許 敏，田曉飛，任福玲，周玉都，王 潔

(1.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2.永清縣氣象局，河北 永清 065600)

引 言

短時(shí)強(qiáng)降水是華北地區(qū)主要的災(zāi)害性天氣之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、雨強(qiáng)大等特點(diǎn)。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外氣象工作者從物理量場(chǎng)、天氣形勢(shì)等不同方面對(duì)強(qiáng)降水天氣進(jìn)行了分析。近年來(lái)，隨著多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線儀、微波輻射計(jì)、多要素地面自動(dòng)站等探測(cè)設(shè)備的廣泛布設(shè)，探測(cè)資料多樣化，一些理論研究者和氣象一線的工作者從多角度深入分析了短時(shí)強(qiáng)降水的特征，同時(shí)高時(shí)空分辨率探測(cè)資料也讓探索中小尺度系統(tǒng)的誘因成為可能。徐靈芝等[1]通過(guò)對(duì)非常規(guī)資料的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，暴雨開始前約1～2 h邊界層急流和低空急流建立，且低空急流在強(qiáng)降水發(fā)生前達(dá)到最強(qiáng)，風(fēng)廓線雷達(dá)有能力捕捉到對(duì)暴雨預(yù)報(bào)有指示意義的信號(hào)。武威等[2]則認(rèn)為，低層偏東氣流與高空槽前西南氣流配合產(chǎn)生經(jīng)向次級(jí)環(huán)流，使上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，這是強(qiáng)降水形成的原因之一。王令等[3]對(duì)比分析了北京兩次突發(fā)性局地強(qiáng)降水，認(rèn)為在有利的天氣形勢(shì)背景下，暴雨回波更容易在中尺度系統(tǒng)的擾動(dòng)下突發(fā)。李青春等[4]利用新型探測(cè)資料對(duì)2009年北京的一次典型局地暴雨進(jìn)行分析診斷，探討了近地面層輻合線與降雨強(qiáng)度及落區(qū)的關(guān)系。王叢梅等[5]在對(duì)太行山東麓兩次不同天氣背景下的強(qiáng)降水分析后發(fā)現(xiàn)，太行山地形通過(guò)增強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)、增大垂直風(fēng)切變，使雷暴下山加強(qiáng)。馬月枝等[6]同樣考慮了地形的影響，認(rèn)為太行山脈東側(cè)的雷暴外流邊界受地形抬升作用，觸發(fā)大范圍分散的對(duì)流單體，導(dǎo)致了局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣。何群英等[7]初步分析了2012年7月25—26日天津持續(xù)性、局地性大暴雨，認(rèn)為強(qiáng)降水由3個(gè)β中尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展加強(qiáng)所致，與其對(duì)應(yīng)的是若干個(gè)γ中尺度對(duì)流回波，明顯的列車效應(yīng)和充沛的水汽供應(yīng)導(dǎo)致降水時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大。郭虎、孫靖等[8-10]利用地面自動(dòng)站、GPS水汽、風(fēng)廓線、SA雷達(dá)等多種高時(shí)空分辨率資料，分析了北京局地暴雨和強(qiáng)降水過(guò)程不同的動(dòng)力機(jī)制和觸發(fā)機(jī)制，以及對(duì)流單體的組織發(fā)展成因。另有多名學(xué)者在短時(shí)強(qiáng)降水的成因診斷、物理量特征、天氣系統(tǒng)配置等多個(gè)方面取得了豐碩成果[11-18]。

京津冀地區(qū)地形復(fù)雜，前人對(duì)該地區(qū)強(qiáng)降水的研究成果多與太行山或海洋這種特殊的地形或下墊面關(guān)系密切。由于廊坊地處平原地帶，短時(shí)強(qiáng)降水成因與保定、石家莊、秦皇島等地的有著較大的差異。本文利用MICAPS自動(dòng)氣象站、風(fēng)廓線雷達(dá)資料和NCEP再分析資料，對(duì)2015年冀中廊坊短時(shí)強(qiáng)降水天氣進(jìn)行綜合分析。

