2016年商洛“7·30”局地突發(fā)性大暴雨綜合分析及預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)探討

侯建忠，井 宇，陳小婷，胡啟元

(陜西省氣象臺，西安 710014)

侯建忠，井宇， 陳小婷，等. 2016年商洛“7·30”局地突發(fā)性大暴雨綜合分析及預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)探討 [J].陜西氣象，2017(5)：1-5.

1006-4354(2017)05-0001-05

2017-04-11

侯建忠(1960—)，男， 陜西澄城人，學(xué)士，正研級高工,主要從事天氣氣候預(yù)測及研究。

中國氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(CMAYBY2017-073)；國家自然基金“黃河中游地區(qū)突發(fā)性大暴雨暴雨結(jié)構(gòu)特征研究”(41475050)；陜西省氣象局面上項(xiàng)目(2017M-1)。

2016年商洛“7·30”局地突發(fā)性大暴雨綜合分析及預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)探討

侯建忠，井 宇，陳小婷，胡啟元

(陜西省氣象臺，西安 710014)

利用MICAPS資料，自動站加密雨量、FY-2E衛(wèi)星云圖、商洛多普勒雷達(dá)和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等資料，對2016年7月30日商洛局地大暴雨過程進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明：數(shù)值預(yù)報(bào)對本次局地暴雨預(yù)報(bào)能力偏低，環(huán)流特征不明顯；地面冷空氣經(jīng)過山西南部、河南東部影響陜西東部是本次暴雨的觸發(fā)機(jī)制；關(guān)注午后關(guān)中南部與商洛北部的地面輻合線演變和西安站20時(shí)對流層低層偏東氣流的劇增，加強(qiáng)衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波和自動站加密雨量等氣象資料分析是提高局地突發(fā)性暴雨短臨落區(qū)、強(qiáng)度預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。

局地突發(fā)性大暴雨；低空東北急流；地面輻合線；衛(wèi)星云圖；雷達(dá)回波

隨著現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的不斷提高，較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)未來某個(gè)地區(qū)的區(qū)域性、系統(tǒng)性降水過程已成為現(xiàn)實(shí)。但對于暖區(qū)降水、局地性強(qiáng)天氣和極端性天氣的預(yù)報(bào)，數(shù)值預(yù)報(bào)仍不夠理想。特別是青藏高原附近，地形復(fù)雜，模式預(yù)報(bào)往往有一定偏差。有些強(qiáng)降水前兆不明顯[1]，暴雨和影響系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)，突發(fā)性特征極為明顯，預(yù)報(bào)難度大，這就迫使預(yù)報(bào)員在環(huán)境要素及預(yù)報(bào)指標(biāo)等方面探尋一些具有先兆性的預(yù)報(bào)方法或指標(biāo)，并結(jié)合衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波和自動站加密雨量等信息來彌補(bǔ)數(shù)值預(yù)報(bào)的短板，提高當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)、預(yù)警能力。為積累經(jīng)驗(yàn)、反思不足，對2016年7月30日商洛局地突發(fā)性暴雨天氣過程進(jìn)行分析，尋找局地突發(fā)性暴雨天氣前期的一些預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)和預(yù)報(bào)指標(biāo)。

1 降水特征及模式預(yù)報(bào)

2016年7月30日22時(shí)至31日07時(shí)，陜西的商州、商南等區(qū)(縣)先后出現(xiàn)了局地突發(fā)性大暴雨天氣(下稱“7·30大暴雨”)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)站降水量100～150 mm共11站；超過150 mm以上4站，分別為商南縣白魯?shù)A212.4 mm，山陽縣西照川218.5 mm、色河鋪179 mm、東川159.8 mm，其中商南縣31日01—02時(shí)小時(shí)雨量為29.4 mm。

