陜南一次區(qū)域性短時強(qiáng)降水過程成因分析

樂 靜， 胡啟元

(1.陜西省戶縣氣象局，陜西戶縣 710300；2.陜西省氣象臺，陜西西安 710015)

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陜南一次區(qū)域性短時強(qiáng)降水過程成因分析

樂 靜1， 胡啟元2

(1.陜西省戶縣氣象局，陜西戶縣 710300；2.陜西省氣象臺，陜西西安 710015)

利用實況降水資料、MICAPS觀測資料、風(fēng)云衛(wèi)星紅外資料以及新一代多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品，從環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)、雷達(dá)回波等方面對2015年5月7日晚陜南中東部的一次區(qū)域性短時強(qiáng)降水過程成因進(jìn)行了分析，探討此次強(qiáng)降水過程的發(fā)生機(jī)制和預(yù)報指標(biāo)分析。結(jié)果表明，此次強(qiáng)降水過程發(fā)生在東亞一槽一脊的天氣背景下，700和850 hPa切變線疊加、地面存在冷鋒和輻合線、低空西南暖濕氣流強(qiáng)盛，為強(qiáng)降水過程提供了充足的水汽；高空急流配合低層中尺度切變線形成高層輻散、低層輻合形勢，為短時強(qiáng)降水過程提供了充足的能量和動力。過程中水汽飽和程度迅速增大，在強(qiáng)烈垂直運(yùn)動作用下強(qiáng)迫抬升凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)降水，其中水汽主要來自落區(qū)上空空氣中本身。雷達(dá)回波顯示，過程中強(qiáng)回波區(qū)逐漸形成帶狀回波，所經(jīng)過區(qū)域出現(xiàn)雷暴大風(fēng)等災(zāi)害天氣；同時強(qiáng)降水回波帶(≥55 dBZ)在向東南平移的過程中，其自身也有從西南向東北方向的傳播移動，造成洋縣、旬陽、平利等站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。

短時強(qiáng)降水；區(qū)域性；環(huán)流形勢；影響系統(tǒng)；雷達(dá)回波；預(yù)報指標(biāo)

短時強(qiáng)降水作為我國主要強(qiáng)對流天氣類型之一，其發(fā)生時段、產(chǎn)生機(jī)制和造成的次生災(zāi)害均是國內(nèi)學(xué)者的主要研究內(nèi)容，且許多學(xué)者從形勢背景、能量分析以及不同系統(tǒng)相互耦合等方面提出許多觀點[1-5]。如侯建忠等[2]利用陜西極端暴雨與近海臺風(fēng)活動的資料，對其時空分布統(tǒng)計分析和天氣學(xué)、動力學(xué)診斷以及衛(wèi)星云圖等進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為直接產(chǎn)生極端暴雨的是位于西風(fēng)帶冷鋒云系前部的中尺度對流云團(tuán)；王貴軍等[5]分析2010年7月13日營口南部到大連北部地區(qū)發(fā)生的一次局地暴雨過程發(fā)現(xiàn)，溫度平流的強(qiáng)弱及冷暖過渡帶位置均能較好地反映出降水的強(qiáng)度及落區(qū)；高比濕區(qū)反映出水汽的局地集中，對降雨有指示作用。2015年5月7日晚陜南中東部出現(xiàn)區(qū)域性短時強(qiáng)降水過程，對陜南部分山區(qū)造成山洪暴發(fā)、滑坡泥石流和山體滑坡等多種次生災(zāi)害，災(zāi)情導(dǎo)致群眾房屋進(jìn)水倒塌、供電中斷等。筆者利用實況降水資料、MICAPS觀測資料、風(fēng)云衛(wèi)星紅外資料以及新一代多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品，從環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)、雷達(dá)回波等方面分析此次區(qū)域性短時強(qiáng)降水過程，探討此次強(qiáng)降水過程的發(fā)生機(jī)制和預(yù)報指標(biāo)，為研究陜南區(qū)域性短時強(qiáng)降水天氣提供參考。

