陜西秦嶺北麓致災短時暴雨特征及預警技術(shù)

畢 旭，王 麗，張雅斌，雷曉英，羅 慧，馬利平

(1.西安市氣象局，陜西 西安710016；2.西安理工大學，陜西 西安710048)

秦嶺北麓一帶地形坡度大，周邊河流峪口眾多，是洪澇災害高暴露區(qū)和脆弱區(qū)[1]，強降水次生衍生災害頻發(fā)[2-4]。隨著“一帶一路”亞歐合作交流國際大都市與國家中心城市建設(shè)，西安周邊氣象次生衍生災害潛在風險增大。2015年8月3日，西安出現(xiàn)短時大暴雨天氣(簡稱“0803”暴雨過程)，多個區(qū)縣雨量突破歷史極值，山洪泥石流引發(fā)嚴重人員傷亡和基礎(chǔ)設(shè)施破壞。其中，泥石流漫道導致隴海鐵路西安段連續(xù)中斷2 d，長安區(qū)王莽街道小峪河村突發(fā)山洪，多人傷亡失蹤。2016年7月24日，西安城區(qū)出現(xiàn)破歷史記錄的暴雨(簡稱“0724”暴雨過程)，并引發(fā)嚴重城市內(nèi)澇，導致地鐵小寨站進水關(guān)閉，附近交通癱瘓，咸陽機場多趟航班延誤或取消。以上兩次暴雨過程人員傷亡和經(jīng)濟損失嚴重，極端性強，社會影響大。

氣象工作者從不同角度出發(fā)對西安周邊強降水天氣進行了大量分析研究[5-12]。近年來，時間、空間高分辨率觀測手段為進一步深入暴雨中尺度特征規(guī)律認識提供了更為豐富細致的資料[13-17]。本文應用自動氣象站、風云衛(wèi)星、多普勒雷達資料和高分辨水文模型，結(jié)合預報預警服務和災情實況調(diào)查，分析總結(jié)“0803”、“0724”暴雨過程，以期進一步深化陜西秦嶺北麓致災短時暴雨特征規(guī)律認識，提高極端天氣及其次生衍生災害精細化預警服務水平。

1 天氣實況與災情

2015年“0803”暴雨過程發(fā)生之前，連續(xù)10 d西安每日最高氣溫均在37 ℃以上，8月2日最高氣溫超過40 ℃。3日午后，西安多云轉(zhuǎn)陰，中南部區(qū)縣在傍晚前后出現(xiàn)短時暴雨(圖1a)。期間，長安區(qū)引鎮(zhèn)大峪17-18時降雨86.3 mm/h，日降雨量(148.6 mm)破建站歷史記錄；臨潼區(qū)本站18-19時降雨達76.1 mm/h，日降雨量(116.1 mm)破建站歷史記錄；臨潼區(qū)驪山軍區(qū)療養(yǎng)院、兵馬俑站19-20時降雨分別達77.7 mm/h和73.5 mm/h ；藍田縣史家寨17-20時3 h降雨超過75 mm。暴雨引發(fā)嚴重山洪，10人死亡，4人失蹤，共造成19 176人受災，農(nóng)作物受災1 417.3 hm2，其中絕收面積14.4 hm2。2016年“0724”過程當日，西安午后大部地方出現(xiàn)37 ℃以上高溫，傍晚城區(qū)突降暴雨(圖1b)，19-21時小寨站雨量達115.6 mm，日雨量突破城區(qū)歷史記錄。暴雨引發(fā)嚴重內(nèi)澇，城區(qū)39處路段出現(xiàn)短時嚴重積水，多輛汽車被淹，地鐵小寨車站停運，咸陽機場74架航班延誤，11架取消，共造成8 516人受災，農(nóng)作物受災面積672.9 hm2，農(nóng)作物成災面積619.8 hm2。

2 環(huán)流背景

兩次暴雨過程當日08時，200 hPa上，貝加爾湖以東至蒙古國東部高空有低渦持續(xù)發(fā)展，新疆至內(nèi)蒙古以東地區(qū)出現(xiàn)大范圍30 m/s以上急流；500 hPa上，西太平洋副熱帶高壓控制大陸東部，588 dagpm西脊點在30°N、110°E附近，東北冷渦底部、內(nèi)蒙古中部至隴東地區(qū)為低槽區(qū)，寧夏、甘肅一帶有西風槽發(fā)展、東移，關(guān)中處于副熱帶高壓西北側(cè)偏南暖濕氣流之中；700 hPa上，河套至隴南一帶受明顯切變線影響；850 hPa上，西安位于切變線南側(cè)，為4～8 m/s偏南風，比濕15 g/kg。暴雨當日20:00，河套以北高空西風急流變化不大?！?803”過程東北冷渦明顯南壓，副熱帶高壓略微減弱、東退，隴東南一帶低槽移至山東、河南一帶；“0724”過程東北冷渦東移，副熱帶高壓略有加強、西伸，寧夏一帶西風槽東移至內(nèi)蒙古中部。地面上，“0803”過程暴雨發(fā)生前6 h，四川、山西至河南一帶為低壓區(qū)，河套至隴東為高壓區(qū)，山東北部、河南北部至陜西中部一帶受大范圍切變線控制，午后冷鋒經(jīng)過關(guān)中地區(qū)；“0724”過程暴雨發(fā)生前6 h，陜西周邊受大范圍熱低壓控制，傍晚前后四川盆地低壓略有加強，山西南部、陜西東南至四川一帶受弱的切變線影響。

