低渦影響下的西北地區東部暴雨個例分析

馬曉華，馬 青，屈麗瑋，黃少妮，劉菊菊，潘留杰

(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實驗室，西安 710016；3.眉縣氣象局，陜西眉縣 722300)

陜西地處青藏高原東北側，受高原大地形、秦巴山區及黃土高原等地形的影響，該地氣候和天氣異常復雜，暴雨災害是夏季陜西地區最重要的氣象災害之一[1-2]。研究表明，副熱帶高壓、低槽、500 hPa切變線、高原渦、西南渦、中低層低渦切變線、遠距離臺風為西北地區東部暴雨的發生、發展提供了有利的天氣背景[2-10]；但是，受不同尺度天氣系統的作用和陜西復雜地形的影響，不同暴雨過程中低渦發展演變過程復雜多變，隨著加密自動站、高分辨率衛星和雷達等新型觀測資料的應用，低渦暴雨過程中低渦及相應物理量演變特征等仍需進行深入研究。因此，本文以2019 年8 月2—4日的一次低渦影響下的西北地區東部暴雨過程為例，綜合分析該過程中低渦形成的環流條件、結構特征以及相應物理量特征與低渦暴雨關系，以期為提高陜西暴雨天氣的預報水平提供參考。

2019 年 8月 2-4 日，受低渦向東北移動影響，陜西省出現了一次自西南向東北的大范圍強降水天氣過程。本文利用常規氣象觀測資料、 陜西區域自動站觀測資料、多源融合逐小時0.05°×0.05°格點降水資料、 NCEP 1°×1°再分析資料和衛星探測資料等，采用常規診斷分析方法，重點研究低渦引發暴雨的機制以及相關物理量作為暴雨預報的指示作用。

1 過程概況

受低渦影響，2日08時至4日08時陜西關中北部、陜北等地出現大范圍強降雨，全省區域站監測表明共100個區(縣)1 767站出現降雨，其中43站累計雨量超過100 mm，最大降雨量為商南余家臺滑坡站為225 mm，289站超過50 mm(圖略)。從24 h格點降水實況分布可見降雨量大值區與低渦移動路徑基本一致， 2—3日(圖1a) 降雨落區主要位于甘肅與陜西交界地區，隨著低渦東北移，3—4日(圖1b) 強降雨移至陜北地區，24 h累積降雨量超過100 mm。由于此次降雨強度大、時間長以及影響范圍廣等特點，故選取對陜西影響程度比較大的時段來探討低渦不同演變時期產生降水的物理機制。

圖1 2019-08-02T08—03T08(a)和2019-08-03T08—04T08(b)累計降雨量(單位為mm)

2 高空環流及低渦特征

2日20時500 hPa天氣圖上，歐亞中高緯度維持兩低一高環流形勢(圖2a)，貝加爾湖以北地區為弱脊控制，巴爾喀什湖北部維持一個強大的低壓中心，是這次暴雨過程中冷空氣的源地，低壓底部分裂的短波槽位于巴爾喀什湖以東、貝加爾湖以西，短波槽攜帶冷空氣進入河西走廊，在高原東側堆積。中緯度副熱帶高壓呈帶狀分布，主體位于海上，西脊點位于120°E、34°N附近。在高原東側有明顯高空槽，陜西處于槽前西南氣流中，高原槽東移，槽前正渦度平流造成低層減壓，有利于低層低渦環流形成。低緯度地區2019年第7號臺風“韋帕”位于廣西省北海市南部近海，中心附近最大風力為9級，向西緩慢移動且逐漸減弱。700 hPa上，甘南地區有氣旋性環流形成，其東側平涼站風速較大，偏南風達18 m/s，陜西受312 dagpm線外圍的一致南風影響。850 hPa陜西中南部以偏東風為主，在偏東風的阻擋下， 陜西上游降雨系統移速較慢。3日08時500 hPa高空槽加強，受副高阻擋，高空槽前氣壓梯度增強，偏南風明顯增大。受高層正渦度平流影響，700 hPa上氣旋性環流發展(圖2b)，已形成低渦，低渦向東北方向移動，中心位于延安西側。臺風“韋帕”外圍東南氣流向西北地區東部伸展，在低渦冷切變東側形成了低空急流，西安站風速達18 m/s。急流的建立不僅將北部灣水汽向河套地區輸送，同時急流左前側輻合區有利于低渦加強，也有利于上升運動發展。850 hPa上冷空氣已經到達漢中，加劇了低層空氣的不穩定。3日白天高空槽進一步緩慢東移且加深發展，20時500 hPa高空槽前西南氣流明顯增大。受西南氣流引導，700 hPa低渦繼續向東北方向移動，中心位于橫山一帶。此時850 hPa在陜北榆林地區有暖切變形成，暖切變走向與700 hPa低渦暖切變走向相垂直。可見此時低渦發展深厚，強度最強。隨后的12 h低渦移速加快，迅速移出陜西地區，4日白天陜北地區降水也逐漸結束。

