引言

华北地处中纬地区，夏季暖湿空气北上，北方冷空气南下频繁，两者在这里交汇，常常出现云团强烈发展，引发强度大、历时短的降水天气，这种天气一旦发生往往造成严重灾害，所以对这一地区进行暴雨个例研究，总结预报规律是十分有意义的。针对华北地区暴雨，不少研究人员作了大量分析^[1-9]，其中，孙建华等^[7]将发生在1990年代的华北大暴雨过程分为多个类型，指出低槽冷锋型是京津地区值得关注的暴雨类型，但此种类型出现罕见大暴雨的几率低，少有人研究。2005年8月16日，天津经历的一场历史罕见大暴雨就属于这种类型。本文运用FY-2C卫星资料和NCEP/NCAR再分析资料对此次低槽冷锋型大暴雨过程进行分析，并对比分析了15日发生在河北东北部、京津地区，与之类型相似但降水较弱的强对流天气过程，找出其间差异，为今后的预报提供一些参考。

1 降水概况

2005年8月16日，天津地区的大暴雨过程降雨量普遍在50mm以上，其西南部雨量超过100mm，有的地方达200mm以上，降雨量创50多年以来同期之最。16日08时至17日08时(北京时，下同)的24小时雨量(图 1)，静海171mm，西青161mm，市区151mm，大港112mm，市区自动雨量站有2个出现200mm以上降水。由于降水强度超过排水管道设施的设计能力，造成市区道路大面积积水，个别地方积水深达40~170cm，致使76条公交线改道运营。

此次降水过程雨量分布极不均匀，以天津西南部地区最强，并且具有历时短、强度大的显著中尺度特征，降水主要集中出现在08—16时，其中09—11时的2个小时中，西青观测站降水量就达到了80.5mm，市区60.0mm，静海61.0mm。

2 环境场特征与暴雨云团的形成和发展

8月15—16日，500hPa等压面上一宽广的低压槽自蒙古国中部缓慢东移南下，16日08时移至我国内蒙古中东部至甘肃中部一线；副热带高压在山东至朝鲜半岛以及黄海西北部一带呈西南—东北走向。副热带高压西北侧与低压槽前之间的河北、京津地区为较强的西南气流汇合区，尤其是副热带高压西北侧来自较低纬度的暖湿气流十分活跃(图略)，从而构成该地区出现暴雨的中层有利形势。低层流场和温度场更清晰地展示出了有利于暴雨的出现及其落区的环境场条件(图 2)。暴雨发生前，在850hPa的流场中，京津地区附近出现一条西南—东北向的切变线，切变线暖区一侧的天津至河北中东部为一致的南风气流，对应在1000hPa的温度场中，有一暖舌自山东中部一带向北直抵京津地区东北部，而切变线北侧为一致的东北气流，地面有冷舌相伴随，并且地面冷空气越过了切变线抵达天津地区北部。此时，地面冷锋已经移至河北北部，随着地面冷空气的进一步南侵，在冷锋前部暖区内激发出了一系列强对流云团，造成了天津的大暴雨。分析表明，对流层中层低槽和副热带高压的维持、对流层低层切变线的出现以及地面冷锋南压等天气系统的有效合理配置，为天津大暴雨的发生提供了有力的背景条件。

从卫星图像上可以清楚地找到上述背景场。16日凌晨，红外云图上一条冷锋云系位于内蒙古中部至青藏高原东部，云系东南部大范围的晴空区对应着稳定的副热带高压，当冷锋云系东移靠近河北附近时，在云系前部副热带高压西北侧开始激发出一系列小的对流云团。16日07时，河北南部地区出现了一个云顶温度低于-32℃的对流云团A，在其东北侧还存在一个小云团B，此时在天津西南部同样出现了一个云顶温度低于-13℃云团C(见图 3)。09时云团A的TBB梯度明显增加，云团B快速发展成为云顶温度低于-32℃的拉长型对流云团^[10]，天津上空的云团C也有所发展，其低于-13℃的冷云区面积扩大了2倍。1小时后，云团B逐渐接近天津，并强烈发展，出现了低于-52℃的冷云顶；此时云团C也快速发展成中-β尺度云团，且在云团的迎风侧TBB存在很大的梯度。对应逐时的降雨量，该时次强TBB梯度地区降雨量达78mm。11时，云团B、C合并，并出现快速发展，12时A、B、C三云团进一步合并为云团D，云顶温度低于-32℃的对流云区覆盖了几乎整个天津及周边地区，天津南部的云顶温度低于-52℃，有的地方甚至低达-62℃以下，出现了穿顶的强对流云区，TBB梯度也非常大。随着冷锋云系的东移，对流云团也东移南压，14时强对流云区已经基本离开天津。对应这一时期云团的合并和强烈发展。16日8—14时，静海、西青、天津市区6小时雨量分别高达116mm、110mm、78mm。随后，对流云团移入山东西北部，天津的降水快速减弱。值得注意的是，此次暴雨的云团的形成发展及合并，发生在冷锋云系前侧附近的暖区中。

