“17·7”榆林特大暴雨成因及多普勒雷達特征分析

胡啟元，李萍云，井 宇，衛 瑋

(陜西省氣象臺，西安 710015)

榆林位于陜西最北端，處于黃土高原向風沙灘地轉變的過渡區域，屬于溫帶半干旱氣候區，年平均降水量600 mm以下，其中夏季降水量占全年50%左右，區域性的暴雨或者大暴雨出現較少。近十年以來榆林夏季降水過程多以短時暴雨形式發生，如2014年7月9日清澗、綏德短時強降水過程，2015年7月18日子洲局地大暴雨過程，2016年7月8—9日榆林東部地區短時大暴雨過程等。萬慧等[1]通過對1971—2012年榆林市致災暴雨的時空分布特征進行分析，發現榆林東部黃河沿岸，因偏南氣流和偏東氣流受地形阻擋強迫抬升易形成輻合，因而暴雨較多；劉勇等[2]通過對2003 年7 月30 日陜西府谷突發性大暴雨天氣進行診斷分析,發現200 hPa高空急流和700 hPa低空急流耦合產生的次級環流為大暴雨提供了持續強勁的上升運動；井宇等[3]統計了2013年榆林市轄區內8次中-β尺度致洪暴雨的雷達反射率特征，發現強度大于45 dBz的強回波形成的“列車效應”是暴雨產生的主要原因。另外還有眾多學者[4-8]從能量、衛星云圖等方面進行分析，但在雷達資料分析，尤其是雷達導出產品的分析應用上還不夠深入。為了積累預報經驗、提高雷達產品應用，本文利用MICAPS常規資料、NCEP1°×1°再分析資料以及榆林多普勒天氣雷達資料，對2017年7月25日發生在榆林東南部的一次特大暴雨過程(下簡稱“17·7”大暴雨”)的形成特點、成因及預報技術難點等進行分析，為研究榆林局地暴雨發展機制及可預報能力提供參考。

1 過程實況及降水特征

2017年7月25日20時至26日08時，榆林大部地區出現區域性暴雨、局地特大暴雨天氣過程(圖1)，降雨強度大，強降水主要位于榆林南部子洲、綏德一帶。5縣區監測站降水量超過100 mm，子洲降雨量最大為218.7 mm；28個鄉鎮監測站降雨量超過100 mm，其中子洲縣周鹼鎮、子洲縣城降水量均超過200 mm，最大降雨量在綏德四十里鋪為247.3 mm。

圖1 2017-07-25T20—26T08榆林市累積降雨量

過程期間降雨最強時段為25日21時—26日02時(圖2)。前期降水中心主要位于子洲，持續時間較短，后期子洲到綏德一帶同時出現強降水，且持續時間較長，小時降雨量基本在20 mm以上，為“17·7”大暴雨的主要降雨時段。強降水導致水庫漫溢，子洲、綏德縣域內出現洪災，造成縣城大面積積水，基礎設施損毀嚴重，6人死亡，農作物受災面積達2 216.2 hm2，直接經濟損失15億元左右。

2 環境場

2.1 環流形勢

2017年7月25日08時500 hPa上，副熱帶高壓中心位于長江中下游，588 dagpm線控制陜西東南部地區，其他地區在584 dagpm線范圍內，584 dagpm線北脊伸展至山西與內蒙古交界處。受584 dagpm控制影響，此時榆林地區天氣狀況為晴天少云。與此同時在蒙古高原上有寬廣低值區，其底部不斷有西北冷空氣擴散南下，在甘肅—寧夏交界處形成一短波槽。25日20時(圖3a)，與08時相比天氣系統沒有太大變化，副高勢力有所加強，588 dagpm線北抬至延安地區，位于寧夏的500 hPa短波槽東移至陜北西部，同時700 hPa西南氣流在榆林上空加強，隨后12 h榆林中南部出現特大暴雨天氣。到26日08時(圖3b)副高減弱，588 dagpm線南退，短波槽東移出陜西，此時榆林地區降水減弱，但仍受偏西南氣流控制。通過對比可以看出，25日08時—26日08時500 hPa榆林始終受偏南氣流影響，短波槽位于寧夏時榆林未出現降水，而當短波槽東移經過榆林時，榆林上空偏南氣流加強并出現強降水，說明500 hPa短波槽東移以及偏南氣流加強，是造成這次特大暴雨產生的原因之一。

圖2 2017-07-25T20—26T08暴雨中心子洲站、綏德四十鋪站逐小時降雨量

(粗實線為槽線；細實線為等高線，單位為dagpm)圖3 2017-07-25T20(a)和2017-07-26T08(b)500 hPa高度圖

低層影響系統是700 hPa低空急流和850 hPa中尺度切變線。25日20時(圖4a)700 hPa在312 dagpm西側有明顯西南氣流，氣流從南海經云貴和四川，最終在陜西中西部加強為一條中心風速為14 m/s的偏南低空急流，榆林地區處在低空急流出口區前側，延安站風速由08時6 m/s增大至14 m/s，東勝站風速仍為6 m/s，榆林有明顯風速輻合。850 hPa上榆林上空存在一條東北—西南向的切變線，切變線東部受偏東氣流控制，西部受偏北氣流控制。26日08時(圖4b)700 hPa急流中心東移至山西，850 hPa切變線維持在榆林中南部，對比兩個時次可以看出，25日夜間700 hPa急流和850 hPa切變線一直影響榆林地區，并且為該時段特大暴雨的發生發展提供有利的輻合上升條件。

