薛小寧
(榆林市氣象局,陜西榆林 719000)
榆林地處黃土高原,為暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。全年降水主要集中在夏季,且夏季的暴雨天氣過程多以短時(shí)暴雨為主,具有來勢(shì)猛、雨強(qiáng)大、降水時(shí)段集中的特點(diǎn)。短時(shí)暴雨的發(fā)生與中尺度系統(tǒng)的生消,與高、中、低緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用,與高低空急流的耦合有密切關(guān)系[1]。盛夏陜北地區(qū)當(dāng)西太平洋副熱帶高壓處于強(qiáng)盛期,副高外圍700 hPa 西南風(fēng)低空急流和850 hPa東南風(fēng)急流的形成為大暴雨區(qū)提供了源源不斷的水汽供應(yīng),低空急流在夜間增強(qiáng)導(dǎo)致大暴雨具有夜發(fā)性[2-4]。西北地區(qū)東部的暴雨,低空急流建立在大暴雨發(fā)生前期[5],陜北北部區(qū)域性暴雨與中低層急流建立有關(guān)[6]。黃土高原西風(fēng)帶的弱冷空氣與副熱帶高壓西北側(cè)的西南氣流交匯時(shí),易觸發(fā)對(duì)流[7];在環(huán)境場(chǎng)上短時(shí)暴雨的對(duì)流條件、水汽條件、地面能量場(chǎng)特征、濕位渦和假相當(dāng)位溫等因子的診斷尤為重要[8-11]。對(duì)流云團(tuán)是暴雨的直接制造者,目前監(jiān)測(cè)對(duì)流云團(tuán)的手段主要有衛(wèi)星和雷達(dá)[12-13],在衛(wèi)星和雷達(dá)產(chǎn)品上可以直觀看到天氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的云系,也可以定量地衡量其強(qiáng)度和速度。中尺度天氣系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制也不盡相同,與弱冷空氣活動(dòng)相伴隨的中尺度能量比低值舌入侵可以觸發(fā)對(duì)流[14],河套低渦影響下的地面中尺度低壓系統(tǒng)可以激發(fā)出更小尺度的系統(tǒng),從而導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生[15]。本文選取一次黃土高原地區(qū)不伴有低空急流的對(duì)流性大暴雨天氣過程,對(duì)其成因進(jìn)行診斷分析,以期提高對(duì)此類強(qiáng)降水天氣事件的認(rèn)識(shí)并積累預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。
2018年8月10日14時(shí)至11日08時(shí),榆林神木出現(xiàn)大暴雨天氣,降水以對(duì)流性降水為主,突發(fā)性強(qiáng),降雨強(qiáng)度大,強(qiáng)降水中心位于神木境內(nèi)(圖1)。神木站及其周邊4個(gè)區(qū)域氣象站降水量超過100 mm,最大降水量喬岔灘143.1 mm,11日03—06時(shí),喬岔灘3 h雨量達(dá)117.4 mm;最大小時(shí)雨強(qiáng)在神木沙峁為49.2 mm/h。全市共出現(xiàn)大暴雨5站、暴雨26站,大雨127站。
大暴雨區(qū)降水分為兩個(gè)強(qiáng)降水時(shí)段,即10日19—20時(shí)和11日00—07時(shí),降水時(shí)段集中,3 h降水量均達(dá)50 mm以上,表現(xiàn)出明顯的夜雨特征。在暴雨區(qū)降水開始前,位于其南部的吳堡、佳縣在南風(fēng)氣流里出現(xiàn)了大雨,大雨以對(duì)流性降水為主,持續(xù)時(shí)間短。
