一次陕西关中强暴雨环境条件及中尺度系统分析

慕建利,谌云,李泽椿

(1.中国气象局 公共气象服务中心,北京 100081;2.国家气象中心,北京 100081)

一次陕西关中强暴雨环境条件及中尺度系统分析

慕建利1,谌云2,李泽椿2

(1.中国气象局 公共气象服务中心,北京 100081;2.国家气象中心,北京 100081)

综合利用T213再分析资料和高时空分辨率观测资料包括地面区域逐时加密观测资料,对2007年8月8—9日陕西关中特大暴雨过程的环境条件和中尺度系统进行了分析。天气学分析表明:500 hPa西太平洋副热带高压和青藏高原高压形成的高压坝在陕西中部断裂形成东北—西南向切变线、250 hPa西风急流入口区右侧发散场和700 hPa东西向切变线相互配合是特大暴雨形成的有利环境条件;低层风向快速变化使关中暴雨区低空水汽经历了减小—突然增加—快速减小的过程,关中周围水汽通过偏东气流输送至暴雨区为暴雨的发生提供了水汽和位势不稳定条件,而水汽的快速变化又形成关中暴雨的突发性和历时短而强的特征;高空反气旋涡度的发展形成强烈的“抽吸作用”、双圈垂直次级环流和强垂直上升运动及其两侧的弱下沉运动形成的不对称结构是暴雨形成的动力机制。强降水的中尺度特征分析显示:强暴雨是由一个中α尺度对流系统(MαCS)的发生发展产生的,MαCS又是由2个中β尺度对流系统(MβCS)合并发展而成,其内部对流单体的发展合并和独立加强形成岐山、礼泉和高陵3个大暴雨中心,这些对流单体的发展是由地面中尺度辐合系统产生的,强降水的强弱与地面中尺度辐合系统的强弱有很好的对应关系,地面中尺度辐合系统的形成和加强可能是强降水的触发机制和增幅原因之一。

特大暴雨;环境条件;中纬度高压坝;中β尺度对流系统

0 引言

暴雨一直是天气预报和服务的重点,更是预报的难中之难,因此始终是各国气象工作者或学者研究的重要内容之一。国内外气象学者对长江流域、华南、华北等暴雨进行了大量的研究,取得了一系列的科研成果(陆尔和丁一汇,1996;陆尔等,1997;王建捷和郭肖容,1997;Blanchard et al.,1998;薛纪善,1999;陈红和赵思雄,2000;吕艳彬等，2002；孙建华和赵思雄,2002;Jorgensen et al.,2002;Chiao and Lin,2003;Brian,2004;柳艳菊等,2005;Joseph and Sobel,2005;张恒德等,2011;赵玉春等,2011;郭蕊等,2013),揭示了南方中尺度暴雨发生发展的大尺度环境背景和中小尺度的细微结构演变特征。陆尔和丁一汇(1996)、陆尔等(1997)研究指出,江淮持续性特大暴雨的形成不仅与东南季风爆发和活动密切相关,暴雨的维持和结束与西南季风北上南下有直接的关系,强冷空气南下与低纬暖湿气流结合是暴雨形成的重要条件。薛纪善(1999)对华南暴雨研究表明,华南前汛期持续性暴雨是在冷空气、低空西南/南风急流、低纬度环流形势、南海季风共同作用的背景条件下发生的,低空急流的强弱变化与低纬度环流密切相关。冯伍虎等(2001)分析指出,1996年8月3—5日河北特大暴雨发生在西西伯利亚低槽、印度季风、西太平洋副热带高压、西亚副热带高压构成稳定的大型鞍形场的大尺度条件下。陈茂钦和徐海明(2011)对江淮锋面和华南暖区的暴雨对比分析显示,其影响系统均与低空切变线和锋面密切关联,江淮暴雨主要发生在长江中下游的低空切变线的南侧、地面锋面上,华南暴雨主要发生在广东沿海一带的低空切变线南侧、地面锋前强盛的西南气流里。长江中下游暴雨野外科学试验研究中,通过实时观测资料的分析归纳出暴雨中尺度三维结构特征,包括中尺度对流辐合线、中β尺度、中γ尺度的三维结构模型(倪允琪和周秀骥,2006)。Jorgensen et al.(2002)对比分析数值模拟结果与雷达回波资料表明,锋前有明显的狭窄线状回波存在,狭窄回波雨带的垂直分布结构类似于冷池分布结构。陕西暴雨研究也取得了较大进展(刘子臣和张健宏,1995;刘子臣等,1997;梁生俊等,2002;张弘等,2003,2007;杜继稳,2005,2007;井喜等,2005;刘勇,2005;刘勇和张科翔,2005;慕建利等,2005,2006,2009;毕宝贵等,2006;许新田等,2006;王文和程攀,2013)。研究表明,陕西突发性暴雨发生的环流形势在500 hPa上空可分为4种类型,分别为“低槽副高型”、“副高控制型”、“西北气流型”和“中纬度高压坝控制”(杜继稳,2005;慕建利,2006)。低空偏南风急流或偏东风急流(高风速带)将暖湿空气从孟加拉湾、南海和东海输送至陕南,促使不稳定层结的形成,为暴雨区提供了充沛的水汽条件和必要热力条件(毕宝贵等,2006;杜继稳,2007)。高低空急流耦合为强对流发展创造了中尺度环境背景,其形成的次级环流不仅使暴雨区上升运动加强和维持,而且使高低层辐散辐合、水汽输送、不稳定能量建立和释放相结合(刘勇,2005;许新田等,2006),持续的高层辐散、低层辐合的环流配置保证了低层源源不断的水汽辐合并抬升凝结(白涛等,2013),不稳定能量、强散度柱、特强垂直上升运动柱耦合发展是陕南突发大暴雨产生的动力机制(慕建利等,2005)。这些研究不仅在理论上揭示了陕西暴雨形成的条件和原因,而且对指导陕西大范围的、系统性的暴雨预报产生了积极的作用。但是,对于小范围的、突发性的、短历时的强暴雨预报的指导能力甚小,尤其是陕西中部地理环境复杂,大气环流表现为不同的形势,暴雨特别是极端暴雨形成的机理极其复杂,在现有认识和方法的基础上,暴雨预报时有失败或不理想的状况。