圖2 2019-08-02T20 500 hPa高空圖(等值線為位勢高度，單位為dagpm)及2019-08-02—04低渦中心移動動態圖(低渦右側的數字標注為低渦存在的時間，前兩位為日期、后兩位為時次)(a),2019-08-03T08 700 hPa高空圖(等值線為位勢高度，單位為dagpm)(b)

從以上描述和分析可以看出，由于副高位置穩定少動，受其阻擋，500 hPa中緯度地區呈現西低東高的形勢，500 hPa高空槽及700 hPa低渦切變對此次降水形成有重要作用。陜西主要受槽前西南風控制，引導低渦向東北方向移動，低渦切變區容易形成輻合上升運動，為暴雨的產生提供了系統性動力抬升條件，強降雨主要發生在低渦前部東南和西南氣流交匯處。

3 物理量場診斷分析

3.1 水汽條件

水汽是強降水天氣過程的重要條件之一，因此水汽的輸送和輻合區域集中情況值得關注。由整層水汽通量及水汽通量散度分布(圖3) 可知，此次降水的主要水汽通道有兩支，2—3日水汽來自廣西北部灣，經云貴高原、四川盆地等地將暖濕空氣向陜西北部輸送，與偏北干冷氣流交匯，從而在西北地區東部產生較強降水，3—4日水汽來自副高外圍偏東南暖濕氣流。

圖3 2019年8月整層大氣水汽通量 (箭頭，單位為g/(m·s)) 及水汽通量散度(陰影區，單位為g/(m2·s))(a 2日20時，b 3日08時，c 3日20時，d 4日08時)

2日20時(圖3a)，第7號臺風“韋帕”位于21.3°N、109.3°E附近，且以每小時5～10 km的速度從廣西沿海向偏西方向移動，其外圍偏東南氣流一直向內陸輸送水汽，該偏南水汽通道在陜南關中地區形成了中心值達-5 g/(m2·s)的水汽輻合中心，為西北地區東部的暴雨過程提供了水汽和能量。水汽通量值大于4 000 g/(m·s)區域正好對應甘肅東部及陜西西部強降水。3日08時臺風“韋帕”繼續西北行(圖3b)，水汽輸送大值中心區4 000～5 000 g/(m·s)向東北方向移到關中北部及陜北南部地區，該地區處于強的水汽輻合大值區，整個3 000 g/(m·s)以上區域與降水落區對應良好，水汽輸送大值中心疊加強輻合區使黃龍站出現了49.3 mm/6 h的強降水。08—14時水汽輸送帶進一步東北上，陜西地區水汽輸送大值區中心強度增強到6 000～7 000 g/(m·s)，且一直伴隨著強水汽輻合，延安志丹站出現了58.5 mm/6 h強降水。3日20時副高西伸北抬(圖3c)，臺風西行減弱，外圍通往西北地區東部的水汽通道斷裂，副高外圍東南氣流繼續向陜西地區輸送水汽，水汽輸送帶東移到陜西與山西交界處，且伴有水汽輻合，陜北黃河沿線多站6 h降雨量達35～50 mm。該水汽輸送帶維持到4日02時之后(圖3d)，2 000 g/(m·s)以上的水汽通量通道東移出陜北地區，全省降水結束。

