黄河中游一次致洪暴雨过程的天气学诊断

乔春贵 梁钰 王君 戴翠贤

摘 要：利用美國气象环境预报中心制作的NCEP 1°×1°再分析资料和黄河流域国家气象站（国家基准、基本和一般气象站）、区域站（地面加密观测站）逐小时降水资料，对2018年7月10—11日黄河流域中游出现的致洪暴雨过程进行诊断分析，结果表明：受台风“玛丽亚”西北移动影响，副高稳定少动，低槽移动缓慢，导致降水维持时间长，降水落区呈东北西南向;暴雨区主要的水汽来源为台风“玛利亚”，受黄河中游地形和中高纬度西北气流的影响，水汽通量辐合区域走向和暴雨落区一致，850—700 hPa为暴雨主要水汽输送层;暴雨区出现在中低层θse等值线密集区右侧暖区一侧，且中层存在θse/p>0的大值区域;高低空急流存在明显的耦合机制，中低层辐合区、高层辐散区重叠是降水强度增强和乔沟湾站大暴雨产生的主要原因，200 hPa散度正值区的移动早于低层散度负值区的移动，对降水落区移动有指示意义。700 hPa锋生函数水平分布和降水分布较为一致，锋生函数数值南小北大的水平分布和降水分布一致，锋生函数的大值中心和降水量超过100 mm的中心吻合。

关键词：水汽通量;水汽通量散度;高低空急流耦合;锋生函数;黄河中游

中图分类号：P458.1+21.1;TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/;.issn.1000-1379.2021.08.005

引用格式：乔春贵，梁钰，王君，等.黄河中游一次致洪暴雨过程的天气学诊断[J].人民黄河，2021，43（8）：26-32.

Abstract： Using the NCEP 1°×1° reanalysis data produced by the U.S. Center for Meteorological and Environmental Prediction and the hourly precipitation data from the National Weather Station （national reference， basic and general weather station） and regional station （ground-based encrypted observation station） of the Yellow River Basin， the paper diagnosed and analyzed the process of flood-causing rainstorms that occurred in the middle reaches of the Yellow River Basin on July 10 and 11， 2018. The outcomes show that affected by the northwest movement of Typhoon Maria， the subtropical high is stable and moves less， and the low trough moves slowly， leading to long precipitation maintenance time and falling precipitation. The area is in the northeast-southwest direction; the main source of water vapor in the heavy rain area is typhoon Maria. Affected by the topography of the middle reaches of the Yellow River and the northwest airflow at mid-high latitudes， the trend of the water vapor flux convergence area is the same as that of the rainstorm area， 850-700 hPa It is the main water vapor transport layer of the rainstorm; the rainstorm area appears on the side of the warm area on the right side of the dense θse contour area in the middle and low layers， and there is a large value area of θse/p>0 in the middle layer; the high and low jets have obvious coupling mechanism， the convergence of the middle and low levels and the overlap of the high-level divergence areas are the main reasons for the increase in precipitation intensity and the heavy rain at Qiaogouwan Station. The movement of the 200 hPa positive divergence area is earlier than that the movement of the low-level divergence area. Movement is indicative. The horizontal distribution of the frontogenesis function at 700 hPa is consistent with the distribution of precipitation. The horizontal distribution of the frontogenesis function value is consistent with the distribution of precipitation in the south and the north is large. The large value center of the frontogenesis function coincides with the center where the precipitation exceeds 100 mm.

Key words： water vapor flux; water vapor flux divergence; high-level jet coupling; frontogenesis function; Middle Yellow River

暴雨是气象灾害中最严重、最常发生的灾害之一，易造成大量人员伤亡和重大经济损失[1]。黄河中游地处中国内陆，其暴雨具有华北暴雨的一些特点，国内有很多学者对华北地区的暴雨从天气形势演变、水汽通量分布特点、季风暖湿输送带、干冷空气作用等方面进行了深入的分析总结[2-13]。黄河中游暴雨与华北地区暴雨产生条件有很大的不同，黄河中游地区水汽条件相对较差，大范围强降水过程出现较少，虽然也有一些学者对黄河中游暴雨的水汽输送、中尺度数值模拟等方面进行了研究[14-20]，但是对黄河中游致洪暴雨、大暴雨落区的全面诊断和分析较少。

