2020年“8.15”陜西西部區域性暴雨的成因分析

韓 潔 ，徐迎春，李恩莉

(1.寶雞市氣象局，陜西 寶雞 721006；2.武漢市氣象局，湖北 武漢 430299)

1 引言

陜西汛期的主要氣象災害為暴雨，因暴雨引發的塌方、滑坡等地質災害造成的經濟損失數額巨大，對人民生命財產構成威脅。近年來，隨著全球變暖日益加劇，極端天氣氣候事件日益增多[1～3]。暴雨的形成需要具備3個條件：充足的水汽條件、強烈的上升運動和大氣層結構的不穩定，其中充足的水汽供應是暴雨出現的先決條件[4]。同時也有大量的研究表明暴雨是大尺度和中尺度天氣系統相互作用的產物[5～9]。已有學者對我國各地的暴雨天氣進行了深入的分析與研究。楊云蕓等[10]通過對2019年主汛期湖南一次強降雨過程的成因討論發現此次降雨的影響系統復雜多變，由暖區暴雨、中層冷平流入侵暴雨、鋒面暴雨組成，其中冷空氣入侵時降雨效率最高。黃文彥等[11]通過對江蘇南部的一次極端暴雨過程分析發現中層弱的干冷空氣入侵對降水有增幅作用。周長艷等[12]通過對四川一次特大暴雨水汽來源的分析發現一條新的水汽輸送路徑：阿拉伯海北部的西南風水汽輸送途經高原主體、高原東南部進人四川。慕建利等[13]對一次陜西關中暴雨環境條件和中尺度系統的研究表明：強降水的強弱與地面中尺度輻合系統的強弱有很好的對應關系，地面中尺度輻合系統的形成和加強可能是強降水的觸發機制和增幅原因之一。趙強[14]等通過對2017年7月25～26日陜北大暴雨過程的診斷分析，發現中層大氣鋒生造成的垂直運動使得陜北地區的強降水持續。

2020年夏季，陜西關中地區降水較常年明顯偏多，8月上中旬更是出現了連續強降水天氣，其中8月上旬以短時暴雨為主，8月中旬出現區域性暴雨天氣。特別是8月15～16日陜西西部的區域性暴雨造成位于關中西部的鳳縣多條主要公路受阻，通信中斷，幾乎成為“孤島”；陜南西部略陽、寧強、留壩等多縣區遭遇洪水，經濟損失慘重。因此對于2020年8月15～16日區域性暴雨的深入研究顯得尤為重要，本文從環流形勢、雷達回波、衛星云圖、水汽條件、能量條件等方面入手分析了造成此次區域性暴雨的可能原因，為深入了解此類致災性暴雨的成因提供科學依據。

2 降水實況分析

從2020年8月15日08：00至16日08：00的累計降水量(圖1)可以看出，陜西出現不同強度的降水天氣，關中西部和陜南西部出現大范圍的暴雨天氣，統計可知，全省共出現253站暴雨，其中21站大暴雨，最大降水量出現在留壩留侯鎮，為124.2 mm。降水期間共出現30站小時雨強超過20 mm的短時強降水，最大值出現在洛南四皓街道33.6 mm/h。從留侯鎮逐小時的降水演變(圖2)可以看出此次暴雨天氣的強降水時段主要出現在15日09：00～11：00和16日00：00～03：00，具有雙峰型的特點。同時可以看到除15日13：00外其余時段均出現降水，小時降水強度在0.7～18.9 mm之間，降水較為平穩。因此，此次暴雨具有影響范圍大、持續時間長，強降雨呈現雙峰型的特點。

圖1 研究區2020年8月15日08：00至16日08：00降水量分布

圖2 留侯鎮站逐小時雨量

3 暴雨的環流形勢演變特征

3.1 高空環流形勢

在500 hPa天氣圖(圖3a)上，2020年8月15日20：00西太平洋副熱帶高壓主體位于我國東南沿海地區，588 dagpm西伸至(31°N，110°E)附近。自高原地區有一低槽東移至甘肅東部地區，陜西西部地區位于槽前的西南氣流之中。在降雨期間，副熱帶高壓穩定少動，略有北抬，阻擋低槽東移，使得陜西西部長時間位于副熱帶高壓外圍的暖濕氣流與低槽后部冷空氣的交匯處，為此次暴雨天氣提供了有利的環流背景。

