“16·7”石家莊特大暴雨多源觀測信息特征分析

李國翠 鈐偉妙,2 李禧亮

(1 河北省石家莊市氣象局，石家莊 050081; 2 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081)

引言

2016年7月19—20日華北出現了當年入汛以來最強降水過程(“16·7”特大暴雨，下同)，此次降水過程為一次影響范圍廣、累積降水量大、持續時間長的極端強降水過程，其總體強度和影響范圍較“96·8”(1996年8月)強，僅次于“63·8”(1963年8月)[1]。河北省強降水時段出現在19日凌晨到20日夜間，強度為“96·8”以來最強降雨，暴雨過程來勢兇猛，呈現過程降水量大、降水強度強、持續時間長、影響范圍廣等致災特征，強降雨引發太行山沿山一帶洪水爆發，部分山區出現山體滑坡或泥石流等地質災害，造成道路、電力、通訊等設施受損；平原大部分地區城市內澇嚴重，部分城區斷水、斷電、斷交，給人民生活和生命財產造成重大損失。據民政部門統計[2]，此次暴雨共造成華北及附近地區1476.2萬人受災，164人死亡，125人失蹤，直接經濟損失311.4 億元。據新華社報道[3]，此次特大暴雨導致河北省72人死亡，78人失聯，受災人口855.6萬人，倒塌房屋49033間，損壞房屋106373間，農作物受災面積707.4千公頃，絕收面積27.7千公頃。暴雨過后，黃壁莊水庫和崗南水庫水域面積增加120%以上，泄洪后沿途過水面積約95.2 km2。暴雨還引發河北境內3個河系水勢普遍上漲，朱莊水庫、臨城水庫、洺河臨洺關水文站分別出現100年、50年、50年一遇洪水[4]。

暴雨天氣預報一直是預報員關注的重點和難點之一，相關氣象學者在暴雨的分析研究方面做了大量的工作并取得了豐碩的研究成果。在相關進展方面，趙思雄等[5]對暴雨機理與預報研究進展做了概括綜述，張文龍等[6]對華北暴雨的研究進展進行了概括，眾多學者從華北暴雨數值模擬[7]、濕位渦診斷[8]、臺風暴雨統計[9]、中尺度對流系統結構特征[10-11]、雨滴譜特征[12]等方面做了大量研究，對于歷史有名的特大暴雨天氣過程，“96·8”河北特大暴雨的分析成果有很多[13-18]，研究內容涉及到暴雨的中尺度對流云團特征分析、數值模擬研究和濕位渦應用等方面，孫明生等[19]對“7·21”北京特大暴雨的成因進行了分析研究，楊磊等[20]對“8·16” 遼寧特大暴雨的多尺度特征分析，苗愛梅等[21]對山西大暴雨與低空急流配置進行了統計分析?！?6·7”河北特大暴雨的研究也已有很多成果[22-23]，符嬌蘭等[1]研究分析了“16·7”華北極端強降水特征及天氣學成因，陳碧瑩等[2]利用GFS資料、衛星雷達和氣象觀測資料，借助WRF模式對“16·7”特大暴雨進行診斷分析和模擬研究，討論了暴雨發生的環境要素配置及低渦系統的演變機制。

此次特大暴雨的相關研究分析多在成因分析和模擬診斷方面，對新資料分析還很少，本文基于L波段風廓線雷達、多普勒天氣雷達、地基GPS水汽、微波輻射計、衛星云圖、閃電定位儀和地面加密氣象觀測等多種新型探測資料，對石家莊特大暴雨天氣過程的小時演變特征進行分析和總結，提煉特征指標，以期對強降水的天氣預報提供借鑒參考。

1 降水實況

受高空低渦、副熱帶高壓和地面氣旋共同影響，2016年7月19日凌晨到20日夜間，石家莊出現一次特大暴雨天氣過程(圖1)，強降水時段主要出現在19日白天到20日上午。全市平均降水量256.4 mm，中西部縣(市)有131個地面加密自動站降水量超過250 mm，20個加密自動站超過500 mm，井陘、平山、元氏和贊皇有9個站超過600 mm，贊皇的嶂石巖站最大為814.7 mm。市主城區降水量160.4～330.7 mm，烈士陵園最大。統計石家莊歷年來強降雨天氣過程，“16·7”特大暴雨過程為“96·8”特大暴雨以來最強降雨過程。

