引言

豫北地区位于太行山东侧，其东部和南部为广阔的冲积平原。因其地理位置特殊、地形复杂，近年来该地区对流性暴雨频发，并导致山体滑坡、泥石流等次生灾害。对以往豫北及其周边地区发生的暴雨，众多气象科技工作者从环流形势、诊断分析、形成机理等方面进行了较多有益研究。李泽椿等^[1]思考河南“75.8”特大暴雨指出，对极端暴雨和突发性暴雨应加强对不同影响系统下的典型暴雨物理机制的认识，提高多源资料综合应用能力。赵培娟等^[2]诊断分析河南大暴雨个例指出，中纬度低涡分裂低槽携带冷空气东移南下与副热带高压边缘暖湿气流汇合是暴雨发生的有利背景，而相关物理量诊断对暴雨落区及量级预报有一定的参考意义。王新敏等^[3]研究指出，500 hPa正涡度平流是西南涡生成、发展的重要因素，涡度场与垂直速度同相对应强降水旺盛期，强上升运动区和暴雨区吻合较好。由于影响暴雨发生发展的原因较复杂，尤其是对对流性强降水中心及其量级更难把握。从可预报性看，暴雨是在有利的大尺度环境条件下由中小尺度系统造成，其预报难度很大。早在20世纪50年代Fujita ^[4]就提出了中尺度分析的概念。Miller ^[5]和Crisip ^[6]通过大量暴雨个例建立了中尺度强天气的天气型识别法，即利用高空和地面观测资料分析中尺度对流发生发展的环境条件，用于对流性暴雨的预报。Maddox等^[7]利用大量致洪暴雨个例归纳总结出三类对流性暴雨的典型形势配置。2009年国家气象中心着手制定《中尺度天气分析规范》，并大力推广。近年来河南预报员在暴雨预报中也加强了中尺度系统研究。苏爱芳等^[8]研究指出，对流性暴雨易产生在中尺度对流系统(MCS)发生发展期，其落区位于MCS云顶亮温低值中心附近及后侧梯度大值区。牛淑贞等^[9]对比分析河南两次短时强降水过程发现，以露点锋为触发机制的强降水超级单体在地面中小尺度系统作用下可产生50 mm·h^-1以上的短时强降水。张一平等^[10]分析黄淮地区两次低涡暴雨中尺度系统演变特征表明，强降水均由发展旺盛的对流云团移动而产生；中尺度雨团(带)和短时强降水主要出现在地面中尺度气旋周围。

2016年7月8—9日豫北地区发生特大暴雨过程(以下简称“7.9”豫北暴雨过程)，因其局地性强、突发性明显、降水时段和区域集中，当时实时预报以及各种数值模式对该过程均预报量级偏小、落区偏差较大。以往暴雨中尺度分析多依靠卫星云图以及雷达产品，而对加密自动站资料、GPS水汽资料与闪电定位资料的应用较少。本文使用多种探测资料，分析了“7.9”豫北暴雨过程发生发展的环境条件，重点探讨该过程强降水中尺度特征及其相应的预报着眼点，以期为今后此类暴雨预报预警提供更多有价值的参考。

1 资料选取与降水实况 1.1 资料说明

本文使用的资料包括:常规探空和地面观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料、国家卫星气象中心提供的FY-2G逐时云顶亮温(T_BB)资料、地基GPS探测的大气可降水量(PWV)资料、河南省加密自动站资料和闪电定位资料、郑州站多普勒天气雷达资料。其中，闪电定位资料来源于河南省12部ADTD型闪电定位仪组成的闪电定位系统，该探测仪可自动、连续、实时监测闪电发生的时间、方位、强度和极性，以及对灾害性天气进行探测和预警。