因此大氣整層水汽通量及水汽通量散度在本次低渦暴雨預報中具有一定的意義，水汽通量的突增對應降水的增強，水汽通量大值中心疊加強水汽通量輻合區對應強降水落區。

本次暴雨天氣發生發展維持與低渦的生成發展及移向密切相關，因此從渦度平流及溫度平流的角度分析低渦移向。

3.2 渦度平流

2日20時(圖4a)，700 hPa低渦位于甘肅東部，在低渦東北部有正渦度平流中心，正渦度平流向東北方向移動，低渦中心東北部氣旋性渦度增加，配合高層的輻散，造成低渦東北部為強上升運動區，低渦中心向東北移動發展。3日08時(圖4b)，低渦中心移到甘肅、寧夏及陜西三省交界處，在低渦東部、北部存在正渦度平流，最強渦度平流達70×10-10s-2，引導低渦東移北抬。3日20時700 hPa 低渦位于榆林西部(圖4c)，在陜北存在中心為40×10-10s-2的正渦度平流區，正渦度平流向東北方向移動， 低渦中心繼續向東北方向發展增強。3日夜間到4日(圖4d)，隨著正渦度平流向東北傳播，低渦快速移出陜北地區。

圖4 2019年8月500 hPa渦度平流(單位為10-10s-2)及700 hPa風場(a 2日20時，b 3日08時，c 3日20時，d 4日08時)

3.3 溫度平流

分析溫度平流(圖5，見第6頁)可以發現，2日20時在低渦東北部有值為9×10-5℃/s的暖平流中心，暖平流可使低壓東北部減壓，低層產生上升運動，受中高層西南引導氣流影響，低渦中心向東北方向移動。3日 08時，在低渦東北部存在暖平流中心，受中高層西南氣流引導，低渦繼續向東北方向移動。3 日 20時，700 hPa 低渦位于榆林西部，在低渦東北部有12×10-5℃/s的強暖平流中心，進一步使低渦中心向東北移動。值得注意的是在低渦的西部出現值為-8×10-5℃/s的冷平流中心，這種強烈的冷暖平流導致低渦附近斜壓不穩定，低層等壓面下降和較強的輻合抬升，從而低渦除了繼續向東北方向移動外，還進一步增強發展。4日08時，低渦中心移出陜西榆林地區。因此對流層低層熱力因子，即溫度平流對低渦的移動有引導作用，并且能使低渦進一步發展加強[11]。對比了低渦中心位置與未來12 h降水落區，發現未來12 h強降水中心位于低渦東北側，低渦移過的區域就是降水區，可見溫度平流在對低渦移動路徑方面有良好預報指示作用。

圖5 2019年8月700 hPa溫度平流(等值線，單位為×10-3 ℃/s)、風場及未來12 h降雨量(陰影區，單位為mm)(a 2日20時，b 3日08時，c 3日20時，d 4日08時)(文見第4頁)

3.4 能量及不穩定條件

低渦向東北方向移動引發的榆林及延安北部強降水具有明顯的強對流性質。3日08時延安探空圖(圖略)上，700 hPa 以下為東南風，以上西南風，有暖平流結構，利于低渦環流發展，近地面到500 hPa為不穩定層。3日白天CAPE值、K指數由579.5 J/kg、37.2 ℃躍增到1 365.3 J/kg、40.2 ℃，SI指數由0.01 ℃降為-2.68 ℃(圖6a，見第6頁)，大氣處于極不穩定狀態， 只要有觸發機制，便可觸發對流。從20時風場的變化可以清楚看出，整層大氣均為西南氣流，表明隨著低渦向東北方向移動，延安地區已處于暖切變的暖區一側。3日白天700 hPa假相當位溫表明(圖6b，見第6頁)，從四川盆地有高能舌伸向陜西地區，陜北有明顯能量梯度，能量梯度區對應低渦暖切變區，表明此處為能量集中區，大氣層結極度不穩定，為強降水極其有利的條件。

圖6 2019-08-03T20延安探空(a)和700 hPa假相當位溫(b，單位為℃)(文見第4頁)

