豫北“7·9”特大暴雨的形成與極端性探析

司福意， 張一平， 趙海青， 李社宗， 王 迪

(1．中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 2．焦作市氣象局，河南 焦作 454003；3.河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003； 4.鄭州市氣象局，鄭州 450005)

引 言

我國(guó)是多暴雨國(guó)家，頻繁發(fā)生的暴雨往往給當(dāng)?shù)貛聿煌潭鹊臑?zāi)害。因此，對(duì)暴雨形成機(jī)制和預(yù)報(bào)方法研究，一直都是天氣預(yù)報(bào)工作的重點(diǎn)，并已取得了大量科研成果。早在20世紀(jì)80年代，陶詩(shī)言[1]對(duì)中國(guó)暴雨的物理?xiàng)l件、地形影響、各種尺度天氣系統(tǒng)與暴雨的關(guān)系等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。陶詩(shī)言等[2]還指出，華北大暴雨常與中低緯度系統(tǒng)的相互作用有關(guān)。孫建華等[3]對(duì)20世紀(jì)90 年代華北大暴雨過程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，約74 %的華北大暴雨個(gè)例有臺(tái)風(fēng)直接或間接影響。在臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離影響下，華北暴雨往往強(qiáng)度大、效率高，累積雨量大，如2012年7月21日北京特大暴雨，多站降水量超過了歷史極值。北京“7·21”特大暴雨引起了很多氣象工作者的高度重視[4-6]，并從特大暴雨的極端性、形成原因、動(dòng)力因子、水汽輸送及河套氣旋發(fā)展東移與暴雨的關(guān)系等不同角度對(duì)其進(jìn)行了深入研究。由此可見，一次極端暴雨的發(fā)生往往是多種因素綜合影響的結(jié)果，可根據(jù)關(guān)注點(diǎn)的不同從多角度進(jìn)行探討分析，從而更深刻地揭示暴雨過程的形成機(jī)理，增強(qiáng)人們對(duì)極端災(zāi)害天氣的認(rèn)識(shí)，提高預(yù)報(bào)水平。

暖區(qū)暴雨的定義最早針對(duì)的是華南前汛期暴雨，由黃士松[7]提出。此類暴雨具有強(qiáng)度大、降水時(shí)段集中、對(duì)流性質(zhì)明顯等特征。華北暴雨[8-12]具有鮮明的季節(jié)和地域特征，其降水強(qiáng)度大，局地性強(qiáng)，且往往與地形關(guān)系密切。王叢梅等[13]針對(duì)2015 年8月2日和2011年8月9日兩種不同天氣系統(tǒng)背景下發(fā)生在太行山東麓的短時(shí)強(qiáng)降水過程開展了研究，結(jié)果表明,太行山地形通過增強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)、增大垂直風(fēng)切變,進(jìn)而使降水強(qiáng)度增大。

在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”登陸的背景下，2016年7月9日河南北部出現(xiàn)了一場(chǎng)區(qū)域性暴雨天氣過程(簡(jiǎn)稱“7·9”暴雨)，其中新鄉(xiāng)和輝縣國(guó)家基本站日雨量突破400 mm，是河南省氣象觀測(cè)記錄中僅遜于“75·8”特大暴雨日雨量的次高值，而且其小時(shí)雨強(qiáng)與強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)長(zhǎng)也刷新了當(dāng)?shù)貧v史氣象記錄。極端強(qiáng)降水給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，僅新鄉(xiāng)市就有50多萬人受災(zāi), 1人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失超過17億元。針對(duì)此次過程，漆梁波等[14]指出，作為重要業(yè)務(wù)參考的全球模式，均未能提前對(duì)此次暴雨過程做出有效預(yù)報(bào)或提示，高分辨率區(qū)域模式和快速同化更新系統(tǒng)則表現(xiàn)出更好的預(yù)報(bào)能力。馬月枝[15]和顧佳佳[16]等在中尺度環(huán)流特征方面對(duì)這次特大暴雨過程進(jìn)行了分析。

