2015年7月18日子洲气象站短时暴雨的中尺度特征分析

2016-06-21李晓利严珠琴郑荣玉侯柯然

浙江农业科学 2016年6期

关键词：中尺度变温强对流

李晓利，严珠琴，康磊，郑荣玉，侯柯然

（1.榆林市气象台，陕西榆林 719000；2.枞阳县气象局，安徽安庆 246701；3.三明市气象局，福建三明 365000）

2015年7月18日子洲气象站短时暴雨的中尺度特征分析

李晓利1，严珠琴2，康磊1，郑荣玉3，侯柯然1

（1.榆林市气象台，陕西榆林 719000；2.枞阳县气象局，安徽安庆 246701；3.三明市气象局，福建三明 365000）

摘要：利用常规观测资料、天气雷达资料对2015年7月18日子洲气象站观测到的短时暴雨从中尺度特征进行分析。结果表明:此次过程发生在“前倾槽”的形势下，呈上干冷下暖湿的结构，为强对流天气创造了有利的环境条件。强降水发生区位于850 hPa湿舌中，比湿达12 g·kg-1，中低层暖平流使层结不稳定度增强，为此次强对流天气暴发提供了热力不稳定条件，有利于强对流的发展和维持；地面辐合为强对流天气提供了抬升和触发机制。强对流发生前由正变温转为负变温，气象要素中尺度特征变化明显，一小时变温对中尺度天气有较好的指示意义。雷达图上表现为多个中小尺度单体陆续移动经过子洲，造成强降水天气，组合反射率大于50 dBz回波与大于1.0 mm降水率有很好的对应关系，大的VIL值及其突变对强降水和冰雹有较强的指示作用。

关键词：前倾槽；地面辐合；一小时变温；垂直风切变

文献著录格式:李晓利，严珠琴，康磊，等.2015年7月18日子洲气象站短时暴雨的中尺度特征分析［J］.浙江农业科学，2016，57 （6）: 922-926.

榆林市全年降水分布不均，主要降水集中在夏季，多短时强降水天气。中小尺度系统是造成短时暴雨的直接影响系统，气象工作者对暴雨天气发生发展机理和预报方法的不断研究取得了丰富的成果［1-5］，但对不同地区、不同季节和不同天气背景下中尺度暴雨的触发因素的认识还比较有限。中尺度暴雨由于强度大、突发性强，所造成的影响和损失越来越大。《现代天气业务发展指导意见》指出，中尺度暴雨预报应逐步以天气尺度分析为主转换为天气尺度与中尺度天气分析相结合。本文以2015年7月18日子洲气象站观测到的短时暴雨为研究对象，对其开展中尺度的相关分析研究，为当地暴雨的短临预警提供参考。

1 过程概况

2015年7月18日，榆林市大部分县区出现强对流天气，表现为短时雷暴、强降水及冰雹。最强天气出现在子洲县城，强降水出现时伴有冰雹，最大冰雹直径10 mm，2 h降水量达114 mm（16: 00—17: 40），最大分钟雨强达3.6 mm。但距子洲县城最近的苗家坪镇雨量仅为29 mm（图1），可见此次强对流天气局地性特征明显，强度大、突发性强、历时短、前兆性差，预报预警难度大，造成局地性山洪、城市内涝等灾害。

图1　2015年7月18日16：00—18：00的降水量分布

2 影响系统

2.1 环流背景

在强对流天气发生前的18日08时，500 hPa槽线位于榆林与山西交界处，榆林处于槽后西北气流中，伴有冷平流，其北部湿度较大，南部较干；700～850 hPa呼和浩特—榆林有一东北西南向切变线，切变线南侧为西南气流，延安站南风风速为10 m·s-1，河套附近湿度较大，低层的暖湿气流为短时强降水提供了有利的水汽条件；850 hPa上河套西部有暖舌向河套北部伸展，在河套的东部形成500 hPa干冷平流与中低层暖湿气流相叠置，这种上层干冷、低层暖湿的不稳定层结，非常有利于热力不稳定的加强，为强对流的发生提供了热力、动力条件以及启动机制，同时“前倾槽”结构有利于对流层中低层垂直切变的维持。

2.2 中尺度系统

研究表明，中尺度系统是产生强降水的直接系统［6］。对18日8: 00天气影响系统进行中尺度分析（图2），河套东部整层大气均为辐合型气流，从低层到高层表现为辐合、切变、槽、气旋性辐合环流，辐合区随高度向右倾斜，这种“前倾槽”形势为对流系统提供了非常有利的动力条件。