圖1 2016年7月18日20:00至21日08:00石家莊降水量空間分布

“16·7”特大暴雨過程起止時間為19日00:00至21日08:00，降雨持續時間長達56 h，其中強降雨持續時段從19日04:00一直持續到20日14:00左右，持續時間長達34 h，呈現出小時雨強大和強降雨持續時間長等特征，小時雨強超過50 mm/h的有66站次，小時雨強超過100 mm/h的有2站次，其中19日16:00—17:00贊皇的嶂石巖小時雨強最大為139.7 mm/h，19日18:00—19:00平山的東回舍小時雨強為109.7 mm/h。

以贊皇的嶂石巖和元氏的代家溝地面加密自動站為例，分析嶂石巖小時降水量和代家溝小時降水量隨時間的演變情況(圖2)，嶂石巖過程降水量為814.7 mm，小時降水量超過20 mm的短時強降雨持續時段為19日11:00—14:00和15:00—20:00、19日22:00至20日05:00，累計時間長15 h，其中19日15:00—16:00、16:00—17:00、17:00—18:00、19日23:00至20日00:00的4 h的小時雨強超過50 mm/h。代家溝降水起止時間為19日00:00至21日02:00，過程降水量為667.6 mm。19日13:00至20日05:00小時降水量持續大于20 mm，持續時間長達16 h，其中19日14:00—15:00小時雨強最大為72.2 mm/h，19日13:50—13:55、14:15—14:20、16:50—16:55的5 min降水量高于10 mm，其中19日14:15—14:20時段5 min降水量最大為12.3 mm。

圖2 2016年7月19—20日贊皇嶂石巖小時降水量(a)和元氏代家溝小時降水量(b)的時間演變

2 環境條件

2.1 水汽條件

2.1.1 地基GPS水汽總量(PWV)

分析7月18日08:00至21日08:00石家莊GPS水汽總量、小時降水量隨時間變化(圖3)可以看出，石家莊降水出現時間在19日05:00至20日13:00、20日15:00—16:00和20日20:00至21日02:00，其中20日下午和前半夜降水出現間歇，小時降水量超過5 mm的強降水出現在19日08:00至20日12:00。分析GPS水汽總量的小時變化趨勢，18日白天水汽總量一直呈快速上升趨勢，18日20:00至20日13:00GPS水汽總量一直維持50 mm以上的高值狀態，其中19日17:00至20日02:00水汽總量超過60 mm，19日20:00達62.5 mm的最高值，20日13:00之后水汽總量迅速下降。強降水出現時間與GPS水汽總量高值階段相對應，GPS水汽總量的突增時間比降水開始提前21 h，說明水汽積累到一定程度即充分的水汽供應是強降水出現的必要條件，符合暴雨形成的水汽條件，對降水開始時間有提前預警作用，此表現特征與以前研究結論也基本一致[24-25]。另外，水汽總量突降時間與降水結束時間基本一致。

圖3 2016年7月18日08:00至21日08:00石家莊GPS水汽總量和小時降水量時間演變

相比GPS水汽總量而言，相對濕度的高值(圖略)也同樣對應降水時段，但18日14:00—17:00低值階段、20日23:00至21日08:00高值階段對降水無指示作用，這與相對濕度日變化有關。

2.1.2 地基微波輻射計水汽總量

圖4為石家莊地基微波輻射計(位于鹿泉，石家莊國家氣象觀測站所在地)反演的水汽總量IWV，時間分辨率為1 s，由于19日20:00之后資料缺測，因此僅用19日20:00之前的資料進行分析。降水開始前水汽總量IWV一直處于增長狀態，IWV從18日08:00的40 kg·m-2緩慢上升至18日20:00的55 kg·m-2再升至19日04:00的60 kg·m-2，19日04:00開始IWV持續高于60 kg·m-2，對應05:30降水開始出現。19日08:00—20:00 IWV介于60.0～82.5 kg·m-2之間，極大值出現在19日16:26，此階段對應降水階段，其中19日08:00—10:00和15:00—20:00兩個階段對應的IWV為70～82 kg·m-2，對應降水強度也較大，11:00—14:00降水強度相對較弱。以上分析說明降水開始前水汽總量IWV處于緩慢上升階段，水汽總量IWV超過60 kg·m-2時對應降水的開始，IWV的高值階段(60～83 kg·m-2)對應降水時段，且IWV大小與降水強度成正相關，此變化趨勢與GPS水汽總量變化趨勢基本一致。

