徐娟娟，郝 麗，屈麗瑋，胡啟元

(1.陜西省氣象臺(tái)，陜西 西安 710016；2.陜西省氣候中心，陜西 西安 710016)

1 引言

局地短時(shí)強(qiáng)降水(降雨量≥20 mm/h)天氣具有明顯的中小尺度特征，它影響的范圍小，歷時(shí)短，降水強(qiáng)度大，具有很強(qiáng)的破壞性。特別是對(duì)地質(zhì)條件比較特殊的地區(qū)來說，短時(shí)強(qiáng)降水天氣對(duì)人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)損失危害更大。例如2010年8月8日甘肅舟曲出現(xiàn)了特大山洪地質(zhì)災(zāi)害，主要原因[1]是短時(shí)強(qiáng)降水加上舟曲的地質(zhì)條件比較差，兩者結(jié)合共同造成的。這種由于地質(zhì)條件差和短時(shí)降水比較強(qiáng)造成災(zāi)害比較大的個(gè)例在陜西也是比較突出的，因此對(duì)這類天氣進(jìn)行了大量研究。慕建利[2]、畢寶貴[3]的研究認(rèn)為2002年6月8日陜南佛坪特大暴雨，秦嶺山脈對(duì)降水的強(qiáng)度有很大的影響， 即秦嶺山脈使秦嶺山區(qū)、 漢江河谷一帶降水量增加，秦嶺山脈地形也是造成特大災(zāi)害的主要因素。劉子臣[4]、井喜[5]對(duì)陜北黃土高原局地特大暴雨進(jìn)行了分析，認(rèn)為臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送水汽是產(chǎn)生特大暴雨的主要原因。劉勇[6]對(duì)2012年7月27日陜北佳縣局地特大暴雨進(jìn)行了分析，認(rèn)為高空200 hPa陜西北部位于淺槽的前部，急流入口區(qū)的右側(cè)，存在著正渦度平流，這一區(qū)域有著強(qiáng)烈的輻散，提供了較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，是特大暴雨產(chǎn)生的主要機(jī)制。由于陜北、陜南地形復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，短時(shí)強(qiáng)降水容易造成局地的特大災(zāi)害，因此對(duì)這類天氣需要深入研究。

2017年4月15日20時(shí)—16日08時(shí)，陜西省安康市的白河、平利、鎮(zhèn)坪、嵐皋、旬陽、漢濱區(qū)等地出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，其中白河縣冷水河流域所轄的西營(yíng)鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)降水最為集中。15日20時(shí)—16日08時(shí)，西營(yíng)鎮(zhèn)累計(jì)降水量為85.4 mm，雙河鎮(zhèn)為66.5 mm，麻虎鎮(zhèn)46.3 mm，還有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量在30mm以上。其中15日22時(shí)雙河鎮(zhèn)雨強(qiáng)為48.8 mm/h，23時(shí)西營(yíng)鎮(zhèn)雨強(qiáng)為39.7 mm/h，茅坪鎮(zhèn)雨強(qiáng)為23.4 mm/h。這次短時(shí)強(qiáng)降水天氣造成白河縣3 000余人受災(zāi)，500多人緊急轉(zhuǎn)移，基礎(chǔ)設(shè)施損毀嚴(yán)重，部分地區(qū)的電力、道路中斷。由于春季局地這么強(qiáng)的降水還是比較少見，預(yù)報(bào)員重視不夠，再加上這次過程冷空氣比較弱，水汽條件一般，對(duì)不穩(wěn)定能量對(duì)暴雨的作用考慮欠佳，因此對(duì)此次過程的短期、短時(shí)預(yù)報(bào)都出現(xiàn)了較大的失誤。局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣是否可以通過分析大尺度環(huán)流形勢(shì)和物理量進(jìn)行預(yù)報(bào)？希望通過分析找出局地短時(shí)強(qiáng)降水的一些特征，為今后預(yù)報(bào)此類天氣提供可靠的參考依據(jù)。

2 局地短時(shí)強(qiáng)降水的云圖特征

2017年4月15日18時(shí)的FY-2紅外云圖，在陜南的東部安康地區(qū)開始有對(duì)流云生成，尺度很小。20時(shí)(圖1a)對(duì)流云已經(jīng)發(fā)展成中-β尺度的云團(tuán)，水平尺度增大到70 km，云頂亮溫TBB為-47℃，嵐皋四季鎮(zhèn)出現(xiàn)10.1 mm/h的降水。21時(shí)(圖1b)，對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展，水平尺度為100 km，結(jié)構(gòu)緊密，呈橢圓狀，云頂亮溫TBB為-58 ℃，云團(tuán)的覆蓋面積明顯增大。對(duì)流云團(tuán)給安康漢濱區(qū)的雙龍鎮(zhèn)、嵐皋的石門鎮(zhèn)帶來約為16 mm/h的降水。

