2012年 7月陕西北部连续 3次大暴雨过程对比分析

2013-06-18李强

陕西气象 2013年2期

关键词：涡度榆林市急流

李强

(榆林市气象局,陕西榆林 719000)

2012年 7月陕西北部连续 3次大暴雨过程对比分析

李强

(榆林市气象局,陕西榆林 719000)

利用常规气象资料和 N CEP1°×1°再分析产品以及雷达回波资料 ,对陕西北部榆林市 2012年 7月 14— 28日 3次大暴雨天气过程进行分析表明 ,华北冷涡后部有强冷平流,850 hPa偏南风较大,气层有较强的垂直风切变,可引起陕北北部局地突发性大暴雨;雷达回波显示反射率突然增强到 60 dBz以上,并有中气旋出现;副高西伸北抬,其外围形成较强的西南风急流到达陕北北部,当有西风槽东移或有北路冷空气下滑时,触发陕北北部区域性大暴雨;大暴雨前期对应有假相当位温高能区、高位涡和能量锋,散度、涡度、垂直速度均较一般暴雨量级明显偏大;来自东海、南海及孟加拉湾的水汽均是大暴雨的水汽来源。

陕西北部;大暴雨;中气旋

陕西省榆林市地处西北内陆腹地,暴雨年均不足一次,大暴雨出现概率极低,而且局地性强,所以预报难度更大。研究表明[1-5],盛夏 7— 9月副高北抬到 25°N～ 30°N,中低层水汽和能量输送比较充沛,当有西风槽或高原槽东移时与副高外围的西南暖湿气流相遇,容易在本地产生局地暴雨,造成洪涝灾害。

2012年 7月 14— 15日,陕西北部榆林市出现强对流天气 (以下简称 7◦ 14暴雨),绥德县 15日 00— 03时,义合、满堂川两个乡镇降水量分别达到 100.4 mm、111.0 mm。 7月 20— 21日 ,陕北再降大到暴雨 (以下简称 7◦ 21暴雨),榆林市16个乡镇降水量超过 100 mm,神木中鸡镇最大降水量 142.5 mm,府谷县城降水量达 125.2 mm。 27— 28日 (以下简称 7◦ 27暴雨),榆林市26个乡镇雨量大于 100 mm,榆林城区雨量156.8 mm,佳县县城雨量最大,达 279.2 mm,其中 27日降水量 221.9 mm,是榆林市有气象观测记录以来的最大日降水量。半月内连续 3次大暴雨在陕北历史上较为少见,也造成重大洪涝灾害和人员财产损失。通过分析这 3次大降水的环流形势、水汽输送、物理量等特征,有助于进一步认识陕西北部大暴雨的形成机理。

1 环流形势

1.1 7◦ 14暴雨

7月 14日 08时,亚洲中高纬度 500 hPa为一高两低型,新疆到河西为高脊,脊线位于 100°N附近,巴湖和华北为低涡,冷中心最低气温分别为-13oC和-9oC,榆林处于华北冷涡后部偏北气流中,环流径向度较大,偏北风速达到 8～ 12 m/s,-8oC线位于延安以北。700 hPa榆林上空也维持 6～8 m/s的北风,榆林北部形成 306 dagpm闭合低中心,配合有 8oC的冷中心。 850 hPa榆林西部有 23oC暖中心,并在榆林中部形成横切变。300 hPa高空急流分为两支,一支位于45°N,一支位于 35°N,副高位于 130°E以东。 14时地面图上,榆林为热低压控制,北部有弱冷空气活动。14日 20时,新疆高脊东移,华北冷涡加深,陕北上空处于涡后脊前较强的偏北气流,冷平流加强(图 1a),延安探空站 T-lnp图显示,700～250 hPa均为对流不稳定区,湿对流有效位能CAPE达 1 241.4 J/kg,700hPa以下为较弱的稳定层结,非常有利于对流的触发和加强。850 hPa以下为暖湿气团,低层暖平流与高层冷平流叠加,使对流不稳定加强,地面有弱冷锋过境,触发形成局地突发性大暴雨。