1 天氣概況

2015年5月7日夜間陜南中東部出現(xiàn)短時強(qiáng)降水過程，此次過程發(fā)生時間在上半夜(7日19：00—8日01：00，強(qiáng)降水波及商洛、漢中、安康3市，小時降水量大，其中商洛市丹鳳站出現(xiàn)35.0 mm/h的降水(圖1)。過程中自動站小時降水量超過20 mm共有6個自動站，鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站小時降水量超過20 mm共有103個，其中最大為商洛市丹鳳縣土門站(91.5 mm)。此次短時強(qiáng)降水過程造成商洛市多地部分群眾房屋進(jìn)水、民房倒塌、作物絕收、人員傷亡和供電中斷，給群眾生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響，因災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失1 867萬元。

圖1 2015年5月7日19：00—8日01：00累計降水量(單位：mm)Fig.1 Cumulative precipitation from 19:00 May 7th to 01:00 May 8th in 2015

2 環(huán)流形勢分析

2.1 200和500 hPa環(huán)流形勢 此次短時強(qiáng)降水過程屬于東北冷渦型。7日20：00 200 hPa陜南處于中心風(fēng)速為60 m/s的高空急流入口區(qū)右側(cè)，高層有明顯的風(fēng)場輻散。東亞高緯度環(huán)流背景呈一槽一脊(圖2)，其中巴爾喀什湖附近的阻塞高壓系統(tǒng)中心穩(wěn)定少動，東北冷渦底部低槽位于關(guān)中中部到陜南西部附近，溫度槽明顯落后于西風(fēng)槽，說明陜南西部受明顯冷平流影響，東部受偏西南氣流控制有暖平流。

圖2 2015年5月7日20：00 200 hPa高空急流和500 hPa高空形勢Fig.2 200 hPa high altitude jet stream and 500 hPa situation at 20:00 on May 7th in 2015

圖3 2015年5月7日20：00 700 hPa高空形勢Fig.3 700 hPa situation at 20:00 on May 7th in 2015

2.2 700和850 hPa環(huán)流形勢 700和850 hPa陜南上空存在低空切變線，其中700 hPa切變線北側(cè)為16 m/s西北風(fēng)，南側(cè)為12 m/s西南風(fēng)(圖3)；850 hPa切變線北側(cè)為14 m/s西北風(fēng)，南側(cè)為2 m/s東南風(fēng)，可見暴雨落區(qū)上空存在明顯的風(fēng)速風(fēng)向輻合，有利于上升運(yùn)動產(chǎn)生和維持，同時陜北南部、關(guān)中北部有強(qiáng)度為10 ℃的冷中心，陜南上空附近溫度梯度線密集，兩側(cè)溫差達(dá)8～9 ℃。

2.3 地面形勢 地面圖上(圖4)，陜南處在隴南冷高壓(中心強(qiáng)度1 017.5 hPa)底部和四川南部為熱低壓系統(tǒng)(中心強(qiáng)度1 002.5 hPa)倒槽前部，受地面冷鋒過境影響其當(dāng)?shù)貧鈮禾荻让芗?氣壓差為2 hPa)，同時商洛到漢中南部存在地面輻合線和干線，對觸發(fā)低層不穩(wěn)定能量釋放有重要貢獻(xiàn)。

圖4 2015年5月7日20：00地面形勢Fig.4 Ground situation at 20:00 on May 7th in 2015

3 主要影響系統(tǒng)分析

3.1 高空急流配合低層切變線 這次過程中200 hPa高空急流呈緯向型分布，6日位于32°N、110°E附近，到7日20：00中心位置東移北上至山東半島(35°N、130°E),且其尾部分裂成2個中心，位置偏西的高空急流軸呈反氣旋式，陜南地區(qū)剛好處在其入口區(qū)右側(cè)，高層具有風(fēng)場輻散；低層700和850 hPa切變線位置重疊，風(fēng)場輻合明顯，十分有利于上升運(yùn)動產(chǎn)生。7日20：00 散度場分布顯示(圖5)，200 hPa在商洛東部明顯存在20×10-5/s的強(qiáng)輻散中心，安康、漢中東部也處于(10×10-5～15×10-5)/s的輻散區(qū)內(nèi)，850～500 hPa均為輻合區(qū)，700 hPa出現(xiàn)中心值為-14×10-5/s的輻合中心，可見這種高層輻散、低層輻合的強(qiáng)降水有利形勢是由于高低空天氣系統(tǒng)相互配合造成的[6]。

