豫北2016年7月18—20日暴雨过程诊断分析

张启绍

摘要 利用常规观测资料、FNL1°×1°资料、区域站资料、卫星和新一代天气雷达等资料，对2016年7月18—20日豫北一次暴雨天气过程进行诊断分析。结果发现，此次暴雨发生在两高稳定对峙的环流形势下，中低层有低涡沿两高之间的切变线向北缓慢移动，地面有气旋生成北移，是一次典型的华北暴雨天气形势；此次过程太行山前、迎风坡上的降水明顯大于周边地区的降水；低层辐合、高层辐散，有利于对流不稳定的发展，低层辐合线是此次强降水过程的抬升触发条件之一；豫北中低层一直处于比湿场高值区中，低层水汽辐合明显且长时间维持，是此次暴雨过程的特点之一；暴雨云团在移入不稳定区域后均得到显著发展；“列车效应”，使得强降水长时间维持，是此次持续性暴雨出现的原因之一。

关键词 特大暴雨；副热带高压；列车效应；低涡

中图分类号：P458.121.1 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2018）05-019-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.05.009

暴雨是我国主要灾害性天气之一，长期受到气象工作者的高度关注，国内外的很多学者都对暴雨做了诸多研究[1-5]。暴雨是多种尺度天气系统相互作用的产物，它既可以是稳定性降水或者是对流性降水，也可以是两者相伴随发生。暴雨是在大的环流背景下，由中小尺度系统直接影响所致。强烈的上升运动、充沛的水汽供应和持续较长的时间是暴雨形成的3个条件。近年来关于暴雨的研究取得了较大的进展，支树林等[6]在利用中尺度分析方法研究南昌地区一次夜间发展起来的致灾大暴雨过程中发现，在水汽条件、上升运动条件满足的情况下，边界层内偏东气流的存在和风辐合加剧了降水回波的发展。陈玥等[7] 在对2007—2013年的5—9月长江中下游地区暖区暴雨进行分析中发现，暖区暴雨中短历时强降水贡献大， 冷锋背景下的暖区暴雨通常产生在锋前低压槽中。曹楚等[8]在对2013年“菲特”暴雨过程进行物理量场诊断分析时发现，当垂直运动大值区与低层θse高能区对应时，一般都有强降水发生，且与强降水落区有较好的对应性。刘璐等[9]分析发现在2012年7月21日北京特大暴雨过程中，较强的水平风的垂直切变可造成湿位涡的斜压分量异常， 从而导致条件性对称不稳定的产生。胡容等[10]在对重庆一次暴雨过程进行诊断分析时发现，水汽散度通量低值区和水汽螺旋度高值区与强降水区有很好的对应和时间相关性。豫北西部为太行山脉，东部为平原，西部山区地形复杂，夏季的暴雨及强降水极易造成山体滑坡、泥石流等地质灾害。笔者利用常规观测资料、新一代天气雷达资料、区域站资料和数值预报产品等对2016年7月18—20日出现的区域性暴雨天气过程进行了诊断分析，以期为今后类似的暴雨天气过程的预报提供一些参考依据。

1 天气实况

7月18日夜至20日，受低涡、切变线和地面气旋等系统的共同影响，河南北部出现了罕见的大暴雨、特大暴雨天气，强降雨主要出现在安阳县西部和林州（图1a）。此次过程豫北有超过40个区域站雨量在250 mm以上，有11个站点降雨量超过400 mm，最大过程降雨量出现在林州市东马鞍，为734 mm，超过林州市常年年平均降水量（649 mm），最大小时雨强出现在安阳县马家村，为137.8 mm（19日11：00—12：00）（图1b）。

2 资料与方法

利用Micaps常规观测资料、FNL1°×1°资料、区域站资料、新一代天气雷达和卫星资料，对此次过程的成因进行了诊断分析。对影响系统、探空资料、水汽条件、热力不稳定等方面进行综合分析，探讨此次暴雨天气过程的成因。

3 区域暴雨成因分析

3.1 环流背景分析

从500 hPa上可以看出，7月18日20：00（图2a）新疆高空附近存在一个明显的高压脊，位于西太平洋副热带高压稳定维持，渤海湾到东北为一高压脊，两高之间存在明显的切变线。从19日02：00（图2b）和08：00（图2c）来看，副高主体稳定维持，位于我国西部的大陆高压脊略有东移，且明显加强向蒙古国伸展，渤海湾到东北的高压脊加强发展，使得两高之间的切变加强，且东移受阻。到了19日14：00（图2d），从华北到西南地区均存在明显的切变线。因此从500 hPa上来看，控制系统的稳定维持，如果低层配合有中小系统的不断生成，将有利于区域性暴雨天气的出现，因此下文将会对中低层系统进行分析。

