金曉青，李江波，于 雷，閆雪瑾，于愛兵，申莉莉

（1.河北省氣象臺，河北 石家莊050021；2.保定市氣象臺，河北 保定071000）

鋒前暖區(qū)暴雨具有降水強度大、局地性強、影響系統(tǒng)弱和突發(fā)性強等特點，因此給預報帶來了很大的難度。傳統(tǒng)天氣學中，鋒前暖區(qū)暴雨主要是指華南5月中旬后受東亞季風影響，降落于冷鋒前部的暖區(qū)中的暴雨。具體定義為：華南暖區(qū)暴雨發(fā)生在華南地面鋒面的南側(cè)暖區(qū)，或是在南嶺至南海北部沒有鋒面存在，華南不受冷空氣或變性冷高脊控制，有時發(fā)生在西南氣流和東南氣流的匯合處，有鋒面時暴雨區(qū)位于地面鋒區(qū)以南200～300 km處[1-2]。因此當前已有的暖區(qū)暴雨的研究主要集中在華南地區(qū)前汛期暴雨[3-10]，然而目前針對北方暖區(qū)暴雨的研究相對較少。早在1981年游景炎就對太平洋副熱帶高壓北側(cè)暖區(qū)內(nèi)發(fā)生的一次暴雨過程進行分析[11]，指出在行星邊界層600 m出現(xiàn)脈沖式的西南急流，起著向暴雨區(qū)輸送大量水汽以及使急流左側(cè)氣旋性渦度發(fā)展觸發(fā)強暴雨的作用，同時，邊界層風速輻合線對強暴雨的觸發(fā)與維持也起著重要作用。2012年7月21—22日，北京、河北等地出現(xiàn)了一次特大暴雨天氣過程，諶蕓、孫軍等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，此次降水過程前期的強降水屬于暖區(qū)暴雨,具有開始時間早,強降水中心分散,持續(xù)時間長的特點。暖區(qū)降水主要受低渦切變、低空急流、地面輻合線、地形等作用，在邊界層極端高濕區(qū)觸發(fā)和維持。專家們針對北京、河北“7·21”特大暴雨從多尺度特征、中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境場特征、暴雨云團的發(fā)生和傳播機理、高分辨率模式分析場及預報分析、水汽異常和降水異常成因、地形作用等方向進行了相關(guān)分析[14-21]。2012年7月8日河南東北部、山東南部、江蘇北部也先后出現(xiàn)暖區(qū)大暴雨、特大暴雨，降水強度和持續(xù)時間都比北京“7·21”特大暴雨更甚，徐珺等[22]對此次強降水過程的中尺度系統(tǒng)環(huán)境特征及發(fā)生發(fā)展特點進行了分析，發(fā)現(xiàn)其雷達回波具有明顯的后向傳播、列車效應和熱帶降水型特點。2013年7月1日，河北省中部出現(xiàn)一次特大暴雨過程，孔凡超等[23]分析指出此次暴雨天氣分為暖區(qū)暴雨和切變暴雨2個階段，暖區(qū)暴雨在地面中尺度渦旋的影響下，由中β尺度對流云團在初生和發(fā)展階段造成。以上研究說明北方地區(qū)鋒前暖區(qū)暴雨也時有發(fā)生，而且可能具有更大的降水強度、更強的突發(fā)性，造成更大的損失。

