西安東部一次局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程分析

肖貽青，胡啟元,井 宇,王 潔，劉 勇

(1.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710014)

強(qiáng)對(duì)流天氣是指伴隨雷暴現(xiàn)象的對(duì)流性大風(fēng)(≥17.2 m/s)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水。該類(lèi)天氣的突發(fā)性和局地性強(qiáng)、生命史短，地面觀測(cè)[1]和模式預(yù)報(bào)[2]可能會(huì)遺漏或忽視這些小尺度系統(tǒng)，因此強(qiáng)對(duì)流天氣成為預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的難點(diǎn)問(wèn)題[3]。強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展，往往受天氣尺度和中小尺度系統(tǒng)的綜合影響[4]，其中天氣尺度系統(tǒng)包括高低空急流、鋒面等[5]；但另一方面，強(qiáng)對(duì)流與中小尺度過(guò)程或系統(tǒng)聯(lián)系更為直接。目前的研究認(rèn)為邊界層輻合線[6]、地形抬升[3]及熱力變化都是對(duì)流觸發(fā)的原因，但在不同環(huán)境下對(duì)流的生成和發(fā)展機(jī)制也不完全相同，其中強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的初生位置及可能的演變機(jī)制是短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)面臨的主要挑戰(zhàn)之一[7-8]。夏季特別是在弱天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫下，預(yù)報(bào)員很難判斷對(duì)流是否繼續(xù)發(fā)展或持續(xù)移動(dòng)[9]。姚靜等[10]對(duì)黃土高原強(qiáng)對(duì)流天氣分析表明，地面干線和輻合線是觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的主要原因。劉勇[11]對(duì)陜西一次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的診斷發(fā)現(xiàn)，干侵入是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的重要條件之一。潘留杰等[12]發(fā)現(xiàn)，在一些情況下，天氣尺度分析不足以判斷強(qiáng)天氣發(fā)生的潛勢(shì)條件。還有大量研究[13-19]對(duì)陜西的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行個(gè)例分析和探討，每次過(guò)程的主要影響條件和發(fā)生機(jī)理都不完全一樣，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的研究有必要持續(xù)而深入的進(jìn)行，并利用大量個(gè)例來(lái)驗(yàn)證結(jié)論。

2019年主汛期，陜西強(qiáng)對(duì)流天氣整體較少，且主要以短時(shí)強(qiáng)降水為主。2019年8月9日凌晨，關(guān)中東部發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)度較大，致災(zāi)性強(qiáng)，其中西安市藍(lán)田縣的短時(shí)強(qiáng)降水造成了泥石流、滑坡等災(zāi)害，為當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重危害。利用常規(guī)觀測(cè)資料，NCEP(1°×1°)再分析資料，衛(wèi)星云圖和多普勒雷達(dá)、微波輻射計(jì)等多源數(shù)據(jù)，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行較為全面的分析和總結(jié)，有助于提高預(yù)報(bào)員對(duì)此類(lèi)強(qiáng)對(duì)流天氣的敏感性，提升強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)技能和預(yù)警服務(wù)，有助于防災(zāi)減災(zāi)決策能力的提升。

1 實(shí)況分析

2019年8月8日21時(shí)至9日09時(shí)，陜西省出現(xiàn)了區(qū)域性短時(shí)強(qiáng)降水。降水主要集中在關(guān)中東部和陜南西部，并造成西安東部出現(xiàn)了暴雨，降水落區(qū)如圖1所示，其中最大降水出現(xiàn)在藍(lán)田縣，12小時(shí)降水量為100.6 mm。此次短時(shí)強(qiáng)降水突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度大，且造成了藍(lán)田縣境內(nèi)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，這里主要對(duì)關(guān)中東部以藍(lán)田為主的短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行分析。

