陜西榆林地區(qū)一次暴雨過程三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)演變特征

黃 勤，黃 鑫，李亞麗

（1.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，陜西 西安 710014；2.陜西省氣象信息中心，陜西 西安 710014）

引 言

榆林位于陜西最北部，地表以風(fēng)沙草灘和黃土丘陵溝壑為主，年降水量在 600 mm以下［1－3］，且主要集中在夏季，暴雨是榆林地區(qū)夏季常見的災(zāi)害性天氣之一。由于特殊的地理環(huán)境，暴雨往往引發(fā)山洪、泥石流和滑坡等自然災(zāi)害，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，暴雨研究和預(yù)報一直是當(dāng)?shù)貧庀蠊ぷ髡吖リP(guān)的問題之一。

暴雨主要由中尺度系統(tǒng)造成，是各種天氣系統(tǒng)和環(huán)流系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，其生命史是一個復(fù)雜而具有突變的過程，如小擾動發(fā)生后在大尺度環(huán)境中增長，或者小擾動增長后對大尺度環(huán)境場的反饋［4］。經(jīng)過近40多 a的研究，預(yù)報方法從天氣圖發(fā)展到數(shù)值模式，暴雨的分析和預(yù)測能力得到很大提升。然而，由于小尺度運動中初始場不確定性對中尺度的影響，使得中尺度系統(tǒng)具有不可預(yù)報性，因此減少小尺度初始場的不確定性以提供高精度的暴雨分析和預(yù)報仍是難點之一［5－6］。

近年來，數(shù)值模式及衛(wèi)星、雷達(dá)和閃電等資料在暴雨研究中得到廣泛應(yīng)用［6］。雷達(dá)、衛(wèi)星可探測到中小尺度對流云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展和消散演變?nèi)^程。數(shù)值模式模擬在暴雨預(yù)測中往往存在一定的誤差，且無法反映小尺度環(huán)流特征［7］。由于短時暴雨的中小尺度系統(tǒng)空間尺度小、持續(xù)時間短，常規(guī)地面資料和數(shù)值模式很難捕捉，對暴雨的臨近預(yù)報存在很大的不確定性［6］。因此，開展暴雨過程中的三維精細(xì)化環(huán)流結(jié)構(gòu)的識別方法研究很有必要。

多普勒天氣雷達(dá)具有高時空分辨率，它能夠探測到降水粒子的反射率因子和徑向速度等重要信息。通過這些信息，借助一定方法，如速度方位顯示（VAD）、擴(kuò)展速度方位顯示（EVAD）、速度方位處理（VAP）等［8－13］，可以反演出風(fēng)場。然而，上述方法均是針對單部雷達(dá)，只能得到徑向速度的一個分量。隨著雷達(dá)風(fēng)場反演技術(shù)的不斷完善，基于雙部、三部雷達(dá)反演三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)越來越成熟［8］。20世紀(jì)60年代，ARMIJO［14］提出在笛卡爾坐標(biāo)系下雙部、三部雷達(dá)反演大氣三維風(fēng)場的方法，相比于圓柱坐標(biāo)系下的 “共面”［15－16］、ODD［17－18］、EODD［19］及“綜合和連續(xù)調(diào)整”（MUSCAT）［20－23］反演方法，該方法插值次數(shù)少，但存在粒子下落末速度和質(zhì)量連續(xù)方程求解估算不準(zhǔn)確問題。羅昌榮等［24］改進(jìn)了ARMIJO的反演方法，提出在動態(tài)地球坐標(biāo)系下雙雷達(dá)風(fēng)場反演方法，其優(yōu)勢在于坐標(biāo)系隨反演目標(biāo)點變化而變化，使空間相關(guān)位置更接近事實，反演的風(fēng)場更接近真實風(fēng)，提高了風(fēng)場反演產(chǎn)品的適用性。動態(tài)地球坐標(biāo)系下雙雷達(dá)三維風(fēng)場反演方法較好地應(yīng)用于冰雹［25］、臺風(fēng)［24，26］、暴雨［27－29］等天氣過程分析與預(yù)報中，可清晰展示對流系統(tǒng)不同生命階段三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

