金曉青，李江波，于 雷，閆雪瑾，于愛兵，申莉莉

（1.河北省氣象臺，河北 石家莊050021；2.保定市氣象臺，河北 保定071000）

鋒前暖區(qū)暴雨具有降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)、影響系統(tǒng)弱和突發(fā)性強(qiáng)等特點，因此給預(yù)報帶來了很大的難度。傳統(tǒng)天氣學(xué)中，鋒前暖區(qū)暴雨主要是指華南5月中旬后受東亞季風(fēng)影響，降落于冷鋒前部的暖區(qū)中的暴雨。具體定義為：華南暖區(qū)暴雨發(fā)生在華南地面鋒面的南側(cè)暖區(qū)，或是在南嶺至南海北部沒有鋒面存在，華南不受冷空氣或變性冷高脊控制，有時發(fā)生在西南氣流和東南氣流的匯合處，有鋒面時暴雨區(qū)位于地面鋒區(qū)以南200～300 km處[1-2]。因此當(dāng)前已有的暖區(qū)暴雨的研究主要集中在華南地區(qū)前汛期暴雨[3-10]，然而目前針對北方暖區(qū)暴雨的研究相對較少。早在1981年游景炎就對太平洋副熱帶高壓北側(cè)暖區(qū)內(nèi)發(fā)生的一次暴雨過程進(jìn)行分析[11]，指出在行星邊界層600 m出現(xiàn)脈沖式的西南急流，起著向暴雨區(qū)輸送大量水汽以及使急流左側(cè)氣旋性渦度發(fā)展觸發(fā)強(qiáng)暴雨的作用，同時，邊界層風(fēng)速輻合線對強(qiáng)暴雨的觸發(fā)與維持也起著重要作用。2012年7月21—22日，北京、河北等地出現(xiàn)了一次特大暴雨天氣過程，諶蕓、孫軍等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，此次降水過程前期的強(qiáng)降水屬于暖區(qū)暴雨,具有開始時間早,強(qiáng)降水中心分散,持續(xù)時間長的特點。暖區(qū)降水主要受低渦切變、低空急流、地面輻合線、地形等作用，在邊界層極端高濕區(qū)觸發(fā)和維持。專家們針對北京、河北“7·21”特大暴雨從多尺度特征、中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境場特征、暴雨云團(tuán)的發(fā)生和傳播機(jī)理、高分辨率模式分析場及預(yù)報分析、水汽異常和降水異常成因、地形作用等方向進(jìn)行了相關(guān)分析[14-21]。2012年7月8日河南東北部、山東南部、江蘇北部也先后出現(xiàn)暖區(qū)大暴雨、特大暴雨，降水強(qiáng)度和持續(xù)時間都比北京“7·21”特大暴雨更甚，徐珺等[22]對此次強(qiáng)降水過程的中尺度系統(tǒng)環(huán)境特征及發(fā)生發(fā)展特點進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其雷達(dá)回波具有明顯的后向傳播、列車效應(yīng)和熱帶降水型特點。2013年7月1日，河北省中部出現(xiàn)一次特大暴雨過程，孔凡超等[23]分析指出此次暴雨天氣分為暖區(qū)暴雨和切變暴雨2個階段，暖區(qū)暴雨在地面中尺度渦旋的影響下，由中β尺度對流云團(tuán)在初生和發(fā)展階段造成。以上研究說明北方地區(qū)鋒前暖區(qū)暴雨也時有發(fā)生，而且可能具有更大的降水強(qiáng)度、更強(qiáng)的突發(fā)性，造成更大的損失。

