陜南東部一次短時強降水天氣的成因分析*

徐娟娟，郝 麗，屈麗瑋，胡啟元

(1.陜西省氣象臺，陜西 西安 710016；2.陜西省氣候中心，陜西 西安 710016)

1 引言

局地短時強降水(降雨量≥20 mm/h)天氣具有明顯的中小尺度特征，它影響的范圍小，歷時短，降水強度大，具有很強的破壞性。特別是對地質條件比較特殊的地區(qū)來說，短時強降水天氣對人們的生命安全和財產(chǎn)損失危害更大。例如2010年8月8日甘肅舟曲出現(xiàn)了特大山洪地質災害，主要原因[1]是短時強降水加上舟曲的地質條件比較差，兩者結合共同造成的。這種由于地質條件差和短時降水比較強造成災害比較大的個例在陜西也是比較突出的，因此對這類天氣進行了大量研究。慕建利[2]、畢寶貴[3]的研究認為2002年6月8日陜南佛坪特大暴雨，秦嶺山脈對降水的強度有很大的影響， 即秦嶺山脈使秦嶺山區(qū)、 漢江河谷一帶降水量增加，秦嶺山脈地形也是造成特大災害的主要因素。劉子臣[4]、井喜[5]對陜北黃土高原局地特大暴雨進行了分析，認為臺風遠距離輸送水汽是產(chǎn)生特大暴雨的主要原因。劉勇[6]對2012年7月27日陜北佳縣局地特大暴雨進行了分析，認為高空200 hPa陜西北部位于淺槽的前部，急流入口區(qū)的右側，存在著正渦度平流，這一區(qū)域有著強烈的輻散，提供了較強的上升運動，是特大暴雨產(chǎn)生的主要機制。由于陜北、陜南地形復雜，地質條件較差，短時強降水容易造成局地的特大災害，因此對這類天氣需要深入研究。

2017年4月15日20時—16日08時，陜西省安康市的白河、平利、鎮(zhèn)坪、嵐皋、旬陽、漢濱區(qū)等地出現(xiàn)短時強降水天氣，其中白河縣冷水河流域所轄的西營鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)降水最為集中。15日20時—16日08時，西營鎮(zhèn)累計降水量為85.4 mm，雙河鎮(zhèn)為66.5 mm，麻虎鎮(zhèn)46.3 mm，還有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量在30mm以上。其中15日22時雙河鎮(zhèn)雨強為48.8 mm/h，23時西營鎮(zhèn)雨強為39.7 mm/h，茅坪鎮(zhèn)雨強為23.4 mm/h。這次短時強降水天氣造成白河縣3 000余人受災，500多人緊急轉移，基礎設施損毀嚴重，部分地區(qū)的電力、道路中斷。由于春季局地這么強的降水還是比較少見，預報員重視不夠，再加上這次過程冷空氣比較弱，水汽條件一般，對不穩(wěn)定能量對暴雨的作用考慮欠佳，因此對此次過程的短期、短時預報都出現(xiàn)了較大的失誤。局地短時強降水天氣是否可以通過分析大尺度環(huán)流形勢和物理量進行預報？希望通過分析找出局地短時強降水的一些特征，為今后預報此類天氣提供可靠的參考依據(jù)。

2 局地短時強降水的云圖特征

2017年4月15日18時的FY-2紅外云圖，在陜南的東部安康地區(qū)開始有對流云生成，尺度很小。20時(圖1a)對流云已經(jīng)發(fā)展成中-β尺度的云團，水平尺度增大到70 km，云頂亮溫TBB為-47℃，嵐皋四季鎮(zhèn)出現(xiàn)10.1 mm/h的降水。21時(圖1b)，對流云團繼續(xù)發(fā)展，水平尺度為100 km，結構緊密，呈橢圓狀，云頂亮溫TBB為-58 ℃，云團的覆蓋面積明顯增大。對流云團給安康漢濱區(qū)的雙龍鎮(zhèn)、嵐皋的石門鎮(zhèn)帶來約為16 mm/h的降水。

