張雅斌，羅慧，趙榮，薛諶彬，冉令坤，高宇星，劉波

(1.西安市氣象局，陜西西安710016；2.陜西省氣象信息中心，陜西西安710014；3.陜西省氣象局，陜西西安710014；4.江西省氣象臺(tái)，江西南昌330096；5.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029；6.陜西省大氣探測技術(shù)保障中心，陜西西安710014)

1 引 言

陜西省南北跨度大，位于溫帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)陜北黃土高原和陜南秦巴山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，中部關(guān)中平原人口稠密，暴雨及其次生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高。氣象工作者對(duì)陜西暴雨過程物理量演變、云圖特征，以及遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)對(duì)其作用影響等進(jìn)行了分析研究[1-8]。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)與探測技術(shù)發(fā)展，通過同化高分辨率雷達(dá)資料提升中尺度模式預(yù)報(bào)性能，為天氣系統(tǒng)及其云微物理特征等精細(xì)分析提供了新的途徑[9-14]。暴雨動(dòng)力因子[15-16]利用溫、壓、濕、風(fēng)等基本氣象要素，建立了多個(gè)包含動(dòng)力、熱力和水汽要素且物理意義明確的組合因子，比較全面準(zhǔn)確地刻畫了中尺度系統(tǒng)背景場的典型結(jié)構(gòu)特征，在暴雨預(yù)報(bào)分析中得到了有效應(yīng)用[17-20]。李明等[21]對(duì)一次川陜大暴雨過程分析表明，大暴雨位于對(duì)流渦度矢量垂直分量和氣柱云水量中心重合區(qū)。趙強(qiáng)等[22]對(duì)陜北兩次暴雨過程分析表明，暴雨位于濕熱力平流垂直積分大值中心及其南側(cè)高梯度區(qū)。

西安地處關(guān)中中部、秦嶺北麓，轄區(qū)地形坡度大、河流峪口眾多，近年來周邊極端降水頻次和強(qiáng)度呈增加趨勢，是地質(zhì)災(zāi)害、河流洪水和城市內(nèi)澇等氣象衍生災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[23-24]。隨著“一帶一路”亞歐合作交流國際大都市與國家中心城市建設(shè)，暴雨及其衍生災(zāi)害對(duì)西安城市安全運(yùn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)增大。2015年8月3日、2016年7月24日，西安出現(xiàn)近十年來最強(qiáng)的兩次致災(zāi)暴雨過程（分別簡稱為“0803”、“0724”過程），多站日雨量突破歷史極值，引發(fā)嚴(yán)重的山洪、內(nèi)澇和人員傷亡。本文通過同化多普勒雷達(dá)資料的WRF模式預(yù)報(bào)、區(qū)域自動(dòng)站、衛(wèi)星云圖和NCEP再分析資料，以及動(dòng)力因子計(jì)算分析，總結(jié)西安致災(zāi)短時(shí)暴雨過程的環(huán)境條件和中尺度特征，以期探究有效的精細(xì)化預(yù)警技術(shù)。

2 天氣實(shí)況與數(shù)值模擬

兩次致災(zāi)暴雨過程中陜西全省累計(jì)雨量（圖1）和暴雨中心逐時(shí)雨量變化分析可見（圖2）：兩次暴雨影響區(qū)域主要位于西安市，發(fā)生于當(dāng)日17:00—22:00(北京時(shí)，下同)，持續(xù)時(shí)間小于6 h，最大雨強(qiáng)均超過50 mm/h。“0803”過程前期（2015年7月24日—8月2日），西安連續(xù)10天出現(xiàn)37℃以上高溫，8月2日最高氣溫超過40℃，19:00—20:00城區(qū)出現(xiàn)短時(shí)暴雨，引發(fā)內(nèi)澇。3日傍晚，西安東南部再次出現(xiàn)短時(shí)暴雨。逐時(shí)來看，17:00—18:00西安南部長安區(qū)大峪站雨強(qiáng)達(dá)到86.3 mm/h，日降雨量為148.6 mm；18:00—19:00臨潼區(qū)雨強(qiáng)為76.1 mm/h，日雨量突破該區(qū)歷史記錄；17:00—20:00藍(lán)田縣局地3 h雨量超過75 mm。暴雨引發(fā)西安南部沿秦嶺北麓山區(qū)局地的山洪災(zāi)害，多人傷亡。“0724”過程當(dāng)日（2016年7月24日），西安午后大部分地區(qū)出現(xiàn)37℃以上高溫，傍晚城區(qū)突降暴雨，19:00—21:00小寨測站雨量達(dá)115.6 mm，日雨量為123.0 mm，突破城區(qū)歷史記錄。暴雨引發(fā)城區(qū)嚴(yán)重內(nèi)澇，導(dǎo)致附近地鐵停運(yùn)，交通癱瘓。

