李美琪，賈小衛(wèi)，郭 蕊，吳 丹，劉 浩

(河北省氣象服務(wù)中心，河北 石家莊 050021)

1 引言

華北暴雨具有極強(qiáng)的區(qū)域性，20世紀(jì)50年代以來，諸多學(xué)者對華北暴雨進(jìn)行系統(tǒng)性研究。許多暴雨過程出現(xiàn)在大尺度環(huán)流發(fā)生明顯調(diào)整的時(shí)期[1]，而低渦、暖切變線和低槽冷鋒是造成華北暴雨的3個(gè)主要天氣系統(tǒng)[2]。高低空急流在暴雨過程中有重要作用，當(dāng)高空急流與低空急流之間的距離縮小到一定程度，高低空的輻散和輻合中心重合并位于暴雨區(qū)上空時(shí)，高、低空補(bǔ)償機(jī)制將加強(qiáng)[3]，大尺度低空急流為暖濕空氣的主要輸送者[4]，華北暴雨的水汽通常來自于孟加拉灣和中國海域，但重要性不盡相同[5]。來自高層的冷干空氣侵入促進(jìn)了暴雨區(qū)的不穩(wěn)定，對華北暴雨有增強(qiáng)作用[6]。非均勻飽和引起的局部濕度集中會(huì)使暴雨發(fā)生更加局地化[7]。而華北盛夏的暖區(qū)暴雨則受大氣低層濕空氣及地形的動(dòng)力抬升影響[8]。

2 天氣實(shí)況

2019年7月22～23日，京津冀地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨，局地大暴雨，主要集中在中部地區(qū)，呈帶狀分布，并伴隨著雷電和短時(shí)強(qiáng)降水活動(dòng)。此次暴雨過程出現(xiàn)暴雨站460個(gè)，大暴雨站27個(gè)，最大日降水量為142.5 mm，最大小時(shí)降水量為76.8 mm/h，暴雨范圍集中在保定、廊坊、天津、滄州北部、唐山南部一帶，本次暴雨的短時(shí)強(qiáng)降水集中在22日傍晚到夜間，強(qiáng)降水時(shí)間在2～5 h，降水效率高。

3 環(huán)流形勢分析

華北地區(qū)200 hPa高空盛行偏西氣流(圖1a)，京津冀地區(qū)位于急流軸入口右側(cè)，有明顯的輻散運(yùn)動(dòng)，有利于低層輻合上升運(yùn)動(dòng)。降水前期，歐亞大陸500 hPa中高緯為兩槽一脊形勢(圖1b)，河北處于貝加爾湖以南的高空槽前，槽前正渦度平流有利于大尺度上升運(yùn)動(dòng)，副高呈塊狀，西伸至江漢地區(qū)到黃淮流域，其頂部位于黃海海域，與東北地區(qū)的高壓脊疊加進(jìn)一步阻礙高空槽東移，有利于出現(xiàn)長時(shí)間降水。700 hPa(圖1c)和850 hPa(圖1d)中在降水前期均在河套地區(qū)有一條冷性切變線存在，切變線右側(cè)有明顯的西南急流，隨著低槽東移，河北低空位于急流出口區(qū)，為正渦區(qū)和氣流輻合區(qū)，可產(chǎn)生明顯上升運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，850 hPa急流攜水汽和熱量北上，使低層相對濕度達(dá)到90%以上，為暴雨提供了水汽條件，也利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立。在本次過程中，西南低空急流移近高空急流入口區(qū)右側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)時(shí)，在高空急流的抽吸作用下產(chǎn)生系統(tǒng)性抬升[9]，本次暴雨就出現(xiàn)在這一強(qiáng)上升區(qū)中，為暴雨的短時(shí)強(qiáng)降水提供了背景條件。

4 衛(wèi)星云圖分析

強(qiáng)降水過程主要發(fā)生在22日夜間，據(jù)該時(shí)段的紅外衛(wèi)星云圖分析，22日17時(shí)，山西有一對流云團(tuán)東移并發(fā)展，19時(shí)(圖2a)已發(fā)展成中尺度對流復(fù)合體(MCC)，大的降水強(qiáng)度發(fā)生在MCC西側(cè)，云頂亮溫梯度大的區(qū)域[10]，為保定、石家莊帶來了短時(shí)強(qiáng)降水，隨著云團(tuán)東移至廊坊滄州一帶，在保定滄州交界又生成一新對流云團(tuán)(圖2b)，該對流云團(tuán)迅速發(fā)展，并與東部MCC合并北上(圖2c)，保定東部的蠡縣站21時(shí)降水量達(dá)到了37.7 mm/h。23日凌晨，兩云團(tuán)已完全合并為中β尺度云團(tuán)，影響范圍達(dá)到200 km，同時(shí)南部地區(qū)也生成并發(fā)展了一個(gè)圓形β尺度對流云團(tuán)逐漸北移，兩者先后唐山、秦皇島一帶帶來強(qiáng)降水，直接導(dǎo)致唐山豐南尖字沽鄉(xiāng)142.6 mm的大暴雨。23日午后，隨著對流云團(tuán)的東移消散，降水基本結(jié)束。此次暴雨的產(chǎn)生受中尺度對流云團(tuán)的連續(xù)生成合并影響，降水效率高，河北中部的帶狀分布暴雨也與對流云團(tuán)的軌跡相吻合。