本次天氣過程的影響系統(tǒng)偏弱且各層無急流，缺少預(yù)報(bào)大暴雨的充分理由。本文側(cè)重對(duì)引發(fā)此過程的天氣尺度系統(tǒng)——華北冷渦所處大氣環(huán)境場(chǎng)的特征、遠(yuǎn)距離登陸臺(tái)風(fēng)影響及太行山地形的助推作用進(jìn)行探討，期望能為同類非典型極端降水事件的預(yù)判提供一些參考。

1 資料的選取和降水實(shí)況

1.1 資料的選取

本文所用資料包括MICAPS常規(guī)高空和地面分析圖、區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)資料、FY-2E衛(wèi)星云圖和鄭州多普勒天氣雷達(dá)資料，物理量場(chǎng)由EC-ERA5(0.25°×0.25°)再分析資料計(jì)算得到。

1.2 強(qiáng)降水的時(shí)空特征

2016年7月8日20時(shí)-9日20時(shí)，豫北出現(xiàn)了一次特大暴雨天氣過程，強(qiáng)降水主要集中在太行山東麓(圖1a)。從圖中可見，兩個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站輝縣和新鄉(xiāng)24 h雨量分別達(dá)440 mm和414 mm，均超過了當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠淼臉O值。區(qū)域站的累積降水量有156站≥50 mm、96站≥100 mm、16站≥250 mm，最大出現(xiàn)在新鄉(xiāng)市區(qū)的平原鄉(xiāng)，達(dá)450 mm。過程降水可分為三個(gè)階段: 8日21時(shí)-9日02時(shí)為降水初期，降水在安陽(yáng)西北部啟動(dòng)并逐漸沿太行山東麓發(fā)展南下，相對(duì)較弱；9日03-09時(shí)為降水強(qiáng)盛期，≥30 mm/h的強(qiáng)降水主要集中在該階段；10時(shí)后進(jìn)入衰退期。位于暴雨中心的輝縣和新鄉(xiāng)站(圖1b)均連續(xù)7 h降水強(qiáng)度超過對(duì)流性暴雨的雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)(≥20 mm/h)，輝縣站9日07-08時(shí)雨強(qiáng)達(dá)111.1 mm/h，新鄉(xiāng)站9日04-05時(shí)、05-06時(shí)雨強(qiáng)分別達(dá)95.9 mm/h和101.1 mm/h。強(qiáng)降水雨強(qiáng)之大、持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng),均突破當(dāng)?shù)貧庀笥涗?，具有極端性。

圖1 2016年7月8日20時(shí)-9日20時(shí)豫北降雨總量分布(a)及特大暴雨站點(diǎn)逐小時(shí)雨量演變(b)

2 冷渦背景下的環(huán)境場(chǎng)配置特征

在高空冷渦[17-20]背景下，河南強(qiáng)對(duì)流天氣[21-22]多為快速移動(dòng)的短歷時(shí)雷雨大風(fēng)天氣，引發(fā)持續(xù)性的區(qū)域暴雨非常罕見。本次過程中華北冷渦有著不可或缺的重要作用，與通常冷渦系統(tǒng)不同的是,本次過程的高空冷渦居于副熱帶高壓西北方向?qū)拸V的弱脊中，表現(xiàn)為一個(gè)單圈閉合環(huán)流和一條冷溫槽線，其作用極易被忽視。

2.1 適宜的高低空環(huán)流配置

本過程的高空冷渦整體偏弱，系統(tǒng)僅從250 hPa發(fā)展至500 hPa(屬于淺薄型)。圖2(a)(c)分別為2016年7月9日08時(shí)250 hPa和500 hPa天氣形勢(shì)圖。圖2(a)中標(biāo)注了從8日08時(shí)至10日20時(shí)間隔12 h的500 hPa和250 hPa上的低渦移動(dòng)情況。從圖中可見，在對(duì)流層中上部的冷渦中心，軸線從下至上呈現(xiàn)出向北—東北方向傾斜的特征。500 hPa上冷渦8日08時(shí)在地處河套北端的臨河附近生成，20時(shí)移到東勝南側(cè)，9日08時(shí)移至石家莊附近。