本文使用西安、延安、寶雞3部C波段多普勒天氣雷達(dá)資料進(jìn)行WRF中尺度模式同化預(yù)報(bào)，采用循環(huán)同化方法[11-12,25-26]，兩次過程均在當(dāng)日14:00冷啟動(dòng)起報(bào)，逐1 h循環(huán)同化雷達(dá)資料至16:00，同化時(shí)間窗為30 min，再向后積分10 h，僅在第二重網(wǎng)格同化雷達(dá)資料。模式背景場取自1°×1°的NCEP逐6 h再分析資料，模擬采用兩重網(wǎng)格雙向嵌套，分辨率分別為9 km和3 km，垂直方向分為45層，使用的物理參數(shù)化方案有RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面過程方案、YSU邊界層方案、Lin微物理過程方案，9 km模擬區(qū)域采用淺對(duì)流Kain-Fritsch(new Eta)積云參數(shù)化方案，3 km區(qū)域不使用積云參數(shù)化方案。兩次過程模式預(yù)報(bào)降水量（圖3）與實(shí)況對(duì)比可見，未同化雷達(dá)資料的WRF預(yù)報(bào)降水中心、落區(qū)與實(shí)況差異明顯：“0803”過程，降水100 mm以上的西安中南部山洪災(zāi)害發(fā)生區(qū)預(yù)測降水量＜10 mm，強(qiáng)降水落區(qū)及中心預(yù)報(bào)比實(shí)況明顯偏西偏北；“0724”過程，包括降水100 mm以上的內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生區(qū)和西安中北部在內(nèi)的關(guān)中大部地區(qū)的預(yù)測降水量＜40 mm，強(qiáng)降水落區(qū)、中心相比實(shí)況整體偏北。兩次過程模式同化雷達(dá)基本反射率和徑向速度之后，對(duì)西安短時(shí)大暴雨落區(qū)、強(qiáng)度預(yù)報(bào)和實(shí)況更為接近，雖然“0803”過程在陜南西北部，“0724”過程在陜北東南部，模式降水還存在一定的空?qǐng)?bào)，但預(yù)測的雨帶整體分布走向特征與實(shí)況觀測基本一致。

低層切變線是形成強(qiáng)降水的重要因子，常分為冷式、暖式和準(zhǔn)靜止式切變線三種。冷式切變線附近常伴有高低空鋒區(qū)和地面急行冷鋒，偏北風(fēng)明顯；暖式切變線附近鋒區(qū)不明顯，偏南風(fēng)偏強(qiáng)[27-28]。兩次暴雨過程WRF預(yù)測的850 hPa切變線位置和實(shí)況觀測分析可見（圖4），預(yù)測切變線與地面實(shí)況風(fēng)場輻合基本一致。比較來看，“0803”過程，低層西南氣流整體偏弱、位于秦嶺以南，關(guān)中以北偏北氣流明顯，控制陜北至關(guān)中大部，關(guān)中西部北風(fēng)超過12 m/s，強(qiáng)降水落區(qū)南北跨度小，位于700 hPa切變線附近及其偏北一側(cè)，大暴雨中心在西安中東部，為切變線冷區(qū)暴雨；“0724”過程，低層西南氣流整體強(qiáng)盛、向北翻越秦嶺，10 m/s以上顯著氣流控制陜南、陜北東部和關(guān)中東部，對(duì)流強(qiáng)盛階段西安周邊出現(xiàn)16 m/s以上西南急流，關(guān)中以北偏北氣流弱，河西至關(guān)中西部為10 m/s以下偏西北風(fēng)，強(qiáng)降水落區(qū)南北跨度較大，主要分布在700 hPa切變線偏南偏東一側(cè)，大暴雨中心在西安北部至渭南西部交界處，為切變線暖區(qū)暴雨。伴隨低層切變線發(fā)展，午后關(guān)中西部一帶地面上均出現(xiàn)東南方向移動(dòng)的3 h變壓顯著增大，對(duì)應(yīng)冷空氣活動(dòng)，降水散布在正變壓區(qū)附近。