为分析本次暴雨过程中地闪分布与中尺度对流的关系，将河南省闪电定位仪探测的区域按1°×1°单位网格进行划分；地闪密度为单位网格内地闪总次数(单位:次·h^-1)。

1.2 降水实况与灾情

2016年7月8日22时—9日11时(北京时，下同)，豫北地区发生一次大暴雨天气过程，暴雨区主要位于豫北的新乡、鹤壁等地，其中新乡、辉县等地出现当地有气象记录以来最强降水。过程累积降水量(图 1a)大于50 mm的有156站(区域站，下同)，大于100 mm有96站，大于250 mm有16站。从国家级自动气象站看，过程最大累积降水量为456.2 mm，出现在新乡，辉县次之为442.6 mm，均突破当地有气象记录以来日降水量极值(新乡200.5 mm，辉县232.6 mm)。这两站主要降水时段为7月9日03—10时(图 1b)，小时雨量普遍在30 mm顾佳佳，等：2016年“7.9”豫北特大暴雨过程的中尺度特征分析441暴雨灾害第36卷以上，新乡最大小时雨量出现在06时(101.1 mm)，05时次之(95.9 mm)，04时再次之(57.1 mm)，辉县1 h最强降水则出现在08时(111.1 mm)。从降水特征和时间尺度上看，“7.9”豫北暴雨过程具有明显的中尺度特征。

该过程造成豫北多地严重内涝和路段积水，并一度导致城区交通瘫痪以及部分地区电力、通信中断。据初步统计，豫北50.04万人受灾，因灾死亡1人、失踪1人，紧急转移安置2 376人；造成28.57×10³ hm²农作物受灾、228间房屋倒塌，121间房屋严重损坏，直接经济损失达6.42亿元。可见，此次特大暴雨过程因历时短、强度大、降水集中，给豫北地区造成严重灾害。

2 环境条件分析 2.1 环流背景与影响系统

500 hPa上，“7.9”豫北暴雨发生前(图 2a)，亚欧中高纬环流维持两槽一脊型，两槽分别位于新疆西部和日本海，华北为高压脊区；河套地区有切断低涡生成并缓慢东移，两湖地区为大陆小高压控制，副热带高压(以下简称副高)主体在海上，1601号台风“尼伯特”穿过台湾岛向福建沿海靠近。7月8日20时中尺度综合分析图(图 2b)显示，受“尼伯特”外围影响，925、850 hPa豫北大部分地区温度露点差(T－T_d)≤2 ℃，水汽达到饱和；同时850 hPa有东南气流与偏东气流将暖湿空气输送到豫北，700 hPa西南气流与东南气流在豫北辐合，使湿层变厚。500 hPa低涡后侧有冷空气南下，豫北12 h负变温达-3 ℃，与台风外围暖湿气流交汇，形成强上升运动和水汽辐合。200 hPa急流轴呈西北—东南向，豫北西北部处于急流右后方显著分流区中，高层辐散有利于上升运动发展。到9日08时(图略)，副高西伸，大陆小高压稳定维持；台风进一步北上，河套低涡中心位于豫北。同时中分析图(图略)上，低层T－T_d≤2 ℃的饱和区有所南压，中低层偏南气流与东南气流到达安阳、鹤壁等偏东地区，200 hPa高空急流稳定，分流区位于豫北东部，强降水形势维持。海平面气压场(图略)，8日20时河套地区有低压中心，山东至渤海湾为高压带，形成“西低东阻”形势，9日02—08时河套低压中心东移发展，渤海湾高压带断裂形成1 007.5 hPa高压中心，一方面阻挡上游低值系统东移，使得低压中心稳定少动；另一方面其南侧偏东气流或东南气流向豫北输送水汽，而台风低压北上使偏东气流或东南气流进一步增强。

综上可知，1601号台风北上，925—850 hPa存在高湿区，700 hPa有风向辐合，500 hPa有切断低涡以及冷空气南下，200 hPa存在高空急流是“7.9”豫北暴雨过程产生的主要天气尺度系统。上述各系统的合理配置及其相互作用，为此次暴雨发生发展提供了十分有利的环流背景。

