开封“7·19”大暴雨天气过程的极端性分析

冀翠华， 李姝霞

(1.开封市气象防灾减灾重点实验室，河南 开封 475004； 2.开封市气象局，河南 开封 475004)

引 言

近年来，我国极端降水、干旱、高温等异常天气事件频发[1-4]。暴雨作为夏季最常见的灾害性天气，不仅会造成巨大的人员伤亡和经济损失，同时易引发城市内涝、滑坡、泥石流、山洪等重大灾害，直接威胁到人们的生存环境和生命安全。譬如，1975年8月上旬河南省的重大洪灾过程，伤亡人数直逼唐山大地震[5]。2016年7月中旬华北大范围暴雨过程，不仅引发多起滑坡和泥石流，河南安阳、新乡部分地区还出现山洪，影响巨大。

关于暴雨极端性及其成因方面的研究已有很多[6-7]。刘学华等[8]研究发现，近40年全国极端降水指数和年降水量均呈线性增加趋势。沈阳等[9]分析夏季极端降水事件指出，极端降水事件与副热带高压异常密切相关。俞小鼎[10]对2012年7月21日北京特大暴雨成因分析结果表明，高空低槽伴随地面冷锋东移，在华北遇到副热带高压和山西地形阻挡移动缓慢，台风低压和副热带高压之间形成强气压梯度，导致通向华北地区的东南风、南风低空急流建立并加强。谌芸等[11]分析北京“7·21”特大暴雨中尺度对流系统的环境场条件发现，极端降水过程发生在高层辐散、中低层低涡切变和地面辐合线等高低空系统耦合的背景下。张芳华等[12]对冬季暴雨研究结果显示，锋生过程是构成有利于极端暴雨过程的天气尺度环流背景。王君[13]和栗晗等[14]指出中尺度辐合线的生成、发展和维持及多个地面中尺度气旋移动造成的列车效应，是导致局地特大暴雨的主要原因。孙军等[15]研究证明，极端降水不仅发生在高低空、地面等多层系统耦合的背景下，而且具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等水汽条件。王婧羽[16]、田红[17]等研究发现，极端降水与异常水汽输送具有一定关系。江志红[18]、刘国强[19]等分析强降水过程水汽输送特征时发现，不同降水阶段水汽输送轨迹、水汽源地及贡献等存在差异。以上对极端暴雨的研究成果，为进一步开展研究和业务应用提供了条件。

开封地处豫东平原，北临黄河，地势低洼，河道下泄水流缓慢，一旦出现大暴雨事件，容易引发城市内涝、农田渍涝、交通瘫痪、人员伤亡等重大风险。2016年“7·19”大暴雨过程，造成开封7000余万元农业经济损失、4万余人受灾、严重的城区内涝和2人死亡。以往开封暴雨研究多集中于个例的形势特征分析及物理量的诊断[20-21]，缺少环境场物理量的异常特征分析。本文分析“7·19”大暴雨的降水量极端性和环流背景，并从水汽和动力因子较气候态的偏离程度等方面探讨本次大暴雨过程环境场的极端性特征，利用HYSPLIT-4水汽轨迹模型[22-23]探究水汽来源及输送特征，以期提高对此类极端降水发生发展过程的认识，提高对极端暴雨的预报能力。

1 降水实况和极端性分析

1.1 降水实况

2016年7月19日，受低涡气旋共同影响，开封出现一次暴雨到大暴雨天气过程，大暴雨主要出现在开封市区、杞县东南部及兰考局部地区(图1a)。全市80个区域雨量站中降雨量超过50 mm的站点有60个，超过100 mm的站点有14个，其中排名前三的降水均出现在市区的站点，分别为杏花营站(163.7 mm)、北郊站和开封国家站(下文均简称开封站，159.7 mm)、柳园口站(142.8 mm)。由7月19日08：00-20日08：00开封站逐小时降水量变化(图1b)可知，开封市区的强降水集中时段为19日17：00-19：00，短时强降水特征显著。杏花营站最大小时雨强为79.0 mm·h-1，开封站最大小时雨强为64.6 mm·h-1，均出现在19日18：00，其中开封站最大小时雨强达到2011-2016年开封本站极大值。20：00后降雨明显减弱,并逐渐结束。降水效率高,小时雨强大，是开封大暴雨的主要特征。

