引言

2003年10月10—12日，华北东部环渤海地区出现狂风暴雨及强降温天气，渤海西部沿海出现风暴潮。这次天气过程持续时间之长，影响范围之广，降水量、风力、降温幅度之强，均为近50年历史同期罕见。降水连续且稳定，过程降水量冀东鲁北部分站超过200mm (见图 1)，冀鲁交界处雨量最大，宁津站降水量最大254mm。华北东部地区24小时降温幅度普遍达到10～ 12℃。10日下午开始渤海西部偏东风增大到9级、阵风10～11级，内陆地区阵风8级。11日转为偏北风，风力10级、阵风11 ～12级，海上平台测站11日中午最大瞬时风力达40m·s^-1。暴雨和风暴潮成灾严重，仅风暴潮就造成河北、山东、天津直接经济损失13.10亿元。

华北地区的降水主要集中在盛夏，以往对夏季暴雨的研究较多，对本次大暴雨过程许多人只对当地暴雨作了分析^[1-3]，而对华北地区这次秋季罕见大暴雨过程分析研究甚少。本文采用双向嵌套的非静力MM5模式^[4]对这次过程进行了模拟，利用其产品和其它资料对这次大暴雨的物理成因进行初步分析，得到了秋季暴雨的一些启示。

1 环流特征和影响系统

这次大暴雨过程是在欧亚中高纬度为稳定的经向环流，呈两脊一槽的形势下产生的。从10月7日08时起，500hPa在60°N、l00°E附近有冷涡形成，10日08时(图略)冷涡南压至贝加尔湖附近，此时乌拉尔山阻塞高压形成，脊前到蒙古国中部为一宽阔的低压槽，同时，蒙古国东部到我国东北为高压脊。贝加尔湖低涡中心强度为5400gpm，配合冷中心强度为-40℃，冷空气从冷涡底部不断南下，华北地区处于槽前明显的西南暖湿气流中，10日上午开始冷暖气流交汇，河北省出现降水天气。在这次降水过程中，500hPa两脊一槽环流形势相对稳定，一直持续到12日08时，冷暖空气在华北地区持续交汇，为强降水天气提供了丰富的水汽和有利的环流背景。

850hPa的低涡中心位于贝加尔湖东部，冷空气在低涡后部东移南下，低涡在东移过程中受日本海高压的阻挡，低涡槽线10日08时在我国东北地区转变成东—西南向的切变线，冷空气在切变线后部从东北回流南下影响华北地区。由于南方暖湿气流较强，700～850hPa在四川盆地生成深厚而广大的西南涡，西南倒槽从四川向东北伸展，与东北地区的切变线在渤海湾相衔接，11日08时西南涡中心移入河南(图略)。西南涡前部的强暖湿气流与北方强冷空气在华北南部交绥对峙，造成华北地区这次强降水。

2 模拟试验设计

MM5是美国宾西法尼亚大学(PSU)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合开发的第五代中尺度气象模式。MM5除了具有非流体静力平衡外，在描述降水和辐射等物理过程方面更加合理周密，大大提高了预报和模拟效果。本文采用MM53.6版，模式设计的主要技术要点如下：

① 采用双向嵌套网格域，模拟区域中心位于(38°N、117°E)，母域和子域是同一中心。粗、细网格的水平分辨率分别为60公里、20公里，网格点数均为61×61。模拟中采用了10°×10°的地形资料，初始资料场为NCEP/NCAR全球1°× 1°资料。垂直方向分为不等距26层。初始时刻为10月10日08时，积分48小时，积分步长为180s。