陜西省氣象臺30日11時(shí)在全省可視會商中依據(jù)環(huán)流形勢和模式預(yù)報(bào)(EC和GFS在陜南預(yù)報(bào)的最大降水量分別為12 mm和18 mm(圖略)指出：下午到晚上關(guān)中東部和陜南商州局地出現(xiàn)20～35 mm強(qiáng)降水的可能性較大。但對商州區(qū)當(dāng)晚夜里出現(xiàn)的局地大暴雨天氣漏報(bào)。模式預(yù)報(bào)結(jié)果與降水實(shí)況相比，無論是暴雨范圍和強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯偏差。由于大暴雨的時(shí)間、地點(diǎn)集中，雨強(qiáng)大，造成商洛的金絲峽景區(qū)大部分道路和設(shè)施及多部車輛被沖毀，2人死亡，景區(qū)被迫關(guān)停2個(gè)多月，僅商洛市直接經(jīng)濟(jì)損失超過2億元。

2 暴雨前高空環(huán)流及地面特征

2.1 高空環(huán)流

30日08時(shí)300 hPa高空圖上(圖略)，從甘肅東南部到西安、太原和北京有一東北—西南向的弱急流帶存在，西安、北京分別為16 m/s和20 m/s的西南風(fēng)，暴雨區(qū)位于急流帶入口區(qū)的右側(cè)。位于急流帶右側(cè)的安康、武漢僅為6 m/s的西南風(fēng)，這樣的風(fēng)場分布特征符合陜西一種突發(fā)性強(qiáng)降水模型[2-3]：在300 hPa急流右側(cè)緯向風(fēng)速出現(xiàn)迅速遞減的特征，預(yù)示未來暴雨可能出現(xiàn)在高空急流的右側(cè)(關(guān)中東部和陜南中東部區(qū)域)。14時(shí)和20時(shí)，西安仍維持16 m/s左右的西南風(fēng)，安康站西南風(fēng)則加大到12 m/s和10 m/s。表明300 hPa高空的弱急流帶已出現(xiàn)緩慢南壓，環(huán)流特征向利于強(qiáng)降水發(fā)生的形勢轉(zhuǎn)變。

“7·30大暴雨”前期，對流層中低層均存在一定的輻合。30日08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)，700 hPa(圖略)從達(dá)州至安康、西安有偏南氣流存在并維持，其中14時(shí)安康到西安風(fēng)速及風(fēng)向輻合最強(qiáng)，安康為10 m/s西南風(fēng)，西安為6 m/s南風(fēng)。850 hPa，西安08時(shí)為2 m/s 的東南風(fēng)，14時(shí)加大為4 m/s，20時(shí)加強(qiáng)為6 m/s的偏東風(fēng)。925 hPa 20時(shí)(圖略)，西安由14時(shí)4 m/s 的東東北風(fēng)劇增到14 m/s，西安和安康之間形成切變線，“7·30大暴雨”就出現(xiàn)在該切變中。這種20時(shí)低層突然出現(xiàn)偏東風(fēng)加強(qiáng)的現(xiàn)象在陜西多數(shù)突發(fā)性暴雨中均有出現(xiàn)[2，4]，冷空氣正是經(jīng)關(guān)中東部從對流層低層快速侵入暴雨區(qū)，加大了暴雨區(qū)垂直方向的溫度遞減率和斜壓性[6-7]，增加了該區(qū)域大氣的不穩(wěn)定，激發(fā)中尺度對流云團(tuán)生成和加強(qiáng)；其次冷空氣也起到冷墊作用，利于暖濕氣流強(qiáng)迫抬升，使低層暴雨區(qū)出現(xiàn)較大范圍輻合。

可見西安20時(shí)對流中低層偏東風(fēng)劇增是此類暴雨短臨預(yù)報(bào)的關(guān)鍵著眼點(diǎn)。

2.2 地面形勢

地面圖上，“7·30大暴雨”前期的總體形勢為“東高西低”型(圖1)。有利于地面冷空氣經(jīng)山西中南部、河南東部進(jìn)入陜西東部并影響陜西。從圖1可以清楚的分析出冷空氣的影響和移動路徑。其中1 005 hPa等壓線的位置，30日17時(shí)、20時(shí)分別南壓至商洛、安康一帶，即地面有冷空氣從山西南部、河南東部進(jìn)入和影響陜西關(guān)中東部及陜南東部的事實(shí)。表明地面圖上東北路冷空氣路徑和加強(qiáng)時(shí)間是此類暴雨短時(shí)臨近預(yù)警的另一個(gè)關(guān)鍵預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

