西北地区东北部两次强降水的环流及云图对比分析

侯建忠，薛春芳，陈小婷，井 宇，胡启元

（1.陕西省气象台，陕西 西安710015；2.陕西省气象局，陕西 西安710015）

随着数值预报模拟技术的迅速发展，为天气预报提供了客观的工具。虽然T639、EC、GFS等数值模式对强降水过程和中期预报都有较好的预报能力，但对青藏高原附近强降水的落区和强度预报还存在一定差距，仍然需要广大预报人员利用各种天气预报方法，才能不断提高本地区的预报准确率和服务水平。卫星云图在现代天气预报中发挥着不可替代的作用，它可以监测暴雨产生的中尺度云团的生成源地、发生发展过程、移动路径和移速，还可分析和预报降水云系的发展、影响范围和强度，为定时、定点、定量的准确预报提供诸多产品和信息，同时也衔接和弥补了天气图、数值预报和雷达短临预报预警的不足[1-10]。实践表明，西北地区东北部往往同一种环流条件下，由于云图特征不同，其强降水落区也不同；相反，虽然云系特征（倒三角、反气旋弯曲、螺旋状等）相同，但环流配置不同，降水的落区和强度变化差异也较大。由此可见，充分发掘高分辨卫星资料潜力，建立相应的概念模型，对卫星云图资料进行定量分析和应用是提高西北地区东北部强降水精细化预报与服务能力的一个有效手段。

本文利用FY-2E、2G云图和天气图及物理场、中尺度特征等，对发生在2012年7月21日的一次暴雨（以下简称“12.07暴雨”）和2017年2月21日的一次暴雪天气过程（以下简称“17.02暴雪”）进行对比分析，揭示两次强降水过程中云图、环流形势和影响系统在演变过程中的特征和异同点。

1 强降水概况

“12.07暴雨”和“17.02暴雪”两次强降水天气过程，除陕西有暴雨或暴雪外，甘肃东北部、宁夏东部、山西北部等地区也出现强降水。其中“12.07暴雨”过程东移加强后，京津冀地区也出现特大暴雨，造成了严重的人员伤亡和财产损失。“17.02暴雪”过程前，陕西出现明显的增温，陕西的关中大部最高气温在20～23℃，其中关中西部的凤翔、千阳等县2月19日最高气温为24℃，就升温这点与2004年2月19日陕西出现的历史最早暴雨（有气象记录）有类似之处[11]。

“12.07暴雨”的强降水范围，主要出现在陕北的延安中西部、榆林北部地区和陕南的汉中西部、安康东南部。先后有9县市出现50 mm以上的暴雨，其中日最大降水量出现在榆林的府谷108 mm，甘肃环县日最大降水量127 mm。“17.02暴雪”的强降水范围主要在陕北的榆林、延安和陕南东部地区。其中榆林日降雪量达16.7 mm，宁夏盐池日降雪量达20.9 mm，均为有气象记录以来2月最强降雪。

2 环流形势及云图分析

2.1 环流形势演变

环流分析显示，两次过程的天气系统配置有共同特征。500 hPa图上，强降水前期在青海湖附近低槽存在，槽前有明显的西南气流配合。“12.07暴雨”青海湖附近为一个小浅槽（图1a）。“17.02暴雪”青海湖附近是一个较为宽广槽区（图2a）。700 hPa和850 hPa图上，东高西低环流特征较为明显。700 hPa图上，7月20日20：00兰州东部为一个完整的低涡环流，低压东侧维持着一支从孟加拉湾、四川、陕西直至宁夏银川的西南向暖湿急流（以下简称SW），风速8～12 m/s，具有风向、风速辐合特征。而2月20日20：00 700 hPa图上，低涡位置在兰州、青海湖附近，低涡的东侧同样维持着一支有风速、风向辐合的12～20 m/s SW急流带，SW暖湿急流更加强盛。可见“17.02暴雪”的SW暖湿急流明显强于“12.07暴雨”过程。

7月21日08：00暴雨发生时，700hPa环流图上（图1b），低涡中心北移至陕北与内蒙一带，低涡的西侧偏北风快速加强，银川6 m/s的偏东风急转为12 m/s的偏北风；低涡东侧的SW暖湿急流显著加强，太原偏南风达16 m/s，表明水汽输送强且有持续性。暖湿急流北伸的同时，在陕西北部、山西北部、河北北部和北京新生成了一个横向切变线（暖式切变），这种暖式切变降水多为对流性、雨强大，在暖切变北推或东移的过程中冷空气南下对暴雨有加强作用[12]。