2018年7月10—11日，黄河中游地区出现了一次大范围的暴雨过程，使渭河发生超警戒水位洪水，渭河华县站7月14日出现3 400 m3/s的洪峰流量，潼关站出现入汛后最大的洪峰流量4 620 m3/s。暴雨洪涝灾害造成人员伤亡、房屋倒塌等严重后果，直接经济损失数亿元。针对此次强降水过程，黄河流域气象中心提前做出了预报，但预报量级偏小，大暴雨落区偏南。

为了更清晰地认识此次暴雨的形成机理，利用美国气象环境预报中心制作的NCEP 1°×1°的每6 h间隔再分析资料，结合黄河流域国家站（国家基准气象站、国家基本气象站和国家一般气象站）、区域站（地面加密观测站）逐小时降水实测资料，从强降水发生和持续时水汽、热力、动力等物理条件变化及中尺度结构特征方面作详细诊断分析，以揭示黄河中游暴雨机理、凝练预报指标，为提高黄河中游致洪暴雨预报水平和防灾减災能力提供参考。

1 暴雨实况

2018年7月10—11日，黄河中游出现一次大范围暴雨天气过程，雨带呈东北-西南向分布（见图1），降水从甘肃东南部开始，向东北方向移动，从山西北部移出黄河流域。降水过程持续31 h，以稳定性降水为主，局部伴有短时强降水，最大小时雨强26.2 mm。国家站降水量大于50 mm的有56站，最大的为榆林站（90.6 mm），中北部出现多个降水量在100 mm以上的区域站，最大值为榆林市靖边县的乔沟湾站（151.7 mm）。

2 大尺度环流背景

乌拉尔山以东和鄂霍次克海以东均为高压脊，两脊之间东经75°—140°范围内为稳定而宽广的低压环流，贝加尔湖有冷中心，低压底部不断分裂冷空气随短波槽向东南方向扩散。东经100°附近为一低槽，副热带高压较强，黄河中游处于低槽前和588 dagpm线边缘的西南气流之中。第8号台风“玛利亚”加强成超强台风向西北移动，使副高稳定少动，低槽移动缓慢，降水在黄河中游得以长时间维持，7月10日20时低槽进一步加深，此时降水范围扩大，雨量增大。到11日2时和8时，受副高北抬影响，低槽沿副高边缘向东北方向收缩移动，黄河中游的降水也自西南向东北方向移动，形成了东北西南向的暴雨带，并逐渐移出。

3 环境条件诊断

为了分析强降水落区的垂直环流特征，选取降水量最大的乔沟湾站（东经108.9°，北纬37.4°）作为研究对象，分析该站暴雨发生前、中、后不同时段垂直方向的风场、湿度场和垂直速度场的变化，直观地诊断分析此次强降水过程。

3.1 垂直环流特征

图2给出了强降水时段10日14时—11日8时沿北纬37.4°纬向垂直环流情况，阴影区为相对湿度>90%区域，黑色阴影为地形高度，红色三角为乔沟湾站位置，等值线为垂直速度（单位Pa/s）和风（凤羽，单位m/s）合成，箭头表示次级环流（红色表示上升，蓝色表示下沉）。

10日14时地面—700 hPa在东经106°—107°有西北风和偏南风形成的辐合，辐合层垂直且深厚，其上空是较深厚的西南气流。10日20时辐合区东移到东经108°—109°，11日2时在辐合区东侧垂直方向出现大于12 m/s的西南急流。在高空急流入口区右侧、低空急流出口区左侧东经106°—112°范围内形成了一个较强的上升运动区（等值虚线），上升到150 hPa，中心极值达-2.17 Pa/s。乔沟湾站上空有强垂直上升运动，西边形成弱下沉气流，形成了次级环流，有利于垂直运动的发展和增强，由于地形为西高东低（黑色阴影），因此位于低层的东南气流在地形作用下抬升，在迎风坡一侧形成上升运动，对降水有增强作用。同时中层西南气流（伴有急流）源源不断输送水汽，在上升运动区内出现相对湿度大于90%的湿度准饱和区，垂直上升运动把中低层的水汽往上输送，使乔沟湾站湿区厚度为地面—150 hPa。强降水减弱阶段（11日8时），随着低层辐合系统东移到东经110°，整层准饱和区减小，上升运动区厚度变薄，并随低层辐合系统东移到东经110°，降水减弱趋于结束。

