沙颍河流域一次极端短时强降水的中尺度特征分析

2021-08-27胡燕平郭贺奇单铁良

气象与环境科学 2021年4期

胡燕平，郭贺奇，武威，单铁良

(漯河市气象局，河南漯河 462300)

引言

沙颍河流域位于河南中部、淮河流域的上游，夏季暴雨频发，且持续时间长，累计雨量大，给淮河流域中下游的防汛造成很大压力，尤其是极端暴雨，往往造成更大的洪涝灾害。大量研究[1-6]表明，在有利的大尺度背景条件下，低空水汽输送使暴雨区增湿，建立了大气位势不稳定层结，高空急流辐散与低层低涡切变线附近的辐合共同作用，产生垂直运动，从而释放不稳定能量，触发中尺度对流系统的生成，形成极端暴雨。谌芸[7]、陈明轩[8]等对北京“7·21”特大暴雨过程从极端性、中尺度对流系统的环境场条件及暴雨云团的传播和发生机理进行了研究。栗晗[9]、王君[10]等对2016年河南豫北罕见特大暴雨的降水特征、物理量因子的极端性、地形及中尺度对流系统特征进行了诊断分析。王丛梅等[11]的研究表明，半定常的地面辐合切变线对新生对流的触发和已有对流的维持及加强起到重要作用。

极端暴雨中常伴有短时强降水产生。短时强降水多具有中尺度对流特征。在中尺度对流系统影响范围内，中小尺度对流云团发展形成MCS，在部分或局部区域产生极端暴雨[12-13]。近年来，气象工作者对强降水的时空分布特征、环流形势及影响系统、物理量特征、中小尺度对流系统等做了大量研究。陈炯等[14]对中国暖季短时强降水分布和日变化特征及其与中尺度对流系统日变化关系进行了分析。王国荣等[15]分析了北京地区夏季短时强降水时空分布特征。王婧羽等[16]分析了河南省雨季短时强降水时空分布特征。侯凯等[17]分析了沙澧河流域短时强降水特征，并总结出4种天气学概念模型。朱蒙等[18]分析了豫东地区短时强降水时空分布特征及物理量指标。姜玉印等[19]从大尺度环流背景、中尺度特征及地形等方面对宜昌一次致灾极端短时强降水成因进行了分析。魏葳等[20]对一次典型的梅雨锋短时强降水分析发现，短时强降水发生于边界层辐合由弱变强且趋于最强的时段内，超低空风速的显著增大对暴雨有着重要作用。

2017年8月18日夜间，沙颍河流域出现了一次罕见强降水过程，其中强降水中心1 h降水量高达81.0 mm，3 h降水量达161.3 mm，全球数值模式和指导预报均漏报。目前极端短时强降水尚无标准的定义。俞小鼎[21]把1 h降水量≥50 mm或者3 h降水量≥100 mm的事件称为极端短时强降水；孙继松等[22]将北京地区时间小于6 h、至少一个自动站降水强度≥40 mm·h-1定义为一次极端短时降水事件；王丛梅等[11]将最大雨强超过50 mm·h-1、3 h雨量超过100 mm的过程称之为极端短时强降水。参考上述研究文献，本次沙颍河流域降水过程可认为是一次极端短时强降水过程。

以往针对沙颍河流域的降水研究主要集中在持续时间长、影响范围广的系统性暴雨[23-27]，而对于突发性强、影响区域小、降水时段集中、降水强度大、致灾性强的短时强降水则研究较少，尤其是对降水极值中心落区及极值的预报，由于预报经验和技术不足，往往造成预报失误。为吸取本次预报失误的教训，本文利用常规气象观测资料、地面自动站加密资料、FY-2E卫星资料、雷达资料和NCEP 1°×1°再分析资料，从环流背景、中小尺度影响系统及降水云团、雷达回波的演变特征分析此次极端短时强降水过程的环境条件和中尺度特征，为沙颍河流域极端短时强降水预报提供参考依据。

