西北地區東北部兩次強降水的環流及云圖對比分析

侯建忠，薛春芳，陳小婷，井 宇，胡啟元

（1.陜西省氣象臺，陜西 西安710015；2.陜西省氣象局，陜西 西安710015）

隨著數值預報模擬技術的迅速發展，為天氣預報提供了客觀的工具。雖然T639、EC、GFS等數值模式對強降水過程和中期預報都有較好的預報能力，但對青藏高原附近強降水的落區和強度預報還存在一定差距，仍然需要廣大預報人員利用各種天氣預報方法，才能不斷提高本地區的預報準確率和服務水平。衛星云圖在現代天氣預報中發揮著不可替代的作用，它可以監測暴雨產生的中尺度云團的生成源地、發生發展過程、移動路徑和移速，還可分析和預報降水云系的發展、影響范圍和強度，為定時、定點、定量的準確預報提供諸多產品和信息，同時也銜接和彌補了天氣圖、數值預報和雷達短臨預報預警的不足[1-10]。實踐表明，西北地區東北部往往同一種環流條件下，由于云圖特征不同，其強降水落區也不同；相反，雖然云系特征（倒三角、反氣旋彎曲、螺旋狀等）相同，但環流配置不同，降水的落區和強度變化差異也較大。由此可見，充分發掘高分辨衛星資料潛力，建立相應的概念模型，對衛星云圖資料進行定量分析和應用是提高西北地區東北部強降水精細化預報與服務能力的一個有效手段。

本文利用FY-2E、2G云圖和天氣圖及物理場、中尺度特征等，對發生在2012年7月21日的一次暴雨（以下簡稱“12.07暴雨”）和2017年2月21日的一次暴雪天氣過程（以下簡稱“17.02暴雪”）進行對比分析，揭示兩次強降水過程中云圖、環流形勢和影響系統在演變過程中的特征和異同點。

1 強降水概況

“12.07暴雨”和“17.02暴雪”兩次強降水天氣過程，除陜西有暴雨或暴雪外，甘肅東北部、寧夏東部、山西北部等地區也出現強降水。其中“12.07暴雨”過程東移加強后，京津冀地區也出現特大暴雨，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。“17.02暴雪”過程前，陜西出現明顯的增溫，陜西的關中大部最高氣溫在20～23℃，其中關中西部的鳳翔、千陽等縣2月19日最高氣溫為24℃，就升溫這點與2004年2月19日陜西出現的歷史最早暴雨（有氣象記錄）有類似之處[11]。

“12.07暴雨”的強降水范圍，主要出現在陜北的延安中西部、榆林北部地區和陜南的漢中西部、安康東南部。先后有9縣市出現50 mm以上的暴雨，其中日最大降水量出現在榆林的府谷108 mm，甘肅環縣日最大降水量127 mm。“17.02暴雪”的強降水范圍主要在陜北的榆林、延安和陜南東部地區。其中榆林日降雪量達16.7 mm，寧夏鹽池日降雪量達20.9 mm，均為有氣象記錄以來2月最強降雪。

2 環流形勢及云圖分析

2.1 環流形勢演變

環流分析顯示，兩次過程的天氣系統配置有共同特征。500 hPa圖上，強降水前期在青海湖附近低槽存在，槽前有明顯的西南氣流配合。“12.07暴雨”青海湖附近為一個小淺槽（圖1a）。“17.02暴雪”青海湖附近是一個較為寬廣槽區（圖2a）。700 hPa和850 hPa圖上，東高西低環流特征較為明顯。700 hPa圖上，7月20日20：00蘭州東部為一個完整的低渦環流，低壓東側維持著一支從孟加拉灣、四川、陜西直至寧夏銀川的西南向暖濕急流（以下簡稱SW），風速8～12 m/s，具有風向、風速輻合特征。而2月20日20：00 700 hPa圖上，低渦位置在蘭州、青海湖附近，低渦的東側同樣維持著一支有風速、風向輻合的12～20 m/s SW急流帶，SW暖濕急流更加強盛。可見“17.02暴雪”的SW暖濕急流明顯強于“12.07暴雨”過程。

7月21日08：00暴雨發生時，700hPa環流圖上（圖1b），低渦中心北移至陜北與內蒙一帶，低渦的西側偏北風快速加強，銀川6 m/s的偏東風急轉為12 m/s的偏北風；低渦東側的SW暖濕急流顯著加強，太原偏南風達16 m/s，表明水汽輸送強且有持續性。暖濕急流北伸的同時，在陜西北部、山西北部、河北北部和北京新生成了一個橫向切變線（暖式切變），這種暖式切變降水多為對流性、雨強大，在暖切變北推或東移的過程中冷空氣南下對暴雨有加強作用[12]。

