陕西榆林地区一次暴雨过程三维风场结构演变特征

黄 勤，黄 鑫，李亚丽

（1.秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，陕西 西安 710014；2.陕西省气象信息中心，陕西 西安 710014）

引 言

榆林位于陕西最北部，地表以风沙草滩和黄土丘陵沟壑为主，年降水量在 600 mm以下［1－3］，且主要集中在夏季，暴雨是榆林地区夏季常见的灾害性天气之一。由于特殊的地理环境，暴雨往往引发山洪、泥石流和滑坡等自然灾害，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，暴雨研究和预报一直是当地气象工作者攻关的问题之一。

暴雨主要由中尺度系统造成，是各种天气系统和环流系统相互作用的产物，其生命史是一个复杂而具有突变的过程，如小扰动发生后在大尺度环境中增长，或者小扰动增长后对大尺度环境场的反馈［4］。经过近40多 a的研究，预报方法从天气图发展到数值模式，暴雨的分析和预测能力得到很大提升。然而，由于小尺度运动中初始场不确定性对中尺度的影响，使得中尺度系统具有不可预报性，因此减少小尺度初始场的不确定性以提供高精度的暴雨分析和预报仍是难点之一［5－6］。

近年来，数值模式及卫星、雷达和闪电等资料在暴雨研究中得到广泛应用［6］。雷达、卫星可探测到中小尺度对流云团的发生、发展和消散演变全过程。数值模式模拟在暴雨预测中往往存在一定的误差，且无法反映小尺度环流特征［7］。由于短时暴雨的中小尺度系统空间尺度小、持续时间短，常规地面资料和数值模式很难捕捉，对暴雨的临近预报存在很大的不确定性［6］。因此，开展暴雨过程中的三维精细化环流结构的识别方法研究很有必要。

多普勒天气雷达具有高时空分辨率，它能够探测到降水粒子的反射率因子和径向速度等重要信息。通过这些信息，借助一定方法，如速度方位显示（VAD）、扩展速度方位显示（EVAD）、速度方位处理（VAP）等［8－13］，可以反演出风场。然而，上述方法均是针对单部雷达，只能得到径向速度的一个分量。随着雷达风场反演技术的不断完善，基于双部、三部雷达反演三维风场结构越来越成熟［8］。20世纪60年代，ARMIJO［14］提出在笛卡尔坐标系下双部、三部雷达反演大气三维风场的方法，相比于圆柱坐标系下的 “共面”［15－16］、ODD［17－18］、EODD［19］及“综合和连续调整”（MUSCAT）［20－23］反演方法，该方法插值次数少，但存在粒子下落末速度和质量连续方程求解估算不准确问题。罗昌荣等［24］改进了ARMIJO的反演方法，提出在动态地球坐标系下双雷达风场反演方法，其优势在于坐标系随反演目标点变化而变化，使空间相关位置更接近事实，反演的风场更接近真实风，提高了风场反演产品的适用性。动态地球坐标系下双雷达三维风场反演方法较好地应用于冰雹［25］、台风［24，26］、暴雨［27－29］等天气过程分析与预报中，可清晰展示对流系统不同生命阶段三维风场结构。

目前，对陕北暴雨生成发展机制的分析和预测多采用地面观测资料、单雷达探测资料等，容易漏掉很多小尺度环流信息和雷暴单体的三维风场结构。本文针对榆林东南部地区2017年7月26日的一次暴雨过程，采用动态地球坐标系下双雷达反演风场方法，反演此次暴雨的风场三维结构，对比分析暴雨发生、发展及减弱过程风场三维结构变化特征，以期为榆林地区暴雨的发生发展机制研究及预报预警提供新视角。

1 资料与方法

1.1 资料选取

所用资料包括多普勒天气雷达资料以及2017年7月25日10：00（北京时，下同）至26日10：00榆林市国家级、区域自动站逐小时降水资料和7月25—26日NCEP逐6 h高度场、风场、温度场和相对湿度场再分析资料（分辨率为 2.5°×2.5°）。多普勒天气雷达资料为榆林（109°46′59″E、38°16′1″N）和延安（109°29′13″E、36°36′36″N）两部 CINRAD／CB型雷达基数据，两站海拔高度分别为1189 m和1162 m，相距约186 km。其中，榆林雷达站距子洲和绥德观测站约78 km和93 km，延安雷达站距子洲和绥德观测站约120 km和118 km。站点分布见图1。