图1 “12.07暴雨”环流形势

图2 “17.02暴雪”环流形势

2月21日08：00暴雪发生时，700 hPa环流图上（图2b），原低涡已快速东移至黄河河套上空，形成一个南北SW向的槽线，24 h东移近9个经距，实属罕见。槽线前部和后部的风场变化剧烈，平凉由6 m/s的偏东南风急转变为14 m/s的偏北风，太原从10 m/s的偏南风猛增到28 m/s，表明在西北地区东北部冬季出现大范围的强降水天气，SW暖湿急流十分活跃，冷暖空气都非常强，而“17.02暴雪”的降水以暴雪为主。这主要是对流层中高层有宽广的冷槽存在的缘故。

850 hPa环流图上，两次强降水发生前1 h，从孟加拉湾经贵州、重庆西部、四川东部有明显的偏南气流配合；在山西南部、河南东部、关中南部地区均为偏东风或偏东东南风，仅是在风速大小存在差异，这支偏东气流为西北地区东北部两次强降水过程的发展和加强提供了持续的低层辐合、抬升条件。

以上分析表明：密切关注700 hPa SW暖湿急流加强的幅度及北伸的范围、低涡或切变线移动的速度和位置是决定两次强降水落区、强度的关键。同时850 hPa偏东风或偏东东南风对两次强降水低层辐合、抬升作用要引起高度重视。

2.2 云型及演变特征对比

分析两次过程云图演变特征（图3）发现，前期云型除具有青藏高原东北侧的极端暴雨云图特征[13]外。还总体上有“厂”字型或“倒三角”型的结构特征。且在“厂”字型或“倒三角”的顶部有明显的反气旋弯曲存在。其中“12.07暴雨”在我国台湾岛以南、菲律宾北洋面存在一个台风云系，这是高原东侧易出现极端暴雨的一种云图配置结构[14]。具体分析如下：

“12.07暴雨”过程：20日 15：00的云图（图 3a）上，云系的顶部有明显向东南方向一侧发散云系，其中陕西北部、陕西关中西北部、宁夏南部已可清楚的分析出三条东南向的红色云团存在，云顶亮温TBB维持在-52℃，16：30上述3个云团进一步加强，此时在河套底部又有一个东西向新的云团生成，20日22：00（图3b）新生云团已发展成为东北西南向的云团，其尺度长约300 km，宽约160 km，云顶亮温TBB为-60℃。21日02：00（图3c）陕北西部已发展成为两个东南向云团，03：00宁夏东部、陕西北部和山西北部已有4个东南向云团维持。04：00—08：00相关云团与河套底部大的云团合并，再次在黄河沿岸和山西北形成一个大云团，云顶亮温TBB为-65℃，该云团又重新具有“倒三角”特征，随后神木出现32.8 mm/h最大雨强，府谷出现27.4 mm/h最大雨强。

图3 2次强降水过程红外云图（a～d为FY-2E、e～h为 2G）

“17.02暴雪”过程：20日 08：00云图（图 3e）上，在兰州东南部、陇东、陕北与内蒙一带有明显向东南方向发散云系，它具有高空槽云系及槽后部云团发展型特征[15]，14：00云图上在陕西铜川、陕西榆林有两条东西向的红色云带存在，21：00云图（图3f）上，随着整个低槽云系东移，其“厂”字型云系情形更加明显，在陕西榆林和甘肃庆阳一带分别有两条东西向的红色云带出现，在两条红色云带之间还镶嵌两个短黄褐色的云带，23：00（图3g）黄褐色云带和陕西北部的三条云带加强明显，21日02：00达最强，云顶亮温TBB在-48℃，榆林03：00降雪量达3.2 mm/h。04：00在关中西北又出现一条东北西南向云带，预示着该云带东南侧未来将有对流云团生成、加强、发展。06：00、08：00的云图和关中、商州地区的降雪也印证了这点。其中商州08：00降雪量为4.8 mm/h。表明该云图特征对预报强降水有2～3 h的提前量。

