徐娟娟，李萍云，曹慧萍

( 1.陜西省氣象臺(tái)，西安 710016；2. 陜西省氣象服務(wù)中心，西安 710016)

黃土高原位于干旱地區(qū)，降水稀少，地質(zhì)條件脆弱。在夏季強(qiáng)降水的作用下，常常造成重大地質(zhì)災(zāi)害。一直以來(lái)，陜北地區(qū)的區(qū)域性暴雨或局地大暴雨都是預(yù)報(bào)員關(guān)心和研究的對(duì)象[1-3]。劉子臣[4-5]認(rèn)為遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)、東北急流對(duì)陜北暴雨作用顯著；張弘[6]分析了黃土高原東部一次臺(tái)風(fēng)與河套低渦共同影響產(chǎn)生的暴雨過(guò)程；杜繼穩(wěn)[7]對(duì)黃土高原突發(fā)性暴雨地面能量場(chǎng)特征進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)突發(fā)性暴雨發(fā)生時(shí)地面能量場(chǎng)存在中-α尺度Ω系統(tǒng)，其空間尺度為200～300 km；劉勇[8-9]對(duì)陜北大暴雨天氣進(jìn)行了分析，除了充沛的水汽條件外，200 hPa高空急流和700 hPa低空急流耦合產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流為大暴雨提供了持續(xù)強(qiáng)勁的上升運(yùn)動(dòng)也是大暴雨主要原因。大量的研究給預(yù)報(bào)提供了理論基礎(chǔ)，但是仍然存在一些問(wèn)題，如陜北地區(qū)大暴雨的強(qiáng)度、落區(qū)仍然是預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。近年來(lái)，由于氣候變暖，陜北地區(qū)在夏季季風(fēng)的影響下，水汽條件得到很大改善，常常造成局地或區(qū)域性強(qiáng)降水，給人們的財(cái)產(chǎn)和生命帶來(lái)很大威脅，因此需要深入研究。

1 降水實(shí)況

2017年7月25日08:00—26日08:00(圖略)，陜西榆林市發(fā)生區(qū)域性大暴雨過(guò)程，有88個(gè)監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)暴雨，35個(gè)監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)大暴雨，最大綏德縣四十里鋪鎮(zhèn)為247.3 mm，子洲縣日降水量突破榆林市日降水量的歷史極值，橫山、米脂日降水量突破本站歷史極值，綜合強(qiáng)度為1961年以來(lái)最強(qiáng)。強(qiáng)降水時(shí)段主要集中在25日晚，25日20:00—26日08:00(圖1)共有35個(gè)監(jiān)測(cè)站降水量超過(guò)100 mm，83個(gè)監(jiān)測(cè)站降水量超過(guò)50 mm。無(wú)定河支流大理河青陽(yáng)岔站出現(xiàn)歷史實(shí)測(cè)最大洪水；綏德站洪峰流量列1960年有實(shí)測(cè)資料以來(lái)第1位。暴雨洪澇災(zāi)害造成42.43萬(wàn)人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡12人，失蹤1人，緊急轉(zhuǎn)移近10萬(wàn)人，初步估算直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)80億元。本文通過(guò)對(duì)暴雨期間大氣環(huán)流形勢(shì)、衛(wèi)星云圖、物理量進(jìn)行分析，對(duì)榆林區(qū)域性大暴雨天氣過(guò)程的成因進(jìn)行總結(jié)分析，為今后預(yù)報(bào)此類(lèi)暴雨提供指導(dǎo)作用。

圖1 2017-07-25T20:00—26T08:00陜北地區(qū)累積降雨量(單位為mm)

2 環(huán)流形勢(shì)分析

2.1 500 hPa環(huán)流形勢(shì)

2017年7月25日20時(shí)500 hPa高空?qǐng)D上(圖2)，新疆到我國(guó)東北為兩脊一槽型，西北地區(qū)東部處于槽前。新疆高脊前有冷空氣東移南下，影響陜西北部。與此同時(shí)，副熱帶高壓異常強(qiáng)大，控制了整個(gè)華東、華南地區(qū)，與25日08:00相比，此時(shí)副高加強(qiáng)西進(jìn)，588 dagpm特征線北側(cè)位于天水、銅川、太原南部一帶，槽前西北路冷空氣南下與副高西北側(cè)邊緣的暖濕空氣在陜北地區(qū)交匯，有利于暴雨的產(chǎn)生。

