陜西北部一次對流性特大暴雨的中尺度分析

劉慧敏，高維英，李愛華，劉寶玉，艾 銳，侯柯然

（1.榆林市氣象局，陜西榆林 719000；2.陜西省氣象學(xué)會，西安 710014；3.西鄉(xiāng)縣氣象局，陜西西鄉(xiāng) 723500，4.靖邊縣氣象局，陜西靖邊 718500）

陜西北部一次對流性特大暴雨的中尺度分析

劉慧敏1，高維英2，李愛華3，劉寶玉4，艾 銳1，侯柯然1

（1.榆林市氣象局，陜西榆林 719000；2.陜西省氣象學(xué)會，西安 710014；3.西鄉(xiāng)縣氣象局，陜西西鄉(xiāng) 723500，4.靖邊縣氣象局，陜西靖邊 718500）

利用常規(guī)氣象資料、FY－2E衛(wèi)星云圖資料、榆林CINRAD/CB雷達(dá)資料和NCEP1°×1°再分析資料，對陜西北部綏德縣2012年7月15日夜間一次短時特大暴雨過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明：高對流有效位能為大暴雨積累了能量條件，850hPa兩條濕舌為該次大暴雨的主要水汽來源。850hPa的 “人”字型切變和地面中尺度低壓加強了暴雨區(qū)輻合上升運動，干線過境觸發(fā)了強對流天氣的爆發(fā)。強降水時段在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為2個中尺度對流系統(tǒng) （MCS）合并增強且緩慢移動；雷達(dá)回波顯示3個對流單體發(fā)展較快，后向傳播且合并增強為深厚的濕對流風(fēng)暴，其中一個對流單體有中氣旋生成，水平尺度12km，垂直累積液態(tài)水含量＞65kg/m2，并有三體散射現(xiàn)象，強降水開始后，三體散射消失。

特大暴雨；高對流有效位能；中尺度對流系統(tǒng) （MCS）；中氣旋；三體散射

陜西北部地處西北內(nèi)陸腹地，干旱少雨是主要氣候特征。單站暴雨出現(xiàn)頻次為0.6次/a，大暴雨更少，而且局地性強。相關(guān)研究表明［1－6］，7—9月，西太平洋副熱帶高壓北抬到25°N～30°N，其外圍強勁的西南暖濕氣流可以輸送到陜北，當(dāng)有西風(fēng)槽或高原槽東移時與西南暖濕氣流相遇，有可能在本地產(chǎn)生暴雨天氣。當(dāng)蒙古冷渦底部或東北冷渦后部有強冷平流影響陜北，與低層暖平流疊加形成較大的垂直風(fēng)切變和不穩(wěn)定層結(jié)，有利于強對流天氣的發(fā)生，可形成局地短時突發(fā)性暴雨或大暴雨。這類暴雨或大暴雨水平范圍只有10km左右，生命史不足1小時，降雨量＞50mm，常引起山洪暴發(fā)，造成重大災(zāi)害。

2012年7月15日，陜西北部綏德縣 （37°30′N，110°13′E）出現(xiàn)短時大風(fēng)、冰雹、暴雨等強對流天氣，14日23時—15日02時，位于縣城東部的義合、滿堂川2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2h降水量分別達(dá)到100.4mm、111.0mm，韭園鎮(zhèn)1h降水量達(dá)75.7mm。大風(fēng)、冰雹、暴雨造成3人死亡，鐵路、公路跨塌，莊稼被毀，經(jīng)濟損失十分嚴(yán)重。分析這次特大暴雨的不穩(wěn)定能量、水汽輸送、垂直運動、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波等中小尺度特征，有助于進(jìn)一步認(rèn)識陜西北部短時特大暴雨的形成機理和預(yù)報預(yù)警的關(guān)鍵點。

1 環(huán)流背景和中尺度分析

7月14日08時500hPa天氣圖 （圖略）上，甘肅到蒙古國中部為高壓脊，華北為一冷低渦，徑向環(huán)流較大，陜北綏德處于冷渦后部偏北氣流中，風(fēng)速達(dá)8～12m/s。20時在冷渦后部冷平流的作用下，空氣變得干冷。7月14日08—20時700hPa天氣圖 （圖略）上，綏德上空維持6～8 m/s的北風(fēng)，陜北北部與內(nèi)蒙古交界處為306 dagpm閉合低值冷中心，東勝到太原之間存在N—NW的橫切變。7月14日08時850hPa綏德縣西部有中心氣溫為22℃的暖性低渦。20時，暖性低渦繼續(xù)存在，并在銀川、延安、太原之間形成 “人”字型切變線，東路水汽輸送較強。14日20時各層天氣系統(tǒng)配置圖 （圖1）顯示，在高空冷平流和低層暖平流、低值系統(tǒng)的共同作用下，大氣斜壓性進(jìn)一步加強，層結(jié)趨于更加不穩(wěn)定，形成了有利于強對流的系統(tǒng)配置。

