基本介紹
- 中文名：河套氣旋
- 外文名：Hetao cyclone
- 描述：在河套地區生成的氣旋
- 套用：天氣預報
- 學科：氣象學
概念,河套氣旋發展東移與北京721暴雨的關係,暴雨過程的大尺度環流特徵,河套氣旋發展特徵,河套氣旋在北京721暴雨中的作用,研究結論,典型河套氣旋影響下的人工增雨天氣過程分析,降水天氣實況,降水天氣分析,研究結論,
概念
河套氣旋在特大暴雨中的作用表現為：動力抬升、增強水汽輸送、觸發不穩定能量等三方面。
河套氣旋發展東移與北京721暴雨的關係
2012年7月21日北京遭遇新中國成立以來最大的暴雨災害，全市平均降水量達170mm，城區平均降水量達215mm，最大雨量點發生在房山河北鎮為460mm，最強降雨在平谷掛甲峪，20—21時達100.3mm·h，全市受災人口160.2萬人，緊急轉移9.7萬人，因災死亡77人，成災面積3.2×104hm，絕收0.8×104hm2，停產企業761家，公路中斷4萬餘條次，損害路面448處，累計90km，損害水閘230處，因災造成直接經濟損失116.4億元。這次暴雨是內蒙古河套地區形成氣旋並發展東移造成的，河套氣旋發展東移過程中，在內蒙古河套地區、山西北部、河北、北京和天津等地出現大範圍暴雨，特別是北京出現了特大暴雨。
河套氣旋是指發生在內蒙古河套“幾”字彎中的暖性氣旋，是黃河氣旋的一種，是華北地區暴雨的主要影響系統之一。關於華北暴雨的研究工作已有很多。根據移動路徑將黃河氣旋分為3類，並分析了氣旋內中尺度雨帶的活動；研究表明在黃河氣旋的發生髮展過程中，往往有大尺度斜壓不穩定和水汽凝結潛熱釋放兩種不同尺度的相互作用，並常常伴有沿低空急流帶狀MCC的發生髮展；研究發現，氣旋區的垂直環流具有不對稱性，這種不對稱的結構可使水滴快速增長，是氣旋暴雨的一種產生機制；對這種陸地爆發性氣旋進行了數值模擬，發現槽前正渦度平流和大尺度凝結加熱對氣旋的發展有促進作用；研究表明河套氣旋為暖心結構的淺薄系統，但其對流深厚，發展具爆發性，以暖鋒降水為主，雨強大。河套氣旋的生成與青藏高原東北側地形加熱、河套地形關係密切。
有關北京721暴雨的研究已有很多，主要集中在對新觀測資料的精細分析、中尺度對流系統的環境場條件及其發生髮展特徵、強降水特徵等方面。對引發特大暴雨的中尺度對流系統的環境場條件及其發生髮展過程進行了全面的觀測分析。從影響降水的因子：降水效率、水汽、上升運動、持續時間等方面進－步探討極端性降水的成因。對此次極端降水過程，從中尺度對流系統發展環境場條件、演變特徵等方面進行了詳細分析探討。利用新探測資料和NCEP再分析資料對暴雨中尺度對流條件和對流系統特徵進行了探討，將北京721暴雨過程分為前期、強烈發展、顯著減弱三個階段。對本次暴雨過程分析可見，受河套氣旋影響，暴雨天氣在內蒙古河套地區已經開始發生，隨著河套氣旋東移發展，影響北京地區造成了極端強降水事件，類似過程歷史上較為少見。研究重點分析河套氣旋東移持續發展的原因及其對北京721暴雨的貢獻，對河套地區暴雨天氣與下游北京特大暴雨天氣的關係進行初步探討，為提前預報該類北京特大暴雨事件提供參考和依據。
暴雨過程的大尺度環流特徵
2012年7月20—22日，內蒙古河套地區、山西北部、河北、北京、天津等地出現大範圍暴雨，尤其是北京出現了特大暴雨。本次降水過程自西向東逐漸加強，降水量明顯增大，東勝90mm、偏關126mm、朔州116mm、固安364mm、霞雲嶺338mm、門頭溝305mm、房山河北鎮460mm，超歷史極值。