圖1 2017年4月15日20時(shí)(a)、21時(shí)(b)、22時(shí)(c)和23時(shí)(d)FY-2G TBB云頂亮溫Fig.1 Analysis of TBB graphic from FY-2G satellite at (a) 20∶00, (b) 21∶00, (c) 22∶00, (d) 23∶00, BJ 15 Apr 2017

22時(shí)(圖1c)，位于安康的中-β尺度對(duì)流云團(tuán)水平尺度已經(jīng)增大到160 km，呈橢圓狀，云頂亮溫TBB為-56 ℃。較20時(shí)的對(duì)流云團(tuán)位置有所東移。白河的雙河鎮(zhèn)雨強(qiáng)達(dá)48.8 mm/h，西營(yíng)鎮(zhèn)為29.7 mm/h，另外安康的平利、旬陽局地也出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水。23時(shí)(圖1d)，中-β尺度對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展，橢圓狀，水平尺度約為200 km，云頂亮溫TBB為-56 ℃，對(duì)流云團(tuán)的結(jié)構(gòu)比較緊密，說明對(duì)流仍然很強(qiáng)。此時(shí)對(duì)流云團(tuán)造成白河縣的5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，其中最大為西營(yíng)鎮(zhèn)39.7 mm/h。24時(shí)，對(duì)流云團(tuán)的一部分已經(jīng)移出安康地區(qū)，但是白河的東部仍然受對(duì)流云團(tuán)的影響，在構(gòu)扒鎮(zhèn)出現(xiàn)26.3 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。16日01時(shí)白河縣國(guó)家站降水達(dá)到14.9 mm/h。02時(shí)影響白河的中-β尺度對(duì)流云團(tuán)逐漸東移，白河的降水明顯減弱。中尺度云團(tuán)在河南南部維持到05時(shí)才消散。

根據(jù)逐時(shí)FY-2紅外云圖的演變情況來看，造成白河的短時(shí)強(qiáng)降水天氣的是中-β尺度對(duì)流云團(tuán)，水平尺度為100～200 km，云頂亮溫TBB最低為-56 ℃，生命史為10 h，中尺度特征明顯。

3 環(huán)流背景分析

2017年4月15日20時(shí)500 hPa圖上(圖2)，巴湖到我國(guó)東海為兩脊一槽，脊線分別位于巴湖和東海附近，河套西部到西藏東部為一寬廣的槽，新疆高脊前不斷有冷空氣分裂南下、東移，影響西北地

區(qū)東部。在南海附近，副熱帶高壓較弱，588 dagpm位于我國(guó)海南島—臺(tái)灣島附近。高層300 hPa，位于安康南部的重慶在15日08時(shí)為4 m/s西北風(fēng)，與安康之間有氣流輻散。到20時(shí)重慶300 hPa西北風(fēng)增加到16 m/s，與安康之間的氣流輻散明顯加強(qiáng)。高空輻散有利于對(duì)流形成。

圖2 2017年4月15日20時(shí)500 hPa高空?qǐng)DFig.2 Analysis of 500 hPa height field at 20:00 BJ 15 Apr 2017

15日20時(shí)700 hPa(圖3a)，我國(guó)西南地區(qū)為一低渦，沿低渦東北部有一切變線，切變線南部主要是西南風(fēng)或東南風(fēng)，切變線北部主要為西北風(fēng)。安康附近為東風(fēng)，沒有急流形成，在西安—安康之間有較強(qiáng)的鋒區(qū)。15日20時(shí)850 hPa(圖3b)，陜西南部到我國(guó)西南地區(qū)為一低值區(qū)，從貴陽—湖北北部存在一切變線，切變線南側(cè)為南風(fēng)，切變線北側(cè)為東北風(fēng)。在陜西安康附近存在著明顯的風(fēng)向輻合，低層輻合抬升條件較好。

圖3 2014年4月15日20時(shí)700 hPa(a)和850 hPa(b)高度場(chǎng)(黑實(shí)線，單位dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(鳳羽，單位m·s-1)和溫度(黑色數(shù)值，單位℃)疊加圖Fig.3 The 700hPa (a) and 850hPa (b) geopotential height field (black contour, unit: dagpm), wind field (wind feather, unit: m·s-1), temperature field (black value, unit:℃) at 20:00 BJ 15 Apr 2017

