高維英

(1.陜西省氣象科學研究所,西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016)

暖區(qū)暴雨的概念最早是由黃士松[1]提出，是指華南前汛期在地面鋒面南側(cè)暖區(qū)里，一般距離地面鋒面系統(tǒng)200～300 km，且沒有受到冷空氣或變性冷高壓脊控制時產(chǎn)生的暴雨，具有強度大，范圍小，對流性強，降水量相對集中的特點[2]。暴雨的產(chǎn)生要具備一定的條件，暖區(qū)暴雨也是如此。整層高濕的環(huán)境和深厚的對流不穩(wěn)定層結(jié)可以降低暖區(qū)暴雨對抬升條件的要求[3]。暖區(qū)暴雨是華南前汛期降水的一個重要特色。在華南暴雨的分型方面進行了大量的研究，切變線型、低渦型、南風型和回流型是產(chǎn)生華南暖區(qū)暴雨的主要天氣形勢[4]；華南暖區(qū)暴雨有邊界層輻合線型、強西南急流型、偏南風風速輻合型等3種天氣系統(tǒng)配置及觸發(fā)因子[5]。在華南暖區(qū)暴雨的歷史統(tǒng)計研究上，丁治英等[6]、陳翔翔等[7]分析了華南暖區(qū)暴雨的氣候背景，得出西風槽、西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓脊線以及西南季風對暖區(qū)暴雨的影響。在形成暖區(qū)暴雨的天氣背景和環(huán)境條件方面，沈杭鋒等[8]認為華南暖區(qū)暴雨存在明顯的中尺度鉛直運動和波動結(jié)構，上升運動主要發(fā)生在暖濕氣流中，低層沒有明顯的冷空氣入侵，主要天氣系統(tǒng)為中低層西南風急流和高層西風急流[9]。

近年來，華北、長江流域、西南等地所出現(xiàn)的類似于華南暖區(qū)暴雨的強對流降水過程引起了廣大氣象工作者的高度關注。2012年北京“7·21”極端暴雨給人民生命和財產(chǎn)安全造成了巨大損失，分析發(fā)現(xiàn)：此次極端降水分為暖區(qū)降水和鋒面降水，預報員對暖區(qū)降水認識不足[10]。參照華南暖區(qū)暴雨的定義和已有的研究成果，對我國其他地區(qū)出現(xiàn)的暖區(qū)暴雨的研究開始增多。陳玥等[11]、汪玲瑤等[12]分別對長江中下游地區(qū)和江南地區(qū)暖區(qū)暴雨按天氣形勢進行了分型統(tǒng)計，并給出了不同類型暖區(qū)暴雨的主要特征和系統(tǒng)配置。肖遞詳?shù)萚13]進行了2012—2018年四川盆地在弱天氣系統(tǒng)影響下的突發(fā)性暖區(qū)暴雨分型，并統(tǒng)計了暴雨的時空分布特征和相關物理量閾值。目前，關于北方地區(qū)的暖區(qū)暴雨研究較少，針對西北地區(qū)暖區(qū)暴雨的研究更少。陜西地處青藏高原東北側(cè)，受青藏高原大地形、秦巴山區(qū)及黃土高原等地形的影響，該地氣候和天氣異常復雜，夏季水汽和能量容易聚集，常處于高能高濕的環(huán)境條件，因此陜西多暖區(qū)暴雨發(fā)生，暖區(qū)暴雨的研究非常必要，尤其是弱天氣形勢背景下的暖區(qū)暴雨更是值得研究。從以往研究來看，陜西暖區(qū)暴雨的研究甚少，僅為極少數(shù)天氣個例[14-18]研究，近兩年陜西的天氣預報專家針對黃土高原地區(qū)高致災性暖區(qū)暴雨的機制和預報方法進行了研究，從研究的時間長度和地域范圍來看，仍遠遠不夠，因此有必要對陜西境內(nèi)出現(xiàn)的暖區(qū)暴雨個例進行長時間的統(tǒng)計和分析，提升預報人員對暖區(qū)暴雨更多、更全面的認識和理解，以期為實際預報提供有益的參考。