2007年8月8日18时—9日02时(北京时间,下同),陕西关中平原出现了50 a来最大的一场暴雨天气过程,过程强降雨集中在短短的5 h之内,降水强度之大为历史罕见,给社会带来严重的经济损失和人员伤亡,西安、宝鸡、咸阳3市发生严重的山洪等地质灾害和城市内涝,致使多条河流洪水暴涨、房屋倒塌、农田被淹,交通瘫痪及人员伤亡等灾难,直接经济损失高达5亿多,死亡9人。而且本次暴雨天气过程突发性强,暴雨发生前没有明显的影响系统和偏南风急流输送水汽和不稳定能量,暴雨区位于“中纬度高压坝控制”之中,给暴雨的预报带来极大的困难,加之对该类暴雨研究极少,预报员很难找到暴雨预报的着眼点,从而使暴雨的预报出现了较大的误差。科学认识暴雨尤其是预报失败或预报误差较大的暴雨的环流特征及其发生发展规律是提高预报能力的必经之路。所以,本文分析研究了该次极端暴雨过程。

1 资料与方法

综合利用T213 0.5625°×0.5625°再分析资料和近年来高时空分辨率观测资料包括陕西240个自动观测站和区域加密观测站逐时降水资料、甘肃自动观测站等全国逐时降水资料、FY-2C卫星等资料,通过天气学、动力学、热力学等诊断计算和分析,对2007年8月8—9日发生在陕西中部一次大暴雨过程进行细致的分析,加深对“中纬度高压坝控制”型的大暴雨形成的环境背景和物理条件、中尺度对流系统的演变特征的认识,揭示该类暴雨发生发展规律和可能的成因,为该类特大暴雨的短时临近预报预警提供思路和预报着眼点,从而提高暴雨的预报准确率和防灾减灾等服务能力。

2 特大暴雨过程雨情分析

2007年8月8—9日,陕西关中出现了一次特大暴雨天气过程。分析陕西240个气象观测站降水量和我国其他区域自动站观测的逐小时降水资料显示,陕西降雨从8日18时开始,9日02时结束,强降雨集中在8日20时—9日01时5 h内,陕西范围内日降水量在暴雨(50 mm)以上的有47站、大暴雨(100 mm)以上的多达12站,其中突破有记录以来的历史极值的有8个气象观测站,且雨强大,如礼泉日降雨量达209.8 mm,小时雨量(95 mm)超过该站日雨量的历史极值(86.1 mm)。暴雨过程以1 h降雨量大于等于10、20、50 mm的降雨站数来表示强降雨范围(图1b),1 h最大降雨量(图1c)表示降雨强度变化,暴雨过程强降雨范围、强度经历突然增大—有所减小—再次增大至最大—突然减小至消失的过程,而且在陕西中部形成东西向的中尺度强降雨带,强降雨带上从西向东先后出现了3个大暴雨中心,其中心日最大降水量分别为187 mm、151 mm和118 mm(图1a),对应降雨强度分别达79 mm/h、95 mm/h、92 mm/h,强降雨在每个大暴雨中心只维持1～2 h(图1d)。

图1 2007年8月8日18时—9日02时降雨量 a.总降雨量(单位:mm);b.逐时降雨站数;c.逐时最大降雨量(单位:mm);d.关中3个暴雨中心逐时降雨量(单位:mm)Fig.1 Precipitaion during 18:00 BST 8 August to 02:00 BST 9 August 2007 a.total precipitation(units:mm);b.station numbers of hourly precipitation;c.hourly maximum precipitation(units:mm);d.hourly precipitation at the three rainstorm centers respectively(units:mm)

图2 2007年8月8日14时(a)和20时(b)250 hPa的位势高度(实线;单位:dagpm)、急流带(阴影;单位:m/s)以及风矢量(箭头;单位:m/s)的分布Fig.2 Geopotential heights(solid line;units:dagpm),jet belts(shaded areas;units:m/s) and wind vector(arrow) at 250 hPa at (a)14:00 BST and (b)20:00 BST 8 August 2007,respectively

图3 2007年8月8日14时(a)和20时(b)的500 hPa高度场分布(单位:dagpm)Fig.3 Geopotential heights at 500 hPa at (a)14:00 BST and (b)20:00 BST 8 August 2007(units:dagpm)