在700 hPa上(圖3b)，8月15日20：00陜西西部位于切變線前的暖濕氣流內，自南海向陜西地區有一支最大風速達10 m/s的偏南暖濕氣流，至16日02：00偏南暖濕氣流加強成低空急流，中心最大風速達16 m/s，此時小時降水量明顯增大，多地出現短時強降水。與700 hPa相對應，在850 hPa上(圖3c)，陜西西部地區有一切變線存在，風向輻合明顯，同時切變線前的偏南風急流轉向為偏東氣流向陜西西部輸送水汽。低層的水汽輸送與切變線附近的輻合抬升均為陜西西部的區域性暴雨提供了有利的條件。

在200 hPa上(圖3d)，8月15日20：00高空急流位于40°N附近，陜西位于高空急流的右側，高層的輻散抽吸有利于加強低層的上升運動，同時從高低空急流的配置來看，陜西西部地區位于高空急流的右側，低空急流的前側，高低空急流的耦合，有利于加強上升運動，為暴雨的維持提供了有利條件。

圖3 2020年8月15日20時不同強度下的位勢高度(實線，單位：dagpm)、溫度(等值線，單位：℃)、風場(風向桿，單位：m/s)與全風速(實線，單位：m/s)

3.2 地面形勢演變

在地面圖上，8月15日08：00陜西中北部地區受強度為1005 hPa的弱高壓控制，陜南南部地區為暖低壓前部，此時在高低壓之間形成西北-東南向的弱鋒區，至15日17：00 1005 hPa的高壓中心緩慢東移，陜西西部地區的氣壓值減小，同時青藏高原附近的暖低壓向東擴展，陜西關中、陜南地區受暖低壓加強東伸影響，鋒區減弱，降水強度隨之減弱。15日23：00，地面上自新疆東部至陜西有新的弱冷空氣補充至陜西西部地區，至16日02：00，陜西西部弱高壓雖迅速被南部強暖低壓切斷，但陜西西部地區補充的冷空氣與東部弱冷空氣匯合，與南部加強發展的暖低壓在陜西西部形成新的東-西向鋒區，鋒區加強，使得降水強度增大。因此，地面上弱冷空氣的補充和地面暖低壓形成的鋒區是影響此次暴雨的重要地面系統(圖4)。

圖4 2020年8月不同時段的地面實況氣壓場(等值線為等壓線，單位：hPa)

4 云圖與雷達圖特征

從紅外云圖上(圖5a～c)可以看出，8月15日08：00至16日08：00，主要有兩個顯著的降水云帶影響寶雞地區，一個是15日早晨的帶狀降水云系，與寶雞雷達組合反射率因子圖(圖5d)上密實的層狀云回波相對應，同時在層狀云回波中夾雜強度大于45 dBz的積狀云回波，此時陜西西部出現降雨強度為18.9 mm/h的強降水。15日12：00～20：00(圖5e)，帶狀云系減弱，組合反射率圖上，回波強度減弱，組織結構松散，降雨強度減小，小時雨強不超過3 mm。隨著青海東部降水對流云系的東移發展，15日23：00開始影響陜西西部地區，從16日02：00的組合反射率因子圖上(圖5f)可以看出，雷達回波結構密實，強度在35～40 dBz，其間的積狀云回波明顯增多，最大回波強度超過50 dBz，強度較15日早晨增強，此時出現第二個強降水階段，最大小時雨強達到20 mm/h。與地面鋒區相結合，可以發現影響陜西西部的兩個顯著降雨云團與地面鋒區加強與減弱對應較好。

圖5 2020年8月不同時段的紅外衛星云圖與雷達組合反射率

5 水汽和動力條件

5.1 水汽條件

從8月16日02：00 700 hPa的水汽通量和水汽通量散度圖(圖6a)上可以看出，自南海到陜西關中地區有一明顯的偏南水汽通量輸送，同時在陜西西部地區存在明顯的水汽通量散度的輻合區，輻合中心最大值超過30×107g/(hPa·cm·s)。同樣的在850hPa圖上(圖6b)，自南海向陜南地區仍然存在向南輸送的水汽通量，但強度略小于700hPa水汽通量。關中西部的水汽通量為南海向陜南輸送的水汽在33°N附近轉向為偏東氣流向關中西部輸送水汽，850hPa上的水汽通量散度的輻合區主要出現在陜南西部，關中西部的水汽輻合較陜南西部弱。由此可知，陜南西部的水汽輸送為來自南海的偏南氣流輸送，而關中西部的水汽輸送主要有兩條路徑，分別為700hPa的偏南氣流輸送和850hPa轉向的偏東氣流輸送。