圖1 2012年7月21日08 時形勢圖
從大尺度環流場可見（圖1），500hPa貝加爾湖冷渦強盛穩定少動，底部有淺槽東移，冷平流明顯，副熱帶高壓強盛，西伸北抬呈塊狀，588線已經過35°N，貝加爾湖冷渦與副熱帶高壓之間為西南氣流。相對應700和850hPa冷渦位置偏東，冷渦隨高度向西傾斜明顯，700和850hPa槽後冷平流旺盛，溫度線密集，鋒區壓在河套北部，河套“幾”字彎內已經形成暖性低渦，隨高度沒有傾斜，為正壓結構即河套氣旋。形成“北槽南渦”的形勢，對暴雨的形成極為有利。可見，以貝加爾湖冷渦槽後冷中心為代表的北方冷空氣東移南下，與副熱帶高壓東側季風涌帶來的暖濕空氣交匯，導致了河套氣旋強烈發展東移過程中的暴雨天氣。
河套氣旋發展特徵
（1）河套氣旋發展的規律
河套氣旋是內蒙古暴雨的主要影響系統之一，其發展演變具有爆發性，引發的暴雨具有強度大和突發性強的特點，正是由於河套氣旋的頻繁活動，使得鄂爾多斯成為內蒙古的兩大暴雨中心之一。普查了1971—2008年38年內蒙古河套地區大雨、暴雨天氣過程總計79次，其中70次與河套氣旋活動相關。河套氣旋發展演變對下游影響統計結果表明（表1），有大約一半的河套氣旋在移出河套地區後立即減弱消亡，對下游影響較小；另一半河套氣旋移出河套地區後持續發展，在下游地區形成大雨、暴雨天氣，但其絕大多數向東北方向發展（90%以上），向正東、東南方向發展的較為少見。
表 1 引發大雨暴雨的河套氣旋發展演變對下游影響統計表
（2）河套氣旋東移原因的初步分析
本次華北暴雨過程河套氣旋是直接影響系統，其發展東移引發河北、北京特大暴雨（圖2）。河套氣旋生成後，有一半會移出河套地區繼續發展，受下游華北高壓脊阻擋，90%以上是向東北方向移動，翻越陰山山脈，影響蒙古高原，在內蒙古中東部地區形成大雨、暴雨天氣，也會影響到山西、河北和北京地區，但河套氣旋向正東移動，直接影響北京地區較為少見（6%）。在本次暴雨過程中，河套氣旋沒有翻越陰山山脈，而是穿過太行山脈直接影響河北、北京地區形成極端降水事件。因此，對河套氣旋移動路徑控制因子的分析和預報是做好本次暴雨落區預報的關鍵問題，也是一個複雜問題。
圖22012年7月21—22日河套氣旋時間演變及暴雨落區圖
①高空急流動力強迫
在華北暴雨過程中大尺度環流背景穩定，200hPa高空急流演變表現為穩定東移（圖3）。急流入口區右側高空輻散區強盛，在高空抽吸作用的強迫下，對流層低層河套氣旋形成並不斷發展加強，並在高空急流輻散區抽吸作用的引導下向東移動。20日20時，高空輻散區影響河套地區，在這一強迫作用下河套氣旋生成，21日08時，隨著高空急流東移，高空輻散區向東移出河套地區，河套氣旋隨之東移並加強，21日14時，高空輻散區開始移入河北、北京地區，河套氣旋在其“引導”下東移影響河北、北京地區，21日20時，高空輻散區向東北移出北京地區，河套氣旋也開始向東北移去。可見，高空急流輻散區的強迫作用對河套氣旋的東移起到了關鍵作用。
圖3全風速（陰影）及輻散場（等值線）
②對流層低層鋒區作用
