“7·11”陕西区域性暴雨诊断分析及预报着眼点

马晓华，马 青，刘嘉慧敏，张科翔

(1.陕西省气象台，西安 710014；2.眉县气象局，陕西眉县 722300)

西北地区东部暴雨作为我国的暴雨成员之一，得到了大量气象专家的关注，慕建利[1]认为高空西风急流入口区右侧的动力强迫是对流层高层暴雨区辐散形成和加强的原因，动力强迫引起的非地转风是暴雨形成的原因之一。中β尺度重力波可以引起暴雨的发生[2]。广义位温和对流涡度矢量异常的分布和垂直变化对暴雨的预报有较好的指示意义[3]。西风带弱冷空气与副热带高压西北侧的西南气流交汇时，可触发对流产生[4]。陕西位于西北地区东部，暴雨位居灾害性天气之首。张雅斌[5]认为陕西关中初夏暴雨发生在位势稳定层结环境，暖湿空气沿着低层冷空气向北爬升，暴雨中心等熵面随高度向北倾斜，存在能量锋生和对称不稳定。陶建玲[6]认为前期降水条件不明显的情况下，高温高湿有利于能量聚集，西风槽东移和弱冷空气冲击有利于陕西初夏暴雨产生。刘嘉慧敏[7]对比分析了陕西初夏与盛夏暴雨过程，认为暴雨过程均有高空干冷空气入侵，但盛夏暴雨期间低空急流持续时间更长，大气具有明显高温高湿及位势不稳定。然而陕西盛夏区域性暴雨频次、降水范围和强度相比初夏暴雨总体偏大，常伴有远距离台风影响[8-11]，往往会造成严重的次生灾害。因此本文利用常规气象观测资料、陕西区域自动站观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和卫星探测资料等，对2018年盛夏时节陕西省气象台预报非常准确的一次区域性暴雨天气过程进行诊断分析，寻找预报着眼点，总结预报成功经验，为盛夏区域性暴雨预报提供技术支撑。

1 过程概况

2018年7月9—12日，陕西出现入汛以来范围最广的一次降水天气过程(简称“7·11”暴雨)，陕北、关中西部、陕南西部出现大范围暴雨天气。全省累计雨量陕北24.9～90.6 mm，关中2.4～93.3 mm，陕南0.5～109.4 mm。强降水主要发生在10日白天至11日早晨(图略)，持续数日降水致使陕西省多地发生洪涝灾害。这次强降水范围广、强度大、夜雨性特征明显，造成汉中、宝鸡、延安等7市33区县25.6万人受灾，1人因房屋倒塌死亡，农作物受灾面积1.5万hm2，其中绝收0.14万hm2，直接经济损失3.7亿元。

2 暴雨期间高空环流及地面特征

2.1 高空环流

10日08时500 hPa高空图(图1)上呈现出陕西盛夏时节典型暴雨天气特征(西风槽、副高、台风共同影响型)[12]，整个东亚地区大气环流呈径向型分布。贝加尔湖低涡底部分裂的短波槽位于河套上游地区；副热带高压呈东西走向，西脊点位于108°E，28°N，陕西处于副高西北侧西南气流中；在台湾岛以东洋面上有超强台风“玛莉亚”以25～40 km/h的速度向西移动，同时在南海有热带低压系统生成。700 hPa上，从内蒙古中部到宁夏西部、甘肃东部有切变系统存在，此时汉中、西安、延安风速分别为12 m/s、8 m/s、10 m/s，并在陕南西部一带有风速辐合。925 hPa上有一支偏东气流影响关中、陕南地区。20时(图略)河套上游高空槽快速东移到陕西西部地区，较08时陕西上空西南气流明显加强。700 hPa在陕西、甘肃交界处有一西北涡形成，西北涡南侧冷式切变线前部西南气流快速加强，汉中、西安、延安风速分别为14 m/s、12 m/s、8 m/s，整个陕西西部风速出现了明显辐合。同时850 hPa有从西北方向入侵关中西部、陕南西部的冷空气。20时开始降水增强。11日08时(图略)500 hPa高空槽依然维持，但是700 hPa西南气流明显减弱，汉中、西安、延安风速为8 m/s、12 m/s、8 m/s，850 hPa切变线已基本移出陕西境内，925 hPa上陕西西部已被偏西气流控制。

