华北地区一次区域性暴雨天气分析

张璞

摘 要：本文运用常规天气资料及NCEP1°×1°间隔6h再分析资料，采取天气学诊断方法，从大尺度环流背景、中尺度环境条件、物理量场及垂直螺旋度等方面分析2015年8月31日发生在华北地区的一次区域性暴雨天气过程，总结这次暴雨过程的形成机制，为类似形势暴雨的预报提供有利的依据。结果表明：东高西低的环境背景形势下，副热带高压的强盛使得上游系统维持，贝加尔湖暖脊的发展导致东北低涡的南落是此次暴雨的发生背景。中层冷空气的入侵及低层暖湿气流的输送促使不稳定能量释放，触发了短时强降水等强对流天气的发生发展。水汽通量大值区和其辐合中心的叠加区域与暴雨落区有着很好的对应关系。高层辐散、低层辐合的抽吸耦合作用使得上升运动加强，为此次暴雨过程提供了充足的动力条件。假相当位温可以有效判定暴雨发生时段大气的稳定度，进一步判断暴雨发生时段与落区。低层垂直螺旋度正中心大值区对强降水落区及强度的判断有着很好的指示意义。

关键词：暴雨；华北；低涡；垂直螺旋度

中图分类号：P458.121.1 文献标识码：A 文章编号：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

暴雨是我國主要灾害性天气之一，大范围的连续暴雨或特大暴雨会引发一些地质灾害，造成山洪暴发、城市内涝，对社会和人民群众造成严重的生命财产损失。因此，对暴雨的预报分析具有十分重要的意义。陶诗言提出，暴雨是各级尺度天气系统作用的结果，大尺度环流为暴雨产生提供背景场，中尺度天气系统则是暴雨的制造者。中尺度天气系统对暴雨产生的作用主要有两个：一是直接作用产生暴雨；二是中尺度天气系统对积云对流活动的发展有明显的组织和增强作用，是造成暴雨的直接影响系统[1]。不同学者针对不同地区、不同类型的暴雨分别进行研究。例如，施望之[2]等对湖北两次区域暴雨进行对比分析，慕建利[3]等对华南连续性暴雨进行研究。华北暴雨主要发生在7—8月，具有降水强度大、持续时间短、局地性强以及降水时段集中等特点。本文利用常规观测资料以及NCEP1°×1°间隔6h再分析资料，对2015年8月30日华北及周边区域出现的暴雨、局地大暴雨天气进行分析诊断，进一步探讨大暴雨形成过程中物理量的演变特征及其在暴雨落区预报中的指示意义，从而为暴雨及降水落区预报提供有利依据。

1 天气概述

2015年8月30日到9月1日，受高空冷涡、低空切变线的共同影响，华北地区及河南、山东部分地区出现了暴雨、局部大暴雨的天气过程，降水落区分散性较强，呈东北、西南走向的带状分布，影响河北、河南、山東及天津等地。31日24h降水量最大的站点是沧州站，为200.7mm，达到大暴雨量级（图1中标记位置）。同时，周边还有2个站点降水量均突破100mm。此次暴雨过程，多地均出现短时大风、冰雹以及雷暴等灾害性天气，个别地区出现洪涝，影响范围广，程度大。

2 环流形势分析

2.1 环流背景

此次暴雨过程是在典型的东高西低的大尺度环流背景下产生的。此次暴雨过程发生前，500hPa上中高纬呈两槽两脊型。副热带高压强盛，蒙古到河套附近存在暖脊且不断发展，东北一带有冷涡与之配合，槽后脊前的偏北风引导冷空气不断南下。副热带高压在西风带的下游起到了明显的阻挡作用，使得位于东北的冷涡维持时间较长，影响华北及周边区域。

随着系统的发展，位于贝加尔湖的暖脊不断北伸发展。冷涡在东西两个强势的高压系统间不断南落。冷空气的不断入侵，斜压性不断增强。与此同时，低层的偏东气流加强，不断将渤海湾的水汽向华北地区输送，使得华北地区的降水得以加强。

