西北渦作用下陜西一次強降水過程成因分析

彭 力，徐浩天，劉嘉慧敏，王 琳，倪 聞

(1.銅川市氣象局，陜西銅川 727000；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 710016；3.陜西省氣象臺，西安 710014)

西北渦是指青海柴達木盆地東部及甘肅東南地區一帶的低渦環流，夏季西北渦發展東移常常造成陜西省盛夏暴雨天氣[1]。榮濤[2]統計了柴達木低渦的特征概況，歸納出了柴達木低渦發生、發展的演變規律；丁治英等[3]對一次西北渦的數值模擬，發現了低渦生成與地形和高低層系統的活動關系密切；對于陜西暴雨而言，侯建忠等[4]在2006年就統計指出陜西的極端暴雨與近海臺風關系密切，其相關率接近 87%；張雅斌等[5-8]通過個例分析，研究了遠距離臺風對陜西暴雨的作用，認為遠距離臺風和陜西暴雨區低層存在水汽和能量輸送通道；近年來，李明等[9-10]對西北渦和臺風之間的相互作用進行了研究，揭示了西北渦造成的暴雨與遠距離臺風之間的關系，遠距離臺風和西北渦相互作用，改變了西北渦的斜壓結構、溫濕結構和動量結構，增強了西北渦附近對流不穩定程度和動力抬升作用。西北渦作為高原低渦的一種，是陜西夏季的主要災害性天氣系統之一。西北渦與登陸臺風相互作用引發的暴雨天氣比較少見，是氣象學者研究關注的重點，本文對一次西北渦東移造成的暴雨天氣進行研究，主要針對西北渦東移發展中的增強機制和降水成因進行分析。

1 資料方法

所用資料為2019年8月1日20時—4日08時地面常規氣象觀測資料、高空常規氣象觀測資料、NCEP 1°×1°逐6 h再分析資料、FY靜止衛星云頂亮溫資料等。

2 天氣實況特征

受西北渦東移發展影響，2019年8月2—4日陜西省自西向東出現了一次大范圍強降水天氣，強降雨主要出現在陜北、關中北部、陜南西部等地。2日08時—4日08時共43個氣象監測站累計雨量超過100 mm,289個站超過50 mm。分析降水逐小時演變發現，此次降水主要時段出現在3日凌晨至4日凌晨，降水過程出現2個暴雨日。2日08時—3日08時，強降水主要出現在關中北部、陜南西部，降水強度大且分布較為分散，最大小時雨強59.4 mm/h，3日08時—4日08時，強降水主要出現在陜北，降水范圍廣、持續時間長，降水伴隨對流性特征。

3 主要環流形勢及西北渦發展演變

200 hPa天氣圖上,1日20時—4日08時，南亞高壓主體位于青藏高原南側，甘肅東部、寧夏、陜西位于南亞高壓北側的分流輻散區，高層輻散有利于上升運動的發展維持。500 hPa上, 1日20時亞洲中高緯度呈“兩槽一脊”的環流形勢，新疆北部和東北地區受低槽影響，河套北部受弱高壓脊控制，中低緯度，高原東部有短波槽東移，副熱帶高壓主體位于日本海上，脊線位于30°N附近，臺風“韋帕”中心位于雷州半島附近，逐漸向北偏西方向移動并減弱為熱帶風暴。2日08時—4日08時，新疆北部低槽發展東移，高原短波槽東移發展加深，在甘肅—寧夏交界處發展為低渦，副高不斷西伸北抬，“韋帕”繼續西移，進入北部灣，寧夏附近的低渦沿副高西側向東北方向緩慢移動。700 hPa上，1日20時—2日08時位于甘肅東部的暖式切變線逐漸發展為閉合的低渦環流，西北渦逐漸形成。2日08時—4日08時，在500 hPa偏南氣流的引導下，西北渦向東北方向移動(圖1a)，其前部的西南氣流不斷加強，西南風急流將華南沿海的暖濕氣流向北輸送，在西北渦中心輻合，西北渦不斷發展；西北渦途經甘肅東部—寧夏—陜北—內蒙古中部，造成了大范圍強降水天氣。4日08時，西北渦中心移出陜西，陜北強降水停止。

用700 hPa西北渦中心垂直渦度表示其強度，分析2日08時—4日08時西北渦中心附近的垂直渦度(圖1b)發現，西北渦向東北移動的過程中，中心渦度持續增大，西北渦不斷增強。2日08時，西北渦中心附近渦度為4×10-5s-1,3日08時，中心渦度達到10×10-5s-1, 這一階段，西北渦發展迅速。3日08時—4日08時，西北渦中心渦度持續增大，從10×10-5s-1增加到12×10-5s-1，相比前一階段，這一階段西北渦發展較為緩慢。以下將針對此次西北渦東移中的增強機制和降水成因進行分析。

圖1 2019-08-02T08—04T08 700 hPa西北渦中心移動路徑(a，數字為日和時)和西北渦中心附近渦度變化(b，單位為10-5 s-1)