圖1 “12.07暴雨”環流形勢

圖2 “17.02暴雪”環流形勢

2月21日08：00暴雪發生時，700 hPa環流圖上（圖2b），原低渦已快速東移至黃河河套上空，形成一個南北SW向的槽線，24 h東移近9個經距，實屬罕見。槽線前部和后部的風場變化劇烈，平涼由6 m/s的偏東南風急轉變為14 m/s的偏北風，太原從10 m/s的偏南風猛增到28 m/s，表明在西北地區東北部冬季出現大范圍的強降水天氣，SW暖濕急流十分活躍，冷暖空氣都非常強，而“17.02暴雪”的降水以暴雪為主。這主要是對流層中高層有寬廣的冷槽存在的緣故。

850 hPa環流圖上，兩次強降水發生前1 h，從孟加拉灣經貴州、重慶西部、四川東部有明顯的偏南氣流配合；在山西南部、河南東部、關中南部地區均為偏東風或偏東東南風，僅是在風速大小存在差異，這支偏東氣流為西北地區東北部兩次強降水過程的發展和加強提供了持續的低層輻合、抬升條件。

以上分析表明：密切關注700 hPa SW暖濕急流加強的幅度及北伸的范圍、低渦或切變線移動的速度和位置是決定兩次強降水落區、強度的關鍵。同時850 hPa偏東風或偏東東南風對兩次強降水低層輻合、抬升作用要引起高度重視。

2.2 云型及演變特征對比

分析兩次過程云圖演變特征（圖3）發現，前期云型除具有青藏高原東北側的極端暴雨云圖特征[13]外。還總體上有“廠”字型或“倒三角”型的結構特征。且在“廠”字型或“倒三角”的頂部有明顯的反氣旋彎曲存在。其中“12.07暴雨”在我國臺灣島以南、菲律賓北洋面存在一個臺風云系，這是高原東側易出現極端暴雨的一種云圖配置結構[14]。具體分析如下：

“12.07暴雨”過程：20日 15：00的云圖（圖 3a）上，云系的頂部有明顯向東南方向一側發散云系，其中陜西北部、陜西關中西北部、寧夏南部已可清楚的分析出三條東南向的紅色云團存在，云頂亮溫TBB維持在-52℃，16：30上述3個云團進一步加強，此時在河套底部又有一個東西向新的云團生成，20日22：00（圖3b）新生云團已發展成為東北西南向的云團，其尺度長約300 km，寬約160 km，云頂亮溫TBB為-60℃。21日02：00（圖3c）陜北西部已發展成為兩個東南向云團，03：00寧夏東部、陜西北部和山西北部已有4個東南向云團維持。04：00—08：00相關云團與河套底部大的云團合并，再次在黃河沿岸和山西北形成一個大云團，云頂亮溫TBB為-65℃，該云團又重新具有“倒三角”特征，隨后神木出現32.8 mm/h最大雨強，府谷出現27.4 mm/h最大雨強。

圖3 2次強降水過程紅外云圖（a～d為FY-2E、e～h為 2G）

“17.02暴雪”過程：20日 08：00云圖（圖 3e）上，在蘭州東南部、隴東、陜北與內蒙一帶有明顯向東南方向發散云系，它具有高空槽云系及槽后部云團發展型特征[15]，14：00云圖上在陜西銅川、陜西榆林有兩條東西向的紅色云帶存在，21：00云圖（圖3f）上，隨著整個低槽云系東移，其“廠”字型云系情形更加明顯，在陜西榆林和甘肅慶陽一帶分別有兩條東西向的紅色云帶出現，在兩條紅色云帶之間還鑲嵌兩個短黃褐色的云帶，23：00（圖3g）黃褐色云帶和陜西北部的三條云帶加強明顯，21日02：00達最強，云頂亮溫TBB在-48℃，榆林03：00降雪量達3.2 mm/h。04：00在關中西北又出現一條東北西南向云帶，預示著該云帶東南側未來將有對流云團生成、加強、發展。06：00、08：00的云圖和關中、商州地區的降雪也印證了這點。其中商州08：00降雪量為4.8 mm/h。表明該云圖特征對預報強降水有2～3 h的提前量。