1 降水的极端性特征及大尺度环流背景

1.1 短时降水的极端性特征

2017年8月18日20:00-19日08:00，沙颍河流域出现了一次较大范围强降水天气，流域下游的漯河、周口等地出现大暴雨，局部特大暴雨(图1a)。流域内有37个区域自动站雨量超过100.0 mm，2个站雨量达250.0 mm以上，最大强降水中心位于漯河市召陵区实验中学，12 h降水量达280.8 mm。召陵区实验中学逐时雨量(图1b)变化显示，强降水主要集中在18日23：00-19日07：00，有6个小时雨强均超过20.0 mm·h-1，其中19日02：00-03：00小时雨强达81.0 mm·h-1，02：00-05：00 3 h降水量更是达到161.3 mm。分析本次降水过程的逐小时最大雨强发现，小时雨强大于50.0 mm·h-1的区域自动站有38站，主要位于漯河的召陵区和西华、项城等县区。小时雨强排名前三的站点分别是漯河市召陵区实验中学(81.0 mm·h-1)、西华县奉母镇(74.1 mm·h-1)、西华县聂堆镇(73.9 mm·h-1)。有28个区域自动站3 h雨量超过100.0 mm。综上，本次强降水过程具有显著极端短时强降水特征。

图1 2017年8月18日20时-19日08时沙颍河流域累积降雨量分布(a)和漯河市召陵区实验中学逐小时降雨量(b)

1.2 大尺度环流背景

18日08：00(图略)，500 hPa中高纬环流形势为两槽一脊型，低槽分别位于新疆西部和日本海北部，贝加尔湖到东北地区为一高压脊，河套东部有一浅槽东移，副热带高压控制华南地区，其北界位于30°N附近，沙颍河流域位于槽前西南气流中。700 hPa切变线位于陕北、山西和河北北部，西南急流轴位于贵阳、怀化、武汉一线。850 hPa和925 hPa暖切变线位于河南中部，西南急流轴位于怀化、武汉一线。18日20：00(图2a)，副高北抬，河套浅槽东移，与副高边缘的西南暖湿气流在河南交汇。700 hPa切变线稳定，西南低空急流向北伸展，850 hPa和925 hPa暖切变线仍位于河南中部，在切变线南部形成明显的风速辐合，沙颍河流域水汽饱和。19日02：00(图略)，500 hPa 低槽进一步东移；低层切变线维持，低空急流有所增强，沙颍河流域水汽饱和，有利于强降水发展。地面图上，受低空急流发展影响，近地层暖平流明显加强，地面减压，倒槽发展。18日20：00(图略)，沙颍河流域中部形成东北-西南向的中尺度辐合线。19日02：00(图2b)，中尺度辐合线逐渐东移南压至漯河东部。19日05：00(图略)，在漯河东部形成一个中尺度辐合中心，伴有人字形辐合线，辐合上升运动进一步加强，与强降水集中时段对应较好。

图2 2017年8月18日20时高空影响系统综合图(a)和19日02时沙颍河流域地面加密风场(b)

2 中尺度对流发生发展的有利环境条件

2.1 充分的水汽条件

分析沿降水中心的水汽通量和水汽通量散度经向-垂直剖面(图略)可知，18日20：00强降水发生前，31-32 °N和35 °N附近的水汽通量中心分别达18 g·cm-1·hPa-1·s-1和12 g·cm-1·hPa-1·s-1，31-35 °N为水汽辐合区，降水中心处于水汽通量散度为-30×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽辐合大值区内。19日02：00(图略)，随着超低空急流的增强，31 -32°N的水汽通量和水汽辐合逐渐增强，中心强度分别达20 g·cm-1·hPa-1·s-1和-40×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，主要集中在850 hPa高度以下。由此可知，本次过程中充足的水汽输送及强水汽辐合中心出现在边界层内。分析18日20：00 850 hPa比湿水平分布(图3a)可知，受西南气流输送影响，沙颍河流域处于14 g·kg-1以上的高比湿区内，局部比湿中心高达16 g·kg-1，且高湿舌逐渐伸向下游地区，为强降水发生提供了有利的水汽条件。张霞等[28]对河南省13个极端暴雨个例分析结果表明，河南中南部极端暴雨过程850 hPa比湿平均在14 g·kg-1以上。王君[10]对河南北部两次极端暴雨分析发现，两次过程850 hPa比湿均达到16 g·kg-1。本次过程强降水发生前，比湿已达到河南省极端暴雨发生的水汽条件。由此可知，低层充分的水汽输送、显著的强水汽辐合中心及异常偏高的比湿，不仅为极端短时强降水提供了水汽供应，也为中尺度对流系统发展提供了必备的水汽条件。

