關(guān)中地區(qū)一次突發(fā)性暴雨天氣成因分析

牛樂田，王　英，李春娥，劉　帆，謝逸雯

(咸陽市氣象局，陜西咸陽　712000)

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關(guān)中地區(qū)一次突發(fā)性暴雨天氣成因分析

牛樂田，王英，李春娥，劉帆，謝逸雯

(咸陽市氣象局，陜西咸陽712000)

摘要：利用常規(guī)氣象觀測資料、NCEP 1°×1°分析資料，對2014年8月12日出現(xiàn)在陜西關(guān)中地區(qū)的一次突發(fā)性暴雨天氣進(jìn)行分析。結(jié)果表明：暴雨前期對流層中低層無明顯低值系統(tǒng)，暴雨前期及后期能量場和水汽條件變化較小，高空西風(fēng)急流觸發(fā)了此次局地突發(fā)性暴雨，高空急流軸右后側(cè)強(qiáng)輻散有利于形成強(qiáng)的上升速度，為暴雨生成提供有利的動力條件，700 hPa干冷空氣侵入與暖濕氣流的疊加使鋒區(qū)得到加強(qiáng)，有利于強(qiáng)降水的維持。

關(guān)鍵詞：突發(fā)性暴雨；高空急流；短波槽；地面冷鋒

氣象上將24 h內(nèi)降雨量為50 mm或以上的雨，稱之為暴雨。按照發(fā)生和影響范圍的大小將暴雨劃分為區(qū)域性暴雨和局地突發(fā)性暴雨，后者在發(fā)生前往往環(huán)流特征并不明顯，暴雨產(chǎn)生了或即將發(fā)生時降水形勢才明顯地顯現(xiàn)出來，表現(xiàn)為“突發(fā)性”。侯建忠等[1]對發(fā)生在青藏高原東北側(cè)的突發(fā)性暴雨進(jìn)行了定義：(1)中心降雨強(qiáng)度≥30 mm/6 h，且≥50 mm/12 h；(2)降暴雨站數(shù)≥3站且連片(現(xiàn)有國家氣象觀測站)；(3)暴雨發(fā)生前12 h，在95°E～110°E，27.5°N～42.5°N范圍內(nèi)，500 hPa無明顯低值系統(tǒng)。此類暴雨歷時短、雨強(qiáng)大、局地性強(qiáng)，加之發(fā)生前征兆不明顯，預(yù)報難度大，一經(jīng)發(fā)生，往往引發(fā)山洪、滑坡、塌方、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來較大的危害。

2014年8月12—13日，陜西自西向東出現(xiàn)了一次大范圍強(qiáng)降水過程。關(guān)中的禮泉、興平、戶縣、藍(lán)田和陜南的洛南5縣出現(xiàn)暴雨,最大降雨量在禮泉為71.1 mm。全省15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，均位于關(guān)中地區(qū)，降雨量最大在興平南市為96.1 mm。主要降水時段集中在12日08—12時。由于影響系統(tǒng)空間尺度小、生命史短，本文在應(yīng)用常規(guī)氣象觀測資料的基礎(chǔ)上，利用NCEP 1°×1°6 h分析資料和雷達(dá)資料對此次過程進(jìn)行綜合分析，總結(jié)并積累預(yù)報經(jīng)驗。

