2011年夏季京津冀一次暴雨天氣的診斷分析

周賀玲 楊 艷 劉艷杰 周玉都 孫藝桃

(廊坊市氣象局，河北廊坊065000)

暴雨是華北夏季主要的災害性天氣，其引發(fā)的山洪、泥石流等自然災害每年都有發(fā)生，所以暴雨的研究和預報一直是政府和氣象科研人員關(guān)注的重點。多位專家對不同地區(qū)暴雨形成的觸發(fā)機制、時間及落區(qū)的影響因素進行了分析［1－6］，本文則對華北一次局地暴雨進行了診斷分析，以期為夏季暴雨預報提供幫助。

1 資料選取

所用的資料為常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)、NCEP/NCAR每日四次 1°×1°、2.5°×2.5°的格點資料。

2 降水實況及主要天氣背景

2.1 降水概況

從23日早晨開始，京、津、冀大部先后降雨，此次大范圍降雨對緩解前期旱情十分有利，但強降雨導致部分山區(qū)形成局部暴雨洪水，城區(qū)積水嚴重，部分道路中斷，多條地鐵線路運營受阻，大批航班取消或延誤，伴隨強對流天氣出現(xiàn)的冰雹及短時大風對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也造成很大損失。2011年6月23日08時－24日08時常規(guī)地面觀測資料顯示暴雨中心主要集中在張家口市東南部、北京城區(qū)西部、保定北部及廊坊中部地區(qū)，京、津、冀地區(qū)有22個站降了暴雨、大暴雨。

2.2 主要環(huán)流形勢

22日08時500 hPa上在蒙古中部有一個低渦生成，副高北側(cè)位于32°N附近，西側(cè)延伸到95°E，呈東西帶狀分布，京、津、冀地區(qū)受低渦底部副高外圍弱的西南偏西氣流控制，在低渦底部內(nèi)蒙中部有非常明顯的冷平流存在，隨著副高的明顯東撤低渦不斷東移南壓，至23日08時副高東撤到113°E，低渦移到內(nèi)蒙中部，低渦南部分裂出的短波槽與冷平流相配合造成河北省西北部部分地區(qū)開始出現(xiàn)降雨。23日08時至24日08時副高穩(wěn)定少動，而低渦與東北低槽合并轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€深厚的高空槽系統(tǒng)影響華北地區(qū)，局地暴雨也主要出現(xiàn)在該時段，地面是北高南低的氣壓場，強降水區(qū)域主要位于高壓底部低壓倒槽的頂部，倒槽前的暖濕氣流為強降水的產(chǎn)生提供了充沛的水汽。

3 濕位渦診斷分析

3.1 濕位渦正壓項(MPV1)

850 hPa等壓面上MPV1的變化:23日02時到23日14時之間，整個京津冀境內(nèi)均為負值區(qū)控制，表明大氣低層有不穩(wěn)定能量存在，期間加密自動站雨量實況顯示京津冀大部出現(xiàn)了小陣雨天氣。到了23日20時，也就是降雨比較集中的時段，京津冀地區(qū)的西部為負的MPV1區(qū)(圖1a)，而東部出現(xiàn)了正的MPV1區(qū)，表明東部有冷空氣活動，實況顯示正的MPV1與負的MPV1對峙區(qū)域23日20時前后出現(xiàn)了強降雨。在MPV1等值線相對密集的零線附近，正是冷暖空氣交匯的地帶，有利于水汽輻合、垂直渦度劇烈發(fā)展，強降雨一般出現(xiàn)在MPV1零線附近［7］。綜合分析，這次局地暴雨天氣就出現(xiàn)在MPV1的正負過渡帶內(nèi)。

