一次陜北區域性暴雨過程的診斷分析

2016-04-07 02:04:42趙強，王楠

陜西氣象 2016年1期

趙　強，王　楠

(陜西省氣象臺,西安　710014)

一次陜北區域性暴雨過程的診斷分析

趙強，王楠

(陜西省氣象臺,西安710014)

摘要：利用常規觀測資料和NCEP1°×1°6 h再分析資料，對2014年7月8—9日陜北一次區域性暴雨過程進行了分析，結果表明：暴雨過程在河套北部冷空氣和高原槽前的偏南暖濕氣流共同作用下形成，高原槽、低渦切變是主要高空影響系統，西北路冷鋒是地面的主要影響系統，降水主要發生在冷鋒附近到其后部低層冷空氣與高空暖濕氣流交匯區域。雷達回波分析表明，暴雨過程有兩個不同的降水時段，8日14—20時主要為對流性降水，回波強度大于55 dBz的帶狀回波，造成陜北東部出現了20～50 mm的降水；9日02—08時為冷鋒后的層狀云降水，回波以均勻的層云降水回波為主；速度圖在2.4 km高度上有18 m/s左右的偏南急流，是降水持續的主要原因。物理量分析表明，暴雨落區與700 hPa的水汽通量散度大值區對應很好；暴雨區上升運動層深厚，最大上升運動區在600 hPa附近；在暴雨區北側為冷鋒后部的東北風下沉氣流，同時暴雨區上空有西南風上升氣流，這股氣流沿著暴雨區北側低層冷空氣爬升，冷暖氣流交匯，產生強降水；暴雨發生在能量鋒區附近，陜北地區對流層中低層有顯著鋒生，有利于上升運動的加強，形成強降水。

關鍵詞：區域性暴雨；陜北；冷鋒；水汽通量散度；鋒生

陜西北部地處黃土高原，為半干旱季風氣候，全年雨量分布不均，降水主要集中在夏季，暴雨具有來勢猛、強度大、降水時段集中的特點[1]，由于陜北地形地貌主要為黃土丘陵溝壑區，植被差，遇暴雨水土流失嚴重，往往引發山洪、滑坡和泥石流等次生災害，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。因此對于黃土高原地區的區域性暴雨過程進行研究十分必要。對于黃土高原的暴雨，陜西的天氣預報員進行了很多研究[2-6]，從大尺度環流形勢的配置，地面能量系統，渦度、散度、位渦度等各種物理量的診斷分析以及遠距離臺風的影響等方面對發生在陜西的暴雨個例進行了分析，得出了很多有益的結論。本文利用常規氣象觀測資料、NCEP 1°×1°6 h再分析資料及延安站的多普勒雷達反射率和速度圖資料，從高低空的形勢配置、鋒面的移動特征、水汽的輻合及上升運動、降水的雷達回波及速度場特征等方面分析此次暴雨過程的成因。

1降水實況

2014年7月8—9日陜西北部出現大范圍暴雨天氣過程，影響范圍波及榆林和延安的15個縣區，為2014年入汛以來陜北出現的范圍最大、逐小時雨強最大、受災最嚴重的一次重大災害性天氣過程。7月8日20時—9日20時，陜北共出現暴雨12站(圖1)，分別是清澗98.5 mm，延川92.1 mm，吳堡81.0 mm，安塞79.6 mm，子長75.5 mm，綏德75.3 mm，米脂74.7 mm，子洲74.1 mm，延長74.4 mm，志丹61.5 mm，吳起57.3 mm，甘泉64.8 mm，最大為榆林的清澗。

圖1　2014-07-08T20—09T20陜西降水量分布圖(單位為mm，陰影區降水量≥50 mm)