2.2 地面形势

地面图上，“7·11”暴雨的总体形势为“东高西低”型，有利于冷空气从华北地区进入陕西并影响陕西西部地区。从图2可以清楚分析出地面冷空气的移动路径和强度，其中1 005 hPa等压线从10日14时到20时明显西伸到甘肃东部及宁夏东部，即有地面冷空气经山西入侵陕西地区。10日20时到11日02时，由于地面冷锋的加强和东移，与东北路弱冷空气在甘肃、青海交界处形成地面冷高压，高压前端的1 005 hPa等压线位于陕北和关中西部及陕南西部。地面东北路冷空气侵入，之后与西北路冷空气合并加强形成冷垫，是触发本次暴雨的主要原因。

图1 2018-07-10T08 500 hPa高空图

以上分析表明，偏南气流突然加强是陕西盛夏区域性暴雨的预报着眼点，偏南气流可为暴雨区带来充沛的水汽和能量， 有利于大范围暴雨发生。冷空气先从东北路进入陕西关中和陕南地区，之后高空槽携带西北路弱冷空气入侵暴雨区，东北路与西北路冷空气共同起到了冷垫作用。冷空气强迫抬升偏南暖湿气流，加大了暴雨区的温度垂直递减率和斜压性，增加了大气的不稳定程度，有利于中小尺度对流云团的发展。

图2 2018-07-10T20(a)和2018-07-11T02(b)地面图

3 物理量场诊断

3.1 水汽条件

暴雨天气中持续不间断的水汽供应十分必要，以补充暴雨发生所造成的大气柱内水汽损耗。计算大气整层水汽通量，以此来分析水汽来源。

10日08时(图3a)，台风“玛莉亚”位于127.3°E、24°N，其外围偏东气流沿着东北西南向带状分布的副高南侧一直向内陆输送水汽；同时在南海有热带低压环流存在，热带低压外围的东南气流也源源不断地向内陆输送水汽。两条水汽通道为西北地区东部的暴雨过程提供了水汽和能量。从图3a可以看出，水汽通量值大于3 kg/(cm·s·hPa)的值与全省6 h降水落区对应非常好，特别是5 kg/(cm·s·hPa)以上的水汽通量大值区正好对应汉中地区强降水。14时随着超强台风“玛莉亚”及南海热带低压的西北行，陕西地区水汽通量明显增强，全省均为3 kg/(cm·s·hPa)及以上的水汽通量区，关中西部及陕南西部水汽通量增大到5～6 kg/(cm·s·hPa)，强降水继续维持。20时(图3b)陕北地区水汽通量增加到4～6 kg/(cm·s·hPa)，陕北地区降水开始增大。11日02时(图3c)，关中、陕南水汽通量值为4～5 kg/(cm·s·hPa)，陕北水汽通量大于6 kg/(cm·s·hPa)，中心增强到7 kg/(cm·s·hPa)。10日20时—11日02时陕北降水达到最强，靖边和横山出现了6 h大于50 mm的降水量，02—08时留坝6 h降水量为51 mm，10日20时—11日08时降水达到了峰值。08时以后偏南风有所减弱(图3d)，2 kg/(cm·s·hPa)以上的水汽通量通道断裂，全省降水明显减弱。

图3 2018-07-10—11整层大气水汽通量(单位为g/(cm·s·hPa))(a 10日08时;b 10日20时；c 11日02时；d 11日08时)

可见大气整层水汽通量在盛夏区域性暴雨预报中具有一定的指示意义，水汽通量的突增对应降水的增强，水汽通量大值中心对应强降水落区。

3.2 假相当位温

假相当位温是表示大气温度、压力、湿度的综合特征量，表示了大气的温湿特征和垂直运动。其水平分布和垂直分布与对流天气的发生发展有极大关系，也反映了大气中能量的分布。

850 hPa的假相当位温变化反映了冷暖空气的活动情况，10日08时θse的分布图(图4a)上，假相当位温在陕西境内的值均大于65 ℃，全省都属于较高能量区。能量锋区从四川盆地经陕南西部、关中西部至陕北。14时从四川向陕西关中至陕北方向形成了一条能量舌，能量舌前端θse超过70 ℃。该能量舌反映了高能、高湿、不稳定的暖湿气流，说明有一支西南气流向陕西地区输送了大量的水汽和不稳定能量。

