劉慧敏，高維英，李愛華，劉寶玉，艾 銳，侯柯然

（1.榆林市氣象局，陜西榆林 719000；2.陜西省氣象學會，西安 710014；3.西鄉(xiāng)縣氣象局，陜西西鄉(xiāng) 723500，4.靖邊縣氣象局，陜西靖邊 718500）

陜西北部一次對流性特大暴雨的中尺度分析

劉慧敏1，高維英2，李愛華3，劉寶玉4，艾 銳1，侯柯然1

（1.榆林市氣象局，陜西榆林 719000；2.陜西省氣象學會，西安 710014；3.西鄉(xiāng)縣氣象局，陜西西鄉(xiāng) 723500，4.靖邊縣氣象局，陜西靖邊 718500）

利用常規(guī)氣象資料、FY－2E衛(wèi)星云圖資料、榆林CINRAD/CB雷達資料和NCEP1°×1°再分析資料，對陜西北部綏德縣2012年7月15日夜間一次短時特大暴雨過程進行分析，結果表明：高對流有效位能為大暴雨積累了能量條件，850hPa兩條濕舌為該次大暴雨的主要水汽來源。850hPa的 “人”字型切變和地面中尺度低壓加強了暴雨區(qū)輻合上升運動，干線過境觸發(fā)了強對流天氣的爆發(fā)。強降水時段在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為2個中尺度對流系統(tǒng) （MCS）合并增強且緩慢移動；雷達回波顯示3個對流單體發(fā)展較快，后向傳播且合并增強為深厚的濕對流風暴，其中一個對流單體有中氣旋生成，水平尺度12km，垂直累積液態(tài)水含量＞65kg/m2，并有三體散射現(xiàn)象，強降水開始后，三體散射消失。

特大暴雨；高對流有效位能；中尺度對流系統(tǒng) （MCS）；中氣旋；三體散射

陜西北部地處西北內陸腹地，干旱少雨是主要氣候特征。單站暴雨出現(xiàn)頻次為0.6次/a，大暴雨更少，而且局地性強。相關研究表明［1－6］，7—9月，西太平洋副熱帶高壓北抬到25°N～30°N，其外圍強勁的西南暖濕氣流可以輸送到陜北，當有西風槽或高原槽東移時與西南暖濕氣流相遇，有可能在本地產生暴雨天氣。當蒙古冷渦底部或東北冷渦后部有強冷平流影響陜北，與低層暖平流疊加形成較大的垂直風切變和不穩(wěn)定層結，有利于強對流天氣的發(fā)生，可形成局地短時突發(fā)性暴雨或大暴雨。這類暴雨或大暴雨水平范圍只有10km左右，生命史不足1小時，降雨量＞50mm，常引起山洪暴發(fā)，造成重大災害。

2012年7月15日，陜西北部綏德縣 （37°30′N，110°13′E）出現(xiàn)短時大風、冰雹、暴雨等強對流天氣，14日23時—15日02時，位于縣城東部的義合、滿堂川2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2h降水量分別達到100.4mm、111.0mm，韭園鎮(zhèn)1h降水量達75.7mm。大風、冰雹、暴雨造成3人死亡，鐵路、公路跨塌，莊稼被毀，經濟損失十分嚴重。分析這次特大暴雨的不穩(wěn)定能量、水汽輸送、垂直運動、衛(wèi)星云圖、雷達回波等中小尺度特征，有助于進一步認識陜西北部短時特大暴雨的形成機理和預報預警的關鍵點。

1 環(huán)流背景和中尺度分析

7月14日08時500hPa天氣圖 （圖略）上，甘肅到蒙古國中部為高壓脊，華北為一冷低渦，徑向環(huán)流較大，陜北綏德處于冷渦后部偏北氣流中，風速達8～12m/s。20時在冷渦后部冷平流的作用下，空氣變得干冷。7月14日08—20時700hPa天氣圖 （圖略）上，綏德上空維持6～8 m/s的北風，陜北北部與內蒙古交界處為306 dagpm閉合低值冷中心，東勝到太原之間存在N—NW的橫切變。7月14日08時850hPa綏德縣西部有中心氣溫為22℃的暖性低渦。20時，暖性低渦繼續(xù)存在，并在銀川、延安、太原之間形成 “人”字型切變線，東路水汽輸送較強。14日20時各層天氣系統(tǒng)配置圖 （圖1）顯示，在高空冷平流和低層暖平流、低值系統(tǒng)的共同作用下，大氣斜壓性進一步加強，層結趨于更加不穩(wěn)定，形成了有利于強對流的系統(tǒng)配置。