1.2 7◦ 21暴雨

7月 20日 08时 300 hPa高空图,亚洲40°N附近为平直西风气流。20时,河套北部形成高空急流≥40 m/s,陕北处于急流南侧。500 hPa贝湖有低涡南压,副高 588 dagpm线西伸到 116°E,584 dagpm线西伸到 95°E(图 1b)。700 hPa陕北形成风速≥15 m/s的西南风低空急流,高低空急流耦合,有利于暴雨区的垂直运动发展,同时贝湖冷涡底部冷空气南下,与副高外围西南暖湿气流在陕北北部交汇,形成斜压不稳定的大气层结。21日 14时,700 hPa低空急流左侧形成 306 dapgm闭合中尺度低压,中心位于榆林北部的府谷和神木县,低压中心强烈的上升运动和强辐合形成了本次大暴雨。

1.3 7◦ 27暴雨

7月 26日 08时 300 hPa中纬度为平直气流,高空急流位于 95°E以西,27日 02时,高空急流向东发展,风速增大到 35 m/s,陕北位于高空急流的南侧。500 hPa副高 588 dagpm线西伸到 110°E,脊线位于 35°N,584 dagpm线穿过陕北(图 1c),同时西风带有短波槽东移。700 hPa副高外围西南低空急流风速达 12 m/s,并在陕北形成风向风速辐合。850 hPa有较强的东南风配合,风速＞8 m/s,500 hPa槽前正涡度与低层风场辐合叠加,形成了低层辐合高层辐散的垂直分布,再加上副高外围持续的水汽输送,是持续性大暴雨天气形成的主要物理条件。

图 1 2012年 7月榆林 3次大暴雨 500hPa环流形势 (单位:dagpm)及风场 (单位:m/s)(a 14T20;b 21T08;c 27T08)

3次大暴雨的环流形势共同点是都有高空急流,后两次大暴雨都有低空急流。不同点是:7◦14下暖上冷的对流不稳定层结,导致强对流天气形成局地大暴雨;7◦ 21暴雨是副高冷涡型,即副高加强西伸,其外围形成西南低空急流,与贝湖冷涡底部冷空气在陕北北部形成对峙,导致 700 hPa有低值系统生成,触发陕北北部区域性大暴雨。 7◦ 27暴雨是副高西风槽型,即副高 588 dagpm线稳定在 118°E,其外围有较强的西南风急流维持在陕北,西风带为平直西风气流多短波槽活动,冷空气较弱,大暴雨形成的主要物理机制是中低层水汽和热量丰富,并在较强的风场辐合。850 hPa偏东气流为暴雨区提供了更多的高能高湿条件,形成持续两天的大暴雨。

2 低空急流

以往的研究表明,大暴雨通常有低空急流输送水汽[2]。3次大暴雨过程中,7◦ 14暴雨没有低空急流,副高偏东,陕北地区处在华北低涡底部的偏北气流中,700 hPa以上均为西北气流,只有850 hPa有＞ 8 m/s的偏南风 (图 2a),大暴雨出现在南风大风区的东侧。 7◦ 21暴雨副高西伸加强,其外围形成＞11 m/s的西南风急流 (图 2b),大暴雨出现在低空急流的北侧;7◦27暴雨低空急流最大达到 16 m/s(图 2c),先有急流建立,然后降水开始,降水区位于急流的东北侧,由于急流持续时间长,而且强度一直维持 16 m/s,所以大暴雨持续时间长达 2 d。

图 2 2012年 7月榆林 3次大暴雨中低层风场及全风速 (单位:m/s)