3 暴雨中尺度特征

兩次過程當日08:00西安站T-lnP圖上(圖2)，溫濕層結(jié)曲線呈開口向上的喇叭口形狀，850 hPa以下存在逆溫層，對流不穩(wěn)定能量CAPE大于550 J/kg，K指數(shù)大于36 ℃，沙氏指數(shù)SI小于0 ℃，對流抑制能量CIN大于100 J/kg，本地存在明顯的對流不穩(wěn)定能量，低層逆溫與對流抑制能量有利于不穩(wěn)定能量聚集。當日14:00，“0803”、“0724”過程CAPE分別達807 J/kg、3054 J/kg，CIN減至0 J/kg；受前期高溫和下墊面加熱等因素影響，700 hPa以下溫度層結(jié)曲線近似平行于干絕熱線，為超絕熱狀態(tài)，極有利于對流發(fā)展。兩次過程850 hPa與500 hPa溫差均由早晨24 ℃增至午后到傍晚28 ℃。比較來看，兩次過程相比關(guān)中一般區(qū)域性暴雨過程[6-7]，上部干層更為明顯。在上述有利的熱力、層結(jié)條件下，當逆溫層與對流抑制能量破壞減弱后，顯著不穩(wěn)定能量強烈釋放，最終形成西安短時大暴雨天氣。

地面自動站資料分析表明，伴隨低層切變線影響，兩次過程午后關(guān)中西部一帶均出現(xiàn)東南方向移動的3 h變壓顯著增大區(qū)(圖3)，對應冷空氣活動，降水零散分布在正變壓區(qū)附近。伴隨強對流發(fā)展成熟，東西跨度約200 km的正變壓區(qū)向東擴展，中心突增至4 hPa以上，強降水趨于集中，位于2 hPa正變壓區(qū)內(nèi)部，30 mm/h以上雨強靠近正變壓中心至其東部大梯度區(qū)西側(cè)。對應3 h變壓變化，兩次暴雨發(fā)生前2 h左右，甘肅東南部至關(guān)中西北部一帶，有明顯的冷溫中心向東移動，對應西安偏北偏西方向鄰近的銅川、咸陽地區(qū)偏北風躍增、溫度下降5 ℃以上，周邊形成冷鋒：2015年8月3日17:00，西安(為2 m/s西南風，溫度31 ℃)與耀州(為6 m/s東北風，溫度25 ℃)、咸陽(為8 m/s西風，溫度25 ℃)之間出現(xiàn)明顯的風場和溫度不連續(xù)；2016年7月24日17:00，西安(為4 m/s東南風，溫度37 ℃)與耀州(為8 m/s西北風，溫度29 ℃)、咸陽(為4 m/s西北風，溫度28 ℃)之間也出現(xiàn)明顯的風場和溫度不連續(xù)。之后伴隨降水東移擴大，陜西全境轉(zhuǎn)為正變壓，關(guān)中一帶鋒區(qū)消失。

2015年8月3日午后(圖4a)，上游地區(qū)咸陽、寶雞附近出現(xiàn)長約300 km、寬約100 km的帶狀中尺度對流云團(簡稱“西部云團”)，其偏北局地紅外云頂亮溫TBB中心小于-50 ℃；同時，商州至西安東部有TBB中心小于-50℃、直徑小于100 km的近圓形對流云團(簡稱“東部云團”)快速發(fā)展。17:30(圖4b)，西部云團發(fā)展東移，TBB<-50 ℃中心位于西安西南邊界，西安周邊開始出現(xiàn)強降水；同時，東部云團繼續(xù)發(fā)展擴大，TBB中心<-60℃。18:30(圖4c)，西部云團主體東移影響關(guān)中中部，西安南部出現(xiàn)最大雨強(86.3 mm/h)，東部云團快速發(fā)展，云體范圍成倍擴大，其東北側(cè)受冷空氣夾卷出現(xiàn)明顯暗影，對流云頂位于西安、商州交界，強降水持續(xù)。19:30(圖4d)，西部云團明顯減弱，東部云團強烈發(fā)展北擴至關(guān)中東部，渭南南部TBB中心降至-65 ℃以下，西安東部出現(xiàn)最大雨強(73.5 mm/h)。隨后，中尺度云團繼續(xù)東移，3 h之后明顯減弱，強降水結(jié)束。