20时θse(图4b)能量舌继续北伸，θse超过70 ℃范围覆盖了整个河套地区，值得注意的是在陕甘交界处及陕北与山西交界处各有一低值θse区。恰好将该高能高湿气团夹在中间，形成一Ω形的分布形态。Ω形东侧东路小股回流干冷空气，在夏季气压场上表现的往往比较弱，容易被忽视。这股干冷空气有向西流动的趋势，阻挡了西南暖湿气流向东扩散，使得低层辐合加强。Ω形西侧为冷锋后部移动较快的一小股干冷空气，这股向东南爆发的干冷空气冲击，使得高能舌θse附近形成明显辐合，触发了高能θse附近的高热能空气强烈地对流上升。可见从华北来的东路弱冷空气及南下的西北路弱冷空气触发了陕西地区的暴雨天气，暴雨区就位于Ω形的冷暖空气交汇处。θse的Ω形分布形态维持到了11日02时(图4c)，该12 h内，在陕南与陕北地区各出现了大于50 mm/6 h强降水。08时高能舌明显东移(图4d)，东移南下的西北路干冷空气逐渐控制陕西地区，08时之后强降水减弱为小雨。

图4 2018-07-10—11 850 hPa假相当位温分布及变化(单位为℃) (a 10日08时；b 10日20时；c 11日02时；d 11日08时)

根据上面分析可见，本次过程中850 hPa假相当位温在暴雨落区和强度预报方面具有较好指示，尤其是低能干冷空气夹击能量舌的位置，能较好的判断出暴雨落区位置。

3.3 涡度、散度及垂直速度

分别计算10日08时到11日08时关中、陕南及陕北强降水区平均散度、涡度及垂直速度，分析暴雨过程的动力场特征。10日08时(图略)整个散度场呈现辐合辐散的垂直波列分布，且辐合辐散强度绝对值在1.5×10-5s-1左右。14时(图5a)大气辐合辐散程度明显增强，低层550 hPa以下均转为辐合区，最强辐合约为-3.5×10-5s-1；大气高层为辐散区，最强辐散出现在150 hPa，其值约为2.0×10-5s-1。20时(图略)低层辐合进一步增强，且最强辐合值-3.5×10-5s-1位于800 hPa上下。直到11日08时大气一直维持低层强辐合，高层辐散的单峰型分布特征。从涡度的垂直分布(图5b)也可以明显看出，低层气旋性涡度在逐渐增强，高层负涡度、低层正涡度分布特征在整个降水过程中一直维持。10日20时(图略)低层负涡度达到最强，非常有利于地面气旋的发展，有利于上升运动。从整个上升运动的演变也能清楚看出(图5c)，10日08时到11日08时，对流层整层大气均为上升区。

同时分析了陕北暴雨区上空的动力场分布特征，与关中、陕南的暴雨区大气垂直分布类似，但最强时刻出现在10日20时到11日02时(图略)，这也与陕北暴雨的集中时段相对应。

图5 2018-07-10T14过关中、陕南暴雨区区域平均(a 散度，单位为10-5 s-1；b 涡度，单位为10-5 s-1；c 垂直速度，单位为Pa/s；)