图1 2016年7月19日08时-20日08时开封降雨量分布(a)和开封站逐小时降雨量(b)

1.2 日降水量极端性分析

利用百分位法对开封“7·19”暴雨日降水量进行极端性分析。百分位法[24]是将某站点逐年降水序列(日降水量≥ 0.1 mm)第95个百分位值的30年平均值，定义为该站点的极端降水阈值。由于开封主汛期在7、8月份，本文计算了1981—2010年开封站逐年7、8月降水日的24 h降水量序列的95分位值；再计算其30年算术平均，得到开封极端暴雨阈值为70.9 mm。将日雨量≥70.9 mm的暴雨定义为开封极端暴雨。1981以来开封极端暴雨日数统计结果见表1。由表1可看出，1981—2016年开封极端暴雨共有27例，其中7月、8月共有23例(占比85.2%)，9月有2例，4月、6月各有1例。开封历史最大日降水量为1992年8月11日的217.8 mm，其次是1984年8月9日的200.6 mm。2016年“7·19”大暴雨过程开封站日降水量为150.1 mm，达开封极端暴雨阈值的2倍及以上，居1981年以来开封日雨量的第四位，居近20年首位，降水具有明显极端性特征。

表1 1981-2016年开封极端暴雨日(日雨量≥70.9 mm)统计

2 大暴雨环流背景和环境场的极端性分析

2.1 大暴雨环流背景

降水开始前，19日08时500 hPa，我国中纬度地区以经向环流为主，内蒙古至陕南及四川地区均存在一低槽，槽后有明显冷平流，有利于低槽加深发展，副热带高压和高空低槽前高压脊稳定加强西北伸，对低槽的东移形成阻挡，低槽移动缓慢，河南持续受槽前西南气流影响。700 hPa、850 hPa上，陕西南部均有低涡，从低涡中心伸出“人字型”切变线(图2a)，河南处于东西向切变线北侧，中低层在东西向切变线的南侧存在风速大于12 m/s的西南风急流，急流出口区位于湖北东部，充沛的水汽不断向北输送至暴雨区。副热带高压与高空低槽形成的强气压梯度力使地面气旋强烈发展，有利的天气系统配置为开封大暴雨提供了持续的水汽输送和上升运动条件。卫星云图上，南段低槽、切变线与中低层急流之间形成带状云系，北段山西中南部也有云系发展(图3a)，14：00—17: 00带状云系北抬，与山西中南部发展东移的云系相互作用，在开封上空发展加强(图3b、c)。19日20：00，500 hPa高空低槽东移至山西中部到四川一线，700 hPa、850 hPa低涡移动到河南中北部上空，中低空西南急流和超低空偏南急流北伸至河南山东交界，辐合上升运动最强的区域移出开封，开封降水明显减弱。

图3 2016年7月19日08:15(a)、14:15(b)、17:15(c) FY-2E红外云系亮温分布图

地面图上，由逐3 h气压场演变及自动站加密风场分析可知，19日08：00-20：00，河南受西南低压外围暖倒槽(又称长江中下游暖性倒槽[25])的影响，倒槽东北伸，影响开封,使开封偏东风气流加强并形成辐合；20：00后形成黄淮气旋[26]，影响河南北部和河北地区。开封地区强降雨出现期间，暖倒槽稳定维持在河南中东部地区，在加密风场上显示出中小尺度辐合中心及辐合线(图2b)。17：00-19：00辐合中心及辐合线维持在开封市区到尉氏一线，强烈的动力抬升运动，为大暴雨的产生提供了触发机制。

图2 2016年7月19日08时-20时高空系统演变(a)和19日17时地面气压形势(b)

综上，开封“7·19”大暴雨是在副热带高压稳定加强的形势下，高空低槽东移加深,引导中低层低涡切变线加强东北移,地面倒槽发展，诱发中小尺度辐合中心及辐合线引发的。

2.2 大暴雨过程的环境场极端性分析

2.2.1 暴雨过程的物理量统计特征

极端暴雨的发生往往具有异常的水汽和动力条件[27]。为保证再分析资料格点精度的一致性，本文选取2000-2015年的暴雨个例，利用NCEP 1°×1°逐6 h间隔再分析资料，以开封站为代表站，统计开封历史暴雨过程中多种物理量环境参数日均值和最大值的特征，并将诊断分析的2016年“7·19”大暴雨过程特征与之对比，分析水汽条件和动力条件的极端性。

