延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析

2015-06-09 14:24:50黃少妮

陜西氣象 2015年3期

黃少妮，井宇，袁媛

(陜西省氣象臺，西安 710014)

延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析

黃少妮，井宇，袁媛

(陜西省氣象臺，西安 710014)

利用常規觀測資料、NCEP1°×1°再分析資料、FY-2E衛星資料和延安多普勒天氣雷達資料，對2013年7月25日發生在延安地區的局地暴雨天氣過程進行了初步分析，結果表明：本次暴雨發生在典型的中高緯兩槽一脊形勢下，西太平洋副熱帶高壓西側的偏南風急流形成了向陜西輸送水汽和能量的重要通道；副高邊緣西南暖濕氣流向北輸送形成陜西高溫高濕天氣，為暴雨產生積累了不穩定能量。700 hPa和850 hPa切變線與地面輻合線的重疊非常有利于邊界層濕暖空氣輻合抬升，激發對流單體的發生和強烈發展。中α尺度對流云團自西向東發展加強，依次造成延安北部縣區的短時強降水；黃陵短時大暴雨出現在中β尺度對流云團發展到強盛階段，在雷達回波上表現為對流系統持續的 “列車效應”。

暴雨；中尺度對流系統；列車效應；延安

延安地處黃土高原，天氣氣候有顯著的地域性特點，暴雨往往具有歷時短、強度大、局地性強的特點，易造成局部嚴重洪澇災害，且預報難度大，因此有必要對延安局地強降水進行研究。已有的研究表明[1-5]，盛夏7—9月西太平洋副熱帶高壓北抬到25°N～30°N，中低層水汽和能量輸送比較充沛，當有西風槽或高原槽東移與副高外圍的西南暖濕氣流相遇，容易在延安地區產生局地暴雨，造成洪澇災害。利用常規觀測資料、NCEP1°×1°再分析資料、雷達組合反射率因子和速度場資料、云頂亮溫(TBB)資料，通過分析探討2013年7月延安出現的一次短時強降水過程的中尺度對流系統特征，更好了解此次局地性強降水的突發性和階段性特征。

1 降水概況

2013年7月延安地區連續出現5次強降水過程，區域平均降水量397.6 mm，為1961年以來同期降水量最多的時段，共出現暴雨30站次，多個縣站日降水量突破歷史極值。7月24日08時—25日20時，延安多個縣區出現暴雨，其中黃陵縣遭受特大暴雨襲擊，25日12—15時累計降雨達143.7 mm，其中14—15時1 h降雨量為63 mm，短時降水強度達該縣有氣象記錄以來歷史極值。這次強降水過程有兩個主要降水時段(圖1)：第一時段為25日00—10時，強降水主要發生在延安北部的吳起、延安、延長等區域；第二時段為12—17時，延安南部的黃陵附近出現短時強降水過程。

圖1 2013-07-25T00—17延安4站逐時雨量(單位為mm)

2 環流背景和中尺度對流條件分析

2.1 天氣尺度環流背景

暴雨的形成往往具有有利的大尺度環流形勢。7月24—26日500 hPa天氣圖上，中高緯度為兩槽一脊型，貝加爾湖南部到內蒙西部地區有低槽東移。副高588 dagpm線控制長江中下游地區，584 dagpm線穩定在隴南—陜北一帶，陜西受副高外圍西南氣流控制。貝湖南部—內蒙西部低槽槽底不斷有冷空氣向南擴散到內蒙中部、陜北地區，這種東高西低形勢有利于陜北地區暴雨的形成。同時，700 hPa高空圖上陜北—寧夏—隴東有明顯的風向風速輻合切變且穩定少變，陜北南部位于切變南側偏南氣流中。

2.2 抬升條件

利用7月25日08時高空和地面觀測資料進行中尺度分析(圖2)，700 hPa切變線位于榆林中部—隴南一帶，850 hPa切變線位于延安南部—關中北部一帶，地面輻合線自榆林西部經延安西部到關中西部地區。700 hPa和850 hPa切變線與地面輻合線的重疊非常利于邊界層的暖濕空氣輻合抬升，有利于對流單體生成和發展。

