陕南东部一次短时强降水天气的成因分析*

徐娟娟，郝 丽，屈丽玮，胡启元

(1.陕西省气象台，陕西 西安 710016；2.陕西省气候中心，陕西 西安 710016)

1 引言

局地短时强降水(降雨量≥20 mm/h)天气具有明显的中小尺度特征，它影响的范围小，历时短，降水强度大，具有很强的破坏性。特别是对地质条件比较特殊的地区来说，短时强降水天气对人们的生命安全和财产损失危害更大。例如2010年8月8日甘肃舟曲出现了特大山洪地质灾害，主要原因[1]是短时强降水加上舟曲的地质条件比较差，两者结合共同造成的。这种由于地质条件差和短时降水比较强造成灾害比较大的个例在陕西也是比较突出的，因此对这类天气进行了大量研究。慕建利[2]、毕宝贵[3]的研究认为2002年6月8日陕南佛坪特大暴雨，秦岭山脉对降水的强度有很大的影响， 即秦岭山脉使秦岭山区、 汉江河谷一带降水量增加，秦岭山脉地形也是造成特大灾害的主要因素。刘子臣[4]、井喜[5]对陕北黄土高原局地特大暴雨进行了分析，认为台风远距离输送水汽是产生特大暴雨的主要原因。刘勇[6]对2012年7月27日陕北佳县局地特大暴雨进行了分析，认为高空200 hPa陕西北部位于浅槽的前部，急流入口区的右侧，存在着正涡度平流，这一区域有着强烈的辐散，提供了较强的上升运动，是特大暴雨产生的主要机制。由于陕北、陕南地形复杂，地质条件较差，短时强降水容易造成局地的特大灾害，因此对这类天气需要深入研究。

2017年4月15日20时—16日08时，陕西省安康市的白河、平利、镇坪、岚皋、旬阳、汉滨区等地出现短时强降水天气，其中白河县冷水河流域所辖的西营镇、双河镇降水最为集中。15日20时—16日08时，西营镇累计降水量为85.4 mm，双河镇为66.5 mm，麻虎镇46.3 mm，还有一些乡镇降水量在30mm以上。其中15日22时双河镇雨强为48.8 mm/h，23时西营镇雨强为39.7 mm/h，茅坪镇雨强为23.4 mm/h。这次短时强降水天气造成白河县3 000余人受灾，500多人紧急转移，基础设施损毁严重，部分地区的电力、道路中断。由于春季局地这么强的降水还是比较少见，预报员重视不够，再加上这次过程冷空气比较弱，水汽条件一般，对不稳定能量对暴雨的作用考虑欠佳，因此对此次过程的短期、短时预报都出现了较大的失误。局地短时强降水天气是否可以通过分析大尺度环流形势和物理量进行预报？希望通过分析找出局地短时强降水的一些特征，为今后预报此类天气提供可靠的参考依据。

2 局地短时强降水的云图特征

2017年4月15日18时的FY-2红外云图，在陕南的东部安康地区开始有对流云生成，尺度很小。20时(图1a)对流云已经发展成中-β尺度的云团，水平尺度增大到70 km，云顶亮温TBB为-47℃，岚皋四季镇出现10.1 mm/h的降水。21时(图1b)，对流云团继续发展，水平尺度为100 km，结构紧密，呈椭圆状，云顶亮温TBB为-58 ℃，云团的覆盖面积明显增大。对流云团给安康汉滨区的双龙镇、岚皋的石门镇带来约为16 mm/h的降水。

图1 2017年4月15日20时(a)、21时(b)、22时(c)和23时(d)FY-2G TBB云顶亮温Fig.1 Analysis of TBB graphic from FY-2G satellite at (a) 20∶00, (b) 21∶00, (c) 22∶00, (d) 23∶00, BJ 15 Apr 2017

22时(图1c)，位于安康的中-β尺度对流云团水平尺度已经增大到160 km，呈椭圆状，云顶亮温TBB为-56 ℃。较20时的对流云团位置有所东移。白河的双河镇雨强达48.8 mm/h，西营镇为29.7 mm/h，另外安康的平利、旬阳局地也出现了短时强降水。23时(图1d)，中-β尺度对流云团继续发展，椭圆状，水平尺度约为200 km，云顶亮温TBB为-56 ℃，对流云团的结构比较紧密，说明对流仍然很强。此时对流云团造成白河县的5个乡镇均出现了短时强降水，其中最大为西营镇39.7 mm/h。24时，对流云团的一部分已经移出安康地区，但是白河的东部仍然受对流云团的影响，在构扒镇出现26.3 mm/h的短时强降水。16日01时白河县国家站降水达到14.9 mm/h。02时影响白河的中-β尺度对流云团逐渐东移，白河的降水明显减弱。中尺度云团在河南南部维持到05时才消散。

