豫北一次强降水过程的多尺度诊断

李改琴，杜丽娅，赵海青，许庆娥，吴丽敏，王 聪

(1.河南省濮阳市气象局，河南 濮阳 457000； 2.河南省郑州市气象局，河南 郑州 450005)



豫北一次强降水过程的多尺度诊断

李改琴1，杜丽娅1，赵海青2，许庆娥1，吴丽敏1，王 聪1

(1.河南省濮阳市气象局，河南 濮阳 457000； 2.河南省郑州市气象局，河南 郑州 450005)

2013年7月8日河南濮阳发生强降水天气，利用常规天气观测资料、NECP再分析资料、地面自动站加密资料、卫星云图和天气雷达产品，诊断此次强降水过程产生的原因及中尺度特征。分析表明：(1)此过程属切变线暴雨过程，高空低槽东移、副热带高压加强北上、西南暖湿气流加强、中低层切变线和地面倒槽发展是强降水过程的环流特征。强降水发生在大气层结不稳定区域，低层水汽充沛，有低层强辐合、高层强辐散的环境场特征。降水中心位于中低层“人”字型切变顶端右侧暖切变线附近、地面倒槽顶端冷暖空气气旋性辐合最强区域；(2)沿倒槽辐合线强烈发展的β中尺度的对流云团东北移与濮阳周围发展的对流云团合并加强，形成较强的中α尺度的对流系统(MCS)，对流性强降水落区处于MCS的前端对流发展旺盛区及附近，此处云顶亮温(TBB)值达到最低(203 K)；(3)多普勒雷达回波图上，多条中尺度回波短带汇合加强，形成“人”字型带状回波北抬，与濮阳附近发展的对流回波合并加强，强回波在濮阳当地打转滞留，造成强降水；径向速度图上，低层较大的东南风入流和中层大范围强盛的西南风入流在雷达站周围形成中小尺度的强旋转辐合风场，使对流上升运动增强，造成极端对流性强降水。同时此处也是地面中小尺度的气旋性辐合处。

强降水；切变线；低空急流；中尺度对流系统；地面倒槽

引 言

濮阳市位于河南省的东北部，在冀、鲁、豫三省交界处，夏季强降水多发。强降水具有突发性强、雨强大、预报难度大等特点，对农业、交通和人民生命财产等造成严重影响和较大损失。多年来，国内外气象学者对强降水的成因进行了大量研究[1-12]，随着人们对强降水发展机理认识的加深，强降水中尺度研究取得进展，如陶祖钰[13]和郑永光[14]等分别对全国1995年、黄海以及其周边地区1993—1996年的α中尺度对流系统进行普查分析，揭示出我国部分区域中尺度对流系统的时空演变特征；廖移山等[15]对2007年7月18日济南大暴雨进行β中尺度分析，揭示出地面β中尺度气旋新生发展的一种物理机制。强降水的发生与物理量和对流参数有密切关系，杨诗芳等[16]分析发现，短时强降水时大气层结不稳定，各个大气对流参数场中心与短时强降水中心对应较好；王珏等[17]利用中尺度数值模式产品建立了暴雨落区潜势预报；陈秋萍等[18]分析了福建北部前汛期短时强降水的时空分布及雷达回波特征；徐双柱等[19]在对武汉暴雨卫星云图和雷达回波特征及中尺度系统活动归纳总结的基础上，建立了武汉城区暴雨短时预报概念模型；金巍等[20]利用多普勒速度资料分析强降水的发生与低空急流加强的关系。

河南北部盛夏处于副热带高压西北边缘，对流性暴雨多发，预报难度大，但针对豫北强降水的分析文献较少。本文利用常规天气观测资料、NECP1°×1°再分析资料、地面自动站加密资料、红外云图和TBB产品以及郑州、濮阳两部新一代天气雷达产品，综合诊断2013年7月8日豫北强降水过程的大尺度环流背景场、热力动力抬升条件及强降水系统的中尺度特征等，以期为豫北强降水的预报提供参考依据。

