西安東部一次局地短時強降水天氣過程分析

2020-11-25 01:08:44肖貽青胡啟元

陜西氣象 2020年6期

肖貽青，胡啟元,井宇,王潔，劉勇

(1.陜西省氣象臺，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710014)

強對流天氣是指伴隨雷暴現象的對流性大風(≥17.2 m/s)、冰雹、短時強降水。該類天氣的突發性和局地性強、生命史短，地面觀測[1]和模式預報[2]可能會遺漏或忽視這些小尺度系統，因此強對流天氣成為預報業務中的難點問題[3]。強對流的發生發展，往往受天氣尺度和中小尺度系統的綜合影響[4]，其中天氣尺度系統包括高低空急流、鋒面等[5]；但另一方面，強對流與中小尺度過程或系統聯系更為直接。目前的研究認為邊界層輻合線[6]、地形抬升[3]及熱力變化都是對流觸發的原因，但在不同環境下對流的生成和發展機制也不完全相同，其中強對流云團的初生位置及可能的演變機制是短時強對流天氣預報面臨的主要挑戰之一[7-8]。夏季特別是在弱天氣系統強迫下，預報員很難判斷對流是否繼續發展或持續移動[9]。姚靜等[10]對黃土高原強對流天氣分析表明，地面干線和輻合線是觸發強對流天氣的主要原因。劉勇[11]對陜西一次強對流風暴的診斷發現，干侵入是強對流發生的重要條件之一。潘留杰等[12]發現，在一些情況下，天氣尺度分析不足以判斷強天氣發生的潛勢條件。還有大量研究[13-19]對陜西的強對流天氣進行個例分析和探討，每次過程的主要影響條件和發生機理都不完全一樣，對強對流天氣的研究有必要持續而深入的進行，并利用大量個例來驗證結論。

2019年主汛期，陜西強對流天氣整體較少，且主要以短時強降水為主。2019年8月9日凌晨，關中東部發生短時強降水，強度較大，致災性強，其中西安市藍田縣的短時強降水造成了泥石流、滑坡等災害，為當地人民生命財產帶來了嚴重危害。利用常規觀測資料，NCEP(1°×1°)再分析資料，衛星云圖和多普勒雷達、微波輻射計等多源數據，對該過程進行較為全面的分析和總結，有助于提高預報員對此類強對流天氣的敏感性，提升強對流天氣的預報技能和預警服務，有助于防災減災決策能力的提升。

1 實況分析

2019年8月8日21時至9日09時，陜西省出現了區域性短時強降水。降水主要集中在關中東部和陜南西部，并造成西安東部出現了暴雨，降水落區如圖1所示，其中最大降水出現在藍田縣，12小時降水量為100.6 mm。此次短時強降水突發性強，預報難度大，且造成了藍田縣境內滑坡等地質災害，這里主要對關中東部以藍田為主的短時強降水進行分析。

圖1 2019-08-08T21—09T09西安地區實況降水量分布

針對藍田站8月8日21時至9日10時的降水(圖2a)進行了分析，可以看出，降水主要從8月9日05時開始，至10時基本結束。最強降水時段主要集中在05—07時，最大雨強為57.4 mm/h，07時后雨強迅速減弱至10 mm/h以下，10時后雨強不足1 mm/h。8日22時至9日08時藍田站的氣溫和地面氣壓(圖2b)顯示，從9日04時(此次短時強降水開始前)至08時，該站氣溫由24.0 ℃降低至20.6 ℃，氣壓從945.2 hPa上升到947.6 hPa，其氣溫和地面氣壓的相關系數可以達到-0.98。同時，對周邊站點的氣象要素進行了分析，結果表明：此次短時強降水發生前，藍田站的氣溫普遍高于周邊各站；而短時強降水開始后，藍田站氣溫陡然下降，其他站則沒有顯著變化。說明造成短時強降水的對流系統范圍較小，僅在藍田站附近引起了冷空氣的下沉堆積。

圖2 2019-08-08T22—09T10藍田站降水(a)和氣溫、地面氣壓(b)變化

2 中尺度分析

8日20時中尺度分析如圖3所示，從環流形勢上看，500 hPa等壓面上在甘肅東部和河套地區均有低槽存在，陜西位于槽前，受西南短波氣流擾動影響；700 hPa和850 hPa在陜甘寧交界處均存在切變，受臺風外圍偏東氣流影響，關中和陜南中低層水汽條件非常好，大部區域t-td≤6 ℃，且在陜西、甘肅、寧夏交界處存在t850-500>26 ℃的不穩定能量區。從中尺度分析來看，關中西部具備強對流天氣發生的各項有利條件，關中東部暫時缺少抬升觸發條件。