圖1 兩次致災暴雨過程降雨量分布(單位：mm)

圖2 兩次致災暴雨西安涇河站T-lnP圖

圖3 兩次致災暴雨地面風場(風桿，單位：m/s)、小時雨強(陰影，單位：mm/h)及過去3 h變壓(等值線，單位：0.1 hPa)分析

圖4 2015年8月3日不同時次TBB(陰影，單位：℃)

圖5 2016年7月24日不同時次TBB(陰影，單位：℃)

2016年7月24日午后(圖5a)，陜北至關(guān)中西北部一帶有長約500 km、寬約200 km的相對松散的中α尺度對流云團(簡稱“北部云團”)向東發(fā)展加強，延安中南部TBB中心達- 60℃；同時，陜南南部漢中、安康局地出現(xiàn)長約100 km、TBB中心>-50℃的中β對流云團(簡稱“南部云團”)。19:00(圖5b)，對應甘肅東南部至關(guān)中西北部一帶偏北冷空氣侵入，北部云團南部的寶雞、咸陽交界處對流云頂呈弓形向東南方向顯著彎曲，TBB中心降至-65 ℃，西安以東地區(qū)尚無明顯對流云團發(fā)展。20:00(圖5c)，北部云團進一步發(fā)展東移、影響關(guān)中中西部，TBB<-65℃區(qū)域向東擴大至西安中西部地區(qū)，周邊開始出現(xiàn)強降水。21:00(圖5d)，北部云團移至西安上空、呈近橢圓形，TBB中心下降至-70℃，與南部云團部分連接，TBB中心附近、西安城區(qū)出現(xiàn)過程最大雨強(58.8 mm/h)。22:00-23:00，南北對流云團完全合并，TBB中心區(qū)域移至西安東部局地，對應臨潼出現(xiàn)過程最大雨強(62.0 mm/h)。

綜上分析可見，兩次暴雨過程陜西中南部午后對流云團發(fā)展加強，最大雨強時段TBB中心降至-65℃以下。相比關(guān)中區(qū)域性暴雨云系[6,18]，短時暴雨云團距離河套以北高空西風急流較遠，關(guān)中以北高層輻散較弱，強盛階段云團北部無反氣旋凸起的斜壓葉狀云系[5]。

2015年8月3日午后至15:30，低層切變線附近、咸陽至銅川一帶有明顯降雨雷達回波東移南壓，西安中南部秦嶺北麓僅為山脈雜波。15:45前后(圖6a)，沿山一帶出現(xiàn)反射率因子50 dBz以上、中心像素點60 dBz以上、零散孤立分布的小尺度強對流泡，山地地形作用明顯。之后1 h(圖6b)，對流單體快速發(fā)展擴大，形成中心區(qū)域強度大于60 dBz、水平超過100 km的中尺度強對流回波帶，周邊開始出現(xiàn)短時暴雨。期間，45 dBz以上強回波范圍、高度突增，呈垂直塔狀，回波質(zhì)心低于5 km，降水效率高；中低層北風向南推進，秦嶺北麓地形抬升加快垂直運動發(fā)展；高層北部冷空氣向南侵入，整層位勢不穩(wěn)定層結(jié)加強，加快能量釋放。17-20時，強對流回波整體東移，中心強度維持50～60 dBz，其主體先后經(jīng)過長安、臨潼和藍田。

圖6 2015年8月3日西安涇河雷達組合反射率因子(單位：dBz)

圖7 2016年7月24日西安涇河雷達組合反射率因子(單位：dBz)

圖8 2015年8月3日長安王莽小峪上游區(qū)域降水精細估計

圖9 “0803”暴雨過程山洪演進GAST模型數(shù)值模擬

2016年7月24日從16時左右開始，咸陽至銅川一帶，低層切變線附近也出現(xiàn)了東移南壓的帶狀降水回波(圖7)，西安周邊及上游回波演變與“0803”過程類似。綜合兩次過程多普勒雷達特征分析表明西安短時暴雨發(fā)生前2～6 h，西北方向咸陽以西有30 dBz以上回波對應中尺度系統(tǒng)向西安附近移近，同期，秦嶺北麓一帶局地分散的對流單體迅速發(fā)展、增強，西北方向中尺度系統(tǒng)回波尚未移至西安境內(nèi)之前，后者直接發(fā)展引發(fā)短時大暴雨。

