張璞

摘 要：本文運用常規(guī)天氣資料及NCEP1°×1°間隔6h再分析資料，采取天氣學診斷方法，從大尺度環(huán)流背景、中尺度環(huán)境條件、物理量場及垂直螺旋度等方面分析2015年8月31日發(fā)生在華北地區(qū)的一次區(qū)域性暴雨天氣過程，總結(jié)這次暴雨過程的形成機制，為類似形勢暴雨的預報提供有利的依據(jù)。結(jié)果表明：東高西低的環(huán)境背景形勢下，副熱帶高壓的強盛使得上游系統(tǒng)維持，貝加爾湖暖脊的發(fā)展導致東北低渦的南落是此次暴雨的發(fā)生背景。中層冷空氣的入侵及低層暖濕氣流的輸送促使不穩(wěn)定能量釋放，觸發(fā)了短時強降水等強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。水汽通量大值區(qū)和其輻合中心的疊加區(qū)域與暴雨落區(qū)有著很好的對應關(guān)系。高層輻散、低層輻合的抽吸耦合作用使得上升運動加強，為此次暴雨過程提供了充足的動力條件。假相當位溫可以有效判定暴雨發(fā)生時段大氣的穩(wěn)定度，進一步判斷暴雨發(fā)生時段與落區(qū)。低層垂直螺旋度正中心大值區(qū)對強降水落區(qū)及強度的判斷有著很好的指示意義。

關(guān)鍵詞：暴雨；華北；低渦；垂直螺旋度

中圖分類號：P458.121.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0153-04

Synoptic Diagnosis of a Rainstorm Event on August 31 2015 in North China

ZHANG Pu

（Hebi Meteorological Bureau，Hebi Henan 458000）

Abstract： Using the conventional weather data and the NCEP1 / 1 degree interval 6h reanalysis data， the synoptic diagnosis method was adopted to analyze a regional storm weather process in North China from the large scale circulation background， the mesoscale environment conditions， the physical quantity field and the vertical helicity， and summarized the rainstorm process in August 31， 2015. The formation mechanism provided a favorable basis for the forecast of similar situation rainstorm. The results showed thatwith the topographical characteristics of higher east than west in North China， this rainstorm event was laid out as the strong subtropical high maintained upstream weather systems and the northeast vortex moved southwards due to the development of a warm ridge at Lake Baikal. The intrusion of mid-level cold air and moisture transport from warm humid low-level draft facilitated the release of unstable energy and triggered severe convective weather such as short-time heavy rainfall. The intersection area of the high moisture flux zone and the convergence center corresponded well with the rainstorm area. The coupling of upper-level divergence and low-level convergence induced strong upward motions， providing the rainstorm with sufficient dynamic conditions. Pseudo-equivalent potential temperature can be employed to effectively determine the atmospheric stability and the occurrence time and area of the rainstorm. The center of large low-level vertical helicity area plays an important role in determining the heavy rainfall zone and estimating the rainfall intensity.

Keywords： rainstorm；north China；vortex；verticalhelicity

暴雨是我國主要災害性天氣之一，大范圍的連續(xù)暴雨或特大暴雨會引發(fā)一些地質(zhì)災害，造成山洪暴發(fā)、城市內(nèi)澇，對社會和人民群眾造成嚴重的生命財產(chǎn)損失。因此，對暴雨的預報分析具有十分重要的意義。陶詩言提出，暴雨是各級尺度天氣系統(tǒng)作用的結(jié)果，大尺度環(huán)流為暴雨產(chǎn)生提供背景場，中尺度天氣系統(tǒng)則是暴雨的制造者。中尺度天氣系統(tǒng)對暴雨產(chǎn)生的作用主要有兩個：一是直接作用產(chǎn)生暴雨；二是中尺度天氣系統(tǒng)對積云對流活動的發(fā)展有明顯的組織和增強作用，是造成暴雨的直接影響系統(tǒng)[1]。不同學者針對不同地區(qū)、不同類型的暴雨分別進行研究。例如，施望之[2]等對湖北兩次區(qū)域暴雨進行對比分析，慕建利[3]等對華南連續(xù)性暴雨進行研究。華北暴雨主要發(fā)生在7—8月，具有降水強度大、持續(xù)時間短、局地性強以及降水時段集中等特點。本文利用常規(guī)觀測資料以及NCEP1°×1°間隔6h再分析資料，對2015年8月30日華北及周邊區(qū)域出現(xiàn)的暴雨、局地大暴雨天氣進行分析診斷，進一步探討大暴雨形成過程中物理量的演變特征及其在暴雨落區(qū)預報中的指示意義，從而為暴雨及降水落區(qū)預報提供有利依據(jù)。