風暴運動可以從雷達回波圖上獲得，它是平流和傳播的合成[24]。平流是指風暴承載層的平均氣流方向；而傳播是指在風暴的某側(cè)由新生單體引發(fā)的風暴運動。當傳播的方向與平流的方向相反，且傳播的速度大于平流的速度時，風暴運動的方向與平流方向相反。由于傳播的方向與平流方向相抵消，會導致回波移動緩慢，給某一地區(qū)造成短時強降水。中國有一些對雷暴后向傳播個例的研究：徐珺等[22]對2012年7月8日河南東北部、山東南部、江蘇北部出現(xiàn)的暖區(qū)大暴雨、特大暴雨強降水過程的中尺度系統(tǒng)環(huán)境特征及發(fā)生發(fā)展特點進行了分析，發(fā)現(xiàn)其雷達回波具有明顯的后向傳播、列車效應和熱帶降水型特點；陳明軒等[14]通過觀測和模擬結(jié)果綜合分析，初步得出了低層熱、動力配置的概念模型，為北京“7·21”特大暴雨中MCS“列車效應”和后向傳播特征的機制分析提供了依據(jù)；孫敏等[25]對2013年9月13日上海地區(qū)的一次后向傳播雷暴過程機制進行分析，發(fā)現(xiàn)該次過程后向傳播的主要原因是：向西南方向推進的地面陣風鋒與原有的地面輻合線共同形成了雷暴西南側(cè)局地鋒生區(qū)，與新生對流區(qū)的位置一致。

2013年8月11日下午到夜間，河北中南部地區(qū)發(fā)生了一次對流暴雨過程，雨帶發(fā)生于距離鋒區(qū)較遠的副高外圍的西北側(cè)暖區(qū)內(nèi)，對流雨帶中雷暴單體的生成具有后向傳播特征，主客觀預報很難對其作出準確預報，因此值得對這次暴雨過程的環(huán)流背景、環(huán)境場特征、尤其是中尺度雨團后向傳播特征等進行分析，探討其發(fā)生機制，加深對此類暴雨的認識，提高預報能力。

1 資料介紹

分析中采用了常規(guī)觀測、雷達、衛(wèi)星、加密自動站資料以及ERA-Interim再分析0.5°×0.5°資料。

本文采用了以三維云尺度數(shù)值模式和雷達資料四維變分同化（4DVar）技術(shù)為核心的變分多普勒雷達分析系統(tǒng)（VDRAS）的產(chǎn)品。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多部多普勒天氣雷達資料的快速更新循環(huán)同化分析，從而得到與風暴系統(tǒng)生消發(fā)展密切相關(guān)的三維動力和熱動力特征[14,26]。該系統(tǒng)產(chǎn)品同化了京津冀6部雷達，探測范圍為550 km×550 km，覆蓋京津冀大部分地區(qū)，中心點在（40.15°N、116.21°E），水平分辨率為5 km，垂直分辨率400 m，最低層為200 m。擾動溫度為本點溫度減去本層的平均溫度，表示溫度場的相對冷暖，可用以指示冷池、暖舌、冷暖交匯形勢；擾動溫度梯度是溫度的水平梯度，指示擾動溫度的空間變化幅度，可定性指示陣風鋒（雷暴出流）的相對位置和強弱；垂直速度向上為正值。

2 天氣實況

圖1 8月11日08時—12日08時累計降水量（a）和11日18時河北省自動站1 h降水（b）（黑色等值線）

2013年8月11日08時—12日08時，冀中南地區(qū)出現(xiàn)大范圍強降水和雷暴大風天氣，全省平均降水量為23.9 mm，最大值出現(xiàn)在深澤，為147.2 mm（圖1）。強降雨分為2個階段：第一階段為11日的15：00—18：00，對應雨帶1；第二階段為20：00—23：00，對應雨帶2（圖1a橙色實線所示）。逐小時降水分布表明（圖1b），雨帶1自東北向西南發(fā)展，與引導氣流（西南風）反向，即雨帶1對應的降水云團呈“后向傳播”。本文主要針對雨帶1的成因及其可預報性進行分析。另外，強降水過程中，藁城、趙縣、臨城等臺站先后出現(xiàn)了8～10級雷暴大風。

