¹山西省气候中心，山西 太原

²山西省气象科学研究所，山西 太原

收稿日期：2022年2月1日；录用日期：2022年2月24日；发布日期：2022年3月2日

摘要

本文利用葵花8号卫星资料结合数值模拟结果对2016年7月8日至9日在豫北发生的暴雨过程做了分析，结果表明：8日20:00山西省中部生成中尺度对流云团，500 hPa高度上对应有冷涡及风切变，切变线北侧冷平流加强，南侧暖平流加强，为云团东移提供动力条件；后云团分裂成多个对流单体向东移动，9日02:00移动至豫北西部，对流云团逐渐膨胀增大，暖平流变强，地面至450 hPa有上升运动，湿度较大，中尺度系统开始发展；9日05:00深对流云团完全覆盖豫北，暖平流再次加强，暴雨区上空850 hPa高度上出现强对流，雨强达到最大；9日08:00云团东移至豫北中东部，变形场形成，维持暖平流和对流运动，而后分裂出新的对流单体东移至豫北，维持至09:00；10:00~14:00云团逐渐东移减弱，变形场消失，直至9日20:00中尺度系统消亡，暴雨过程结束。

关键词

暴雨，对流云团，豫北，中尺度

Analysis of Satellite Cloud Image Characteristics of a Rainstorm in Northern Henan

Xinlei Zhang¹, Kunning Pei²

¹Shanxi Climate Center, Taiyuan Shanxi

²Shanxi Institute of Meteorological Sciences, Taiyuan Shanxi

Received: Feb. 1^st, 2022; accepted: Feb. 24^th, 2022; published: Mar. 2^nd, 2022

ABSTRACT

Based on the data of Himawari-8 satellite and the numerical simulation results, the rainstorm process in Northern Henan from July 8 to 9, 2016 was analyzed. A mesoscale convective cloud cluster was formed in the middle of Shanxi Province at 20:00 on the 8th. The convective cloud was a cloud system with cold vortex and wind shear at the height of 500 hPa. The cold advection on the north side of the shear line was strengthened, and the warm advection on the south side was strengthened, which provided dynamic conditions for the cloud cluster to move eastward. The cloud cluster split into several convective cells and moved eastward. At 02:00 on the 9th, it moved to the west of North Henan Province. The convective cloud group gradually expanded and increased, and the warm advection flow was strong. There was upward movement from the ground to 450 hPa, and the humidity was high, and the mesoscale system began to develop. At 05:00 on the 9th, the deep convective cloud cluster completely covered Northern Henan, and the warm advection strengthened again, even stronger convective cloud cluster appeared at 850 hPa height in the rainstorm area. At 08:00 on the 9th, the cloud cluster moved eastward to the central and eastern part of Northern Henan, and the deformation field formed to maintain the warm advection and convective movement, and then the new convective cell separated moved eastward to the north of Henan and maintained until 09:00; 10:00~14:00, the cloud group gradually moved eastward and weakened, and the deformation field disappeared until the mesoscale system disappeared at 20:00 on the 9th, and the rainstorm process ended.

Keywords:Rainstorm, Convective Clouds, North of Henan, Mesoscale

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

2016年7月8日夜至9日夜，豫北发生暴雨过程，由于日降水量和雨强大，持续时间长，强降水范围较小，具有突发性，难以预报，因此豫北遭受较为严重的灾害。

针对暴雨系统的分析研究有很多，贝耐芳和赵思雄 [1]、毕宝贵等 [2]、矫梅燕等 [3]、廖移山等 [4] 利用多种观测资料分别就长江流域一次强暴雨、陕南暴雨系统、川东一次暴雨以及济南一次大暴雨过程进行了研究，得出暴雨发生发展的特征及其成因。为了更细致地分析暴雨发生过程，多位学者利用模拟结果对暴雨进行分析研究。王建捷和李泽椿 [5] 利用观测资料和高分辨率数值模拟结果，对1998年6月16~17日的梅雨锋暴雨中尺度对流系统特征进行了分析研究，发现本次梅雨锋暴雨发生在对流层中低层中尺度低压南侧的中尺度辐合线上。丁一汇 [6] 从中尺度气象学的角度对暴雨研究做了总结，概括了中国暴雨发生的温湿和动力条件。寿绍文等 [7] 用模式输出资料，根据湿位涡理论分析了暴雨过程中对流层低层的中尺度低涡及地面气旋发生发展的原因。Kumar等 [8] 利用WRF模拟结果诊断了发生在印度孟买一次强降水的发生原因。Pennelly等 [9] 比较了模式的不同微物理方案的模拟效果。