根据NCEP资料计算得到新乡站02时、08时的T-lnp图(图 2c、d)，表 1给出相应时次的对流参数。从图 2c、d和表 1中可见，9日02时，对流有效位能(CAPE)为255 J·kg^-1，K指数达38 ℃，抬升指数(LI)为零，大气为弱的对流不稳定；近地面层出现逆温层，有利于能量积累；整层湿度较深厚，T－T_d≤2 ℃，水汽接近饱和；整层大气可降水量(PW)为63.9 mm，水汽条件较好。同时，抬升凝结高度(LCL)较低，出现在890 hPa，暖云层较厚，降水效率高。从垂直风切变看，500 hPa以下风向随高度顺转，暖平流明显，0—3 km垂直风切变达2.7×10^-3s^-1，有利于低层辐合抬升加强而导致短时强降水。到08时，由于云顶辐射冷却致使逆温层破坏，对流能量释放造成不稳定增大，CAPE增加到1 135 J·kg^-1，K指数达37 ℃，LI为-3 ℃；此时湿层仍较深厚，PW为61 mm，LCL下降到962.5 hPa，有利产生高效率降水。中低层暖平流稳定维持，0—3 km风切变增强到3.2×10^-3 s^-1。上述环境场特征十分有利于产生短时强降水。

2.2 动力与热力条件

“7.9”豫北暴雨是在涡度、散度和垂直速度相互耦合的动力环境条件下发生的。从7月9日不同时次豫北区域(113°—115°E、35°—36°N)平均涡度、散度、垂直速度和假相当位温(θ_se)垂直分布图上可见，02时中低层涡度为正、散度为负(图 3a)，850 hPa和600 hPa附近分别出现正涡度大值区，中心强度分别为15×10^-5s^-1和30×10^-5 s^-1，500 hPa以上为负涡度；1 000—700 hPa为辐合层，辐合中心(-40×10^-5 s^-1)位于850 hPa，700— 500 hPa为辐散层，最大强度为5×10^-5 s^-1左右，500 hPa以上为弱辐合。以上配置有利垂直上升运动发展加强。暴雨区上升运动从1 000 hPa向上伸展到400 hPa上，最强上升运动为-1.0 Pa·s^-1，出现在900 hPa；同时随低层偏南风增大，低层大气增温增湿、不稳定能量增大，暴雨区θ_se升高，不稳定层一直向上伸展到600 hPa。到08时，600 hPa以下始终维持正涡度柱和较强对流不稳定(图 3b)，辐合层也伸展到600 hPa，辐合中心升至900—750 hPa之间且中心值达到-45×10^-5s^-1左右，200 hPa辐散增强，最强达50×10^-5 s^-1，高层辐散强于低层辐合，抽吸作用明显，有利上升运动维持，最强上升运动(-0.6Pa·s^-1)高度升至750 hPa，为强降水提供了有利的动力抬升条件。

从不同时次沿35°N经暴雨中心(35°18′N、113°55′E)附近的温度平流、垂直环流纬向剖面图上可见，9日02时(图 3c)，110°—114°E之间800—600 hPa存在明显的暖平流，中心值为0.6×10^-4K·s^-1，对流层中高层为冷平流，干冷空气侵入导致未饱和空气趋于饱和，降低了层结稳定度，对流能量以及潜热释放，增强了上升运动^[11]；08时(图 3d)，随着低涡缓慢东移，高层冷平流加强并向低层侵入，为低层中尺度对流中的垂直上升运动提供了补偿下沉气流^[8]，导致对流进一步发展，降水不断增强。此外，近地层900 hPa附近112°—114°E存在一正负温度平流对，02—08时该正负温度平流对始终维持、强度不变；由ω方程可知，暖、冷平流分别产生上升、下沉运动，近地层正负温度平流对在暴雨边界层产生扰动，使得上升运动进一步发展，也正好对应113°E附近上空中尺度次级环流(图 3)，导致暴雨量增幅。

