自動站資料、鄭州和濮陽雷達資料和微波輻射計資料等對2017年6月豫北一次局地性的雷雨大風(fēng)過程進行分析，主要結(jié)論如下：

1）高空冷槽疊加于低層暖空氣之上造成較強的層結(jié)不穩(wěn)定性，低空切變與高空急流相配合，為強對流發(fā)生發(fā)展提供了較好的動力抬升條件和較大的風(fēng)切變環(huán)境，低層接近干絕熱遞減率的層結(jié)溫度垂直遞減率和較低的LFC表明層結(jié)不穩(wěn)定及易觸發(fā)熱對流。但前期整層濕度條件不好，抬升凝結(jié)高度（LCL）及對流凝結(jié)高度（CCL）都較高，低層切變輻合系統(tǒng)稍偏北，造成對落區(qū)及強降水預(yù)報偏差。

2）冷空氣侵入對此次過程發(fā)展的動力具有重要作用。前期弱冷空氣入侵造成地面輻合線得以維持，其東側(cè)近地面溫濕條件更好地區(qū)產(chǎn)生的局地?zé)釋α髟跂|南向移動同時向西邊尾向傳播，并造成了回波較長的維持時間。而后期冷空氣的突增破壞了前期的風(fēng)向輻合線，出流邊界移速劇增，并與地形輻合線相互作用，導(dǎo)致出流邊界西伸，造成豫北南部產(chǎn)生短時大風(fēng)。

3）此次過程中，水汽的垂直輸送對短時強降水起到重要作用，微波輻射計資料更直觀地反映出此次過程中物理量的時間演變。前期的局地?zé)釋α骱蛷娸椇显斐傻膹娚仙\動可使低層暖濕空氣迅速向高層輸送，改變整層的水汽分布，促進短時強降水的發(fā)生。冷空氣入侵造成了水汽的輻合，有利于水汽的垂直輸送，并增加了空氣水汽飽和度，對層結(jié)水汽調(diào)整也起了重要作用。

圖6 豫北鶴壁上空物理量場高度-時間剖面圖（a）溫度平流（℃/s），（b）水汽的垂直輸送（g/(s·cm·hPa)），（c）水汽通量散度（g/(s·cm2·hPa)），（d）垂直速度(10-2 Pa/s)Fig. 6 The height-time cross section of physical parameters in Hebi(a) temperature advection (℃/s), (b) Vapor vertical flux (g/(s·cm·hPa)), (c) Vapor flux divergence (g/(s·cm2·hPa)),(d) vertical velocity (10-2 Pa/s)

圖7 鶴壁站微波輻射計資料（a）溫度高度-時間圖，（b）相對濕度高度-時間圖Fig. 7 Microwave radiometer data from the Hebi station(a) height-time chart of temperature, (b) height-time chart of relative humidity