春季副熱帶高壓比較弱，陜南東部低層南風(fēng)沒有形成急流，水汽條件不是太好。但是低層850 hPa存在著明顯的風(fēng)向輻合，南部的南風(fēng)，攜帶著比較充沛的水汽，存在著大量不穩(wěn)定能量。中層有弱冷空氣東移南下，鋒區(qū)壓在陜西中南部，高空300 hPa安康和重慶之間氣流輻散在15日20時(shí)增強(qiáng)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了比較有利的條件。

4 局地短時(shí)強(qiáng)降水成因分析

4.1 中層弱冷空氣的作用

從各層溫度平流可以看出，中、低層弱冷空氣對(duì)陜南地區(qū)的侵入，是局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣的觸發(fā)機(jī)制。15日20時(shí)(圖4)，500 hPa陜西中南部有弱冷空氣活動(dòng)，在安康西部冷平流強(qiáng)度為-2×10-5℃·s-1，在安康東部有暖平流，強(qiáng)度為2×10-5℃·s-1，安康位于中層較強(qiáng)鋒區(qū)附近。850 hPa，在安康西部為冷平流，強(qiáng)度為-2×10-5℃·s-1，東部有暖平流，強(qiáng)度為4×10-5℃·s-1，安康附近的冷暖平流分布與500 hPa相似，也存在冷暖交匯的顯著特征，有較強(qiáng)的鋒區(qū)。來自西北方向的500 hPa弱冷空氣觸發(fā)了低層不穩(wěn)定能量的爆發(fā)。在對(duì)流發(fā)生時(shí)，中層冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上，有利于對(duì)流的發(fā)生發(fā)展。

4.2 水汽條件分析

這次短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在安康東部，白河縣出現(xiàn)了較強(qiáng)降水和災(zāi)害。發(fā)生的時(shí)間集中在15日20時(shí)—16日02時(shí)，因此15日20時(shí)的低層水汽條件的分布比較真實(shí)的反映了各層水汽對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)。15日20時(shí)，700 hPa水汽通量圖上，安康附近為東南風(fēng)，水汽通量為20～30 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽條件一般。850 hPa 安康東部仍然是東南氣流，但是水汽比較充沛，安康水汽通量(圖5a)為20～40 g·cm-1·hPa-1·s-1，安康白河及東部水汽通量(圖5a)為60～80 g·cm-1·hPa-1·s-1?？傮w來講，陜南安康附近低層水汽條件不是很好， 850 hPa水汽條件相對(duì)好一些。

圖4 2017年4月15日20時(shí)500 hPa溫度平流(單位：10-5℃·s-1,圖中黑色三角為安康白河站)Fig.4 The temperature advection(unit: 10-5℃·s-1) on 500 hPa at 20∶00 BJ 15 Apr 2017. (black triangle:the location of Baihe station)

圖5 2017年4月15日20時(shí) 850 hPa水汽通量(a,單位：g·cm-1·hPa-1.s-1)和水汽通量散度(b,單位：7g·cm-2·hPa-1·s-1，圖中黑色三角為安康白河站 (110.12°E，32.82°N)Fig.5 The 850 hPa water vapor flux (a, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and moisture flux divergence (b, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) at 20:00 BJ 15 Apr 2017(black triangle :the location of Baihe station)

從水汽通量散度來看，15日20時(shí)安康附近的700 hPa水汽通量散度為0～1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，水汽為輻散，說明700 hPa水汽對(duì)安康東部短時(shí)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)很小。850 hPa安康附近的水汽通量散度(圖5b)為-4×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，水汽輻合很強(qiáng)，安康東部的短時(shí)強(qiáng)降水顯然和低層850 hPa水汽供給有顯著關(guān)系。

4.3 局地短時(shí)強(qiáng)降水的層結(jié)分析

從15日20時(shí)安康探空資料可以看出(圖6)，安康的對(duì)流有效位能CAPE為788.1 J·kg-1，θse500-θse850為-15 ℃，沙氏指數(shù)為-4.27，K指數(shù)為40。這些指標(biāo)說明安康地區(qū)存在大量不穩(wěn)定能量，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生非常有利。另外，安康低層為8 m/s東風(fēng)，高層250 hPa為22 m/s西北風(fēng)，垂直風(fēng)切變比較大，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。與此同時(shí)，重慶的對(duì)流有效位能CAPE為1293.4 J·kg-1，θse500-θse850為-15 ℃，沙氏指數(shù)為-5.14，K指數(shù)為41。大氣為對(duì)流不穩(wěn)定，說明在安康南部的對(duì)流不穩(wěn)定更強(qiáng)。另外從安康層結(jié)曲線來看，安康低層700 hPa以下的相對(duì)濕度比較小，說明低層比較干，700 hPa以上相對(duì)濕度明顯增大，并沒有出現(xiàn)“上干冷、下暖濕”有利于“干”對(duì)流發(fā)展的條件。實(shí)際上，從水汽通量圖可以看出，安康和白河之間水汽條件存在著明顯的差異，即安康低層的水汽條件明顯比白河差，因此用安康的低層水汽條件完全代替白河是不準(zhǔn)確的。白河地區(qū)低層具有較大的水汽通量，當(dāng)中層弱冷空氣觸發(fā)對(duì)流產(chǎn)生時(shí)，低層的水汽比較充沛，有利于對(duì)流的發(fā)生發(fā)展。對(duì)流主要是濕對(duì)流。