2.2 大气对流性不稳定

分析假相当位温沿降水中心时间-垂直剖面(图略)发现，过程开始前18日08：00-14:00，随着超低空急流加强，900 hPa高度以下θse逐渐增加。18日20：00，低层θse达到最强，950 hPa高度附近出现356 K的高值中心；500 hPa受高空低槽携带的冷空气东移影响，出现中心强度为332 K的低能舌，并逐渐向中低层渗透。可见强降水来临前，θse随高度减小，大气层结表现为强的对流性不稳定。18日20：00，中高层低能舌下凹，低层高能舌向上凸起，中高层低能舌叠加在低层高能舌之上，二者温差达到20 K，有利于中尺度对流系统发展。由18日20：00对流有效位能(CAPE)水平分布图(图3b)可知，沙颍河流域中南部对流有效位能高值区显著，CAPE在1200 J·kg-1以上，局部高达1400～1600 J·kg-1。对流性强降水过程的上升气流强度直接与CAPE有关，CAPE越大，上升气流越强。根据雨强公式[29]

图3 2017年8月18日20时850 hPa比湿、风场(a)和对流有效位能水平分布(b)

R=E·ω·q

可知，雨强(R)与降水效率(E)、云底上升气流速度(ω)和比湿(q)成正比。本次过程比湿极端，上升气流速度较强，有利于极高雨强产生。19日02：00-08：00，随着强降水产生发展，CAPE释放，低层θse逐渐减弱，中高层的θse逐渐增强，强降水区上空θse随高度减小，对流性不稳定明显减弱。

2.3 抬升触发机制

分析强降水中心的散度和垂直速度的时间-垂直剖面(图略)可知，18日08：00，强降水区上空低层辐合、高层辐散较弱，整层为弱的上升运动。18日14：00以后，低层辐合、高层辐散逐渐增强，上升运动也逐渐增强。18日20：00-19日02：00，高层250 hPa出现4.0×10-5s-1的辐散中心，高层辐散强于低层辐合，抽吸机制建立，高层辐散、低层辐合的结构有利于上升运动，700 hPa以下出现-0.3 Pa·s-1的上升运动区。同时，高层辐散导致低层进一步减压，低层辐合明显加强，尤其是边界层900 hPa以下辐合更为显著，到19日08：00，边界层辐合中心强度高达-5.0×10-5s-1。边界层上强烈辐合抬升不仅有利于上升运动的维持，也对中尺度对流系统的触发起到关键作用。

3 中尺度对流系统特征

3.1 基于卫星的中尺度对流系统演变特征

分析这次过程强降水集中时段红外云团、Tbb及后推1 h降水量的逐时演变特征(图4)发现，18日22：00(图4a)随着超低空西南气流增强，沙颍河流域西南地区有对流云团A逐渐形成，云团分布呈圆状,范围大，Tbb中心≤230 K；同时流域东部地区暖切变线附近也有对流云团B发展，Tbb≤240 K。18日23：00(图略)-19日01：00(图略),流域上游地区云团A随槽前暖湿气流东移北上并发展增强，流域东北部的对流云团B随低层和边界层切变线前侧偏东气流西移南压。19日02：00(图4b)，流域东部对流云团B进一步南压，强度明显增强，范围向西南扩展，与上游对流云团A衔接、合并，中心强度达220 K，水平尺度达200 km左右，逐渐形成发展为中β尺度对流系统C。19日03：00(图略)，该对流系统C发展加强，230 K的冷中心区增大，椭圆状结构清晰，其西北侧梯度较高，造成流域中部多地区产生短时强降水。19日04：00(图略)-05：00 (图4c)，MβCS持续发展且稳定少动，云团附近多站雨强在50.0 mm·h-1以上。19日06：00-07：00(图略)，对流系统在沙颍河下游地区稳定维持，但整个冷云罩形状逐渐转为椭圆形。19日08：00(图略)，中尺度对流系统移出下游，强降水时段结束。

