渭河流域中尺度暴雨時空分布及環流特征

武麥鳳，喬舒婷

(渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

在渭河流域強對流天氣中，尤以中尺度暴雨的發生概率最大。近年來，渭河流域氣象工作者對渭河流域暴雨形成機理和特征做了大量的研究[1-6]，發現了很多觀測事實[7-14]，并得出渭河流域暴雨概念模型[15]。對于中尺度暴雨過程及典型個例[16-17]，也做了相應的研究，但目前為止，對于渭河流域中尺度暴雨還沒有進行過系統性的分析與總結。基于此原因，本文收集整理了近10 a來渭河流域強對流天氣個例，統計分析日降水量≥50 mm的降雨過程中逐小時降水量和落區變化特點，制定了渭河流域中尺度暴雨標準。并在此基礎上，研究了渭河流域中尺度暴雨的時空分布特點及其移動的路徑規律，進而研究了中尺度暴雨的影響系統、結構配置等特點。

1 渭河流域中尺度暴雨天氣個例標準

統計典型的強降雨天氣過程時，將渭河流域劃分為渭河上游(寶雞以西)、渭河中游(寶雞到西安之間)、渭河下游(西安至渭南渭河入黃口)三個子流域分別統計。本文根據統計數據、結合中國氣象局強對流天氣標準，定義渭河流域中尺度暴雨的雨量標準為：氣象站日降雨量≥50 mm，且其中有任意連續3 h降雨量≥30 mm或者任意1 h降雨量≥20 mm；暴雨落區標準為：渭河流域任一子流域中有成片3個或以上氣象站雨量達到以上雨量標準時，定義為某一子流域有一次中尺度暴雨天氣過程；當3個子流域均達到以上標準時，定義為整個流域的一次中尺度暴雨天氣過程。

2 資料來源

選取陜西省各氣象站的地面觀測資料，統計2007-01-01—2016-12-31期間渭河流域地面觀測降雨量數據，根據定義符合條件的中尺度暴雨天氣個例共97例(其中渭河上游21例、渭河中游39例、渭河下游37例)。在確定中尺度暴雨的路徑時，除了采用小時降雨量外，還輔助采用了西安多普勒雷達1.5°仰角的基本反射率因子資料。收集和整合資料后，確定了資料完整、有研究意義的中尺度暴雨個例62例。

3 渭河流域中尺度暴雨的時空分布特點

3.1 時間分布

從渭河流域中尺度暴雨月際分布(表1)可知，渭河流域中尺度暴雨發生在4—9月，其中6—8月出現的中尺度暴雨占全年總次數的91.9%(57/62)。8月渭河流域出現中尺度暴雨的概率最大，7月次之，這也是渭河流域將7—8月作為主汛期的重要依據之一。6月發生中尺度暴雨的概率位居第三，9月第四。極大小時雨強(表1)與中尺度暴雨的分布規律相似， 即出現中尺度暴雨幾率越大的月份，其極大小時雨強也越大。這主要是因為，8月，西太平洋副熱帶高壓已經北跳到30°N以北并在此南北擺動，其外圍從太平洋帶來的高溫高濕氣流被輸送到了渭河流域，導致當地氣溫高，能量積累快，這些條件在全年的其他月份是很難滿足的，因此無論是高空有冷空氣入侵還是近地層有冷空氣擴散，都很容易形成對流性天氣，加之當地有比較充足的水汽含量和副高外圍源源不斷的水汽輸送，出現的強對流天氣以中尺度暴雨為主便成為必然，而且中尺度暴雨強度大，范圍廣，持續時間相對較長，降雨總量也大。

表1 2007—2016年渭河流域中尺度暴雨個例月合計及各月極大小時降雨量

從渭河流域中尺度暴雨年際分布(圖1)情況來看，2010年出現的中尺度暴雨次數最多，2009年次之，2013年和2008年同時居第三位。2014—2016年，每年都有6次中尺度暴雨出現，主要出現在7月和8月，渭河上、中、下游均有出現，且最大雨強(圖2)為46.8～66.6 mm/h。2014年最大小時降雨量出現在7月，其余兩年均出現在8月，但均未突破歷史極值。值得一提的是2016年6月11日，渭河流域中下游出現中尺度暴雨，最大小時雨強為35.4 mm/h，為近10 a來6月出現的極端最大小時降雨量。