4 西北渦增強機制

2日08時—4日08時，500 hPa上新疆北部低槽發展東移，引導冷空氣南下，副高持續西伸北抬，寧夏附近的低渦向東北方向緩慢移動并不斷發展，低渦前部的正渦度平流促使低層減壓，西北渦逐漸形成。隨著西北渦與副高之間氣壓梯度加強，西北渦前偏南風不斷加大，西南風急流不斷向低渦中心輸送水汽及能量，西北渦不斷發展。200 hPa上，西北渦上空處于南亞高壓北側的分流輻散區，高層輻散利于西北渦進一步增強。

武麥鳳等[5]研究發現臺風和西北渦相互作用，能夠改變西北渦的結構，促進西北渦自身加強和發展。此次西北渦東移發展過程與副高和臺風“韋帕”有著密切的關系，1日20時—3日08時，副高西伸北抬，“韋帕”西移進入北部灣。700 hPa流場和風速圖上，1日20時(圖略)，甘肅東部與四川交界處為暖式切變線，“韋帕”東側的東南氣流與副高西側的東南氣流匯合，在四川盆地東部轉向北輸送。2日08時(圖2a)，西北渦在甘肅東部形成，匯合后的氣流向西北渦南部輸送,伴隨副高西伸北抬，西北渦與副高之間氣壓梯度加強，匯合后的偏南氣流不斷加大，2日14時在甘肅與陜南交界處達到急流標準，最大風速12 m/s。3日02時，急流增強到14 m/s，范圍也進一步擴大，急流前部存在明顯水汽輻合，水汽通量散度達到-3×10-7g/(cm2·hPa·s)，臺風附近的水汽和能量隨著偏南急流匯入西北渦中，在西北渦前抬升，西北渦迅速發展，這支匯合后的轉向偏南氣流成為西北渦與臺風“韋帕”間聯系的重要通道。3日08時(圖2b)，副高進一步西伸北抬，連接西北渦和臺風間的通道被副高阻斷，西北渦發展減慢。臺風“韋帕”與副高外圍的暖濕氣流從華南沿海向北輸送，為西北渦發展提供了水汽、能量、動力條件，是此次過程西北渦迅速增強的主要原因。

圖2 700 hPa流場和風速(陰影)分布(a 2019-08-02T08；b 2019-08-03T08；黑色圓圈代表西北渦中心)

5 西北渦降水成因

5.1 水汽條件

強降水發生離不開充足的水汽供應，此次降水過程中低層西南風不斷增大，水汽輸送逐漸增強，低層比濕逐漸增加。1日20時開始，臺風“韋帕”西移,副高加強北抬，“韋帕”東側東南氣流與副高西側東南氣流匯合，不斷向陜西輸送水汽，形成明顯的水汽通道。水汽通量和水汽通量散度剖面圖上(圖略)，水汽輻合從近地面延伸至700 hPa，強的水汽輸送和水汽輻合中心位于700 hPa附近。2日08時，700 hPa陜南水汽通量為4～6 g/(cm·hPa·s)，陜北為2 g/(cm·hPa·s)；2日08時—4日08時，西北渦前西南風不斷增大，西南急流帶來的水汽輸送也不斷增加；3日02時700 hPa陜南水汽通量達到12 g/(cm·hPa·s)，08時陜北水汽通量(圖3b)達到14 g/(cm·hPa·s)，強的水汽輸送在3日白天長時間維持。水汽通量散度場上，水汽輻合中心位于西北渦前部，2日20時(圖3a)，700 hPa上陜西中南部的水汽輻合達到-2×10-7g/(cm2·hPa·s)，3日08時(圖3b)陜北水汽輻合中心達到-5×10-7g/(cm2·hPa·s)，強降水區域與低層水汽輻合區一致，低層強的水汽輻合將低層水汽輸送到高層，為強降水提供了有利水汽條件。4日08時后，西北渦移出，陜西上空水汽輸送和水汽輻合銳減，強降水停止。

5.2 熱力條件及探空資料

假相當位溫θse具有保守性，代表大氣溫濕特征，θse高值代表暖濕空氣，表示高能區，θse低值代表冷空氣。1日20時開始，低層偏南暖濕氣流不斷北推，850 hPa陜西中南部θse達到76 ℃，陜北地區θse達到72 ℃,陜西處于θse的高能區，1日20時—3日20時低層高能區長時間維持。2日08時—3日20時，500 hPa寧夏附近低渦發展東移，低渦后部的冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上，陜西上空形成了上冷下暖的位勢不穩定層結。850 hPaθse場，來自低渦后、東北冷槽后的兩股冷空氣與暖濕氣流相擠壓，2日20時θse場(圖4)呈明顯的“Ω”型，甘肅東部中心值68 ℃的冷空氣侵入陜南西部，造成陜南西部對流性降水。2日20時—3日20時，“Ω”型維持，高能區的能量釋放為對流發生提供了能量條件。

