2020年“8.15”陜西西部區(qū)域性暴雨的成因分析

韓 潔 ，徐迎春，李恩莉

(1.寶雞市氣象局，陜西 寶雞 721006；2.武漢市氣象局，湖北 武漢 430299)

1 引言

陜西汛期的主要?dú)庀鬄?zāi)害為暴雨，因暴雨引發(fā)的塌方、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)額巨大，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅。近年來(lái)，隨著全球變暖日益加劇，極端天氣氣候事件日益增多[1～3]。暴雨的形成需要具備3個(gè)條件：充足的水汽條件、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和大氣層結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，其中充足的水汽供應(yīng)是暴雨出現(xiàn)的先決條件[4]。同時(shí)也有大量的研究表明暴雨是大尺度和中尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物[5～9]。已有學(xué)者對(duì)我國(guó)各地的暴雨天氣進(jìn)行了深入的分析與研究。楊云蕓等[10]通過(guò)對(duì)2019年主汛期湖南一次強(qiáng)降雨過(guò)程的成因討論發(fā)現(xiàn)此次降雨的影響系統(tǒng)復(fù)雜多變，由暖區(qū)暴雨、中層冷平流入侵暴雨、鋒面暴雨組成，其中冷空氣入侵時(shí)降雨效率最高。黃文彥等[11]通過(guò)對(duì)江蘇南部的一次極端暴雨過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)中層弱的干冷空氣入侵對(duì)降水有增幅作用。周長(zhǎng)艷等[12]通過(guò)對(duì)四川一次特大暴雨水汽來(lái)源的分析發(fā)現(xiàn)一條新的水汽輸送路徑：阿拉伯海北部的西南風(fēng)水汽輸送途經(jīng)高原主體、高原東南部進(jìn)人四川。慕建利等[13]對(duì)一次陜西關(guān)中暴雨環(huán)境條件和中尺度系統(tǒng)的研究表明：強(qiáng)降水的強(qiáng)弱與地面中尺度輻合系統(tǒng)的強(qiáng)弱有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，地面中尺度輻合系統(tǒng)的形成和加強(qiáng)可能是強(qiáng)降水的觸發(fā)機(jī)制和增幅原因之一。趙強(qiáng)[14]等通過(guò)對(duì)2017年7月25～26日陜北大暴雨過(guò)程的診斷分析，發(fā)現(xiàn)中層大氣鋒生造成的垂直運(yùn)動(dòng)使得陜北地區(qū)的強(qiáng)降水持續(xù)。

2020年夏季，陜西關(guān)中地區(qū)降水較常年明顯偏多，8月上中旬更是出現(xiàn)了連續(xù)強(qiáng)降水天氣，其中8月上旬以短時(shí)暴雨為主，8月中旬出現(xiàn)區(qū)域性暴雨天氣。特別是8月15～16日陜西西部的區(qū)域性暴雨造成位于關(guān)中西部的鳳縣多條主要公路受阻，通信中斷，幾乎成為“孤島”；陜南西部略陽(yáng)、寧強(qiáng)、留壩等多縣區(qū)遭遇洪水，經(jīng)濟(jì)損失慘重。因此對(duì)于2020年8月15～16日區(qū)域性暴雨的深入研究顯得尤為重要，本文從環(huán)流形勢(shì)、雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖、水汽條件、能量條件等方面入手分析了造成此次區(qū)域性暴雨的可能原因，為深入了解此類致災(zāi)性暴雨的成因提供科學(xué)依據(jù)。

2 降水實(shí)況分析

從2020年8月15日08：00至16日08：00的累計(jì)降水量(圖1)可以看出，陜西出現(xiàn)不同強(qiáng)度的降水天氣，關(guān)中西部和陜南西部出現(xiàn)大范圍的暴雨天氣，統(tǒng)計(jì)可知，全省共出現(xiàn)253站暴雨，其中21站大暴雨，最大降水量出現(xiàn)在留壩留侯鎮(zhèn)，為124.2 mm。降水期間共出現(xiàn)30站小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，最大值出現(xiàn)在洛南四皓街道33.6 mm/h。從留侯鎮(zhèn)逐小時(shí)的降水演變(圖2)可以看出此次暴雨天氣的強(qiáng)降水時(shí)段主要出現(xiàn)在15日09：00～11：00和16日00：00～03：00，具有雙峰型的特點(diǎn)。同時(shí)可以看到除15日13：00外其余時(shí)段均出現(xiàn)降水，小時(shí)降水強(qiáng)度在0.7～18.9 mm之間，降水較為平穩(wěn)。因此，此次暴雨具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)降雨呈現(xiàn)雙峰型的特點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)2020年8月15日08：00至16日08：00降水量分布