圖1 2017年4月15日20時(a)、21時(b)、22時(c)和23時(d)FY-2G TBB云頂亮溫Fig.1 Analysis of TBB graphic from FY-2G satellite at (a) 20∶00, (b) 21∶00, (c) 22∶00, (d) 23∶00, BJ 15 Apr 2017

22時(圖1c)，位于安康的中-β尺度對流云團水平尺度已經(jīng)增大到160 km，呈橢圓狀，云頂亮溫TBB為-56 ℃。較20時的對流云團位置有所東移。白河的雙河鎮(zhèn)雨強達48.8 mm/h，西營鎮(zhèn)為29.7 mm/h，另外安康的平利、旬陽局地也出現(xiàn)了短時強降水。23時(圖1d)，中-β尺度對流云團繼續(xù)發(fā)展，橢圓狀，水平尺度約為200 km，云頂亮溫TBB為-56 ℃，對流云團的結構比較緊密，說明對流仍然很強。此時對流云團造成白河縣的5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均出現(xiàn)了短時強降水，其中最大為西營鎮(zhèn)39.7 mm/h。24時，對流云團的一部分已經(jīng)移出安康地區(qū)，但是白河的東部仍然受對流云團的影響，在構扒鎮(zhèn)出現(xiàn)26.3 mm/h的短時強降水。16日01時白河縣國家站降水達到14.9 mm/h。02時影響白河的中-β尺度對流云團逐漸東移，白河的降水明顯減弱。中尺度云團在河南南部維持到05時才消散。

根據(jù)逐時FY-2紅外云圖的演變情況來看，造成白河的短時強降水天氣的是中-β尺度對流云團，水平尺度為100～200 km，云頂亮溫TBB最低為-56 ℃，生命史為10 h，中尺度特征明顯。

3 環(huán)流背景分析

2017年4月15日20時500 hPa圖上(圖2)，巴湖到我國東海為兩脊一槽，脊線分別位于巴湖和東海附近，河套西部到西藏東部為一寬廣的槽，新疆高脊前不斷有冷空氣分裂南下、東移，影響西北地

區(qū)東部。在南海附近，副熱帶高壓較弱，588 dagpm位于我國海南島—臺灣島附近。高層300 hPa，位于安康南部的重慶在15日08時為4 m/s西北風，與安康之間有氣流輻散。到20時重慶300 hPa西北風增加到16 m/s，與安康之間的氣流輻散明顯加強。高空輻散有利于對流形成。

圖2 2017年4月15日20時500 hPa高空圖Fig.2 Analysis of 500 hPa height field at 20:00 BJ 15 Apr 2017

15日20時700 hPa(圖3a)，我國西南地區(qū)為一低渦，沿低渦東北部有一切變線，切變線南部主要是西南風或東南風，切變線北部主要為西北風。安康附近為東風，沒有急流形成，在西安—安康之間有較強的鋒區(qū)。15日20時850 hPa(圖3b)，陜西南部到我國西南地區(qū)為一低值區(qū)，從貴陽—湖北北部存在一切變線，切變線南側為南風，切變線北側為東北風。在陜西安康附近存在著明顯的風向輻合，低層輻合抬升條件較好。

圖3 2014年4月15日20時700 hPa(a)和850 hPa(b)高度場(黑實線，單位dagpm)、風場(鳳羽，單位m·s-1)和溫度(黑色數(shù)值，單位℃)疊加圖Fig.3 The 700hPa (a) and 850hPa (b) geopotential height field (black contour, unit: dagpm), wind field (wind feather, unit: m·s-1), temperature field (black value, unit:℃) at 20:00 BJ 15 Apr 2017

春季副熱帶高壓比較弱，陜南東部低層南風沒有形成急流，水汽條件不是太好。但是低層850 hPa存在著明顯的風向輻合，南部的南風，攜帶著比較充沛的水汽，存在著大量不穩(wěn)定能量。中層有弱冷空氣東移南下，鋒區(qū)壓在陜西中南部，高空300 hPa安康和重慶之間氣流輻散在15日20時增強，為強對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了比較有利的條件。