总之,本次暴雨过程,8 h出现了大于150 mm的降雨,超过了12 h降雨量大于等于140 mm的特大暴雨的国家标准,属于特大暴雨过程。由于特大暴雨过程具有发展迅速、降雨强度大、移速快、历时短的特点,造成了宝鸡、咸阳、西安等地发生严重的山洪等灾害,给当地人民带来了巨大的生命和财产损失。据不完全统计,这场特大暴雨仅在关中地区造成9人死亡,直接经济损失5亿元以上。

3 特大暴雨的环流形势特征和物理条件

3.1 环流形势特征

分析显示,本次“中纬度高压带控制型”关中特大暴雨发生在高中低空有利的环境背景下,是高纬度西风带长波槽、中纬度高压坝断裂、低纬度热带低压系统共同作用的结果。250 hPa上,暴雨发生前(图2a),南亚高压东北部向东北发展,高空西风急流加强并从西北—东南向转为近似东西向;暴雨发生时(图2b),南亚高压东北部南缩使其附近的西风转为西北风,它与高空急流轴附近的西风气流形成明显的高空辐散流场。500 hPa上,暴雨发生前(图3a),欧亚高纬度地区为一脊一槽型,雅库茨克至鄂霍次克海为高脊区,雅库茨克以西直至乌拉尔山一带是稳定而宽广的长波槽区,长波槽西南部的槽底一直向东南伸至渤海北侧,中纬度地区西太平洋副热带高压(副高)和青藏高原高压和组成中纬度高压带(坝),低纬度地区为2个热带低压;暴雨发生时(图3b),低纬度地区2个热带低压合并为热带辐合带,高原高压减弱,高压坝断裂,副高和青藏高原高压之间形成东北—西南向的弱切变线,东南气流沿副高东南侧向西北流至四川后,在副高西侧折向北进入陕西南部,又沿副高西北侧向东北上与沿长波槽底部下滑的冷空气相遇,在关中中西部形成辐合,产生强降雨;当青藏高原高压发展加强与副高合并再次形成东西向高压坝时(图略),阻挡了东南侧的东风气流转向北上,强降雨结束。700 hPa上,暴雨发生时(图4b),河套小高压底部东风气流与高原南部低压东侧和副高之间的南风气流在秦岭山区交汇形成东西向切变线,该切变线为本次强暴雨的主要影响系统。追踪分析影响该次关中特大暴雨过程的切变线,暴雨发生前期(图略),高纬度的冷空气不断东南下,迫使位于高原上的低压向东南移动,位于15°N的热带辐合带逐渐北抬,其东部太平洋有热带低压西北上,副高随之北上西进,热带辐合带北缘和副高南侧的东风气流在四川东部和重庆折向沿高原低压东侧北上,与陕北至宁夏的小高压底部的东风气流在六盘山西侧靖远、兰州北侧附近相遇形成东西向切变线,8日14时(图4a),高原低值系统东南移,热带辐合带北侧东风气流转向北的气流发展加强(从2 m/s增加到4～6 m/s)并向西北流去,在靖宁、陇西县的低洼地区形成东北—西南向切变线,并产生对流性降雨,8日20时(图4b),陕北小高压西部南压并向东移动,形成东西向的高压环流,陕北小高压底部的东风气流与高原南部低压东侧和副高之间的南风气流在秦岭山区形成东西向切变线(南风位于秦岭南侧,东风气流位于秦岭北侧的关中平原),东路弱冷空气与东南暖湿气流在关中中西部交汇形成辐合,使大气不稳定加强,并触发了强对流降雨发生。相应地面图上(图略),在高原东部形成的冷锋使西北冷空气在近地层与暖空气交绥,形成强烈的能量锋区和位势不稳定,强对流降雨发生在冷锋中部前沿的冷暖空气交汇且能量锋区最强烈的区域。这不同于华北平原的中尺度对流复合体(MCC)发生在移动性冷锋前的暖区中和南方的MCC常发生在静止锋的西端(慕建利等,2012)。

图4 2007年8月8日14时(a)和20时(b)的700 hPa高度场分布(细实线为高度场,单位:dagpm;粗实线为切变线)Fig.4 Geopotential heights(thin solid line;units:dagpm) and wind field at 700 hPa at (a)14:00 BST and (b)20:00 BST 8 August 2007,respectively(the thick solid line denotes the shear line)

图5 a.暴雨区(107.2～109.4°E,34.1～34.7°N)平均涡度(黑线;单位:10-5 s-1)、平均散度(红线;单位:10-5 s-1)和平均垂直速度(阴影;单位:Pa/s)的高度—时间剖面;b.8日18时—9日02时的降雨量(阴影;单位:mm),8日20时和9日02时的平均300 hPa辐散(黑线;单位:10-5 s-1),850 hPa辐合(红线;单位:10-5 s-1),700 hPa正涡度(绿线;单位:10-5 s-1),以及600 hPa垂直速度(蓝线,单位:Pa/s)Fig.5 a.Height-time cross section of the heveay rainfall region(34.1—34.7°N,107.2—109.4°E) averaged vorticity(black line;units:10-5 s-1),divergence(red line;units:10-5 s-1) and vertical velocity(shaded areas;units:Pa/s);b.Precipitaion during18:00 BST 8 August and 02:00 BST 9 August 2007(shaded areas;units:mm),averaged physical quantities during 20:00 BST 8 August and 02:00 BST 9 August 2007(divergence at 300 hPa(black line,units:10-5 s-1);convergence at 850 hPa(red line,units:10-5 s-1);positive vorticity at 700 hPa(green line,units:10-5 s-1);vertical velocity at 600 hPa(blue line,units:Pa/s))

