河南省一次副高边缘对流性暴雨的多尺度特征

贺 哲，王 君，栗 晗，鲁 坦，崔丽曼

( 1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，河南 郑州 450003;2.河南省气象台，河南 郑州 450003; 3.河南省气象学会，河南 郑州 450003;4.河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003)

引 言

暴雨是一种主要的灾害性天气，暴雨预报一直是广大气象工作者关注和研究的重点之一[1-11]。产生暴雨须具备3个条件：充分的水汽供应、强烈的上升运动和较长的持续时间[2]。有些夏季降水具有深厚湿对流特征，深厚湿对流的3要素是：条件不稳定层结、水汽和抬升[12]，缺少任何一个，对流都不会发生。此外，暴雨的产生是多种尺度系统共同作用的结果，不同尺度系统在天气过程中所起的作用不同[13-21]。首先需要形成有利的大尺度环流背景，其次要存在有利的天气尺度和次天气尺度系统；而中小尺度系统则是触发暴雨、大暴雨甚至特大暴雨的直接因素。河南省地处南北气候过渡带，四季分明，夏季是对流性天气多发季节，也是暴雨集中的季节。河南省对流性暴雨主要可划分为4种类型：低槽(涡)切变型、低槽型、高压后部型、切变型[22]，近年来针对不同类型暴雨有诸多研究成果[22-28]，这些成果在河南暴雨预报业务中具有一定的参考作用。

2019年8月1日河南省发生了一次低槽切变型分散性对流暴雨过程，暴雨过程首先在豫东产生，随后豫西南地区也出现对流，之后席卷河南大部。此次过程不仅是以对流性降水为主，而且暴雨中心极为分散，过程雨量分布极为不均。数值模式对于这次过程的预报不甚理想，大尺度模式对于降水量的预报较为均匀，未能反映出局地中尺度对流特征；而中尺度模式虽然稍优于大尺度模式，但与实况相比，差别也仍然较大。

对流性暴雨由于突发性强，局地性强，成因复杂，落区难以把握，目前仍是天气预报业务的难点之一。本文从预报角度出发，用常规观测资料、加密观测资料、分辨率为1°×1°的NCEP再分析资料及FY-4A云图、FY-2G卫星TBB和雷达资料对这次过程的对流潜势、多尺度特征等做诊断分析，以期更清楚地揭示造成此次暴雨的多种系统及成因，以期为今后此类过程的精细化预报提供参考。

1 降水实况

2019年8月1日08:00(北京时，下同)至2日08:00，河南省出现10个暴雨中心，暴雨中心多集中在河南省中北部和东部，豫西降水较弱。最大降水出现在中牟(124.4 mm)，其次为郑州(114.0 mm)(图1)。

逐小时雨量(图略)显示，8月1日12:00，豫东商丘地区东部开始产生降水，之后范围逐渐扩大，15:00河南西南部的南阳地区中部开始产生强降水，同时豫东降水逐渐减弱；16:00，豫北触发新的对流，继而是豫中地区，18:00郑州、中牟附近对流降水开始，之后形成一条西北—东南向的对流雨带，至21:00降水减弱。中牟和郑州的逐小时雨量(图略)显示，强降水主要集中在1日19:00—21:00，中牟3个时次小时雨量均超过20 mm(短时强降水)，郑州2个时次雨量超过20 mm，两站最大小时雨强均为57.3 mm·h-1。

除强降水外，此次过程还产生了多地的短时大风，省内共95站出现6级以上阵风，18站出现8级以上大风，其中息县最大风速达24.9 m·s-1，风力达到10级。

图1 2019年8月1日08:00至2日08:00河南省降水量分布(单位：mm)Fig.1 The spatial distribution of precipitation in Henan Province from 08:00 BST August 1 to 08:00 BST August 2, 2019 ( Unit: mm)

2 环流背景

2.1 高空形势

由图2可以看出，过程发生前，8月1日08:00，500 hPa西太平洋副热带高压脊线位于30°N 附近，河南省处于588 dagpm线边缘，西风带低槽位于河套中部至四川东部一线，与低槽相伴的还有一冷温槽，形成有利于强降水发生的大尺度环流背景。由于低槽受副热带高压阻挡，导致温度槽略有超前，易形成不稳定。700 hPa，山东西部和湖北西北部分别有一中α尺度低压，其间形成一条东北—西南向切变线位于河南省上空，系统均位于副高边缘。14:00 FY-2G卫星TBB显示，对流云团首先在700 hPa两个中α尺度低压处发展，表明中α尺度低压是首先引发对流的天气系统；地面要素观测实况也表明这两处首先出现对流，并进而影响到河南省。850 hPa，切变线位于河北中南部至陕西东南部一线，较700 hPa低涡和切变更为偏北，形成前倾结构，表明低层存在不稳定层结；另外，河南省处于暖脊之中，随着500 hPa冷槽的逐渐东移，不稳定条件也在逐步加强。