圖1 2012－07－14T20天氣系統(tǒng)中尺度分析

圖2為14日15—20時綏德氣象站地面要素變化情況?？諝鉁囟葹榫徛陆第厔荩Ｆ矫鏆鈮撼噬仙厔?，風速的變化經歷了大—小—大的過程。降水之前為較大的東南風，降水臨近時風速為零，降水開始后風向轉為東北且風速迅速增大，風向的變化呈東南—西南—東北的氣旋式旋轉，表明這次大暴雨是中尺度低值系統(tǒng)造成的。從露點溫度差 （圖略）可以看出，在地面中尺度低壓的后部有干線存在，干線的動力抬升作用是大暴雨觸發(fā)的必要條件。

圖2 2012－07－14T15—15T03綏德氣象站地面要素變化

2 不穩(wěn)定能量分析

分析距綏德較近的延安站7月14日20時溫度對數(shù)壓力圖 （圖略），700～250hPa為對流不穩(wěn)定區(qū)，濕對流有效位能 （CAPE）達1 241.4 J/kg，700hPa以下為很弱的穩(wěn)定層結，對流抑制能量 （CIN）為零，非常有利于對流的觸發(fā)和加強。分析風向風速的垂直變化可知，850～700 hPa風向由偏南風轉為偏北風，風向順轉，有暖平流，700～300hPa風向由北風轉為西北風，風向逆轉有冷平流。低層暖平流與高層冷平流疊加后，層結向不穩(wěn)定方向發(fā)展。

3 水汽條件分析

以往的研究表明，大暴雨通常有低空急流輸送水汽［2］。這次大暴雨過程并沒有低空急流，而且700hPa及以上均為偏北氣流。水汽輸送主要依靠850hPa的兩條濕舌 （圖1），一條濕舌為自黃海經山東、山西到達陜北的露點溫度差為1～2℃的偏東氣流，這條水汽通道14日08時已經建立；另一條濕舌為自南海北上到達陜北，這條濕舌水汽較弱，露點溫度差為4～6℃。兩條濕舌在 “人”字型切變線暖區(qū)附近合并，形成水汽輻合。7月14日20時，延安站地面溫度露點差僅為1℃，地面至850hPa飽和假相當位溫＞80℃，比濕為12～14g/kg，說明暴雨發(fā)生前地面至850hPa上空有較好的水汽輸送條件。根據(jù)NCEP1°×1°資料計算的14日20時850hPa水汽通量和水汽通量散度分布來看，暴雨區(qū)水汽通量＞40g/（cm·hPa·s），大值區(qū)在暴雨區(qū)的東部，水汽通量散度輻合中心達－4×10－7g/（cm2·hPa·s），與大暴雨中心相對應 （圖3）。

分析可見，暴雨區(qū)前期濕度條件較好，加之850hPa兩條水汽通道在暴雨區(qū)合并，為這次大暴雨提供了充足的水汽。

4 動力條件分析

7月15日08時主要輻合層在850hPa，輻散層在300hPa。20時850hPa輻合＜－30×10－6s－1，300hPa輻散中心＞20×10－6s－1。沿38°N渦度垂直剖面圖 （圖略）顯示，暴雨區(qū)上空為整層氣旋性旋轉，渦度為20×10－6s－1，大暴雨區(qū)上空有較強的正渦度平流，促進低層上升運動的發(fā)展。與其它暴雨過程相比，這次突發(fā)性大暴雨具有輻合層低，氣柱旋轉強的特點，非常有利于垂直上升運動的發(fā)展和加強。