3.2 物理环境条件

图5a给出了关中特大暴雨发生前后暴雨区平均涡度、散度和垂直速度的垂直演变特征。8日08时,300 hPa以上高层已经存在-3×10-5s-1的负涡度,8日14时发展达最大,中心强度为-8×10-5s-1,位于150 hPa,随后负涡度开始减小,8日15时,正涡度从对流层低层850 hPa开始发展,并向高低层伸展,8日17时,2×10-5s-1的正涡度等值线向上伸展至700 hPa、向下约达900 hPa,8日19时,2×10-5s-1的正涡度等值线向下发展到达地面,向上伸至500 hPa,形成地面到500 hPa的正涡度柱,9日01时,近地层正涡度快速减小,900 hPa以下已经转为负涡度,但中高层仍维持较大的正涡度。对应散度的垂直结构,8日13—15时,暴雨区从低层至高层呈弱辐合—辐散的“双重结构”(张弘等,2003),8日16时,600 hPa附近为无辐散层,其上下为辐散辐合,强度为2×10-5s-1,随后高空辐散快速加强,-2×10-5s-1的低空辐合线加快向高空伸展,8日20时,高空辐散达最大,中心强度增至5×10-5s-1,形成高层辐散明显大于低层辐合的散度柱,对应强降水突然增强,然后高空辐散中心继续下滑并有所减弱,中低空辐合增加,对应降水量有所减小,8日23时,高空辐散中心下降至400 hPa,强度重新增加至4×10-5s-1,低层850 hPa辐合加强到-4×10-5s-1,对应23时、24时降水达最强,9日01时,高空辐散再次达到最大值(5×10-5s-1)、低空辐合此时也达到最大值(-5×10-5s-1),9日02时,-2×10-5s-1辐合线快速下降,强降水结束。相应的垂直速度变化特征,8日13时,垂直上升速度从600 hPa开始发展,然后快速向高低层发展,8日15时发展为整层的垂直上升运动,8日20时,1.0 Pa/s的垂直上升运动伸展至400 hPa,对应降水强度突然猛增,降水量从8日19时29 mm增大至8日20时77 mm,此后垂直上升运动强度缓慢增加,中心位置下降,8日23时—9日02时垂直上升运动中心强度达到最大(1.2 Pa/s),期间降水强度也在增加,降水峰值出现在8日23时(95 mm/h),但增加幅度相对减小,9日02时,垂直上升速度开始减小,但在其后数小时内仍维持较大的上升运动;而边界层垂直上升运动在9日01时减小至0.2 Pa/s,对应强降水结束。

何华和孙绩华(2004)应用p坐标下连续方程探讨了高层散度与垂直速度的关系,说明对流层高层的“抽吸作用”形成过程。本次关中特大暴雨是在散度、涡度和垂直运动相互耦合发展的有利条件下发生的。强降水发生前,首先300 hPa以上出现明显的负涡度发展加强,高空气流发散(辐散),产生垂直上升运动,起到高层“抽气”作用,使300 hPa以下的空气向上补充,低层气压降低,形成低层辐合,随着高空反气旋涡度的进一步增强,高空辐散的增幅大于中低层辐合的增幅,造成对流层高层强烈的“抽吸作用”,使垂直上升运动发展加强,上升运动的发展抬升,使低层辐合增厚,中低层气旋性涡度加强并向高层伸展,它们相互作用下继续发展;暴雨开始时,高层辐散达到最大(5×10-5s-1),500 hPa以下形成了正涡度柱和辐合柱,从而使降雨增幅猛烈加强,降雨强度达77 mm/h,但此时高空辐散明显强于低空辐合,使“抽吸作用”继续,由此垂直上升运动继续加强,中低层涡度、散度也随之加强,降雨也继续增大,到暴雨强盛期,高空辐散、低空辐合和低空正涡度同时达最大,但高、低空辐散、辐合势力相当,“抽吸作用”减退,垂直上升运动快速减弱,同时,边界层出现了负涡度,从而使强降雨结束。图5b是8日18时—9日02时暴雨过程总降雨量和8日20时与9日02时的平均300 hPa辐散、700 hPa正涡度、850 hPa辐合、600 hPa垂直上升速度最大中心所在层次的水平分布,可见,各物理量大中心区域并非重合,强降雨不是发生在某一物理量的中心区域,而是发生在各物理量大值中心间的交界处,进一步说明强降雨是在不同物理量有利配置下发生的,各种物理量的相互耦合发展为大暴雨的发生提供了有利的动力环境条件。

在这样一种大气动力环境条件下,暴雨区水汽条件是如何形成的?分析水汽条件发现,本次暴雨过程水汽比较浅薄(78%的水汽含量集中在700 hPa以下),暴雨发生前湿度没有增加反而减小,不利暴雨的发生,但暴雨即将来临时,低层西南风突然转为东风,将河南附近的水汽快速向西输送至暴雨区,使暴雨区湿度突然猛增,形成了暴雨所需的高湿和很强的水汽辐合条件。