在華北暴雨過程中冷暖空氣都異常活躍，從20日20時的700hPa溫度平流分布可見（圖4a），在內蒙古河套地區向東一直到渤海灣的華北地區都受到暖平流的影響，不斷增暖，在陰山北麓及大興安嶺西的蒙古高原地區受冷平流的影響，不斷降溫。在這樣的溫度平流作用下，從河套地區至北京一線有利於形成南暖濕北乾冷的鋒區，這一線溫度、濕度梯度加大，大氣勢能不斷積累增強（圖4b）。此時，河套氣旋已經在內蒙古河套地區開始生成，伴有降水，河套氣旋逐漸形成並沿著鋒區東移發展，21日08時（圖4c）河套氣旋已經移出河套地區進入山西北部並繼續東移。河套氣旋在沿著鋒區東移過程中，氣旋前部偏南風、後部偏北風產生波動使得南部的暖濕空氣與北部的乾冷空氣交匯，能量發生轉換，鋒區強大的勢能轉變為河套氣旋發展的動能，河套氣旋迅速發展進一步增強了冷暖交匯，形成正反饋效應。在這一過程中，河套氣旋依靠鋒區提供的能量迅速發展並沿著鋒區東移。21日20時之後（圖4d），氣旋前部強盛的偏南風突破了鋒區延伸至東部地區，鋒區走向也轉為東北方向，河套氣旋的移動方向隨之轉向東北。可見，對流層低層鋒區的形成、分布及其走向對河套氣旋的發展和移動起著關鍵作用。
圖4
（3）河套氣旋東移過程中內部結構的變化
河套氣旋形成初期為正壓結構的熱低壓，是具有暖心結構的淺薄系統。氣旋中心配合暖平流（圖5a），暴雨通常在河套氣旋中心區域，大雨、暴雨通常是伴隨河套氣旋的形成而產生的，這類降水具有突發性、強度大的特點，預報難度大。河套氣旋形成後受西南暖濕氣流的推動向北移動，維持熱低壓性質，越過陰山山脈後受西北路冷空氣侵入，變性為斜壓氣旋，移動速度加快。在這次暴雨過程中，河套氣旋沿著鋒區東移迅速變性為斜壓氣旋，在對流層中低層正渦度中心對應冷暖平流的等值線密集過渡帶（圖5b）。河套氣旋形成初期，位於內蒙古河套地區就沿著鋒區發展，冷空氣侵入開始變為斜壓性氣旋，河套氣旋產生的強降水始終在其前部暖區中。可見，較強冷空氣從河套西部侵入河套地區，推動河套氣旋東移，是這次暴雨過程河套氣旋發展的重要特性。
圖5 渦度（實線）、溫度平流（點線）剖面圖
河套氣旋在北京721暴雨中的作用
（1）動力抬升作用
從河套氣旋發展演變過程來看，在東移過程中有明顯的發展加強。地面氣旋中心氣壓從21日02時的1002.5hPa降低到22日02時的997.5hPa；850hPa的渦度從21日02時的15×10s增加到22日02時的35×10s；河套氣旋的性質由正壓轉變為斜壓性氣旋；系統的厚度由700hPa以下增長到500hPa以上；降水中心強度隨著河套氣旋發展由20mm·h增長到60mm·h以上。可見河套氣旋的發展加強影響北京地區，其自身的動力抬升作用對特大暴雨的形成有著重要作用。
（2）水汽輸送作用
河套氣旋的生成與南支暖濕氣流活躍強盛關係密切，本次河套氣旋發展的全過程，自21日02—20時都配合著充沛的暖濕氣流和水汽輸送，低空急流大值區與相對濕度大值區相吻合，水汽輸送條件好。隨著河套氣旋東移發展，其與副熱帶高壓間的700hPa低空急流由內蒙古河套地區的8m·s增強到北京地區的20m·s，低空急流的加強對北京地區暴雨的加強有重要作用。可見，河套氣旋發展東移對北京721暴雨的水汽輸送的增強具有一定的影響。
（3）觸發不穩定能量作用
①不穩定條件
21日08時，700和850hPa內蒙古河套以東至河北、北京地區為一寬廣的高溫、高濕區，北京（54511）整層存在正能量區，達到1075J·kg，大氣對流條件較好，在700～600hPa存在一逆溫層，有利於對流層低層能量的聚集。到14時，犆犃犘犈值顯著增大到2089J·kg，北京地區水汽條件和不穩定層結條件都非常好，有利於短時強降雨和特大暴雨的發生。
