陜西榆林一次大暴雨成因分析

馬曉華，馬 青，劉嘉慧敏，高 勇，侯建忠，劉慧敏

（1.陜西省氣象臺，陜西 西安710014；2.眉縣氣象局，陜西 寶雞722300；3.中國人民解放軍95994部隊，甘肅 酒泉735006；4.榆林市氣象局，陜西 榆林719399）

陜西位于中國西北地區、青藏高原東北側，受盛夏西北太平洋副熱帶高壓系統（西太副高）與西風低槽等系統共同影響處易產生強對流天氣，短時強降水可造成局部嚴重洪澇災害，是氣象預報重難點之一。西北地區以短時強降水為主的大暴雨過程受到國內氣象工作者廣泛關注[1-6]，他們在大暴雨天氣成因、多種資料分析應用、預報方法、時空分布特征及概念模型等方面積累了相應的成果和經驗。有關研究表明陜西每一場大暴雨中均可發現有熱帶環流系統的作用，重大洪災與近海臺風活動相關率達90%[7]。混合型不穩定層結，中β尺度重力波在水汽充沛條件下，可引發短時強降水[8-9]。對流層高層高值位渦侵入到低層時，可引起傾斜渦度發展，導致低層垂直渦度發生變化，產生對流性強降水，位渦隨時間的變化與降水隨時間的變化幾乎保持一致[10-12]。近年來陜北極端降水頻次增加，暴雨突發性及夜雨性明顯，2017年7月25日夜間到26日凌晨，陜西榆林市出現了罕見區域性大暴雨天氣，引發嚴重的洪澇災害。有學者認為7月25日這次過程在環流及天氣條件方面與陜北1977年7月5日到6日（“77·5”）特大暴雨相似[13-16]。針對此次過程，各家數值模式在量級及落區預報方面差異較大，短期預報效果欠佳。本文通過NCEP逐6 h 1°×1°再分析資料、常規氣象觀測資料、加密觀測等資料從高空環流形勢、中尺度環境條件、衛星及雷達特征方面分析榆林區域性大暴雨成因，以期提高此類災害性天氣預報服務水平。

1 降水概述

2017年7月25—26日，陜西省榆林市出現了區域性暴雨及大暴雨天氣（圖1a）。此次過程全市平均降水量為76.3 mm，過程降雨量為50～100 mm的有44站，占20%，100～250 mm的有30站，占14%，最大降水量在綏德的四十鋪為247.3 mm，其中橫山、米脂、子洲降水量分別為111.1、140.3、218.7 mm，均突破歷史極值。強降水出現在25日夜間到26日凌晨，有明顯夜雨性特征，25日22時及26日02時子洲小時雨強分別達41、52 mm（圖1b），持續數小時強降水使得子洲遭受了多年以來最嚴重的暴雨洪統由低緯到高緯呈現“低—高—低”的分布。南海有臺風活動，中緯度副高呈帶狀分布，584 dagpm線北界位于40°N附近，位置較偏北，588 dagpm控制了陜西關中、陜南大部分地方，脊線位于32°N，中高緯貝加爾湖東側到我國東部地區為低壓槽區，在內蒙古西部到甘肅中部有高空槽，河套處于槽前西南氣流中，無明顯暖平流。700 hPa榆林地區有偏東風與西南風形成的切變線，850 hPa榆林地區無明顯風場輻合及高溫高濕區存在；20時（圖2b）300 hPa高空緯向急流帶風速明顯加強且位置南壓，河套以北出現了36 m/s風速大值區，東勝、延安風速增大到24、18 m/s，榆林仍處于風速強輻散區中。500 hPa副高繼續北抬西伸，河套地區有弱的短波槽，榆林位于副高588 dagpm線東北側，南海臺風“桑卡”繼續西北行，臺風與副高相互作用使得其北側形成強偏東南氣流，這股東南風從海上一直延伸到內陸，成為暴雨的主要水汽通道。700hPa312dagpm位置與500hPa 588 dagpm位置基本重合，沿著312 dagpm外圍有澇侵襲。這次強降水范圍廣、強度大、強對流特征明顯，造成榆林市9縣區39.67萬人受災，因災死亡12人，供水、供電、供氣、交通、廣電、通訊等基礎設施嚴重損毀，人民群眾財產損失嚴重。

