榆林一次短時突發性暴雨中尺度特征及成因分析

李曉利，康 磊，劉慧敏，蔣伊蓉，艾 銳

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

榆林暴雨具有強度大、歷時短、局地性強的特征，暴雨天氣極易引發城市內澇、山洪、滑坡等地質災害。目前，國內專家開展了許多短時暴雨方面的研究，王寶鑒等[1]對甘肅隴東南一次大暴雨的中尺度特征分析，認為中尺度對流系統具有暖云降水特點，質心低，降水效率高，且具有明顯的后向傳播和“列車效應”特征；黃少妮等[2]對延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析，認為中低層切變線與地面輻合線的重疊非常有利于邊界層暖濕空氣輻合抬升,激發對流單體的發生發展；支樹林等[3]對南昌地區一次夜間發展起來的大暴雨的中尺度對流條件及特征分析，認為邊界層內偏東氣流和風輻合加劇降水回波的發展，“列車效應”導致強降水持續；金琪等[4]認為“080527湖北老河口短時暴雨”的成因與干線、500 hPa冷溫度槽、冷切尾部輻合區和中低層濕區及地面風場輻合線等中尺度天氣系統的活動密切相關；趙強等[5]認為陜北區域性暴雨易發于能量鋒區附近,對流層中低層鋒生有利于上升運動的加強；周長春等[6]分析“7·3”成都短時強降水可預報性和地面中尺度特征，認為地面加密自動站觀測的風場輻合區對強降水的落區及移動具有指示意義；劉慧敏等[7]分析了陜北對流性特大暴雨的中尺度特征，認為中尺度對流系統后向傳播、合并增強形成深厚的濕對流風暴,可產生強降水；張雅斌等[8]認為 “0812”關中盛夏突發性暴雨有利的動力、觸發條件是近地層顯著東南風、不穩定擾動增大及地面切變線。

2017年7月23日榆林城區出現短時突發性暴雨，雨強大，持續時間短，引發嚴重城市內澇。針對此次暴雨過程，利用 NCEP1°×1° 再分析資料、FY-2G衛星云圖和本地加密觀測資料及榆林多普勒雷達資料，分析本次暴雨過程的中尺度特征及成因，以期提升此類災害性天氣的預報預警服務水平。

1 過程概述

2017年7月23日14—23時，榆林市自西向東出現短時雷暴和強降水天氣，降水分布極不均勻。強降水集中在16—19時，強降水中心位于榆陽區。16—17時榆陽區中心廣場雨量達64.8 mm，榆林市國家氣象觀測站為57.9 mm；榆陽區中心廣場站3 h降雨量為76.2 mm。

對暴雨監測站分鐘雨量(圖1)進行分析，榆林市區的強降水集中在16：22—17：21，平均雨強大于1 mm/min, 最大雨強在市區中心廣場站，為5.5 mm/min，出現在 16：46。雨強出現多個峰值。

圖1 榆林2017-07-23T16:01—18:10監測站分鐘雨強分布

2 成因分析

2.1 環流背景

降水前期大陸高壓和副熱帶高壓系統持續偏北，7月7—14日，榆林市持續8 d出現35.0 ℃以上的高溫天氣。15—23日為連續次高溫天氣，最高氣溫為32～36 ℃。持續的高溫天氣為后期暴雨天氣提供了較好的能量條件。

7月23日08時，200 hPa天氣圖(圖略)上南亞高壓強盛，控制40°N度以南的大陸地區，鋒區位于40°N～50°N，中高緯為西風氣流。500 hPa副熱帶高壓強盛，588 dagpm線西脊點西伸北抬至95°E，40°N。西風槽位于蒙古國至我國甘肅西部，河套上游有弱冷空氣東移，榆林位于副熱帶高壓邊緣的西南氣流中，西南氣流強盛，東勝站風速達14 m/s，濕度較小。700 hPa風切變線位于河套北部至甘肅南部，甘南—延安—榆林一線西南風速為4～10 m/s。850 hPa 風切變線位于河套地區，經過榆林呈東北西南向。對榆林附近高低空環流場進行尺度分析可見，500 hPa以上濕度較小，為干層，有多個溫度槽活動；700～850 hPa為暖濕氣流，榆林附近伴有西北風與西南風風向切變線；700～500 hPa河套附近有顯著的偏南風氣流。上干下濕的垂直環流配置有利于對流性天氣發生發展。

2.2 水汽條件

23日08時水汽通量和水汽通量散度場(圖2)上，榆林附近低層有強水汽輻合，輻合中心在800 hPa以下，中心為-8×10-7g/(cm2·hPa ·s)。

圖2 2017-07-23水汽通量(等值線，單位為g/(cm·hPa·s))與水汽通量散度(陰影，單位為10-7 g/(cm2·hPa·s)沿109°E垂直剖面圖(a 08時；b 14時)

