西北涡作用下陕西一次强降水过程成因分析

彭 力，徐浩天，刘嘉慧敏，王 琳，倪 闻

(1.铜川市气象局，陕西铜川 727000；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3.陕西省气象台，西安 710014)

西北涡是指青海柴达木盆地东部及甘肃东南地区一带的低涡环流，夏季西北涡发展东移常常造成陕西省盛夏暴雨天气[1]。荣涛[2]统计了柴达木低涡的特征概况，归纳出了柴达木低涡发生、发展的演变规律；丁治英等[3]对一次西北涡的数值模拟，发现了低涡生成与地形和高低层系统的活动关系密切；对于陕西暴雨而言，侯建忠等[4]在2006年就统计指出陕西的极端暴雨与近海台风关系密切，其相关率接近 87%；张雅斌等[5-8]通过个例分析，研究了远距离台风对陕西暴雨的作用，认为远距离台风和陕西暴雨区低层存在水汽和能量输送通道；近年来，李明等[9-10]对西北涡和台风之间的相互作用进行了研究，揭示了西北涡造成的暴雨与远距离台风之间的关系，远距离台风和西北涡相互作用，改变了西北涡的斜压结构、温湿结构和动量结构，增强了西北涡附近对流不稳定程度和动力抬升作用。西北涡作为高原低涡的一种，是陕西夏季的主要灾害性天气系统之一。西北涡与登陆台风相互作用引发的暴雨天气比较少见，是气象学者研究关注的重点，本文对一次西北涡东移造成的暴雨天气进行研究，主要针对西北涡东移发展中的增强机制和降水成因进行分析。

1 资料方法

所用资料为2019年8月1日20时—4日08时地面常规气象观测资料、高空常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料、FY静止卫星云顶亮温资料等。

2 天气实况特征

受西北涡东移发展影响，2019年8月2—4日陕西省自西向东出现了一次大范围强降水天气，强降雨主要出现在陕北、关中北部、陕南西部等地。2日08时—4日08时共43个气象监测站累计雨量超过100 mm,289个站超过50 mm。分析降水逐小时演变发现，此次降水主要时段出现在3日凌晨至4日凌晨，降水过程出现2个暴雨日。2日08时—3日08时，强降水主要出现在关中北部、陕南西部，降水强度大且分布较为分散，最大小时雨强59.4 mm/h，3日08时—4日08时，强降水主要出现在陕北，降水范围广、持续时间长，降水伴随对流性特征。

3 主要环流形势及西北涡发展演变

200 hPa天气图上,1日20时—4日08时，南亚高压主体位于青藏高原南侧，甘肃东部、宁夏、陕西位于南亚高压北侧的分流辐散区，高层辐散有利于上升运动的发展维持。500 hPa上, 1日20时亚洲中高纬度呈“两槽一脊”的环流形势，新疆北部和东北地区受低槽影响，河套北部受弱高压脊控制，中低纬度，高原东部有短波槽东移，副热带高压主体位于日本海上，脊线位于30°N附近，台风“韦帕”中心位于雷州半岛附近，逐渐向北偏西方向移动并减弱为热带风暴。2日08时—4日08时，新疆北部低槽发展东移，高原短波槽东移发展加深，在甘肃—宁夏交界处发展为低涡，副高不断西伸北抬，“韦帕”继续西移，进入北部湾，宁夏附近的低涡沿副高西侧向东北方向缓慢移动。700 hPa上，1日20时—2日08时位于甘肃东部的暖式切变线逐渐发展为闭合的低涡环流，西北涡逐渐形成。2日08时—4日08时，在500 hPa偏南气流的引导下，西北涡向东北方向移动(图1a)，其前部的西南气流不断加强，西南风急流将华南沿海的暖湿气流向北输送，在西北涡中心辐合，西北涡不断发展；西北涡途经甘肃东部—宁夏—陕北—内蒙古中部，造成了大范围强降水天气。4日08时，西北涡中心移出陕西，陕北强降水停止。

用700 hPa西北涡中心垂直涡度表示其强度，分析2日08时—4日08时西北涡中心附近的垂直涡度(图1b)发现，西北涡向东北移动的过程中，中心涡度持续增大，西北涡不断增强。2日08时，西北涡中心附近涡度为4×10-5s-1,3日08时，中心涡度达到10×10-5s-1, 这一阶段，西北涡发展迅速。3日08时—4日08时，西北涡中心涡度持续增大，从10×10-5s-1增加到12×10-5s-1，相比前一阶段，这一阶段西北涡发展较为缓慢。以下将针对此次西北涡东移中的增强机制和降水成因进行分析。

图1 2019-08-02T08—04T08 700 hPa西北涡中心移动路径(a，数字为日和时)和西北涡中心附近涡度变化(b，单位为10-5 s-1)