图2 2019年8月1日08:00高空环流与14:00 FY-2G卫星TBB综合分析(蓝色实线为588 dagpm线，棕色实线为500 hPa槽线，红色双实线为700和850 hPa切变线，D为700 hPa低压中心，蓝色箭头为200 hPa急流，红色虚线为500 hPa -8 ℃线，红色实线为850 hPa 20 ℃线，填色部分为TBB，单位：K)Fig.2 The synthetical analysis of synoptic situation at 08:00 BST and FY-2G TBB at 14:00 BST on August 1, 2019(the blue solid line for 588 dagpm line, the brown solid line for trough line on 500 hPa, double red solid line for shear lines on 700 hPa and 850 hPa, D for low pressure center on 700 hPa, the blue arrow for jet on 200 hPa, red dashed line for isotherm of -8 ℃ on 500 hPa, red solid line for isotherm of 20 ℃ on 850 hPa, the color filling parts for TBB at 14:00 BST, Unit: K)

1日20:00(图略)，虽然省内大部地区降水已经减弱，但郑州却正处于对流旺盛阶段，588 dagpm线略有东退，低槽缓慢东移至110°E附近，河南省处在副高西北侧的西南或偏南气流中，700 hPa切变线北抬至河南省沿黄河一线，而850 hPa切变线则有所南落，也位于黄河沿线附近，两层系统位置接近，有利于对流强烈发展。

14:00，200 hPa(图2、图3)河南省中北部位于高空急流入口区，具有显著的风速辐散，这种形势一直维持到20:00，表明此次暴雨过程产生在高空急流入口区，高空急流的抽吸作用是强对流产生的重要动力条件。

图3 2019年8月1日14:00(a)和20:00(b) 200 hPa水平风场(风矢量)和等风速线(实线)(单位：m·s-1) Fig.3 The horizontal wind field (vectors ) and isotach (solid lines) (Unit: m·s-1) on 200 hPa at 14:00 BST (a) and 20:00 BST (b) on August 1, 2019

2.2 地面形势

8月1日08:00海平面气压场上，河南省处于沿海高压西侧的东南气流中，14:00海上有弱冷空气从东部入侵，河南省南部形成一弱倒槽，20:00河南省北部、东部为冷高压控制(图略)。海平面气压场的演变表明，地面弱冷空气也是触发对流的中α尺度系统，由于大气层结处于不稳定状态，当地面有弱冷空气入侵时，能够触发不稳定能量的释放，与有利的高空形势共同作用产生强对流天气。

3 中尺度环境条件

3.1 探空分析

图4为8月1日08:00郑州、南阳和卢氏探空站T-lnp图。可以看出，河南中部的郑州站具有较强的不稳定层结，CAPE值达1717.8 J·kg-1，且不稳定层达200 hPa以上；整层湿度条件较好，中间有微弱干层存在，层结特征总体有利于深厚湿对流出现，且容易产生强降水，同时也具有出现大风的可能；700 hPa以下为暖平流，之上有冷平流存在，大气层结具有显著不稳定特征。河南西南部的南阳站垂直风廓线也具有低层暖平流、高层冷平流的垂直结构，CAPE值略小(595.4 J·kg-1)，具有一定的对流潜势；整层空气湿度接近饱和，湿度条件强于郑州。河南西部的卢氏站CAPE值仅为44.1 J·kg-1，对流抑制CIN远大于CAPE，湿度小，不具备对流潜势。综上所述，河南省中北部和南部具有较强的对流潜势，因而中北部、西南部出现明显对流降水，而西部不具有对流潜势，降水较弱。

3.2 环境场物理量诊断

利用NCEP 1°×1°再分析资料计算850 hPa和500 hPa温差、CAPE、K指数、比湿、垂直风切变等环境场物理量，进一步分析本次对流暴雨过程的环境条件特征。

3.2.1 高低层温差特征

1日08:00和14:00，河南省内大部分地区850 hPa与500 hPa温差为27～28 ℃，而西部、北部温差达28 ℃以上(图略)，达到河南省强对流天气高低层温差阈值，表明存在上冷下暖结构，具备产生强对流的温差条件。