根据逐时FY-2红外云图的演变情况来看，造成白河的短时强降水天气的是中-β尺度对流云团，水平尺度为100～200 km，云顶亮温TBB最低为-56 ℃，生命史为10 h，中尺度特征明显。

3 环流背景分析

2017年4月15日20时500 hPa图上(图2)，巴湖到我国东海为两脊一槽，脊线分别位于巴湖和东海附近，河套西部到西藏东部为一宽广的槽，新疆高脊前不断有冷空气分裂南下、东移，影响西北地

区东部。在南海附近，副热带高压较弱，588 dagpm位于我国海南岛—台湾岛附近。高层300 hPa，位于安康南部的重庆在15日08时为4 m/s西北风，与安康之间有气流辐散。到20时重庆300 hPa西北风增加到16 m/s，与安康之间的气流辐散明显加强。高空辐散有利于对流形成。

图2 2017年4月15日20时500 hPa高空图Fig.2 Analysis of 500 hPa height field at 20:00 BJ 15 Apr 2017

15日20时700 hPa(图3a)，我国西南地区为一低涡，沿低涡东北部有一切变线，切变线南部主要是西南风或东南风，切变线北部主要为西北风。安康附近为东风，没有急流形成，在西安—安康之间有较强的锋区。15日20时850 hPa(图3b)，陕西南部到我国西南地区为一低值区，从贵阳—湖北北部存在一切变线，切变线南侧为南风，切变线北侧为东北风。在陕西安康附近存在着明显的风向辐合，低层辐合抬升条件较好。

图3 2014年4月15日20时700 hPa(a)和850 hPa(b)高度场(黑实线，单位dagpm)、风场(凤羽，单位m·s-1)和温度(黑色数值，单位℃)叠加图Fig.3 The 700hPa (a) and 850hPa (b) geopotential height field (black contour, unit: dagpm), wind field (wind feather, unit: m·s-1), temperature field (black value, unit:℃) at 20:00 BJ 15 Apr 2017

春季副热带高压比较弱，陕南东部低层南风没有形成急流，水汽条件不是太好。但是低层850 hPa存在着明显的风向辐合，南部的南风，携带着比较充沛的水汽，存在着大量不稳定能量。中层有弱冷空气东移南下，锋区压在陕西中南部，高空300 hPa安康和重庆之间气流辐散在15日20时增强，为强对流天气的发生发展提供了比较有利的条件。

4 局地短时强降水成因分析

4.1 中层弱冷空气的作用

从各层温度平流可以看出，中、低层弱冷空气对陕南地区的侵入，是局地短时强降水天气的触发机制。15日20时(图4)，500 hPa陕西中南部有弱冷空气活动，在安康西部冷平流强度为-2×10-5℃·s-1，在安康东部有暖平流，强度为2×10-5℃·s-1，安康位于中层较强锋区附近。850 hPa，在安康西部为冷平流，强度为-2×10-5℃·s-1，东部有暖平流，强度为4×10-5℃·s-1，安康附近的冷暖平流分布与500 hPa相似，也存在冷暖交汇的显著特征，有较强的锋区。来自西北方向的500 hPa弱冷空气触发了低层不稳定能量的爆发。在对流发生时，中层冷空气叠加在低层暖湿气流之上，有利于对流的发生发展。

4.2 水汽条件分析

这次短时强降水主要发生在安康东部，白河县出现了较强降水和灾害。发生的时间集中在15日20时—16日02时，因此15日20时的低层水汽条件的分布比较真实的反映了各层水汽对短时强降水的贡献。15日20时，700 hPa水汽通量图上，安康附近为东南风，水汽通量为20～30 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽条件一般。850 hPa 安康东部仍然是东南气流，但是水汽比较充沛，安康水汽通量(图5a)为20～40 g·cm-1·hPa-1·s-1，安康白河及东部水汽通量(图5a)为60～80 g·cm-1·hPa-1·s-1。总体来讲，陕南安康附近低层水汽条件不是很好， 850 hPa水汽条件相对好一些。

图4 2017年4月15日20时500 hPa温度平流(单位：10-5℃·s-1,图中黑色三角为安康白河站)Fig.4 The temperature advection(unit: 10-5℃·s-1) on 500 hPa at 20∶00 BJ 15 Apr 2017. (black triangle:the location of Baihe station)

图5 2017年4月15日20时 850 hPa水汽通量(a,单位：g·cm-1·hPa-1.s-1)和水汽通量散度(b,单位：7g·cm-2·hPa-1·s-1，图中黑色三角为安康白河站 (110.12°E，32.82°N)Fig.5 The 850 hPa water vapor flux (a, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and moisture flux divergence (b, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) at 20:00 BJ 15 Apr 2017(black triangle :the location of Baihe station)