圖4 2016年7月18日08:00至19日20:00石家莊地基微波輻射計反演水汽總量時間變化

2.2 風場特征分析

分析7月19日00:00至20日18:00石家莊L波段低對流層風廓線雷達(位于鹿泉，石家莊國家氣象觀測站所在地)風場隨時間演變(圖5)，可以看出：①19日05:00之前低層風向雜亂無組織且風速小，對應實況無降水。②19日05:30之后風場開始變得有組織性，05:30—13:00低層風場轉為東南風，高層為偏南風，風速越來越大。13:00—22:00低層為偏東風，高層偏南風增大，且低層和高層風速都呈逐漸增大趨勢，6000 m高度南風增大到20 m·s-1并向上向下擴展，此階段開始有弱降水出現。③19日22:00至20日14:00低層轉為一致的東北風，且風速普遍達到東北風急流標準，高層為東南風或東風，其中19日22:00至20日09:00東北風高度伸展到4000 m，之后東北風高度下降。④20日15:00之后低層轉為西北風，對應強降水過程的結束。

圖5 2016年7月19日00:00至20日18:00石家莊L波段雷達風廓線時間演變

2.3 低空急流和0～3 km垂直風切變

分析垂直風隨時間演變發現，19日00:00至20日10:00 0～3 km低層最大風速均超過12 m·s-1，其中19日07:00到20日04:00低層最大風速超過20 m·s-1，20日08:00東北風最為深厚且風速較大，超過20 m·s-1的東北風從630 m伸展到3870 m，其中1110 m風速最大為25.9 m·s-1。低空急流出現時間比降水開始時間提前5 h，低空急流消散時間比降水結束時間早3 h，說明低空急流的開始時間和結束時間對降水的起止時間有一定指示意義，超過20 m·s-1的東風急流出現時間與強降水出現時間基本吻合，對強降水也有一定指示作用。

圖6 2016年7月18日16:00至20日16:00石家莊低空急流指數和0～3 km垂直風切變(a)及低空急流最低高度和0～3 km最大風速(b)隨時間演變

低空急流指數和0～3 km垂直風切變呈現先升后降的變化趨勢，低空急流指數19日06:00之前低于0.02 s-1, 19日07:00至20日10:00上升到0.02 s-1以上的峰值，19日12:00至20日04:00高于0.1 s-1，20日04:00—10:00出現突降趨勢從0.158 s-1降到0.016 s-1；0～3 km垂直風切變同樣呈現先升后降的變化趨勢，19日00:00—10:00呈上升趨勢，10:00垂直風切變為5.9×10-3s-1,之后維持高值階段，20日03:00開始降到5×10-3s-1以下。相比而言，低空急流指數和0～3 km垂直風切變均對降水有指示意義，二者的上升對應降水開始，高值階段對應強降水階段，下降對應降水結束，相比而言，低空急流指數對降水的相關性更為明顯。

2.4 層結穩定度條件

分析降水開始前的邢臺探空站(距離石家莊最近的探空站)對應的層結曲線，18日20:00對流有效位能CAPE為1028 J·kg-1，K指數為38 ℃，沙氏指數SI為-1.37 ℃，850 hPa與500 hPa的溫度差為24 ℃，地面假相當位溫71.46 ℃，且河北省中南部位于等值線梯度大值區即高能區一帶。探空層結曲線呈現上下層濕、中層(669～459 hPa)干區的特點，說明降水開始前層結不穩定且存在明顯的不穩定能量，對流抑制小，垂直風切變明顯，容易產生對流降水；19—20日對流有效位能和沙氏指數呈持續下降趨勢，其中19日08:00和20:00對流有效位能分別降至78.1 J·kg-1和286.8 J·kg-1，20日趨于零，19-20日的沙氏指數轉為正值，說明大氣層結趨于穩定，但由于K指數和假相當位溫維持高值，說明總能量維持的同時不穩定能量總體下降，對應前期的對流降水和后期的穩定性降水。