圖6 2017年4月15日20時(shí)安康探空?qǐng)DFig.6 The T-lnp diagram of Ankang station at 20∶00 BJ 15 Apr 2017

4.4 上升運(yùn)動(dòng)

15日20時(shí)沿33°N的散度垂直剖面圖上(圖7a)，在安康附近(33°N，109°E)低層有輻合，量值為-1～-2×10-5s-1。高層300 hPa有較強(qiáng)的輻散，量值為2×10-5s-1，但是200 hPa附近又出現(xiàn)了輻合。這種高低空配置不是十分有利于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，200 hPa附近出現(xiàn)的輻合抑制了強(qiáng)對(duì)流的進(jìn)一步發(fā)展，這一點(diǎn)可以通過安康附近的垂直速度反映出。

圖7 2017年4月15日20時(shí)沿33°N散度剖面圖(a，單位：10-5 s-1) 和垂直速度剖面圖(b，單位：10-3 hPa.s-1，圖中黑色三角為安康白河站 (110.12°E，32.82°N))Fig.7 The height-longitude cross section of (a) divergence (unit: 10-5 s-1) and (b) vertical wind (unit: 10-3hPa·s-1) at 20∶00 BJ 15 Apr 2017 along 33°N (black triangle :the location of Baihe station)

沿33°N的垂直速度剖面圖(圖7b)上，15日20時(shí)在陜南安康地區(qū)上空為上升運(yùn)動(dòng)，最大上升速度在400 hPa，量值為-3×10-3hPa·s-1，上升的高度在300 hPa左右，說明上升運(yùn)動(dòng)不是很強(qiáng)，主要原因是安康高空200 hPa出現(xiàn)了不利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的環(huán)流形勢(shì)。由于低層存在著較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，850 hPa的水汽比較充沛，輻合較強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)雖然不是很強(qiáng)，但是仍然給安康東部造成局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

5 地質(zhì)條件對(duì)災(zāi)害的影響

白河位于陜南東部，地勢(shì)南高北低，山脈與溝相間，無一處百畝平地。由于地形多山地，在大部分地區(qū)短時(shí)間內(nèi)都出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，很容易造成山洪、泥石流災(zāi)害。在這種地質(zhì)條件下，特別要注意大面積短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。

6 結(jié)論

①安康東部短時(shí)強(qiáng)降水具有明顯的中尺度特征。在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為水平尺度為100～200 km，云頂亮溫TBB最低為-56 ℃，生命史為10 h的中-β尺度對(duì)流云團(tuán)。與暴雨云團(tuán)相比，短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度云團(tuán)尺度偏小，局地性更強(qiáng)。

②500 hPa弱冷空氣東移，與低層?xùn)|南暖濕氣流交匯在陜南東部，觸發(fā)對(duì)流產(chǎn)生。中層弱冷空氣與低層?xùn)|南暖濕氣流在垂直方向上疊加，構(gòu)成位勢(shì)不穩(wěn)定，形成強(qiáng)對(duì)流天氣。低層存在大量不穩(wěn)定能量是短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的必要條件，而暴雨的產(chǎn)生有時(shí)對(duì)低層不穩(wěn)定能量的要求不高，比如秋季連陰雨中產(chǎn)生的暴雨。

③850 hPa東南氣流提供了比較充沛的水汽。雖然700 hPa水汽條件一般，但850 hPa的水汽條件較好，從降水的實(shí)際情況來看，能夠滿足局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣對(duì)水汽條件的要求。與暴雨需要充沛的水汽條件相比，局地短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)水汽條件要求相對(duì)比較低。

④高空200 hPa氣流輻合雖然不利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，但是高空300 hPa輻散和低層850 hPa的輻合，使得安康東部仍然維持一定的上升運(yùn)動(dòng)，為局地短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了較有利的條件。此次上升運(yùn)動(dòng)不是很強(qiáng)，但是對(duì)流卻產(chǎn)生了很強(qiáng)的降水，說明低層較強(qiáng)不穩(wěn)定能量在對(duì)流發(fā)生發(fā)展過程中起到了重要作用。