太行山極端短時強降水成因分析

權利不良,天氣形勢分析針對地形與風、地震波的相互作用，以及雷和風、地形強迫的減少機制，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、山前平原都依次出現了小時雨量超過50mm的強降水,屬極端短時強降水天氣(俞小鼎,2013)。但它們的影響系統不同,前者在西北路徑冷空氣前暖區內發生發展,后者主要是受東北回流冷空氣地面冷鋒的影響。利用常規探測資料、地面加密觀測資料、石家莊SA多普勒天氣雷達資料,通過對這兩次過程對比分析,探討在不同的天氣系統背景下,太行山特殊地形對雷暴在山區初生、下山加強導致極端短時強降水的影響,對河北中南部在特殊地形下極端短時強降水的短時臨近預報提供借鑒和參考。1天氣形勢分析太行山東麓的石家莊西部群山環繞、丘陵起伏,東部地勢平坦,地貌輪廓呈簸萁狀,滹沱河干流自西北向東南穿過平山境內。平山國家氣象站(平山站)位于丘陵區內,海拔137m,石家莊站位于滹沱河下游南側的山前平原地區,海拔81m。2015年8月2日午夜(過程Ⅰ)和2011年8月9日前半夜(過程Ⅱ)兩次極端短時強降水過程相似,中尺度雨團都是在太行山區觸發下山,沿滹沱河兩側溝谷向東南移動加強,強降水都伴隨雷電和局地短時大風,先后2h分別在丘陵區平山站和山前平原石家莊站造成50mm·h過程Ⅰ,2015年8月2日夜間開始,中尺度雨團在山西省五臺山東側初生,隨后越過太行山進入河北省平山縣境內,在下山過程中加強,平山3日00—01時雨量73.4mm(過程雨量76.2mm),石家莊市區3日01—02時雨量52.4mm(過程雨量55.5mm)。過程Ⅱ,2011年8月9日下午北京和河北北部已經出現了強雷暴,太行山區也有零散雷暴出現,到夜間中尺度雨團自東北向西南經保定進入石家莊西部地區,在平山丘陵區加強,22—23時平山雨量68.4mm(過程雨量107.5mm),9日23時至10日00時雨團下山進入平原地區,石家莊市區小時雨量67.1mm(過程雨量127.7mm)(圖2)。無論從國家自動站還是區域自動站相比,過程Ⅰ出現極端短時強降水的站點數明顯多于過程Ⅱ,但過程Ⅱ平山和石家莊降雨持續時間更長、過程雨量更大。220河北地位海陵市地方平山縣“5.2”分散劑群過程Ⅰ高空影響系統是500hPa副熱帶高壓外圍高空槽、低層切變線、低空急流,強降水發生在584dagpm線附近、低槽冷鋒前的暖區切變線上(圖3)。副熱帶高壓在華北南部穩定維持提供了前期高溫、高濕的環境,西南急流將南海水汽向華北東部輸送,西來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定層結,天氣尺度背景條件非常有利于強降水的產生。海平面氣壓場上河北南部位于冷鋒前低壓倒槽內,地面風場上平原有2～4m·s8月2日20時以后初始雷暴首先以單體回波形式在山西五臺山附近生成并在其東側加強,22時以后沿承載層平均風(偏西風)右側偏移向東南方向進入河北平山縣境內開始下山,在初始雷暴的東、南側不斷有新生雷暴加入,3日00:00在淺山區50dBz以上強度的回波連成片狀,同時在平山縣城西南側附近生成一個回波單體A向東北移動加強先經過平山縣城,中心強度55dBz(圖4a),00:12下山回波群與單體A合并使其加強,中心強度達到60dBz,西南側又有新生雷暴B東移(圖4b),00:24單體B回波中心強度增大到60dBz以上(圖4c),回波質心在5km以下(邢臺20時探空0℃層為5.2km),00:36單體A和B陸續經過平山縣造成強降水(圖4d);雷暴群繼續向東南移動,先后有三個單體(強度為50～58dBz)在石家莊西南側生成加強向東北方向移動并入到雷暴群主體影響石家莊(圖略)。