目前，對陜北暴雨生成發(fā)展機制的分析和預(yù)測多采用地面觀測資料、單雷達(dá)探測資料等，容易漏掉很多小尺度環(huán)流信息和雷暴單體的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)。本文針對榆林東南部地區(qū)2017年7月26日的一次暴雨過程，采用動態(tài)地球坐標(biāo)系下雙雷達(dá)反演風(fēng)場方法，反演此次暴雨的風(fēng)場三維結(jié)構(gòu)，對比分析暴雨發(fā)生、發(fā)展及減弱過程風(fēng)場三維結(jié)構(gòu)變化特征，以期為榆林地區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展機制研究及預(yù)報預(yù)警提供新視角。

1 資料與方法

1.1 資料選取

所用資料包括多普勒天氣雷達(dá)資料以及2017年7月25日10：00（北京時，下同）至26日10：00榆林市國家級、區(qū)域自動站逐小時降水資料和7月25—26日NCEP逐6 h高度場、風(fēng)場、溫度場和相對濕度場再分析資料（分辨率為 2.5°×2.5°）。多普勒天氣雷達(dá)資料為榆林（109°46′59″E、38°16′1″N）和延安（109°29′13″E、36°36′36″N）兩部 CINRAD／CB型雷達(dá)基數(shù)據(jù)，兩站海拔高度分別為1189 m和1162 m，相距約186 km。其中，榆林雷達(dá)站距子洲和綏德觀測站約78 km和93 km，延安雷達(dá)站距子洲和綏德觀測站約120 km和118 km。站點分布見圖1。

圖1 多普勒雷達(dá)站及自動站分布Fig.1 The distribution of Doppler radar stations and automatic weather stations

1.2 反演方法

采用動態(tài)地球坐標(biāo)系下雙雷達(dá)風(fēng)場反演方法。將坐標(biāo)原點設(shè)在地球球心，z軸通過目標(biāo)反演點D指向天頂，x軸指向D點的正東方向，y軸指向D點的正北方向，并設(shè)置水平格點為 0.01°×0.01°，垂直格點距離為0.5 km。假設(shè)兩部雷達(dá)的坐標(biāo)分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），探測的徑向速度分別為v1、v2（m·s－1）；降水粒子下落末速度 wf（m·s－1）＝3.8×R0.072，向下為正，R（dBZ）為回波強度；反演點D的坐標(biāo)為（0，0，z），其到兩部雷達(dá)的距離分別為 r1和 r2（km），D點的風(fēng)場分量為 u、v、w，則有以下方程組［8］：

由于空氣密度隨高度升高而減小，下層空氣的輻合誤差會對上層垂直速度造成更大誤差，所以利用質(zhì)量連續(xù)方程［8］對垂直速度進(jìn)行訂正：

式中：ρ（kg·m－3）為空氣密度。

采用迭代法，設(shè)w（0）＝0代入式（1）和（2），求出u（0）、v（0），再代入式（3）中求出 w（1），再將 w（1）代入式（1）和（2），求 u（1）、v（1），直到滿足 max｜w（k＋1）－w（k）｜＜0.1條件，即求出 u、v、w。

2 暴雨概況及環(huán)流背景

2.1 實 況

2017年7月25 —26日陜西榆林市東南部發(fā)生一次強暴雨過程，是1961年以來榆林地區(qū)最強暴雨，造成11個縣區(qū)、131個鄉(xiāng)鎮(zhèn)42.43萬人受災(zāi)，12人死亡，1人失蹤，近10萬人緊急轉(zhuǎn)移，直接經(jīng)濟(jì)損失超過80億元人民幣，子洲和綏德受災(zāi)最為嚴(yán)重。其中，25日10：00至26日10：00榆林地區(qū)5個國家級自動站24 h降水量超過100 mm，子洲達(dá)206.6 mm，綏德四十里鋪區(qū)域自動站降水量最大為233 mm［圖2（a）］。從圖2（b）看出，綏德四十里鋪站在25日 20：00開始出現(xiàn)降水，初期雨強較弱，23：00雨強急劇增大，小時雨量超過30 mm，隨后雨強略有減弱，26日02：00再次增至最強，小時雨量接近50 mm；之后雨強持續(xù)快速減弱，至05：00小時雨量不足5 mm，此后降水再次出現(xiàn)一短暫的小峰值后于08：00停止。