4 西北涡增强机制

2日08时—4日08时，500 hPa上新疆北部低槽发展东移，引导冷空气南下，副高持续西伸北抬，宁夏附近的低涡向东北方向缓慢移动并不断发展，低涡前部的正涡度平流促使低层减压，西北涡逐渐形成。随着西北涡与副高之间气压梯度加强，西北涡前偏南风不断加大，西南风急流不断向低涡中心输送水汽及能量，西北涡不断发展。200 hPa上，西北涡上空处于南亚高压北侧的分流辐散区，高层辐散利于西北涡进一步增强。

武麦凤等[5]研究发现台风和西北涡相互作用，能够改变西北涡的结构，促进西北涡自身加强和发展。此次西北涡东移发展过程与副高和台风“韦帕”有着密切的关系，1日20时—3日08时，副高西伸北抬，“韦帕”西移进入北部湾。700 hPa流场和风速图上，1日20时(图略)，甘肃东部与四川交界处为暖式切变线，“韦帕”东侧的东南气流与副高西侧的东南气流汇合，在四川盆地东部转向北输送。2日08时(图2a)，西北涡在甘肃东部形成，汇合后的气流向西北涡南部输送,伴随副高西伸北抬，西北涡与副高之间气压梯度加强，汇合后的偏南气流不断加大，2日14时在甘肃与陕南交界处达到急流标准，最大风速12 m/s。3日02时，急流增强到14 m/s，范围也进一步扩大，急流前部存在明显水汽辐合，水汽通量散度达到-3×10-7g/(cm2·hPa·s)，台风附近的水汽和能量随着偏南急流汇入西北涡中，在西北涡前抬升，西北涡迅速发展，这支汇合后的转向偏南气流成为西北涡与台风“韦帕”间联系的重要通道。3日08时(图2b)，副高进一步西伸北抬，连接西北涡和台风间的通道被副高阻断，西北涡发展减慢。台风“韦帕”与副高外围的暖湿气流从华南沿海向北输送，为西北涡发展提供了水汽、能量、动力条件，是此次过程西北涡迅速增强的主要原因。

图2 700 hPa流场和风速(阴影)分布(a 2019-08-02T08；b 2019-08-03T08；黑色圆圈代表西北涡中心)

5 西北涡降水成因

5.1 水汽条件

强降水发生离不开充足的水汽供应，此次降水过程中低层西南风不断增大，水汽输送逐渐增强，低层比湿逐渐增加。1日20时开始，台风“韦帕”西移,副高加强北抬，“韦帕”东侧东南气流与副高西侧东南气流汇合，不断向陕西输送水汽，形成明显的水汽通道。水汽通量和水汽通量散度剖面图上(图略)，水汽辐合从近地面延伸至700 hPa，强的水汽输送和水汽辐合中心位于700 hPa附近。2日08时，700 hPa陕南水汽通量为4～6 g/(cm·hPa·s)，陕北为2 g/(cm·hPa·s)；2日08时—4日08时，西北涡前西南风不断增大，西南急流带来的水汽输送也不断增加；3日02时700 hPa陕南水汽通量达到12 g/(cm·hPa·s)，08时陕北水汽通量(图3b)达到14 g/(cm·hPa·s)，强的水汽输送在3日白天长时间维持。水汽通量散度场上，水汽辐合中心位于西北涡前部，2日20时(图3a)，700 hPa上陕西中南部的水汽辐合达到-2×10-7g/(cm2·hPa·s)，3日08时(图3b)陕北水汽辐合中心达到-5×10-7g/(cm2·hPa·s)，强降水区域与低层水汽辐合区一致，低层强的水汽辐合将低层水汽输送到高层，为强降水提供了有利水汽条件。4日08时后，西北涡移出，陕西上空水汽输送和水汽辐合锐减，强降水停止。

5.2 热力条件及探空资料

假相当位温θse具有保守性，代表大气温湿特征，θse高值代表暖湿空气，表示高能区，θse低值代表冷空气。1日20时开始，低层偏南暖湿气流不断北推，850 hPa陕西中南部θse达到76 ℃，陕北地区θse达到72 ℃,陕西处于θse的高能区，1日20时—3日20时低层高能区长时间维持。2日08时—3日20时，500 hPa宁夏附近低涡发展东移，低涡后部的冷空气叠加在低层暖湿气流之上，陕西上空形成了上冷下暖的位势不稳定层结。850 hPaθse场，来自低涡后、东北冷槽后的两股冷空气与暖湿气流相挤压，2日20时θse场(图4)呈明显的“Ω”型，甘肃东部中心值68 ℃的冷空气侵入陕南西部，造成陕南西部对流性降水。2日20时—3日20时，“Ω”型维持，高能区的能量释放为对流发生提供了能量条件。