1 所用資料與弱天氣系統(tǒng)下陜西暖區(qū)暴雨的定義

本文所用資料為2010—2020年陜西省國家基本氣象站、區(qū)域站24 h(20—20時)降雨量及逐時降雨量資料，常規(guī)地面觀測、高空探測資料。

根據(jù)黃士松[1]對華南暖區(qū)暴雨的定義，并結(jié)合弱天氣系統(tǒng)影響的背景條件，本文確定弱天氣系統(tǒng)下陜西暖區(qū)暴雨過程的統(tǒng)計標準：(1)陜西境內(nèi)在相鄰區(qū)域內(nèi)≥3站20:00—20:00(北京時，下同)降雨量達到50 mm以上。(2)地面為熱低壓，且其北側(cè)、西北側(cè)或東北側(cè)無冷鋒或與冷鋒距離300 km以上。(3)500 hPa和700 hPa無明顯低槽(渦)或切變線。

2 暖區(qū)暴雨分型及其概念模型

按照上述定義對2010—2020年陜西省境內(nèi)發(fā)生的暴雨過程逐一進行甄別，共選出14次弱天氣系統(tǒng)下的暖區(qū)暴雨個例(下簡稱暖區(qū)暴雨)。從14次暖區(qū)暴雨發(fā)生月份來看，所有的暖區(qū)暴雨過程均發(fā)生在7—9月，其中7月8次，8月5次，9月1次，遠低于四川盆地突發(fā)性暴雨的發(fā)生頻次[13]。根據(jù)14次弱天氣系統(tǒng)下暖區(qū)暴雨的基本天氣形勢特征，可將其分為三類(圖1)。

(1)副高冷空氣滲透型。500 hPa天氣圖上副熱帶高壓控制黃河以南地區(qū)，陜西位于副高外圍西南暖濕氣流中，700 hPa上陜西境內(nèi)仍盛行西南氣流；850 hPa降雨區(qū)上空有明顯切變；地面上，陜西基本受熱低壓控制，其北部或東部無明顯冷鋒，但有弱的冷空氣滲透進入熱低壓中。14次弱天氣系統(tǒng)下的暖區(qū)暴雨過程，有5次(2012年7月26日、2018年7月19日、2018年7月29日、2018年8月7日、2020年8月3日)屬于此類型，占總數(shù)的37%。

(2)副高遠距離冷鋒型。500 hPa上暴雨落區(qū)位于副高外圍西南或東南暖濕氣流中，700 hPa上陜西境內(nèi)仍盛行西南或偏南氣流；850 hPa暴雨區(qū)上空有明顯切變或有明顯輻合區(qū)；地面上，陜西基本受熱低壓控制，暴雨區(qū)北部或東北部有冷鋒，距離暴雨區(qū)較遠(≥300 km)，且冷鋒移速緩慢，暴雨落區(qū)基本位于熱低壓控制的暖區(qū)中。屬于該類型的暖區(qū)暴雨有6次(2013年7月25日、2013年7月26日、2016年8月12日、2016年8月19日、2017年7月23日、2018年8月1日)，占總數(shù)的43%。

(3)副高弱脊型。500 hPa上副熱帶高壓控制黃河以南地區(qū)，四川盆地及其以南地區(qū)均處于副高外圍西南氣流中，新疆以東至河套為弱高壓脊控制，陜西中北部處于高壓脊中。700～850 hPa上陜西境內(nèi)為西南氣流。地面上，陜西基本受熱低壓控制，無明顯的冷空氣。僅有3次過程(2015年9月10日、2017年7月12日、2017年7月20日)屬于此類型，占總數(shù)的21%。