圖1 2019-08-08T21—09T09西安地區(qū)實(shí)況降水量分布

針對(duì)藍(lán)田站8月8日21時(shí)至9日10時(shí)的降水(圖2a)進(jìn)行了分析，可以看出，降水主要從8月9日05時(shí)開(kāi)始，至10時(shí)基本結(jié)束。最強(qiáng)降水時(shí)段主要集中在05—07時(shí)，最大雨強(qiáng)為57.4 mm/h，07時(shí)后雨強(qiáng)迅速減弱至10 mm/h以下，10時(shí)后雨強(qiáng)不足1 mm/h。8日22時(shí)至9日08時(shí)藍(lán)田站的氣溫和地面氣壓(圖2b)顯示，從9日04時(shí)(此次短時(shí)強(qiáng)降水開(kāi)始前)至08時(shí)，該站氣溫由24.0 ℃降低至20.6 ℃，氣壓從945.2 hPa上升到947.6 hPa，其氣溫和地面氣壓的相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到-0.98。同時(shí)，對(duì)周邊站點(diǎn)的氣象要素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：此次短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，藍(lán)田站的氣溫普遍高于周邊各站；而短時(shí)強(qiáng)降水開(kāi)始后，藍(lán)田站氣溫陡然下降，其他站則沒(méi)有顯著變化。說(shuō)明造成短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流系統(tǒng)范圍較小，僅在藍(lán)田站附近引起了冷空氣的下沉堆積。

圖2 2019-08-08T22—09T10藍(lán)田站降水(a)和氣溫、地面氣壓(b)變化

2 中尺度分析

8日20時(shí)中尺度分析如圖3所示，從環(huán)流形勢(shì)上看，500 hPa等壓面上在甘肅東部和河套地區(qū)均有低槽存在，陜西位于槽前，受西南短波氣流擾動(dòng)影響；700 hPa和850 hPa在陜甘寧交界處均存在切變，受臺(tái)風(fēng)外圍偏東氣流影響，關(guān)中和陜南中低層水汽條件非常好，大部區(qū)域t-td≤6 ℃，且在陜西、甘肅、寧夏交界處存在t850-500>26 ℃的不穩(wěn)定能量區(qū)。從中尺度分析來(lái)看，關(guān)中西部具備強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的各項(xiàng)有利條件，關(guān)中東部暫時(shí)缺少抬升觸發(fā)條件。

從8日20時(shí)西安涇河站探空(圖4)溫度廓線和露點(diǎn)廓線可以看出，300 hPa以上及500 hPa以下濕度條件較好，500 hPa與300 hPa之間存在t-td>20 ℃的空氣柱，可認(rèn)為在中高層存在顯著的干冷空氣帶；700 hPa以下平均比濕達(dá)到12 g/kg，500 hPa以上比濕則迅速下降至1 g/kg以下，低層大氣濕度條件較好，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。從狀態(tài)曲線上還可以看到，850 hPa以下存在34 J/kg的抑制對(duì)流有效位能(CIN)，有利于低層能量的蓄積；CAPE為1 003.8 J/kg，呈細(xì)長(zhǎng)狀，其形態(tài)有利于短時(shí)強(qiáng)降水[20]；抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度分別位于860 hPa和790 hPa，相對(duì)較低，若有氣團(tuán)抬升則非常容易觸發(fā)對(duì)流。另外，K指數(shù)為33 ℃，抬升指數(shù)Li為-1.95，對(duì)流溫度Tg為31.9 ℃，這些對(duì)流參數(shù)均表現(xiàn)為大氣層結(jié)不穩(wěn)定度大，有利于短時(shí)強(qiáng)降水的形成和發(fā)展。由此可知，關(guān)中地區(qū)在熱力、水汽和能量方面， 均具有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的有利條件。

圖3 2019-08-08T20中尺度分析

圖4 2019-08-08T20涇河站T-logP圖

3 短時(shí)強(qiáng)降水特征分析

3.1 溫度、濕度場(chǎng)

利用西安涇河站微波輻射計(jì)對(duì)近地層(0～1 km)大氣溫度、整層(0～10 km)相對(duì)濕度的剖面隨時(shí)間序列變化(圖5)進(jìn)行分析?？梢钥闯鼋貙? km(圖5a)以下，8月9日00時(shí)起溫度開(kāi)始表現(xiàn)出明顯的下降，04時(shí)后較強(qiáng)冷空氣驟然從高層侵入至地面，且隨著時(shí)間不斷加強(qiáng)，地面溫度迅速下降至20 ℃以下；08時(shí)后氣溫開(kāi)始緩慢回升。從相對(duì)濕度(圖5b)變化可以看到，9日00時(shí)起，地面至8 km(400 hPa左右)大氣的相對(duì)濕度均在60%以上，尤其是中層2～6 km，相對(duì)濕度達(dá)到90%以上，濕層非常深厚；05時(shí)起高層有顯著干空氣入侵，8 km(400 hPa)以上的相對(duì)濕度在短時(shí)間內(nèi)快速降至0%，且隨著時(shí)間向低層入侵，中低層相對(duì)濕度從90%下降至50%以下；干空氣入侵僅維持不足2 h，07時(shí)后整層大氣相對(duì)濕度快速增加，中層恢復(fù)顯著濕區(qū)特征。