兩次暴雨過程對(duì)流發(fā)展至成熟階段，東西跨度約200 km的正變壓區(qū)向東擴(kuò)展，中心突增至4 hPa以上，強(qiáng)降水趨于集中，位于2 hPa正變壓內(nèi)部，30 mm/h以上雨強(qiáng)靠近正變壓中心至其東部大梯度區(qū)西側(cè)。對(duì)應(yīng)3 h變壓變化，暴雨發(fā)生前約2 h，隴東南至關(guān)中西北部，有明顯冷溫中心向東移動(dòng)，西安偏北偏西方向銅川、咸陽地區(qū)偏北風(fēng)躍增、降溫5℃以上，周邊形成冷鋒：2015年8月3日 17:00，西安（2 m/s西南風(fēng)，31℃）與耀州（6 m/s東北風(fēng)，25℃）、咸陽（8 m/s西風(fēng)，25℃）之間出現(xiàn)明顯風(fēng)場、溫度不連續(xù)；2016年7月24日17:00，西安（4 m/s東南風(fēng)，37℃）與耀州（8 m/s西北風(fēng)，29℃）、咸陽（4 m/s西北風(fēng)，28℃）之間出現(xiàn)明顯的風(fēng)場、溫度不連續(xù)。伴隨降水東移擴(kuò)大，陜西全境轉(zhuǎn)為正變壓，關(guān)中一帶鋒區(qū)消失。進(jìn)一步比較地面觀測實(shí)況與WRF預(yù)測的海平面3 h變壓場（圖5），模式預(yù)測與觀測的正變壓顯著區(qū)域及其中心位置基本一致，模擬有效刻畫了地面中尺度系統(tǒng)演變。

3 環(huán)境條件與衛(wèi)星云圖演變

3.1 環(huán)流背景

兩次暴雨過程當(dāng)日08:00—14:00（圖6），200 hPa上，貝加爾湖以東至蒙古國東部一帶高空冷渦顯著發(fā)展，新疆至內(nèi)蒙古以東地區(qū)出現(xiàn)大范圍西風(fēng)急流；500 hPa，西太平洋副熱帶高壓控制大陸東部，588 dagpm 西脊點(diǎn)在 110 °E，30 °N 附近，東北冷渦底部、內(nèi)蒙古中部至隴東地區(qū)為低槽區(qū)，寧夏、甘肅一帶有西風(fēng)槽發(fā)展、東移，關(guān)中處于副熱帶高壓西北側(cè)顯著西南氣流之中；700 hPa上，關(guān)中上游河套至隴南一帶受明顯切變線影響；850 hPa上，西安位于切變線南側(cè)，為4～8 m/s偏南風(fēng)，比濕15 g/kg。暴雨當(dāng)日20:00，河套以北高空西風(fēng)急流變化不大，“0803”過程?hào)|北冷渦明顯南壓，副熱帶高壓略微減弱、東退，隴東南一帶低槽移至山東、河南一帶，“0724”過程?hào)|北冷渦東移，副熱帶高壓略有加強(qiáng)、西伸，寧夏一帶西風(fēng)槽東移至內(nèi)蒙古中部。海平面上，“0803”過程暴雨發(fā)生前6 h，四川、山西至河南一帶為低壓區(qū)，河套至隴東為高壓區(qū)，山東北部、河南北部至陜西中部一帶受大范圍切變線控制，午后冷鋒經(jīng)過關(guān)中地區(qū)；“0724”過程暴雨發(fā)生前6 h，陜西周邊受大范圍熱低壓控制，傍晚前后四川盆地低壓略有加強(qiáng)，山西南部、陜西東南至四川一帶受弱的切變線影響。

綜上分析可見，兩次暴雨過程期間，西太平洋副熱帶高壓深入山東、湖北內(nèi)陸一帶，陜西中南部處于高空急流南側(cè)與副熱帶高壓之間的偏西南氣流之中，河套以西中低層有西風(fēng)槽與切變線發(fā)展東移。比較來看，“0803”過程?hào)|北冷渦南壓明顯，新疆至內(nèi)蒙古一帶高空西風(fēng)急流范圍大、位置偏南，寧夏一帶西風(fēng)槽后部偏北風(fēng)明顯，關(guān)中、陜南處于略有減弱的西太平洋副熱帶高壓邊緣、584～586 dagpm 之間，“0724”過程?hào)|北冷渦東移，內(nèi)蒙古中東部一帶高空急流范圍小、位置偏北，寧夏一帶西風(fēng)槽后部北風(fēng)較弱，關(guān)中、陜南處于略有加強(qiáng)的副熱帶高壓內(nèi)部、588～590 dagpm之間。

3.2 熱力、水汽條件和冷空氣活動(dòng)