風(fēng)暴運動可以從雷達(dá)回波圖上獲得，它是平流和傳播的合成[24]。平流是指風(fēng)暴承載層的平均氣流方向；而傳播是指在風(fēng)暴的某側(cè)由新生單體引發(fā)的風(fēng)暴運動。當(dāng)傳播的方向與平流的方向相反，且傳播的速度大于平流的速度時，風(fēng)暴運動的方向與平流方向相反。由于傳播的方向與平流方向相抵消，會導(dǎo)致回波移動緩慢，給某一地區(qū)造成短時強(qiáng)降水。中國有一些對雷暴后向傳播個例的研究：徐珺等[22]對2012年7月8日河南東北部、山東南部、江蘇北部出現(xiàn)的暖區(qū)大暴雨、特大暴雨強(qiáng)降水過程的中尺度系統(tǒng)環(huán)境特征及發(fā)生發(fā)展特點進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其雷達(dá)回波具有明顯的后向傳播、列車效應(yīng)和熱帶降水型特點；陳明軒等[14]通過觀測和模擬結(jié)果綜合分析，初步得出了低層熱、動力配置的概念模型，為北京“7·21”特大暴雨中MCS“列車效應(yīng)”和后向傳播特征的機(jī)制分析提供了依據(jù)；孫敏等[25]對2013年9月13日上海地區(qū)的一次后向傳播雷暴過程機(jī)制進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該次過程后向傳播的主要原因是：向西南方向推進(jìn)的地面陣風(fēng)鋒與原有的地面輻合線共同形成了雷暴西南側(cè)局地鋒生區(qū)，與新生對流區(qū)的位置一致。

2013年8月11日下午到夜間，河北中南部地區(qū)發(fā)生了一次對流暴雨過程，雨帶發(fā)生于距離鋒區(qū)較遠(yuǎn)的副高外圍的西北側(cè)暖區(qū)內(nèi)，對流雨帶中雷暴單體的生成具有后向傳播特征，主客觀預(yù)報很難對其作出準(zhǔn)確預(yù)報，因此值得對這次暴雨過程的環(huán)流背景、環(huán)境場特征、尤其是中尺度雨團(tuán)后向傳播特征等進(jìn)行分析，探討其發(fā)生機(jī)制，加深對此類暴雨的認(rèn)識，提高預(yù)報能力。

1 資料介紹

分析中采用了常規(guī)觀測、雷達(dá)、衛(wèi)星、加密自動站資料以及ERA-Interim再分析0.5°×0.5°資料。

本文采用了以三維云尺度數(shù)值模式和雷達(dá)資料四維變分同化（4DVar）技術(shù)為核心的變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)（VDRAS）的產(chǎn)品。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多部多普勒天氣雷達(dá)資料的快速更新循環(huán)同化分析，從而得到與風(fēng)暴系統(tǒng)生消發(fā)展密切相關(guān)的三維動力和熱動力特征[14,26]。該系統(tǒng)產(chǎn)品同化了京津冀6部雷達(dá)，探測范圍為550 km×550 km，覆蓋京津冀大部分地區(qū)，中心點在（40.15°N、116.21°E），水平分辨率為5 km，垂直分辨率400 m，最低層為200 m。擾動溫度為本點溫度減去本層的平均溫度，表示溫度場的相對冷暖，可用以指示冷池、暖舌、冷暖交匯形勢；擾動溫度梯度是溫度的水平梯度，指示擾動溫度的空間變化幅度，可定性指示陣風(fēng)鋒（雷暴出流）的相對位置和強(qiáng)弱；垂直速度向上為正值。

2 天氣實況

圖1 8月11日08時—12日08時累計降水量（a）和11日18時河北省自動站1 h降水（b）（黑色等值線）

2013年8月11日08時—12日08時，冀中南地區(qū)出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣，全省平均降水量為23.9 mm，最大值出現(xiàn)在深澤，為147.2 mm（圖1）。強(qiáng)降雨分為2個階段：第一階段為11日的15：00—18：00，對應(yīng)雨帶1；第二階段為20：00—23：00，對應(yīng)雨帶2（圖1a橙色實線所示）。逐小時降水分布表明（圖1b），雨帶1自東北向西南發(fā)展，與引導(dǎo)氣流（西南風(fēng)）反向，即雨帶1對應(yīng)的降水云團(tuán)呈“后向傳播”。本文主要針對雨帶1的成因及其可預(yù)報性進(jìn)行分析。另外，強(qiáng)降水過程中，藁城、趙縣、臨城等臺站先后出現(xiàn)了8～10級雷暴大風(fēng)。

3 環(huán)流背景及環(huán)境場特征分析

3.1 大尺度環(huán)流特征

11日08時，東亞大陸上空500 hPa環(huán)流呈“兩槽兩脊”。其中高空槽位于蒙古國中部和勘察加半島附近，高壓脊位于我國新疆地區(qū)和內(nèi)蒙古東部，蒙古國高空槽南伸至河套。我國內(nèi)蒙古東部的高壓脊與其南側(cè)的西太平洋副熱帶高壓（下文簡稱副高）同位相疊加，構(gòu)成“西低東阻”的形勢，系統(tǒng)移速緩慢。11日08時，120°E處588 dagpm線抬至40°N以北，副高的位置達(dá)到2013年入夏以來最北點，有利于冀中南低層大氣維持高溫高濕的狀態(tài)。11日08時—12日08時副高略有南落，出現(xiàn)深厚濕對流。

