西北地區(qū)東北部兩次強降水的環(huán)流及云圖對比分析

侯建忠，薛春芳，陳小婷，井 宇，胡啟元

（1.陜西省氣象臺，陜西 西安710015；2.陜西省氣象局，陜西 西安710015）

隨著數(shù)值預(yù)報模擬技術(shù)的迅速發(fā)展，為天氣預(yù)報提供了客觀的工具。雖然T639、EC、GFS等數(shù)值模式對強降水過程和中期預(yù)報都有較好的預(yù)報能力，但對青藏高原附近強降水的落區(qū)和強度預(yù)報還存在一定差距，仍然需要廣大預(yù)報人員利用各種天氣預(yù)報方法，才能不斷提高本地區(qū)的預(yù)報準(zhǔn)確率和服務(wù)水平。衛(wèi)星云圖在現(xiàn)代天氣預(yù)報中發(fā)揮著不可替代的作用，它可以監(jiān)測暴雨產(chǎn)生的中尺度云團的生成源地、發(fā)生發(fā)展過程、移動路徑和移速，還可分析和預(yù)報降水云系的發(fā)展、影響范圍和強度，為定時、定點、定量的準(zhǔn)確預(yù)報提供諸多產(chǎn)品和信息，同時也銜接和彌補了天氣圖、數(shù)值預(yù)報和雷達(dá)短臨預(yù)報預(yù)警的不足[1-10]。實踐表明，西北地區(qū)東北部往往同一種環(huán)流條件下，由于云圖特征不同，其強降水落區(qū)也不同；相反，雖然云系特征（倒三角、反氣旋彎曲、螺旋狀等）相同，但環(huán)流配置不同，降水的落區(qū)和強度變化差異也較大。由此可見，充分發(fā)掘高分辨衛(wèi)星資料潛力，建立相應(yīng)的概念模型，對衛(wèi)星云圖資料進(jìn)行定量分析和應(yīng)用是提高西北地區(qū)東北部強降水精細(xì)化預(yù)報與服務(wù)能力的一個有效手段。

本文利用FY-2E、2G云圖和天氣圖及物理場、中尺度特征等，對發(fā)生在2012年7月21日的一次暴雨（以下簡稱“12.07暴雨”）和2017年2月21日的一次暴雪天氣過程（以下簡稱“17.02暴雪”）進(jìn)行對比分析，揭示兩次強降水過程中云圖、環(huán)流形勢和影響系統(tǒng)在演變過程中的特征和異同點。

1 強降水概況

“12.07暴雨”和“17.02暴雪”兩次強降水天氣過程，除陜西有暴雨或暴雪外，甘肅東北部、寧夏東部、山西北部等地區(qū)也出現(xiàn)強降水。其中“12.07暴雨”過程東移加強后，京津冀地區(qū)也出現(xiàn)特大暴雨，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失?！?7.02暴雪”過程前，陜西出現(xiàn)明顯的增溫，陜西的關(guān)中大部最高氣溫在20～23℃，其中關(guān)中西部的鳳翔、千陽等縣2月19日最高氣溫為24℃，就升溫這點與2004年2月19日陜西出現(xiàn)的歷史最早暴雨（有氣象記錄）有類似之處[11]。

“12.07暴雨”的強降水范圍，主要出現(xiàn)在陜北的延安中西部、榆林北部地區(qū)和陜南的漢中西部、安康東南部。先后有9縣市出現(xiàn)50 mm以上的暴雨，其中日最大降水量出現(xiàn)在榆林的府谷108 mm，甘肅環(huán)縣日最大降水量127 mm?！?7.02暴雪”的強降水范圍主要在陜北的榆林、延安和陜南東部地區(qū)。其中榆林日降雪量達(dá)16.7 mm，寧夏鹽池日降雪量達(dá)20.9 mm，均為有氣象記錄以來2月最強降雪。

