图 34 垂直速度与高低空急流的耦合 4 暴雨和强对流天气预报思路
4．1 暴雨的预报思路和预报流程 4．1．1 产生区域性暴雨的物理条件
产生暴雨最基本的宏观物理条件是大气中必须有充足的水汽和足够强的上升运动，使水汽在绝热冷却过程中迅速凝结成雨滴降落到地面这两个条件。
1．水汽条件：由于大气中90％的水汽集中在500hPa以下，而比湿是温度等于露点时的饱和比湿，即q=qs(Td)，所以露点的分布可以代表比湿的分布。因此在考察水汽条件时，只需考察500hPa以下的露点就可。对华北地区而言，有利于产生区域性暴雨的水汽条件见下表。
华北地区有利于产生区域性暴雨的水汽条件
除了比湿条件外，还必须考察水汽通量散度，因为只有大量水汽集中在暴雨区才能为暴雨的发生创造必要条件。
-7
华北暴雨所要求的低空水汽通量散度的量级为-10g／cm2·s·hPa。 2．上升运动：上升速度的大小和水汽辐合紧密相联。
在不考虑地形上升速度及比湿不变的条件下，可以推导出降水强度等于整个气柱的水汽辐合，即
利用连续方程，上式右端第2项可写为
R2为整层水汽辐合量，q为P0—PH层平均比湿，可见整层水汽辐合量和500hPa上升速度成正比。 4．1．2 华北区域性暴雨的预报思路 1．环流形势
在华北区域性暴雨的预报思路中，首先要分析大尺度环流背景，包括中高纬度环流、副热带环流和低纬环流是否有利于形成大尺度雨带。 (1)中高纬度环流
中高纬度环流主要指500hPa和200hPa的长波形势和高空西风急流。有利于华北地区出现大尺度雨带的中高纬度长波形势为长波槽位于110?E以西，其上、下游的长波脊分别位于60?E和130?E附近。在这种长波形势下，来自蒙古的冷空气易于在华北上空与夏季风相遇形成大尺度雨带。在长波槽前常有一条西南一东北走向的高空西风急流。统计表明，当急流轴上的最大风速中心位于40?N以北、115?E以东，最大风速值超过40m／s时，华北地区恰好位于急流入口区右侧，高空辐散区的下方，最有利于出现较强的大尺度雨带。相反当长波槽位于115?E以东时，则会出现一段少雨时期，华北地区一般不会出现区域性暴雨。 (2)副热带环流
主要分析500hPa西太平洋副热带高压的位置和强度。多雨时段，副高脊线位于280N以北，588线西端位于我国东部沿海(110?～125?E之间)。当副高脊线南撤到28?N以南，588线西端东撤到日本附近，或西伸到105?E以西甚至和大陆副高联成一片时，华北地区将维持一段少时地段，一般不会有区域性暴雨。
(3)低纬环流
影响华北的夏季风其上游可追朔到索马里急流和非洲东岸的越赤道急流，后者还和南印度洋的东南信风相联。此外，在赤道辐合带上发展起来的台风和信风中的东风波，向西北移动会直接或间接给华北地区带来区域性暴雨天气。
2．暴雨系统
产生区域性暴雨的天气系统，按其水平尺度可分为天气尺度和次天气尺度系统两种。天气尺度系统，如地面气旋、锋面、高空西风槽、冷涡等斜压扰动系统；次天气尺度系统，如低层的低涡、切变线、地面倒槽、台风和东风波等，具有湿斜压扰动的性质。在华北区域性暴雨过程中，这两类系统经常结合为“北槽南涡”型，即高空西风带中东移的蒙古低槽与低空青藏高原东侧的低涡相结合，形成人字形切变(图41)。 图41 北槽南涡过程示意图 北槽南涡过程对华北地区的影响随其斜压性强度而不同。当斜压性较强时，它对华北的影响以锋面气旋暴雨的形式出现，即形成黄河气旋暴雨。但这种形式在盛夏出现的次数不是很多。更多的情况是斜压性较弱，但湿斜压性很强。低涡在东移中蜕变为波长很短的小槽或切变线，它对华北的影响以切变线暴雨的形式出现。切变线上常有1—2个辐合中心或低涡沿切变线东移，并导致大尺度雨带中出现1～2个暴雨中心。 3．对天气系统演变趋势的判断 (1)天气尺度系统