图1 多普勒雷达站及自动站分布Fig.1 The distribution of Doppler radar stations and automatic weather stations

1.2 反演方法

采用动态地球坐标系下双雷达风场反演方法。将坐标原点设在地球球心，z轴通过目标反演点D指向天顶，x轴指向D点的正东方向，y轴指向D点的正北方向，并设置水平格点为 0.01°×0.01°，垂直格点距离为0.5 km。假设两部雷达的坐标分别为（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），探测的径向速度分别为v1、v2（m·s－1）；降水粒子下落末速度 wf（m·s－1）＝3.8×R0.072，向下为正，R（dBZ）为回波强度；反演点D的坐标为（0，0，z），其到两部雷达的距离分别为 r1和 r2（km），D点的风场分量为 u、v、w，则有以下方程组［8］：

由于空气密度随高度升高而减小，下层空气的辐合误差会对上层垂直速度造成更大误差，所以利用质量连续方程［8］对垂直速度进行订正：

式中：ρ（kg·m－3）为空气密度。

采用迭代法，设w（0）＝0代入式（1）和（2），求出u（0）、v（0），再代入式（3）中求出 w（1），再将 w（1）代入式（1）和（2），求 u（1）、v（1），直到满足 max｜w（k＋1）－w（k）｜＜0.1条件，即求出 u、v、w。

2 暴雨概况及环流背景

2.1 实 况

2017年7月25 —26日陕西榆林市东南部发生一次强暴雨过程，是1961年以来榆林地区最强暴雨，造成11个县区、131个乡镇42.43万人受灾，12人死亡，1人失踪，近10万人紧急转移，直接经济损失超过80亿元人民币，子洲和绥德受灾最为严重。其中，25日10：00至26日10：00榆林地区5个国家级自动站24 h降水量超过100 mm，子洲达206.6 mm，绥德四十里铺区域自动站降水量最大为233 mm［图2（a）］。从图2（b）看出，绥德四十里铺站在25日 20：00开始出现降水，初期雨强较弱，23：00雨强急剧增大，小时雨量超过30 mm，随后雨强略有减弱，26日02：00再次增至最强，小时雨量接近50 mm；之后雨强持续快速减弱，至05：00小时雨量不足5 mm，此后降水再次出现一短暂的小峰值后于08：00停止。

2.2 大尺度环流背景

2017年7月25 日08：00［图3（a）］，500 hPa欧亚大陆中高纬地区呈“一槽一脊”形势，贝加尔湖至青海东部有明显的低压槽，陕西榆林位于低压槽前，副热带高压（以下简称“副高”）控制我国华东、华中大部分区域，北侧伸至32°N，西伸脊点位于112°E附近，副高西侧外围西南暖湿气流由南向北不断输送水汽；20：00［图3（b）］，副高北抬，南北两支高空槽叠加并向东发展至陕西西部，榆林地区降水开始。与此同时，700 hPa西南气流增强，风速最大达12 m·s－1，低空急流明显，水汽和不稳定能量不断输送至陕西北部并出现辐合，水汽通量散度在 －5×10－6g·hPa－1·cm－2·s－1以上，为降水的发生提供充足的水汽和动力条件；陕北北部与内蒙古交界处存在低涡切变，榆林地区位于切变线南侧强降水发生发展区域［图3（c）］。可见，高空槽东移和西南暖湿气流输送引发了此次暴雨。26日02：00降水最强时段［图3（d）］，200 hPa高空急流东移，急流中心位于我国东北地区；700 hPa西南气流持续增强，最大风速达14 m·s－1以上，榆林处于高空急流入口区右侧和低空急流左前方，高低空急流耦合造成大暴雨。26日08：00（图略），高空槽东移出陕西，榆林地区降水减弱。

图2 2017年7月25日10：00至26日10：00陕西榆林地区24 h累计降水量（a，单位：mm）和绥德四十里铺站逐小时降水量（b）Fig.2 The 24－hour accumulative precipitation in Yulin of Shaanxi Province from 10：00 BST 25 to 10：00 BST 26 July 2017（a，Unit：mm）and hourly precipitation at Sishilipu station of Suide（b）