圖1 2019年7月22日20時(shí)(北京時(shí)，下同)(a)200hPa高度場、風(fēng)場和高空急流(陰影)；(b)500hPa高度場，風(fēng)向和渦度(陰影)；(c)700hPa高度場、風(fēng)場和低空急流(陰影)；(d)850hPa高度場、風(fēng)場和相對濕度(陰影)

圖2 京津冀地區(qū)的衛(wèi)星云圖

5 特征分析

5.1 水汽條件

在本次過程中，低層偏南風(fēng)持續(xù)向河北輸送暖濕空氣，800 hPa以下邊界層水汽通量在河北中部輻合，形成一條明顯濕舌(圖3a)。在暴雨前期，850 hPa存在一條西南氣流輸送的水汽通道，將孟加拉灣的水汽遠(yuǎn)距離輸送至河北，隨著低層的西南氣流加強(qiáng)，向北輸送的水汽增加，使得水汽通量散度負(fù)值區(qū)即水汽輻合區(qū)不斷向東北方向發(fā)展，22日20時(shí)，水汽輻合區(qū)呈南北帶狀分布，位于保定、石家莊一帶，水汽通量散度中心達(dá)到了-6×10-4g·cm-2·hPa-1·s-1，與此時(shí)的暴雨集中區(qū)域相吻合。23日02時(shí)，隨著低層西南風(fēng)的推送，水汽通量輻合區(qū)東移，同時(shí)在副高外圍還存在一條弱水汽通道(圖3b)，將黃渤海的偏南氣流輸送至京津冀東部，為暴雨補(bǔ)充水汽，因此京津冀東部地區(qū)水汽通量輻合明顯，兩條偏南暖濕氣流的水汽通道為本次暴雨提供了充分的水汽條件。

沿38N做比濕和水汽通量散度的剖面圖(圖3c)，從114～116°E的各層比濕配置可以看出，700 hPa比濕達(dá)到了10 g·kg-1，850 hPa比濕達(dá)到了14 g·kg-1以上，已達(dá)到了出現(xiàn)暴雨的有利條件[11]。20時(shí)保定地區(qū)的輻合中心位于850 hPa，低層的水汽輻合可以延伸至600 hPa，隨著水汽通量輻合中心向東北移動(dòng)，23日02時(shí)水汽通量散度隨降水發(fā)展增加到-8×10-4g·cm-2·hPa-1·s-1，但輻合中心降至925 hPa，在降水中后期，暴雨區(qū)的水汽主要來源于低層的水汽輻合。因此，在本次降水過程中，西南方向的水汽輸送和黃渤海的補(bǔ)充水汽為暴雨提供了良好的水汽條件，在京津冀中部的水汽輻合抬升則為暴雨提供了動(dòng)力條件。

5.2 熱力條件

假相當(dāng)位溫θse是一個(gè)把溫度、氣壓和濕度包括在一起的綜合物理量，可以表征大氣的熱力性質(zhì)，θse高值區(qū)代表了高溫高濕區(qū)，其水平分布和垂直分布與對流的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。在降水前期(圖4a)，京津冀南部位于θse高值區(qū)，而θse等值線密集區(qū)即能量鋒區(qū)位于京津冀中部，高空弱冷空氣的入侵對不穩(wěn)定能量的釋放起到了觸發(fā)作用，是暴雨發(fā)生的重要條件之一[12]。22日20時(shí)(圖4b)，θse等值線密集區(qū)位于保定、廊坊一帶，也是對流云團(tuán)活躍區(qū)域，與暴雨區(qū)域相一致。將該時(shí)刻沿37°N做θse垂直剖面圖(圖4c)，112～116°E處925 hPa以下為超過360 K的暖中心，高溫高濕，有大量不穩(wěn)定能量聚集，假相當(dāng)位溫隨高度遞減，這種上干冷下暖濕的空間配置表明上空對流性不穩(wěn)定特征明顯，一旦觸發(fā)對流，即產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。在降水發(fā)生后(圖4d)，925 hPa以下θse減小，密集區(qū)所在高度隨之降低，表明降水后凝結(jié)潛熱已釋放，114～116°E處925 hPa以下已轉(zhuǎn)為對流穩(wěn)定。

