豫北一次夏季雷雨大风过程分析

段中夏

（新乡市气象局，新乡 453000）

0 引言

强对流天气具有较小的时空尺度与剧烈的垂直运动，是目前天气预报、预警的重大难题。雷暴、大风、短时强降水等强对流天气是河南省夏季常见的灾害性天气。

短时强降水是指1 h降水量超过20 mm或者3 h降水量超过50 mm的降水，因降水强度大、降水时间短，往往会引发山洪、地质灾害、城市内涝等，造成重大经济损失。俞小鼎[1]认为短时强降水主要由雨强和降水持续时间确定。张灵等[2]、孙继松等[3]、孙军等[4]提出强降水与大尺度环流下的水汽输送关系密切，较高的环境相对湿度、深厚的湿层、较低的抬升凝结高度和自由对流高度有利于提高降水效率。随着探测技术的发展，越来越多的非常规资料被应用于研究。牛淑贞等[5]、漆梁波等[6]、胡文东等[7]、李国翠等[8]利用多普勒雷达产品发现弱窄带回波、辐合线相交可激发对流迅速发展，新对流易沿辐合线移动造成“列车效应”；阵风锋可触发强对流并引起其逆向传播，其移向和移速暗示了主体回波的传播和强弱。徐桂荣等[9]、赵玲等[10]、赵柏林等[11]、刘红燕等[12]研究指出，微波辐射计可作为大气水汽特性分析的有效工具。敖雪等[13]、汪小康等[14]发现了微波辐射计资料可作为降水临近预报的参考指标。

豫北是强对流天气的高发区，在较有利的大尺度环境条件下，容易产生突发性强、局地性强的强对流天气并造成较大的经济损失[15-20]。2017年6月12日，河南省北部地区出现了一次雷雨大风天气，局地性强，强度较大，影响时段集中。由于前期客观及主观预报均对此过程的水汽条件和底层辐合条件预报不足，导致对短时强降水出现的漏报。为了揭示可能导致此次强对流天气类别误判的主要原因，本文对此次强对流天气发生发展的特征加以分析，着重分析了回波维持时间和水汽条件的演变，为今后开展此类强对流天气的预报预警提供参考依据。

1 天气实况

2017年6月12 日夜间，豫北地区自北向南出现了一次雷雨大风天气，降水时段集中，降水强度大（图1）。乡镇雨量站（表1）中，过程雨量超过50 mm的有34站/次，超过70 mm的有6个，最大出现在鹤壁浚县的郝村（79.5 mm）。有119个站次在12日20时—13日01时出现短时强降水（小时雨量≥20 mm），其中，乡镇站小时雨量超过40 mm的有14个，超过50 mm的有2个，最大为安阳内黄的田氏（56.5 mm）；国家自动站中，有7 h雨量达到短时强降水标准，其中汤阴小时雨量达44.2 mm。同时，共有13个国家自动站出现了8级以上大风，最大出现在安阳达21.4 m/s。

表1 自动雨量站小时雨强在降水区间的站次Table 1 Number of rainfall events for various hourly rainfall intensity

2 环流背景

前期，500 hPa横槽稳定于东北到内蒙古一带，12日08时，500和700 hPa高纬均存在东西向横槽，豫北处于横槽南侧，受高空西北气流影响，晴朗少云，底层白天辐射增温明显。豫东北500 hPa 24 h降温≥3℃，850 hPa河套南侧暖脊东伸到豫北中部地区，925 hPa豫北出现22℃暖中心，层结具有较强的热力不稳定（图2a）。此时，温度槽已超前高度槽南下，有利于横槽进一步旋转南下，到20时，高空横槽旋转南压，700 hPa东西向冷槽南压到河北南部，500 hPa冷槽断裂，西段移进山西（图2b），未来高层冷槽继续东移南下，影响整个豫北地区。高层冷空气加强，叠加于低层暖脊及暖中心上，增强了层结不稳定，为对流产生提供了较好的热力条件。

图2 高低空综合分析图Fig. 2 The upper- and low-level comprehensive analysis diagram

08时，850和925 hPa切变线及200 hPa急流轴均处于河北南部，豫北位于高空急流入口区的右侧，未来随切变线及急流的南压，到20时豫北北侧恰好位于低空切变线南侧，高空急流轴入口区南侧，低层辐合及高层辐散作用大大增强，有利于产生较大的上升运动，且较大的垂直风切变有利于风暴的维持和发展，低空切变和高空急流为强对流发生发展提供了较好的动力条件。虽然高层干区明显且随系统南压发展到整个豫北上空，但是低层无湿区配合，低层切变辐合系统稍偏北，是否南下及南下影响落区也较难把握。