明顯看出陜西弱天氣系統(tǒng)下的暖區(qū)暴雨均產(chǎn)生在副熱帶高壓影響的環(huán)境下，副高預報的不確定性帶來了暖區(qū)預報的難度。副熱帶高壓西伸北抬，與西來系統(tǒng)相配合在中低層產(chǎn)生的西南或偏南氣流是暖區(qū)暴雨的能量和水汽的主要來源。在系統(tǒng)分型和分析中發(fā)現(xiàn)，副高冷空氣滲透型和副高遠距離冷鋒型這兩類暖區(qū)暴雨，副熱帶高壓外圍基本都有臺風參與，臺風外圍和副高外圍氣流的合并加強了副高外圍的水汽輸送，同時臺風的存在也維持了暴雨影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。過程統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，有臺風參與的暖區(qū)暴雨過程一般情況下降雨強度和范圍都較大。

圖1 2010—2020年陜西弱天氣系統(tǒng)下暖區(qū)暴雨概念模型(a副高冷空氣滲透型，b副高遠距離冷鋒型，c副高弱脊型；綠色區(qū)域為暴雨落區(qū)；審圖號為GS(2019)3082號)

3 不同類型暖區(qū)暴雨空間分布特征

從3類暴雨出現(xiàn)的站次(包括國家站和區(qū)域站)分布來看，副高冷空氣滲透型、副高弱脊型分別為84、80站次，副高遠距離冷鋒型較少為77站次。圖2給出了3類暖區(qū)暴雨在陜西省出現(xiàn)頻次的分布情況。由圖可見，副高冷空氣滲透型暖區(qū)暴雨主要有兩個落區(qū)(圖2a)，一個沿秦嶺分布，主要位于秦嶺北側(cè)的寶雞、咸陽和秦嶺南側(cè)的安康、商洛，出現(xiàn)頻次較高的站為安康的鎮(zhèn)坪(也是全省暴雨出現(xiàn)頻次最高的站)；另一個位于榆林中部的長城沿線和黃河沿岸，出現(xiàn)頻次較高的為榆林的佳縣和綏德。副高遠距離冷鋒型暴雨落區(qū)分布相對較為均勻(圖2b)，出現(xiàn)頻次較高的站均位于榆林,其中榆陽中心廣場站和古塔鄉(xiāng)站各2次、府谷的田家寨站2次。副高弱脊型暖區(qū)暴雨落區(qū)(圖2c)主要位于陜南的漢水谷地和米倉山、大巴山一線。對照3類暖區(qū)暴雨與陜西暴雨的分布[19]可以看出，暖區(qū)暴雨的高值中心基本呈兩高型或一高型，較陜西普通暴雨少了陜北南部洛川至宜君一帶的暴雨中心。這可能是暖區(qū)暴雨落區(qū)多位于副熱帶高壓外圍的原因。

圖2 陜西省3類暖區(qū)暴雨頻次(單位為次)空間分布(a副高冷空氣滲透型，b副高遠距離冷鋒型，c副高弱脊型；審圖號為GS(2020)4619號)

4 不同類型暖區(qū)暴雨時間分布特征

從3類暖區(qū)暴雨過程中不同強度短時強降水出現(xiàn)次數(shù)的日變化(圖3)可以看出，小時降雨量>20 mm和>30 mm的強降雨次數(shù)變化基本一致，期間出現(xiàn)兩個明顯的強降雨時段。一個時段是午后15時開始增多，17—19時達到高峰；另一個是入夜21時開始增多，00—04時達到高峰；上午時段短時強降水均出現(xiàn)的次數(shù)極少，具有明顯的日變化特征。短時強降水絕大多數(shù)具有對流性降水性質(zhì)，除了需要源源不斷的水汽輸送外，還需要有對流不穩(wěn)定能量的釋放和不斷再生。午后到晚上，經(jīng)過太陽輻射，地面增溫明顯，地面長波輻射釋放的能量也增多，近地面空氣加熱明顯，容易形成下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)，熱力、動力作用明顯，有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)和釋放，易形成暴雨。小時降雨量>50 mm的強降水出現(xiàn)的次數(shù)總體較少，看不出明顯的日變化規(guī)律。此外，副高冷空氣滲透型和副高弱脊型強降水出現(xiàn)的時段更為集中，而副高遠距離冷鋒型出現(xiàn)的時次范圍較為分散。

