王 宏 王秀明 姜云雁 高艷春 楊 杰 尤國軍 馮鈺博 胡琪琭 李兆祺 張宇杰

1 河北省承德市氣象局，承德 067000

2 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

3 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

4 北京科技大學(xué)， 北京 100083

5 南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，無錫 214105

提 要： 利用河北承德山區(qū)自動(dòng)氣象站觀測資料、衛(wèi)星資料、承德CB型多普勒天氣雷達(dá)探測資料以及NCEP再分析資料，分析了2008—2017年夏季6—8月承德山區(qū)146次短時(shí)強(qiáng)降水事件，結(jié)果表明：夏季承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的大尺度環(huán)流型特征表現(xiàn)為冷渦型的占比最高，達(dá)45%，西風(fēng)槽型次之，占34%，副熱帶高壓(以下簡稱副高)外圍型僅占21%；其中，6月的短時(shí)強(qiáng)降水大多發(fā)生在冷渦背景下且強(qiáng)降水落區(qū)分散，而7月上旬至中旬的短時(shí)強(qiáng)降水多受西風(fēng)槽影響，7月下旬之后轉(zhuǎn)變?yōu)楦备咄鈬?；副高外圍型和西風(fēng)槽型短時(shí)強(qiáng)降水空間分布相似，多集中在承德南緣燕山迎風(fēng)坡。此外，與華北雨季主要受副高北跳影響不同，承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水集中在6月下旬至7月下旬，且其峰值出現(xiàn)在冷渦和西風(fēng)槽共同影響期間。產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)主要從西南(北京東北部)、西北(內(nèi)蒙古)移入承德區(qū)界，另外還有相當(dāng)一部分承德本地新生的對(duì)流風(fēng)暴。傳統(tǒng)雨季以副高外圍型為主，其水汽含量較高且存在明顯的濕舌，南部山區(qū)850 hPa比濕在12 g·kg-1以上，且有較大范圍水汽輸送，其他流型下的短時(shí)強(qiáng)降水過程水汽含量低且水汽輸送量不顯著，冷渦型850 hPa水汽含量僅為8 g·kg-1。承德山區(qū)區(qū)域平均大氣可降水量中位數(shù)值僅為33 mm，冷渦型低至29 mm，即使是副高外圍型大氣整層可降水量中位數(shù)值(38 mm)亦較南側(cè)平原地區(qū)低15 mm。承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在層結(jié)極不穩(wěn)定的環(huán)境下：冷渦型和西風(fēng)槽型850 hPa和500 hPa溫差中位數(shù)值分別為28.6℃ 和27.9℃，而我國其他地區(qū)(包括山區(qū))多在25℃以下。

引 言

中國氣象部門將1 h降水量≥20 mm的降水定義為短時(shí)強(qiáng)降水。短時(shí)強(qiáng)降水多由對(duì)流活動(dòng)所造成，其降水時(shí)間短、雨強(qiáng)大、局地性強(qiáng)，易導(dǎo)致城市內(nèi)澇、農(nóng)田漬澇和山洪、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，短時(shí)強(qiáng)降水導(dǎo)致的城市內(nèi)澇日益凸顯。嚴(yán)重的農(nóng)田漬澇易造成農(nóng)作物減產(chǎn)，地質(zhì)災(zāi)害所造成的財(cái)產(chǎn)損失在所有氣象災(zāi)害中是最大的(林紓等，2008)，因而短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)已成為各級(jí)氣象部門提供政府決策服務(wù)和社會(huì)公眾服務(wù)的重點(diǎn)工作之一。

短時(shí)強(qiáng)降水空間分布與地形關(guān)系極其密切。楊波等(2016)、王國榮和王令(2013)研究表明北京西南山前、城區(qū)和東北山前地區(qū)是3個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水事件的多發(fā)中心。陜甘寧地區(qū)1 h降水量≥30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水更容易發(fā)生在山前迎風(fēng)坡、地形陡升區(qū)、“喇叭口”等地形附近(韓寧和苗春生，2012)。四川強(qiáng)降水高發(fā)中心主要位于盆地與山脈的過渡區(qū)(周秋雪等，2015；李強(qiáng)等，2017)。付超等(2019)分析發(fā)現(xiàn)江西暖季短時(shí)強(qiáng)降水高頻區(qū)主要分布在山地及河谷附近。Doswell et al(1996)指出大多數(shù)強(qiáng)降水由對(duì)流活動(dòng)造成，短時(shí)強(qiáng)降水形成的要素包括水汽、層結(jié)不穩(wěn)定、風(fēng)垂直切變等。樊李苗和俞小鼎(2013)對(duì)中國短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣的若干環(huán)境參數(shù)特征進(jìn)行了分析。陳元昭等(2016)、黃艷等(2018)分別分析研究了珠江三角洲地區(qū)重大短時(shí)強(qiáng)降水和南疆短時(shí)強(qiáng)降水事件的大尺度流型、T-lnp圖形態(tài)和關(guān)鍵物理參數(shù)的特征。付雙喜和何金梅(2015)給出了甘肅短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境參數(shù)特征。何鈺等(2018)利用探空資料分析了云南五類短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)境參數(shù)。Tian et al(2015)較系統(tǒng)地分析并給出了我國中東部短時(shí)強(qiáng)降水關(guān)鍵環(huán)境物理量。上述研究表明不同地形地貌和地理位置，短時(shí)強(qiáng)降水的分布及物理量閾值不盡相同，不同大尺度環(huán)流背景下短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)物理量閾值差異顯著，精細(xì)化短時(shí)臨近預(yù)報(bào)需要基于本地不同流型下短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空特征及表征短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境要素物理量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