圖3 700 hPa水汽通量(等值線，單位為g/(hPa·cm·s))和水汽通量散度(陰影,單位為10-7 g/(hPa·cm2·s)分布(a 2019-08-02T20；b 2019-08-03T08；黑色圓圈代表西北渦中心)

圖4 2019-08-02T20 850 hPa假相當位溫分布(單位為℃)

分析漢中、延安探空資料可以看到：強降水發生前，2日20時漢中、延安站對流有效位能(CAPE)值在1 000 J/kg以上；3日08時，隨著強對流發生，不穩定能量釋放，CAPE值明顯減小，漢中站為100 J/kg，延安站為500 J/kg。強降水開始后，漢中和延安探空曲線呈細長型(圖略)，大氣濕層深厚。漢中探空站850 hPa以下風隨高度逆轉，為冷平流，對應甘肅東部侵入的低層冷空氣，850～600 hPa為暖平流，600 hPa以上為冷平流；延安站近地層至400 hPa風隨高度順轉，為暖平流，400 hPa之上風隨高度逆轉，存在冷平流，上冷下暖的大氣結構加強了大氣不穩定度。暖云越厚，越易產生高的降水效率[11]，利用抬升凝結高度與0 ℃高度差可判斷暖云厚度。3日08時，漢中站暖云厚度4.1 km,延安站為4.0 km，較厚的暖云有利于短時強降水出現。

5.3 動力條件

陜南強降水主要出現在3日凌晨至3日中午，分析散度疊加垂直速度剖面圖可知：3日02時(圖5a)，陜南上空輻合區位于925～700 hPa，輻合中心為-4×10-5s-1，700 hPa之上為輻散區，垂直上升中心位于700 hPa,達到-12×10-1Pa/s；3日08時，陜南上空低層輻合，高層輻散維持。結合天氣圖分析，陜南上空低層輻合與低層切變線對應，高溫高濕環境中，地面輻合線觸發對流，不穩定能量釋放，產生對流性降水，低層輻合和高層輻散的系統配置為降水發生提供了有利的動力條件。

陜北強降水主要出現在3日白天到4日凌晨。3日08時之前，陜北低層受高壓影響，850 hPa以下為輻散區；3日白天，西北渦移過陜北；3日14時—4日02時，近地面至700 hPa轉為輻合區，700 hPa之上為弱輻散區；3日14時(圖5b)，850 hPa輻合中心達到-6×10-5s-1，最大上升運動中心位于700 hPa，中心值達到-22×10-1Pa/s；3日20時，低層輻合中心北移，輻合強度和垂直上升運動減弱，降水強度逐漸減小。結合天氣圖分析，陜北輻合主要受西北渦造成的低層切變線影響，高層弱輻散進一步加強了上升運動。

5.4 云頂亮溫特征

分析云頂亮溫(tBB)演變可知：2日08—20時，受地面輻合線觸發，陜南上空有tBB為-45～-35 ℃的對流云快速自南向北移動，陜南西部出現弱降水；2日20時，低渦云系已經十分明顯，低渦云系后有帶狀云系發展；2日20時—3日08時，低渦后的帶狀云系中持續有對流單體生成，在高溫高濕環境中，對流單體迅速發展，且移動緩慢，關中北部，陜南西部對流云tBB≤-45 ℃，出現了多站30 mm/h以上的短時強降水，短時強降水主要位于云頂亮溫等溫線密集處；3日白天，西北渦移過陜北，低渦及帶狀云系tBB維持在-40～-35 ℃，云系中存在tBB≤-45 ℃對流單體發展，陜南出現分散性對流降水，陜北出現大范圍混合性降水；4日05時，低渦云系移出陜西，降水停止。

圖5 散度(等值線，單位為10-5 s-1)、垂直速度(陰影，單位為10-1 Pa/s)剖面圖(a 2019-08-03T02沿107°E；b 2019-08-03T14沿109°E)

6 結論

(1)此次降水發生在高原槽東移加深，副高西伸北抬的大尺度環流背景下，西北渦是降水產生的主要影響系統，強降水主要位于低渦中心及前部。

(2)西北渦東移過程中不斷增強，臺風“韋帕”與副高外圍的暖濕氣流為西北渦迅速增強提供了水汽、能量、動力條件；低層輻合，高層輻散進一步加強了西北渦發展。

(3)西南急流為強降水提供了水汽輸送和不穩定能量，陜西處于假相當位溫的高能區，大氣上冷下暖存在位勢不穩定結構；地面輻合線觸發不穩定能量釋放，陜南出現分散的對流性強降水，受西北渦低層切變線影響，陜北出現系統性強降水；深厚的濕層，較厚的暖云利于短時強降水出現。

(4)低渦降水云系中持續有對流單體生成發展，對流單體tBB≤-45 ℃，短時強降水主要出現在云頂亮溫等溫線密集處。