3.2 水汽特征

暴雨的形成需要源源不断的水汽输送到暴雨区，水汽的输送有两个要素，一是需要有水汽源，二是需要有大气环流输送和涡动输送的配合。水汽的输送是把水汽源中的水汽沿着流场的方向输送到暴雨区，并在暴雨区形成水汽的辐合聚集。

3.2.1 水汽分布特征

对暴雨过程中乔沟湾站的水汽条件进行空间—时间分析，见图3（a），（a）图中阴影为比湿，等值线为水汽通量散度，矢量箭头为水汽通量，（b）（c）图中阴影区为水汽通量积分值，单位103 g/（cm hPa s），流线为水汽通量积分输送方向，红色等值线分别为700、850 hPa水汽通量散度负值区，单位为10-7 g/（cm2 hPa s），黑色阴影对应高度上的地形。暴雨开始前（10日8时和14时）乔沟湾站上空湿层较浅薄，水汽主要集中在600 hPa以下，水汽含量占整层水汽含量的97.5%和97.8%。暴雨开始时，600 hPa以上湿度明显提高，湿层增厚，等比湿2 g/kg线由10日8时的600 hPa升高到300 hPa，600 hPa上比湿从10日8时的2.4 g/kg增大到20时的8.38 g/kg，11日2时进一步增大到8.62 g/kg，达到最大，小时雨强随湿度增大而增强，11日0—1时的雨量为26.2 mm，达到最强，11日8时比湿降至7.81 g/kg，随后乔沟湾站降水减弱，11日3时以后降水量在5 mm以下，11日14时比湿减小到2.72 g/kg，降水停止。比湿的变化和小时雨强关系密切，在强降水发生时段，整层比湿增大，湿层明显增厚。

分析该站水汽通量和水汽通量散度（图3（a）中矢量箭头和等值线）发现，暴雨发生前，700 hPa以下水汽从东南向西北方向输送，降水最强时段在800—600 hPa出现最大水汽通量，700 hPa以上水汽从西南往东北方向输送，在10日20时和11日2时出现较强的水汽通量散度负值区，11日2时中心值为-8.46×10-7 g/（cm2 hPa s）。

3.2.2 水汽输送特征

为了诊断水汽源地和不同高度的水汽输送通道及水汽辐合特征，对11日2时地面—300 hPa、地面—850 hPa、850—700 hPa水汽通量进行垂直积分，分析发现地面—300 hPa整层水汽输送到暴雨区的水汽通道（见图3（b））有3个：一是“玛利亚”台风向西移动，其北侧的水汽输送通道是从安徽、河南输送到暴雨区;二是来自南海的水汽在往北输送的过程中与从台风北侧往西南输送的水汽汇合后，从广西、四川北上进入暴雨区;三是从孟加拉湾沿西南气流向东北方向输送到黄河流域。从水汽通量的数值（阴影区）分析，来自孟加拉湾往东北输送的水汽较少，其最北端到达黄河流域南部和第2个通道汇合输送到暴雨区，对暴雨区水汽输送贡献不大。水汽的主要来源是台风“玛利亚”所建立的水汽通道往暴雨区不断输送水汽，700 hPa上从东南输送的水汽通量和中高纬度的西北气流在暴雨区辐合，形成水汽通量散度负值区（红色虚线），呈东北西南向。分析地面—850 hPa的水汽通量积分（见图3（c））可知，台风所形成的东风气流把水汽输送到暴雨区，黄河中游流域地形为西南高东北低（图3（c）黑色阴影），水汽输送到暴雨区后受到地形的抬升，在地形迎风坡（850 hPa）形成较强的东北西南向水汽通量散度负值区（红色虚线），和暴雨落区一致。850—700 hPa水汽输送量（图略）明显比地面—850 hPa的大，在暴雨区形成大于3×104 g/（cm hPa ）水汽通量的大值区域。850—700 hPa水汽通道上的水汽通量是地面—850 hPa的4～12倍，在黄河中游暴雨区达10～30倍，因此可知850—700 hPa是暴雨区的主要水汽输送层（见图3（d）），分析黄河中游高海拔地区强降水天气的水汽条件时，应关注850—700 hPa的水汽输送。