2.3 水汽条件

分析850 hPa风场、水汽通量与水汽通量散度可知，8日20时(图略)，受1611号台风外围影响，有一支明显的东南气流向豫北地区输送水汽，水汽通量大值中心(10 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1)与水汽辐合中心(-20×10^-8 g·cm^-2 ·hPa^-1·s^-1)均出现在陕南地区且二者对应较好；9日02时(图 4a)，水汽辐合区略有东移，辐合中心增强到-40×10^-8 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，水汽通量大值中心已逐渐控制豫西北，强度一直维持在10 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1左右，且有水汽通量湿舌伸向豫北，水汽不断在此聚集；到08时，上述水汽输送和辐合仍较强。从沿35°N所作的08时风场、水汽通量与水汽通量散度纬向剖面(图 4b)可见，水汽通量大值区与水汽辐合中心主要出现在112°—114°E之间750 hPa以下边界层，850 hPa最大水汽通量达12 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1，底层偏南风与东南风使水汽不断在暴雨区辐合，900 hPa水汽辐合达-40×10^-8 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1。

3 中尺度对流特征 3.1 中尺度对流云团分析 3.1.1 强降水发生前云系分布

图 5为2016年7月8日20时“7.9”豫北暴雨发生前叠加相关天气系统的红外云图。从中可见，豫西北有一冷涡云系，低涡云系后侧500 hPa上有一支与风速达8~12 m·s^-1相伴的冷平流，冷平流向东南方向推进，西北冷平流最前方已到达陕南并接近豫北，同时在福建、台湾地区有一台风云系，其外围螺旋云系对应低层850 hPa上一致的风速8~10 m·s^-1的东南气流，且不断向豫北输送较强暖湿气流。正是在这种高层冷平流、低层暖平流形成的不稳定条件下，对流云团在低涡云系中形成并发展。

3.1.2 对流云团演变特征

分析云顶亮温(T_BB)表明，本次过程主要由多个α或β中尺度对流云团发展、加强造成。9日02时(图 6a)，在陕豫交界附近有一西北—东南向、长约300 km、宽约150 km的近椭圆状α中尺度对流云团A生成，T_BB低值中心达-42 ℃，对流发展旺盛，同时豫西北境内西部和东部各有一水平尺度小于100 km、T_BB中心低于-42 ℃的近圆形β中尺度对流云团(B、C)生成并发展，强降水主要位于T_BB等值线密集区，对应02—03时达30 mm的最大小时雨量。03时(图 6b)，云团A、B、C合并发展成中尺度云团D，T_BB中心低至-52 ℃，且其梯度加大，降水不断增强，50 mm·h^-1以上强降水中心位于T_BB等值线密集区靠近其低值中心一侧，随着500 hPa西北气流的引导，对流系统逐渐东移南下。到04时(图 6c)，对流云团D发展成近似圆形，≤-42 ℃的冷云罩几乎覆盖豫北地区，≤-52 ℃的T_BB低值中心位于新乡，对应该地04—05时95.9 mm·h^-1雨强；在对流云团后侧豫北上游地区的陕南又有中心值为-32~ -42 ℃对流云团E新生并发展。05时(图 6d)，对流发展最旺盛，豫北为小于等于-52 ℃的T_BB低值区覆盖，导致强降水持续增强并维持，对应1 h新乡雨量101.1 mm、辉县雨量44.6 mm，从降水分布看，降水落区与T_BB梯度大值区对应较好，强降水中心靠近T_BB低值中心；此时上游地区新生对流云团E、F、G不断向豫北移动。06—07时(图 6e、f)，豫北地区小于等于-52 ℃的T_BB低值中心稳定少动，维持强盛发展态势，上游地区强度小于等于-42 ℃的云团E、F、G在东移中合并为云团H且逐渐并入豫北对流云团D的后部，强降水中心由50 mm·h^-1猛增到100 mm·h^-1以上，最大达111.1 mm·h^-1，出现在07—08时的辉县，且强降水落区与T_BB梯度大值区几乎重合。08时(图 6g)，影响豫北的强对流云团D减弱，≤-52 ℃的T_BB低值中心范围缩小且逐渐东移到濮阳等豫东北地区，西北部又有一对流云团I新生发展南下，其T_BB低值中心为-32~-52 ℃，使强降水维持并增强，随着对流云团向东南移动，其尾部T_BB梯度大值区对应辉县雨强达50 mm·h^-1以上。09时(图 6h)，整个对流系统有所减弱，对豫北影响逐渐减小，强降水随之减弱，雨强下降到30 mm·h^-1以下。

