（气象学专业论文）河北强对流成因分析及数值模拟研究.pdf

中文摘要 本文首先统计了1 9 9 9 - 2 0 0 6 年5 8 月河北强对流的时空分布，在统计的基础上选取了两 个极端年份作了对比分析。然后对2 0 0 9 年5 月发生在冀中南的一次春季罕见强对流暴雨过 程进行了实况分析，从大尺度环流背景到中尺度影响系统都作了详细的诊断。最后运用w r f 中尺度模式对暴雨过程进行数值模拟与研究。 统计结果表明：雷暴、雷雨大风和冰雹空间分布呈北多南少，西多东少的趋势，6 月和 7 月居多；暴雨的空间分布则正好相反，7 月和8 月多于其它月份：午后到傍晚为各种强对 流的日高峰期。雷暴多发年和少发年在5 0 0 h p a 大风速区的位置、8 5 0 h p a 切变线与从贝加尔 湖南下的低空冷空气结合程度和位置、边界层辐合线的位置及边界层干湿区的梯度等都存在 较大差异。 由实况分析发现：2 0 0 9 年5 月9 日冀中南强对流暴雨过程的主要影响系统是高空急流、 东北回流、高空低槽及低空切变线。地面加密风场的变化以及中尺度辐合线的形成都对河北 中南部短时强暴雨的发生有很好的指示意义；带状回波在地面辐合线附近快速强烈发展并随 辐合线的消失而原地减弱。暴雨前高空急流的加强使河北中南部辐合上升运动增大，短时强 对流暴雨发生。 利用高分辨率的模拟结果诊断分析发现：此次天气过程的发生、发展是对流有效位能的 一次快速产生、积聚、释放过程；强对流暴雨开始前一小时左右，对流层低层的正涡度、负 散度和垂直速度都出现快速发展态势，随着强对流暴雨的产生又迅速减弱。通过对大气的稳 定性和斜压性分析发现，随着边界层东北风和低空西南暖湿气流的加强，对流层低层转为对 流不稳定，并且出现一个m p v 2 o 的最大中心，大气的斜压性增大，辐合上升运动增强。 低空7 0 0 h p a 流场的中尺度扰动和涡度场的加强说明：发生在河北中南部的短时强对流暴雨 与东北回流密切相关，回波强度在东北气流形成的渐近线顶部得到强烈发展。低空东北风 的辐合，使地转平衡遭到破坏，从而引发水平辐合和辐散及铅直运动，在地转适应过程中， 7 0 0 h p a 中尺度环流偶在河北中南部形成并加强，对应的正负涡度对也出现并增大，使辐合 上升运动增强，强对流暴雨形成，最大降水出现在辐合场和辐散场之间区域。模拟的地面 涡度和散度随时间的演变和地面暴雨中心的出现时间极为吻合。 实况和模拟结果都很好的证实了：东北回流的加强与高空急流的加强一致，急流中心右 前侧辐合导致下沉气流，向南的一支引起北风加大，东北回流加强，由于辐合抬升作用，河 北中南部形成上升支。可见，低层东北风的加强和垂直环流的形成是此次强对流暴雨产生的 重要原因。 关键词：时空分布，强对流暴雨，东北回流，高空急流 a b s tr a c t t e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n so fh e b e is t r o n gc o n v e c t i o nf r o mm a yt o a u g u s ti nt h ep e r i o d 19 9 9 2 0 0 6w e r ef i r s ti n v e s t i g a t e d b a s e do nt h es t a t i s t i c a l a n a l y s i s ，t w oe x t r e m ey e a r sw e r es e l e c t e df o rac o m p a r i s o ns t u d y au n i q u ec a s eo f s t r o n gc o n v e c t i v es t o r mo c c u r r i n gi nt h es o u t hc e n t r a lh e b e ii nm a v2 0 0 9w a s a n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h el a r g e s c a l ec i r c u l a t i o nb a c k g r o u n da n dm e s o s c a l es y s t e m s t h ep r o c e s so ft h es t o r mw a ss i m u l a t e du s i n g r i 江m o d e l i n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tt h u n d e r s t o r m s ，s t o r m sw i n d sa n dh a i l sd e c l i n ef r o mt h e n o r t ht os o u t h ，f r o mt h ew e s tt oe a s t ，a n dt h em a x i m aa p p e a ri nj u n ea n dj u l y t h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs t o r m si so p p o s i t e ，a n dt h em a x i m ao c c u ri nj u l ya n da u g u s t p e a kt i m ew h e nav a r i e t yo fs t r o n gc o n v e c t i o n so c c u ri sf r o ma f t e r n o o nt ot h ee v e n i n g d u r i n gt h ed a y p o s i t i o no f5 0 0 h p aw i n da x i s ，8 5 0 h p as h e a rl i n e ，c o m b i n a t i o nw i t ht h e c o l da i ra tt h el o w e ra t m o s p h e r ef r o mt h eb a i k a la n di t s1 0 c a t i o n p o s i t i o no f c o n v e r g e n c el i n e sa n dg r a d i e n tb e t w e e nw e ta n dd r yi nt h eb o u n d a r yl a y e rd u r i n g n u m e r o u st h u n d e r s t o r my e a r sa r eq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h o s ed u r i n gp o o ry e a r s a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h em a i ne f f e c t i v es y s t e mf o rt h ec o n v e c t i v es t o n ni n s o u t hh e b e ii nm a y9 ，2 0 0 9i n c l u d e sj e ti nt h eu p p e ra t m o s p h e r e ，t h en o r t h e a s tr e t u r n f l o w , t h eu p p e r - l e v e ls o u t hb r a n c ho ft r o u g ha n dt h el o w l e v e ls h e a rl i n e c h a n g e si n i n t e n s es u r f a c ew i n df i e l d sa n dt h ef o r m a t i o no fm e s o s c a l ec o n v e r g e n c el i n ei n d i c a t e t h eo c c u r r e n c eo fs h o r tt i m es t r o n gs t o r m si nt h ec e n t r a la n ds o u t h e n lh e b e i b a n d e c h or a p i d l yd e v e l o p sn e a rt h ec o n v e r g e n c el i n eo nt h eg r o u n da n dr e d u c e sw i t ht h e d i s a p p e a r a n c eo ft h ec o n v e r g e n c el i n e 1 1 1 eu p p e r - l e v e lj e ti n t e n s i f i e sa n dc o n v e r g e n t u p w a r dm o t i o ni n c r e a s e si nt h ec e n t r a la n ds o u t h e mh e b e ib e f o r et h es t o r m ，f o l l o w e d b yo c c u r r i n go fs h o r t t i m ec o n v e c t i v er a i n s t o r m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gh i g h r e s o l u t i o nm o d e ls h o wt h a tt h eo c c u r r e n c ea n d d e v e l o p m e n to ft h i sw e a t h e ri n v o l v ear a p i dp r o d u c t i o n ，a c c u m u l a t i o na n dr e l e a s e p r o c e s s e so fc a p e t h ep o s i t i v ev o r t i c i t y , n e g a t i v ed i v e r g e n c ea n dv e r t i