圖1 2016-07-30地面形勢演變(等值線為等壓線，單位為hPa；a 17時(shí)，b 20時(shí))

3 暴雨發(fā)生、加強(qiáng)的物理量特征

3.1 暴雨發(fā)生的輻散、輻合條件

分析“7·30大暴雨”前一時(shí)次和發(fā)生時(shí)高層輻散和低層輻合的特征發(fā)現(xiàn)，本次過程高層輻散特征不顯著。暴雨發(fā)生前一時(shí)次，30日 08時(shí)300 hPa的渦度圖(圖2a)中，渦度的零線值沿漢中—西安—石家莊一線分布，僅能在暴雨區(qū)的南側(cè)分析出一小范圍的負(fù)渦度閉合中心，值為(-10～-20)×10-6s-1。暴雨云團(tuán)生成、加強(qiáng)時(shí)段，300 hPa高層負(fù)渦度中心位置均較前一時(shí)次東移并有所北抬，-20×10-6s-1負(fù)渦度值范圍有所擴(kuò)大和加強(qiáng)。其下方對流層中低層的700 hPa(圖略)和1 000 hPa(圖2b)均有正渦度區(qū)域配合，量值為15×10-6s-1，數(shù)值明顯偏小。這可能是數(shù)值模式對這次降水量預(yù)報(bào)顯著偏小的一個(gè)原因。

對局部暴雨過程來講，雖然高、低層各自的正負(fù)渦度值偏小，但暴雨發(fā)生時(shí)，暴雨區(qū)高層為負(fù)渦度區(qū)域、低層為正渦度區(qū)域，具備了暴雨發(fā)生的高層輻散、低層輻合的配置。

圖2 2016-07-30渦度(單位為10-6 s-1；a 08時(shí)300 hPa，b 20時(shí)1 000 hPa)

3.2 冷平流對突發(fā)性大暴雨的發(fā)展、加強(qiáng)作用

用對流層中低層的總溫度平流項(xiàng)分析冷空氣對暴雨的影響?！?·30大暴雨”過程中，對流層中低層有明顯的冷平流區(qū)配合，30日08時(shí)1 000 hPa(圖3a)和700 hPa的冷平流中心最強(qiáng)值都達(dá)到了-15×10-2℃/s，30日20時(shí)850 hPa在暴雨區(qū)域附近有一個(gè)弱的冷平流中心存在(圖3b)。這可能是由于暴雨出現(xiàn)在盛夏時(shí)期，冷平流有所減弱的緣故。也從另外一面印證了冷空氣對“7·30大暴雨”過程的觸發(fā)和加強(qiáng)作用。

圖3 2016-07-30冷平流(單位為10-3 ℃/s；a 08時(shí)1 000 hPa，b 20時(shí)850 hPa)

4 中尺度特征分析

4.1 熱力條件和垂直穩(wěn)定條件

“7·30大暴雨”發(fā)生在陜南商洛東部，距離西安、安康相對較近。因此用西安、安康(圖略)的探空資料來分析暴雨前和暴雨時(shí)的大氣垂直穩(wěn)定度和濕度條件。

CAPE值演變顯示，30日08時(shí)西安、安康分別為894 J/kg和953 J/kg，14時(shí)猛升到1 415 J/kg和2 245 J/kg，表明暴雨區(qū)的大氣已處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)。7月30日08、14和20時(shí)，安康站探空曲線從低層到對流高層溫度露點(diǎn)差較小，3個(gè)時(shí)次700 hPa的溫度露點(diǎn)差都在1～4 ℃之間，可見秦嶺南側(cè)整層濕度條件較好，具備了商州出現(xiàn)局地大暴雨的水汽條件。相對而言，西安08時(shí)整層濕度偏小，14時(shí)、20時(shí)700 hPa的溫度露點(diǎn)差為4～6 ℃，14時(shí)分布特征是850 hPa以下較干，850 hPa以上整層較濕，20時(shí)其特征是6 km以下整體變濕，溫度露點(diǎn)差變小，這可能與下午關(guān)中東部局地出現(xiàn)大雨有關(guān)，6 km以上濕度有所減小，表明高層有弱的干冷空氣侵入關(guān)中。上述垂直結(jié)構(gòu)特征分布是有利于強(qiáng)降水產(chǎn)生的[8]。另外14—20時(shí)，500 hPa高度以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)的特征更加明顯，表明有一定暖平流存在并進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)20時(shí)500 hPa以下的風(fēng)速明顯加大，說明水汽輸送也是在不斷增強(qiáng)[2，9]。