圖5 2015年5月7日20：00 200 hPa(a)和700 hPa(b)散度場分布(單位：10-5 /s)Fig.5 200 hPa(a)and 700 hPa(b)divergence at 20:00 on May 7th in 2015

3.2 低層中尺度系統(tǒng)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放 過程發(fā)生前12 h(7日08:00),700 hPa切變線還在關(guān)中西部到陜北南部一帶，地面陜南處于鞍型場中，切變線前偏南暖濕氣流和地面微風(fēng)、溫度高等條件相互配合，有利于前期不穩(wěn)定能量積累[7]；該時刻安康站低層925 hPa以下存在逆溫層，低層濕度大，同時近地面吹風(fēng)速為2～3 m/s的偏東風(fēng)，地面溫度為18 ℃，也是具備良好的強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展條件。7日20：00，由于白天地面晴空輻射增溫，大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定，安康站T-logP圖(圖6)已出現(xiàn)一個從700 hPa伸展至200 hPa的細(xì)長CAPE大值區(qū)(1 392 J/kg)，K指數(shù)由23 ℃猛升至40 ℃，SI指數(shù)為-3.01 ℃，700 hPa切變線受高空引導(dǎo)氣流有所南壓，切變線北側(cè)的漢中站由08:00 14 m/s偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為20:00 16 m/s西北風(fēng)，溫度由7 ℃降至3 ℃，此時切變線附近溫差達(dá)4 ℃，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的冷暖氣流交匯。從圖7可以看出，從重慶到陜南有明顯的高能舌，其前部觸發(fā)不穩(wěn)定能量生成的對流云團(tuán)十分旺盛。

圖6 2015年5月7日20：00安康站T-logP圖Fig.6 T-logP in Ankang Station at 20:00 on May 7th in 2015

圖7 2015年5月7日20：00假相當(dāng)位溫(黑線)和衛(wèi)星云圖Fig.7 The pseudo equivalent temperature (black line) and satellite images at 20:00 on May 7th in 2015

圖8 2015年5月7日08：00(a)和20：00(b)700 hPa相對濕度分布Fig.8 700 hPa relative humidity at 08:00(a) and 20:00(b) on May 7th in 2015

3.3 中低層深厚濕空氣區(qū)迅速轉(zhuǎn)化為降水落下 對比7日08：00、20：00，8日08：00 3個時次陜南低層的相對濕度分布(圖8)發(fā)現(xiàn)，在7日08：00和8日08：00陜南中東部地區(qū)相對濕度普遍在20%～40%，空氣相對不利于產(chǎn)生降水， 7日20：00對應(yīng)區(qū)域相對濕度猛增至90%～100%，空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生短時強(qiáng)降水，其水汽變化特征究其原因在于7日08：00溫度較高，溫度露點差大，空氣處于不飽和狀態(tài)，8日08：00由于前期降水(同時水汽輸送減弱)造成空氣中水汽含量降低，相對濕度下降；而由上面分析可知，7日20：00由于溫度降低和西南暖濕氣流輸送，落區(qū)上空溫度露點差減小，十分有利于水汽凝結(jié)，而這種凝結(jié)過程在強(qiáng)有力的上升運(yùn)動配合下，迅速增大并產(chǎn)生強(qiáng)降水。