图3 2017年7月25日08：00（a）、20：00（b、c）和26日02：00（d）500 hPa高度场（蓝色线条，单位：dagpm）及风场（风向杆，单位：m·s－1）（a，b）和700 hPa高度场（蓝色线条，单位：dagpm）、风场（风向杆，单位：m·s－1）、水汽通量散度（阴影，单位：10－5 g·hPa－1·cm－2·s－1）及200 hPa风场（红色箭头，单位：m·s－1）（c，d）（黑色方框为降水区域，黑色实线为切变线）Fig.3 The 500 hPa geopotential height field（blue lines，Unit：dagpm）and wind field（wind shafts，Unit：m·s－1）（a，b），and 700 hPa geopotential height field（blue lines，Unit：dagpm），wind field（wind shafts，Unit：m·s－1），water vapor flux divergence（shadows，Unit：10－5 g·hPa－1·cm－2·s－1）and 200 hPa wind field（red arrows，Unit：m·s－1）（c，d）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b，c）25 and 02：00 BST 26（d）July 2017（the black box for the rainfall area，the black solid line for the shear line）

3 暴雨三维风场结构特征

根据子洲和绥德两县降水演变特征，选取25日20：35、21：33和26日01：50、05：37时次的三维风场进行分析，分别对应暴雨开始、发展、最强和减弱4个阶段。

3.1 开始阶段

25日20：35 ，孤立的雷暴单体强回波开始进入榆林子洲地区，1.5 km高度上 109.96°E以西、37.46°N以南强回波区存在偏北与偏南气流形成的风切变，水平最大风速达20 m·s－1，其余大部地区受偏南气流控制［图4（a）］；3.0 km高度切变位置相比1.5 km高度向东延伸至109.96°E，强回波区位于切变线西侧，利于降水向东发展［图4（b）］；5.0 km高度切变位置相比3.0 km高度向东北方向延伸［图4（c）］。可见，切变线向东北方向倾斜，利于降水向东北方向发展。

沿109.81°E强回波中心的经向垂直剖面［图4（d）］显示，强回波伸至 9 km附近，60 dBZ以上的强回波中心分布在3～7 km之间；2.0 km以下，37.46°N附近下沉气流与上升气流交汇，下沉气流迫使暖湿空气向北倾斜抬升，利于降水向北发展，而上升气流倾斜则迫使雨滴降落时可以快速脱离主体，利于上升气流强度的维持，从而使得降水得以发展持续。与此同时，37.66°N附近近地面下沉气流与上升气流交汇，迫使37.61°N和37.71°N附近强回波（40～50 dBZ）向北发展。

3.2 发展阶段

25日21：33 ，降水强度不断增强，60 dBZ以上的雷暴单体强回波向东北方向移动，覆盖了子洲大部分区域。1.5 km和3.0 km高度［图5（a）、图5（b）］上，109.96°E以东、37.51°N附近偏北气流与西南气流形成低空风切变，其他大部分地区受偏南气流控制，水平风速最大达18 m·s－1，强回波区位于切变线西侧，降水进一步向东发展；5.0 km高度上，60 dBZ以上强回波范围有所扩大，110.06°E附近偏北风与东南风形成风切变，强回波伴随切变线向东北发展［图5（c）］。沿109.91°E强回波中心的经向垂直剖面［图5（d）］显示，雷暴单体回波顶高升至12 km附近，相比前一阶段60 dBZ以上强回波升高至8 km附近，且范围明显增大，37.71°N附近出现多个小范围50 dBZ以上强回波中心，雷暴单体内部气流增强；2.0 km以下，37.66°N附近下沉气流与上升气流交汇，强回波北扩继续发展。

3.3 最强阶段

26日01：50 ，降水强度达到最大，子洲附近的雷暴单体减弱，并与西部北移的带状回波东移形成混合型回波，覆盖榆林东南部地区。1.5 km和3.0 km高度上，偏北与偏南气流形成的切变线，其位置相比上一阶段向东南方向延伸［图6（a）、图6（b）］；相比前两个阶段，5.0 km高度强回波区明显减小，且强回波位置有所下降，此时开始出现暴雨［图6（c）］，02：00子洲站小时雨量达到最大52 mm。

沿110.06°E强回波中心的经向垂直剖面［图6（d）］显示，回波顶高度下降，55 dBZ以上的强回波消失，50～55 dBZ的强回波下降至4.0 km以下；37.51°N附近，2.0 km以下下沉气流与上升气流辐合并向南发展。强回波中心整体受上升气流控制，与上一阶段相比，北边上升气流明显减弱，且回波顶部下沉气流逐渐增强。