圖1 2007—2016年渭河流域中尺度暴雨年際分布

圖2 2007-01-01—2016-12-31渭河流域中尺度暴雨各年最大小時雨強

著重統計分析6—8月渭河流域中尺度暴雨的年際分布狀況(圖3)和各年的小時極大雨強(圖4)，可以看出渭河流域每年6—8月都有5～7次中尺度暴雨出現，但時間分布不均勻。特別是6月的中尺度暴雨出現次數，對7、8月出現中尺度暴雨次數有較好的預報意義：即6月最多會出現2次中尺度暴雨過程，如果6月出現了2次中尺度暴雨過程，那么7月、8月出現中尺度暴雨的次數將不超過3次；但若6月不出現中尺度暴雨，那么除了特別少雨的年份外，7月出現中尺度暴雨的次數一般都會超過3次。這一點可以作為氣候預測的一個依據。另外，當年的小時極大降雨量大部分出現在當月中尺度暴雨次數較多的月份。

圖3 2007—2016年渭河流域6—8月中尺度暴雨年際分布

圖4 渭河流域6—8月中尺度暴雨小時極大降水量年變化

分月統計不同流域中尺度暴雨的分布特點(圖5)可以得出，渭河中游中尺度暴雨出現的時間比較早，4月就有可能出現；渭河下游近10年來最早是5月。就出現的總次數來看，渭河中游出現中尺度暴雨的次數最多，下游次之，上游最少。渭河中游的中尺度暴雨過程出現次數最多的月份為8月，而渭河上游和下游則是7月最多，8月次之。6月渭河下游出現中尺度暴雨的次數最多。

圖5 2007—2016年渭河不同流域中尺度暴雨的月際分布

分析渭河流域中尺度暴雨的日變化情況可看出(圖6)，渭河流域中尺度暴雨發生的特點是夜間多于白天，18:00—22:00是中尺度暴雨出現的最高時間段，10年來該時段出現中尺度暴雨的頻次均在40次以上，19：00中尺度暴雨頻次最高，10年來出現在19：00的中尺度暴雨多達61次，是14：00(中尺度暴雨出現頻率最低的時次)出現頻次的8.7倍；17:00以及23:00—02:00為中尺度暴雨出現頻率的次高時段，該時段的每個時次10年來都有出現過30次以上中尺度暴雨天氣過程。值得一提的是渭河流域中尺度暴雨出現頻率最低的時段為12:00—15:00，10年來該時段內出現的中尺度暴雨頻次均在25次以下，最低頻次出現在14:00，僅有7次，這與冰雹的日變化完全不同[18-20]。

圖6 2007—2016年渭河流域中尺度暴雨的時次分布

3.2 渭河流域中尺度暴雨的空間分布特點

從逐月分析渭河流域中尺度暴雨的分布特點發現，渭河流域中尺度暴雨主要分布在渭河主干流、洛河流域和涇河流域，其中6月的中尺度暴雨(圖7a)主要出現在渭河中下游主干流，沿洛河和涇河流域出現的中尺度暴雨很少。7月(圖7b)黃河、洛河、渭河三河交界處中尺度暴雨出現的頻率最高，渭河和涇河交界處出現的頻率次之。8月中尺度暴雨(圖7c)出現的地點與7月不同。首先，涇河流域較洛河流域出現中尺度暴雨的頻率高；其次，黃洛渭、涇渭河交界處中尺度暴雨出現的頻率較7月急劇下降，渭河主干流中尺度暴雨出現頻率依然較高。9月(圖7d)與6月中尺度暴雨分布類似，大多沿渭河主干流分布。

圖7 2007—2016年渭河流域各月中尺度暴雨分布(a 6月，b 7月，c 8月，d 9月)

