太行山極端短時(shí)強(qiáng)降水成因分析

太行山極端短時(shí)強(qiáng)降水成因分析

權(quán)利不良,天氣形勢(shì)分析針對(duì)地形與風(fēng)、地震波的相互作用，以及雷和風(fēng)、地形強(qiáng)迫的減少機(jī)制，派出了大量的深入研究和討論。2015年8月2日夜間和2011年8月9日夜間,太行山東麓丘陵區(qū)、山前平原都依次出現(xiàn)了小時(shí)雨量超過(guò)50mm的強(qiáng)降水,屬極端短時(shí)強(qiáng)降水天氣(俞小鼎,2013)。但它們的影響系統(tǒng)不同,前者在西北路徑冷空氣前暖區(qū)內(nèi)發(fā)生發(fā)展,后者主要是受東北回流冷空氣地面冷鋒的影響。利用常規(guī)探測(cè)資料、地面加密觀測(cè)資料、石家莊SA多普勒天氣雷達(dá)資料,通過(guò)對(duì)這兩次過(guò)程對(duì)比分析,探討在不同的天氣系統(tǒng)背景下,太行山特殊地形對(duì)雷暴在山區(qū)初生、下山加強(qiáng)導(dǎo)致極端短時(shí)強(qiáng)降水的影響,對(duì)河北中南部在特殊地形下極端短時(shí)強(qiáng)降水的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供借鑒和參考。1天氣形勢(shì)分析太行山東麓的石家莊西部群山環(huán)繞、丘陵起伏,東部地勢(shì)平坦,地貌輪廓呈簸萁狀,滹沱河干流自西北向東南穿過(guò)平山境內(nèi)。平山國(guó)家氣象站(平山站)位于丘陵區(qū)內(nèi),海拔137m,石家莊站位于滹沱河下游南側(cè)的山前平原地區(qū),海拔81m。2015年8月2日午夜(過(guò)程Ⅰ)和2011年8月9日前半夜(過(guò)程Ⅱ)兩次極端短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程相似,中尺度雨團(tuán)都是在太行山區(qū)觸發(fā)下山,沿滹沱河兩側(cè)溝谷向東南移動(dòng)加強(qiáng),強(qiáng)降水都伴隨雷電和局地短時(shí)大風(fēng),先后2h分別在丘陵區(qū)平山站和山前平原石家莊站造成50mm·h過(guò)程Ⅰ,2015年8月2日夜間開(kāi)始,中尺度雨團(tuán)在山西省五臺(tái)山東側(cè)初生,隨后越過(guò)太行山進(jìn)入河北省平山縣境內(nèi),在下山過(guò)程中加強(qiáng),平山3日00—01時(shí)雨量73.4mm(過(guò)程雨量76.2mm),石家莊市區(qū)3日01—02時(shí)雨量52.4mm(過(guò)程雨量55.5mm)。過(guò)程Ⅱ,2011年8月9日下午北京和河北北部已經(jīng)出現(xiàn)了強(qiáng)雷暴,太行山區(qū)也有零散雷暴出現(xiàn),到夜間中尺度雨團(tuán)自東北向西南經(jīng)保定進(jìn)入石家莊西部地區(qū),在平山丘陵區(qū)加強(qiáng),22—23時(shí)平山雨量68.4mm(過(guò)程雨量107.5mm),9日23時(shí)至10日00時(shí)雨團(tuán)下山進(jìn)入平原地區(qū),石家莊市區(qū)小時(shí)雨量67.1mm(過(guò)程雨量127.7mm)(圖2)。無(wú)論從國(guó)家自動(dòng)站還是區(qū)域自動(dòng)站相比,過(guò)程Ⅰ出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水的站點(diǎn)數(shù)明顯多于過(guò)程Ⅱ,但過(guò)程Ⅱ平山和石家莊降雨持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、過(guò)程雨量更大。220河北地位海陵市地方平山縣“5.2”分散劑群過(guò)程Ⅰ高空影響系統(tǒng)是500hPa副熱帶高壓外圍高空槽、低層切變線、低空急流,強(qiáng)降水發(fā)生在584dagpm線附近、低槽冷鋒前的暖區(qū)切變線上(圖3)。副熱帶高壓在華北南部穩(wěn)定維持提供了前期高溫、高濕的環(huán)境,西南急流將南海水汽向華北東部輸送,西來(lái)的干冷空氣與低層的暖濕空氣有助于形成華北南部大范圍的不穩(wěn)定層結(jié),天氣尺度背景條件非常有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。