強降水回波都具有后向傳播特征,熱帶型低質心多單體強回波造成平山站和石家莊站極端短時強降水。五臺山東側初始雷暴的生成與鋒后冷空氣的臨近及偏東風在五臺山東側的輻合抬升有關,而太行山東側暖區雷暴的觸發與過山雷暴的出流加強與邊界層偏東風的輻合和地形抬升有關。低層偏東風與過山雷暴高壓前側的出流邊界相遇在山脈迎風坡抬升使新生雷暴在雷暴群主體的西南側觸發,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,使回波移動緩慢導致強降水。在海平面氣壓場和地面風場能清楚看到下山雷暴高壓前側的西北風與平原偏東風的中尺度輻合線在3日00—03時由深山區移動到平原的過程,特別是00—01時雷暴從深山到丘陵坡度明顯下降時雷暴高壓突然加強的現象,地面西北風極大風速加大到18m·s320地面和地下風場過程Ⅱ高空影響系統是500hPa河北北部橫槽和850hPa冷切變線南壓,強降水發生在冷鋒附近(圖5)。與過程Ⅰ相似的是極端短時強降水都發生在副熱帶高壓外圍584dagpm線和低層切變線附近,距離強降水最近的邢臺探空站當日20時都具有上干冷下暖濕的不穩定層結,具有很高的對流有效位能,過程Ⅰ為4080J·kg2011年8月9日下午在北京和保定已出現雷暴大風和冰雹等強對流天氣和極端短時強降水。20—22時隨著高空橫槽南壓,冷鋒自東北向西南推進,加上北部原有雷暴的冷空氣出流,地面東北風從北京、廊坊、保定到石家莊平原地區風速依次加大,偏東風在山區的輻合抬升加強,同時保定和石家莊西部地區的露點高達27℃,在冷空氣的觸發下山區有多個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加強,22—23時,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1h最大變溫達到—8℃,1h最大變壓達到6hPa,在0.5°和1.5°仰角的雷達回波上,加大的東北風與南部弱東風之間的輻合線表現為東西弧狀的陣風鋒從保定移向石家莊。平山地面極大風增大為15m·s過程Ⅱ雷暴的觸發機制與過程Ⅰ不同,天氣尺度冷鋒上的中尺度雷暴高壓更強,其前側的東北風冷空氣出流受太行山阻擋積聚,使山前的暖濕氣團在迎風波上抬升從而觸發對流,持續并增大的東北風輸送水汽同時使山前輻合系統維持更長時間,邊界層風沿山脈逆時針偏轉增強了輻合上升運動,使降水時間更長、總雨量更大。4太行山特殊地形的影響4.1后向山區方向的方向和地形特征兩次過程中雷暴的起源不同,太行山對這兩個路徑雷暴前沿的冷池出流的作用不同。過程Ⅰ雷暴起源于山西,向東南越過太行山后下山加強;過程Ⅱ是東北回流冷空氣在太行山迎風坡觸發雷暴,再下山加強。從兩次降水過程期間平山和石家莊自動站逐5min要素的演變來看,氣壓迅速上升、氣溫明顯下降和風力加大代表雷暴冷池前沿過境。過程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平均風速增大到10m·s圖8疊加了地面等溫線和風場,以24℃特征線代表冷池的前沿陣風鋒的位置,在石家莊附近,過程Ⅰ陣風鋒的移動和風力加強與下山地形落差有關,而過程Ⅱ陣風鋒移動和加強與冷鋒西進和迎風坡阻擋有關。過程Ⅰ冷池在風暴承載層平均風(偏西風)引導下3日01時從山區先向東南方向下山(圖8a),02時再向偏東方向移到平原地區(圖8b),海拔高度的陡降使冷池出流加速與山前的偏東風輻合加強從而觸發對流。此外,山前持續長時間的暖東南風和平原地區較好的熱力條件也是對流風暴向山下傳播的關鍵。陣風鋒到達測站時氣壓陡升、降水突然加強,移過后氣壓迅速下降、降水很快減弱停止,由于地形使陣風鋒加強造成的降水有突發性、降水時間短和伴隨風力大的特點。