圖6 2020年8月16日02：00 700 hPa(a)、850hPa(b)水汽通量(箭頭，單位：g/hPa·cm·s)和水汽通量散度(陰影、等值線，單位：107 g/(hPa·cm·s)

5.2 垂直運動條件

從垂直速度和散度沿107°緯度-高度剖面圖上可以看出，8月15日20：00(圖7a)，主要存在兩個強上升運動區，一個位于34°N附近的700～500 hPa上，另一個位于35°N附近的500～400 hPa上，垂直運動強盛，均達-0.8 Pa/s。16日02時(圖7b)，強上升運動從800 hPa伸展至200 hPa，中心強度達-3.0 Pa/s。因此，從15日20:00至16日02:00，上升運動伸展的高度更高，強度增大，強垂直運動的維持有利于暴雨的產生。

從8月16日02:00高低空散度的配置圖(圖7c)上可以看出，在低層700hPa上延安至關中地區以及陜南西部均為輻合區，且輻合中心強度達到-5×10-5s-1，在200 hPa上，輻散區主要位于陜西、甘肅交界處，最大輻散值超過7×10-5s-1，關中西部和陜南西部正好位于低層輻合高層輻散的疊置區，有利于水汽的輻合抬升。

圖7 2020年8月15日不同時段的垂直運動(等值線，單位:Pa/s)沿107°E的緯度-高度剖面圖和16日02時高低空的散度圖(等值線為200hPa散度，陰影為700hPa散度；單位為10-5s-1)

6 能量條件

從西安(涇河)站8月15日20：00的探空圖(圖8a)上可以看出，由于低層偏南氣流的水汽輸送，500 hPa以下為濕層，濕層深厚，中低層比濕達11～17 g/kg，水汽充沛，CAPE值為42.2 J/kg，K指數為31.7 ℃，表明存在一定的不穩定層結。850 hPa以下為偏東風，850 hPa以上轉為偏南風，這與影響關中的兩支水汽輸送帶一致。在漢中站的探空圖(圖8b)上，整層近于飽和，CAPE值為1666.1 J/kg，K指數達41.8 ℃，表明陜南西部地區存在強的不穩定能量。同時已有的研究[15]也表明K指數大于36 ℃，越有利于暴雨的產生。

從8月15日20：00假相當位溫沿107°的剖面圖上可以看出，從34.5°以北隨高度向北傾斜存在一個假相當位溫的低值區，表明有冷空氣存在，這與地面圖上的高壓相對應，同時在其南側34°N以南為一假相當位溫的高值區，與地面暖低壓相對應，冷暖空氣在34°N附近交匯，形成鋒區，降水增強(圖8c)。至16日02：00，高層500 hPa上假相當位溫的低值區向北移動并增強，使得中低層34°N附近鋒區略增強，此時，出現雨強20 mm/h的短時強降水(圖8d)。

圖8 2020年8月15日20時西安和漢中探空站T-lnP圖及假相當位溫場沿107°E的剖面圖(單位：K)

7 結論與討論

(1)副熱帶高壓外圍的暖濕氣流與西風槽后部冷空氣的交綏為此次暴雨天氣提供了有利的環流背景，陜南西部的水汽輸送為來自南海的偏南氣流輸送，而關中西部的水汽輸送主要有兩條路徑，分別為700 hPa的偏南氣流輸送和850 hPa轉向的偏東氣流輸送。低層切變線附近的輻合抬升運動為此次暴雨提供了動力條件。

(2)地面上弱冷空氣與暖低壓形成的西北-東南向弱鋒區在緩慢東移后，由于西北路弱冷空氣補充，使得鋒區加強，是此次暴雨出現雙強降水時段的重要原因。

(3)影響陜西西部的兩個顯著降雨云團和雷達上組合反射率因子的回波強度、組織結構與地面鋒區的強弱對應較好。鋒區增強時，降水云系增強，雷達回波強度增強、組織結構緊密，雨強增大。

(4)隨著地面鋒區的增強，上升速度的強度增大，陜西西部位于低層輻合、高層輻散的疊置區，有利于水汽的輻合抬升，形成暴雨。