c a lv e l o c i t y i nt h el o w e rt r o p o s p h e r er a p i d l yd e v e l o pa b o u ta nh o u rb e f o r et h es t a r to fs t r o n g c o n v e c t i v es t o r m ，a n dd e c l i n ea f t e rt h eo c c u r r e n c eo fs t r o n gc o n v e c t i v es t o t i n a n a l y s i so f 也ea t m o s p h e r i cs t a b i l i t ya n db a r o c l i n i c i t yi n d i c a t e s t h a tc o n v e c t i v e i n s t a b i l i t yo c c u r si nt h el o w e rt r o p o s p h e r ew i t ht h es t r e n g t ho ft h en o r t h e a s t e r l y w i n d si nt h eb o u n d a r y1 a y c ra n dt h el o w l e v e lw e s t s o u t hw a r ma n dm o i s tf l o w , a n d t h el a r g e s tc e n t e rw i 也m p v 2 2 时，发生强对流的可能性极大。a m b u r nu 副等 指出使用垂直积分液态含水量( v i l ) 密度，即v i l 除以回波顶高所得的商，可以很好的指 示大冰雹。他们研究表明9 0 冰雹风暴的v i l 密度耋3 5 9 m 3 ，而几乎所有v i l 密度耋4 o g m 3 的风暴都会产生大冰雹。 1 1 2 国内研究进展 1 1 2 1 对流性天气背景及分型研究 1 9 8 3 年游景炎印指出蒙古东部冷涡是华北雹暴发生的主要天气形势背景，雹暴预报不 仅应注意水平温度梯度的加强，更应该注意垂直温度梯度的加强；不仅应注意风水平切变的 加强，更应该注意风垂直切变的加强；雹暴区2 0 0 - 2 5 0 h p a 为暖平流，2 5 0 6 3 0 h p a 为冷平流， 6 3 0 h p a 一地面为暖平流，最大冷平流出现在4 0 0 h p a ，最大暖平流出现在8 5 0 h p a ；雹暴具有突 发性，系统性的上升气流仅仅在雹暴发生前几小时出现。寿绍文u 等指出，对流风暴是大气 中不稳定能量累积及在一定条件下释放的产物。过去的研究表明n 纠引，当中尺度系统移入 有利于发展的环境区域或对流云系统的相互合并可以造成对流明显的加强。王雷等幢0 1 对 2 0 0 4 年7 月两次强对流天气过程对比分析，发现强对流发生在低层露点锋区及低层水汽通量 和散度辐合、高层相应辐散的大值区域。丁力等幢选取1 9 9 3 2 0 0 2 年承德9 个测站的强对流 天气当日及前日0 8 时5 0 0 ，7 0 0 和8 5 0h p a 天气图和地面天气图资料。通过分析对造成承德 强对流天气的1 0 2 个天气个例进行归纳分型，表明造成承德强对流天气的系统可分5 类：阶 梯槽、西北气流、前倾槽、东蒙冷涡、东蒙冷涡与涡后横槽共同影响。受东蒙冷涡直接影响 造成强对流天气为3 0 例，占总个例数近3 0 ；东蒙冷涡与横槽共同影响1 4 例。王丛梅，丁 2 河北强对流成因分析及数值模拟研究 治英1 2 副研究发现在我国内蒙古中部形成的低涡，在阻高北侧的西北偏西气流引导下，向东偏 北方向移动到我国内蒙或蒙古东部，中空5 0 0 h p a 西来的干冷空气与低层偏南暖湿气流相叠 加，从而形成高空冷涡东南部的位势不稳定区，在地面副冷锋的触发下，产生强对流天气。 1 1 2 2 大尺度与中小尺度的相互作用研究 很多研究表明：强对流天气的发生发展与大气的不稳定性旧3 吨丌、垂直风切变的强度等密 切相关弦 驯。刘勇心通过个例分析了急流次级环流对局地强风暴天气持续的作用。陶诗言m 。 指出，中纬度地区强风暴发生的环境，需要3 个条件，即对流层明显的位势不稳定、上干下湿 的水汽垂直空间分布和强的垂直切变。寇正等副应用a r p s ( a d v a n c e dr e g i o n a lr e d i c t i o n s y s t e m ) 模式用数值试验的方法分析了中尺度对流系统中非线性对流对称不稳定的发展，结 果表明，非线性对流对称不稳定的发展过程首先是对流的发展，为对称不稳定的发展创造了 条件，而对称不稳定发展的结果使对流组织化，环流加强，生命史增长，并且对流发展与对称 不稳定的释放存在一个正反馈过程，从而给出了其中物理过程相互作用的概念模型。2 0 0 1 年， 王咏梅口钔等利用二维全隐欧拉格式对重力波在可压，非等温大气中的非线性传播过程进行了 数值模拟和分析，结果表明重力波在向上传播过程中经历了发展，位温翻转，对流直至破碎 的演变。重力波的破碎是对流和小尺度波动的重要的源，对流不稳定和翻转是非线性现象的 一个基本特征。