就河北區(qū)域而言，王叢梅等(2017)對(duì)不同天氣系統(tǒng)背景下太行山特殊地形影響的極端短時(shí)強(qiáng)降水成因進(jìn)行了深入分析；花家嘉等(2016)研究發(fā)現(xiàn)唐山地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的活躍區(qū)位于其東北部，發(fā)生時(shí)局地水汽豐富，暖云層厚度較大，垂直風(fēng)切變較弱；地處華北平原的廊坊市區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的頻率最高(許敏等，2017)。

承德地處河北北部山區(qū)，地勢自西北向東南傾斜，北部為內(nèi)蒙古高原的東南邊緣，中部為淺山區(qū)，南部為燕山山脈，海拔高度為200～1 200 m，最高峰霧靈山海拔高度為2 118 m(圖1)。夏季降水分布極不均勻，以局地短時(shí)強(qiáng)降水為主，暴雨日數(shù)少，年平均暴雨日數(shù)僅為0.8 d(溫克剛，2008)，短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生在華北雨季。華北雨季指隨著副熱帶高壓(以下簡稱副高)北抬，集中發(fā)生在7月下旬到8月上旬的華北大范圍強(qiáng)降水(一般用24 h累計(jì)雨量衡量)。承德多山，城鎮(zhèn)人口集中在地勢相對(duì)低洼處，且是著名的旅游景區(qū)，夏季山區(qū)游客較多，20 mm左右的短時(shí)強(qiáng)降水導(dǎo)致泥石流和山體滑坡、造成人員傷亡的概率遠(yuǎn)高于中國東部其他山區(qū)。如：2011年6月23日豐寧縣黃旗鎮(zhèn)的短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)山洪，造成1人死亡，倒塌房屋40間，2萬多畝(1畝≈666.7 m2)農(nóng)作物受災(zāi)；2012年6月20日下午豐寧縣西官營鄉(xiāng)短時(shí)強(qiáng)降水將放學(xué)回家的4名學(xué)生沖走；上述兩次過程測站雨強(qiáng)僅為20～30 mm·h-1，就降水強(qiáng)度而言遠(yuǎn)不及華北平原地區(qū)。另一方面，由于短時(shí)強(qiáng)降水由對(duì)流活動(dòng)造成，突發(fā)性強(qiáng)、局地性強(qiáng)，加上山區(qū)地形復(fù)雜，預(yù)報(bào)難度極大，而目前數(shù)值預(yù)報(bào)模式等客觀預(yù)報(bào)平臺(tái)對(duì)山區(qū)的降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都很低，對(duì)承德山區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水特征尚無相對(duì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)研究。2014年6月17日和7月15日下班晚高峰承德市區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水致市區(qū)的低洼處積水近1 m深，多處護(hù)坡和護(hù)壩出現(xiàn)險(xiǎn)情。王宏等(2017)對(duì)這兩次局地短時(shí)暴雨的中尺度特征分析表明,6 m·s-1的東南風(fēng)有利于強(qiáng)降水的維持，強(qiáng)降水由對(duì)流單體回波的合并增強(qiáng)以及“列車效應(yīng)”造成。

圖1 承德山區(qū)地形Fig.1 Mountainous topography of Chengde

本文篩選近10年(2008—2017年)發(fā)生在承德山區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水事件，統(tǒng)計(jì)了不同環(huán)流背景短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布及雨強(qiáng)特征，重點(diǎn)分析強(qiáng)降水發(fā)生前環(huán)境要素特征，以期為承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水精細(xì)化短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供定量參考依據(jù)。

1 資料及處理方法

研究選取2008—2017年6—8月承德山區(qū)連續(xù)性與穩(wěn)定性較好的211個(gè)自動(dòng)站逐小時(shí)觀測數(shù)據(jù)，承德CB波段天氣雷達(dá)組合反射率觀測資料，F(xiàn)Y-2系列紅外云圖，常規(guī)高空地面觀測以及NCEP(1°×1°)再分析資料。首先，基于逐小時(shí)間隔的降水觀測篩選短時(shí)強(qiáng)降水事件，當(dāng)降水持續(xù)期間至少有1個(gè)站點(diǎn)1 h降水量≥20 mm且周圍站點(diǎn)出現(xiàn)降水時(shí)，定義為一次強(qiáng)降水事件(考慮觀測空間密度，僅單站20 mm以上強(qiáng)降水且周圍站點(diǎn)無降水的情況視為不可靠被剔除)，挑選出146個(gè)典型短時(shí)強(qiáng)降水事件。在天氣分型的基礎(chǔ)上進(jìn)行水汽和大氣層結(jié)穩(wěn)定度相關(guān)的物理量統(tǒng)計(jì)。