3 中尺度特征分析

3.1 多普勒天氣雷達回波特征

分析石家莊新一代天氣雷達(位于新樂，SA波段雷達)的回波演變特征(圖7)，回波類型表現為大范圍的層狀云和積狀云的混合降水回波，其中19日回波以層積混合為主，伴有間斷的弱對流性質；20日回波以層狀云和穩定性降水為主。強度回波具有密實的片絮狀結構，回波質心位置普遍較低，30 dBz以上的強回波普遍位于5 km以下的中低層，且較強回波在某一地點影響時間較長，列車效應明顯，強回波介于45～55 dBz之間。垂直累積液態水含量值較低，大多位于0～10 kg·m-2，最大值不超過30 kg·m-2?；夭敻叨嗟陀?2 km。雷達回波屬于熱帶降水類型，降雨效率高。雷達反射率因子、垂直累積液態水含量、回波頂高與對應的降水量呈明顯正相關。

圖7 2016年7月20日02:00石家莊SA波段多普勒天氣雷達1.5°仰角反射率因子(a),沿110°E作反射率因子垂直剖面RCS(b),1.5°仰角徑向速度(c),VWP風廓線演變(d)

徑向速度場主要表現為大面積入流速度和出流速度，零速度線呈“S”形，低層為東風，高層為東南風，存在明顯的暖平流。19日15:00之后高空風速明顯加大，近地面和低層風速都達到12 m·s-1的低空急流標準，19:30—21:18近地層出流速度區出現速度模糊，正負速度值分別為29 m·s-1和-23 m·s-1，平均速度26 m·s-1。20日04:42—07:54入流速度區出現速度模糊，其中20日06:42入流速度和出流速度均出現速度模糊，正負速度值分別為21 m·s-1和-27 m·s-1，風向為東北風。雷達風廓線圖，19日午后低層有持續偏東風，風向隨高度順轉，風速逐漸增大，15:00已達到急流標準，17:30 1 km左右高度風速開始超過20 m·s-1。夜間地面氣旋北上，21:00后，偏東風高度升至2～3 km，1.5 km以下轉為東北風，0.6～1.2 km風速超過20 m·s-1且不斷向上擴展，20日00:00擴展到2.4 km高度。偏東風(東北風)的持續加強是石家莊中西部強降雨得到維持的重要原因。

3.2 雷達回波強度與6 min降水對應分析

以元氏的代家溝自動站為例，分析逐個體掃(6 min)的雷達組合反射率因子、垂直累積液態水含量和回波頂高和對應降水量演變情況。代家溝過程降水量為667.6 mm，降雨主要分為3個階段：第1階段為19日00:30—07:30，對應間斷性陣雨;第2階段為19日07:30至20日14:48，為持續性降雨;第3階段為20日14:48至21日01:12，為間斷性陣雨。

圖8為元氏代家溝6 min雷達回波和對應降水量的時間演變，分析可以看出，組合反射率因子(CR)、垂直累積液態水含量(VIL)和回波頂高(ET)最大值分別為55 dBz、15 kg·m-2和11 km。19日13:36—17:00(除15:12—15:18和16:00—16:06兩個體掃)和18:48—19:54的6 min降水量大于2.5 mm，期間組合反射率因子40～55 dBz，回波頂高8～9 km。其中14:18—14:24和16:48—16:54 6 min降水量分別為13.6和13.5 mm，對應的組合反射率因子50～55 dBz，回波頂高8～9 km。

圖8 2016年7月19日00:00至21日20:00代家溝雷達組合反射率因子CR(a)、垂直累積液態水含量VIL(b)、回波頂高ET(c)和6 min降水量時間演變

3.3 衛星資料分析

分析FY-2衛星的紅外云圖演變，19日凌晨到上午，云團主要位于山西、河北一帶，對應中尺度對流云團自西向東移動，對應高空槽前的暖區降水，面積不斷增大；19日下午到夜間，隨著高空渦和地面氣旋的北移，影響河北省中南部的云系轉為自南向北移動的螺旋狀云帶，表現為渦旋特征，色調較白，云的邊界整齊光滑，云類型以層積混合云為主，云層較厚。19日石家莊對應的云頂亮溫TBB介于-55～30 ℃之間(圖9)，低于-50 ℃的位于19日傍晚到夜間，強降雨帶主要位于云系邊緣TBB梯度的大值區域，且云帶自南向北持續影響石家莊一帶，具有明顯的“列車效應”，降水效率高且持續時間長，導致強降雨。20日上午之后隨著高空渦和地面氣旋的北移，螺旋云帶主體云系也隨之北移，石家莊轉為層狀云為主的弱降雨，對應的TBB值明顯升高。

