“7·11”陜西區(qū)域性暴雨診斷分析及預報著眼點

馬曉華，馬 青，劉嘉慧敏，張科翔

(1.陜西省氣象臺，西安 710014；2.眉縣氣象局，陜西眉縣 722300)

西北地區(qū)東部暴雨作為我國的暴雨成員之一，得到了大量氣象專家的關(guān)注，慕建利[1]認為高空西風急流入口區(qū)右側(cè)的動力強迫是對流層高層暴雨區(qū)輻散形成和加強的原因，動力強迫引起的非地轉(zhuǎn)風是暴雨形成的原因之一。中β尺度重力波可以引起暴雨的發(fā)生[2]。廣義位溫和對流渦度矢量異常的分布和垂直變化對暴雨的預報有較好的指示意義[3]。西風帶弱冷空氣與副熱帶高壓西北側(cè)的西南氣流交匯時，可觸發(fā)對流產(chǎn)生[4]。陜西位于西北地區(qū)東部，暴雨位居災害性天氣之首。張雅斌[5]認為陜西關(guān)中初夏暴雨發(fā)生在位勢穩(wěn)定層結(jié)環(huán)境，暖濕空氣沿著低層冷空氣向北爬升，暴雨中心等熵面隨高度向北傾斜，存在能量鋒生和對稱不穩(wěn)定。陶建玲[6]認為前期降水條件不明顯的情況下，高溫高濕有利于能量聚集，西風槽東移和弱冷空氣沖擊有利于陜西初夏暴雨產(chǎn)生。劉嘉慧敏[7]對比分析了陜西初夏與盛夏暴雨過程，認為暴雨過程均有高空干冷空氣入侵，但盛夏暴雨期間低空急流持續(xù)時間更長，大氣具有明顯高溫高濕及位勢不穩(wěn)定。然而陜西盛夏區(qū)域性暴雨頻次、降水范圍和強度相比初夏暴雨總體偏大，常伴有遠距離臺風影響[8-11]，往往會造成嚴重的次生災害。因此本文利用常規(guī)氣象觀測資料、陜西區(qū)域自動站觀測資料、NCEP 1°×1°再分析資料和衛(wèi)星探測資料等，對2018年盛夏時節(jié)陜西省氣象臺預報非常準確的一次區(qū)域性暴雨天氣過程進行診斷分析，尋找預報著眼點，總結(jié)預報成功經(jīng)驗，為盛夏區(qū)域性暴雨預報提供技術(shù)支撐。

1 過程概況

2018年7月9—12日，陜西出現(xiàn)入汛以來范圍最廣的一次降水天氣過程(簡稱“7·11”暴雨)，陜北、關(guān)中西部、陜南西部出現(xiàn)大范圍暴雨天氣。全省累計雨量陜北24.9～90.6 mm，關(guān)中2.4～93.3 mm，陜南0.5～109.4 mm。強降水主要發(fā)生在10日白天至11日早晨(圖略)，持續(xù)數(shù)日降水致使陜西省多地發(fā)生洪澇災害。這次強降水范圍廣、強度大、夜雨性特征明顯，造成漢中、寶雞、延安等7市33區(qū)縣25.6萬人受災，1人因房屋倒塌死亡，農(nóng)作物受災面積1.5萬hm2，其中絕收0.14萬hm2，直接經(jīng)濟損失3.7億元。

