關(guān)中一次大暴雨天氣過程成因分析及陜西智能網(wǎng)格預(yù)報檢驗

高 萌，劉 帆，王瑾婷，謝逸雯，牛樂田

(咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000)

暴雨是我國主要的災(zāi)害性天氣之一，易造成不同程度的洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致堤防潰決、農(nóng)作物被淹等，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。慕建利[1]認為高空西風(fēng)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(fēng)是暴雨形成的原因之一。杜繼穩(wěn)等[2]認為陜西關(guān)中地區(qū)地處青藏高原東北側(cè)，獨特的地理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致汛期暴雨頻發(fā)，且具有降水時段集中、雨強大、局地性強、突發(fā)性強等特征。多年的研究表明，暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，大尺度環(huán)流為暴雨的產(chǎn)生提供了有利的背景，中尺度對流系統(tǒng)則是暴雨產(chǎn)生的直接影響者[3-5]。張弘等[6]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原東北側(cè)突發(fā)性暴雨必定伴有中尺度輻合系統(tǒng)；王川等[7]認為陜西夏季暴雨多與西太平洋副熱帶高壓有關(guān)；沈嬌嬌等[8]研究發(fā)現(xiàn)高層輻散、低層輻合的有利配置加上旺盛深厚的垂直上升運動為暴雨發(fā)生發(fā)展提供動力抬升作用。

陜西智能網(wǎng)格預(yù)報是基于國家氣象中心下發(fā)的指導(dǎo)預(yù)報產(chǎn)品和不同數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，采用動態(tài)交叉取優(yōu)方法，制作以“精細、智能、一體化”為目標(biāo)的陜西省范圍內(nèi)分辨率為3 km×3 km格點化溫度、降水、風(fēng)等共11個氣象要素的定量預(yù)報產(chǎn)品[9]。精細化智能網(wǎng)格預(yù)報改變了傳統(tǒng)的預(yù)報制作方式，由之前98個縣站的站點預(yù)報、模糊預(yù)報向數(shù)字化、精細化、智能化預(yù)報逐步轉(zhuǎn)變，還將原來的間隔12 h預(yù)報優(yōu)化為72 h內(nèi)逐小時預(yù)報，使業(yè)務(wù)流程更加扁平高效，業(yè)務(wù)布局更加集約合理，業(yè)務(wù)技能更加客觀智能，實現(xiàn)滾動制作、實時同步[10]。

本文利用常規(guī)氣象觀測資料、西安多普勒雷達資料以及NCEP/NCAR1°×1°再分析資料，對2018年8月21—22日發(fā)生在陜西關(guān)中地區(qū)的大暴雨天氣過程進行綜合分析，進一步探討陜西關(guān)中地區(qū)盛夏暴雨天氣形成成因和發(fā)生機制，并對此次暴雨過程中陜西智能網(wǎng)格的降水定量預(yù)報結(jié)果進行檢驗，為今后暴雨預(yù)報提供預(yù)報經(jīng)驗。

1 過程概述

2018年8月21日16時至22日18時陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)一次區(qū)域性大暴雨天氣過程，全省共249站雨量監(jiān)測站降水量達到暴雨，暴雨落區(qū)主要位于渭北西部、關(guān)中西部、陜南中西部。其中關(guān)中地區(qū)(銅川、咸陽、寶雞、西安局地)共28個雨量監(jiān)測站降雨量達到大暴雨，最大降雨量在印臺袁家山為152.1 mm。短時強降水發(fā)生時段主要集中在21日傍晚到22日凌晨。此次大暴雨過程具有范圍廣、歷時短、強度大的特點，造成了寶雞、咸陽、西安多地發(fā)生洪澇災(zāi)害。