圖1 2012－07－14T20天氣系統(tǒng)中尺度分析

圖2為14日15—20時綏德氣象站地面要素變化情況?？諝鉁囟葹榫徛陆第厔荩Ｆ矫鏆鈮撼噬仙厔?，風(fēng)速的變化經(jīng)歷了大—小—大的過程。降水之前為較大的東南風(fēng)，降水臨近時風(fēng)速為零，降水開始后風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北且風(fēng)速迅速增大，風(fēng)向的變化呈東南—西南—東北的氣旋式旋轉(zhuǎn)，表明這次大暴雨是中尺度低值系統(tǒng)造成的。從露點溫度差 （圖略）可以看出，在地面中尺度低壓的后部有干線存在，干線的動力抬升作用是大暴雨觸發(fā)的必要條件。

圖2 2012－07－14T15—15T03綏德氣象站地面要素變化

2 不穩(wěn)定能量分析

分析距綏德較近的延安站7月14日20時溫度對數(shù)壓力圖 （圖略），700～250hPa為對流不穩(wěn)定區(qū)，濕對流有效位能 （CAPE）達(dá)1 241.4 J/kg，700hPa以下為很弱的穩(wěn)定層結(jié)，對流抑制能量 （CIN）為零，非常有利于對流的觸發(fā)和加強。分析風(fēng)向風(fēng)速的垂直變化可知，850～700 hPa風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)向順轉(zhuǎn)，有暖平流，700～300hPa風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)向逆轉(zhuǎn)有冷平流。低層暖平流與高層冷平流疊加后，層結(jié)向不穩(wěn)定方向發(fā)展。

3 水汽條件分析

以往的研究表明，大暴雨通常有低空急流輸送水汽［2］。這次大暴雨過程并沒有低空急流，而且700hPa及以上均為偏北氣流。水汽輸送主要依靠850hPa的兩條濕舌 （圖1），一條濕舌為自黃海經(jīng)山東、山西到達(dá)陜北的露點溫度差為1～2℃的偏東氣流，這條水汽通道14日08時已經(jīng)建立；另一條濕舌為自南海北上到達(dá)陜北，這條濕舌水汽較弱，露點溫度差為4～6℃。兩條濕舌在 “人”字型切變線暖區(qū)附近合并，形成水汽輻合。7月14日20時，延安站地面溫度露點差僅為1℃，地面至850hPa飽和假相當(dāng)位溫＞80℃，比濕為12～14g/kg，說明暴雨發(fā)生前地面至850hPa上空有較好的水汽輸送條件。根據(jù)NCEP1°×1°資料計算的14日20時850hPa水汽通量和水汽通量散度分布來看，暴雨區(qū)水汽通量＞40g/（cm·hPa·s），大值區(qū)在暴雨區(qū)的東部，水汽通量散度輻合中心達(dá)－4×10－7g/（cm2·hPa·s），與大暴雨中心相對應(yīng) （圖3）。

分析可見，暴雨區(qū)前期濕度條件較好，加之850hPa兩條水汽通道在暴雨區(qū)合并，為這次大暴雨提供了充足的水汽。

4 動力條件分析

7月15日08時主要輻合層在850hPa，輻散層在300hPa。20時850hPa輻合＜－30×10－6s－1，300hPa輻散中心＞20×10－6s－1。沿38°N渦度垂直剖面圖 （圖略）顯示，暴雨區(qū)上空為整層氣旋性旋轉(zhuǎn)，渦度為20×10－6s－1，大暴雨區(qū)上空有較強的正渦度平流，促進(jìn)低層上升運動的發(fā)展。與其它暴雨過程相比，這次突發(fā)性大暴雨具有輻合層低，氣柱旋轉(zhuǎn)強的特點，非常有利于垂直上升運動的發(fā)展和加強。

