2023年7月29日—8月1日,河北省发生了致灾严重的极端暴雨事件,气象观测站3 d(72 h)最大累计降水量为1003.4 mm(邢台临城梁家庄),河北、北京多站突破了历史纪录。利用高空、地面、卫星云图和多普勒天气雷达等观测资料以及ERA5再分析资料,对此次极端暴雨的极端性和成因进行了初步分析。结果表明,此次极端暴雨过程是在对流层高、中、低层以及中、低纬度多尺度大气系统共同作用,并叠加地形影响下产生的。1)中纬度大陆高压东移并与北上西进的副热带高压连通,在河北北部形成稳定的西北—东南向高压坝,台风“杜苏芮”登陆后北上西行到河南境内时,受阻于高压坝,速度减慢,导致台风残涡降水长时间维持。2)台风“杜苏芮”北上自身携带的水汽以及副高南侧的台风“卡奴”远距离输送的水汽,为河北极端暴雨的发生提供了充足的水汽;台风北上减弱过程中结构不变,边界层东北风急流和东南风急流辐合,加上太行山地形的辐合抬升作用,共同为极端降水提供了强盛的动力条件。3)太行山中段的强降水时段集中在29日夜间至30日夜间,主要是减弱台风残涡的螺旋雨带、东到东北风急流在迎风坡抬升以及喇叭口地形、“狭管效应”增强辐合共同作用所致,250 mm以上的强降水出现在太行山东麓300~800 m的迎风坡上,以稳定性、低质心的暖云降水为主。4)与太行山中段的极端降水相比,太行山北段的降水时间更长,主要降水时段集中在29日夜间至31日夜间,250 mm以上的强降水范围更大,既包括北段山脉东麓300~600 m的迎风坡一侧,也包括相邻的东部平原,但迎风坡上的降水强度小于太行山中段迎风坡,而平原地区的降水强度则高于太行山中段迎风坡。强降水主要受与山脉平行的东北急流和东南急流辐合以及地形作用所致,山脉东侧浅山区和平原降水对流性更强。5)此次极端降水的水汽、动力、热力等物理量场都表现出了较强的极端性,偏强2~6倍样本标准差。
AbstractSevere extreme rainstorm events occurred in Hebei Province from July 29 to August 1,2023.The 3-day maximum cumulative precipitation at meteorological observation stations reached 1003.4 mm (Liangjiazhuang,Lincheng,and Xingtai),breaking historical records at many stations in Beijing and Hebei Province.Using observation data,such as high,surface,cloud maps,and Doppler radar,along with ERA5 reanalysis data,this study conducted a preliminary analysis of the extremities and causes of this rainstorm.The results reveal that this extreme rainstorm process resulted from mid- and low-latitude multiscale atmospheric systems involving the high,middle,and low layers of the troposphere,superimposed by topography:(1) The eastward movement of the mid-latitude continental high pressure and the northwestward direction of the western Pacific subtropical high formed a stable northwest-southeast high-pressure dam in northern Hebei.Typhoon “Doksuri” slowed down and stagnated over Henan when blocked by the high-pressure dam,resulting in prolonged typhoon vortex precipitation.(2) The northward movement of water vapor carried by Typhoon “Doksuri” and the southward transport of water vapor by Typhoon “Khanun” on the southern side of the sub-high provided the necessary moisture for extreme rainstorms in Hebei.The convergence of the northeast- and southeast-bound jets during the weakening of the northern typhoon,combined with the uplifting terrain of Taihang Mountain,formed a strong dynamic mechanism for extreme precipitation.(3) In the middle part of Taihang Mountain,heavy precipitation was concentrated from the night of July 29th to the night of July 30th,mainly due to the weakening of the spiral rain belt of the typhoon remnant,the uplift of the east-to-northeast jet on the windward slope,and enhanced terrain convergence.Heavy precipitation exceeding 250 mm occurred on the windward slope at elevations of 300—800 m in the eastern foothills of Taihang Mountain.(4) In the northern part of Taihang Mountain,the precipitation period was longer,mainly concentrated from the night of July 29th to the night of July 31st,with the larger area experiencing heavy precipitation exceeding 250 mm.This included the windward slope at elevations of 300—600 m in the eastern foothills of the northern mountain and the adjacent eastern plain.However,the precipitation intensity on the windward slope was lower than in the middle part of Taihang Mountain,while the plain areas experienced higher precipitation intensity.Heavy precipitation in the northern region was primarily caused by the convergence and topographic effects of the northeast and southeast jet streams running parallel to the mountain,with more convective precipitation in the shallow areas and plains on the eastern side of the mountain.(5) The physical fields of water vapor,dynamics,and heat during this precipitation event exhibited strong extremes,with significant deviations ranging from 2σ to 6σ.
