2016年7月石家庄两次强降水成因对比分析

2022-09-11

石家庄地处河北省中西部, 属于温带大陆性季风气候。暴雨天气是石家庄夏季最为常见的灾害性天气之一。由于其突发性强、强度大, 往往给预报服务带来很大困难。近些年随着对暴雨认识的不断深入, 一些学者开始对同类型暴雨、同一时段暴雨、影响范围较大暴雨等进行对比分析。张芹等[1]利用常规观测资料和NCEP再分析资料对2012年7月发生在山东的两次大暴雨过程进行对比分析, 发现暴雨区上空低空急流以及垂直运动强烈发展以及对流层中低层辐合、高层辐散的典型配置为两次过程发生的特点。高留喜等[2]分析2009年8月山东特大暴雨;孙明生等[3]从垂直速度、风垂直切变等方面对北京“7·21”特大暴雨进行分析和研究。孔凡超等[4]对2013年7月冀中南中尺度系统特征进行了分析, 表明河北中部的暴雨天气分为暖区暴雨和切变线暴雨两个阶段, 暖区暴雨发生过程中, 低层水汽通量辐合急剧增强;2016年7月石家庄连续发生两次较罕见强降水天气过程, 过程发生的气候背景相似, 但是强降水的落区、发生的时间和影响范围并不相同。本文从引起强降水的成因等方面进行详尽对比分析, 旨在将两次强降水进行系统归类, 以提高暴雨预报的准确率, 为今后的预报工作提供借鉴和参考。

一、动力条件

较大尺度的上升运动为局地的中小尺度上升运动提供了背景条件, 而局地的中小尺度上升运动又影响着较大尺度上升运动的加深、发展和削弱。研究表明如果50毫米的降水量要在1小时全部降落到地面, 上升运动要达到0.26 m/s才能满足条件, 如果在5小时降完, 最大上升速度约为0.054 m/s, 一般的强降水都是在较短时间内下降[5]。

两次强降水的降水时间比较集中。图1为两次强降水垂直速度时间-位势高度剖面图, 虚线为负值表示上升运动, 实线相反。19日02时开始嶂石岩低层垂直速度由下沉运动转为上升运动, 此时开始出现降水;

08至14时垂直上升运动为-0.5 pa/s, 且-0.5 pa/s垂直速度值达到200 hPa高度, 最大小时雨强为25 mm;14时开始垂直速度显著增大, 且1000 hPa至200 hPa整层都为上升运动, 20时上升运动达到最大, 出现了垂直运动大值中心, 中心值位于700 hPa至600 hPa, 系统发展比较深厚, 中心值为-3.5pa/s, 最大小时雨强达到139 mm;20时开始垂直速度开始减小, 小时雨强降至60 mm以下;20日02时800 hPa以上垂直速度变为正值, 800 hPa以下垂直运动也减小到-1 pa/s, 小时雨强减小 (图1a) 。

24日14时开始陈庄低层垂直运动不断增大, 垂直运动达到-0.6 pa/s, 但垂直运动发展的高度仅达到800 hPa, 雨强为5 mm以下;18时开始垂直运动明显增加, 高度达到200 hPa, 中心最大垂直运动为-0.8 pa/s, 且垂直运动持续近4个小时, 18时至21时陈庄站小时降雨量分别为75.2 mm、88.2 mm、43.3 mm和25 mm。25日0时垂直速度下降为0, 降水减弱结束 (见图1b) 。

垂直运动条件相同点是两次降水过程都存在明显的垂直上升运动, 高度较高;不同点是 (1) 7.19暴雨中心值达到-3.5 pa/s, 垂直运动中心值明显大于7.24暴雨, 因此19日降水强度和量级明显偏大; (2) 7.19暴雨上升运动持续时间约24个小时, 7.24暴雨不超过6小时; (3) 19日强上升运动发展的高度接近200 hPa, 表明上升运动发展很旺盛, 7.24暴雨发展的高度仅为700 hPa。

二、水汽条件

较强降水不仅需要降水区有充足的水汽条件, 还需要源源不断的外部水汽向降水区输送和水汽辐合。高低空急流是动量、热量和水汽的输送带, 为较强降水带来充足的水汽条件。分析“7.19暴雨”19日20时850hPa水汽通量和风场演变图 (图2a) , 风场分析发现我国水汽主要来自于孟加拉湾和南海, 石家庄为东南风和东北风风向辐合区, 风速达到16m/s;水汽通量分析可见东北西南向的水汽输送带, 水汽输送带北部位于河北北部。大值区位于河南省东部, 水汽通量中心值达到35g*cm-1*hPa-1*s-1, 低空急流便于将南方水汽向石家庄输送, 此时石家庄降水量达到最大。20日02时 (图略) 随着气旋向东北方向移动, 水汽输送带也向东北方向移动, 水汽通量大值区域位于山东南部, 中心值达到45g*cm-1*hPa-1*s-1, 偏南风和偏东风切变线位于河北省中北部, 石家庄水汽输送明显减少, 此时降水量减弱。

