李 強(qiáng)

(榆林市氣象局,陜西榆林 719000)

2012年 7月陜西北部連續(xù) 3次大暴雨過(guò)程對(duì)比分析

李 強(qiáng)

(榆林市氣象局,陜西榆林 719000)

利用常規(guī)氣象資料和 N CEP1°×1°再分析產(chǎn)品以及雷達(dá)回波資料 ,對(duì)陜西北部榆林市 2012年 7月 14— 28日 3次大暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行分析表明 ,華北冷渦后部有強(qiáng)冷平流,850 hPa偏南風(fēng)較大,氣層有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變,可引起陜北北部局地突發(fā)性大暴雨;雷達(dá)回波顯示反射率突然增強(qiáng)到 60 dBz以上,并有中氣旋出現(xiàn);副高西伸北抬,其外圍形成較強(qiáng)的西南風(fēng)急流到達(dá)陜北北部,當(dāng)有西風(fēng)槽東移或有北路冷空氣下滑時(shí),觸發(fā)陜北北部區(qū)域性大暴雨;大暴雨前期對(duì)應(yīng)有假相當(dāng)位溫高能區(qū)、高位渦和能量鋒,散度、渦度、垂直速度均較一般暴雨量級(jí)明顯偏大;來(lái)自東海、南海及孟加拉灣的水汽均是大暴雨的水汽來(lái)源。

陜西北部;大暴雨;中氣旋

陜西省榆林市地處西北內(nèi)陸腹地,暴雨年均不足一次,大暴雨出現(xiàn)概率極低,而且局地性強(qiáng),所以預(yù)報(bào)難度更大。研究表明[1-5],盛夏 7— 9月副高北抬到 25°N～ 30°N,中低層水汽和能量輸送比較充沛,當(dāng)有西風(fēng)槽或高原槽東移時(shí)與副高外圍的西南暖濕氣流相遇,容易在本地產(chǎn)生局地暴雨,造成洪澇災(zāi)害。

2012年 7月 14— 15日,陜西北部榆林市出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣 (以下簡(jiǎn)稱 7? 14暴雨),綏德縣 15日 00— 03時(shí),義合、滿堂川兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量分別達(dá)到 100.4 mm、111.0 mm。 7月 20— 21日 ,陜北再降大到暴雨 (以下簡(jiǎn)稱 7? 21暴雨),榆林市16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量超過(guò) 100 mm,神木中雞鎮(zhèn)最大降水量 142.5 mm,府谷縣城降水量達(dá) 125.2 mm。 27— 28日 (以下簡(jiǎn)稱 7? 27暴雨),榆林市26個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量大于 100 mm,榆林城區(qū)雨量156.8 mm,佳縣縣城雨量最大,達(dá) 279.2 mm,其中 27日降水量 221.9 mm,是榆林市有氣象觀測(cè)記錄以來(lái)的最大日降水量。半月內(nèi)連續(xù) 3次大暴雨在陜北歷史上較為少見(jiàn),也造成重大洪澇災(zāi)害和人員財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)分析這 3次大降水的環(huán)流形勢(shì)、水汽輸送、物理量等特征,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)陜西北部大暴雨的形成機(jī)理。

1 環(huán)流形勢(shì)

1.1 7? 14暴雨

7月 14日 08時(shí),亞洲中高緯度 500 hPa為一高兩低型,新疆到河西為高脊,脊線位于 100°N附近,巴湖和華北為低渦,冷中心最低氣溫分別為-13oC和-9oC,榆林處于華北冷渦后部偏北氣流中,環(huán)流徑向度較大,偏北風(fēng)速達(dá)到 8～ 12 m/s,-8oC線位于延安以北。700 hPa榆林上空也維持 6～8 m/s的北風(fēng),榆林北部形成 306 dagpm閉合低中心,配合有 8oC的冷中心。 850 hPa榆林西部有 23oC暖中心,并在榆林中部形成橫切變。300 hPa高空急流分為兩支,一支位于45°N,一支位于 35°N,副高位于 130°E以東。 14時(shí)地面圖上,榆林為熱低壓控制,北部有弱冷空氣活動(dòng)。14日 20時(shí),新疆高脊東移,華北冷渦加深,陜北上空處于渦后脊前較強(qiáng)的偏北氣流,冷平流加強(qiáng)(圖 1a),延安探空站 T-lnp圖顯示,700～250 hPa均為對(duì)流不穩(wěn)定區(qū),濕對(duì)流有效位能CAPE達(dá) 1 241.4 J/kg,700hPa以下為較弱的穩(wěn)定層結(jié),非常有利于對(duì)流的觸發(fā)和加強(qiáng)。850 hPa以下為暖濕氣團(tuán),低層暖平流與高層冷平流疊加,使對(duì)流不穩(wěn)定加強(qiáng),地面有弱冷鋒過(guò)境,觸發(fā)形成局地突發(fā)性大暴雨。