過程Ⅱ回流冷鋒后部冷空氣比較深厚,同時在低層和近地面來自東北方向,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東北風引導下23時移近山前風力加大(圖8c),受地形阻擋冷空氣持續在山前堆積,前期山區溫度比過程Ⅰ更高,具有更好的熱力條件和更強的溫度梯度,冷空氣鍥入使已處于條件不穩定的暖濕氣團抬升,從而在迎風坡觸發對流。山區新生雷暴下山又形成新的出流冷池,同時地形阻擋使東北回流冷空氣沿山脈逆時針轉向,兩者共同作用使地面氣流在00時轉向南、東南方向移入平原(圖8d),氣旋性風場輻合以及冷池出流與平原南部的偏東風的輻合使對流在山前平原旺盛發展。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迎風坡不斷觸發新的雷暴下山與之合并,因此造成山區和山前降雨有持續時間較長、降雨總量較大、伴隨風力較小的特點。因此,太行山對越山的雷暴冷池出流有加速的作用,加強出流邊界的輻合抬升觸發對流,而太行山對東北來的雷暴冷池出流有阻擋和堆積加強的作用,增強山前溫度梯度和輻合抬升運動觸發中尺度對流并延長降雨持續時間。4.2后向傳播特征過程Ⅰ強降水階段結合石家莊雷達風廓線(圖9a)看到,低層偏東風的風速隨高度減小,使偏東氣流在山前輻合上升氣流與雷暴前側的下沉氣流形成次級環流促進對流發展;低層風向順轉有暖平流、中層風向逆轉為冷平流使不穩定性增強;邊界層東北風與中層西南風之間存在較強垂直風切變,使零散對流組織起來向山下移動;低層東北風入流使新生雷暴不斷出現在雷暴群主體的西南側使其具有后向傳播特征造成強降水。00—01時雷暴下山階段偏西風在3.7km以上,3km以下均為偏東風,0.3km近地層風速為8～10m·s過程Ⅱ中,石家莊雷達風廓線上(圖9b),深厚的偏東風同時作為原有雷暴的出流和迎向山脈的入流,在迎風坡上爬坡強迫抬升形成次級環流,在前期暖濕氣團中觸發對流,使迎風坡上不斷有雷暴新生并下山,以列車效應形式經過相同地點造成強降水。20—22時3km以下都是偏東風,最大風速在1.5km附近達12m·s太行山脈在不同天氣系統背景下對水平風向、風速的垂直分布發生作用,從而影響垂直風切變的強度以及觸發系統的位置和強度。對于偏西引導氣流,山脈抬高了下山偏西風和山前偏東風的高度,具有較強深層垂直風切變,使地形輻合線在邊界層和低層共同觸發山區對流;而偏西風下山加強使偏東風層次降低,低層垂直風切變增加,觸發山前平原對流的輻合線主要位于邊界層,淺薄冷空氣下山觸發的對流劇烈,但持續時間較短。對于東北風引導氣流,深厚的強的偏東風與在山脈強迫下抬升和阻擋下發生氣旋性偏轉具有更強的輻合上升運動,低層和深層垂直風切變都有所增加,較厚的冷空氣不斷迎山觸發對流,持續時間更長。5地形和能量對極端戰時強降水的影響(1)兩次過程都是雷暴在太行山區初生加強,在下山2h陸續對丘陵平山站和山前石家莊站影響產生極端短時強降水,2015年個例極端短時強降水范圍較大,2011年個例單站降水持續時間較長,總雨量較大。(2)太行山極端短時強降水形成機制除大尺度環流形勢提供大范圍的水汽條件、不穩定層結和天氣尺度系統造成的輻合上升運動外,主要和邊界層偏東風與地形的作用有關,偏東氣流被南北向的太行山地形強迫抬升,且與下山雷暴出流形成中尺度輻合線觸發新的雷暴,雷達回波呈現后向傳播特征和列車效應造成局地極端短時強降水。(3)太行山地形通過增強輻合上升運動、增大垂直風切變使雷暴下山加強。但在不同天氣系統強迫下,太行山特殊地形對雷暴發展作用又有所不同。在偏西氣流引導下,暖區極端短時強降水由陣風鋒觸發,具有突發性、降水