2.2 大尺度環(huán)流背景

2017年7月25 日08：00［圖3（a）］，500 hPa歐亞大陸中高緯地區(qū)呈“一槽一脊”形勢，貝加爾湖至青海東部有明顯的低壓槽，陜西榆林位于低壓槽前，副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）控制我國華東、華中大部分區(qū)域，北側(cè)伸至32°N，西伸脊點位于112°E附近，副高西側(cè)外圍西南暖濕氣流由南向北不斷輸送水汽；20：00［圖3（b）］，副高北抬，南北兩支高空槽疊加并向東發(fā)展至陜西西部，榆林地區(qū)降水開始。與此同時，700 hPa西南氣流增強，風(fēng)速最大達(dá)12 m·s－1，低空急流明顯，水汽和不穩(wěn)定能量不斷輸送至陜西北部并出現(xiàn)輻合，水汽通量散度在 －5×10－6g·hPa－1·cm－2·s－1以上，為降水的發(fā)生提供充足的水汽和動力條件；陜北北部與內(nèi)蒙古交界處存在低渦切變，榆林地區(qū)位于切變線南側(cè)強降水發(fā)生發(fā)展區(qū)域［圖3（c）］?？梢?，高空槽東移和西南暖濕氣流輸送引發(fā)了此次暴雨。26日02：00降水最強時段［圖3（d）］，200 hPa高空急流東移，急流中心位于我國東北地區(qū)；700 hPa西南氣流持續(xù)增強，最大風(fēng)速達(dá)14 m·s－1以上，榆林處于高空急流入口區(qū)右側(cè)和低空急流左前方，高低空急流耦合造成大暴雨。26日08：00（圖略），高空槽東移出陜西，榆林地區(qū)降水減弱。

圖2 2017年7月25日10：00至26日10：00陜西榆林地區(qū)24 h累計降水量（a，單位：mm）和綏德四十里鋪站逐小時降水量（b）Fig.2 The 24－h(huán)our accumulative precipitation in Yulin of Shaanxi Province from 10：00 BST 25 to 10：00 BST 26 July 2017（a，Unit：mm）and hourly precipitation at Sishilipu station of Suide（b）

圖3 2017年7月25日08：00（a）、20：00（b、c）和26日02：00（d）500 hPa高度場（藍(lán)色線條，單位：dagpm）及風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m·s－1）（a，b）和700 hPa高度場（藍(lán)色線條，單位：dagpm）、風(fēng)場（風(fēng)向桿，單位：m·s－1）、水汽通量散度（陰影，單位：10－5 g·hPa－1·cm－2·s－1）及200 hPa風(fēng)場（紅色箭頭，單位：m·s－1）（c，d）（黑色方框為降水區(qū)域，黑色實線為切變線）Fig.3 The 500 hPa geopotential height field（blue lines，Unit：dagpm）and wind field（wind shafts，Unit：m·s－1）（a，b），and 700 hPa geopotential height field（blue lines，Unit：dagpm），wind field（wind shafts，Unit：m·s－1），water vapor flux divergence（shadows，Unit：10－5 g·hPa－1·cm－2·s－1）and 200 hPa wind field（red arrows，Unit：m·s－1）（c，d）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b，c）25 and 02：00 BST 26（d）July 2017（the black box for the rainfall area，the black solid line for the shear line）

3 暴雨三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)子洲和綏德兩縣降水演變特征，選取25日20：35、21：33和26日01：50、05：37時次的三維風(fēng)場進(jìn)行分析，分別對應(yīng)暴雨開始、發(fā)展、最強和減弱4個階段。

3.1 開始階段

25日20：35 ，孤立的雷暴單體強回波開始進(jìn)入榆林子洲地區(qū)，1.5 km高度上 109.96°E以西、37.46°N以南強回波區(qū)存在偏北與偏南氣流形成的風(fēng)切變，水平最大風(fēng)速達(dá)20 m·s－1，其余大部地區(qū)受偏南氣流控制［圖4（a）］；3.0 km高度切變位置相比1.5 km高度向東延伸至109.96°E，強回波區(qū)位于切變線西側(cè)，利于降水向東發(fā)展［圖4（b）］；5.0 km高度切變位置相比3.0 km高度向東北方向延伸［圖4（c）］?？梢姡凶兙€向東北方向傾斜，利于降水向東北方向發(fā)展。

