京津冀一次区域性暴雨特征分析

李美琪，贾小卫，郭 蕊，吴 丹，刘 浩

(河北省气象服务中心，河北 石家庄 050021)

1 引言

华北暴雨具有极强的区域性，20世纪50年代以来，诸多学者对华北暴雨进行系统性研究。许多暴雨过程出现在大尺度环流发生明显调整的时期[1]，而低涡、暖切变线和低槽冷锋是造成华北暴雨的3个主要天气系统[2]。高低空急流在暴雨过程中有重要作用，当高空急流与低空急流之间的距离缩小到一定程度，高低空的辐散和辐合中心重合并位于暴雨区上空时，高、低空补偿机制将加强[3]，大尺度低空急流为暖湿空气的主要输送者[4]，华北暴雨的水汽通常来自于孟加拉湾和中国海域，但重要性不尽相同[5]。来自高层的冷干空气侵入促进了暴雨区的不稳定，对华北暴雨有增强作用[6]。非均匀饱和引起的局部湿度集中会使暴雨发生更加局地化[7]。而华北盛夏的暖区暴雨则受大气低层湿空气及地形的动力抬升影响[8]。

2 天气实况

2019年7月22～23日，京津冀地区出现区域性暴雨，局地大暴雨，主要集中在中部地区，呈带状分布，并伴随着雷电和短时强降水活动。此次暴雨过程出现暴雨站460个，大暴雨站27个，最大日降水量为142.5 mm，最大小时降水量为76.8 mm/h，暴雨范围集中在保定、廊坊、天津、沧州北部、唐山南部一带，本次暴雨的短时强降水集中在22日傍晚到夜间，强降水时间在2～5 h，降水效率高。

3 环流形势分析

华北地区200 hPa高空盛行偏西气流(图1a)，京津冀地区位于急流轴入口右侧，有明显的辐散运动，有利于低层辐合上升运动。降水前期，欧亚大陆500 hPa中高纬为两槽一脊形势(图1b)，河北处于贝加尔湖以南的高空槽前，槽前正涡度平流有利于大尺度上升运动，副高呈块状，西伸至江汉地区到黄淮流域，其顶部位于黄海海域，与东北地区的高压脊叠加进一步阻碍高空槽东移，有利于出现长时间降水。700 hPa(图1c)和850 hPa(图1d)中在降水前期均在河套地区有一条冷性切变线存在，切变线右侧有明显的西南急流，随着低槽东移，河北低空位于急流出口区，为正涡区和气流辐合区，可产生明显上升运动。同时，850 hPa急流携水汽和热量北上，使低层相对湿度达到90%以上，为暴雨提供了水汽条件，也利于不稳定层结的建立。在本次过程中，西南低空急流移近高空急流入口区右侧的上升运动区时，在高空急流的抽吸作用下产生系统性抬升[9]，本次暴雨就出现在这一强上升区中，为暴雨的短时强降水提供了背景条件。

4 卫星云图分析

强降水过程主要发生在22日夜间，据该时段的红外卫星云图分析，22日17时，山西有一对流云团东移并发展，19时(图2a)已发展成中尺度对流复合体(MCC)，大的降水强度发生在MCC西侧，云顶亮温梯度大的区域[10]，为保定、石家庄带来了短时强降水，随着云团东移至廊坊沧州一带，在保定沧州交界又生成一新对流云团(图2b)，该对流云团迅速发展，并与东部MCC合并北上(图2c)，保定东部的蠡县站21时降水量达到了37.7 mm/h。23日凌晨，两云团已完全合并为中β尺度云团，影响范围达到200 km，同时南部地区也生成并发展了一个圆形β尺度对流云团逐渐北移，两者先后唐山、秦皇岛一带带来强降水，直接导致唐山丰南尖字沽乡142.6 mm的大暴雨。23日午后，随着对流云团的东移消散，降水基本结束。此次暴雨的产生受中尺度对流云团的连续生成合并影响，降水效率高，河北中部的带状分布暴雨也与对流云团的轨迹相吻合。

图1 2019年7月22日20时(北京时，下同)(a)200hPa高度场、风场和高空急流(阴影)；(b)500hPa高度场，风向和涡度(阴影)；(c)700hPa高度场、风场和低空急流(阴影)；(d)850hPa高度场、风场和相对湿度(阴影)

图2 京津冀地区的卫星云图

5 特征分析

5.1 水汽条件

在本次过程中，低层偏南风持续向河北输送暖湿空气，800 hPa以下边界层水汽通量在河北中部辐合，形成一条明显湿舌(图3a)。在暴雨前期，850 hPa存在一条西南气流输送的水汽通道，将孟加拉湾的水汽远距离输送至河北，随着低层的西南气流加强，向北输送的水汽增加，使得水汽通量散度负值区即水汽辐合区不断向东北方向发展，22日20时，水汽辐合区呈南北带状分布，位于保定、石家庄一带，水汽通量散度中心达到了-6×10-4g·cm-2·hPa-1·s-1，与此时的暴雨集中区域相吻合。23日02时，随着低层西南风的推送，水汽通量辐合区东移，同时在副高外围还存在一条弱水汽通道(图3b)，将黄渤海的偏南气流输送至京津冀东部，为暴雨补充水汽，因此京津冀东部地区水汽通量辐合明显，两条偏南暖湿气流的水汽通道为本次暴雨提供了充分的水汽条件。