圖9 2016年7月18日20:00至21日08:00石家莊云頂亮溫TBB隨時間演變

3.4 閃電監測分析

分析ADTD閃電定位監測得到的地閃分布(圖10)，可以看出，此次過程對應出現的地閃大部分出現在19日白天，且閃電密度總體較低，20日基本無閃電出現，且閃電分布與雷暴觀測相吻合。19—20日石家莊共出現地閃128次，主要出現時段為19日07:00—09:00(東部平原的晉州、深澤和辛集)和19日17:00—21:00(西部山區的平山、井陘)，占總地閃次數的98.4%，20日僅有零星閃電出現；正地閃和負地閃出現次數基本相當，最大負地閃強度為50.7 kA，最大正地閃強度為66.7 kA，強度超過50 kA 的地閃占總次數的4%，說明此次暴雨天氣過程對流活動僅出現在19日且對流強度較弱。

圖10 2016年7月19—20日石家莊地閃分布

4 結論與討論

“16·7”石家莊特大暴雨主要出現在19日白天到20日上午，全市平均降水量256.4 mm，贊皇的嶂石巖最大為814.7 mm，降雨持續時間長達56 h，短時強降雨累計15 h，其中4 h的小時雨強超50 mm·h-1，贊皇的嶂石巖小時雨強最大為139.7 mm·h-1，出現在19日16:00—17:00?；陲L廓線雷達、地基GPS水汽、微波輻射計、多普勒天氣雷達、衛星云圖和閃電等多種觀測資料，對“16·7”石家莊特大暴雨過程進行分析，得出以下結論：

(1)GPS水汽總量(PWV)和微波輻射計水汽總量(IWV)變化與強降水變化趨勢基本一致，降水出現時間與水汽總量PWV和IWV高值階段相對應，PWV為50～63 mm，IWV為 60～83 kg·m-2，且水汽總量與降水強度呈正相關。降水開始前水汽總量PWV和IWV均存在一個明顯上升階段，水汽總量PWV和IWV的突增明顯提前于降水開始時間，其中突升到高值的時間比降水開始時間提前5 h，說明充足的水汽是強降水出現的必要條件，對降水開始時間預報可起到提前預警作用。

(2)風場特征表現為降水前風向雜亂風速小且無組織，降水階段低層風轉為一致偏東風且風速增大，甚至達到東北風急流標準，低層風向轉西北風預示強降水結束。低空急流出現時間比降水開始時間提前5 h，低空急流消散時間比降水結束時間早3 h，說明低空急流的開始時間和結束時間對降水起止時間有一定指示意義，且超過20 m·s-1的東風急流出現時間與強降水出現時間基本吻合，對強降水也有一定指示作用。暴雨出現前低空急流所能達到的最低高度出現下降趨勢和低層最大風速對應增加趨勢，降水結束對應低空急流最低高度的上升和低層最大風速的下降，強降水階段對應低空急流最低高度的谷值和最大風速的峰值。低空急流指數和0～3 km垂直風切變呈現先升后降的變化趨勢，上升對應降水開始，高值階段對應強降水階段，下降對應降水結束，相比而言，低空急流指數對強降水的相關更為明顯。

(3)此次特大暴雨過程對流活動較弱，僅在19日伴有弱閃電和雷暴出現。雷達回波和衛星云圖表現為大范圍層積混合云降水回波，強降雨時對應的云頂亮溫介于-55～-30 ℃之間，雷達強回波介于45～55 dBz之間，回波質心普遍較低，30 dBz以上強回波位于5 km以下的中低層，屬于熱帶降水類型，列車效應明顯。垂直累積液態水含量為0～10 kg·m-2，最大不超30 kg·m-2，回波頂高多低于12 km，元氏代家溝雷達反射率因子、垂直累積液態水含量和回波頂高最大值分別為55 dBz、15 kg·m-2和11 km，與 6 min降水量具有明顯正相關關系。徑向速度場零速度線呈“S”形，存在明顯暖平流。近地面和低層風速存在大值區達到低空急流標準，對應速度模糊，正負速度分別為29 m·s-1和-27 m·s-1。