3 環(huán)流背景及環(huán)境場特征分析

3.1 大尺度環(huán)流特征

11日08時，東亞大陸上空500 hPa環(huán)流呈“兩槽兩脊”。其中高空槽位于蒙古國中部和勘察加半島附近，高壓脊位于我國新疆地區(qū)和內(nèi)蒙古東部，蒙古國高空槽南伸至河套。我國內(nèi)蒙古東部的高壓脊與其南側(cè)的西太平洋副熱帶高壓（下文簡稱副高）同位相疊加，構(gòu)成“西低東阻”的形勢，系統(tǒng)移速緩慢。11日08時，120°E處588 dagpm線抬至40°N以北，副高的位置達到2013年入夏以來最北點，有利于冀中南低層大氣維持高溫高濕的狀態(tài)。11日08時—12日08時副高略有南落，出現(xiàn)深厚濕對流。

11日08時850 hPa，河北省受偏南氣流控制（圖略）。晉冀交界處有一暖式切變線，同時河北中部有西南風與東南風的切變線，邢臺與北京之間有風速輻合。溫度場上，由于江淮流域暖中心的北部暖脊北伸，京津冀地區(qū)溫度達21～22℃，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的形成與維持。

在地面天氣圖上，河北處于高壓后部，冷鋒前部的暖區(qū)中，中東部大部分地區(qū)為東南風。

綜上，本次過程為為副高外圍、冷鋒前部的暖區(qū)內(nèi)觸發(fā)的的深厚濕對流，副高外圍的西南氣流為本次過程提供了有利的水汽和不穩(wěn)定能量條件。

3.2 中尺度環(huán)境分析

3.2.1 熱力及不穩(wěn)定條件分析

分析11日08時北京站和邢臺站的探空曲線發(fā)現(xiàn)，二者的對流有效位能，均超過3000 J/kg，且對流抑制能量較小。500 hPa以下風隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，北京探空站400～500 hPa間有冷平流，形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)。對流參數(shù)的變化（表1）表明，兩探空站的對流參數(shù)較前一時次有明顯增強，K指數(shù)分別達到34℃和38℃，沙氏指數(shù)達到-4.12℃和-3.36℃。需要指出的是，此時北京探空站的對流溫度為30℃，邢臺站的對流溫度為36.9℃，這表明，北京附近的環(huán)流條件更有利于熱雷暴的出現(xiàn)。

表1 北京（54511）、邢臺（53798）探空站參數(shù)列表

王宗敏等[27]提出副高存在明顯的動力、熱力和對流不穩(wěn)定度邊界，對流雨帶發(fā)生在水汽、熱力及對流不穩(wěn)定邊界的內(nèi)側(cè)和副高動力邊界的外側(cè)，本次過程中（圖2），雨帶位于副高動力邊界（上升運動和下沉運動的分界,圖2中藍色虛線）的左側(cè)，有弱上升運動，中心值為-0.2 Pa/s，容易觸發(fā)不穩(wěn)定能量造成對流天氣；動力邊界右側(cè)為明顯的下沉氣流，不利于對流天氣發(fā)展。用假相當位溫θse表征大氣的熱力狀態(tài)，將隨高度向西傾斜的高假相當位溫舌定義為副高的熱力邊界（圖2中紫色虛線），熱力邊界右側(cè)850～600 hPa大氣呈為“上干冷、下暖濕”的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，熱力邊界左側(cè)地面至900 hPa為等θse線的密集帶。對流雨帶發(fā)生在熱力邊界的右側(cè)，具有較好的能量條件。以上分析與王宗敏的結(jié)論一致，本次過程對流雨帶恰好位于副高動力邊界的外側(cè)和熱力邊界的內(nèi)側(cè)，可通過判斷動力邊界和熱力邊界的位置來預報對流雨帶的落區(qū)。