圖2 2017-07-25T20:00 500 hPa環(huán)流形勢(shì)(單位為dagpm)

2.2 低層環(huán)流形勢(shì)

25日20:00 700 hPa高空?qǐng)D上(圖3a)，甘肅南部到寧夏有一切變線，切變線西側(cè)為北風(fēng)或東北風(fēng)，切變線東側(cè)為西南風(fēng)。陜西處在切變線東側(cè)的西南急流中。來(lái)自南海的急流沿副高外圍向陜北地區(qū)輸送充沛的水汽和大量不穩(wěn)定能量，榆林地區(qū)位于急流左前側(cè)的風(fēng)速輻合區(qū)。25日20:00 850 hPa高空?qǐng)D(圖3b)上，陜北北部到內(nèi)蒙中部存在切變，雖然切變線南側(cè)東南氣流強(qiáng)度偏弱，風(fēng)速為6～8 m/s，但在榆林地區(qū)有較強(qiáng)的風(fēng)向輻合，來(lái)自東海或南海的東南暖濕氣流同樣為陜北北部帶來(lái)較充沛的水汽和大量不穩(wěn)定能量。

3 衛(wèi)星云圖特征

此次強(qiáng)降水主要集中在25日21：00至26日05:00。25日21:00的FY-2G紅外云圖(圖4a)顯示，陜北地區(qū)有兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)，榆林北部的對(duì)流云團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密，水平尺度為280 km，云頂亮溫最低值為-72 ℃，移動(dòng)方向?yàn)闁|南向。榆林南部的對(duì)流云團(tuán)尺度小，移動(dòng)方向?yàn)槲鞅毕?，兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)在23:00完全合并，發(fā)展成為一個(gè)水平尺度約為400 km的中-α尺度對(duì)流復(fù)合體MCC，云頂亮溫最低值為-68 ℃。在此期間，小時(shí)最大雨強(qiáng)達(dá)為41 mm/h。26日00:00(圖4b)，中-α尺度對(duì)流云團(tuán)移至榆林上空，水平尺度為400 km左右，呈橢圓狀，云頂亮溫最低值為-72 ℃。子州、米脂、橫山等地都出現(xiàn)短時(shí)暴雨，小時(shí)最大降水量為46.3 mm。

圖3 2017-07-25T20:00 700 hPa(a)和850 hPa(b)高度場(chǎng)(黑實(shí)線，單位為dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(單位為m/s)、溫度(黑色數(shù)值，單位為℃)(圖中黑色雙實(shí)線為切變線，箭頭為氣流方向)

26日01:00，中-α尺度對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)給上述區(qū)域造成強(qiáng)降水天氣，子州、米脂、橫山小時(shí)雨強(qiáng)均超過(guò)20 mm/h。02:00(圖4c)，中-α尺度對(duì)流云團(tuán)仍然發(fā)展旺盛，云頂亮溫為-76 ℃，水平尺度400 km，云團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密，此時(shí)子州、米脂短時(shí)降水強(qiáng)度依然很強(qiáng)，子州1 h降水量達(dá)52 mm，達(dá)到短時(shí)特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)。03:00—04:00中尺度對(duì)流云團(tuán)云團(tuán)中心南壓至榆林東南部，給綏德、吳堡帶來(lái)短時(shí)暴雨天氣，小時(shí)降水量均超過(guò)25 mm。05:00對(duì)流云團(tuán)東移，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度明顯減弱，云頂亮溫最低值為-60 ℃，降水強(qiáng)度也隨之減小。06:00只有吳堡站出現(xiàn)10 mm/h的短時(shí)暴雨。隨后，暴雨云團(tuán)逐步較弱、消散。

根據(jù)云圖的演變來(lái)看，造成榆林區(qū)域性大暴雨天氣的是中-α尺度對(duì)流云團(tuán)，即中尺度對(duì)流復(fù)合體MCC。MCC的水平尺度為400 km，結(jié)構(gòu)緊密，呈橢圓狀，云頂亮溫最低值為-76 ℃，生命史為6 h，中尺度特征明顯。

