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        2021年7月11~12日河北一次暴雨天氣過程分析

        2022-12-17 06:55:00劉炳杰
        新農(nóng)民 2022年33期

        劉炳杰,王 楠

        (河北滄州市氣象局,河北 滄州 061000)

        1 暴雨天氣實況

        2021年7月11~12日河北出現(xiàn)一次暴雨天氣過程,從降水量分布圖來看:100mm以上的降水落區(qū)主要集中在燕山南麓、太行山東麓的京津冀廣大地區(qū),滄州沿海地區(qū)也是此次降水較強的中心之一,其中鹽山望樹鎮(zhèn)雨量達206.3mm。

        本次強降水影響河北中東部地區(qū)主要是在11日夜間~12日傍晚,降雨時多站出現(xiàn)短時強降水和短時大風天氣。渤海新區(qū)海洋氣象探測基地風速最大達27.9m/s(10級),本次過程有持續(xù)時間長、累計雨量大、分布不均勻等特點。

        從雷達回波形態(tài)來看,本次強降水過程大致分為三個階段:第一階段11日20:00~12日02:00滄州西北部地區(qū)出現(xiàn)對流天氣;第二階段12日02:00~10:00螺旋雨帶自西南向東北影響我市大部分地區(qū),以系統(tǒng)性降水為主;第三階段12日10:00~14:00對流系統(tǒng)持續(xù)的列車效應影響我市東部地區(qū)。

        根據(jù)雷達顯示降水的三個階段,我們選取三個站點雨強的時間序列,第一階段的降水比較集中,持續(xù)時間短,降水強度較大,具有很明顯的對流性質(zhì)。第二個階段,降水時間長,在一段時間內(nèi),相對比較均勻,雨強不大,不過在發(fā)展過程中,也出現(xiàn)了短暫的雨強較大的時刻,說明,隨著系統(tǒng)東移,也會出現(xiàn)強對流降水。第三階段降水在一段時間內(nèi)一直停留在滄州的東部地區(qū)。

        圖1 2021年7月12~13日24時河北地區(qū)累積降雨量分布

        2 暴雨成因

        2.1 第一階段環(huán)流背景

        從雷達回波形態(tài)上來看,第一階段降水回波中心高度比較低,降水效率強,具有暖區(qū)降水的特征。結(jié)合歷年來學者對華北地區(qū)暖區(qū)降水的定義:(1)位于副熱帶高壓邊緣的高溫濕舌內(nèi);(2)發(fā)生在7~9月;(3)暖區(qū)暴雨的強對流特征明顯,短時強降水的貢獻隨總雨量的增加而加大,且降水時段集中,主要降水產(chǎn)生在 6 h以內(nèi);(4)主要在邊界層極端高溫高濕區(qū)觸發(fā)和維持。(5)動力條件不足;(6)弱輻合線的觸發(fā)。對第一階段的降水進行分析。

        從11日20時500hPa形勢分析,滄州處于副高外圍高溫濕舌內(nèi),為暖區(qū)暴雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件,結(jié)合雷達回波特點,主回波區(qū)前部出現(xiàn)塊狀回波,反射率因子梯度較大,具有對流性質(zhì)特征,結(jié)合自動站小時強度,塊狀回波降水效率較高,每小時可達30mm以上,因此從雨強上能夠指示第一階段具有暖區(qū)降水的特征。

        圖2 第一階段500百帕天氣形勢

        第一階段物理量分析:

        11日20時水汽分布顯示滄州西部地區(qū)700hPa比濕為10~12g/kg,850hPa達到14~16g/kg,大氣低層比濕較高,本地水汽條件符合滄州地區(qū)出現(xiàn)暴雨的指標;通過水汽通量剖面圖,在滄州西部地區(qū),存在水汽通量正值區(qū),說明有外來的水汽向滄州地區(qū)輸送,結(jié)合水汽通量散度可以看到在滄州西部地區(qū)存在水汽通量輻合,外來的水汽輸送加上本地充足的水汽,共同造成第一階段暖區(qū)暴雨的發(fā)生。但是由于水汽通量大值區(qū)存在于河北中南部與北部,因此滄州西部地區(qū)在整個降水過程中,并不是暴雨中心。