2天氣形勢分析

200 hPa天氣圖上(圖略)，7日20時，高空急流位于42°N附近，呈東—西走向。8日08時，高空急流南壓到40°N附近，散度場上陜北表現出輻散特征，輻散中心位于陜北北部；20時，高空急流仍呈緯向分布，急流中心位于39°N～40°N，陜北位于急流南側的輻散區，輻散中心位于延安。在本次暴雨過程中，200 hPa高空急流從河套北部逐漸南壓至陜北，急流位于39°N～40°N，陜北位于高空西風急流入口區右側，為高空輻散區，這種高空輻散有利于降水強度的增大。

500 hPa天氣圖上，8日08時(圖略)副熱帶高壓584 dagpm線北邊界在延安附近，陜西受西南氣流控制，副高外圍云貴—陜西存在西南風水汽輸送通道，中高緯度貝加爾湖以東維持一低壓系統，低壓中心在內蒙東部，貝湖到新疆為一橫槽，其底部的西北氣流向陜北地區輸送冷平流，高原上短波槽位于河西地區。20時(圖2a)，副高584 dagpm線南退到延安以南地區，臺風“浣熊”北上到浙江東部海域，高原上的短波槽東移到寧夏西部—青海東部，貝湖—新疆的橫槽略有南壓，橫槽帶來的冷空氣與副高外圍的暖濕氣流交匯于陜北地區，高原低值系統的東移為陜北地區提供了上升運動，有利于陜北地區產生強降水，臺風北上加大了副高和臺風之間的氣壓梯度力，有利于低層偏東急流的加強，低層偏東風也為本次暴雨過程提供了水汽輸送。9日08時，584 dagpm線繼續南撤(圖略)，貝加爾湖以西有弱脊發展，位于東北地區的冷性低壓系統逐漸東移，20時貝加爾湖以西的弱脊發展加強，受脊前西北氣流影響，陜北降水逐漸減弱，天氣轉好。

8日08時700 hPa天氣圖上(圖略)，副高外圍云貴高原—四川—陜西有偏南風發展，向陜西輸送水汽和能量，高原低渦位于寧夏—甘肅東部，20時(圖2b)，從云貴高原北上的南風到達延安，風速基本維持在4～8 m/s，另有一支偏東氣流從華東地區向西到達山西西部，同時高原低渦在500 hPa西南風的引導下東移北抬，低渦附近有人字形切變線存在，陜北受偏南風和偏東風的暖濕橫切變控制，水汽在切變線附近輻合抬升，造成陜北地區的強降水。9日08時(圖略)，高原低渦繼續東移，相應切變線也東移到延安東部；20時，高原低渦、切變線東移出陜北地區，降水結束。

8日08時850 hPa天氣圖上(圖略)，河套北部有一高壓環流，陜北位于高壓底部東北氣流中，華東沿海有一臺風“浣熊”，臺風外圍華東—河南—陜西中北部有偏東風氣流，有利于臺風外圍的水汽向陜北輸送。20時(圖2c)，臺風外圍的東南氣流有所南壓，河套北部的高壓略有東移南壓，高壓底部的東北風有所加強，表明了河套北部的冷空氣南壓加強，陜北地區位于河套高壓底部的東北風和臺風外圍的東南風交匯區，兩股氣流冷暖對比明顯，有利于低層鋒生增強，同時暖濕氣流沿著冷空氣墊爬升，有利于水汽的抬升和強降水的發生。

