“16·7”石家庄特大暴雨多源观测信息特征分析

李国翠 钤伟妙,2 李禧亮

(1 河北省石家庄市气象局，石家庄 050081; 2 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081)

引言

2016年7月19—20日华北出现了当年入汛以来最强降水过程(“16·7”特大暴雨，下同)，此次降水过程为一次影响范围广、累积降水量大、持续时间长的极端强降水过程，其总体强度和影响范围较“96·8”(1996年8月)强，仅次于“63·8”(1963年8月)[1]。河北省强降水时段出现在19日凌晨到20日夜间，强度为“96·8”以来最强降雨，暴雨过程来势凶猛，呈现过程降水量大、降水强度强、持续时间长、影响范围广等致灾特征，强降雨引发太行山沿山一带洪水爆发，部分山区出现山体滑坡或泥石流等地质灾害，造成道路、电力、通讯等设施受损；平原大部分地区城市内涝严重，部分城区断水、断电、断交，给人民生活和生命财产造成重大损失。据民政部门统计[2]，此次暴雨共造成华北及附近地区1476.2万人受灾，164人死亡，125人失踪，直接经济损失311.4 亿元。据新华社报道[3]，此次特大暴雨导致河北省72人死亡，78人失联，受灾人口855.6万人，倒塌房屋49033间，损坏房屋106373间，农作物受灾面积707.4千公顷，绝收面积27.7千公顷。暴雨过后，黄壁庄水库和岗南水库水域面积增加120%以上，泄洪后沿途过水面积约95.2 km2。暴雨还引发河北境内3个河系水势普遍上涨，朱庄水库、临城水库、洺河临洺关水文站分别出现100年、50年、50年一遇洪水[4]。

暴雨天气预报一直是预报员关注的重点和难点之一，相关气象学者在暴雨的分析研究方面做了大量的工作并取得了丰硕的研究成果。在相关进展方面，赵思雄等[5]对暴雨机理与预报研究进展做了概括综述，张文龙等[6]对华北暴雨的研究进展进行了概括，众多学者从华北暴雨数值模拟[7]、湿位涡诊断[8]、台风暴雨统计[9]、中尺度对流系统结构特征[10-11]、雨滴谱特征[12]等方面做了大量研究，对于历史有名的特大暴雨天气过程，“96·8”河北特大暴雨的分析成果有很多[13-18]，研究内容涉及到暴雨的中尺度对流云团特征分析、数值模拟研究和湿位涡应用等方面，孙明生等[19]对“7·21”北京特大暴雨的成因进行了分析研究，杨磊等[20]对“8·16” 辽宁特大暴雨的多尺度特征分析，苗爱梅等[21]对山西大暴雨与低空急流配置进行了统计分析。“16·7”河北特大暴雨的研究也已有很多成果[22-23]，符娇兰等[1]研究分析了“16·7”华北极端强降水特征及天气学成因，陈碧莹等[2]利用GFS资料、卫星雷达和气象观测资料，借助WRF模式对“16·7”特大暴雨进行诊断分析和模拟研究，讨论了暴雨发生的环境要素配置及低涡系统的演变机制。

此次特大暴雨的相关研究分析多在成因分析和模拟诊断方面，对新资料分析还很少，本文基于L波段风廓线雷达、多普勒天气雷达、地基GPS水汽、微波辐射计、卫星云图、闪电定位仪和地面加密气象观测等多种新型探测资料，对石家庄特大暴雨天气过程的小时演变特征进行分析和总结，提炼特征指标，以期对强降水的天气预报提供借鉴参考。

1 降水实况

受高空低涡、副热带高压和地面气旋共同影响，2016年7月19日凌晨到20日夜间，石家庄出现一次特大暴雨天气过程(图1)，强降水时段主要出现在19日白天到20日上午。全市平均降水量256.4 mm，中西部县(市)有131个地面加密自动站降水量超过250 mm，20个加密自动站超过500 mm，井陉、平山、元氏和赞皇有9个站超过600 mm，赞皇的嶂石岩站最大为814.7 mm。市主城区降水量160.4～330.7 mm，烈士陵园最大。统计石家庄历年来强降雨天气过程，“16·7”特大暴雨过程为“96·8”特大暴雨以来最强降雨过程。