圖5 2019-08-09微波輻射觀測(cè)的溫度(a)、相對(duì)濕度(b)隨高度時(shí)間序列剖面

從以上分析可以看出，在短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生期間，高層有明顯的干冷空氣入侵，一方面干冷空氣可直接觸發(fā)新的對(duì)流；另一方面干冷空氣在做下沉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與云中飽和水汽混合，云中雨滴蒸發(fā)冷卻，下沉氣流能形成地面的冷空氣堆，可抬升低層暖濕空氣上升形成新的對(duì)流單體，并且由于在風(fēng)切變環(huán)境下，下沉氣流把高空的水平動(dòng)量帶到地面，在低空加強(qiáng)了與暖空氣的輻合作用，從而維持和加強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水。

3.2 假相當(dāng)位溫

8日20時(shí)850 hPa假相當(dāng)位溫(圖6a)顯示，陜南西南部存在高值中心，其向東北方向延伸至關(guān)中東部，形成假相當(dāng)位溫高能區(qū)，關(guān)中東部假相當(dāng)位溫中心接近60 ℃。9日02時(shí)(圖6b)，高能區(qū)能量舌加強(qiáng)，假相當(dāng)位溫中心增強(qiáng)至70 ℃左右，且等值線更密集，能量更加集中。同時(shí)，從8日20時(shí)西安涇河站的假相當(dāng)位溫的垂直廓線(圖略)可以分析得到，500 hPa以下假相當(dāng)位溫隨高度顯著遞減，850 hPa與500 hPa溫差為20 ℃左右，說(shuō)明中低層存在較強(qiáng)的對(duì)流性不穩(wěn)定，這是一種潛在不穩(wěn)定。當(dāng)沒(méi)有擾動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出穩(wěn)定氣層特征；一旦發(fā)生氣流輻合或越山等受迫抬升過(guò)程，氣層達(dá)到飽和后轉(zhuǎn)化為真實(shí)不穩(wěn)定，進(jìn)而釋放大量不穩(wěn)定能量，對(duì)流加強(qiáng)發(fā)展。

圖6 2019年8月850 hPa假相當(dāng)位溫(單位為℃)分布(a 8日20時(shí),b 9日02時(shí)；圖中長(zhǎng)方形框?yàn)楦吣苌鄥^(qū))

3.3 垂直上升速度

對(duì)垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，結(jié)果表明：8月9日02時(shí)700 hPa(圖7a)垂直速度在藍(lán)田及以東地區(qū)表現(xiàn)為一定范圍的上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)中心位于東部的渭南地區(qū)；對(duì)應(yīng)850 hPa(圖7b)上升運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大，且上升強(qiáng)度明顯增加，中心依然位于渭南地區(qū)。由此可知，藍(lán)田附近在9日凌晨大氣層結(jié)已經(jīng)受到明顯的動(dòng)力抬升，且高度可達(dá)到700 hPa以上，但東部的上升運(yùn)動(dòng)更加顯著，可能更容易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生，從而判斷藍(lán)田附近的短時(shí)強(qiáng)降水會(huì)受東部強(qiáng)對(duì)流的影響而合并加強(qiáng)。

3.4 地面中尺度系統(tǒng)

對(duì)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生期間地面加密風(fēng)場(chǎng)(圖8)進(jìn)行分析，在短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前,05:00(圖8a)藍(lán)田站以西地面盛行偏西風(fēng)，以東為偏東風(fēng)，但風(fēng)速整體較小，輻合較弱；05：30(8b)，地面風(fēng)速加強(qiáng)，藍(lán)田站附近存在中尺度輻合，形成地面小尺度低壓環(huán)流，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；06：00(圖8c)系統(tǒng)緩慢向東移動(dòng)；07：00(圖8d)，中尺度輻合中心減弱為地面輻合線，向東北方向移動(dòng)進(jìn)入渭南境內(nèi)，藍(lán)田境內(nèi)的短時(shí)強(qiáng)降水開(kāi)始減弱，東部渭南地區(qū)開(kāi)始加強(qiáng)。由此可知，地面輻合是造成短時(shí)強(qiáng)降水的觸發(fā)和維持條件。

