榆林一次短时突发性暴雨中尺度特征及成因分析

李晓利，康 磊，刘慧敏，蒋伊蓉，艾 锐

(榆林市气象局，陕西榆林 719000)

榆林暴雨具有强度大、历时短、局地性强的特征，暴雨天气极易引发城市内涝、山洪、滑坡等地质灾害。目前，国内专家开展了许多短时暴雨方面的研究，王宝鉴等[1]对甘肃陇东南一次大暴雨的中尺度特征分析，认为中尺度对流系统具有暖云降水特点，质心低，降水效率高，且具有明显的后向传播和“列车效应”特征；黄少妮等[2]对延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析，认为中低层切变线与地面辐合线的重叠非常有利于边界层暖湿空气辐合抬升,激发对流单体的发生发展；支树林等[3]对南昌地区一次夜间发展起来的大暴雨的中尺度对流条件及特征分析，认为边界层内偏东气流和风辐合加剧降水回波的发展，“列车效应”导致强降水持续；金琪等[4]认为“080527湖北老河口短时暴雨”的成因与干线、500 hPa冷温度槽、冷切尾部辐合区和中低层湿区及地面风场辐合线等中尺度天气系统的活动密切相关；赵强等[5]认为陕北区域性暴雨易发于能量锋区附近,对流层中低层锋生有利于上升运动的加强；周长春等[6]分析“7·3”成都短时强降水可预报性和地面中尺度特征，认为地面加密自动站观测的风场辐合区对强降水的落区及移动具有指示意义；刘慧敏等[7]分析了陕北对流性特大暴雨的中尺度特征，认为中尺度对流系统后向传播、合并增强形成深厚的湿对流风暴,可产生强降水；张雅斌等[8]认为 “0812”关中盛夏突发性暴雨有利的动力、触发条件是近地层显著东南风、不稳定扰动增大及地面切变线。

2017年7月23日榆林城区出现短时突发性暴雨，雨强大，持续时间短，引发严重城市内涝。针对此次暴雨过程，利用 NCEP1°×1° 再分析资料、FY-2G卫星云图和本地加密观测资料及榆林多普勒雷达资料，分析本次暴雨过程的中尺度特征及成因，以期提升此类灾害性天气的预报预警服务水平。

1 过程概述

2017年7月23日14—23时，榆林市自西向东出现短时雷暴和强降水天气，降水分布极不均匀。强降水集中在16—19时，强降水中心位于榆阳区。16—17时榆阳区中心广场雨量达64.8 mm，榆林市国家气象观测站为57.9 mm；榆阳区中心广场站3 h降雨量为76.2 mm。

对暴雨监测站分钟雨量(图1)进行分析，榆林市区的强降水集中在16：22—17：21，平均雨强大于1 mm/min, 最大雨强在市区中心广场站，为5.5 mm/min，出现在 16：46。雨强出现多个峰值。

图1 榆林2017-07-23T16:01—18:10监测站分钟雨强分布

2 成因分析

2.1 环流背景

降水前期大陆高压和副热带高压系统持续偏北，7月7—14日，榆林市持续8 d出现35.0 ℃以上的高温天气。15—23日为连续次高温天气，最高气温为32～36 ℃。持续的高温天气为后期暴雨天气提供了较好的能量条件。

7月23日08时，200 hPa天气图(图略)上南亚高压强盛，控制40°N度以南的大陆地区，锋区位于40°N～50°N，中高纬为西风气流。500 hPa副热带高压强盛，588 dagpm线西脊点西伸北抬至95°E，40°N。西风槽位于蒙古国至我国甘肃西部，河套上游有弱冷空气东移，榆林位于副热带高压边缘的西南气流中，西南气流强盛，东胜站风速达14 m/s，湿度较小。700 hPa风切变线位于河套北部至甘肃南部，甘南—延安—榆林一线西南风速为4～10 m/s。850 hPa 风切变线位于河套地区，经过榆林呈东北西南向。对榆林附近高低空环流场进行尺度分析可见，500 hPa以上湿度较小，为干层，有多个温度槽活动；700～850 hPa为暖湿气流，榆林附近伴有西北风与西南风风向切变线；700～500 hPa河套附近有显著的偏南风气流。上干下湿的垂直环流配置有利于对流性天气发生发展。

2.2 水汽条件

23日08时水汽通量和水汽通量散度场(图2)上，榆林附近低层有强水汽辐合，辐合中心在800 hPa以下，中心为-8×10-7g/(cm2·hPa ·s)。

图2 2017-07-23水汽通量(等值线，单位为g/(cm·hPa·s))与水汽通量散度(阴影，单位为10-7 g/(cm2·hPa·s)沿109°E垂直剖面图(a 08时；b 14时)