        11日14時北京站探空圖顯示700hPa以下風隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流,700hPa以上風隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流,上干冷下暖濕結(jié)構(gòu)配置,顯示大氣層結(jié)為不穩(wěn)定層結(jié),結(jié)合cape值已達到2400J/kg,說明此次降水前期不穩(wěn)定能量較大,利于上升運動的持續(xù),同時抬升凝結(jié)高度為0.5km,0度層為4.7km,暖層厚度達4.2km,降水效率較高,綜合以上因素都有利于第一階段暖區(qū)暴雨的發(fā)生。

        另外,從假相當位溫垂直剖面上可以分析在滄州西部暖區(qū)降水發(fā)生前上空,θse隨高度降低上干冷下暖濕,且900hPa以下為θse密集帶有較好能量條件,與強降水區(qū)域位置對應比較一致。

        沿滄州中西部地區(qū)做垂直速度和渦度分布剖面,在降水時700hPa以上有比較弱的上升,在低層出現(xiàn)下沉,中低層動力條件較弱,同時從地面自動站客觀分析場發(fā)現(xiàn)(圖略):滄州西部有一條東北-西南向輻合線,兩側(cè)有西北-東南風切變,有利于輻合上升運動,觸發(fā)對流,中層弱輻合上升配合低層輻合,并結(jié)合實況也說明此次過程的第一階段具有暖區(qū)暴雨的特征。

        綜上所述,通過暖區(qū)暴雨的特征,結(jié)合此次過程特點,初步判斷此次過程的第一階段為暖區(qū)暴雨,此次暖區(qū)暴雨在滄州雨強不是特別強,可能是與水汽輸送不強有關(guān)。另外通過第一階段分析,對于低渦主體影響之前暖區(qū)對流,我們預報時最應該關(guān)注:低層輻合線對暖區(qū)暴雨的指示意義;水汽、能量的分布梯度大值區(qū)往往是暖區(qū)暴雨發(fā)生的位置;雷達回波的特征分析也可以判斷暖區(qū)暴雨的發(fā)生地點。

        2.2 第二階段環(huán)流背景

        隨著系統(tǒng)東移,低渦北上,降水性質(zhì)發(fā)生變化,從雷達圖顯示,反射率因子基本在40dBz以下,為穩(wěn)定性降水。從500百帕與850百帕高低空配置看,12日02時200hPa上河北剛好位于西風急流出口區(qū)左側(cè),高空強輻散,利于強上升運動加強。500hPa上巴湖和貝湖之間有一寬廣低壓槽,和河套地區(qū)低壓槽呈階梯狀分布,不斷引導冷空氣南下,11日20時在河北地區(qū)形成一閉合低壓。副高外圍584線北伸與北部弱脊合并加強,形成高壓壩,出現(xiàn)“東高西低” 有利環(huán)流形勢。12日02時低渦移至河北,有明顯的低空急流,最大風速中心達18m/s,切變線、低渦和低空急流共同影響,產(chǎn)生低層輻合,有強烈上升運動,水汽配合上升運動,利于降水的發(fā)生。

        第二階段水汽條件與能量條件:

        比濕垂直分布顯示,隨著低渦北上,滄州低層水汽整體較好,700百帕以下達到了10g/kg,在外來水汽輸送方面,受低渦影響,渦前部的東南氣流逐漸控制滄州地區(qū),水汽輻合中心也逐漸移到華北中部地區(qū),利于強降水的發(fā)生。

        通過垂直運動與能量分布分析,降水第二階段開始時,受低渦前部正渦度平流影響,700到850百帕存在明顯的上升區(qū),比第一階段垂直運動較強。從能量分布來看(圖略),此時高層冷平流逐漸減弱,隨著前期降水發(fā)生,高層也逐漸變濕,而低層暖平流變化不大,上干下濕,上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)也逐漸減弱,因此,雖然此時中層存在持續(xù)的上升運動,但是不穩(wěn)定層結(jié)的減弱,很難觸發(fā)對流天氣,因此以穩(wěn)定性降水為主。