為了突出承德山地下墊面對(duì)環(huán)境參數(shù)的影響，選擇承德西南部平原和相同緯度帶上的東南部海區(qū)同樣大小的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析(圖2)：承德山區(qū)標(biāo)記為A區(qū)(40.2°～42.7°N、115.8°～119.3°E)，西南平原標(biāo)記為B區(qū)(37.7°～40.2°N、114°～117.5°E)，東南海區(qū)標(biāo)記為C區(qū)(37.7°～40.2°N、117.5°～121°E)。由于B區(qū)西北部為山區(qū)，統(tǒng)計(jì)物理量時(shí)將B區(qū)中的西北部山區(qū)(標(biāo)記“D”)去掉并在B區(qū)的南側(cè)補(bǔ)上同等面積區(qū)域。根據(jù)承德區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波后向追蹤造成短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)路徑，在承德雷達(dá)探測區(qū)域之外用紅外云圖資料追蹤云團(tuán)的最強(qiáng)對(duì)流中心。

圖2 承德山區(qū)與對(duì)比區(qū)域(A：承德山區(qū)，B：西南平原，C：東南海區(qū)，D：B區(qū)中的西北部山區(qū))Fig.2 Mountainous terrain of Chengde and its surrounding comparative areas(A: Chengde mountainous terrain, B: southwest plain, C: southeast sea area, D: northwest mountainous terrain in B area)

選取的環(huán)境參數(shù)包括表示水汽含量的850 hPa和700 hPa比濕、地面露點(diǎn)溫度(Td)及大氣整層可降水量(PW)；表示大氣層結(jié)穩(wěn)定條件的850 hPa和500 hPa的溫差(ΔT85)、K指數(shù)、對(duì)流有效位能(CAPE)；另外還計(jì)算了0～3 km、0～6 km垂直風(fēng)切變以及700 hPa和500 hPa風(fēng)速?？紤]到NCEP再分析資料在強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生環(huán)境分析中的實(shí)用性(王秀明等，2012)，除地面露點(diǎn)采用自動(dòng)站觀測外，其他物理量均采用NCEP(1°×1°)再分析資料，計(jì)算PW時(shí)剔除了地面高度以下的虛假數(shù)據(jù)。

2 承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水過程的特征

2.1 主要流型特征

一般以大尺度環(huán)流形勢特征或以影響系統(tǒng)來對(duì)暴雨過程進(jìn)行分型(陶詩言，1980；孫建華等，2005)。本研究主要基于500 hPa環(huán)流形勢，分為冷渦型、西風(fēng)槽型和副高外圍波動(dòng)型(以下簡稱副高外圍型)。冷渦型是造成承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的主要天氣類型，約占總數(shù)的45%(66例)，按照冷渦中心位置又進(jìn)一步分為蒙古冷渦型和東北冷渦型；西風(fēng)槽型占比為34%，副高外圍型占比為21%。

圖3給出了流型合成場，合成場由相同流型下所有短時(shí)強(qiáng)降水過程的大氣環(huán)流基本要素場平均而成，用以表征不同流型的環(huán)流特征。合成場的時(shí)間以短時(shí)強(qiáng)降水開始出現(xiàn)時(shí)間計(jì)算，選取在短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生前且與其最近的時(shí)間。冷渦型特點(diǎn)為中高緯地區(qū)受低渦控制：35°～60°N、105°～145°E范圍內(nèi)出現(xiàn)閉合等高線且有冷中心或冷槽相配合，持續(xù)2 d或以上；蒙古冷渦型(圖3a)，承德山區(qū)受冷渦底部低槽影響；東北冷渦型(圖3b)，承德受橫槽影響。西風(fēng)槽型(圖3c)特點(diǎn)為：110°E附近中高緯度存在西風(fēng)槽，河北處于西風(fēng)槽前，副高588 dagpm線位于30°N以南；副高外圍型(圖3d)表現(xiàn)為副高呈塊狀，588 dagpm線進(jìn)入華北，華北處于副高外圍西北側(cè)，110°E中高緯地區(qū)有低槽活動(dòng)。副高外圍型與西風(fēng)槽型的主要區(qū)別為副高是否影響華北以及副高的形狀。由850 hPa水汽通量(圖3陰影)可看出，僅副高外圍型存在遠(yuǎn)距離水汽輸送，冷渦型和西風(fēng)槽型均無遠(yuǎn)距離水汽輸送，水汽大值區(qū)位于北京及河北中東部，且水汽通量值小，表明從承德南側(cè)輸送到承德山區(qū)的水汽不多。副高外圍型水汽含量較高且存在明顯的濕舌(圖3d小圖)，南部山區(qū)850 hPa比濕在12 g·kg-1以上，北部壩上高原為10～12 g·kg-1，水汽能向北輸送到承德北部高原。因此，副高外圍型常產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長范圍較大的降水，日降水量50 mm以上的暴雨過程大多發(fā)生在此型下。西風(fēng)槽型亦存在濕舌和向壩上高原的水汽輸送(圖3c小圖)，但由于水汽含量相對(duì)低且比濕梯度不大，水汽輸送量不顯著，其10 g·kg-1比濕等值線僅伸展到承德南部。冷渦型的850 hPa水汽含量僅為8 g·kg-1(圖3a、3b中小圖)，蒙古冷渦型在承德南端存在一小范圍的比濕小中心(10 g·kg-1)，配合西南氣流，在承德最南端燕山迎風(fēng)坡或有弱水汽輸送。蒙古冷渦型和東北冷渦型在低層水汽條件上的細(xì)節(jié)差異對(duì)預(yù)報(bào)有影響：蒙古冷渦型下承德區(qū)域的水汽含量略大于東北冷渦型，短時(shí)強(qiáng)降水可預(yù)報(bào)性較高，而東北冷渦型下承德處于渦后的偏北氣流中，水汽含量低，可預(yù)報(bào)性較低，實(shí)際業(yè)務(wù)工作中經(jīng)常造成漏報(bào)。