图1 2016年7月18日20:00至21日08:00石家庄降水量空间分布

“16·7”特大暴雨过程起止时间为19日00:00至21日08:00，降雨持续时间长达56 h，其中强降雨持续时段从19日04:00一直持续到20日14:00左右，持续时间长达34 h，呈现出小时雨强大和强降雨持续时间长等特征，小时雨强超过50 mm/h的有66站次，小时雨强超过100 mm/h的有2站次，其中19日16:00—17:00赞皇的嶂石岩小时雨强最大为139.7 mm/h，19日18:00—19:00平山的东回舍小时雨强为109.7 mm/h。

以赞皇的嶂石岩和元氏的代家沟地面加密自动站为例，分析嶂石岩小时降水量和代家沟小时降水量随时间的演变情况(图2)，嶂石岩过程降水量为814.7 mm，小时降水量超过20 mm的短时强降雨持续时段为19日11:00—14:00和15:00—20:00、19日22:00至20日05:00，累计时间长15 h，其中19日15:00—16:00、16:00—17:00、17:00—18:00、19日23:00至20日00:00的4 h的小时雨强超过50 mm/h。代家沟降水起止时间为19日00:00至21日02:00，过程降水量为667.6 mm。19日13:00至20日05:00小时降水量持续大于20 mm，持续时间长达16 h，其中19日14:00—15:00小时雨强最大为72.2 mm/h，19日13:50—13:55、14:15—14:20、16:50—16:55的5 min降水量高于10 mm，其中19日14:15—14:20时段5 min降水量最大为12.3 mm。

图2 2016年7月19—20日赞皇嶂石岩小时降水量(a)和元氏代家沟小时降水量(b)的时间演变

2 环境条件

2.1 水汽条件

2.1.1 地基GPS水汽总量(PWV)

分析7月18日08:00至21日08:00石家庄GPS水汽总量、小时降水量随时间变化(图3)可以看出，石家庄降水出现时间在19日05:00至20日13:00、20日15:00—16:00和20日20:00至21日02:00，其中20日下午和前半夜降水出现间歇，小时降水量超过5 mm的强降水出现在19日08:00至20日12:00。分析GPS水汽总量的小时变化趋势，18日白天水汽总量一直呈快速上升趋势，18日20:00至20日13:00GPS水汽总量一直维持50 mm以上的高值状态，其中19日17:00至20日02:00水汽总量超过60 mm，19日20:00达62.5 mm的最高值，20日13:00之后水汽总量迅速下降。强降水出现时间与GPS水汽总量高值阶段相对应，GPS水汽总量的突增时间比降水开始提前21 h，说明水汽积累到一定程度即充分的水汽供应是强降水出现的必要条件，符合暴雨形成的水汽条件，对降水开始时间有提前预警作用，此表现特征与以前研究结论也基本一致[24-25]。另外，水汽总量突降时间与降水结束时间基本一致。

图3 2016年7月18日08:00至21日08:00石家庄GPS水汽总量和小时降水量时间演变

相比GPS水汽总量而言，相对湿度的高值(图略)也同样对应降水时段，但18日14:00—17:00低值阶段、20日23:00至21日08:00高值阶段对降水无指示作用，这与相对湿度日变化有关。

2.1.2 地基微波辐射计水汽总量

图4为石家庄地基微波辐射计(位于鹿泉，石家庄国家气象观测站所在地)反演的水汽总量IWV，时间分辨率为1 s，由于19日20:00之后资料缺测，因此仅用19日20:00之前的资料进行分析。降水开始前水汽总量IWV一直处于增长状态，IWV从18日08:00的40 kg·m-2缓慢上升至18日20:00的55 kg·m-2再升至19日04:00的60 kg·m-2，19日04:00开始IWV持续高于60 kg·m-2，对应05:30降水开始出现。19日08:00—20:00 IWV介于60.0～82.5 kg·m-2之间，极大值出现在19日16:26，此阶段对应降水阶段，其中19日08:00—10:00和15:00—20:00两个阶段对应的IWV为70～82 kg·m-2，对应降水强度也较大，11:00—14:00降水强度相对较弱。以上分析说明降水开始前水汽总量IWV处于缓慢上升阶段，水汽总量IWV超过60 kg·m-2时对应降水的开始，IWV的高值阶段(60～83 kg·m-2)对应降水时段，且IWV大小与降水强度成正相关，此变化趋势与GPS水汽总量变化趋势基本一致。