同時，自動氣象觀測站 (圖略)觀測也表明，25日02—14時在延安西部地區地面輻合線一直維持，這為對流單體的發生和發展提供了輻合抬升和觸發條件。

圖2 2013-07-25T08中尺度天氣系統分析

2.3 不穩定條件

根據暴雨帶的移動和范圍計算延安和西安站7月24日20時—25日08時不穩定參數(表1)，分析延安地區暴雨過程不穩定條件。從表1可見，24日20時延安對流有效位能為1 533 J/kg，這主要是由于前期副熱帶高壓穩定維持在30°N以北，受副高西南暖濕氣流影響，陜北地區積累了充足能量，同時K指數為40℃，假相當位溫隨高度變化量(Δθse)為89 K，均說明榆林地區具有暴雨發生的熱力不穩定條件。850 h Pa比濕為17.3 g/kg，滿足了延安地區暴雨發生的濕度條件，因此，25日00—10時，延安地區北部吳起、延安、延長依次出現短時強降水，構成了強降水的第一階段。

表1 2013-07-24T20—25T08延安和西安站物理量參數

25日08時，延安站對流有效位能減小到143.4 J/kg，這主要是由于強降水發生后，不穩定能量得到釋放而減弱。而西安地區24日20時—25日08時，除對流有效位能從2 097.6 J/kg減小到1 212.2 J/kg以外，K指數、假相當位溫隨高度變化量(Δθse)、850 hPa比濕依然較強，說明延安南部到關中之間依然維持較強的不穩定能量，具有暴雨發生的熱力不穩定條件和濕度條件。這為25日12—17時延安南部地區發生的第二時段強降水提供了不穩定能量和濕度條件。

2.4 水汽特征

足夠的水汽是形成暴雨的必要條件之一。降水發生前和整個過程中，副高588 dagpm線西伸點維持在110°E附近，584 dagpm線穿過陜北地區，來自副高外圍的暖濕氣流輸送到陜北地區，為暴雨的產生提供了水汽來源。25日02時700 hPa水汽通量場上(圖略)，水汽通量沿副高外圍從南海經兩廣—云貴—四川抵達陜西，強度自陜南西部向關中和陜北遞減。08時水汽通量場和風場疊加圖 (圖3)上，隴南至延安北部維持一西南—東北走向切變線，川陜甘交界處有一水汽通量高值舌自西北伸至延安大部分地區，暴雨區位于切變線和水汽通量高值舌南側。從24日14—20時暴雨中心(35°N、109°E)水汽通量時間-高度垂直剖面圖 (圖4)上可見，強降水發生前，700 hPa附近有中心值大于11 g/(cm·hPa·s)的水汽通量大值區。從02時和08時850 hPa比濕場上(圖略)也可以看到，延安大部到陜南大部有中心值大于15 g/kg的比濕大值區。以上分析表明，強降水區位于低層切變線和水汽通量高值舌的南側。

圖3 2013-07-25T08 700 hPa水汽通量和風場(水汽通量單位為g/(cm·hPa·s))

圖4 2013-07-24T14—25T20暴雨中心(35°N、109°E)水汽通量時間-高度剖面圖(單位為g/(cm·h Pa·s))

3 中尺度對流云團分析

暴雨和強對流天氣是在多個中尺度系統相互作用的條件下發生的，在有利的大尺度環流背景下由嵌入天氣尺度的中小尺度系統直接造成[6]。這次暴雨過程發生在副高邊緣584 dagpm線附近，從FY-2E氣象衛星TBB演變可以看出該過程分別由一中α和β尺度對流云團直接影響造成的。