兩次過程當(dāng)日08:00西安站T-lnP圖上，溫濕層結(jié)曲線形成開口向上的喇叭口形狀，850 hPa以下存在逆溫層，對(duì)流不穩(wěn)定能量CAPE大于550 J/kg，K指數(shù)大于36℃，沙氏指數(shù)SI小于0℃，對(duì)流抑制能量CIN大于100 J/kg，本地存在明顯的對(duì)流不穩(wěn)定能量，低層逆溫與一定的對(duì)流抑制能量有利于不穩(wěn)定能量聚集加強(qiáng)。當(dāng)日14:00（圖7），“0803”、“0724”過程 CAPE 分別達(dá) 807 J/kg、3 054 J/kg，對(duì)流抑制能量完全消失；受前期高溫干旱和午后地面加熱等因素作用，700 hPa以下層結(jié)曲線接近平行于干絕熱線，近地層為超絕熱狀態(tài)，極有利于對(duì)流發(fā)展。同時(shí)，850 hPa與500 hPa溫差均由早晨24℃增至午后28℃。比較來看，兩次過程相比關(guān)中一般區(qū)域性暴雨過程[7-8]，上部干層更為明顯。在上述有利的熱力層結(jié)條件下，當(dāng)逆溫層與對(duì)流抑制能量破壞減弱后，顯著不穩(wěn)定能量強(qiáng)烈釋放，最終形成了短時(shí)大暴雨天氣。

暴雨區(qū)(108.7～109.2 °E，33.9～34.8 °N)平均的WRF水汽通量及其散度時(shí)間-高度剖面可見（圖8），兩次過程強(qiáng)降水開始前中低層均出現(xiàn)明顯水汽輻合，最大中心分別達(dá)-12×10-7g/(cm2·hPa·s)、-24×10-7g/(cm2·hPa·s)；伴隨上升運(yùn)動(dòng)與水汽垂直輸送加強(qiáng)，水汽輻合快速向上擴(kuò)展，650 hPa附近水汽輻合增大明顯，最大輻合和最大雨強(qiáng)同時(shí)出現(xiàn)；之后低層迅速轉(zhuǎn)為弱水汽輻散，整層水汽輻合減小，降水明顯減弱。自下而上快速發(fā)展加深的水汽輸送及其輻合為強(qiáng)降水提供了有利水汽條件?！?803”過程水汽輸送基本維持偏西方向，16:00—17:00偏南輸送略有加強(qiáng)，出現(xiàn)暴雨，隨后各層水汽通量變化不大，中低層維持 6～8 g/(cm·hPa·s)；“0724”過程水汽通量變化相對(duì)明顯，18:00之前整層為弱偏南水汽輸送，19:00—21:00中低層西南方向水汽輸送超過15 g/(cm·hPa·s)，出現(xiàn)暴雨，之后偏南水汽輸送明顯減弱，強(qiáng)降水基本結(jié)束。比較來看,“0724”過程偏南方向水汽輸送明顯，最大水汽輸送及其輻合中心強(qiáng)度約為“0803”過程的2倍。對(duì)比模式輸出的逐小時(shí)水汽通量散度和西安南部長安站微波輻射計(jì)比濕觀測實(shí)況，700 hPa以下水汽輻合中心與3 km以下最大比濕出現(xiàn)時(shí)間基本一致，同化雷達(dá)資料的WRF模式真實(shí)預(yù)測再現(xiàn)了暴雨區(qū)水汽趨勢變化。

經(jīng)過暴雨中心的濕位渦、位溫的經(jīng)向-垂直剖面分析可見（圖9），“0803”過程當(dāng)日08:00—14:00，北部中層有對(duì)應(yīng)干冷空氣的2 PVU（1 PVU=1.0×10-6m2/(s·K·kg)）以上正濕位渦向南經(jīng)陜北下滑侵入至關(guān)中北部，暴雨區(qū)附近低層形成了濕位渦、位溫經(jīng)向大梯度區(qū)；20:00，正濕位渦前沿繼續(xù)向南，暴雨區(qū)附近密集等熵面隨高度向北傾斜，中下層能量鋒區(qū)明顯。同期，14:00—20:00關(guān)中西部至西安大部低層為理查遜數(shù)Ri＜1的相對(duì)低值區(qū)，中心在咸陽北部，存在對(duì)稱不穩(wěn)定，有利于暖濕氣流在能量鋒區(qū)附近沿下滑冷空氣傾斜上升?！?724”過程前后，陜北北部無明顯正濕位渦對(duì)應(yīng)冷空氣向南下滑，陜西中下層始終維持上干冷、下暖濕的位勢不穩(wěn)定，關(guān)中無明顯正濕位渦梯度與能量鋒區(qū)，濕位渦小于0.8 PVU，冷空氣弱。