利用卫星云图可以识别不同的天气系统，监测系统的发生发展，对暴雨的发生过程有一定的揭示作用 [10] [11] [12] [13]。张夕迪和孙军 [14] 通过华北一次极端暴雨对比了葵花8号卫星和FY-2卫星数据，发现葵花8号卫星从时间分辨率以及监测对流方面更有优势。王元兵和陈耀登 [15] 基于WRFDA资料同化系统实现了葵花8号三个水汽通道逐小时辐射率资料的快速更新对流尺度(3 km)同化，使降水的模拟得到提高。燕亚菲等 [16] 采用葵花8号亮温资料估算降水强度，发现H8卫星估算的降水可在台风降水的预警预报中提供指示作用。刘刈等 [17] 利用葵花8号卫星资料和地面降水观测资料进行定量降水估计，发现可以有效地改进站点密度小的区域的降水格点场的精度。魏建苏等 [18] 采用卫星云图分析和数值产品释用相结合的技术路线，建立了汛期强降水云团预警系统。石定朴等 [19] 发现TBB等值线分析方法能较细致地揭示MCS的形成过程，对MCS的发展有很好的指示意义。因此本文利用葵花8号卫星资料进行云图分析。

已有多位学者从不同的角度研究过豫北“7.09”暴雨 [20] [21]，但利用卫星云图与数值模拟结果结合来分析降水动力机制的研究较少，因此为了解本次豫北暴雨的降水过程，我们从该角度来进行研究。

2. 暴雨及环流背景

2.1. 暴雨实况

2016年7月8日晚至次日夜，豫北出现如图1所示的累积24小时降水量超过100 mm的暴雨，强降水主要发生在9日03:00~10:00，9日04:00~05:00是暴雨最集中发生的时间段。

图1. 2016年7月8日20:00~9日20:00 24小时降水量(填色，单位：mm)

2.2. 大尺度环流背景

本次暴雨发生在变形场的背景下。图2给出了2016年7月9日08:00 700 hPa的风场。可见，在豫北的东北方有位于海上的副热带高压，东南方是台风“尼伯特”，西北方是位于河套地区的低压，西南方是位于广东西部的高压 [22]。图中红线为膨胀轴，蓝线为压缩轴，沿膨胀轴有强烈的气流辐合，且膨胀轴沿豫北分布。豫北地区临近太行山，太行山能够阻挡来自西南方向的水汽，使水汽聚集在豫北，为豫北降水提供充足的水汽，在有利的天气条件下生成暴雨。

3. 资料

本文实况降水、高度场、8日20:00风场采用中国自动站站点观测资料，环流背景风场采用NCEP 1˚ × 1˚的6 h一次的再分析资料，卫星云图采用葵花8号(以下简称H8) L1级的中心波长为10.4 μm的第13

图2. 2016年7月9日08:00 700 hPa的风场(矢量，单位：m·s⁻¹)与地形高度(填色，单位：m) (红线为变形场膨胀轴，蓝线为变形场压缩轴，G为高压中心，D为低压中心)

通道数据，空间分辨率是5 km，时间分辨率是10分钟。模式采用NCEP的2016年7月8日20:00至9日20:00 1˚ × 1˚逐6 h气象再分析资料，利用WRFV3.8进行数值模拟，模拟采用3层嵌套网格，微物理过程方案是WSM6，积云参数化方案是Kain-Fritsch，长波辐射方案是RRTM，短波辐射方案是Dudhia，近地面方案是QNSE，边界层方案是QNSE-EDMF。