综上表明，“7.9”豫北暴雨期间，强降水发展与低涡云系中对流云团发生、发展及演变关系密切。整个对流系统向东南方向移动，有对流云团不断发展、合并加强，导致豫北地区特大暴雨；暴雨中心位于中尺度对流云团T_BB梯度大值区且靠近其低值中心。

3.2 强降水的地闪特征分析

2016年7月8日22时—9日13时ADTD共探测河南省总地闪430次，其中负地闪407次，正地闪23次，负地闪占总闪比例为94.6%。从该时段地闪分布(图略)看，地闪几乎全部出现在豫北，地闪频数多在20次·h^-1以上，最多超过100次·h^-1。负地闪密集区与暴雨中心有较好的对应关系，这与Rutledge等^[12]提出的大多数负地闪活动主要位于对流性降水区域的结论一致。这也可从苟阿宁等^[13]研究得出的结论“闪电密集区中心及周边与强降水落区分布一致”得到证实。

以辉县、新乡、原阳和卫辉等豫北4站为例，分析单站逐时降水和地闪频数的对应关系，其结果见图 7。辉县和新乡站(图 7a、b)，当地闪未出现时，降水几乎为零，随着地闪频数增加，降水加强；当地闪频数跃增并达到峰值(辉县03时18次·h^-1，新乡03时13次·h^-1)数小时后，降水迅速加强，辉县08时小时雨量达到最大(111.1 mm)，而新乡则在06时达到最大(101.1 mm)。卫辉站(图 7d)，地闪频数从9日03时的3次·h^-1增加到04时的8次·h^-1并达到峰值，强降水由04时的15 mm增加至05时的30 mm。而原阳站(图 7c)，地闪频数从03时的0次·h^-1增加到06时的6次·h^-1且达到峰值，小时雨量从05时的0 mm增加至07时的50 mm。

综上所述，单站地闪的初现、跃增、达到峰值以及减弱对强降水变化也有一定的指示意义，利用地闪频数变化至少可提前1~3 h预测雨强峰值。

3.3 强降水与GPS可降水量的关系

由于无线电探空资料获取的大气可降水(PW)只有08、20两个时次的，且河南站点较少(仅郑州、南阳两个探空站)；而GPS可降水量(GPS PWV，本文以P_gps表示)具有更高的时空分辨率，也不会受天气条件影响，其误差较小。因此GPS水汽变化对降水预报有一定的指导意义^[14-15]。选取豫北地区的新乡、原阳、鹤壁和安阳等4站，分析逐小时P_gps和实测降水量(R)的关系，其结果见图 8。上述4站在此次强降水过程前P_gps均出现显著增加，新乡站从8日20时的64 mm增到至9日03时的72 mm，且在强降水发展期间稳定维持在64 mm以上(图 8a)，到9日06时该站R达到最大(101.1 mm)之后，随着P_gps迅速下降，强降水逐渐趋于结束；原阳站在降水时段P_gps由63 mm上升到69 mm左右(图 8b)，R随之迅速增强，当P_gps下降到64 mm，R降到10 mm以下；鹤壁站和安阳站类似(图 8c、d)，P_gps从8日20—23时1~3 h内增加了6~8 mm，对应强降水迅速发展，随着P_gps陡降到64 mm以下，R逐渐减弱至5 mm以下，9日08时后两站P_gps有所回升，但随着中尺度对流系统过境，该地区对流能量逐渐释放，上升运动以及水汽辐合急剧减弱，而未能形成有效降水。

综上可知，P_gps变化对由强对流引起的暴雨监测具有较好的指示意义，有利于提高暴雨预警的时效性。上述站点P_gps量值略有差异，但随着水汽输送和水汽辐合抬升加强，普遍在强降水的前12 h内出现3~6 h的急升阶段，最大雨强略滞后于P_gps峰值，强降水发生之初P_gps往往迅速增大，王越等^[16]在对成都地区一次暴雨过程的分析研究中也证实了这一点；当P_gps迅速下降时，降水强度明显减弱，这一点对强降水预警服务有一定的参考作用。