2.2 中尺度系统综合分析

8月31日夜间，天津至沧州一带是此次暴雨过程降水最集中的区域，根据中尺度分析图（图略）中能够准确分析该时段中尺度系统触发的原因。通过分析可知，河北南部至河南中部以及河北南部至山东北部从低层到高层均存在切变线，整片区域处于偏北与偏东、偏南气流的强烈辐合区内。850hPa与925hPa从渤海湾存在一条湿舌影响华北大部分地区。500hPa上存在温度槽从河北延伸至安徽，而在850hPa与925hPa上存在温度脊与之相配合。综合以上高低空配置，可以看出，31日夜间，降水集中时段前，天津至沧州一带处于强烈的辐合区内，低层处于暖湿环境中，中高层伴随着冷空气的入侵，正是这种上干冷下暖湿的环境促使31日夜间短时强降水的加强，造成31日大暴雨的发生。

3 物理量诊断分析

3.1 水汽条件分析

水汽通量是表示水汽输送强度的物理量，其大小反映了单位时间内流经某一单位面积的水汽质量，其值越大，表示水汽输送越强。水汽通量散度是表示单位时间汇入单位体积或从该体积辐散出的水汽量，其值为正表示有水气流失，其值为负表示有水汽聚集。通过分析水汽通量散度可以得出水汽的辐合辐散，进而判断水汽输送的强弱及降水的落区，对降水量级有一定的指示意义。

通过分析图2和图3可知，降水集中时段前，31日20：00，850hPa河北至河南一线为水汽通量辐合带，中心强度为10×10-8g/cm2·hPa·s，而此时的水汽通量较小，均在6g/cm·hPa·s。925hPa上也无明显配合。1日02：00，两层水汽通量与水汽通量散度均加强，到08：00达到最大。此时，850hPa上水汽通量散度中心达到21×10-8g/cm2·hPa·s，位于北京附近，与之配合的水汽通量均超过10g/cm·hPa·s，同时925hPa高度层上，水汽通量散度中心达到20×10-8g/cm2·hPa·s，位于沧州上空，与之配合的水汽通量均达到14g/cm·hPa·s。到1日14：00，沧州上空850hPa上转为辐散，925hPa上仍存在辐合并有大的水汽通量配合，但降水已明显减弱。

综上所述，结合沧州站6h雨量变化图（图略）可以看出，水汽通量大值区与辐合中心的叠加区与强暴雨区有着很明显的对应关系。深厚的水汽输送与辐合是暴雨发生的一个主要条件。

3.2 动力条件分析

散度是反映大气运动特征的基本物理量。分析暴雨过程中散度的特征，有助于了解辐散、辐合运动在本次突发性暴雨过程中所起的动力作用。合理的上下层配置有利于暴雨的产生，垂直运动对水汽、热量和动量的输送及天气系统的发展起着极为重要的作用，强烈的上升运动则是形成暴雨的重要条件之一。对2015年8月30日08：00到9月1日07：00大暴雨区域（117°E，39°N）分别做散度与垂直速度的垂直时间剖面（见图4）。

从散度的垂直时间剖面图上可以看出，31日08：00—14：00为该区的一个较强降水时段，900～400hPa高度层为强辐合区，400hPa以上为强烈的辐散区。这种形势场的配置有利于大气抽吸作用的发挥，加强大气的上升运动。随着900hPa下辐散区的加强以及中层辐合区的减弱，31日14：00至1日02：00降水减弱。1日02：00至08：00，400hPa以下均转为辐合区。辐合中心位于700hPa，中心强度达到3×10-5s-1；辐散中心位于250hPa，中心强度达到5×10-5s-1。随着大气的抽吸作用加剧，降水不断增强，造成该时段的短时强降水。从垂直速度的剖面上可以看出很明显的对应关系，31日08：00前后，200hPa以下均为上升运动，随着低层辐散加强与中层辐合的减弱，600hPa以下出现很明显的下沉气流，中心强度为0.7×10-2hPa·s-1。到1日02：00，低层下沉气流转为上升，中心强度达到1.5×10-2hPa·s-1，与暴雨的产生有着良好的对应关系。

3.3 不稳定能量分析

[θse]是一个表征大气温度、压力、湿度的综合物理量，其可以分析大气的热力性质，表征能量的强弱，其随高度的变化可以表明大气的稳定度。[θse]场中的等值线密集区表示能量锋区，有利于涡旋及暴雨的发生。图5为暴雨发生前及暴雨发生时的假相当位温的沿大暴雨区的纬向剖面图。从图5可以看出，暴雨发生前，暴雨区（117°E）上空的不稳定能量非常弱，中低层均在327K左右。而暴雨发生时，500hPa上假相当位温减小到322K。在850～700hPa上，存在很明显的能量梯度，说明中层存在冷空气入侵。这种上干冷下暖湿的结构配置，存在明显的斜压性，有利于暴雨的产生。同时可以看出，116°—117°E区域为等值线密集区，是此次大暴雨发生的集中区域。

