商洛一次致災短時強降水中尺度特征及預報預警分析

陳小婷，彭 力，鄒長艷，馬曉華，胡啟元，劉菊菊

(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 710016；3.銅川市氣象局，陜西銅川 727031；4.武警第一機動總隊直升機支隊烏魯木齊場站，烏魯木齊 830017)

短時強降水是指1 h雨量大于等于某特定閾值的降水事件，1 h降雨量≥50 mm可稱為極端短時強降水[1]。短時間內強的降水可形成暴洪，造成農田漬澇、城市內澇，甚至引發泥石流、山洪等地質災害，造成重大經濟損失和人員傷亡，加強對其機理研究及鄰近監測預警具有重要意義。很多學者針對本地長時間的短時強降水個例數據，分析其時空分布特征[2-3]，進行天氣學分型[4-5]，統計本地短時強降水的預報預警指標[6-8]，建立客觀預報方法[9]，為強對流天氣的防御提供幫助。隨著高時空分辨率新資料的發展應用，短時強降水的中尺度特征得到更好解釋[10-15]，為預報預警提供新的依據。徐珺等[10]對復雜地形下一次短時強降水天氣分析認為：小尺度地形輻射降溫配合城市熱島在山前形成高溫度梯度區,山風與南風對峙使地面輻合線在山前移速變慢有助于熱帶云團的生成。吳進等[11]分析表明，地面輻合線型強降水發生前1 h溫度變率顯著增大，3 h前地面比濕增大，關注邊界層氣象要素及衍生物理量演變對強降水預警有一定指示意義。楊曉軍等[15]發現閃電密度的時空分布與強降水時空分布有較好的一致性,但在時間上閃電密度的變化提前于強降水落區的變化。

秦巴山區是陜西省暴雨頻次高值區，秦嶺山谷地區是陜西山洪水災多發區[16]。近年來秦嶺南北麓的高溫、干旱、暴雨等極端天氣氣候事件頻發，氣候生態災害風險增大。2015年8月3日秦嶺北麓西安多個區縣降雨量突破歷史極值，山洪、泥石流引發嚴重人員傷亡和基礎設施破壞，導致隴海鐵路西安段連續中斷兩天[17-18]。2016年7月31日秦嶺南麓商洛地區出現突發性強降水，導致金絲峽景區部分道路和車輛沖毀，2人死亡，景區被迫關停2個多月，經濟損失超2億元[19]。秦嶺的青山綠水既是自然財富，也是經濟財富，山地憑借其特有的自然資源優勢發展旅游產業是當地經濟的重要增長點，而頻發的暴雨洪澇使山地景區面臨著越來越嚴重的次生災害潛在風險,且其旅游產品的安全問題涉及到越來越龐大的人群[20]。商洛地處秦嶺南麓，研究該地區短時強降水天氣的特征、成因及預報預警技術，對發揮氣象在生態保護和修復中的支撐保障作用，提高廣大人民群眾避災自救和抵御災害風險的能力，鞏固脫貧攻堅的成績有重要意義。

2020年5月4日傍晚前后，商洛地區出現強對流天氣，商州區腰市鎮解村1 h降雨量達到80.5 mm，過程累計降雨量達108.8 mm，突發短時強降水導致2萬余人受災。本文利用衛星、雷達、加密自動站等多種氣象觀測資料分析此次短時強降水過程的中尺度特征，同時對常用數值模式產品預報效果進行了分析，探討有益的預報著眼點，以期更有效地做好此類天氣的預報預警工作，發揮氣象在保護人民生命財產安全以及秦嶺生態修復中的支撐保障作用。

1 天氣實況及災情

2020年5月4日17時至5日00時商洛出現強對流天氣，以短時強降水為主，局地伴有雷暴大風。從累計降雨量(圖1a,見第3頁)、強降水站次及雷電分布圖(圖1b，見第3頁)可以看出：強天氣主要位于商洛東北部，集中在20—21時，局地性強、強度大。累計11站次出現短時強降水(1 h降雨量≥20 mm)，最大雨強為商州區腰市鎮解村站為80.5 mm/h，累計降水量108.8 mm，達到大暴雨量級，沙河子鎮和腰市鎮解村出現8級大風。強天氣導致烤煙、玉米等農作物受災，多處河堤、橋梁、道路沖毀，商州區23 370余人受災，直接經濟損失468.5萬元，其中沙河子、腰市兩鎮災害最嚴重。

雷電監測顯示(圖1b)，4日17時至5日00時商洛地區共出現747次閃電，其中云閃451次，云地閃296次。17時從商洛東北部開始出現閃電，18—19時閃電頻次迅速增多，19—20時達到峰值，1 h閃電244次，22時之后顯著減少。可見對流活動發展迅速，時段集中，閃電峰值提早降水峰值1 h，閃電高密度區和后1 h強降水落區基本匹配，閃電頻次的迅速增加對強降水早期預警有很好的指示意義。