圖1 2017年7月25日08時—26日08時榆林降水量（a）及子洲小時雨量（b）（單位：mm）

2 環流形勢及演變特征

大范圍強降水必然有異常的環流形勢，7月25日20時500 hPa（圖2a）熱帶地區為負高度場距平區，表明南海臺風活躍，使得副高位置偏北偏西，呈帶狀分布，中心強度異常偏強，同時臺風與副高的相互作用，可使它們之間氣壓梯度加大，臺風外圍偏東南風加強，為西北地區提供水汽。中緯度巴爾喀什湖為正高度場距平區，表明此處有阻塞高壓或強的高壓脊存在，脊前可分裂小股弱冷空氣東移南下影響河套地區，且與河套地區的高壓之間易形成鋒生。貝加爾湖到我國東北地區為強的負高度場距平區，該處亦可有低值擾動影響河套地區，整個環流形勢背景有利于產生大暴雨。

圖2 7月25日20時500 hPa高度場距平場（a）（單位：dagpm）和25日20時300 hPa急流（箭頭，≥20 m/s）、500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）及 700 hPa風場（b）（風桿，單位：m/s）

7月25日08時300 hPa從新疆西部經內蒙古到東北地區有風速＞20 m/s東西向急流帶，陜北處于高空急流入口區右側，東勝風速18 m/s，延安16 m/s，榆林處于兩站之間的風速輻散區。500 hPa亞洲大陸中高緯環流形勢呈兩槽一脊型，東亞地區天氣系一支明顯的偏南氣流伸向西北地區東部，偏南風在陜西境內達10～14 m/s，且有暖平流向陜北輸送，榆林處于急流左前側。850 hPa榆林有偏南風與弱的偏北風切變，河套地區有中心強度達32℃的暖中心，榆林中南部處于ΔT（500-850）≥27℃的不穩定區域內。地面上從東北地區經渤海灣到西北地區東部有冷高壓，河套到四川盆地有中心強度997.5 hPa熱低壓，熱低壓不斷向東北方向拱起，陜北處在高低壓之間弱鋒區中，地面暖濕空氣沿著東路弱冷空氣爬升，易產生大暴雨。

本次過程由弱的天氣系統影響產生，預報難度大，落區位置特殊。300 hPa急流帶超前暴雨出現，急流的存在與維持使得暴雨區存在強高空輻散，河套以北37°～41°N緯向急流帶增強南壓，且700 hPa偏南風迅速增加北上，兩者相互作用使高層正渦度增大，低層負渦度變小，上升運動加強，降水強度增強，這與前人的研究結論一致[7]。