图6 850 hPa比湿(单位:g/kg)和风场(风羽) a.8日08时;b.8日14时;c.8日20时;d.9日02时Fig.6 Specific humidity(solid lines;units:g/kg) and wind fields(bar) at 850 hPa a.08:00 BST 8 August 2007;b.14:00 BST 8 August 2007;c.20:00 BST 8 August 2007;d.02:00 BST 9 August 2007

图6给出了暴雨发生前后850 hPa比湿场和风场的变化。关中暴雨区周围具有高湿区和低湿区(干区)的不均匀分布特征,暴雨区及其西南部的四川为一高湿区,沿副高西北侧也为一条相对高湿带,高湿带上有3个16～18 g/kg的相对高湿中心,暴雨区周围其他地方湿度相对较低,尤其是黄河拐弯处附近有一个中心为13 g/kg的低湿区。暴雨区湿度经历了先减小、然后突然增大、又减小的过程,这一变化特征与河套小高压、副高和热带辐合带的发展演变密切相关。8日08时(图6a),四川到陕南西部、关中西部为东北北—西南南向的高湿带,其中有2个大值中心,1个位于秦岭山区,中心值为21 g/kg,1个位于四川东部,其中心值为23 g/kg;关中暴雨区东部河南有一个中心为18 g/kg的相对高湿区;值得注意的是,黄河拐弯处的关中东部、陕北东南部和山西南部有1个弱反气旋环流,反气旋中心比湿为13 g/kg,说明该区域空气比较干燥;我国东部长江中游湿度较低。8日14时(6b),陕北南部反气旋环流向西南移动,其后部转为一致的东风气流,将反气旋中心附近的干空气向西输送,使关中中西部湿度减小,秦岭山区的湿中心消失,热带辐合带北侧东风向西、向北扩展加强;8日20时(图6c),热带辐合带北侧东风进一步北上西行,使四川高湿区前沿湿度向北输送,陕北冷干空气北退,副高西侧的偏南风突然转为东风,与陕北南部高压底部的东风气流叠加,形成8～10 m/s的东风急流,将河南高湿区的水汽向关中输送,从而使关中暴雨区湿度突然增大,比湿从17 g/kg增加到20 g/kg。9日02(图6d)时,河套反气旋发展,北部冷干空气整体南下,关中地区湿度减小,暴雨结束。进一步分析水汽通量、水汽通量散度和水汽通量流场演变发现(图略),关中暴雨区低层水汽源于东海,东海水汽经由副高南侧和热带辐合带北侧的东风气流向西输送,经过湖北时分为两股,一股继续西行将水汽输送至四川,使四川一直维持高湿区;另一股沿副高西侧偏南风气流向西北输送(暴雨发生前)或北上至河南时突然转向西连同河南至湖北北部高湿区的水汽一起输送至关中暴雨区,使关中暴雨区的水汽通量突然猛增,为强暴雨的发生提供了充沛的水汽条件。可见,暴雨区东部河南高湿区水汽主要来源于东海,而偏南风突然转向东风与陕北小高压底部东风合并加强为东风急流将河南高湿区水汽输送至关中暴雨区是形成暴雨水汽条件的主要原因。

分析1 000～600 hPa暴雨区东南西北边界的水汽通量可知,水汽从暴雨区东部输入远远大于从西部流出是其水汽辐合的主要原因,暴雨区北、东2个边界水汽突然增大和减小对暴雨的生消具有指示意义(慕建利等,2012)。位势不稳定能量场(图略)的变化与湿度场相似,在近地层,临近暴雨发生时位势不稳定能量突然聚集,在关中形成一高能中心,并在关中形成东西向高能带,它与西北部的低能区之间形成东北—西南向能量锋区,暴雨发生在关中高能中心西南侧和能量锋区偏南的暖空气一侧,而且暴雨的发生、发展和减弱、消亡与850 hPa以下层能量的积累和释放密切关联,当850 hPa以下层能量积累时,伴随暴雨的发生发展,能量的释放减小阶段则是暴雨达到成熟期并开始减弱和消亡时期。

图7 暴雨区(107.2～109.4°E)平均垂直速度(等值线;单位:Pa/s)和垂直环流(箭头)的经向剖面 a.8日08时;b.8日14时;c.8日20时;d.9日02时Fig.7 Vertical cross sections of 107.2—109.4°E averaged vertical velocity(contour line;units:Pa/s) and vertical circulation(arrow) a.08:00 BST 8 August 2007;b.14:00 BST 8 August 2007;c.20:00 BST 8 August 2007;d.02:00 BST 9 August 2007