4 移動路徑

通過雷達資料和逐小時強降水，總結概括出中尺度暴雨的5條移動路徑(圖8，見下頁)，其中有3條路徑都是自西(或者西北)移向東(或者東南)(圖8a)，這3條路徑個例占整個中尺度強對流天氣個例數的74.4%(表2)。路徑①的中尺度暴雨天氣起源于北洛河，并沿北洛河南下或東移，南下經過延安的黃陵進入渭南境內，影響白水、大荔，嚴重時越過渭河，影響華陰和潼關；中尺度暴雨天氣在進入渭南境內時，有時會東移，影響渭南北部四縣。路徑②的中尺度暴雨天氣過程產生于靈臺和長武之間(達溪河)和涇河上，發展后東移南壓，經銅川東移南壓影響渭南的蒲城、大荔，甚至越過渭河，影響到華陰和潼關。路徑③中的中尺度暴雨天氣一般是西風槽影響下產生的，受西風槽東移影響，強對流天氣從西向東移動，一般持續時間較長，移動路徑也較長，從渭河上游經過渭河中游移向渭河下游，或者從涇河流域經渭河中游移向渭河下游。路徑④和路徑⑤是自西南移向東北方向的(圖8b)。這兩種路徑一般影響范圍較小，持續時間短，且占中尺度暴雨天氣個例的比例較小，但是這兩類路徑影響下形成的中尺度暴雨強度大、發展快、可預報時效短，且大部分出現在山區，所以該類中尺度強對流天氣的預報難度更大。圖8b中可以看出，路徑④中中尺度暴雨天氣產生于臨潼和高陵之間(即渭河中游)或者高陵和富平之間，向東北移動過程中影響渭南中北部。路徑⑤中中尺度暴雨天氣一部分產生于西安和藍田之間(灞河上)，向東北移動的過程中發展，移動到渭河上空加強，并沿渭河東移，影響渭南南部縣域；另一部分是產生于南洛河上，出山后向潼關和華陰方向移動的過程中加強，影響渭河下游的華陰和潼關。

表2 渭河流域中尺度暴雨天氣過程移動路徑

5 渭河流域中尺度暴雨環流特征

利用高空、地面天氣圖對所有個例的影響系統、結構配置進行研究和歸類，歸納出4種渭河流域中尺度暴雨類型，分別為：干侵入型、西南氣流型、干鋒生型和暖干型。再結合典型個例閾值特點、演變規律以及暴雨落區特點，凝練出4種渭河流域中尺度暴雨類型的環流特征(圖9，見下頁)。

圖8 2007—2016年渭河下游中尺度強對流天氣個例移動路徑

圖9 渭河流域中尺度概念模型(a 干侵入型，b 西南氣流型，c 干鋒生型，d 暖干型)

5.1 干侵入型

500 hPa天氣圖上以移動性低槽為主，槽線位于700 hPa切變線前，700 hPa或者850 hPa高濕區與冷切變尾部輻合相伴，地面伴有輻合線(區)活動。暴雨區上空存在較強不穩定，850～500 hPa有較強的垂直溫度梯度，850～700 hPa為深厚的濕舌(區)。此型的主要特點是500 hPa低槽東移較快，槽后干冷空氣與700 hPa切變線前的暖濕氣流形成明顯的前傾結構，其干冷的下沉氣流與低層暖濕氣流上下配置，形成強烈的對流不穩定；在700 hPa、850 hPa冷式切變東移過程中，其尾部偏北干冷氣流與來自南側的暖濕氣流匯合，進一步促進了次級環流的發生發展，配合地面冷空氣入侵，不穩定、水汽條件最集中的區域產生暴雨。暴雨主要位于700 hPa切變線前與500 hPa槽后的重疊區域內、700 hPa和850 hPa任一層冷切變尾部輻合區、850 hPa暖切變頂部輻合區以及地面輻合線、K指數大值區與濕舌(區)重疊處。

