2015年冀中廊坊短時強降水的風場垂直結(jié)構(gòu)特征

許 敏，田曉飛，任福玲，周玉都，王 潔

(1.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2.永清縣氣象局，河北 永清 065600)

引 言

短時強降水是華北地區(qū)主要的災(zāi)害性天氣之一，具有突發(fā)性強、雨強大等特點。多年來，國內(nèi)外氣象工作者從物理量場、天氣形勢等不同方面對強降水天氣進行了分析。近年來，隨著多普勒天氣雷達、風廓線儀、微波輻射計、多要素地面自動站等探測設(shè)備的廣泛布設(shè)，探測資料多樣化，一些理論研究者和氣象一線的工作者從多角度深入分析了短時強降水的特征，同時高時空分辨率探測資料也讓探索中小尺度系統(tǒng)的誘因成為可能。徐靈芝等[1]通過對非常規(guī)資料的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，暴雨開始前約1～2 h邊界層急流和低空急流建立，且低空急流在強降水發(fā)生前達到最強，風廓線雷達有能力捕捉到對暴雨預(yù)報有指示意義的信號。武威等[2]則認為，低層偏東氣流與高空槽前西南氣流配合產(chǎn)生經(jīng)向次級環(huán)流，使上升運動增強，這是強降水形成的原因之一。王令等[3]對比分析了北京兩次突發(fā)性局地強降水，認為在有利的天氣形勢背景下，暴雨回波更容易在中尺度系統(tǒng)的擾動下突發(fā)。李青春等[4]利用新型探測資料對2009年北京的一次典型局地暴雨進行分析診斷，探討了近地面層輻合線與降雨強度及落區(qū)的關(guān)系。王叢梅等[5]在對太行山東麓兩次不同天氣背景下的強降水分析后發(fā)現(xiàn)，太行山地形通過增強輻合上升運動、增大垂直風切變，使雷暴下山加強。馬月枝等[6]同樣考慮了地形的影響，認為太行山脈東側(cè)的雷暴外流邊界受地形抬升作用，觸發(fā)大范圍分散的對流單體，導(dǎo)致了局地短時強降水天氣。何群英等[7]初步分析了2012年7月25—26日天津持續(xù)性、局地性大暴雨，認為強降水由3個β中尺度對流云團發(fā)展加強所致，與其對應(yīng)的是若干個γ中尺度對流回波，明顯的列車效應(yīng)和充沛的水汽供應(yīng)導(dǎo)致降水時間長、強度大。郭虎、孫靖等[8-10]利用地面自動站、GPS水汽、風廓線、SA雷達等多種高時空分辨率資料，分析了北京局地暴雨和強降水過程不同的動力機制和觸發(fā)機制，以及對流單體的組織發(fā)展成因。另有多名學者在短時強降水的成因診斷、物理量特征、天氣系統(tǒng)配置等多個方面取得了豐碩成果[11-18]。

京津冀地區(qū)地形復(fù)雜，前人對該地區(qū)強降水的研究成果多與太行山或海洋這種特殊的地形或下墊面關(guān)系密切。由于廊坊地處平原地帶，短時強降水成因與保定、石家莊、秦皇島等地的有著較大的差異。本文利用MICAPS自動氣象站、風廓線雷達資料和NCEP再分析資料，對2015年冀中廊坊短時強降水天氣進行綜合分析。

1 資料介紹

本文中降水統(tǒng)計所用的資料為2015年國家氣象觀測站逐小時和區(qū)域氣象觀測站逐分鐘降水資料，天氣形勢分析使用了MICAPS資料和美國NCEP逐6 h分辨率1°×1°再分析資料。低空急流和低空切變的分析，以及相關(guān)計算使用了風廓線雷達資料，該風廓線雷達位于河北省大廠回族自治縣(簡稱大廠縣，下同)(116°56′47″E、39°54′45″N)，型號為CFL-03ZC，主要技術(shù)參數(shù)見表1。大廠隸屬于河北廊坊市，地處華北平原北部,與北京東部通州區(qū)接壤，其風廓線雷達于2014年11月建成并投入運行，有效彌補了河北中北部探空資料低時空密度的不足，為多種天氣的分析與預(yù)報研究提供了高精度的風場資料。

表1 CFL-03ZC風廓線雷達主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 2015年廊坊短時強降水概況