從圖2(c)中可見，低渦的東北部有冷槽和明顯的負(fù)變溫，西南方有一支顯著的西北風(fēng)大風(fēng)速帶，鄭州站風(fēng)速達(dá)到14 m·s-1；東南沿海當(dāng)年1號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)即將登陸，臺(tái)風(fēng)低壓北側(cè)有暖倒槽伸向內(nèi)陸，與冷渦南部低壓槽接近打通。圖2(b)為9日08時(shí)的高低空形勢(shì)配置綜合分析圖，從中可見,暴雨中心恰好位于地面輻合線的輻合中心附近，925 hPa上有來自東南方向(10 m·s-1)的顯著氣流，700 hPa暖切變線過其上空，500 hPa上有來自西北方向的大風(fēng)速軸(14 m·s-1)穿過其西南側(cè)，對(duì)流層上部200 hPa處于高空急流的分流區(qū)上空。源源不斷的水汽輸送、中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變、低空輻合高空輻散的持續(xù)抽吸作用，為對(duì)流性暴雨的形成和維持提供了十分有利的天氣尺度環(huán)境條件。

圖2 2016年7月9日08時(shí)250 hPa天氣形勢(shì)圖(a)、中尺度綜合分析圖(b)、500 hPa天氣形勢(shì)圖(c)及鄭州站8日20時(shí)與9日08時(shí)探空?qǐng)D(d)

2.2 中低層極高的溫度、濕度條件的形成

叢春華等[23]研究表明:遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)暴雨的落區(qū)主要有兩個(gè)類型，Ⅰ型位于環(huán)渤海地區(qū)(包括河南大部)，Ⅱ型位于川陜地區(qū)；臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨能否產(chǎn)生的關(guān)鍵在于熱帶氣旋東側(cè)環(huán)流能否將水汽輸送到中緯度槽前。從圖2(c)中可見,此次過程臺(tái)風(fēng)與中緯度系統(tǒng)間沒有高氣壓或偏北氣流阻斷。在臺(tái)風(fēng)倒槽的東北側(cè)，沿副高邊緣從925 hPa到850 hPa形成了一條完整的伸向華北南部的東南風(fēng)暖濕氣流輸送帶。東南氣流進(jìn)入豫東后，逐漸形成一個(gè)水汽輻合帶，輻合帶隨著氣流由東南向西北推進(jìn)。

降雨過程之前，豫北已處于副熱帶高壓西側(cè)的高溫、高濕環(huán)境中。臺(tái)風(fēng)外圍暖濕氣流的移入，加劇了華北南部對(duì)流層中低層高溫、高濕環(huán)境場(chǎng)的發(fā)展，有利于對(duì)流性不穩(wěn)定能量?jī)?chǔ)備和累積。8日14時(shí)900 hPa和925 hPa上假相當(dāng)位溫高能舌均已接近輝縣附近，在地面天氣圖上豫北測(cè)站的露點(diǎn)溫度均已達(dá)到23 ℃以上。圖2(d)為最接近豫北暴雨中心的探空站——鄭州站8日20時(shí)和9日08時(shí)的探空?qǐng)D，從中可見，豫北暴雨發(fā)生前對(duì)流層中低層700 hPa以下已維持著深厚的高溫、高濕層結(jié)，各層的t-td均≤2 ℃，近地面露點(diǎn)溫度td甚至高達(dá)26 ℃。9日20時(shí)代表濕對(duì)流有效位能儲(chǔ)備的CAPE值已達(dá)到2718.2 J/kg，9日08時(shí)CAPE能量雖已有釋放，但其強(qiáng)度仍達(dá)到1609.4 J/kg。追蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著冷渦系統(tǒng)的東移，8日夜間冷渦所攜帶的高空干冷平流疊加在處于其東南、南部象限的豫北平原高溫、高濕環(huán)境場(chǎng)之上，形成了超強(qiáng)的位勢(shì)和動(dòng)力不穩(wěn)定。隨即巨大的不穩(wěn)定能量在地面輻合線附近被激發(fā)和釋放。