4 局地短時強降水成因分析

4.1 中層弱冷空氣的作用

從各層溫度平流可以看出，中、低層弱冷空氣對陜南地區(qū)的侵入，是局地短時強降水天氣的觸發(fā)機制。15日20時(圖4)，500 hPa陜西中南部有弱冷空氣活動，在安康西部冷平流強度為-2×10-5℃·s-1，在安康東部有暖平流，強度為2×10-5℃·s-1，安康位于中層較強鋒區(qū)附近。850 hPa，在安康西部為冷平流，強度為-2×10-5℃·s-1，東部有暖平流，強度為4×10-5℃·s-1，安康附近的冷暖平流分布與500 hPa相似，也存在冷暖交匯的顯著特征，有較強的鋒區(qū)。來自西北方向的500 hPa弱冷空氣觸發(fā)了低層不穩(wěn)定能量的爆發(fā)。在對流發(fā)生時，中層冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上，有利于對流的發(fā)生發(fā)展。

4.2 水汽條件分析

這次短時強降水主要發(fā)生在安康東部，白河縣出現(xiàn)了較強降水和災害。發(fā)生的時間集中在15日20時—16日02時，因此15日20時的低層水汽條件的分布比較真實的反映了各層水汽對短時強降水的貢獻。15日20時，700 hPa水汽通量圖上，安康附近為東南風，水汽通量為20～30 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽條件一般。850 hPa 安康東部仍然是東南氣流，但是水汽比較充沛，安康水汽通量(圖5a)為20～40 g·cm-1·hPa-1·s-1，安康白河及東部水汽通量(圖5a)為60～80 g·cm-1·hPa-1·s-1?？傮w來講，陜南安康附近低層水汽條件不是很好， 850 hPa水汽條件相對好一些。

圖4 2017年4月15日20時500 hPa溫度平流(單位：10-5℃·s-1,圖中黑色三角為安康白河站)Fig.4 The temperature advection(unit: 10-5℃·s-1) on 500 hPa at 20∶00 BJ 15 Apr 2017. (black triangle:the location of Baihe station)

圖5 2017年4月15日20時 850 hPa水汽通量(a,單位：g·cm-1·hPa-1.s-1)和水汽通量散度(b,單位：7g·cm-2·hPa-1·s-1，圖中黑色三角為安康白河站 (110.12°E，32.82°N)Fig.5 The 850 hPa water vapor flux (a, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and moisture flux divergence (b, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) at 20:00 BJ 15 Apr 2017(black triangle :the location of Baihe station)

從水汽通量散度來看，15日20時安康附近的700 hPa水汽通量散度為0～1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，水汽為輻散，說明700 hPa水汽對安康東部短時強降水的貢獻很小。850 hPa安康附近的水汽通量散度(圖5b)為-4×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，水汽輻合很強，安康東部的短時強降水顯然和低層850 hPa水汽供給有顯著關系。

4.3 局地短時強降水的層結分析

從15日20時安康探空資料可以看出(圖6)，安康的對流有效位能CAPE為788.1 J·kg-1，θse500-θse850為-15 ℃，沙氏指數(shù)為-4.27，K指數(shù)為40。這些指標說明安康地區(qū)存在大量不穩(wěn)定能量，對短時強降水的產(chǎn)生非常有利。另外，安康低層為8 m/s東風，高層250 hPa為22 m/s西北風，垂直風切變比較大，有利于強對流發(fā)展。與此同時，重慶的對流有效位能CAPE為1293.4 J·kg-1，θse500-θse850為-15 ℃，沙氏指數(shù)為-5.14，K指數(shù)為41。大氣為對流不穩(wěn)定，說明在安康南部的對流不穩(wěn)定更強。另外從安康層結曲線來看，安康低層700 hPa以下的相對濕度比較小，說明低層比較干，700 hPa以上相對濕度明顯增大，并沒有出現(xiàn)“上干冷、下暖濕”有利于“干”對流發(fā)展的條件。實際上，從水汽通量圖可以看出，安康和白河之間水汽條件存在著明顯的差異，即安康低層的水汽條件明顯比白河差，因此用安康的低層水汽條件完全代替白河是不準確的。白河地區(qū)低層具有較大的水汽通量，當中層弱冷空氣觸發(fā)對流產(chǎn)生時，低層的水汽比較充沛，有利于對流的發(fā)生發(fā)展。對流主要是濕對流。

