渭河流域中尺度暴雨時(shí)空分布及環(huán)流特征

武麥鳳，喬舒婷

(渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

在渭河流域強(qiáng)對(duì)流天氣中，尤以中尺度暴雨的發(fā)生概率最大。近年來，渭河流域氣象工作者對(duì)渭河流域暴雨形成機(jī)理和特征做了大量的研究[1-6]，發(fā)現(xiàn)了很多觀測(cè)事實(shí)[7-14]，并得出渭河流域暴雨概念模型[15]。對(duì)于中尺度暴雨過程及典型個(gè)例[16-17]，也做了相應(yīng)的研究，但目前為止，對(duì)于渭河流域中尺度暴雨還沒有進(jìn)行過系統(tǒng)性的分析與總結(jié)?；诖嗽颍疚氖占砹私?0 a來渭河流域強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例，統(tǒng)計(jì)分析日降水量≥50 mm的降雨過程中逐小時(shí)降水量和落區(qū)變化特點(diǎn)，制定了渭河流域中尺度暴雨標(biāo)準(zhǔn)。并在此基礎(chǔ)上，研究了渭河流域中尺度暴雨的時(shí)空分布特點(diǎn)及其移動(dòng)的路徑規(guī)律，進(jìn)而研究了中尺度暴雨的影響系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)配置等特點(diǎn)。

1 渭河流域中尺度暴雨天氣個(gè)例標(biāo)準(zhǔn)

統(tǒng)計(jì)典型的強(qiáng)降雨天氣過程時(shí)，將渭河流域劃分為渭河上游(寶雞以西)、渭河中游(寶雞到西安之間)、渭河下游(西安至渭南渭河入黃口)三個(gè)子流域分別統(tǒng)計(jì)。本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、結(jié)合中國氣象局強(qiáng)對(duì)流天氣標(biāo)準(zhǔn)，定義渭河流域中尺度暴雨的雨量標(biāo)準(zhǔn)為：氣象站日降雨量≥50 mm，且其中有任意連續(xù)3 h降雨量≥30 mm或者任意1 h降雨量≥20 mm；暴雨落區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為：渭河流域任一子流域中有成片3個(gè)或以上氣象站雨量達(dá)到以上雨量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，定義為某一子流域有一次中尺度暴雨天氣過程；當(dāng)3個(gè)子流域均達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，定義為整個(gè)流域的一次中尺度暴雨天氣過程。

2 資料來源

選取陜西省各氣象站的地面觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)2007-01-01—2016-12-31期間渭河流域地面觀測(cè)降雨量數(shù)據(jù)，根據(jù)定義符合條件的中尺度暴雨天氣個(gè)例共97例(其中渭河上游21例、渭河中游39例、渭河下游37例)。在確定中尺度暴雨的路徑時(shí)，除了采用小時(shí)降雨量外，還輔助采用了西安多普勒雷達(dá)1.5°仰角的基本反射率因子資料。收集和整合資料后，確定了資料完整、有研究意義的中尺度暴雨個(gè)例62例。

3 渭河流域中尺度暴雨的時(shí)空分布特點(diǎn)

3.1 時(shí)間分布

從渭河流域中尺度暴雨月際分布(表1)可知，渭河流域中尺度暴雨發(fā)生在4—9月，其中6—8月出現(xiàn)的中尺度暴雨占全年總次數(shù)的91.9%(57/62)。8月渭河流域出現(xiàn)中尺度暴雨的概率最大，7月次之，這也是渭河流域?qū)?—8月作為主汛期的重要依據(jù)之一。6月發(fā)生中尺度暴雨的概率位居第三，9月第四。極大小時(shí)雨強(qiáng)(表1)與中尺度暴雨的分布規(guī)律相似， 即出現(xiàn)中尺度暴雨幾率越大的月份，其極大小時(shí)雨強(qiáng)也越大。這主要是因?yàn)椋?月，西太平洋副熱帶高壓已經(jīng)北跳到30°N以北并在此南北擺動(dòng)，其外圍從太平洋帶來的高溫高濕氣流被輸送到了渭河流域，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貧鉁馗?，能量積累快，這些條件在全年的其他月份是很難滿足的，因此無論是高空有冷空氣入侵還是近地層有冷空氣擴(kuò)散，都很容易形成對(duì)流性天氣，加之當(dāng)?shù)赜斜容^充足的水汽含量和副高外圍源源不斷的水汽輸送，出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣以中尺度暴雨為主便成為必然，而且中尺度暴雨強(qiáng)度大，范圍廣，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，降雨總量也大。