圖3 2012－07－14T20 850hPa水汽通量（a，單位為g/ （cm·hPa·s））和水汽通量散度（b，單位為10－7 g/ （cm2·hPa·s））

7月14日20時沿38°N垂直速度剖面圖（圖4）顯示，大暴雨在垂直運動場表現(xiàn)為850～600hPa為一致的上升運動，垂直速度為－1×10－2hPa/s，上升運動中心位于800～700hPa，兩側是下沉氣流區(qū)，形成了明顯的垂直次級環(huán)流，促進了垂直上升運動的發(fā)展。這次大暴雨的垂直上升運動高度只到600hPa，而大尺度降水系統(tǒng)垂直運動往往可達對流層頂，表明這次大暴雨只是由一個發(fā)展強盛的中小尺度系統(tǒng)引起。

5 衛(wèi)星云圖分析

圖4 2012－07－14T20沿38°N垂直速度剖面圖（單位為10－2 hPa/s，黑色三角為大暴雨中心）

FY－2E衛(wèi)星云圖TBB產品 （圖5）顯示，7月14日22：00（北京時）暴雨區(qū)北部和東部分別生成兩個中尺度對流輻合系統(tǒng) （MCS）［7］云團1和云團2，云團1 tBB＜－35℃的面積為6×103km2，tBB＜－40℃的面積為2×103km2；云團2 tBB＜－35℃的面積為9×103km2，tBB＜－40℃的面積為5×103km2。兩云團邊界整齊，亮溫梯度較大，是典型的對流云團。23時，兩云團移動緩慢，有合并的趨勢，但對流單體強度均減弱，表現(xiàn)為tBB＜－35℃的區(qū)域合并，tBB＜－40℃的面積減小。15日00時云團1向東南移動中與云團2合并后增強，tBB＜－40℃的面積增大到8×103km2，暴雨區(qū)強降水開始。01時合并后的MCS云團沒有沿天氣系統(tǒng)移動，而是表現(xiàn)為原地增強，對流發(fā)展旺盛并到成熟階段，形狀近似成圓形，邊界非常整齊，西部邊緣梯度最大。tBB＜－35℃的面積達到20×103km2，tBB＜－45℃區(qū)域位于云團中心偏西，面積為200km2，是典型的中－γ尺度系統(tǒng)，亮溫最低處對應強降水中心，1h降水量達75.7mm。02時后云團東移，綏德大暴雨迅速結束。

6 雷達回波分析

6.1 雷達回波反射率和徑向速度

圖5 2012－07－14T22—15T01FY－2E衛(wèi)星云圖TBB分布 （北京時）

14日22：17綏德縣出現(xiàn)第一個對流回波單體 （圖略），水平尺度20km，反射率＞50dBz，回波1的特點是移動緩慢，增強較快，表現(xiàn)為分裂增長，即一個回波體分裂為兩個強回波中心。22：41，回波單體1發(fā)展成熟，水平尺度達30 km，中心強度＞60dBz，在徑向速度圖 （圖6a（見第5頁））上，強風暴低層入流速度＞7m/s和高層出流速度＞10m/s；對流單體為低空輻合高空輻散的增長機制，單體外側的下沉氣流有助于觸發(fā)新的對流單體產生，即單體1的右側生成新的對流回波單體2。單體2移動緩慢，發(fā)展迅速，22：54（圖6b）已經發(fā)展為水平尺度10 km、反射率強度＞60dBz的強回波單體。23：12單體1與單體2合并，單體1減弱，單體2卻繼續(xù)增強，形狀呈圓形，反射率＞65dBz。23：18（圖6c）單體2向回波移動方向的后側傳播增強，23：48（圖6d）單體2在后向移動中東側又有新的回波并入，00：01（圖6e）發(fā)展到最強盛，反射率＞60dBz的面積最大，低仰角可見鉤狀回波，輻散層高達13km，風速＞24m/s。回波單體2從14日23：36—15日01：09基本穩(wěn)定在大暴雨區(qū)上空。01：21（圖6f），上游移來回波單體3再次影響暴雨區(qū)，但持續(xù)時間較短。