3.2.2 CAPE特征

1日08:00，河南省除西部、北部外大部分地区CAPE值均在1500 J·kg-1以上(图5)，尤其是河南省东南部，CAPE值在2000 J·kg-1以上；14:00，CAPE值的分布发生变化，从东部、东北部到西南部为CAPE值≥2000 J·kg-1的高值带，而东南部的CAPE值则略有降低。与图1对比可知，CAPE值≥2000 J·kg-1的高值带与强降水区有很好的对应，说明上述地区具有强对流潜势，有利于暴雨甚至大暴雨的发生。

图4 2019年8月1日08:00郑州(a)、南阳(b)、卢氏(c)探空站T-ln p图(蓝色实线为层结曲线，棕色实线为状态曲线，绿色实线为露点曲线)Fig.4 The T-ln p charts of Zhengzhou (a)、Nanyang (b) and Lushi (c) sounding station at 08:00 BST August 1, 2019(the blue solid line for stratification curve, the brown solid line for state curve,the green solid line for dew-point curve)

图5 2019年8月1日08:00(a)和14:00(b)CAPE值分布(单位：J·kg-1)Fig.5 The distribution of CAPE at 08:00 BST (a) and 14:00 BST (b) on August 1, 2019 (Unit： J·kg-1)

3.2.3K指数特征

1日08:00，河南省K指数多在32 ℃以上，尤其东部K指数达40 ℃以上(图略)，说明东部具有较强的层结不稳定及较好的水汽条件，而强对流正是首先从豫东地区产生。14:00，K指数明显增大，尤其是北部，K指数由08:00的32～34 ℃上升至40 ℃以上，而西南部38 ℃以上范围显著增大。K指数大值区与强降水落区有较好对应，说明K指数对强降水的发生不但具有预示作用，而且对强降水落区也具有很好的指示性。

3.2.4 比湿特征

由图6看出，1日14:00，700 hPa河南省有2条比湿≥8 g· kg-1的大值带，一条位于豫东地区，中心值达10 g· kg-1，另一条从北部经郑州伸至西南部；850 hPa全省比湿均大于12 g·kg-1，特别是沿黄河及其以北地区和河南省南部地区，比湿达14 g·kg-1以上；925 hPa(图略)省内部分地区比湿已超过16g·kg-1。说明整层水汽含量丰富，尤其是低层水汽丰沛，当对流发生时能够为强降水的产生提供充足的水汽输送。

3.2.5 垂直风切变特征

1日14:00 河南省大部分地区0～6 km垂直风切变在12 m·s-1以上，中部和西南部风切变达18 m·s-1以上(中心值达22 m·s-1)，豫东地区也有风切变大值区，中心值达20 m·s-1(图略)，高低层具有强的风切变，有利于强对流风暴产生和发展。20:00，中部地区仍有较强的风切变，郑州附近有16 m·s-1以上的风切变大值中心，因而在20:00前后，郑州出现大暴雨的同时伴随着较大风力。

图6 2019年8月1日14:00 700 hPa (a)和850 hPa (b)比湿分布(单位：g·kg-1)Fig.6 The distribution of specific humidity on 700 hPa (a) and 850 hPa (b) at 14:00 BST on August 1, 2019(Unit： g·kg-1)

4 中尺度特征

4.1 中尺度触发条件

8月1日08:00, 700 hPa山东西部和湖北西北部分别有一中α尺度低压，正是这两个中α尺度低压首先触发了对流，并进而影响河南省。利用地面逐小时加密观测资料进行中尺度分析可知，山东省西部产生的雷暴出流边界在11：00就已经影响到豫东的商丘，商丘地区东部为高温、高湿、高能区，因此出流边界在商丘地区东部触发新的对流，导致商丘地区形成暴雨中心；湖北西北部的降水对河南省的影响稍晚，直至14:00，在豫西南的南阳地区西部才触发了对流，但由于地形因素的影响，造成的降水更强(最大小时雨强达72.7 mm·h-1)，形成另一个暴雨中心。