图2　2015年7月18日8：00的中尺度系统

850 hPa榆林西北部大部露点温度为10℃，榆林东部露点温度为13℃，榆林南部延安到西安露点温度为14～17℃，强降水发生区位于850 hPa湿舌中，比湿达12 g·kg-1，可见强降水区空气含水量大，有利于其上空水汽的集聚，同时中低层西南气流对水汽输送补充起到重要作用，有利于强对流的发展和维持。强降水区上层干冷平流与低层暖湿平流相叠置，大气不稳定层结明显，该区域位于850 hPa与500 hPa温度递减率的高值舌内（两层温差25～28℃），为此次过程提供了不稳定条件，加之午后升温迅速，不稳定能量增强，地面偏北风和偏南风形成的中尺度辐合线，为强对流天气提供了触发抬升机制。

2.3 高空要素

分析榆林附近太原站探空图（图3），18日8: 00 SI指数为-1.68℃，K指数为35℃，850 hPa 与500 hPa假相当位温差为-12℃，对流有效位能为702.6 J·kg-1，说明有很强的不稳定能量存在。500 hPa以下为相对湿层，500 hPa以上为相对较干层，这种上干下湿的不稳定层结为强对流提供了有利条件，且湿层较厚，有利于水汽的集聚，从而有利于形成大降水。风矢端图显示，地面至700 hPa风随高度顺转，说明地面至700 hPa有暖平流，中低层暖平流使层结不稳定度增强，为此次强对流天气暴发提供了热力不稳定条件，700～500 hPa风随高度逆转，有冷平流，冷暖平流的叠置非常有利于对流的发生。

图3　2015年7月18日8：00的太原站探空

2.4 地面中尺度分析及要素

从地面流场（图4）可以看出，11: 00—17: 00地面辐合区由西向东移动，在移动过程中由竖转横，并逐渐南压，强降水区与辐合区有很好的对应关系，地面辐合为强对流天气提供了抬升和触发机制。

分析地面全风速场，14: 00子洲附近风速在1～3 m·s-1，17: 00增大到7 m·s-1，而周边风速变化不大，可见子洲附近为高能聚集区，强对流天气是在局地动力、热力作用下产生的。

对子洲站地面要素（表1）进行分析，13: 00—14: 00为正变温，15: 00—17: 00为负变温，18: 00又为正变温，16: 00—17: 00变温幅度大，对应此时对流天气强度大，强降水维持近2 h，18: 00强天气结束，移出子洲。强天气出现时气压突升，伴随气温突降，中尺度特征明显。在强天气出现之前的15: 00出现负变温，16: 00后出现强降水、冰雹等强天气，说明一小时变温对中尺度天气有较好的指示意义。强对流出现前，地面露点温度持续增大，均在10℃以上，底层的高能高湿为大降水提供了有利的动力条件，同时地面吹东南风，有暖平流，16: 00—17: 00转为北风，表明有冷平流移入子洲，冷平流的入侵触发了强对流天气。

图4　2015年7月18日11：00—17：00的地面流场

表1　子洲气象站地面要素变化

3 中尺度系统雷达特征

多普勒天气雷达资料不仅可反映强天气的回波结构特征，还能在一定程度上反映流场结构特征，在强对流天气研究分析中具有重要作用［7-8］。分析榆林新一代天气雷达产品，从组合反射率（图5）可以看出，15: 37子洲城区附近开始生成对流云回波，强度为30 dBz，2个体扫后迅速加强为60 dBz，强回波高度升展到7 km，并持续加强，范围扩大。16: 01子洲站出现降水，降水强度持续增大，16: 08—16: 40出现冰雹，16: 26子洲西部有另一对流单体东移靠近，16: 38两单体合并，移速较慢，大于50 dBz回波造成每分钟大于1.0 mm的强降水，回波强度与降水率有很好的对应关系。17: 21强回波开始移出子洲，降水强度减弱并趋于结束。

图5　组合反射率因子的变化

分析垂直累积液态水含量变化，15: 50累积水含量为10 kg·m-2，之后迅速增大，16: 14增大至54 kg·m-2，16: 32为61 kg·m-2，17: 15开始减小为53 kg·m-2。图6可以看出，在16: 00左右有值的突变现象，之后较稳定，趋于减小。反映出在16: 00左右伴有冰雹天气，17: 00左右则以降水为主。此过程VIL对冰雹和强降水指示作用较为明显。

图6　垂直累积液态水含量的变化

强降水发生时段径向速度图上表现为有多个中小尺度单体陆续移动经过子洲，单体影响范围在10 km左右，中低层辐合，高层辐散特征明显。图7可以看出，16: 38强度达到最强，在1.5°仰角上（3.5 km高度）入流与出流速度达最大，为15 m·s-1，对流层中层有强烈的辐合上升运动，2.4°仰角（4.7～7 km高度）以上为辐散，有利于对流的发展。低层吹东南风，高层吹西北风，风随高度顺转，有冷平流不断触发新的对流补充，且有明显的垂直风切变，越到高空对流云体向南一侧倾斜，具有悬垂组织，结构密实，非常有利于冰雹和强降水天气的发生。