1.2 7? 21暴雨

7月 20日 08時(shí) 300 hPa高空?qǐng)D,亞洲40°N附近為平直西風(fēng)氣流。20時(shí),河套北部形成高空急流≥40 m/s,陜北處于急流南側(cè)。500 hPa貝湖有低渦南壓,副高 588 dagpm線西伸到 116°E,584 dagpm線西伸到 95°E(圖 1b)。700 hPa陜北形成風(fēng)速≥15 m/s的西南風(fēng)低空急流,高低空急流耦合,有利于暴雨區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展,同時(shí)貝湖冷渦底部冷空氣南下,與副高外圍西南暖濕氣流在陜北北部交匯,形成斜壓不穩(wěn)定的大氣層結(jié)。21日 14時(shí),700 hPa低空急流左側(cè)形成 306 dapgm閉合中尺度低壓,中心位于榆林北部的府谷和神木縣,低壓中心強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)輻合形成了本次大暴雨。

1.3 7? 27暴雨

7月 26日 08時(shí) 300 hPa中緯度為平直氣流,高空急流位于 95°E以西,27日 02時(shí),高空急流向東發(fā)展,風(fēng)速增大到 35 m/s,陜北位于高空急流的南側(cè)。500 hPa副高 588 dagpm線西伸到 110°E,脊線位于 35°N,584 dagpm線穿過(guò)陜北(圖 1c),同時(shí)西風(fēng)帶有短波槽東移。700 hPa副高外圍西南低空急流風(fēng)速達(dá) 12 m/s,并在陜北形成風(fēng)向風(fēng)速輻合。850 hPa有較強(qiáng)的東南風(fēng)配合,風(fēng)速＞8 m/s,500 hPa槽前正渦度與低層風(fēng)場(chǎng)輻合疊加,形成了低層輻合高層輻散的垂直分布,再加上副高外圍持續(xù)的水汽輸送,是持續(xù)性大暴雨天氣形成的主要物理?xiàng)l件。

圖 1 2012年 7月榆林 3次大暴雨 500hPa環(huán)流形勢(shì) (單位:dagpm)及風(fēng)場(chǎng) (單位:m/s)(a 14T20;b 21T08;c 27T08)

3次大暴雨的環(huán)流形勢(shì)共同點(diǎn)是都有高空急流,后兩次大暴雨都有低空急流。不同點(diǎn)是:7?14下暖上冷的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié),導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣形成局地大暴雨;7? 21暴雨是副高冷渦型,即副高加強(qiáng)西伸,其外圍形成西南低空急流,與貝湖冷渦底部冷空氣在陜北北部形成對(duì)峙,導(dǎo)致 700 hPa有低值系統(tǒng)生成,觸發(fā)陜北北部區(qū)域性大暴雨。 7? 27暴雨是副高西風(fēng)槽型,即副高 588 dagpm線穩(wěn)定在 118°E,其外圍有較強(qiáng)的西南風(fēng)急流維持在陜北,西風(fēng)帶為平直西風(fēng)氣流多短波槽活動(dòng),冷空氣較弱,大暴雨形成的主要物理機(jī)制是中低層水汽和熱量豐富,并在較強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)輻合。850 hPa偏東氣流為暴雨區(qū)提供了更多的高能高濕條件,形成持續(xù)兩天的大暴雨。