3.4 区域加密站分析

分析9日不同时次地面温度、露点与流场可知，03时(图 9a)，豫西北地区处于21.5 ℃以上高露点湿舌内，安阳、新乡之间与新乡南部到焦作之间各有一个24.5 ℃的高湿中心，其北侧为明显的露点等值线密集区；温度场上豫西北大部分地区为暖区控制，暖中心在郑州东部，中心值为27.0 ℃，其南北温差达5 ℃，此时对流能量不断积聚；从安阳到焦作附近形成一东北—西南向地面中尺度辐合线，辐合线北侧为西北风，南侧为偏东风和东南风，强降水出现在中尺度辐合线、露点梯度较大处附近。04时(图 9b)，在西北气流引导下，冷空气南下渗透，高湿区逐渐东移，冷暖空气交汇于地面辐合线上，激发近地层空气辐合上升，前期积聚的不稳定能量得以释放，强降水进一步增加。05时(图 9c)，地面辐合线在安阳、新乡等地稳定维持，其位置正好处于温度和露点等值线密集带中，辐合线前侧为一中心为24.5 ℃的露点高值中心，对应淇县、辉县及原阳等站1 h降水达58~90 mm。06时(图 9d)，随着偏北气流加强，冷舌逐步伸向东南侧高湿中心，冷暖空气进一步交汇，地面辐合线在温度、露点梯度大值区中激发强降水，对应新乡站1 h降水量达101.1 mm。07—08时(图 9e、f)，冷舌向南侵入高湿中心，地面辐合线与露点等值线密集区重合且稳定少动，其前侧不断有暖湿空气供应，强降水维持并发展。09—10时(图 9g、h)，冷舌进一步东移南伸至新乡东南部、开封北部，地面辐合线仍处于露点密集带中，强降水区不仅与露点密集区对应较好，且位于冷舌东南向伸展的较大曲率处附近。11时后(图略)，随着冷空气先后从郑州、开封一带过境，温度和露点梯度大值区消失，豫北强降水逐渐减弱并趋于结束。

地面高温高湿环境和冷舌的侵入对中尺度对流产生和发展有重要作用^[17]，前者为本次过程积累了能量和充沛水汽，后者为其提供了冷源。地面辐合线是强降水产生的触发系统。地面辐合线在豫北稳定少动，其前侧不断有暖湿气流辐合，后侧有冷空气扩散；辐合线抬升作用和冷暖空气交汇触发对流不稳定能量释放，促进上升运动发展加强，在豫北形成特大暴雨。强降水主要发生在地面辐合线附近以及东南向伸展的冷舌中，同时也与温度和露点梯度大值区对应较好。

3.5 强降水的雷达回波特征

分析7月9日郑州雷达1.5°仰角基本反射率因子演变可知，02:48 (图 10a₁)，大范围回波群移到豫北，中心强度达40~45 dBz，强回波中镶嵌着50 dBz以上零散对流单体，这些单体主要位于辉县、获嘉、新乡西北地区，受其影响，大部分站点雨强达20 mm·h^-1以上；在西北气流引导下，片状回波向东南方向移动，此时强回波中不断有新生对流单体发展。04:15 (图 10b₁)，辉县、卫辉、新乡等地回波发展，其中60 dBz最强回波中心在新乡稳定少动，造成新乡站1 h降水量达95.9 mm。05:25 (图 10c₁)，上述回波发展合并成β中尺度回波带，在新乡附近长时间维持；06:35(图 12d₁)，≥50 dBz的强回波带东移南下，强度略有减弱，造成原阳、延津等地强降水，但辉县、淇县、卫辉等地不断有回波单体新生、合并、南下。07:21 (图 10e₁)，辉县到原阳一带强回波维持，使强降水持续。08:36 (图 10f₁)，豫北强回波减弱、结构松散，辉县、淇县、卫辉等新乡以北地区大于等于50 dBz的强回波逐渐消失；而原阳对流单体继续发展。09:39 (图 10g₁)，原阳南部多单体明显增强，中心达60 dBz，受其影响，原阳站1 h降水量达32.8 mm以上。10:32 (图 10h₁)，随着强回波逐渐移出豫北地区，该地区降水减弱，暴雨过程趋于结束。