圖6 2017年4月15日20時安康探空圖Fig.6 The T-lnp diagram of Ankang station at 20∶00 BJ 15 Apr 2017

4.4 上升運動

15日20時沿33°N的散度垂直剖面圖上(圖7a)，在安康附近(33°N，109°E)低層有輻合，量值為-1～-2×10-5s-1。高層300 hPa有較強的輻散，量值為2×10-5s-1，但是200 hPa附近又出現(xiàn)了輻合。這種高低空配置不是十分有利于強上升運動的產(chǎn)生，200 hPa附近出現(xiàn)的輻合抑制了強對流的進一步發(fā)展，這一點可以通過安康附近的垂直速度反映出。

圖7 2017年4月15日20時沿33°N散度剖面圖(a，單位：10-5 s-1) 和垂直速度剖面圖(b，單位：10-3 hPa.s-1，圖中黑色三角為安康白河站 (110.12°E，32.82°N))Fig.7 The height-longitude cross section of (a) divergence (unit: 10-5 s-1) and (b) vertical wind (unit: 10-3hPa·s-1) at 20∶00 BJ 15 Apr 2017 along 33°N (black triangle :the location of Baihe station)

沿33°N的垂直速度剖面圖(圖7b)上，15日20時在陜南安康地區(qū)上空為上升運動，最大上升速度在400 hPa，量值為-3×10-3hPa·s-1，上升的高度在300 hPa左右，說明上升運動不是很強，主要原因是安康高空200 hPa出現(xiàn)了不利于強對流發(fā)生發(fā)展的環(huán)流形勢。由于低層存在著較強的不穩(wěn)定能量，850 hPa的水汽比較充沛，輻合較強，上升運動雖然不是很強，但是仍然給安康東部造成局地短時強降水天氣。

5 地質條件對災害的影響

白河位于陜南東部，地勢南高北低，山脈與溝相間，無一處百畝平地。由于地形多山地，在大部分地區(qū)短時間內(nèi)都出現(xiàn)了短時強降水，很容易造成山洪、泥石流災害。在這種地質條件下，特別要注意大面積短時強降水的發(fā)生。

6 結論

①安康東部短時強降水具有明顯的中尺度特征。在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為水平尺度為100～200 km，云頂亮溫TBB最低為-56 ℃，生命史為10 h的中-β尺度對流云團。與暴雨云團相比，短時強降水的中尺度云團尺度偏小，局地性更強。

②500 hPa弱冷空氣東移，與低層東南暖濕氣流交匯在陜南東部，觸發(fā)對流產(chǎn)生。中層弱冷空氣與低層東南暖濕氣流在垂直方向上疊加，構成位勢不穩(wěn)定，形成強對流天氣。低層存在大量不穩(wěn)定能量是短時強降水產(chǎn)生的必要條件，而暴雨的產(chǎn)生有時對低層不穩(wěn)定能量的要求不高，比如秋季連陰雨中產(chǎn)生的暴雨。

③850 hPa東南氣流提供了比較充沛的水汽。雖然700 hPa水汽條件一般，但850 hPa的水汽條件較好，從降水的實際情況來看，能夠滿足局地短時強降水天氣對水汽條件的要求。與暴雨需要充沛的水汽條件相比，局地短時強降水對水汽條件要求相對比較低。

④高空200 hPa氣流輻合雖然不利于上升運動的發(fā)展，但是高空300 hPa輻散和低層850 hPa的輻合，使得安康東部仍然維持一定的上升運動，為局地短時強降水的產(chǎn)生提供了較有利的條件。此次上升運動不是很強，但是對流卻產(chǎn)生了很強的降水，說明低層較強不穩(wěn)定能量在對流發(fā)生發(fā)展過程中起到了重要作用。