图4 2017年8月18日22时(a)、19日02时(b)、05时(c)的红外云团、Tbb及后推1 h降水量逐时演变

同时结合Tbb分布对本次强降水落区进行追踪分析发现，地面中尺度雨团与Tbb低值中心高梯度区有很好的对应关系。8月18日23：00-19日00：00，沙颍河流域上游出现大范围对流云团，强降水主要分布在Tbb低值中心后侧等值线密集带中，多个区域自动站出现20 mm以上的短时强降水。19日01：00-02：00为MβCS形成并强烈发展阶段，Tbb梯度加大，短时强降水不断发展，20 mm以上的短时强降水主要位于Tbb低值中心后侧等值线密集带，多个区域自动站雨强大于50 mm·h-1。19日02：00-05：00为MβCS成熟并维持阶段，强降水落区与Tbb低值中心后侧等值线密集带对应特征更加显著。综上，极端短时强降水时段与中β尺度对流系统的形成、发展并稳定维持密切相关，两个对流云团相向而行，在沙颍河流域中下游合并发展成MβCS，且呈准静止状态维持3 h以上，导致流域中下游强降水发展。从强降水落区分布上看，本次极端短时强降水与Tbb低值中心后侧等值线密集带对应较好。

3.2 中尺度对流系统的雷达特征

分析8月18日夜间至19日凌晨驻马店雷达组合反射率(图5)可知，强降水以对流性回波为主，中心强度达45 dBZ以上。强降水集中阶段对流性回波演变可分为东北发展阶段、东北-西南向后向传播阶段和准静止阶段三个阶段，其中极端短时强降水发生在后向传播和准静止两个阶段。

18日21:00至19日02:00为中尺度对流系统向东北发展阶段(图5a-c)：沙颍河流域上游地区出现明显的块状对流回波，中心强度达50 dBZ以上，并镶嵌着55～60 dBZ的对流单体。随后在西南气流引导下，块状对流性回波东移北上并有所发展，强回波经过的测站均出现20 mm·h-1以上的强降水。

19日02:00至19日04:00为中尺度对流系统转为东北-西南向后向传播阶段(图5d-f)：此阶段与沙颍河流域下游的极端短时强降水阶段相对应。02：36(图5d)，流域下游出现西北-东南向带状强回波，中心强度在50 dBZ以上，同时也不断有新生对流单体从沙颍河流域南部生成并逐渐并入强回波带。03：30(图5e)，随着超低空西南暖湿急流发展，对流单体在沙颍河流域的西南方向生成后，在西南引导气流下不断向东北移动，其移动方向和新生对流单体传播方向几乎相反，后向传播特征显著。04：00(图5f)，漯河地区的中尺度对流系统后部不断有对流单体生成并发展，代替前面衰减的对流单体，形成明显的列车效应，导致漯河出现极端短时强降水。

19日04:00至19日06:12为中尺度对流系统准静止阶段(图5g-i)：对流性强回波在沙颍河流域中部稳定少动，该阶段多个发展旺盛的对流单体影响漯河、周口等地区，且50 dBZ以上强回波中心在漯河、周口附近稳定维持，准静止特征明显，有利于强降水增幅。

沿04:00(图5f)与06:12(图5i)作雷达反射率垂直剖面(图5j、k)。从剖面图中可见，强回波主要位于低层，呈单个柱状或柱状连片，≥45 dBZ的强回波位于6 km以下，具有低质心回波的暖区对流结构，回波结构密实，类似于热带海洋型回波，降水效率高，导致极端短时强降水天气发生。俞小鼎[21]指出，在这种热带海洋型回波中，大于45 dBZ的强回波1 h对应降水量在50 mm以上。而本次过程45 dBZ以上的强回波在沙颍河流域中下游稳定维持，对应19日02:00-03:00、03:00-04:00召陵区实验中学站小时雨强分别为81.0 mm·h-1、54.2 mm·h-1，与上述分析一致。

图5 2017年8月18日22:30(a)、18日23:30(b)、19日01:00(c)、19日02:36(d)、19日03:30(e)、19日04:00(f)、19日04:36(g)、19日05:36(h)、19日06:12(i)驻马店雷达组合反射率图及沿图(f)、(i)所作的19日04:00(j)、19日06:12(k)雷达反射率剖面图