1環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

2014-08-11T20(暴雨前期)，200 hPa天氣圖上中緯度地區(qū)環(huán)流為緯向西風(fēng)環(huán)流，40°N附近有東西向大于36 m/s西風(fēng)急流存在，其在當(dāng)日08時已經(jīng)存在(圖略)，寧夏—陜西北部—山西中北部有大于50 m/s急流軸，同時次500 hPa天氣圖上陜西—甘肅東部—高原地區(qū)處于西西北氣流中，青海西寧與甘肅榆中、崆峒之間有弱風(fēng)速輻合(風(fēng)速由14 m/s減小到8 m/s)。 850 hPa和700 hPa天氣圖上陜西中南部地區(qū)處于一致的東北氣流之中。強(qiáng)降水前期，盡管40°N附近對流層高層存在高空急流(陜西氣象工作者認(rèn)為，高空急流的形成、發(fā)展以及其位置對暴雨的強(qiáng)度、落區(qū)有關(guān)鍵作用，一般認(rèn)為急流位于40°N附近時，暴雨會出現(xiàn)在關(guān)中地區(qū)[2])，但由于中低層沒有明顯低值系統(tǒng)配合，形成陜西強(qiáng)降水的影響系統(tǒng)特征并不明顯，此種形勢場很難預(yù)報出24 h內(nèi)將會出現(xiàn)大降水。

12日08時，200 hPa天氣圖上上述西風(fēng)急流略有南壓，主要位于陜西北部及山西北部，急流軸仍呈東西向，但強(qiáng)度增強(qiáng)，其入口區(qū)右側(cè)大于40 m/s風(fēng)速區(qū)范圍增大，陜西關(guān)中地區(qū)位于高空急流軸入口區(qū)右側(cè)。500 hPa天氣圖上西安—平?jīng)觥涠加卸滩ú鄞嬖?圖1中粗虛線)，槽線呈東北—西南走向，南北跨越5個緯距，陜西中南部處于槽前西南氣流中。700 hPa天氣圖上在甘肅平?jīng)?、武都與陜西延安、西安之間有南北向切變線生成，平?jīng)龊臀涠純烧疚鞅憋L(fēng)由11日08時的6 m/s增加至12 m/s，四川東北部與陜西南部有低渦輻合存在，從東海經(jīng)江蘇—安徽—河南到陜西南部有大于12 m/s的偏東風(fēng)出現(xiàn)，偏東風(fēng)將東海水汽輸送至陜南南部地區(qū)，關(guān)中地區(qū)處在水汽通道的北緣。850 hPa在平?jīng)雠c延安、西安之間有中尺度輻合。

地面圖上，暴雨前期，河西—新疆有一冷高壓，冷高壓中心位于新疆北部與貝湖之間，西南地區(qū)—四川東北部有熱低壓存在，陜西西南部處于冷暖空氣交匯區(qū)。8月12日08時，地面冷空氣向東南方向擴(kuò)散，甘肅東南部—陜西中北部—山西中部有地面冷鋒存在，冷鋒后部冷空氣迅速擴(kuò)散南下，冷暖空氣在暴雨區(qū)激烈交匯。

可以看出，高原中部生成的短波槽快速東移引導(dǎo)冷空氣東移南下與出現(xiàn)在四川—陜西南部的偏東暖濕氣流交匯。由于暴雨發(fā)生地區(qū)前12 h 中低層沒有出現(xiàn)有利于大降水產(chǎn)生的環(huán)流形勢，容易導(dǎo)致短期預(yù)報的漏報。

圖1　2014年8月 500 hPa形勢場(a 11日20時， b 12日08時；粗虛線為槽線，陰影區(qū)為200 hPa風(fēng)速超過36 m/s高空急流帶)

2高空急流特征

謝靜芳等[3]研究高空急流對強(qiáng)對流局地暴雨的觸發(fā)作用時，分析了熱能量方程導(dǎo)出的ω方程，由于高空急流右后側(cè)是反氣旋性渦旋區(qū)，隨著高空急流的加強(qiáng)，急流右后側(cè)高空反氣旋性渦旋明顯加大，而低層渦度變化不明顯，從而該區(qū)域渦度平流垂直差異項有利于上升運動。此次過程中11日20時—12日08時高空急流風(fēng)速穩(wěn)定且逐漸增強(qiáng)，其右后方的輻散也逐漸加強(qiáng)，由ω方程分析發(fā)現(xiàn)其有利于中下層對流運動的產(chǎn)生及維持；此次過程前和過程后，高空急流軸呈平直狀，其左側(cè)為西風(fēng)帶系統(tǒng)，伴有較強(qiáng)冷空氣，右側(cè)為高壓系統(tǒng)有暖平流輸送，因此高空急流右側(cè)溫度平流的作用是有利于上升運動。