海平面氣壓場(chǎng)上河北南部位于冷鋒前低壓倒槽內(nèi),地面風(fēng)場(chǎng)上平原有2～4m·s8月2日20時(shí)以后初始雷暴首先以單體回波形式在山西五臺(tái)山附近生成并在其東側(cè)加強(qiáng),22時(shí)以后沿承載層平均風(fēng)(偏西風(fēng))右側(cè)偏移向東南方向進(jìn)入河北平山縣境內(nèi)開(kāi)始下山,在初始雷暴的東、南側(cè)不斷有新生雷暴加入,3日00:00在淺山區(qū)50dBz以上強(qiáng)度的回波連成片狀,同時(shí)在平山縣城西南側(cè)附近生成一個(gè)回波單體A向東北移動(dòng)加強(qiáng)先經(jīng)過(guò)平山縣城,中心強(qiáng)度55dBz(圖4a),00:12下山回波群與單體A合并使其加強(qiáng),中心強(qiáng)度達(dá)到60dBz,西南側(cè)又有新生雷暴B東移(圖4b),00:24單體B回波中心強(qiáng)度增大到60dBz以上(圖4c),回波質(zhì)心在5km以下(邢臺(tái)20時(shí)探空0℃層為5.2km),00:36單體A和B陸續(xù)經(jīng)過(guò)平山縣造成強(qiáng)降水(圖4d);雷暴群繼續(xù)向東南移動(dòng),先后有三個(gè)單體(強(qiáng)度為50～58dBz)在石家莊西南側(cè)生成加強(qiáng)向東北方向移動(dòng)并入到雷暴群主體影響石家莊(圖略)。強(qiáng)降水回波都具有后向傳播特征,熱帶型低質(zhì)心多單體強(qiáng)回波造成平山站和石家莊站極端短時(shí)強(qiáng)降水。五臺(tái)山東側(cè)初始雷暴的生成與鋒后冷空氣的臨近及偏東風(fēng)在五臺(tái)山東側(cè)的輻合抬升有關(guān),而太行山東側(cè)暖區(qū)雷暴的觸發(fā)與過(guò)山雷暴的出流加強(qiáng)與邊界層偏東風(fēng)的輻合和地形抬升有關(guān)。低層偏東風(fēng)與過(guò)山雷暴高壓前側(cè)的出流邊界相遇在山脈迎風(fēng)坡抬升使新生雷暴在雷暴群主體的西南側(cè)觸發(fā),向東北方向平流,不斷與下山雷暴群主體合并,造成后向傳播,使回波移動(dòng)緩慢導(dǎo)致強(qiáng)降水。在海平面氣壓場(chǎng)和地面風(fēng)場(chǎng)能清楚看到下山雷暴高壓前側(cè)的西北風(fēng)與平原偏東風(fēng)的中尺度輻合線在3日00—03時(shí)由深山區(qū)移動(dòng)到平原的過(guò)程,特別是00—01時(shí)雷暴從深山到丘陵坡度明顯下降時(shí)雷暴高壓突然加強(qiáng)的現(xiàn)象,地面西北風(fēng)極大風(fēng)速加大到18m·s320地面和地下風(fēng)場(chǎng)過(guò)程Ⅱ高空影響系統(tǒng)是500hPa河北北部橫槽和850hPa冷切變線南壓,強(qiáng)降水發(fā)生在冷鋒附近(圖5)。與過(guò)程Ⅰ相似的是極端短時(shí)強(qiáng)降水都發(fā)生在副熱帶高壓外圍584dagpm線和低層切變線附近,距離強(qiáng)降水最近的邢臺(tái)探空站當(dāng)日20時(shí)都具有上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié),具有很高的對(duì)流有效位能,過(guò)程Ⅰ為4080J·kg2011年8月9日下午在北京和保定已出現(xiàn)雷暴大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣和極端短時(shí)強(qiáng)降水。20—22時(shí)隨著高空橫槽南壓,冷鋒自東北向西南推進(jìn),加上北部原有雷暴的冷空氣出流,地面東北風(fēng)從北京、廊坊、保定到石家莊平原地區(qū)風(fēng)速依次加大,偏東風(fēng)在山區(qū)的輻合抬升加強(qiáng),同時(shí)保定和石家莊西部地區(qū)的露點(diǎn)高達(dá)27℃,在冷空氣的觸發(fā)下山區(qū)有多個(gè)γ中尺度的回波單體生成并逐漸合并。中尺度雷暴高壓在冷鋒西端后部的保定山區(qū)加強(qiáng),22—23時(shí),中尺度雷暴高壓沿太行山東坡從保定移向石家莊,石家莊西部地區(qū)1h最大變溫達(dá)到—8℃,1h最大變壓達(dá)到6hPa,在0.5°和1.5°仰角的雷達(dá)回波上,加大的東北風(fēng)與南部弱東風(fēng)之間的輻合線表現(xiàn)為東西弧狀的陣風(fēng)鋒從保定移向石家莊。