表1 2007—2016年渭河流域中尺度暴雨個(gè)例月合計(jì)及各月極大小時(shí)降雨量

從渭河流域中尺度暴雨年際分布(圖1)情況來看，2010年出現(xiàn)的中尺度暴雨次數(shù)最多，2009年次之，2013年和2008年同時(shí)居第三位。2014—2016年，每年都有6次中尺度暴雨出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在7月和8月，渭河上、中、下游均有出現(xiàn)，且最大雨強(qiáng)(圖2)為46.8～66.6 mm/h。2014年最大小時(shí)降雨量出現(xiàn)在7月，其余兩年均出現(xiàn)在8月，但均未突破歷史極值。值得一提的是2016年6月11日，渭河流域中下游出現(xiàn)中尺度暴雨，最大小時(shí)雨強(qiáng)為35.4 mm/h，為近10 a來6月出現(xiàn)的極端最大小時(shí)降雨量。

圖1 2007—2016年渭河流域中尺度暴雨年際分布

圖2 2007-01-01—2016-12-31渭河流域中尺度暴雨各年最大小時(shí)雨強(qiáng)

著重統(tǒng)計(jì)分析6—8月渭河流域中尺度暴雨的年際分布狀況(圖3)和各年的小時(shí)極大雨強(qiáng)(圖4)，可以看出渭河流域每年6—8月都有5～7次中尺度暴雨出現(xiàn)，但時(shí)間分布不均勻。特別是6月的中尺度暴雨出現(xiàn)次數(shù)，對(duì)7、8月出現(xiàn)中尺度暴雨次數(shù)有較好的預(yù)報(bào)意義：即6月最多會(huì)出現(xiàn)2次中尺度暴雨過程，如果6月出現(xiàn)了2次中尺度暴雨過程，那么7月、8月出現(xiàn)中尺度暴雨的次數(shù)將不超過3次；但若6月不出現(xiàn)中尺度暴雨，那么除了特別少雨的年份外，7月出現(xiàn)中尺度暴雨的次數(shù)一般都會(huì)超過3次。這一點(diǎn)可以作為氣候預(yù)測(cè)的一個(gè)依據(jù)。另外，當(dāng)年的小時(shí)極大降雨量大部分出現(xiàn)在當(dāng)月中尺度暴雨次數(shù)較多的月份。

圖3 2007—2016年渭河流域6—8月中尺度暴雨年際分布

圖4 渭河流域6—8月中尺度暴雨小時(shí)極大降水量年變化

分月統(tǒng)計(jì)不同流域中尺度暴雨的分布特點(diǎn)(圖5)可以得出，渭河中游中尺度暴雨出現(xiàn)的時(shí)間比較早，4月就有可能出現(xiàn)；渭河下游近10年來最早是5月。就出現(xiàn)的總次數(shù)來看，渭河中游出現(xiàn)中尺度暴雨的次數(shù)最多，下游次之，上游最少。渭河中游的中尺度暴雨過程出現(xiàn)次數(shù)最多的月份為8月，而渭河上游和下游則是7月最多，8月次之。6月渭河下游出現(xiàn)中尺度暴雨的次數(shù)最多。

圖5 2007—2016年渭河不同流域中尺度暴雨的月際分布

分析渭河流域中尺度暴雨的日變化情況可看出(圖6)，渭河流域中尺度暴雨發(fā)生的特點(diǎn)是夜間多于白天，18:00—22:00是中尺度暴雨出現(xiàn)的最高時(shí)間段，10年來該時(shí)段出現(xiàn)中尺度暴雨的頻次均在40次以上，19：00中尺度暴雨頻次最高，10年來出現(xiàn)在19：00的中尺度暴雨多達(dá)61次，是14：00(中尺度暴雨出現(xiàn)頻率最低的時(shí)次)出現(xiàn)頻次的8.7倍；17:00以及23:00—02:00為中尺度暴雨出現(xiàn)頻率的次高時(shí)段，該時(shí)段的每個(gè)時(shí)次10年來都有出現(xiàn)過30次以上中尺度暴雨天氣過程。值得一提的是渭河流域中尺度暴雨出現(xiàn)頻率最低的時(shí)段為12:00—15:00，10年來該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的中尺度暴雨頻次均在25次以下，最低頻次出現(xiàn)在14:00，僅有7次，這與冰雹的日變化完全不同[18-20]。