沿109.81°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面［圖4（d）］顯示，強回波伸至 9 km附近，60 dBZ以上的強回波中心分布在3～7 km之間；2.0 km以下，37.46°N附近下沉氣流與上升氣流交匯，下沉氣流迫使暖濕空氣向北傾斜抬升，利于降水向北發(fā)展，而上升氣流傾斜則迫使雨滴降落時可以快速脫離主體，利于上升氣流強度的維持，從而使得降水得以發(fā)展持續(xù)。與此同時，37.66°N附近近地面下沉氣流與上升氣流交匯，迫使37.61°N和37.71°N附近強回波（40～50 dBZ）向北發(fā)展。

3.2 發(fā)展階段

25日21：33 ，降水強度不斷增強，60 dBZ以上的雷暴單體強回波向東北方向移動，覆蓋了子洲大部分區(qū)域。1.5 km和3.0 km高度［圖5（a）、圖5（b）］上，109.96°E以東、37.51°N附近偏北氣流與西南氣流形成低空風(fēng)切變，其他大部分地區(qū)受偏南氣流控制，水平風(fēng)速最大達(dá)18 m·s－1，強回波區(qū)位于切變線西側(cè)，降水進(jìn)一步向東發(fā)展；5.0 km高度上，60 dBZ以上強回波范圍有所擴(kuò)大，110.06°E附近偏北風(fēng)與東南風(fēng)形成風(fēng)切變，強回波伴隨切變線向東北發(fā)展［圖5（c）］。沿109.91°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面［圖5（d）］顯示，雷暴單體回波頂高升至12 km附近，相比前一階段60 dBZ以上強回波升高至8 km附近，且范圍明顯增大，37.71°N附近出現(xiàn)多個小范圍50 dBZ以上強回波中心，雷暴單體內(nèi)部氣流增強；2.0 km以下，37.66°N附近下沉氣流與上升氣流交匯，強回波北擴(kuò)繼續(xù)發(fā)展。

3.3 最強階段

26日01：50 ，降水強度達(dá)到最大，子洲附近的雷暴單體減弱，并與西部北移的帶狀回波東移形成混合型回波，覆蓋榆林東南部地區(qū)。1.5 km和3.0 km高度上，偏北與偏南氣流形成的切變線，其位置相比上一階段向東南方向延伸［圖6（a）、圖6（b）］；相比前兩個階段，5.0 km高度強回波區(qū)明顯減小，且強回波位置有所下降，此時開始出現(xiàn)暴雨［圖6（c）］，02：00子洲站小時雨量達(dá)到最大52 mm。

沿110.06°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面［圖6（d）］顯示，回波頂高度下降，55 dBZ以上的強回波消失，50～55 dBZ的強回波下降至4.0 km以下；37.51°N附近，2.0 km以下下沉氣流與上升氣流輻合并向南發(fā)展。強回波中心整體受上升氣流控制，與上一階段相比，北邊上升氣流明顯減弱，且回波頂部下沉氣流逐漸增強。

3.4 減弱階段

26日05：37 ，降水明顯減弱，50 dBZ以上強回波向東南方向移出子洲、綏德地區(qū)。1.5 km高度上［圖7（a）］，37.41°N以北大部地區(qū)的偏南氣流明顯減弱，且 110.06°E附近切變線位置南移；3.0 km高度上［圖7（b）］，大部分地區(qū)受偏北氣流控制，切變線已移出子洲和綏德地區(qū)，不利于降水持續(xù)。沿110.06°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面［圖7（c）］顯示，50 dBZ以上強回波消失，40～50 dBZ強回波向東南方向移動，且南邊上升氣流增強，北邊上升氣流減弱、下沉氣流增強，降水逐漸移出子洲和綏德地區(qū)并向東南方向發(fā)展。

