陜北黃土高原夏季2次典型強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境參量對(duì)比

劉慧敏，李曉利，張建康，任 琦

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

關(guān)于強(qiáng)對(duì)流天氣的分析，國(guó)內(nèi)氣象工作者已有許多研究成果，許愛(ài)華等[1]通過(guò)對(duì)2000年以來(lái)全國(guó)近百次強(qiáng)對(duì)流個(gè)例的環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行分析，提出中國(guó)強(qiáng)對(duì)流天氣的五種類別；樊李苗等[2]分析了中國(guó)短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣的探空環(huán)境參數(shù)，對(duì)不同強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了區(qū)分；鄭媛媛等[3]對(duì)安徽不同類型大尺度背景下的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警研究；孫繼松等[4]對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣分析與預(yù)報(bào)中的若干基本問(wèn)題進(jìn)行了分析和歸納，以加深對(duì)大氣科學(xué)基礎(chǔ)理論的深刻理解和正確應(yīng)用。高曉梅等[5]對(duì)魯中地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行分類，分別給出環(huán)境參量預(yù)報(bào)閾值。

陜北黃土高原地處西北內(nèi)陸，近年來(lái)極端降水頻繁發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大影響。對(duì)發(fā)生在陜北黃土高原榆林市主城區(qū)兩次不同類型的極端強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程(2013年8月4日，簡(jiǎn)稱“8·4過(guò)程”；2017年7月23日，簡(jiǎn)稱“7·23過(guò)程”)進(jìn)行對(duì)比分析，尋找天氣系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)境參量的異同點(diǎn)，為做好短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)預(yù)警積累經(jīng)驗(yàn)。

1 資料選取和處理

選取資料為MICAPS常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，選取時(shí)次為與強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生最接近的時(shí)間。在具體分析中，榆林沒(méi)有探空站，因此選取距離最近的東勝站和延安站的探空資料進(jìn)行數(shù)據(jù)融合(榆林北部是東勝站，南部是延安，榆林與兩者的距離都是200 km)，便于對(duì)榆林高空氣溫、濕度、風(fēng)場(chǎng)等氣象要素的垂直配置變化進(jìn)行連續(xù)性分析，計(jì)算使用兩站的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行線性內(nèi)插。

2 天氣過(guò)程簡(jiǎn)述

2013年8月4日18：00—20：00，榆林市區(qū)出現(xiàn)極端強(qiáng)對(duì)流天氣。主城區(qū)狂風(fēng)暴雨伴隨拳頭大的冰雹，市中心廣場(chǎng)站監(jiān)測(cè)到的極大風(fēng)速為34.2 m/s，風(fēng)力等級(jí)達(dá)臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))級(jí)別；榆陽(yáng)區(qū)馬合鎮(zhèn)2 h降水量達(dá)108.6 mm；榆陽(yáng)氣象站觀測(cè)到的冰雹直徑為17 mm，50 min降水量達(dá)47.6 mm，10 min最大降水量達(dá)16.9 mm。冰雹砸壞車輛和房屋玻璃，暴雨導(dǎo)致城市內(nèi)澇，受大風(fēng)影響多處電力和通訊線路中斷。

2017年7月23日16：00—19：00，榆林市區(qū)出現(xiàn)短時(shí)對(duì)流性大暴雨，市中心廣場(chǎng)站16:33—17:13降雨量64.8 mm，分鐘最大雨量5.5 mm。突發(fā)性暴雨導(dǎo)致紅山路被大水全部沖毀，兩側(cè)房屋倒塌，經(jīng)濟(jì)損失慘重。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，“8·4過(guò)程”是混合型強(qiáng)對(duì)流天氣，既有大風(fēng)，同時(shí)還有冰雹、暴雨出現(xiàn)?！?·23過(guò)程”是極端強(qiáng)降水天氣。兩次過(guò)程都具有局地性強(qiáng)、歷時(shí)短、強(qiáng)度大、災(zāi)情重的特點(diǎn)，是近年來(lái)少見(jiàn)的極端強(qiáng)對(duì)流天氣。

3 環(huán)流背景

3.1 “8·4過(guò)程”