3 臺(tái)風(fēng)和地形對(duì)強(qiáng)降水極端性的影響

太行山迎風(fēng)坡喇叭口地形對(duì)臺(tái)風(fēng)外圍東南暖濕氣流有著阻擋、抬升和匯聚作用，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是極強(qiáng)水汽輻合中心的形成和超長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)維持，二是中等以上強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的形成和持續(xù)，三是強(qiáng)輻合、上升運(yùn)動(dòng)中心恰好落在地形喇叭口迎風(fēng)坡處，彰顯著喇叭口地形的匯聚作用。

3.1 臺(tái)風(fēng)外圍水汽輸送在太行山東麓引發(fā)強(qiáng)水汽輻合

遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)外圍東南暖濕氣流帶把沿海的水汽源源不斷地向華北南部輸送。利用EC-ERA5再分析資料,獲取了臺(tái)風(fēng)外圍東南風(fēng)場(chǎng)向內(nèi)陸的推進(jìn)情況：925 hPa上，≥6 m·s-1的東南風(fēng)及其相伴的水汽輻合帶于8日08時(shí)進(jìn)入豫東商丘附近，14時(shí)越過開封靠近黃河一帶(圖略)。8日20時(shí)東南風(fēng)速已加大至8 m·s-1,且過商丘南部經(jīng)開封到新鄉(xiāng)東南部已顯現(xiàn)出一條東南—西北向的大風(fēng)速軸；相伴的水汽輻合帶前沿也已越過黃河進(jìn)入豫北，中心強(qiáng)度為6×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1(圖3a)。到9日02時(shí),風(fēng)場(chǎng)中大風(fēng)速軸線更加清晰，由蘇皖南部過豫東伸向豫北，周口和商丘間風(fēng)速已達(dá)10 m·s-1，且風(fēng)的偏南分量也在加大；水汽輻合中心已到達(dá)太行山東麓，強(qiáng)度達(dá)15×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1(圖3b)；08時(shí)輻合區(qū)域范圍雖有明顯擴(kuò)大，部分已進(jìn)入山西高原，但中心仍滯留在太行山麓上空，強(qiáng)度仍達(dá)8×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。

參考栗晗等[24]對(duì)1980-2016年71個(gè)豫北日雨量≥100 mm的大暴雨個(gè)例的850 hPa水汽輻合強(qiáng)度范圍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及司福意等[25]所做的強(qiáng)降水個(gè)例分析結(jié)果，可以確定本次過程的水汽輻合強(qiáng)度在當(dāng)?shù)貙儆跇O強(qiáng)類別。對(duì)比圖3(b)(c)和(f)可見,水汽輻合中心恰好位于太行山東麓地形喇叭口的迎風(fēng)坡處，并在其附近維持時(shí)間超過6 h之久。

3.2 太行山地抬升作用分析

地形的抬升作用促成了中等強(qiáng)度以上的上升運(yùn)動(dòng)形成。圖4 (a)(b)為9日02時(shí)、08時(shí)沿35.4°N(暴雨中心)所做的垂直速度緯向空間剖面圖。在圖4(a)中，-10×10-2hPa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)伸展到300 hPa以上，有兩個(gè)上升強(qiáng)度大值中心：一個(gè)在850 hPa附近，強(qiáng)度達(dá)-40×10-2hPa·s-1，軸線隨高度向西傾斜，大致與山脈坡度傾斜方向一致;另一個(gè)在500 hPa附近，強(qiáng)度達(dá)-60×10-2hPa·s-1，軸線基本與地面垂直。從圖4(b)中可見，對(duì)流層中上部的上升運(yùn)動(dòng)隨高空風(fēng)明顯東移，遠(yuǎn)離暴雨中心，500 hPa附近的上升運(yùn)動(dòng)中心已消失，而對(duì)流層低層的上升運(yùn)動(dòng)中心卻穩(wěn)定維持，雖然高度下降至925 hPa附近，但強(qiáng)度卻增加到-50×10-2hPa·s-1以上。對(duì)比分析表明，暴雨中心區(qū)域，在對(duì)流發(fā)展的前期，地形的抬升作用和熱力不穩(wěn)定能量釋放對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展均有貢獻(xiàn)，前期熱力不穩(wěn)定能量釋放作用占主導(dǎo)地位，從而使對(duì)流發(fā)展十分旺盛。在強(qiáng)降水中后期，上升運(yùn)動(dòng)的維持主要得益于地形對(duì)迎面而來的暖濕氣流阻擋和動(dòng)力抬升作用，上升運(yùn)動(dòng)中心高度已明顯降低。02、08兩個(gè)時(shí)次的上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度均達(dá)到-50×10-2hPa·s-1以上，在豫北71個(gè)日雨量≥100 mm的大暴雨個(gè)例上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)中，位列中位數(shù)附近[18]。