3.3 中尺度對(duì)流云團(tuán)演變

2015年8月3日午后（圖10a），上游地區(qū)咸陽、寶雞附近出現(xiàn)長約300 km、寬約100 km的帶狀中尺度對(duì)流云團(tuán)（簡稱“西部云團(tuán)”），其偏北局地紅外云頂亮溫TBB中心小于-50℃；同時(shí)，商州至西安東部有TBB中心小于-50℃、直徑小于100 km的近圓形對(duì)流云團(tuán)（簡稱“東部云團(tuán)”）快速發(fā)展。17:30（圖10b），西部云團(tuán)發(fā)展東移，TBB＜-50℃中心位于西安西南邊界，西安周邊開始出現(xiàn)強(qiáng)降水；同時(shí)，東部云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，TBB中心＜-60℃。18:30（圖10c），西部云團(tuán)主體東移影響關(guān)中中部，西安南部出現(xiàn)最大雨強(qiáng)（86.3 mm/h），東部云團(tuán)快速發(fā)展，云體范圍成倍擴(kuò)大，其東北側(cè)受冷空氣夾卷影響形成明顯暗影，對(duì)流云頂位于西安、商州交界，強(qiáng)降水持續(xù)。19:30（圖10d），西部云團(tuán)明顯減弱，東部云團(tuán)強(qiáng)烈發(fā)展北擴(kuò)至關(guān)中東部，渭南南部TBB中心降至-65℃以下，西安東部出現(xiàn)最大雨強(qiáng)（73.5 mm/h）。隨后，中尺度云團(tuán)繼續(xù)東移，3 h之后明顯減弱，強(qiáng)降水結(jié)束。

2016年7月24日午后（圖11a），陜北至關(guān)中西北部一帶有長約500 km、寬約200 km的相對(duì)松散的中α尺度對(duì)流云團(tuán)（簡稱“北部云團(tuán)”）向東發(fā)展加強(qiáng)，延安中南部TBB中心達(dá)-60℃；同時(shí)，陜南南部漢中、安康局地出現(xiàn)長約100 km、TBB中心＞-50℃的中β對(duì)流云團(tuán)（簡稱“南部云團(tuán)”）。19:00（圖11b），對(duì)應(yīng)隴東南至關(guān)中西北部一帶偏北冷空氣入侵，北部云團(tuán)南部的寶雞、咸陽交界處對(duì)流云頂呈弓形向東南方向顯著彎曲，TBB中心降至-65℃，西安以東地區(qū)尚無明顯對(duì)流云團(tuán)發(fā)展。20:00（圖11c），北部云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展東移、影響關(guān)中中西部，TBB＜-65℃區(qū)域向東擴(kuò)大至西安中西部地區(qū)，周邊開始出現(xiàn)強(qiáng)降水。21:00（圖11d），北部云團(tuán)移至西安上空、呈近橢圓形，TBB中心下降至-70℃，與南部云團(tuán)部分連接，TBB中心附近、西安城區(qū)出現(xiàn)過程最大雨強(qiáng)（58.8 mm/h）。22:00—23:00，南北對(duì)流云團(tuán)完全合并，TBB中心區(qū)域移至西安東部局地，對(duì)應(yīng)臨潼出現(xiàn)過程最大雨強(qiáng)（62.0 mm/h）。

綜上分析可見，兩次過程陜西中南部午后對(duì)流云團(tuán)發(fā)展加強(qiáng)，最大雨強(qiáng)時(shí)段TBB中心降至-65℃以下。相比關(guān)中區(qū)域性暴雨云系[4,7]，短時(shí)暴雨云團(tuán)距離河套以北高空西風(fēng)急流較遠(yuǎn)，關(guān)中以北高層輻散較弱，強(qiáng)盛階段云團(tuán)北部無反氣旋凸起的斜壓葉狀云系?！?803”過程，暴雨位于兩個(gè)發(fā)展靠近、主體未完全合并的中尺度對(duì)流云團(tuán)之間的TBB最大梯度區(qū)附近；“0724”過程，暴雨位于兩個(gè)東移發(fā)展、主體合并于西安周邊的云團(tuán)TBB中心附近。