2 環(huán)流形勢及云圖分析

2.1 環(huán)流形勢演變

環(huán)流分析顯示，兩次過程的天氣系統(tǒng)配置有共同特征。500 hPa圖上，強降水前期在青海湖附近低槽存在，槽前有明顯的西南氣流配合?！?2.07暴雨”青海湖附近為一個小淺槽（圖1a）?！?7.02暴雪”青海湖附近是一個較為寬廣槽區(qū)（圖2a）。700 hPa和850 hPa圖上，東高西低環(huán)流特征較為明顯。700 hPa圖上，7月20日20：00蘭州東部為一個完整的低渦環(huán)流，低壓東側(cè)維持著一支從孟加拉灣、四川、陜西直至寧夏銀川的西南向暖濕急流（以下簡稱SW），風(fēng)速8～12 m/s，具有風(fēng)向、風(fēng)速輻合特征。而2月20日20：00 700 hPa圖上，低渦位置在蘭州、青海湖附近，低渦的東側(cè)同樣維持著一支有風(fēng)速、風(fēng)向輻合的12～20 m/s SW急流帶，SW暖濕急流更加強盛。可見“17.02暴雪”的SW暖濕急流明顯強于“12.07暴雨”過程。

7月21日08：00暴雨發(fā)生時，700hPa環(huán)流圖上（圖1b），低渦中心北移至陜北與內(nèi)蒙一帶，低渦的西側(cè)偏北風(fēng)快速加強，銀川6 m/s的偏東風(fēng)急轉(zhuǎn)為12 m/s的偏北風(fēng)；低渦東側(cè)的SW暖濕急流顯著加強，太原偏南風(fēng)達(dá)16 m/s，表明水汽輸送強且有持續(xù)性。暖濕急流北伸的同時，在陜西北部、山西北部、河北北部和北京新生成了一個橫向切變線（暖式切變），這種暖式切變降水多為對流性、雨強大，在暖切變北推或東移的過程中冷空氣南下對暴雨有加強作用[12]。

圖1 “12.07暴雨”環(huán)流形勢

圖2 “17.02暴雪”環(huán)流形勢

2月21日08：00暴雪發(fā)生時，700 hPa環(huán)流圖上（圖2b），原低渦已快速東移至黃河河套上空，形成一個南北SW向的槽線，24 h東移近9個經(jīng)距，實屬罕見。槽線前部和后部的風(fēng)場變化劇烈，平?jīng)鲇? m/s的偏東南風(fēng)急轉(zhuǎn)變?yōu)?4 m/s的偏北風(fēng)，太原從10 m/s的偏南風(fēng)猛增到28 m/s，表明在西北地區(qū)東北部冬季出現(xiàn)大范圍的強降水天氣，SW暖濕急流十分活躍，冷暖空氣都非常強，而“17.02暴雪”的降水以暴雪為主。這主要是對流層中高層有寬廣的冷槽存在的緣故。

850 hPa環(huán)流圖上，兩次強降水發(fā)生前1 h，從孟加拉灣經(jīng)貴州、重慶西部、四川東部有明顯的偏南氣流配合；在山西南部、河南東部、關(guān)中南部地區(qū)均為偏東風(fēng)或偏東東南風(fēng)，僅是在風(fēng)速大小存在差異，這支偏東氣流為西北地區(qū)東北部兩次強降水過程的發(fā)展和加強提供了持續(xù)的低層輻合、抬升條件。

以上分析表明：密切關(guān)注700 hPa SW暖濕急流加強的幅度及北伸的范圍、低渦或切變線移動的速度和位置是決定兩次強降水落區(qū)、強度的關(guān)鍵。同時850 hPa偏東風(fēng)或偏東東南風(fēng)對兩次強降水低層輻合、抬升作用要引起高度重視。

2.2 云型及演變特征對比

分析兩次過程云圖演變特征（圖3）發(fā)現(xiàn)，前期云型除具有青藏高原東北側(cè)的極端暴雨云圖特征[13]外。還總體上有“廠”字型或“倒三角”型的結(jié)構(gòu)特征。且在“廠”字型或“倒三角”的頂部有明顯的反氣旋彎曲存在。其中“12.07暴雨”在我國臺灣島以南、菲律賓北洋面存在一個臺風(fēng)云系，這是高原東側(cè)易出現(xiàn)極端暴雨的一種云圖配置結(jié)構(gòu)[14]。具體分析如下：