4 次级环流与暴雨的关系

分析暴雨区平均垂直速度显示,暴雨发生前10 h(图7a),关中暴雨区及其周围处于整层的下沉气流中,暴雨发生前3 h(图7b),暴雨区南部至陕南转为上升气流,8日20时(图7c),34～36°N为整层直立的垂直上升运动区,中心强度达-1.4 Pa/s,位于700～500 hPa;强垂直上升运动区北缘在600 hPa分为两支气流,一支向北至37°N转为下沉气流,中心强度位于850～600 hPa,强度为0.2 Pa/s,一支继续向高层上升至300 hPa以上转向南流出,强垂直上升运动区的南部气流上升至300 hPa以上也转向南流出,在30～34°N、600～300 hPa间下沉后再向北流入暴雨区的上升运动中形成间接环流圈,下沉运动中心强度为0.6 Pa/s,从而在关中暴雨区垂直上升区南北两侧的中高层和中低层形成下沉运动,这样就形成了在关中平原上升,其南北两侧为下沉气流的双圈垂直次级环流,这种双圈垂直次级环流的上升支与暴雨区垂直上升运动耦合,使上升气流加强,是造成强降水的物理机制,这种机制的形成和维持与高低空急流的耦合是紧密相关的(矫梅燕等,2006)。另外,上升运动速度分别是其南北两侧下沉运动速度的4倍和7倍,形成了垂直上升运动特强、下沉运动弱的不对称结构,在这种不对称结构下,从暖湿输送带进人系统的水滴必然是边绕环流旋转边作浮沉运动,使水滴有可能长时间在暖湿环境中行走而不是直线上升很快到达云顶,从而使水滴获得较多冲拼增长机会,很快形成暴雨(田生春和刘苏红,1988)。9日02时(7d),垂直上升运动有所减弱,其南部中高层下沉运动转为上升运动,使垂直上升运动区变宽,而且无法形成垂直次级环流,对应此时强降雨结束。

可见,强垂直上升运动及其南北两侧弱下沉运动形成的不对称结构、以及它们形成的双圈垂直次级环流可能是本次暴雨形成的物理机制。

5 关中强暴雨中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)演变特征及其与强降水的关系

5.1 中尺度雨团活动特征

根据降水覆盖范围大小、连续降水时间长短、雨强大小将本次降水形成的雨团分为强雨团、特强雨团(慕建利等,2012),分析暴雨过程雨团变化显示,本次关中强暴雨过程的形成是2个小雨团发生、东移和合并的过程,它们从生成、东移合并、发展加强为水平尺度达100 km×40 km的特强雨团,历经8 h。进一步分析显示,雨团生命期分为3个阶段:发展加强期稳定少动,成熟期缓慢东南移,遇秦岭阻挡停滞减弱消亡。图8清楚地显示了雨团发展的3个阶段,8日18时,2个小雨团在宝鸡陇县和太白山区生成,分别缓慢向东南和东北方向移动,并在1 h后增强为强度为30 mm/h、29 mm/h的强雨团,8日20时雨团合并继续发展加强,形成一个中β尺度的特强雨团,其水平尺度约为100 km×40 km,雨强超过40 mm的有7站、最大雨强达77 mm/h,中心位于岐山枣林乡,并在岐山维持2 h;8日22时降水强度略有减小(强度为58 mm/h)并向东移动,然后雨团再次发展东移至礼泉,8日23时特强雨团达到最强时刻,中心降水强度高达95 mm/h,降水量大于50 mm/h有7站;9日00时继续强势东南移至高陵,1小时降水量达到50 mm的有5站,中心最大达92 mm;9日01时,受秦岭东坡阻挡,强降水减弱,02时后降水结束。

图8 2007年8月8日18时—9日02时逐时降水量(阴影,单位:mm)Fig.8 Hourly precipitation(shaded areas;units:mm) from 18:00 BST 8 August to 02:00 BST 9 August 2007

5.2 MCS演变特征及其与强降水、地形的关系

上述中尺度雨团分析表明,本次关中强暴雨是一个中尺度雨团沿关中喇叭口地形从西向东发展造成的。下面对暴雨中的中尺度雨团对应的对流系统及其他们与关中喇叭口地形的关系进行分析。

图9给出了造成暴雨的MαCS发生发展期间逐时相当黑体温度(black body temperature,TBB)及其后1 h降水量与地形的关系。图9中清楚地展示了MαCS发生、发展加强、减弱消亡的全过程及其与强降水雨团的关系以及关中特殊地理环境对它们的影响。8日19时(图9a),几个对流云团在向东开口的喇叭口地带的关中西部发展并相互靠近,云顶亮温最低为-58 ℃,1 h后2个局地强降水雨团合并后强烈发展,形成了长约60 km的特强雨团,强降水中心强度由30 mm/h增长到77 mm/h;8日20时(图9b),云顶最低温度猛烈下降,云团内部强对流体合并形成160 km×120 km(指TBB小于等于-52 ℃)西北—东南向的椭圆形MβCS,中心强度达-72 ℃,强降水略有增强,中心强度为79 mm/h,特强雨团发生在云顶亮温低值中心西北侧温度梯度最大的地方,然后中尺度对流云团沿喇叭口地形向东移动;8日22时(图9d),中尺度对流云团发展达最强时期,形成一个达到MCC标准的MαCS,此时降水达到鼎盛时期,特强雨团中心降水量达95 mm/h,雨团几乎和TBB低值中心重合;8日23时(图9e),云团范围继续扩大,强降水维持,1 h后特强雨团位于强云团中心略偏前东南的地方;9日00时(图9f),云团面积达最大,云体中心东移,-72 ℃ TBB等值线北部继续维持,南部移至秦岭东部由于受秦岭山东部东北—西南向山脉的阻挡减弱消失,-72 ℃ TBB等值线明显缩小,降水开始减弱,雨团最大降水量减少到63 mm/h,位于云团强中心前部;然后MαCS强度快速减弱,9日02时(图9h),-67～-72 ℃的等值线分裂为2个小中心,并且均位于秦岭南坡山区,说明影响关中强降水的MαCS已移出关中地区,关中强降水结束。

