延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析

黃少妮，井 宇，袁 媛

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析

黃少妮，井 宇，袁 媛

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

利用常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP1°×1°再分析資料、FY-2E衛(wèi)星資料和延安多普勒天氣雷達(dá)資料，對(duì)2013年7月25日發(fā)生在延安地區(qū)的局地暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行了初步分析，結(jié)果表明：本次暴雨發(fā)生在典型的中高緯兩槽一脊形勢(shì)下，西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的偏南風(fēng)急流形成了向陜西輸送水汽和能量的重要通道；副高邊緣西南暖濕氣流向北輸送形成陜西高溫高濕天氣，為暴雨產(chǎn)生積累了不穩(wěn)定能量。700 hPa和850 hPa切變線與地面輻合線的重疊非常有利于邊界層濕暖空氣輻合抬升，激發(fā)對(duì)流單體的發(fā)生和強(qiáng)烈發(fā)展。中α尺度對(duì)流云團(tuán)自西向東發(fā)展加強(qiáng)，依次造成延安北部縣區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水；黃陵短時(shí)大暴雨出現(xiàn)在中β尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展到強(qiáng)盛階段，在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)的 “列車效應(yīng)”。

暴雨；中尺度對(duì)流系統(tǒng)；列車效應(yīng)；延安

延安地處黃土高原，天氣氣候有顯著的地域性特點(diǎn)，暴雨往往具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，易造成局部嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，且預(yù)報(bào)難度大，因此有必要對(duì)延安局地強(qiáng)降水進(jìn)行研究。已有的研究表明[1-5]，盛夏7—9月西太平洋副熱帶高壓北抬到25°N～30°N，中低層水汽和能量輸送比較充沛，當(dāng)有西風(fēng)槽或高原槽東移與副高外圍的西南暖濕氣流相遇，容易在延安地區(qū)產(chǎn)生局地暴雨，造成洪澇災(zāi)害。利用常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP1°×1°再分析資料、雷達(dá)組合反射率因子和速度場(chǎng)資料、云頂亮溫(TBB)資料，通過(guò)分析探討2013年7月延安出現(xiàn)的一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征，更好了解此次局地性強(qiáng)降水的突發(fā)性和階段性特征。

1 降水概況

2013年7月延安地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)5次強(qiáng)降水過(guò)程，區(qū)域平均降水量397.6 mm，為1961年以來(lái)同期降水量最多的時(shí)段，共出現(xiàn)暴雨30站次，多個(gè)縣站日降水量突破歷史極值。7月24日08時(shí)—25日20時(shí)，延安多個(gè)縣區(qū)出現(xiàn)暴雨，其中黃陵縣遭受特大暴雨襲擊，25日12—15時(shí)累計(jì)降雨達(dá)143.7 mm，其中14—15時(shí)1 h降雨量為63 mm，短時(shí)降水強(qiáng)度達(dá)該縣有氣象記錄以來(lái)歷史極值。這次強(qiáng)降水過(guò)程有兩個(gè)主要降水時(shí)段(圖1)：第一時(shí)段為25日00—10時(shí)，強(qiáng)降水主要發(fā)生在延安北部的吳起、延安、延長(zhǎng)等區(qū)域；第二時(shí)段為12—17時(shí)，延安南部的黃陵附近出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。

圖1 2013-07-25T00—17延安4站逐時(shí)雨量(單位為mm)

2 環(huán)流背景和中尺度對(duì)流條件分析

2.1 天氣尺度環(huán)流背景

暴雨的形成往往具有有利的大尺度環(huán)流形勢(shì)。7月24—26日500 hPa天氣圖上，中高緯度為兩槽一脊型，貝加爾湖南部到內(nèi)蒙西部地區(qū)有低槽東移。副高588 dagpm線控制長(zhǎng)江中下游地區(qū)，584 dagpm線穩(wěn)定在隴南—陜北一帶，陜西受副高外圍西南氣流控制。貝湖南部—內(nèi)蒙西部低槽槽底不斷有冷空氣向南擴(kuò)散到內(nèi)蒙中部、陜北地區(qū)，這種東高西低形勢(shì)有利于陜北地區(qū)暴雨的形成。同時(shí)，700 hPa高空?qǐng)D上陜北—寧夏—隴東有明顯的風(fēng)向風(fēng)速輻合切變且穩(wěn)定少變，陜北南部位于切變南側(cè)偏南氣流中。