1 天氣概述

2015年8月30日到9月1日，受高空冷渦、低空切變線的共同影響，華北地區(qū)及河南、山東部分地區(qū)出現(xiàn)了暴雨、局部大暴雨的天氣過程，降水落區(qū)分散性較強，呈東北、西南走向的帶狀分布，影響河北、河南、山東及天津等地。31日24h降水量最大的站點是滄州站，為200.7mm，達到大暴雨量級（圖1中標記位置）。同時，周邊還有2個站點降水量均突破100mm。此次暴雨過程，多地均出現(xiàn)短時大風、冰雹以及雷暴等災害性天氣，個別地區(qū)出現(xiàn)洪澇，影響范圍廣，程度大。

2 環(huán)流形勢分析

2.1 環(huán)流背景

此次暴雨過程是在典型的東高西低的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的。此次暴雨過程發(fā)生前，500hPa上中高緯呈兩槽兩脊型。副熱帶高壓強盛，蒙古到河套附近存在暖脊且不斷發(fā)展，東北一帶有冷渦與之配合，槽后脊前的偏北風引導冷空氣不斷南下。副熱帶高壓在西風帶的下游起到了明顯的阻擋作用，使得位于東北的冷渦維持時間較長，影響華北及周邊區(qū)域。

隨著系統(tǒng)的發(fā)展，位于貝加爾湖的暖脊不斷北伸發(fā)展。冷渦在東西兩個強勢的高壓系統(tǒng)間不斷南落。冷空氣的不斷入侵，斜壓性不斷增強。與此同時，低層的偏東氣流加強，不斷將渤海灣的水汽向華北地區(qū)輸送，使得華北地區(qū)的降水得以加強。

2.2 中尺度系統(tǒng)綜合分析

8月31日夜間，天津至滄州一帶是此次暴雨過程降水最集中的區(qū)域，根據(jù)中尺度分析圖（圖略）中能夠準確分析該時段中尺度系統(tǒng)觸發(fā)的原因。通過分析可知，河北南部至河南中部以及河北南部至山東北部從低層到高層均存在切變線，整片區(qū)域處于偏北與偏東、偏南氣流的強烈輻合區(qū)內(nèi)。850hPa與925hPa從渤海灣存在一條濕舌影響華北大部分地區(qū)。500hPa上存在溫度槽從河北延伸至安徽，而在850hPa與925hPa上存在溫度脊與之相配合。綜合以上高低空配置，可以看出，31日夜間，降水集中時段前，天津至滄州一帶處于強烈的輻合區(qū)內(nèi)，低層處于暖濕環(huán)境中，中高層伴隨著冷空氣的入侵，正是這種上干冷下暖濕的環(huán)境促使31日夜間短時強降水的加強，造成31日大暴雨的發(fā)生。

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件分析

水汽通量是表示水汽輸送強度的物理量，其大小反映了單位時間內(nèi)流經(jīng)某一單位面積的水汽質(zhì)量，其值越大，表示水汽輸送越強。水汽通量散度是表示單位時間匯入單位體積或從該體積輻散出的水汽量，其值為正表示有水氣流失，其值為負表示有水汽聚集。通過分析水汽通量散度可以得出水汽的輻合輻散，進而判斷水汽輸送的強弱及降水的落區(qū)，對降水量級有一定的指示意義。

通過分析圖2和圖3可知，降水集中時段前，31日20：00，850hPa河北至河南一線為水汽通量輻合帶，中心強度為10×10-8g/cm2·hPa·s，而此時的水汽通量較小，均在6g/cm·hPa·s。925hPa上也無明顯配合。1日02：00，兩層水汽通量與水汽通量散度均加強，到08：00達到最大。此時，850hPa上水汽通量散度中心達到21×10-8g/cm2·hPa·s，位于北京附近，與之配合的水汽通量均超過10g/cm·hPa·s，同時925hPa高度層上，水汽通量散度中心達到20×10-8g/cm2·hPa·s，位于滄州上空，與之配合的水汽通量均達到14g/cm·hPa·s。到1日14：00，滄州上空850hPa上轉(zhuǎn)為輻散，925hPa上仍存在輻合并有大的水汽通量配合，但降水已明顯減弱。