圖2 留侯鎮(zhèn)站逐小時(shí)雨量

3 暴雨的環(huán)流形勢(shì)演變特征

3.1 高空環(huán)流形勢(shì)

在500 hPa天氣圖(圖3a)上，2020年8月15日20：00西太平洋副熱帶高壓主體位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，588 dagpm西伸至(31°N，110°E)附近。自高原地區(qū)有一低槽東移至甘肅東部地區(qū)，陜西西部地區(qū)位于槽前的西南氣流之中。在降雨期間，副熱帶高壓穩(wěn)定少動(dòng)，略有北抬，阻擋低槽東移，使得陜西西部長(zhǎng)時(shí)間位于副熱帶高壓外圍的暖濕氣流與低槽后部冷空氣的交匯處，為此次暴雨天氣提供了有利的環(huán)流背景。

在700 hPa上(圖3b)，8月15日20：00陜西西部位于切變線前的暖濕氣流內(nèi)，自南海向陜西地區(qū)有一支最大風(fēng)速達(dá)10 m/s的偏南暖濕氣流，至16日02：00偏南暖濕氣流加強(qiáng)成低空急流，中心最大風(fēng)速達(dá)16 m/s，此時(shí)小時(shí)降水量明顯增大，多地出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。與700 hPa相對(duì)應(yīng)，在850 hPa上(圖3c)，陜西西部地區(qū)有一切變線存在，風(fēng)向輻合明顯，同時(shí)切變線前的偏南風(fēng)急流轉(zhuǎn)向?yàn)槠珫|氣流向陜西西部輸送水汽。低層的水汽輸送與切變線附近的輻合抬升均為陜西西部的區(qū)域性暴雨提供了有利的條件。

在200 hPa上(圖3d)，8月15日20：00高空急流位于40°N附近，陜西位于高空急流的右側(cè)，高層的輻散抽吸有利于加強(qiáng)低層的上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)從高低空急流的配置來(lái)看，陜西西部地區(qū)位于高空急流的右側(cè)，低空急流的前側(cè)，高低空急流的耦合，有利于加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，為暴雨的維持提供了有利條件。

圖3 2020年8月15日20時(shí)不同強(qiáng)度下的位勢(shì)高度(實(shí)線，單位：dagpm)、溫度(等值線，單位：℃)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位：m/s)與全風(fēng)速(實(shí)線，單位：m/s)

3.2 地面形勢(shì)演變

在地面圖上，8月15日08：00陜西中北部地區(qū)受強(qiáng)度為1005 hPa的弱高壓控制，陜南南部地區(qū)為暖低壓前部，此時(shí)在高低壓之間形成西北-東南向的弱鋒區(qū)，至15日17：00 1005 hPa的高壓中心緩慢東移，陜西西部地區(qū)的氣壓值減小，同時(shí)青藏高原附近的暖低壓向東擴(kuò)展，陜西關(guān)中、陜南地區(qū)受暖低壓加強(qiáng)東伸影響，鋒區(qū)減弱，降水強(qiáng)度隨之減弱。15日23：00，地面上自新疆東部至陜西有新的弱冷空氣補(bǔ)充至陜西西部地區(qū)，至16日02：00，陜西西部弱高壓雖迅速被南部強(qiáng)暖低壓切斷，但陜西西部地區(qū)補(bǔ)充的冷空氣與東部弱冷空氣匯合，與南部加強(qiáng)發(fā)展的暖低壓在陜西西部形成新的東-西向鋒區(qū)，鋒區(qū)加強(qiáng)，使得降水強(qiáng)度增大。因此，地面上弱冷空氣的補(bǔ)充和地面暖低壓形成的鋒區(qū)是影響此次暴雨的重要地面系統(tǒng)(圖4)。