2 暴雨期間高空環(huán)流及地面特征

2.1 高空環(huán)流

10日08時500 hPa高空圖(圖1)上呈現(xiàn)出陜西盛夏時節(jié)典型暴雨天氣特征(西風槽、副高、臺風共同影響型)[12]，整個東亞地區(qū)大氣環(huán)流呈徑向型分布。貝加爾湖低渦底部分裂的短波槽位于河套上游地區(qū)；副熱帶高壓呈東西走向，西脊點位于108°E，28°N，陜西處于副高西北側(cè)西南氣流中；在臺灣島以東洋面上有超強臺風“瑪莉亞”以25～40 km/h的速度向西移動，同時在南海有熱帶低壓系統(tǒng)生成。700 hPa上，從內(nèi)蒙古中部到寧夏西部、甘肅東部有切變系統(tǒng)存在，此時漢中、西安、延安風速分別為12 m/s、8 m/s、10 m/s，并在陜南西部一帶有風速輻合。925 hPa上有一支偏東氣流影響關(guān)中、陜南地區(qū)。20時(圖略)河套上游高空槽快速東移到陜西西部地區(qū)，較08時陜西上空西南氣流明顯加強。700 hPa在陜西、甘肅交界處有一西北渦形成，西北渦南側(cè)冷式切變線前部西南氣流快速加強，漢中、西安、延安風速分別為14 m/s、12 m/s、8 m/s，整個陜西西部風速出現(xiàn)了明顯輻合。同時850 hPa有從西北方向入侵關(guān)中西部、陜南西部的冷空氣。20時開始降水增強。11日08時(圖略)500 hPa高空槽依然維持，但是700 hPa西南氣流明顯減弱，漢中、西安、延安風速為8 m/s、12 m/s、8 m/s，850 hPa切變線已基本移出陜西境內(nèi)，925 hPa上陜西西部已被偏西氣流控制。

2.2 地面形勢

地面圖上，“7·11”暴雨的總體形勢為“東高西低”型，有利于冷空氣從華北地區(qū)進入陜西并影響陜西西部地區(qū)。從圖2可以清楚分析出地面冷空氣的移動路徑和強度，其中1 005 hPa等壓線從10日14時到20時明顯西伸到甘肅東部及寧夏東部，即有地面冷空氣經(jīng)山西入侵陜西地區(qū)。10日20時到11日02時，由于地面冷鋒的加強和東移，與東北路弱冷空氣在甘肅、青海交界處形成地面冷高壓，高壓前端的1 005 hPa等壓線位于陜北和關(guān)中西部及陜南西部。地面東北路冷空氣侵入，之后與西北路冷空氣合并加強形成冷墊，是觸發(fā)本次暴雨的主要原因。

圖1 2018-07-10T08 500 hPa高空圖

以上分析表明，偏南氣流突然加強是陜西盛夏區(qū)域性暴雨的預報著眼點，偏南氣流可為暴雨區(qū)帶來充沛的水汽和能量， 有利于大范圍暴雨發(fā)生。冷空氣先從東北路進入陜西關(guān)中和陜南地區(qū)，之后高空槽攜帶西北路弱冷空氣入侵暴雨區(qū)，東北路與西北路冷空氣共同起到了冷墊作用。冷空氣強迫抬升偏南暖濕氣流，加大了暴雨區(qū)的溫度垂直遞減率和斜壓性，增加了大氣的不穩(wěn)定程度，有利于中小尺度對流云團的發(fā)展。