图3 700 hPa水汽通量(等值线，单位为g/(hPa·cm·s))和水汽通量散度(阴影,单位为10-7 g/(hPa·cm2·s)分布(a 2019-08-02T20；b 2019-08-03T08；黑色圆圈代表西北涡中心)

图4 2019-08-02T20 850 hPa假相当位温分布(单位为℃)

分析汉中、延安探空资料可以看到：强降水发生前，2日20时汉中、延安站对流有效位能(CAPE)值在1 000 J/kg以上；3日08时，随着强对流发生，不稳定能量释放，CAPE值明显减小，汉中站为100 J/kg，延安站为500 J/kg。强降水开始后，汉中和延安探空曲线呈细长型(图略)，大气湿层深厚。汉中探空站850 hPa以下风随高度逆转，为冷平流，对应甘肃东部侵入的低层冷空气，850～600 hPa为暖平流，600 hPa以上为冷平流；延安站近地层至400 hPa风随高度顺转，为暖平流，400 hPa之上风随高度逆转，存在冷平流，上冷下暖的大气结构加强了大气不稳定度。暖云越厚，越易产生高的降水效率[11]，利用抬升凝结高度与0 ℃高度差可判断暖云厚度。3日08时，汉中站暖云厚度4.1 km,延安站为4.0 km，较厚的暖云有利于短时强降水出现。

5.3 动力条件

陕南强降水主要出现在3日凌晨至3日中午，分析散度叠加垂直速度剖面图可知：3日02时(图5a)，陕南上空辐合区位于925～700 hPa，辐合中心为-4×10-5s-1，700 hPa之上为辐散区，垂直上升中心位于700 hPa,达到-12×10-1Pa/s；3日08时，陕南上空低层辐合，高层辐散维持。结合天气图分析，陕南上空低层辐合与低层切变线对应，高温高湿环境中，地面辐合线触发对流，不稳定能量释放，产生对流性降水，低层辐合和高层辐散的系统配置为降水发生提供了有利的动力条件。

陕北强降水主要出现在3日白天到4日凌晨。3日08时之前，陕北低层受高压影响，850 hPa以下为辐散区；3日白天，西北涡移过陕北；3日14时—4日02时，近地面至700 hPa转为辐合区，700 hPa之上为弱辐散区；3日14时(图5b)，850 hPa辐合中心达到-6×10-5s-1，最大上升运动中心位于700 hPa，中心值达到-22×10-1Pa/s；3日20时，低层辐合中心北移，辐合强度和垂直上升运动减弱，降水强度逐渐减小。结合天气图分析，陕北辐合主要受西北涡造成的低层切变线影响，高层弱辐散进一步加强了上升运动。

5.4 云顶亮温特征

分析云顶亮温(tBB)演变可知：2日08—20时，受地面辐合线触发，陕南上空有tBB为-45～-35 ℃的对流云快速自南向北移动，陕南西部出现弱降水；2日20时，低涡云系已经十分明显，低涡云系后有带状云系发展；2日20时—3日08时，低涡后的带状云系中持续有对流单体生成，在高温高湿环境中，对流单体迅速发展，且移动缓慢，关中北部，陕南西部对流云tBB≤-45 ℃，出现了多站30 mm/h以上的短时强降水，短时强降水主要位于云顶亮温等温线密集处；3日白天，西北涡移过陕北，低涡及带状云系tBB维持在-40～-35 ℃，云系中存在tBB≤-45 ℃对流单体发展，陕南出现分散性对流降水，陕北出现大范围混合性降水；4日05时，低涡云系移出陕西，降水停止。

图5 散度(等值线，单位为10-5 s-1)、垂直速度(阴影，单位为10-1 Pa/s)剖面图(a 2019-08-03T02沿107°E；b 2019-08-03T14沿109°E)

6 结论

(1)此次降水发生在高原槽东移加深，副高西伸北抬的大尺度环流背景下，西北涡是降水产生的主要影响系统，强降水主要位于低涡中心及前部。

(2)西北涡东移过程中不断增强，台风“韦帕”与副高外围的暖湿气流为西北涡迅速增强提供了水汽、能量、动力条件；低层辐合，高层辐散进一步加强了西北涡发展。

(3)西南急流为强降水提供了水汽输送和不稳定能量，陕西处于假相当位温的高能区，大气上冷下暖存在位势不稳定结构；地面辐合线触发不稳定能量释放，陕南出现分散的对流性强降水，受西北涡低层切变线影响，陕北出现系统性强降水；深厚的湿层，较厚的暖云利于短时强降水出现。

(4)低涡降水云系中持续有对流单体生成发展，对流单体tBB≤-45 ℃，短时强降水主要出现在云顶亮温等温线密集处。