2000-2015年开封7、8月份共有21例暴雨过程，统计动力因子(垂直速度)和水汽因子(水汽通量、整层可降水量、比湿)的变化特征，日均值、最大值分别表示每例暴雨过程前一日20时至当日20时5个时次(前一日20：00、当日02：00、08：00、14：00、20：00)所选物理量的算术平均值和绝对值最大的数值，再对21例暴雨过程中各物理量的日均值和最大值的变化进行统计，则得到表2。表2中平均值(Avg)、标准偏差(σ)的计算公式如下：

Avg=(x1+x1+…+xn)/n

(1)

(2)

式中,x1、x2、xn分别为2000-2015年开封历史暴雨过程对应的环境参数的日均值或最大值，n为暴雨例数。

由表2环境参数日均值和最大值的值域范围和标准偏差可知，开封2000年以来的暴雨过程中，700 hPa和850 hPa垂直速度极值均达-21.5×10-1Pa·s-1，日均值极值分别为-7.1×10-1、-5.4 ×10-1Pa·s-1；850 hPa和925 hPa水汽通量极值分别达到36.0、31.2 g·cm-1·hPa-1·s-1，日均值极值则分别达到16.5、18.5 g·cm-1·hPa-1·s-1。整层可降水量日均值为37～71 mm，极值达73 mm；比湿的大小具有随高度递减的特征，925-700 hPa比湿极值分别为20.5、17.1和12.4 g·kg-1，各层比湿平均值自925-700 hPa分别为15.4、13.6和9.4 g·kg-1。

表2 2000-2015年开封历史暴雨过程物理量日均值和最大值

2.2.2 暴雨过程的动力条件极端性

图4为开封站上空垂直速度的时间—高度剖面图。由图4可看出，7月18日20：00-20日02：00，暴雨区上空的动力条件呈现先增强后减弱的变化特征。19日14：00，高空三层切变线系统及地面倒槽均开始影响开封，动力条件达到最强，700 hPa垂直速度最大达-40.6 ×10-1Pa·s-1，850 hPa垂直速度达-24.7 ×10-1Pa·s-1，说明中低层切变线和低空急流的共同作用为大暴雨提供了强的动力条件。19日20：00地面形成气旋，开封处于气旋后侧，随着系统北抬，动力条件减弱，整层垂直速度均减小。

图4 2016年7月18日20时-20日08时开封垂直速度时间-高度剖面图

对比开封2000年以来暴雨过程物理量，“7·19”大暴雨过程中700 hPa和850 hPa垂直速度最大值均超过2000年以来的暴雨过程垂直速度极值，居第一位；850 hPa垂直速度平均值、700 hPa垂直速度平均值分居2000年以来开封暴雨过程平均垂直速度的第一位和第二位。

将“7·19”大暴雨过程的垂直速度与2000年以来21例暴雨过程垂直速度(日均值和最大值)的平均值(Avg)进行比较，计算两者之差(以下简称差值)，并转换为标准偏差的倍数，用于探讨动力条件的极端性。结果表明，当差值超过2 σ时可定义为极端值，若多个环境参数的差值均超过2 σ，则预示着极端天气的出现[28]。通过计算“7·19”大暴雨700 hPa、850 hPa垂直速度极值，同历史暴雨过程的差值分别达到-6.9 σ和-4.7 σ；700 hPa、850 hPa垂直速度平均值，同历史暴雨过程的差值达到-4.9 σ和-4.6 σ。因此，“7·19”大暴雨过程中，开封站的动力条件具有强极端性。

2.2.3 暴雨过程的水汽条件极端性

分析“7·19”暴雨过程中开封站上空比湿、水汽通量时间-高度剖面图(图5a、c)可知，7月18日20：00-20日08：00，比湿、水汽通量呈先增大后减小的趋势，且水汽通量的极大值分布在850-925 hPa之间，说明随着低层急流的东移北推，开封地区上空水汽条件呈先增强后减弱的变化。19日14：00比湿、水汽通量达到极值，700 hPa、850 hPa和925 hPa比湿分别为12.2、16.0和18.0 g·kg-1，水汽通量分别为16.2、25.6和25.8 g·cm-1·hPa-1·s-1，且水汽输送大值区集中在850 hPa以下。图5(d)为水汽通量散度时间剖面图，显示19日14：00开封上空900-1000 hPa的水汽通量散度达到最大,为-6×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。综上分析，14：00开封上空的水汽输送和水汽辐合均达最强，开封强降水正是14：00之后显著增强，小时雨强更是有2个时次超过了50 mm·h-1；20：00后水汽输送和水汽通量散度均减弱，开封站的降水也呈明显减弱趋势。