3 成因分析

能產生如此強的區域性大暴雨，必然有觸發中尺度系統發生發展的環境條件，下面從水汽、不穩定層結及抬升條件方面重點分析。

3.1 水汽條件

對局地短時大暴雨，持續不間斷的水汽輸送十分必要，以補充暴雨發生所造成的大氣柱內水汽損耗，通過計算大氣整層水汽通量[17]，以此來分析水汽來源。

25日08時（圖3a），八號臺風“桑卡”位于南海108.7°E、17.3°N，其外圍水汽沿副高西側向北輸送，這條偏南路徑的水汽輸送使榆林西部水汽通量最大值達 4000 g·（cm·s·hPa）-1。14 時隨著臺風西北上，偏南路徑水汽輸送增強，整個河套水汽通量值達4000 g·（cm·s·hPa）-1，榆林西部水汽增大到5000 g·（cm·s·hPa）-1。20 時副高西伸，遠距離水汽輸送維持（圖3b），同時中緯度有一支偏東氣流將黃海、東海的水汽帶到內陸，東路水汽輸送與遠距離水汽輸送共兩條水汽供應集中到西北地區東部，為暴雨區提供了充沛的水汽供應，榆林地區水汽通量明顯加強，中心最大值增加到 5000 g·（cm·s·hPa）-1，強降水開始。之后6 h由遠距離偏南路徑及偏東路徑水汽的持續輸送使暴雨區水汽通量最大值達到8000 g·（cm·s·hPa）-1，降水達到峰值。26 日 08 時由于“桑卡”的西移及副高的南壓，西北地區東部的兩支水汽通道斷裂，本地的水汽通量大值中心發生東移，榆林地區強降水結束。

圖4為大暴雨中心子洲的水汽場，25日20時—26日02時偏南水汽通量明顯加強，大氣低層由前期的輻散轉為輻合，中心強度達-10×10-5g·（cm2·hPa·s）-1，且水汽輻合區達 500 hPa，中高層為水汽輻散區，這種低層輻合高層輻散的大氣水汽結構，造成了子洲罕見大暴雨。

3.2 大氣穩定度

3.2.1 探空資料

圖 3 大氣整層水汽通量（單位：g·（cm·s·hPa）-1）

圖 4 子洲水汽通量（風桿，單位：g·（cm·s·hPa）-1）及水汽通量散度（單位：10-5g·（cm2·hPa·s）-1）高度—時間演變

選取暴雨區附近的探空站作為代表站（圖5），25日白天延安地區晴空無云，隨著晴空輻射加強，且風隨高度順轉有明顯暖平流，大氣聚集了較大對流不穩定能量，CAPE值達2422 J/kg，K指數為44℃，500 hPa以上為干層，以下濕度較大，上干下濕的分布及較弱的垂直風切變均有利于不穩定能量的積累和強對流天氣的觸發。東勝探空呈現出“細長”結構，溫度曲線和露點曲線接近重合，并一直向上伸展到200 hPa，大氣整層為濕層，水汽條件異常豐沛，且垂直風切變小，是典型的短時強降水大氣分布特征。

降水效率可用暖云高度來衡量，根據抬升凝結高度及零度層高度可計算暖云層厚度[18]，降水系統中暖云層越厚，越有利于高降水效率的產生，此次強降水過程抬升凝結高度普遍較低，暖云層厚度東勝約3600 m，延安3500 m，可導致榆林地區降水效率的迅速提高。

3.2.2 濕位渦

濕位渦同時反映熱力與動力的綜合作用，可進一步分析大氣層結的不穩定性[19-20]。對流層上層高位渦向下伸展時，分裂的高值擾動促使中低層氣旋渦度發展，常導致強降水發生。25日20時陜北上空高層盛行西南氣流（圖6a），低層為偏東南氣流，受副高影響，大氣層處于高溫高濕狀態。對流層中高層有正值位渦區，位渦值相對較小，暴雨區38°N上空有小股弱冷空氣侵入，中心值為0.2 PVU。26日02時陜北上空對流層中高層由西南氣流轉為偏西北氣流（圖6b），濕位渦正值區較上一時刻明顯范圍擴大、強度增強，且在37°N上空出現了“漏斗”狀正值位渦區，強度0.2 PVU干冷空氣沿著等θse面下滑到650 hPa，補充了前一股弱冷空氣，位于 850 hPa、38°N的弱冷空氣沿著副高外圍繼續向南侵入100 km，暖濕空氣被迫抬升，高溫高濕區向高空伸展，θse梯度增大，暴雨區上空對流不穩定性加強，短時強降水也達到了峰值。在干冷空氣逐步侵入的過程中，暴雨區上空建立了“上干冷下暖濕”的大氣垂直結構，加強了對流不穩定的形成。