平山地面極大風(fēng)增大為15m·s過(guò)程Ⅱ雷暴的觸發(fā)機(jī)制與過(guò)程Ⅰ不同,天氣尺度冷鋒上的中尺度雷暴高壓更強(qiáng),其前側(cè)的東北風(fēng)冷空氣出流受太行山阻擋積聚,使山前的暖濕氣團(tuán)在迎風(fēng)波上抬升從而觸發(fā)對(duì)流,持續(xù)并增大的東北風(fēng)輸送水汽同時(shí)使山前輻合系統(tǒng)維持更長(zhǎng)時(shí)間,邊界層風(fēng)沿山脈逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)增強(qiáng)了輻合上升運(yùn)動(dòng),使降水時(shí)間更長(zhǎng)、總雨量更大。4太行山特殊地形的影響4.1后向山區(qū)方向的方向和地形特征兩次過(guò)程中雷暴的起源不同,太行山對(duì)這兩個(gè)路徑雷暴前沿的冷池出流的作用不同。過(guò)程Ⅰ雷暴起源于山西,向東南越過(guò)太行山后下山加強(qiáng);過(guò)程Ⅱ是東北回流冷空氣在太行山迎風(fēng)坡觸發(fā)雷暴,再下山加強(qiáng)。從兩次降水過(guò)程期間平山和石家莊自動(dòng)站逐5min要素的演變來(lái)看,氣壓迅速上升、氣溫明顯下降和風(fēng)力加大代表雷暴冷池前沿過(guò)境。過(guò)程Ⅰ:2015年8月3日00:15后35min平山氣壓升高2.5hPa,00:35后30min平山氣溫下降4℃,00:45的2min平均風(fēng)速增大到10m·s圖8疊加了地面等溫線和風(fēng)場(chǎng),以24℃特征線代表冷池的前沿陣風(fēng)鋒的位置,在石家莊附近,過(guò)程Ⅰ陣風(fēng)鋒的移動(dòng)和風(fēng)力加強(qiáng)與下山地形落差有關(guān),而過(guò)程Ⅱ陣風(fēng)鋒移動(dòng)和加強(qiáng)與冷鋒西進(jìn)和迎風(fēng)坡阻擋有關(guān)。過(guò)程Ⅰ冷池在風(fēng)暴承載層平均風(fēng)(偏西風(fēng))引導(dǎo)下3日01時(shí)從山區(qū)先向東南方向下山(圖8a),02時(shí)再向偏東方向移到平原地區(qū)(圖8b),海拔高度的陡降使冷池出流加速與山前的偏東風(fēng)輻合加強(qiáng)從而觸發(fā)對(duì)流。此外,山前持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的暖東南風(fēng)和平原地區(qū)較好的熱力條件也是對(duì)流風(fēng)暴向山下傳播的關(guān)鍵。陣風(fēng)鋒到達(dá)測(cè)站時(shí)氣壓陡升、降水突然加強(qiáng),移過(guò)后氣壓迅速下降、降水很快減弱停止,由于地形使陣風(fēng)鋒加強(qiáng)造成的降水有突發(fā)性、降水時(shí)間短和伴隨風(fēng)力大的特點(diǎn)。過(guò)程Ⅱ回流冷鋒后部冷空氣比較深厚,同時(shí)在低層和近地面來(lái)自東北方向,前期在北京和河北中北部的冷鋒和雷暴前的冷池出流在承載層?xùn)|北風(fēng)引導(dǎo)下23時(shí)移近山前風(fēng)力加大(圖8c),受地形阻擋冷空氣持續(xù)在山前堆積,前期山區(qū)溫度比過(guò)程Ⅰ更高,具有更好的熱力條件和更強(qiáng)的溫度梯度,冷空氣鍥入使已處于條件不穩(wěn)定的暖濕氣團(tuán)抬升,從而在迎風(fēng)坡觸發(fā)對(duì)流。山區(qū)新生雷暴下山又形成新的出流冷池,同時(shí)地形阻擋使東北回流冷空氣沿山脈逆時(shí)針轉(zhuǎn)向,兩者共同作用使地面氣流在00時(shí)轉(zhuǎn)向南、東南方向移入平原(圖8d),氣旋性風(fēng)場(chǎng)輻合以及冷池出流與平原南部的偏東風(fēng)的輻合使對(duì)流在山前平原旺盛發(fā)展。由于冷鋒受地形阻擋山前不斷有東北冷濕氣流輸送和堆積,在雷暴群主體的西側(cè)迎風(fēng)坡不斷觸發(fā)新的雷暴下山與之合并,因此造成山區(qū)和山前降雨有持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、降雨總量較大、伴隨風(fēng)力較小的特點(diǎn)。因此,太行山對(duì)越山的雷暴冷池出流有加速的作用,加強(qiáng)出流邊界的輻合抬升觸發(fā)對(duì)流,而太行山對(duì)東北來(lái)的雷暴冷池出流有阻擋和堆積加強(qiáng)的作用,增強(qiáng)山前溫度梯度和輻合抬升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)中尺度對(duì)流并延長(zhǎng)降雨持續(xù)時(shí)間。