從8日20時西安涇河站探空(圖4)溫度廓線和露點廓線可以看出，300 hPa以上及500 hPa以下濕度條件較好，500 hPa與300 hPa之間存在t-td>20 ℃的空氣柱，可認為在中高層存在顯著的干冷空氣帶；700 hPa以下平均比濕達到12 g/kg，500 hPa以上比濕則迅速下降至1 g/kg以下，低層大氣濕度條件較好，大氣層結不穩定。從狀態曲線上還可以看到，850 hPa以下存在34 J/kg的抑制對流有效位能(CIN)，有利于低層能量的蓄積；CAPE為1 003.8 J/kg，呈細長狀，其形態有利于短時強降水[20]；抬升凝結高度和自由對流高度分別位于860 hPa和790 hPa，相對較低，若有氣團抬升則非常容易觸發對流。另外，K指數為33 ℃，抬升指數Li為-1.95，對流溫度Tg為31.9 ℃，這些對流參數均表現為大氣層結不穩定度大，有利于短時強降水的形成和發展。由此可知，關中地區在熱力、水汽和能量方面，均具有短時強降水發生的有利條件。

圖3 2019-08-08T20中尺度分析

圖4 2019-08-08T20涇河站T-logP圖

3 短時強降水特征分析

3.1 溫度、濕度場

利用西安涇河站微波輻射計對近地層(0～1 km)大氣溫度、整層(0～10 km)相對濕度的剖面隨時間序列變化(圖5)進行分析。可以看出近地層1 km(圖5a)以下，8月9日00時起溫度開始表現出明顯的下降，04時后較強冷空氣驟然從高層侵入至地面，且隨著時間不斷加強，地面溫度迅速下降至20 ℃以下；08時后氣溫開始緩慢回升。從相對濕度(圖5b)變化可以看到，9日00時起，地面至8 km(400 hPa左右)大氣的相對濕度均在60%以上，尤其是中層2～6 km，相對濕度達到90%以上，濕層非常深厚；05時起高層有顯著干空氣入侵，8 km(400 hPa)以上的相對濕度在短時間內快速降至0%，且隨著時間向低層入侵，中低層相對濕度從90%下降至50%以下；干空氣入侵僅維持不足2 h，07時后整層大氣相對濕度快速增加，中層恢復顯著濕區特征。

圖5 2019-08-09微波輻射觀測的溫度(a)、相對濕度(b)隨高度時間序列剖面

從以上分析可以看出，在短時強降水發生期間，高層有明顯的干冷空氣入侵，一方面干冷空氣可直接觸發新的對流；另一方面干冷空氣在做下沉運動過程中與云中飽和水汽混合，云中雨滴蒸發冷卻，下沉氣流能形成地面的冷空氣堆，可抬升低層暖濕空氣上升形成新的對流單體，并且由于在風切變環境下，下沉氣流把高空的水平動量帶到地面，在低空加強了與暖空氣的輻合作用，從而維持和加強短時強降水。

3.2 假相當位溫

8日20時850 hPa假相當位溫(圖6a)顯示，陜南西南部存在高值中心，其向東北方向延伸至關中東部，形成假相當位溫高能區，關中東部假相當位溫中心接近60 ℃。9日02時(圖6b)，高能區能量舌加強，假相當位溫中心增強至70 ℃左右，且等值線更密集，能量更加集中。同時，從8日20時西安涇河站的假相當位溫的垂直廓線(圖略)可以分析得到，500 hPa以下假相當位溫隨高度顯著遞減，850 hPa與500 hPa溫差為20 ℃左右，說明中低層存在較強的對流性不穩定，這是一種潛在不穩定。當沒有擾動時呈現出穩定氣層特征；一旦發生氣流輻合或越山等受迫抬升過程，氣層達到飽和后轉化為真實不穩定，進而釋放大量不穩定能量，對流加強發展。

圖6 2019年8月850 hPa假相當位溫(單位為℃)分布(a 8日20時,b 9日02時；圖中長方形框為高能舌區)

3.3 垂直上升速度

對垂直上升運動發展狀況進行分析，結果表明：8月9日02時700 hPa(圖7a)垂直速度在藍田及以東地區表現為一定范圍的上升運動，上升運動中心位于東部的渭南地區；對應850 hPa(圖7b)上升運動范圍擴大，且上升強度明顯增加，中心依然位于渭南地區。由此可知，藍田附近在9日凌晨大氣層結已經受到明顯的動力抬升，且高度可達到700 hPa以上，但東部的上升運動更加顯著，可能更容易觸發強對流天氣的發生，從而判斷藍田附近的短時強降水會受東部強對流的影響而合并加強。

3.4 地面中尺度系統

對強對流發生期間地面加密風場(圖8)進行分析，在短時強降水發生前,05:00(圖8a)藍田站以西地面盛行偏西風，以東為偏東風，但風速整體較小，輻合較弱；05：30(8b)，地面風速加強，藍田站附近存在中尺度輻合，形成地面小尺度低壓環流，持續時間較長；06：00(圖8c)系統緩慢向東移動；07：00(圖8d)，中尺度輻合中心減弱為地面輻合線，向東北方向移動進入渭南境內，藍田境內的短時強降水開始減弱，東部渭南地區開始加強。由此可知，地面輻合是造成短時強降水的觸發和維持條件。