3 暴雨形成的物理量场分析

上述云团形成发展、移动及合并后的强烈发展是发生在特定的天气尺度环境场中。为此，选用了一些物理量场进行分析。

3.1 动力条件分析

从高低层相对涡度分布可见，强降水发生前天津上空几乎整层为负涡度区，16日08时后，低层正涡度增强，14时在850hPa上河北东北部—天津—河北南部一线已转为西南—东北向强正涡度带，且一直延伸到400hPa，200hPa上该区域为负涡度带。从散度场的分析来看(图 4)，强降水发生前，08时在120°E以西的850hPa以下为强辐合，辐合中心在静海(39°N、117°E)附近，并且西侧辐合区向上抵达600hPa附近，随着高空槽的东移，此辐合区逐渐移至静海站上空；600hPa以上为较强的辐散区，直抵200hPa附近。另外，在FY-2C卫星探测的中高层云导风图中(图 5)，内蒙古中东部有一支急流，中心在内蒙古东部一带，低层在河北东北部存在一支南风急流(图略，图 2中也可看出)，天津位于高空急流入口右侧的辐散区和低空急流的左前方。这种深厚的中低层辐合、中高层辐散结构，以及高低层急流的耦合，十分有利于垂直上升运动的形成、发展，保证了低层水汽持续向上输送、凝结产生暴雨。

3.2 水汽条件及稳定度分析

由FY-2C卫星多通道信息和云信息反演出的云区各标准等压面上的相对湿度产品，可以很好地反映大气中的水汽分布状况。天津及附近地区整层都处于云区湿度高值区，尤其是在中低层，湿度均在70%以上。水汽通量和水汽通量散度场中，850hPa天津上空水汽通量大于7g·(cm·hPa·s)^-1，水汽通量散度小于-5×10^-8g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，这种强水汽辐合为天津大暴雨的出现提供了充足的水汽条件。08时850hPa θ_se场中, 天津以东、以南为一个西南—东北向的高能区，天津地区南部位于高能区中心的北部，这里的低层大气处于高温高湿状态，并且，天津上空θ_se500-θ_se850值为-10~-15℃，大气处在相当不稳定的状态，这一点由K指数和对流有效位能的分析中都可以得出。水汽条件和不稳定能量显示都非常有利于强降水发生。

4 与河北东北部强对流云团对比分析

天津大暴雨前一天即8月15日，在吉林西北部、辽宁北部、河北东北部直至山西的中东部冷锋云带中，嵌入有水平尺度大小不同的一连串对流云团，但它们伴随的降水强度不大，多为强对流天气。比如，15日20时处于云团中心附近的河北遵化一带云顶TBB小于-62℃，其6小时降水量只有34mm，但出现了伴有冰雹的强雷暴天气。这与发生在天津的对流云团造成罕见大暴雨天气很不一样。根据云团产生的两类不同天气现象，将对流云团分为雷暴云团和暴雨云团，对比分析、区分两类云团有助于今后对此类天气做出比较准确的短时临近预报。

从云团的形成位置来看，遵化附近的雷暴云团出现在前一冷锋云系A尾部和后面紧随的冷锋云系B前部(图 6a)，而天津暴雨云团则出现在冷锋云系B前部暖低云之中(图 6b)。前者所处的特殊位置冷暖空气相互作用剧烈，一连串云团被激发，几乎是在短短的2小时内，云团面积急剧膨胀，并且TBB迅速降低，但这一连串云团的生消都是独立的，并未出现明显的合并过程；而后者云团的发展则经历了多次合并过程。

对物理量场的分析，可以看到两类对流云团之所以表现出不同天气的原因。在θ_se500-θ_se850大气稳定度判识场中，遵化上空为小于-25℃的低值区，较天津静海更不稳定，同时，前者较后者有更强的风垂直切变，更有利于雷暴云团的强烈发展。另外，水汽条件的不同决定了降水强度的不同，静海站上空的湿层相当深厚(图 6d)，从地面一直到200hPa相对湿度始终保持在80%左右，并且整层水汽辐合(图 6f)，这为大暴雨的形成提供了充沛的水汽条件。而雷暴云团中，遵化站的相对湿度垂直分布很不一样(图 6c)，850hPa以下在80%左右，往上急剧减小，到500hPa层只为20%，以后再逐渐增大，200hPa上又达到70%，这表明中层有干侵入，同时，遵化附近还处于整层水汽的辐散区中(图 6e)，这些条件制约了强降水的发生。

5 小结

(1) 2005年8月16日天津大暴雨发生在低槽冷锋前部，对流层中层低槽和副热带高压的维持、对流层低层切变线的出现、近地面层冷空气的扩散侵入、对流层中低层强盛的不稳定能量以及充沛而又深厚的水汽辐合等天气条件的有效合理配置，造就了这次天津西南部历史罕见的大暴雨。

(2) 此次降水所表现出的雨量分布不均匀、历时短、强度大的显著中尺度特征，与冷锋云系前部层状云区中的中尺度云团相对应，云团的移动、合并发展可以很好地指示降水的落区及强度。

(3) 在卫星云图和产品上可以清楚地展现河北遵化、天津静海的两类云团演变过程，它们在常规资料及数值预报得到的物理量场中也表现出了不同的特征。两类云团无论是在云型特征、所处云系中的位置，还是环境场中的动力和热力条件均有着较大差异。雷暴云团伴随的强对流天气，主要是由强烈的大气不稳定和较强的风垂直切变造成的；而暴雨云团伴随的强降水，与对流层深厚的暖湿结构和强烈的水汽辐合有关。这些特征可为预报两类云团所造成的不同强天气提供一些重要线索。尽可能综合利用这些资料，使短时临近预报更加准确。