圖6 2007—2016年渭河流域中尺度暴雨的時(shí)次分布

3.2 渭河流域中尺度暴雨的空間分布特點(diǎn)

從逐月分析渭河流域中尺度暴雨的分布特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，渭河流域中尺度暴雨主要分布在渭河主干流、洛河流域和涇河流域，其中6月的中尺度暴雨(圖7a)主要出現(xiàn)在渭河中下游主干流，沿洛河和涇河流域出現(xiàn)的中尺度暴雨很少。7月(圖7b)黃河、洛河、渭河三河交界處中尺度暴雨出現(xiàn)的頻率最高，渭河和涇河交界處出現(xiàn)的頻率次之。8月中尺度暴雨(圖7c)出現(xiàn)的地點(diǎn)與7月不同。首先，涇河流域較洛河流域出現(xiàn)中尺度暴雨的頻率高；其次，黃洛渭、涇渭河交界處中尺度暴雨出現(xiàn)的頻率較7月急劇下降，渭河主干流中尺度暴雨出現(xiàn)頻率依然較高。9月(圖7d)與6月中尺度暴雨分布類似，大多沿渭河主干流分布。

圖7 2007—2016年渭河流域各月中尺度暴雨分布(a 6月，b 7月，c 8月，d 9月)

4 移動(dòng)路徑

通過雷達(dá)資料和逐小時(shí)強(qiáng)降水，總結(jié)概括出中尺度暴雨的5條移動(dòng)路徑(圖8，見下頁)，其中有3條路徑都是自西(或者西北)移向東(或者東南)(圖8a)，這3條路徑個(gè)例占整個(gè)中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例數(shù)的74.4%(表2)。路徑①的中尺度暴雨天氣起源于北洛河，并沿北洛河南下或東移，南下經(jīng)過延安的黃陵進(jìn)入渭南境內(nèi)，影響白水、大荔，嚴(yán)重時(shí)越過渭河，影響華陰和潼關(guān)；中尺度暴雨天氣在進(jìn)入渭南境內(nèi)時(shí)，有時(shí)會(huì)東移，影響渭南北部四縣。路徑②的中尺度暴雨天氣過程產(chǎn)生于靈臺(tái)和長武之間(達(dá)溪河)和涇河上，發(fā)展后東移南壓，經(jīng)銅川東移南壓影響渭南的蒲城、大荔，甚至越過渭河，影響到華陰和潼關(guān)。路徑③中的中尺度暴雨天氣一般是西風(fēng)槽影響下產(chǎn)生的，受西風(fēng)槽東移影響，強(qiáng)對(duì)流天氣從西向東移動(dòng)，一般持續(xù)時(shí)間較長，移動(dòng)路徑也較長，從渭河上游經(jīng)過渭河中游移向渭河下游，或者從涇河流域經(jīng)渭河中游移向渭河下游。路徑④和路徑⑤是自西南移向東北方向的(圖8b)。這兩種路徑一般影響范圍較小，持續(xù)時(shí)間短，且占中尺度暴雨天氣個(gè)例的比例較小，但是這兩類路徑影響下形成的中尺度暴雨強(qiáng)度大、發(fā)展快、可預(yù)報(bào)時(shí)效短，且大部分出現(xiàn)在山區(qū)，所以該類中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)難度更大。圖8b中可以看出，路徑④中中尺度暴雨天氣產(chǎn)生于臨潼和高陵之間(即渭河中游)或者高陵和富平之間，向東北移動(dòng)過程中影響渭南中北部。路徑⑤中中尺度暴雨天氣一部分產(chǎn)生于西安和藍(lán)田之間(灞河上)，向東北移動(dòng)的過程中發(fā)展，移動(dòng)到渭河上空加強(qiáng)，并沿渭河?xùn)|移，影響渭南南部縣域；另一部分是產(chǎn)生于南洛河上，出山后向潼關(guān)和華陰方向移動(dòng)的過程中加強(qiáng)，影響渭河下游的華陰和潼關(guān)。