径向速度图上(图6)，18日22:42(图6a)沙颍河上游出现中气旋，中气旋导致中尺度对流系统更具有组织性，而对流单体持续时间较长，有利于极端短时强降水发生发展。19日01:54(图略)，漯河附近出现气旋性辐合，范围逐渐扩大，同时气旋性涡旋右前方伴随中气旋产生。02:42(图略)-03:30(图6b)，沙颍河流域下游的漯河、西华、周口不断有多个中气旋出现，并且移速缓慢，有利于强降水进一步增强。对应03:30雷达径向速度剖面(图6c)上，降水区为低层辐合特征，或低层中尺度辐合与高层辐散叠加的特征，上升运动强烈，有利于极端短时强降水的发展和维持。

图6 2017年8月18日22:42(a)、03:30(b)驻马店雷达1.5°仰角径向速度图及沿图(b)所作03:30(c)雷达径向速度剖面图

强降水集中时段多次有中气旋产生。俞小鼎[21]指出，在有利于强降水的环境条件下，中尺度对流系统中含有中气旋会明显增加强降水的可能性，这是因为多个中气旋之间相互作用增加上升气流强度、回波强度及雨强，致使局地极端强降水发展；同时中气旋都与部分上升气流重合，使对流风暴形成较大的垂直螺旋度，导致对流系统能够维持较长的生命史。结合18日08:00至19日14:00降水中心的垂直螺旋度的时间-高度垂直分布分析发现(图略)，从18日20：00至19日08：00降水中心底层始终有明显的正螺旋度维持。其中，19日02：00 900 hPa附近出现2.0×10-7hPa·s-2的正垂直螺旋度中心，有利于中尺度对流系统强烈发展。这印证了俞小鼎的研究结论。

由此可见，本次过程中心强度达45 dBZ以上的对流性回波在沙颍河流域上游生成，在近地层辐合抬升作用下，逐渐发展为旺盛的对流单体，在西南气流引导下向东北移动，同时超低空西南急流上有新生对流单体向西南传播，后向传播特征显著。流域中下游不断有强回波对流单体更新交替，形成明显的列车效应。反射率垂直剖面上，强回波主要位于低层，呈单个柱状或柱状连片，具有低质心回波的暖区对流结构，降水效率较高。径向速度在低层出现中小尺度气旋性流场或辐合区及中气旋，在高层出现辐散，形成中尺度垂直环流，有利于产生极端短时强降水。

4 极端短时强降水预报着眼点

图7为本次过程各尺度系统结构图。如图7所示，本次极端短时强降水过程中500 hPa高空槽较浅，700 hPa切变线较弱，弱天气系统强迫的上升运动弱。结合水汽和热力条件诊断分析可知，充分的水汽供应出现在近地层；低层925 hPaθse中心值高达356 K，且强降水时段900 hPa以下持续有354 K以上的高能区，因此即使动力抬升条件有限，但近地层强烈持续的高温高湿为中尺度对流系统的触发提供了重要条件。同时随着夜间超低空急流的发展，低空急流左侧的强辐合中心增强，也加强了边界层辐合抬升作用，对中尺度对流系统的触发起到关键作用。产生极端短时强降水的直接系统是中β尺度对流系统，它是由低空急流风速辐合带上的对流云团和切变线云系上对流云团合并发展而成，在沙颍河流域中下游维持3 h以上形成极端短时强降水，强降水中心主要分布在MβCS中心后侧Tbb等值线密集区。

图7 沙颍河流域“8·19”过程极端短时强降水各尺度系统结构图

综上所述，本次过程发生在弱天气强迫下由中尺度对流系统触发。目前的数值模式在极端降水方面可预报性较差，此类天气的预报着眼点主要在于对中尺度对流系统生消及强度变化的把握。在中高层天气尺度系统不明显或弱强迫下，除了要关注低层尤其是边界层系统和对极端短时强降水有指示意义的环境参数外，更不能忽略中小尺度对流系统准静止、列车效应、后向传播等特征对极端短时降水预报预警的重要作用。