短時強降水是指1 h降水量達到或超過20 mm的降水過程[19]。2015年廊坊全市共出現(xiàn)短時強降水21站次，各縣(市)平均為2.3站次。其中，大廠和市區(qū)的最多，均為4站次，香河、永清、文安和大城的最少，分別出現(xiàn)了1站次(圖1a)。

從月分布特點來看(圖 1b)，2015年廊坊的短時強降水出現(xiàn)在5-9月，集中于7月和8月，7-8月強降水發(fā)生站次占全年的85.7%。日變化特征為(圖 1c)：03-04時和14-18時是短時強降水最高發(fā)的兩個時段，其中峰值03時和16時發(fā)生頻率都達到了14.3%；次高發(fā)時段在08-09時，頻率約為5%-10%；另外，20時至00時也出現(xiàn)了短時強降水，但發(fā)生頻率相對較小，均在5%以下。綜上可見，2015年午后至傍晚和后半夜是廊坊短時強降水的高發(fā)時段。

圖1 2015年廊坊各縣(市)短時強降水發(fā)生站次(a)、月分布(b)和日變化特征(c)

就全年的短時強降水過程來看(表2)，最早開始于5月17日(固安)，最晚的結(jié)束于9月25日(廊坊市區(qū))。進入7月后降水強度明顯增大，尤其是7月中下旬至8月上旬，雨強普遍可達30～50 mm·h-1。7月18日出現(xiàn)范圍最廣的短時強降水天氣，集中于廊坊、固安、永清和霸州等中部縣市，最大雨強達到66.6 mm·h-1。2015年廊坊的區(qū)域性短時強降水天氣較少，僅出現(xiàn)一次，其余均為單站或兩站的局地過程。

表2 2015年廊坊全市短時強降水過程小時降水量 mm

2.2 短時強降水風場特征分析

2.2.1 低空急流

一般來講，低空急流是指出現(xiàn)在850 hPa或700 hPa等壓面上，風速≥12 m·s-1的西南風極大風速帶[20]。低空急流攜帶著大量的水汽和能量。當暖濕空氣向北輸送進入高空干冷空氣下方時，即形成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，一旦擾動觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，可使上升運動加強[21]，導(dǎo)致強降水的發(fā)生。從廊坊短時強降水開始前至結(jié)束后低空急流的變化情況(表3)可以看出，在7次天氣過程中，低空急流均早于強降水出現(xiàn)，提前時間在6～114 min，平均提前量約為46 min。在全部個例短時強降水發(fā)生過程中，低空急流逐漸減弱，并且在強降水結(jié)束后迅速消失。進一步分析后發(fā)現(xiàn)，雨強減弱至20 mm·h-1以下后，低空風風向發(fā)生了明顯變化，由西南風迅速轉(zhuǎn)為偏東風或西北風。因此，低空急流的監(jiān)測和分析不僅對短時強降水的臨近預(yù)報有一定的指導(dǎo)意義，也可通過高時空分辨率的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的應(yīng)用來提高其短期預(yù)報的準確率。

表3 廊坊短時強降水開始前至結(jié)束后低空急流變化情況

低空急流指數(shù)的計算公式為

I=V/D

(1)

式中，V為2 km以下邊界層急流中心最大風速(單位m·s-1)，D為12 m·s-1風速在該時次中的最低位置(單位：km)。該指數(shù)可定量衡量短時強降水與低空急流的關(guān)系[22]。從短時強降水開始前后西南風低空急流指數(shù)變化來看(表4)，在強降水發(fā)生前的1 h，低空急流指數(shù)平均值已突增至15.6 m·s-1·km-1，并且出現(xiàn)了46.3 m·s-1·km-1的極大值；在強降水發(fā)生的時段內(nèi)，低空急流的平均強度和極值較前期均有所下降；雨強減小至20 mm·h-1后，平均低空急流指數(shù)迅速跌至1.3 m·s-1·km-1。可見，強降水發(fā)生前西南風低空急流顯著而持續(xù)的加強，為降水地區(qū)雨強的增大起到了至關(guān)重要的作用。

表4 廊坊短時強降水開始前至結(jié)束后低空急流指數(shù)小時平均值和極大值變化 m·s-1·km-1

2.2.2 低空風切變

一般情況下，低空切變線尺度較小，持續(xù)時間短，但往往對強對流天氣的觸發(fā)起著至關(guān)重要的作用[23]。近年來，多普勒雷達、風廓線等高時空分辨率探測資料的應(yīng)用，以及數(shù)值預(yù)報的快速發(fā)展，為強降水的臨近預(yù)報研究提供了有力的支持。將低空風切變指數(shù)的計算方法定義為