2 低空急流

以往的研究表明,大暴雨通常有低空急流輸送水汽[2]。3次大暴雨過(guò)程中,7? 14暴雨沒(méi)有低空急流,副高偏東,陜北地區(qū)處在華北低渦底部的偏北氣流中,700 hPa以上均為西北氣流,只有850 hPa有＞ 8 m/s的偏南風(fēng) (圖 2a),大暴雨出現(xiàn)在南風(fēng)大風(fēng)區(qū)的東側(cè)。 7? 21暴雨副高西伸加強(qiáng),其外圍形成＞11 m/s的西南風(fēng)急流 (圖 2b),大暴雨出現(xiàn)在低空急流的北側(cè);7?27暴雨低空急流最大達(dá)到 16 m/s(圖 2c),先有急流建立,然后降水開(kāi)始,降水區(qū)位于急流的東北側(cè),由于急流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),而且強(qiáng)度一直維持 16 m/s,所以大暴雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 2 d。

圖 2 2012年 7月榆林 3次大暴雨中低層風(fēng)場(chǎng)及全風(fēng)速 (單位:m/s)

3 水汽輸送

大暴雨需要較強(qiáng)的水汽輻合[6-7],陜北地處西北內(nèi)陸腹地,海洋水汽很難遠(yuǎn)距離輸送,3次大暴雨范圍、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間均不相同,與水汽通量及水汽輻合密切相關(guān)。

7月 14日 20時(shí) 700 hPa從四川到陜北有一條水汽通道,最大水汽通量 7 g/(cm? hPa? s),水汽通量輻合偏南,位于陜北南部,輻合值達(dá)-1.5× 10-7g/(cm2? hPa? s)(圖 3)。 850 hPa水汽通量輻合達(dá) -4× 10-7g/(cm2? hPa? s),正好位于陜北。 7? 21暴雨在 700 hPa明顯有兩條水汽通道,一是西南急流攜帶大量水汽到達(dá)陜北,水汽通量最大值達(dá) 16 g/(cm? hPa? s),二是南風(fēng)氣流攜帶的水汽與西南氣流在陜北合并,水汽通量輻合達(dá)到-14×10-7g/(cm2? hPa? s),700和 850 hPa都有輻合區(qū)與大暴雨區(qū)對(duì)應(yīng),輻合層較厚 (圖 4)。7? 27暴雨有 3條水汽通道 (圖 5),分別來(lái)自西南、南和東南,水汽通量最大層在 850 hPa,通量最大值為 14g/(cm? hPa? s),主要輻合層在 700～ 500 hPa,輻合最強(qiáng)為-1.5×10-7g/(cm2? hPa? s)。

可以看出,7? 14暴雨只有一條水汽通道,水汽通量并不大,但是輻合較強(qiáng),輻合層在 850 hPa,所以大暴雨范圍很小;7? 21暴雨有兩個(gè)水汽通道,水汽通量最大,輻合特別強(qiáng),輻合層在850～ 700 hPa之間,所以暴雨范圍較大,量級(jí)也較大;7? 27暴雨有 3個(gè)水汽通道,水汽輻合沒(méi)有前兩次強(qiáng),但輻合層較厚,850～ 500 hPa均為輻合層,而且 500 hPa輻合最強(qiáng),該次過(guò)程降水量最大,持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。

圖 3 2012-07-14T20水汽通量 (g/(cm? hPa? s))和水汽通量散度 (陰影區(qū) 10-7g/(cm2? hPa? s))

圖 4 2012-07-21T08水汽通量 (g/(cm? hPa? s))和水汽通量散度 (陰影區(qū) 10-7g/(cm2? hPa? s))

4 物理量場(chǎng)

4.1 散度和渦度

7? 14暴雨前期 850～ 500 hPa散度均為輻合,20時(shí)達(dá)到最大為 -30× 10-6s-1,高層 300 hPa有輻散中心＞ 20× 10-6s-1(圖 6a)。7? 21暴雨散度場(chǎng)表現(xiàn)為 21日 02時(shí) 850～500 hPa各層輻合顯著增強(qiáng),輻合區(qū)位置基本重疊,各層輻合值均 ＜-40× 10-6s-1。具有輻合層厚,輻合強(qiáng)的特點(diǎn),同時(shí)高層 300hPa輻散值達(dá)到 60×10-6s-1(圖 6b)。 7? 27暴雨低層到 500 hPa均為較強(qiáng)輻合,300 hPa輻散＞ 20×10-6s-1(圖 6c),低層輻合高層輻散的配置從 27日 08時(shí)持續(xù)到 20時(shí),暴雨區(qū)隨著輻合輻散區(qū)的位置從佳縣向北移動(dòng)到府谷。

