一次陕北区域性暴雨过程的诊断分析

2016-04-07赵强，王楠

陕西气象 2016年1期

关键词：冷锋陕北

赵　强，王　楠

(陕西省气象台,西安　710014)

一次陕北区域性暴雨过程的诊断分析

赵强，王楠

(陕西省气象台,西安710014)

摘要：利用常规观测资料和NCEP1°×1°6 h再分析资料，对2014年7月8—9日陕北一次区域性暴雨过程进行了分析，结果表明：暴雨过程在河套北部冷空气和高原槽前的偏南暖湿气流共同作用下形成，高原槽、低涡切变是主要高空影响系统，西北路冷锋是地面的主要影响系统，降水主要发生在冷锋附近到其后部低层冷空气与高空暖湿气流交汇区域。雷达回波分析表明，暴雨过程有两个不同的降水时段，8日14—20时主要为对流性降水，回波强度大于55 dBz的带状回波，造成陕北东部出现了20～50 mm的降水；9日02—08时为冷锋后的层状云降水，回波以均匀的层云降水回波为主；速度图在2.4 km高度上有18 m/s左右的偏南急流，是降水持续的主要原因。物理量分析表明，暴雨落区与700 hPa的水汽通量散度大值区对应很好；暴雨区上升运动层深厚，最大上升运动区在600 hPa附近；在暴雨区北侧为冷锋后部的东北风下沉气流，同时暴雨区上空有西南风上升气流，这股气流沿着暴雨区北侧低层冷空气爬升，冷暖气流交汇，产生强降水；暴雨发生在能量锋区附近，陕北地区对流层中低层有显著锋生，有利于上升运动的加强，形成强降水。

关键词：区域性暴雨；陕北；冷锋；水汽通量散度；锋生

陕西北部地处黄土高原，为半干旱季风气候，全年雨量分布不均，降水主要集中在夏季，暴雨具有来势猛、强度大、降水时段集中的特点[1]，由于陕北地形地貌主要为黄土丘陵沟壑区，植被差，遇暴雨水土流失严重，往往引发山洪、滑坡和泥石流等次生灾害，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此对于黄土高原地区的区域性暴雨过程进行研究十分必要。对于黄土高原的暴雨，陕西的天气预报员进行了很多研究[2-6]，从大尺度环流形势的配置，地面能量系统，涡度、散度、位涡度等各种物理量的诊断分析以及远距离台风的影响等方面对发生在陕西的暴雨个例进行了分析，得出了很多有益的结论。本文利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°6 h再分析资料及延安站的多普勒雷达反射率和速度图资料，从高低空的形势配置、锋面的移动特征、水汽的辐合及上升运动、降水的雷达回波及速度场特征等方面分析此次暴雨过程的成因。

1降水实况

2014年7月8—9日陕西北部出现大范围暴雨天气过程，影响范围波及榆林和延安的15个县区，为2014年入汛以来陕北出现的范围最大、逐小时雨强最大、受灾最严重的一次重大灾害性天气过程。7月8日20时—9日20时，陕北共出现暴雨12站(图1)，分别是清涧98.5 mm，延川92.1 mm，吴堡81.0 mm，安塞79.6 mm，子长75.5 mm，绥德75.3 mm，米脂74.7 mm，子洲74.1 mm，延长74.4 mm，志丹61.5 mm，吴起57.3 mm，甘泉64.8 mm，最大为榆林的清涧。

图1　2014-07-08T20—09T20陕西降水量分布图(单位为mm，阴影区降水量≥50 mm)

2天气形势分析

200 hPa天气图上(图略)，7日20时，高空急流位于42°N附近，呈东—西走向。8日08时，高空急流南压到40°N附近，散度场上陕北表现出辐散特征，辐散中心位于陕北北部；20时，高空急流仍呈纬向分布，急流中心位于39°N～40°N，陕北位于急流南侧的辐散区，辐散中心位于延安。在本次暴雨过程中，200 hPa高空急流从河套北部逐渐南压至陕北，急流位于39°N～40°N，陕北位于高空西风急流入口区右侧，为高空辐散区，这种高空辐散有利于降水强度的增大。

500 hPa天气图上，8日08时(图略)副热带高压584 dagpm线北边界在延安附近，陕西受西南气流控制，副高外围云贵—陕西存在西南风水汽输送通道，中高纬度贝加尔湖以东维持一低压系统，低压中心在内蒙东部，贝湖到新疆为一横槽，其底部的西北气流向陕北地区输送冷平流，高原上短波槽位于河西地区。20时(图2a)，副高584 dagpm线南退到延安以南地区，台风“浣熊”北上到浙江东部海域，高原上的短波槽东移到宁夏西部—青海东部，贝湖—新疆的横槽略有南压，横槽带来的冷空气与副高外围的暖湿气流交汇于陕北地区，高原低值系统的东移为陕北地区提供了上升运动，有利于陕北地区产生强降水，台风北上加大了副高和台风之间的气压梯度力，有利于低层偏东急流的加强，低层偏东风也为本次暴雨过程提供了水汽输送。9日08时，584 dagpm线继续南撤(图略)，贝加尔湖以西有弱脊发展，位于东北地区的冷性低压系统逐渐东移，20时贝加尔湖以西的弱脊发展加强，受脊前西北气流影响，陕北降水逐渐减弱，天气转好。