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与旋转程度的物理参数，反映了垂直方向上大气的运动场特征，更好地解释了垂直速度与垂直涡旋的配合情况。P坐标系下垂直螺旋度计算公式为：

[H=-?v?x-?u?yω=-ωζ] （1）

式中，[u]和[v]为水平风，[ω]为垂直速度，[ζ]为相对涡度。式（1）中，垂直螺旋度的意义在于：垂直速度[ω]<0时，涡度[ζ]>0，对应正的垂直螺旋度；反之，涡度[ζ]<0，对应负的垂直螺旋度。因此，若在有触发机制的情况下出现低层正、高层负的垂直螺旋度配置形势，就会使不稳定能量释放，利于降水的加强。

从1日02：00 700hPa垂直螺旋度与风场图上可以看出（见图6），在暴雨发生前，700hPa垂直螺旋度大值中心位于低涡东侧，位于偏东风与偏北风的强辐合区，其强度达到120×10-6hPa·s-2。强垂直螺旋度影响区域小，仅存在于天津至沧州一带，而该区域也是此次大暴雨降水落区。可见，其与天气系统的发展及强降水落区有着很好的对应关系。

图7是沿大暴雨点（117°E，39°N）所做时间垂直剖面。从图7可以看出，31日08：00至20：00暴雨发生前，700hPa以下为负的垂直螺旋度区，中心强度为-15×10-6hPa·s-2，高层存在一定强度的正垂直螺旋度区。在这种高低空配置下，由于低层的抑制作用，并不利于系统的发展，导致该时段并没有强降水的发生。到1日02：00，低层转为正的垂直螺旋度，同时700hPa上空出现强垂直螺旋度中心，达120×10-6hPa·s-2。此时，低涡强烈发展，低层垂直螺旋度随之增强，1日08：00，850hPa产生强垂直螺旋度中心，中心值达130×10-6hPa·s-2。而这个时段正是该区域的强降水发生时间。之后垂直螺旋度减小，系统发展减弱，降水转停。

综上所述，低层的正垂直螺旋度中心与系统低涡系统的发展有着很好的对应关系，强中心的变化与移动能很好地指示降水落区与降水强度。从垂直螺旋度的垂直分布上还可以有效判别对流系统的发生与发展。

5 结论

①本次暴雨天气过程是在典型的东高西低的环境场中产生的。副热带高压的稳定少动及贝加尔湖处的暖脊发展是背景条件。低涡与切变线是此次暴雨产生的主要影响系统，中层干冷空气的入侵触发中尺度对流系统是暴雨形成的直接原因。

②暴雨发生前，低层偏东风的加强与中层冷空气的入侵为中尺度对流系统的触发提供了下暖湿上干冷的环境条件，是这次暴雨过程产生的诱导因素。

③水汽通量及其散度场等物理量对暴雨的发生有很好的指示意义，850hPa上水汽通量大值区与其辐合中心的叠加区域和暴雨区有着很好的对应关系，其演变可为暴雨的发生、发展及落区、时段预报提供有力的预报依据及着手点。

④高层辐散、低层辐合的上下层配置形成的抽吸作用使得垂直运动得以加强，对水汽、热量、动量的输送及天气系统的发展起着极为重要的作用，有利于强降水的发生。

⑤假相当位温的垂直分布对大气的不稳定度有着很好的指示意义，低层高能区的产生有利于短时强降水天气的产生。假相当位温等值线的密集区与中尺度对流系统发生位置有着很好的对应关系。

⑥低层正垂直螺旋度大值区能反映低涡系统的发展趋势，其中心强度的变化及位置能很好地指示降水落区与强度。

參考文献：

[1]陶诗言.中国之暴雨[M].北京；科学出版社，1980.

[2]施望芝，张萍萍，吴涛，等.湖北省两次区域性暴雨过程的对比分析[J].暴雨灾害，2008（3）：219-224.

[3]慕建利，王建捷，李泽椿.2005年6月华南特大连续性暴雨的环境条件和中尺度扰动分析[J].气象学报，2008（3）：437-451.