hh
目前24～48数值预报已经提供可信赖的定量结果，它是暴雨预报的重要依据之一，但是利用准地转动力学理论对数值预报结果作出物理上的解释也是十分必要的。为便于在实际工作中考察天气尺度系统的发展机制，可将准地转倾向方程写成：
式中?为静力稳定度，在稳定大气中，?>0。
若不考虑温度随时间的变化和地转参数随纬度的变化，用涡度中心的绝对值表示天气尺度系统的强度，可从上述方程中得出诊断，天气尺度系统变化趋势的定性规则： 暖平流使高层反气旋环流加强，低层气旋性环流发展； 冷平流使高层气旋性环流发展，低层反气旋性环流发展。 (2)次天气尺度降水系统
次天气尺度系统是大气的湿斜压不稳定引起的，因此对次天气尺度系统的分析重点是表征湿斜压性的总温度或相当位温。
①能量锋高能舌，低能舌或?系统；在总温度图上，次天气尺度系统表现为能量锋、高能舌、低能舌或?系统(图42)。
根据多次个例得到的经向型区域性暴雨的合成能量场。由图42可见，区域性暴雨都发生在能量锋上或高能舌中。
图42 经向型持续性特大暴雨最盛期的850hPa总温度(T0)和潜在稳定度T?-T?850合成图(星号为暴雨中心，阴影区为
潜在不稳定区)
②台风
台风中心虽然远离暴雨区，但其东侧的低空急流可向西北方伸到华北南部，产生暴雨。当低空急流特别强时，风速常达20m／s以上，故常造成特大暴雨(图43)。
图43 登陆台风引起山东暴雨的高空(500hPa)和低空急流轴频率分布(a)降水前24小时，(b)降水开始时
③低空急流
有关低空急流的部分已在前面作过介绍。现在仅强调行星边界层急流对区域性暴雨预报的重要性。
从图44a可见：在离地面500—600m高度上有一个风速极大值，从图44b可见，行星边界层中有由两股相向吹的气流构成的辐合流场。考虑到行星边界层中的比湿最大，因此行星边界层中辐合区位置和强度与雨区的位置和强度配合最好。行星边界层急流日变化还导致了华北区域性暴雨具有夜间多发性的特点。因此在华北暴雨的预报思路中必须考虑对行星边界层流场的分析。
谢义炳等指出：中国夏季的温度场、气压场都很弱，风场和气压场之间偏离地转风关系甚远，因此建议在分析降水问题时，应分析与总温度有相似意义的假相当位温场?se场。1978年谢义炳把具有上述特征的大气称为湿斜压大气，并提出了湿斜压大气的天气动力学理论。
4．1．3 暴雨预报流程
1．根据对影响系统类型和具体影响部位的分析判断，数值预报产品对降水的预报及上级指导预报意见，作出本地区降水量和降水形式的预报。
2．考虑本地区地形对具体影响系统及其影响部位垂直运动的影响，进行降水预报的订正。
图44 1977年8月2日08时邢台的风速廓线(a)和0．5km高度上的流场(b) (粗实线为50和lOOmm等雨量线，粗
虚线为辐合线)
3．考虑本预报季节是否处于反常干旱或者洪涝的季节进行修正。一般在干旱季节中降水小，在洪涝季节中降水常偏大。
4．分析邻近地区高低空散度场的配置关系和低空辐合场中水汽含量大的面积。若低空辐合高空辐散，高空辐散大于低空辐合，而且低空辐合场潮湿空气面积大，有利于增大降水量。
5．考虑局地气象条件，分析T—Lnp图和高空风图，判断稳定度及其变化趋势。不稳定发展有利于降水量增大。 6．判断形成暴雨的条件。
(1)有湿舌伴随低空急流伸向暴雨区，低空水汽通量辐合区大，约比暴雨区大10倍，并有水汽通量辐合大值中心。
(2)卫星云图上有色调很白的密蔽云区中掺杂着对流云亮点，外围卷云区有向外辐射的卷云羽，它表明低空辐合高层辐散，上升运动强，并已形成暴雨中尺度系统。