24日20时850hPa风场在我国南部为西南风 (图2b) , 低空急流风速由南向北减弱, 在石家庄风速减弱至8m/s的风速辐合区, 石家庄北部为偏南风和东南风风向辐合区。水汽通量呈现东北西南向, 水汽输送带北段位于河北省南部, 大值区分别位于河南省北部和湖北省北部, 中心值达到18g*cm-1*hPa-1*s-1, 此时石家庄降水量较大。25日0时 (图略) 随着水汽通量大值中心移至山东省西北部, 石家庄降水减弱结束。

分析两次暴雨嶂石岩站和陈庄站水汽通量散度, 两次暴雨水汽通量散度大值区域主要集中于1000-800hPa, 水汽主要来自低空及超低空输送 (见图3a, b) 。7.19暴雨强降水阶段与水汽通量散度的辐合区有很好的对应关系, 存在两个水汽通量辐合中心区, 分别为19日下午950 hPa水汽通量辐合中心 (中心值为-11*10-7 g*cm-2*hPa-1*s-1) 和20日凌晨850 hPa水汽通量辐合中心 (中心值为-14*10-7 g*cm-2*hPa-1*s-1) , 嶂石岩降水量19日下午至20日凌晨小时降水量呈现增加到减少再到增加的趋势, 雨强最大139.7 mm/h出现在19日16-17时。相较于7.19暴雨, 7.24暴雨水汽通量散度明显减小, 水汽通量辐合出现在24日20时前后, 在950hPa处存在一个水汽通量辐合中心 (中心值为-6*10-7 g*cm-2*hPa-1*s-1) , 此时陈庄站雨强达到46.5mm/h强降水。说明两次暴雨主要来自低层水汽输送, 7.24暴雨水汽辐合强度较弱, 且持续时间较短, 因此降水强度不及7.19暴雨。

三、热力综合诊断条件

据统计分析, 假相当位温在同一气压条件下, 其值越大空气越暖湿。在发生暴雨时, 石家庄850hPa的假相当位温值一般在340K以上, 且850hPa与500hPa之差一般在0-15K之间。分析两次强降水发现相同点是降水时假相当位温值都满足暴雨发生的条件 (图4a, b) 。不同点是: (1) 19日08时, 随着低涡东移北上至我省南部, 嶂石岩假相当位温中心数值达到352 K, 强降水区假相当位温数值从低层到高层数值不断增大, 表明暖湿空气不断发展升高, 降水量不断增大且范围扩大, 20日02时开始从高层开始假相当位温值随高度增高开始减少, 降水量级也不断减小。 (2) 24日08时开始陈庄假相当位温数值不断增加, 并且比较密集, 暖湿气流不断在强降水区累积, 到20时达到最大, 且表现为低层明显高于中高层, 存在中低层暖湿高层干冷的特点, 降水时也伴有密集的闪电和大风活动, 此时降水也开始加强, 25日0时冷空气不断侵入, 假相当位温值下降, 降水趋于结束。

四、结论与讨论

(1) 两次强降水发生阶段存在强垂直运动, 19日垂直运动中心值达到-3.5pa/s, 24日垂直运动中心值仅-0.8 pa/s;19日随着气旋不断东移北上, 在石家庄存在偏东风和东南的切变线, 上升运动、低空急流和降水量, 这三者有很好的对应关系;T-logP图显示19日湿层深厚, 24日为“下湿上干”, 24日CAPE值较大, 降水时伴有强雷电和大风;19和24暴雨水汽通量散度大值区域主要集中于1000-800hPa, 水汽主要来自低空及超低空输送, 且假相当位温达到石家庄出现暴雨的条件;19日强回波主体位于石家庄西部, 移动方向为自南向北, 24日强回波主体位于石家庄西北部, 移动方向为东南西北向。 (2) 本文尽管使用多种资料分析了7月2次强降水天气过程, 但是由于观测资料以及能力和时间所限, 对于地形增幅作用细致深入的研究还不够, 比如迎风坡和背风坡降水量的差异等, 在今后的工作中还需进一步分析和研究。 (3) 将两次强降水分别进行系统归类、暴雨的发生需要水汽、动力和热力等满足产生暴雨的指标对于诱发暴雨的产生具有很好的指示意义。今后的预报工作把握其类型的特点, 并借助于诱发因素做出较为准确的预报。

摘要：利用常规地面观测资料和NCEP 1o*1o再分析资料, 对石家庄2016年7月连续发生的两次强降水成因进行对比诊断分析。结果表明:降水强度与强垂直上升运动、水汽通量辐合、高温湿能量相一致。不同点是, 前一次过程垂直上升运动上升高度和中心强度、水汽通量辐合以及高假相当位温发展高度较后一次强得多, 后一次过程副热带高压配合西北冷空气, 伴有雷电大风等天气, 这对强降水预报具有较好的指导意义。

关键词：强降水,垂直运动,对比过程