圖1 2020-05-04T17—05T00商洛累計降雨量(a)及雷電總閃頻次、1 h≥10 mm降水頻次演變圖(b)(文見第2頁)

2 大氣環流背景及探空資料分析

4日08時，500 hPa上歐亞中高緯上空呈兩槽一脊型，陜西北部受槽后脊前偏北氣流影響，中南部地區有淺槽。20時(圖2a)系統東移，500 hPa陜西中北部有強冷平流向南輸送，低槽加深位于陜西東南部，隨著低槽東移攜帶冷空氣過境，大氣層結不穩定性增加，陜西東南部850 hPa與500 hPa溫差達到29 ℃。850 hPa風速顯著增大，東北風和東南風在陜南東部匯合，形成氣旋性輻合，為對流的發生提供了動力條件。隨著偏南氣流發展，西安、河南盧氏一帶比濕增大至10～11 g/kg，商洛東部溫度露點差為0.2 ℃，水汽條件較好。地面圖上(圖略)，華北地區冷高壓底部東北路回流冷空氣影響關中和陜南東部，產生東北西南向的地面輻合，有利于對流觸發。

從盧氏站探空圖(圖2b)可以看出，大氣700 hPa以下基本呈飽和狀態，中層500 hPa附近有明顯的干冷空氣，是較為典型的上干下濕結構，有利于對流的發生。近地面為4.8 m/s的偏東風，使冷空氣向西侵入，形成低層冷墊，強迫抬升暖濕空氣，在850 hPa附近形成逆溫層，500 hPa附近為6 m/s的偏西風，0～6 km垂直風切變大于10 m/s，屬中等強度，有利于對流的維持和發展。可見，500 hPa低槽過境，槽前正渦度平流有利于上升運動加強，同時高層冷平流使大氣層結不穩定度增大；低層氣旋式輻合和地面輻合線提供了良好的動力條件；陜西東南部850 hPa比濕達到10 g/kg以上，低層東路回流冷空氣侵入水汽、能量條件較好商洛地區，產生地面輻合，觸發不穩定能量釋放，形成強對流天氣。

圖2 2020-05-04T20環流形勢(a 黑色、紅色等值線分別為500 hPa位勢高度及等溫線；風向桿為850 hPa風場；綠色數值為850 hPa與500 hPa溫差；星號位置為腰市鎮)及河南盧氏站溫度對數壓力圖(b)

3 中尺度特征分析

3.1 衛星云圖演變特征

隨著大氣不穩定層結建立和上升運動發展加強，5月4日17:30秦嶺北界晉陜豫三省交界處有中-β尺度云團生成發展，云頂亮溫(TBB)為-64 ℃(圖略)，云團移動緩慢，有向西后向傳播的趨勢。18：45(圖3a)秦嶺北界長安、柞水交界處有中-γ尺度云團生成，TBB為-51 ℃,并向東發展。19：30(圖3b)兩云團合并形成帶狀，商洛北部5站出現雨強大于10 mm/h的強降水，最大雨強為豐河村35.9 mm/h。20:00后(圖3c)洛南上空云團迅速發展加強，云型呈橢圓形，結構密實，TBB降至-79 ℃,小于-58 ℃的面積擴大到3 000 km2，表明強的上升運動發展，在對流云頂西側TBB梯度大值區的洛南縣、商州區交界處6站出現雨強大于10 mm/h的強降水，其中腰市鎮雨強達到80.5 mm/h。隨后云團呈橢圓形并向東南方向移動造成洛南、商州區南部及丹鳳短時強降水，22：00(圖3d)影響商洛地區的對流云團范圍減小，強度減弱，雨強顯著減小。可見，此次短時強降水主要發生在20：30—21：30，由水平尺度為100 km左右的中-β尺度云團迅速加強發展形成，具有局地性強、維持時間短的特征。

圖3 2020-05-04 FY-4紅外云圖

3.2 雷達回波演變特征

由于山區地形遮擋，商洛多普勒雷達低仰角回波遮擋嚴重，因此選取1.5°以上仰角和組合反射率因子綜合分析雷達回波發展演變特征。腰市鎮距離雷達本站16 km左右，1.5°和4.3°仰角垂直方向分別對應1.4和2.1 km。