3.3 假相当位温分析

通常情况下，取θse=340 K作为高暖湿气团和一般气团的分界线，等值线密集区（即θse梯度大值区）是能量锋区，代表干冷暖湿空气的交汇区[21]。在垂直结构上，当θse/p>0时，大气层结处于不稳定状态，该区域是大气不稳定区域[22]。

700 hPa上，10日8时暴雨发生前，黄河中游暴雨区有θse高值区，呈东北偏东向，有暖舌向北伸展，见图4（a）。10日14时 340 K线东侧的能量锋区缓慢东移，强降水发生在锋区的右侧即暖区一侧，10日20时和11日2时随着锋区东移到暴雨区时降水最强，锋区演变成东北西南向，锋区和暴雨的走向一致（图4（b））。11日8时锋区在暴雨区上空，暴雨区西部的降水减弱（图略）。11日14时和20时锋区移出暴雨区（图略），强降水结束。通过分析可知降水的移动、走向和锋区一致，降水在340 K线密集区暖区一侧。

对乔沟湾站10日8时沿东经108.9°的θse（阴影区）和θse/p（等值线）的空间分布分析，北纬35°—40°上空700—500 hPa有强不稳定层，中心强度为15 K/hPa，北纬34°—37°中低层为大气稳定区域，在这种大气垂直分布状态下有利于降水天气的发生。11日2时不稳定能量得到释放，随后降水减弱。

3.4 高低空急流的耦合分析

朱乾根等[23]对1998年7月22日8时至14时武汉发生的一次强降水过程进行分析，发现高空西风急流、低空偏西风急流和边界层偏南风急流上下耦合对暴雨形成和维持至关重要。

2018年7月10—11日暴雨过程最明显的特征是在强降水发生时存在明显的高低空急流耦合机制。10日14时200 hPa 南亞高压呈东西带状，见图5（a）。阴影为200 hPa散度负值区，单位为10-5 s-1;黑色风向杆为200 hPa急流风速≥30 m/s;黑色等值线为200 hPa高度场;红色等值线为700 hPa散度负值区，单位为10-5 s-1;红色风向杆为700 hPa急流风速≥12 m/s;绿色等值线为850 hPa散度负值区，单位为10-5 s-1;绿色风向杆为850 hPa急流风速≥12 m/s。

其北侧有大于30 m/s高空偏西急流，在高空急流入口区右侧存在9.8×10-5 s-1的强辐散中心（阴影区）。同时700 hPa上存在一支伸向黄河中游南部流域大于12 m/s偏南强风带（红色风向杆），其出口区左侧形成-9.5×10-5 s-1的强辐合中心（红色等值线），同时850 hPa上有东南急流（绿色风向杆）由东海伸向黄河中游，在其出口区的左侧有东北西南向的散度负值区（绿色等值线），散度中心值为-6.8×10-5 s-1。可见，在高空急流入口区右侧强辐散区域和低空急流出口区左侧强辐合区域形成高低空急流的耦合机制，此时黄河中游流域南部出现强降水。20时南亚高压增强，其北界1 252 dagpm线随之北抬（见图5（b）），高空急流也随之北抬，此时700 hPa上转为西南急流，急流强度增强，850 hPa上的东南急流也增强，同时200 hPa强辐散区北抬至乔沟湾站附近，700 hPa和850 hPa的强辐合区位于中游流域中南部，此时强降水落区北抬，在流域中、北部降水增强，南部降水维持。11日2时700 hPa上西南急流带范围增大，850 hPa上东南急流增强，200 hPa、700 hPa和850 hPa散度区的位置重叠在中游流域中北部的乔沟湾站附近（见图5（c）），此时该区域降水强度增大，为最强降水时段，100 mm以上降水出现在该区域。11日8时，辐合辐散位置移动到山西北部（见图5（d）），此时山西北部降水强度增强，南部、中部降水减弱并逐渐停止。由此可知，高低空急流耦合机制存在且随其辐合辐散区域移动，高低空急流强度提高，辐合辐散区重叠在同一个区域是黄河中游降水强度增强和乔沟湾站大暴雨产生的主要原因，另外200 hPa散度大值区的移动早于低层散度值移动，和降水强度增大区域一致。