2014年7月8日08時地面圖上(圖略)，貝加爾湖西側—河套北部為高壓控制，中心氣壓為1 010～1 015 hPa，華北—陜西關中地區為低壓控制，華北北部—陜北北部為高低壓的交匯區，有冷鋒存在。14時(圖略)，冷鋒略有東移南壓，但仍位于陜北北部地區，對應的700 hPa有西南暖濕氣流輸送，暖濕氣流沿著鋒面爬升，在鋒面附近造成了較強的降水，8日08—20時，榆林東南部—延安東北部出現了20～47 mm的降水，其中延川降雨量為47 mm。8日20時(圖2d)，地面冷鋒進一步東移南壓，河西地區有一1 010 hPa的高壓中心，鋒面位于華北南部—陜西關中一線，陜北位于冷鋒后部，暖濕空氣沿著鋒后冷空氣抬升，給陜北帶來區域性的強降水天氣。9日08時，地面冷鋒繼續東移南壓，到達黃河中下游—陜西關中南部，陜北位于冷鋒后部，仍處于冷暖空氣交匯區，產生較強降水，9日20時，冷鋒移出陜西，陜西受冷高壓控制，中心氣壓為1 005 hPa，同時700 hPa影響陜北強降水的高原低渦切變線也東移出陜北，陜北地區的強降水天氣逐漸結束。可以發現，本次陜北地區區域性暴雨天氣的地面影響系統為地面冷鋒，冷空氣的影響路徑為西北路冷空氣，強降水時段開始于冷鋒移動到陜北附近時，降水主要發生在冷鋒附近到冷鋒后部的地面冷空氣與高空暖濕氣流交匯的區域，冷鋒是本次強降水的地面觸發機制。

圖2　2014-07-08T20天氣圖(a 500 hPa；b 700 hPa；c 850 hPa；d 地面)(高空圖單位為dagpm；地面圖單位為hPa)

3強降水的雷達回波分析

逐小時降水演變資料(圖略)顯示這次陜北暴雨過程分為兩個主要降水時段，一個是在8日14—20時，主要為鋒區附近的對流降水；另一個是在9日02—08時，主要為冷鋒后的層狀云降水，文章主要分析這兩個時段的回波特征。

第一個時段地面鋒區位于延安境內，雨強較大，雷達回波以塊狀和帶狀對流單體為主，中心強度大于55 dBz。8日13：01時1.5°仰角的基本反射率因子圖上(圖3a)，延安雷達站西南80 km和東部50 km處均有45 dBz以上的塊狀對流回波發展，同時次同仰角徑向速度圖上(圖3c)，雷達站西南80 km處正負速度交界區形成一條明顯的徑向速度輻合線，塊狀對流回波在其作用下發展加強，并隨著輻合線不斷東移(圖3d)；雷達站東部無明顯的徑向速度輻合，但是在大片負速度區中有小塊正速度區發展，形成分散的逆風區，表明當地有風場擾動，促使對流發展；13：56，零散的逆風區逐漸連成一條窄帶，之前的塊狀回波也逐漸演變為帶狀回波(圖3b)。這些對流回波維持時間不長，16時后顯著減弱。強回波造成榆林東南部—延安東北部出現了20～47 mm的降水，其中延川降雨量為47 mm。

圖3　2014-07-08延安多普勒雷達1.5°仰角反射率(a 13：01；b 13：56)及速度圖(c 13：01；d 13：56)(圖中距離每圈50 km)

第二個時段(9日02—08時)為冷鋒后降水，雨強不大，雷達回波以層狀云降水回波為主。如圖4a所示，延安雷達探測范圍內為比較均勻的層狀云回波，最大反射率因子小于50 dBz。1.5°仰角徑向速度圖上，零速度線經過雷達站呈“S”型，且拐彎處距離雷達站約50 km，說明風切變主要位于低層1.8～2.4 km高度范圍內，高度較低。2.4 km以上高度以偏南氣流為主，風速達18 m/s以上，說明在700 hPa高空偏南低空急流持續的水汽輸送是降水能夠持續的主要原因。

圖4　2014-07-09T03：59延安多普勒雷達1.5°仰角反射率(a)及速度圖(b)(圖中距離每圈50 km)