3.5 地形作用

藍(lán)田縣位于秦嶺北麓的驪山山腳，驪山海拔1 302 m，本站海拔540.2 m，南部以秦嶺為界，北部則是平原地形，處于平原到高山的地形過(guò)渡地區(qū)。地形特征示意圖如圖9(見(jiàn)第6頁(yè))所示，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，藍(lán)田站西部盛行偏西氣流，東部渭南地區(qū)則以偏東氣流為主；偏西氣流在藍(lán)田附近迎風(fēng)坡被抬升，強(qiáng)迫抬升的氣塊可觸發(fā)局地對(duì)流，釋放已蓄積的大量不穩(wěn)定能量，使對(duì)流快速發(fā)展。此外，偏西氣流從驪山南部和秦嶺北部之間的狹道穿過(guò)，沿著山谷地形進(jìn)入渭南境內(nèi)后轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，從而和渭南東部偏東氣流形成氣流輻合，觸發(fā)渭南境內(nèi)的對(duì)流。當(dāng)氣流穿過(guò)兩山之間的峽谷，狹管效應(yīng)會(huì)造成風(fēng)速增加，從而使氣流輻合加強(qiáng)，短時(shí)強(qiáng)降水加強(qiáng)。在偏東風(fēng)的引導(dǎo)下，對(duì)流向藍(lán)田方向移動(dòng)發(fā)展。

圖7 2019-08-09T02垂直速度場(chǎng)(a 700 hPa，b 850 hPa；單位為hPa/s；黑色圓點(diǎn)為藍(lán)田站)

圖8 2019-08-09地面區(qū)域站風(fēng)場(chǎng)(a 05：00，b 05：30，c 06：00，d 07：00；黑色圓點(diǎn)為藍(lán)田站； D表示中尺度輻合)

4 衛(wèi)星云圖特征

從衛(wèi)星云圖相當(dāng)黑體溫度(TBB)分布可以看出，9日06時(shí)(圖10a)，藍(lán)田東部上空已生成對(duì)流云團(tuán)，中心云頂亮溫約為-52 ℃，尺度約為10 km，對(duì)應(yīng)其境內(nèi)有8個(gè)區(qū)域站出現(xiàn)20 mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水， 其中2個(gè)區(qū)域站的雨強(qiáng)大于50 mm/h。07時(shí)(圖10b)，對(duì)流云團(tuán)有所加強(qiáng)，-52 ℃云團(tuán)尺度增加至40 km以上，中心向東移動(dòng)至渭南境內(nèi)，藍(lán)田縣4站出現(xiàn)20 mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)為40.5 mm/h，渭南境內(nèi)也開(kāi)始出現(xiàn)較大的短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)達(dá)35.5 mm/h。從衛(wèi)星云圖看出造成這次短時(shí)暴雨的對(duì)流云團(tuán)為中-γ及中-β尺度，云頂亮溫為-52～-42 ℃，藍(lán)田的短時(shí)強(qiáng)降水區(qū)位于TBB亮溫區(qū)西部邊緣梯度大值區(qū)，但冷云區(qū)面積較小，持續(xù)時(shí)間較短。同時(shí)也說(shuō)明此次過(guò)程水汽條件非常好，從而造成降水效率高，引起較強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水。

圖9 藍(lán)田地形特征及2019-08-08—09短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程氣流示意(文見(jiàn)第4頁(yè)3.5)

圖10 2019-08-09衛(wèi)星云圖TBB(單位為℃)分布(a 06時(shí)，b 07時(shí)；黑色圓點(diǎn)為藍(lán)田站)

5 雷達(dá)特征

5.1 組合反射率

9日01時(shí)，藍(lán)田站出現(xiàn)了孤立的對(duì)流單體，中心強(qiáng)度約30 dBz，反射率因子邊界呈橢圓狀且清晰；02時(shí)該單體穩(wěn)定少動(dòng)，中心強(qiáng)度和尺度稍有增加，且在藍(lán)田的上下游均觸發(fā)了其他新的較小對(duì)流單體；03時(shí)對(duì)流單體明顯加強(qiáng)，中心強(qiáng)度增大到55 dBz，藍(lán)田站下游東部地區(qū)在秦嶺北部初生的對(duì)流單體快速發(fā)展，上游獨(dú)立的對(duì)流單體逐漸增多；04時(shí)，在渭南地區(qū)生成的對(duì)流單體快速發(fā)展合并，形成了沿藍(lán)田、華縣、華陰呈東北—西南向的帶狀對(duì)流回波，回波的生成、發(fā)展及移動(dòng)方向受地形影響明顯，說(shuō)明了本次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，地形對(duì)對(duì)流的生成和發(fā)展有重要作用。值得注意的是，01—04時(shí)主要強(qiáng)回波區(qū)位于渭南境內(nèi)，3 h累積降水量有2站達(dá)到30 mm以上，而藍(lán)田境內(nèi)僅出現(xiàn)零散的陣性降水。