1 资 料

此次强降水于2013年7月8日20:00(北京时，下同)前后开始，背景场分析资料选取8日20:00的常规观测资料；8日14:00和20:00的1°×1°NECP再分析物理量场资料用于强降水的强度和落区诊断，FY-2E红外云图和云顶亮温产品用于追踪α、β中尺度对流系统的发生、发展及造成的短时强降水，采用Orlanski[21]对中尺度对流系统(MCS)的划分标准，即按尺度大小将MCS划分为MαCS、MβCS和MγCS，水平尺度分别为200～2 000 km、20～200 km和2～20 km。由于这次强降水天气发生在濮阳雷达站静椎区附近，回波强度失真，但风场特征较明显，所以应用郑州CIN/SA雷达探测的风暴回波强度数据、濮阳CIN/SB雷达的径向速度场资料对这次强降水过程进行分析。区域地面加密自动站资料用于分析地面中小尺度气旋和辐合系统的发展。濮阳市地理位置为：东经114°52′—116°5′，北纬35°20′—36°12′。

2 过程概况

2013年7月8日夜间，河南北部、河北南部和山东西部，自西南向东北出现了一次强降水过程(图1a)，河南东北部的濮阳全市普降暴雨，局部大暴雨，24 h内100 mm以上乡镇雨量站点8个，50～100 mm站点15个。降水最强区域为濮阳市区、濮阳县、范县和台前县南部，强降水主要集中在8日20:00—23:00，过程出现短历时强降水，濮阳县出现短时大风，濮阳市区雷达站1 h(20:00—21:00)降水量达88 mm(图1b)，濮阳县2 h(20:00—22:00)降水量达77.2 mm，20:49出现18.2 m·s-1的NWW大风，范县陆集1 h(21:00—22:00)降水量达81.3 mm。

3 环流背景场及物理量场诊断

3.1 有利的天气尺度系统和大气环境条件

强降水都是在一定的环流背景下受天气尺度系统影响，由中尺度系统直接产生，这次强降水过程主要受天气尺度系统的500 hPa低压槽、中低层切变线和地面倒槽的共同影响。8日20:00，暴雨开始前，500 hPa西太平洋副热带高压增强西北抬，高原东侧有低槽东移，濮阳市处于副热带高压边沿西北侧和槽前较强的西南气流里；700 hPa，北京—延安—华亭有一条西南—东北向的大尺度深厚冷切变线，由于副高的阻挡东移缓慢，冷切变线右侧有>8 m·s-1的较强西南气流向东北输送，为濮阳的强降水提供了充足的水汽条件；850 hPa上有一“人”字型切变线(图2a)，由东北—西南的冷切变线和西北—东南的暖切变线连接组成，其结合处气旋性辐合明显，容易产生对流性强天气，濮阳市处于“人”字型切变东侧暖切变线附近，且有一支西南低空急流在暖切变线附近辐合并气旋性弯曲，为濮阳暴雨区输送了丰富的水汽和能量，同时增强了暴雨区的不稳定；地面上为一西南—东北向的深厚低压倒槽，后部为一弱冷锋，濮阳位于冷锋前倒槽顶部气旋性曲率较大处，随着弱冷锋的东南移，锋后弱冷空气侵入暖湿空气中触发对流性强降水。濮阳大暴雨发生在850 hPa“人”字型切变靠近暖切变线附近、地面倒槽顶部冷暖空气交汇处、低空急流左前方。

图1 2013年7月8日08:00—9日08:00降水量(单位：mm)空间分布(▲为濮阳雷达站,双黑线为河南省省界线)(a)和濮阳雷达站8日20:00—9日01:00小时降水量(b)

图2 2015年7月8日20:00 850 hPa风场(单位：m·s-1, ▲为濮阳，∥为切变线)(a)和邢台站T-lnP图(b) (棕色线为状态曲线；蓝色线为层结曲线；绿色线为露点线)

利用离濮阳较近的邢台站探空资料分析濮阳强降水的环境场特征(图2b)。8日20:00，邢台的CAPE值为1 999 J·kg-1，不稳定能量较大；湿层深厚，特别是850 hPa以下空气接近饱和，有利于暴雨形成；在850～700 hPa、500～600 hPa有2段相对干层，使气层不稳定，有利于较强对流发展；925 hPa上有8 m·s-1东北风，说明低层冷空气的抬升作用明显，风随高度顺转，说明暖平流强盛，0 ℃层高度5.5 km，暖层深厚，不宜形成冰雹，有利于暴雨产生。

3.2 物理量场特征

利用2013年7月8日14:00、20:00的1°×1°NECP再分析资料中的散度、水汽通量、水汽通量散度、假相当位温物理量场，分析濮阳强降水发生的动力、水汽及不稳定条件变化特征。