1 資料介紹

本文中降水統(tǒng)計(jì)所用的資料為2015年國(guó)家氣象觀測(cè)站逐小時(shí)和區(qū)域氣象觀測(cè)站逐分鐘降水資料，天氣形勢(shì)分析使用了MICAPS資料和美國(guó)NCEP逐6 h分辨率1°×1°再分析資料。低空急流和低空切變的分析，以及相關(guān)計(jì)算使用了風(fēng)廓線雷達(dá)資料，該風(fēng)廓線雷達(dá)位于河北省大廠回族自治縣(簡(jiǎn)稱大廠縣，下同)(116°56′47″E、39°54′45″N)，型號(hào)為CFL-03ZC，主要技術(shù)參數(shù)見表1。大廠隸屬于河北廊坊市，地處華北平原北部,與北京東部通州區(qū)接壤，其風(fēng)廓線雷達(dá)于2014年11月建成并投入運(yùn)行，有效彌補(bǔ)了河北中北部探空資料低時(shí)空密度的不足，為多種天氣的分析與預(yù)報(bào)研究提供了高精度的風(fēng)場(chǎng)資料。

表1 CFL-03ZC風(fēng)廓線雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 2015年廊坊短時(shí)強(qiáng)降水概況

短時(shí)強(qiáng)降水是指1 h降水量達(dá)到或超過(guò)20 mm的降水過(guò)程[19]。2015年廊坊全市共出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水21站次，各縣(市)平均為2.3站次。其中，大廠和市區(qū)的最多，均為4站次，香河、永清、文安和大城的最少，分別出現(xiàn)了1站次(圖1a)。

從月分布特點(diǎn)來(lái)看(圖 1b)，2015年廊坊的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在5-9月，集中于7月和8月，7-8月強(qiáng)降水發(fā)生站次占全年的85.7%。日變化特征為(圖 1c)：03-04時(shí)和14-18時(shí)是短時(shí)強(qiáng)降水最高發(fā)的兩個(gè)時(shí)段，其中峰值03時(shí)和16時(shí)發(fā)生頻率都達(dá)到了14.3%；次高發(fā)時(shí)段在08-09時(shí)，頻率約為5%-10%；另外，20時(shí)至00時(shí)也出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，但發(fā)生頻率相對(duì)較小，均在5%以下。綜上可見，2015年午后至傍晚和后半夜是廊坊短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)時(shí)段。

圖1 2015年廊坊各縣(市)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生站次(a)、月分布(b)和日變化特征(c)

就全年的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程來(lái)看(表2)，最早開始于5月17日(固安)，最晚的結(jié)束于9月25日(廊坊市區(qū))。進(jìn)入7月后降水強(qiáng)度明顯增大，尤其是7月中下旬至8月上旬，雨強(qiáng)普遍可達(dá)30～50 mm·h-1。7月18日出現(xiàn)范圍最廣的短時(shí)強(qiáng)降水天氣，集中于廊坊、固安、永清和霸州等中部縣市，最大雨強(qiáng)達(dá)到66.6 mm·h-1。2015年廊坊的區(qū)域性短時(shí)強(qiáng)降水天氣較少，僅出現(xiàn)一次，其余均為單站或兩站的局地過(guò)程。

表2 2015年廊坊全市短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程小時(shí)降水量 mm

2.2 短時(shí)強(qiáng)降水風(fēng)場(chǎng)特征分析

2.2.1 低空急流

一般來(lái)講，低空急流是指出現(xiàn)在850 hPa或700 hPa等壓面上，風(fēng)速≥12 m·s-1的西南風(fēng)極大風(fēng)速帶[20]。低空急流攜帶著大量的水汽和能量。當(dāng)暖濕空氣向北輸送進(jìn)入高空干冷空氣下方時(shí)，即形成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，一旦擾動(dòng)觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放，可使上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)[21]，導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。從廊坊短時(shí)強(qiáng)降水開始前至結(jié)束后低空急流的變化情況(表3)可以看出，在7次天氣過(guò)程中，低空急流均早于強(qiáng)降水出現(xiàn)，提前時(shí)間在6～114 min，平均提前量約為46 min。在全部個(gè)例短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生過(guò)程中，低空急流逐漸減弱，并且在強(qiáng)降水結(jié)束后迅速消失。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)減弱至20 mm·h-1以下后，低空風(fēng)風(fēng)向發(fā)生了明顯變化，由西南風(fēng)迅速轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)或西北風(fēng)。因此，低空急流的監(jiān)測(cè)和分析不僅對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的臨近預(yù)報(bào)有一定的指導(dǎo)意義，也可通過(guò)高時(shí)空分辨率的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的應(yīng)用來(lái)提高其短期預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