图4 2016年7月18日08:00至19日20:00石家庄地基微波辐射计反演水汽总量时间变化

2.2 风场特征分析

分析7月19日00:00至20日18:00石家庄L波段低对流层风廓线雷达(位于鹿泉，石家庄国家气象观测站所在地)风场随时间演变(图5)，可以看出：①19日05:00之前低层风向杂乱无组织且风速小，对应实况无降水。②19日05:30之后风场开始变得有组织性，05:30—13:00低层风场转为东南风，高层为偏南风，风速越来越大。13:00—22:00低层为偏东风，高层偏南风增大，且低层和高层风速都呈逐渐增大趋势，6000 m高度南风增大到20 m·s-1并向上向下扩展，此阶段开始有弱降水出现。③19日22:00至20日14:00低层转为一致的东北风，且风速普遍达到东北风急流标准，高层为东南风或东风，其中19日22:00至20日09:00东北风高度伸展到4000 m，之后东北风高度下降。④20日15:00之后低层转为西北风，对应强降水过程的结束。

图5 2016年7月19日00:00至20日18:00石家庄L波段雷达风廓线时间演变

2.3 低空急流和0～3 km垂直风切变

分析垂直风随时间演变发现，19日00:00至20日10:00 0～3 km低层最大风速均超过12 m·s-1，其中19日07:00到20日04:00低层最大风速超过20 m·s-1，20日08:00东北风最为深厚且风速较大，超过20 m·s-1的东北风从630 m伸展到3870 m，其中1110 m风速最大为25.9 m·s-1。低空急流出现时间比降水开始时间提前5 h，低空急流消散时间比降水结束时间早3 h，说明低空急流的开始时间和结束时间对降水的起止时间有一定指示意义，超过20 m·s-1的东风急流出现时间与强降水出现时间基本吻合，对强降水也有一定指示作用。

图6 2016年7月18日16:00至20日16:00石家庄低空急流指数和0～3 km垂直风切变(a)及低空急流最低高度和0～3 km最大风速(b)随时间演变

低空急流指数和0～3 km垂直风切变呈现先升后降的变化趋势，低空急流指数19日06:00之前低于0.02 s-1, 19日07:00至20日10:00上升到0.02 s-1以上的峰值，19日12:00至20日04:00高于0.1 s-1，20日04:00—10:00出现突降趋势从0.158 s-1降到0.016 s-1；0～3 km垂直风切变同样呈现先升后降的变化趋势，19日00:00—10:00呈上升趋势，10:00垂直风切变为5.9×10-3s-1,之后维持高值阶段，20日03:00开始降到5×10-3s-1以下。相比而言，低空急流指数和0～3 km垂直风切变均对降水有指示意义，二者的上升对应降水开始，高值阶段对应强降水阶段，下降对应降水结束，相比而言，低空急流指数对降水的相关性更为明显。

2.4 层结稳定度条件

分析降水开始前的邢台探空站(距离石家庄最近的探空站)对应的层结曲线，18日20:00对流有效位能CAPE为1028 J·kg-1，K指数为38 ℃，沙氏指数SI为-1.37 ℃，850 hPa与500 hPa的温度差为24 ℃，地面假相当位温71.46 ℃，且河北省中南部位于等值线梯度大值区即高能区一带。探空层结曲线呈现上下层湿、中层(669～459 hPa)干区的特点，说明降水开始前层结不稳定且存在明显的不稳定能量，对流抑制小，垂直风切变明显，容易产生对流降水；19—20日对流有效位能和沙氏指数呈持续下降趋势，其中19日08:00和20:00对流有效位能分别降至78.1 J·kg-1和286.8 J·kg-1，20日趋于零，19-20日的沙氏指数转为正值，说明大气层结趋于稳定，但由于K指数和假相当位温维持高值，说明总能量维持的同时不稳定能量总体下降，对应前期的对流降水和后期的稳定性降水。