4 暴雨云微物理特征模擬分析

云微物理過程伴隨的相變潛熱與對(duì)流運(yùn)動(dòng)的正反饋機(jī)制是暴雨維持、發(fā)展的重要熱力因子，不同相態(tài)云粒子發(fā)展轉(zhuǎn)化是短時(shí)暴雨不可或缺的動(dòng)力機(jī)制[29-30]。模式輸出的兩次過程暴雨中心附近(108.7～109.2 °E，33.9～34.8 °N)區(qū)域平均的霰、雪、垂直速度、溫度場、水平風(fēng)場和雨強(qiáng)的高度-時(shí)間剖面可見（圖 12、圖 13）：霰粒子位于-60～5 ℃層，中心在-10℃層附近，雪粒子位于-60～-10℃層，雨水粒子位于0℃層以下，最大垂直上升速度在霰粒子中心上方-30℃層附近，接近雪粒子中心，一定程度說明冰相粒子快速聚集增長伴隨的凝結(jié)潛熱釋放對(duì)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)有明顯的正反饋?zhàn)饔茫伙@著上升運(yùn)動(dòng)持續(xù)約6 h，中高層明顯強(qiáng)于低層，最大雨強(qiáng)之后，受降雨拖曳作用低層迅速轉(zhuǎn)為弱的下沉氣流。值得注意的是：中上層霰粒子增長最為明顯，質(zhì)量混合比大于同期雨水粒子，雨水、霰粒子、上升速度最大中心出現(xiàn)時(shí)間與20 mm/h以上短時(shí)暴雨開始時(shí)間一致，雪粒子含量突增至過程最大時(shí)刻出現(xiàn)最大雨強(qiáng)。“0803”過程，雨水、霰、雪粒子質(zhì)量混合比、上升速度中心和最大雨強(qiáng)分別為 3.0 g/kg、5.0 g/kg、2.0 g/kg、1.8 m/s、40 mm/h；“0724”過程分別為 2.0 g/kg、2.4 g/kg、0.24 g/kg、1.2 m/s、23 mm/h。兩次過程暴雨中心附近云粒子整層平均質(zhì)量混合比逐時(shí)變化可見（圖14）：中尺度對(duì)流云團(tuán)不同相態(tài)粒子明顯增多之后，降水開始，伴隨雨水、霰和雪粒子質(zhì)量混合比5倍以上突增，暴雨發(fā)生，雪粒子開始增多時(shí)段偏晚雨水、霰粒子約1 h，冰粒子比其他粒子明顯偏少一個(gè)量級(jí)以上。比較來看，“0803”切變線冷區(qū)暴雨過程對(duì)流云團(tuán)內(nèi)部的冰相粒子含量總體上明顯大于“0724”切變線暖區(qū)過程，前者雪粒子占比明顯偏高、約為同期霰粒子質(zhì)量混合比的1/2，后者雪粒子占比低、僅約同期霰粒子質(zhì)量混合比的1/10，云粒子微物理特征差異導(dǎo)致“0803”過程比“0724”過程雨強(qiáng)更大。

5 暴雨動(dòng)力因子指數(shù)特征模擬分析

暴雨動(dòng)力因子綜合了多個(gè)與強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的動(dòng)力、熱力和水汽要素，比較全面地刻畫了背景場的典型結(jié)構(gòu)特征。常用動(dòng)力因子主要包括：對(duì)流渦度矢量，熱力、水汽、質(zhì)量垂直螺旋度，熱力、水汽、質(zhì)量散度通量等[15-17]。上述因子不但考慮了螺旋度和散度通量原有的大氣動(dòng)力學(xué)過程，也考慮了熱力、水汽等的作用影響，強(qiáng)化了雨區(qū)上空低層動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，弱化了雨區(qū)高層和雨區(qū)兩側(cè)的動(dòng)力學(xué)特征，對(duì)暴雨發(fā)生發(fā)展具有更明顯的指示性。通過不同動(dòng)力因子與實(shí)況降水統(tǒng)計(jì)建立預(yù)報(bào)回歸方程，最后實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)力因子的集成預(yù)報(bào)，已經(jīng)在北京“7.21”暴雨等過程中得到了應(yīng)用檢驗(yàn)[18-20]，對(duì)流渦度矢量預(yù)報(bào)有效性也在陜南、陜北暴雨過程中得到初步驗(yàn)證[21-22]。對(duì)流渦度矢量垂直分量、熱力垂直螺旋度，熱力散度垂直通量定義為：