表3 廊坊短時(shí)強(qiáng)降水開始前至結(jié)束后低空急流變化情況

低空急流指數(shù)的計(jì)算公式為

I=V/D

(1)

式中，V為2 km以下邊界層急流中心最大風(fēng)速(單位m·s-1)，D為12 m·s-1風(fēng)速在該時(shí)次中的最低位置(單位：km)。該指數(shù)可定量衡量短時(shí)強(qiáng)降水與低空急流的關(guān)系[22]。從短時(shí)強(qiáng)降水開始前后西南風(fēng)低空急流指數(shù)變化來(lái)看(表4)，在強(qiáng)降水發(fā)生前的1 h，低空急流指數(shù)平均值已突增至15.6 m·s-1·km-1，并且出現(xiàn)了46.3 m·s-1·km-1的極大值；在強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)段內(nèi)，低空急流的平均強(qiáng)度和極值較前期均有所下降；雨強(qiáng)減小至20 mm·h-1后，平均低空急流指數(shù)迅速跌至1.3 m·s-1·km-1?？梢?，強(qiáng)降水發(fā)生前西南風(fēng)低空急流顯著而持續(xù)的加強(qiáng)，為降水地區(qū)雨強(qiáng)的增大起到了至關(guān)重要的作用。

表4 廊坊短時(shí)強(qiáng)降水開始前至結(jié)束后低空急流指數(shù)小時(shí)平均值和極大值變化 m·s-1·km-1

2.2.2 低空風(fēng)切變

一般情況下，低空切變線尺度較小，持續(xù)時(shí)間短，但往往對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)起著至關(guān)重要的作用[23]。近年來(lái)，多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線等高時(shí)空分辨率探測(cè)資料的應(yīng)用，以及數(shù)值預(yù)報(bào)的快速發(fā)展，為強(qiáng)降水的臨近預(yù)報(bào)研究提供了有力的支持。將低空風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算方法定義為

I=VS/ΔH

(2)

其中，VS為約600 m高度以下的最大垂直風(fēng)切變，ΔH為兩個(gè)風(fēng)矢量間的高度，本文中取值為60 m[23]。

通過(guò)分析短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程前后最大低空風(fēng)切變指數(shù)變化可以看出(圖2)：在強(qiáng)降水開始1 h前，每個(gè)探測(cè)時(shí)次的最大低空風(fēng)切變指數(shù)已普遍增大至0.050～0.100 s-1，部分時(shí)段強(qiáng)度可達(dá)0.139 s-1，平均指數(shù)為0.086 s-1，達(dá)到了中等強(qiáng)度風(fēng)切變；強(qiáng)降水開始后，最大低空風(fēng)切變強(qiáng)度略減小但仍維持在較高水平，最大極值降至0.109 s-1，1 h平均強(qiáng)度為0.080 s-1；強(qiáng)降水結(jié)束 6 min后，切變指數(shù)迅速降低，強(qiáng)度僅為0.031～0.056 s-1?？梢姡涂诊L(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)時(shí)刻要早于強(qiáng)降水開始出現(xiàn)時(shí)刻，且強(qiáng)降水開始1 h前的平均低空風(fēng)切變指數(shù)甚至超過(guò)強(qiáng)降水過(guò)程中的低空風(fēng)切變指數(shù)，高指數(shù)的維持為強(qiáng)降水的形成創(chuàng)造了良好的動(dòng)力條件。

圖2 廊坊短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程前1 h至結(jié)束后1 h最大低空風(fēng)切變指數(shù)隨時(shí)間的變化