由以上高空急流特征實例結(jié)合ω方程分析可以得出，此次高空急流軸的演變特征有利于垂直方向上升運動的發(fā)生、發(fā)展，暴雨出現(xiàn)前高空急流強(qiáng)度及位置少變，由于高空急流對局地暴雨具有觸發(fā)作用，因此在日常業(yè)務(wù)中對于較長時間維持的高空急流應(yīng)加以關(guān)注，尤其是急流軸位置及強(qiáng)度的變化應(yīng)重點關(guān)注。

3物理量診斷分析

3.1能量

從θse場的時間和空間變化圖上(圖略)可以看出，8月11日20時，850 hPa西南地區(qū)—四川西部有θse大值區(qū)，中心值接近90 ℃，陜西西南部θse值約為60 ℃，并隨高度略有增高。12日08時，強(qiáng)降水發(fā)生前，西南地區(qū)—四川西部θse大值區(qū)中心仍然存在，陜西西南部θse值變化不大，為60～65 ℃。500 hPa上，θse值為60～65 ℃，Δθse(500-850)接近于0 ℃。Δθse(500-850)負(fù)值愈大，位勢不穩(wěn)定度越強(qiáng)[4]，但此次突發(fā)性暴雨發(fā)生前或即將發(fā)生時，暴雨區(qū)上空位勢不穩(wěn)定度較弱，大氣基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨開始直至結(jié)束，暴雨區(qū)始終處在比較穩(wěn)定的層結(jié)中，能量場的這種分布和變化，與通常陜西盛夏暴雨能量場的強(qiáng)烈不穩(wěn)定特征有明顯的差異。究其原因，此次突發(fā)性暴雨發(fā)生期間的環(huán)流形勢具有西北氣流型特征，暴雨即將發(fā)生時700 hPa暴雨區(qū)上游西北風(fēng)發(fā)生明顯躍增，850 hPa有偏東暖濕氣流輸送至關(guān)中南部及陜南地區(qū)，突然躍增的西北風(fēng)帶來冷空氣疊加至低層暖濕輻合之上，引起垂直方向上的溫度差動平流加大，成為此次突發(fā)暴雨的主要成因。

3.2水汽

3.2.1比濕850 hPa比濕場上，11日20時，云貴高原—四川盆地存在12～16 g/kg的大值中心，陜西中南部處于10 g/kg區(qū)域(圖略)，陜北與河套地區(qū)之間為比濕低值區(qū)，12日08時(圖2)，陜西中南部仍處于10 g/kg區(qū)域。暴雨是在大氣飽和比濕達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值才能形成，如果降水區(qū)整層飽和，垂直遞減率等于絕熱遞減率時，700 hPa比濕≥10 g/kg, 850 hPa附近比濕≥14 g/kg[5]，由此可見，此次突發(fā)暴雨發(fā)生之前或即將發(fā)生之時比濕條件較差。同時，850 hPa和700 hPa 關(guān)中地區(qū)t-td均大于4 ℃，不利的濕度條件往往令預(yù)報員忽視產(chǎn)生強(qiáng)降水的可能。

圖2　2014-08-12T08 850 hPa比濕(a 單位為g/kg)和水汽通量散度(b 單位為10-7 g/(cm2·hPa·s))