圖4 2017-07-25T21:00(a)和2017-07-26 FY-2G TBB 黑體亮溫(單位為℃，b 26日00時(shí)，c 26日02時(shí))

4 區(qū)域性大暴雨成因

4.1 層結(jié)分析

夏季暴雨對(duì)流性很強(qiáng)往往與低層存在大量不穩(wěn)定能量相關(guān)。從25日20:00延安探空資料(圖5a)可以看出，暴雨發(fā)生前，850 hPa盛行東南氣流，700 hPa為西南急流，400 hPa為22 m/s的西南風(fēng)，存在著明顯的垂直風(fēng)切變。延安對(duì)流有效位能CAPE值達(dá)到2 354.6 J/kg，沙氏指數(shù)為-1.41，k指數(shù)為44 ℃，表明低層存在強(qiáng)的不穩(wěn)定能量。850～400 hPa相對(duì)濕度均較大，說(shuō)明濕層很厚，有利于強(qiáng)降水的持續(xù)產(chǎn)生。26日08:00延安對(duì)流有效位能CAPE值減小到529.7 J/kg，說(shuō)明夜間消耗了大量的不穩(wěn)定能量。

另外，從25日20:00 850 hPaθse分布圖(圖5b)可以看出，在陜北地區(qū)存在著一個(gè)能量鋒區(qū)。陜北北部θse低值為65 ℃，陜北南部θse高值為85 ℃，兩者之差為20℃，強(qiáng)降水出現(xiàn)在能量鋒區(qū)中。延安附近的高能舌不斷向北輸送強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，對(duì)暴雨的產(chǎn)生起到了積極作用。計(jì)算Δθse(500-850)，陜北地區(qū)Δθse(500-850)<-5 ℃，延安Δθse(500-850)=-15 ℃，說(shuō)明延安附近大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定，低層存在大量不穩(wěn)定能量，非常有利于對(duì)流的產(chǎn)生。26日08:00陜北地區(qū)Δθse(500-850)<-5 ℃，延安Δθse(500-850)=-20 ℃，陜北大部分地區(qū)仍然處在對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明在暴雨期間低層不穩(wěn)定能量不斷得到補(bǔ)充，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的能量條件。

4.2 低層水汽條件分析

在黃土高原上，水汽條件對(duì)區(qū)域性暴雨的產(chǎn)生至關(guān)重要。25日20:00 700 hPa水汽通量圖(圖6a)上，沿副高邊緣，南海的水汽通過(guò)西南急流源源不斷向北輸送到陜北地區(qū)，在陜北的水汽通量為(120～160) g/(cm·hPa·s),水汽通量值較大。同時(shí)700 hPa陜北北部水汽通量散度為(-2～-4)×10-7g/(cm2·hPa·s)，表明在榆林地區(qū)700 hPa水汽輻合比較強(qiáng)，700 hPa西南急流帶來(lái)的水汽對(duì)榆林區(qū)域性大暴雨有一定貢獻(xiàn)。26日08:00在陜北北部700 hPa水汽通量仍為(120～140)g/(cm·hPa·s)，水汽通量散度為(0～-1)×10-7g/(cm2·hPa·s)，說(shuō)明在過(guò)去的12 h里，700 hPa 西南急流為陜北北部提供了非常充沛的水汽。在850 hPa 水汽通量圖上，有兩支氣流分別從東海、南海攜帶水汽到達(dá)陜北，25日20:00陜北的水汽通量為(60～100) g/(cm2·hPa·s)，水汽通量散度為(-2～-4)×10-7g/(cm2·hPa·s)。26日08:00在陜北850 hPa水汽通量(圖6b)增加到(120～140) g/(cm·hPa·s)，水汽通量散度為(-1～-3)×10-7g/(cm2·hPa·s)。從25日20:00來(lái)看，850 hPa東南氣流為榆林地區(qū)提供的水汽不是很充沛(圖略)，但是從26日08:00的水汽條件來(lái)看，850 hPa東南氣流在暴雨發(fā)生時(shí)是逐漸加強(qiáng)的，水汽通量值有很大的增加，與700 hPa水汽通量比較接近。