2.3 短時(shí)強(qiáng)降水熱力條件分析

在實(shí)際天氣分析中，為了更簡(jiǎn)便地了解環(huán)境大氣的熱力穩(wěn)定度層結(jié)，氣象學(xué)家定義了大量的熱力穩(wěn)定度參數(shù)[19]。其中，較常用的有對(duì)流有效位能(CAPE)、K指數(shù)、沙氏指數(shù)(SI)、能量螺旋度(EHI)、抬升指數(shù)(LI)和Δθse850-500。表5中給出了不同雨強(qiáng)下北京探空站各熱力不穩(wěn)定參數(shù)，從中可見，當(dāng)雨強(qiáng)為20-40 mm·h-1時(shí)，CAPE值的平均強(qiáng)度不足1000 J·kg-1，EHI為365.3 J·m·kg-1·s-2·10-4，但雨強(qiáng)達(dá)到40 mm·h-1時(shí)，CAPE值躍增至2573.7 J·kg-1，EHI達(dá)到1355.9 J·m·kg-1·s-2·10-4，同時(shí)Δθse850-500和LI也有4-7 ℃的上升。可見，較大降雨強(qiáng)度的形成不僅與動(dòng)力條件有關(guān)，還與熱力不穩(wěn)定環(huán)境有著密切關(guān)系，高指數(shù)與大的雨強(qiáng)有著非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表5 北京探空站大氣熱力不穩(wěn)定參數(shù)

3 典型個(gè)例分析

3.1 降水概況

2015年7月18日凌晨開始，廊坊全市陸續(xù)出現(xiàn)降雨天氣，17日20時(shí)—18日20時(shí)的累計(jì)雨量最大地區(qū)位于中南部的霸州，達(dá)到81.0 mm，另有固安和永清兩縣也達(dá)到暴雨量級(jí)，雨量分別為55.4 mm和50.3 mm，北部和南部地區(qū)普遍在7～19 mm，最大、最小雨量差值達(dá)到73.1 mm，強(qiáng)降雨出現(xiàn)在02-03時(shí)，最大雨強(qiáng)達(dá)到66.6 mm·h-1(圖略)。

3.2 天氣形勢(shì)演變

從高空500 hPa形勢(shì)場(chǎng)來(lái)看(圖3a、b)，17日08時(shí)在蒙古南部形成閉合低渦中心，其南部在我國(guó)境內(nèi)河套地區(qū)有深厚的低槽配合，河北處槽前西南氣流中，南亞高壓呈西部型，中心位于青藏高原，副熱帶高壓退居海上；20時(shí)南亞高壓北部脊略微北抬，副熱帶高壓位置穩(wěn)定，阻擋冷渦低槽東移，使其在河套至華北地區(qū)較長(zhǎng)時(shí)間維持，有利于700 hPa以下西南風(fēng)攜帶暖濕氣流不斷為華北中部輸送水汽。08時(shí)地面形勢(shì)圖上可以看到(圖3c)，華北北部至東北有弱高壓系統(tǒng)，廊坊位于其南部，到20時(shí)高壓南壓，回流形勢(shì)的建立和維持使近地層冷空氣墊形成(圖3d)，暖濕氣流不斷爬升，在700 hPa和850 hPa低空切變的觸發(fā)下突發(fā)短時(shí)強(qiáng)降雨。

圖3 2015年7月17 日500 hPa高度場(chǎng)和地面形勢(shì)場(chǎng)

3.3 風(fēng)的垂直分布特征

風(fēng)向風(fēng)速隨時(shí)間和空間的變化可直接或間接反映天氣系統(tǒng)的活動(dòng)情況[24]。水平、垂直風(fēng)切變，以及西南低空急流的形成和維持，對(duì)短期強(qiáng)降水的發(fā)生起著至關(guān)重要的作用。