9日04：30，藍(lán)田上游回波向東移動(dòng)，下游回波向西移動(dòng)，在藍(lán)田站附近持續(xù)合并加強(qiáng)，形成了積狀云對(duì)流回波，中心強(qiáng)度達(dá)60 dBz以上；該對(duì)流單體受上游偏西風(fēng)，下游偏東風(fēng)輻合影響，在原地持續(xù)加強(qiáng)；06：46后形成了大片積狀層狀云混合回波。實(shí)況顯示，04：30以后藍(lán)田縣開(kāi)始出現(xiàn)明顯短時(shí)強(qiáng)降水，至07時(shí)3 h內(nèi)有8站累積降水量達(dá)到50 mm以上。

從雷達(dá)反射率因子可以看到，藍(lán)田境內(nèi)獨(dú)立的對(duì)流單體基本是沿山脈地形形成，當(dāng)多個(gè)對(duì)流單體合并加強(qiáng)，雷達(dá)回波上顯示為明顯的層狀云和對(duì)流云混合型降水回波時(shí)，才造成了較大的短時(shí)強(qiáng)降水；上、下游的對(duì)流單體沿著地形移動(dòng)至藍(lán)田境內(nèi)，且長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙，是造成該地強(qiáng)降水的主要原因。

5.2 徑向速度

對(duì)主要降水時(shí)段1.5°仰角徑向速度(圖12)進(jìn)行分析。05:00，雷達(dá)所在的西安站主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，在藍(lán)田及其東部存在較為明顯的輻合；背景風(fēng)場(chǎng)隨著時(shí)間加強(qiáng)，藍(lán)田境內(nèi)的輻合強(qiáng)度也有所增加，且范圍有所擴(kuò)大。06：03，西安站地面風(fēng)速顯著增加，1.5°仰角徑向速度圖上出現(xiàn)了明顯的速度模糊，退模糊后的偏西風(fēng)可達(dá)19 m/s以上，該時(shí)刻地面也觀測(cè)到12 m/s以上的極大風(fēng)速；藍(lán)田站附近的中尺度輻合范圍減小，風(fēng)速也出現(xiàn)了速度模糊，表明環(huán)境風(fēng)場(chǎng)速度增加，有利于地面中尺度風(fēng)速輻合加強(qiáng)，從而短時(shí)強(qiáng)降水加強(qiáng)。

圖11 2019-08-09西安多普勒雷達(dá)組合反射率因子(白色圓圈表示藍(lán)田縣發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)域)

圖12 2019-08-09西安多普勒雷達(dá)1.5°仰角徑向速度(白色圓圈表示風(fēng)速輻合區(qū))

6 結(jié)論

(1)上游短波槽及臺(tái)風(fēng)外圍明顯的偏東水汽輸送使關(guān)中大部分區(qū)域具有非常有利于短時(shí)強(qiáng)降水的水汽和熱力條件。藍(lán)田短時(shí)強(qiáng)降水局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短，降水效率高。

(2)此次過(guò)程有明顯的干冷空氣侵入，其入侵時(shí)間與短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生時(shí)間一致。干冷空氣的侵入可觸發(fā)新對(duì)流、加強(qiáng)層結(jié)不穩(wěn)定度及促進(jìn)釋放潛熱以維持強(qiáng)對(duì)流，在這次過(guò)程中有增強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水的重要作用。

(3)藍(lán)田縣位于秦嶺北麓的山腳，在上游盛行偏西氣流的情況下，氣流遇迎風(fēng)坡被抬升，強(qiáng)迫抬升的氣塊可觸發(fā)局地對(duì)流；且由于狹管效應(yīng)，使山下地面風(fēng)速增加，從而加強(qiáng)地面輻合，以維持和加強(qiáng)本次短時(shí)強(qiáng)降水。

(4)造成藍(lán)田縣局地短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流單體是在本地生成發(fā)展，與上、下游的對(duì)流單體沿地形合并后快速加強(qiáng)，并在本地長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙形成有組織的對(duì)流。