3次大暴雨均對(duì)應(yīng)有高層輻散低層輻合,而且輻合中心與輻散中心基本重合,7? 14暴雨中心位于輻合區(qū)左側(cè),7? 21暴雨中心位于輻合區(qū)中心,7? 27暴雨中心位于輻合區(qū)東側(cè),輻合輻散的量級(jí)越大,降水越大。暴雨的強(qiáng)度基本與輻合輻散增強(qiáng)同步。

500 hPa渦度場(chǎng)上,3次大暴雨均對(duì)應(yīng)有較強(qiáng)的正渦度中心,而且量級(jí)也比較大 (圖略),7?14暴雨 500 hPa渦度為 70×10-6s-1,7? 21暴雨渦度達(dá) 100× 10-6s-1,7? 27暴雨渦度達(dá) 80×10-6s-1。

圖 6 2012年 7月榆林 3次大暴雨過(guò)程 700hPa散度場(chǎng) (點(diǎn)線)和 300hPa散度場(chǎng) (實(shí)線 )疊加圖(a 14T20,b 21T02,c 27T20;單位為 10-6s-1;黑點(diǎn)為大暴雨中心位置)

與普通暴雨相比,大暴雨在散度和渦度場(chǎng)表現(xiàn)為更明顯的輻合和氣旋性旋轉(zhuǎn),量級(jí)也較大,特別是高層輻散的抽吸作用對(duì)氣柱垂直運(yùn)動(dòng)的影響較大。

4.2 垂直速度

7? 14暴雨在垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)表現(xiàn)為地面至 400 hPa均為上升運(yùn)動(dòng),垂直速度為-1.1 Pa/s,最大垂直運(yùn)動(dòng)中心位于 850～ 700 hPa。 7? 21暴雨期間的垂直運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為整層均為上升運(yùn)動(dòng),最大值達(dá)到-2 Pa/s,中心位于 400～600 hPa之間。7?27暴雨表現(xiàn)為從低層到高層垂直速度增大,低層為-0.4 Pa/s,高層為-1.8 Pa/s,垂直運(yùn)動(dòng)伸展高度更高。

3次大暴雨均表現(xiàn)為較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),垂直速度均小于-1 Pa/s,比普通降水大一個(gè)數(shù)量級(jí)。7? 14和 7? 27暴雨有明顯的次級(jí)環(huán)流,加強(qiáng)了垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展 (圖 7)。

圖 7 2012年 7月榆林 3次大暴雨過(guò)程沿 39°N垂直速度剖面圖 (a14T14,b21T08,c27T20;單位為 Pa/s)

4.3 假相當(dāng)位溫和位渦

盛夏大暴雨的發(fā)生常常對(duì)應(yīng)中低層有高能區(qū)[8-9]。分析 3次大暴雨發(fā)生期間的假相當(dāng)位溫場(chǎng)可以看出,7? 14暴雨在發(fā)生前期即 14日 08時(shí)就有高能舌從四川伸向陜北,中心假相當(dāng)位溫達(dá)65oC以上,高能舌一直穩(wěn)定在陜北北部。7? 21和7? 27暴雨假相當(dāng)位溫達(dá) 80oC。 3次大暴雨發(fā)生前期都有相對(duì)濕度 ＜50%的干冷空氣從高層侵入到 500 hPa高能區(qū),形成斜壓不穩(wěn)定或者能量鋒區(qū),成為大暴雨的觸發(fā)機(jī)制。

7? 14暴雨在 14日 20時(shí),高層到 650hPa有高位渦區(qū)向下傳遞,并在暴雨區(qū)上空 650 hPa附近與假相當(dāng)位溫高值區(qū)形成小尺度的斜壓不穩(wěn)定層結(jié) (圖 8a),加上垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,形成了局地大暴雨。 7? 21大暴雨在 20日 20時(shí),600 hPa以下為高能區(qū),假相當(dāng)位溫＞70oC,高位渦侵入到 700 hPa,中心＞ 0.3 PVU(圖 8b),比 7? 14暴雨位渦數(shù)值大,范圍也大,斜壓擾動(dòng)更強(qiáng),產(chǎn)生的大暴雨范圍大,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。7? 27暴雨在26日 20時(shí),40°N附近有明顯的能量鋒區(qū)向南斜升到 400 hPa,冷區(qū)一側(cè)既是能量低值區(qū),也是位渦高值區(qū),水平方向表現(xiàn)為斜壓不穩(wěn)定,垂直方向表現(xiàn)為位勢(shì)不穩(wěn)定 (圖 8c),在它們的共同作用下,導(dǎo)致了大暴雨天氣。