顧佳佳等[16]還通過中尺度分析指出，在暴雨中心上空600-925 hPa存在著一個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)次級(jí)環(huán)流圈。圖4(a)中對(duì)流層低層上升運(yùn)動(dòng)中心的東西兩側(cè)各有一個(gè)接地的下沉區(qū)，東側(cè)的強(qiáng)度達(dá)10×10-2hPa·s-1。這表明在強(qiáng)對(duì)流發(fā)展前期，對(duì)流層下部強(qiáng)對(duì)流中心的東西兩側(cè)各有一個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)環(huán)流圈，彰顯出強(qiáng)降水過程初期對(duì)流有效位能所釋放的熱力作用占主導(dǎo)地位。相鄰的上升、下沉氣流區(qū)同時(shí)存在，昭示著對(duì)流層下部次級(jí)環(huán)流圈的存在，為強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間維持提供了有力支撐。圖4(b)中僅在上升區(qū)的東側(cè)有下沉氣流，說明僅有一個(gè)環(huán)流圈，也展現(xiàn)出在強(qiáng)降水后期地形抬升作用占主導(dǎo)地位。

3.3 太行山東麓喇叭口的匯聚作用

圖3(f)為豫西北地形與氣象測(cè)站分布。圖3中呈東北-西南走向的太行山主脈位于輝縣西部(海拔約1500 m)，輝縣北部分布著海拔500-1000 m的余脈，二者之間形成了一個(gè)面向東南的喇叭口，新鄉(xiāng)和輝縣依次位于喇叭口東南側(cè)。對(duì)比圖3中(a)(b)(c)三個(gè)時(shí)次水汽輻合帶的位移和強(qiáng)度變化，有兩個(gè)顯著特征清晰可見：一是狹長(zhǎng)的帶狀輻合線聚攏成圓型輻合中心，且中心落在了山前喇叭口地形入口處；二是近地面水汽輻合中心強(qiáng)度從平原(圖3a)到山前(圖3b)增強(qiáng)了2.5倍之多。水汽輻合中心的形成和強(qiáng)度變化固然有濕熱能的熱力作用，但地形的抬升匯聚作用更為突出。

地面輻合線動(dòng)態(tài)與強(qiáng)降水落區(qū)的集中,也能體現(xiàn)出喇叭口地形的匯聚作用。8日14時(shí)地面氣壓場(chǎng)上，華北南部處于副熱帶高壓西側(cè)高溫、高濕環(huán)境中，有兩條地面輻合線：一條位于山西高原，與冷渦主體云系相對(duì)應(yīng)，由太原過榆次伸向榆社西側(cè)；另一條位于太行山東麓，從溫縣經(jīng)新鄉(xiāng)、?？h伸至內(nèi)黃附近。隨著冷渦主體云系的東移，20時(shí)高原上的地面輻合線已東移南壓至涉縣、陵川和高平一線，而豫北平原上輻合線北端卻隨東南風(fēng)的加強(qiáng)西進(jìn)到湯陰西北側(cè)，向太行山東麓靠近。區(qū)域自動(dòng)站監(jiān)測(cè)顯示：21時(shí)前后，上述兩條輻合線在安陽(yáng)西部交匯，林州站由20時(shí)的西南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。之后，冷渦主體對(duì)流云系后側(cè)雷暴高壓(冷池)所攜帶的冷空氣沿著山麓向東南擴(kuò)散，先后在安陽(yáng)與鶴壁境內(nèi)觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流，出現(xiàn)了20～40 mm·h-1的強(qiáng)降水。9日凌晨,位于輻合線南端的焦作轄區(qū)對(duì)流性降水也得到了啟動(dòng)和發(fā)展，并沿輻合線向北推進(jìn)，而此時(shí)輻合線北段已順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至內(nèi)黃、滑縣至衛(wèi)輝一線(圖3d)。到03時(shí)前后，輻合線北段已在鶴壁附近逐漸轉(zhuǎn)橫，并與正在加強(qiáng)西進(jìn)的低空東南暖濕氣流相交匯，鶴壁境內(nèi)出現(xiàn)了大片50～60 mm·h-1的對(duì)流性強(qiáng)降水。04時(shí)位于輻合線中部的輝縣附近出現(xiàn)了一個(gè)氣旋性輻合中心，大暴雨中心在此不斷地增強(qiáng)和維持。圖3(e)為9日04:30的地面風(fēng)場(chǎng)分析圖。