綜上所述，兩次強降水前1 h，除500 hPa在青海湖附近低槽外，700 hPa蘭州附近均有低渦存在，其低渦東側有12～20 m/s的西南急流配合，急流前端或北端已北伸至延安、太原一帶。這與陜西北部暴雨指標（當西安700 hPa出現≥12 m/s西南風時暴雨落區將在陜西北部地區）相一致，它為兩次強降水的發生提供了大的環流背景和條件。兩次過程云系前期都有“廠”字型或“倒三角”型的特征正是對大環流背景的一個直觀反映，云圖具有頻次高、直觀等特征，為強降水預報可提供更多的短臨預報信息。特別是強降水時，在陜西北部均為東西特征相對明顯的紅色暖鋒云帶[3]，該云帶常伴有較強降水，對強降水落區標定有較好的指示作用。可見關注急流、暖式切變的位置和暖鋒云帶附近及暖鋒云帶南側的新生對流云團動態，這對短臨天氣預警來講是提早做好準確預報此類強降水落區、強度的關鍵點。

3 動力診斷分析

3.1 水汽條件與能量

水汽通量的連續對比顯示，兩次強降水過程中水汽輸送以對流層中層700 hPa為一個主要水汽輸送帶，水汽輸送帶從孟加拉灣地區越過橫斷山脈，都是通過其槽前的西南暖濕氣流不斷的輸送到陜西或強降水區，它既是水汽輸送帶也是一個能量輸送帶（圖4、圖5）。其中“12.07暴雨”的水汽通量值最大高達12 g/（cm·hPa·s）。這支暖濕輸送帶還具有較強持續性，隨著強降水的鄰近，暖濕輸送帶增強十分明顯，如“12.07暴雨”和“17.02暴雪”過程中，僅以太原站為例，分別由原來8 m/s、10 m/s的偏南風猛增至16 m/s、28 m/s，可見SW急流加強之猛。還需強調的是“12.07暴雨”的水汽輸送厚度特征顯著，500 hPa仍然非常壯觀，水汽通量值中心值最大為7 g/（cm·hPa·s）。而“17.02暴雪”的值僅為5.5 g/（cm·hPa·s）。這也能從水汽輸送角度解釋為何“12.07暴雨”后期在華北，特別是北京市區會出現超過330 mm以上的降水的一個原因。與此同時“12.07暴雨”還存在一個對流層低層850、925 hPa甚至1000 hPa的水汽輸送帶，其風矢量顯示，受臺風北上影響，從我國臺灣島東北側到山西、陜西也維持著一支水汽通道，隨著暴雨的臨近，水汽輸送更加顯著，表現為東南暖濕氣流不斷增強和加大，即850 hPa風速較前一時次明顯增大。這非常有助于陜西的強降水發生，研究發現850 hPa偏東急流位置的變化與陜西強降水有很好的關系[16]。

圖4 2012年7月20日暴雨過程700 hPa水汽通量（a，b，c）及能量條件（d）

圖5 2017年2月20日暴雪過程700 hPa水汽通量（a，b，c）及能量條件（d）

能量分析發現：“12.07暴雨”700 hPa圖上原東北西南向的暖脊出現明顯的北伸東擴，其中68℃線已全部控制了陜西大部區域，北端已北伸至陜西延安以北，72℃線已由四川東部北伸至陜西漢中以東（圖4d），對應850 hPa圖上，陜西整個被一個近似南北向76℃溫度暖區控制，80℃的暖中心位于陜西漢中一帶。“17.02暴雪”700 hPa圖上，暖脊北伸特征以南北向相對明顯，由原在陜南安康一帶40℃的溫度線，已北伸至陜北的延安附近（圖5d），45℃線也由四川萬源一帶北伸至陜西商州附近，相應850 hPa圖上20℃暖脊北端北伸也十分明顯，已達寧夏銀川附近。兩次陜西強降水過程前期能量積聚顯著而持續。由于季節的差異，“12.07暴雨”在數據上明顯要強于“17.02暴雪”，這種差別在能量場更加明顯一些。

地面圖分析，兩次強降水天氣過程開始前，均在四川中南部、陜南直至整個河套頂部內蒙南部區域，為一狹窄的熱低壓倒槽區控制。如前所述，它是由于高空大氣增溫，導致地面氣壓的降低或維持所引起的。