5.2 西南氣流型

700 hPa以下西南暖濕氣流發展旺盛，常有急流相伴，與高層偏西急流右側相耦合，濕區700 hPa及850 hPa有氣流匯合區、冷切變尾部輻合區、地面伴有輻合線(區)；暴雨區上空存在較強不穩定，850～500 hPa有較強的垂直溫度梯度，850～700 hPa為深厚的濕舌(區)。由于700 hPa、850 hPa西南暖濕氣流發展強烈，北部或者西北部有弱干冷空氣向南輸送，在干濕氣團交界處形成一條準靜止干線(露點鋒)，其北側干冷空氣穿過干線(露點鋒)不斷向濕區滲透，在濕空氣一側形成強烈擾動。同時由于700 hPa、850 hPa盛行西南風，低層弱冷空氣的強迫抬升作用使暖濕氣流沿著低層鋒面上滑，在地面輻合線(區)附近形成強烈的上升運動，導致不穩定能量的釋放，在動力、不穩定、水汽條件最集中的區域產生暴雨。暴雨主要位于低空急流左側或者出口區100 km附近、850 hPa準靜止干線(露點鋒)濕區一側100～200 km處、700 hPa和850 hPa氣流匯合區、地面輻合線與暖切變頂部輻合區、K指數大值區與濕舌(區)重疊處。

5.3 干鋒生型

華北冷高壓底部850 hPa有干線存在，其南側有700 hPa西南氣流與850 hPa東風氣流匯合區以及西南急流與200 hPa高空急流右側輻散區耦合，地面伴有輻合線(區)。K指數大值區在暖切變頂部輻合區和氣流匯合區附近重疊，500 hPa溫度槽或者850 hPa以下溫度脊配合，低空急流左前側有濕舌(區)存在。華北冷渦穩定少動，高壓底部偏東氣流逐漸加強，一方面，干冷空氣隨著偏東氣流在此堆積；另一方面，東部來自黃海或者東海的水汽向暴雨區輸送，同時南方低空急流發展加強，暖濕空氣隨著低空急流向北輸送，西南急流和高壓底部偏東氣流在暴雨區匯合，其北側干冷空氣和南側暖濕氣流之間形成露點鋒生。500 hPa溫度槽隨西北氣流逐漸東移，西南氣流的發展加強，在低層形成高溫高濕區。當850～500 hPa的垂直溫度梯度≥25 ℃時，大氣層結不穩定加強，暖切變頂部輻合區和地面輻合線(區)疊加產生上升運動，觸發不穩定能量的釋放，在濕舌(區)形成強降水。暴雨區主要位于干線南側大約150 km，低空急流左前側0～200 km，濕舌(區)與不穩定重疊區內的暖切變頂部輻合區或者氣流匯合區。

5.4 暖干型

500 hPa副熱帶高壓控制，低空有西南急流或顯著流線，700 hPa、850 hPa為氣流匯合區，地面伴有冷鋒或者地面輻合線(區)。K指數大值區在氣流匯合區或暖切變頂部輻合區附近重疊，500 hPa有溫度槽或者850 hPa以下有溫度脊配合，低空急流左前側有濕舌(區)存在。副熱帶高壓或暖性高壓下沉增溫，形成的干暖區下沉到地面時與低層暖濕氣流疊加，使大氣層結不穩定加強。由于低空急流發展加強，其急流軸附近形成高濕區，當濕區內有氣流匯合區、暖切變頂部輻合區和地面輻合線(區)疊加，便會觸發不穩定能量的釋放，形成強降水。暴雨主要位于地面冷鋒附近，500 hPa溫度槽與850 hPa溫度脊重疊區域附近，濕舌(區)與不穩定重疊區內的中低層氣流匯合區對應地面輻合線(區)附近。

6 小結

(1) 渭河流域中尺度暴雨發生在4—9月，其中6—8月出現的中尺度暴雨占全年總次數的91.9%，8月渭河流域出現中尺度暴雨的概率最大。

(2)渭河流域中尺度暴雨的日變化特點是夜間多于白天，17:00—02:00為中尺度暴雨出現頻率較高時段，而12:00—15:00為中尺度暴雨出現頻率較低的時段，這與冰雹的日變化完全不同。

(3)渭河流域中尺度暴雨天氣過程可以概括為5條移動路徑，其中有3條路徑都是自西(或者西北)向東(或者東南)，這3類個例占整個中尺度暴雨天氣個例數的74.4%。

(4)通過對中尺度暴雨的影響系統、結構配置的歸類和研究，將渭河流域中尺度暴雨分為4種類型，分別為：干侵入型、西南氣流型、干鋒生型和暖干型。其中以西南氣流型最常見，占整個中尺度暴雨過程的38.9%。