黃土高原一次副高外圍暴雨的對流環(huán)境及觸發(fā)條件分析

趙 強，韓 潔，陳小婷

(1.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；2.陜西省氣象臺，西安 710014；3.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006)

陜西北部地處黃土高原，為半干旱季風氣候，全年雨量分布不均，降水主要集中在夏季，暴雨具有來勢猛、強度大、降水時段集中的特點。對于陜北黃土高原的暴雨分析表明，西風槽和高原槽發(fā)展東移,配合副高外圍的西南氣流及低層低渦切變是造成黃土高原盛夏暴雨的主要影響形勢[1-5]。在臺風與河套低渦的共同影響下，低空臺風低壓環(huán)流北側偏東風氣流形成水汽和能量通道在陜北地區(qū)產生強水汽輻合，并導致不穩(wěn)定能量的釋放，造成了臺風外圍遠距離暴雨的發(fā)生[6]。700 hPa的西南急流及850 hPa的偏東急流為暴雨區(qū)提供了水汽和能量供應，高低空急流造成的垂直次級環(huán)流增強上升運動，形成大暴雨天氣[7]。冷鋒是陜北暴雨的重要觸發(fā)機制，鋒面抬升觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放造成暴雨天氣[8]。此外，中尺度對流云團在陜北的移動緩慢造成的“列車效應”是黃土高原暴雨的重要原因[9-10]。王楠研究表明[11]，中層西路冷空氣引導干侵入加強層結不穩(wěn)定性，地面東路冷空氣楔形抬升，使得不穩(wěn)定能量釋放，在陜北形成中尺度對流云團，造成暴雨天氣。

2017年7月25—26日榆林南部出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨、大暴雨天氣，造成子洲縣水庫潰壩，綏德縣城被水淹，公路坍塌、路基被沖毀、房屋損毀，造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。此次暴雨過程雨量大，雨強大，最大小時降水量超過50 mm。降水集中在25日夜間，對流性強，加之大尺度模式預報效果較差，具有一定的突發(fā)性，因此利用常規(guī)氣象觀測資料、EC-interim逐6 h 0.5°×0.5°再分析資料、衛(wèi)星云圖和雷達資料，對該次大暴雨過程成因進行了綜合診斷分析，研究該地區(qū)此類暴雨天氣的成因，討論降水過程的對流條件和不穩(wěn)定條件及觸發(fā)機制，進而總結此類暴雨天氣過程的預報思路，有助于預報員對黃土高原的對流性暴雨有更深入理解和認識，準確及時做好暴雨的預報、預警。

1 降水實況及模式預報情況

1.1 降水實況

2017年7月25日08時—26日08時，陜西各地出現(xiàn)不同程度的降水，其中北部地區(qū)出現(xiàn)大范圍暴雨天氣過程(圖1a)，榆林地區(qū)出現(xiàn)暴雨7站、其中5站大暴雨，降水強度之大，為歷史少見。橫山為111.1 mm、米脂為140.3 mm、子洲為218.7 mm，3站日降水量均突破歷史極值。從子洲逐小時雨量變化來看(圖1b)，強降水時段主要集中在25日22時—26日03時，最大小時雨強為26日02時子洲站的52 mm。此次暴雨過程累計雨量大，小時雨強大，致使榆林地區(qū)出現(xiàn)近年來最嚴重的暴雨洪澇災害，交通、通信等基礎設施嚴重損壞，人民財產損失嚴重。

圖1 2017-07-25T08—26T08陜西降雨量(a)及2017-07-25T21—26T04子洲小時降雨量(b)

1.2 EC模式預報情況檢驗

從EC模式 24日20時起報的總降水量可以看出，模式預報的暴雨落區(qū)位于陜西以北的內蒙古境內，最大累積降水量為100 mm，EC預報的對流性降水與總降水位置基本一致，范圍和強度略小。與降水實況相比，EC預報的降水落區(qū)較實況偏北3個緯距；從降水量級來看，模式預報的最大降水量較實況最大值偏小50 mm左右。因此，EC模式預報顯示此次降水以對流性降水為主，與實況較為一致，但是暴雨落區(qū)較實況偏北，降水強度預報偏小。