圖2 8月11日14時沿38°N的垂直剖面

3.2.2 抬升觸發(fā)機制

由加密自動站的風場（圖3）知，11日08時，冀東南平原上為東南風，至滄州西部、保定東部為偏東風，石家莊、邢臺和邯鄲的西部為偏西風或偏北風，石家莊東部地區(qū)位于3支氣流的輻合中心（圖3a）。11時滄州地區(qū)的東南風向西推進，保定大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為偏北風，在廊坊—保定東部—石家莊東部一帶形成了一條輻合帶（圖3b），此時降水尚未出現(xiàn)。結(jié)合前文中對流參數(shù)的分析，可知北京附近的對流抑制能量比河北南部地區(qū)要小，更易觸發(fā)對流活動。地面觀測表明，13時在廊坊—保定東部一線（輻合線北側(cè)）出現(xiàn)了弱降水。14時降水區(qū)沿輻合線向南發(fā)展，降水區(qū)后部θse迅速降低,即雨區(qū)后部有干冷區(qū)出現(xiàn)（圖3c），此時河北南部θse≥370 K，地面θse的分布特征對雷暴的維持與加強極為有利。事實上，此時石家莊東部地區(qū)北側(cè)的雷暴出流、東南側(cè)的東南氣流與西部的西北氣流3支氣流交匯，出現(xiàn)中尺度輻合中心，受其影響，新單體在原雷暴的西南側(cè)生成，雷暴（單體）開始后向傳播。17時隨著對流單體后向傳播（圖3d），地面上保定、石家莊地區(qū)的冷池范圍擴大并出現(xiàn)輻散。同時,山西生成的對流云團東北移至冀西南，呈正向（自西南向東北）傳播狀態(tài)。相向而行的兩對流系統(tǒng)，分別在地面上引起出流，兩支出流氣流相遇引發(fā)強輻合并觸發(fā)新單體，進而加強了冀中雷暴的后向傳播特征，同時帶來強降水。石家莊西南部的能量釋放完，雨帶1對應的的強降水過程結(jié)束。

4 后向傳播雷暴的雷達特征和動力熱力結(jié)構(gòu)

4.1 后向傳播雷暴的雷達特征

石家莊雷達0.5°仰角反射率因子表明，15:18分保定東部的陣風鋒（圖4虛線）南段與石家莊東部的地面輻合線近乎正交，交點附近形成強烈的輻合。沿地面輻合線，自北向南依次選取深澤、晉州、藁城劉海莊3個自動站，分別比較陣風鋒過境時間與降水起始時間（圖5）：15：18—15：30陣風鋒經(jīng)過深澤，其降水起始時在15：20—15：30間；15：48—15：54陣風鋒經(jīng)過晉州，其降水起始時間在16：00左右；藁城劉海莊站也有這種對應關(guān)系。上述時間關(guān)系表明，陣風鋒經(jīng)過輻合線后5～10分鐘地面有降水出現(xiàn)。這可能是因為地面輻合線與陣風鋒相交，使得上升運動加強，觸發(fā)了新的對流單體。因地面輻合線呈東北—西南向，且初始對流出現(xiàn)在河北中部，冷池南側(cè)的出流（陣風鋒）與輻合線相交觸發(fā)新單體，因而造成了雷暴的后向傳播。新生單體隨著引導氣流向東北方向移動，形成“列車效應”，造成了雨帶1的強降水。

圖32013 年8月11日地面θse（陰影區(qū)）和風場（風向桿）

圖4 8月11日石家莊雷達15:18 0.5°仰角反射率因子

4.2 后向傳播雷暴的動力和熱力結(jié)構(gòu)分析

為更好的分析對流云團的動力和熱力特征,使用VDRAS產(chǎn)品進行進一步分析。187.5 m高度上擾動溫度、擾動溫度梯度和風場隨時間的演變（圖6）表明，受前期對流影響，15：29保定地區(qū)形成一近乎圓形的冷池，冷池四周為擾動溫度梯度大值區(qū)，大致表征了陣風鋒（雷暴出流）的位置，換言之，冷池四周為一環(huán)形的出流區(qū)，其中冷池東南部的出流最強；而冷池的南部仍為高溫控制，石家莊東部地區(qū)處于溫度的大梯度區(qū)中，呈現(xiàn)西北低東南高的特點。風場上，冷池對應輻散流場，冷池南部為偏南風或東南風，石家莊東部地區(qū)形成一偏北風與東南風的輻合線。15：59由于對流增強并向西南方向傳播，冷池的范圍進一步擴大，強度增強同時向西南方向推進，冷池周圍的陣風鋒也顯著增強，冷池南部仍為高溫控制，石家莊東部地區(qū)的溫度梯度和輻合線維持，預示著對流將進一步向西南方向傳播，這與前面的分析一致。