从水汽通量散度来看，15日20时安康附近的700 hPa水汽通量散度为0～1×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，水汽为辐散，说明700 hPa水汽对安康东部短时强降水的贡献很小。850 hPa安康附近的水汽通量散度(图5b)为-4×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，水汽辐合很强，安康东部的短时强降水显然和低层850 hPa水汽供给有显著关系。

4.3 局地短时强降水的层结分析

从15日20时安康探空资料可以看出(图6)，安康的对流有效位能CAPE为788.1 J·kg-1，θse500-θse850为-15 ℃，沙氏指数为-4.27，K指数为40。这些指标说明安康地区存在大量不稳定能量，对短时强降水的产生非常有利。另外，安康低层为8 m/s东风，高层250 hPa为22 m/s西北风，垂直风切变比较大，有利于强对流发展。与此同时，重庆的对流有效位能CAPE为1293.4 J·kg-1，θse500-θse850为-15 ℃，沙氏指数为-5.14，K指数为41。大气为对流不稳定，说明在安康南部的对流不稳定更强。另外从安康层结曲线来看，安康低层700 hPa以下的相对湿度比较小，说明低层比较干，700 hPa以上相对湿度明显增大，并没有出现“上干冷、下暖湿”有利于“干”对流发展的条件。实际上，从水汽通量图可以看出，安康和白河之间水汽条件存在着明显的差异，即安康低层的水汽条件明显比白河差，因此用安康的低层水汽条件完全代替白河是不准确的。白河地区低层具有较大的水汽通量，当中层弱冷空气触发对流产生时，低层的水汽比较充沛，有利于对流的发生发展。对流主要是湿对流。

图6 2017年4月15日20时安康探空图Fig.6 The T-lnp diagram of Ankang station at 20∶00 BJ 15 Apr 2017

4.4 上升运动

15日20时沿33°N的散度垂直剖面图上(图7a)，在安康附近(33°N，109°E)低层有辐合，量值为-1～-2×10-5s-1。高层300 hPa有较强的辐散，量值为2×10-5s-1，但是200 hPa附近又出现了辐合。这种高低空配置不是十分有利于强上升运动的产生，200 hPa附近出现的辐合抑制了强对流的进一步发展，这一点可以通过安康附近的垂直速度反映出。

图7 2017年4月15日20时沿33°N散度剖面图(a，单位：10-5 s-1) 和垂直速度剖面图(b，单位：10-3 hPa.s-1，图中黑色三角为安康白河站 (110.12°E，32.82°N))Fig.7 The height-longitude cross section of (a) divergence (unit: 10-5 s-1) and (b) vertical wind (unit: 10-3hPa·s-1) at 20∶00 BJ 15 Apr 2017 along 33°N (black triangle :the location of Baihe station)

沿33°N的垂直速度剖面图(图7b)上，15日20时在陕南安康地区上空为上升运动，最大上升速度在400 hPa，量值为-3×10-3hPa·s-1，上升的高度在300 hPa左右，说明上升运动不是很强，主要原因是安康高空200 hPa出现了不利于强对流发生发展的环流形势。由于低层存在着较强的不稳定能量，850 hPa的水汽比较充沛，辐合较强，上升运动虽然不是很强，但是仍然给安康东部造成局地短时强降水天气。

5 地质条件对灾害的影响

白河位于陕南东部，地势南高北低，山脉与沟相间，无一处百亩平地。由于地形多山地，在大部分地区短时间内都出现了短时强降水，很容易造成山洪、泥石流灾害。在这种地质条件下，特别要注意大面积短时强降水的发生。

6 结论

①安康东部短时强降水具有明显的中尺度特征。在卫星云图上表现为水平尺度为100～200 km，云顶亮温TBB最低为-56 ℃，生命史为10 h的中-β尺度对流云团。与暴雨云团相比，短时强降水的中尺度云团尺度偏小，局地性更强。

②500 hPa弱冷空气东移，与低层东南暖湿气流交汇在陕南东部，触发对流产生。中层弱冷空气与低层东南暖湿气流在垂直方向上叠加，构成位势不稳定，形成强对流天气。低层存在大量不稳定能量是短时强降水产生的必要条件，而暴雨的产生有时对低层不稳定能量的要求不高，比如秋季连阴雨中产生的暴雨。

③850 hPa东南气流提供了比较充沛的水汽。虽然700 hPa水汽条件一般，但850 hPa的水汽条件较好，从降水的实际情况来看，能够满足局地短时强降水天气对水汽条件的要求。与暴雨需要充沛的水汽条件相比，局地短时强降水对水汽条件要求相对比较低。

④高空200 hPa气流辐合虽然不利于上升运动的发展，但是高空300 hPa辐散和低层850 hPa的辐合，使得安康东部仍然维持一定的上升运动，为局地短时强降水的产生提供了较有利的条件。此次上升运动不是很强，但是对流却产生了很强的降水，说明低层较强不稳定能量在对流发生发展过程中起到了重要作用。