圖3 2008—2017年夏季承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水過程合成平均環(huán)流場(a)蒙古冷渦型，(b)東北冷渦型，(c)西風(fēng)槽型，(d)副高外圍型(500 hPa位勢高度，黑色等值線,單位：dagpm；850 hPa風(fēng)場，矢量,單位：m·s-1；水汽通量，陰影，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；比濕，綠線，單位： g·kg-1；藍(lán)色矩形框?yàn)樾D范圍)Fig.3 Averaged circulation patterns of short-time severe rainfall events in the Chengde Montains in summer during 2008-2017(a) Mongolia cold vortex type, (b) Northeast cold vortex type, (c) westerly trough type,(d) edge of the Western Pacific subtropical high (WPSH) type[geopotential height at 500 hPa (black lines, unit: dagpm), wind field (vectors, unit: m·s-1), water vapour flux (shaded, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and specific humidity (green solid lines, unit: g·kg-1) at 850 hPa; blue rectangles: the range of the small inset]

2.2 時(shí)空分布特征

由圖4a可以看出，承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的集中時(shí)段為6月下旬至7月下旬, 7月上旬達(dá)到峰值。6—8月各月出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)分別為45、68和33次。6月冷渦型處于支配地位，常出現(xiàn)連續(xù)多日的午后雷陣雨，冷渦型峰值在6月下旬；7月中上旬以西風(fēng)槽型為主，7月上旬的峰值由冷渦型和西風(fēng)槽型疊加造成；7月下旬至8月中旬以副高外圍型為主。承德山區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水集中期與華北雨季并不同步，華北雨季一般為7月下旬到8月上旬，而承德山區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水集中在6月下旬至7月下旬。實(shí)際上，7月下旬較峰值已有明顯減少。我國大部分地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水多發(fā)生在高溫高濕的雨季(Chen et al，2013)，雨季和短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段同步。由于承德山區(qū)冷渦背景下短時(shí)強(qiáng)降水占比高，傳統(tǒng)意義上的雨季的短時(shí)強(qiáng)降水過程主要發(fā)生在占比最低的副高外圍型下，因而短時(shí)強(qiáng)降水集中期和雨季不同步。承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度不大(圖略)：平均值為29.7 mm，中位數(shù)值為26.3 mm；75%的短時(shí)強(qiáng)降水過程小時(shí)降水量在32.9 mm以下，且不同流型短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度差異不大。從日變化特征看(圖4b)，承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在16—19時(shí)。

圖4 2008—2017年6—8月承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水事件的旬變化(a)和日變化(b)Fig.4 Dakad (a) and daily variations (b) of short-time severe rainfall events in the Chengde Mountains during June-August of 2008-2017

冷渦型主要發(fā)生在午后至傍晚前后，峰值出現(xiàn)在17時(shí)前后；西風(fēng)槽型主要時(shí)段是傍晚前后至前半夜，峰值出現(xiàn)在20時(shí)前后；副高外圍型有兩個(gè)峰值階段，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在15—16時(shí)，最大峰值出現(xiàn)在23時(shí)到次日05時(shí)。

圖5給出了承德山區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生頻次和不同流型下強(qiáng)降水空間分布特征。由圖5a可見，承德山區(qū)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)集中在承德南部的興隆、寬城，約為10年20次，即年均2次以上(圖5a中紅色圓點(diǎn))。中部淺山地區(qū)每年發(fā)生1～2次，西部北部的壩上高原一年不到1次。總體而言由南到北逐漸減少，即海拔升高短時(shí)強(qiáng)降水頻次減少。承德南部強(qiáng)降水主要受地形與西南氣流抬升影響，高頻強(qiáng)降水出現(xiàn)在燕山迎風(fēng)坡(由圖3可見低層風(fēng)為西南風(fēng))。同時(shí)，承德主城區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水年均發(fā)生次數(shù)也在2次以上，較周圍地區(qū)顯著多。承德市區(qū)一半左右(11次)的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在冷渦型背景下，或許與承德城市下墊面有關(guān)，也可能與向南開口低山地形有關(guān)。由圖5b可見冷渦型短時(shí)強(qiáng)降水分散，承德中南部周邊峽谷、七老圖山山前和南部燕山山前迎風(fēng)坡都有7次以上的短時(shí)強(qiáng)降水。西風(fēng)槽與副高外圍型短時(shí)強(qiáng)降水集中在承德南部的燕山迎風(fēng)坡和灤河流域河谷區(qū)(圖5c、5d)，前者1 h降水極值紀(jì)錄為70.3 mm，后者的紀(jì)錄為87.9 mm。承德山區(qū)的小時(shí)極值雨量出現(xiàn)在冷渦背景下，1 h最大降水量紀(jì)錄為103.7 mm，出現(xiàn)在承德南部的興隆縣陡子峪鄉(xiāng)。由此可見，承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水極值降水均位于燕山山脈最高峰(霧靈山)的南坡。與冷渦型下常出現(xiàn)單點(diǎn)強(qiáng)降水不同，副高外圍型強(qiáng)降水由于水汽輸送顯著，多數(shù)過程有低空急流配合，常出現(xiàn)范圍較大的強(qiáng)降水。