11日08時850 hPa，河北省受偏南氣流控制（圖略）。晉冀交界處有一暖式切變線，同時河北中部有西南風(fēng)與東南風(fēng)的切變線，邢臺與北京之間有風(fēng)速輻合。溫度場上，由于江淮流域暖中心的北部暖脊北伸，京津冀地區(qū)溫度達(dá)21～22℃，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的形成與維持。

在地面天氣圖上，河北處于高壓后部，冷鋒前部的暖區(qū)中，中東部大部分地區(qū)為東南風(fēng)。

綜上，本次過程為為副高外圍、冷鋒前部的暖區(qū)內(nèi)觸發(fā)的的深厚濕對流，副高外圍的西南氣流為本次過程提供了有利的水汽和不穩(wěn)定能量條件。

3.2 中尺度環(huán)境分析

3.2.1 熱力及不穩(wěn)定條件分析

分析11日08時北京站和邢臺站的探空曲線發(fā)現(xiàn)，二者的對流有效位能，均超過3000 J/kg，且對流抑制能量較小。500 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，北京探空站400～500 hPa間有冷平流，形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)。對流參數(shù)的變化（表1）表明，兩探空站的對流參數(shù)較前一時次有明顯增強(qiáng)，K指數(shù)分別達(dá)到34℃和38℃，沙氏指數(shù)達(dá)到-4.12℃和-3.36℃。需要指出的是，此時北京探空站的對流溫度為30℃，邢臺站的對流溫度為36.9℃，這表明，北京附近的環(huán)流條件更有利于熱雷暴的出現(xiàn)。

表1 北京（54511）、邢臺（53798）探空站參數(shù)列表

王宗敏等[27]提出副高存在明顯的動力、熱力和對流不穩(wěn)定度邊界，對流雨帶發(fā)生在水汽、熱力及對流不穩(wěn)定邊界的內(nèi)側(cè)和副高動力邊界的外側(cè)，本次過程中（圖2），雨帶位于副高動力邊界（上升運動和下沉運動的分界,圖2中藍(lán)色虛線）的左側(cè)，有弱上升運動，中心值為-0.2 Pa/s，容易觸發(fā)不穩(wěn)定能量造成對流天氣；動力邊界右側(cè)為明顯的下沉氣流，不利于對流天氣發(fā)展。用假相當(dāng)位溫θse表征大氣的熱力狀態(tài)，將隨高度向西傾斜的高假相當(dāng)位溫舌定義為副高的熱力邊界（圖2中紫色虛線），熱力邊界右側(cè)850～600 hPa大氣呈為“上干冷、下暖濕”的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，熱力邊界左側(cè)地面至900 hPa為等θse線的密集帶。對流雨帶發(fā)生在熱力邊界的右側(cè)，具有較好的能量條件。以上分析與王宗敏的結(jié)論一致，本次過程對流雨帶恰好位于副高動力邊界的外側(cè)和熱力邊界的內(nèi)側(cè)，可通過判斷動力邊界和熱力邊界的位置來預(yù)報對流雨帶的落區(qū)。