计算结果还表明，扰动源的大小直接影响着重力波的非线性传播过程，当扰 动源足够小时，重力波能稳定传播，而大振幅扰动可以加速重力波的破碎。何齐强等【3 副利用 华东中尺度试验的探空资料，得到大尺度强锋区在对流层低层具有明显的中尺度特征和锋区 上界的中尺度波动具有重力波的特征。他们的分析表明，一条天气尺度的锋面，其结构和天 气表现，绝非经典锋面模式那样均匀单一，不仅存在天气尺度的特征，而且存在中尺度特征。 胡邦辉等m 1 的诊断分析发现：沿冷锋产生强天气的锋线附近存在类似于重力惯性波的中尺度 波动：锋后中尺度冷高与强天气的分布有关。 1 1 2 3 特殊地形对强对流的触发作用研究 张迎新等7 删研究认为夏季锋生、气旋和辐合作用很强时易于产生强对流等灾害性天 气。李鸿洲等m 3 统计华北飑线的初生区主要集中在华北西北部的阴山、太行山北部山区；其 中3 0 源于太行山脉的飑线向东南方向移动，影响河北东南部和山东地区。赵玉春等u 利 用1 0 1 。经纬度的n c e p 再分析资料、地面1h 降水和卫星黑体辐射亮度温度资料，分析 了2 0 0 6 年6 月5 8 日引发福建北部大暴雨的梅雨锋上的中尺度对流系统活动，探讨了梅雨 锋上或锋前暖区一侧中尺度对流系统触发和增强的动力机制，结果发现：福建北部强降水产 生是由梅雨锋上或锋前多个b 中尺度或a 中尺度的强对流系统活动造成的，这些中尺度对流 系统的发生发展与大尺度地转强迫造成的上升运动、武夷山脉等的地形动力强迫抬升作用有 关。翟国庆h 砧等利用m i d 4 模式对一次浙西皖南山区的大暴雨过程进行了地形作用的数值模 拟对比试验。中尺度地形的试验表明，地形对个例降水的增幅可达7 0 以上。中尺度地形可 引起流场上的涡旋及风速差造成风场上的辐合并导致围绕山脉的垂直双罔环流；在暖式切变 发展过程中，地形起到明显的增强作用。中尺度地形可引起低层静力能量的增加和中层能量 的减小，对对流系统的发生及加强有重要作用。董佩明h 副等使用删4 数值模拟结果，设计了 若干组试验以分析下垫面的动力强迫、热力强迫对1 9 9 2 年7 月2 3 日发生在京津冀地区的大 3 河北强对流成因分析及数值模拟研究 暴雨过程的作用，指出：下垫面强迫将导致跨越地形的爬升、环绕地形的绕流，在特定地区 产生辐合带、汇合中心，其所导致的上升运动，在水汽供应和位势不稳定层结具备的条件下， 将启动积云对流的发生和不稳定能量的释放，是暴雨产生的一种触发机制。楼小凤等h 引用地 形坐标系的具有详细微物理过程的三维云模式对湖北的一次对流降水过程进行了模拟试验。 对比不同地形和不同地形高度的模拟结果，发现地形的作用与地形的陡峭程度有关。在地形 坡度较大时，会产生较强的上升气流，从而使系统对流发展旺盛，产生较大的降水和较强的 回波。刘辉志等h 副的模拟研究结果表明，当大气边界层是对流边界层时，气流过山引起的地 形强迫，仍能在稳定层结中造成足够的垂直扰动，产生向上传播的重力内波。减增亮等人的 分析结果表明1 中尺度地形通过对动力场和水汽场的扰动对降水的落区和强度有重要影响， 地形对水汽场的影响与爬坡气流的性质相关，偏南的暖湿气流爬坡易造成水汽场的辐合；地 形对动力场、水汽场的影响和切变线的相对位置有关，当切变线上的垂直上升运动和爬坡效 应相叠加时，对暴雨的增幅效应最为明显。 1 1 2 4 资料与预报方法研究 廖玉芳等h 7 提出基于单多普勒天气雷达产品的强对流天气预报预警方法。杨晓霞等【艚1 计算了四种天气概念模型下1 5 种大气参数，采用多指标叠套法、相似预报、p p 预报方法建 立了山东冰雹客观分县预报。刘玉玲h 引介绍并分析了对流有效位能、粗里查逊数、螺旋度等 对流参数的物理意义、计算方法及在个例中的应用情况。钟纬咖1 分析了当垂直切变起主要作 用时，风暴强度指数可以表征强动力条件和弱热力条件是产生强对流天气的主要原因。彭班 治哺”等从国外引入了大气热力学变量( 例如密度温度) 、新概念模型、用于分析预报强对流 的参数( 下沉对流有效位能等) 。施望芝怕引等利用数值预报物理量产品诊断分析预报强对流 天气的落区。杨国锋、罗树如崎副等将闪电定位资料与雷达资料应用于强对流分析。雷雨顺【5 4 运用能量方法与不稳定参数在强对流天气的分析和预报方面做了大量研究工作。 1 2 本文主要研究的内容 从目前国内外的情况看，对强对流天气的研究日益增多，研究的内容也越来越广泛，本 人将在前人研究的基础上，主要对河北小区域内的5 - 8 月的强对流天气作系统研究，工作主 要从以下几个方面展开：首先对河北最近1 9 9 9 2 0 0 6 年共8 年的强对流天气进行时空特征统 计；利用常规观测资料、n c e p 再分析资料、卫星资料、多普勒雷达资料及相关的其它资料 对强对流天气进行详细的诊断分析；运用w r f 中尺度模式对典型个例进行数值模拟、诊断分 析和研究，从而更深入的了解河北强对流的发生机制，同时也提出一些有待于进一步研究的 问题。 4 河北强对流成因分析及数值模拟研究 第二章河北5 - 8 月强对流的统计研究 河北省东临渤海，西倚太行山脉，北部是坝上高原和燕山山脉，南接黄淮平原，下垫面 地形条件非常复杂，低纬西南暖湿气流和中高纬干冷空气容易在此交绥，是中国夏季飑线、 m c c 等强对流多发区。