②河套氣旋觸發條件
大氣中存在的熱力和動力不穩定性表明，若有某種機制（觸發條件）導致低層輻合抬升，對流將迅速發展。21日14時河套氣旋東移發展，其暖鋒已經影響到河北、北京地區，在河北中部到北京南部具有顯著的暖鋒風切變和風速輻合區，河套氣旋暖鋒向北傾斜達到500hPa以上，其北部大氣為乾冷性質，暖鋒及南部大氣為暖濕性質，暖濕空氣沿暖鋒抬升，強中心已經達到700～350hPa，足以突破700～600hPa的逆溫層，觸發暖區的對流系統發生，對後期中尺度對流複合體（MCC）的發生和發展有重要貢獻。
③中尺度對流複合體（MCC）發展
河套氣旋東移發展過程中，衛星雲圖呈逗點雲系，河套氣旋始終有對流雲配合，午後河套氣旋移入河北，北京地區，開始有較強的分散對流雲團生成，雲團迅速發展合併加強形成MCC，此時北京市區降水強度達到最強。可見，河套氣旋東移發展是引發北京特大暴雨的主要影響系統，在其暖區中暖鋒觸發不穩定能量釋放，形成強對流MCC，強對流的爆發使降水強度成倍增長，是北京發生特大暴雨的主要原因。
總之，河套氣旋東移發展影響北京地區，是特大暴雨形成的直接影響系統。河套氣旋決定著大的降水背景，其本身產生的降水貢獻應該在30mm·h（按線性外推），午後其觸發MCC使降水強度翻倍，是產生極端降水事件的關鍵因素。另外，地形對此次特大暴雨的落區也有影響，由於暴雨過程中北京地區對流層低層為東南風，西部山區對東南風氣流的抬升和阻擋使降水有增幅。可見，北京721暴雨不是某一項天氣條件好而產生的，它是由多方面的有利條件相疊加的結果。
研究結論
（1）河套氣旋是北京721暴雨的直接影響系統，河套氣旋改變了北上的常規路徑，向正東移直接影響河北、北京地區，引發了北京721暴雨。
（2）在穩定的大尺度環流背景下，高空急流輻散區東移，其動力強迫作用對河套氣旋的發展和移動起到關鍵作用。在對流層低層溫度平流作用下，河套地區至北京一線形成南暖濕、北乾冷的對流層低層鋒區，該鋒區是河套氣旋發展的能量來源，其強度和走向對河套氣旋的移動和發展有重要作用。
（3）河套氣旋對北京特大暴雨的主要作用有：河套氣旋發展加強的動力抬升作用、暖濕氣流加強的水汽輸送作用、午後河套氣旋暖鋒觸發不穩定能量釋放作用。午後，河套氣旋暖鋒觸發不穩定能量釋放，在北京地區產生強對流系統，形成中尺度對流複合體（MCC），使得降水強度成倍加強，是北京地區產生特大暴雨的主要原因。東南氣流中地形抬升作用對降水有增幅作用，北京721暴雨是多種有利因素疊加所致。
典型河套氣旋影響下的人工增雨天氣過程分析
遼寧省地處東亞大陸東岸，屬於溫帶大陸性季風氣候，且省內由於地理位置的不同，各地降水量存在較大差異，東南部降水最多，西北部最少，等雨量線呈東北—西南走向。春季少雨，多大風天氣，且土壤性質等原因，土壤失墒迅速，因此遼寧西部的朝陽、阜新、錦州和鐵嶺地區西北部春季乾旱多發且嚴重，有“十春九旱”之說，嚴重影響春播生產。降水量多的降水天氣系統人工增雨潛力也大，因此在春季要抓住大的降水天氣系統進行人工增雨作業，是緩解春季旱情的重要措施之一。總結出河套倒槽（氣旋）是造成遼寧地區春播期第一場透雨的主要地面影響系統之一及影響天氣氣候形式。