圖2 2018-07-10T20(a)和2018-07-11T02(b)地面圖

3 物理量場診斷

3.1 水汽條件

暴雨天氣中持續(xù)不間斷的水汽供應十分必要，以補充暴雨發(fā)生所造成的大氣柱內(nèi)水汽損耗。計算大氣整層水汽通量，以此來分析水汽來源。

10日08時(圖3a)，臺風“瑪莉亞”位于127.3°E、24°N，其外圍偏東氣流沿著東北西南向帶狀分布的副高南側(cè)一直向內(nèi)陸輸送水汽；同時在南海有熱帶低壓環(huán)流存在，熱帶低壓外圍的東南氣流也源源不斷地向內(nèi)陸輸送水汽。兩條水汽通道為西北地區(qū)東部的暴雨過程提供了水汽和能量。從圖3a可以看出，水汽通量值大于3 kg/(cm·s·hPa)的值與全省6 h降水落區(qū)對應非常好，特別是5 kg/(cm·s·hPa)以上的水汽通量大值區(qū)正好對應漢中地區(qū)強降水。14時隨著超強臺風“瑪莉亞”及南海熱帶低壓的西北行，陜西地區(qū)水汽通量明顯增強，全省均為3 kg/(cm·s·hPa)及以上的水汽通量區(qū)，關(guān)中西部及陜南西部水汽通量增大到5～6 kg/(cm·s·hPa)，強降水繼續(xù)維持。20時(圖3b)陜北地區(qū)水汽通量增加到4～6 kg/(cm·s·hPa)，陜北地區(qū)降水開始增大。11日02時(圖3c)，關(guān)中、陜南水汽通量值為4～5 kg/(cm·s·hPa)，陜北水汽通量大于6 kg/(cm·s·hPa)，中心增強到7 kg/(cm·s·hPa)。10日20時—11日02時陜北降水達到最強，靖邊和橫山出現(xiàn)了6 h大于50 mm的降水量，02—08時留壩6 h降水量為51 mm，10日20時—11日08時降水達到了峰值。08時以后偏南風有所減弱(圖3d)，2 kg/(cm·s·hPa)以上的水汽通量通道斷裂，全省降水明顯減弱。

圖3 2018-07-10—11整層大氣水汽通量(單位為g/(cm·s·hPa))(a 10日08時;b 10日20時；c 11日02時；d 11日08時)

可見大氣整層水汽通量在盛夏區(qū)域性暴雨預報中具有一定的指示意義，水汽通量的突增對應降水的增強，水汽通量大值中心對應強降水落區(qū)。

3.2 假相當位溫

假相當位溫是表示大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量，表示了大氣的溫濕特征和垂直運動。其水平分布和垂直分布與對流天氣的發(fā)生發(fā)展有極大關(guān)系，也反映了大氣中能量的分布。

850 hPa的假相當位溫變化反映了冷暖空氣的活動情況，10日08時θse的分布圖(圖4a)上，假相當位溫在陜西境內(nèi)的值均大于65 ℃，全省都屬于較高能量區(qū)。能量鋒區(qū)從四川盆地經(jīng)陜南西部、關(guān)中西部至陜北。14時從四川向陜西關(guān)中至陜北方向形成了一條能量舌，能量舌前端θse超過70 ℃。該能量舌反映了高能、高濕、不穩(wěn)定的暖濕氣流，說明有一支西南氣流向陜西地區(qū)輸送了大量的水汽和不穩(wěn)定能量。

20時θse(圖4b)能量舌繼續(xù)北伸，θse超過70 ℃范圍覆蓋了整個河套地區(qū)，值得注意的是在陜甘交界處及陜北與山西交界處各有一低值θse區(qū)。恰好將該高能高濕氣團夾在中間，形成一Ω形的分布形態(tài)。Ω形東側(cè)東路小股回流干冷空氣，在夏季氣壓場上表現(xiàn)的往往比較弱，容易被忽視。這股干冷空氣有向西流動的趨勢，阻擋了西南暖濕氣流向東擴散，使得低層輻合加強。Ω形西側(cè)為冷鋒后部移動較快的一小股干冷空氣，這股向東南爆發(fā)的干冷空氣沖擊，使得高能舌θse附近形成明顯輻合，觸發(fā)了高能θse附近的高熱能空氣強烈地對流上升。可見從華北來的東路弱冷空氣及南下的西北路弱冷空氣觸發(fā)了陜西地區(qū)的暴雨天氣，暴雨區(qū)就位于Ω形的冷暖空氣交匯處。θse的Ω形分布形態(tài)維持到了11日02時(圖4c)，該12 h內(nèi)，在陜南與陜北地區(qū)各出現(xiàn)了大于50 mm/6 h強降水。08時高能舌明顯東移(圖4d)，東移南下的西北路干冷空氣逐漸控制陜西地區(qū)，08時之后強降水減弱為小雨。