2 暴雨過程的環(huán)流形勢演變特征

2.1 高空環(huán)流形勢演變特征

在500 hPa天氣圖(圖2a)上，7月25日08時，副熱帶高壓588 dagpm線西伸至107°E，北抬至36°N附近，陜西位于584 dagpm控制之下，西南氣流發(fā)展強盛，中緯度貝加爾湖至我國西部地區(qū)均為低值系統(tǒng)，河套以西有一低槽，溫度槽落后于高度槽，低槽東移發(fā)展。至20時(圖略)，副高西伸，北部受低槽東移影響略有南壓，陜北地區(qū)位于低槽與副熱帶高壓外圍的西南暖濕氣流交匯區(qū)，為此次陜北地區(qū)大暴雨天氣提供了有利的環(huán)流背景。

在25日08時700 hPa天氣圖(圖2b)上，副高外圍云貴高原—四川—陜西有西南急流發(fā)展，最大風速達16 m/s，向陜北地區(qū)源源不斷地輸送水汽和能量，陜北北部有西南風與偏東風形成的橫切變，至20時(圖略)，陜北地區(qū)位于西南急流左前側和切變線的右側，強的水汽輻合和上升運動，造成榆林地區(qū)強降水。

25日08時在850 hPa天氣圖上(圖略)，陜北地區(qū)存在偏北風與東南風之間的風切變，自東南沿海至陜西東部地區(qū)有偏東風水汽輸送。至20時(圖2c)，偏東風水汽輸送迅速增強，最大風速達18 m/s，偏東風在榆林東部河谷輻合爬升；同時切變線附近的偏北風加大，在河套地區(qū)出現(xiàn)中心強度為28 ℃的暖中心，低層增暖增濕明顯，有利于不穩(wěn)定層結的建立。切變線附近的輻合抬升，水汽的強烈輸送以及低層的增濕增暖，均有利于暴雨的產生。

在200 hPa天氣圖(圖2d)上，40°N以北有風速大于30 m/s的高空急流存在，陜北地區(qū)位于高空急流的右側，高空輻散，有利于低層上升運動增強；從高低空急流的配置來看，陜北地區(qū)位于高空急流的南側，低空急流的左前側，高低空急流耦合區(qū)形成垂直次級環(huán)流，有利于垂直運動的增強和維持，形成陜北北部的大暴雨天氣。

圖2 2017-07-25T08 500 hPa(a)、700 hPa(b)及2017-07-25T20 850 hPa(c)高度場(等值線，單位為dagpm)、溫度場(虛線，單位為℃)、風場(m/s)，200 hPa高空急流(d，風速大于30 m/s)、等風速線(單位為m/s)

2.2 地面形勢特征

在地面圖上(圖略)，25日08時，我國的東北部地區(qū)有一中心強度為1 010 hPa的弱冷高壓，甘肅隴南地區(qū)為暖低壓控制。20時，暖低壓中心強度下降至995 hPa，并向東北方向伸展。25日20時至26日05時陜北地區(qū)均處于高、低壓之間的鋒區(qū)中，鋒區(qū)長時間的維持，有利于強降水的產生。25日夜間，榆林地區(qū)有明顯的風速輻合中心存在，從25日22時地面風場和小時降水量大于10 mm的分布圖可以看到(圖3a)，榆林西部有偏北風和偏南風的輻合，在榆林東南部為西北風和東南風的輻合線，東西部地面風向的不同可能與榆林東南部的河谷地形有關，在輻合線中心有小時降水量超過10 mm的降水中心，榆林1 h降水量達23 mm；到26日00時(圖3b)，榆林地面風場仍維持輻合形勢，其西部轉為東北風與偏西風的輻合，東南部仍維持西北風與東南風的輻合，在風場輻合區(qū)，有強降水中心，最大橫山1 h降水量達到了46 mm，地面輻合線造成的垂直上升運動有利于對流的觸發(fā)，從地面風場輻合與1 h降水量對應關系看，強降水與風場輻合中心對應關系較好。

圖3 2017-07-25—26 地面風場(黑色實線為風場輻合線)和小時降水量(單位為mm)