因此比较系统的研究河北强对流有着十分重要的意义。 2 1 河北强对流的气候特征 2 1 1 资料 本文选取1 9 9 9 2 0 0 6 年5 8 月总共8 年的历史资料，包括2 5 。2 5 。的n c e p 资料和全 省1 4 2 个基本站的强对流观测资料。规定一日内有一个或以上的站2 4 小时内( 0 8 0 8 ) 出现 雷暴( 冰雹、暴雨、雷雨大风( 大于等于1 7 米秒) ) 则定为一个雷暴日( 冰雹日、暴雨日、 雷雨大风日) ，四种天气现象按日独立计算，可重复计数。区域平均指的是把河北1 1 个地市 划成1 1 个区域，然后求1 1 个区域的平均日数。 2 1 2 河北雷暴的时空分布特征 从雷暴日的区域平均逐年分布( 图2 1 1 a ) 可以看出，8 年中有两个明显的峰值，一个 是2 0 0 1 年，另一个为2 0 0 5 年，两年的雷暴日区域平均都在5 0 6 0 之间，明显高于多年的年 平均雷暴日数( 5 0 个雷暴日) 。低谷年为1 9 9 9 和2 0 0 3 年，雷暴日数4 0 5 0 之间。总体来看， 1 9 9 9 2 0 0 6 年雷暴日的变化呈曲线分布，但呈线性增长态势。 从图2 1 1 b 中能明显的看到，一日中雷暴发生的高峰期有两个时间段：午后的1 4 1 6 时 和傍晚的1 9 2 0 时，雷暴的发生频率占到1 0 1 2 。雷暴发生频率最低的时段是早晨7 8 时， 其发生频率不到2 。 图2 1 1 c 显示：总雷暴日大于5 0 0 的区域分布在燕山南麓的张家口和承德地区，其次总 雷暴日最多的地区为太行山东麓，沿渤海地区和平原的衡水地区雷暴日最少，其雷暴日总数 为3 2 0 ，雷暴最多的张家口和最少的衡水地区相差2 0 0 。总体分布特征为：北多南少，西多 东少，山区多于平原。 8 年各地区雷暴总日数逐月分布( 表2 1 1 ) 表明：从空间分布看，5 8 月，雷暴日相对 多的区域分布在北部的张家口、承德和保定地区，相对少雷暴日的地区主要分布在河北的东 部平原一带。从时间上来看，6 月和7 月为各地雷暴日多发月份，8 月次之，5 月为最少月 份。 5 河北强对流成因分析及数值模拟研究 雷摹区 8 降均年早均一缱性( 蔷暴匡境平坳 6 0 5 0 4 0 r n 3 0 茁 2 0 l0 0 1 9 ，2 0 加o l2 0 0 22 0 0 32 0 2 0 0 52 0 0 6 研( 年) a 蔷l 12345 6 t89l0 1 1 12 10 1 4 1 5 1 6 l t l 8 l ，2 02 l 2 22 3 “ 时翩 c 图2 1 1 河北雷暴日的时空分布特征 ( e 1 ：区域平均雷暴日的逐年( 5 - 8 月) 分布b ：雷暴日的逐时分布 c ：8 年( 5 - 8 月) 的总雷暴日空间分布) 6 i!o 毒惜口番 河北强对流成因分析及数值模拟研究 表2 1 11 9 9 9 - 2 0 0 6 年河北各地区雷暴总日数逐月分布( 日) 2 1 3 河北冰雹的时空分布特征 8 年中河北区域平均的冰雹日只有一个明显的多发年份( 图2 1 2 a ) ，即2 0 0 1 年，共8 1 0 个冰雹日。高出平均值( 5 个冰雹日) 近一倍，其它年份均低于年平均值或与平均值相当。 另外，线性分布和年平均基本重合，即无明显增长或减少趋势。 一日中冰雹的发生频率有一个明显的高峰时段( 图2 1 2 b ) ，即午后到傍晚这段时间 ( 1 5 1 8 时) ，其发生频率占到2 0 以上。其次是中午( 1 2 1 4 时) 和傍晚到前半夜( 1 9 2 2 时) ，冰雹发生频率在1 0 左右。冰雹发生频率最少的时段是凌晨4 时到早晨8 时，因为这 段时间气层为相对稳定阶段。 河北冰雹的空间分布( 图2 1 2 e ) 呈现西北向东南递减的趋势，西北部的张家口冰雹总日 数在1 0 0 以上，而东南平原一带低于2 0 ，前者是后者的5 倍之多，东部平原和沿渤海地区 是两个低谷。 表2 1 2 说明5 8 月冰雹日相对多的区域分布在张家口、承德和保定地区，相对少冰雹 日的地区主要分布在河北的东部平原和南部。从时间上来看，6 月为各地冰雹日的明显多发 期，例如，保定和承德6 月的冰雹日比相对较少的8 月多出二分之一还要多。 7 河北强对流成因分析及数值模拟研究 冰雹匣艟平均笨平均一缝性( i i c 雹匣艟平蜘 1 0 8 6 v 肇4 m 2 0 i 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 6 年 ： ( 翰 a 一槿 123456 78 ，1 0 1 11 2 1 3 1 4 1 5 垢1 7 1 8 i ，2 02 l2 2 器甜 时闷 b c 图2 1 2河北冰雹日的时空分布特征 ( a ：区域平均冰雹日的逐年( 5 - 8 月) 分布b ：冰雹的逐时分布 c ：8 年( 5 - 8 月) 的总冰雹日空间分布) 8 河北强对流成因分析及数值模拟研究 表2 1 21 9 9 9 2 0 0 6 年河北各地区冰雹总日数逐月分布( 日) 2 1 4 河北雷雨大风的时空分布特征 从雷雨大风日的区域平均逐年分布( 图2 1 3 a ) 可以看出，8 年中有两个明显的峰值， 1 9 9 9 年和2 0 0 5 年，两年的雷雨大风日区域平均都在平均值之上，明显高于多年的年平均日 数。