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user: 3. 结果分析 3.1. 降水概况 图1. 2016年7月18日00时至21日00时(世界协调时)累计降水量(单位：mm)，红色矩形框表示华北区域 图2. 2016年7月18日08时至21日08时华北区域平均的逐小时降水量(单位：mm/h，UTC时间) 2016年7月18日00时至21日00时(UTC时间，当地时间 = UTC时间 + 8小时)，华北地区出现了区域性大雨天气，部分地区大暴雨，72小时的降水量结构呈“人”型结构分布，降水的空间分布类似“锢囚锋”的形状。主要的强降水中心位于华北地区山西、河北两省交界处(图1)。“人”字型的一“撇”从降水中心北部的山西大同，经过山西、河北、山东西部、河南、湖北中部、重庆南部，一直延伸到川黔交界一带，“人”字型的另一“撇”则从河北保定附近经北京、天津，伸展到东北南部的辽宁内蒙交界处，降水的空间分布表明，此次暴雨天气过程雨量大、影响范围广。其中，山西东部、河北西部及东北部、北京大部72小时累计降水量超过400 mm，山西中东部、河北大部、北京、天津等地累计降水量达200 mm。 参照文献 [ 11 ] 的华北范围，选取图1中矩形框作为华北区域选择范围，图2给出了华北区域平均的逐小时变化降水。由图2可见，此次降雨过程维持时间长，从18日12时(UTC时间)华北就开始出现降水，整个降水出现两次峰值，第一次出现在19日02时，小时降水量为1.7 mm/h，为次高峰；第二次出现在20日00时，小时降水量为2.6 mm/h，为最高峰。自18日13时起，逐小时降水量逐渐增大，至19日02时达到此次降水活动的次峰值，之后降水量缓慢减少至1.3 mm/h，而随后天气系统增强，降水量持续增长，于20日00时达到此次降水活动的最高峰。此后，冷涡向东北移动，雨势减缓，至21日00时此次降雨过程基本结束。 3.2. 2016年7月18日~20日华北暴雨的天气形势 图3. 2016年7月18日12时(a)、19日12时(b)、20日12时(c)、21日12时(d) 500 hPa风场(单位：m/s)和位势高度场(等值线，单位：gpm) (世界协调时) 暴雨是在有利的大尺度天气形势下产生的 [ 1 ]。图3给出了2016年7月18日~21日逐日12时的500 hPa天气形势图。由图可见，在7月18日12时(图3(a)) 500 hPa天气图上，欧亚大陆东部中高纬地区是一个低涡带，低涡中心位于贝加尔湖北部59˚N附近，中心数值达到5560 gpm，其南部环流比较平直，平直的西风气流随着经度在我国东北以北地区向东北倾斜，表明中国东部地区东亚夏季风异常偏强。在中纬度地区，副热带高压呈纬向分布，590等位势高度线形成一个闭合的环流，副高主体位于台湾北部海域，副高脊线大约位于25˚N，表明副高位置异常偏北；副高的西脊点位于123˚E附近。需要指出的是，西南低涡在该时刻已经到达内蒙古与陕西交界处 [ 7 ]，西南低涡在副热带高压的阻挡下，缓慢东移。24小时后(图3(b))，位于中高纬度的低涡东移到贝加尔湖东北部的连斯克附近，其中心位势高度值变化不大，但是其影响范围明显比18日12时要小。7月18日12时西南低涡已经进入华北西部，使得华北降水开始逐渐加大，直到7月19日00时华北出现了第二次峰值降水(图2)。7月20日12时(图3(c))，西南低涡整体进入华北区域，其中心位势高度变低，此时副热带高压异常偏强，590等位势线和7月19日12时相比，明显偏西，西南低涡和异常偏西的副热带高压之间形成的位势高度差，非常有利于两者之间低空急流的维持。图4(c)也清楚地显示出此时在西南低涡与副高之间有一明显的低空急流。到了7月21日12时，西南低涡消失，尽管副高的主体已经呈现出经向分布，但是由于西南低涡的消失，此时的降水量也逐渐减少。 图4. 2016年7月18日12时(a)、19日12时(b)、20日12时(c)、21日12时(d) 700 hPa位势高度场(单位：gpm)、温度场(单位：˚C)、风场(单位：m/s，阴影区为风速大于16 m/s的极大风速带) 低空急流被认为是给中纬度暴雨提供水汽和动量的重要机制 [ 17 ]。图4给出了700 hPa天气形势图。在18日12时(图4(a))，副热带高压和500 hPa一样，仍呈纬向分布，在河套北部有一个8℃的闭合冷中心，华北位于副热带高压的外围线控制之下。