2.2 抬升條件

利用7月25日08時(shí)高空和地面觀測(cè)資料進(jìn)行中尺度分析(圖2)，700 hPa切變線位于榆林中部—隴南一帶，850 hPa切變線位于延安南部—關(guān)中北部一帶，地面輻合線自榆林西部經(jīng)延安西部到關(guān)中西部地區(qū)。700 hPa和850 hPa切變線與地面輻合線的重疊非常利于邊界層的暖濕空氣輻合抬升，有利于對(duì)流單體生成和發(fā)展。

同時(shí)，自動(dòng)氣象觀測(cè)站 (圖略)觀測(cè)也表明，25日02—14時(shí)在延安西部地區(qū)地面輻合線一直維持，這為對(duì)流單體的發(fā)生和發(fā)展提供了輻合抬升和觸發(fā)條件。

圖2 2013-07-25T08中尺度天氣系統(tǒng)分析

2.3 不穩(wěn)定條件

根據(jù)暴雨帶的移動(dòng)和范圍計(jì)算延安和西安站7月24日20時(shí)—25日08時(shí)不穩(wěn)定參數(shù)(表1)，分析延安地區(qū)暴雨過(guò)程不穩(wěn)定條件。從表1可見(jiàn)，24日20時(shí)延安對(duì)流有效位能為1 533 J/kg，這主要是由于前期副熱帶高壓穩(wěn)定維持在30°N以北，受副高西南暖濕氣流影響，陜北地區(qū)積累了充足能量，同時(shí)K指數(shù)為40℃，假相當(dāng)位溫隨高度變化量(Δθse)為89 K，均說(shuō)明榆林地區(qū)具有暴雨發(fā)生的熱力不穩(wěn)定條件。850 h Pa比濕為17.3 g/kg，滿足了延安地區(qū)暴雨發(fā)生的濕度條件，因此，25日00—10時(shí)，延安地區(qū)北部吳起、延安、延長(zhǎng)依次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，構(gòu)成了強(qiáng)降水的第一階段。

表1 2013-07-24T20—25T08延安和西安站物理量參數(shù)

25日08時(shí)，延安站對(duì)流有效位能減小到143.4 J/kg，這主要是由于強(qiáng)降水發(fā)生后，不穩(wěn)定能量得到釋放而減弱。而西安地區(qū)24日20時(shí)—25日08時(shí)，除對(duì)流有效位能從2 097.6 J/kg減小到1 212.2 J/kg以外，K指數(shù)、假相當(dāng)位溫隨高度變化量(Δθse)、850 hPa比濕依然較強(qiáng)，說(shuō)明延安南部到關(guān)中之間依然維持較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，具有暴雨發(fā)生的熱力不穩(wěn)定條件和濕度條件。這為25日12—17時(shí)延安南部地區(qū)發(fā)生的第二時(shí)段強(qiáng)降水提供了不穩(wěn)定能量和濕度條件。

2.4 水汽特征

足夠的水汽是形成暴雨的必要條件之一。降水發(fā)生前和整個(gè)過(guò)程中，副高588 dagpm線西伸點(diǎn)維持在110°E附近，584 dagpm線穿過(guò)陜北地區(qū)，來(lái)自副高外圍的暖濕氣流輸送到陜北地區(qū)，為暴雨的產(chǎn)生提供了水汽來(lái)源。25日02時(shí)700 hPa水汽通量場(chǎng)上(圖略)，水汽通量沿副高外圍從南海經(jīng)兩廣—云貴—四川抵達(dá)陜西，強(qiáng)度自陜南西部向關(guān)中和陜北遞減。08時(shí)水汽通量場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)疊加圖 (圖3)上，隴南至延安北部維持一西南—東北走向切變線，川陜甘交界處有一水汽通量高值舌自西北伸至延安大部分地區(qū)，暴雨區(qū)位于切變線和水汽通量高值舌南側(cè)。從24日14—20時(shí)暴雨中心(35°N、109°E)水汽通量時(shí)間-高度垂直剖面圖 (圖4)上可見(jiàn)，強(qiáng)降水發(fā)生前，700 hPa附近有中心值大于11 g/(cm·hPa·s)的水汽通量大值區(qū)。從02時(shí)和08時(shí)850 hPa比濕場(chǎng)上(圖略)也可以看到，延安大部到陜南大部有中心值大于15 g/kg的比濕大值區(qū)。以上分析表明，強(qiáng)降水區(qū)位于低層切變線和水汽通量高值舌的南側(cè)。

圖3 2013-07-25T08 700 hPa水汽通量和風(fēng)場(chǎng)(水汽通量單位為g/(cm·hPa·s))

圖4 2013-07-24T14—25T20暴雨中心(35°N、109°E)水汽通量時(shí)間-高度剖面圖(單位為g/(cm·h Pa·s))