4. 降水模拟结果

图3是2016年7月8日20:00~9日20:00 24小时模拟降水量分布，在豫北地区有大于150 mm的暴

图3. 2016年7月8日20:00~9日20:00 24小时模拟降水量(填色，单位：mm)

雨出现，尽管豫北地区降水大值范围较实况略小，但其雨带走向、落区位置、雨量大小与图1的实况降水大致相似，说明模拟效果较好，故可用模拟结果进行暴雨的诊断。

5. 云图分析

5.1. 云团的动力机制

根据国家气象中心业务检测深对流云团的TBB值标准是小于−32℃ [23]，本文以云顶TBB值小于等于−32℃作为出现对流云团的标准。图4是2016年7月8日20:00 H8卫星红外云图、风场以及高度场，图4(a)、图4(b)分别是500 hPa和700 hPa。由图4可知该时刻在山西省中部有呈西北–东南走向的TBB为−52℃的深对流云团，说明山西省中部上空约4~5 km高度上有中高层积云存在。图4(a)显示8日20:00在500 hPa高度上有冷涡出现，与深对流云团出现的位置相对应，且存在明显的风切变，切变线北侧是东南风，南侧是西南风。图4(b)显示700 hPa高度上冷涡和切变线消失，切变线两侧风向均转变为东南风。从700 hPa到500 hPa切变线北侧风向发生逆时针变化，使北侧冷平流加强；切变线南侧风向发生顺时针变化，使南侧暖平流加强，有利于降水的产生，同时也说明山西省中部上空的深对流云团是切变线云系，冷暖平流的加强为切变线云系东移产生降水提供了动力机制。

图4. 2016年7月8日20:00 H8卫星红外云图(填色，单位：℃)、风场(矢量，单位：m·s⁻¹)以及位势高度线(等值线，单位：dagpm)；a为500 hPa，b为700 hPa

为了更细致地研究降水集中发生时段的温度平流和水汽情况，故对9日02:00~08:00的模式模拟结果进行分析研究。

图5(a)是7月9日02:00 H8卫星红外云图，从图上可以看出深对流云团移动至豫北西部地区。图6(a)、图6(b)是模式模拟的9日02:00在500 hPa和700 hPa高度上的地转风，由图可知9日02:00豫北区域在500 hPa和700 hPa上均有风切变，且切变线两侧地转风随着高度均发生了顺时针旋转，即有暖平流出现，对应向东移动的切变线云系。图7(a)是沿暴雨中心35.5˚N的模拟风场的剖面图，由图知9日02:00豫北暴雨区113˚E~114˚E地面至450 hPa高空均有强烈的上升运动，为暴雨的发生提供动力条件。同时，根据图6(a)、图6(b)中湿度混合比的分布，可知9日02:00豫北地区在500 hPa高度上湿度混合比是0.6 k·kg⁻¹，700 hPa高度上豫北大部分地区湿度混合比大于0.8 k·kg⁻¹，豫北西部对流云团所对应的位置是1 k·kg⁻¹，湿度均较大。充足的水汽和上升运动为降水提供了条件。

图5(b)是7月9日05:00 H8卫星红外云图，可以看出9日05:00深对流云团继续向东移动，整个豫北地区被深对流云团覆盖，且出现TBB值更低即对流更强的云团。从图6(c)、图6(d)的9日05:00地转风在500 hPa和700 hPa高度上的分布可以看出，豫北地区在500 hPa和700 hPa风向与9日02:00相比变化很小，切变线两侧地转风风向随着高度有顺时针变化，即暖平流加强，对应切变线云系向东移动并覆盖整个豫北。结合图7(b)显示9日05:00暴雨区地面至850 hPa为上升运动，高空至850 hPa为强烈的下沉运动，说明存在强对流，而降水最强的时段发生在9日02:00~05:00。另外，结合图6(c)、图6(d)的9日05:00湿度混合比的分布，发现豫北在500 hPa高度上湿度混合比维持0.6 k·kg⁻¹，700 hPa高度上豫北部分地区湿度混合比增大，是1.2 k·kg⁻¹，且500 hPa和700 hPa湿度混合比大值范围扩大。