4 短時強(qiáng)降水預(yù)報指標(biāo)分析

根據(jù)陜西省預(yù)報人員多年對短時強(qiáng)降水的分析，已總結(jié)出一套行之有效的短時強(qiáng)降水預(yù)報指標(biāo)[8-9]，根據(jù)指標(biāo)分析7日短時強(qiáng)降水發(fā)生的天氣形勢可以得出此次過程屬于低槽型，其特點為副高偏弱、位置偏南，高原上也有低槽東移，引導(dǎo)700 hPa切變線和地面冷空氣東移，給陜西帶來短時強(qiáng)降水天氣。

預(yù)報指標(biāo)圖的高低空形勢場(圖9a)顯示，當(dāng)冷渦系統(tǒng)位于貝加爾湖附近或西側(cè)，對于陜南強(qiáng)降水最有利的形勢為陜南位于500 hPa冷渦底部的低槽東側(cè)和地面冷鋒前側(cè)，即地面冷鋒過境可觸發(fā)西南暖濕氣流輸送的不穩(wěn)定能量乃至產(chǎn)生對流天氣。而對比此次過程發(fā)生前的7日08：00高低空形勢場(圖9b)可以看出，無論是500 hPa還是地面形勢場均與預(yù)報指標(biāo)圖基本一致，即當(dāng)預(yù)報人員在實際業(yè)務(wù)預(yù)報中，在7日08：00實況分析場上出現(xiàn)類似預(yù)報指標(biāo)圖的高低空形勢，那么就需要考慮未來12～24 h陜南地區(qū)發(fā)生短時暴雨的可能性。說明經(jīng)過檢驗的本地預(yù)報指標(biāo)對于典型的強(qiáng)降水過程有相當(dāng)大的可靠性，能夠作為對客觀模式預(yù)報產(chǎn)品的主觀分析補(bǔ)充。

注 ：a1、b1為500 hPa形勢場；a2、b2為地面形勢場。Note:a1,b1.500 hPa situation; a2,b2.Ground situation.圖9 預(yù)報指標(biāo)(a)和2015年5月7日08：00實況(b)形勢場對比Fig.9 Situation comparison of forecast index(a) and live situation at 08:00 on May 7th in 2015(b)

5 雷達(dá)回波分析

分析7日19：00—23：00雷達(dá)回波發(fā)現(xiàn)，過程降水回波區(qū)主要移動方向與衛(wèi)星云圖上對流云團(tuán)移動方向一致，自西北向東南方向移動，移動過程中強(qiáng)回波區(qū)逐漸形成帶狀回波，所經(jīng)過區(qū)域出現(xiàn)雷暴大風(fēng)等災(zāi)害天氣；同時強(qiáng)降水回波帶(≥55 dBZ)在向東南平移的過程中，其自身也有從西南向東北方向的傳播移動，其產(chǎn)生的“列車效應(yīng)”給洋縣、旬陽、平利等站帶來短時強(qiáng)降水。

7日19：06(圖10a)，強(qiáng)降水回波呈帶狀移至漢中站東南部，帶狀回波東北端有中心超過65 dBZ的對流單體經(jīng)過洋縣，且其東北端不斷生成新的對流單體(黑箭頭)，造成洋縣1 h降水超過30 mm，達(dá)到短時暴雨級別；20：03(圖10b1),大片降水回波影響安康地區(qū)，之前漢中站帶狀強(qiáng)回波移至漢陰—鎮(zhèn)巴附近，而在安康站東北方向旬陽站也激發(fā)了新的對流單體(≥65 dBZ，黑箭頭)，旬陽站附近降水開始增強(qiáng)，到西南方向帶狀回波東移與該對流單體合并，增加和維持了單體回波大小，也增大了降水的強(qiáng)度。另外，20：03在安康站南邊平利附近開始有弱對流帶形成(圖10b1白箭頭)，該帶狀回波在20:34受后部西北方向?qū)α髑皞?cè)上升氣流激發(fā)，迅速從30 dBZ增長為55 dBZ的回波帶(圖10b2白箭頭)，到21:16其東北部增長為中心大小≥65 dBZ的強(qiáng)對流回波單體(圖10b3白箭頭)，造成平利出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。