圖5 7月25日20時東勝及延安探空T-lnP

圖6 過暴雨中心沿110°E的濕位渦（等值線，單位：PVU）與假相當位溫（陰影，單位：K）及風場（風桿，單位：m/s）經向剖面

3.3 總溫度平流

總溫度平流是綜合性物理量，不僅能反映暖濕空氣的活動，而且在一定意義上可以反映地形的影響[21]。暴雨發生前12 h（圖7a），子洲地面被東路弱冷空氣控制，總溫度平流約-8℃·s-1，900～600 hPa被暖濕空氣包圍，大值中心8℃·s-1位于850 hPa，600～300 hPa被較強冷空氣控制，大氣層結相對穩定。到了20時（圖7b），隨著偏南風的加強，子洲有明顯暖空氣活動，900 hPa以上均為暖平流，且中心最大值突增到20℃·s-1，暖濕空氣沿東路冷空氣爬升，大氣不穩定程度加大，為子洲之后暴雨的發生提供了有利的環境條件。26日08時子洲上空大氣層幾乎被暖平流控制，東路冷空氣消失，強降水結束。

3.4 中尺度動力抬升

圖7 25日08時（a）和20時（b）過子洲站總溫度平流緯向剖面圖（單位：℃·s-1）

20時前后地面主要以偏東或東南風為主，風速較小，無明顯降水，子洲偏南風，風速3 m/s，清澗東南風，風速5.7 m/s，無明顯輻合，22時子洲風向轉偏北風，風速突增到10.5 m/s，清澗9.2 m/s偏南風，出現“對吹”現象，榆林東南部形成了一條約100 km東北西南向地面輻合線，對應中小尺度低值系統影響子洲，強降水位于輻合線西北側，子洲降水量42 mm/h，23時風速迅速減小，風向以偏東或東北風為主，持續到26日01時，地面再次出現風速突增，子洲為6.4 m/s的偏北風，米脂為9.5 m/s的偏東風，清澗為5.1 m/s的東南風，地面輻合線再次出現，影響榆林東南部，子洲出現52 mm/h的降水，01時后風速顯著減小，強降水逐步減弱。從子洲逐小時變壓場來看，21—22時有1 hPa正變壓，01—02時有1.6 hPa正變壓，可見在兩次強降水期間地面均有弱冷空氣活動。這也印證了上一節中低層弱冷空氣沿著副高外圍向南侵入結論，弱冷空氣強迫暖濕空氣在地面輻合線附近抬升，觸發中小尺度對流系統發生發展，引發子洲短時強降水。

4 中尺度對流系統演變特征

從云圖分析可見強降水是由中尺度對流系統（MCS）引起（圖8），強降水發生前，河套地區有分布零散的α、β、γ中尺度對流系統，東北路弱冷空氣不斷侵入，冷暖氣團交匯，使得大氣層結很不穩定，導致中小尺度系統云團不斷發展合并，22時前后，β中尺度系統與α中尺度系統合并，此時MCS云團TBB≤-52℃的云團面積已經達到105km2，雨強加大，21—22時子洲最大雨強為41 mm，子洲恰好位于兩云團合并處，之后MCS面積不斷增大，云頂TBB最小值達-80℃，26日02時前后云團發展最強，橢圓特征明顯，且邊界光滑，TBB≤-52℃的云團面積達1.6×105km2，子洲01—02時降水量52 mm，該MCS持續到04時開始變形衰減，TBB≤-52℃的云團面積減小，強降水也隨著減弱，到了06時對流云團分裂成若干個中小尺度對流云團，隨著云系的減弱東移，降水結束。