圖5 2008—2017年6—8月承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水頻次的空間分布(a)全部過程，(b)冷渦型，(c)西風(fēng)槽型，(d)副高外圍型(圓點(diǎn)表示發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)，陰影表示海拔高度)Fig.5 Spatial distribution of frequencies of short-time severe rainfall events in the Chengde Mountains during June-August of 2008-2017(a) all events, (b) cold vortex type, (c) westerly trough type, (d) edge of the WPSH type(Dots represent the occurrence times of short-time severe precipitation； shaded represents altitude)

2.3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)分析

短時(shí)強(qiáng)降水風(fēng)暴結(jié)構(gòu)形態(tài)大致可分為相對(duì)孤立的塊狀和尺度較大的準(zhǔn)帶狀兩種結(jié)構(gòu)，其中孤立的塊狀回波占比接近50%，另外還有約12%為塊狀回波和帶狀回波共同影響(圖6a)。需要說明，塊狀和帶狀回波共同影響的情形沒有重復(fù)計(jì)算于塊狀或帶狀類中。塊狀回波為一般單體和多單體風(fēng)暴，表現(xiàn)為孤立風(fēng)暴單體塊，回波面積較小(水平尺度大多數(shù)不足10 km)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，具有明顯的局地性、突發(fā)性特征。帶狀回波為多個(gè)對(duì)流單體排列成帶狀，回波長度遠(yuǎn)大于回波寬度。從圖7可以看出，影響承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流云團(tuán)分為外部移入和本地新生兩種，外部移入主要來自西邊界，其中西南和西北方向的較多，占比分別為29%和23%(圖6b)，正西受高地形影響相對(duì)較少；東側(cè)移入回波極少，包括東邊界和東北、東南方向(圖7a)。本地新生的對(duì)流風(fēng)暴占比為27%，新生地點(diǎn)大多為河谷地形、平坦以及低洼地帶，其中承德主城區(qū)是風(fēng)暴新生集中區(qū)，主要是由于承德主城區(qū)地勢相對(duì)低洼，水汽相對(duì)充沛，可能還有局地?zé)岬蛪?、水汽沿著灤河等河谷向承德市區(qū)輸送的影響以及地形熱力差異的影響等。從西南方向移入的風(fēng)暴產(chǎn)生強(qiáng)降水的范圍相對(duì)較大，20站(時(shí))次以上的短時(shí)強(qiáng)降水過程的對(duì)流風(fēng)暴幾乎均由西南方向移入。

圖6 2008—2017年6—8月不同雷達(dá)回波形態(tài)頻次(a)及雷達(dá)回波進(jìn)入承德前所處位置頻次(b)Fig.6 Frequencies of different radar echo shapes (a), and frequencies of different locations of radar echo before entering Chengde (b) during June-August of 2008-2017

圖7 2008—2017年6—8月對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)入承德山區(qū)前的移動(dòng)路徑(黑色、紅色曲線分別表示偏北、偏南方向)以及承德本地雷暴新生位置(綠色小圓點(diǎn))(a)全部過程，(b)冷渦型，(c)西風(fēng)槽型，(d)副高外圍型(圖中的數(shù)字和陰影均指對(duì)流風(fēng)暴出現(xiàn)次數(shù))Fig.7 Paths of convective storms before entering the Chengde Mountains (black and red curves: north and south directions) and locations of storms born locally in Chengde (small green dots) during June-August of 2008-2017 (a) all events, (b) cold vortex type, (c) westerly trough type, (d) edge of the WPSH type(Both number and shaded indicate frequencies of occurrences of convective storms)

冷渦型下回波多呈塊狀,從西北方向(承德與內(nèi)蒙古邊界)移入較多(38%)(圖7b)，另外還有相當(dāng)一部分沿著西南路徑從北京東北部移入(占24%)，本地新生孤立塊狀回波占比亦較高(27%)，其中承德主城區(qū)和承德北部山區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水主要由局地新生的孤立回波造成單點(diǎn)強(qiáng)降水，偶爾可出現(xiàn)多個(gè)孤立單體合并成的帶狀回波造成多站(次)的短時(shí)強(qiáng)降水。西風(fēng)槽型來自北京東北部的云團(tuán)移入的個(gè)例最多(圖7c)，還有相當(dāng)一部分來自承德西北部高原的塊狀回波，這與自承德西北部南下的冷鋒有關(guān)。北京東北部的降水回波北上后影響承德中南部，張家口東南部帶狀回波沿東北方向進(jìn)入承德后常造成承德北部三縣(豐寧、圍場和隆化)的短時(shí)強(qiáng)降水。副高外圍型風(fēng)暴主要從南側(cè)移入承德境內(nèi)(31例中有23例)(圖7d)，且主要為帶狀回波(20例)。