圖4 2020年8月不同時(shí)段的地面實(shí)況氣壓場(chǎng)(等值線為等壓線，單位：hPa)

4 云圖與雷達(dá)圖特征

從紅外云圖上(圖5a～c)可以看出，8月15日08：00至16日08：00，主要有兩個(gè)顯著的降水云帶影響寶雞地區(qū)，一個(gè)是15日早晨的帶狀降水云系，與寶雞雷達(dá)組合反射率因子圖(圖5d)上密實(shí)的層狀云回波相對(duì)應(yīng)，同時(shí)在層狀云回波中夾雜強(qiáng)度大于45 dBz的積狀云回波，此時(shí)陜西西部出現(xiàn)降雨強(qiáng)度為18.9 mm/h的強(qiáng)降水。15日12：00～20：00(圖5e)，帶狀云系減弱，組合反射率圖上，回波強(qiáng)度減弱，組織結(jié)構(gòu)松散，降雨強(qiáng)度減小，小時(shí)雨強(qiáng)不超過(guò)3 mm。隨著青海東部降水對(duì)流云系的東移發(fā)展，15日23：00開(kāi)始影響陜西西部地區(qū)，從16日02：00的組合反射率因子圖上(圖5f)可以看出，雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)密實(shí)，強(qiáng)度在35～40 dBz，其間的積狀云回波明顯增多，最大回波強(qiáng)度超過(guò)50 dBz，強(qiáng)度較15日早晨增強(qiáng)，此時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)強(qiáng)降水階段，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到20 mm/h。與地面鋒區(qū)相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)影響陜西西部的兩個(gè)顯著降雨云團(tuán)與地面鋒區(qū)加強(qiáng)與減弱對(duì)應(yīng)較好。

圖5 2020年8月不同時(shí)段的紅外衛(wèi)星云圖與雷達(dá)組合反射率

5 水汽和動(dòng)力條件

5.1 水汽條件

從8月16日02：00 700 hPa的水汽通量和水汽通量散度圖(圖6a)上可以看出，自南海到陜西關(guān)中地區(qū)有一明顯的偏南水汽通量輸送，同時(shí)在陜西西部地區(qū)存在明顯的水汽通量散度的輻合區(qū)，輻合中心最大值超過(guò)30×107g/(hPa·cm·s)。同樣的在850hPa圖上(圖6b)，自南海向陜南地區(qū)仍然存在向南輸送的水汽通量，但強(qiáng)度略小于700hPa水汽通量。關(guān)中西部的水汽通量為南海向陜南輸送的水汽在33°N附近轉(zhuǎn)向?yàn)槠珫|氣流向關(guān)中西部輸送水汽，850hPa上的水汽通量散度的輻合區(qū)主要出現(xiàn)在陜南西部，關(guān)中西部的水汽輻合較陜南西部弱。由此可知，陜南西部的水汽輸送為來(lái)自南海的偏南氣流輸送，而關(guān)中西部的水汽輸送主要有兩條路徑，分別為700hPa的偏南氣流輸送和850hPa轉(zhuǎn)向的偏東氣流輸送。

圖6 2020年8月16日02：00 700 hPa(a)、850hPa(b)水汽通量(箭頭，單位：g/hPa·cm·s)和水汽通量散度(陰影、等值線，單位：107 g/(hPa·cm·s)

5.2 垂直運(yùn)動(dòng)條件

從垂直速度和散度沿107°緯度-高度剖面圖上可以看出，8月15日20：00(圖7a)，主要存在兩個(gè)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，一個(gè)位于34°N附近的700～500 hPa上，另一個(gè)位于35°N附近的500～400 hPa上，垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)盛，均達(dá)-0.8 Pa/s。16日02時(shí)(圖7b)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)從800 hPa伸展至200 hPa，中心強(qiáng)度達(dá)-3.0 Pa/s。因此，從15日20:00至16日02:00，上升運(yùn)動(dòng)伸展的高度更高，強(qiáng)度增大，強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)的維持有利于暴雨的產(chǎn)生。