3 中尺度對(duì)流云團(tuán)分析

暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣是在多個(gè)中尺度系統(tǒng)相互作用的條件下發(fā)生的，在有利的大尺度環(huán)流背景下由嵌入天氣尺度的中小尺度系統(tǒng)直接造成[6]。這次暴雨過(guò)程發(fā)生在副高邊緣584 dagpm線附近，從FY-2E氣象衛(wèi)星TBB演變可以看出該過(guò)程分別由一中α和β尺度對(duì)流云團(tuán)直接影響造成的。

從FY-2E衛(wèi)星紅外輻射亮度溫度逐小時(shí)演變 (圖5)可看到連續(xù)兩個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)生發(fā)展的過(guò)程。25日02時(shí)榆林吳起地區(qū)有一些孤立的對(duì)流云團(tuán)出現(xiàn) (圖略)。03時(shí)，吳起上空發(fā)展的中γ尺度對(duì)流云團(tuán)中心tBB≤-52℃；04—05時(shí)，中γ尺度對(duì)流云團(tuán)迅速擴(kuò)展到延安大部分地區(qū)，對(duì)流系統(tǒng)快速發(fā)展，冷中心溫度迅速下降，延安站上空tBB≤-60℃；06時(shí)，對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展迅速，云團(tuán)面積急劇擴(kuò)大并向東擴(kuò)展，其南北跨度約260 km，東西跨度約245 km，位于延安上空，形成幾何中心近似圓形的中α尺度對(duì)流云團(tuán)，云團(tuán)冷中心tBB≤-52℃，此時(shí)延安站雨強(qiáng)達(dá)到26.8 mm/h；07—08時(shí)，對(duì)流云團(tuán)持續(xù)發(fā)展并明顯向東擴(kuò)展移動(dòng)，云團(tuán)幾何中心移到黃河沿線，07時(shí)和08時(shí)延長(zhǎng)站雨強(qiáng)分別達(dá)29.3 mm/h和29.8 mm/h；09時(shí)(圖略)中尺度系統(tǒng)強(qiáng)度減弱東移，tBB≤-60℃的區(qū)域基本消失；10時(shí)對(duì)流云團(tuán)持續(xù)偏弱并完全移出陜西進(jìn)入山西，延安地區(qū)降水基本停止。

圖5 2013-07-25 TBB演變圖(單位為℃)

25日12時(shí)強(qiáng)降水第二時(shí)段開(kāi)始，首先在黃陵西南側(cè)出現(xiàn)一孤立對(duì)流單體云團(tuán)，13時(shí)對(duì)流單體云團(tuán)移至黃陵站上空 (圖5)，出現(xiàn)21.9 mm/h的強(qiáng)降雨；14時(shí)小單體云團(tuán)開(kāi)始迅速擴(kuò)大，云團(tuán)冷中心tBB≤-52℃，黃陵站雨強(qiáng)也增加到46.4 mm/h；15時(shí)云團(tuán)向東北—西南方向擴(kuò)展，跨度達(dá)到200 km左右，形成中β尺度對(duì)流云團(tuán)，冷中心tBB最低達(dá)-60℃，黃陵站一小時(shí)雨量達(dá)到63 mm；16時(shí)冷中心tBB≤-60℃，且面積不斷擴(kuò)大，測(cè)站雨強(qiáng)開(kāi)始減?。?7時(shí)對(duì)流云團(tuán)東移且強(qiáng)度迅速減弱，tBB≤-60℃區(qū)域基本消失；18時(shí)云團(tuán)主體東移進(jìn)入山西境內(nèi)。

由以上分析可知，延安北部縣區(qū)站強(qiáng)降水發(fā)生在中α尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展成熟階段，強(qiáng)降水中心隨著中尺度云團(tuán)的擴(kuò)展東移，在tBB≤-60℃覆蓋面積較大時(shí)，雨強(qiáng)達(dá)到最大。而黃陵強(qiáng)降水出現(xiàn)在中β尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展強(qiáng)盛階段，隨著TBB冷中心的擴(kuò)大雨強(qiáng)迅速增強(qiáng)，tBB≤-60℃冷中心出現(xiàn)時(shí)，雨強(qiáng)達(dá)到最大，強(qiáng)降水落區(qū)出現(xiàn)在tBB梯度最大處。