9日20時(shí)500 hPa高空?qǐng)D上(圖略),副高588 dagpm線到達(dá)38°N、109°E附近,榆林位于其西北邊緣,大陸高壓東伸至40°N、100°E附近,河套處于兩高之間的輻合區(qū);40°N~50°N為緯向型環(huán)流,貝湖附近有短波槽發(fā)展,溫度槽落后于高度槽,槽不斷加深東移南下。10日20時(shí)500 hPa高空?qǐng)D(圖2a)上,副高向東南方向撤退至江淮流域,西脊點(diǎn)位于32°N、115°E,西風(fēng)槽東移至河套上空,槽前有西南氣流發(fā)展,東勝站西南風(fēng)從08時(shí)的6 m/s增強(qiáng)到12 m/s,陜北北部位于西風(fēng)槽前與副熱帶高壓外圍暖濕氣流交匯區(qū),為此次大暴雨天氣提供了有利的環(huán)流背景。
10日08時(shí)700 hPa天氣圖上(圖略),內(nèi)蒙西部—寧夏—甘肅南部有一豎切變,榆林上空位于豎切變東側(cè)的偏南風(fēng)(4 m/s)氣流中。隨著西風(fēng)槽加深東移,受其東側(cè)高壓阻擋,切變線北端移速大于南端,在東移過程中逐漸轉(zhuǎn)為東北—西南向。20時(shí)700 hPa天氣圖(圖2b)上切變線壓至榆林西北部,榆林上空轉(zhuǎn)為4 m/s的西南風(fēng),隨著西風(fēng)槽向東移,其與副高間的氣壓梯度力加大,700 hPa切變線南側(cè)的西南風(fēng)氣流加速。02時(shí),榆林上空西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)10 m/s。榆林上空比濕從08時(shí)的8 g/kg增大到20時(shí)10 g/kg,明顯發(fā)展的西南氣流為榆林輸送了水汽和能量,榆林北部位于西南風(fēng)左前側(cè)和切變線的右側(cè),強(qiáng)的水汽輻合和上升運(yùn)動(dòng)為強(qiáng)降水提供了有利的水汽和動(dòng)力條件。
10日08時(shí)850 hPa天氣圖(圖略)上,陜北上空為偏南風(fēng)水汽輸送。20時(shí)(圖2c)自東南沿海至陜北南部有明顯的偏東風(fēng)水汽輸送發(fā)展北移,榆林上空偏南風(fēng)加強(qiáng)至8 m/s,且存在西南風(fēng)和東南風(fēng)的暖切變。同時(shí),河套地區(qū)在風(fēng)場(chǎng)上表現(xiàn)為弱的反氣旋環(huán)流,暖切變北側(cè)的反氣旋環(huán)流對(duì)偏南風(fēng)形成阻擋,利于其在陜北的輻合上升。河套地區(qū)位于大陸暖區(qū),溫度達(dá)24 ℃,低層增暖增濕,有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立和維持,這都是產(chǎn)生強(qiáng)降水的有利條件。
在200 hPa天氣圖(圖2d)上,45°N以北有一支風(fēng)速大于30 m/s的高空急流存在,榆林位于高空急流右側(cè),高空輻散場(chǎng)有利于低層上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展;同時(shí)高空急流的右側(cè),低空偏南氣流的左前側(cè),高低空氣流的耦合區(qū)易形成垂直次級(jí)環(huán)流,有利于降水的增強(qiáng)。
10日08時(shí)地面天氣圖(圖略)上,貝加爾湖到東北為一中心強(qiáng)度為1 017.5 hPa的冷高壓控制,冷高壓的前部有從東北伸向華北的高壓區(qū),西北高原地區(qū)受低值系統(tǒng)控制,從青海到河套有低壓倒槽發(fā)展并向東北方向伸展。10—11日榆林處于高、低壓之間的鋒區(qū)中,鋒區(qū)的發(fā)展和維持有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。10日20時(shí)(圖3a)榆林有明顯的輻合線存在,榆林西部有偏東風(fēng)和偏西風(fēng)輻合,北部有偏北風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合,在輻合線附近有20 mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水。11日02時(shí)(圖3b),榆林北部有明顯的風(fēng)速輻合區(qū),中部為西北風(fēng)和東南風(fēng)輻合區(qū),在輻合區(qū)暖區(qū)一側(cè),神木站小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)58 mm/h,地面輻合線造成的上升運(yùn)動(dòng)有利于對(duì)流的觸發(fā),從而在輻合線附近產(chǎn)生大降水。