低谷年为2 0 0 3 年，其次是1 9 9 9 年。总体来看，1 9 9 9 2 0 0 6 年雷暴日的变化呈曲线分布， 2 0 0 4 年之后略呈线性增长态势。 雷雨大风的日分布特征( 图2 1 3 b ) 和冰雹极为相似，午后到傍晚为明显高峰时段，凌 晨发生几率极低，凌晨地面辐射降温比较明显，不容易形成强对流。 河北8 年( 6 8 月) 的总雷雨大风日平面分布( 图2 1 3 e ) 显示：西北部的张家口为一高值 中心，中心值为1 6 0 ，东南部平原的衡水和东北部的秦皇岛为低值区，其雷雨大风日分别为 7 0 和5 0 左右，可见雷雨大风多发区与少发区的大风日数差异很大。 表2 1 3 为1 9 9 9 2 0 0 6 年河北各地区雷雨大风总日数逐月分布。因为5 月的大风同时还 包括冷空气造成的大风，所以这里只统计了6 - 8 月的雷雨大风。6 月的雷雨大风日依然位居 第一，7 月次之，8 月最少。从空间分析，燕山南麓和太行山脉东麓以及濒临渤海的沧州地 区大风日最多，三个月中雷雨大风日最少的为秦皇岛。 9 河北强对流成因分析及数值模拟研究 蔷丽大风巨境早均笨平均一线性信再太其巨靖早1 9 ) l 92 0 0 02 12 2 加2 4 2 5 鼢晦) 一箭大风 i2 3 4 5 6 t 8 91 0 1 1 1 2 1 3 1 4 i 5 1 6 l t l 8 1 92 02 1 趁2 3 烈 稠 b c 图2 1 3 河北雷雨大风日的时空分布特征 ( a ：区域平均雷雨大风日的逐年( 5 8 月) 分布b ：雷雨大风的逐时分布 c ：8 年( 5 8 月) 的总雷雨大风日空间分布) 1 0 河北强对流成因分析及数值模拟研究 表2 1 31 9 9 9 2 0 0 6 年河北各地区雷雨大风总日数逐月分布( 日) 2 1 5 河北暴雨的时空分布特征 从暴雨日的区域平均分布( 图2 1 4 a ) 可以看出，8 年中暴雨的相对高峰期为2 0 0 1 年和 2 0 0 4 2 0 0 6 年，低谷年为1 9 9 9 年和2 0 0 2 年，两年的暴雨日区域平均都在平均值之下，总体 来看，1 9 9 9 2 0 0 6 年暴雨日的变化呈曲线分布，但呈线性增长态势。 从图2 1 4 b 中能明显的看到，一日中暴雨发生的高峰期有两个时间段：午后的和傍晚， 其发生频率占到1 0 以上。暴雨发生频率最低的时段是早晨8 - 9 时，其发生频率不到2 。 图2 1 4 c 显示：暴雨最大中心有3 个，分别是保定的东部平原、邯郸和唐山。其暴雨日 数都在1 2 0 以上，相对少的分布在河北北部的张家口和承德地区。总体分布特征呈南多北 少，东多西少，西北向东南递增的分布状态。 8 年各地区暴雨总日数逐月分布( 表2 1 4 ) 表明：从空间分布看，5 8 月暴雨日相对多 的区域主要分布在邯郸、唐山、邢台、沧州和保定五个地区，相对少暴雨日的地区主要分布 在承德、秦皇岛和张家口一带。从时间上来看，7 月和8 月为各地暴雨多发月份，6 月次之， 5 月为最少月份。 河北强对流成因分析及数值模拟研究 辅区境早均年早均一缱性c 新区辑坳 l ，a 眦2 帅22 0 0 32 0 0 , 12 0 神惦 年傍( 哟 a 辆 12345678 91 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 l t l 8 1 92 0 2 1 2 22 3z 4 时闻 b c 图2 1 4 河北暴雨日的时空分布特征 ( a ：区域平均暴雨日的逐年( 5 8 月) 分布b ：暴雨的逐时分布 c ：8 年( 5 培月) 的总暴雨日空间分布) 1 2 河北强对流成因分析及数值模拟研究 表2 1 41 9 9 9 2 0 0 6 年河北各地区暴雨总日数逐月分布( 日) 2 2 河北强对流多发年与少发年的对比分析 通过分析各种强对流天气的逐年分布特征，我们选取了一个相对高峰年( 2 0 0 1 年) 和 一个相对低谷年( 1 9 9 9 年) 作为特例年份，然后对低谷年、高峰年6 月的大气环流形势进 行了对比分析，以期找出强对流多发年与少发年的环流差异及其发生机制。 2 2 1 强对流日数的逐月对比分析 为了先了解一下高峰年和低谷年逐月的差异情况，本文以雷暴为例。从图2 2 1 可以看 出，除了5 月1 9 9 9 年雷暴日略多于2 0 0 1 年外，其它月份都少于2 0 0 1 年，尤其是6 月份相 差最明显，2 0 0 1 年6 月雷暴日数是1 9 9 9 年6 月的2 3 倍。 2 0 1 5 日数( 日) l o b o l厂 1 河北强对流成因分析及数值模拟研究 2 2 26 月大气环流形势特征对比分析 在前节的讨论中看出1 9 9 9 年与2 0 0 1 年6 月雷暴日数相差很大，了解这两年各具有什么 特征对认识引起雷暴的大尺度背景具有重要的意义。 2 2 2 1 高空流场的对比分析 文献指出【5 5 】“强大的冰雹云的发展常与较大的风速垂直切变有密切的关系。强的风速垂 直切变一般出现在有高空急流通过的地区。