圖4 2017年7月25日20：35榆林東南部地區(qū)1.5 km（a）、3.0 km（b）、5.0 km（c）高度延安－榆林站雷達(dá)回波強度（陰影，單位：dBZ）和反演風(fēng)場（箭頭，單位：m·s－1）及其沿109.81°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面（d）Fig.4 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at 1.5 km（a），3.0 km（b），5.0 km（c）height，and their meridional vertical section along the strong echo centre of 109.81°E（d）over southeastern Yulin of Shaanxi at 20：35 BST July 25，2017

圖5 2017年7月25日21：33榆林東南部地區(qū)1.5 km（a）、3.0 km（b）、5.0 km（c）高度延安－榆林站雷達(dá)回波強度（陰影，單位：dBZ）和反演風(fēng)場（箭頭，單位：m·s－1）及其沿109.91°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面（d）Fig.5 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at height of 1.5 km（a），3.0 km（b），5.0 km（c），and their meridional vertical section along the strong echo centre of 109.91°E（d）over southeastern Yulin of Shaanxi at 21：33 BST July 25，2017

圖6 2017年7月26日01：50榆林東南部地區(qū)1.5 km（a）、3.0 km（b）、5.0 km（c）高度延安－榆林站雷達(dá)回波強度（陰影，單位：dBZ）和反演的風(fēng)場（箭頭，單位：m·s－1）及其沿110.06°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面（d）Fig.6 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at height of 1.5 km（a），3.0 km（b），5.0 km（c），and their meridional vertical section along the strong echo centre of 110.06°E（d）over southeastern Yulin of Shaanxi at 01：50 BST July 26，2017

圖7 2017年7月26日05：37榆林東南部地區(qū)1.5 km（a）、3.0 km（b）高度延安－榆林站雷達(dá)回波強度（陰影，單位：dBZ）和反演的風(fēng)場（箭頭，單位：m·s－1）及其沿110.06°E強回波中心的經(jīng)向垂直剖面（c）Fig.7 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at height of 1.5 km（a），3.0 km（b），and their meridional vertical section along the strong echo centre of 110.06°E（c）over southeastern Yulin of Shaanxi at 05：37 BST July 26，2017

4 結(jié) 論

（1）此次暴雨過程主要受500 hPa高空槽、700 hPa西南低空急流和700 hPa切變線共同影響。700 hPa西南低空急流帶來大量水汽和不穩(wěn)定能量，促使強降水發(fā)生和維持，而500 hPa高空槽東移為降水發(fā)展提供動力條件，700 hPa切變線利于大氣上升運動增強。榆林地區(qū)處于水汽和動力最有利于強降水發(fā)生發(fā)展區(qū)域。

（2）雙雷達(dá)反演的風(fēng)場能夠反映降水開始、發(fā)展和消散過程中子洲、綏德地區(qū)風(fēng)場的三維結(jié)構(gòu)特征。開始階段，子洲附近地區(qū)存在低空急流，氣流呈上升運動，切變線位于強回波區(qū)東北側(cè)，降水向東北方向發(fā)展；發(fā)展階段，偏南氣流不斷增強，雷暴單體內(nèi)部上升氣流增強，強回波伴隨切變線向東北方向移動；最強階段，切變位置向東南方向移動，并有進(jìn)一步南壓之勢，上升氣流明顯減弱，回波頂部下沉氣流有所增強；減弱階段，偏南氣流減弱，偏北氣流占據(jù)主導(dǎo)，出現(xiàn)明顯下沉氣流，強回波高度降低，且向東南方向逐漸消散，降水減弱?？梢?，雙雷達(dá)反演的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)對暴雨的精細(xì)化特征分析有較好的參考價值。

與單雷達(dá)反演的徑向速度單一分量相比，雙雷達(dá)反演的風(fēng)場能夠更直觀展示風(fēng)場的各分量，即風(fēng)場的三維結(jié)構(gòu)特征。然而，三維風(fēng)場的反演依賴于較多的假設(shè)條件，如雷達(dá)波速的傳播方式、雙雷達(dá)同時探測到各點的徑向速度、降水粒子下落末速度計算條件，以及反演點相對于雙雷達(dá)的位置等，這些局限性還需要伴隨著雷達(dá)探測技術(shù)的發(fā)展陸續(xù)解決。