        2.3 第三階段環(huán)流背景

        后期隨著系統(tǒng)東移,500百帕逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流控制,低層強的暖濕氣流仍然控制滄州地區(qū),從回波演變來看,降水回波由層狀云降水轉(zhuǎn)為對流降水,并且結(jié)合回波傳播方向以及對流單體形成的位置,出現(xiàn)了明顯的列車效應特征,因此在滄州黃驊地區(qū)形成一個強降水中心,造成了滄州東部地區(qū)出現(xiàn)206mm的降水。

        第三階段垂直條件與能量條件:

        隨著高空轉(zhuǎn)為冷空氣控制,滄州上空θse隨高度降低,上干冷下暖濕不穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)逐漸加強,在900hPa附近存在能量鋒區(qū),容易觸發(fā)不穩(wěn)定能量,造成對流天氣的發(fā)生,從k指數(shù)分布看(圖略)滄州東部一直維持在38~40℃,不穩(wěn)定能量也較強。

        從渦度場分布來看,滄州東部地區(qū)處于正渦度區(qū),因此在速度圖上低層也對應著上升運動,結(jié)合前面不穩(wěn)定層結(jié)的分析,不穩(wěn)定能量配合垂直運動造成了滄州黃驊地區(qū)的強降水天氣。

        另外根據(jù)有關(guān)學者研究,低空暖濕氣流和低空急流附近,往往存在條件靜力不穩(wěn)定性,這是列車效應發(fā)生的有利環(huán)境,從850百帕風場與濕度場疊加顯示(圖略),滄州東部地區(qū)正好處于低層東南氣流的控制,且比濕達到了14g/kg以上。強的水汽與能量條件預示著滄州東部地區(qū)發(fā)生列車效應的可能。

        從500百帕引導氣流與雷達回波傳播方向看,受引導氣流的影響,雷達整體由西南向東北方向傳播,而雷暴新生單體存在后向傳播的趨勢,從平移與傳播的疊加來看,新生單體與總體回波夾角較小,因此利于回波列車效應的形成,造成滄州東部地區(qū)強降水中心。

        3 結(jié)論

        利用多種資料,對2021年7月11~12日降水特征、環(huán)境條件及降水的演變等方面進行了綜合分析。主要結(jié)論如下:

        (1)此次低渦造成河北降水分為三個階段,第一階段為偏南氣流控制區(qū)內(nèi)的暖區(qū)暴雨,此階段降水強度大,具有強對流特征,同時預報難度較大;第二階段為低渦控制下的穩(wěn)定性降水,此階段對流強度不強,回波上表現(xiàn)為大片的層狀云降水回波,但持續(xù)時間較長,降水總量也較大;第三階段,由于高空降溫,低層低空急流維持,不穩(wěn)定層結(jié)加大,往往會出現(xiàn)對流性質(zhì)的降水,但是由于引導氣流偏弱,回波容易出現(xiàn)后向傳播,易出現(xiàn)雷達回波上的“列車效應”,降水總量上可能造成局地強降水中心。

        (2)根據(jù)三個階段不同成因分析,我們對于此次低渦降水每個階段降水預報落區(qū)及量級關(guān)注點也不同,其中對于暖區(qū)暴雨,我們要關(guān)注低層輻合線及能量鋒區(qū)和大值區(qū)所在的位置;低渦控制時,我們關(guān)注點在于低渦影響區(qū)域以及水汽輻合位置;當?shù)蜏u東移,高空轉(zhuǎn)為西北氣流時,高空西北氣流與低層低空氣流耦合的區(qū)域,往往容易出現(xiàn)列車效應造成的較強降水。

        通過以上分析,我們對河北地區(qū)在低渦影響下每個階段降水特性有了一定的了解,尤其對暖區(qū)降水的預報方面提供了一些幫助,但是由于我們研究范圍較小,選取的只是代表性的區(qū)域,對整個過程的演變及認知還存在不足,所以加強低渦影響下華北地區(qū)暴雨產(chǎn)生機制還顯得非常必要,在以后研究中,擴大研究范圍,細化低渦降水的階段,研究各階段降水單體特征,為準確預報華北地區(qū)低渦強降水會有一定的指導意義。

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