“12.07暴雨”過程：20日 15：00的云圖（圖 3a）上，云系的頂部有明顯向東南方向一側(cè)發(fā)散云系，其中陜西北部、陜西關(guān)中西北部、寧夏南部已可清楚的分析出三條東南向的紅色云團存在，云頂亮溫TBB維持在-52℃，16：30上述3個云團進(jìn)一步加強，此時在河套底部又有一個東西向新的云團生成，20日22：00（圖3b）新生云團已發(fā)展成為東北西南向的云團，其尺度長約300 km，寬約160 km，云頂亮溫TBB為-60℃。21日02：00（圖3c）陜北西部已發(fā)展成為兩個東南向云團，03：00寧夏東部、陜西北部和山西北部已有4個東南向云團維持。04：00—08：00相關(guān)云團與河套底部大的云團合并，再次在黃河沿岸和山西北形成一個大云團，云頂亮溫TBB為-65℃，該云團又重新具有“倒三角”特征，隨后神木出現(xiàn)32.8 mm/h最大雨強，府谷出現(xiàn)27.4 mm/h最大雨強。

圖3 2次強降水過程紅外云圖（a～d為FY-2E、e～h為 2G）

“17.02暴雪”過程：20日 08：00云圖（圖 3e）上，在蘭州東南部、隴東、陜北與內(nèi)蒙一帶有明顯向東南方向發(fā)散云系，它具有高空槽云系及槽后部云團發(fā)展型特征[15]，14：00云圖上在陜西銅川、陜西榆林有兩條東西向的紅色云帶存在，21：00云圖（圖3f）上，隨著整個低槽云系東移，其“廠”字型云系情形更加明顯，在陜西榆林和甘肅慶陽一帶分別有兩條東西向的紅色云帶出現(xiàn)，在兩條紅色云帶之間還鑲嵌兩個短黃褐色的云帶，23：00（圖3g）黃褐色云帶和陜西北部的三條云帶加強明顯，21日02：00達(dá)最強，云頂亮溫TBB在-48℃，榆林03：00降雪量達(dá)3.2 mm/h。04：00在關(guān)中西北又出現(xiàn)一條東北西南向云帶，預(yù)示著該云帶東南側(cè)未來將有對流云團生成、加強、發(fā)展。06：00、08：00的云圖和關(guān)中、商州地區(qū)的降雪也印證了這點。其中商州08：00降雪量為4.8 mm/h。表明該云圖特征對預(yù)報強降水有2～3 h的提前量。

綜上所述，兩次強降水前1 h，除500 hPa在青海湖附近低槽外，700 hPa蘭州附近均有低渦存在，其低渦東側(cè)有12～20 m/s的西南急流配合，急流前端或北端已北伸至延安、太原一帶。這與陜西北部暴雨指標(biāo)（當(dāng)西安700 hPa出現(xiàn)≥12 m/s西南風(fēng)時暴雨落區(qū)將在陜西北部地區(qū)）相一致，它為兩次強降水的發(fā)生提供了大的環(huán)流背景和條件。兩次過程云系前期都有“廠”字型或“倒三角”型的特征正是對大環(huán)流背景的一個直觀反映，云圖具有頻次高、直觀等特征，為強降水預(yù)報可提供更多的短臨預(yù)報信息。特別是強降水時，在陜西北部均為東西特征相對明顯的紅色暖鋒云帶[3]，該云帶常伴有較強降水，對強降水落區(qū)標(biāo)定有較好的指示作用?？梢婈P(guān)注急流、暖式切變的位置和暖鋒云帶附近及暖鋒云帶南側(cè)的新生對流云團動態(tài)，這對短臨天氣預(yù)警來講是提早做好準(zhǔn)確預(yù)報此類強降水落區(qū)、強度的關(guān)鍵點。