关键词极端暴雨；中尺度对流系统；台风“杜苏芮”；地形作用
Keywordssevere extreme rainstorm；mesoscale convective system；typhoon “Doksuri”；terrain effect
在全球气候变暖的背景下，各地极端天气事件频发，其中极端暴雨事件尤为突出。以华北地区为例，近十几年内，在2012年7月21日发生北京河北特大暴雨（“7.21”特大暴雨）（谌芸等，2012; 孙军等，2012）的4年之后，2016年7月19—21日，河北、河南、京津又出现了一次范围更大、强度更强的“16.7”极端暴雨过程（雷蕾等，2017; Xia et al.，2022）。5年之后，2021年7月18—22日，河南省又发生了一次极端暴雨事件（“21.7”暴雨）（苏爱芳等，2021; 梁旭东等，2022）。对于近些年我国出现的极端暴雨过程，气象学者应用多源资料，从大尺度环流背景（孙继松等，2015; 张霞等，2021; Xu et al.，2022; 赵洋洋等，2023）、多尺度系统相互作用（孙思远和管兆勇，2021; 齐道日娜等，2023）、中小尺度对流系统的发生发展机制（徐珺等，2018; 龚琬丁等，2023; Sun et al.，2023）、地形对暴雨的作用（丁一汇，2014; 苏爱芳等，2021）、水汽输送与低空急流的作用（冉令坤等，2021; 程佳佳和徐国强，2022）、降水系统的云微物理机制（Chen et al.，2022; 黄丹青，2022）、模式预报效果检验评估（史文茹等，2021; 栗晗等，2022）、城市化进程的影响（Luo et al.，2023）等不同角度进行了深入分析。
华北极端暴雨多发生在经向环流背景之下（朱乾根等，2007），但每次过程的环流背景与影响系统都不尽相同。2012年的“7.21”特大暴雨发生在北涡南槽的经向环流下，东高西低，低层低涡与切变线移至高空强辐散流场下并与其耦合是直接诱因（孙军等，2012）。2016年“16.7”极端暴雨发生在南亚高压东伸加强、副热带高压西伸北抬、中高纬度西风带低涡系统发展的环流背景下，黄淮气旋、西南和东南低空急流的异常发展以及水汽的异常充沛表明此次强降水过程动力抬升和水汽条件非常有利（符娇兰等，2017）; 赵思雄等（2018）也从大尺度环境的调整、高低层系统的耦合和中低纬系统的相互作用等方面对此次强降水过程进行了初步探讨。2021年河南极端暴雨环流背景则是:位于日本海附近的副热带高压和大陆高压连通形成稳定的高压坝，高空低涡受阻于高压坝，加上副高南侧的台风“烟花”和位于南海的台风“查帕卡”向低涡源源不断输送大量的水汽，导致河南发生极端暴雨（梁旭东等，2022）。在稳定的经向环流背景下，低涡、台风减弱的低气压、气旋通常是极端暴雨的主要影响系统。历史上造成重大自然灾害的“63.8”华北特大暴雨（游景炎，1965; 陶诗言，1980）、“7.21”北京特大暴雨（孙建华等，2013）、“21.7”河南极端暴雨（苏爱芳等，2021）、“16.7”华北极端暴雨（雷蕾等，2017）均与低涡、气旋有关。“96.8”海河流域特大暴雨（胡欣和马瑞隽，1998）、“75.8”河南特大暴雨（“75.8”暴雨会战组，1977a，1977b）是受台风减弱的低气压影响所致。
在河南“21.7”极端暴雨2年之后，2023年7月28日—8月2日，华北地区出现了一次仅次于“63.8”暴雨的极端暴雨事件，给京津冀造成了重大灾害。此次过程的累计雨量大、特大暴雨覆盖范围广、降水时间长，极端性突出。极端暴雨出现在太行山区及沿山平原，导致海河流域发生特大洪水（https://www.sohu.com/a/716077634_121687424）。据河北省应急管理厅信息，截至8月10日，此次极端暴雨天气过程已造成石家庄、秦皇岛、邢台、沧州、张家口、保定、衡水、廊坊、邯郸、承德市和雄安新区的110个县（区）遭受洪涝灾害，共造成受灾人口388.86万人，其中因灾死亡29人，16人失联，累计转移群众175.74万人，其中蓄滞洪区97.84万人; 农作物受灾面积达31.97万hm2，其中绝收13.15万hm2; 倒塌房屋4.09万间，严重损坏房屋15.55万间，受损中小学校、幼儿园1 150所，受损医疗机构1 871家; 直接经济损失达958.11亿元。对于此次特大暴雨过程，气象部门提前预报了将会出现600 mm以上的极端强降水，但降水预报的极值中心位置、落区和强度仍有偏差。究其原因在于对极端暴雨发生发展机理、多尺度系统相互作用机制的认识仍不清楚。因此，在预报的精准性、提前量等方面仍存在巨大挑战。