② 物理过程采用Grell积云对流参数化方案及简单冰相显示水汽方案，侧边界条件采用时变流入流出方案，行星边界层过程用高分辨率blackadar参数化方案。

3 模拟结果分析 3.1 降水的模拟

图 2是模式预报的48小时累积降水量分布图，可以看出，粗网格与细网格均较好地模拟出大范围降水走势和强降雨中心(38°N、117°E)位置，但位于内蒙中部、江苏东部及潍坊的3个50mm的降雨中心都未能模拟出来。粗网格模拟(图 2a)的最大降水量为240mm, 与降水实况252mm相差12mm。细网格模拟(图 2b)的最大降水量为320mm, 与降水实况252mm相差68mm，偏强太多。由以上分析可知：粗网格模拟的降水与实况更接近，效果远好于细网格，以下分析如无说明均采用粗网格。

3.2 能量场及稳定度的模拟

分析10—12日相当位温θ_e的变化^[5](图 3)，华北环渤海地区10—11日处于高能量区，说明降水前期、初期能量积累充分，为强降水和大风的发生奠定了能量基础。10日14时(图 3a)在39°N以北有等艮线密集区即锋区，10日23时(图 3b)能量锋区前沿到达38°N即大暴雨区，随着冷空气向南推进，等θ_e线变得更加密集，能量锋迅速加强，导致10日夜间降水强度加大，风力加强；11日20时(图 3c)能量锋区缓慢推移到37°N，随着能量的释放，锋区逐渐减弱；12日08时(图 3d)能量锋区前沿到达36 °N, 冷锋移出华北地区，降水逐渐减小。

通过分析还发现，10日14时38°N以南山东地区上空到600hPa附近为不稳定层结大气(∂θ_e/∂p>0)^[6]，造成山东地区对流性降水，而38°N以北的河北等地始终是稳定性降水；10日23时能量锋区到达38°N即大暴雨区，与南部θ_e大值区即暖区对峙，大暴雨区上空不稳定能量急剧加大，导致10日夜间降水强度加大；随着不稳定能量的释放，11日08时(图略)山东上空大气稳定度变为中性(∂θ_e/∂p≈0)，降水也逐渐转为稳定性降水；11日夜间强冷空气入侵山东，大气中能量急剧下降，稳定度猛升，12日08时变为强烈稳定大气(∂θ_e/∂p < 0)。

以上分析可知降水前期、初期能量积累充分，为强降水和大风的发生提供了能量基础；38°N以北的河北等地始终是稳定性降水，而山东地区由对流性降水逐渐转为稳定性降水。

3.3 风场的模拟

图 4是模拟的850hPa风场结果。由图 4a可见，10日20时在辽宁经潮海至河北南部有一条切变线，在华南有一支西南风急流直达30°N，30°N以北的华东沿海有一支东南风急流，在切变线北侧有一支偏东风中尺度急流，三支急流汇合区与暴雨区相对应(见图 1)。西南急流携带孟加拉湾水汽，东南急流携带东海水汽，偏东急流携带渤海的大量水汽，源源不断地向华北输送；三支急流在低空形成强的风向辐合，使来自不同方向的大量水汽汇聚于华北地区，大大促进了上升运动和水汽的向上输送，为暴雨的形成提供了有利的水汽条件，使10日夜间降水增强。11日8时(图 4b)四川到河北有倒槽，在河南一带有低涡中心，与实况接近。低涡南部大尺度西南风急流加强，东移北上到辽东半岛；切变线北侧中尺度偏东急流也明显加强，降水在10日20时-11日8时这个时段增至最强。可见，低涡中心、切变线及其两侧的大尺度、中尺度急流与暴雨关系密切。

模拟的700hPa风场10日08时在云贵高原东部有一支西南风急流，携带来自孟加拉湾的丰沛水汽，10日20时东移北伸到了渤海(图 4c)，11日8时直达到辽东半岛。急流的移动与华北强降水中心和雨带的分布基本一致。

从水汽通量场和相当位温θ_e场(图略)的分布看，850hPa、700hPa的急流与本层水汽通量大值轴、能量大值轴对应较好。从10日20时到11日08时，由云贵高原伸向华北的高能舌向东北方向发展，暴雨区上空维持≥322K的相对高能区。700hPa的西南急流与850hPa上三支急流相互叠加，向暴雨区源源不断地输送了大量的水汽和能量，使暴雨得以维持和发展。