3 中尺度特征分析

3.1 多普勒天气雷达回波特征

分析石家庄新一代天气雷达(位于新乐，SA波段雷达)的回波演变特征(图7)，回波类型表现为大范围的层状云和积状云的混合降水回波，其中19日回波以层积混合为主，伴有间断的弱对流性质；20日回波以层状云和稳定性降水为主。强度回波具有密实的片絮状结构，回波质心位置普遍较低，30 dBz以上的强回波普遍位于5 km以下的中低层，且较强回波在某一地点影响时间较长，列车效应明显，强回波介于45～55 dBz之间。垂直累积液态水含量值较低，大多位于0～10 kg·m-2，最大值不超过30 kg·m-2。回波顶高多低于12 km。雷达回波属于热带降水类型，降雨效率高。雷达反射率因子、垂直累积液态水含量、回波顶高与对应的降水量呈明显正相关。

图7 2016年7月20日02:00石家庄SA波段多普勒天气雷达1.5°仰角反射率因子(a),沿110°E作反射率因子垂直剖面RCS(b),1.5°仰角径向速度(c),VWP风廓线演变(d)

径向速度场主要表现为大面积入流速度和出流速度，零速度线呈“S”形，低层为东风，高层为东南风，存在明显的暖平流。19日15:00之后高空风速明显加大，近地面和低层风速都达到12 m·s-1的低空急流标准，19:30—21:18近地层出流速度区出现速度模糊，正负速度值分别为29 m·s-1和-23 m·s-1，平均速度26 m·s-1。20日04:42—07:54入流速度区出现速度模糊，其中20日06:42入流速度和出流速度均出现速度模糊，正负速度值分别为21 m·s-1和-27 m·s-1，风向为东北风。雷达风廓线图，19日午后低层有持续偏东风，风向随高度顺转，风速逐渐增大，15:00已达到急流标准，17:30 1 km左右高度风速开始超过20 m·s-1。夜间地面气旋北上，21:00后，偏东风高度升至2～3 km，1.5 km以下转为东北风，0.6～1.2 km风速超过20 m·s-1且不断向上扩展，20日00:00扩展到2.4 km高度。偏东风(东北风)的持续加强是石家庄中西部强降雨得到维持的重要原因。

3.2 雷达回波强度与6 min降水对应分析

以元氏的代家沟自动站为例，分析逐个体扫(6 min)的雷达组合反射率因子、垂直累积液态水含量和回波顶高和对应降水量演变情况。代家沟过程降水量为667.6 mm，降雨主要分为3个阶段：第1阶段为19日00:30—07:30，对应间断性阵雨;第2阶段为19日07:30至20日14:48，为持续性降雨;第3阶段为20日14:48至21日01:12，为间断性阵雨。

图8为元氏代家沟6 min雷达回波和对应降水量的时间演变，分析可以看出，组合反射率因子(CR)、垂直累积液态水含量(VIL)和回波顶高(ET)最大值分别为55 dBz、15 kg·m-2和11 km。19日13:36—17:00(除15:12—15:18和16:00—16:06两个体扫)和18:48—19:54的6 min降水量大于2.5 mm，期间组合反射率因子40～55 dBz，回波顶高8～9 km。其中14:18—14:24和16:48—16:54 6 min降水量分别为13.6和13.5 mm，对应的组合反射率因子50～55 dBz，回波顶高8～9 km。

图8 2016年7月19日00:00至21日20:00代家沟雷达组合反射率因子CR(a)、垂直累积液态水含量VIL(b)、回波顶高ET(c)和6 min降水量时间演变

3.3 卫星资料分析

分析FY-2卫星的红外云图演变，19日凌晨到上午，云团主要位于山西、河北一带，对应中尺度对流云团自西向东移动，对应高空槽前的暖区降水，面积不断增大；19日下午到夜间，随着高空涡和地面气旋的北移，影响河北省中南部的云系转为自南向北移动的螺旋状云带，表现为涡旋特征，色调较白，云的边界整齐光滑，云类型以层积混合云为主，云层较厚。19日石家庄对应的云顶亮温TBB介于-55～30 ℃之间(图9)，低于-50 ℃的位于19日傍晚到夜间，强降雨带主要位于云系边缘TBB梯度的大值区域，且云带自南向北持续影响石家庄一带，具有明显的“列车效应”，降水效率高且持续时间长，导致强降雨。20日上午之后随着高空涡和地面气旋的北移，螺旋云带主体云系也随之北移，石家庄转为层状云为主的弱降雨，对应的TBB值明显升高。