式中，ρ為空氣密度，θ*為相當(dāng)位溫，u、v、ω 分別為p坐標(biāo)系中的緯向、經(jīng)向和垂直風(fēng)速。用比濕、密度分別替換式（2）、（3）中的相當(dāng)位溫，分別得到水汽、質(zhì)量垂直螺旋度以及水汽、質(zhì)量散度垂直通量。以“0803”暴雨過程一個(gè)時(shí)次的熱力、水汽、質(zhì)量垂直螺旋度計(jì)算結(jié)果為例分析可見（圖15），西安周邊大暴雨區(qū)附近各個(gè)動(dòng)力因子均出現(xiàn)了異常大值區(qū)，大值區(qū)主要位于西安偏西偏南部分地方，而全省其他區(qū)域動(dòng)力因子基本為零，各個(gè)因子時(shí)空分布總體上具有較好的一致性。進(jìn)一步結(jié)合兩次過程其他不同時(shí)次動(dòng)力因子計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，雖然同時(shí)刻的熱力、水汽、質(zhì)量垂直螺旋度異常大值區(qū)空間分布區(qū)域接近，但量級(jí)之比約為100:10:1。同時(shí)，熱力、水汽、質(zhì)量散度垂直通量也具有以上類似特征。對(duì)比3種類型動(dòng)力因子定義分析可見，上述數(shù)值量級(jí)差異可能主要由位溫、比濕和空氣密度的特征尺度量級(jí)差異引起。

將熱力、水汽、質(zhì)量垂直螺旋度3個(gè)動(dòng)力因子分別除以其對(duì)應(yīng)量級(jí)（包含單位）之后求和，得到一個(gè)新的無量綱量，這里定義為垂直螺旋度指數(shù)（VHI:Vertical Helicity Index），計(jì)算公式如下：

同理，通過熱力、水汽、質(zhì)量散度垂直通量加權(quán)求和可以得到另一個(gè)新的無量綱量，定義為散度垂直通量指數(shù)（DVFI:Divergence Vertical Flux Index）?？梢钥闯?，VHI、VDFI（下文簡稱“動(dòng)力指數(shù)”）綜合考慮了不同動(dòng)力因子對(duì)降水的影響，保留了各個(gè)分量的物理意義，最大限度圈出了不同動(dòng)力因子異常大值可能出現(xiàn)的區(qū)域，簡化了暴雨預(yù)報(bào)涉及的計(jì)算判別流程。

選取加權(quán)系數(shù)1:10:100，通過WRF輸出物理量進(jìn)一步計(jì)算動(dòng)力指數(shù)。圖16～圖19給出了兩次過程不同時(shí)次VHI、VDFI的空間分布?！?803”過程強(qiáng)降水開始前2 h（2015年8月3日15:00），西安偏西偏南局地分散出現(xiàn)了快速發(fā)展的垂直螺旋度指數(shù)和散度垂直通量指數(shù)，與地面觀測到的隴東南至關(guān)中中西部一帶冷溫中心與冷鋒東移影響，銅川、咸陽偏北風(fēng)躍增一致。之后，指數(shù)異常大值區(qū)向東移動(dòng)、加強(qiáng)擴(kuò)大，分散的動(dòng)力指數(shù)大值區(qū)進(jìn)一步向西安周邊聚集，中心大于200，之后約1～2 h西安出現(xiàn)過程最大雨強(qiáng)。期間，關(guān)中以外其他地區(qū)僅在陜南西部部分地方出現(xiàn)小到中雨，對(duì)應(yīng)區(qū)域動(dòng)力指數(shù)不明顯?！?724”過程強(qiáng)降水開始前 2 h（2016年7月 24日 17:00），陜西中北部均有分散性的動(dòng)力指數(shù)異常大值中心快速發(fā)展，相比“0803”過程影響范圍明顯偏大；之后，關(guān)中中部指數(shù)異常大值區(qū)穩(wěn)定少動(dòng)，動(dòng)力指數(shù)大值區(qū)進(jìn)一步在西安周邊明顯聚集、呈連續(xù)團(tuán)狀緊密分布，中心大于200，之后約1～2 h西安出現(xiàn)過程最大雨強(qiáng)，陜南大部地區(qū)動(dòng)力指數(shù)基本為零，陜北雖然出現(xiàn)了指數(shù)異常大值區(qū)，但各大值中心相對(duì)分散孤立、持續(xù)時(shí)間短、移動(dòng)變化快。分析同化雷達(dá)資料的 WRF 模式降水預(yù)報(bào)可見，“0803”、“0724”過程分別在陜南、陜北存在明顯空?qǐng)?bào)，降水預(yù)報(bào)存在偏差。但是，通過模式輸出物理量計(jì)算分析動(dòng)力指數(shù)演變特征對(duì)西安大暴雨預(yù)報(bào)有較好參考價(jià)值：VHI、VDFI異常大值區(qū)在模式降水空?qǐng)?bào)區(qū)域不明顯，或較為分散孤立、持續(xù)時(shí)間短；動(dòng)力指數(shù)異常大值中心趨于集中分布，且穩(wěn)定少動(dòng)的區(qū)域，主要位于關(guān)中中部西安地區(qū)附近，與大暴雨實(shí)際落區(qū)基本一致。2次暴雨過程VHI、VDFI比較來看，前者超過200的異常大值中心范圍總體略大。需要說明的是，不同動(dòng)力指數(shù)時(shí)空差異特征及其與暴雨落區(qū)的定量相關(guān)關(guān)系等，還需結(jié)合更多過程進(jìn)一步深入研究。