从散度场(图3)来看，8日14:00，过程前6 h，200 hPa散度场从西南到东北为一负值区，濮阳上空散度值为-9×10-5s-1，西侧为正值中心区，20:00正值区东移，濮阳处于3×10-5s-1正值中心区，高空辐散抽吸作用明显增强，有利于低层暖湿空气的辐合上升运动；低空850 hPa散度从14:00的0×10-5s-1减小到20:00的-2×10-5s-1，辐合作用明显增强。

从沿35°N的水汽通量剖面看出，14:00(图4a)，水汽通量大值中心位于濮阳上空115°E的850 hPa附近，最大值为9×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1；20:00(图4b)，随着低空急流水汽输送增强，水汽通量大值中心在濮阳上空达到18×10-3g·cm-1·hPa-1·s-1，增大近一倍，范围明显扩大和下移，低层水汽的增强有利于强降水天气的发生发展。从850 hPa 20:00的水汽通量散度场(图4c)可以看出，濮阳为较强的水汽辐合区，水汽通量散度为-4×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，为对流性强降水的发生提供了充足的水汽条件。

从沿115°E的假相当位温剖面(图4d)可以看出，34°N—36°N的濮阳上空，假相当位温随高度增加而递减，且在800 hPa附近存在垂直方向上的能量锋区，可见气层不稳定性较强，有利于对流性强降水的发生。

4 暴雨云团中尺度特征

利用FY-2E红外云图和TBB产品，分析强降水过程中尺度对流云团和MCS的发生发展及与强降水形成的关系。TBB是云顶黑体亮温，TBB越低，对应的云顶越高，对流越旺盛，通常TBB<-32 ℃(241 K)的区域为对流活跃区；TBB<-52 ℃(221 K)的区域为强对流活跃区。濮阳强降水发生在MCS中TBB<-52 ℃的强对流活跃区中，TBB最小达到-70 ℃(203 K)，可见对流发展特别旺盛。

河南省对流性暴雨多发生于MCS的形成发展期，概率达82%[22]。濮阳这次强降水过程，从FY-2E红外云图(图5)看出，由沿强盛西南气流东北移的中尺度对流云团b和c，与沿东南气流西北移的中尺度对流云团d在濮阳汇合加强成中α尺度的MCS，强降水中心处于MCS的前端对流发展旺盛区及附近，此处TBB最低达到203 K。MCS从生成到解体持续5 h，它的旺盛区在濮阳境内滞留3 h，造成濮阳地区对流性强降水天气。

图3 2013年7月8日200 hPa(a,b)和850 hPa(c,d)14:00(a,c)及20:00(b，d)散度场(单位：10-5s-1，▲代表濮阳)

图4 2013年7月8日14:00(a)、20:00(b)沿35°N的水汽通量(单位：10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1) 经度—高度剖面，20:00 850 hPa水汽通量散度(单位：10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1)分布(c)和沿115°E的假相当位温(单位：K)纬度—高度剖面(d)

图5 2013年7月8日红外云图和TBB(等值线，单位：K)演变(a)18:00, (b)19:00, (c)20:00, (d)21:00, (e)22:00, (f)23:00(圆点处是濮阳位置)

强烈发展的中尺度对流云团产生对流性强降水，18:00(图5a)，洛阳和郑州附近分别有2个中β尺度对流云团a和b；19:00(图5b)，a云团减弱东南移，b云团强烈发展，范围增大，云顶最大亮温接近220 K，此时濮阳西南侧和东南侧分别有c、d中β尺度对流云团；到20:00(图5c)，强烈发展的b、c云团相连并向北移动逼近濮阳地区。19:00—20:00，b云团在新乡辉县造成36 mm·h-1的强降水，c云团在滑县造成42 mm·h-1强降水。20:30(图略)，d云团发展并向西北移动与c云团相连，b、c、d云团合并成椭圆形的中α尺度MCS，濮阳位于它前端云顶亮温最低的白亮区，对流发展旺盛，半个小时濮阳雷达站、市水厂出现30 mm以上强降水；强降水一直持续到21:00，此时MCS仍很强，濮阳雷达站最低亮温值为203 K(图5d)，1 h降水达88 mm，市水厂70 mm；22:00，MCS缓慢东北移(图5e)，云顶亮温最低的白亮区移经濮阳东北部，造成范县、台前强降水，范县陆集1 h降水量达81.3 mm；23:00(图5f)，MCS的主体云系减弱缓慢东北移，云顶亮温最低的白亮区消失，但MCS仍有一定强度，云顶亮温TBB<-52 ℃，继续造成濮阳东北部、山东西部和河北南部的多个暴雨点；到9日00:30，MCS移出濮阳并减弱解体成2个中β尺度云团并沿黄河东北移，沿途也造成多个暴雨点。