图9 2007年8月8日19时—9日02时MCS的逐时(a—h)TBB(实线,单位:℃)和其后1 h降水量(虚线;单位:mm)与地形(阴影;单位:m)的关系Fig.9 (a—h)MCS hourly TBB distributions(solid line;units:℃) and subsequent precipitation fields(dashed line;units:mm) one hour later from 19:00 BST 8 August to 02:00 BST 9 August 2007 and the relationship between it and the topographty(shaded areas;units:m)

5.3 地面中尺度扰动特征及其与强降水的关系

由5.1、5.2节可见,暴雨过程强降雨范围、强度经历突然增大—有所减小—再次增大至最大—突然减小至消失的过程,而影响强降水的中尺度对流系统则表现出发生、发展加强、减弱消亡的一个过程,说明强降雨的发生发展与中尺度对云团的发生发展并非完全一致,即不是所有中尺度云团范围内均会出现强降雨,而且强度相同的对流云团,其内部降水大小也不相等。为了了解中尺度对流系统冷云盖下强对流发生发展与强降水的关系,对地面加密风场及其后1 h降水量进行了细致的对比分析。

图10 2007年8月8日18时—9日01逐时(a—h)地面风场(风羽)及其后1 h降水量(阴影;单位:mm;D为中尺度涡旋;实线为中尺度切变线)Fig.10 (a—h)Hourly surface wind fields(barb) and subsequent precipitation fields(shaded areas;units:mm) one hour later from 18:00 BST 8 August to 01:00 BST 9 August 2007(D denotes the mesoscale vortex and solid line denotes the shear line)

从地面加密风场及其后1 h降水量叠加(图10)可见,8日18时(图10a)陇县北风和宝鸡东南风形成弱切变,在弱切变的偏北风一侧出现了30 mm的局地强降水,眉县附近的弱北风和弱南风形成的南北切变线,使眉县西南侧出现了29 mm的降水;8日19时(图10b),南风北抬加强,眉县转为6 m/s的南风,陇县西北风向东南扩展加大,千阳一带转为6～8 m/s的西北风,而且凤翔由北风转为6 m/s的西南风,岐山的东、北侧为东风、东南风和东北风,即在岐山和凤翔附近为西北风、西风、西南风、南风、东南风、东北风对吹,形成了的不同风向的中尺度辐合系统D,辐合加强,降水强度猛增,范围扩大,1 h后在辐合系统内有范围较大的强降水,岐山枣林和凤翔东北侧分别出现了77 mm和68 mm的特强降水中心,强降水中心呈西北、东南向;8日20时,凤翔西北侧的西北风向东发展,使北侧强降水中心东移至麟游,降水强度略减,为51 mm,南侧强降水稳定维持,中心岐山枣林的强降水为78 mm,强降水中心转为近南北向;8日21时,中尺度辐合系统D向东北移至乾县附近,但其西部的西北风和南侧的南风减小,辐合有所减弱,降水也相对减弱,乾县降水量为58 mm,但仍为强势降水;8日22时,中尺度辐合系统D又转向东南移动,中心位于礼泉,此时,不同方向的风速均有增大,西南风、东风、东北风增大到6 m/s,使辐合再次增强,强降水随之再次发展加强,范围也达最大,强降水中心礼泉出现了92 mm的特强降水;8日23时(图10f),中尺度辐合系统D快速强势东行(50 km/h),中心移至高陵,降水为95 mm;9日00时(图10g),西北风东南下,辐合系统减弱为南北向切变线,降水减小,中心分裂为2个,降水量分别为63 mm(临潼)和40 mm(蓝田);9日01时(图10h),进一步减弱零散的风向辐合,对应1 h后降水也大大减小,9日03时(图略)该中尺度辐合系统D产生的中尺度大雨团降水结束。

总之,本次关中强暴雨过程是由1个中尺度雨团产生的,中尺度雨团的发生发展又是由1个MαCS的发生发展造成的,MαCS的形成是2个MβCS发展合并的结果,而这些系统发生发展于秦岭山脉北侧的向东开口的喇叭口地带,在黄土高原和秦岭之间合并东移和发展加强,移至秦岭山脉东部后,由于山脉折向西南—东北走向,阻挡了它们的前进,迫使其翻越山脉,从而使MαCS和强雨团突然减弱和消亡。强(特强)雨团只发生在中尺度对流云团内部不到1/15的范围内,强降水发生在云团内云顶亮温低值中心偏向温度梯度大地方,并在MCS不同发展阶段发生的位置也不相同,而且云团云顶亮温越低,降水强度越大。MCS开始发展时,强(特强)雨团发生在中尺度对流云团西北部TBB等值线密集区,随着MCS的发展加强,强雨团发生在中尺度对流云团TBB低值中心附近,当MCS发展成熟后开始减弱时,强雨团(特强雨团)发生在中尺度对流云团TBB低值中心的前部。强降雨增大或减小与地面辐合系统的增强与减弱密切相关,本次强降雨过程中,由于地面风速和风向的快速变化,使地面辐合系统随之经历了增强、减弱、再增强、最后减弱的过程,从而使暴雨过程强降雨范围、强度经历突然增大—有所减小—再次增大至最大—突然减小至消失的过程。