2 環(huán)流形勢和物理條件

2.1 環(huán)流形勢特征

200 hPa 21日08時天氣圖上，南亞高壓穩(wěn)定存在，在39°N～47°N上空范圍內(nèi)存在一東西向高空西風(fēng)急流，急流中心強度為58 m/s；20時西風(fēng)急流仍維持東西向，且強度明顯加強，其入口區(qū)右側(cè)大于40 m/s的風(fēng)速區(qū)范圍增大，陜西處于急流南側(cè)輻散區(qū)5個緯距處。500 hPa 21日08時天氣圖上，亞洲中高緯地區(qū)為穩(wěn)定的兩槽一脊環(huán)流形勢，東亞大槽穩(wěn)定，高壓脊位于貝加爾湖附近，同時巴爾喀什湖附近有深厚冷渦存在，西太平洋上有臺風(fēng)“蘇力”和“西馬侖”生成并向西向北移動，受其影響，副熱帶高壓北抬，東北冷渦向東北移動，在巴爾喀什湖冷渦底部不斷有西北氣流分裂東移南下，甘肅東部至四川北部有下滑槽東移；20時隨著下滑槽緩慢發(fā)展東移，內(nèi)蒙古—陜西西部一帶為較深的低槽控制，受臺風(fēng)西移影響，副高位置穩(wěn)定維持，因此陜西關(guān)中地區(qū)位于巴爾喀什湖冷渦底部南下的冷空氣和副高外圍暖濕空氣交匯區(qū)，形成有利于暴雨發(fā)生的環(huán)流形勢；22日08時，下滑槽持續(xù)東移至內(nèi)蒙古—陜西中部地區(qū)且槽有所加深，關(guān)中地區(qū)受下滑槽前一致西南氣流影響，降水持續(xù)。700 hPa上21日20時，甘肅東部和陜北—關(guān)中地區(qū)有一人字形切變，切變?yōu)榻涤晏峁┝藙恿μ龡l件，四川到陜西為一致的西南風(fēng)；隨著冷空氣南壓，22日08時甘肅東部切變緩慢東移至陜北—關(guān)中西部—陜南西部地區(qū)，在高空500 hPa下滑槽下方有低渦生成。850 hPa 22日08時陜西關(guān)中地區(qū)存在東西向弱切變，由于受臺風(fēng)影響，陜西東北側(cè)有東北急流持續(xù)不斷從華北移入陜西中部地區(qū)，不僅帶來了東路冷空氣，同時還對偏南氣流起到阻擋截流作用，加強了水汽輻合(圖1)。

21日20時地面圖(圖略)上貝加爾湖西南側(cè)冷高壓中心強度為1 015 hPa，地面冷鋒位于關(guān)中地區(qū)，并不斷東移南壓，陜北北部處于等壓線密集帶，出現(xiàn)了8 m/s的大風(fēng)。隨著冷高壓不斷南壓，22日08時，冷高壓已完全影響陜西大部地區(qū)，并在陜北西部形成1 012.5 hPa的冷高壓中心。正是700 hPa東西向切變和地面冷鋒的配合觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放和強降水生成。

圖1 2018-08-21T20 200 hPa高空急流帶(陰影區(qū)，單位為m/s)、500 hPa高度場(實線，單位為dagpm)、700 hPa風(fēng)場

2.2 水汽分布特征

此次暴雨過程，700 hPa上陜西維持著一支西南暖濕氣流的水汽輸送通道，同時巴爾喀什湖附近有強冷空氣南下，二者在陜西境內(nèi)交匯，產(chǎn)生較強的水汽輻合。從21日20時水汽通量及其散度圖(圖略)上可以看到，700 hPa上甘肅東部的水汽通量散度所表示的輻合區(qū)迅速東移至陜北—關(guān)中西部，最大值增大至-0.6×10-6g/(cm2·hPa·s)，對應(yīng)的關(guān)中地區(qū)水汽通量較前期顯著增大到6～10 g/(cm·hPa·s)。22日08時水汽通量散度所表示的輻合區(qū)減弱并東移。

由于前期一直受副高控制，水汽條件非常充足，850 hPa陜西東北側(cè)有水汽持續(xù)不斷從華北流入陜西關(guān)中地區(qū)，21日20時(圖2a)850 hPa上強的水汽通量散度所表示的輻合區(qū)東移南壓至關(guān)中地區(qū)，水汽通量和水汽通量散度較前期迅速增大至12 g/(cm·hPa·s)、-0.6×10-6g/(cm2·hPa·s)。22日08時關(guān)中地區(qū)處在水汽通量散度所表示的輻合區(qū)中，但其強度明顯減弱。

沿109°E的水汽通量散度剖面圖可發(fā)現(xiàn)，21日20時(圖2b)水汽通量散度負值區(qū)位于1 000～800 hPa，關(guān)中地區(qū)(35°N附近)高空存在明顯的水汽輻合，此時關(guān)中地區(qū)自北向南先后出現(xiàn)降水。22日08時(圖略)，關(guān)中地區(qū)仍處于水汽輻合區(qū)中，但輻合強度已減弱，降水強度隨水汽輻合減弱而迅速減弱，關(guān)中、陜南降水趨于結(jié)束。

可見，本次大暴雨過程水汽主要來源于700 hPa西南暖濕氣流和850 hPa東北急流，降水前后關(guān)中地區(qū)存在水汽輻合，暴雨發(fā)生時段水汽通量顯著增大，造成關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨。

圖2 2018-08-21T20 850 hPa水汽通量矢量(箭頭)、水汽通量等值線(實線，單位為g/(cm·hPa·s))、水汽通量散度場(陰影為負值區(qū)，單位為10-6 g/(cm2·hPa·s))(a)；沿109°E 2018-08-21T20的水汽通量散度緯向垂直剖面(b.單位為10-6 g/(cm2·hPa·s))