圖3 2016年7月8日20時(shí)(a)、9日02時(shí)(b)、9日08時(shí)(c)925 hPa風(fēng)矢與水汽通量散度場(chǎng)及9日00:00(d)、04:30(e)豫北區(qū)域地面風(fēng)場(chǎng)和豫北地形與氣象測(cè)站分布圖(f)

圖4 2016年7月9日02時(shí)(a)和08時(shí)(b)沿 35.4°N的垂直速度緯向空間剖面圖

4 豫北暴雨的對(duì)流條件和發(fā)生機(jī)制分析

4.1 具有暖區(qū)持續(xù)暴雨的溫濕條件

利用EC-ERA5再分析資料,獲取了反映大氣濕熱條件分布的假相當(dāng)位溫θse分布情況。在925 hPa和900 hPa上，8日14時(shí)和20時(shí)豫北均已處于不斷加強(qiáng)的高溫、高濕大氣環(huán)境場(chǎng)中，對(duì)應(yīng)θse>351 K的高能舌已伸至安陽(yáng)境內(nèi)(圖略)。20時(shí)之后，隨著冷渦南部弱冷空氣的擴(kuò)散南下，沿著太行山東麓出現(xiàn)了一條東北-西南走向的能量鋒區(qū)。圖5(a)為9日02時(shí)925 hPa上的θse分布情況，從中可見豫北正處于太行山東麓等值線密集的能量鋒區(qū)上，鋒區(qū)強(qiáng)度達(dá)到每緯度相差6 K。圖5(b)為9日02時(shí)沿暴雨中心(35.4°N、113.5°E)所做的θse緯向剖面圖。從圖中可見，在對(duì)流性暴雨發(fā)生前期，暴雨中心上空在900 hPa高度上有一θse>350 K的高能中心， 900 hPa到800 hPa間θse直減率最大，達(dá)到5 K/100 hPa。這說明暴雨中心上空也是位勢(shì)不穩(wěn)定區(qū)。許愛華等[26]對(duì)江西暖區(qū)暴雨的能量場(chǎng)分析結(jié)果與上述分析情況相類似，只是其能量鋒區(qū)多以東-西方向?yàn)橹?，所統(tǒng)計(jì)的不穩(wěn)定層結(jié)高度多在850 hPa與500 hPa 間。本次過程的不穩(wěn)定層結(jié)更接近對(duì)流層底層。

圖5 2016年7月9日02時(shí)假相當(dāng)位溫925 hPa分布(a)及沿 35.4°N的緯向剖面圖(b)