24 h后(图4(b))，在山西南部出现一个闭合的低值系统，这正是华北冷涡。在华北冷涡的西南部有一支范围较大的低空急流，正是该低空急流的存在，使得来自海洋的暖湿气流源源不断地到达华北地区，导致华北降水在该时刻出现增大。到了20日12时(图4(c))，虽然华北冷涡的范围较24小时前有所变大，但是低空急流范围有所减小，使得该时刻华北降水开始减少。21日12时以后(图4(d))，华北冷涡填塞消失，低空急流也消失不见，气流沿副热带高压外围从西南流向东北，华北降水也逐渐停止。 图5. 2016年7月18日12时(a)、19日12时(b)、20日12时(c)、21日12时(d) 850 hPa位势高度场(单位：gpm)、温度场(单位：˚C)、风场(单位：m/s，阴影区为风速大于12 m/s的极大风速带) 850 hPa显示的低空急流出现的时间要比700 hPa的低空急流要早，消失的时间要迟。由图5(a)可见，在18日12时，有一个西南低涡出现在我国的四川盆地，西南低涡的东南侧已经有一支低空急流。西南低涡的北部，有一弱的锋区存在。到了19日12时(图5(b))，在我国华北平原的西南部和四川盆地及以东地区，出现了两个低值中心，其中一个低值中心位于我国的河南省附近，该低值中心和副热带高压之间形成的气压梯度非常有利于低空急流的维持。20日12时(图5(c))，位于河南省的低涡北上到山西和河北省境内，正是由于这个低涡的北上导致了华北暴雨的发生。此时低涡与副高之间的低空急流范围要比700 hPa上的范围要大，低空急流的出口位于北京、河北承德及蒙古赤峰市境内，华北强降水中心大约位于850 hPa低空急流出口处的左侧。到了21日12时(图5(d))，随着华北上空低涡消失以及低空急流的减弱，整个华北降水逐渐停止。 3.3. 高低空急流耦合对2016年7月18日~21日华北暴雨的影响 高低空急流的耦合对这次暴雨有着重要的作用 [ 10 ]。图6给出了200 hPa的高空急流、700 hPa和850 hPa低空急流的相对位置以及随后12小时降水量的空间分布。由图可见，7月18日08时(图6)，高空急流由两支组成，一支已经东移，另一个急流带主要从高原主体向华北延伸，华北位于该急流出口区的右侧，此时，高空急流和地面冷锋共同作用，导致了未来12小时的降水，使华北产生第一次降水峰值；到了18日12时(图7)，高原主体向华北延伸的高空急流分成了两个独立的急流核，此时华北处于高空急流入口区的右侧，华北强降水主要处于高空急流入口区右侧以及低空急流旋转处，这是该次暴雨形成原因的一个重要特点。低空急流携带着充足的水汽卷入到华北区域冷涡的涡旋运动中，使得华北上空处在低层暖湿气流，高层干冷空气的影响下，非常有利于对流不稳定的产生。 图6. 2016年7月18日08时高低空急流与随后12小时的降水叠加图(实等值线：200 hPa高空急流，黑色长虚线：700 hPa低空急流；绿色点线：850 hPa低空急流，阴影：18日08时~18日20时累计降水量) 图7. 2016年7月18日12时高低空急流与随后12小时的降水叠加图(实等值线：200 hPa高空急流，黑色长虚线：700 hPa低空急流；绿色点线：850 hPa低空急流，阴影：18日12时~19日00时累计降水量) 3.4. 2016年7月18日~21日华北暴雨水汽条件分析 源源不断的水汽供应是暴雨形成的重要条件之一 [ 1 ]。图8给出了整层积分的水汽通量。由图可见，在7月18日12时(图8(a))，水汽自阿拉伯海过孟加拉湾到达华北南部地区，导致华北于7月18日后开始出现降水，并产生一个降水次高峰(图2)。到了19日12时，24小时后(图8(b))，这部分水汽和副高南部的偏东风水汽在华北聚集，同时在低空急流的作用下，在华北地区产生气旋式辐合，使得华北于20日00时出现了降水最大峰值降水。20日12时，由于来自阿拉伯海过孟加拉湾的到达华北的高值水汽通道不能到达华北，该时段华北降水的水汽主要来源于副高南部，因此降水强度从20日12时(图2)降水强度开始减弱，到了21日12时(图8(d))，由于主要的高值水汽通道向东、向北发展，华北上空的水汽比较小，华北降水逐渐结束。 图8. 2016年7月18日12时(a)、19日12时(b)、20日12时(c)、21日12时(d)从地面到300 hPa整层积分的水汽通量(红色矢量，单位：kg∙s −1 ∙m −1 ；阴影为水汽通量大于200 kg∙s −1 ∙m −1 的区域)