8日08时700 hPa天气图上(图略)，副高外围云贵高原—四川—陕西有偏南风发展，向陕西输送水汽和能量，高原低涡位于宁夏—甘肃东部，20时(图2b)，从云贵高原北上的南风到达延安，风速基本维持在4～8 m/s，另有一支偏东气流从华东地区向西到达山西西部，同时高原低涡在500 hPa西南风的引导下东移北抬，低涡附近有人字形切变线存在，陕北受偏南风和偏东风的暖湿横切变控制，水汽在切变线附近辐合抬升，造成陕北地区的强降水。9日08时(图略)，高原低涡继续东移，相应切变线也东移到延安东部；20时，高原低涡、切变线东移出陕北地区，降水结束。

8日08时850 hPa天气图上(图略)，河套北部有一高压环流，陕北位于高压底部东北气流中，华东沿海有一台风“浣熊”，台风外围华东—河南—陕西中北部有偏东风气流，有利于台风外围的水汽向陕北输送。20时(图2c)，台风外围的东南气流有所南压，河套北部的高压略有东移南压，高压底部的东北风有所加强，表明了河套北部的冷空气南压加强，陕北地区位于河套高压底部的东北风和台风外围的东南风交汇区，两股气流冷暖对比明显，有利于低层锋生增强，同时暖湿气流沿着冷空气垫爬升，有利于水汽的抬升和强降水的发生。

2014年7月8日08时地面图上(图略)，贝加尔湖西侧—河套北部为高压控制，中心气压为1 010～1 015 hPa，华北—陕西关中地区为低压控制，华北北部—陕北北部为高低压的交汇区，有冷锋存在。14时(图略)，冷锋略有东移南压，但仍位于陕北北部地区，对应的700 hPa有西南暖湿气流输送，暖湿气流沿着锋面爬升，在锋面附近造成了较强的降水，8日08—20时，榆林东南部—延安东北部出现了20～47 mm的降水，其中延川降雨量为47 mm。8日20时(图2d)，地面冷锋进一步东移南压，河西地区有一1 010 hPa的高压中心，锋面位于华北南部—陕西关中一线，陕北位于冷锋后部，暖湿空气沿着锋后冷空气抬升，给陕北带来区域性的强降水天气。9日08时，地面冷锋继续东移南压，到达黄河中下游—陕西关中南部，陕北位于冷锋后部，仍处于冷暖空气交汇区，产生较强降水，9日20时，冷锋移出陕西，陕西受冷高压控制，中心气压为1 005 hPa，同时700 hPa影响陕北强降水的高原低涡切变线也东移出陕北，陕北地区的强降水天气逐渐结束。可以发现，本次陕北地区区域性暴雨天气的地面影响系统为地面冷锋，冷空气的影响路径为西北路冷空气，强降水时段开始于冷锋移动到陕北附近时，降水主要发生在冷锋附近到冷锋后部的地面冷空气与高空暖湿气流交汇的区域，冷锋是本次强降水的地面触发机制。

图2　2014-07-08T20天气图(a 500 hPa；b 700 hPa；c 850 hPa；d 地面)(高空图单位为dagpm；地面图单位为hPa)

3强降水的雷达回波分析

逐小时降水演变资料(图略)显示这次陕北暴雨过程分为两个主要降水时段，一个是在8日14—20时，主要为锋区附近的对流降水；另一个是在9日02—08时，主要为冷锋后的层状云降水，文章主要分析这两个时段的回波特征。

第一个时段地面锋区位于延安境内，雨强较大，雷达回波以块状和带状对流单体为主，中心强度大于55 dBz。8日13：01时1.5°仰角的基本反射率因子图上(图3a)，延安雷达站西南80 km和东部50 km处均有45 dBz以上的块状对流回波发展，同时次同仰角径向速度图上(图3c)，雷达站西南80 km处正负速度交界区形成一条明显的径向速度辐合线，块状对流回波在其作用下发展加强，并随着辐合线不断东移(图3d)；雷达站东部无明显的径向速度辐合，但是在大片负速度区中有小块正速度区发展，形成分散的逆风区，表明当地有风场扰动，促使对流发展；13：56，零散的逆风区逐渐连成一条窄带，之前的块状回波也逐渐演变为带状回波(图3b)。这些对流回波维持时间不长，16时后显著减弱。强回波造成榆林东南部—延安东北部出现了20～47 mm的降水，其中延川降雨量为47 mm。

图3　2014-07-08延安多普勒雷达1.5°仰角反射率(a 13：01；b 13：56)及速度图(c 13：01；d 13：56)(图中距离每圈50 km)