圖3 不同類型暖區(qū)暴雨短時強降水頻次(單位為次)分布(a副高冷空氣滲透型，b副高遠距離冷鋒型，c副高弱脊型)

統(tǒng)計不同類型暖區(qū)暴雨中短時強降水站點數(shù)與總站數(shù)的百分比(表1)發(fā)現(xiàn)，在暖區(qū)暴雨發(fā)生過程中，42%的站點出現(xiàn)了小時降雨量>20 mm的短時強降水，31%的站點出現(xiàn)了小時降雨量>30 mm的短時強降水，11%的站點出現(xiàn)了小時降雨量>50 mm的短時強降水，呈現(xiàn)明顯的中尺度降雨特征。其中副高冷空氣滲透型暴雨的中尺度特征最為明顯，小時降雨量>20 mm的短時強降水占比高達89%，小時降雨量>30 mm的短時強降水占比也達到了64%，小時降雨量>50 mm的短時強降水達到27%，也就是說近三分之一的站在1個小時內(nèi)達到了暴雨的標準，中尺度特征非常明顯。

表1 3類暖區(qū)暴雨不同強度短時強降水站點數(shù)占總站數(shù)百分比 %

5 暖區(qū)暴雨的環(huán)境場條件

選取與暖區(qū)暴雨站點最為臨近的探空站(包括陜西省內(nèi)漢中、安康、西安、延安4站)每日08時或20時(暖區(qū)暴雨發(fā)生前最為臨近時次)的探空觀測數(shù)據(jù)(如2020年8月3日03—09時出現(xiàn)的暴雨過程，統(tǒng)計時次為8月2日20時；8月3日14—18時出現(xiàn)的暴雨過程，統(tǒng)計時次為3日08時)進行統(tǒng)計，分析暖區(qū)暴雨發(fā)生的環(huán)境條件。

5.1 探空曲線特征

從14次暖區(qū)暴雨過程臨近站點和臨近時次的探空曲線來看，其中12次過程(占總數(shù)的86%)整層濕度較大，400 hPa以下基本為濕層(500 hPa的溫度露點差平均為2.3 ℃)，CAPE呈狹長型，但值不是很大。其他2次過程(占總數(shù)的14%)850 hPa以下露點溫度較大，大氣濕潤(850 hPa的溫度露點差平均為2.6 ℃)，濕層基本可達到700 hPa，500 hPa或以上基本處于干區(qū)中，干區(qū)的溫度露點差基本在15 ℃以內(nèi)。雖然具有上干下濕的結(jié)構，但由于0 ℃層高度較高，垂直風切變較弱，不利于冰雹大風天氣的出現(xiàn)。暖區(qū)暴雨的探空曲線特征基本符合短時強降水兩類溫、濕廓線特征[20]。

5.2 暖區(qū)暴雨與一般暴雨及氣候平均值的比較

對比暖區(qū)暴雨發(fā)生的環(huán)境條件與一般暴雨和氣候平均值的不同。在研究中，選取暖區(qū)暴雨發(fā)生之前和之后緊鄰的除去本文選取的暖區(qū)暴雨個例之外的其他區(qū)域性暴雨(與暖區(qū)暴雨標準相同，≥3站降雨量達到50 mm以上)為一般暴雨(如2013年7月25日暖區(qū)暴雨個例，選取緊鄰的2013年7月22日和2013年8月7日暴雨為一般暴雨，而2013年7月26日的暖區(qū)暴雨個例排除)。根據(jù)這個原則，針對14次暖區(qū)暴雨過程，共選出28次一般暴雨進行物理量的統(tǒng)計；在統(tǒng)計氣候平均值時，為了消除季節(jié)影響，氣候平均值為暖區(qū)暴雨個例發(fā)生月的探空代表站的月平均值。