從FY-2E衛星紅外輻射亮度溫度逐小時演變 (圖5)可看到連續兩個中尺度對流云團發生發展的過程。25日02時榆林吳起地區有一些孤立的對流云團出現 (圖略)。03時，吳起上空發展的中γ尺度對流云團中心tBB≤-52℃；04—05時，中γ尺度對流云團迅速擴展到延安大部分地區，對流系統快速發展，冷中心溫度迅速下降，延安站上空tBB≤-60℃；06時，對流系統發展迅速，云團面積急劇擴大并向東擴展，其南北跨度約260 km，東西跨度約245 km，位于延安上空，形成幾何中心近似圓形的中α尺度對流云團，云團冷中心tBB≤-52℃，此時延安站雨強達到26.8 mm/h；07—08時，對流云團持續發展并明顯向東擴展移動，云團幾何中心移到黃河沿線，07時和08時延長站雨強分別達29.3 mm/h和29.8 mm/h；09時(圖略)中尺度系統強度減弱東移，tBB≤-60℃的區域基本消失；10時對流云團持續偏弱并完全移出陜西進入山西，延安地區降水基本停止。

圖5 2013-07-25 TBB演變圖(單位為℃)

25日12時強降水第二時段開始，首先在黃陵西南側出現一孤立對流單體云團，13時對流單體云團移至黃陵站上空 (圖5)，出現21.9 mm/h的強降雨；14時小單體云團開始迅速擴大，云團冷中心tBB≤-52℃，黃陵站雨強也增加到46.4 mm/h；15時云團向東北—西南方向擴展，跨度達到200 km左右，形成中β尺度對流云團，冷中心tBB最低達-60℃，黃陵站一小時雨量達到63 mm；16時冷中心tBB≤-60℃，且面積不斷擴大，測站雨強開始減小；17時對流云團東移且強度迅速減弱，tBB≤-60℃區域基本消失；18時云團主體東移進入山西境內。

由以上分析可知，延安北部縣區站強降水發生在中α尺度對流系統發展成熟階段，強降水中心隨著中尺度云團的擴展東移，在tBB≤-60℃覆蓋面積較大時，雨強達到最大。而黃陵強降水出現在中β尺度對流系統發展強盛階段，隨著TBB冷中心的擴大雨強迅速增強，tBB≤-60℃冷中心出現時，雨強達到最大，強降水落區出現在tBB梯度最大處。

4 強降水回波結構分析

25日08時500 hPa顯著流線呈西南—東北走向，地面輻合線呈西南南—東北北走向 (圖2)，對流云團易在地面輻合線附近生成發展[7]，并沿著500 hPa顯著流線的方向移動。從雷達反射率因子圖上也可以看到，強降水第二時段多個風暴單體先后經過黃陵站，顯著的 “列車效應”造成了強烈的短時暴雨過程。

25日11：54黃陵站西側有對流單體回波a生成(圖6)，中心強度為65 dBz；12：36對流單體a前部邊緣移至黃陵上空，同時在其西南側新生一對流單體回波b，中心強度大于50 dBz；13：06對流單體a發展強盛且主體移至黃陵站上空，同時可以看到對流單體b也向黃陵站移近，與之相對應，12—13時黃陵站降雨量為21.9 mm；13：30雷達回波圖上，對流單體a向東北偏東方向移動且強回波中心逐漸移出黃陵站上空，而對流單體b不斷加強且移近黃陵站，與此同時，位于對流單體b西南側的對流單體c逐漸發展起來；14：01對流單體a逐漸減弱且移出黃陵站上空，而對流單體b強回波中心移至黃陵站上空，中心強度大于55 d Bz，對流單體a和b造成黃陵縣1 h降水量達46.4 mm；14：37對流單體b與對流單體c不斷合并加強，回波中心強度大于60 dBz，增強的對流單體再次影響黃陵，黃陵站14—15時出現了降雨量高達63 mm的歷史極值。

同時，延安站雷達徑向速度圖 (圖略)表明，對流單體a和對流單體c在速度場表現出氣旋式風向輻合。12：36對流單體a傳播增強，進入黃陵上空，速度場上對應出現氣旋式風向輻合，直徑10 km，維持3個體掃時間。14：19對流單體c傳播接近黃陵上空，速度場上出現氣旋式風向輻合，直徑12 km，最大風速大于10 m/s，維持3個體掃。氣旋式風向輻合的存在有利于對流單體的維持，為 “列車效應”產生或者繼續提供了有利條件。