将“7·19”暴雨过程中比湿和水汽通量与开封2000年以来的历史暴雨过程进行对比发现，“7·19”暴雨过程中850 hPa比湿最大值居第三位，700 hPa比湿最大值仅次于历史暴雨过程的极大值，居第二位。850 hPa、925 hPa水汽通量最大值在2000年以来暴雨过程中分别处于第三位和第二位，水汽通量日均值(850 hPa和925 hPa)超过2000年以来暴雨过程平均水汽通量的极大值。

整层可降水量对极端强降水事件具有一定的指示意义。开封“7·19”暴雨过程平均整层可降水量达到71 mm，大于开封历史暴雨过程整层可降水量均值60 mm。同时，19日14：00整层可降水量值达75 mm(图5b)，超过2000年以来历史暴雨过程该物理量的极大值。

图5 2016年7月18日20时—20日08时开封比湿(a)、整层可降水量(b)、水汽通量(c)和水汽通量散度(d)

对“7·19”大暴雨水汽因子与2000年以来暴雨过程的同一物理量均值进行比较发现，“7·19”大暴雨700 hPa比湿最大值的差值达1.5 σ，925 hPa比湿日均值差值达2.9 σ；850 hPa水汽通量日均值的差值达1.5 σ,925 hPa的达1.9 σ，创2000年以来暴雨过程水汽通量均值之最。综上分析，“7·19”大暴雨的水汽输送和边界层水汽辐合均表现出强极端性特征。

2.2.4 暴雨的水汽来源和贡献率

为分析“7·19”大暴雨的水汽来源和不同层次水汽输送的贡献率，利用HYSPLIT-4轨迹在线模型，绘制开封大暴雨上空4个高度、5个时刻的水汽后向轨迹曲线(图6)，模拟高度为5000 m、3000 m、1500 m和500 m，模拟站点为开封站，后向模拟时长为72 h，初始时刻选择20日08时，每6 h后向追踪分析一次，每6 h输出一次轨迹点的位置。由图6可知，19日08：00-20：00，所有高度层次上，随着时间变化，水汽轨迹曲线均呈顺时针旋转，且后向轨迹曲线也逐渐增长，说明随着急流的加强北推，水汽通道也越来越长，对应了开封降水增强时段；20日02：00-08：00，中低层水汽轨迹由东南向转为西北向，经分析，与中低层偏东急流建立和黄河气旋生成有关，高层转为偏西或西北通道，输送偏干冷空气，这种高层偏西风、低层西北风的配置不利于强降水的持续，19日20：00后，开封降水明显减弱。为追踪水汽源地，将模拟时间增加到120 h(图略)，发现开封最强降水时段的19日17：00-19：00，5000 m水汽后向轨迹源地为孟加拉湾，3000 m、1500 m和500 m 3个高度上，水汽后向轨迹源地均为南海，说明开封“7·19”大暴雨水汽源地主要为南海，其次是孟加拉湾。

图6 2016年7月19日08时—20日08时开封5000 m (a)、3000 m (b)、1500 m (c)、500 m (d)逐6 h水汽后向轨迹模拟图

参考文献[29]对水汽贡献率的定义，利用公式(3)计算不同水汽源地或通道的水汽贡献率QS。其中比湿qlast是根据轨迹模式输出最终位置的物理量(包括气压lev、温度TMPprs、相对湿度RHprs)，通过公式(4)(5)(6)计算得到:

(3)

es=6.112×exp[17.67×(TMPprs-273.15)-(TMPprs-29.65)]

(4)

qs=0.622×es-(lev-0.278×es)×1000

(5)

q=qs×RHprs/100

(6)