3 動力診斷分析

3.1 水汽條件與能量

水汽通量的連續(xù)對比顯示，兩次強降水過程中水汽輸送以對流層中層700 hPa為一個主要水汽輸送帶，水汽輸送帶從孟加拉灣地區(qū)越過橫斷山脈，都是通過其槽前的西南暖濕氣流不斷的輸送到陜西或強降水區(qū)，它既是水汽輸送帶也是一個能量輸送帶（圖4、圖5）。其中“12.07暴雨”的水汽通量值最大高達(dá)12 g/（cm·hPa·s）。這支暖濕輸送帶還具有較強持續(xù)性，隨著強降水的鄰近，暖濕輸送帶增強十分明顯，如“12.07暴雨”和“17.02暴雪”過程中，僅以太原站為例，分別由原來8 m/s、10 m/s的偏南風(fēng)猛增至16 m/s、28 m/s，可見SW急流加強之猛。還需強調(diào)的是“12.07暴雨”的水汽輸送厚度特征顯著，500 hPa仍然非常壯觀，水汽通量值中心值最大為7 g/（cm·hPa·s）。而“17.02暴雪”的值僅為5.5 g/（cm·hPa·s）。這也能從水汽輸送角度解釋為何“12.07暴雨”后期在華北，特別是北京市區(qū)會出現(xiàn)超過330 mm以上的降水的一個原因。與此同時“12.07暴雨”還存在一個對流層低層850、925 hPa甚至1000 hPa的水汽輸送帶，其風(fēng)矢量顯示，受臺風(fēng)北上影響，從我國臺灣島東北側(cè)到山西、陜西也維持著一支水汽通道，隨著暴雨的臨近，水汽輸送更加顯著，表現(xiàn)為東南暖濕氣流不斷增強和加大，即850 hPa風(fēng)速較前一時次明顯增大。這非常有助于陜西的強降水發(fā)生，研究發(fā)現(xiàn)850 hPa偏東急流位置的變化與陜西強降水有很好的關(guān)系[16]。

圖4 2012年7月20日暴雨過程700 hPa水汽通量（a，b，c）及能量條件（d）

圖5 2017年2月20日暴雪過程700 hPa水汽通量（a，b，c）及能量條件（d）

能量分析發(fā)現(xiàn)：“12.07暴雨”700 hPa圖上原東北西南向的暖脊出現(xiàn)明顯的北伸東擴，其中68℃線已全部控制了陜西大部區(qū)域，北端已北伸至陜西延安以北，72℃線已由四川東部北伸至陜西漢中以東（圖4d），對應(yīng)850 hPa圖上，陜西整個被一個近似南北向76℃溫度暖區(qū)控制，80℃的暖中心位于陜西漢中一帶。“17.02暴雪”700 hPa圖上，暖脊北伸特征以南北向相對明顯，由原在陜南安康一帶40℃的溫度線，已北伸至陜北的延安附近（圖5d），45℃線也由四川萬源一帶北伸至陜西商州附近，相應(yīng)850 hPa圖上20℃暖脊北端北伸也十分明顯，已達(dá)寧夏銀川附近。兩次陜西強降水過程前期能量積聚顯著而持續(xù)。由于季節(jié)的差異，“12.07暴雨”在數(shù)據(jù)上明顯要強于“17.02暴雪”，這種差別在能量場更加明顯一些。

地面圖分析，兩次強降水天氣過程開始前，均在四川中南部、陜南直至整個河套頂部內(nèi)蒙南部區(qū)域，為一狹窄的熱低壓倒槽區(qū)控制。如前所述，它是由于高空大氣增溫，導(dǎo)致地面氣壓的降低或維持所引起的。

3.2 渦度和冷平流的演變分析

通過對兩次強降水過程的物理量診斷分析發(fā)現(xiàn)，兩次過程的渦度和冷平流反映明顯（圖6，圖7）。這與陜西中尺度對流復(fù)合體（以下簡稱MCC）強降水過程的一些特征有一致性[17]。其中渦度分布特征顯示，對流層高層和中低層的負(fù)渦度中心、正渦度中心與強降水落區(qū)配合很好（圖6d、7d），其形態(tài)和走勢與兩次強降水的落區(qū)十分近似，隨著暴雨的臨近、發(fā)生，正渦度中心明顯北移至強降水附近，而正渦度的增長，有利于對流的發(fā)展，也有利于產(chǎn)生暴雨的氣旋性環(huán)流維持和發(fā)展。

對流層中低層都有明顯的冷平流區(qū)配合，表現(xiàn)在以700 hPa冷平流表現(xiàn)最為明顯，且具有明顯的徑向型特征（圖6b、7b），這可能是SW偏強所造成的，其中“17.02暴雪”最強時中心值達(dá)到-40×10-3℃/s，“12.07暴雨”最強時中心值達(dá)到-8×10-3℃/s。