2013年8月4日08時(shí)200 hPa西風(fēng)帶高空急流位于40°N。500 hPa天氣圖上(圖1a，圖見(jiàn)第26頁(yè))，亞洲中高緯度為平直西風(fēng)氣流有小波動(dòng)，槽區(qū)位于115 °E～117 °E。貝加爾湖底部有冷空氣分裂南下，在內(nèi)蒙古東部115°E形成低于-12 ℃的冷中心，副高588 dagpm線位于長(zhǎng)江流域，青藏高壓中心偏東，強(qiáng)度較弱，僅在500 hPa以下有閉合環(huán)流。700 hPa河套西部有西風(fēng)和西南風(fēng)之間的切變線，切變線兩側(cè)均為干區(qū)，無(wú)明顯的溫度、濕度差異，溫度露點(diǎn)差大于20 ℃。850 hPa河套西部也有弱切變線，位置較700 hPa切變線位置偏西。地面圖上，河套西部為熱低壓，榆林處于低壓前部的偏南氣流中。從環(huán)流形勢(shì)的垂直分布來(lái)看，榆林上空為前傾槽配置，500 hPa以上是干冷層，700 hPa為干區(qū)，850 hPa以下是暖濕層。地面上有較強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)輻合，露點(diǎn)鋒過(guò)境觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流天氣。

3.2 “7·23過(guò)程”

2017年7月23日08時(shí)200 hPa天氣圖(圖略)上，南亞高壓較為強(qiáng)盛，控制40°N度以南大陸地區(qū)，高空急流位于40°N～50°N，亞洲中高緯為西風(fēng)氣流。500 hPa(圖1b)副熱帶高壓強(qiáng)盛北擴(kuò)，588 dagpm線西伸北抬至95°E，40°N。西風(fēng)槽位于蒙古國(guó)至甘肅西部，河套上游有弱冷空氣東移，榆林位于副熱帶高壓邊緣西南氣流中，西南風(fēng)達(dá)16 m/s。700 hPa河套地區(qū)有西風(fēng)與西南風(fēng)之間的切變線，風(fēng)速4～10 m/s ；850 hPa 銀川與延安之間有橫切變，切變線兩側(cè)風(fēng)速均為8 m/s。榆林上空整層較暖，中高層較干，有弱冷空氣活動(dòng)，中低層為暖濕氣流。地面處于倒槽北端，有弱的風(fēng)場(chǎng)輻合。熱力抬升觸發(fā)局地對(duì)流性暴雨。

3.3 2次過(guò)程環(huán)流背景的異同點(diǎn)

相同點(diǎn)：西風(fēng)帶急流位于40°N附近，副高比較強(qiáng)盛，天氣影響區(qū)內(nèi)低層具有高溫、高濕和不穩(wěn)定層結(jié)的特征。不同點(diǎn)：冷空氣的影響方式有差異。“8·4過(guò)程”發(fā)生在前傾槽形勢(shì)下，貝加爾湖底部-12 ℃強(qiáng)冷空氣影響榆林，850 hPa有較強(qiáng)暖平流，形成了不穩(wěn)定層結(jié)和較大的不穩(wěn)定能量，且地面有較強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)輻合和露點(diǎn)鋒。“7·23過(guò)程”發(fā)生在副高588 dagpm線內(nèi)部的高溫高濕環(huán)境下，中低層存在切變線，大尺度風(fēng)場(chǎng)輻合較弱，地面處于倒槽北端，且有北路弱冷空氣影響，地面熱力抬升觸發(fā)局地性強(qiáng)的對(duì)流性暴雨。

4 對(duì)流特征分析

形成對(duì)流的三個(gè)條件是水汽、不穩(wěn)定層結(jié)和抬升力。

4.1 不穩(wěn)定條件

分別用T850-500(靜力不穩(wěn)定)、θse(850-500)(位勢(shì)不穩(wěn)定)、CAPE(對(duì)流有效位能)分析兩次過(guò)程的不穩(wěn)定條件。8月4日08時(shí)T850-500為28 ℃，7月23日08時(shí)為23 ℃，“8·4過(guò)程”500 hPa更冷，靜力不穩(wěn)定更強(qiáng)。8月4日08時(shí)θse(850-500)是21 ℃，7月23日08時(shí)是20 ℃，兩次過(guò)程都處于盛夏，位勢(shì)不穩(wěn)定都比較強(qiáng)。8月4日08時(shí)，東勝探空站CAPE值達(dá)到1 587 J/kg。7月23日08時(shí)延安探空站達(dá)到1 499 J/kg，兩次過(guò)程均有較大的對(duì)流有效位能，“8·4過(guò)程”的對(duì)流抑制大于“7·23過(guò)程”?！?·4過(guò)程”整層比較干，沒(méi)有明顯的濕層，0 ℃層較低，位于600 hPa?！?·23過(guò)程”600 hPa以下為濕層，0 ℃層較高，位于500 hPa” (圖2，圖見(jiàn)第26頁(yè))。

