劉 帆，高 萌，謝逸雯，王瑾婷，王 英

（咸陽(yáng)市氣象局，陜西 咸陽(yáng)712000）

暴雨的發(fā)生多數(shù)是中小尺度系統(tǒng)直接造成的。陜西位于我國(guó)內(nèi)陸腹地，是我國(guó)冷暖空氣的交匯地，也是我國(guó)暴雨多發(fā)地區(qū)之一。而陜西突發(fā)性暴雨由于其歷時(shí)短、強(qiáng)度大、面積小的特點(diǎn)，給人民生產(chǎn)和生活帶來(lái)嚴(yán)重的影響，造成的洪澇災(zāi)害也相當(dāng)嚴(yán)重。

國(guó)內(nèi)外很多研究發(fā)現(xiàn)中小尺度系統(tǒng)是短時(shí)暴雨發(fā)生的主要原因[1-4]，也有學(xué)者認(rèn)為對(duì)流不穩(wěn)定和對(duì)稱不穩(wěn)定（即混合型不穩(wěn)定），配合低層充足的水汽條件，也可能會(huì)引發(fā)強(qiáng)降水[5-14]。近年來(lái)，許多陜西氣象工作者研究發(fā)現(xiàn)，造成陜西夏季短時(shí)局地強(qiáng)降水的條件是有利于觸發(fā)中小尺度系統(tǒng)發(fā)生及其發(fā)展[4]，而秋季連陰雨過(guò)程中也多出現(xiàn)暴雨，主要是受西風(fēng)帶短波槽及西南渦東移與西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的東南暖濕氣流交匯產(chǎn)生[15，16]。

隨著多普勒雷達(dá)在中尺度對(duì)流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方面的發(fā)展，許多學(xué)者對(duì)暴雨的雷達(dá)回波形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其在強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)中的應(yīng)用等方面做了大量研究。國(guó)外學(xué)者很早就發(fā)現(xiàn)30 dBz雷達(dá)回波達(dá)到-20℃高度層之后5分鐘將會(huì)發(fā)生閃電放電過(guò)程[17]，在-10℃高度，連續(xù)2個(gè)雷達(dá)體掃的反射率都達(dá)到40 dBz對(duì)雷電預(yù)報(bào)有很好的指示意義[18]。王福俠等[19]發(fā)現(xiàn)β中尺度輻合線、β中尺度輻合、γ中尺度輻合、高空急流和深厚持久的低空急流是河北中南部暴雨的主要雷達(dá)徑向速度特征。徐雙柱等[20]認(rèn)為≥45 dBz的強(qiáng)回波區(qū)或回波帶與強(qiáng)降水區(qū)對(duì)應(yīng)。紀(jì)曉玲等[21]發(fā)現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)與強(qiáng)降水的發(fā)生有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)強(qiáng)降水發(fā)生提前了20~30 min。但是，對(duì)于西北地區(qū)夏季短時(shí)暴雨的雷達(dá)回波特征分析研究不多。

2016年7月18日陜西省關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了短時(shí)暴雨，并伴有強(qiáng)烈的雷電天氣，暴雨范圍大，莊稼被毀、城市內(nèi)澇，對(duì)關(guān)中地區(qū)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文利用西安的多普勒雷達(dá)探測(cè)的回波資料，對(duì)此次暴雨的成因和雷達(dá)回波特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，旨在尋找關(guān)中地區(qū)暴雨易發(fā)的雷達(dá)回波特征指標(biāo)，提高短時(shí)暴雨預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)能力，并為人工影響天氣提供可靠依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域?yàn)殛兾魇￡P(guān)中平原地區(qū)，位于106°18′～110°38′E，33°35′～35°52′N(xiāo)；平均海拔 520 m，介于陜北高原與秦巴山脈之間，包括寶雞、咸陽(yáng)、西安、銅川、渭南等5個(gè)市及楊凌示范區(qū)；屬于大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.0～13.6℃，干濕季節(jié)分明，雨熱同季，多年平均降水量在550～700 mm，年降水的地理分布有顯著差異，西部降水多于東部，北部多于南部。