雷达1.5°仰角径向速度场显示，9日03:17 (图 10a₂)，辉县西北部可见带状逆风区，表现为负速度区被大片正速度区包围，负速度为-5 m·s^-1。04:15— 05:37 (图 10b₂、c₂)，辉县附近逆风区原地维持发展，其范围迅速增大并逐渐发展圆形，负速度最大达-10 m·s^-1，对应该地强降水发展。06:35 (图 10d₂)，上述逆风区消失，但在辉县、获嘉、新乡之间存在一正负速度对构成的辐合区，正负速度值均为5 m·s^-1，同时新乡南部及原阳附近出现新的小范围逆风区。到07:50 (图 10e₂)，新乡附近出现多个辐合区，淇县和浚县之间有逆风区存在。从08:36到09:52(图 10f₂、g₂)，辉县西南部、新乡南部以及原阳西北部不断有逆风区生成、消失，原阳与封丘之间出现明显的正负速度辐合且持续维持，导致该地强降水发展。

综上所述，造成“7.9”豫北暴雨过程的降水回波为混合性回波，中心强度45~50 dBz，其在豫北地区生成后受西北气流引导和地形抬升，产生强烈对流运动，导致对流单体生成；同时从辉县到原阳地区不断有强回波更新交替，形成明显的列车效应。径向速度上，逆风区和辐合区多次出现，与强回波对应且持续时间较长，而逆风区反映了强降水中上升气流通过水平动量交换导致水平辐合、辐散分布，造成中尺度垂直环流的形成，有利于暴雨增幅^[18]。

图 11是分别沿图 10c₁、f₁、h₁黑线位置所作的基本反射率和径向速度垂直剖面。从图 11a、b中可见，回波结构密实，从低到高其强度依次减弱，强回波主要集中在低层，呈块状分布，50 dBz以上的回波伸展高度在3 km以下，质心较低，无有界弱回波区，不同于雹暴结构高悬强回波下弱回波区特征，类似于热带海洋型降水回波，主要是由低层暖云产生的高效率降水造成；速度剖面图(图 11c、d)上，低层有中尺度辐合，高层为辐散区(可能是垂直风切变导致垂直涡度倾斜，上升气流倾斜发展，造成辐合辐散出现一定偏差)，有利于暴雨维持和发展。

4 地形作用

不同尺度的地形与大气的相互作用是局部极端天气发生的重要因素^[19-20]。文献[16]表明，地形对降水有两个作用：一是山地迎风坡对气流的抬升作用；二是特殊地形形成的冷暖空气通道，导致中尺度对流的形成和发展。

豫西北地区为平均海拔1 200 mm左右的太行山，其东南部为广阔的冲积平原；豫西为海拔在1 000 mm以上的秦岭山脉，地势逐渐向东倾斜；两山之间为黄淮丘陵地区，地势较低，特殊地形形成狭管效应，构成地面冷空气南下的重要通道。在低涡稳定维持的有450第5期利天气形势下(图 12a)，低涡后部冷空气沿两山之间的通道南下与台风外围的暖湿气流在豫北地区交汇促成强的上升运动，触发对流发展形成暴雨。同时，豫北特殊地形与近地层偏东气流的配合对本次强降水具有增幅作用。结合图 1a可知，暴雨区发生在迎风坡一侧，但暴雨中心与地形有一定距离，当低层925 hPa东南暖湿气流在迎风坡一侧抬升时，产生准定常边界层辐合^[21-22]，而豫北地区上空本就处于大气不稳定状态，地形抬升进一步触发不稳定能量释放，加强近地层辐合上升运动，950、900、850 hPa暴雨区过程平均垂直速度分别达-0.4、-0.5、-0.6 Pa·s^-1(图 12b)，对流得以加强发展。同时，迎风坡一侧的水平辐合导致气旋性涡度增加和风场切变^[16]，有利于摩擦辐合，也会形成一定的上升运动，将雨区周围摩擦层水汽集中向高层输送，从而使降水发展、暴雨增幅；此外，垂直方向上三层上升运动中心先从豫北伸向迎风坡再逐渐偏向豫北(图 12b)，导致暴雨中心与地形出现一定距离，与850 hPa上升运动中心对应较好。