利用榆林以北東勝站和以南延安站的探空資料,分析大暴雨區(qū)的大氣環(huán)境條件。由于副高外圍偏南風(fēng)的發(fā)展,陜北地區(qū)整層水汽條件轉(zhuǎn)好。8月10日20時(shí)東勝站探空?qǐng)D(圖4a)上,6 km以下為濕層,濕層深厚。850~700 hPa風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流,700~500 hPa風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn),有弱冷平流,這種低層暖平流高層冷平流的層結(jié)結(jié)構(gòu),有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立和維持;500~400 hPa西南氣流發(fā)展旺盛,500~400 hPa出現(xiàn)了逆溫層,使暖層、濕層增厚,有利于降水效率的提高,CAPE值達(dá)201.7 J/kg,K指數(shù)達(dá)40.3 ℃,SI指數(shù)-3.72 ℃,近地層比濕達(dá)12 g/kg,850 hPa與500 hPa之間的溫度差達(dá)24 ℃。20時(shí)延安站探空?qǐng)D(圖4b)上,0~3 km層和3~6 km層風(fēng)垂直切變?yōu)? m/s,CAPE形態(tài)呈細(xì)長條形,是一種利于產(chǎn)生強(qiáng)降水的形態(tài)。CAPE值從08時(shí)的584.2 J/kg增加到2 108 J/kg,850 hPa與500 hPa之間的溫度差達(dá)27 ℃,大氣熱力不穩(wěn)定度高,K指數(shù)達(dá)41.2 ℃,SI指數(shù)-2.99 ℃,近地層比濕達(dá)14 g/kg,說明大氣不僅熱力不穩(wěn)定度高而且中低層水汽條件好。通過對(duì)東勝站、延安站探空資料分析發(fā)現(xiàn),榆林暴雨發(fā)生前期,在副高及其外圍暖濕氣流影響下,水汽條件轉(zhuǎn)好,同時(shí)能量充沛,在中小尺度天氣系統(tǒng)的觸發(fā)下,易產(chǎn)生對(duì)流性降水天氣。
充足的水汽和強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)有利于暴雨的產(chǎn)生。分析暴雨發(fā)生前的水汽條件發(fā)現(xiàn),此次暴雨有兩支明顯的水汽輸送帶,一支是850 hPa的偏南氣流,一支是700 hPa的西南氣流。20時(shí)850 hPa和700 hPa的比濕達(dá)到了12 g/kg和8 g/kg,這兩支水汽在暴雨區(qū)輻合上升。從水汽通量散度場(chǎng)上可以看出,在暴雨區(qū)東南暖區(qū)一側(cè)850 hPa水汽通量散度達(dá)-7×10-7g/(hPa·cm2·s)(圖略),700 hPa水汽通量散度大值區(qū)位于切變線的南側(cè),充足的水汽在暴雨區(qū)上空輻合抬升,是產(chǎn)生暴雨的有利動(dòng)力條件。渦度和散度的垂直剖面圖(圖5a)上,850 hPa至350 hPa 暴雨區(qū)及其北側(cè)為正渦度區(qū),最大值位于600 hPa至500 hPa,渦度達(dá)14×10-5s-1,在高層200 hPa附近暴雨區(qū)上空有8×10-5s-1的強(qiáng)散度中心,低層輻合高層輻散的結(jié)構(gòu)有利于在暴雨區(qū)產(chǎn)生次級(jí)環(huán)流,使得暴雨中小尺度系統(tǒng)得以維持。
整層大氣可降水量(圖略)方面,從10日02時(shí)起神木站從31.2 mm持續(xù)增長至20時(shí)的42.5 mm,14—20時(shí)神木位于可降水量大值中心區(qū),降水開始后,整層大氣可降水量開始減小,11日08時(shí)降水結(jié)束時(shí)降至34.4 mm。