4.2 強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生機(jī)制

“7·9”豫北暴雨過程發(fā)生前夕，588 dagpm線雖已退至海上，584 dagpm線位置變動(dòng)不大,且高空冷渦處于其控制區(qū)域內(nèi)；700 hPa上,312 dagpm線已由高原東側(cè)退至鄭州以東地區(qū)。中低空各層等壓面上等位勢(shì)高度線均相對(duì)稀疏，并無代表明顯的冷空氣入侵的斜壓鋒區(qū)出現(xiàn)，風(fēng)速亦相對(duì)較弱(700、850 hPa無低空急流)，僅在925 hPa高度上有一支風(fēng)速達(dá)8～10 m·s-1的東南風(fēng)顯著氣流。進(jìn)一步追蹤分析發(fā)現(xiàn)，8日08時(shí)500 hPa上位于冷渦東北部的東勝站已出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)度達(dá)-4 ℃的24 h變溫區(qū)，并伴隨有冷舌隨冷渦向其下游方向移動(dòng)。8日20時(shí)太原、石家莊和鄭州三站均出現(xiàn)了-3 ℃的24 h變溫，在渦的東北側(cè)從北京伸向邢臺(tái)有一氣溫低于-5 ℃的冷溫槽，9日08時(shí)冷槽已伸至渦的中心部位(圖2c)。對(duì)流層中上層較強(qiáng)的負(fù)變溫加大了垂直方向上的熱力不穩(wěn)定，再加上 “中低層高濕、上層相對(duì)干”，具備了顯著位勢(shì)不穩(wěn)定條件。這次強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生機(jī)制歸屬于準(zhǔn)正壓類，與許愛華等[27]所論述的準(zhǔn)正壓類強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的環(huán)境條件相近似。

5 臨近監(jiān)測(cè)分析

紅外云圖上，8日22:30,豫北沿太行山東麓輝縣附近開始有對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，稱之為輝縣暴雨云團(tuán)。在輝縣暴雨云團(tuán)上游山西境內(nèi)，冷渦主體云系南側(cè)也有兩個(gè)新激發(fā)的對(duì)流云團(tuán)(MβCS)形成，并有合并態(tài)勢(shì)，稱為冷渦暴雨云團(tuán)(圖6a)。9日01:30,輝縣暴雨云團(tuán)和冷渦暴雨云團(tuán)均得到強(qiáng)烈發(fā)展，且后者正向前者移近(圖6b)；02:30,兩個(gè)暴雨云團(tuán)已相接合并發(fā)展(圖6c)，輝縣和新鄉(xiāng)附近的強(qiáng)降水開始。合并后的暴雨云團(tuán)逐漸擴(kuò)展成近似圓形的中尺度對(duì)流復(fù)合體，尺度介于α與β之間。暴雨落區(qū)正處于此MCC云系覆蓋和經(jīng)過的區(qū)域。圖6(d) 為05:30的紅外云圖，該時(shí)次輝縣和新鄉(xiāng)已在暴雨云團(tuán)后側(cè)云頂亮溫梯度最大處。蘇愛芳等[28]指出,這種云形結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致河南出現(xiàn)對(duì)流性暴雨的常見類型。

利用鄭州站雷達(dá)對(duì)引發(fā)此次特大暴雨的對(duì)流云系的生成和發(fā)展演變進(jìn)行了追蹤分析，監(jiān)測(cè)顯示，9日00時(shí)(圖6e)輝縣附近已有強(qiáng)降水云團(tuán)生成，而在其東北、西南和西北三個(gè)方向上也均有對(duì)流云系發(fā)展。西北側(cè)是山西高原上空冷渦云系南端新激發(fā)的對(duì)流回波，東北側(cè)是在安陽(yáng)北部生成經(jīng)鶴壁旺盛發(fā)展南下的對(duì)流云團(tuán)，西南方是焦作附近新發(fā)展起來的層積混合云團(tuán)。01 時(shí)(圖 6f)，上述對(duì)流云團(tuán)已在輝縣附近相接，回波還呈現(xiàn)出東南-西北向的紋理結(jié)構(gòu)(與低層風(fēng)向一致)，并不斷向山麓推進(jìn)，呈現(xiàn)出與主要天氣影響系統(tǒng)移動(dòng)方向相反的發(fā)展態(tài)勢(shì)，也就是后向傳播。04:21,對(duì)流正處于旺盛發(fā)展時(shí)段(圖 6g)：從焦作北上的回波已完全并入到輝縣和新鄉(xiāng)附近的強(qiáng)回波中，北方南下的強(qiáng)回波帶在并入新鄉(xiāng)附近強(qiáng)回波后,其北界也在逐漸南縮。強(qiáng)回波中心在輝縣和新鄉(xiāng)間擺動(dòng)，其反射率因子普遍為40～55 dBZ(多個(gè)時(shí)次)，最大接近60 dBZ。圖6(h)是沿圖3(g)中白色直線位置處做的反射率因子垂直剖面，從圖中可見，在暖云層(700-5300 m)區(qū)間密布著大量大于35 dBZ的回波，大于40 dBZ的回波主要集中在0 ℃層(5.2 km)以下, 回波質(zhì)心低于3 km,表現(xiàn)為低質(zhì)心結(jié)構(gòu)的暖區(qū)暴雨特征。這表明反射率因子主要由液態(tài)雨滴產(chǎn)生，而僅由液態(tài)雨滴形成的回波強(qiáng)度就高達(dá)55 dBZ，表明降水強(qiáng)度非常高。

