一次副高控制下的局地大暴雨天氣分析

郭 莉，康曉甫，劉 坤，周 丹，孟明霞

(商洛市氣象局, 陜西商洛 726000)

暴雨是陜西夏季經(jīng)常出現(xiàn)的災(zāi)害性天氣之一，常給社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)帶來嚴重影響。氣象工作者對暴雨發(fā)生發(fā)展的機理、中小尺度特征等做了大量研究。肖貽青等[1]對西太平洋副熱帶高壓控制下的一次區(qū)域性強對流暴雨成因進行分析，結(jié)果表明該過程的水汽來源主要是本地水汽積聚和輻合，鋒面過境是該過程的抬升觸發(fā)機制；馬曉華等[2]對冷鋒影響下西安一次對流性天氣進行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷鋒移近和低空急流加強時，秦嶺地形影響下觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致對流性暴雨強烈；井宇等[3]對商洛一次局地暴雨診斷分析發(fā)現(xiàn)，強降水主要發(fā)生在對流云團強中心西北側(cè)TBB梯度大值區(qū)；何可杰等[4]對陜南一次突發(fā)性暴雨過程分析，指出最大降水出現(xiàn)在β中尺度對流系統(tǒng)的成熟期。在常規(guī)觀測資料的基礎(chǔ)上，利用NCEP1°×1°逐6 h再分析資料、FY-2E衛(wèi)星TBB資料和地面自動站降水量資料，對2016年7月30—31日發(fā)生在商洛的局地大暴雨天氣進行分析，探討暴雨產(chǎn)生原因及機理，為此類天氣的預(yù)報積累經(jīng)驗。

1 降水概況

2016年7月30日20時至31日07時，商洛市遭遇了一次強對流暴雨天氣襲擊，強降水中心主要出現(xiàn)在山陽和商南境內(nèi)。全市有48個雨量監(jiān)測點超過50 mm，6個超過100 mm，山陽縣西照川鎮(zhèn)為211.3 mm；強降水集中時段在30日21時至31日03時。據(jù)逐時自動雨量站觀測數(shù)據(jù)顯示，最大小時雨強56 mm/h，出現(xiàn)在31日02時至03時。這次強降水突發(fā)性強且降水強度大，對人民生命財產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大災(zāi)害。

2 環(huán)流背景分析

7月30日08時500 hPa天氣圖上，歐亞中高緯度為“兩槽一脊”型，巴爾喀什湖、東北地區(qū)分別為低槽區(qū)，貝加爾湖為一高壓脊，大陸高壓位于甘肅北部至內(nèi)蒙西部，西太平洋副熱帶高壓控制華北南部至華南地區(qū)。20時副熱帶高壓西伸北抬，與大陸高壓合并加強，主體仍位于海上，在陜西形成“歪脖子脊”，商洛受其控制。700 hPa上從云貴高原至陜西北部為一支4～8 m/s的西南風(fēng)風(fēng)速帶，850 hPa上安康至商洛為2～4 m/s的偏南風(fēng)，中低層商洛地區(qū)上空無明顯風(fēng)場輻合。地面圖上，商洛受地面暖低壓控制。從環(huán)流背景分析來看，本次過程發(fā)生前，從低層到高層均沒有有利于降水發(fā)生的環(huán)境條件。

3 大氣穩(wěn)定度分析

暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物。中尺度系統(tǒng)是產(chǎn)生暴雨的直接影響系統(tǒng)，通常是在高溫、高濕、層結(jié)不穩(wěn)定等有利環(huán)境條件下形成的[5]。查看暴雨區(qū)及周邊地區(qū)最高氣溫發(fā)現(xiàn)，7月22—30日商洛及周邊地區(qū)最高氣溫均在30 ℃以上，溫度露點差均在1～5 ℃，說明暴雨發(fā)生前暴雨區(qū)已經(jīng)具備了有利于中尺度系統(tǒng)形成的高溫高濕環(huán)境條件。分析與大暴雨區(qū)分別相距212、168、180 km的西安、安康、南陽3個探空站的資料(表1)發(fā)現(xiàn)，強降水發(fā)生前，30日08時西安、安康站不穩(wěn)定能量達900 J/kg，位于商洛東部的南陽站不穩(wěn)定能量達3 973.3 J/kg，表明商洛市東部比西部大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定；西安站K指數(shù)為29 ℃，安康、南陽站K指數(shù)≥40 ℃；西安站SI指數(shù)為1.86 ℃，安康站為-2.42 ℃，南陽站達-6.93 ℃。通過K指數(shù)、SI指數(shù)分析可以發(fā)現(xiàn)，商洛西南部、東部更有利于強對流發(fā)生。

表1 2016-07-30T08探空站資料

進一步分析三個探空站的風(fēng)向變化，發(fā)現(xiàn)西安、安康整層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為暖平流特征；南陽站地面至500 hPa風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，500～400 hPa風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，說明中低層存在暖平流，中高層存在冷平流。30日08時商洛東部有冷空氣入侵，冷空氣在南下的過程中，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，造成這次強降水，這也是強降水出現(xiàn)在商洛東南部的原因。說明此次過程中，在大氣層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)下，冷平流入侵方向?qū)娊邓鋮^(qū)有較好的指示意義。