從10日14時(shí)假相當(dāng)位溫及垂直速度剖面圖(圖略)上可以看到,在暴雨區(qū)近地面層假相當(dāng)位溫達(dá)356 K左右,說明低層大氣高溫高濕,能量水汽充沛。隨高度增加假相當(dāng)位溫迅速減小,700 hPa附近只有340 K。850 hPa至600 hPa存在假相當(dāng)位溫等值線密集區(qū),且自東向西傾斜,雨區(qū)東側(cè)為冷空氣區(qū);在水平方向上,榆林東側(cè)有假相當(dāng)位溫密集區(qū),說明在暴雨區(qū)東側(cè)為冷暖空氣交匯區(qū)。垂直速度場(chǎng)上,暴雨區(qū)附近從850 hPa至500 hPa有強(qiáng)的上升氣流,上升速度大值區(qū)位于700 hPa附近,達(dá)-0.6 Pa/s。20時(shí)(圖5b)假相當(dāng)位溫及垂直速度剖面圖上,暴雨區(qū)東側(cè)的假相當(dāng)位溫密集區(qū)西移,冷空氣不斷向西南方向移動(dòng),從假相當(dāng)位溫垂直分布看,大氣對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)增大,西側(cè)的冷空氣與暴雨區(qū)上空的暖空氣在暴雨區(qū)西側(cè)交匯,雨區(qū)擴(kuò)大,強(qiáng)度增強(qiáng)。從垂直速度剖面圖上可以看到,冷暖空氣的交匯造成了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),850 hPa至500 hPa垂直上升速度達(dá)-0.6 Pa/s,且至11日凌晨一直在暴雨區(qū)上空維持,使得降水持續(xù)。本次暴雨發(fā)生前,大氣的對(duì)流不穩(wěn)定能量大,低層的輻合區(qū)和鋒區(qū)觸發(fā)了對(duì)流,對(duì)流造成了不穩(wěn)定能量的釋放,產(chǎn)生了對(duì)流性暴雨;隨著降水的持續(xù),東西兩路冷空氣在暴雨區(qū)上空交匯,使得降水的持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步增長。
暴雨的形成是中小尺度系統(tǒng)在大尺度的環(huán)流背景下不斷重復(fù)出現(xiàn)造成的,因而在合適的大尺度環(huán)流背景下,對(duì)流單體、對(duì)流云團(tuán)、對(duì)流復(fù)合體等的生消對(duì)暴雨落區(qū)、強(qiáng)度有重要作用。
對(duì)流云的衛(wèi)星識(shí)別主要采用相當(dāng)黑體亮度溫度(black body temperature,TBB,tBB) 閾值法[12],定義tBB≤-32 ℃為冷云罩,其初次出現(xiàn)時(shí)間定義為對(duì)流云生成時(shí)間;tBB≤-52 ℃為冷云區(qū),換算為開爾文溫度為tBB≤221.15 K。通過分析FY-2G衛(wèi)星紅外云圖及反演的TBB 資料,分析此次大暴雨過程中對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展。
如圖6(第13頁)所示,12時(shí),河套西部、山西西北部有2個(gè)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)生成,分別以云團(tuán)A、云團(tuán)B標(biāo)識(shí),tBB≤-32 ℃。14時(shí),兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)均東移,對(duì)流云團(tuán)A強(qiáng)度增強(qiáng),中心出現(xiàn)tBB≤-52 ℃的冷云區(qū),對(duì)流發(fā)展旺盛,tBB≤-32 ℃云區(qū)面積從12時(shí)的1.5×105km2增大至6.5×105km2,此時(shí)云團(tuán)A位于榆林西北方向,自西向東移動(dòng)。同時(shí)榆林南部延安境內(nèi)有新的對(duì)流云團(tuán)生成,云團(tuán)B繼續(xù)東移減弱,位于榆林東南部的對(duì)流云團(tuán)C生成。