陜西關(guān)中盆地處于少暴雨區(qū)，且區(qū)域性暴雨發(fā)生概率較低；關(guān)中暴雨大多表現(xiàn)為夜雨型，常發(fā)生在7月到9月上旬；關(guān)中暴雨的主要特點(diǎn)為：歷時(shí)短、強(qiáng)度大、面積小。

1.2 資料來(lái)源

本文所采用的氣象資料為研究區(qū)域內(nèi)46個(gè)自動(dòng)氣象站（圖1）逐時(shí)、逐十分鐘降水量、溫度、氣壓、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，雷達(dá)資料為西安新一代多普勒天氣雷達(dá)CINRAD/SA雷達(dá)產(chǎn)品，包括 5 個(gè)仰角（分別為 0.5°、1.5°、2.4°和 3.4°）的基本反射率因子、對(duì)應(yīng)各層徑向速度、回波頂高和垂直累積液態(tài)水含量等。

2 天氣概況

2.1 空間分布

7月18日08時(shí)—19日08時(shí)關(guān)中地區(qū)累積降水見(jiàn)圖1，可以看出，除關(guān)中東南部為中雨外，其余地區(qū)均達(dá)到大雨量級(jí)，其中19站出現(xiàn)了暴雨。西南部和東北部有兩處強(qiáng)降水帶，中心雨量在80 mm以上，分別位于岐山（80.7 mm）和澄城（91.5 mm）。此次降水范圍大，降水相對(duì)分散，西南部地區(qū)降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度變化大、小時(shí)雨強(qiáng)大；中部地區(qū)降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度變化小、小時(shí)雨強(qiáng)??；而東部降水則表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度變化大，短時(shí)雨強(qiáng)大等強(qiáng)對(duì)流降水特點(diǎn)。

圖1 關(guān)中地區(qū)區(qū)域自動(dòng)站和18日08時(shí)—19日08時(shí)累積降水量分布

2.2 時(shí)間分布

從降水時(shí)序分布來(lái)看，西部降水主要集中在18日16—23時(shí)，東部降水主要集中在19日05—08時(shí)。其中，扶風(fēng)的強(qiáng)降水時(shí)段在18日19—22時(shí)，3 h累積降水量達(dá)到56.2 mm；武功的強(qiáng)降水時(shí)段在21—23時(shí)，3 h累積降水量為63.5 mm，其中最大瞬時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到了40.5 mm（21時(shí)）；澄城的主要降水時(shí)段在19日06—08時(shí)，3 h降水量達(dá)到了73.6 mm，其中最大瞬時(shí)雨強(qiáng)為58.6 mm（19日07時(shí)）（圖2）。

圖2 扶風(fēng)、武功、澄城7月18日16時(shí)—19日08時(shí)逐小時(shí)降水量

3 環(huán)境條件

3.1 大尺度環(huán)流形勢(shì)與影響系統(tǒng)

此次暴雨是在大、中尺度天氣系統(tǒng)和高、中緯環(huán)流相互作用的背景下產(chǎn)生的，影響此次暴雨的主要因子有西太平洋副熱帶高壓、西北路弱冷空氣、切變線、偏南和偏東風(fēng)急流等。

強(qiáng)降水發(fā)生前2016年7月18日08時(shí)（圖3a），500 hPa上亞洲中高緯呈兩槽一脊形勢(shì)，高空槽東移，冷空氣下滑，表明有干空氣從中高層入侵；584 dagpm線控制30°N以南并逐漸北抬，西脊點(diǎn)（34°N，109°E）位于陜西東南部，其西部的西南風(fēng)有利于水汽輸送、匯集以及不穩(wěn)定能量的聚集和釋放；河套東部至四川為深厚的低槽區(qū)，其南北長(zhǎng)度約10個(gè)緯距，關(guān)中處于低槽前側(cè)西南氣流中。700 hPa上，從孟加拉灣經(jīng)云貴地區(qū)、重慶至陜西關(guān)中地區(qū)，打開(kāi)了水汽輸送通道，在甘肅與陜西交界處有顯著的西北—偏南向風(fēng)切變，表明低層有利于暖濕氣流的水平輻合；700 hPa的偏南急流和850 hPa的東風(fēng)急流向關(guān)中地區(qū)輸送明顯的熱量和水汽，有利于暴雨發(fā)生前不穩(wěn)定層結(jié)的建立。地面上四川盆地維持西南渦，關(guān)中、陜南是顯著的西北—東南向風(fēng)向輻合，關(guān)中西部存在干線，有一定的不穩(wěn)定條件。這種高低空的配置形成了大氣的不穩(wěn)定，有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的迅速發(fā)展。