圖5 2017-07-25T20:00延安探空站溫度對(duì)數(shù)壓力圖(a)和850 hPaθse圖(b，單位為℃)

區(qū)域性大暴雨的產(chǎn)生一定是要有充沛的水汽條件配合，這次過(guò)程700 hPa 西南急流、850 hPa 東南氣流為榆林暴雨提供了非常好的水汽條件，兩股來(lái)自不同方向的氣流給陜西北部帶來(lái)充沛的水汽，同時(shí)在暴雨區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的水汽輻合。長(zhǎng)時(shí)間維持充沛的水汽輸送和較強(qiáng)的水汽輻合是區(qū)域性大暴雨產(chǎn)生的重要原因之一。

4.3 動(dòng)力條件分析

暴雨的產(chǎn)生主要依靠強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。25日20:00沿110°N的散度垂直剖面圖(圖7a)上，在陜北北部850～500 hPa為輻合區(qū)，低層輻合較強(qiáng)，量值為(-1～-3)×10-5s-1。高層200～300 hPa有弱的輻散，量值為(1～2)×10-5s-1，但是對(duì)應(yīng)的垂直速度(圖7b)卻非常強(qiáng)，在陜北北部為上升運(yùn)動(dòng)，速度最大值達(dá)-8×10-3hPa-1，位于400～300 hPa之間。雖然高層輻散條件一般，但是低層輻合較強(qiáng)，輻合層深厚，也能產(chǎn)生很強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。

26日08:00沿110°N的散度垂直剖面圖(圖略)， 低層850～500 hPa輻合很弱，量值為-1×10-5s-1。高層200～300 hPa的輻散有所加強(qiáng)，量值為3×10-5s-1，與之相對(duì)應(yīng)的垂直速度下降，最大速度達(dá)到-2×10-3hPa-1。雖然高層輻散條件加強(qiáng)，但是低層輻合較弱，陜北北部的上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱。這也是暴雨減弱的主要原因。

圖6 2017-07-25T20 700 hPa水汽通量(a)和2017-07-26T08 850 hPa水汽通量(b,單位為g/(cm· hPa·s)

圖7 2017-07-25T20:00沿110°E散度(a，單位為10-5s-1) 和垂直速度(b，單位為10-3hPa·s-1)剖面圖

暴雨前期，榆林地區(qū)存在著很強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，水汽充沛，造成了大范圍的強(qiáng)降水天氣。26日08:00以后，雖然榆林地區(qū)仍然具備較好的水汽和層結(jié)不穩(wěn)定條件，但是由于上升運(yùn)動(dòng)較弱，降水強(qiáng)度也明顯減弱。

5 結(jié)論

(1)此次榆林區(qū)域性大暴雨過(guò)程是在高空冷槽、強(qiáng)盛的副熱帶高壓、低空西南急流、東南氣流共同影響下產(chǎn)生。暴雨落區(qū)位于副高588 dagpm 特征線西北側(cè)的輻合區(qū)。

(2)云頂亮溫最低為-76 ℃、水平尺度為400 km、呈橢圓狀、維持近6 h的中尺度對(duì)流復(fù)合體MCC的發(fā)展東移是造成榆林強(qiáng)降水天氣的主要原因。

(3)低層暖濕氣流攜帶大量不穩(wěn)定能量，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的對(duì)流條件，中層冷空氣觸發(fā)了對(duì)流的產(chǎn)生。強(qiáng)降水出現(xiàn)在能量鋒區(qū)中。

(4)700 hPa西南急流和850 hPa東南氣流攜帶來(lái)自南海和東海的水汽到達(dá)陜西地區(qū)，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了充沛的水汽條件，長(zhǎng)時(shí)間維持充沛的水汽輸送和較強(qiáng)的水汽輻合是區(qū)域性大暴雨產(chǎn)生的重要原因之一。

(5)陜北地區(qū)500～850 hPa輻合層深厚，產(chǎn)生強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)是暴雨發(fā)生的動(dòng)力條件。雖然高層輻散較弱，但低層深厚、較強(qiáng)的輻合仍然可產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度與強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。