圖3 2012－07－14T20 850hPa水汽通量（a，單位為g/ （cm·hPa·s））和水汽通量散度（b，單位為10－7 g/ （cm2·hPa·s））

7月14日20時沿38°N垂直速度剖面圖（圖4）顯示，大暴雨在垂直運動場表現(xiàn)為850～600hPa為一致的上升運動，垂直速度為－1×10－2hPa/s，上升運動中心位于800～700hPa，兩側(cè)是下沉氣流區(qū)，形成了明顯的垂直次級環(huán)流，促進(jìn)了垂直上升運動的發(fā)展。這次大暴雨的垂直上升運動高度只到600hPa，而大尺度降水系統(tǒng)垂直運動往往可達(dá)對流層頂，表明這次大暴雨只是由一個發(fā)展強盛的中小尺度系統(tǒng)引起。

5 衛(wèi)星云圖分析

圖4 2012－07－14T20沿38°N垂直速度剖面圖（單位為10－2 hPa/s，黑色三角為大暴雨中心）

FY－2E衛(wèi)星云圖TBB產(chǎn)品 （圖5）顯示，7月14日22：00（北京時）暴雨區(qū)北部和東部分別生成兩個中尺度對流輻合系統(tǒng) （MCS）［7］云團1和云團2，云團1 tBB＜－35℃的面積為6×103km2，tBB＜－40℃的面積為2×103km2；云團2 tBB＜－35℃的面積為9×103km2，tBB＜－40℃的面積為5×103km2。兩云團邊界整齊，亮溫梯度較大，是典型的對流云團。23時，兩云團移動緩慢，有合并的趨勢，但對流單體強度均減弱，表現(xiàn)為tBB＜－35℃的區(qū)域合并，tBB＜－40℃的面積減小。15日00時云團1向東南移動中與云團2合并后增強，tBB＜－40℃的面積增大到8×103km2，暴雨區(qū)強降水開始。01時合并后的MCS云團沒有沿天氣系統(tǒng)移動，而是表現(xiàn)為原地增強，對流發(fā)展旺盛并到成熟階段，形狀近似成圓形，邊界非常整齊，西部邊緣梯度最大。tBB＜－35℃的面積達(dá)到20×103km2，tBB＜－45℃區(qū)域位于云團中心偏西，面積為200km2，是典型的中－γ尺度系統(tǒng)，亮溫最低處對應(yīng)強降水中心，1h降水量達(dá)75.7mm。02時后云團東移，綏德大暴雨迅速結(jié)束。

6 雷達(dá)回波分析

6.1 雷達(dá)回波反射率和徑向速度

圖5 2012－07－14T22—15T01FY－2E衛(wèi)星云圖TBB分布 （北京時）

14日22：17綏德縣出現(xiàn)第一個對流回波單體 （圖略），水平尺度20km，反射率＞50dBz，回波1的特點是移動緩慢，增強較快，表現(xiàn)為分裂增長，即一個回波體分裂為兩個強回波中心。22：41，回波單體1發(fā)展成熟，水平尺度達(dá)30 km，中心強度＞60dBz，在徑向速度圖 （圖6a（見第5頁））上，強風(fēng)暴低層入流速度＞7m/s和高層出流速度＞10m/s；對流單體為低空輻合高空輻散的增長機制，單體外側(cè)的下沉氣流有助于觸發(fā)新的對流單體產(chǎn)生，即單體1的右側(cè)生成新的對流回波單體2。單體2移動緩慢，發(fā)展迅速，22：54（圖6b）已經(jīng)發(fā)展為水平尺度10 km、反射率強度＞60dBz的強回波單體。23：12單體1與單體2合并，單體1減弱，單體2卻繼續(xù)增強，形狀呈圓形，反射率＞65dBz。23：18（圖6c）單體2向回波移動方向的后側(cè)傳播增強，23：48（圖6d）單體2在后向移動中東側(cè)又有新的回波并入，00：01（圖6e）發(fā)展到最強盛，反射率＞60dBz的面積最大，低仰角可見鉤狀回波，輻散層高達(dá)13km，風(fēng)速＞24m/s。回波單體2從14日23：36—15日01：09基本穩(wěn)定在大暴雨區(qū)上空。01：21（圖6f），上游移來回波單體3再次影響暴雨區(qū)，但持續(xù)時間較短。

6.2 三體散射

23：36，回波單體2在2.4°仰角出現(xiàn)三體散射 （圖7），對應(yīng)強回波高度是5km，地面未出現(xiàn)冰雹，說明這時云體還處于發(fā)展階段，冰雹還在增長［8］。00：07，0.5°～2.4°仰角均可見三體散射，＞55dBz的伸展高度達(dá)到9 km，屬于強對流回波發(fā)展的成熟階段，強降水開始后，三體散射消失，從出現(xiàn)到消失的持續(xù)時間為30min，對應(yīng)的強降水持續(xù)時間為2h。從天氣現(xiàn)象的持續(xù)時間上看，這次強對流天氣屬于濕對流風(fēng)暴。