200hPa风场10日08时南亚高压的中心位于20°N的海上，其北侧西风急流在36°N附近，10日20时(图略)南亚高压增强，脊线北抬，对应高空西风急流加强并北抬东移到39°N附近，急流轴转为西南一东北向，急流轴上有两个急流中心：一个位于青海东部，另一个在东北地区。暴雨区位于东北高空急流中心的右后方，低空700hPa和850hPa急流的左前方。华北南部地区为明显的反气旋辐散流场，具备了产生大暴雨天气的高层动力条件^[6]。高、低空急流的親合作用，形成有利的高层辐散、低层辐合动力场，产生深厚、强烈的上升运动，为大暴雨提供了重要的动力条件。

3.4 物理量场的模拟 3.4.1 强散度区和强涡度区的耦合发展

在整个降水过程中降水区高低层的散度场一直存在良好的配置，750hPa以下为强辐合区，中心在117°E附近，与大暴雨中心对应，强度小于-14×10^-5s^-1 (图 5a)。

在400hPa以上为强辐散区，辐散中心在250hPa附近，强度为8×10^-5s^-1, 与低层强辐合区对应的400hPa以上为强辐散区，中心强度高达8×10^-5s^-1。高层辐散、低层辐合这种有利配置使10日夜间的上升运动加强，降水强度加大。

由图 5b可见，36～39°N之间的华北中南部地区600hPa以下为强的正涡柱，中心值150×10^-6s^-1，300hPa以上是明显的负涡度区，形成上负下正的涡度配置。在涡度方程的动力约束下，强涡度柱与强散度区互耦，这种耦合发展结构是强垂直上升运动和大暴雨产生和持续的重要动力机制。

3.4.2 强上升运动与饱和气柱的耦合作用

10日8时-11日20时华北中南部地区500hPa以下一直处于上升运动区，其中以10日20时上升运动最强(图 5c)。在114 ～118°E范围内，从地面一直到200hPa均为上升气流，最大上升速度在300hPa与800hPa之间，达18cm·s^-1，位于38°N附近，与大暴雨中心的位置基本一致。如此深厚、强烈的大范围上升运动是在高空西风急流南侧的上升区与低空急流北侧的上升区相重叠，即在动力场的耦合作用下产生的，是造成本次秋季大暴雨的直接动力条件。

10日8时-12日8时华北中南部地区500hPa以下相对湿度始终超过90%，10日20时(图 5d)在暴雨区上空到600hPa有一饱和气柱，如此深厚饱和气柱与强上升运动互耦，才造成华北中南部地区这场罕见的大暴雨。

4 结论

(1) 华北地区这次秋季罕见的大暴雨天气是在欧亚中高纬度为稳定的经向环流背景下，受低空暖切变线和低空急流直接影响产生的，同时西南涡的加强和日本海高压的阻挡对大暴雨天气的产生和维持也起到重要作用。

(2) 双向嵌套的非静力MM5模式模拟结果表明：粗网格与细网格均较好地模拟出大范围降水走势和强降雨中心位置，但粗网格模拟的降水效果远好于细网格。

(3) 降水前期、初期能量积累充分，为强降水和大风的发生提供了能量基础；38°N以北的河北等地始终是稳定性降水，而山东地区由对流性降水逐渐转为稳定性降水。

(4) 850hPa上西南风急流、东南风急流、偏东风急流这三支急流以及700hPa的西南急流与本层水汽通量大值轴、能量大值轴对应较好。700hPa急流与850hPa上三支急流相互叠加，向暴雨区源源不断地输送了大量的水汽和能量，使暴雨得以维持和发展。暴雨产生在低空急流的左前方、高空急流的右后方。高、低空急流的耦合作用，形成有利的高层辐散、低层辐合动力场，产生深厚、强烈的上升运动，为大暴雨和大风提供了重要的动力条件。

(5) 强涡度柱与强散度区、强上升运动与饱和气柱的互耦，是大暴雨产生和持续的重要机制。