2021年7月11～12日河北一次暴雨天气过程分析

刘炳杰，王 楠

（河北沧州市气象局，河北 沧州 061000）

1 暴雨天气实况

2021年7月11～12日河北出现一次暴雨天气过程，从降水量分布图来看：100mm以上的降水落区主要集中在燕山南麓、太行山东麓的京津冀广大地区，沧州沿海地区也是此次降水较强的中心之一，其中盐山望树镇雨量达206.3mm。

本次强降水影响河北中东部地区主要是在11日夜间～12日傍晚，降雨时多站出现短时强降水和短时大风天气。渤海新区海洋气象探测基地风速最大达27.9m/s（10级），本次过程有持续时间长、累计雨量大、分布不均匀等特点。

从雷达回波形态来看，本次强降水过程大致分为三个阶段：第一阶段11日20：00～12日02：00沧州西北部地区出现对流天气；第二阶段12日02：00～10：00螺旋雨带自西南向东北影响我市大部分地区，以系统性降水为主；第三阶段12日10：00～14：00对流系统持续的列车效应影响我市东部地区。

根据雷达显示降水的三个阶段，我们选取三个站点雨强的时间序列，第一阶段的降水比较集中，持续时间短，降水强度较大，具有很明显的对流性质。第二个阶段，降水时间长，在一段时间内，相对比较均匀，雨强不大，不过在发展过程中，也出现了短暂的雨强较大的时刻，说明，随着系统东移，也会出现强对流降水。第三阶段降水在一段时间内一直停留在沧州的东部地区。

图1 2021年7月12～13日24时河北地区累积降雨量分布

2 暴雨成因

2.1 第一阶段环流背景

从雷达回波形态上来看，第一阶段降水回波中心高度比较低，降水效率强，具有暖区降水的特征。结合历年来学者对华北地区暖区降水的定义：（1）位于副热带高压边缘的高温湿舌内；（2）发生在7～9月；（3）暖区暴雨的强对流特征明显，短时强降水的贡献随总雨量的增加而加大，且降水时段集中，主要降水产生在 6 h以内；（4）主要在边界层极端高温高湿区触发和维持。（5）动力条件不足；（6）弱辐合线的触发。对第一阶段的降水进行分析。

从11日20时500hPa形势分析，沧州处于副高外围高温湿舌内，为暖区暴雨的发生提供了有利的环境条件，结合雷达回波特点，主回波区前部出现块状回波，反射率因子梯度较大，具有对流性质特征，结合自动站小时强度，块状回波降水效率较高，每小时可达30mm以上，因此从雨强上能够指示第一阶段具有暖区降水的特征。

图2 第一阶段500百帕天气形势

第一阶段物理量分析：

11日20时水汽分布显示沧州西部地区700hPa比湿为10～12g/kg，850hPa达到14～16g/kg，大气低层比湿较高，本地水汽条件符合沧州地区出现暴雨的指标；通过水汽通量剖面图，在沧州西部地区，存在水汽通量正值区，说明有外来的水汽向沧州地区输送，结合水汽通量散度可以看到在沧州西部地区存在水汽通量辐合，外来的水汽输送加上本地充足的水汽，共同造成第一阶段暖区暴雨的发生。但是由于水汽通量大值区存在于河北中南部与北部，因此沧州西部地区在整个降水过程中，并不是暴雨中心。

11日14时北京站探空图显示700hPa以下风随高度顺转有暖平流，700hPa以上风随高度逆转有冷平流，上干冷下暖湿结构配置，显示大气层结为不稳定层结，结合cape值已达到2400J/kg，说明此次降水前期不稳定能量较大，利于上升运动的持续，同时抬升凝结高度为0.5km，0度层为4.7km，暖层厚度达4.2km，降水效率较高，综合以上因素都有利于第一阶段暖区暴雨的发生。

另外，从假相当位温垂直剖面上可以分析在沧州西部暖区降水发生前上空，θse随高度降低上干冷下暖湿，且900hPa以下为θse密集带有较好能量条件，与强降水区域位置对应比较一致。

沿沧州中西部地区做垂直速度和涡度分布剖面，在降水时700hPa以上有比较弱的上升，在低层出现下沉，中低层动力条件较弱，同时从地面自动站客观分析场发现（图略）：沧州西部有一条东北-西南向辐合线，两侧有西北-东南风切变，有利于辐合上升运动，触发对流，中层弱辐合上升配合低层辐合，并结合实况也说明此次过程的第一阶段具有暖区暴雨的特征。

综上所述，通过暖区暴雨的特征，结合此次过程特点，初步判断此次过程的第一阶段为暖区暴雨，此次暖区暴雨在沧州雨强不是特别强，可能是与水汽输送不强有关。另外通过第一阶段分析，对于低涡主体影响之前暖区对流，我们预报时最应该关注：低层辐合线对暖区暴雨的指示意义；水汽、能量的分布梯度大值区往往是暖区暴雨发生的位置；雷达回波的特征分析也可以判断暖区暴雨的发生地点。