14時(shí)（圖3b），500 hPa高空槽東移加強(qiáng)，隨著高層冷空氣下滑，副熱帶高壓緩慢東移，低空急流加強(qiáng)，在關(guān)中西部形成了冷暖空氣交綏，高空槽、低空急流和關(guān)中西部切變線配合產(chǎn)生對(duì)流云團(tuán)，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。

3.2 水汽和動(dòng)力條件

水汽條件是強(qiáng)降水發(fā)生的先決條件。此次降水的水汽輸送最強(qiáng)的位置主要集中在850~700 hPa。從強(qiáng)降水前期18日08時(shí)850 hPa的水汽通量矢量來(lái)看（圖4a），水汽的主要來(lái)源和路徑是孟加拉灣的水汽經(jīng)云貴地區(qū)、重慶到陜西與甘肅交界處，東海的水汽也經(jīng)江蘇、合肥、鄭州至關(guān)中和陜南西部。兩股水汽與西北路干空氣在甘肅東部和關(guān)中西部交匯輻合，輻合中心值為-2 g/（cm·hPa·s），此時(shí)水汽通量中心強(qiáng)度達(dá)12 g/（cm·hPa·s）。

到18日14時(shí)，水汽輸送路徑保持不變，但水汽通量中心強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，輻合區(qū)東移至關(guān)中西北部，與暴雨落區(qū)對(duì)應(yīng)（圖4b）。

從暴雨區(qū)（34°N）垂直速度的高度—經(jīng)度垂直剖面（圖5）可以看出，強(qiáng)降水發(fā)生前期18日08時(shí)關(guān)中暴雨區(qū)處于垂直上升運(yùn)動(dòng)的東側(cè)，到14時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)東移，范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，關(guān)中西部已經(jīng)處于強(qiáng)烈的垂直上升區(qū)，東西跨越500 km左右，中心強(qiáng)度達(dá)2 Pa/s，位于700~500 hPa，1.0 Pa/s的上升速度區(qū)在高空伸展至300 hPa；強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)東部為寬厚的下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，中心位置略低（750 hPa），中心強(qiáng)度為3.0 Pa/s。

圖3 7月18日08時(shí)、14時(shí)500 hPa高度（等值線，單位：dagpm）和700 hPa風(fēng)場(chǎng)

圖4 7月18日08（a）和14時(shí)（b）850 hPa水汽通量和水汽通量散度（陰影）

圖5 7月18日14時(shí)垂直速度沿34°N緯向剖面

4 多普勒雷達(dá)特征分析

此次降水過(guò)程為大片層狀云穩(wěn)定降水回波中夾雜有少量積狀云對(duì)流降水回波，積云降水范圍小，且對(duì)流性相對(duì)明顯。

4.1 基本反射率與徑向速度產(chǎn)品

從降水過(guò)程中反射率因子和徑向速度圖演變來(lái)看（圖6），18日8：02寶雞西部開(kāi)始出現(xiàn)層云降水回波，最大回波為35～40 dBz；之后回波不斷擴(kuò)大、加強(qiáng)，整體回波移動(dòng)緩慢，以50 km/h的速度向東北方向移動(dòng)；到12：45降水回波尺度擴(kuò)大到寶雞整市、咸陽(yáng)北部和銅川，最大反射率為43 dBz，出現(xiàn)在麟游北部（紅圈內(nèi)）；平均徑向速度圖上的零速度線呈“S”型，風(fēng)向隨高度不斷增強(qiáng)且順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，雷達(dá)處為東北風(fēng)，表明有暖平流，有利于降水的發(fā)生。此時(shí)關(guān)中西部地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)穩(wěn)定降水，小時(shí)降水量在2 mm左右。