3 水汽输送

大暴雨需要较强的水汽辐合[6-7],陕北地处西北内陆腹地,海洋水汽很难远距离输送,3次大暴雨范围、强度、持续时间均不相同,与水汽通量及水汽辐合密切相关。

7月 14日 20时 700 hPa从四川到陕北有一条水汽通道,最大水汽通量 7 g/(cm◦ hPa◦ s),水汽通量辐合偏南,位于陕北南部,辐合值达-1.5× 10-7g/(cm2◦ hPa◦ s)(图 3)。 850 hPa水汽通量辐合达 -4× 10-7g/(cm2◦ hPa◦ s),正好位于陕北。 7◦ 21暴雨在 700 hPa明显有两条水汽通道,一是西南急流携带大量水汽到达陕北,水汽通量最大值达 16 g/(cm◦ hPa◦ s),二是南风气流携带的水汽与西南气流在陕北合并,水汽通量辐合达到-14×10-7g/(cm2◦ hPa◦ s),700和 850 hPa都有辐合区与大暴雨区对应,辐合层较厚 (图 4)。7◦ 27暴雨有 3条水汽通道 (图 5),分别来自西南、南和东南,水汽通量最大层在 850 hPa,通量最大值为 14g/(cm◦ hPa◦ s),主要辐合层在 700～ 500 hPa,辐合最强为-1.5×10-7g/(cm2◦ hPa◦ s)。

可以看出,7◦ 14暴雨只有一条水汽通道,水汽通量并不大,但是辐合较强,辐合层在 850 hPa,所以大暴雨范围很小;7◦ 21暴雨有两个水汽通道,水汽通量最大,辐合特别强,辐合层在850～ 700 hPa之间,所以暴雨范围较大,量级也较大;7◦ 27暴雨有 3个水汽通道,水汽辐合没有前两次强,但辐合层较厚,850～ 500 hPa均为辐合层,而且 500 hPa辐合最强,该次过程降水量最大,持续时间最长。

图 3 2012-07-14T20水汽通量 (g/(cm◦ hPa◦ s))和水汽通量散度 (阴影区 10-7g/(cm2◦ hPa◦ s))

图 4 2012-07-21T08水汽通量 (g/(cm◦ hPa◦ s))和水汽通量散度 (阴影区 10-7g/(cm2◦ hPa◦ s))

4 物理量场

4.1 散度和涡度

7◦ 14暴雨前期 850～ 500 hPa散度均为辐合,20时达到最大为 -30× 10-6s-1,高层 300 hPa有辐散中心＞ 20× 10-6s-1(图 6a)。7◦ 21暴雨散度场表现为 21日 02时 850～500 hPa各层辐合显著增强,辐合区位置基本重叠,各层辐合值均＜-40× 10-6s-1。具有辐合层厚,辐合强的特点,同时高层 300hPa辐散值达到 60×10-6s-1(图 6b)。 7◦ 27暴雨低层到 500 hPa均为较强辐合,300 hPa辐散＞ 20×10-6s-1(图 6c),低层辐合高层辐散的配置从 27日 08时持续到 20时,暴雨区随着辐合辐散区的位置从佳县向北移动到府谷。

3次大暴雨均对应有高层辐散低层辐合,而且辐合中心与辐散中心基本重合,7◦ 14暴雨中心位于辐合区左侧,7◦ 21暴雨中心位于辐合区中心,7◦ 27暴雨中心位于辐合区东侧,辐合辐散的量级越大,降水越大。暴雨的强度基本与辐合辐散增强同步。

500 hPa涡度场上,3次大暴雨均对应有较强的正涡度中心,而且量级也比较大 (图略),7◦14暴雨 500 hPa涡度为 70×10-6s-1,7◦ 21暴雨涡度达 100× 10-6s-1,7◦ 27暴雨涡度达 80×10-6s-1。

图 6 2012年 7月榆林 3次大暴雨过程 700hPa散度场 (点线)和 300hPa散度场 (实线 )叠加图(a 14T20,b 21T02,c 27T20;单位为 10-6s-1;黑点为大暴雨中心位置)

与普通暴雨相比,大暴雨在散度和涡度场表现为更明显的辐合和气旋性旋转,量级也较大,特别是高层辐散的抽吸作用对气柱垂直运动的影响较大。

4.2 垂直速度

7◦ 14暴雨在垂直运动场表现为地面至 400 hPa均为上升运动,垂直速度为-1.1 Pa/s,最大垂直运动中心位于 850～ 700 hPa。 7◦ 21暴雨期间的垂直运动表现为整层均为上升运动,最大值达到-2 Pa/s,中心位于 400～600 hPa之间。7◦27暴雨表现为从低层到高层垂直速度增大,低层为-0.4 Pa/s,高层为-1.8 Pa/s,垂直运动伸展高度更高。