2.3 動力條件

2.3.1 垂直速度場 沿109°E垂直速度剖面圖可以看出，21日20時(圖3)，關(guān)中地區(qū)(35°N附近)上空900～500 hPa有上升運動發(fā)展，強上升運動中心位于850 hPa左右，最大上升速度增大為-1.8×10-3hPa/s，結(jié)合前面分析，這可能是由于地面冷鋒鋒生產(chǎn)生的上升運動，上升運動使低層大氣克服對流抑制，達到自由對流高度，釋放不穩(wěn)定能量，產(chǎn)生對流降水。隨著冷空氣進一步南壓，22日02時關(guān)中地區(qū)處于冷暖空氣交匯區(qū)，最強上升運動區(qū)位于800～700 hPa。22日08時，強上升運動中心依然維持在35°N以北，上升運動高度有所降低，但強度略減弱至-1.5×10-3hPa/s。隨著上升運動減弱，陜西關(guān)中地區(qū)大暴雨逐漸結(jié)束。

2.3.2 渦度場和散度場 從渦度場分析可見，21日20時(圖4a)900～700hPa關(guān)中地區(qū)處于正渦度區(qū)，但強度較小，而在600～400 hPa和300 hPa以上分別有兩個強的負渦度區(qū)，強度均為-4×10-5s-1，近地面負渦度較弱。22日08時，低層900～600 hPa正渦度區(qū)迅速增大，高層負渦度區(qū)減弱。

圖3 2018-08-21T20 沿109°E的垂直速度剖面圖(單位為10-3hPa/s)

散度場上，21日20時(圖4b)600 hPa上關(guān)中地區(qū)上空有輻散值為4×10-5s-1的輻散區(qū)存在，而1 000～800 hPa有大范圍強輻合區(qū)，中心值為-10×10-5s-1，22日08時降水結(jié)束時，高低層輻散輻合強度迅速減小。可見本次大暴雨過程中關(guān)中地區(qū)處于低層輻合高層輻散的形勢場中，這種有利的系統(tǒng)配置，便于產(chǎn)生強的上升運動，為關(guān)中地區(qū)大暴雨發(fā)生提供了有利的動力環(huán)境條件。

圖4 2018-08-21T20(a)渦度場、(b)散度場分布圖(陰影區(qū)為負值，單位為10-5 s-1)

2.4 雷達回波特征

8月21日14：30西安多普勒雷達1.5°仰角反射率因子圖上，關(guān)中西北部和南部有孤立的多個雷暴單體生成，造成該區(qū)域小范圍陣性降水，16：00開始，在關(guān)中西部出現(xiàn)大范圍雷達回波，此后不斷發(fā)展加強并向東偏北方向移動。18：00，多個雷暴單體已發(fā)展成穩(wěn)定的大范圍多單體對流系統(tǒng)，在系統(tǒng)移動方向前沿不斷有發(fā)展旺盛的對流單體生成，造成系統(tǒng)前沿出現(xiàn)短時強降水。20：59(圖5a)該對流系統(tǒng)移至扶風(fēng)(白圈內(nèi))，中心強度達60 dBz以上的雷達回波維持6個體掃，速度圖上(圖5b)為明顯的徑向輻合，垂直累計液態(tài)水含量(VIL)(圖5c)達到50 kg/m2，此時雷達回波頂高達9～12 km，一小時累計降水(OHP)(圖5d)上顯示在扶風(fēng)縣區(qū)內(nèi)有31.7～50.8 mm的降雨量，對應(yīng)的扶風(fēng)召公站小時雨量達到了53.6 mm；隨后對流風(fēng)暴持續(xù)東移至楊凌，21：22反射率因子中心強度為63 dBz，VIL維持50 kg/m2，回波頂高增高至16 km，速度圖上維持輻合，此時楊凌自動站在22:00出現(xiàn)了1小時為42.2 mm的降雨量。此后該系統(tǒng)不斷東移，咸陽南部和西安南部出現(xiàn)短時強降水。22日00:00，對流風(fēng)暴逐漸分散并減弱，以穩(wěn)定性降水回波為主，此時回波頂高降低至5～8 km，08：00以后雷達回波基本消失，降水趨于結(jié)束。