从14时郑州站加密探空的垂直位温分布图（图3a）也可发现，中低层条件热力不稳定特征明显。14时加密探空可看出，此时CAPE值较大（1309 J/kg），自由对流高度（LFC）较低，风切变也较大，低层层结温度垂直递减率接近干绝热递减率（图3b），容易因扰动形成热对流。但整层湿度条件不好，抬升凝结高度（LCL）及对流凝结高度（CCL）都较高，因此导致前期分析中对此次过程中的短时强降水估计不足。

图3 郑州站上空层结状况Fig. 3 Sounding chart from the Zhengzhou station

3 底层触发条件

08时全省出现轻雾，底层层结和湿度条件较好。白天辐射增温明显，豫北大部分地区最高温度均超过34℃，热力条件较好。14时，河北西侧弱冷空气南下，在豫北安阳附近形成东北—西南向辐合线，豫北东部近地面露点温度超过20℃（图略），虽然相对湿度条件较差，但绝对湿度条件较好。局地加热作用和较低的LFC导致午后河北南部和豫北开始产生零散的局地对流，尤其是河北南部的地面辐合线附近，由于暖湿条件和辐合抬升条件相对较好，出现了较强局地性回波。

17时24分，位于聊城的对流A单体东南侧出现弱的出流边界，其西北部暖湿条件较好且在辐合线附近，后侧出流产生了新生小单体B，此时冷空气南下，辐合线也显著加强（图4a）。17时42分新生单体B周围的出流边界与A的出流边界合并，增加了原来A东南侧出流边界的西伸长度和强度（图4b），到17时56分单体B的西北部又出现后侧新生单体C，其底层外流造成出流边界进一步西伸加强（图4c）。18时36分，出流边界和辐合线交点处对流开始暴发性发展（图4d）。一方面前期生成发展的雷暴随引导气流向东南方向移动，另一方面在地面辐合线附近不断新生单体并在与西伸的出流边界交点不断发展增强，导致零散块状回波逐渐有组织地发展成东西向弧状回波带，从而导致强对流落区南下发展。

东部沿海高压较为稳定，东北—西南向的辐合线维持，20时45分之后，随冷空气南下，地面上东北—西南向的辐合线逐渐消失，在豫北地区形成了一条东西向的切变线，并逐渐向西南方向推进，豫北地区自北向南开始出现较大范围的雷雨大风。地面东北风的脉动增加了底层的辐合抬升作用，南移过程中对流逐渐加强发展，20时45分之后，0.5°仰角就开始出现中心值大于27 m/s的大风速中心，21时36分大风速区明显增大，中心位于濮阳东南方，此时强回波区东侧又出现了一条出流边界，出流边界前沿与大风速区南边界对应（图5a和5b）。22时48分，出流边界移至辉县，其西边界和辉县西北部的地形辐合线相遇，触发新单体在太行山东侧加强发展，使强回波表现为西跳型发展（图5c和5d）。之后，出流边界明显加长且快速向南移动，给豫北多地带来了短时大风。

图4 濮阳雷达站0.5°仰角的基本反射率因子（a）17时24分，（b）17时42分，（c）17时54分，（d）18时36分Fig. 4 Base reflectivity at 0.5° elevation angle from the Puyang radar station(a) 17∶24 BT, (b) 17∶42 BT, (c) 17∶54 BT, (d) 18∶36 BT

4 层结水汽条件

前期由于对水汽条件的判断失误而导致这次过程对短时强降水产生了较大的低估，对短时强降水产生了误判。下面主要针对此次过程中的水汽条件加以分析。使用探空观测实况推算而得的物理量场资料进行分析。