表2 渭河流域中尺度暴雨天氣過程移動(dòng)路徑

5 渭河流域中尺度暴雨環(huán)流特征

利用高空、地面天氣圖對(duì)所有個(gè)例的影響系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行研究和歸類，歸納出4種渭河流域中尺度暴雨類型，分別為：干侵入型、西南氣流型、干鋒生型和暖干型。再結(jié)合典型個(gè)例閾值特點(diǎn)、演變規(guī)律以及暴雨落區(qū)特點(diǎn)，凝練出4種渭河流域中尺度暴雨類型的環(huán)流特征(圖9，見下頁)。

圖8 2007—2016年渭河下游中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例移動(dòng)路徑

圖9 渭河流域中尺度概念模型(a 干侵入型，b 西南氣流型，c 干鋒生型，d 暖干型)

5.1 干侵入型

500 hPa天氣圖上以移動(dòng)性低槽為主，槽線位于700 hPa切變線前，700 hPa或者850 hPa高濕區(qū)與冷切變尾部輻合相伴，地面伴有輻合線(區(qū))活動(dòng)。暴雨區(qū)上空存在較強(qiáng)不穩(wěn)定，850～500 hPa有較強(qiáng)的垂直溫度梯度，850～700 hPa為深厚的濕舌(區(qū))。此型的主要特點(diǎn)是500 hPa低槽東移較快，槽后干冷空氣與700 hPa切變線前的暖濕氣流形成明顯的前傾結(jié)構(gòu)，其干冷的下沉氣流與低層暖濕氣流上下配置，形成強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定；在700 hPa、850 hPa冷式切變東移過程中，其尾部偏北干冷氣流與來自南側(cè)的暖濕氣流匯合，進(jìn)一步促進(jìn)了次級(jí)環(huán)流的發(fā)生發(fā)展，配合地面冷空氣入侵，不穩(wěn)定、水汽條件最集中的區(qū)域產(chǎn)生暴雨。暴雨主要位于700 hPa切變線前與500 hPa槽后的重疊區(qū)域內(nèi)、700 hPa和850 hPa任一層冷切變尾部輻合區(qū)、850 hPa暖切變頂部輻合區(qū)以及地面輻合線、K指數(shù)大值區(qū)與濕舌(區(qū))重疊處。

5.2 西南氣流型

700 hPa以下西南暖濕氣流發(fā)展旺盛，常有急流相伴，與高層偏西急流右側(cè)相耦合，濕區(qū)700 hPa及850 hPa有氣流匯合區(qū)、冷切變尾部輻合區(qū)、地面伴有輻合線(區(qū))；暴雨區(qū)上空存在較強(qiáng)不穩(wěn)定，850～500 hPa有較強(qiáng)的垂直溫度梯度，850～700 hPa為深厚的濕舌(區(qū))。由于700 hPa、850 hPa西南暖濕氣流發(fā)展強(qiáng)烈，北部或者西北部有弱干冷空氣向南輸送，在干濕氣團(tuán)交界處形成一條準(zhǔn)靜止干線(露點(diǎn)鋒)，其北側(cè)干冷空氣穿過干線(露點(diǎn)鋒)不斷向濕區(qū)滲透，在濕空氣一側(cè)形成強(qiáng)烈擾動(dòng)。同時(shí)由于700 hPa、850 hPa盛行西南風(fēng)，低層弱冷空氣的強(qiáng)迫抬升作用使暖濕氣流沿著低層鋒面上滑，在地面輻合線(區(qū))附近形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定能量的釋放，在動(dòng)力、不穩(wěn)定、水汽條件最集中的區(qū)域產(chǎn)生暴雨。暴雨主要位于低空急流左側(cè)或者出口區(qū)100 km附近、850 hPa準(zhǔn)靜止干線(露點(diǎn)鋒)濕區(qū)一側(cè)100～200 km處、700 hPa和850 hPa氣流匯合區(qū)、地面輻合線與暖切變頂部輻合區(qū)、K指數(shù)大值區(qū)與濕舌(區(qū))重疊處。