图9 2016年7月18日20:00至21日08:00石家庄云顶亮温TBB随时间演变

3.4 闪电监测分析

分析ADTD闪电定位监测得到的地闪分布(图10)，可以看出，此次过程对应出现的地闪大部分出现在19日白天，且闪电密度总体较低，20日基本无闪电出现，且闪电分布与雷暴观测相吻合。19—20日石家庄共出现地闪128次，主要出现时段为19日07:00—09:00(东部平原的晋州、深泽和辛集)和19日17:00—21:00(西部山区的平山、井陉)，占总地闪次数的98.4%，20日仅有零星闪电出现；正地闪和负地闪出现次数基本相当，最大负地闪强度为50.7 kA，最大正地闪强度为66.7 kA，强度超过50 kA 的地闪占总次数的4%，说明此次暴雨天气过程对流活动仅出现在19日且对流强度较弱。

图10 2016年7月19—20日石家庄地闪分布

4 结论与讨论

“16·7”石家庄特大暴雨主要出现在19日白天到20日上午，全市平均降水量256.4 mm，赞皇的嶂石岩最大为814.7 mm，降雨持续时间长达56 h，短时强降雨累计15 h，其中4 h的小时雨强超50 mm·h-1，赞皇的嶂石岩小时雨强最大为139.7 mm·h-1，出现在19日16:00—17:00。基于风廓线雷达、地基GPS水汽、微波辐射计、多普勒天气雷达、卫星云图和闪电等多种观测资料，对“16·7”石家庄特大暴雨过程进行分析，得出以下结论：

(1)GPS水汽总量(PWV)和微波辐射计水汽总量(IWV)变化与强降水变化趋势基本一致，降水出现时间与水汽总量PWV和IWV高值阶段相对应，PWV为50～63 mm，IWV为 60～83 kg·m-2，且水汽总量与降水强度呈正相关。降水开始前水汽总量PWV和IWV均存在一个明显上升阶段，水汽总量PWV和IWV的突增明显提前于降水开始时间，其中突升到高值的时间比降水开始时间提前5 h，说明充足的水汽是强降水出现的必要条件，对降水开始时间预报可起到提前预警作用。

(2)风场特征表现为降水前风向杂乱风速小且无组织，降水阶段低层风转为一致偏东风且风速增大，甚至达到东北风急流标准，低层风向转西北风预示强降水结束。低空急流出现时间比降水开始时间提前5 h，低空急流消散时间比降水结束时间早3 h，说明低空急流的开始时间和结束时间对降水起止时间有一定指示意义，且超过20 m·s-1的东风急流出现时间与强降水出现时间基本吻合，对强降水也有一定指示作用。暴雨出现前低空急流所能达到的最低高度出现下降趋势和低层最大风速对应增加趋势，降水结束对应低空急流最低高度的上升和低层最大风速的下降，强降水阶段对应低空急流最低高度的谷值和最大风速的峰值。低空急流指数和0～3 km垂直风切变呈现先升后降的变化趋势，上升对应降水开始，高值阶段对应强降水阶段，下降对应降水结束，相比而言，低空急流指数对强降水的相关更为明显。

(3)此次特大暴雨过程对流活动较弱，仅在19日伴有弱闪电和雷暴出现。雷达回波和卫星云图表现为大范围层积混合云降水回波，强降雨时对应的云顶亮温介于-55～-30 ℃之间，雷达强回波介于45～55 dBz之间，回波质心普遍较低，30 dBz以上强回波位于5 km以下的中低层，属于热带降水类型，列车效应明显。垂直累积液态水含量为0～10 kg·m-2，最大不超30 kg·m-2，回波顶高多低于12 km，元氏代家沟雷达反射率因子、垂直累积液态水含量和回波顶高最大值分别为55 dBz、15 kg·m-2和11 km，与 6 min降水量具有明显正相关关系。径向速度场零速度线呈“S”形，存在明显暖平流。近地面和低层风速存在大值区达到低空急流标准，对应速度模糊，正负速度分别为29 m·s-1和-27 m·s-1。