I=VS/ΔH

(2)

其中，VS為約600 m高度以下的最大垂直風切變，ΔH為兩個風矢量間的高度，本文中取值為60 m[23]。

通過分析短時強降水過程前后最大低空風切變指數(shù)變化可以看出(圖2)：在強降水開始1 h前，每個探測時次的最大低空風切變指數(shù)已普遍增大至0.050～0.100 s-1，部分時段強度可達0.139 s-1，平均指數(shù)為0.086 s-1，達到了中等強度風切變；強降水開始后，最大低空風切變強度略減小但仍維持在較高水平，最大極值降至0.109 s-1，1 h平均強度為0.080 s-1；強降水結(jié)束 6 min后，切變指數(shù)迅速降低，強度僅為0.031～0.056 s-1?？梢姡涂诊L切變增強時刻要早于強降水開始出現(xiàn)時刻，且強降水開始1 h前的平均低空風切變指數(shù)甚至超過強降水過程中的低空風切變指數(shù)，高指數(shù)的維持為強降水的形成創(chuàng)造了良好的動力條件。

圖2 廊坊短時強降水過程前1 h至結(jié)束后1 h最大低空風切變指數(shù)隨時間的變化

2.3 短時強降水熱力條件分析

在實際天氣分析中，為了更簡便地了解環(huán)境大氣的熱力穩(wěn)定度層結(jié)，氣象學家定義了大量的熱力穩(wěn)定度參數(shù)[19]。其中，較常用的有對流有效位能(CAPE)、K指數(shù)、沙氏指數(shù)(SI)、能量螺旋度(EHI)、抬升指數(shù)(LI)和Δθse850-500。表5中給出了不同雨強下北京探空站各熱力不穩(wěn)定參數(shù)，從中可見，當雨強為20-40 mm·h-1時，CAPE值的平均強度不足1000 J·kg-1，EHI為365.3 J·m·kg-1·s-2·10-4，但雨強達到40 mm·h-1時，CAPE值躍增至2573.7 J·kg-1，EHI達到1355.9 J·m·kg-1·s-2·10-4，同時Δθse850-500和LI也有4-7 ℃的上升。可見，較大降雨強度的形成不僅與動力條件有關(guān)，還與熱力不穩(wěn)定環(huán)境有著密切關(guān)系，高指數(shù)與大的雨強有著非常好的對應(yīng)關(guān)系。

表5 北京探空站大氣熱力不穩(wěn)定參數(shù)

3 典型個例分析

3.1 降水概況

2015年7月18日凌晨開始，廊坊全市陸續(xù)出現(xiàn)降雨天氣，17日20時—18日20時的累計雨量最大地區(qū)位于中南部的霸州，達到81.0 mm，另有固安和永清兩縣也達到暴雨量級，雨量分別為55.4 mm和50.3 mm，北部和南部地區(qū)普遍在7～19 mm，最大、最小雨量差值達到73.1 mm，強降雨出現(xiàn)在02-03時，最大雨強達到66.6 mm·h-1(圖略)。

3.2 天氣形勢演變

從高空500 hPa形勢場來看(圖3a、b)，17日08時在蒙古南部形成閉合低渦中心，其南部在我國境內(nèi)河套地區(qū)有深厚的低槽配合，河北處槽前西南氣流中，南亞高壓呈西部型，中心位于青藏高原，副熱帶高壓退居海上；20時南亞高壓北部脊略微北抬，副熱帶高壓位置穩(wěn)定，阻擋冷渦低槽東移，使其在河套至華北地區(qū)較長時間維持，有利于700 hPa以下西南風攜帶暖濕氣流不斷為華北中部輸送水汽。08時地面形勢圖上可以看到(圖3c)，華北北部至東北有弱高壓系統(tǒng)，廊坊位于其南部，到20時高壓南壓，回流形勢的建立和維持使近地層冷空氣墊形成(圖3d)，暖濕氣流不斷爬升，在700 hPa和850 hPa低空切變的觸發(fā)下突發(fā)短時強降雨。