總結出河套氣旋(或稱黃河氣旋)是影響遼東半島（遼寧省）的主要降水天氣系統之一，且4月份是出現最多的月份，一條主要的移動路徑是從河套地區向東經華北平原影響遼東半島進入朝鮮半島北部入日本海。它多在近地面層，主要影響我國華北地區，有時也會影響東北地區，是造成暴雪、暴雨天氣的主要影響系統，關於這方面的研究很多，本次降水天氣過程就屬於這種路徑移動遼寧省造成的影響。採用位渦理論分析了一次河套氣旋的強烈發展原因。分析冬季和夏季河套氣旋的區別。總結出河套氣旋是造成錫林郭勒盟冬季降水分布存在地區差異的主要原因。對河套倒槽造成東北吉林的一次暴雪天氣進行了分析。因此，對河套氣旋在遼寧省造成的雨雪天氣進行分析並總結有助於今後對此類天氣系統的預報並及時開展人工增雨作業。
降水天氣實況
2012年3月4-6日遼寧地區受高空冷渦底部分裂出來的高空槽結合地面河套氣旋共同影響，全省出現雨轉雪、東部地區出現中到大雪的降水天氣過程。由於人工增雨飛機尚未進場，不能實施飛機增雨作業，遼寧省人工影響天氣辦公室組織全省各市氣象部門在本次降水過程中只實施了火箭增雨作業。本次降水過程全省61個國家氣象觀測站中全部出現降水，其中除朝陽西部雨雪總量在10mm以下外，其他各地雨雪總量均在10mm以上，東部地區雨雪總量均達25mm。此次降雪，大連北部、鞍山南部、本溪南部、丹東大部、鐵嶺北部積雪深度在10cm以上，最大積雪深度在寬甸，為17cm；大連南部、遼陽地區、朝陽西部地區積雪深度在5cm以下；其他地區積雪深度在5～10cm之間。本次增雨作業取得了良好效果，對增加土壤蓄水量，降低森林火險等級，淨化空氣起到很好的作用。
降水天氣分析
（1）天氣形勢分析
（2）作業條件診斷分析
①水汽條件分析
低空急流2012年3月5日20時遼寧全省均在降水，且降水強度為最大時段，分析700hPa天氣圖（圖8）可以看出：在遼寧省除西部地區的朝陽、阜新、鐵嶺、瀋陽北部地區外，其餘地區均處於偏南風低空急流區域（紅色橢圓區域內），風速達12m/s以上。由於低空急流可以將南部暖濕空氣輸送過來，促進降水，是遼寧地區尤其是春季產生強降水的必要條件之一。對應遼寧省本次降水過程雨量圖與急流區域（圖8）對比，可以看出較強降水區域（大於10mm）處於低空急流區域內及其左前方區域，驗證了低空急流是產生本次強降水的重要因素之一。
圖8
相對濕度場分析由於相對濕度表示空氣接近飽和狀態的程度，相對濕度越大，空氣越接近飽和狀態，越容易凝結產生降水，越有利於人工增雨催化。一般把相對濕度大於85%作為劃定雲體存在的條件之一，大於85%的區域同時也與地面雨區相對應，是適於實施人工增雨催化的判據之一。分析本次降水過程中較強降水時段5日20時的700hPa高度的相對濕度（圖9（a）），遼寧地區上空相對濕度均在90%以上，表示有很好的濕度條件，且接近於飽和狀態，有利於實施人工增雨作業，同時與地面雨區相對應。沿123°E做垂直剖面圖（圖9（b）），可以看出：遼寧省地處38°~44°N，118°~126°E之間，在高空900~300hPa的範圍內，相對濕度均大於90%，人工增雨催化可以選擇在此區域進行。
圖9
比濕場分析分析2012年3月5日20時的比濕場，沿123°E做比濕的垂直剖面（圖10（a）），可以看出：比濕由南向北遞減，遼寧地區南部為0.0035kg/kg以上，較有利於降水，而北部地區850hPa以下的底層區域比濕可以達到0.003kg/kg，實際降水分布也是南部地區大於北部地區。