16：47在大片的20～40 dBz層云降水回波中出現(xiàn)了45～50 dBz的對(duì)流降水回波（圖6中A處），回波頂高為8 km，但強(qiáng)回波高度中心高度較低，超過(guò)35 dBz的回波高度在2～7 km，最強(qiáng)回波中心（45～55 dBz）高度在 2～4 km，回波質(zhì)心低，且此時(shí)對(duì)流回波處（3.8 km左右高度）已有逆風(fēng)區(qū)存在（白圈內(nèi)），扶風(fēng)西部低層小范圍負(fù)速度區(qū)被大面積入流速度區(qū)所包圍，風(fēng)速在7 m/s左右，逆風(fēng)區(qū)維持了一個(gè)多小時(shí)，之后與大片正速度區(qū)合并，而扶風(fēng)的較強(qiáng)降水天氣在18時(shí)之后產(chǎn)生。

18：02此對(duì)流云團(tuán)發(fā)展至最旺盛，中心強(qiáng)度達(dá)到55～60 dBz，對(duì)流云團(tuán)A已經(jīng)發(fā)展分裂為2個(gè)單體，以10 km/h的速度移至扶風(fēng)境內(nèi)，A2對(duì)流云團(tuán)對(duì)應(yīng)徑向速度圖上又出現(xiàn)了小范圍的逆風(fēng)區(qū)（4.2 km左右高度上）。對(duì)流云團(tuán)A西部鳳翔又有小片的對(duì)流塊B生成，范圍不斷擴(kuò)大，并緩慢向東北方向移動(dòng)，中心強(qiáng)度為45～50 dBz，之后逐漸減弱。

19：52對(duì)流云團(tuán)B中心強(qiáng)度范圍減小，又移至扶風(fēng)境內(nèi)，A、B的相繼影響，造成扶風(fēng)持續(xù)3 h的短時(shí)強(qiáng)降水；而A范圍擴(kuò)大，移至武功境內(nèi)，回波頂高達(dá)到10 km，最強(qiáng)回波中心（50～55 dBz）高度在6 km以下，回波質(zhì)心低，徑向速度達(dá)到12 m/s，20時(shí)之后武功出現(xiàn)了強(qiáng)降水。

此次暴雨過(guò)程出現(xiàn)的逆風(fēng)區(qū)屬于“少動(dòng)型”[22]，移動(dòng)速度在10 km/h，該類(lèi)型逆風(fēng)區(qū)的存在有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生，逆風(fēng)區(qū)與強(qiáng)降水中心區(qū)是對(duì)應(yīng)的，且逆風(fēng)區(qū)與強(qiáng)回波中心位置相對(duì)應(yīng)，也有利于強(qiáng)回波的維持或加強(qiáng)，這與前人的研究結(jié)果一致[23-26]。