3.2 渦度和冷平流的演變分析

通過對兩次強降水過程的物理量診斷分析發現，兩次過程的渦度和冷平流反映明顯（圖6，圖7）。這與陜西中尺度對流復合體（以下簡稱MCC）強降水過程的一些特征有一致性[17]。其中渦度分布特征顯示，對流層高層和中低層的負渦度中心、正渦度中心與強降水落區配合很好（圖6d、7d），其形態和走勢與兩次強降水的落區十分近似，隨著暴雨的臨近、發生，正渦度中心明顯北移至強降水附近，而正渦度的增長，有利于對流的發展，也有利于產生暴雨的氣旋性環流維持和發展。

對流層中低層都有明顯的冷平流區配合，表現在以700 hPa冷平流表現最為明顯，且具有明顯的徑向型特征（圖6b、7b），這可能是SW偏強所造成的，其中“17.02暴雪”最強時中心值達到-40×10-3℃/s，“12.07暴雨”最強時中心值達到-8×10-3℃/s。

另外500 hPa冷平流也清晰可辨，不同的是“12.07暴雨”在河套底部的內蒙南部表現明顯，演變特征為穩定和東移；“17.02暴雪”則是在河套西部的寧夏一帶表現明顯，演變特征為南壓和東南移動。強降水都與冷平流最強時刻相對應，由此可見冷平流的影響對兩次強降水過程發生有一定的觸發作用。首先是冷平流從對流層低層侵入原來低渦或切變（暖切），增加了該區域大氣的不穩定，激發暖切或低槽的對流加強；其次冷平流起到一個冷墊作用，有利于暖濕氣流強迫抬升，使低層大氣出現大范圍輻合。由此可見關注對流層中低層冷平流的變化特征，也是準確預報強降水落區的一個關鍵因子。

圖6 2012年7月 20日和 21日溫度平流（a，b）和渦度（c，d）

圖 7 2017年 2月 21日 08：00溫度平流（a，b）和 20日 20：00渦度（c，d）

4 結論

（1）兩次強降水過程，雖然季節差異較大，但天氣系統配置、云型有一定相似的特征。首先西南暖濕急流十分強盛，700 hPa平均都在10～18 m/s，滿足：當西安出現≥12 m/s西南風時，暴雨落區將在陜西北部一帶的指標。“17.02暴雪”要更強盛一點，最強達到28 m/s，且經向型特征明顯。而700 hPa西南暖濕急流加強的幅度及低渦或切變線位置對強降水落區有一定指示意義。同時850 hPa偏東風對強降水低層輻合、抬升作用要高度重視。云型總體上具有“廠”字型或“倒三角”型特征，“12.07暴雨”過程中“廠”字型或“倒三角”頂部晴空區域特征明顯，“17.02暴雪”則不清楚。

（2）云圖特征分析顯示：當云系在東移、南壓的過程中，頂部出現幾條反氣旋彎曲的螺旋型云帶時，即形成紅色的暖鋒云帶。當其右側再出現發展、加強的中尺度對流云團就應高度重視，該云團產生強降水的可能性極高，該云團多從“廠”字空白區前部暖區發展形成，其中影響云帶（團）“12.07暴雨”為中尺度對流云團，而“17.02暴雪”則為帶狀的云帶。它比短時強降水往往提早約2～3 h出現。云頂亮溫特征顯示，最大小時降雨量與TBB的最低時段匹配較好。

（3）兩次強降水過程，前期能量和水汽輸送的積聚顯著而持續，“12.07暴雨”在數值上明顯要強于“17.02暴雪”，但“12.07暴雨”的持續性更好；在能量場差別更加明顯，兩者相差達約30℃，這主要是由季節差異造成的。西南暖濕急流直伸河套底部的陜西北部、山西北部形成一個暖式切變，該暖切降水多為對流性、雨強大，暖切在北推或東移過程中與冷空氣南下共同作用使暴雨往往發展、加強。對應云圖顯示，云型和強降水對流云團緊隨切變移動加強和發展，即云系向影響系統適應或者說影響系統領先于云圖出現，可以借鑒模式預報的風場和加密地面風場實況預則云系未來的演變，再進一步預測降水強度及落區。

（4）兩次強降水加強、發展與冷平流最強時刻對應較好，暴雪過程的冷平流明顯強于暴雨過程，這也是季節原因造成的。可見冷平流的影響對兩次強降水過程發生、發展起著一個觸發和加強作用，冷平流多從西側或西北側侵入強降水區域發揮作用。冷平流分布特征與強降水落區有一致性。密切關注對流層中低層冷平流的路徑和強弱是準確預測強降水落區出現的一個關鍵因子。