沿116°E做MPV1的經(jīng)向剖面(圖1b)，23日20時在39°N－41°N(暴雨發(fā)生的區(qū)域，下同)MPV1的變化:在500hPa以上MPV1均為正值區(qū)，高濕位渦區(qū)呈漏斗狀向下伸展，范圍延伸到650 hPa附近，在550 hPa附近形成0.6PVU的高值中心，表明對流層高層為對流穩(wěn)定區(qū)，冷空氣以位渦柱的形式向下人侵。800 hPa－650 hPa之間為弱的MPV1正負交替帶。MPV1的強負值區(qū)在1 000 hPa－800 hPa之間，中心最大值為0.9PVU。這種MPV1正負區(qū)的垂直疊加，有利于低層不穩(wěn)定能量的迅速釋放，從而有利于強降雨的發(fā)生發(fā)展。

圖1 2011年6月23日20時MPV1的850hPa分布(a)和沿116°E的垂直剖面(b)(單位:PVU)

3.2 濕位渦斜壓項(MPV2)

圖2a為23日20時850hPa上MPV2的分布，可以看出，暴雨區(qū)的MPV2為負值，中心最大值為－0.9PVU，表明大氣低層存在著一定的大氣濕斜壓性與風的垂直切變。同樣沿116°E做MPV2的經(jīng)向剖面(圖2b)，23日20時在39°N～41°N之間MPV2的變化:在950hPa以下MPV2為正值區(qū)，低層較大的正值MPV2的移動可以作為低空急流和暖濕氣流活動或渦旋活動的示蹤［8］。950hPa－600hPa之間MPV2是比較明顯的負值區(qū)，形成兩個負值中心，最大值均為－0.9PVU，在暴雨區(qū)南側(cè)950hPa附近是MPV2的正負過渡區(qū)，等值線密集，說明此處的大氣斜壓性很強。600hPa－500hPa之間MPV2為弱正值區(qū)，MPV2的負值區(qū)在500hPa以上，250hPa附近MPV2形成－1.2PVU負值中心，表明高空急流很強。近地面層MPV2較大正值區(qū)以及中低層大氣的斜壓性為暴雨產(chǎn)生提供了有利條件。

3.3 濕位渦(MPV)

濕位渦把反映大氣層結(jié)不穩(wěn)定度的對流不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定較好地聯(lián)系在一起。分析23日08時到23日02時MPV的變化發(fā)現(xiàn)，MPV負值區(qū)一直覆蓋暴雨區(qū)域，23日14時MPV負值最大，中心位置在北京、廊坊附近，中心值達到－2.1PVU，表明此時大氣中的對流不穩(wěn)定能量最大，對應實況此時兩區(qū)域開始出現(xiàn)強降水，而到了24日02時除了河北省南部MPV仍為弱負值外，整個中北部暴雨區(qū)MPV轉(zhuǎn)為正值，此時暴雨過程也基本結(jié)束。因此濕位渦的大的負值區(qū)對強降水區(qū)域有較好的體現(xiàn)。

4 物理量診斷分析

通過分析降雨過程中的主要物理量場，可以發(fā)現(xiàn)降雨發(fā)生的動力、熱力與水汽條件。

4.1 水汽條件

充沛的水汽是產(chǎn)生降水的必要條件，水汽通量散度在一定程度上反映了大氣中水汽的含量與聚集程度。23日14時850hPa水汽通量散度大的負值區(qū)開始控制京津冀區(qū)域(圖略)，水汽輔合中心位于內(nèi)蒙中部，中心最大值－24×10－7g·cm－2·hPa－1·s－1，暴雨區(qū)域的值為0 ～ －9 ×10－7g·cm－2·hPa－1·s－1，到23 日20 時(圖3a)負值區(qū)南壓，中心值減小到 －15 ×10－7g·cm－2·hPa－1·s－1，大值中心到達河套，京津冀地區(qū)的值為 －3～ －9×10－7g·cm－2·hPa－1·s－1，說明本次暴雨天氣低層具備了充沛的水汽。