第二个时段(9日02—08时)为冷锋后降水，雨强不大，雷达回波以层状云降水回波为主。如图4a所示，延安雷达探测范围内为比较均匀的层状云回波，最大反射率因子小于50 dBz。1.5°仰角径向速度图上，零速度线经过雷达站呈“S”型，且拐弯处距离雷达站约50 km，说明风切变主要位于低层1.8～2.4 km高度范围内，高度较低。2.4 km以上高度以偏南气流为主，风速达18 m/s以上，说明在700 hPa高空偏南低空急流持续的水汽输送是降水能够持续的主要原因。

图4　2014-07-09T03：59延安多普勒雷达1.5°仰角反射率(a)及速度图(b)(图中距离每圈50 km)

4物理量场分析

4.1水汽条件

水汽是产生区域性暴雨的重要条件。分析暴雨发生前后低层850 hPa、700 hPa水汽通量场演变(图略)，可以看出水汽来源主要是由于台风北抬登陆，南海和孟加拉湾的水汽沿副高584 dagpm线向陕西输送。从水汽通量散度图来看，8日20时(图5a)陕北已经位于一个强大的水汽辐合中心，最大辐合中心位于榆林南部到延安北部，中心强度达-6×10-7g/(hPa·cm2·s),水汽辐合中心与强降水中心对应很好。9日02时(图略)700 hPa水汽辐合中心仍然位于陕北地区，强度仍较强，位置略有东移，强降水持续；08时(图5b)水汽辐合中心位于陕北南部，位置东移，强度减弱；14时(图略)强辐合中心东移到陕西、山西交界处，强降水区也东移到陕北东部的黄河河谷地带；随着切边线的东移，20时辐合中心移出陕北，陕西转受西北气流控制，降水结束。

本次降水过程中，暴雨落区与700 hPa的水汽通量散度大值区对应很好，700 hPa上水汽输送有两条路径，一条为从云贵高原经四川向陕西输送水汽的偏南气流，另一条为台风外围的偏东气流，从华东经过河南、山西向陕北输送水汽，700 hPa切变线在陕北较长时间维持，造成水汽在陕北的辐合抬升，形成暴雨天气。

图5　2014-07-08—09 700 hPa的水汽通量散度图(单位为10-7 g/(hPa·cm2·s)；a 8日20时；b 9日08时)

4.2垂直运动

从8日20时到9日14时沿37°N的垂直速度和垂直环流图可以看到，8日20时(图略)，强上升运动位于108°E左右，大值中心位于600 hPa附近。9日02时(图6a)，随着系统的东移，强上升运动区也东移到109°E上空，最强上升中心仍位于600 hPa附近，中心强度达到-10×10-2hPa/s,对于陕北地区来说，从近地面层到300 hPa均为上升运动，上升运动层深厚。在110°E以东、700 hPa以下的近地面层，有东北风下沉气流，此下沉气流对应冷锋后部的东北风，同时陕北上空有西南上升气流，这股气流沿着陕北东侧的低层冷空气爬升，冷暖气流交汇，有利于暴雨的发生。9日08时(图6b)，上升运动区进一步东移，强度有所减弱，但近地面到400 hPa仍为深厚的上升运动区，在700 hPa和500 hPa有两个强中心，强度达到-(6～8)×10-2hPa/s。9日14时(图略)，强上升运动区东移到111°E，强度也有所减弱，位于陕北东部上空的垂直速度为-3×10-2hPa/s，降水落区也随之东移。

4.3能量场

8日08时假相当位温图(图略)上，四川—陕北为72～74 ℃的高能中心，河套北部为低能中心，能量锋区(等值线密集区)位于河套北部，随后能量锋区东移南压，9日02时(图略)到达陕北南部，能量锋区的位置与强降水落区相对应。强降水开始前，陕北为高能区，表明降水前西南风带来的水汽和能量在陕北堆积；8日20时河套北部冷空气南压，在陕北形成成了高能暖湿气流与低能干冷气流的交汇区，强降水开始；9日02时能量锋区位于陕北地区，与强降水发生的区域和出现的时间一致；9日20时，能量锋区东移南压，陕北转为低能干冷空气控制，降水结束。

图6　2014-07-08—09沿37°N的垂直速度与垂直环流(u风与-ω×20的合成)剖面图(a 9日02时；b 9日08时；阴影区为地形)

从8日08时假相当位温垂直剖面图(图7a)上可以看到，强降水发生前，38°N以北为假相当位温低值区，主要被干冷气团控制；37°N以南为假相当位温高值区，被暖湿气团控制；37°N～38°N之间的陕北地区为冷暖气团的交汇区，有利于锋生和强降水的发生。9日02时垂直剖面图(图7b)上，北部的冷空气在低层东移南压，而陕北南侧的暖湿气流沿着冷空气爬升到冷空气上部，因此陕北地区在对流层中低层有显著锋生，暖湿空气爬升冷却，产生强的上升运动，有利于强降水的发生。