5 新一代雷达产品暴雨中尺度系统特征

5.1 雷达回波特征

几个中β尺度的强对流回波团组成的“人”字型回波带向东北移动，通过发展、合并、加强滞留，造成濮阳对流性强降水。

图6为郑州雷达站7月8日0.5°仰角19:00—21:30的雷达反射率因子演变。8日19:00(图6a)，雷达站东北方向存在多个强的中β尺度对流性回波团，最大回波强度>50 dBZ；19:30(图6b)，回波团逐渐发展合并成中β尺度“人”字型回波带，向濮阳汇合，同时位于濮阳东南部的对流回波团往西北移向濮阳雷达站，20:00两个方向的回波在雷达站汇合加强；20:00—21:00(图6c、图6d、图6e)，强回波加强滞留，缓慢经过濮阳市，造成强降水；21:30(图6f)，强回波带减弱，部分西北移造成北部邯郸的强降水，部分东北移造成濮阳东北部范县的强降水。

图6 2013年7月8日郑州雷达0.5°仰角回波强度演变(单位：dBZ，△代表濮阳雷达站，□代表市水厂，距离圈间距50 km)(a)19:00, (b)19:30, (c)20:00, (d)20:30, (e)21:00, (f)21:30

5.2 雷达径向速度场特征

王福侠等[23]指出中尺度辐合是大范围暴雨、区域暴雨和局地暴雨共有的速度特征和主要的中小尺度影响系统。濮阳这次强降水的形成不仅有明显的大尺度切变辐合存在，在濮阳雷达径向速度图上也表现出明显的中小尺度辐合旋转特征。

图7为濮阳雷达站2013年7月8日1.5°仰角20:16—21:10的风暴平均径向速度演变。大范围强盛的中低层西南风与东南风入流在雷达站形成中尺度的辐合旋转风场，造成雷达站及其周围强降水。

20:16(图7a)，雷达站周围中低层有大范围的偏南风入流，并存在中低层入流大风区，最大径向速度为24 m·s-1，在雷达站附近形成中小尺度的辐合系统，有利于对流性强降水的产生，且雷达站低层为较大的东南风入流，中高层为西南风，风随高度顺转90°，低层风切变大，这是造成强对流性风暴的风场特征；20:34(图7b)，雷达径向速度场上西南风入流依然强盛，且低层风场入流面积大于出流面积，风场仍为辐合风场，低层出现偏北风入流，风随高度逆转，有冷平流侵入，为强对流降水的产生提供了动力抬升条件，此时雷达站出现30 min 36 mm的强降水；20:52(图7c)，中低空较强的西南气流入流仍然存在，水汽输送条件仍较好，只是大风区范围明显减小，出流范围开始增大，说明辐合风场减弱，此时雷达站1 h降水量接近88 mm；21:10(图7d)，大风区消失，西南入流减弱，雷达站低层入流面积小于出流面积，风场成为辐散风场，此时雷达站已不在辐合区内，雷达站降水开始减弱。

6 强降水的地面区域风场特征

这次强降水过程在濮阳区域地面图上存在明显的中尺度辐合系统和气旋性系统，2013年7月8日19:52(图8a)，濮阳市区受倒槽东北侧东南风控制。在市水厂出现12 m·s-1的较大东南风，它的前侧为风速辐合区，雷达站处于风速辐合区内，但辐合区内无降水，辐合地面风场对于强降水预报有一定指示意义。辐合风场有利于中小尺度对流风暴的生成和加强；20:22(图8b)，随着低层冷空气的侵入和降水的出现，雷达站风场转为6 m·s-1的东北风，雷达站东侧形成东北—西南向的中尺度风向辐合线，风场呈气旋性旋转辐合，此时地面出现强降水；20:42(图8c)，雷达站、市水厂出现40 mm以上降水，雷达站转偏北风，东南侧为中尺度辐合线抬升暖湿气流，造成较强降水，到21:00雷达站1 h降水达88 mm，市水厂达70 mm，辐合线继续东移到市区东侧和濮阳县之间，说明地面中小尺度辐合线在短时强降水过程中发挥了较大的触发和加强作用。

图7 2013年7月8日濮阳雷达1.5°仰角风暴径向速度场(单位：m·s-1) (a)20:16, (b)20:34, (c)20:52, (d)21:10(距离圈间距50 km)