11:00和12:00的地面中尺度分析(图略)显示，商丘地区有明显的风速大值区，其前锋即为出流边界，降水区还存在中尺度辐合线。由图7看出，此时商丘地区已经形成雷暴高压，变压中心达16 hPa以上，其东侧有相伴随的尾流低压，表明对流较为旺盛。雷暴高压的形成导致其前锋出流边界两侧具有较大的温度和湿度(露点)差，形成等温线和等露点线密集区(干线)。在雷暴高压作用下，出流边界逐渐向西南方向移动且移速加快，因而在周口地区并未造成较强降水，只触发了一些弱对流，导致降水的极不均匀性。分析出流边界移速加快的原因，首先是位于豫东商丘地区东部的雷暴主体较为稳定少动且逐渐减弱，因而出流边界逐渐远离雷暴母体，入流的减弱使出流边界移速加快；其次，周口地区为平原地区，缺乏地形阻挡；另外此处下垫面也是相对干区，难以触发新的强对流。在此出流边界向西移动过程中，位于豫西南的雷暴出流边界也正在向东移动，两条出流边界的北段于16:00—17:00在河南省中部交汇，在交汇处激发出新的对流，并继而产生41.0 mm·h-1的强降水中心，而此处的过程总降水量为63.9 mm(图1)。

图7 2019年8月1日12:00 3 h等变压线(a, 单位：hPa)与13:00—17:00地面出流边界和17:00 1 h雨量(单位：mm)(b)(“+”表示正变压中心，“-”表示负变压中心；蓝色线表示出流边界，填色部分为17:00 1 h雨量)Fig.7 Three-hour isallobar at 12:00 BST (a, Unit: hPa) and surface outflow boundary from 13:00 BST to 17:00 BST and one hour precipitation(Unit：mm) at 17:00 BST (b) on August 1, 2019(“+”for anallobaric center, “-”for katallobaric, the blue solid lines for outflow boundary, color filling area for 1-h precipitation)

由于前期受山东西部对流影响，豫北地区盛行偏东气流，受太行山阻挡，在豫北地区形成一条偏北风与偏东风之间的辐合线，并于14:00在该区域触发强对流并产生暴雨，进而形成一条新的出流边界向南移动；17:00该出流边界到达黄河沿线[图8(a)]，此时中牟附近有一中β尺度低压环流，在其西北侧有一条西北—东南向的辐合线从郑州经过，18:00中β尺度低压沿着辐合线向西移动到郑州附近，而北侧的出流边界也缓慢移动至郑州附近，并逐渐与辐合线、中β尺度低压合并，触发郑州地区强降水，郑州18:00—20:00 累计降水量为89.9 mm，成为一个暴雨中心。分析18:00的地面温度场分布[图8(b)]发现，郑州至豫西北焦作、济源等地为高温区，同时也是高能区(图5)，因此，西北—东南向的出流边界在触发郑州强降水的同时也触发了豫西北的对流性降水，形成了一个新的暴雨中心。出流边界移出郑州之后，继续向西南方向移动进入豫西地区，由于缺乏不稳定能量，此处并未出现强对流天气。

4.2 卫星云图特征

8月1日11:30可见光云图[图9(a)]上，山东西部有一中α尺度对流云团A，该云团由图2中位于山东西部的中α尺度低压产生，其上有吹向东北方向的云砧，在其西南侧有一新生的中β尺度对流云团B，云团B的西南侧有一条非常明显的出流边界，随着云团B逐渐发展壮大，豫东商丘地区出现强降水，并且持续至15:00[图9(b)]。此出流边界逐渐向西南方向移动，伴随云团B的逐渐消散，出流边界脱离母体。与此同时，河南、陕西、湖北三省交界处有对流云系C向东北方向进入河南，河南西南部为高能、高湿区，云系C移到此处后迅速发展壮大，并继而产生了雨强为72.7 mm·h-1的暴雨中心。对流云团B所产生的出流边界进入豫中地区后与云团C的出流边界交汇，并产生了新的对流。

1日12:00，豫北太行山东侧有对流云开始产生，14:00云体向东发展，同时新乡东南部、安阳东部也有对流云形成，此处的对流云由山东西部冷出流影响而产生，因处于高能区而不断向西发展移动，并最终于15:15与太行山东侧的云体合并，在合并处形成一条近南北向强烈发展的云带，造成豫北的暴雨(图略)。

4.3 雷达回波特征

1日10:00，豫东商丘地区东部已有对流单体产生，之后新生单体逐渐增多，至11:00已形成一中β尺度的多单体风暴[图10(a)]。风暴承载层气流为西南风，风暴具有向东北方向移动的趋势，但新生单体多在原有单体的西南侧产生，具有显著的后向传播特征。单体产生后在引导气流的作用下向东北方向移动，因而在商丘地区产生了列车效应，造成商丘地区持续3 h的强降水。在径向速度图[图10(b)]上，商丘地区东部也有多个正负速度对出现，表明有中气旋出现。