圖2 8月11日14時沿38°N的垂直剖面

3.2.2 抬升觸發(fā)機(jī)制

由加密自動站的風(fēng)場（圖3）知，11日08時，冀東南平原上為東南風(fēng)，至滄州西部、保定東部為偏東風(fēng)，石家莊、邢臺和邯鄲的西部為偏西風(fēng)或偏北風(fēng)，石家莊東部地區(qū)位于3支氣流的輻合中心（圖3a）。11時滄州地區(qū)的東南風(fēng)向西推進(jìn)，保定大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，在廊坊—保定東部—石家莊東部一帶形成了一條輻合帶（圖3b），此時降水尚未出現(xiàn)。結(jié)合前文中對流參數(shù)的分析，可知北京附近的對流抑制能量比河北南部地區(qū)要小，更易觸發(fā)對流活動。地面觀測表明，13時在廊坊—保定東部一線（輻合線北側(cè)）出現(xiàn)了弱降水。14時降水區(qū)沿輻合線向南發(fā)展，降水區(qū)后部θse迅速降低,即雨區(qū)后部有干冷區(qū)出現(xiàn)（圖3c），此時河北南部θse≥370 K，地面θse的分布特征對雷暴的維持與加強(qiáng)極為有利。事實上，此時石家莊東部地區(qū)北側(cè)的雷暴出流、東南側(cè)的東南氣流與西部的西北氣流3支氣流交匯，出現(xiàn)中尺度輻合中心，受其影響，新單體在原雷暴的西南側(cè)生成，雷暴（單體）開始后向傳播。17時隨著對流單體后向傳播（圖3d），地面上保定、石家莊地區(qū)的冷池范圍擴(kuò)大并出現(xiàn)輻散。同時,山西生成的對流云團(tuán)東北移至冀西南，呈正向（自西南向東北）傳播狀態(tài)。相向而行的兩對流系統(tǒng)，分別在地面上引起出流，兩支出流氣流相遇引發(fā)強(qiáng)輻合并觸發(fā)新單體，進(jìn)而加強(qiáng)了冀中雷暴的后向傳播特征，同時帶來強(qiáng)降水。石家莊西南部的能量釋放完，雨帶1對應(yīng)的的強(qiáng)降水過程結(jié)束。

4 后向傳播雷暴的雷達(dá)特征和動力熱力結(jié)構(gòu)

4.1 后向傳播雷暴的雷達(dá)特征

石家莊雷達(dá)0.5°仰角反射率因子表明，15:18分保定東部的陣風(fēng)鋒（圖4虛線）南段與石家莊東部的地面輻合線近乎正交，交點附近形成強(qiáng)烈的輻合。沿地面輻合線，自北向南依次選取深澤、晉州、藁城劉海莊3個自動站，分別比較陣風(fēng)鋒過境時間與降水起始時間（圖5）：15：18—15：30陣風(fēng)鋒經(jīng)過深澤，其降水起始時在15：20—15：30間；15：48—15：54陣風(fēng)鋒經(jīng)過晉州，其降水起始時間在16：00左右；藁城劉海莊站也有這種對應(yīng)關(guān)系。上述時間關(guān)系表明，陣風(fēng)鋒經(jīng)過輻合線后5～10分鐘地面有降水出現(xiàn)。這可能是因為地面輻合線與陣風(fēng)鋒相交，使得上升運動加強(qiáng)，觸發(fā)了新的對流單體。因地面輻合線呈東北—西南向，且初始對流出現(xiàn)在河北中部，冷池南側(cè)的出流（陣風(fēng)鋒）與輻合線相交觸發(fā)新單體，因而造成了雷暴的后向傳播。新生單體隨著引導(dǎo)氣流向東北方向移動，形成“列車效應(yīng)”，造成了雨帶1的強(qiáng)降水。

圖32013 年8月11日地面θse（陰影區(qū)）和風(fēng)場（風(fēng)向桿）

圖4 8月11日石家莊雷達(dá)15:18 0.5°仰角反射率因子

4.2 后向傳播雷暴的動力和熱力結(jié)構(gòu)分析

為更好的分析對流云團(tuán)的動力和熱力特征,使用VDRAS產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步分析。187.5 m高度上擾動溫度、擾動溫度梯度和風(fēng)場隨時間的演變（圖6）表明，受前期對流影響，15：29保定地區(qū)形成一近乎圓形的冷池，冷池四周為擾動溫度梯度大值區(qū)，大致表征了陣風(fēng)鋒（雷暴出流）的位置，換言之，冷池四周為一環(huán)形的出流區(qū)，其中冷池東南部的出流最強(qiáng)；而冷池的南部仍為高溫控制，石家莊東部地區(qū)處于溫度的大梯度區(qū)中，呈現(xiàn)西北低東南高的特點。風(fēng)場上，冷池對應(yīng)輻散流場，冷池南部為偏南風(fēng)或東南風(fēng)，石家莊東部地區(qū)形成一偏北風(fēng)與東南風(fēng)的輻合線。15：59由于對流增強(qiáng)并向西南方向傳播，冷池的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)同時向西南方向推進(jìn)，冷池周圍的陣風(fēng)鋒也顯著增強(qiáng)，冷池南部仍為高溫控制，石家莊東部地區(qū)的溫度梯度和輻合線維持，預(yù)示著對流將進(jìn)一步向西南方向傳播，這與前面的分析一致。