3 副高外圍中尺度云團及雨帶的演變特征

3.1 中尺度云團特征

從強降水時段的FY2E紅外云圖(圖4)可以看出，25日20時(圖4a)，陜北地區(qū)存在多個對流云團，其中榆林北部的對流云團尺度大，云頂紅外亮溫(TBB)達-70 ℃，其南側的對流云團尺度較小，水平尺度為200 km，兩個對流云團在東移過程中合并加強。至23時(圖4b)水平尺度達到500 km，此時，TBB小于-32 ℃的冷云蓋面積達到105km2，TBB小于-52 ℃的冷云區(qū)面積超過5×104km2，對流云團呈橢圓形，偏心率大于0.7，中尺度對流復合體(MCC)形成。26日01—02時，MCC發(fā)展強盛，冷云區(qū)TBB最低值達到-70 ℃，-52 ℃的冷云區(qū)面積最大為9×104km2，此時佳縣、橫山、靖邊、米脂、子洲先后出現(xiàn)小時雨強大于25 mm的短時強降水，其中子洲站02時降雨量達到52 mm。03時開始， TBB小于-32 ℃的冷云蓋面積不斷擴大，但TBB小于-52 ℃的冷云區(qū)面積逐漸縮小，MCC云團也從陜北北部地區(qū)逐漸東移。06時，TBB小于-52 ℃的冷云區(qū)面積小于5×104km2，不滿足MCC形成條件。

圖4 2017-07-25—26 FY2E TBB黑體亮溫(單位為℃)(a 25日20時；b 25日 23時；c 26日01時；d 26日02時；e 26日04時、f 26日05時)

從紅外衛(wèi)星云圖的演變過程可以看出，這是一次典型的由MCC引發(fā)的短時致洪暴雨天氣過程，具有典型的MCC特征，持續(xù)時間長達8 h，MCC在陜北北部地區(qū)移動緩慢。

3.2 雷達圖特征

從榆林站多普勒雷達組合反射率圖(圖5)上可以看出，雷達回波特征主要分為兩個階段。第一階段與云圖上對流云團合并相對應，主要出現(xiàn)在25日20時至23時；第二階段與MCC維持相對應，主要出現(xiàn)在25日23時至26日06時。在第一階段，榆林西北側有一颮線，長寬之比大于5∶1，中心強度超過55 dBz。在榆林站的南部有2個強回波單體，中心強度超過60 dBz，西北側的颮線與南部強回波單體均自西向東移動，颮線移速大于強回波單體，至23時合并。這一階段米脂出現(xiàn)40 mm/h的短時強降水。在第二階段，組合反射率圖上的強回波帶與云圖上TBB小于-52 ℃的冷云區(qū)相對應，26日00時至05時，在子洲和綏德附近，回波整體向東偏北方向緩慢移動，新生單體在強回波后部生成，具有后向傳播的特征，新生單體移動方向與回波主體移動方向一致，強回波中心不斷經過該地區(qū)，具有“列車效應”的特征，導致子洲、綏德等地的累計降水量超過歷史極值。05時以后，回波主體減弱并加快東移，榆林南部地區(qū)短時強降水過程結束。

圖5 2017-07-25—26榆林雷達站組合反射率(a 25日21：00；b 25日22：56；c 26日00：58；d 26日03：25；圖中黑框分別表示經過子洲(圖4c)、綏德(圖4d)的帶狀強回波)

在基本速度圖(圖略)上，存在明顯的速度模糊、輻合區(qū)和中氣旋。26日01：53的2.4°仰角上，子洲和綏德出現(xiàn)中氣旋，旋轉速度為16～20 m/s，維持4個體掃，對應26日02:00的地面風場(圖略)，在榆林東南部有西北風和東南風的輻合中心，說明小尺度的氣旋比較深厚，輻合上升運動強烈，此時該地區(qū)出現(xiàn)兩個10 min雨量分別為13.5 mm和12.8 mm的短時強降水。

4 暴雨過程中大氣環(huán)境條件及觸發(fā)機制分析

4.1 水汽條件分析

強烈的水汽輸送與輻合有利于暴雨的產生。分析暴雨的環(huán)流形勢發(fā)現(xiàn)，此次暴雨有兩支明顯的水汽輸送帶，一支是700 hPa西南風水汽輸送，一支是850 hPa上偏東風水汽輸送；這兩支水汽輸送帶在25日20時水汽輸送最強，700 hPa、850 hPa的水汽通量達到了12～16 g/(cm·s·hPa)，強烈的水汽輸送為暴雨區(qū)提供了源源不斷的水汽供應。從26日02時700 hPa水汽通量及其散度圖(圖6)上可以看出，四川至陜北地區(qū)有明顯的偏南風水汽輸送，在榆林東南部水汽通量散度達到-20×10-7g/(hPa·cm2·s)，表明該地區(qū)上空存在強烈的水汽輻合抬升，有利于陜北大暴雨的出現(xiàn)。