图5(c)是7月9日08:00 H8卫星红外云图，从图上可以看出9日08:00大多TBB为−52℃的深对流云团已东移至豫北中东部，小部分对流云团在豫北暴雨区。由图6(e)、图6(f)的9日08:00分别在500 hPa和700 hPa高度上的地转风可以看出，9日08:00豫北暴雨区地转风风向变化不大，且风切变仍存在，维持暖平流，暴雨区维持9日05:00的强对流运动(图7(c)。根据图6(e)、图6(f)中湿度混合比的分布，可知9日08:00豫北在500 hPa高度上湿度混合比为0.6 k·kg⁻¹的地区范围减小，700 hPa高度上豫北大部分地区维持1.2 k·kg⁻¹，豫北东部湿度混合比增大，由9日02:00、05:00的0.8 k·kg⁻¹增大至1 k·kg⁻¹。从云图上看豫北暴雨区9日08:00相对05:00对流减弱，深对流云团已大多东移至豫北中东部，但由于9日08:00变形场形成 [24] [25]，膨胀轴位于豫北，为豫北带来充足的水汽条件，因此9日08:00豫北地区湿度混合比没有减小。

从9日02:00、05:00到08:00，可以看出随着切变线云团的东移，在降水集中发生的时段，豫北地区700 hPa和500 hPa上空有风切变，均保持上升运动，且湿度均较大，有利于强降水的产生和维持。9日02时对流云团未完全覆盖豫北区域，地面至450 hPa为一致的上升气流；05时强对流云团完全覆盖豫北地区，且覆盖暴雨区的云团对流更强，暴雨区在垂直剖面上显示850 hPa上有强对流发生，此刻降水量累计达到最大；08时随着强对流云团的东移，豫北地区对流减弱，但由于变形场作用下水汽的聚集致使降水过程继续发生。

图5. 2016年7月9日H8卫星红外云图(填色，单位：℃)；a为02:00、b为05:00、c为08:00

5.2. 暴雨区云图变化分析

为了更详细地了解切变线云系在东移至豫北过程中的变化，分析了9日02:00~20:00的H8卫星红外云图。

图8是7月9日02:00~20:00的H8卫星红外云图，由图可以看出如5.1所述9日02:00豫北和太行山区域TBB值为−42℃，豫北部分区域甚至为−52℃。9日02:00到03:50对流云团向东移动，太行山区域的对流云团逐渐向东并入豫北，豫北地区TBB值为−42℃的对流云团范围逐渐增大，由分布在豫北的西部逐渐发展到整个豫北。9日04:00豫北大部分区域维持−52℃的TBB值，小部分地区为−62℃，9日04:10 TBB值为−62℃的深对流云团东移，对应豫北暴雨中心的位置。9日04:20豫北TBB值为−62℃的深对流云团减弱消失，从04:20到04:50豫北维持−52℃的TBB值。9日05:00豫北部分区域再次出现TBB值为−62℃的对流云团，但维持时间较短，9日05:10该深对流云团减弱，继续维持−52℃的TBB值。

图6. 2016年7月9日02:00、05:00、08:00在500 hPa和700 hPa高度上的湿度混合比(填色，单位：k·kg⁻¹)、地转风(矢量，单位：m·s⁻¹)以及位势高度(等值线，单位：gpm)；(a) (b)为02:00，(c) (d)为05:00，(e) (f)为08:00，(a) (c) (e)为500 hPa，(b) (d) (f)为700 hPa

图7. 2016年7月9日02:00、05:00、08:00沿35.5˚N的模拟风场剖面图(矢量，单位：m·s^-1)；(a)为02:00，(b)为05:00，(c)为08:00