图8 2019年8月1日16:00—22:00和地面出流边界与辐合线(a)以及18:00地面温度场(单位：℃)(b)(蓝色线表示出流边界,虚线表示中尺度辐合线，椭圆形为中β尺度低压，填色部分为暴雨中心)Fig.8 Surface outflow boundary and convergence lines from 16:00 BST to 22:00 BST (a) and temperature field at 18:00 BST (Unit: ℃) (b) on August 1, 2019(the blue solid line for the outflow boundary, dashed lines for surface mesoscale convergence line, the solid ellipse for the meso-β scale low, the color filling area for rainstorm center)

图9 2019年8月1日11:30 (a)和15:00 (b)可见光云图Fig.9 Visible satellite cloud images at 11:30 BST (a) and 15:00 BST (b) on August 1, 2019

图10 2019年8月1日11:04郑州站雷达反射率因子(a， 单位：dBZ)及12:01径向速度图(b， 单位：m·s-1)Fig.10 Reflectivity at 11:04 BST (a， Unit： dBZ)and base velocity at 12:01 BST (b， Unit： m·s-1) from Zhengzhou radar on August 1, 2019

11:49，豫北新乡与鹤壁之间有对流单体产生(图略)，同样在西南风引导气流作用下单体向东北方向移动，新生单体在原有单体西南侧不断产生，之后又向东北方向移动，也具有显著列车效应。13:37新乡地区东部有回波开始形成并逐渐连成线状，在雷暴出流和高空引导气流共同作用下，回波向西北方向快速发展，并最终于15:19与原位于新乡和鹤壁之间的回波合并之后迅速加强，造成豫北强降水，最大雨强达36.9 mm·h-1。

随着豫北地区强回波逐渐减弱，其西南侧不断有新单体生成，18:00回波已经发展到郑州附近，18:24第一块回波开始影响郑州[图11(a)]，其中心强度达56.5 dBZ，反射率剖面(图略)显示，45 dBZ以上强回波区基本位于5 km以下，属低质心、暖云降水结构，此回波影响持续至18:42。18:20—18:30，郑州10 min降水量达9.6 mm，可见降水效率之高，18:40降水强度迅速减小，对应第一块回波已逐渐移出郑州。

图11 2019年8月1日平顶山雷达18:24 (a)、18:48 (b)、19:30 (c)、21:24 (d)反射率因子(单位：dBZ)(圆圈处为郑州站)Fig.11 Reflectivity at 18:24 BST (a), 18:48 BST (b), 19:30 BST (c), 21:24 BST (d) on August 1, 2019 from Pingdingshan radar (Unit： dBZ)(the solid circle for Zhengzhou station)

在上述第一块回波影响郑州时，因郑州以南区域高能、高湿，同时高低层有显著风切变，该区域有多个零散单体回波快速发展壮大，并在引导气流作用下向北移动且逐渐合并，最终成为一个中β尺度的多单体降水回波，回波中心强度达59 dBZ，此中β尺度回波于18:48开始影响郑州[图11(b)]，直至21:24移出郑州。此回波也是低质心、暖云降水结构，降水效率高，其中19:00—20:00郑州降水量达57.3 mm。

4.4 天气概念模型

基于以上分析，归纳总结出了此次对流性暴雨过程的天气概念模型，如图12所示。

图12 2019年8月1日对流性暴雨天气概念模型Fig.12 Conceptual model diagram of the convective rainstorm on August 1, 2019

5 结 论

(1)此次暴雨过程发生在有利的天气尺度背景下，副热带高压和携带冷空气东移的西风带低槽及高空急流等是大尺度环流背景。700 hPa低压和切变线、850 hPa切变线及地面弱冷空气是首先触发对流性天气的中α尺度系统，出流边界及地面辐合线、中β尺度低压是触发强对流暴雨的中β尺度系统。

(2)降水发生之前存在强对流潜势，700 hPa与850 hPa低值系统形成前倾结构；郑州站CAPE值达1717.8 J·kg-1，850 hPa与500 hPa温差河南省西部和北部超过28 ℃；低层水汽充足，850 hPa省内大部地区比湿达14 g·kg-1以上。

(3)出流边界可在高能区激发出对流，但当出流边界远离雷暴母体并移速较快时不易触发对流；而出流边界在移动中若与另一出流边界或中尺度辐合线或中β尺度低压等相结合时则易产生新的对流。

(4)多单体雷暴存在后向传播特征时，新生单体在引导气流作用下向下游移动，易产生列车效应，郑州局地大暴雨由两个对流风暴持续经过导致。低质心的暖云降水结构具有高降水效率，有利于暴雨或大暴雨产生。

(5)归纳出的此次分散性对流暴雨天气概念模型，可以为今后预报业务提供参考。