4.2 探空特征分析

利用東勝站和延安站的探空資料，分析暴雨區(qū)的大氣環(huán)境條件。由于前期低空急流的水汽輸送，河套地區(qū)水汽條件轉好，在7月25日20時東勝站的探空圖(圖7a)上，整層大氣已經達到了飽和狀態(tài)，近地面層的比濕為15 g/kg，能量也由25日08時的0 J/kg增加到435 J/kg，說明前文分析的急流增強不僅帶來了水汽輸送，也帶來了能量輸送。20時延安站探空圖(圖7b)上，中低層大氣接近飽和，850 hPa與500 hPa溫差達到28 ℃，沙氏指數(shù)達到-2.1 ℃，大氣熱力不穩(wěn)定度高，K指數(shù)達到44 ℃，說明了大氣不僅不穩(wěn)定度高，而且中低層水汽條件好，CAPE值達到了1 922 J/kg，不穩(wěn)定能量強。通過對東勝站、延安站探空資料分析發(fā)現(xiàn)，陜北地區(qū)在前期副高外圍暖濕氣流的輸送影響下，大氣中的水汽含量增加，中低層大氣達到飽和，同時急流輸送了能量，大氣不穩(wěn)定度高、能量充沛。在有利的水汽、能量條件下，地面東路弱冷空氣觸發(fā)對流，產生本次暴雨過程。

圖6 2017-07-26T02水汽通量(箭頭，單位為g/(cm·s·hPa))及其散度(陰影，單位為10-7 g/(hPa·cm2·s))

圖7 2017-07-25T20東勝(a)、延安(b)探空圖

4.3 大氣不穩(wěn)定度及暴雨的觸發(fā)條件分析

下面通過假相當位溫(θse)及鋒生函數(shù)進一步分析陜北暴雨的大氣不穩(wěn)定度及觸發(fā)條件。從2017年7月25日20時沿37°N的θse垂直剖面圖(圖8a等值線)可以看到，在陜北暴雨區(qū)近地面層，θse在370 K左右，說明低層大氣高溫高濕，能量充沛。隨著高度增加，θse迅速減小，到500 hPa附近只有344 K，850 hPa和500 hPa的θse的差值達到了25 K以上，表明陜北暴雨區(qū)在對流發(fā)生前大氣不穩(wěn)定度高。同時，在θse圖上，陜北的東側為低值區(qū)，說明雨區(qū)東側為冷空氣，在水平方向上，陜北東部有θse等值線的密集區(qū)，說明在暴雨區(qū)東側為冷暖空氣交匯區(qū)。進一步計算鋒生函數(shù)，分析其垂直分布發(fā)現(xiàn)(圖8a填色圖)，冷暖空氣交匯區(qū)有明顯鋒生，從近地面層到600 hPa都為鋒生，最強的鋒生位于近地面層到850 hPa，達到了6×10-9K/(m·s)，從垂直速度(圖8c)分布上看到，沿著鋒區(qū)兩側，有垂直次級環(huán)流，在暖區(qū)對流不穩(wěn)定區(qū)上升，上升運動深厚，最強位于600 hPa附近，達到-0.9 Pa/s。近地面層的東路冷空氣造成的鋒生觸發(fā)不穩(wěn)定能量的強烈釋放，形成強的上升運動，造成強對流暴雨天氣。同時從風場可以看到，近地面到850 hPa的偏東風急流沿著黃河河谷的地形爬升，也是降雨增幅原因之一，25日20時到26日02時6 h降雨量有3站大于100 mm，其中子洲站高達152.6 mm。26日02時，東路冷空氣南壓，從θse的分布圖(圖8b)上看到，陜北以東的低值θse明顯西移，在111°E地面到500 hPa都為340～345 K的低值，說明冷空氣進一步向西南方向滲透，大的θse區(qū)明顯隨冷空氣侵入而西移，從θse垂直分布看，大氣對流不穩(wěn)定區(qū)強度明顯減弱，位置西移，說明前期對流性強降水耗散不穩(wěn)定能量，26日02時之后雨區(qū)范圍明顯減小。在中低層，大氣θse水平梯度大，陜北地區(qū)仍然處于東路冷空氣和西路暖濕空氣的交匯區(qū)，中低層大氣有明顯鋒生，同時由于前期強降水造成凝結潛熱釋放，使得中層大氣的鋒生更為顯著。從鋒生函數(shù)看，700～600 hPa大氣鋒生顯著，鋒生值達到了(8～10)×10-9K/(m·s)。比較而言，鋒生強度較20時有明顯增強。從同時次垂直速度剖面圖(圖8d)上可以看到，強烈鋒生造成強上升運動，與最強鋒生相對應，26日02時的強上升運動高度更高，700～300 hPa都為強上升運動，600～400 hPa的上升速度都達到了-0.9 Pa/s，在充沛的水汽條件下，鋒生造成強烈上升運動，使得強降水得以維持。26日02時到08時吳堡出現(xiàn)了102.2 mm，綏德出現(xiàn)了99.8 mm的強降水。通過上面的分析可以看出，本次暴雨發(fā)生前，大氣的對流不穩(wěn)定能量大，低層弱東路冷空氣觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，造成對流暴雨；隨著降水持續(xù)，冷空氣南壓和中層大氣凝結潛熱釋放造成鋒生，使暴雨維持，最終產生了本次罕見的大暴雨天氣。