4物理量場分析

4.1水汽條件

水汽是產生區域性暴雨的重要條件。分析暴雨發生前后低層850 hPa、700 hPa水汽通量場演變(圖略)，可以看出水汽來源主要是由于臺風北抬登陸，南海和孟加拉灣的水汽沿副高584 dagpm線向陜西輸送。從水汽通量散度圖來看，8日20時(圖5a)陜北已經位于一個強大的水汽輻合中心，最大輻合中心位于榆林南部到延安北部，中心強度達-6×10-7g/(hPa·cm2·s),水汽輻合中心與強降水中心對應很好。9日02時(圖略)700 hPa水汽輻合中心仍然位于陜北地區，強度仍較強，位置略有東移，強降水持續；08時(圖5b)水汽輻合中心位于陜北南部，位置東移，強度減弱；14時(圖略)強輻合中心東移到陜西、山西交界處，強降水區也東移到陜北東部的黃河河谷地帶；隨著切邊線的東移，20時輻合中心移出陜北，陜西轉受西北氣流控制，降水結束。

本次降水過程中，暴雨落區與700 hPa的水汽通量散度大值區對應很好，700 hPa上水汽輸送有兩條路徑，一條為從云貴高原經四川向陜西輸送水汽的偏南氣流，另一條為臺風外圍的偏東氣流，從華東經過河南、山西向陜北輸送水汽，700 hPa切變線在陜北較長時間維持，造成水汽在陜北的輻合抬升，形成暴雨天氣。

圖5　2014-07-08—09 700 hPa的水汽通量散度圖(單位為10-7 g/(hPa·cm2·s)；a 8日20時；b 9日08時)

4.2垂直運動

從8日20時到9日14時沿37°N的垂直速度和垂直環流圖可以看到，8日20時(圖略)，強上升運動位于108°E左右，大值中心位于600 hPa附近。9日02時(圖6a)，隨著系統的東移，強上升運動區也東移到109°E上空，最強上升中心仍位于600 hPa附近，中心強度達到-10×10-2hPa/s,對于陜北地區來說，從近地面層到300 hPa均為上升運動，上升運動層深厚。在110°E以東、700 hPa以下的近地面層，有東北風下沉氣流，此下沉氣流對應冷鋒后部的東北風，同時陜北上空有西南上升氣流，這股氣流沿著陜北東側的低層冷空氣爬升，冷暖氣流交匯，有利于暴雨的發生。9日08時(圖6b)，上升運動區進一步東移，強度有所減弱，但近地面到400 hPa仍為深厚的上升運動區，在700 hPa和500 hPa有兩個強中心，強度達到-(6～8)×10-2hPa/s。9日14時(圖略)，強上升運動區東移到111°E，強度也有所減弱，位于陜北東部上空的垂直速度為-3×10-2hPa/s，降水落區也隨之東移。

4.3能量場

8日08時假相當位溫圖(圖略)上，四川—陜北為72～74 ℃的高能中心，河套北部為低能中心，能量鋒區(等值線密集區)位于河套北部，隨后能量鋒區東移南壓，9日02時(圖略)到達陜北南部，能量鋒區的位置與強降水落區相對應。強降水開始前，陜北為高能區，表明降水前西南風帶來的水汽和能量在陜北堆積；8日20時河套北部冷空氣南壓，在陜北形成成了高能暖濕氣流與低能干冷氣流的交匯區，強降水開始；9日02時能量鋒區位于陜北地區，與強降水發生的區域和出現的時間一致；9日20時，能量鋒區東移南壓，陜北轉為低能干冷空氣控制，降水結束。

圖6　2014-07-08—09沿37°N的垂直速度與垂直環流(u風與-ω×20的合成)剖面圖(a 9日02時；b 9日08時；陰影區為地形)

從8日08時假相當位溫垂直剖面圖(圖7a)上可以看到，強降水發生前，38°N以北為假相當位溫低值區，主要被干冷氣團控制；37°N以南為假相當位溫高值區，被暖濕氣團控制；37°N～38°N之間的陜北地區為冷暖氣團的交匯區，有利于鋒生和強降水的發生。9日02時垂直剖面圖(圖7b)上，北部的冷空氣在低層東移南壓，而陜北南側的暖濕氣流沿著冷空氣爬升到冷空氣上部，因此陜北地區在對流層中低層有顯著鋒生，暖濕空氣爬升冷卻，產生強的上升運動，有利于強降水的發生。