有人作过全球范围的强雷暴分布的气候分析，发 现在中纬度地区，强雷暴及冰雹和5 0 0 百帕急流轴的月平均位置联系的十分密切。”所以说， 高空急流形成的强垂直风切变和高空流场的辐散会对强对流系统的发生发展提供有利的动 力条件。 对比1 9 9 9 年和2 0 0 1 年6 月5 0 0 h p a 的全风速可以发现：1 9 9 9 年6 月( 图2 2 2 a ) 5 0 0 h p a 大风速轴比较偏北，位于蒙古国一带；而2 0 0 1 年( 图2 2 2 b ) 的5 0 0 h p a 大风速轴基本穿过 河北，河北大部处在5 0 0 h p a 大风速轴上，动量下传较强，风切变增大，气流辐合明显，于 是，有利于低空水汽和暖湿气流的向上发展，深对流容易形成。另一方面说明，高空冷空气 比1 9 9 9 年南下明显，暖湿空气容易在河北交汇。5 0 0 h p a 的高度场显示：1 9 9 9 年6 月( 图 2 2 2 c ) 暖湿气流还比较弱，冬季环流特点还比较突出，西南暖湿气流还在东部海上；2 0 0 1 ( 图 2 2 2 d ) 年暖湿气流北上比较明显，河北平均高空槽已初步发展，从2 0 0 1 年和1 9 9 9 年的位 势高度差分布图( 图2 2 2 d ) 可以明显的看到：河北位于一个- 2 0 的差值中心区，说明冷暖 空气在河北交汇的几率多于1 9 9 9 年6 月，所以雷暴等发生较多。 a 1 4 b 河北强对流成因分析及数值模拟研究 c e 图2 2 26 月0 8 时5 0 0 h p a 月平均全风速( a ：1 9 9 9 年b ：2 0 0 1 年，单位：米秒) 和月平均高 度场( c ：1 9 9 9 年d ：2 0 0 1 年e ：2 0 0 1 年和1 9 9 9 年月平均位势高度差。单位：位势米) 2 2 2 2 低空流场的对比分析 因为强对流活动的产生都要有较强的抬升机制，而低空切变线附近一般会产生很强的辐 合上升运动，所以我们以8 5 0 h p a6 月0 8 时的月平均流场为例，通过分析低空切变的位置 以及和北方冷空气的相互作用来研究河北强对流发生的低空流场形势。 对比1 9 9 9 年和2 0 0 1 年6 月0 8 时的8 5 0 h p a 月平均低空流场看出：1 9 9 9 年( 图2 2 3 a ) 渤海有一反气旋环流，同时北部大陆高压脊比较偏东，二者打通控制河北地区，于是从高 压北部东移的冷空气以偏东路径影响为主，南部切变被高压环流阻挡无法北上，河北强对流 发生较少；2 0 0 1 年6 月0 8 时( 图2 2 3 b ) ，贝加尔湖形成一高压环流，从贝加尔湖向东北 伸展的高压脊较弱，冷空气从脊前大举南下，在河北部切断出一低压环流，河北南部有南支 槽，南支槽前西南气流携海上大量的暖湿空气向北输送，夏季环流形势比较明显，河北处在 槽前，动力条件和水汽条件都比较充沛，强对流频繁发生。 1 5 河北强对流成因分析及数值模拟研究 0 5 e 1 1 0 e1 1 5 e1 2 0 1 2 5 e1 1 j 5 1 眶 a 8 0 e8 5 9 0 e9 5 f1 0 0 1 0 5 1 1 0 【l | 5 e1 2 0 f1 2 5 e1 3 0 13 5 1 4 0 e b 图2 2 36 月0 8 时8 5 0 h p a 月平均流场分布( a ：1 9 9 9 年b ：2 0 0 1 年) ( 双实线代表冷空气的位置，虚线代表切变线，带箭头双实线代表暖湿气流) 2 2 2 3 边界层流场对比分析 美国中西部初始对流都产生在边界层辐合线附近嘲1 ，并把它作为预报对流新生的主要判 据，因为河北强对流一般发生在午后，所以主要通过分析1 4 时的边界层资料来了解触发对 流的动力因素，看河北强对流是否也有边界层辐合线的存在。通过分析5 月，6 月，7 月和8 月的9 2 5 h p a 流场( 图略) ，在内蒙与河北境内，一直存在一边界层辐合线，边界层辐合线的存 在应该是触发河北强对流的动力机制之一。 对比1 9 9 9 年和2 0 0 1 年6 月的边界层流场，可以看出，1 9 9 9 年( 图2 2 4 a ) 辐合线位 置比较偏北，北端基本到了内蒙的边境，因为中高纬度的偏北气流路径偏东，而2 0 0 1 年( 图 2 2 4 b ) ，西北气流和东北气流一举南下，和低纬偏南气流在河北北部形成一明显气旋性环 流中心，边界层辐合线偏强偏南，更有利于触发河北大部分地区的强对流。 1 6 删 卿 圳 枷 删 删 瑚 俐 瑚 湖 刑 驯 缃 刚 川 枷 删 删 瑚 姗 瑚 ： 河北强对流成因分析及数值模拟研究 _j。! 。：! j 。 、 一；= ；口。a：二e = e z h 6 月1 4 时9 2 5 h p a 月平均相对湿度分布( a ：1 9 9 9 年b ：2 0 0 1 年) ( 单位：) 河北强对流成因分析及数值模拟研究 2 3 小结 ( 1 ) 通过以上分析，可以得出：河北1 9 9 9 2 0 0 6 年5 - 8 月雷暴、雷雨大风和冰雹空间 分布呈北多南少，西多东少、山区多、平原少的趋势；时间分布是6 月和7 月多于其它月份， 6 月的雷暴、雷雨大风、冰雹出现最多，暴雨的空间分布则正好相反，南多北少、东多西少： 时间分布是7 月和8 月多于其它月份，午后到傍晚为日高峰期。 ( 2 ) 5 0 0 h p a 大风速轴的位置与河北强对流的发生频率关系密切，1 9 9 9 年6 月5 0 0 h p a 大 风速轴位于河北北部，河北强对流发生较少；2 0 0 1 年大风速轴穿过河北，为强对流多发年。 ( 3 ) 2 0 0 1 年低空北方冷空气路径偏南和南部暖湿切变北上明显，导致冷暖空气在河北 频繁交绥，易发强对流；内蒙与河北之间的边界层辐合线偏南成为触发河北强对流的动力机 制之一。 ( 4 ) 河北位于蒙古干区和东南湿区交界处，即干线附近，湿度梯度在河北的加强也可以 作为引起河北强对流易发的原因之一。 1 8 河北强对流成因分析及数值模拟研究 第三章0 9 5 冀中南强对流暴雨的大尺度环流背景分析 通过对5 8 月河北强对流的统计分析，我们发现5 月暴雨的发生要比其它3 个月明显偏 少，但在2 0 0 9 年5 月发生了一次强对流暴雨过程，造成了较大的灾害，因此了解其产生机 制对强对流的预报以及减灾防灾有较大的意义。对于河北地区的暴雨，国内气象科技人员做 过很多研究工作，并取得不少成果悔h ，但针对该地区春季对流暴雨研究却较少。在当前气 候目趋变暖的大背景下，极端天气事件频发，做好河北强对流暴雨预报和研究尤显重要，该 地区暴雨具有突发性、局地性以及复杂物理机制等特点，其预报难度较大。本文利用常规观 测资料和n e c p1 0 x l o 的6h 再分析资料，着重分析本次短时强对流暴雨区域的各种物理量 场的空间结构特征，对暴雨期间大尺度的空间变化做进一步的解析，找出本次强对流暴雨的 形成机制。 3 1 降水实况与灾情 受较强冷空气和暖湿气流的共同影响，2 0 0 9 年5 月8 日到1 0 日，河北出现今年以来 最强降雨，较强降水主要集中在中南部地区，5 月9 日0 8 时( 北京时，下同) 到5 月1 0 日0 8 时，邢台市降大暴雨( 图3 1 ) ，降水量为1 7 5 5 毫米；有2 3 个县市降暴雨，降水量 在5 0 - 1 0 0 毫米之间；邢台市区的降水不仅创下5 5 年以来历史同期2 4 小时降水量极值( 1 9 5 8 年5 月1 0 日，5 2 毫米) ，也突破了历史月总降水量最高值( 1 9 6 4 年5 月，1 3 3 毫米) 。9 日 下午到前半夜，南部地区有2 0 个县市出现雷电，邢台市区域自动气象观测网监测显示：市 区紫金公园、豫让桥、任县大屯、巨鹿苏营、南宫大村降大暴雨，临城、临西、内邱、柏乡、 南宫、宁晋降暴雨，9 日1 9 - 2 0 时仅1 个小时邢台站雨量达8 3 毫米。保定、衡水、沧州等 1 8 个县市出现大风，瞬时风力7 8 级。由于降水强度大，雨势猛且降水时间集中，造成邢台 市区严重内涝，对城市交通带来不利影响，地道桥被淹，部分道路交通瘫痪。椐农业部门称， 由于风力较大，降雨集中，仅邢台市就有2 5 3 3 万公顷冬小麦出现不同程度倒伏， 有o 2 万公顷棉田被淹。 1 9 河北强对流成因分析厦数值模扭研究 囝3l2 0 0 9 年5 月9b0 8 时一1 0 日0 8 时雨量分布( 单位：衄 图32 i5 0 0 h p a 锰压场形势 8 ：2 0 0 9 年5 月9 日0 8 时b ：2 0 0 9 年5 月9 日2 0 时b 图中曲线为高空低槽 ( 高度单位位势什米温度单位摄氏度) 32 大尺度环流形势演变 321 高空槽脊的发展 5 0 0 b p a 图上，5 月8 日0 8 ( 图32l a ) 时，乌拉尔山地区是一较稳定的阻塞高压，其 下游巴尔喀什湖到贝加尔湖为一横槽，前期由于两部阻塞高压的维持，西伯利亚东移冷空气 2 0 河北强对流成四分析及数值模拟研究 主体偏北，主要造成8 日夜间到9 日上午河北北部少量对流性降水。9 日0 8 2 0 时( 图a 2 l b ) ， 随着西部阻塞高压逐渐崩溃，西伯利亚冷空气和阻高西侧低涡冷空气大举东移南下，河套低 槽发展加深，巴尔喀什湖到贝加尔湖的横槽略有加深但尔移缓慢，形成阶梯槽。同时9 4 热带 高压北抬西项暖湿气流治副高西侧北上，与高空槽较强冷空气交汇，使河北中南部出现罕 见短时大暴雨等强对流天气。从1 0 日0 2 时开始( 图路) 影响河北的低槽减弱消失，9 4 热带 高压脊势力减小，强对流天气过程基本结束。 322 低空影响系统 8 5 0 h p a 流场：( 图322 a ) 9 日0 8 时，来自盂加拉湾和中国南部海域的话南暖湿气流 在中国东部已经形成，河北位于一致的匿南气流带的左侧。此时，从河套到华北有两个较明 显的辐合带：其一位于河套南部其二位于河北东北部及辽宁一带。主要是西南气流和东北 回流南下冷空气的交绥。此时，河北中南部大部分地区受西北气流控制。1 4 时温度场上( 图 32 2 c ) ，河北中南部在8 5 0 h p a 上为一明显的暖温度脊，与西南气流配合构成较强的暖湿平 流。1 4 2 0 时( 图322 b ) 河北中南部正好位于气旋性辐合流场的第一和第四象限，强对流 暴雨等爆发。1 0 口0 2 时开始，辐合南撤东移。 从? 0 0 h p a 流场分析：( 圈322 d ) 9 日0 8 时河套南部气旋