6 總 結(jié)

基于同化多普勒天氣雷達(dá)的WRF模式、地面加密觀測、衛(wèi)星云圖和NCEP再分析資料，分析總結(jié)了“0803”、“0724”西安致災(zāi)短時(shí)暴雨過程的環(huán)境條件、中尺度系統(tǒng)和動(dòng)力因子指數(shù)特征。

（1）前期高溫天氣有利于對(duì)流不穩(wěn)定能量持續(xù)增強(qiáng)積累，“上干下濕”層結(jié)、對(duì)流抑制能量與低層逆溫，午后低層大氣為超絕熱狀態(tài)，為短時(shí)暴雨發(fā)展提供了有利熱力條件，自下而上快速發(fā)展加深的水汽輸送與輻合為暴雨提供了水汽條件。東移西風(fēng)槽與近地層切變線是暴雨直接影響系統(tǒng)。午后伴隨冷鋒過境，西北方向咸陽、銅川一帶地面偏北風(fēng)躍增是西安短時(shí)暴雨的有利觸發(fā)因子，強(qiáng)降水位于地面3 h正變壓中心至東側(cè)大梯度區(qū)附近。

（2）短時(shí)暴雨相比本地區(qū)域性暴雨過程，中尺度對(duì)流云團(tuán)距北部高空急流較遠(yuǎn)，強(qiáng)盛階段云團(tuán)北部附近無斜壓葉狀云系，強(qiáng)降水落區(qū)集中、歷時(shí)短。伴隨TBB中心降至-65℃以下，周邊出現(xiàn)最大雨強(qiáng)。對(duì)流云團(tuán)內(nèi)部，霰粒子含量最大，最強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心在霰粒子中心上方-30℃層附近、接近雪粒子中心，冰粒子偏少其他粒子一個(gè)量級(jí)以上。伴隨云團(tuán)內(nèi)部整層雨水、霰和雪粒子含量5倍以上突增，出現(xiàn)短時(shí)暴雨，雪粒子開始增多比雨水、霰粒子偏晚約1 h，其含量峰值與最大雨強(qiáng)同步出現(xiàn)。

（3）兩次暴雨過程環(huán)境條件與中尺度特征差異明顯?！?803”切變線冷區(qū)暴雨過程，高空急流范圍大、位置偏南，副熱帶高壓較弱，西風(fēng)槽后部偏北冷空氣活躍，偏南水汽輸送弱，關(guān)中地區(qū)中下層存在明顯能量鋒區(qū)和對(duì)稱不穩(wěn)定，大暴雨位于能量鋒區(qū)、對(duì)流云團(tuán)邊緣和TBB最大梯度區(qū)附近；冷空氣侵入增強(qiáng)了能量鋒區(qū)和不穩(wěn)定層結(jié)，為云內(nèi)冰相粒子快速生長提供了有利條件，暴雨云團(tuán)內(nèi)部冰相粒子明顯偏多，雪粒子相比霰粒子占比偏高。“0724”切變線暖區(qū)暴雨過程，高空急流范圍小、位置偏北，副熱帶高壓強(qiáng)盛，冷空氣不活躍，偏南水汽輸送明顯，關(guān)中中下層為位勢不穩(wěn)定層結(jié)，大暴雨位于對(duì)流云團(tuán)內(nèi)部、TBB中心附近；云團(tuán)內(nèi)部冰水粒子偏少，雪粒子相比霰粒子占比低。

（4）定義的垂直螺旋度指數(shù)和散度垂直通量指數(shù)對(duì)暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)具有較好的參考價(jià)值：大暴雨位于動(dòng)力因子指數(shù)異常大值中心趨于集中分布、穩(wěn)定少動(dòng)區(qū)域附近，動(dòng)力指數(shù)小于200、中心分散、大值持續(xù)時(shí)間短的區(qū)域，降水不明顯。通過模式輸出量計(jì)算分析動(dòng)力指數(shù)，進(jìn)一步訂正強(qiáng)降水范圍，可提高短時(shí)大暴雨預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。