6.3 垂直剖面

圖8為15日00：01回波單體2沿垂線方向的反射率和徑向速度垂直剖面圖，可以看到與圖6e中回波單體2低層的弱回波區(qū)對應(yīng)的高層為強回波區(qū)，強回波的高度位于3～7km，在6km高度處，強回波呈倒三角形，即強回波最大值位于回波體的中部，表明回波單體2已發(fā)展為強對流回波單體。在同時間的徑向速度剖面圖上，輻合層厚度達(dá)9km。回波最強時，垂直累積液態(tài)水含量＞65kg/m2。表明回波單體2具有深厚的輻合層和較高的液態(tài)水含量。

圖6 2012－07－14榆林多普勒雷達(dá)速度 （a 22：41，仰角1.5°，單位為m/s）和組合反射率（b 22：54，c 23：18，d 23：48，e 00：01，f 01：21，北京時，單位為dBz，每圈間隔50km，下同）

圖7 2012－07－14榆林多普勒雷達(dá)不同時次不同仰角反射率因子圖上的三體散射

圖8 沿圖6e中黑線所示方向的同一時間垂直剖面圖 （左側(cè)為反射率，右側(cè)為徑向速度）

6.4 中氣旋

23：48回波單體2向后傳播增強，速度場上出現(xiàn)對稱的正、負(fù)速度強中心，出現(xiàn)中氣旋的特征 （圖9中黑色圓圈包圍的部分）。23：55中氣旋發(fā)展成熟，正、負(fù)速度量級和范圍均達(dá)到最大，邊界整齊，中氣旋直徑為12km，最大風(fēng)速＞20 m/s，0.5°和1.5°仰角均可見，維持時間3個體掃。00：07對應(yīng)地面出現(xiàn)災(zāi)害性強風(fēng)和強降水。位于綏德縣城北部20km的四十鋪區(qū)域站每小時一次的觀測資料顯示，該區(qū)域站23：48，最大風(fēng)速為3.8m/s，風(fēng)向為SSW，00：07時最大風(fēng)速突增至12.3m/s，風(fēng)向轉(zhuǎn)為ESE，與中氣旋發(fā)展成熟的時間相一致。強降水的開始時間在00：01之后，00時之前測站無降水記錄。中氣旋雖然以強降水為主，但是根據(jù)受災(zāi)群眾描述以及三體散射特征判斷有冰雹，而且與強降水相伴，持續(xù)時間較長。

圖9 2012－07－14榆林多普勒雷達(dá)徑向速度 （仰角0.5°）

7 小結(jié)

（1）高空華北冷渦后部強冷平流與低層暖平流疊加是該次突發(fā)性大暴雨發(fā)生的有利背景。高對流有效位能為大暴雨積累了能量條件， “人”字型切變和地面中－γ尺度的低壓系統(tǒng)是大暴雨發(fā)生的直接原因，其后部干線的動力抬升作用是大暴雨觸發(fā)的必要條件。

（2）大暴雨發(fā)生時垂直運動場存在一強垂直次級環(huán)流。850hPa的兩條濕舌為該次大暴雨的主要水汽來源。

（3）衛(wèi)星云圖上多個中尺度對流云團（MCS）合并后增強少動，亮溫最低處靠近亮溫梯度最大的位置對應(yīng)強降水中心。

（4）雷達(dá)回波圖上，多單體回波之間互相影響，合并加強，回波成熟階段有三體散射現(xiàn)象；剖面圖上強回波位于6km高度處，呈倒三角，輻合層達(dá)9km；速度圖上具有中氣旋特征，直徑為12km，最大風(fēng)速＞20m/s，回波最強時，垂直累積液態(tài)水含量＞65kg/m2，表明該風(fēng)暴是一發(fā)展深厚的濕對流風(fēng)暴。

（5）在短時臨近預(yù)報中應(yīng)注意，雷達(dá)回波發(fā)展很快、移動緩慢且后向傳播合并增強是強對流天氣的重要特征。

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1006－4354 （2014）04－0001－06

2013－02－23

劉慧敏 （1967—），女，漢族，陜西佳縣人，大學(xué)本科，高級工程師，從事天氣預(yù)報業(yè)務(wù)與研究。