4 物理量診斷分析

4.1 水汽條件

暴雨需要有源源不斷的水汽輸送并在降水區(qū)集中。分析暴雨區(qū)逐6 h水汽通量及其散度(圖略)變化，可以看到此次強降水主要以700 hPa水汽輸送為主，水汽源地一個來源于孟加拉灣，一個來源于東海，二者在陜西南部匯合，形成一條偏南水汽通道。這條水汽通道在30日08時已建立，在強降水過程中穩(wěn)定維持。水汽通量散度場上，30日20時之前，700 hPa有弱水汽輻合；31日02時水汽輻合明顯增強，中心強度達―3×10-7g/(cm2·hPa·s)，水汽輻合中心與強降水區(qū)正好吻合。

文獻[6]中提到陜西突發(fā)性暴雨相對濕度有明顯的遞增。通過分析2016年7月30—31日商洛局地大暴雨，發(fā)現(xiàn)相對濕度也有明顯的遞增現(xiàn)象。30日08時850 hPa以下比濕為12～14 g/kg，20時開始比濕增大至14～16 g/kg；相對濕度變化更為明顯，30日08—20時850 hPa以下相對濕度小于50%，20時之后低層相對濕度開始增加，31日02時整層相對濕度達90%以上，接近飽和。

4.2 動力條件

沿33.3°N做垂直速度經(jīng)向垂直剖面圖。分析發(fā)現(xiàn)30日08時暴雨區(qū)處于副高外圍，700 hPa以下有弱上升運動；隨著冷空氣不斷入侵，抬升條件逐漸改善，暴雨區(qū)上升運動增強；31日02時(圖1)地面至200 hPa形成一致的上升運動區(qū)，最大上升速度>1.5 Pa/s,上升運動大值區(qū)位于900 hPa附近，低層較強的上升運動有利于將中低層的水汽向上輸送，使水汽充分凝結(jié)形成降水。

圖1 2016-07-31T02沿33.3°N垂直速度(單位為Pa/s)經(jīng)向剖面

4.3 熱力條件

假相當(dāng)位溫是表征大氣溫濕特征的物理量，θse高值區(qū)代表高溫高濕區(qū)(即高能區(qū))，從θse垂直剖面圖上可以分析對流不穩(wěn)定能量的積聚和釋放過程。7月30日20時沿110.4°E經(jīng)暴雨中心θse的緯向剖面圖(圖2a)上，33.2°N近地面為高能暖中心，中心強度達99 ℃以上，高能舌向上伸至650 hPa附近。對流層中低層為?θse/?p>0的對流不穩(wěn)定層結(jié)，600～400 hPa為中性層結(jié)，400 hPa以上為對流穩(wěn)定區(qū)。深厚的對流不穩(wěn)定層結(jié)有利于對流天氣的發(fā)生。

分析850 hPaθse變化情況可以看到，30日20時以前，商洛地區(qū)θse>80 ℃，說明暴雨發(fā)生前大氣為高能高濕狀態(tài)，有不穩(wěn)定能量積聚；30日20時(圖2b)，東北冷渦南壓，有東北路冷空氣擴散南下， 850 hPaθse圖上山西經(jīng)河南西部到商洛出現(xiàn)低能區(qū)，低能軸呈東北—西南向，商洛東部低存在θse<74 ℃的低能中心。說明有東路冷空氣入侵暴雨區(qū)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，與之相對應(yīng)商洛出現(xiàn)短時強降水，1 h降雨量達30 mm。

圖2 2016-07-30T20θse(a 沿110.4°E經(jīng)暴雨中心緯向剖面，b 850 hPa；單位為℃)

5 暴雨云團中尺度特征分析

常規(guī)觀測資料和自動加密觀測資料很難預(yù)報局地短時強對流性天氣，但靜止氣象衛(wèi)星攜帶各種氣象遙感儀器，不僅能監(jiān)測大尺度云系走勢，而且能監(jiān)測中小尺度對流云團變化的全過程。其精準的周期可將資料實時送回地面，對監(jiān)視災(zāi)害天氣、跟蹤 MCS 更為有效[7]。利用 FY-2E逐時TBB資料，結(jié)合地面加密自動站資料，具體分析暴雨云團的中尺度特征。

圖3顯示，隨著華北平原東路冷空氣南下入侵，30日20時商洛東北部與渭南交界處有中心tBB<―20 ℃的中-β尺度對流云A生成；21時商洛南部有中-γ尺度的對流云團B、C生成。22時對流云團A和B、C迅速合并加強為云團D，其中心tBB<―52 ℃，水平尺度達100 km左右。云團合并后地面降水迅速發(fā)展，商洛東部多個站點出現(xiàn)40 mm/h以上的強降水，最大雨強達56 mm/h。23時到31日03時，云團D中心強度維持在―60 ℃，水平尺度達150 km左右，此時段是對流云團的成熟階段。對應(yīng)多個區(qū)域站連續(xù)4 h的雨強超過30 mm/h。04時后，云團D中心強度和范圍不斷減小，邊緣比較松散，TBB梯度減小，表明此云團對流性減弱，地面降水也減弱。