3 環(huán)境參數(shù)特征

3.1 水汽條件

水汽因子是影響承德山區(qū)降水強(qiáng)度最為關(guān)鍵的因素，因?yàn)樯絽^(qū)水汽含量相對(duì)低，南來的水汽需要越過燕山山脈或者沿河流峽谷輸送。下面基于低層水汽絕對(duì)含量(用比濕、露點(diǎn)表征)和大氣整層可降水量統(tǒng)計(jì)給出承德短時(shí)強(qiáng)降水的水汽特征。由于承德山區(qū)地形高度多在925 hPa以上，因而僅分析850 hPa 及以上層次的比濕。王秀明等(2012)分析表明，NCEP再分析資料中邊界層的水汽含量與觀測探空差異較大，特別是925 hPa以下，因此還給出了強(qiáng)降水前鄰近站點(diǎn)觀測的地面露點(diǎn)分布。

由圖8看出，承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前850 hPa和700 hPa的比濕中位數(shù)值分別為9.7 g·kg-1和6.7 g·kg-1(圖8a)，明顯低于我國中東部地區(qū)的14.3 g·kg-1和9.8 g·kg-1(Tian et al，2015)，另外還有25%的個(gè)例850 hPa比濕在8 g·kg-1以下。由地面露點(diǎn)觀測(圖9)可見，承德山區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生前地面露點(diǎn)中位數(shù)值為19.1℃，比山東短時(shí)強(qiáng)降水地面露點(diǎn)值低3.4℃(高曉梅等，2018)。冷渦背景下的短時(shí)強(qiáng)降水過程低層水汽含量尤其低(圖8b)，其850 hPa和700 hPa的比濕中位數(shù)值分別為8.4 g·kg-1和6.3 g·kg-1，850 hPa比濕最小值僅為5.6 g·kg-1。冷渦型地面露點(diǎn)中位數(shù)值僅為17.5℃，且有25%的個(gè)例地面露點(diǎn)在15℃以下。

圖8 2008—2017年6—8月承德山區(qū)(A)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)前850 hPa和700 hPa區(qū)域平均比濕與對(duì)比區(qū)域(B、C)比濕箱線圖(a)全部過程，(b)冷渦型，(c)西風(fēng)槽型，(d)副高外圍型(A、B、C的范圍見圖2；中位數(shù)，箱內(nèi)線；上下四分位數(shù)，箱子上下邊界；上下邊緣，須線；均值，黑色星點(diǎn))Fig.8 Area averaged specific humidity at 850 hPa and 700 hPa before the occurrence of short-time severe rainfall events in the Chengde Mountains (A) and the comparative areas (B, C) during June-August of 2008-2017(a) all events, (b) cold vortex type, (c) westerly trough type, (d) edge of the WPSH type(The ranges of A, B, C are shown in Fig.2； the median, line inside box; the upper and lower quartiles, upper and lower edges of boxes; the upper and lower edges, whiskers; the mean, black star spots)

圖9 2008—2017年6—8月承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)前觀測站點(diǎn)的地面露點(diǎn)溫度Fig.9 Ground dew point temperatures before the occurrence of short-time severe rainfall events at observation stations in Chengde during June-August of 2008-2017

發(fā)生在華北雨季的副高外圍型短時(shí)強(qiáng)降水，其水汽含量相對(duì)充沛，850 hPa比濕中位數(shù)值為12.2 g·kg-1(圖8d)，較冷渦型中位數(shù)值高3.8 g·kg-1，地面露點(diǎn)溫度中位數(shù)值為20.6℃。不同下墊面低層水汽含量差異明顯，也與環(huán)流型有關(guān)，冷渦型和副高外圍型下承德以南的平原和海區(qū)850 hPa比濕較承德山區(qū)高1 g·kg-1，西風(fēng)槽型平原下墊面比山區(qū)高1 g·kg-1(圖8c)，而海區(qū)與山區(qū)無明顯差異。B區(qū)和C區(qū)是在相同緯度帶上，兩個(gè)區(qū)域850 hPa和700 hPa的水汽含量在全部短時(shí)強(qiáng)降水事件中大體相當(dāng)(圖8a)，但是在西風(fēng)槽型和副高外圍型短時(shí)強(qiáng)降水事件中，平原地區(qū)(B區(qū))850 hPa的水汽含量明顯高于山區(qū)(A區(qū))和海區(qū)(C區(qū))，而在700 hPa高度上，無論哪一種類型主導(dǎo)下的短時(shí)強(qiáng)降水，其水汽含量差異都很小。這表明，西部和北部地形有利于偏南通道的水汽在平原地區(qū)聚集，這一點(diǎn)也可以從大氣整層含水量的分布上得到證實(shí)(圖10)。

圖10 2008—2017年6—8月承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)前大氣整層可降水量(數(shù)值，單位：mm；陰影表示地形高度)(a)全部過程，(b)冷渦型，(c)西風(fēng)槽型，(d)副高外圍型Fig.10 Atmospheric precipitable water before the occurrence of short-time severe rainfall events around the Chengde Mountains during June-August of 2008-2017 (number: PW, unit: mm; shaded area: altitude) (a) all events, (b) cold vortex type, (c) westerly trough type, (d) edge of the WPSH type