17時(shí)對(duì)流云團(tuán)A繼續(xù)加強(qiáng)東移,tBB≤-32 ℃云區(qū)面積增至10×105km2,其東南邊緣開始進(jìn)入榆林境內(nèi),且開始產(chǎn)生降水,有大于5 mm/h的降水出現(xiàn),對(duì)流云團(tuán)C東移加強(qiáng)。19時(shí)對(duì)流云團(tuán)A和C云頂合并加強(qiáng),云區(qū)面積增大至14×105km2,中心出現(xiàn)tBB≤-52 ℃的深對(duì)流,降水開始增強(qiáng),19—20時(shí)神木站出現(xiàn)27.2 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。20時(shí)合并加強(qiáng)的對(duì)流云團(tuán)在神木上空維持,且移動(dòng)緩慢,21時(shí),云區(qū)面積縮小,云團(tuán)出現(xiàn)了分裂,23時(shí),云團(tuán)A減弱,位于神木東部。02時(shí),對(duì)流單體A西部、南部有弱對(duì)流生成合并于A中,使得對(duì)流云團(tuán)A再次加強(qiáng),對(duì)應(yīng)地面出現(xiàn)強(qiáng)降水。02—05時(shí),對(duì)流云團(tuán)A在神木上空維持,移速緩慢,強(qiáng)降水持續(xù)。06時(shí),云團(tuán)A出現(xiàn)了分裂,且移速加快,降水開始減弱,但仍可以識(shí)別出tBB≤-32 ℃云區(qū)。07時(shí),云團(tuán)A迅速減弱東移。08時(shí),移出神木境內(nèi),降水結(jié)束。
從紅外亮溫對(duì)對(duì)流云團(tuán)的識(shí)別來看,基于衛(wèi)星資料大范圍連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì),對(duì)流云在榆林境外時(shí)就可以被識(shí)別,早在10日12時(shí)就可以第一次被識(shí)別,距其移入榆林境內(nèi)產(chǎn)生降水,可以提前6 h識(shí)別。在單體東移過程中,有不同對(duì)流云團(tuán)的合并,使得對(duì)流單體得以加強(qiáng)。對(duì)流單體出現(xiàn)分裂時(shí),對(duì)應(yīng)地面降水減弱;對(duì)流單體的再次發(fā)展依托于多個(gè)對(duì)流并入且合并加強(qiáng),對(duì)應(yīng)地面降水加強(qiáng)。對(duì)流云團(tuán)的移速是影響地面降水的主要因子,當(dāng)其移速緩慢時(shí),地面降水持續(xù)時(shí)間長。對(duì)流云團(tuán)的減弱消失可以從云頂分裂中得到預(yù)示,另外,對(duì)流云團(tuán)移速增快也是對(duì)流減弱的信號(hào)。
利用榆林新一代多普勒(CB)天氣雷達(dá)觀測(cè)資料來識(shí)別對(duì)流云的發(fā)展,將組合反射率因子大于35 dBz時(shí),作為對(duì)流單體的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)[13]。
10日10—15時(shí)榆林北部有零星單體回波快速生消向東北方向移動(dòng)。如圖7(見第14頁)所示,16:00,榆林東南部有強(qiáng)對(duì)流發(fā)展向東北偏北方向移動(dòng),榆林西北部有強(qiáng)對(duì)流發(fā)展向東北偏南方向移動(dòng),最大反射率因子均大于50 dBz。17:01,南、北兩個(gè)對(duì)流系統(tǒng)均發(fā)展加強(qiáng),最大反射率因子均大于55 dBz,北部的對(duì)流系統(tǒng)逐漸排列成線狀,其前部反射率因子梯度增大,在南側(cè)的對(duì)流系統(tǒng)西部不斷有單體新生,此時(shí)榆林南部有對(duì)流性降水產(chǎn)生,小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)10 mm/h以上。17:50,組合反射率因子圖上,南北兩支對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng),可以看到清楚的外流邊界陣風(fēng)鋒,其西部逐漸合并,且有組織地相向移動(dòng)。