圖4 2018-07-10—11 850 hPa假相當位溫分布及變化(單位為℃) (a 10日08時；b 10日20時；c 11日02時；d 11日08時)

根據(jù)上面分析可見，本次過程中850 hPa假相當位溫在暴雨落區(qū)和強度預報方面具有較好指示，尤其是低能干冷空氣夾擊能量舌的位置，能較好的判斷出暴雨落區(qū)位置。

3.3 渦度、散度及垂直速度

分別計算10日08時到11日08時關(guān)中、陜南及陜北強降水區(qū)平均散度、渦度及垂直速度，分析暴雨過程的動力場特征。10日08時(圖略)整個散度場呈現(xiàn)輻合輻散的垂直波列分布，且輻合輻散強度絕對值在1.5×10-5s-1左右。14時(圖5a)大氣輻合輻散程度明顯增強，低層550 hPa以下均轉(zhuǎn)為輻合區(qū)，最強輻合約為-3.5×10-5s-1；大氣高層為輻散區(qū)，最強輻散出現(xiàn)在150 hPa，其值約為2.0×10-5s-1。20時(圖略)低層輻合進一步增強，且最強輻合值-3.5×10-5s-1位于800 hPa上下。直到11日08時大氣一直維持低層強輻合，高層輻散的單峰型分布特征。從渦度的垂直分布(圖5b)也可以明顯看出，低層氣旋性渦度在逐漸增強，高層負渦度、低層正渦度分布特征在整個降水過程中一直維持。10日20時(圖略)低層負渦度達到最強，非常有利于地面氣旋的發(fā)展，有利于上升運動。從整個上升運動的演變也能清楚看出(圖5c)，10日08時到11日08時，對流層整層大氣均為上升區(qū)。

同時分析了陜北暴雨區(qū)上空的動力場分布特征，與關(guān)中、陜南的暴雨區(qū)大氣垂直分布類似，但最強時刻出現(xiàn)在10日20時到11日02時(圖略)，這也與陜北暴雨的集中時段相對應。

圖5 2018-07-10T14過關(guān)中、陜南暴雨區(qū)區(qū)域平均(a 散度，單位為10-5 s-1；b 渦度，單位為10-5 s-1；c 垂直速度，單位為Pa/s；)

4 中尺度特征

4.1 探空形勢

“7·11”暴雨發(fā)生在陜南西部、關(guān)中西部、陜北，因此用漢中、涇河及延安的探空資料(圖略)分析暴雨前和暴雨時的大氣垂直穩(wěn)定度和濕度條件。CAPE值演變顯示，10日08時漢中為33.5 J/kg，西安、延安為0 J/kg。20時漢中猛升到970.8 J/kg，表明陜南西部大氣已處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)；但西安、延安CAPE仍在0 J/kg左右，這可能是因為10日之前關(guān)中、陜北地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了連續(xù)兩日弱降水，大氣能量得以釋放。值得注意的是，20時3站的K指數(shù)為38 ℃、39 ℃及34 ℃，探空曲線均呈現(xiàn)出“細長”結(jié)構(gòu)，溫度曲線和露點曲線接近重合，并一直向上伸展到200 hPa。大氣整層為濕層，水汽條件異常豐沛，且垂直風切變小，具備了出現(xiàn)暴雨的水汽條件。另外08—20時，200 hPa高度以下風向隨高度順轉(zhuǎn)的特征更加明顯，表明暖平流進一步加強，西南氣流明顯加大，水汽輸送也在不斷增強。11日08時延安500 hPa以上濕度明顯減小，表明高層有弱的干冷空氣侵入陜北，陜北降水基本結(jié)束。