从700 hPa图上看（图3），19日08：00（图3a）在陕西附近有低涡生成，并且配合有切变线生成，切变线前存在明显的低空急流，低空急流的作用主要是向降水区输送水汽和不稳定能量，造成位势稳定，触发不稳定能量的释放，有利于暴雨的发生。到了19日14：00（图3b）低涡沿着切变线和高层引导气流略微向东北方向移动，低空急流明显加强，豫北处于低空急流出口区的左侧，这里存在正的切变涡度，辐合上升强烈，有利于暴雨在该区域出现。

19日14：00，850 hPa上（图4a）的低涡位置较700 hPa略微偏南，从风速来看，850 hPa的低空急流较700 hPa要强，并且出现了明显的偏东风扰动，从925 hPa（图4b）上看，已经出现了明显的偏东风急流，将东海的水汽向豫北输送，西南暖湿气流和东南暖湿气流的汇合，为暴雨区提供了充足的水汽。

地面图上（图5），19日14：00，河南境内黄河中段北部（113.1°E，35°N）形成了地面气旋波，且缓慢北上，到20：00位于新乡，到20日08：00位于邯郸，地面气旋是一个逐渐北上的过程。地面气旋的出现，加剧了辐合上升运动，雨强加强，对降水的增幅起了积极的作用。

综合以上分析，此次特大暴雨发生在两高稳定对峙的环流形势下，中低层有低涡沿两高之间的切变线向北缓慢移动，低空急流将水汽源源不断地输向雨区，地面有气旋生成并北移，是一次典型的华北暴雨天气形势。

3.2 探空资料分析

由郑州站探空资料分析（图6）可知，7月18日20：00（图6a）郑州站700 hPa到500 hPa湿度条件较差，存在明显干层，700 hPa以下湿度条件较好，低层湿、高层干的形势，层结不稳定，所以18日夜里、19日凌晨，豫沿黄河一带主要以对流天气为主，伴有短时强降水和雷暴大风，由于0℃层高度偏高，不利于冰雹天气的产生。19日08：00，受低渦切变影响，湿层变厚，以系统性降水为主。

对流有效位能（CAPE）是气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标。在探空图（图6）上，CAPE值正比于状态曲线（棕色实线）和层结曲线（蓝色实线）从自由对流高度（LFC）至平衡高度所围成的区域面积（即图6中红色区域）。18日20：00（图6a）CAPE值较大（1 731.6 J/kg），有较强的对流潜势，加上在低层湿层上存在中层干的现象，加剧了层结的不稳定，因此印证了上面的分析，18日以对流降水为主。而到19日08：00整层湿层变厚，CAPE变小，对流性降水逐渐转为系统性降水。

3.3 物理量诊断分析

暴雨除了满足一般的降水条件外，还必须满足充沛的水汽供应、强烈的上升运动、较长的持续时间3个要素，如果配合一定的不稳定能量，将更加有利于强降水的出现。降水持续时间长短，影响降水量的大小，持续时间长是区域连续性暴雨的重要条件，从上面的环流背景分析来看，两高稳定维持，使得两高之间的切变、低层低涡切变长时间维持、发展，使得中小系统在很长一段时间内不断影响，满足长时间维持这一要素，因此以下将从动力条件、不稳定能量、水汽条件等进行物理量诊断分析。

3.3.1 动力条件分析 降水过程的辐合抬升条件不可忽略，降水往往在一定的上升运动中才会发生，此次过程将重点对散度的分布情况、地面辐合线的位置以及地形的一些作用进行分析。

产生暴雨需要具备抬升触发机制和辐合上升运动条件。从（36°N，114°E）这个点散度的时间垂直剖面图（图7）上可以看出，从18日20：00到19日20：00，900 hPa左右均存在明显的负散度，并且负散度的绝对值是随时间逐渐增大的，到19日20：00 900 hPa这一层附近出现了一个负散度中心，其值为-15×10-5/s，而200 hPa左右出现了一个正散度中心，说明高层辐散。从19日11：00区域站风场（图8）上来看，在新乡西部到安阳西部有明显的地面辐合线，部分地区存在较大对头风辐合。低层辐合高层辐散，有利于对流不稳定的发展，低层辐合线是此次强降水过程的抬升触发条件之一，且此次过程位于辐合线附近的降水量明显大于周边地区。