6 结论与讨论

对2007年8月8—9日陕西关中强暴雨过程的环境场条件及其演变特征进行分析,并通过对其天气学特征、动力和热力结构的诊断分析,探讨暴雨发生的大尺度环流背景和天气尺度的影响系统以及强暴雨发生的原因。同时利用逐时区域加密自动雨量站资料、地面加密站风场资料和FY-2C卫星红外云图TBB资料等对暴雨过程进行中尺度综合观测分析,揭示了中尺度系统演变特征及其与强降水的关系。为该类暴雨的预报预警提供思路和预报着眼点。主要结论如下。

1)本次暴雨发生与有利的大尺度环流形势、不同纬度、不同天气尺度系统的相互作用密切相关。高层高纬度急流入口区右侧辐散使垂直上升运动和低空辐合加强,中层中纬度地区高压坝在陕西中部断裂形成南北向切变线有利于西北冷空气与东南暖湿气流在暴雨区交汇形成辐合,低层东西向切变线和地面东北—西南向冷锋的发展触发了不稳定能量的释放和强对流降水生成。

2)高空强辐散、低空辐合,高空负涡度、中低空正涡度与垂直上升运动的相互耦合发展为关中特大暴雨发生提供了有利的动力环境条件。强垂直上升运动及其南北两侧弱下沉运动形成的不对称结构、以及它们形成的双圈垂直次级环流可能是本次暴雨形成的物理机制。

3)低层风向快速变化使关中暴雨区低空水汽经历了减小—突然增加—快速减小的过程,关中周围水汽的集中为暴雨形成提供了水汽和位势不稳定条件,水汽的聚集是通过偏东气流的输送实现的,而水汽的快速变化又形成关中暴雨的突发性和历时短而强的特征。

4)关中强暴雨过程的东西向雨带与秦岭山脉和关中地区喇叭口地形有关,雨带上的降水非均匀分布,强暴雨集中在岐山、礼泉和高陵3个中心,它们是由一个MαCS的发生发展产生的,MαCS又是由2个MβCS合并发展而成,其内部对流单体的发展合并和独立加强形成不同的降水中心。

5)地面中尺度辐合系统是本次强降雨的直接制造者,地面风速和风向的快速变化,使地面辐合系统随之经历了增强、减弱、再增强、再减弱的过程,从而使暴雨过程强降雨范围、强度经历突然增大—有所减小—再次增大至最大—突然减小至消失的过程。

6)本次关中强暴雨过程中,低层没有南风急流输送水汽,暴雨形成所需的水汽源于暴雨区周围的高湿区,这明显不同于陕南、陕北暴雨,陕南暴雨一般有低空偏南风急流或偏东风急流(偏东风气流)将南海或东海水汽输送至暴雨区(杜继稳,2005),陕北暴雨一般由中低层西南急流将水汽由孟加拉湾经青藏高原东部输送到暴雨区(王文,程攀,2013)。

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(责任编辑：张福颖)

TheenvironmentalconditionsandmesoscalesystemofaheavyrainfalloverthecentralShaanxiPlainon8—9August2007

MU Jian-li1,CHEN Yun2,LI Ze-chun2

(1.Service Center of Public Meteorology,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China;2.National Meteorological Center,Beijing 100081,China)

The process of a brief heavy rainfall on 8—9 August 2007 over the Central Shaanxi Plain was analyzed using the T213 data and high space and time resolution data including automatic meteorological observing station data.The results indicate that the brief heavy rainfall occurred under favorable large-scale ciuculation backgrounds,including the break of high-pressured dam,which resulted from the development merge of Qingqhai-Tibet Plain pressure and the west Pacific Ocean subtropical high in the middle level at 500 hPa,right flank divergence field of westerly jet entrance region in the upper level at 250 hPa and the shear line’s development in the low level at 700 hPa.The amount of water vapor in storm experienced changes of decrease,sudden increase and fast decrease,which owed to wind direction fast changes at the low level.The vapor accumulation from surrounding areas of the Center Shaanxi Plain,which was achieved through the easterly current,had provided sufficient vapor and potential instability for the occurrence of the heavy rainstorm.The vapor increased so fast that the rainstorm occurred suddenly,and the rapid decrease of vapor made the rainfall last shortly.The dynamic mechanism of rainstorm was the formation of intense “pavement pumping” effect,the secondary circulation circle and the asymmetric structure between the strong vertical upward movement and the weak dowdward movement due to the development of the upper anticyclone vorticity.The automatic meteorological observing satation data and satellite image data showed that the heavy rainfall was caused by the occurrence and development of MαCS,which came from the mergence and development of MβCS.The convective cells merged,developed and enhanced individually to form the different precipitation centers at Qishan,Liquan and Gaoling.The development of the convective cells resulted from the surface mesoscale convergence system.The changes of strength of the precipitation had a good corresponding relationship with that of the surface mesoscale convergence system.The formation and development of the ground mesoscale convergence systems may be the trigger and development mechanism for the heavy rainfall.

heavy rainfall;condition of circumstance;high-pressure dam in the middle latitude region;meso-β-scale convective system

2013-10-15；改回日期2014-02-06

国家自然科学基金资助项目(41175048);中国气象局公共气象服务中心业务基金(K2014002)

慕建利,博士,正研级高级工程师,研究方向为中尺度气象学、数值模拟和应用气象,mujL668@sina.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131015005.

1674-7097(2014)05-0591-14

P458.1

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131015005

慕建利,谌云,李泽椿.2014.一次陕西关中强暴雨环境条件及中尺度系统分析[J].大气科学学报,37(5):591-604.

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