MCS持續時間長、面積大，對流發展旺盛是產生強降水的主要原因，子洲第一階段強降水位于云團合并處，第二階段降水位于TBB中心最小值附近。

圖8 FY2G衛星TBB產品

25日20時—26日02時，云團處于強發展期，分別計算了強降水區平均垂直速度，渦度及散度（圖9），降水發生時650 hPa以下為弱的反氣旋性渦度，最大氣旋性渦度4.0×10-5s-1位于400 hPa，到了強降水發生時，中低層均出現了明顯增大的雙峰型氣旋性渦度，分別為800 hPa的6.0×10-5s-1、450 hPa的 2.0×10-5s-1，300 hPa出現異常偏大的反氣旋渦度最大值為-5.0×10-5s-1，對應中低層輻合增強，高層輻散加大，整層大氣均為上升氣流，最大上升速度-0.9 Pa·s-1位于550 hPa，“抽吸”作用使降水區上升運動加強，云團垂直方向發展異常旺盛。

5 雷達特征分析

25日20時榆林地區回波主要呈現帶狀回波A、孤立雷暴單體B及片塊狀回波C，到21：36前后A、B、C分別發展到強度最強（圖10a），A回波長寬比約為5：1，長軸最長達250～300 km，中心強度約為50～60 dBz且移速較快，B、C移動較慢，中心強度＞65 dBz，子洲55 dBz回波強度在4.5 km左右，垂直液態水含量最大達69 kg/m2，沿各強回波中心附近開始出現12～18 mm/10 min的短時強降水；隨后B、C在東移過程中強度逐漸減弱并與A回波合并成塊狀回波，22：25前后塊狀回波減弱到中心強度45～50 dBz，此時最大降水強度回落至5～7 mm/10 min。

26日00—02時主要降水回波平流方向已由開始的東西走向變為西北—東南走向，以層狀云混合降水回波為主，在其前部有強度為55～65 dBz的對流回波區，尤其在子洲、綏德地區（圖10b紅色矩形框）不斷有多個強回波中心生成發展，形成“列車效應”，強回波首先經過子洲，26日00時降水量達32.8 mm，01時降水量略有減小，02時子洲回波強度達50 dBz，小時雨量52 mm，03時雨強減弱到19.1 mm，此時強回波東移影響綏德，03—04時綏德小時雨強36.5、32.7 mm。04—06時降水回波南下東移，榆林地區短時強降水時段結束。

6 結論

對 2017年 7月25—26日陜北榆林一次大暴雨進行了診斷分析，主要結論如下：

圖 9 26 日 02 時過暴雨區域平均渦度（a）（單位：10-5s-1）、散度（b）（單位：10-5s-1）及垂直速度（c）（單位：Pa/s）剖面

圖10 榆林雷達組合反射率因子

（1）榆林此次大暴雨過程主要以對流性強降水為主，大暴雨發生在副高穩定少動且位置偏北、偏西環流背景下，300 hPa 37°～41°N 緯向急流帶增強南壓，700 hPa偏南風增加北上為本次暴雨提供了有利背景場，臺風外圍偏南氣流與副高外圍偏東南氣流所攜帶的水汽為暴雨區提供了水汽供應。

（2）探空資料表明上干下濕大氣層結及弱的垂直風切變均有利于強降水發生。大氣高層有0.2 PVU的正值位渦擾動沿假相當位溫密集區下滑補充低層弱冷空氣，低層東路冷空氣抬升暖濕空氣，兩者共同作用加強了大氣對流不穩定層結的建立。伴隨地面兩次輻合線的出現，子洲迎來了最大小時雨強52 mm降水極值。

（3）中小尺度對流系統在東移過程中合并發展成橢圓形MCS。MCS發展階段，低層為“雙峰型”氣旋性渦度伴隨中尺度輻合，高層反氣旋型渦度伴隨中尺度輻散的垂直大氣結構，且上升速度明顯，MCS最強時段TBB≤52℃冷云罩面積達1.6×105km2。子洲第一階段強降水位于云團合并處，第二階段強降水位于MCS云團中心附近。

（4）中心強度＞55 dBz的對流單體造成了子洲第一階段強降水，偏南風脈動使得多個中心強度＞55 dBz強回波連續經過子洲、綏德一帶，類似于“列車效應”，這是造成子洲第二階段強降水主要原因。