另外500 hPa冷平流也清晰可辨，不同的是“12.07暴雨”在河套底部的內(nèi)蒙南部表現(xiàn)明顯，演變特征為穩(wěn)定和東移；“17.02暴雪”則是在河套西部的寧夏一帶表現(xiàn)明顯，演變特征為南壓和東南移動。強降水都與冷平流最強時刻相對應(yīng)，由此可見冷平流的影響對兩次強降水過程發(fā)生有一定的觸發(fā)作用。首先是冷平流從對流層低層侵入原來低渦或切變（暖切），增加了該區(qū)域大氣的不穩(wěn)定，激發(fā)暖切或低槽的對流加強；其次冷平流起到一個冷墊作用，有利于暖濕氣流強迫抬升，使低層大氣出現(xiàn)大范圍輻合。由此可見關(guān)注對流層中低層冷平流的變化特征，也是準(zhǔn)確預(yù)報強降水落區(qū)的一個關(guān)鍵因子。

圖6 2012年7月 20日和 21日溫度平流（a，b）和渦度（c，d）

圖 7 2017年 2月 21日 08：00溫度平流（a，b）和 20日 20：00渦度（c，d）

4 結(jié)論

（1）兩次強降水過程，雖然季節(jié)差異較大，但天氣系統(tǒng)配置、云型有一定相似的特征。首先西南暖濕急流十分強盛，700 hPa平均都在10～18 m/s，滿足：當(dāng)西安出現(xiàn)≥12 m/s西南風(fēng)時，暴雨落區(qū)將在陜西北部一帶的指標(biāo)?！?7.02暴雪”要更強盛一點，最強達(dá)到28 m/s，且經(jīng)向型特征明顯。而700 hPa西南暖濕急流加強的幅度及低渦或切變線位置對強降水落區(qū)有一定指示意義。同時850 hPa偏東風(fēng)對強降水低層輻合、抬升作用要高度重視。云型總體上具有“廠”字型或“倒三角”型特征，“12.07暴雨”過程中“廠”字型或“倒三角”頂部晴空區(qū)域特征明顯，“17.02暴雪”則不清楚。

（2）云圖特征分析顯示：當(dāng)云系在東移、南壓的過程中，頂部出現(xiàn)幾條反氣旋彎曲的螺旋型云帶時，即形成紅色的暖鋒云帶。當(dāng)其右側(cè)再出現(xiàn)發(fā)展、加強的中尺度對流云團就應(yīng)高度重視，該云團產(chǎn)生強降水的可能性極高，該云團多從“廠”字空白區(qū)前部暖區(qū)發(fā)展形成，其中影響云帶（團）“12.07暴雨”為中尺度對流云團，而“17.02暴雪”則為帶狀的云帶。它比短時強降水往往提早約2～3 h出現(xiàn)。云頂亮溫特征顯示，最大小時降雨量與TBB的最低時段匹配較好。

（3）兩次強降水過程，前期能量和水汽輸送的積聚顯著而持續(xù)，“12.07暴雨”在數(shù)值上明顯要強于“17.02暴雪”，但“12.07暴雨”的持續(xù)性更好；在能量場差別更加明顯，兩者相差達(dá)約30℃，這主要是由季節(jié)差異造成的。西南暖濕急流直伸河套底部的陜西北部、山西北部形成一個暖式切變，該暖切降水多為對流性、雨強大，暖切在北推或東移過程中與冷空氣南下共同作用使暴雨往往發(fā)展、加強。對應(yīng)云圖顯示，云型和強降水對流云團緊隨切變移動加強和發(fā)展，即云系向影響系統(tǒng)適應(yīng)或者說影響系統(tǒng)領(lǐng)先于云圖出現(xiàn)，可以借鑒模式預(yù)報的風(fēng)場和加密地面風(fēng)場實況預(yù)則云系未來的演變，再進(jìn)一步預(yù)測降水強度及落區(qū)。

（4）兩次強降水加強、發(fā)展與冷平流最強時刻對應(yīng)較好，暴雪過程的冷平流明顯強于暴雨過程，這也是季節(jié)原因造成的。可見冷平流的影響對兩次強降水過程發(fā)生、發(fā)展起著一個觸發(fā)和加強作用，冷平流多從西側(cè)或西北側(cè)侵入強降水區(qū)域發(fā)揮作用。冷平流分布特征與強降水落區(qū)有一致性。密切關(guān)注對流層中低層冷平流的路徑和強弱是準(zhǔn)確預(yù)測強降水落區(qū)出現(xiàn)的一個關(guān)鍵因子。