9日05:20强对流再次减弱，TBB值为−52℃的区域范围明显减小，至9日05:40豫北TBB值已减小为−42℃。而后，对流继续减弱，至9日06:40豫北TBB值为−32℃，后对流云团逐渐东移消散，9日07:20豫北暴雨中心仍存在TBB值为−32℃的对流云团，维持至9日08:00，此时山西省中部又一对流云团逐渐移动至豫北。此后，该对流云团继续东移，9日09:00豫北对流加强，部分区域出现TBB值为−52℃的对流云团，9日10:00豫北强对流范围减小，但仍存在TBB值为−52℃的对流云团。14:00豫北对流减弱，大部分区域TBB值为−32℃。17:00豫北部分地区仍存在TBB值为−32℃的对流云团，20:00豫北区域对流云团完全消失，过程结束。

在分析的过程中，发现8日20:00中尺度云团在山西中部生成，后分裂成多个对流单体向东移动，9日02:00移动到豫北西部，9日02:00~03:50位于豫北西部和太行山区域的对流云团不断东移，致使豫北TBB值不断减小，对流云团逐渐膨胀增大，这是中尺度系统的发展阶段。9日04:00~05:10深对流云团维持在豫北，有利于暴雨区长时间发生强降水。在维持强对流的过程中，小部分区域出现更强的对流云团，致使暴雨中心出现，雨强达到最大。9日05:20深对流云团开始东移，强对流减弱，但豫北仍存在对流云团，维持至9日08:00。9日08:00时分裂的另一对流云团出现在豫北，09:00云团东移的过程中，山西中部和东部的深对流云团合并，云团再次膨胀增大，并出现在豫北上空，使对流加强，这可能和变形场的作用有关，这是中尺度系统的成熟阶段。10:00~14:00豫北对流减弱。后云团逐渐东移减弱，变形场逐渐消失，直至9日20:00过程结束，这是中尺度系统的消亡阶段。

图8. 2016年7月9日02:00~20:00 H8卫星红外云图(填色，单位：℃)

6. 结论与思考

1) 8日20:00山西中部有深对流云团出现，对应500 hPa高度上有冷涡出现，且存在风切变，700 hPa高度上冷涡和切变线消失，从低空到中高空切变线北侧风向发生逆时针变化，北侧冷平流加强；切变线南侧风向发生顺时针变化，南侧暖平流加强，有利于降水的产生，为云团东移提供动力条件。

2) 9日02:00东南走向的深对流云团移动至豫北西部，在500 hPa和700 hPa上均有风切变，切变线两侧地转风发生了顺时针旋转，暖平流变强，暴雨区地面至450 hPa有一致的上升运动，且湿度均较大；9日05:00深对流云团继续东移，对流加强，暖平流加强，深对流云团完全覆盖豫北，暴雨区850 hPa出现强对流，此时降水强度达到最大；9日08:00深对流云团东移至豫北中东部，暴雨区对流减弱，地转风风向变化不大，且风切变仍存在，维持暖平流，此时变形场的形成为豫北带来充足的水汽条件，暴雨区维持对流活动。充足的水汽和上升运动为降水提供了条件。

3) 8日20:00是中尺度系统的生成阶段；9日02:00~03:50是发展阶段；9日04:00~05:10深对流云团维持在豫北，小部分区域出现更强的对流云团，致使暴雨中心出现，雨强达到最大，后云团开始东移，至09:00，是中尺度系统的成熟阶段。10:00~20:00过程结束，是中尺度系统的消亡阶段。

通过云图和天气分析结合研究本次中尺度暴雨，能够了解到此次暴雨的发生发展。若从云的微物理特征方面分析此次暴雨，或许能够有更细致深入的理解，有待进一步学习研究。

基金项目

山西省气象局青年基金项目(SXKQNDW20217151, SXKQNTQ20217142)。

文章引用

张鑫磊,裴坤宁. 一次豫北暴雨的卫星云图特征分析
Analysis of Satellite Cloud Image Characteristics of a Rainstorm in Northern Henan[J]. 气候变化研究快报, 2022, 11(02): 125-135. https://doi.org/10.12677/CCRL.2022.112013

参考文献