5 结论与讨论

本文利用常规观测资料以及中尺度自动站资料、多普勒天气雷达产品、卫星云图、GPS水汽资料、闪电定位资料等，分析了“7.9”豫北特大暴雨的环流背景与中尺度对流特征。主要结论如下：

(1)“7.9”豫北暴雨过程发生在1601号台风北上、500 hPa低涡东移缓慢、200 hPa急流稳定维持的有利环流背景下。华北低涡稳定维持，低涡后部冷空气南下与台风外围暖湿气流交汇形成较强的低层辐合，高空急流分流区的强辐散为触发此次暴雨提供了十分有利的天气尺度背景条件。

(2) 暴雨区600 hPa以下维持正涡度区和强对流不稳定，低层辐合、高层辐散，上升运动发展，为暴雨提供了有利的动力条件；近地层暴雨中心有正负温度平流对形成，边界层产生扰动，与中尺度次级环流位置对应，导致暴雨加强发展。水汽输送和水汽辐合为暴雨提供了有利水汽条件，水汽通量高值区和水汽辐合中心对应暴雨中心；GPS可降水量在强降水发生之前出现急升，当其迅速下降时，降水强度明显减弱，单站GPS可降水量变化对降水强度变化有一定的指示意义。

(3)“7.9”豫北暴雨期间，强降水发展与低涡云系中对流云团发生、发展及演变关系密切。暴雨中心位于中尺度对流云团T_BB梯度大值区且靠近其低值中心。此外，单站地闪密度增加，雨强增加；地闪频数锐减，降水减弱；地闪峰值至少提前强降水峰值1~3 h，对强降水预报预警有一定的参考价值。

(4) 地面高温高湿环境和冷舌的侵入对中尺度对流产生具有重要作用，前者积聚能量和水汽，后者提供冷源；地面辐合线是强降水产生的触发机制，长时间维持导致降水迅速发展，形成特大暴雨。降水回波以混合性回波为主，中心强度达50 dBz，列车效应明显；速度图上逆风区和辐合区多次出现；反射率因子剖面图上强回波伸展高度在3 km以下，质心较低，不同于雹暴结构特征，属于热带海洋型降水回波，径向速度剖面图上低层辐合、高层辐散明显，有利于强降水产生。

(5) 太行山和秦岭特殊地构成冷空气南下豫北地区的重要通道；低层东南气流向豫北输送水汽时，太行山迎风坡的风向与地形垂直，强迫抬升以及摩擦辐合使得上升运动增强，导致暴雨增幅。

“7.9”豫北暴雨与一般暴雨过程相比，强度大，局地性强，且发生在午夜之后，致灾重，预报难度大。实时预报及数值模式对此该过程预报失败，主要有两个原因: (1)暴雨与低涡日变化有关，夜间到清晨云层顶部辐射冷却导致逆温层减弱或破坏，对流能量释放造成不稳定，使对流加强，这一点在探空分析中已得到证实；(2)与地形有关，夏季午夜和凌晨往往是山区对流性暴雨集中多发时段，山地引起局地热力环流导致气旋性辐合增加(山谷风交汇辐合)，从而引起对流发展，致使暴雨中尺度系统加强或新生，在高湿区触发短历时、高强度暴雨，尤其是半夜到凌晨多发。对此, 还有待于今后做进一步研究。

承蒙河南省气象台正研级高工牛淑贞对本文写作给予多方面悉心指导，谨致谢意！