6.2 三體散射

23：36，回波單體2在2.4°仰角出現(xiàn)三體散射 （圖7），對應強回波高度是5km，地面未出現(xiàn)冰雹，說明這時云體還處于發(fā)展階段，冰雹還在增長［8］。00：07，0.5°～2.4°仰角均可見三體散射，＞55dBz的伸展高度達到9 km，屬于強對流回波發(fā)展的成熟階段，強降水開始后，三體散射消失，從出現(xiàn)到消失的持續(xù)時間為30min，對應的強降水持續(xù)時間為2h。從天氣現(xiàn)象的持續(xù)時間上看，這次強對流天氣屬于濕對流風暴。

6.3 垂直剖面

圖8為15日00：01回波單體2沿垂線方向的反射率和徑向速度垂直剖面圖，可以看到與圖6e中回波單體2低層的弱回波區(qū)對應的高層為強回波區(qū)，強回波的高度位于3～7km，在6km高度處，強回波呈倒三角形，即強回波最大值位于回波體的中部，表明回波單體2已發(fā)展為強對流回波單體。在同時間的徑向速度剖面圖上，輻合層厚度達9km。回波最強時，垂直累積液態(tài)水含量＞65kg/m2。表明回波單體2具有深厚的輻合層和較高的液態(tài)水含量。

圖6 2012－07－14榆林多普勒雷達速度 （a 22：41，仰角1.5°，單位為m/s）和組合反射率（b 22：54，c 23：18，d 23：48，e 00：01，f 01：21，北京時，單位為dBz，每圈間隔50km，下同）

圖7 2012－07－14榆林多普勒雷達不同時次不同仰角反射率因子圖上的三體散射

圖8 沿圖6e中黑線所示方向的同一時間垂直剖面圖 （左側為反射率，右側為徑向速度）

6.4 中氣旋

23：48回波單體2向后傳播增強，速度場上出現(xiàn)對稱的正、負速度強中心，出現(xiàn)中氣旋的特征 （圖9中黑色圓圈包圍的部分）。23：55中氣旋發(fā)展成熟，正、負速度量級和范圍均達到最大，邊界整齊，中氣旋直徑為12km，最大風速＞20 m/s，0.5°和1.5°仰角均可見，維持時間3個體掃。00：07對應地面出現(xiàn)災害性強風和強降水。位于綏德縣城北部20km的四十鋪區(qū)域站每小時一次的觀測資料顯示，該區(qū)域站23：48，最大風速為3.8m/s，風向為SSW，00：07時最大風速突增至12.3m/s，風向轉為ESE，與中氣旋發(fā)展成熟的時間相一致。強降水的開始時間在00：01之后，00時之前測站無降水記錄。中氣旋雖然以強降水為主，但是根據(jù)受災群眾描述以及三體散射特征判斷有冰雹，而且與強降水相伴，持續(xù)時間較長。

圖9 2012－07－14榆林多普勒雷達徑向速度 （仰角0.5°）

7 小結

（1）高空華北冷渦后部強冷平流與低層暖平流疊加是該次突發(fā)性大暴雨發(fā)生的有利背景。高對流有效位能為大暴雨積累了能量條件， “人”字型切變和地面中－γ尺度的低壓系統(tǒng)是大暴雨發(fā)生的直接原因，其后部干線的動力抬升作用是大暴雨觸發(fā)的必要條件。

（2）大暴雨發(fā)生時垂直運動場存在一強垂直次級環(huán)流。850hPa的兩條濕舌為該次大暴雨的主要水汽來源。

（3）衛(wèi)星云圖上多個中尺度對流云團（MCS）合并后增強少動，亮溫最低處靠近亮溫梯度最大的位置對應強降水中心。

（4）雷達回波圖上，多單體回波之間互相影響，合并加強，回波成熟階段有三體散射現(xiàn)象；剖面圖上強回波位于6km高度處，呈倒三角，輻合層達9km；速度圖上具有中氣旋特征，直徑為12km，最大風速＞20m/s，回波最強時，垂直累積液態(tài)水含量＞65kg/m2，表明該風暴是一發(fā)展深厚的濕對流風暴。

（5）在短時臨近預報中應注意，雷達回波發(fā)展很快、移動緩慢且后向傳播合并增強是強對流天氣的重要特征。

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P458.121

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1006－4354 （2014）04－0001－06

2013－02－23

劉慧敏 （1967—），女，漢族，陜西佳縣人，大學本科，高級工程師，從事天氣預報業(yè)務與研究。