陕西北部一次对流性特大暴雨的中尺度分析

刘慧敏，高维英，李爱华，刘宝玉，艾 锐，侯柯然

（1.榆林市气象局，陕西榆林 719000；2.陕西省气象学会，西安 710014；3.西乡县气象局，陕西西乡 723500，4.靖边县气象局，陕西靖边 718500）

陕西北部一次对流性特大暴雨的中尺度分析

刘慧敏1，高维英2，李爱华3，刘宝玉4，艾 锐1，侯柯然1

（1.榆林市气象局，陕西榆林 719000；2.陕西省气象学会，西安 710014；3.西乡县气象局，陕西西乡 723500，4.靖边县气象局，陕西靖边 718500）

利用常规气象资料、FY－2E卫星云图资料、榆林CINRAD/CB雷达资料和NCEP1°×1°再分析资料，对陕西北部绥德县2012年7月15日夜间一次短时特大暴雨过程进行分析，结果表明：高对流有效位能为大暴雨积累了能量条件，850hPa两条湿舌为该次大暴雨的主要水汽来源。850hPa的 “人”字型切变和地面中尺度低压加强了暴雨区辐合上升运动，干线过境触发了强对流天气的爆发。强降水时段在卫星云图上表现为2个中尺度对流系统 （MCS）合并增强且缓慢移动；雷达回波显示3个对流单体发展较快，后向传播且合并增强为深厚的湿对流风暴，其中一个对流单体有中气旋生成，水平尺度12km，垂直累积液态水含量＞65kg/m2，并有三体散射现象，强降水开始后，三体散射消失。

特大暴雨；高对流有效位能；中尺度对流系统 （MCS）；中气旋；三体散射

陕西北部地处西北内陆腹地，干旱少雨是主要气候特征。单站暴雨出现频次为0.6次/a，大暴雨更少，而且局地性强。相关研究表明［1－6］，7—9月，西太平洋副热带高压北抬到25°N～30°N，其外围强劲的西南暖湿气流可以输送到陕北，当有西风槽或高原槽东移时与西南暖湿气流相遇，有可能在本地产生暴雨天气。当蒙古冷涡底部或东北冷涡后部有强冷平流影响陕北，与低层暖平流叠加形成较大的垂直风切变和不稳定层结，有利于强对流天气的发生，可形成局地短时突发性暴雨或大暴雨。这类暴雨或大暴雨水平范围只有10km左右，生命史不足1小时，降雨量＞50mm，常引起山洪暴发，造成重大灾害。

2012年7月15日，陕西北部绥德县 （37°30′N，110°13′E）出现短时大风、冰雹、暴雨等强对流天气，14日23时—15日02时，位于县城东部的义合、满堂川2个乡镇2h降水量分别达到100.4mm、111.0mm，韭园镇1h降水量达75.7mm。大风、冰雹、暴雨造成3人死亡，铁路、公路跨塌，庄稼被毁，经济损失十分严重。分析这次特大暴雨的不稳定能量、水汽输送、垂直运动、卫星云图、雷达回波等中小尺度特征，有助于进一步认识陕西北部短时特大暴雨的形成机理和预报预警的关键点。

1 环流背景和中尺度分析

7月14日08时500hPa天气图 （图略）上，甘肃到蒙古国中部为高压脊，华北为一冷低涡，径向环流较大，陕北绥德处于冷涡后部偏北气流中，风速达8～12m/s。20时在冷涡后部冷平流的作用下，空气变得干冷。7月14日08—20时700hPa天气图 （图略）上，绥德上空维持6～8 m/s的北风，陕北北部与内蒙古交界处为306 dagpm闭合低值冷中心，东胜到太原之间存在N—NW的横切变。7月14日08时850hPa绥德县西部有中心气温为22℃的暖性低涡。20时，暖性低涡继续存在，并在银川、延安、太原之间形成 “人”字型切变线，东路水汽输送较强。14日20时各层天气系统配置图 （图1）显示，在高空冷平流和低层暖平流、低值系统的共同作用下，大气斜压性进一步加强，层结趋于更加不稳定，形成了有利于强对流的系统配置。

图1 2012－07－14T20天气系统中尺度分析

图2为14日15—20时绥德气象站地面要素变化情况。空气温度为缓慢下降趋势，海平面气压呈上升趋势，风速的变化经历了大—小—大的过程。降水之前为较大的东南风，降水临近时风速为零，降水开始后风向转为东北且风速迅速增大，风向的变化呈东南—西南—东北的气旋式旋转，表明这次大暴雨是中尺度低值系统造成的。从露点温度差 （图略）可以看出，在地面中尺度低压的后部有干线存在，干线的动力抬升作用是大暴雨触发的必要条件。