圖 8 2012年 7月 3次大暴雨過(guò)程假相當(dāng)位溫 (實(shí)線,單位為oC)和位渦 (虛線;單位為 PV U)沿暴雨中心經(jīng)向剖面疊加 (a 14T20,b 20T20,c 26T20;黑三角為大暴雨中心)

3次大暴雨均表現(xiàn)為具有高位渦特征的冷空氣與低層暖濕空氣的配置,形成有利于暴雨的中尺度熱力和動(dòng)力系統(tǒng)。

5 雷達(dá)回波

7? 14大暴雨在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為 3個(gè)單體回波依次加強(qiáng)影響暴雨區(qū)(圖 9),第一個(gè)回波在14日 14:17(本小節(jié)時(shí)間為世界時(shí))于綏德局地生成的單體對(duì)流回波 a,反射率 ＜50 dBz;14:47在其左側(cè)新生一單體對(duì)流回波 b,反射率強(qiáng)度＞60 dBz,對(duì)應(yīng)地面出現(xiàn)冰雹和強(qiáng)降水;15:18單體 a減弱,b增強(qiáng),反射率＞ 65 dBz,15:48回波 b向后側(cè)傳播增強(qiáng),16:01回波達(dá)到最強(qiáng),＞ 55 dBz區(qū)域有 20×10 km2,回波 b造成綏德部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹和局地暴雨,其中滿堂川 2小時(shí)降水量達(dá) 97.2 mm;17:21從上游移來(lái)＞65 dBz回波單體再次影響綏德縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

回波 b在徑向速度場(chǎng)上表現(xiàn)出了中氣旋的特征(圖 10),15:48回波 b向后傳播增強(qiáng),速度場(chǎng)上對(duì)應(yīng)中氣旋開(kāi)始生成,15:55中氣旋發(fā)展成熟,16:01減弱,中氣旋直徑為 12 km,最大風(fēng)速＞20 m/s,垂直高度位于 2.5～ 4.5 km,0.5°和 1.5°仰角可見(jiàn),維持時(shí)間 3個(gè)體掃,即＞ 13 min。

7? 21暴雨和 7? 27暴雨的雷達(dá)回波為大片層狀云回波(圖略),組合反射率最大為 55 dBz,回波大值區(qū)呈列車(chē)效應(yīng)經(jīng)過(guò)大暴雨區(qū),速度場(chǎng)上可以明顯地看到急流存在,回波大值區(qū)出現(xiàn)在急流軸上。

6 小結(jié)

6.1 陜北北部盛夏大范圍大暴雨與西太平洋副熱帶高壓西伸北抬密切相關(guān)聯(lián),3次大暴雨中 2次都有副高的作用,華北冷渦后部強(qiáng)冷平流與地面偏南氣流疊加引發(fā)局地突發(fā)性大暴雨。

6.2 大暴雨在物理量場(chǎng)對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的輻合輻散及垂直運(yùn)動(dòng),比一般暴雨大一個(gè)數(shù)量級(jí),通過(guò)分析假相當(dāng)位溫和位渦可知能量場(chǎng)上表現(xiàn)為高能舌和能量鋒,能級(jí)＞80oC,具有高位渦特征的干冷空氣侵入高能區(qū),形成強(qiáng)的斜壓不穩(wěn)定層結(jié),有利于大暴雨的產(chǎn)生。

6.3 大暴雨的水汽來(lái)源有 3條,分別是東海、南海和孟加拉灣,都是通過(guò)副高外圍形成的低空急流輸送,水汽輻合層位于 850～500 hPa。

6.4 突發(fā)性大暴雨在雷達(dá)回波上表現(xiàn)出中氣旋特征。

圖 9 2012-07-14榆林多普勒雷達(dá)組合反射率 (單位為 dBz,世界時(shí))

圖 10 2012-07-14榆林多普勒雷達(dá)徑向速度 (單位為 m/s,仰角 0.5°,世界時(shí) )

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A

1006-4354(2013)02-0001-07

2012-10-18

李強(qiáng) (1963— ),男 ,陜西榆林人 ,工程師 ,從事氣象基礎(chǔ)業(yè)務(wù)研究。