沿38N做比湿和水汽通量散度的剖面图(图3c)，从114～116°E的各层比湿配置可以看出，700 hPa比湿达到了10 g·kg-1，850 hPa比湿达到了14 g·kg-1以上，已达到了出现暴雨的有利条件[11]。20时保定地区的辐合中心位于850 hPa，低层的水汽辐合可以延伸至600 hPa，随着水汽通量辐合中心向东北移动，23日02时水汽通量散度随降水发展增加到-8×10-4g·cm-2·hPa-1·s-1，但辐合中心降至925 hPa，在降水中后期，暴雨区的水汽主要来源于低层的水汽辐合。因此，在本次降水过程中，西南方向的水汽输送和黄渤海的补充水汽为暴雨提供了良好的水汽条件，在京津冀中部的水汽辐合抬升则为暴雨提供了动力条件。

5.2 热力条件

假相当位温θse是一个把温度、气压和湿度包括在一起的综合物理量，可以表征大气的热力性质，θse高值区代表了高温高湿区，其水平分布和垂直分布与对流的发生发展密切相关。在降水前期(图4a)，京津冀南部位于θse高值区，而θse等值线密集区即能量锋区位于京津冀中部，高空弱冷空气的入侵对不稳定能量的释放起到了触发作用，是暴雨发生的重要条件之一[12]。22日20时(图4b)，θse等值线密集区位于保定、廊坊一带，也是对流云团活跃区域，与暴雨区域相一致。将该时刻沿37°N做θse垂直剖面图(图4c)，112～116°E处925 hPa以下为超过360 K的暖中心，高温高湿，有大量不稳定能量聚集，假相当位温随高度递减，这种上干冷下暖湿的空间配置表明上空对流性不稳定特征明显，一旦触发对流，即产生强对流天气。在降水发生后(图4d)，925 hPa以下θse减小，密集区所在高度随之降低，表明降水后凝结潜热已释放，114～116°E处925 hPa以下已转为对流稳定。

5.3 动力条件

以蠡县单站为例，分析整个降水过程中垂直方向的垂直速度变化，降水开始前，22日11时，蠡县整层处于下沉运动区，14时中低层转为弱上升气流，其中心位于800 hPa，强度为-0.9 Pa/s，20时上升气流增大到最强，上升速度中心高度降至900 hPa，强度增加到-1.5 Pa/s，同时在600 hPa也有一个上升速度中心，表明冷空气将暖湿气流抬升，中低层被强上升气流控制，有利于水汽抬升和低层辐合上升运动。此时的降水强度也达到最强，与实况较为吻合，降水持续至23时逐渐结束，中低层也转为下沉气流。从散度的垂直剖面可以看出，在22日08时起900 hPa以下就存在弱辐合运动，随着时间推移，辐合运动增强，辐合高度抬升，20时，辐合高度已抬升至600 hPa，辐合中心位于900 hPa和700 hPa，强度达到了-9×10-5s-1和-2×10-5s-1，而在500 hPa有强辐散中心，强度达到了5×10-5s-1，这种低层辐合、高层辐散的结构使得高层的抽吸作用更强，更有利于上升运动的维持与发展[13]，此时的降水强度达到顶峰。23日02时，900 hPa以下转为辐散气流，600～900 hPa转为辐合区，表明垂直结构转为低层辐散，中层辐合的状态，不利于降水维持(图5)。

图3 2019年7月(a)22日20时850hPa水汽通量(矢量)和水汽通量散度(阴影和等值线);(b)23日02时850hPa水汽通量(矢量)和水汽通量散度(阴影和等值线)；(c)22日20时沿38°N的水汽通量散度(等值线)和比湿(阴影)的纬向-垂直剖面;(d)23日02时沿40°N的水汽通量散度(等值线)和比湿(阴影)的纬向-垂直剖面

图4 2019年7月22日(a)14时、(b)20时假相当位温(单位：K)，(c)20时沿37°N、(d)23日02时沿40°N的假相当位温剖面(单位：K)

图5 沿蠡县(115.3°E、38.27°N)的垂直速度(a，单位：Pa/s)和散度(b，单位：10-5s-1)时间—垂直剖面

6 结论

副高北抬与高压脊叠加对高空槽的阻碍是本次降水过程的环流背景，京津冀地区位于高空槽前，西南低空急流位置，在高空急流的抽吸作用下产生系统性抬升，为暴雨的产生提供了抬升条件。西南方向的水汽输送和黄渤海的补充水汽为暴雨提供了良好的水汽条件，在河北中部的水汽辐合抬升则为暴雨提供了动力条件。本次暴雨的产生受中尺度对流云团的连续生成合并影响，降水效率高，河北中部的带状分布暴雨也与对流云团的轨迹相吻合。在暴雨中心整层表现为低层辐合、高层辐散，上升速度中心明显，使得高层的抽吸作用更强，更有利于上升运动的维持与发展，为降水强度增大提供了有力的动力条件。冷空气将暖湿气流抬升，中低层被强上升气流控制，有利于水汽抬升和低层辐合上升运动。在本次降水过程中，假相当位温等值线密集区即能量锋区，高空弱冷空气的入侵对不稳定能量的释放起到了触发作用。