4 中尺度特征

4.1 探空形势

“7·11”暴雨发生在陕南西部、关中西部、陕北，因此用汉中、泾河及延安的探空资料(图略)分析暴雨前和暴雨时的大气垂直稳定度和湿度条件。CAPE值演变显示，10日08时汉中为33.5 J/kg，西安、延安为0 J/kg。20时汉中猛升到970.8 J/kg，表明陕南西部大气已处于高度不稳定状态；但西安、延安CAPE仍在0 J/kg左右，这可能是因为10日之前关中、陕北地区已经出现了连续两日弱降水，大气能量得以释放。值得注意的是，20时3站的K指数为38 ℃、39 ℃及34 ℃，探空曲线均呈现出“细长”结构，温度曲线和露点曲线接近重合，并一直向上伸展到200 hPa。大气整层为湿层，水汽条件异常丰沛，且垂直风切变小，具备了出现暴雨的水汽条件。另外08—20时，200 hPa高度以下风向随高度顺转的特征更加明显，表明暖平流进一步加强，西南气流明显加大，水汽输送也在不断增强。11日08时延安500 hPa以上湿度明显减小，表明高层有弱的干冷空气侵入陕北，陕北降水基本结束。

4.2 地面辐合线

分析地面加密观测风场资料发现(图略)，关中地区从10日08时一直有一支东风气流，风速偏大，且在关中西部有风速辐合。关中东部渭南一带风速逐渐增大，最大风速达10～14 m/s，关中西部地区风速平均2～4 m/s。20时，东风加强，关中中部最大风速达9.5 m/s，关中西部风速辐合加强，且甘肃东部已有冷空气侵入，在宝鸡一带风场上有切变系统形成。与之相对应的卫星云图上，在冷锋云系中该地区有新的对流云团出现并加强，云团向东北方向移动并影响宝鸡地区。受偏东风的阻挡，西北气流与西南暖湿气流形成的辐合线在缓慢东移，且随着西南暖湿空气强度增强，辐合范围变大，垂直上升运动增强。可见西北路冷空气南压与东路弱冷空气交汇形成的冷垫对强降水起着直接影响作用，地面辐合线使得冷锋云系中局地对流发展、加强，因此地面辐合线的形成时间、移动速度及移动方向是此类暴雨预报的另一着眼点。

5 卫星云图

从逐小时卫星云图(图6)分析看，本次区域性暴雨是由冷锋云系前部新生、发展、加强的中小尺度对流云团造成的。10日02时开始，汉中西南部有对流云出现，对流云范围扩大、强度增强，向东北方向移动，08时陕南西部、关中西部有降水开始出现。同时四川盆地北部有对流发展，向东北方向移动，08时在武都发展成强的对流中心，中心亮温可达215 K，且不断向东北方向移动。17时强对流云团影响陕北地区，陕北开始出现较强降水，槽后西北冷空气入侵四川盆地，在盆地东北部不断有分散的对流云团向东北方向移动。20时后在陕北—平凉—武都形成一条对流云带，陕北、关中西部及陕南西部强降水均开始发生。随着冷锋东移，对流云带移动缓慢，且在四川盆地东北部有西南涡逐渐形成，且向东北向缓慢移动。对流云发展最强时中心亮温可达192 K，受西北冷空气侵入，冷锋云带中的对流云团不断生消发展，在陕北、关中西部和汉中地区产生暴雨到大暴雨天气。11日08时对流云带开始减弱并逐渐消散，强降水结束。

6 小结

(1)本次区域性暴雨符合陕西盛夏暴雨概念模型(西风槽+远距离台风+副高)，暴雨产生前，天气图上高空有明显的低值影响系统，地面上有弱冷锋。大气低层突然增强的偏南急流对暴雨有一定先兆作用。低层东路弱冷空气与西北路冷空气共同起到了冷垫作用，且强迫抬升偏南暖湿气流，冷锋携带的冷空气是本次暴雨的触发机制。

图6 2018-07-10—11 FY4A 红外云图(a 10日08：30，b 10日14：53，c 10日17：30，d 10日20：30，e 11日02：30，f 11日08：30)

(2)大气整层水汽通量在区域性暴雨预报中具有一定的指示意义，水汽通量的突增对应降水的增强，水汽通量大值中心对应强降水落区。850 hPa假相当位温在暴雨落区和强度预报方面具有较好指示，尤其是在θse为Ω形分布形态时，低能干冷空气夹击能量舌的位置，可较好的判断出落区位置。

(3)地面辐合线与强降水落区有一致性，是中尺度对流系统发生、加强的一个直接影响系统，而且使得冷锋云带中的对流维持和加强。