图2 2012－07－14T15—15T03绥德气象站地面要素变化

2 不稳定能量分析

分析距绥德较近的延安站7月14日20时温度对数压力图 （图略），700～250hPa为对流不稳定区，湿对流有效位能 （CAPE）达1 241.4 J/kg，700hPa以下为很弱的稳定层结，对流抑制能量 （CIN）为零，非常有利于对流的触发和加强。分析风向风速的垂直变化可知，850～700 hPa风向由偏南风转为偏北风，风向顺转，有暖平流，700～300hPa风向由北风转为西北风，风向逆转有冷平流。低层暖平流与高层冷平流叠加后，层结向不稳定方向发展。

3 水汽条件分析

以往的研究表明，大暴雨通常有低空急流输送水汽［2］。这次大暴雨过程并没有低空急流，而且700hPa及以上均为偏北气流。水汽输送主要依靠850hPa的两条湿舌 （图1），一条湿舌为自黄海经山东、山西到达陕北的露点温度差为1～2℃的偏东气流，这条水汽通道14日08时已经建立；另一条湿舌为自南海北上到达陕北，这条湿舌水汽较弱，露点温度差为4～6℃。两条湿舌在 “人”字型切变线暖区附近合并，形成水汽辐合。7月14日20时，延安站地面温度露点差仅为1℃，地面至850hPa饱和假相当位温＞80℃，比湿为12～14g/kg，说明暴雨发生前地面至850hPa上空有较好的水汽输送条件。根据NCEP1°×1°资料计算的14日20时850hPa水汽通量和水汽通量散度分布来看，暴雨区水汽通量＞40g/（cm·hPa·s），大值区在暴雨区的东部，水汽通量散度辐合中心达－4×10－7g/（cm2·hPa·s），与大暴雨中心相对应 （图3）。

分析可见，暴雨区前期湿度条件较好，加之850hPa两条水汽通道在暴雨区合并，为这次大暴雨提供了充足的水汽。

4 动力条件分析

7月15日08时主要辐合层在850hPa，辐散层在300hPa。20时850hPa辐合＜－30×10－6s－1，300hPa辐散中心＞20×10－6s－1。沿38°N涡度垂直剖面图 （图略）显示，暴雨区上空为整层气旋性旋转，涡度为20×10－6s－1，大暴雨区上空有较强的正涡度平流，促进低层上升运动的发展。与其它暴雨过程相比，这次突发性大暴雨具有辐合层低，气柱旋转强的特点，非常有利于垂直上升运动的发展和加强。

图3 2012－07－14T20 850hPa水汽通量（a，单位为g/ （cm·hPa·s））和水汽通量散度（b，单位为10－7 g/ （cm2·hPa·s））

7月14日20时沿38°N垂直速度剖面图（图4）显示，大暴雨在垂直运动场表现为850～600hPa为一致的上升运动，垂直速度为－1×10－2hPa/s，上升运动中心位于800～700hPa，两侧是下沉气流区，形成了明显的垂直次级环流，促进了垂直上升运动的发展。这次大暴雨的垂直上升运动高度只到600hPa，而大尺度降水系统垂直运动往往可达对流层顶，表明这次大暴雨只是由一个发展强盛的中小尺度系统引起。

5 卫星云图分析

图4 2012－07－14T20沿38°N垂直速度剖面图（单位为10－2 hPa/s，黑色三角为大暴雨中心）

FY－2E卫星云图TBB产品 （图5）显示，7月14日22：00（北京时）暴雨区北部和东部分别生成两个中尺度对流辐合系统 （MCS）［7］云团1和云团2，云团1 tBB＜－35℃的面积为6×103km2，tBB＜－40℃的面积为2×103km2；云团2 tBB＜－35℃的面积为9×103km2，tBB＜－40℃的面积为5×103km2。两云团边界整齐，亮温梯度较大，是典型的对流云团。23时，两云团移动缓慢，有合并的趋势，但对流单体强度均减弱，表现为tBB＜－35℃的区域合并，tBB＜－40℃的面积减小。15日00时云团1向东南移动中与云团2合并后增强，tBB＜－40℃的面积增大到8×103km2，暴雨区强降水开始。01时合并后的MCS云团没有沿天气系统移动，而是表现为原地增强，对流发展旺盛并到成熟阶段，形状近似成圆形，边界非常整齐，西部边缘梯度最大。tBB＜－35℃的面积达到20×103km2，tBB＜－45℃区域位于云团中心偏西，面积为200km2，是典型的中－γ尺度系统，亮温最低处对应强降水中心，1h降水量达75.7mm。02时后云团东移，绥德大暴雨迅速结束。