4.2 地面輻合線

分析地面加密觀測風場資料發(fā)現(xiàn)(圖略)，關(guān)中地區(qū)從10日08時一直有一支東風氣流，風速偏大，且在關(guān)中西部有風速輻合。關(guān)中東部渭南一帶風速逐漸增大，最大風速達10～14 m/s，關(guān)中西部地區(qū)風速平均2～4 m/s。20時，東風加強，關(guān)中中部最大風速達9.5 m/s，關(guān)中西部風速輻合加強，且甘肅東部已有冷空氣侵入，在寶雞一帶風場上有切變系統(tǒng)形成。與之相對應的衛(wèi)星云圖上，在冷鋒云系中該地區(qū)有新的對流云團出現(xiàn)并加強，云團向東北方向移動并影響寶雞地區(qū)。受偏東風的阻擋，西北氣流與西南暖濕氣流形成的輻合線在緩慢東移，且隨著西南暖濕空氣強度增強，輻合范圍變大，垂直上升運動增強。可見西北路冷空氣南壓與東路弱冷空氣交匯形成的冷墊對強降水起著直接影響作用，地面輻合線使得冷鋒云系中局地對流發(fā)展、加強，因此地面輻合線的形成時間、移動速度及移動方向是此類暴雨預報的另一著眼點。

5 衛(wèi)星云圖

從逐小時衛(wèi)星云圖(圖6)分析看，本次區(qū)域性暴雨是由冷鋒云系前部新生、發(fā)展、加強的中小尺度對流云團造成的。10日02時開始，漢中西南部有對流云出現(xiàn)，對流云范圍擴大、強度增強，向東北方向移動，08時陜南西部、關(guān)中西部有降水開始出現(xiàn)。同時四川盆地北部有對流發(fā)展，向東北方向移動，08時在武都發(fā)展成強的對流中心，中心亮溫可達215 K，且不斷向東北方向移動。17時強對流云團影響陜北地區(qū)，陜北開始出現(xiàn)較強降水，槽后西北冷空氣入侵四川盆地，在盆地東北部不斷有分散的對流云團向東北方向移動。20時后在陜北—平?jīng)觥涠夹纬梢粭l對流云帶，陜北、關(guān)中西部及陜南西部強降水均開始發(fā)生。隨著冷鋒東移，對流云帶移動緩慢，且在四川盆地東北部有西南渦逐漸形成，且向東北向緩慢移動。對流云發(fā)展最強時中心亮溫可達192 K，受西北冷空氣侵入，冷鋒云帶中的對流云團不斷生消發(fā)展，在陜北、關(guān)中西部和漢中地區(qū)產(chǎn)生暴雨到大暴雨天氣。11日08時對流云帶開始減弱并逐漸消散，強降水結(jié)束。

6 小結(jié)

(1)本次區(qū)域性暴雨符合陜西盛夏暴雨概念模型(西風槽+遠距離臺風+副高)，暴雨產(chǎn)生前，天氣圖上高空有明顯的低值影響系統(tǒng)，地面上有弱冷鋒。大氣低層突然增強的偏南急流對暴雨有一定先兆作用。低層東路弱冷空氣與西北路冷空氣共同起到了冷墊作用，且強迫抬升偏南暖濕氣流，冷鋒攜帶的冷空氣是本次暴雨的觸發(fā)機制。

圖6 2018-07-10—11 FY4A 紅外云圖(a 10日08：30，b 10日14：53，c 10日17：30，d 10日20：30，e 11日02：30，f 11日08：30)

(2)大氣整層水汽通量在區(qū)域性暴雨預報中具有一定的指示意義，水汽通量的突增對應降水的增強，水汽通量大值中心對應強降水落區(qū)。850 hPa假相當位溫在暴雨落區(qū)和強度預報方面具有較好指示，尤其是在θse為Ω形分布形態(tài)時，低能干冷空氣夾擊能量舌的位置，可較好的判斷出落區(qū)位置。

(3)地面輻合線與強降水落區(qū)有一致性，是中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生、加強的一個直接影響系統(tǒng)，而且使得冷鋒云帶中的對流維持和加強。