4.2 水汽條件

地面露點(diǎn)溫度表征近地層水汽的飽和程度，比濕和濕層厚度表征對(duì)流發(fā)生區(qū)上空的水汽含量，水汽通量散度表征水汽輸送的輻合能力。

8月4日08時(shí)，榆林站地面(1.5 m)露點(diǎn)溫度為15 ℃。17時(shí)對(duì)流發(fā)生前增大到21 ℃，露點(diǎn)溫度出現(xiàn)躍增，低層濕度進(jìn)一步增大。7月23日08時(shí)，榆林地面(1.5 m)露點(diǎn)溫度為20 ℃。14時(shí)對(duì)流發(fā)生前下降到18 ℃，地面更為干熱。地面露點(diǎn)溫度變化表明，“8·4過(guò)程”強(qiáng)對(duì)流天氣臨近時(shí)，露點(diǎn)溫度增加，低層的溫度濕度增大，有利于積聚更多的能量?！?·23過(guò)程”強(qiáng)對(duì)流天氣臨近時(shí)，地面溫度升高，露點(diǎn)溫度降低，低層暖干，有利于熱力對(duì)流的產(chǎn)生。兩次過(guò)程的比濕分布顯示，“8·4過(guò)程”天氣區(qū)上空的水汽含量最大層位于850 hPa，達(dá)到13.4 g/kg，只在地面到850 hPa有濕層；“7·23過(guò)程”最大比濕達(dá)到17 g/kg，濕層位于850～700 hPa。7月23日天氣區(qū)的中低層比濕大于8月4日的中低層比濕，濕層比8月4日偏厚。本地水汽條件“7·23過(guò)程”優(yōu)于“8·4過(guò)程”。

分析兩次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生之前(當(dāng)日08—14時(shí))水汽輸送能力(水汽通量散度和流場(chǎng)相配合)發(fā)現(xiàn)，8月4日08時(shí)，水汽通量散度輻合區(qū)的水平范圍較大，37°N～43°N均為輻合區(qū)，中心輻合區(qū)位于39°N～40°N。在天氣區(qū)的北側(cè)，最大水汽通量散度達(dá)-7×10-7g/(cm2·hPa·s)。垂直方向上有2個(gè)輻合層，低層輻合較強(qiáng)，位于地面到750 hPa；中層輻合較弱位于600～300 hPa。流場(chǎng)上表現(xiàn)為一致的上升氣流。14時(shí)，低層的中心輻合值減小到-2.5×10-7g/(cm2·hPa·s)，輻合層增厚到600 hPa；中層輻合值增大到-0.5×10-7g/(cm2·hPa·s)。流場(chǎng)仍表現(xiàn)為一致的上升氣流。20時(shí)是強(qiáng)天氣發(fā)生時(shí)段，低層輻合再次增大到-7×10-7g/(cm2·hPa·s)，輻合中心進(jìn)一步接近天氣區(qū)；且天氣區(qū)北側(cè)40°N形成較強(qiáng)的下沉氣流，對(duì)天氣區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)有補(bǔ)償作用。

7月23日08時(shí)，38°N強(qiáng)天氣區(qū)已有水汽通量輻合中心，輻合區(qū)水平范圍為37°N～39°N；垂直高度達(dá)550 hPa，中心為-8×10-7g/(cm2·hPa·s)，位于850 hPa。流場(chǎng)上表現(xiàn)為上升氣流。14時(shí)，水汽通量散度的輻合中心北移到40°N，中心為-3×10-7g/(cm2·hPa·s)。從流場(chǎng)可以看到天氣區(qū)及其北側(cè)形成雙垂直環(huán)流圈，35°N和40°N為下沉支，38°N(天氣區(qū))為強(qiáng)的上升支。流場(chǎng)中下沉氣流的反饋?zhàn)饔糜欣谔鞖鈪^(qū)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，并將低層的水汽輸送到自由對(duì)流高度(750 hPa附近)，高于抬升凝結(jié)高度(850 hPa)，有利于水汽的凝結(jié)，形成了中低層水汽的強(qiáng)輻合。

兩次過(guò)程的水汽通量散度分析表明，“7·23過(guò)程”具有更強(qiáng)的水汽輻合。流場(chǎng)上表現(xiàn)為天氣區(qū)的南北兩側(cè)分別有下沉氣流對(duì)天氣區(qū)的上升氣流形成補(bǔ)償，有利于天氣區(qū)水汽的垂直輸送。

4.3 觸發(fā)和抬升條件

雷暴的觸發(fā)需要大氣低層有持續(xù)的上升氣流[5]。有組織的垂直風(fēng)切變有利于形成較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，是對(duì)流發(fā)生強(qiáng)度的關(guān)鍵參量。地面切變輻合形成的動(dòng)力抬升和加熱形成的熱力抬升是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的觸發(fā)條件。