5.3 動(dòng)力條件

以蠡縣單站為例，分析整個(gè)降水過程中垂直方向的垂直速度變化，降水開始前，22日11時(shí)，蠡縣整層處于下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，14時(shí)中低層轉(zhuǎn)為弱上升氣流，其中心位于800 hPa，強(qiáng)度為-0.9 Pa/s，20時(shí)上升氣流增大到最強(qiáng)，上升速度中心高度降至900 hPa，強(qiáng)度增加到-1.5 Pa/s，同時(shí)在600 hPa也有一個(gè)上升速度中心，表明冷空氣將暖濕氣流抬升，中低層被強(qiáng)上升氣流控制，有利于水汽抬升和低層輻合上升運(yùn)動(dòng)。此時(shí)的降水強(qiáng)度也達(dá)到最強(qiáng)，與實(shí)況較為吻合，降水持續(xù)至23時(shí)逐漸結(jié)束，中低層也轉(zhuǎn)為下沉氣流。從散度的垂直剖面可以看出，在22日08時(shí)起900 hPa以下就存在弱輻合運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間推移，輻合運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，輻合高度抬升，20時(shí)，輻合高度已抬升至600 hPa，輻合中心位于900 hPa和700 hPa，強(qiáng)度達(dá)到了-9×10-5s-1和-2×10-5s-1，而在500 hPa有強(qiáng)輻散中心，強(qiáng)度達(dá)到了5×10-5s-1，這種低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)使得高層的抽吸作用更強(qiáng)，更有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持與發(fā)展[13]，此時(shí)的降水強(qiáng)度達(dá)到頂峰。23日02時(shí)，900 hPa以下轉(zhuǎn)為輻散氣流，600～900 hPa轉(zhuǎn)為輻合區(qū)，表明垂直結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為低層輻散，中層輻合的狀態(tài)，不利于降水維持(圖5)。

圖3 2019年7月(a)22日20時(shí)850hPa水汽通量(矢量)和水汽通量散度(陰影和等值線);(b)23日02時(shí)850hPa水汽通量(矢量)和水汽通量散度(陰影和等值線)；(c)22日20時(shí)沿38°N的水汽通量散度(等值線)和比濕(陰影)的緯向-垂直剖面;(d)23日02時(shí)沿40°N的水汽通量散度(等值線)和比濕(陰影)的緯向-垂直剖面

圖4 2019年7月22日(a)14時(shí)、(b)20時(shí)假相當(dāng)位溫(單位：K)，(c)20時(shí)沿37°N、(d)23日02時(shí)沿40°N的假相當(dāng)位溫剖面(單位：K)

圖5 沿蠡縣(115.3°E、38.27°N)的垂直速度(a，單位：Pa/s)和散度(b，單位：10-5s-1)時(shí)間—垂直剖面

6 結(jié)論

副高北抬與高壓脊疊加對高空槽的阻礙是本次降水過程的環(huán)流背景，京津冀地區(qū)位于高空槽前，西南低空急流位置，在高空急流的抽吸作用下產(chǎn)生系統(tǒng)性抬升，為暴雨的產(chǎn)生提供了抬升條件。西南方向的水汽輸送和黃渤海的補(bǔ)充水汽為暴雨提供了良好的水汽條件，在河北中部的水汽輻合抬升則為暴雨提供了動(dòng)力條件。本次暴雨的產(chǎn)生受中尺度對流云團(tuán)的連續(xù)生成合并影響，降水效率高，河北中部的帶狀分布暴雨也與對流云團(tuán)的軌跡相吻合。在暴雨中心整層表現(xiàn)為低層輻合、高層輻散，上升速度中心明顯，使得高層的抽吸作用更強(qiáng)，更有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持與發(fā)展，為降水強(qiáng)度增大提供了有力的動(dòng)力條件。冷空氣將暖濕氣流抬升，中低層被強(qiáng)上升氣流控制，有利于水汽抬升和低層輻合上升運(yùn)動(dòng)。在本次降水過程中，假相當(dāng)位溫等值線密集區(qū)即能量鋒區(qū)，高空弱冷空氣的入侵對不穩(wěn)定能量的釋放起到了觸發(fā)作用。