4 強(qiáng)降水回波結(jié)構(gòu)分析

25日08時(shí)500 hPa顯著流線呈西南—東北走向，地面輻合線呈西南南—東北北走向 (圖2)，對(duì)流云團(tuán)易在地面輻合線附近生成發(fā)展[7]，并沿著500 hPa顯著流線的方向移動(dòng)。從雷達(dá)反射率因子圖上也可以看到，強(qiáng)降水第二時(shí)段多個(gè)風(fēng)暴單體先后經(jīng)過(guò)黃陵站，顯著的 “列車效應(yīng)”造成了強(qiáng)烈的短時(shí)暴雨過(guò)程。

25日11：54黃陵站西側(cè)有對(duì)流單體回波a生成(圖6)，中心強(qiáng)度為65 dBz；12：36對(duì)流單體a前部邊緣移至黃陵上空，同時(shí)在其西南側(cè)新生一對(duì)流單體回波b，中心強(qiáng)度大于50 dBz；13：06對(duì)流單體a發(fā)展強(qiáng)盛且主體移至黃陵站上空，同時(shí)可以看到對(duì)流單體b也向黃陵站移近，與之相對(duì)應(yīng)，12—13時(shí)黃陵站降雨量為21.9 mm；13：30雷達(dá)回波圖上，對(duì)流單體a向東北偏東方向移動(dòng)且強(qiáng)回波中心逐漸移出黃陵站上空，而對(duì)流單體b不斷加強(qiáng)且移近黃陵站，與此同時(shí)，位于對(duì)流單體b西南側(cè)的對(duì)流單體c逐漸發(fā)展起來(lái)；14：01對(duì)流單體a逐漸減弱且移出黃陵站上空，而對(duì)流單體b強(qiáng)回波中心移至黃陵站上空，中心強(qiáng)度大于55 d Bz，對(duì)流單體a和b造成黃陵縣1 h降水量達(dá)46.4 mm；14：37對(duì)流單體b與對(duì)流單體c不斷合并加強(qiáng)，回波中心強(qiáng)度大于60 dBz，增強(qiáng)的對(duì)流單體再次影響黃陵，黃陵站14—15時(shí)出現(xiàn)了降雨量高達(dá)63 mm的歷史極值。

同時(shí)，延安站雷達(dá)徑向速度圖 (圖略)表明，對(duì)流單體a和對(duì)流單體c在速度場(chǎng)表現(xiàn)出氣旋式風(fēng)向輻合。12：36對(duì)流單體a傳播增強(qiáng)，進(jìn)入黃陵上空，速度場(chǎng)上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)氣旋式風(fēng)向輻合，直徑10 km，維持3個(gè)體掃時(shí)間。14：19對(duì)流單體c傳播接近黃陵上空，速度場(chǎng)上出現(xiàn)氣旋式風(fēng)向輻合，直徑12 km，最大風(fēng)速大于10 m/s，維持3個(gè)體掃。氣旋式風(fēng)向輻合的存在有利于對(duì)流單體的維持，為 “列車效應(yīng)”產(chǎn)生或者繼續(xù)提供了有利條件。

圖6 2013-07-25延安多普勒雷達(dá)組合反射率(單位為dBz，時(shí)間為北京時(shí))

5 結(jié)論

(1)本次過(guò)程中貝加爾湖底部南伸的高空冷槽帶來(lái)的冷空氣與副高外圍的暖濕氣流在陜北上空交匯，低空切變線和地面輻合線相配合，形成了有利于陜北地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生的天氣條件。

(2)地面輻合線維持并與低層切變線相重疊非常有利于邊界層濕暖空氣輻合抬升，重疊區(qū)有利于對(duì)流單體的發(fā)生和強(qiáng)烈發(fā)展，強(qiáng)降水區(qū)位于低層切變線南側(cè)及水汽通量高值區(qū)。

(3)受副高西南暖濕氣流影響，延安地區(qū)維持較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，滿足了暴雨發(fā)生的熱力不穩(wěn)定條件和濕度條件。

(3)延安地區(qū)強(qiáng)降水先后分別由中α和β尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展加強(qiáng)所致。中α尺度對(duì)流云團(tuán)自西向東發(fā)展加強(qiáng)依次引起吳起、延安和延長(zhǎng)的強(qiáng)降水。黃陵短時(shí)大暴雨出現(xiàn)在中β尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展到強(qiáng)盛階段，在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)的 “列車效應(yīng)”。

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黃少妮，井宇，袁媛.延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析[J].陜西氣象，2015(3)：1-5.

1006-4354(2015)03-0001-05

2014-12-17

黃少妮 (1981—)，女，漢族，陜西西安人，博士，工程師，從事天氣變化預(yù)測(cè)研究和應(yīng)用。

陜西省博士基金(2014B-1)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41475050)