圖3 2016-07-30T21—31T04FY-2E衛(wèi)星TBB(單位為℃)

進一步分析TBB與降水量的關(guān)系，7 月30日21時西趙川鎮(zhèn) (圖4)上空 TBB為-20 ℃,21時后開始出現(xiàn)降水，但雨量很小。22時TBB突降到-42 ℃, 表明對流加強，21—22時降雨量達到20.2 mm。30日23時至31時03時TBB一直小于-50 ℃,表明對流云團發(fā)展旺盛,此時段內(nèi)雨強均達20 mm/h以上。04時隨著對流云團減弱東移TBB升至-18 ℃,降水量也隨之減小。對流云團最強盛階段(30日22時—31日03時)6 h降水量高達218.4 mm。由此可見,降水出現(xiàn)后云頂亮溫TBB逐漸降低，當(dāng)TBB突然下降時，對流云團處于快速發(fā)展階段，TBB低值階段和強降水出現(xiàn)時段基本吻合；TBB開始升高時降水強度也相應(yīng)減小。

圖4 2016-07-30T21—31T04西照川鎮(zhèn)上空TBB與小時雨量變化

6 多普勒雷達產(chǎn)品特征分析

商洛新一代多普勒雷達對這次突發(fā)性局地大暴雨天氣過程進行了連續(xù)追蹤，得到了完整的監(jiān)測資料。從基本反射率演變情況看，這次降水雷達回波為層狀云和對流云疊加的混合性降水回波。受午后局地?zé)崃μ绊懀?6:00—19:56不斷有對流回波在商洛東南部生成、消散。隨著東路冷空氣入侵，21：34，2.4°仰角上基本反射率(圖5a)45 dBz以上的強回波范圍增大，對流單體移動方向和回波帶走向基本一致，形成列車效應(yīng)，造成山陽與商南縣交界處持續(xù)近6 h的強降水。

從基本速度演變情況看，在回波發(fā)展初期，速度圖上存在零散的逆風(fēng)區(qū)，隨著回波發(fā)展，1.5°仰角(圖5b)上21:34西照川鎮(zhèn)附近有氣旋性輻合，6.0°仰角(圖5c)上有反氣旋性輻散。低層輻合高層輻散的配置有利于強對流云團的發(fā)展。31日00:56在1.5°仰角(圖略)上輻合區(qū)進一步擴大，對應(yīng)強降水范圍擴大。04：06在1.5°仰角(圖略)上正速度區(qū)增大，負速度區(qū)減小，強降水區(qū)低層轉(zhuǎn)為輻散，降水范圍和強度均下降。

垂直液態(tài)含水量VIL是多普勒天氣雷達探測到水平面單位面積上垂直方向延伸至回波頂?shù)目諝庵鶅?nèi)含有的液態(tài)水總量[4]。對降水期間VIL統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)大部分地區(qū)VIL為10～30 kg/m2，降水最強時段VIL達60 kg/m2，且最大值所在位置與地面強降水區(qū)、演變趨勢基本相同[8]。

7 結(jié)論

(1)此次暴雨天氣過程發(fā)生前，中高層受高壓脊控制，暴雨區(qū)大氣處于高溫高濕狀態(tài)，有不穩(wěn)定能量積聚。隨著東路冷空氣入侵，不穩(wěn)定能量釋放，強降水主要出現(xiàn)在東部。暴雨區(qū)周圍上空冷暖平流分布，對短期預(yù)報強降水落區(qū)有一定指示意義。

(2)暴雨發(fā)生過程中相對濕度有明顯的遞增現(xiàn)象；暴雨發(fā)生時垂直速度場也表現(xiàn)為整層上升運動。強降水出現(xiàn)在中尺度暴雨云團發(fā)展成熟階段，TBB低值階段和強降水出現(xiàn)時段基本吻合，TBB開始升高時降水強度也相應(yīng)減弱。

(3)此次過程的雷達回波為層狀云和對流云疊加的混合性降水回波?；夭ㄒ苿臃较蚝推渥呦蛞恢拢纬闪熊囆?yīng)，是造成強降水的主要原因?；舅俣葓D上，在降水發(fā)展階段出現(xiàn)低層氣旋性輻合、高層反氣旋性輻散的有利配置。垂直液態(tài)含水量最大值所在位置與地面強降水落區(qū)基本相同。

圖5 2016-07-30T21:34商洛多普勒雷達基本反射率(a 仰角為2.4°，圓圈表示西趙川鎮(zhèn))、基本速度(b 仰角為1.5°，圓圈表示氣旋；c 仰角為6.0°，圓圈表示反氣旋)

圖1 2015-08-23T20影響系統(tǒng)配置圖(文見第2頁3)

圖2 2015-08-23T14涇河TlnP圖(文見第2頁3)