(實心箭頭為700 hPa西南急流，雙實線條為850 hPa切變線)圖4 2017年7月700 hPa風場及高度場(a 25日20時，b 26日08時)

2.2 水汽條件

25日20時水汽通量圖上，700 hPa南海—貴州—重慶—陜西存在明顯偏南水汽通道(圖5a)，榆林處在水汽通量大值區，其值為(14～16)×10-2g/(cm·hPa·s)；850 hPa上榆林地區水汽通量值為(8～10)×10-2g/(cm·hPa·s)。26日08時700 hPa水汽通道隨低空急流轉為西南方向，榆林南部水汽通量仍在(12～14)×10-2g/(cm·hPa·s)(圖略)，說明25日夜間榆林地區水汽條件良好。和850 hPa相比較，700 hPa偏南急流輸送的充沛水汽對特大暴雨發生的貢獻比較大。

從水汽通量散度分布來看，700 hPa上25日20時榆林地區存在水汽輻合中心，暴雨區水汽輻合數值為-30×10-7g/(cm2·hPa·s)左右(圖5b)。850 hPa上榆林大部也為水汽輻合區，但輻合中心位于寧夏西部，暴雨區附近水汽通量散度僅為-10×10-7g/(cm2·hPa·s)。

圖5 2017-07-25T20 700 hPa水汽通量(a，單位為10-2 g/(cm·hPa·S))和水汽通量散度(b，單位為10-7 g/(cm2·hPa·S))

可以看出榆林地區低層水汽輻合明顯，850 hPa水汽輻合強度較700 hPa小，700 hPa偏南急流輸送的充沛水汽對特大暴雨發生的貢獻比較大。

2.3 不穩定能量條件

對暴雨發生前對流潛勢進行分析，25日20時700 hPa陜北上空有高能舌(θse≥351 K)從四川盆地向東北伸展，在陜北地區形成高能區，θse中心位于榆林西部，大小為354 K(圖6a)。此時溫度對數壓力圖顯示延安700 hPa以上存在對流不穩定，對流有效位能已達2 354.6 J/kg，K指數和SI指數分別為44 ℃和-1.41℃(圖略)，大氣層結十分不穩定，能量潛勢有利于暴雨生成和發展。

從26日02時(圖6b)700 hPa假相當位溫分布可以看出，20時位于榆林西部的θse中心在02時已經東移至榆林南部，仍為高能區，而且θse中心范圍較08時有所擴大，強度卻從354 K下降至351 K，這說明雖然前期觸發對流消耗了一定的不穩定能量，但后期700 hPa急流攜帶的暖濕氣流不斷為強降水的維持提供不穩定能量。

圖6 2017-07-25T20(a)和2017-07-26T02(b)假相當位溫(單位為K)

3 雷達回波特征分析

根據25日20時—26日08時過程降雨量以及雷達回波特征，將此次暴雨過程分為兩個主要降水時段，第一階段為25日20時—22時，主要為分散性強降水，落區位于子洲、橫山；第二階段為25日23時—26日03時，為區域性暴雨或大暴雨，集中在榆林南部的子洲、綏德、佳縣、吳堡。下面通過組合反射率因子、1.5°仰角徑向速度分布來分析暴雨在兩個時間中的特征。

3.1 第一階段

20—22時榆林受兩個強回波區影響，一個是位于榆林西部的一條南北走向的帶狀回波，二是榆林南部的孤立雷暴單體(圖7a)。該階段帶狀回波單體排列整齊，強度為40～50 dBz，最大強度超過55 dBz，回波東移過程中移速較快約為40 km/h，所經區域出現20～50 mm降水。榆林南部的孤立雷暴單體位于子洲附近，移動緩慢，中心強度在65 dBz以上，其影響區域出現80 mm左右短時強降水；該時段1.5°仰角徑向速度分布圖上，零速度線存在兩種結構：一種是在榆林西北側(雷達站點西北部，距站點25～100 km)，呈反“S”型結構，未通過雷達站；另一個是在榆林東南側，呈“S”形結構，通過雷達站，帶狀回波區位于反“S”結構和“S”結構之間的區域(圖7b)，表明帶狀回波區西北側有偏西冷平流，東南部有偏南暖平流，中低層冷平流侵入偏南暖空氣中觸發了對流，造成橫山、榆陽出現強降水。另一方面20:53—21:55，子洲附近出現中尺度輻合區(圖7b白框)，該中尺度輻合區由西南向東北緩慢移動，正負速度差達20～25 m/s，是榆林南部雷暴單體發展和維持的主要原因。