4.2 地面輻合線及風(fēng)場演變

分析地面加密觀測風(fēng)場資料和自動站雨量發(fā)現(xiàn)，30日17時(shí)已有偏東冷空氣侵入關(guān)中東部(圖略)，18時(shí)商洛已有地面輻合線和氣旋性輻合形成，中心位于山陽、丹鳳和商洛、洛南之間。19時(shí)咸陽以東均受冷空氣影響，西安為10 m/s東北風(fēng)(圖略)。20—21時(shí)冷空氣和地面輻合線再次加強(qiáng)，關(guān)中東部東風(fēng)再次加大，陜南丹鳳也出現(xiàn)了14 m/s偏南風(fēng)(圖4)，原來位于切變北側(cè)的商洛、洛南基本為靜風(fēng)，在關(guān)中東部和商洛之間較大區(qū)域的輻合線已形成。與之相對應(yīng)的云圖上顯示該區(qū)域有新的小對流云團(tuán)出現(xiàn)，22時(shí)已快速發(fā)展為一中β尺度對流云團(tuán)。01—03時(shí)地面輻合線一直在商洛到關(guān)中東部的華陰、潼關(guān)一帶，其南側(cè)的南風(fēng)輻合特征明顯減弱，北側(cè)偏東氣流基本維持不變，此時(shí)暴雨云團(tuán)強(qiáng)度最強(qiáng)、尺度最大，對應(yīng)的降水最強(qiáng)，商南已出現(xiàn)29.4 mm短時(shí)暴雨，強(qiáng)降水產(chǎn)生在切變線右側(cè)附近?？梢娎淇諝饽蠅夯蚰锨謱值貜?qiáng)降水起著直接影響作用，而地面輻合線使得對流發(fā)展和加強(qiáng)。地面輻合線的形成與加強(qiáng)是此類暴雨短臨預(yù)報(bào)的另一著眼點(diǎn)。

圖4 2016-07-30T21：00關(guān)中、商洛地面逐時(shí)風(fēng)場圖(圖中實(shí)線為切變線)

5 衛(wèi)星云圖演變和雷達(dá)回波

5.1 衛(wèi)星云圖演變

FY-2E逐小時(shí)云圖追蹤分析顯示，直接影響“7·30大暴雨”云團(tuán)是由位于黃河河套中游一個(gè)東西向云帶南側(cè)小的對流云團(tuán)快速發(fā)展、加強(qiáng)形成的。30日18時(shí)(圖5a)，該云團(tuán)開始形成，僅有小米粒大小，20時(shí)已發(fā)展成南北向的云團(tuán)，原在黃河中游的東西向?qū)α髟茙黠@減弱；22時(shí)云團(tuán)快速發(fā)展成典型中β尺度暴雨云團(tuán)，南北跨度150 km(圖略)，云團(tuán)云頂亮溫tBB降到-60 ℃；隨后，暴雨云團(tuán)繼續(xù)保持南北向的特征發(fā)展，23時(shí)商州1 h 降水量23 mm，鄉(xiāng)鎮(zhèn)站降水達(dá)52.2 mm/h。31日02時(shí)云圖發(fā)展為直徑250 km的橢圓形，尺度達(dá)到最大，tBB達(dá)-75 ℃，云團(tuán)東南側(cè)溫度梯度明顯，雨強(qiáng)最大(圖5b)，對應(yīng)商南1 h 降水量為29.4 mm，鄉(xiāng)鎮(zhèn)站雨量達(dá)47.2 mm/h。04點(diǎn)后(圖略)，云團(tuán)出現(xiàn)明顯減弱，tBB≥-50 ℃，邊界模糊，且形狀不規(guī)則，商州1 h 降雨量不足2 mm。