6 結(jié)論

(1)此次強(qiáng)降水過程發(fā)生在東亞一槽一脊的天氣背景下，高空急流配合低層中尺度切變線形成高層輻散、低層輻合形勢，是造成短時強(qiáng)降水過程強(qiáng)烈上升運(yùn)動的主要因素。700和850 hPa切變線疊加，地面存在冷鋒和輻合線，比較有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生。

(2)低層前期存在大氣層結(jié)不穩(wěn)定，后期有高能舌向北入侵，配合地面冷鋒強(qiáng)迫抬升共同觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放產(chǎn)生強(qiáng)降水。

(3)過程中水汽飽和程度迅速增大，在強(qiáng)烈垂直運(yùn)動作用下強(qiáng)迫抬升凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)降水，其中水汽主要來自落區(qū)上空空氣中本身。

(4)對比短時強(qiáng)降水要素指標(biāo)，此次過程低空西南暖濕氣流更加強(qiáng)盛，切變線為暖式，主要為冷鋒觸發(fā)不穩(wěn)定產(chǎn)生對流，地面倒槽作用不大。

(5)7日19：00—23：00雷達(dá)回波顯示，強(qiáng)回波區(qū)逐漸形成帶狀回波，所經(jīng)過區(qū)域出現(xiàn)雷暴大風(fēng)等災(zāi)害天氣；同時強(qiáng)降水回波帶(≥55 dBZ)在向東南平移的過程中，其自身也有從西南向東北方向的傳播移動，造成洋縣、旬陽、平利等站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。

注:a.19:06; b1.20:03; b2.20:34; b3.21:16。Note:a.19:06; b1.20:03; b2.20:34; b3.21:16.圖10 2015年5月7日漢中站(a)和安康站(b)雷達(dá)組合反射率Fig.10 Radar reflectivity of Hanzhong Station(a) and Ankang Station(b) on May 7th in 2015

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The Causes Analysis of a Regional Short-time Heavy Rainfall in Southern Shaanxi

YUE Jing1,HU Qi-yuan2

(1.Huxian Meteorological Bureau,Huxian,Shaanxi 710300; 2.Shaanxi Meteorological Observatory,Xi’an,Shaanxi 710015)

Using live precipitation data,MICAPS observation data,satellite infrared data and new generation Doppler weather radar products,a regional short-time heavy rainfall process in southern Shaanxi on May 7th in 2015 was analyzed from aspects of circulation situation,impact system,radar echo,the occurrence mechanism and forecast index of the heavy rainfall process was discussed.The results showed that the heavy rainfall process occurred in the weather background of east Asia "one trough and one ridge",and the joint of shear line between 700 hPa and 850 hPa,the ground had cold front and the convergence line,the low-level southwest strong warm air provided sufficient water vapor for the heavy rainfall process,meanwhile the upper level jet stream and low level mesoscale shear line formed the situation of upper level divergence and low level convergence,which provided sufficient energy and power for the short time heavy rainfall process.The saturation degree of water vapor increased rapidly in the process,and the heavy rainfall caused by forced uplifting and condensation under strong vertical motion,in which the water vapor mainly came from the air over the area.The radar echo showed strong echo region gradually formed the band echo,the area had thunderstorms,strong winds and other disasters where it gone through; meanwhile,it also had its own movement from the southwest to the northeast in the process of translation to the southeast of the strong precipitation echo band (≥55 dBZ),which resulted in short-time heavy rainfall in the stations of Yang County,Xunyang County,and Pingli County .

Short-time heavy precipitation; Regional; Circulation situation; Impact system; Radar echo; Forecast index

樂靜(1982- )，女，陜西戶縣人，工程師，從事氣象預(yù)報、氣象防災(zāi)減災(zāi)、氣象業(yè)務(wù)管理等工作。

2016-07-15

S 161.6

A

0517-6611(2016)29-0199-05