3次大暴雨均表现为较强的上升运动,垂直速度均小于-1 Pa/s,比普通降水大一个数量级。7◦ 14和 7◦ 27暴雨有明显的次级环流,加强了垂直运动发展 (图 7)。

图 7 2012年 7月榆林 3次大暴雨过程沿 39°N垂直速度剖面图 (a14T14,b21T08,c27T20;单位为 Pa/s)

4.3 假相当位温和位涡

盛夏大暴雨的发生常常对应中低层有高能区[8-9]。分析 3次大暴雨发生期间的假相当位温场可以看出,7◦ 14暴雨在发生前期即 14日 08时就有高能舌从四川伸向陕北,中心假相当位温达65oC以上,高能舌一直稳定在陕北北部。7◦ 21和7◦ 27暴雨假相当位温达 80oC。 3次大暴雨发生前期都有相对湿度＜50%的干冷空气从高层侵入到 500 hPa高能区,形成斜压不稳定或者能量锋区,成为大暴雨的触发机制。

7◦ 14暴雨在 14日 20时,高层到 650hPa有高位涡区向下传递,并在暴雨区上空 650 hPa附近与假相当位温高值区形成小尺度的斜压不稳定层结 (图 8a),加上垂直上升运动的发展,形成了局地大暴雨。 7◦ 21大暴雨在 20日 20时,600 hPa以下为高能区,假相当位温＞70oC,高位涡侵入到 700 hPa,中心＞ 0.3 PVU(图 8b),比 7◦ 14暴雨位涡数值大,范围也大,斜压扰动更强,产生的大暴雨范围大,持续时间长。7◦ 27暴雨在26日 20时,40°N附近有明显的能量锋区向南斜升到 400 hPa,冷区一侧既是能量低值区,也是位涡高值区,水平方向表现为斜压不稳定,垂直方向表现为位势不稳定 (图 8c),在它们的共同作用下,导致了大暴雨天气。

图 8 2012年 7月 3次大暴雨过程假相当位温 (实线,单位为oC)和位涡 (虚线;单位为 PV U)沿暴雨中心经向剖面叠加 (a 14T20,b 20T20,c 26T20;黑三角为大暴雨中心)

3次大暴雨均表现为具有高位涡特征的冷空气与低层暖湿空气的配置,形成有利于暴雨的中尺度热力和动力系统。

5 雷达回波

7◦ 14大暴雨在雷达回波上表现为 3个单体回波依次加强影响暴雨区(图 9),第一个回波在14日 14:17(本小节时间为世界时)于绥德局地生成的单体对流回波 a,反射率＜50 dBz;14:47在其左侧新生一单体对流回波 b,反射率强度＞60 dBz,对应地面出现冰雹和强降水;15:18单体 a减弱,b增强,反射率＞ 65 dBz,15:48回波 b向后侧传播增强,16:01回波达到最强,＞ 55 dBz区域有 20×10 km2,回波 b造成绥德部分乡镇出现冰雹和局地暴雨,其中满堂川 2小时降水量达 97.2 mm;17:21从上游移来＞65 dBz回波单体再次影响绥德县部分乡镇。

回波 b在径向速度场上表现出了中气旋的特征(图 10),15:48回波 b向后传播增强,速度场上对应中气旋开始生成,15:55中气旋发展成熟,16:01减弱,中气旋直径为 12 km,最大风速＞20 m/s,垂直高度位于 2.5～ 4.5 km,0.5°和 1.5°仰角可见,维持时间 3个体扫,即＞ 13 min。

7◦ 21暴雨和 7◦ 27暴雨的雷达回波为大片层状云回波(图略),组合反射率最大为 55 dBz,回波大值区呈列车效应经过大暴雨区,速度场上可以明显地看到急流存在,回波大值区出现在急流轴上。