3.2.2水汽通量散度850 hPa水汽通量散度圖上，11日20時，從西南地區(qū)—四川北部有大片水汽通量散度輻合區(qū)，輻合中心值為-4×10-7g/(cm2·hPa·s)，陜西中南部處于水汽通量輻散區(qū)中，輻散大值中心位于33°N、108°E附近，正好為陜西關(guān)中西部地區(qū)，陜北到河套地區(qū)有弱輻合區(qū)。12日08時(圖2b)，陜西中南部的水汽通量輻散區(qū)轉(zhuǎn)為弱的水汽通量輻合，由東至西存在水汽輸送通道，有明顯的水汽通量輻散位于關(guān)中東部及陜南東部地區(qū)，其大值中心值為2×10-7g/(cm2·hPa·s)，這與850 hPa偏東風(fēng)水汽輸送相對應(yīng)。12日14時，強(qiáng)降水結(jié)束后，位于關(guān)中東部及陜南東部的的水汽輻散大值區(qū)，相比暴雨開始之前已明顯改為向西南方向發(fā)展移動。

可見，此次突發(fā)性暴雨發(fā)生前，有利的水汽輸送及水汽含量位于陜西南部地區(qū)，陜西關(guān)中地區(qū)水汽含量與水汽輸送均較弱，強(qiáng)降水開始后，850 hPa位于關(guān)中東部及陜南東部地區(qū)的偏東氣流向西南方向移動，暖濕氣流與西北方向南下的干冷空氣交匯，促使地面鋒區(qū)加強(qiáng)，有利于強(qiáng)降水維持。

4動力條件分析

4.1渦度、散度

11日20時，沿34.5°N的渦度垂直剖面圖表明(圖略)，在108°E附近850 hPa以下有3×10-5s-1的正渦度區(qū)，850 hPa以上有大片負(fù)渦度區(qū)。隨著高原短波槽攜帶冷空氣東移的影響，低層正渦度區(qū)有所增加。12日08時，強(qiáng)降水即將開始時，108°E附近低層的正渦度區(qū)增加至4×10-5s-1，對流層中上層仍為大片負(fù)渦度區(qū)。

從散度場來看，11日20時，陜西到河西地區(qū)在垂直方向上沒有明顯的輻合、輻散區(qū)存在，散度值為(0～2)×10-5s-1。12日08時(圖3a)，強(qiáng)降水區(qū)所對應(yīng)的區(qū)域，300 hPa層上102°E～108°E范圍內(nèi)有較強(qiáng)輻散區(qū)存在，中心值大于10×10-5s-1，其對流層中下層散度場沒有變化，300 hPa上甘肅南部—陜西西部有一條中心值大于10×10-5s-1的強(qiáng)輻散區(qū)。西風(fēng)急流的強(qiáng)風(fēng)速帶為突發(fā)暴雨提供高層抽吸作用，能促使垂直環(huán)流發(fā)展，使暴雨加強(qiáng)并持續(xù)，這與侯建忠等[1]研究的陜西突發(fā)性暴雨中300 hPa急流作用相一致。

4.2垂直速度場

沿34.5°N垂直速度場剖面圖上，11日20時，關(guān)中西部地區(qū)有弱的上升氣流，其大值中心位于600 hPa以下，約為-4×10-3hPa/s。12日08時108°E附近(圖3b)，上升運動迅速增加至-8×10-3hPa/s，且伸至300 hPa，迅速增大的上升運動將低層的水汽源源不斷的輸送到高層，導(dǎo)致濕層加厚，形成有利于暴雨產(chǎn)生和維持的動力條件。14時上升運動又迅速減弱至-3×10-3hPa/s以下。

此次突發(fā)性暴雨發(fā)生前及發(fā)生后在垂直方向上沒有出現(xiàn)明顯的低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)，但對流層高層強(qiáng)輻散區(qū)一直存在；垂直速度場上，強(qiáng)降水前期12 h上升運動較弱，強(qiáng)降水即將開始時候，上升運動迅速增強(qiáng)。