圖8 2017-07-25—26鋒生函數(shù)(a，b，填色為正值，單位為10-9 K/(m·s)、假相當位溫(等值線，單位為K)及垂直速度沿37°N剖面(c，d，填色為上升運動區(qū)，單位為Pa/s)(a，c為2017-07-25T20；b，d為2017-07-26T02)

5 結論與討論

(1)河套地區(qū)西風槽東移與副高外圍暖濕氣流在陜西交匯，是本次暴雨的有利環(huán)流背景。陜北暴雨區(qū)有兩支水汽輸送帶，700 hPa西南風急流和850 hPa上偏東風急流，為暴雨提供了充沛的水汽和能量輸送。

(2)700 hPa上風速輻合以及850 hPa偏東風在東部河谷輻合爬升，造成水汽輻合抬升，形成榆林東部地區(qū)的暴雨天氣。

(3)對流條件分析發(fā)現(xiàn)，暴雨發(fā)生前陜北地區(qū)中低層濕度較好，850 hPa比濕達到15～17 g/kg，大氣不穩(wěn)定度強，850 hPa和500 hPa溫差達到28 ℃，假相當位溫差達到18 ℃，CAPE值達到了2 354 J/kg。充沛的水汽、能量條件為對流提供了十分有利的條件。

(4)河套東北側弱干冷空氣與西南暖濕氣流在陜北形成假相當位溫密集帶，大氣濕斜壓性增強，鋒生觸發(fā)陜北地區(qū)不穩(wěn)定能量釋放，形成強降水。不穩(wěn)定分析表明，在降水前期及初期，大氣對流不穩(wěn)定度高，隨著降水的產生，對流不穩(wěn)定能量釋放，凝結潛熱對中層大氣的加熱作用，又使得大氣斜壓不穩(wěn)定增強，中層大氣鋒生造成的垂直運動使得陜北地區(qū)強降水持續(xù)，造成大暴雨天氣。

本次暴雨過程大尺度模式降水量預報偏差較大，強降水主要出現(xiàn)在700 hPa切變線的南側暖區(qū)，對流性強，大尺度模式對水汽、能量和切變線的預報效果較好，而大尺度模式對于風場上小范圍的氣旋式切變的預報偏差及對流的觸發(fā)機制預報不準確是降水預報偏差的主要原因。本次暴雨主要由地面的弱東路冷空氣觸發(fā)對流造成。此類對流性暴雨過程在水汽、能量充足的情況下，更應關注低層的輻合線或輻合中心等觸發(fā)條件。此類暴雨過程往往大尺度模式預報效果一般[12]，在預報時更應給予關注。