式中,QS为通道水汽输送贡献率，qlast为通道上最终位置的比湿，m为该通道所包含轨迹的条数，n为所有轨迹的总条数，m、n分别取1、4；es为饱和水汽压(单位:hPa)，qs为饱和比湿(单位:g·kg-1)，q为比湿(单位:g·kg-1)。5000 m、3000 m、1500 m和500 m 4个高度的轨迹比湿分别为18.15、16.65、11.31和7.12 g·kg-1，代入公式(1)，得出4个高度上的水汽输送贡献率分别为13.38%、21.24%、31.27%和34.95%。可见水汽输送的贡献层次深厚，从低层到高层水汽输送的贡献率逐渐减小，且3000 m高度以下水汽输送总贡献率达85%以上。

3 开封极端暴雨物理量阈值设定

根据1.2节中对开封夏季极端暴雨阈值的定义(日雨量≥70.9 mm)，2000-2016年7、8月开封的极端暴雨共有12例、普通暴雨10例。统计其动力因子(垂直速度)和水汽因子(水汽通量、整层可降水量、比湿)的变化特征发现，除850 hPa和925 hPa水汽通量极大值在极端暴雨过程中的极端性不明显外，其他物理量(日均值和最大值)的极值均表现为极端暴雨过程值明显强于普通暴雨值，尤其是整层可降水量，其日均值和最大值在极端暴雨过程中值域范围更加集中。

综合以上特点，将极端暴雨物理量(日均值和最大值)绝对值最小的数值作为极端暴雨出现的最低指标，则得到开封夏季极端暴雨的物理量阈值(见表3)。由表3可以看到，对于开封夏季极端暴雨的判别，要求低层700和850 hPa的垂直速度最大值分别小于-0.2×10-1和-1.3×10-1Pa·s-1；850和925 hPa水汽通量最大值分别大于11.4和8.0 g·cm-1·hPa-1·s-1，日均值分别大于6.4和5.3 g·cm-1·hPa-1·s-1；对于整层可降水量，日均值指标与最大值指标差别不大，分别要求在57 mm和60 mm以上。比湿阈值要求700-925 hPa比湿逐渐增加，且700 hPa比湿达到9 g·kg-1，850 hPa比湿达到13 g·kg-1以上，925 hPa比湿达到12 g·kg-1以上。

表3 开封夏季极端暴雨物理量阈值指标

上述开封站极端暴雨阈值的设定，可为极端暴雨预报提供参考。因暴雨尤其极端暴雨机理复杂，实际预报中还需综合分析不同尺度影响系统和多个环境参数，以做出正确判断。

4 结 论

(1)开封“7·19”大暴雨过程是在副热带高压稳定加强的形势下，高空低槽东移加深,引导中低层低涡切变线加强东北移,地面倒槽发展，诱发中小尺度辐合中心及辐合线引发的。

(2)采用1981—2010年7、8月份降水序列的95%分位定义了开封夏季极端暴雨阈值，“7·19”大暴雨日降水量达到开封夏季极端暴雨阈值(70.9 mm)的2倍以上，且居近20年首位和1981年以来第四位，降水具有明显极端性特征。

(3)把“7·19”大暴雨物理量特征与2000-2015年开封历史暴雨过程物理量特征进行对比发现，开封站上空动力条件具有强极端性，700 hPa、850 hPa垂直速度最大值为-40.6×10-1、-24.7×10-1Pa·s-1，正态差值分别达到-6.9 σ、-4.7 σ，均超出2000年以来暴雨过程的物理量极值。水汽输送条件整体较强，850 hPa、925 hPa水汽通量最大值均≥25 g·cm-1·hPa-1·s-1以上。整层可降水量达75 mm，创下2000年以来暴雨过程中该物理量的极值。

(4)利用后向轨迹模拟“7·19”大暴雨过程中的水汽输送情况，结果发现，开封大暴雨事件的水汽来源主要是南海，其次是孟加拉湾；水汽输送贡献随高度递减，3000 m高度以下水汽输送贡献率达到85%以上。

(5)通过比较2000年以来开封极端暴雨过程与普通暴雨过程物理量差异，定义开封夏季极端暴雨过程的物理量阈值，得到部分动力因子和水汽因子的极端指标，其普适性还需在实际预报业务中进一步验证完善和改进。

致谢：本文写作过程中，河南省气象台正高级工程师张霞老师给予了大力帮助和指导，在此深表感谢！