圖3 2015年7月17 日500 hPa高度場和地面形勢場

3.3 風的垂直分布特征

風向風速隨時間和空間的變化可直接或間接反映天氣系統(tǒng)的活動情況[24]。水平、垂直風切變，以及西南低空急流的形成和維持，對短期強降水的發(fā)生起著至關(guān)重要的作用。

在此次天氣過程中，18日01:30后700-1500 m高度上偏東風風速由2～4 m·s-1突增至30 m·s-1以上(圖 4a)，同時垂直風切變指數(shù)由0.02～0.05 s-1增至0.07 s-1左右(圖 4b)。此后垂直風切變指數(shù)繼續(xù)增大，02:00-03:30低空風切變指數(shù)維持在較高水平，大多時段達到0.1～0.2 s-1，幾乎同時，2000 m以下出現(xiàn)明顯的西南風低空急流和超低空急流，1500 m(約850 hPa)高度最大西南風風速達到31.6 m·s-1。02:42后低空急流指數(shù)出現(xiàn)持續(xù)增長(圖 4b)，在03:18達到極值79.2 m·s-1·km-1。隨后開始逐漸減小，03:40后低空風切變指數(shù)也迅速降至0.03 s-1以下。對比強降水發(fā)生時段可清晰看到，西南風低空急流指數(shù)和垂直風切變指數(shù)均在雨強增大前30-60 min出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，也就是說強盛暖濕氣流的輸送既為降雨區(qū)提供了必備的水汽條件，也使大氣不穩(wěn)定能量增強，引發(fā)對流性天氣的產(chǎn)生，同時垂直風切變的加強為降雨強度增大創(chuàng)造了優(yōu)越的動力條件。

圖4 2015年7月18日垂直風廓線(a)、低空風切變指數(shù)和急流指數(shù)(b)隨時間的變化

3.4 垂直氣流

通常情況下，上升氣流出現(xiàn)時刻早于強降水發(fā)生時刻，表明西南氣流攜帶的水汽和能量開始在降水地區(qū)被強迫抬升，直至降水開始后下沉氣流占據(jù)絕對主導(dǎo)地位[25]，可見，垂直氣流與強降水的產(chǎn)生有著密不可分的關(guān)系。圖5中給出了垂直速度隨時間和高度的分布，可以看出，01:30左右時500-3500 m高度已轉(zhuǎn)為上升氣流，強度較弱，僅-0.2～-0.1 m·s-1。此時距短時強降水開始約90 min。隨后上升氣流高度逐漸抬升，到02:30升至1500-6500 m，最大強度-0.4 m·s-1，垂直厚度達到5000 m左右。在此后的約30 min內(nèi)，上升氣流的高度下降至660 m，伸展厚度和強度維持。03:00，上升氣流強度減小，且厚度迅速減至1000 m，隨后30 min內(nèi)整層大氣轉(zhuǎn)為一致下沉氣流，在強降水出現(xiàn)的1 h內(nèi)最大下沉速度達到6 m·s-1。

圖5 垂直速度隨時間和高度分布

4 結(jié) 論

(1)2015年廊坊的短時強降水出現(xiàn)在5-9月，其中7月和8月占全年強降水發(fā)生站次的85.7%；日變化特征為03-04時和14-18時是最易出現(xiàn)短時強降水的兩個時段，其次為08-09時，即午后至傍晚和后半夜是廊坊短時強降水的高發(fā)時段。

(2)在廊坊的短時強降水過程中，低空急流早于強降水6～114 min出現(xiàn)，平均提前量約為46 min；在強降水發(fā)生的1 h內(nèi)，低空急流逐漸減弱，并且在強降水結(jié)束后迅速消失。

(3)低空風切變的增強要早于強降水的出現(xiàn)。強降水開始前1 h，低空風切變指數(shù)已普遍增大至0.050～0.100 s-1，部分時段強度可達0.139 s-1，達到了中等強度風切變；強降水開始后，低空風切變強度仍維持在較高水平，1 h平均強度為0.080 s-1；強降水結(jié)束后，切變指數(shù)迅速降低。

(4)上升氣流早于強降水發(fā)生前約90 min出現(xiàn)，表明西南氣流攜帶的水汽和能量開始在降水地區(qū)被強迫抬升，此后的約30 min上升氣流達到最強盛，在強降水開始前60 min內(nèi)上升氣流高度抬升，厚度減小，強度迅速減小，降水開始后下沉氣流占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。