分析顯示暴雨云團(tuán)的生命史接近10 h，空間尺度達(dá)250 km，為典型中β尺度對流系統(tǒng)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在發(fā)展、加強(qiáng)階段，位于云團(tuán)東南側(cè)的溫度梯度最大處。驗(yàn)證了由低層偏東北冷平流引發(fā)生成的對流云團(tuán)多會獨(dú)立發(fā)展加強(qiáng)的結(jié)論[5]，且該云團(tuán)有一定的持續(xù)性，并引發(fā)局地強(qiáng)降水。

5.2 雷達(dá)回波分析

從西安多普勒雷達(dá)組合反射率因子演變圖可以看出，強(qiáng)降水和強(qiáng)回波時(shí)段匹配很好。20：00—22：00為對流發(fā)展時(shí)期，雷暴單體回波發(fā)展，強(qiáng)回波中心位于丹鳳(圖6a)，最大強(qiáng)度大于65 dBz，丹鳳出現(xiàn)局地強(qiáng)降水。22：00—00：00為分散雷暴單體合并階段，商州、商南南部上空有強(qiáng)回波發(fā)展(≥50 dBz)，商州出現(xiàn)強(qiáng)降水(圖6b)。00：00—03：00商南南部強(qiáng)回波單體迅猛增長并向北發(fā)展，塊狀回波強(qiáng)度普遍大于30 dBz，其間最大回波強(qiáng)度大于65 dBz，對應(yīng)商南站出現(xiàn)短時(shí)暴雨(圖6c)。由分析可知，強(qiáng)回波發(fā)展與回波強(qiáng)度，對確定暴雨落區(qū)及雨強(qiáng)都十分有效，但預(yù)報(bào)時(shí)效明顯較短。要提高該類暴雨的短臨預(yù)報(bào)時(shí)效還需綜合考慮，即從300 hPa急流位置、走向，地面圖上東北路冷空氣路徑、加強(qiáng)的時(shí)間以及地面中尺度輻合線位置，西安站20時(shí)對流中低層突然加強(qiáng)的偏東風(fēng)，影響暴雨的云團(tuán)類別等幾個(gè)關(guān)鍵的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)入手，這幾個(gè)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)均較“7·30大暴雨”強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)有2～6 h的提前量。

圖5 2016年7月FY-2E衛(wèi)星云圖(a 30日18:00，b 31日02:00)

圖6 西安多普勒雷達(dá)2016年7月30—31日組合反射率因子(a 30日20:42:28， b 30日22:37:37，c 31日00:21:41)

6 小結(jié)

(1)300 hPa急流右側(cè)緯向風(fēng)速變化、地面東北路冷空氣加強(qiáng)南壓的位置、地面輻合線生成和加強(qiáng)的位置以及20時(shí)西安探空站對流中低層偏東風(fēng)突然加強(qiáng)等現(xiàn)象，都是本次局地突發(fā)性暴雨短臨預(yù)警較為重要的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

(2)“7·30大暴雨”發(fā)生在盛夏季節(jié)，地面圖上冷空氣常會出現(xiàn)一定變性或減弱，但陜西東側(cè)對流層中低層突然增強(qiáng)的偏東急流都會提前于暴雨出現(xiàn)，同時(shí)提供了輻合上升的動力條件。該偏東氣流攜帶的冷空氣是暴雨的觸發(fā)機(jī)制，應(yīng)是該類短臨預(yù)警最為關(guān)鍵的一個(gè)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

(3) 地面輻合線與強(qiáng)降水落區(qū)、暴雨云團(tuán)走向、強(qiáng)回波帶走向有一致性，表明地面輻合線是中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生、加強(qiáng)的一個(gè)直接影響系統(tǒng)。而且使得對流維持和加強(qiáng)。

(4) 本次暴雨的環(huán)流形勢、動力場等特征不太顯著，并具有一定暖區(qū)降水特征。這可能是本次暴雨過程數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)不顯著的一個(gè)原因。

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