商洛組合反射率因子演變顯示，19：03(圖略)商州區東北部開始有雷暴發展，出現3個中心值大于45 dBz的回波單體，隨后回波發展加強。19：20(圖4a)45 dBz以上回波面積顯著增大，最強回波達到60 dBz以上。19：32 A單體減弱趨于消失，B、C單體迅速加強，中心強度可達65 dBz。19：43(圖4b)B單體減弱，C單體仍然維持較強強度，對應速度圖上1.5°至4.3°仰角均表現出風場氣旋式旋轉特征(圖4e)，小尺度旋轉導致上升運動加強，基本反射率因子圖上出現弱回波及高梯度區(圖4d)，從剖面圖(圖4f)可以看出，雷暴發展旺盛，55 dBz伸展高度可以達到7 km以上，腰市鎮開始出現降水，19：50的10 min降雨量為11 mm。19：55旋轉速度對有所東移，對應回波頂高為8 km(圖略)。腰市鎮上空60 dBz的回波一直維持到20：17(圖4c)。之后強回波開始向東南移動，腰市鎮上空仍然存在45～50 dBz的回波，對應速度圖上開始轉為反氣旋式環流(圖4h)，回波強度略有減弱，梯度減小(圖4g)，回波高度明顯降低，強回波質心低，50 dBz的強回波主要位于4 km以下的暖云層中(圖4i)，降水效率高，20：20腰市鎮10 min降雨量為22 mm。21：03(圖略)之后回波移出腰市鎮，強降水中心移動到商州區東南部。可見，小尺度的氣旋式旋轉導致局地上升運動強烈發展，多單體風暴中的C單體在腰市鎮上空強烈發展，且強回波停滯緩動，回波質心低，降水效率高，造成該地區小時雨強達到80.5 mm/h，雷暴發展達到最旺盛階段開始出現強降水，回波質心下降，強度減弱階段雨強達到峰值。

圖4 2020-05-04商洛多普勒雷達圖(a、b、c分別為19：20、19：43、20：17組合反射率因子；d、e為19：43；g、h為20：17；f、i分別為沿b、c中黑色直線的基本反射率因子剖面圖)

3.3 地面加密站要素特征分析

從加密站氣象要素演變來看，4日上午商洛北部天氣晴朗，山區海拔高，受太陽輻射升溫明顯。14：00較08:00升溫接近16 ℃，商州區、洛南縣中北部形成32 ℃的溫度高值中心及-2.8 hPa的3小時變壓中心(圖 5a、圖 5b，見第7頁)。相較而言，商洛南部云量多，升溫幅度小。由于局地下墊面加熱不均，位于秦嶺山脈南麓的商洛北部午后低層為暖空氣控制，南北之間形成明顯的溫度及變壓梯度，當冷空氣越過秦嶺后，冷平流疊加在暖氣團之上，大氣對流不穩定增強，同時局地熱力不穩定及負變壓中心形成，有利于空氣輻合上升，觸發不穩定能量釋放，形成雷暴天氣。

風場演變顯示，18—19時，洛南縣中部由2 m/s左右偏東風增強至6 m/s左右偏東風，攜帶冷空氣向西侵入，19時洛南縣大部分地區24 h降溫6～10 ℃(圖 5c，見第7頁)，中南部1 h降溫3～5 ℃，與商州區之間形成明顯的溫度梯度。19—20時商州區從5 m/s東南風轉為8 m/s偏北風，20時之后迅速減弱為1～2 m/s東南風。較強偏北風帶來冷空氣入侵的同時，與周圍較弱東南風之間形成輻合，有利于上升運動發展，觸發強對流天氣。

腰市鎮解村站(降水量最大)要素演變(圖 5e，見第7頁)顯示，19時前以1.6～5.4 m/s東南風為主，之后轉為5.5～10.7 m/s偏東風，同時溫度降幅增大，40 min降溫3.5 ℃，明顯高于氣溫日變化的降幅。19：50風向逆時針轉為偏北風，10 min降水量達11 mm，由于降水出現，溫度進一步下降。20：10東北風增大至12.1 m/s，商州區北部偏北風和洛南縣偏東風之間形成地面輻合線(圖 5d，見第7頁)，隨后10 min降雨量達到22 mm。與周邊站點對比可以看出，腰市鎮解村站風速變化最劇烈，最大風速達到19.5 m/s，風向逆時針旋轉，洛南縣和商州區之間存在直徑20 km左右的氣旋式環流，局地強的風速風向輻合以及氣旋式旋轉造成腰市鎮極端強降水。隨著偏北風南下，21：00輻合線南壓至丹鳳北界，短時強降水中心南移。

圖5 2020-05-04商洛地區地面加密要素分布特征(a 14時氣溫；b 14時3 h變壓；c 19時24 h變溫；d 20:10地面風場及輻合線)及腰市鎮解村站19—22時10 min要素演變圖(文見第5頁)