图8 2013年7月8日19:52(a)、20:22(b)和20:42(c)濮阳区域地面 风场(单位：m·s-1)、气温(单位：℃)及降水量(单位：mm) (双实线为辐合线，△为雷达站，□为市水厂，红色数字是气温，黑色数字是降水量)

7 结 论

(1)这次切变线暴雨过程，高空低槽与中低层的切变线及地面倒槽构成深厚的大尺度对流系统，为中尺度对流性强降水的发生提供了有利的大尺度背景场；西南低空急流为暴雨发生提供了充沛的水汽和能量；低层冷锋后冷空气侵袭倒槽，使倒槽内中小尺度的辐合系统和气旋性系统强烈发展，触发对流性强降水。强降水中心位于中低层“人”字形切变顶端右侧暖切变线附近、地面倒槽顶端冷暖空气气旋性辐合最强区域。

(2)辐合上升动力作用的加强、低层水汽的迅速增加、对流不稳定性的增强，为对流性强降水的发生提供了可能。

(3)沿倒槽辐合线强烈发展的中β尺度对流云团东北移与濮阳周围发展的对流云团合并加强，形成较强的中α尺度对流系统(MCS)，濮阳强降水落区处于MCS的前端对流发展旺盛区及附近，此处云顶亮温TBB出现203 K的低值。

(4)多条中尺度对流回波短带汇合加强，形成“人”字型回波带北抬，与濮阳附近发展的对流回波带合并加强，强回波在濮阳当地打转滞留，缓慢东移，造成当地强降水。

(5)低层较大的东南风入流和中低层大范围强盛的西南风入流在雷达站周围形成中小尺度的强旋转辐合风场，对流上升运动增强，造成极端对流性强降水。

(6)地面中小尺度气旋性辐合系统对濮阳对流性强降水具有触发和加强作用。

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Multi-scale Diagnosis of a Strong Precipitation Process in the North of He’nan

LI Gaiqin1, DU Liya1, ZHAO Haiqing2, XU Qinge1, WU Limin1, WANG Cong1

(1.PuyangMeteorologicalBureauofHe’nanProvince,Puyang457000，China;2.ZhengzhouMeteorologicalBureauofHe’nanProvince,Zhengzhou450005，China)

A strong precipitation process occurred on 8 July 2013 in Puyang of He’nan. By using conventional observation data, NCEP reanalysis data, automatic meteorological station data, satellite cloud images and Doppler weather radar data, the meso-scale characteristics and the causes of this strong rainfall were diagnosed and analyzed. Results are as follows: (1)It was a shear line storm process. The high-level trough moving eastward, subtropical high strengthening and moving northward, southwest warm moist flow strengthening, shear line at the low and middle levels and surface inverted trough developing were circulation characteristics. Heavy precipitation occurred in the unstable atmosphere, at the same time, its environmental field characteristics were low-level plenty vapor and severe convergence and high-level severe divergence. Heavy rain center occurred near the warm shear line on the top of “人” shaped shear at low-middle level, and the cold and warm air cyclonic strongest convergence region on the top of surface inverted trough. (2)On cloud pictures,β-scale convective clouds developing strongly along the convergence line of surface inverted trough moved northward and merged the local convective clouds over Puyang into α-scale MCS, and the convective strong precipitation area located in the strong convective region and nearby the front of the MCS. Here the lowest TBB reached 203 K. (3)On radar pictures, multiple mesoscale short band echoes merged into strong vortex zonal banded echo and moved northward. This banded echo and convective echo near Puyang merged into strong echoes, which rounded and stranded over Puyang, and the strong precipitation formed. Low-level southeast inflow and middle-level large strong southwest inflow formed strong mesoscale convergence rotating wind field around radar station, which increased updraft movement and formed extreme convective strong precipitation.

strong rainfall; shear line; low level jet; MCS; surface inverted trough

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0828

2015-11-06；改回日期：2016-03-06

李改琴(1966-)，女，高级工程师，主要从事暴雨及强对流天气研究. E-mail:pysligaiqin@163.com

1006-7639(2016)-05-0828-08 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0828

P458.1+21

A

李改琴，杜丽娅，赵海青，等.豫北一次强降水过程的多尺度诊断[J].干旱气象，2016，34(5)：828-835, [LI Gaiqin, DU Liya, ZHAO Haiqing, et al. Multi-scale Diagnosis of a Strong Precipitation Process in the North of He’nan[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):828-835],