沿116°E作水汽通量散度垂直剖面(圖3b)，23日20時在39°N～41°N之間500 hPa以下均為水汽輔合區(qū)，最大輔合中心在近地面層925hPa附近，水汽通量散度最大值為 －20 × 10－7g·cm－2·hPa－1·s－1，可以看到強烈的水汽輔散層主要位于輔合層北部的上空區(qū)域，最大輔散中心在 600 hPa附近，中心值 10 × 10－7g·cm－2·hPa－1·s－1。一般在夏季，濕層厚度達到700 hPa時就會為暴雨的產(chǎn)生提供充足的水汽［9］，這次暴雨的水汽輔合層深厚，深厚的濕層和強烈的水汽輻合為此次暴雨天氣的產(chǎn)生提供了充沛的水汽條件。但從水汽輔合的緯度分布來看，范圍比較狹窄，說明本次暴雨有一定的局地性。

4.2 能量特點

大氣的溫濕條件是中尺度對流系統(tǒng)形成暴雨的首要前提，假相當位溫是表征大氣溫度、壓力與濕度的綜合物理量，可以反映大氣的對流不穩(wěn)定性狀況。分析此次暴雨過程中850 hPa的演變情況發(fā)現(xiàn)，850 hPa的高能區(qū)始終維持在河北、山西一帶，軸線呈南北方向，暴雨區(qū)附近的梯度大，鋒區(qū)明顯，強鋒區(qū)附近的對流穩(wěn)定性很弱，有利于不穩(wěn)定能量的釋放。

沿116°E的23日20時緯度空間剖面(圖4a)明顯地反映出上述特點，在暴雨區(qū)的北側(cè)存在很強的高能量鋒區(qū)，鋒區(qū)范圍從地面一直延伸到550 hPa附近，能量鋒在550 hPa以下基本上呈垂直分布，表明暴雨區(qū)北側(cè)有較強的位勢不穩(wěn)定能量存在，而整個暴雨區(qū)550 hPa以下均處在高能區(qū)控制，說明此次暴雨出現(xiàn)在低層能量鋒區(qū)中。

4.3 動力場特征

暴雨的形成，除有充足的水汽和不穩(wěn)定能量外，還需要有動力觸發(fā)機制［10］。23日20時在散度的垂直剖面圖上(圖4b)，暴雨區(qū)在750 hPa之下存在輔合區(qū)，輔合中心在975 hPa，數(shù)值為 －1.4 ×10－5s－1，750 hPa以上為輔散區(qū)，600 hPa 的輔散中心數(shù)值達到0.8 ×10－5s－1，高層輻散具有一定的抽吸作用，有利于低空暖濕氣流的抬升，從而觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放。高層輻散、低層輻合的垂直配置為本次暴雨地出現(xiàn)提供了有利的動力條件。渦度場垂直特征為(圖略):正渦度帶與負散度軸的方向一致，在暴雨區(qū)正渦度層從1 000 hPa一直延伸到100 hPa，最大正渦度中心在250 hPa，其值達到5 ×10－5s－1，這種從上到下的渦度耦合的動力結(jié)構(gòu)表明本次暴雨過程的上升運動比較強。

圖4 2011年6月23日20時沿116°E的(a，單位:k)與散度(b，單位:10－5s－1)垂直剖面圖

5 結(jié)論

(1)造成這次夏季暴雨的主要天氣系統(tǒng)是地面倒槽與高空低渦、低槽、副高的共同作用。

(2)在850hPa等壓面上，MPV以及MPV1、MPV2的分布與強對流暴雨區(qū)有較好的對應關(guān)系。暴雨發(fā)生在MPV1的的正負過渡帶，MPV與MPV2的負值區(qū)內(nèi)。

(3)深厚的濕層與強烈的水汽輔合為暴雨提供了充沛的水汽。

(4)假相當位溫的垂直分布可以反映大氣中能量的變化，低層高能舌的演變可以大致判斷強降水出現(xiàn)的時間和位置。

(5)低層輻合、高空輻散的散度場分布以及渦度的動力耦合作用，形成了強烈的上升運動，為暴雨的出現(xiàn)提供了重要的動力條件，有利于暴雨的形成和維持。

(編輯:王愛萍)

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