4 山洪災害數(shù)值模擬分析

長安區(qū)南部的王莽小峪村(山洪災害發(fā)生地點)上游位于秦嶺北麓深山區(qū)，周邊無自動氣象站，屬于降水實況監(jiān)測盲區(qū)。西安大城市預報預警服務一體化平臺(XA-WFIS.新絲路)提供的基于新一代多普勒雷達和自動雨量站卡爾曼濾波降水精細估計產(chǎn)品[2]，計算得到8月3日16-19時小峪村上游山區(qū)3 h降水量達約155 mm(圖8)，第一時間為政府防汛部門開展應急決策指揮提供了客觀定量的判決依據(jù)。

自然災害中，氣象次生衍生災害約占71%，洪澇災害約占36%。秦巴山區(qū)山洪泥石流災害有其自身規(guī)律特征[19]。針對洪水演進和淹沒過程高精度模擬，西安理工大學與英國紐卡斯爾大學聯(lián)合開發(fā)了基于顯卡加速技術(shù)的地表水流及伴生輸移過程模型GAST(GPU Accelerated Surface Water Flow and Associated Transport)。GAST模型[20-21]通過Godunov 格式有限體積法求解二維圣維南方程組，采用具有高性能和低成本優(yōu)勢的GPU(Graphic Processing Unit)并行計算技術(shù)加速計算。

選取2018年8月3日16:30-17:30逐6 min的基于新一代多普勒雷達和自動雨量站卡爾曼濾波降水精細估計結(jié)果(中心位于109°E、34°N，空間分辨率0.5 km的100×100網(wǎng)格點陣數(shù)據(jù))為氣象輸入驅(qū)動條件，經(jīng)過網(wǎng)格空間降尺度處理，進行氣象和地形網(wǎng)格匹配，再通過GAST模型(下墊面DEM地形分辨率為5 m)對“0803”暴雨過程長安區(qū)王莽街辦小峪河村的山洪災害過程進行數(shù)值模擬，計算過程耗時約0.48 h。圖9對應不同時刻長安小峪洪水模擬演進過程，短時暴雨在低洼區(qū)域迅速產(chǎn)流并形成地表徑流，溝道中匯集形成的山洪快速向下游演進，80 s之后洪水便從溝口上部200 m處演進至其底部，對應傷亡事故發(fā)生位置。對比災情現(xiàn)場調(diào)查資料，模擬的最高洪水位置、橫向?qū)挾取⑥D(zhuǎn)折走向、水流沖刷痕跡和調(diào)查實況基本吻合。

5 結(jié)論與討論

(1)前期高溫天氣有利于對流不穩(wěn)定能量增強積累，存在對流抑制能量與低層逆溫，“上干下濕”層結(jié)和午后低層大氣超絕熱狀態(tài)，為短時暴雨發(fā)展提供了有利環(huán)境。東移西風槽與近地層切變線是暴雨直接影響系統(tǒng)。伴隨冷鋒過境，咸陽、銅川一帶地面偏北風躍增是西安短時暴雨有利觸發(fā)因子。暴雨位于地面3 h正變壓中心至東側(cè)大梯度區(qū)、切變線交匯點南側(cè)附近，在對流云團之間TBB梯度大值區(qū)。伴隨TBB中心降至-65 ℃以下，周邊出現(xiàn)最大雨強。

(2)咸陽以西中尺度降水系統(tǒng)東移南壓移入并影響西安之前，秦嶺北麓一帶有分散性對流單體迅速發(fā)展、增強，后者直接發(fā)展引發(fā)短時大暴雨。因此，午后不穩(wěn)定層結(jié)環(huán)境和低層超絕熱狀態(tài)下，在上游地區(qū)中尺度系統(tǒng)東移南壓但尚未影響西安之前，密切跟蹤研判雷達上西安南部秦嶺北麓沿山一帶快速發(fā)展增強、回波中心像素點反射率大于60 dBz的孤立單體，是提前2 h以上準確、及時發(fā)布暴雨預警信號的有效指標。

(3)GAST模型分析表明，暴雨影響區(qū)域低洼地帶，洪水1 min之后即可從溝口演進至溝底，引發(fā)次生災害。針對秦嶺北麓西安周邊致洪高風險區(qū)，不同河流峪口尤其是人群活動密集場所，通過降水精細化估計輸入驅(qū)動考慮下墊面復雜情況的GAST模型，可提前推演分析確立特定區(qū)域、引發(fā)不同等級洪水的降雨時空高分辨分布特征及其致災閾值。預報暴雨發(fā)生時，匹配相關(guān)區(qū)域降雨時空特征及致災閾值，可顯著提升洪水風險預警的精細化和提前量。

(4)前期高溫天氣既增加了不穩(wěn)定能量積累，也使得秦嶺北麓峪口納涼休閑群眾明顯增多，暴雨易損性風險增大。因此，在旱澇急轉(zhuǎn)、節(jié)假日和上下班時間等敏感時段，要注意提前盡早發(fā)布暴雨預警信號，寧空勿漏，也要注意發(fā)布緊急程度更高的預警信號，寧高勿低。