强辐合区范围小于50 km，中高层为弱辐散。38°N榆林附近700 hPa以下为水汽通量大值区，达8～12 g/(cm·hPa·s)，水汽辐合区与水汽通量大值区相叠置，水汽分布随高度向北倾斜。河套附近水汽主要来自700～850 hPa副高外围西南暖湿气流输送，中低层水汽是此次短时暴雨的主要水汽来源。14时伴随对流天气的出现，榆林周围水汽通量略有减小；水汽通量散度大值区主要集中在700 hPa，水汽辐合区北移至40°N，强度较之前明显减弱。分析比湿场(图略)，中低层水汽充足，主要集中在700 hPa以下，850 hPa比湿为16～18 g/kg。中低层充足的水汽为短时暴雨提供了有利的水汽条件。

2.3 不稳定条件

23日08时，K指数场上榆林附近为高能区，其西北侧有低值槽，温差较大，在河套西北部形成能量锋。榆林K指数为40 ℃，沙氏指数为-2 ℃，有一定的对流有效位能存在。

榆林附近的东胜站探空图(图略)显示，23日08时，等饱合比湿线(qs)与干绝热线(θ)和湿绝热线(θse)形成窄喇叭口状；600～850 hPa为湿层，600 hPa以上为干层，不稳定层较厚在850～500 hPa，不稳定面积较小；0～6 km垂直风切变为16 m/s，属于中等强度垂直风切变，有利于对流天气的发展。利用榆林14时气温(32 ℃)对探空图进行订正，对流有效位能面积明显增大，非常有利于对流天气的产生。

从23日08时假相当位温垂直剖面(图3a)图可知，榆林上空850 hPa为假相当位温大值中心，达92 ℃，高能舌随高度向北伸展；河套西北侧40°N以北700 hPa以下为假相当位温低值区，说明中低层西北侧有干冷空气南压，能量锋区位于40°N附近。分析垂直位温差可以看出，500 hPa以上假相当位温随高度增大而增大，为较稳定层结；500～850 hPa假相当位温随高度增大显著减小，为对流不稳定性层结。14时(图3b)，700 hPa以下假相当位温差梯度明显增大，同时能量锋区南压至39°N附近，冷空气已进入榆林境内。

图3 2017-07-23沿109°E假相当位温垂直剖面图(单位为℃；a 08时，b 14时)

2.4 动力抬升及触发机制

23日08时散度场上，榆林上空700～500 hPa为辐合区，500 hPa以上有明显的辐散。强辐合位于700 hPa，为(-0.6～-1.0)×10-5s-1。涡度场上，850～700 hPa为正涡度，有利于对流系统发展；500 hPa为负涡度区，不利于对流系统持续发展。本次强降水是由中小尺度系统所造成的。可见，中小尺度系统仍能冲破大尺度的不利条件产生强对流暴雨天气。

23日08时地面图上(图略)，榆林位于低压顶部，其后侧河套西部有高压系统南压，河套附近生成一辐合区。11时，辐合线明显南压至榆林中部，并在其附近维持。辐合线呈东西向，其北侧为西北风，南侧为西南风。同时08时河套西北部榆林长城沿线附近可分析出明显的东北西南向的干线，17时干线南压至榆林北部，强降水出现在干线附近偏南侧(图4)，可见干线触发了不稳定能量产生强对流天气。

图4 2017-07-23地面辐合线、干线演变(地面辐合线、干线)

3 中尺度对流系统特征

3.1 雷达回波特征

榆林多普勒雷达图(图5，图见第5页)上，23日13：00组合反射率因子(图略)显示榆林境内对流云发展迅速。15：24多个中γ尺度对流单体从西南向东北方向发展加强形成一条飑线，飑线附近不断有新的对流雨团生成合并，最大回波强度达50 dBz以上。15：36对流单体结构密实，强度达50～60 dBz，与之相应靖边县红墩界、横山县雷龙湾过去15 min雨量达20 mm以上，降水回波向榆林城区方向逼近。16：13飑线移入榆林城区，多个对流单体合并形成中β尺度的对流雨团，飑线回波西北侧低层出现明显的出流边界，可见有强下沉气流。 16：25强降水回波经雷达站时出现信号衰减，但出流边界仍维持在强回波附近。17：02回波强度明显减弱，出流边界开始远离对流母体，飑线特征消失，强降水趋于减弱。17：20对流雨团结构变得疏散，回波趋于消散。