3.2 第二階段

25日23時之后，孤立雷暴單體減弱消失，帶狀回波東移加強成積云層狀云混合型回波，并向東南方向移動(圖8a)。26日00時開始,降水回波移至榆林南部，其前部不斷有多個強回波中心生成并發展增強，并經過子洲、綏德、佳縣等地。據統計，00:58—03:01共有6個強度為50 dBz左右的強回波在子洲上游生成并經過，造成子洲、綏德、佳縣等地20 mm/h以上的強降水，榆林南部出現特大暴雨。03時之后，降水回波東移出榆林，減弱消失。1.5°仰角徑向速度圖上，在第一階段，西南急流表現不明顯，但在第二階段，23:32可以看出，雷達站點0～50 km等距離線范圍內零速度線呈“S”形(圖8b)，說明對應高度層(0～2 km)為東南氣流，而在雷達站點的西南方向和東北方向、50～100 km處分別存在對稱正負速度中心(圖8b 中A、B處)，表明對應高度層(2～4 km)存在風速為14～20 m/s的西南急流，此時急流軸北側出現短時強降水。00:27急流軸移動至雷達東南側100 km(即暴雨中心)處，并且在00:27—02:05，徑向速度分布上顯示急流軸繼續向東南緩慢移動，移速約為8～10 km/h，中心風速維持在14 m/s以上。穩定少動的急流不斷為暴雨中心輸送水汽和不穩定能量，有利于暴雨維持較長時間。

(圖b中黑線為“S”和反“S”的分界線；白色方框內為中尺度輻合區)圖7 2017-07-25T21:24多普勒雷達組合反射率因子圖(a)和1.5°仰角徑向速度圖(b)

(圖b中A表示負速度中心區， B表示正速度中心區)圖8 2017-07-25T23:32多普勒雷達組合反射率因子圖(a)和1.5°仰角徑向速度圖(b)

3.3 低空急流與強降水的關系

由兩個階段雷達特征的定性分析可知，第二階段西南低空急流對榆林南部特大暴雨的發展和維持起到重要作用。這里選取榆林馬合站、橫山站、綏德四十鋪站，進一步定量分析25日21時—26日04時期間低空急流與強降水之間的關系。

馬合站位于榆林西北部，橫山站位于榆林中南部，四十鋪站位于榆林東南部，同時根據雷達原理，某一高度的最大多普勒徑向速度值即為此高度上的實際風速[9]，對比25日21時—26日04時馬合站、橫山站和四十鋪站徑向速度與逐小時雨強(表1)可以看出，22時之后低空急流軸已向東南方向移出榆林西北部，馬合站在22時—04時期間未受到低空急流影響，其上空徑向速度普遍很小，最大僅為3～5 m/s，期間也未出現強降水；23時低空西南急流出現在橫山站和四十鋪站上空，兩站出現了25.8～48.8 mm/h左右的強降水，不同之處在于低空西南急流在四十鋪站存在時間比橫山站長，對應的強降水維持時間四十鋪比橫山站長2 h，表明強降水的發生與急流的出現有較高的關聯性，當急流移出或減弱時降水減弱；22時橫山站和四十鋪站雨強較小，當橫山站23時1.5°仰角速度圖上最大徑向速度由10 m/s增大為18 m/s時出現46.3 mm的強降水，四十鋪站01時1.5°仰角速度圖上最大徑向速度由15 m/s增大為23 m/s時出現48.8 mm的強降水。說明低空急流風速增幅越大，強降水雨強增幅越大，低空急流的強度直接影響著強降水的強度。

表1 2017-07-25T21—07-26T04榆林部分站點1.5°仰角上最大徑向速度(Vmax)與小時雨強(Rz)

4 結論

(1)“17·7”大暴雨過程發生期間，榆林處于500 hPa副高588 dagpm線外圍，500 hPa短波槽、700 hPa西南急流和850 hPa中尺度切變線是主要影響系統，各系統之間共同配合為榆林特大暴雨的發生提供了有利條件。

(2)暴雨發生前和發生后榆林地區水汽充沛，主要水汽和能量輸送來源為700 hPa低空偏南急流。特大暴雨落區位于700 hPa急流左前側水汽顯著輻合區域，并且急流不斷為榆林地區補充所需的不穩定能量，有利于強降水的長時間維持。

(3)此次特大暴雨過程有兩個強降水時段。在第一階段，位于榆林北部的帶狀回波和南部的孤立雷暴單體分別造成局地強降水；在第二階段，降水回波前部不斷有多個強回波中心生成并發展，給榆林南部帶來大范圍短時暴雨。徑向速度圖上在第二階段對稱的正負速度中心結構表明700 hPa存在明顯的西南低空急流；過程期間低空急流與強降水的發生具有較高的關聯性，持續出現15 m/s以上西南急流對短時大暴雨的產生有重要作用，低空急流的強度直接影響著強降水強度，急流風速增幅越大，強降水雨強增幅越大。

參考文獻：

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