表2統(tǒng)計出暖區(qū)暴雨、一般暴雨和氣候平均值的多個物理量，可以看出暖區(qū)暴雨的能量和水汽條件明顯高于一般暴雨和氣候平均值。三種類型的暖區(qū)暴雨的K指數(shù)平均值達39.7 ℃，分別較一般暴雨和氣候平均值偏高5.7和7.3 ℃，其中副高遠距離冷鋒型K指數(shù)偏高最為顯著，分別為6.4和8.0 ℃；暖區(qū)暴雨CAPE的平均值為1 334 J·kg-1，較一般暴雨略偏低，但明顯高于氣候平均值。暖區(qū)暴雨整層水汽含量平均值為3 383 g/kg，較一般暴雨和氣候平均值分別偏高769 g/kg和2 328 g/kg，三種類型的暖區(qū)暴雨整層水汽含量差別較大，副高弱脊型數(shù)值高達4 547 g/kg，副高遠距離冷鋒型僅為2 616 g/kg；暖區(qū)暴雨850 hPa的溫度露點差平均值為2.6 ℃，明顯低于一般暴雨的4.1 ℃和氣候平均值的6.5 ℃，三種類型暖區(qū)暴雨的溫度露點差變化不大，850 hPa均處于高濕狀態(tài)。從850 hPa與500 hPa的溫度差可以看出，暖區(qū)暴雨的溫度差平均值為24.9 ℃，較一般暴雨和氣候平均值分別偏低1.2 ℃和3.4 ℃，說明暖區(qū)暴雨發(fā)生時，大氣的垂直溫差較小。暖區(qū)暴雨發(fā)生時0～6 km垂直風切變的平均值為2.4×10-3s-1，較一般暴雨偏小0.7×10-3s-1，也較氣候平均值略偏小0.3×10-3s-1，3種類型的暖區(qū)暴雨0～6 km垂直風切變在(2.4～2.5)×10-3s-1范圍內(nèi)變化，變化幅度較小，基本發(fā)生在弱垂直風切變環(huán)境中。暖區(qū)暴雨的0 ℃層高度平均值為4.7 km，較一般暴雨和氣候平均值分別偏高0.2 km和0.4 km，有利于更多的水汽形成降雨，提高降水效率。

表2 暖區(qū)暴雨、一般暴雨、氣候平均值物理量統(tǒng)計值對比

6 結(jié)論

(1)2010—2020年陜西省共出現(xiàn)14次弱天氣影響下的暖區(qū)暴雨天氣過程，按照天氣形勢可分為副高冷空氣滲透型、副高遠距離冷鋒型、副高暖脊型。3類暖區(qū)暴雨均產(chǎn)生在副熱帶高壓影響的環(huán)境下。

(2)暖區(qū)暴雨出現(xiàn)的頻次分布基本呈兩高型(副高冷空氣滲透型)或一高型(副高暖脊型)。三個高值中心分別為沿秦嶺分布，榆林中部的長城沿線和黃河沿岸，陜南的漢水谷地和米倉山、大巴山一線；副高冷鋒型分布較為平均。

(3)暖區(qū)暴雨發(fā)生短時強降水的站次頻率高達41%，呈現(xiàn)明顯的中尺度特征；3類暖區(qū)暴雨中的短時強降水具有明顯的日變化特征，存在兩個明顯的降水時段，午后15時開始增多，17—19時達到高峰；入夜21時又開始增多，00—04時達到高峰；上午時段短時強降水出現(xiàn)的次數(shù)極少。

(4)暖區(qū)暴雨具有異常的高能、高濕條件。與一般暴雨和氣候平均值相比，暖區(qū)暴雨發(fā)生在風垂直切變較小的弱垂直風切變中。