2.2 第二阶段环流背景

随着系统东移，低涡北上，降水性质发生变化，从雷达图显示，反射率因子基本在40dBz以下，为稳定性降水。从500百帕与850百帕高低空配置看，12日02时200hPa上河北刚好位于西风急流出口区左侧，高空强辐散，利于强上升运动加强。500hPa上巴湖和贝湖之间有一宽广低压槽，和河套地区低压槽呈阶梯状分布，不断引导冷空气南下，11日20时在河北地区形成一闭合低压。副高外围584线北伸与北部弱脊合并加强，形成高压坝，出现“东高西低” 有利环流形势。12日02时低涡移至河北，有明显的低空急流，最大风速中心达18m/s，切变线、低涡和低空急流共同影响，产生低层辐合，有强烈上升运动，水汽配合上升运动，利于降水的发生。

第二阶段水汽条件与能量条件：

比湿垂直分布显示，随着低涡北上，沧州低层水汽整体较好，700百帕以下达到了10g/kg，在外来水汽输送方面，受低涡影响，涡前部的东南气流逐渐控制沧州地区，水汽辐合中心也逐渐移到华北中部地区，利于强降水的发生。

通过垂直运动与能量分布分析，降水第二阶段开始时，受低涡前部正涡度平流影响，700到850百帕存在明显的上升区，比第一阶段垂直运动较强。从能量分布来看（图略），此时高层冷平流逐渐减弱，随着前期降水发生，高层也逐渐变湿，而低层暖平流变化不大，上干下湿，上冷下暖的不稳定层结也逐渐减弱，因此，虽然此时中层存在持续的上升运动，但是不稳定层结的减弱，很难触发对流天气，因此以稳定性降水为主。

2.3 第三阶段环流背景

后期随着系统东移，500百帕逐渐转为西北气流控制，低层强的暖湿气流仍然控制沧州地区，从回波演变来看，降水回波由层状云降水转为对流降水，并且结合回波传播方向以及对流单体形成的位置，出现了明显的列车效应特征，因此在沧州黄骅地区形成一个强降水中心，造成了沧州东部地区出现206mm的降水。

第三阶段垂直条件与能量条件：

随着高空转为冷空气控制，沧州上空θse随高度降低，上干冷下暖湿不稳定层结构逐渐加强，在900hPa附近存在能量锋区，容易触发不稳定能量，造成对流天气的发生，从k指数分布看（图略）沧州东部一直维持在38～40℃，不稳定能量也较强。

从涡度场分布来看，沧州东部地区处于正涡度区，因此在速度图上低层也对应着上升运动，结合前面不稳定层结的分析，不稳定能量配合垂直运动造成了沧州黄骅地区的强降水天气。

另外根据有关学者研究，低空暖湿气流和低空急流附近，往往存在条件静力不稳定性，这是列车效应发生的有利环境，从850百帕风场与湿度场叠加显示（图略），沧州东部地区正好处于低层东南气流的控制，且比湿达到了14g/kg以上。强的水汽与能量条件预示着沧州东部地区发生列车效应的可能。

从500百帕引导气流与雷达回波传播方向看，受引导气流的影响，雷达整体由西南向东北方向传播，而雷暴新生单体存在后向传播的趋势，从平移与传播的叠加来看，新生单体与总体回波夹角较小，因此利于回波列车效应的形成，造成沧州东部地区强降水中心。

3 结论

利用多种资料，对2021年7月11～12日降水特征、环境条件及降水的演变等方面进行了综合分析。主要结论如下：

（1）此次低涡造成河北降水分为三个阶段，第一阶段为偏南气流控制区内的暖区暴雨，此阶段降水强度大，具有强对流特征，同时预报难度较大；第二阶段为低涡控制下的稳定性降水，此阶段对流强度不强，回波上表现为大片的层状云降水回波，但持续时间较长，降水总量也较大；第三阶段，由于高空降温，低层低空急流维持，不稳定层结加大，往往会出现对流性质的降水，但是由于引导气流偏弱，回波容易出现后向传播，易出现雷达回波上的“列车效应”，降水总量上可能造成局地强降水中心。

（2）根据三个阶段不同成因分析，我们对于此次低涡降水每个阶段降水预报落区及量级关注点也不同，其中对于暖区暴雨，我们要关注低层辐合线及能量锋区和大值区所在的位置；低涡控制时，我们关注点在于低涡影响区域以及水汽辐合位置；当低涡东移，高空转为西北气流时，高空西北气流与低层低空气流耦合的区域，往往容易出现列车效应造成的较强降水。

通过以上分析，我们对河北地区在低涡影响下每个阶段降水特性有了一定的了解，尤其对暖区降水的预报方面提供了一些帮助，但是由于我们研究范围较小，选取的只是代表性的区域，对整个过程的演变及认知还存在不足，所以加强低涡影响下华北地区暴雨产生机制还显得非常必要，在以后研究中，扩大研究范围，细化低涡降水的阶段，研究各阶段降水单体特征，为准确预报华北地区低涡强降水会有一定的指导意义。