圖3　2014-08-12T08沿34.5°E散度(a 單位為10-5s-1)和垂直速度(b 單位為10-3 hPa/s)空間剖面圖

5雷達(dá)資料分析

分析西安多普勒雷達(dá)資料可以發(fā)現(xiàn)，此次突發(fā)性暴雨過程中存在中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展。12日08時反射率因子圖上，關(guān)中西部和北部被片狀回波覆蓋，回波強(qiáng)度約為30～40 dBz，淳化、富平有小范圍40～45 dBz的強(qiáng)回波中心。08：50，關(guān)中的戶縣、禮泉、興平出現(xiàn)超過45 dBz的回波單體，呈線狀分布，而后強(qiáng)回波單體逐漸合并。10：04(圖4a)，關(guān)中西部戶縣、興平、禮泉出現(xiàn)成片超過55 dBz的強(qiáng)回波，隨著上述強(qiáng)回波緩慢減弱并向東南方向移動，12時強(qiáng)降水移出關(guān)中西部。與之對應(yīng)，關(guān)中西部強(qiáng)降水逐漸減弱。由徑向速度圖可以清楚看到，此次暴雨發(fā)生前后存在明顯的中尺度輻合演變特征。08：36(降水開始時，圖略)，暴雨區(qū)西北部有一致的西北風(fēng)，藍(lán)田—西安—咸陽之間有偏東風(fēng)發(fā)展，東西風(fēng)在禮泉、興平、戶縣之間形成輻合，隨后，西北風(fēng)逐漸向南推進(jìn)。10：33(圖4b)，戶縣、興平、禮泉之間中尺度輻合達(dá)到最強(qiáng)。輻合區(qū)一直維持至12：30，之后關(guān)中西部均處于偏北風(fēng)之中。

圖4　2014-08-12西安多普勒雷達(dá)圖(a 10：04基本反射率因子；b 10：33徑向速度)

綜上可知，利用雷達(dá)資料可以很好的揭示此次突發(fā)性暴雨中小尺度系統(tǒng)演變情況，強(qiáng)回波存在的時間與強(qiáng)降水對應(yīng)很好，雷達(dá)徑向速度圖上暴雨區(qū)上游出現(xiàn)一致的西北風(fēng)與東南風(fēng)在暴雨區(qū)形成明顯輻合，很好的佐證了冷暖空氣在暴雨區(qū)激烈交匯。

6結(jié)論

(1)此次突發(fā)性暴雨12 h之前，位于高原中東部地區(qū)的弱風(fēng)速輻合，在快速東移至暴雨區(qū)時加強(qiáng)形成短波槽，為暴雨產(chǎn)生提供有利的環(huán)流背景，業(yè)務(wù)中應(yīng)重點關(guān)注高原地區(qū)出現(xiàn)的弱風(fēng)速切變。

(2)此次突發(fā)性暴雨的能量場及水汽條件變化較小，但高空急流較長時間維持，急流軸的突然變化應(yīng)重點關(guān)注，急流右后側(cè)的強(qiáng)輻散促使上升運動加強(qiáng)，形成有利于暴雨產(chǎn)生的動力機(jī)制。

(3)此次突發(fā)性暴雨即將開始之時，700 hPa突然增大的西北風(fēng)攜帶干冷空氣與850 hPa暖濕氣流疊加，使低層鋒區(qū)得到加強(qiáng)，從而保證了降水的維持和加強(qiáng)。

(4)雷達(dá)產(chǎn)品對中小尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展特征有很好的反映,突發(fā)性暴雨預(yù)報中應(yīng)重點應(yīng)用其分析暴雨落區(qū)及范圍。

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文章編號：1006-4354(2016)04-0013-05

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：牛樂田(1980—)，男，漢族，陜西戶縣人，學(xué)士，工程師，從事短期天氣預(yù)報研究。

基金項目：咸陽市鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)(2014Y-15)

中圖分類號：P458.121

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

牛樂田，王英，李春娥，等.關(guān)中地區(qū)一次突發(fā)性暴雨天氣成因分析[J].陜西氣象，2016(4)：13-17.