局地比湿的变化主要由比湿平流、比湿的垂直输送、蒸发和凝结、湍流输送造成。随底层有弱冷空气侵入（图6a），豫北西部近地面风场产生了弱的辐合，同时造成了底层水汽的弱辐合。从鹤壁的比湿通量散度场的垂直方向时序图（图6c）也可清楚地看到08时之后850 hPa以下水汽通量散度开始小于0，对应底层水汽的辐合，且到20时，底层水汽辐合达到最强，有利于底层水汽的大量积聚，但是中高层水平方向上水汽通量表现为弱辐散，这容易造成对中高层水汽含量估计不足。12日20时，鹤壁附近近地面的冷平流达到最强（图6a），对应了中低层较强的上升运动，850 hPa出现了超过-6 Pa/s的强上升运动中心（图6d），强上升运动造成了显著的水汽垂直输送，925 hPa鹤壁附近的比湿通量垂直速度超过了2050 g/(s·cm·hPa)（图6b），中低层的比湿通量垂直速度方向均为自下而上，从而导致底层积聚的水汽迅速向中高层输送，整层层结的湿度条件迅速改善。

鹤壁的微波辐射计资料（图7）也表现了底层水汽的垂直输送和冷平流的作用在水汽动态变化上有着显著作用。07时之后，由于辐射增温作用，鹤壁上空的整层温度都开始增高，同时伴随着整层相对湿度的减小，并在近地层表现更加明显。到19时左右，可以看出中高层突然出现了振幅较大的温度的脉动，同时对应整层湿度的短时跃增，这与局地热对流造成底层的暖湿空气向高层输送相匹配。20时，随较强冷空气的入侵，温度整层层结温度均有所下降，尤其是中低层降幅更大，此时伴随了整层相对湿度的显著增加，整层气层达到饱和状态，有利于之后短时强降水的发生。

图5 0.5°仰角雷达产品（a）濮阳雷达站21时36分基本反射率因子，（b）濮阳雷达站21时36分径向速度，（c）郑州雷达站22时48分基本反射率因子，（d）郑州雷达站23时30分基本反射率因子Fig. 5 Radar products at 0.5° elevation angle(a) base reflectivity from the Puyang radar station at 21∶36 BT, (b) radial velocity from the Puyang radar station at 21∶36 BT, (c) base reflectivity from the Zhengzhou radar station at 22∶48 BT, (d) radial velocity from the Zhengzhou radar station at 23∶30 BT

5 结论与讨论

利用常规资料、自动站资料、郑州和濮阳雷达资料和微波辐射计资料等对2017年6月豫北一次局地性的雷雨大风过程进行分析，主要结论如下：

1）高空冷槽叠加于低层暖空气之上造成较强的层结不稳定性，低空切变与高空急流相配合，为强对流发生发展提供了较好的动力抬升条件和较大的风切变环境，低层接近干绝热递减率的层结温度垂直递减率和较低的LFC表明层结不稳定及易触发热对流。但前期整层湿度条件不好，抬升凝结高度（LCL）及对流凝结高度（CCL）都较高，低层切变辐合系统稍偏北，造成对落区及强降水预报偏差。

2）冷空气侵入对此次过程发展的动力具有重要作用。前期弱冷空气入侵造成地面辐合线得以维持，其东侧近地面温湿条件更好地区产生的局地热对流在东南向移动同时向西边尾向传播，并造成了回波较长的维持时间。而后期冷空气的突增破坏了前期的风向辐合线，出流边界移速剧增，并与地形辐合线相互作用，导致出流边界西伸，造成豫北南部产生短时大风。

3）此次过程中，水汽的垂直输送对短时强降水起到重要作用，微波辐射计资料更直观地反映出此次过程中物理量的时间演变。前期的局地热对流和强辐合造成的强上升运动可使低层暖湿空气迅速向高层输送，改变整层的水汽分布，促进短时强降水的发生。冷空气入侵造成了水汽的辐合，有利于水汽的垂直输送，并增加了空气水汽饱和度，对层结水汽调整也起了重要作用。

图6 豫北鹤壁上空物理量场高度-时间剖面图（a）温度平流（℃/s），（b）水汽的垂直输送（g/(s·cm·hPa)），（c）水汽通量散度（g/(s·cm2·hPa)），（d）垂直速度(10-2 Pa/s)Fig. 6 The height-time cross section of physical parameters in Hebi(a) temperature advection (℃/s), (b) Vapor vertical flux (g/(s·cm·hPa)), (c) Vapor flux divergence (g/(s·cm2·hPa)),(d) vertical velocity (10-2 Pa/s)

图7 鹤壁站微波辐射计资料（a）温度高度-时间图，（b）相对湿度高度-时间图Fig. 7 Microwave radiometer data from the Hebi station(a) height-time chart of temperature, (b) height-time chart of relative humidity