河南西北部地处太行山东麓，地形西高东低，此次过程地面一直维持较强的偏东气流（图9），地形抬升偏东气流，有利于上升运动的加强，使得云层增厚，对降水的增幅起到积极作用，此次过程超过200 mm的降水恰好出现在太行山东麓。

3.3.2 不稳定能量条件分析 暴雨过程中大气往往不需要具备较大的层结不稳定和不稳定能量，但是在水汽条件较好和有一定触发机制的情况下，对流层中低层具有一定的不稳定层结、不稳定能量时，对暴雨的发生发展有较大的积极意义。此次过程，将重点分析假相当位温（Qse）和K指数的分布情况。

从18—19日36°N、114°E假相当位温的时间垂直剖面图上（图10）来看，此次过程中低层的假相当位温随高度减小，19日08：00—20：00这一现象尤为明显，说明此次过程一直存在对流性不稳定；从K指数分布（图11）情况来看，19日08：00（图11a）、20：00（图11b）河南北部地区K指数在34℃以上。综合考虑上述指标有利于河南北部地区产生短时强降水、暴雨和局地的雷暴等对流性天气。

3.3.3 水汽条件分析 水汽条件将从比湿和水汽通量散度2个物理量进行分析，因为除了相当高的比湿外，还必须有充分的水汽在降水区域辐合上升，只靠某一层的水汽含量或某一地区的大气柱中所含的水汽凝结下降量很小。

从850 hPa比湿场（图12a）可以看出，19日14：00，河南省北部地区850 hPa比湿大于14 g/kg，而在700 hPa上（图12b）比湿在10 g/kg以上，说明中低层湿度条件较好。除了相当高的比湿以外，还必须有充足的水汽供应，且在降水区辐合上升，才会出现强的降水。从18—19日36°N、114°E水汽通量散度时间垂直剖面图（图13a）和19日14：00 925 hPa水汽通量散度（图13b）上看，19日08：00—20：00中低层存在明显的水汽辐合，19日14：00—20：00 900 hPa附近维持一个-30×10-8 g/（cm2·hPa·s）的水汽通量散度中心。14：00 925 hPa上，豫北处于-14×10-8 g/（cm2·hPa·s）水汽通量散度中心。

从水汽条件分析来看，19日08：00—20：00豫北中低层一直处于高的比湿场中，低层水汽辐合明显且长时间维持，是此次暴雨过程的特点之一。

4 卫星云图分析

卫星云图可以检测到不同尺度系统的发生、发展，利用卫星云图可以识别不同的天气系统，确定它们的位置，估计其强度和发展趋势，为天气诊断分析提供了有利的手段。从上面形势分析、物理量诊断分析来看，此次过程豫北处在能量不稳定区域和水汽辐合区域。因此从卫星云图上看（图14），暴雨云团在移入不稳定区域后均得到发展。并且从图14c和图14d上可以看出，低层出现偏东风扰动后，出现了明显的西北东南向的对流云带，与原来已经存在的南北向云带在豫北结合后明显加强。

5 雷达回波分析

分析濮阳新一代天气雷达发现，从19日01：01基本反射率因子1.5°仰角上（图15a），在新乡到鹤壁存在2条回波带，回波最强52 dBz，其在向西北移动过程中合并加强（图15b），并且位于沿黄河一带的回波已经北移，且在河北南部出现了一些零散的对流回波。到了03：58（图15c）位于河北的回波加强发展成一回波带，于07：00南北两回波带合并加强。由于大尺度系统的稳定，造成回波带长时间维持，回波移入豫北不断加强，形成“列车效应”，使得强降水长时间维持，是此次持续性暴雨出现的原因之一。低层东南气流的加强后，从苏北到豫北出现了一西北东南向的强回波带（图15e），该回波带与东北西南向的回波带在豫北合并（图15f）后明显增强，使得豫北强降水得到进一步的发展。

6 结论和讨论

此次特大暴雨发生在两高稳定对峙的环流形势下，中低层有低涡沿两高之间的切变线向北缓慢移动，地面有气旋生成北移，是一次典型的华北暴雨天气形势。此次过程太行山前、迎风坡上的降水明显大于周边地区的降水。低层辐合、高层辐散，有利于对流不稳定的发展，低层辐合线是此次强降水过程的抬升触发条件之一。豫北中低层一直处于比湿场高值区中，低层水汽辐合明显且长时间维持，是此次暴雨过程的特点之一。暴雨云团在移入不稳定区域后均得到显著发展。“列车效应”，使得强降水长时间维持，是此次持续性暴雨出现的原因之一。此次过程降水效率高的原因没有展开分析，是否与此次过程伴有暖云性质的降水有关，值得进一步分析、讨论。

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责任编辑：郑丹丹