径向速度图上，强降水时段在0.5°、1.5°、2.4°、3.4°仰角均可见多个中尺度辐合存在。强降水开始前风速突增，速度场出现速度模糊。16：01高空9.2 km处东南风最大达25 m/s，16：38(图6，图见第5页)高空7.5 km处偏南风达30 m/s，此时辐合达到最强，强辐合上升至9 km以上， 可见此时对流系统已发展为深厚的系统。强辐合在17：02后趋于减弱，18：03中尺度辐合完全消失。

3.2 雷达降水量估测对比

雷达1 h降水估测产品是固定Z-I关系下降水量的反演(简称“固定估测产品”)。分级估测降水产品是利用基于最小二乘法的判别函数，将榆林多普勒雷达5～55 dBz的反射率因子以10 dBz为间隔分为5个等级，55 dBz以上按照55 dBz计算。对于各等级回波强度，分别进行一次最优Z-I关系判别，得到最终的分级最优Z-I关系。通过最优Z-I关系判别，形成榆林雷达反演1 h降水量估测产品(简称“分级估测产品”)。

对比分析分级估测产品与实况雨量，16:00(图7a1，图见第6页)分级估测产品小时最大估测雨量值为40 mm，强降水落区及估测雨量与实况基本一致。17:00(图7a2)估测强降水中心与实况一致；估测小时最大降水量为15 mm,实况雨量为60 mm,估测值偏小，误差较大。固定估测产品对16:00(图7b1)小时最大雨量估测值为60 mm；强降水落区与实况一致，但降水量级明显偏大。17:00(图7b2)估测降水落区与实况一致，估测小时最大降水量为25 mm,较实况明显偏小。

通过上述内容分析，17:00由于降水系统位于雷达上空，造成信号衰减，两种估测产品的估测值均存在较大误差，没有反应出强降水。16:00分级估测产品对实况降水有较好的反应；但固定估测产品估测降水偏大，存在较大误差。可见，分级估测产品能更好地反应中尺度对流性降水，对预报员判别短时强降水具有指示性。

3.3 中尺度对流云团特征

FY-2G卫星云图(图8，图见第6页)上，23日13:00左右榆林中部有对流云团生成，随后该云团迅速发展，范围快速扩大，形成中β尺度对流云团，影响榆林城区附近大约100 km范围，其内部伴有多个γ尺度对流云团。15：30后对流云团tBB突然增大，tBB<-60 ℃，子洲马岔镇15—16时降水量达36 mm。16：30强对流云团移入榆林城区，tBB降至-71 ℃，榆林城区出现短时强降水，最大降水出现在中心广场为64.8 mm。17：30云团结构更为密实，伴有tBB<-73 ℃的强冷云核中心；18：30开始对流云团逐渐变疏散，移出城区。强对流云团在榆林境内维持了大约9 h。tBB<-60 ℃区域与短时暴雨落区有较好的对应关系。

图5 2017-07-23榆林多普勒雷达组合反射率因子(图中白色线条为出流边界，文见第4页3.1)

图6 2017-07-23T16:38榆林多普勒雷达径向速度图(文见第4页3.1)

4 结论

(1)此次强降水是由中β尺度对流雨团内部的多个γ尺度强对流雨团所造成，表现为分钟雨强大，持续时间短。tBB<-60 ℃区域与短时暴雨落区有较好的对应关系。

(2)降水前期副高强盛，位置偏北，榆林市出现持续8 d高温高湿天气，多站日最高气温达40 ℃以上，西太平洋副热带高压控制下的高温高湿天气为暴雨天气储备了水汽和能量。0～6 km中等强度的垂直风切变、对流不稳定能量和中低层强辐合为短时暴雨的产生提供有利的环境场。

(3)副高外围中低层西南暖湿气流带来了水汽和不稳定能量。地面图上干线触发了强对流天气。强降水出现在干线附近偏南侧。

(4)暴雨时段，雷达图上有多个中γ尺度对流单体形成一条飑线,自西南向东北方向生成发展，合并为强度达50 dBz以上的中β尺度强对流雨团，并伴有强的下沉气流。径向速度图上，强降水时多个仰角均伴有中尺度辐合维持，强辐合上升至9 km以上。

图7 2017-07-23分级最优Z-I关系反演1 h降水量(a1 16：00；a2 17：00) 、雷达固定Z-I关系反演1 h降水量(b1 16：00；b2 17：00)和小时降水实况(c1 16：00；c2 17：00)(单位为mm；文见第4页3.2)

(5)分级最优Z-I反演降水估测产品能更好地反应中尺度对流性降水的量级，对预报员判别短时强降水具有指示作用。