3 陜西智能網(wǎng)格預(yù)報檢驗

此次關(guān)中地區(qū)暴雨天氣過程主要降水時段在21日20時—22日20時，因此對該時段的陜西智能網(wǎng)格預(yù)報結(jié)果與降水實況進行對比?？梢钥闯?，智能網(wǎng)格預(yù)報準(zhǔn)確預(yù)報了此次暴雨的開始和持續(xù)時間。智能網(wǎng)格預(yù)報19日20時起報的未來72小時(圖6a)預(yù)報結(jié)果顯示關(guān)中地區(qū)將會出現(xiàn)大雨，寶雞西南部、西安和銅川局地會出現(xiàn)暴雨，與實況對比可以看出對寶雞、西安和銅川暴雨預(yù)報的范圍偏小，強度明顯偏弱。20日20時起報的未來48小時預(yù)報結(jié)果顯示，關(guān)中南部以中到大雨為主，咸陽北部和銅川北部將會出現(xiàn)暴雨。與實況對比，48小時暴雨區(qū)預(yù)報較實況位置偏北(圖6b)。隨著智能網(wǎng)格預(yù)報模式調(diào)整，21日20時起報的未來24小時(圖6c)銅川、西安西部、咸陽有暴雨，預(yù)報的暴雨落區(qū)與實況最為吻合。從智能網(wǎng)格預(yù)報的調(diào)整可以看出，隨著時間臨近，模式對暴雨范圍調(diào)整，關(guān)中北部暴雨預(yù)報范圍減小，強度減弱，而關(guān)中南部地區(qū)降水強度預(yù)報加強，與實況暴雨落區(qū)較為一致。

結(jié)合8月21—22日雷達和衛(wèi)星云圖，可將此次暴雨天氣過程降水分為系統(tǒng)性降水、對流性降水和系統(tǒng)-對流混合降水，現(xiàn)選取長武、武功、扶風(fēng)和鄠邑區(qū)(圖7)進行分析。21日18：00—22：00長武出現(xiàn)系統(tǒng)性降水，智能網(wǎng)格預(yù)報降水的開始時間和持續(xù)時間與實況較吻合；武功和扶風(fēng)在21：00—23：00出現(xiàn)對流性短時強降水，智能網(wǎng)格預(yù)報對此時段的短時強降水預(yù)報量級偏小，22日00：00后降水調(diào)整為系統(tǒng)性降水，智能網(wǎng)格預(yù)報迅速調(diào)整，預(yù)報結(jié)果較好；22日00：00—05：00鄠邑區(qū)出現(xiàn)系統(tǒng)性降水，智能網(wǎng)格預(yù)報對主要降水時段和降雨量級的預(yù)報和實況較為一致。因此系統(tǒng)性降水為主時，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報較好，結(jié)果與實況基本一致；對流性降水起主要作用時，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報偏弱，結(jié)果與實況相比量級偏小，在預(yù)報中可以根據(jù)大氣環(huán)境條件進行訂正。

圖5 2018-08-21T20:59 1.5°仰角西安多普勒雷達探測產(chǎn)品(白圈內(nèi)為扶風(fēng))(a.反射率因子R，單位為dBz；b.徑向速度V，單位為m/s；c.垂直累計液態(tài)水含量VIL，單位為kg/m2；d.一小時累計降水OHP，單位為mm)

黑色等值線為智能網(wǎng)格預(yù)報，粗實線為50 mm等值線，填值為降水實況。圖6 陜西智能網(wǎng)格預(yù)報與降水實況對比(a. 2018-08-19T20 起報未來72小時降水量預(yù)報；b. 2018-08-20T20起報未來48小時降水量預(yù)報；c. 2018-08-21T20起報未來24小時降水量預(yù)報)

(黑色等值線為智能網(wǎng)格預(yù)報，柱狀為降水實況)圖7 陜西智能網(wǎng)格預(yù)報2018-08-21T15—22T13小時降雨量

4 結(jié)論

(1)此次暴雨發(fā)生在巴爾喀什湖冷渦底部南下冷空氣和副高外圍暖濕空氣交匯區(qū)，低層“人字”型切變、西南暖濕氣流、東北急流、低渦輻合和地面冷鋒是該次暴雨過程的主要影響系統(tǒng)。

(2)700 hPa“人”字型切變?yōu)榻涤晏峁┝藙恿μ龡l件；850 hPa冷空氣南壓、低渦輻合和地面冷鋒觸發(fā)了關(guān)中地區(qū)不穩(wěn)定能量的釋放；700 hPa西南暖濕氣流和850 hPa東北急流為暴雨區(qū)輸送水汽。低層輻合、高層輻散，再加上強烈的上升運動，為暴雨的產(chǎn)生提供了動力條件。

(3)此次暴雨過程雷達圖上，反射率因子強，回波頂高，VIL的大值區(qū)與強回波區(qū)、強降水中心區(qū)位置有很好的對應(yīng)，當(dāng)VIL中心值持續(xù)在50 kg/m2時，關(guān)中局地出現(xiàn)小時雨強超過30 mm的短時強降水。

(4)陜西智能網(wǎng)格預(yù)報中準(zhǔn)確預(yù)報了此次區(qū)域性暴雨過程的落區(qū)、降水開始時段、持續(xù)時間。當(dāng)系統(tǒng)性降水為主時，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報結(jié)果與實況基本一致；而對流性降水起主要作用時，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報結(jié)果與實況相比，量級偏小，在預(yù)報中可以根據(jù)大氣環(huán)境條件進行訂正。