圖10
沿42°N做比濕的垂直剖面（圖10（b）），可以看出：比濕的最大值在123°~128°N地區，遼寧省東部地區處於此區域中，比濕的分布是由東向西遞減，雨量分布也相同。比濕直接代表了空氣中的濕空氣含量，並且與降水量呈正相關，因此結合比濕的南北向的垂直剖面圖進行分析，不但可以預測降水的的分布與大小，還可以判斷人工增雨作業的水平範圍與高度範圍，選擇比濕大的區域進行人工增雨作業。比濕與降水量的相關關係在國內有些地區進行了相關統計分析，遼寧地區尚未見到此類研究信息。
從相對濕度和比濕場來看，水汽在遼寧省以南、以東地區較充足，並且700hPa低空急流又可以將南方的水汽輸送到遼寧省內的東部、南部地區，有利於產生較強降水，適合實施人工增雨作業。
②溫度、高度、垂直速度場分析
由於大氣垂直上升運動可以將低層的暖濕空氣抬升至高層，產生降溫凝結，這時播撒適量的凝結核使得水汽在凝結核上凝結，並通過凝結增長、碰並增長等機制形成降水，以達到人工增雨的目的。播撒人工增雨催化劑就是使其在空中形成人工冰核，因此需要將它播撒到上升氣流中，特別是上升運動最強處，才能進入到上升氣流中與水汽作用形成降水性雲；另外普遍使用的人工增雨催化劑是碘化銀，它最適宜播撒的溫度範圍在-8～-15℃，因此要同時考慮溫度、高度和垂直速度，以便確定作業高度。沿123°E做2012年3月5日20時高度（gpm）和溫度（℃）的垂直剖面，可以看出：不同地區的-8～-15℃處於不同的高度區間，瀋陽地區（41.73°N）在780hPa（2000gpm）～620hPa（3800gpm）之間。分別沿42°N和123°E做垂直速度（Pa/s）剖面圖，看到強上升運動區域（小於-0.8Pa/s）在780～400hPa之間，因此選擇作業對應的高度範圍在2000gpm～3800gpm之間。火箭增雨作業要制訂本地區的作業高度，飛機作業受航空條件的限制一般只考慮一個飛行高度，儘量兼容大部分地區選擇一個最優高度進行飛行增雨作業。
③冰水轉化區
遼寧地區春季是易發乾旱的季節，降水天氣也以冷雲降水居多，一般在雲中有冰晶和過冷水同時存在，根據貝吉隆理論：當實際水汽壓大於冰面飽和水汽壓時，即e－Ei>0時（e為實際水汽壓，Ei為冰面飽和水汽壓），表示冰面過飽和，液態水會向冰晶表面轉化，使得不斷凝結增長，進而產生降水。因此e－Ei>0的區域也稱之為冰水轉化區，可以指示為人工增雨作業區域。遼寧中尺度數值模式MM5發布的冰水轉化區3h預報可以用來參考判斷作業區域。
研究結論
（1）2012年3月4-6日遼寧全省雨轉雪，局部大雪的降水天氣過程中，高空冷渦底部分裂出來的高空槽結合地面河套氣旋是主要影響天氣系統。特別是河套氣旋是遼寧地區春季第一場透雨的主要影響天氣系統之一，也是遼寧地區產生強降水的主要影響天氣系統之一，出現此類天氣系統應予以重視。
（2）700hPa遼寧中東部地區的急流有利於將南部地區的暖濕空氣輸送過來的，是本次中東部地區產生強降水的關鍵因素之一。
（3）比濕場的分析可以看出大氣中濕空氣的含量變化，相對濕度又可以看出空氣接近飽和的狀態，判斷出增雨的潛力與時機。
（4）通過對溫度、高度、大氣垂直速度和冰水轉化區的分析，可以確定作業的高度，人工增雨催化劑的播撒部位，提高人工增雨的效率。