4 濕位渦

濕位渦是一個能綜合反映大氣動力、熱力和水汽性質的物理量，廣泛用于暴雨診斷分析中[12]。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，導致強降水發生。3日08時過低渦中心的濕位渦剖面圖(圖7a，見第7頁)可知，受副高影響，陜西上空被偏南氣流控制，大氣低層呈現出明顯的對流不穩定狀態，在低渦上空700～500 hPa有中心為0.3 PVU(1 PVU=10-6m2·K/(s·kg))正位渦中心，700 hPa以下為負位渦區。濕位渦隨高度呈正負疊加分布，表明冷空氣以高值位渦的形式向下輸送，疊加在低層暖濕空氣上，加快了低層不穩定能量的釋放，使對流不穩定更加旺盛。3日20時(圖7b，見第7頁)低渦109°E上空，大氣對流不穩定性加強，同時在低渦西側，有明顯冷空氣入侵，700 hPa附近有中心為0.9 PVU正位渦中心，同時在低渦東側對流層中高層的濕位渦正值向下延伸，氣柱拉伸，低層大氣氣旋性渦度增強，有利于低渦加強、上升運動發展，向高層輸送水汽能量，從而有利于暴雨的發展。

圖7 過低渦中心濕位渦(等值線，單位為PVU)、假相當位溫(陰影，單位為K)及風場(風桿，單位為m/s)緯向剖面圖(a 2019-08-03T08，b 2019-08-03T20)(文見第5頁)

5 衛星云圖

在由FY-2G氣象衛星反演得到的TBB時間演變圖(圖8)上，3日08:00，河套地區為一條逗點型云帶。整個云帶以層狀云為主，云帶中夾雜著中小尺度對流云團，結構松散；云帶的TBB值多低于-36 ℃，最低達-60 ℃；云帶可分成兩塊，北部呈圓形的低渦云系，南部呈帶狀的高空槽云系。 與6 h累積降雨量對比發現， 3日凌晨強降水主要是由南部的高空槽云系造成，云團A云頂亮溫低至-60 ℃，造成了漢中佛坪熊貓谷134 mm/6 h的降水。云團B、C經過的區域也出現了20～70 mm/6 h降水，此時陜北地區降水不強，強度為10～15 mm/6 h。隨后4 h隨著低渦向東北方向移動，高空槽云系中的云團A、B、C合并成線狀，北部圓形的低渦云系結構變得密實，中心夾雜著中小尺度對流云團，冷云主體對流發展極盛，tBB≤-52 ℃ 的冷云蓋面積增大，云團TBB梯度大值區雨強約30～70 mm/6 h。16:00南部的云系有所減弱，關中、陜南地區的降水也明顯減小，陜北地區低渦云系在該時段強度維持，且冷云中心緩慢向東北方向移動，云團中心移過的區域均出現了30～60 mm/6 h降雨。20:00北部云團和南部線狀云帶有所分離，北部低渦云團范圍有所減小，tBB≤-52 ℃ 的冷云蓋面積較之前縮小，強降水局地性更強，低渦冷云蓋中心移過的區域出現了30～80 mm/6 h降水。20:00之后北部低渦云系中有新生對流云團D生成，在之后6 h內，云團D經歷了快速發展、加強、減弱，造成了榆陽縣巴拉素鎮124 mm/6 h強降雨。4日04:00之后整個降水云系移出陜西，全省降水結束。

圖8 2019-08-03—04FY-2G紅外云圖TBB演變(單位為℃)

6 小結

(1)500 hPa低槽緩慢東移，中緯度副熱帶高壓穩定維持，這樣的高空形勢有利于北方弱冷空氣與來自副高外圍的偏南氣流在河套地區相遇，為此次低渦暴雨提供有利條件。

(2)大氣整層水汽通量及水汽通量散度在本次低渦暴雨預報中具有一定的意義。水汽通量的突增對應降水的增強，水汽通量大值中心疊加強水汽輻合區對應強降水落區。500 hPa正的渦度平流使低渦移動并發展，對流層低層熱力因子溫度平流對低渦移動路徑方面有良好預報指示作用，冷暖平流導致低渦進一步發展加強，渦度平流和溫度平流對本次低渦暴雨的發展和移動有很好的指導意義，未來12 h強降水落區移動路徑與低渦中心移動路徑有直接關系。

(3)對流層上層高位渦向下伸展，分裂的高值擾動可促使中低層氣旋渦度發展，有利于低渦加強，對流層中低層700 hPa附近上正下負的分布形態促進了不穩定能量的釋放， 有利于低渦暴雨的發生。

(4)衛星云圖上表現為逗點型云帶，整個云帶以層狀云為主，北部橢圓云形與低渦系統對應良好，南部線狀云帶對應切變線系統。