3.5 地形作用

藍田縣位于秦嶺北麓的驪山山腳，驪山海拔1 302 m，本站海拔540.2 m，南部以秦嶺為界，北部則是平原地形，處于平原到高山的地形過渡地區。地形特征示意圖如圖9(見第6頁)所示，短時強降水發生前，藍田站西部盛行偏西氣流，東部渭南地區則以偏東氣流為主；偏西氣流在藍田附近迎風坡被抬升，強迫抬升的氣塊可觸發局地對流，釋放已蓄積的大量不穩定能量，使對流快速發展。此外，偏西氣流從驪山南部和秦嶺北部之間的狹道穿過，沿著山谷地形進入渭南境內后轉為西南風，從而和渭南東部偏東氣流形成氣流輻合，觸發渭南境內的對流。當氣流穿過兩山之間的峽谷，狹管效應會造成風速增加，從而使氣流輻合加強，短時強降水加強。在偏東風的引導下，對流向藍田方向移動發展。

圖7 2019-08-09T02垂直速度場(a 700 hPa，b 850 hPa；單位為hPa/s；黑色圓點為藍田站)

圖8 2019-08-09地面區域站風場(a 05：00，b 05：30，c 06：00，d 07：00；黑色圓點為藍田站； D表示中尺度輻合)

4 衛星云圖特征

從衛星云圖相當黑體溫度(TBB)分布可以看出，9日06時(圖10a)，藍田東部上空已生成對流云團，中心云頂亮溫約為-52 ℃，尺度約為10 km，對應其境內有8個區域站出現20 mm/h以上的短時強降水，其中2個區域站的雨強大于50 mm/h。07時(圖10b)，對流云團有所加強，-52 ℃云團尺度增加至40 km以上，中心向東移動至渭南境內，藍田縣4站出現20 mm/h以上的短時強降水，最大雨強為40.5 mm/h，渭南境內也開始出現較大的短時強降水，最大雨強達35.5 mm/h。從衛星云圖看出造成這次短時暴雨的對流云團為中-γ及中-β尺度，云頂亮溫為-52～-42 ℃，藍田的短時強降水區位于TBB亮溫區西部邊緣梯度大值區，但冷云區面積較小，持續時間較短。同時也說明此次過程水汽條件非常好，從而造成降水效率高，引起較強的短時強降水。

圖9 藍田地形特征及2019-08-08—09短時強降水過程氣流示意(文見第4頁3.5)

圖10 2019-08-09衛星云圖TBB(單位為℃)分布(a 06時，b 07時；黑色圓點為藍田站)

5 雷達特征

5.1 組合反射率

9日01時，藍田站出現了孤立的對流單體，中心強度約30 dBz，反射率因子邊界呈橢圓狀且清晰；02時該單體穩定少動，中心強度和尺度稍有增加，且在藍田的上下游均觸發了其他新的較小對流單體；03時對流單體明顯加強，中心強度增大到55 dBz，藍田站下游東部地區在秦嶺北部初生的對流單體快速發展，上游獨立的對流單體逐漸增多；04時，在渭南地區生成的對流單體快速發展合并，形成了沿藍田、華縣、華陰呈東北—西南向的帶狀對流回波，回波的生成、發展及移動方向受地形影響明顯，說明了本次短時強降水過程中，地形對對流的生成和發展有重要作用。值得注意的是，01—04時主要強回波區位于渭南境內，3 h累積降水量有2站達到30 mm以上，而藍田境內僅出現零散的陣性降水。

9日04：30，藍田上游回波向東移動，下游回波向西移動，在藍田站附近持續合并加強，形成了積狀云對流回波，中心強度達60 dBz以上；該對流單體受上游偏西風，下游偏東風輻合影響，在原地持續加強；06：46后形成了大片積狀層狀云混合回波。實況顯示，04：30以后藍田縣開始出現明顯短時強降水，至07時3 h內有8站累積降水量達到50 mm以上。

從雷達反射率因子可以看到，藍田境內獨立的對流單體基本是沿山脈地形形成，當多個對流單體合并加強，雷達回波上顯示為明顯的層狀云和對流云混合型降水回波時，才造成了較大的短時強降水；上、下游的對流單體沿著地形移動至藍田境內，且長時間對峙，是造成該地強降水的主要原因。

5.2 徑向速度

對主要降水時段1.5°仰角徑向速度(圖12)進行分析。05:00，雷達所在的西安站主導風向為西南風，在藍田及其東部存在較為明顯的輻合；背景風場隨著時間加強，藍田境內的輻合強度也有所增加，且范圍有所擴大。06：03，西安站地面風速顯著增加，1.5°仰角徑向速度圖上出現了明顯的速度模糊，退模糊后的偏西風可達19 m/s以上，該時刻地面也觀測到12 m/s以上的極大風速；藍田站附近的中尺度輻合范圍減小，風速也出現了速度模糊，表明環境風場速度增加，有利于地面中尺度風速輻合加強，從而短時強降水加強。