5.3 干鋒生型

華北冷高壓底部850 hPa有干線存在，其南側(cè)有700 hPa西南氣流與850 hPa東風(fēng)氣流匯合區(qū)以及西南急流與200 hPa高空急流右側(cè)輻散區(qū)耦合，地面伴有輻合線(區(qū))。K指數(shù)大值區(qū)在暖切變頂部輻合區(qū)和氣流匯合區(qū)附近重疊，500 hPa溫度槽或者850 hPa以下溫度脊配合，低空急流左前側(cè)有濕舌(區(qū))存在。華北冷渦穩(wěn)定少動(dòng)，高壓底部偏東氣流逐漸加強(qiáng)，一方面，干冷空氣隨著偏東氣流在此堆積；另一方面，東部來自黃海或者東海的水汽向暴雨區(qū)輸送，同時(shí)南方低空急流發(fā)展加強(qiáng)，暖濕空氣隨著低空急流向北輸送，西南急流和高壓底部偏東氣流在暴雨區(qū)匯合，其北側(cè)干冷空氣和南側(cè)暖濕氣流之間形成露點(diǎn)鋒生。500 hPa溫度槽隨西北氣流逐漸東移，西南氣流的發(fā)展加強(qiáng)，在低層形成高溫高濕區(qū)。當(dāng)850～500 hPa的垂直溫度梯度≥25 ℃時(shí)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定加強(qiáng)，暖切變頂部輻合區(qū)和地面輻合線(區(qū))疊加產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，在濕舌(區(qū))形成強(qiáng)降水。暴雨區(qū)主要位于干線南側(cè)大約150 km，低空急流左前側(cè)0～200 km，濕舌(區(qū))與不穩(wěn)定重疊區(qū)內(nèi)的暖切變頂部輻合區(qū)或者氣流匯合區(qū)。

5.4 暖干型

500 hPa副熱帶高壓控制，低空有西南急流或顯著流線，700 hPa、850 hPa為氣流匯合區(qū)，地面伴有冷鋒或者地面輻合線(區(qū))。K指數(shù)大值區(qū)在氣流匯合區(qū)或暖切變頂部輻合區(qū)附近重疊，500 hPa有溫度槽或者850 hPa以下有溫度脊配合，低空急流左前側(cè)有濕舌(區(qū))存在。副熱帶高壓或暖性高壓下沉增溫，形成的干暖區(qū)下沉到地面時(shí)與低層暖濕氣流疊加，使大氣層結(jié)不穩(wěn)定加強(qiáng)。由于低空急流發(fā)展加強(qiáng)，其急流軸附近形成高濕區(qū)，當(dāng)濕區(qū)內(nèi)有氣流匯合區(qū)、暖切變頂部輻合區(qū)和地面輻合線(區(qū))疊加，便會(huì)觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，形成強(qiáng)降水。暴雨主要位于地面冷鋒附近，500 hPa溫度槽與850 hPa溫度脊重疊區(qū)域附近，濕舌(區(qū))與不穩(wěn)定重疊區(qū)內(nèi)的中低層氣流匯合區(qū)對(duì)應(yīng)地面輻合線(區(qū))附近。

6 小結(jié)

(1) 渭河流域中尺度暴雨發(fā)生在4—9月，其中6—8月出現(xiàn)的中尺度暴雨占全年總次數(shù)的91.9%，8月渭河流域出現(xiàn)中尺度暴雨的概率最大。

(2)渭河流域中尺度暴雨的日變化特點(diǎn)是夜間多于白天，17:00—02:00為中尺度暴雨出現(xiàn)頻率較高時(shí)段，而12:00—15:00為中尺度暴雨出現(xiàn)頻率較低的時(shí)段，這與冰雹的日變化完全不同。

(3)渭河流域中尺度暴雨天氣過程可以概括為5條移動(dòng)路徑，其中有3條路徑都是自西(或者西北)向東(或者東南)，這3類個(gè)例占整個(gè)中尺度暴雨天氣個(gè)例數(shù)的74.4%。

(4)通過對(duì)中尺度暴雨的影響系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)配置的歸類和研究，將渭河流域中尺度暴雨分為4種類型，分別為：干侵入型、西南氣流型、干鋒生型和暖干型。其中以西南氣流型最常見，占整個(gè)中尺度暴雨過程的38.9%。