圖5 8月11日石家莊雷達0.5°反射率因子（單位：dBz）與深澤（a）晉州（b）藁城劉海莊（c）的逐分鐘雨量（單位0.1 mm）

擾動溫度和垂直速度隨時間的演變表明（圖7），2 437.5 m高度上，15：29保定地區(qū)的冷池依然維持，但強度較低層有所減弱，南部同樣為暖區(qū)控制，垂直運動場上冷區(qū)對應下沉運動，冷區(qū)西南部，深澤附近為上升運動，中心值為0.3 m/s，這與前面分析中該時次深澤有對流單體生成也相對應。15：59冷池有所減弱，但相應的下沉運動范圍增大，南部的上升運動中心增強為0.9 m/s，位于深澤和晉州之間，有所南擴，說明對流的向南傳播和發(fā)展。

綜上所述，由于陣風鋒和地面輻合線的共同作用，導致了對流單體不斷在系統(tǒng)西南側(cè)新生，雷暴南側(cè)的陣風鋒還加強了低層的風場輻合，加大了陣風鋒兩側(cè)的溫度梯度，這些都有利于對流的發(fā)展和維持。

4.3 雷暴單體后向傳播機制探討

結(jié)合后向傳播雷暴的天氣尺度環(huán)境分析和中尺度分析，得到此次后向傳播強對流天氣的可能機制：（1）在副高外圍高溫高濕的環(huán)境背景下，不穩(wěn)定層結(jié)條件和水汽條件具備，河北中南部地區(qū)位于副高動力邊界的外側(cè)和熱力邊界的內(nèi)側(cè)，環(huán)境條件非常有利。（2）圖8給出了石家莊東部強降水的概念模型，近地面存在輻合線，雷暴高壓在北京附近形成后陣風鋒向后向傳播，與地面輻合線近乎垂直；（3）地面輻合線與陣風鋒相交處上升運動加強，不斷激發(fā)出新生雷暴，產(chǎn)生了與環(huán)境引導氣流相反的傳播，即有后向傳播出現(xiàn)，新生雷暴并入雷暴群后，隨引導氣流向東北方向移動，造成列車效應。

5 結(jié)論與討論

（1）這是一次發(fā)生在鋒前暖區(qū)的深厚濕對流過程，雨量分布不均，暴雨主要集中在保定、廊坊以南地區(qū)，有兩條暴雨帶。11日下午發(fā)生在保定東部—石家莊東部的強雨帶1自北向南發(fā)展，具有雷暴后向傳播特征。

（2）大尺度環(huán)境背景為此次對流過程提供了有利的不穩(wěn)定條件和水汽條件，低空切變線和地面輻合線為此次強對流提供了初始對流觸發(fā)條件。

圖6 VDRAS資料187.5 m高度的擾動溫度（彩色陰影）、擾動溫度梯度（等值線）和風場

圖7 VDRAS資料2 437.5 m高度的擾動溫度（彩色陰影）、垂直速度（等值線）

（3）本次過程雷暴單體后向傳播可能的機制為：北京附近的對流抑制能量比河北南部地區(qū)要小，更易觸發(fā)對流活動，而且為850 hPa切變線所在處，因此廊坊—保定東部一線（輻合線的北側(cè)）首先出現(xiàn)了雷陣雨，雷暴高壓出現(xiàn)后其南側(cè)的陣風鋒向南移動的過程中與地面輻合線相交處上升運動加強，不斷激發(fā)出新生雷暴，產(chǎn)生了與環(huán)境引導氣流相反的傳播，新生雷暴隨引導氣流向東北方向移動，并入雷暴群，造成列車效應。

圖8 雷暴單體后向傳播概念模型