4.2 垂直累積液態(tài)水含量（VIL）

圖 6 12：45、16：47、18：02 和 19：52 雷達(dá) 1.5°仰角的反射率因子（單位：dBz）和徑向速度圖（單位：m/s）

圖7 16—22時(shí)的對(duì)流單體A的組合反射率和VIL的時(shí)間演變

對(duì)比分析本次強(qiáng)降水過(guò)程（16：01—21：59）的對(duì)流單體A的組合反射率和垂直液態(tài)水含量的時(shí)間演變圖（圖7），發(fā)現(xiàn)VIL與組合反射率的變化趨勢(shì)基本一致，但振蕩更明顯，VIL達(dá)到峰值再回落至低值，可能是由于強(qiáng)降水和破壞性大風(fēng)的的發(fā)生[27]。在17：16出現(xiàn)第一次躍增，從17 kg/m2增加至25 kg/m2，但只持續(xù)了一個(gè)體掃，出現(xiàn)在扶風(fēng)境內(nèi)，該對(duì)流單體組合反射率中心強(qiáng)度為58 dBz，回波頂高為8 km。第二次躍增出現(xiàn)在18：19，VIL值從13 kg/m2增加至23 kg/m2，小幅震蕩了3個(gè)體掃后減弱至13 kg/m2，此時(shí)組合反射率因子基本保持在58 dBz，對(duì)流單體移動(dòng)至扶風(fēng)西南。第三次躍增是在20：03-20：15，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，VIL值在26 kg/m2左右，對(duì)應(yīng)對(duì)流單體為關(guān)中西部的單體裂變后不斷擴(kuò)大，反射率因子先減小，移至武功后不斷加強(qiáng)，組合反射率因子在58 dBz左右。第四次躍增是在21：24，VIL出現(xiàn)次峰值，為23 kg/m2，此時(shí)對(duì)流單體擴(kuò)大增強(qiáng)后移至武功和禮泉交界，對(duì)應(yīng)組合反射率因子為58 dBz，回波頂高為7 km。VIL的大值區(qū)與強(qiáng)回波區(qū)對(duì)應(yīng)較好。

降水開(kāi)始時(shí)垂直累積液態(tài)水含量較小，在1～5 kg/m2，以穩(wěn)定降水為主，之后對(duì)流云產(chǎn)生、發(fā)展，VIL值變化很大。從 16：47 開(kāi)始 VIL 達(dá)到 15 kg/m2，17：16時(shí)增加至25 kg/m2，只持續(xù)了一個(gè)體掃，出現(xiàn)在扶風(fēng)境內(nèi)，之后維持在20 kg/m2。20：03時(shí)VIL在武功境內(nèi)，增加至 25～30 kg/m2，斷續(xù)地維持了近 0.5 h，之后降到15～23 kg/m2移除出武功（圖8）。20—21時(shí)VIL出現(xiàn)了一個(gè)峰值，之后武功也出現(xiàn)了40.5 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。VIL峰值的出現(xiàn)時(shí)間與強(qiáng)降水時(shí)段對(duì)應(yīng)較好。前人在對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)、跟蹤及估測(cè)降水也發(fā)現(xiàn)了此結(jié)論[28]。

圖8 降水過(guò)程中組合反射率和垂直液態(tài)水含量演變

5 結(jié)論

本文對(duì)2016年7月18日關(guān)中一次突發(fā)性暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）影響這次暴雨的主要因子有西太平洋副熱帶高壓、西北路弱冷空氣、切變線、偏南和偏東風(fēng)急流等。水汽來(lái)源主要是孟加拉灣和東海。

（2）此次過(guò)程回波頂高在8～11 km，但強(qiáng)回波高度中心高度較低，最強(qiáng)回波中心（45～55 dBz）高度在6 km以下，屬于低質(zhì)心強(qiáng)降水回波，對(duì)預(yù)報(bào)關(guān)中短時(shí)強(qiáng)降水明顯參考價(jià)值。

（3）徑向速度圖上零速度線呈“S”型、風(fēng)向輻合和逆風(fēng)區(qū)等特征均有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。逆風(fēng)區(qū)與強(qiáng)降水中心區(qū)、強(qiáng)回波中心位置有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生有很好的預(yù)報(bào)作用。

（4）VIL的大值區(qū)與強(qiáng)回波區(qū)、強(qiáng)降水中心區(qū)相對(duì)應(yīng)，當(dāng)VIL中心值持續(xù)在25～30 kg/m2時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。

本文著眼于短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的角度，通過(guò)環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng)判斷此次暴雨產(chǎn)生的環(huán)境背景，著重分析了此次層積混合對(duì)流降水的雷達(dá)回波特征，由于暴雨突發(fā)性較強(qiáng)，從雷達(dá)回波上看不出典型形狀特征，但仍能發(fā)現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)和VIL對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生有很好的預(yù)報(bào)意義。逆風(fēng)區(qū)的強(qiáng)度和厚度與短時(shí)強(qiáng)降水的雨強(qiáng)是否有相關(guān)性、確定本地區(qū)VIL的閾值是否可以區(qū)分一般性降水和短時(shí)強(qiáng)降水，仍需更多的天氣個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而更好地為短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。