6 雷达回波分析

6.1 雷达回波反射率和径向速度

图5 2012－07－14T22—15T01FY－2E卫星云图TBB分布 （北京时）

14日22：17绥德县出现第一个对流回波单体 （图略），水平尺度20km，反射率＞50dBz，回波1的特点是移动缓慢，增强较快，表现为分裂增长，即一个回波体分裂为两个强回波中心。22：41，回波单体1发展成熟，水平尺度达30 km，中心强度＞60dBz，在径向速度图 （图6a（见第5页））上，强风暴低层入流速度＞7m/s和高层出流速度＞10m/s；对流单体为低空辐合高空辐散的增长机制，单体外侧的下沉气流有助于触发新的对流单体产生，即单体1的右侧生成新的对流回波单体2。单体2移动缓慢，发展迅速，22：54（图6b）已经发展为水平尺度10 km、反射率强度＞60dBz的强回波单体。23：12单体1与单体2合并，单体1减弱，单体2却继续增强，形状呈圆形，反射率＞65dBz。23：18（图6c）单体2向回波移动方向的后侧传播增强，23：48（图6d）单体2在后向移动中东侧又有新的回波并入，00：01（图6e）发展到最强盛，反射率＞60dBz的面积最大，低仰角可见钩状回波，辐散层高达13km，风速＞24m/s。回波单体2从14日23：36—15日01：09基本稳定在大暴雨区上空。01：21（图6f），上游移来回波单体3再次影响暴雨区，但持续时间较短。

6.2 三体散射

23：36，回波单体2在2.4°仰角出现三体散射 （图7），对应强回波高度是5km，地面未出现冰雹，说明这时云体还处于发展阶段，冰雹还在增长［8］。00：07，0.5°～2.4°仰角均可见三体散射，＞55dBz的伸展高度达到9 km，属于强对流回波发展的成熟阶段，强降水开始后，三体散射消失，从出现到消失的持续时间为30min，对应的强降水持续时间为2h。从天气现象的持续时间上看，这次强对流天气属于湿对流风暴。

6.3 垂直剖面

图8为15日00：01回波单体2沿垂线方向的反射率和径向速度垂直剖面图，可以看到与图6e中回波单体2低层的弱回波区对应的高层为强回波区，强回波的高度位于3～7km，在6km高度处，强回波呈倒三角形，即强回波最大值位于回波体的中部，表明回波单体2已发展为强对流回波单体。在同时间的径向速度剖面图上，辐合层厚度达9km。回波最强时，垂直累积液态水含量＞65kg/m2。表明回波单体2具有深厚的辐合层和较高的液态水含量。

图6 2012－07－14榆林多普勒雷达速度 （a 22：41，仰角1.5°，单位为m/s）和组合反射率（b 22：54，c 23：18，d 23：48，e 00：01，f 01：21，北京时，单位为dBz，每圈间隔50km，下同）

图7 2012－07－14榆林多普勒雷达不同时次不同仰角反射率因子图上的三体散射

图8 沿图6e中黑线所示方向的同一时间垂直剖面图 （左侧为反射率，右侧为径向速度）

6.4 中气旋

23：48回波单体2向后传播增强，速度场上出现对称的正、负速度强中心，出现中气旋的特征 （图9中黑色圆圈包围的部分）。23：55中气旋发展成熟，正、负速度量级和范围均达到最大，边界整齐，中气旋直径为12km，最大风速＞20 m/s，0.5°和1.5°仰角均可见，维持时间3个体扫。00：07对应地面出现灾害性强风和强降水。位于绥德县城北部20km的四十铺区域站每小时一次的观测资料显示，该区域站23：48，最大风速为3.8m/s，风向为SSW，00：07时最大风速突增至12.3m/s，风向转为ESE，与中气旋发展成熟的时间相一致。强降水的开始时间在00：01之后，00时之前测站无降水记录。中气旋虽然以强降水为主，但是根据受灾群众描述以及三体散射特征判断有冰雹，而且与强降水相伴，持续时间较长。

图9 2012－07－14榆林多普勒雷达径向速度 （仰角0.5°）

7 小结

（1）高空华北冷涡后部强冷平流与低层暖平流叠加是该次突发性大暴雨发生的有利背景。高对流有效位能为大暴雨积累了能量条件， “人”字型切变和地面中－γ尺度的低压系统是大暴雨发生的直接原因，其后部干线的动力抬升作用是大暴雨触发的必要条件。

（2）大暴雨发生时垂直运动场存在一强垂直次级环流。850hPa的两条湿舌为该次大暴雨的主要水汽来源。

（3）卫星云图上多个中尺度对流云团（MCS）合并后增强少动，亮温最低处靠近亮温梯度最大的位置对应强降水中心。

（4）雷达回波图上，多单体回波之间互相影响，合并加强，回波成熟阶段有三体散射现象；剖面图上强回波位于6km高度处，呈倒三角，辐合层达9km；速度图上具有中气旋特征，直径为12km，最大风速＞20m/s，回波最强时，垂直累积液态水含量＞65kg/m2，表明该风暴是一发展深厚的湿对流风暴。

（5）在短时临近预报中应注意，雷达回波发展很快、移动缓慢且后向传播合并增强是强对流天气的重要特征。

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A

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1006－4354 （2014）04－0001－06

2013－02－23

刘慧敏 （1967—），女，汉族，陕西佳县人，大学本科，高级工程师，从事天气预报业务与研究。