“8·4過(guò)程”風(fēng)的垂直切變計(jì)算表明，榆林北部的東勝探空站850～500 hPa風(fēng)矢量差最大為15.1 m/s，達(dá)到中等以上較強(qiáng)垂直風(fēng)切變[2]。在地面天氣圖上可以分析出明顯的干線(露點(diǎn)鋒)過(guò)境，并且對(duì)流發(fā)生前本站地面風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，風(fēng)力達(dá)到4 m/s。較大的風(fēng)場(chǎng)輻合形成的動(dòng)力抬升，觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生?！?·23過(guò)程”經(jīng)計(jì)算東勝850～500 hPa風(fēng)矢量差為14.0 m/s，屬于弱的垂直風(fēng)切變[2]。在地面天氣圖上有弱的切變輻合系統(tǒng)，對(duì)流發(fā)生前地面風(fēng)場(chǎng)由西南風(fēng)2 m/s轉(zhuǎn)為西北風(fēng)2 m/s，說(shuō)明有風(fēng)場(chǎng)弱輻合。午后最高溫度升到32.6 ℃，對(duì)流首先由熱力抬升觸發(fā)，隨后與850 hPa切變線相結(jié)合，形成了深厚的濕對(duì)流強(qiáng)降水。

5 關(guān)鍵環(huán)境參量的預(yù)報(bào)參考閾值

從與強(qiáng)對(duì)流有關(guān)系的各種環(huán)境參量中，提取分別反映不穩(wěn)定能量、抬升力和水汽條件的11項(xiàng)主要因子(表1)。將兩次過(guò)程的各個(gè)因子比較可以看出，兩次過(guò)程發(fā)生前都具有地面溫度和露點(diǎn)溫度較高,比濕較大, CAPE較大和垂直風(fēng)切變、水汽通量輻合較大，表征位勢(shì)不穩(wěn)定的θse(850-500)均大于20 ℃。但是兩次強(qiáng)對(duì)流天氣的部分環(huán)境參量還是有很大的不同，這也許是區(qū)分對(duì)流性強(qiáng)降水和混合性對(duì)流天氣的重要因素，可作為強(qiáng)對(duì)流天氣分類預(yù)報(bào)的參考閾值。主要表現(xiàn)為：“8·4過(guò)程”有較強(qiáng)的地面風(fēng)場(chǎng)輻合，700 hPa有干層，T(850-500)明顯高于“7·23過(guò)程”，體現(xiàn)了高層干冷的特征。可見(jiàn)對(duì)于“8·4過(guò)程”，除了必備的能量和不穩(wěn)定層結(jié)外，需要700 hPa干層和地面較大的風(fēng)速輻合。“7·23過(guò)程”較“8·4過(guò)程”的顯著不同之處是θse850和比濕更大，700 hPa沒(méi)有干層，500 hPa沒(méi)有強(qiáng)冷中心，中低層均為濕熱型，這類過(guò)程容易產(chǎn)生對(duì)流性暴雨。

6 結(jié)論與討論

(1)兩次過(guò)程都發(fā)生在盛夏，西風(fēng)帶急流位于40°N，副高588 dagpm線西伸到110°E以西，低層高溫高濕的環(huán)境和高空急流的抽吸作用是形成強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)流背景。兩次極端強(qiáng)對(duì)流天氣都具有尺度小、強(qiáng)度大、歷時(shí)短、災(zāi)情重的特點(diǎn)。

表1 兩次強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)鍵環(huán)境參量

(2)兩種類型強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)鍵參量相同點(diǎn)是，過(guò)程發(fā)生前地面溫度和露點(diǎn)溫度均較高，850 hPa比濕較大，CAPE接近1 500 J/kg，垂直風(fēng)切變大于14 m/s，水汽通量散度小于-7×10-7g/(cm2·hPa·s)，表征位勢(shì)不穩(wěn)定的θse850-500均大于20 ℃。

(3)兩次強(qiáng)對(duì)流天氣的部分環(huán)境參量有很大不同，這也許是區(qū)分對(duì)流性強(qiáng)降水和混合性對(duì)流天氣的重要因子。主要表現(xiàn)在：“8·4過(guò)程”有較強(qiáng)的地面風(fēng)場(chǎng)輻合，700 hPa有干層，T850-500明顯高于“7·23過(guò)程”，體現(xiàn)了中高層干冷的特征。對(duì)于類似“8·4過(guò)程”的混合型強(qiáng)對(duì)流天氣，除了具備必要的能量和不穩(wěn)定層結(jié)外，需要700 hPa干層和地面較大的風(fēng)速輻合?！?·23過(guò)程”較“8·4過(guò)程”θse850和比濕更大，700 hPa沒(méi)有干層，500 hPa沒(méi)有強(qiáng)的冷中心，中低層均為濕熱型，這類天氣容易產(chǎn)生對(duì)流性暴雨。