綜上所述，結(jié)合滄州站6h雨量變化圖（圖略）可以看出，水汽通量大值區(qū)與輻合中心的疊加區(qū)與強暴雨區(qū)有著很明顯的對應關(guān)系。深厚的水汽輸送與輻合是暴雨發(fā)生的一個主要條件。

3.2 動力條件分析

散度是反映大氣運動特征的基本物理量。分析暴雨過程中散度的特征，有助于了解輻散、輻合運動在本次突發(fā)性暴雨過程中所起的動力作用。合理的上下層配置有利于暴雨的產(chǎn)生，垂直運動對水汽、熱量和動量的輸送及天氣系統(tǒng)的發(fā)展起著極為重要的作用，強烈的上升運動則是形成暴雨的重要條件之一。對2015年8月30日08：00到9月1日07：00大暴雨區(qū)域（117°E，39°N）分別做散度與垂直速度的垂直時間剖面（見圖4）。

從散度的垂直時間剖面圖上可以看出，31日08：00—14：00為該區(qū)的一個較強降水時段，900～400hPa高度層為強輻合區(qū)，400hPa以上為強烈的輻散區(qū)。這種形勢場的配置有利于大氣抽吸作用的發(fā)揮，加強大氣的上升運動。隨著900hPa下輻散區(qū)的加強以及中層輻合區(qū)的減弱，31日14：00至1日02：00降水減弱。1日02：00至08：00，400hPa以下均轉(zhuǎn)為輻合區(qū)。輻合中心位于700hPa，中心強度達到3×10-5s-1；輻散中心位于250hPa，中心強度達到5×10-5s-1。隨著大氣的抽吸作用加劇，降水不斷增強，造成該時段的短時強降水。從垂直速度的剖面上可以看出很明顯的對應關(guān)系，31日08：00前后，200hPa以下均為上升運動，隨著低層輻散加強與中層輻合的減弱，600hPa以下出現(xiàn)很明顯的下沉氣流，中心強度為0.7×10-2hPa·s-1。到1日02：00，低層下沉氣流轉(zhuǎn)為上升，中心強度達到1.5×10-2hPa·s-1，與暴雨的產(chǎn)生有著良好的對應關(guān)系。

3.3 不穩(wěn)定能量分析

[θse]是一個表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合物理量，其可以分析大氣的熱力性質(zhì)，表征能量的強弱，其隨高度的變化可以表明大氣的穩(wěn)定度。[θse]場中的等值線密集區(qū)表示能量鋒區(qū)，有利于渦旋及暴雨的發(fā)生。圖5為暴雨發(fā)生前及暴雨發(fā)生時的假相當位溫的沿大暴雨區(qū)的緯向剖面圖。從圖5可以看出，暴雨發(fā)生前，暴雨區(qū)（117°E）上空的不穩(wěn)定能量非常弱，中低層均在327K左右。而暴雨發(fā)生時，500hPa上假相當位溫減小到322K。在850～700hPa上，存在很明顯的能量梯度，說明中層存在冷空氣入侵。這種上干冷下暖濕的結(jié)構(gòu)配置，存在明顯的斜壓性，有利于暴雨的產(chǎn)生。同時可以看出，116°—117°E區(qū)域為等值線密集區(qū)，是此次大暴雨發(fā)生的集中區(qū)域。

4 垂直螺旋度分析

垂直螺旋度是描述在垂直方向上垂直速度與旋轉(zhuǎn)程度的物理參數(shù)，反映了垂直方向上大氣的運動場特征，更好地解釋了垂直速度與垂直渦旋的配合情況。P坐標系下垂直螺旋度計算公式為：

[H=-?v?x-?u?yω=-ωζ] （1）

式中，[u]和[v]為水平風，[ω]為垂直速度，[ζ]為相對渦度。式（1）中，垂直螺旋度的意義在于：垂直速度[ω]<0時，渦度[ζ]>0，對應正的垂直螺旋度；反之，渦度[ζ]<0，對應負的垂直螺旋度。因此，若在有觸發(fā)機制的情況下出現(xiàn)低層正、高層負的垂直螺旋度配置形勢，就會使不穩(wěn)定能量釋放，利于降水的加強。