田付友等(2017)研究表明，整層大氣可降水量是表征短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境水汽含量的主要水汽參量，對(duì)降水強(qiáng)度等級(jí)區(qū)分度較好。從圖11可見，NCEP給出的大氣整層可降水量能夠表征不同流型下大氣水汽含量的差異，對(duì)于承德山區(qū)(A區(qū))，副高外圍型水汽含量最高(圖11d)，西風(fēng)槽型次之(圖11c)，冷渦型最小(圖11b)，中位數(shù)值分別為38、34和29 mm；田付友等(2017)、花家嘉等(2016)、李文娟等(2017)給出中國大部分地方的短時(shí)強(qiáng)降水PW平均值都在50 mm以上，即使是含有泰山山地的魯中地區(qū)，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)PW含量多在40 mm以上(高曉梅等，2018)。由此可見，與我國短時(shí)強(qiáng)降水大多發(fā)生在高濕環(huán)境下不同，承德山區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，其環(huán)境水汽含量顯著低于中國其他地區(qū)。這樣的水汽含量值在中國東部很多地方可作為消空閾值，如Tian et al(2015)統(tǒng)計(jì)給出，中國東部無降水情況下的PW中位數(shù)值為34 mm。下墊面對(duì)三種類型降水水汽含量的影響程度不同，副高外圍型受下墊面影響最大，承德山區(qū)水汽含量遠(yuǎn)低于平原及海區(qū)，山區(qū)PW中位數(shù)值較南側(cè)平原地區(qū)低15 mm；冷渦型下水汽含量都很低，不同下墊面差異不大。從圖10可以看出，總體而言，承德山區(qū)水汽分布和地形密切相關(guān)，壩上高原水汽含量明顯低于中部淺山地區(qū)，淺山地區(qū)又低于南部平原地區(qū)，梯度約為7～8 mm·(100 km)-1(圖10a)，這是承德南部短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)多于北部的原因之一。冷渦型下不同地形地貌下PW均較小，由南到北不同地形高度水汽差小(圖10b)；副高外圍型承德山區(qū)差異不大而平原和山區(qū)水汽差異顯著，承德以南的平原地區(qū)大氣整層可降水量比山區(qū)高16 mm(圖10d)；西風(fēng)槽型從淺山地區(qū)到壩上高原PW差異達(dá)9 mm(圖10c)。

圖11 同圖8，但為大氣整層可降水量Fig.11 Same as Fig.8, but for atmospheric precipitable water

3.2 穩(wěn)定度條件

分析850 hPa和500 hPa的溫差、對(duì)流有效位能(CAPE)以及K指數(shù)，總結(jié)承德出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)表征大氣層結(jié)穩(wěn)定度的一些潛勢指標(biāo)。圖12表明，不同流型背景下短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前850 hPa和500 hPa溫差(ΔT85)，承德山區(qū)均較其南側(cè)的平原和海區(qū)大，承德山區(qū)中位數(shù)值為27.2℃，其南側(cè)平原、海區(qū)的中位數(shù)值分別為26.6℃和25.5℃(圖12a)。

圖12 同圖8，但為850 hPa與500 hPa溫差Fig.12 Same as Fig.8, but for temperature difference between 850 hPa and 500 hPa

冷渦型和西風(fēng)槽型ΔT85較大，冷渦型平均值為28.8℃，最大值達(dá)34.6℃(圖12b)，西風(fēng)槽型平均值為27.9℃(圖12c)，遠(yuǎn)大于中國東部地區(qū)均值(23℃；Tian et al，2015)，與山東接近(高曉梅等，2018)；副高外圍型溫差較小，ΔT85中位數(shù)值僅為25.0℃(圖12d)，大致相當(dāng)于溫度直減率5.8℃·km-1。值得一提的是，不論何種流型背景下，海洋下墊面的溫度垂直遞減率都小于陸地，特別是西風(fēng)槽背景下差異明顯。

從圖13可知，承德山區(qū)CAPE均值為658 J·kg-1(圖13a)，不同流型背景下短時(shí)強(qiáng)降水的CAPE值(圖13b～13d)差別不大?？傮w而言CAPE不大，這與其他地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水特征相同。不同下墊面對(duì)比表明，冷渦型和西風(fēng)槽型降水均表現(xiàn)為山區(qū)的CAPE較平原和海區(qū)大。承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水前環(huán)境背景的K指數(shù)值比中國西部的甘肅(付雙喜和何金梅，2015)和中國東部地區(qū)(Tian et al，2015)低3～4℃，其中位數(shù)值為33～35℃(圖略)，較其南部平原和海區(qū)高，不穩(wěn)定度的表現(xiàn)與溫度直減率一致。

圖13 同圖8，但為對(duì)流有效位能Fig.13 Same as Fig.8, but for CAPE

綜上所述，ΔT85、K指數(shù)和CAPE均表現(xiàn)為山區(qū)高于平原和海區(qū)，顯示出更為不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，其中表征環(huán)境溫度直減率的ΔT85遠(yuǎn)高于中國其他地區(qū)。