4.2后向傳播特征過(guò)程Ⅰ強(qiáng)降水階段結(jié)合石家莊雷達(dá)風(fēng)廓線(圖9a)看到,低層偏東風(fēng)的風(fēng)速隨高度減小,使偏東氣流在山前輻合上升氣流與雷暴前側(cè)的下沉氣流形成次級(jí)環(huán)流促進(jìn)對(duì)流發(fā)展;低層風(fēng)向順轉(zhuǎn)有暖平流、中層風(fēng)向逆轉(zhuǎn)為冷平流使不穩(wěn)定性增強(qiáng);邊界層?xùn)|北風(fēng)與中層西南風(fēng)之間存在較強(qiáng)垂直風(fēng)切變,使零散對(duì)流組織起來(lái)向山下移動(dòng);低層?xùn)|北風(fēng)入流使新生雷暴不斷出現(xiàn)在雷暴群主體的西南側(cè)使其具有后向傳播特征造成強(qiáng)降水。00—01時(shí)雷暴下山階段偏西風(fēng)在3.7km以上,3km以下均為偏東風(fēng),0.3km近地層風(fēng)速為8～10m·s過(guò)程Ⅱ中,石家莊雷達(dá)風(fēng)廓線上(圖9b),深厚的偏東風(fēng)同時(shí)作為原有雷暴的出流和迎向山脈的入流,在迎風(fēng)坡上爬坡強(qiáng)迫抬升形成次級(jí)環(huán)流,在前期暖濕氣團(tuán)中觸發(fā)對(duì)流,使迎風(fēng)坡上不斷有雷暴新生并下山,以列車(chē)效應(yīng)形式經(jīng)過(guò)相同地點(diǎn)造成強(qiáng)降水。20—22時(shí)3km以下都是偏東風(fēng),最大風(fēng)速在1.5km附近達(dá)12m·s太行山脈在不同天氣系統(tǒng)背景下對(duì)水平風(fēng)向、風(fēng)速的垂直分布發(fā)生作用,從而影響垂直風(fēng)切變的強(qiáng)度以及觸發(fā)系統(tǒng)的位置和強(qiáng)度。對(duì)于偏西引導(dǎo)氣流,山脈抬高了下山偏西風(fēng)和山前偏東風(fēng)的高度,具有較強(qiáng)深層垂直風(fēng)切變,使地形輻合線在邊界層和低層共同觸發(fā)山區(qū)對(duì)流;而偏西風(fēng)下山加強(qiáng)使偏東風(fēng)層次降低,低層垂直風(fēng)切變?cè)黾?觸發(fā)山前平原對(duì)流的輻合線主要位于邊界層,淺薄冷空氣下山觸發(fā)的對(duì)流劇烈,但持續(xù)時(shí)間較短。對(duì)于東北風(fēng)引導(dǎo)氣流,深厚的強(qiáng)的偏東風(fēng)與在山脈強(qiáng)迫下抬升和阻擋下發(fā)生氣旋性偏轉(zhuǎn)具有更強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng),低層和深層垂直風(fēng)切變都有所增加,較厚的冷空氣不斷迎山觸發(fā)對(duì)流,持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。5地形和能量對(duì)極端戰(zhàn)時(shí)強(qiáng)降水的影響(1)兩次過(guò)程都是雷暴在太行山區(qū)初生加強(qiáng),在下山2h陸續(xù)對(duì)丘陵平山站和山前石家莊站影響產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水,2015年個(gè)例極端短時(shí)強(qiáng)降水范圍較大,2011年個(gè)例單站降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),總雨量較大。(2)太行山極端短時(shí)強(qiáng)降水形成機(jī)制除大尺度環(huán)流形勢(shì)提供大范圍的水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)和天氣尺度系統(tǒng)造成的輻合上升運(yùn)動(dòng)外,主要和邊界層偏東風(fēng)與地形的作用有關(guān),偏東氣流被南北向的太行山地形強(qiáng)迫抬升,且與下山雷暴出流形成中尺度輻合線觸發(fā)新的雷暴,雷達(dá)回波呈現(xiàn)后向傳播特征和列車(chē)效應(yīng)造成局地極端短時(shí)強(qiáng)降水。(3)太行山地形通過(guò)增強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)、增大垂直風(fēng)切變使雷暴下山加強(qiáng)。但在不同天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫下,太行山特殊地形對(duì)雷暴發(fā)展作用又有所不同。在偏西氣流引導(dǎo)下,暖區(qū)極端短時(shí)強(qiáng)降水由陣風(fēng)鋒觸發(fā),具有突發(fā)性、降水