(3)相应的天气尺度系统中高空冷平流和低层暖平流有利于不稳定层结发展和维持。 (4)要求湿层深厚，特别是对流层中、下层要暖而湿。
-3
(5)天气系统中风的垂直切变较弱，一般小于3?10／s，有利于暖湿空气的维持和暴雨的持续。 4．2 冰雹、强对流天气的预报思路 4．2．1 对流性天气的形成条件 1．对流云发展的微物理条件
(1)对流云顶能达到冰晶产生的高度(-20℃温度的高度)在这个高度上，云的相态呈胶性不稳定，有利于云中水滴的增长。
(2)大气中要有足够强和有一定变幅的垂直运动，因为云中放电主要是由于上升和下沉气流对水滴和冰雹的摩擦造成的。要造成放电现象必须有大于8m／s的上升气流存在，而且速度要有3m／s以上的变幅。而对冰雹的形成，上升运动必须大于20m／s。要产生直径lOcm的冰雹，要有50m／s以上的上升运动。
(3)环境大气的O℃层高度不能太高也不能太低，一般要求在600hPa(约4km)附近，这个高度既能使冰雹生成又不致于它在下降途中溶化。
2．对流云发展的大气层结条件：
(1)当大气低层近于绝对不稳定(?>?d)，其上为很厚的条件性不稳定(?d>?>?m)即为真潜不稳定层结时，则有相当多可供大气上升的能量，这种能量越大，对流越强。
(2)有充沛的水汽含量，特别是下层水汽含量远比上层大。有低空急流特别是中尺度低空急流，则可能发生强对流天气。
(3)强对流天气大气层结是下层暖湿、中上层相当冷干，其间若逆温层存在时，则出现强的对流性不稳定，如前面提到的温度、露点分布在中层出现喇叭口型式是最有利于强对流天气出现的型式。
-3
(4)强对流天气需有强的风垂直切变，强度约在3～6?10／s。即要有高空急流存在。其作用在于抽走潜热增暖的高层大气，使大气保持高层冷平流低层暖平流的形式，有利于垂直运动和起始对流的发展；同时由于高空流出的增加，加强高层辐散，使对流发展成为有组织的巨大严重的对流系统。 4．2．2 冰雹、强对流天气的大尺度形势和影响系统
冰雹、强对流天气主要是由飑线、冷锋、冷涡和南支槽造成的；现将其环流形势背景和活动特征介绍如下： 1．飑线及其环流形势
(1)飑线最易在高低空急流的交点附近和靠近湿舌的西边发生，因为这里层结不稳定，水汽条件、触发条件都满足(图45a)。
图45 飑线形成的天气型式(图中虚线为地面形势，流线为高空形势) (2)在脊前西北气流下方，低层有一个向北伸展的倒槽(虚线)，其左侧有冷锋存在，强对 流系统发生在地面冷锋前的偏南气流中，此处层结很不稳定(图45b)。
(3)飑线发生在地面倒槽东部的偏南气流中，地面倒槽位于缓慢移动的高空槽前的西南气流中，飑线形成多向东北方向移动(图45c)。
(4)在低空横切变线或辐合线中产生的中尺度强对流系统，高空疏散槽前强烈的辐散作用对飑线的形成也起着重要的作用(图45d)。 2．冷锋雷暴
(1)锋前湿舌轴线如近于沿地面锋进展，有利于对流天气发展而且湿舌越窄，对流越强，特别是在其尖端常有冰雹、龙卷发生。
(2)当地面锋与700hPa槽靠近时有利于对流发展，特别是两者重合或槽前倾时，对对流发展更为有利。 (3)冷降雷暴与副高的强弱、进退有密切关系，如当它东撤或减弱时，在冷锋逼近的地方可形成雷暴。 上述情况下，当大气层结极不稳定，抬升力足够强时，则可产生冰雹。 3．冷涡冰雹
夏季东北冷涡和华北冷涡的东南方常出现强对流天气，持续时间可达3～6日之久。这是因为冷涡后部有冷平流，常使大气层结不稳定，而在其东南部上升运动强，有利于不稳定能量的释放和水汽的垂直输送。影响我国冰雹的冷涡中心一般在贝加尔湖和蒙古人民共和国一带生成，以后向东南方向移入我国。这种冷涡有东北冷涡、蒙古冷涡和西北冷涡，主要影响地区在100?E以东，35?N以北地区(图46)。