3.3 垂直風(fēng)切變條件

垂直風(fēng)切變是影響對(duì)流風(fēng)暴組織結(jié)構(gòu)的主要因素(Weisman and Klemp,1982)，另外對(duì)流層中層風(fēng)速可以作為風(fēng)暴承載層風(fēng)速，是決定風(fēng)暴移速的關(guān)鍵因子。圖14表明，承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變下，0～6 km風(fēng)矢量差平均值為10.5 m·s-1(表1)，冷渦型和西風(fēng)槽型大部分過程均為12 m·s-1以下的弱風(fēng)切，副高外圍型垂直風(fēng)切變略大，有50%過程在12 m·s-1以上；0～3 km垂直風(fēng)切變中位數(shù)值在6 m·s-1以下，75%以上的強(qiáng)降水過程在9 m·s-1以下，相當(dāng)于每千米變化3 m·s-1以下。垂直風(fēng)切變?nèi)踔饕且驗(yàn)閷?duì)流層中低層風(fēng)速不大(圖略)，700 hPa和500 hPa的風(fēng)速中位數(shù)值分別為7.6 m·s-1和11.1 m·s-1。以往研究表明(丁一匯，2005；Tian et al，2015；田付友等，2017；花家嘉等，2016)，短時(shí)強(qiáng)降水0～6 km環(huán)境風(fēng)垂直風(fēng)切變多為12 m·s-1以下的弱垂直風(fēng)切變，可見弱垂直風(fēng)切變下是短時(shí)強(qiáng)降水的共性而非承德山區(qū)特性。

圖14 2008—2017年6—8月德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)前0～3 km(a)和0～6 km(b)垂直風(fēng)切變矢量差Fig.14 0-3 km (a) and 0-6 km (b) vertical wind shears vector difference before the occurrence of short-time severe rainfall events in the Chengde Mountains during June-August of 2008-2017

表1 承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)特征Table 1 Features of key ambient parameters for short-time heavy rainfall in the Chengde Mountains

4 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)河北承德山區(qū)2008—2017年6—8月的146個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水過程統(tǒng)計(jì)分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)承德山區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水的天氣型可分為冷渦型、西風(fēng)槽型和副高外圍型三類，其中冷渦型占比接近一半，西風(fēng)槽型次之，副高外圍型占比僅21%。強(qiáng)降水集中在6月下旬至7月下旬，6月主要受冷渦系統(tǒng)影響，7月上旬到中旬主導(dǎo)型為西風(fēng)槽型，7月下旬到8月上旬主要受副高外圍波動(dòng)影響。短時(shí)強(qiáng)降水峰值出現(xiàn)在7月上旬，由西風(fēng)槽型和冷渦型疊加形成。傳統(tǒng)意義上的華北雨季強(qiáng)降水主要發(fā)生在副高外圍型下，因而短時(shí)強(qiáng)降水集中期與華北雨季并不同期，短時(shí)強(qiáng)降水能更好地描述承德山區(qū)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。

(2)承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水局地性強(qiáng)，分布極不均勻，一方面是由于復(fù)雜的下墊面，另一方面是由于冷渦強(qiáng)降水事件占比較高，而冷渦降水有相對(duì)分散的特點(diǎn)。總體而言，承德山區(qū)強(qiáng)降水南多北少，南部燕山山脈迎風(fēng)坡是短時(shí)強(qiáng)降水集中區(qū)，副高外圍型和西風(fēng)槽型短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在承德南端。

(3)承德山區(qū)與中國其他地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境特征相同，其短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在弱垂直風(fēng)切變下，對(duì)流有效位能較強(qiáng)對(duì)流過程顯著偏小。不同之處為，承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境水汽含量顯著偏小而環(huán)境溫度直減率大，冷渦型和西風(fēng)槽型中此特征尤為突出。對(duì)比山區(qū)與平原、海區(qū)不同下墊面環(huán)境要素表明，山區(qū)下墊面低層水汽含量較其南側(cè)的平原和海區(qū)低而環(huán)境溫度直減率大。為了盡可能保證不同下墊面處于相似環(huán)流背景下，三個(gè)區(qū)域是相鄰的。

由于承德高原水汽含量相對(duì)華北平原地區(qū)低，濕層厚度亦小于平原地區(qū)，很可能還存在沿河谷的低層水汽輸送，較大范圍強(qiáng)降水發(fā)生頻次較低；承德山區(qū)地形復(fù)雜，地表受熱不均，加之地形對(duì)局地環(huán)流的影響，降水分布極不均勻且多發(fā)生單點(diǎn)對(duì)流性短時(shí)強(qiáng)降水，致災(zāi)概率高，給預(yù)報(bào)預(yù)警工作帶來了極大挑戰(zhàn)。本文統(tǒng)計(jì)表明承德市區(qū)是短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)之一，主城區(qū)周邊常有局地風(fēng)暴新生。受資料和篇幅所限，本文僅對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布和環(huán)境參數(shù)特征進(jìn)行分析，下一步將對(duì)承德山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例的抬升觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行深入細(xì)致的分析，以提升人口相對(duì)密集的山區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水短時(shí)臨近預(yù)警能力。