圖7(a)-(d)為圍繞著新鄉(xiāng)和輝縣附近最強(qiáng)回波所做的垂直剖面圖。其中，圖7(a)為發(fā)展鼎盛期(03:00)的剖面，該時(shí)刻前后地閃頻次也最高[11]。圖7(b)(c)(d)分別對(duì)應(yīng)圖1(b)中小時(shí)雨強(qiáng)接近或超過100 mm的強(qiáng)降水時(shí)段(04-05、05-06、07-08時(shí))沿最強(qiáng)回波所做剖面。從圖中可見，03:00回波頂有明顯的隆起，高度達(dá)到12 km，而后雖然降水在持續(xù)增強(qiáng)，但回波頂逐漸變得平整且高度不斷降低，08時(shí)最高回波頂已在10 km以下。回波高度的下降與前文中上升運(yùn)動(dòng)高度的降低一致。

6 結(jié)論與討論

(1)華北冷渦是本次特大暴雨過程的主要天氣影響系統(tǒng)。雖然天氣系統(tǒng)整體偏弱且各層均無急流，但地面極高的溫濕環(huán)境場(chǎng)和適宜的高低空環(huán)流配置，有利于對(duì)流性暴雨發(fā)生發(fā)展。

(2)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸促成一條完整的暖濕氣流輸帶伸向豫北，并在太行山東麓迎風(fēng)坡喇叭口處匯聚，形成了超強(qiáng)的水汽輻合傾斜上升運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)維持長(zhǎng)達(dá)6 h以上，導(dǎo)致了暴雨中心極端強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

(3)華北冷渦所攜帶的干冷空氣疊加到豫北上空后，中低緯度系統(tǒng)開始交匯。低空暖濕、高空相對(duì)干冷，具備了超強(qiáng)的位勢(shì)和動(dòng)力不穩(wěn)定的能量，并在地面輻合線附近得到激發(fā)和釋放。對(duì)流系統(tǒng)的暴發(fā)機(jī)制歸屬于南方暖區(qū)暴雨的準(zhǔn)正壓類。

(4)衛(wèi)星和雷達(dá)圖像更直觀地展現(xiàn)了特大暴雨形成的機(jī)理?！?·9”暴雨云系為尺度介于α與β間的近圓形中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)，由上下游多個(gè)較小尺度的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)(MβCS)合并發(fā)展而成；其回波發(fā)展由來自東北、西南、西北三個(gè)方向的對(duì)流性回波匯聚和發(fā)展而來，并呈現(xiàn)出后向傳播特性，表現(xiàn)出低質(zhì)心結(jié)構(gòu)的暖區(qū)暴雨特征。

本文僅分析了高空冷渦系統(tǒng)所處的特殊大氣環(huán)境條件、臺(tái)風(fēng)外圍低空水汽輸送和地形影響等有利于豫北“7.9”極端降水事件發(fā)生發(fā)展的多種因素及其綜合作用，揭示了特大暴雨的形成機(jī)制。持續(xù)性強(qiáng)降水引發(fā)的高空潛熱釋放及其對(duì)降水維持的正反饋?zhàn)饔萌孕柽M(jìn)一步研究。