3.5 鋒生函数诊断分析

朱乾根等[24]认为，锋生导致水平位温梯度随时间增大，形成垂直于锋区暖区上升、冷区下沉的次级环流。本文计算了此次天气过程锋生函数，锋生函数采用标量锋生函数，考虑到此次过程大气水汽含量大，大气处于准饱和状态，热力参数采用假相当位温[25-26]。

3.5.1 锋生函数的高度-时间分布

郑婧等[27]对江西北部短时大暴雨过程的锋生函数进行分析，发现中尺度锋生中心与该时刻降水中心位置吻合，且新的暴雨云团位于强锋生中心前进方向的东侧、锋生梯度最大处。本文计算乔沟湾站锋生函数7月10日8时—11日8时高度-时间序列演变（图6（a）），10日8时乔沟湾站上空锋生弱，对应该站无降水产生，14时地面—850 hPa出现中心为15.74×10-10 K/（ms）的锋生值，随后在暴雨区14—15时突然出现13.4 mm的降水。10日20时和11日2时乔沟湾站上空出现了15.1×10-10 ～26.79×10-10 K/（ms）的锋生函数值，位于700—750 hPa上，对应时刻在700 hPa上出现强的上升运动，11日8时以后随着锋生函数减小，降水减弱并逐渐消失。从以上分析可以看到，乔沟湾站上空锋生函数的演变和降水量增大关系密切。

3.5.2 锋生函数的水平分布

分析700 hPa上黄河流域锋生函数水平分布情况，14时在黄河上游北部出现强的锋生函数正值分布区域，上游南部也出现锋生函数正值分布区域（图6（b））。20时随着锋区东移，在暴雨区北部呈现中心为50×10-10 K/（ms）的正值区，南部呈现30×10-10K/（ms）的正值区（见图6（c）），锋生函数数值南小北大的水平分布和降水南小北大的分布一致。11日2时流域南部锋生减弱，锋生函数值减小（见图6（d）），对应的南部降水减弱并逐渐停止。此时中北部区域出现两个中心，两个中心和降水量100 mm以上区域基本吻合，在乔沟湾站西北部有锋生函数负值区域，存在明显锋消。11日8时随着锋消移动到乔沟湾站附近，降水逐渐停止。由以上分析可知，700 hPa锋生函数的水平分布和降水的分布基本一致，锋生的加强对降水增强至关重要。

4 结 论

通过对2018年7月10—11日黄河中游地区暴雨过程的天气动力学诊断分析，得到如下主要结论。

（1）受台风“玛利亚”西北移动影响，副高稳定少动，使低槽移动缓慢，降水落区沿低槽移动方向呈东北西南向，降水维持时间长。垂直方向上在暴雨区出现次级环流，为暴雨的发生提供了强烈的动力条件。

（2）暴雨区的水汽来源于东海、南海和孟加拉湾，其中主要的水汽来源为东海即由台风“玛利亚”建立的水汽通道向暴雨区不断输送水汽。受中高纬度西北气流和黄河中游地区地形的作用，水汽输送到暴雨区后产生水汽的辐合区。850—700 hPa是暴雨区的主要水汽输送层。

（3）强降水出现在θse锋区的右侧暖区一侧，并随锋区的移动而移动，暴雨和锋区的走向一致。垂直方向上θse呈漏斗状分布，低层有高θse分布，呈高温、高湿状态，中层存在强的θse/p>0不稳定区域。

（4）暴雨过程中高低空急流存在明显的耦合机制，强降水落区随辐合辐散区域移动，高低空急流强度增强，辐合辐散区重叠在同一个区域是降水强度增强和乔家湾站大暴雨产生的主要原因。

（5）700 hPa锋生函数水平分布与降水分布较为一致，锋生函数数值南小北大的水平分布和降水南小北大的分布一致，锋生函数的大值中心和降水量超过100 mm的中心吻合，因此锋生函数可以作为诊断强降水落区的物理量指标。

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【责任编辑 张 帅】