從8月16日02:00高低空散度的配置圖(圖7c)上可以看出，在低層700hPa上延安至關(guān)中地區(qū)以及陜南西部均為輻合區(qū)，且輻合中心強(qiáng)度達(dá)到-5×10-5s-1，在200 hPa上，輻散區(qū)主要位于陜西、甘肅交界處，最大輻散值超過(guò)7×10-5s-1，關(guān)中西部和陜南西部正好位于低層輻合高層輻散的疊置區(qū)，有利于水汽的輻合抬升。

圖7 2020年8月15日不同時(shí)段的垂直運(yùn)動(dòng)(等值線，單位:Pa/s)沿107°E的緯度-高度剖面圖和16日02時(shí)高低空的散度圖(等值線為200hPa散度，陰影為700hPa散度；單位為10-5s-1)

6 能量條件

從西安(涇河)站8月15日20：00的探空?qǐng)D(圖8a)上可以看出，由于低層偏南氣流的水汽輸送，500 hPa以下為濕層，濕層深厚，中低層比濕達(dá)11～17 g/kg，水汽充沛，CAPE值為42.2 J/kg，K指數(shù)為31.7 ℃，表明存在一定的不穩(wěn)定層結(jié)。850 hPa以下為偏東風(fēng)，850 hPa以上轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，這與影響關(guān)中的兩支水汽輸送帶一致。在漢中站的探空?qǐng)D(圖8b)上，整層近于飽和，CAPE值為1666.1 J/kg，K指數(shù)達(dá)41.8 ℃，表明陜南西部地區(qū)存在強(qiáng)的不穩(wěn)定能量。同時(shí)已有的研究[15]也表明K指數(shù)大于36 ℃，越有利于暴雨的產(chǎn)生。

從8月15日20：00假相當(dāng)位溫沿107°的剖面圖上可以看出，從34.5°以北隨高度向北傾斜存在一個(gè)假相當(dāng)位溫的低值區(qū)，表明有冷空氣存在，這與地面圖上的高壓相對(duì)應(yīng)，同時(shí)在其南側(cè)34°N以南為一假相當(dāng)位溫的高值區(qū)，與地面暖低壓相對(duì)應(yīng)，冷暖空氣在34°N附近交匯，形成鋒區(qū)，降水增強(qiáng)(圖8c)。至16日02：00，高層500 hPa上假相當(dāng)位溫的低值區(qū)向北移動(dòng)并增強(qiáng)，使得中低層34°N附近鋒區(qū)略增強(qiáng)，此時(shí)，出現(xiàn)雨強(qiáng)20 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水(圖8d)。

圖8 2020年8月15日20時(shí)西安和漢中探空站T-lnP圖及假相當(dāng)位溫場(chǎng)沿107°E的剖面圖(單位：K)

7 結(jié)論與討論

(1)副熱帶高壓外圍的暖濕氣流與西風(fēng)槽后部冷空氣的交綏為此次暴雨天氣提供了有利的環(huán)流背景，陜南西部的水汽輸送為來(lái)自南海的偏南氣流輸送，而關(guān)中西部的水汽輸送主要有兩條路徑，分別為700 hPa的偏南氣流輸送和850 hPa轉(zhuǎn)向的偏東氣流輸送。低層切變線附近的輻合抬升運(yùn)動(dòng)為此次暴雨提供了動(dòng)力條件。

(2)地面上弱冷空氣與暖低壓形成的西北-東南向弱鋒區(qū)在緩慢東移后，由于西北路弱冷空氣補(bǔ)充，使得鋒區(qū)加強(qiáng)，是此次暴雨出現(xiàn)雙強(qiáng)降水時(shí)段的重要原因。

(3)影響陜西西部的兩個(gè)顯著降雨云團(tuán)和雷達(dá)上組合反射率因子的回波強(qiáng)度、組織結(jié)構(gòu)與地面鋒區(qū)的強(qiáng)弱對(duì)應(yīng)較好。鋒區(qū)增強(qiáng)時(shí)，降水云系增強(qiáng)，雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)、組織結(jié)構(gòu)緊密，雨強(qiáng)增大。

(4)隨著地面鋒區(qū)的增強(qiáng)，上升速度的強(qiáng)度增大，陜西西部位于低層輻合、高層輻散的疊置區(qū)，有利于水汽的輻合抬升，形成暴雨。