強輻合區范圍小于50 km，中高層為弱輻散。38°N榆林附近700 hPa以下為水汽通量大值區，達8～12 g/(cm·hPa·s)，水汽輻合區與水汽通量大值區相疊置，水汽分布隨高度向北傾斜。河套附近水汽主要來自700～850 hPa副高外圍西南暖濕氣流輸送，中低層水汽是此次短時暴雨的主要水汽來源。14時伴隨對流天氣的出現，榆林周圍水汽通量略有減小；水汽通量散度大值區主要集中在700 hPa，水汽輻合區北移至40°N，強度較之前明顯減弱。分析比濕場(圖略)，中低層水汽充足，主要集中在700 hPa以下，850 hPa比濕為16～18 g/kg。中低層充足的水汽為短時暴雨提供了有利的水汽條件。

2.3 不穩定條件

23日08時，K指數場上榆林附近為高能區，其西北側有低值槽，溫差較大，在河套西北部形成能量鋒。榆林K指數為40 ℃，沙氏指數為-2 ℃，有一定的對流有效位能存在。

榆林附近的東勝站探空圖(圖略)顯示，23日08時，等飽合比濕線(qs)與干絕熱線(θ)和濕絕熱線(θse)形成窄喇叭口狀；600～850 hPa為濕層，600 hPa以上為干層，不穩定層較厚在850～500 hPa，不穩定面積較小；0～6 km垂直風切變為16 m/s，屬于中等強度垂直風切變，有利于對流天氣的發展。利用榆林14時氣溫(32 ℃)對探空圖進行訂正，對流有效位能面積明顯增大，非常有利于對流天氣的產生。

從23日08時假相當位溫垂直剖面(圖3a)圖可知，榆林上空850 hPa為假相當位溫大值中心，達92 ℃，高能舌隨高度向北伸展；河套西北側40°N以北700 hPa以下為假相當位溫低值區，說明中低層西北側有干冷空氣南壓，能量鋒區位于40°N附近。分析垂直位溫差可以看出，500 hPa以上假相當位溫隨高度增大而增大，為較穩定層結；500～850 hPa假相當位溫隨高度增大顯著減小，為對流不穩定性層結。14時(圖3b)，700 hPa以下假相當位溫差梯度明顯增大，同時能量鋒區南壓至39°N附近，冷空氣已進入榆林境內。

圖3 2017-07-23沿109°E假相當位溫垂直剖面圖(單位為℃；a 08時，b 14時)

2.4 動力抬升及觸發機制

23日08時散度場上，榆林上空700～500 hPa為輻合區，500 hPa以上有明顯的輻散。強輻合位于700 hPa，為(-0.6～-1.0)×10-5s-1。渦度場上，850～700 hPa為正渦度，有利于對流系統發展；500 hPa為負渦度區，不利于對流系統持續發展。本次強降水是由中小尺度系統所造成的。可見，中小尺度系統仍能沖破大尺度的不利條件產生強對流暴雨天氣。

23日08時地面圖上(圖略)，榆林位于低壓頂部，其后側河套西部有高壓系統南壓，河套附近生成一輻合區。11時，輻合線明顯南壓至榆林中部，并在其附近維持。輻合線呈東西向，其北側為西北風，南側為西南風。同時08時河套西北部榆林長城沿線附近可分析出明顯的東北西南向的干線，17時干線南壓至榆林北部，強降水出現在干線附近偏南側(圖4)，可見干線觸發了不穩定能量產生強對流天氣。

圖4 2017-07-23地面輻合線、干線演變(地面輻合線、干線)

3 中尺度對流系統特征

3.1 雷達回波特征

榆林多普勒雷達圖(圖5，圖見第5頁)上，23日13：00組合反射率因子(圖略)顯示榆林境內對流云發展迅速。15：24多個中γ尺度對流單體從西南向東北方向發展加強形成一條颮線，颮線附近不斷有新的對流雨團生成合并，最大回波強度達50 dBz以上。15：36對流單體結構密實，強度達50～60 dBz，與之相應靖邊縣紅墩界、橫山縣雷龍灣過去15 min雨量達20 mm以上，降水回波向榆林城區方向逼近。16：13颮線移入榆林城區，多個對流單體合并形成中β尺度的對流雨團，颮線回波西北側低層出現明顯的出流邊界，可見有強下沉氣流。 16：25強降水回波經雷達站時出現信號衰減，但出流邊界仍維持在強回波附近。17：02回波強度明顯減弱，出流邊界開始遠離對流母體，颮線特征消失，強降水趨于減弱。17：20對流雨團結構變得疏散，回波趨于消散。