從1日02：00 700hPa垂直螺旋度與風場圖上可以看出（見圖6），在暴雨發(fā)生前，700hPa垂直螺旋度大值中心位于低渦東側(cè)，位于偏東風與偏北風的強輻合區(qū)，其強度達到120×10-6hPa·s-2。強垂直螺旋度影響區(qū)域小，僅存在于天津至滄州一帶，而該區(qū)域也是此次大暴雨降水落區(qū)?？梢姡渑c天氣系統(tǒng)的發(fā)展及強降水落區(qū)有著很好的對應關(guān)系。

圖7是沿大暴雨點（117°E，39°N）所做時間垂直剖面。從圖7可以看出，31日08：00至20：00暴雨發(fā)生前，700hPa以下為負的垂直螺旋度區(qū)，中心強度為-15×10-6hPa·s-2，高層存在一定強度的正垂直螺旋度區(qū)。在這種高低空配置下，由于低層的抑制作用，并不利于系統(tǒng)的發(fā)展，導致該時段并沒有強降水的發(fā)生。到1日02：00，低層轉(zhuǎn)為正的垂直螺旋度，同時700hPa上空出現(xiàn)強垂直螺旋度中心，達120×10-6hPa·s-2。此時，低渦強烈發(fā)展，低層垂直螺旋度隨之增強，1日08：00，850hPa產(chǎn)生強垂直螺旋度中心，中心值達130×10-6hPa·s-2。而這個時段正是該區(qū)域的強降水發(fā)生時間。之后垂直螺旋度減小，系統(tǒng)發(fā)展減弱，降水轉(zhuǎn)停。

綜上所述，低層的正垂直螺旋度中心與系統(tǒng)低渦系統(tǒng)的發(fā)展有著很好的對應關(guān)系，強中心的變化與移動能很好地指示降水落區(qū)與降水強度。從垂直螺旋度的垂直分布上還可以有效判別對流系統(tǒng)的發(fā)生與發(fā)展。

5 結(jié)論

①本次暴雨天氣過程是在典型的東高西低的環(huán)境場中產(chǎn)生的。副熱帶高壓的穩(wěn)定少動及貝加爾湖處的暖脊發(fā)展是背景條件。低渦與切變線是此次暴雨產(chǎn)生的主要影響系統(tǒng)，中層干冷空氣的入侵觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)是暴雨形成的直接原因。

②暴雨發(fā)生前，低層偏東風的加強與中層冷空氣的入侵為中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)提供了下暖濕上干冷的環(huán)境條件，是這次暴雨過程產(chǎn)生的誘導因素。

③水汽通量及其散度場等物理量對暴雨的發(fā)生有很好的指示意義，850hPa上水汽通量大值區(qū)與其輻合中心的疊加區(qū)域和暴雨區(qū)有著很好的對應關(guān)系，其演變可為暴雨的發(fā)生、發(fā)展及落區(qū)、時段預報提供有力的預報依據(jù)及著手點。

④高層輻散、低層輻合的上下層配置形成的抽吸作用使得垂直運動得以加強，對水汽、熱量、動量的輸送及天氣系統(tǒng)的發(fā)展起著極為重要的作用，有利于強降水的發(fā)生。

⑤假相當位溫的垂直分布對大氣的不穩(wěn)定度有著很好的指示意義，低層高能區(qū)的產(chǎn)生有利于短時強降水天氣的產(chǎn)生。假相當位溫等值線的密集區(qū)與中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生位置有著很好的對應關(guān)系。

⑥低層正垂直螺旋度大值區(qū)能反映低渦系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其中心強度的變化及位置能很好地指示降水落區(qū)與強度。

參考文獻：

[1]陶詩言.中國之暴雨[M].北京；科學出版社，1980.

[2]施望芝，張萍萍，吳濤，等.湖北省兩次區(qū)域性暴雨過程的對比分析[J].暴雨災害，2008（3）：219-224.

[3]慕建利，王建捷，李澤椿.2005年6月華南特大連續(xù)性暴雨的環(huán)境條件和中尺度擾動分析[J].氣象學報，2008（3）：437-451.