18:58,兩條對(duì)流系統(tǒng)在榆林附近合并,且強(qiáng)度增強(qiáng),對(duì)應(yīng)于地面在米脂、神木均產(chǎn)生了大于20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。20:05,合并后的對(duì)流系統(tǒng)呈東北—西南向,位于榆林北部,為混合性降水回波,中心有強(qiáng)度大于55 dBz 的強(qiáng)中心,對(duì)應(yīng)于地面出現(xiàn)了9站大于20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水,神木西溝小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)48.5 mm/h。22:01,組合反射率因子圖上,降水系統(tǒng)減弱,回波以40 dBz左右的混合降水回波為主,地面上降水強(qiáng)度均小于10 mm/h。11日00:03,對(duì)流系統(tǒng)西側(cè)不斷有新的對(duì)流單體新生,中心強(qiáng)度大于45 dBz且排列整齊,沿著其南部邊緣不斷向東北方向移動(dòng)。02:05,強(qiáng)回波帶仍位于神木境內(nèi),其移向平行于回波主軸,且移速緩慢,02—05時(shí)穩(wěn)定維持,列車效應(yīng)顯著,與地面的強(qiáng)降雨時(shí)段對(duì)應(yīng)。06:59,對(duì)流系統(tǒng)減弱,雨區(qū)南壓,降水趨于結(jié)束。
從雷達(dá)對(duì)降水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)來看,對(duì)于單體回波,組合反射率因子大于35 dBz可以很好地識(shí)別出單體,但對(duì)于混合型的降水回波,回波單體不易識(shí)別,從回波形態(tài)和移動(dòng)上分析,更容易把握降水的落區(qū)和強(qiáng)度。對(duì)流系統(tǒng)的合并會(huì)使系統(tǒng)增強(qiáng),對(duì)流有組織化地發(fā)展是產(chǎn)生對(duì)流性大暴雨的有利條件,不斷新生的對(duì)流并入會(huì)增長系統(tǒng)的生命期,系統(tǒng)移向與回波主軸平行所形成的列車效應(yīng)使得雨量增大,降水持續(xù)時(shí)間增長,從而形成大暴雨。
(1)河套西部西風(fēng)槽東移和副高東南退,是這次大暴雨產(chǎn)生的有利環(huán)流背景。暴雨發(fā)生前有偏南氣流的發(fā)展,700 hPa和850 hPa兩支偏南水汽輸送為暴雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽和不穩(wěn)定能量。
(2)700 hPa內(nèi)蒙西部—寧夏—甘肅南部的豎切變?cè)跂|移過程中受東部高壓系統(tǒng)的阻擋轉(zhuǎn)為東北—西南向切變,中低層的正渦度與200 hPa的正散度區(qū)疊加,高層輻散,低層輻合有利于中小尺度系統(tǒng)不斷新生,且沿著切變東移,使得降水維持,形成暴雨。
(3)暴雨發(fā)生前陜北地區(qū)中低層明顯增濕,700 hPa比濕達(dá)到10 g/kg,CAPE形態(tài)呈細(xì)長條形為2 108 J/kg, 大氣不穩(wěn)定度強(qiáng)。高度的層結(jié)不穩(wěn)定和能量條件為對(duì)流提供了有利條件。
(4)利用衛(wèi)星觀測(cè)資料可以較早地識(shí)別出對(duì)流系統(tǒng),且對(duì)流云頂?shù)暮喜?、分裂可以很好地刻畫出?duì)流系統(tǒng)的增強(qiáng)、減弱;雷達(dá)圖上,對(duì)流系統(tǒng)的合并對(duì)應(yīng)地面降水增強(qiáng),新生對(duì)流的并入使系統(tǒng)的生命期增長,對(duì)流有組織化地發(fā)展是產(chǎn)生對(duì)流性大暴雨的有利條件,系統(tǒng)移向與回波主軸平行所形成的列車效應(yīng)使得降雨量增大,降水持續(xù)時(shí)間增長,從而形成大暴雨。