圖5 8月11日石家莊雷達(dá)0.5°反射率因子（單位：dBz）與深澤（a）晉州（b）藁城劉海莊（c）的逐分鐘雨量（單位0.1 mm）

擾動溫度和垂直速度隨時間的演變表明（圖7），2 437.5 m高度上，15：29保定地區(qū)的冷池依然維持，但強(qiáng)度較低層有所減弱，南部同樣為暖區(qū)控制，垂直運動場上冷區(qū)對應(yīng)下沉運動，冷區(qū)西南部，深澤附近為上升運動，中心值為0.3 m/s，這與前面分析中該時次深澤有對流單體生成也相對應(yīng)。15：59冷池有所減弱，但相應(yīng)的下沉運動范圍增大，南部的上升運動中心增強(qiáng)為0.9 m/s，位于深澤和晉州之間，有所南擴(kuò)，說明對流的向南傳播和發(fā)展。

綜上所述，由于陣風(fēng)鋒和地面輻合線的共同作用，導(dǎo)致了對流單體不斷在系統(tǒng)西南側(cè)新生，雷暴南側(cè)的陣風(fēng)鋒還加強(qiáng)了低層的風(fēng)場輻合，加大了陣風(fēng)鋒兩側(cè)的溫度梯度，這些都有利于對流的發(fā)展和維持。

4.3 雷暴單體后向傳播機(jī)制探討

結(jié)合后向傳播雷暴的天氣尺度環(huán)境分析和中尺度分析，得到此次后向傳播強(qiáng)對流天氣的可能機(jī)制：（1）在副高外圍高溫高濕的環(huán)境背景下，不穩(wěn)定層結(jié)條件和水汽條件具備，河北中南部地區(qū)位于副高動力邊界的外側(cè)和熱力邊界的內(nèi)側(cè)，環(huán)境條件非常有利。（2）圖8給出了石家莊東部強(qiáng)降水的概念模型，近地面存在輻合線，雷暴高壓在北京附近形成后陣風(fēng)鋒向后向傳播，與地面輻合線近乎垂直；（3）地面輻合線與陣風(fēng)鋒相交處上升運動加強(qiáng)，不斷激發(fā)出新生雷暴，產(chǎn)生了與環(huán)境引導(dǎo)氣流相反的傳播，即有后向傳播出現(xiàn)，新生雷暴并入雷暴群后，隨引導(dǎo)氣流向東北方向移動，造成列車效應(yīng)。

5 結(jié)論與討論

（1）這是一次發(fā)生在鋒前暖區(qū)的深厚濕對流過程，雨量分布不均，暴雨主要集中在保定、廊坊以南地區(qū)，有兩條暴雨帶。11日下午發(fā)生在保定東部—石家莊東部的強(qiáng)雨帶1自北向南發(fā)展，具有雷暴后向傳播特征。

（2）大尺度環(huán)境背景為此次對流過程提供了有利的不穩(wěn)定條件和水汽條件，低空切變線和地面輻合線為此次強(qiáng)對流提供了初始對流觸發(fā)條件。

圖6 VDRAS資料187.5 m高度的擾動溫度（彩色陰影）、擾動溫度梯度（等值線）和風(fēng)場

圖7 VDRAS資料2 437.5 m高度的擾動溫度（彩色陰影）、垂直速度（等值線）

（3）本次過程雷暴單體后向傳播可能的機(jī)制為：北京附近的對流抑制能量比河北南部地區(qū)要小，更易觸發(fā)對流活動，而且為850 hPa切變線所在處，因此廊坊—保定東部一線（輻合線的北側(cè)）首先出現(xiàn)了雷陣雨，雷暴高壓出現(xiàn)后其南側(cè)的陣風(fēng)鋒向南移動的過程中與地面輻合線相交處上升運動加強(qiáng)，不斷激發(fā)出新生雷暴，產(chǎn)生了與環(huán)境引導(dǎo)氣流相反的傳播，新生雷暴隨引導(dǎo)氣流向東北方向移動，并入雷暴群，造成列車效應(yīng)。

圖8 雷暴單體后向傳播概念模型