3.4 减弱阶段

26日05：37 ，降水明显减弱，50 dBZ以上强回波向东南方向移出子洲、绥德地区。1.5 km高度上［图7（a）］，37.41°N以北大部地区的偏南气流明显减弱，且 110.06°E附近切变线位置南移；3.0 km高度上［图7（b）］，大部分地区受偏北气流控制，切变线已移出子洲和绥德地区，不利于降水持续。沿110.06°E强回波中心的经向垂直剖面［图7（c）］显示，50 dBZ以上强回波消失，40～50 dBZ强回波向东南方向移动，且南边上升气流增强，北边上升气流减弱、下沉气流增强，降水逐渐移出子洲和绥德地区并向东南方向发展。

图4 2017年7月25日20：35榆林东南部地区1.5 km（a）、3.0 km（b）、5.0 km（c）高度延安－榆林站雷达回波强度（阴影，单位：dBZ）和反演风场（箭头，单位：m·s－1）及其沿109.81°E强回波中心的经向垂直剖面（d）Fig.4 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at 1.5 km（a），3.0 km（b），5.0 km（c）height，and their meridional vertical section along the strong echo centre of 109.81°E（d）over southeastern Yulin of Shaanxi at 20：35 BST July 25，2017

图5 2017年7月25日21：33榆林东南部地区1.5 km（a）、3.0 km（b）、5.0 km（c）高度延安－榆林站雷达回波强度（阴影，单位：dBZ）和反演风场（箭头，单位：m·s－1）及其沿109.91°E强回波中心的经向垂直剖面（d）Fig.5 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at height of 1.5 km（a），3.0 km（b），5.0 km（c），and their meridional vertical section along the strong echo centre of 109.91°E（d）over southeastern Yulin of Shaanxi at 21：33 BST July 25，2017

图6 2017年7月26日01：50榆林东南部地区1.5 km（a）、3.0 km（b）、5.0 km（c）高度延安－榆林站雷达回波强度（阴影，单位：dBZ）和反演的风场（箭头，单位：m·s－1）及其沿110.06°E强回波中心的经向垂直剖面（d）Fig.6 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at height of 1.5 km（a），3.0 km（b），5.0 km（c），and their meridional vertical section along the strong echo centre of 110.06°E（d）over southeastern Yulin of Shaanxi at 01：50 BST July 26，2017

图7 2017年7月26日05：37榆林东南部地区1.5 km（a）、3.0 km（b）高度延安－榆林站雷达回波强度（阴影，单位：dBZ）和反演的风场（箭头，单位：m·s－1）及其沿110.06°E强回波中心的经向垂直剖面（c）Fig.7 The echo intensity（shadows，Unit：dBZ）and retrieved wind field（arrows，Unit：m·s－1）of radar at Yan’an and Yulin stations at height of 1.5 km（a），3.0 km（b），and their meridional vertical section along the strong echo centre of 110.06°E（c）over southeastern Yulin of Shaanxi at 05：37 BST July 26，2017

4 结 论

（1）此次暴雨过程主要受500 hPa高空槽、700 hPa西南低空急流和700 hPa切变线共同影响。700 hPa西南低空急流带来大量水汽和不稳定能量，促使强降水发生和维持，而500 hPa高空槽东移为降水发展提供动力条件，700 hPa切变线利于大气上升运动增强。榆林地区处于水汽和动力最有利于强降水发生发展区域。

（2）双雷达反演的风场能够反映降水开始、发展和消散过程中子洲、绥德地区风场的三维结构特征。开始阶段，子洲附近地区存在低空急流，气流呈上升运动，切变线位于强回波区东北侧，降水向东北方向发展；发展阶段，偏南气流不断增强，雷暴单体内部上升气流增强，强回波伴随切变线向东北方向移动；最强阶段，切变位置向东南方向移动，并有进一步南压之势，上升气流明显减弱，回波顶部下沉气流有所增强；减弱阶段，偏南气流减弱，偏北气流占据主导，出现明显下沉气流，强回波高度降低，且向东南方向逐渐消散，降水减弱。可见，双雷达反演的三维风场结构对暴雨的精细化特征分析有较好的参考价值。

与单雷达反演的径向速度单一分量相比，双雷达反演的风场能够更直观展示风场的各分量，即风场的三维结构特征。然而，三维风场的反演依赖于较多的假设条件，如雷达波速的传播方式、双雷达同时探测到各点的径向速度、降水粒子下落末速度计算条件，以及反演点相对于双雷达的位置等，这些局限性还需要伴随着雷达探测技术的发展陆续解决。