徑向速度圖上，強降水時段在0.5°、1.5°、2.4°、3.4°仰角均可見多個中尺度輻合存在。強降水開始前風速突增，速度場出現速度模糊。16：01高空9.2 km處東南風最大達25 m/s，16：38(圖6，圖見第5頁)高空7.5 km處偏南風達30 m/s，此時輻合達到最強，強輻合上升至9 km以上， 可見此時對流系統已發展為深厚的系統。強輻合在17：02后趨于減弱，18：03中尺度輻合完全消失。

3.2 雷達降水量估測對比

雷達1 h降水估測產品是固定Z-I關系下降水量的反演(簡稱“固定估測產品”)。分級估測降水產品是利用基于最小二乘法的判別函數，將榆林多普勒雷達5～55 dBz的反射率因子以10 dBz為間隔分為5個等級，55 dBz以上按照55 dBz計算。對于各等級回波強度，分別進行一次最優Z-I關系判別，得到最終的分級最優Z-I關系。通過最優Z-I關系判別，形成榆林雷達反演1 h降水量估測產品(簡稱“分級估測產品”)。

對比分析分級估測產品與實況雨量，16:00(圖7a1，圖見第6頁)分級估測產品小時最大估測雨量值為40 mm，強降水落區及估測雨量與實況基本一致。17:00(圖7a2)估測強降水中心與實況一致；估測小時最大降水量為15 mm,實況雨量為60 mm,估測值偏小，誤差較大。固定估測產品對16:00(圖7b1)小時最大雨量估測值為60 mm；強降水落區與實況一致，但降水量級明顯偏大。17:00(圖7b2)估測降水落區與實況一致，估測小時最大降水量為25 mm,較實況明顯偏小。

通過上述內容分析，17:00由于降水系統位于雷達上空，造成信號衰減，兩種估測產品的估測值均存在較大誤差，沒有反應出強降水。16:00分級估測產品對實況降水有較好的反應；但固定估測產品估測降水偏大，存在較大誤差。可見，分級估測產品能更好地反應中尺度對流性降水，對預報員判別短時強降水具有指示性。

3.3 中尺度對流云團特征

FY-2G衛星云圖(圖8，圖見第6頁)上，23日13:00左右榆林中部有對流云團生成，隨后該云團迅速發展，范圍快速擴大，形成中β尺度對流云團，影響榆林城區附近大約100 km范圍，其內部伴有多個γ尺度對流云團。15：30后對流云團tBB突然增大，tBB<-60 ℃，子洲馬岔鎮15—16時降水量達36 mm。16：30強對流云團移入榆林城區，tBB降至-71 ℃，榆林城區出現短時強降水，最大降水出現在中心廣場為64.8 mm。17：30云團結構更為密實，伴有tBB<-73 ℃的強冷云核中心；18：30開始對流云團逐漸變疏散，移出城區。強對流云團在榆林境內維持了大約9 h。tBB<-60 ℃區域與短時暴雨落區有較好的對應關系。

圖5 2017-07-23榆林多普勒雷達組合反射率因子(圖中白色線條為出流邊界，文見第4頁3.1)

圖6 2017-07-23T16:38榆林多普勒雷達徑向速度圖(文見第4頁3.1)

4 結論

(1)此次強降水是由中β尺度對流雨團內部的多個γ尺度強對流雨團所造成，表現為分鐘雨強大，持續時間短。tBB<-60 ℃區域與短時暴雨落區有較好的對應關系。

(2)降水前期副高強盛，位置偏北，榆林市出現持續8 d高溫高濕天氣，多站日最高氣溫達40 ℃以上，西太平洋副熱帶高壓控制下的高溫高濕天氣為暴雨天氣儲備了水汽和能量。0～6 km中等強度的垂直風切變、對流不穩定能量和中低層強輻合為短時暴雨的產生提供有利的環境場。

(3)副高外圍中低層西南暖濕氣流帶來了水汽和不穩定能量。地面圖上干線觸發了強對流天氣。強降水出現在干線附近偏南側。

(4)暴雨時段，雷達圖上有多個中γ尺度對流單體形成一條颮線,自西南向東北方向生成發展，合并為強度達50 dBz以上的中β尺度強對流雨團，并伴有強的下沉氣流。徑向速度圖上，強降水時多個仰角均伴有中尺度輻合維持，強輻合上升至9 km以上。

圖7 2017-07-23分級最優Z-I關系反演1 h降水量(a1 16：00；a2 17：00) 、雷達固定Z-I關系反演1 h降水量(b1 16：00；b2 17：00)和小時降水實況(c1 16：00；c2 17：00)(單位為mm；文見第4頁3.2)

(5)分級最優Z-I反演降水估測產品能更好地反應中尺度對流性降水的量級，對預報員判別短時強降水具有指示作用。