4 預報防御思考及討論

對業務常用數值模式預報效果進行分析，探討此次天氣的可預報性及如何更好地做好預報服務，為防災減災提供參考。

ECMWF細網格環流形勢及環境條件預報顯示：午后商洛地區具有良好的動力條件及水汽條件，冷空氣侵入高溫高濕的不穩定區，有利于觸發不穩定能量釋放，形成強對流天氣。ECMWF細網格、GRAPES、NCEP三家全球數值模式降水量預報結果及調整趨勢表明午后商洛地區將出現明顯降水，可見利用全球模式資料可以提早12 h做出短時強降水潛勢預報，但是無法估計降水極端性。

ECMWF的EFI(extreme forecast index，下簡稱EFI)指數是基于集合預報產品發展的一種極端天氣預報方法[21],其絕對值大小可以反映事件的異常度，該指數可以提示預報員極端事件的可能性，屬于早期預警產品。此次過程中，ECMWF細網格整層可降水量的EFI指數(PWAT-EFI，圖6a，見第8頁)14時后在關中東部、陜南東部大于0.6，商洛北部局地達到0.7，表明水汽含量存在一定的異常性。對流有效位能的EFI指數(CAPE-EFI,圖6b，見第8頁)同樣在商洛地區存在大于0.5的大值中心，表明該地區不穩定能量條件存在一定的極端性。華南中尺度模式GRAPES-MARS、華東區域數值模式WARMS V2.0(下簡稱WARMS V2.0)均預報4日16—23時有對流回波發展影響商洛地區，最強回波強度55 dBz以上(圖6c，見第8頁),雨強可以達到50 mm/h以上，其中WARMS V2.0強降水中心位于商洛中北部，最強時段在4日21時，6 h降雨量可達100 mm以上(圖6d，見第8頁)。結合潛勢預報、CAPE-EFI和PWAT-EFI的信息，應該對出現極端性天氣這種高影響低概率事件保持足夠的關注和警惕。

圖6 2020-05-04 ECMWF模式預報4日20時 PWAT-EFI(a)、CAPE-EFI(b)以及華東區域模式預報4日21時回波(c)、4日19至5日01時6 h降水量(d)(文見第5頁)

在臨近時段需要加強對雷達、衛星、閃電以及加密站資料分析，利用前文總結的對預報有指示意義的中尺度演變特征，做好強天氣的監測預警。這些特征包括：冷空氣入侵的時間、位置；溫度、變壓的高梯度區；閃電的峰值早于降水峰值；中尺度云團TBB梯度大值區；雷達回波發展到旺盛階段降水開始，減弱階段達到峰值，強回波低質心且停滯緩動。另外，0～2 h回波及分鐘級降水客觀預報產品可為強降水臨近預報提供技術支持。此次過程中，19：45雷暴發展旺盛階段，陜西省短時臨近智能預報服務系統[22]回波外推顯示，未來1 h回波在商州東北部維持，強度為45～55 dBz，移動緩慢，2 h后向東南移動，對商州區的影響結束。Z-I關系計算的腰市鎮解村20—21時降水強度最強，達到70 mm/h左右，有助于預報員盡早發布預報預警。對于地形條件復雜的地質災害高風險區，在強降水發生有利的背景條件下，要充分應用高時空分辨率觀測資料及預報產品，密切監視天氣發展演變，盡早發布預報預警，做到寧空勿漏、寧高勿低。

5 結論

(1)500 hPa低槽過境，槽后冷平流增強大氣層結不穩定度；商洛地區良好的水汽和能量條件為強對流天氣發生提供有利的環境背景。

(2)短時強降水發生前商洛北部地區存在下墊面加熱不均形成的高溫、負變壓中心，高層冷空氣翻越秦嶺后疊置在低層暖空氣之上，使大氣層結不穩定增強；低層東北路冷空氣入侵，形成地面輻合線，觸發上升運動釋放不穩定能量，產生強對流天氣。

(3)強降水出現在中尺度云團云頂亮溫(TBB)梯度大值區；雷暴發展最旺盛階段開始出現強降水，回波質心下降，強度減弱階段雨強達到峰值；雷電總閃頻次峰值早于強降水峰值，有助于提早發布預警信號。

(4)風場氣旋式旋轉導致局地對流單體強烈發展，強回波停滯緩動，回波質心2～4 km,降水效率高，有利于短時強降水發生。腰市鎮風場變化較周邊站點更劇烈，存在強的風速風向輻合以及氣旋式旋轉，是其降水明顯強于周邊站點的原因。

(5)對此類天氣預報預警有益的產品及特征包括：ECMWF模式CAPE-EFI及PWAT-EFI、中尺度模式回波及降水量預報產品對天氣極端性的指示；中-β尺度云團TBB梯度大值區、雷電總閃高密度區、地面加密資料要素梯度大值區以及雷達回波外推產品對降水落區的指示意義。對于地形條件復雜的地質災害高風險區，在強降水發生有利的背景條件下，應結合中尺度特征演變，盡早發布預報預警，為防災避險爭取寶貴時間。