在此次天氣過(guò)程中，18日01:30后700-1500 m高度上偏東風(fēng)風(fēng)速由2～4 m·s-1突增至30 m·s-1以上(圖 4a)，同時(shí)垂直風(fēng)切變指數(shù)由0.02～0.05 s-1增至0.07 s-1左右(圖 4b)。此后垂直風(fēng)切變指數(shù)繼續(xù)增大，02:00-03:30低空風(fēng)切變指數(shù)維持在較高水平，大多時(shí)段達(dá)到0.1～0.2 s-1，幾乎同時(shí)，2000 m以下出現(xiàn)明顯的西南風(fēng)低空急流和超低空急流，1500 m(約850 hPa)高度最大西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)到31.6 m·s-1。02:42后低空急流指數(shù)出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)(圖 4b)，在03:18達(dá)到極值79.2 m·s-1·km-1。隨后開始逐漸減小，03:40后低空風(fēng)切變指數(shù)也迅速降至0.03 s-1以下。對(duì)比強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段可清晰看到，西南風(fēng)低空急流指數(shù)和垂直風(fēng)切變指數(shù)均在雨強(qiáng)增大前30-60 min出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，也就是說(shuō)強(qiáng)盛暖濕氣流的輸送既為降雨區(qū)提供了必備的水汽條件，也使大氣不穩(wěn)定能量增強(qiáng)，引發(fā)對(duì)流性天氣的產(chǎn)生，同時(shí)垂直風(fēng)切變的加強(qiáng)為降雨強(qiáng)度增大創(chuàng)造了優(yōu)越的動(dòng)力條件。

圖4 2015年7月18日垂直風(fēng)廓線(a)、低空風(fēng)切變指數(shù)和急流指數(shù)(b)隨時(shí)間的變化

3.4 垂直氣流

通常情況下，上升氣流出現(xiàn)時(shí)刻早于強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻，表明西南氣流攜帶的水汽和能量開始在降水地區(qū)被強(qiáng)迫抬升，直至降水開始后下沉氣流占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位[25]，可見，垂直氣流與強(qiáng)降水的產(chǎn)生有著密不可分的關(guān)系。圖5中給出了垂直速度隨時(shí)間和高度的分布，可以看出，01:30左右時(shí)500-3500 m高度已轉(zhuǎn)為上升氣流，強(qiáng)度較弱，僅-0.2～-0.1 m·s-1。此時(shí)距短時(shí)強(qiáng)降水開始約90 min。隨后上升氣流高度逐漸抬升，到02:30升至1500-6500 m，最大強(qiáng)度-0.4 m·s-1，垂直厚度達(dá)到5000 m左右。在此后的約30 min內(nèi)，上升氣流的高度下降至660 m，伸展厚度和強(qiáng)度維持。03:00，上升氣流強(qiáng)度減小，且厚度迅速減至1000 m，隨后30 min內(nèi)整層大氣轉(zhuǎn)為一致下沉氣流，在強(qiáng)降水出現(xiàn)的1 h內(nèi)最大下沉速度達(dá)到6 m·s-1。

圖5 垂直速度隨時(shí)間和高度分布

4 結(jié) 論

(1)2015年廊坊的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在5-9月，其中7月和8月占全年強(qiáng)降水發(fā)生站次的85.7%；日變化特征為03-04時(shí)和14-18時(shí)是最易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的兩個(gè)時(shí)段，其次為08-09時(shí)，即午后至傍晚和后半夜是廊坊短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)時(shí)段。

(2)在廊坊的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，低空急流早于強(qiáng)降水6～114 min出現(xiàn)，平均提前量約為46 min；在強(qiáng)降水發(fā)生的1 h內(nèi)，低空急流逐漸減弱，并且在強(qiáng)降水結(jié)束后迅速消失。

(3)低空風(fēng)切變的增強(qiáng)要早于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。強(qiáng)降水開始前1 h，低空風(fēng)切變指數(shù)已普遍增大至0.050～0.100 s-1，部分時(shí)段強(qiáng)度可達(dá)0.139 s-1，達(dá)到了中等強(qiáng)度風(fēng)切變；強(qiáng)降水開始后，低空風(fēng)切變強(qiáng)度仍維持在較高水平，1 h平均強(qiáng)度為0.080 s-1；強(qiáng)降水結(jié)束后，切變指數(shù)迅速降低。

(4)上升氣流早于強(qiáng)降水發(fā)生前約90 min出現(xiàn)，表明西南氣流攜帶的水汽和能量開始在降水地區(qū)被強(qiáng)迫抬升，此后的約30 min上升氣流達(dá)到最強(qiáng)盛，在強(qiáng)降水開始前60 min內(nèi)上升氣流高度抬升，厚度減小，強(qiáng)度迅速減小，降水開始后下沉氣流占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。