综上所述，两次强降水前1 h，除500 hPa在青海湖附近低槽外，700 hPa兰州附近均有低涡存在，其低涡东侧有12～20 m/s的西南急流配合，急流前端或北端已北伸至延安、太原一带。这与陕西北部暴雨指标（当西安700 hPa出现≥12 m/s西南风时暴雨落区将在陕西北部地区）相一致，它为两次强降水的发生提供了大的环流背景和条件。两次过程云系前期都有“厂”字型或“倒三角”型的特征正是对大环流背景的一个直观反映，云图具有频次高、直观等特征，为强降水预报可提供更多的短临预报信息。特别是强降水时，在陕西北部均为东西特征相对明显的红色暖锋云带[3]，该云带常伴有较强降水，对强降水落区标定有较好的指示作用。可见关注急流、暖式切变的位置和暖锋云带附近及暖锋云带南侧的新生对流云团动态，这对短临天气预警来讲是提早做好准确预报此类强降水落区、强度的关键点。

3 动力诊断分析

3.1 水汽条件与能量

水汽通量的连续对比显示，两次强降水过程中水汽输送以对流层中层700 hPa为一个主要水汽输送带，水汽输送带从孟加拉湾地区越过横断山脉，都是通过其槽前的西南暖湿气流不断的输送到陕西或强降水区，它既是水汽输送带也是一个能量输送带（图4、图5）。其中“12.07暴雨”的水汽通量值最大高达12 g/（cm·hPa·s）。这支暖湿输送带还具有较强持续性，随着强降水的邻近，暖湿输送带增强十分明显，如“12.07暴雨”和“17.02暴雪”过程中，仅以太原站为例，分别由原来8 m/s、10 m/s的偏南风猛增至16 m/s、28 m/s，可见SW急流加强之猛。还需强调的是“12.07暴雨”的水汽输送厚度特征显著，500 hPa仍然非常壮观，水汽通量值中心值最大为7 g/（cm·hPa·s）。而“17.02暴雪”的值仅为5.5 g/（cm·hPa·s）。这也能从水汽输送角度解释为何“12.07暴雨”后期在华北，特别是北京市区会出现超过330 mm以上的降水的一个原因。与此同时“12.07暴雨”还存在一个对流层低层850、925 hPa甚至1000 hPa的水汽输送带，其风矢量显示，受台风北上影响，从我国台湾岛东北侧到山西、陕西也维持着一支水汽通道，随着暴雨的临近，水汽输送更加显著，表现为东南暖湿气流不断增强和加大，即850 hPa风速较前一时次明显增大。这非常有助于陕西的强降水发生，研究发现850 hPa偏东急流位置的变化与陕西强降水有很好的关系[16]。

图4 2012年7月20日暴雨过程700 hPa水汽通量（a，b，c）及能量条件（d）

图5 2017年2月20日暴雪过程700 hPa水汽通量（a，b，c）及能量条件（d）

能量分析发现：“12.07暴雨”700 hPa图上原东北西南向的暖脊出现明显的北伸东扩，其中68℃线已全部控制了陕西大部区域，北端已北伸至陕西延安以北，72℃线已由四川东部北伸至陕西汉中以东（图4d），对应850 hPa图上，陕西整个被一个近似南北向76℃温度暖区控制，80℃的暖中心位于陕西汉中一带。“17.02暴雪”700 hPa图上，暖脊北伸特征以南北向相对明显，由原在陕南安康一带40℃的温度线，已北伸至陕北的延安附近（图5d），45℃线也由四川万源一带北伸至陕西商州附近，相应850 hPa图上20℃暖脊北端北伸也十分明显，已达宁夏银川附近。两次陕西强降水过程前期能量积聚显著而持续。由于季节的差异，“12.07暴雨”在数据上明显要强于“17.02暴雪”，这种差别在能量场更加明显一些。

地面图分析，两次强降水天气过程开始前，均在四川中南部、陕南直至整个河套顶部内蒙南部区域，为一狭窄的热低压倒槽区控制。如前所述，它是由于高空大气增温，导致地面气压的降低或维持所引起的。

3.2 涡度和冷平流的演变分析

通过对两次强降水过程的物理量诊断分析发现，两次过程的涡度和冷平流反映明显（图6，图7）。这与陕西中尺度对流复合体（以下简称MCC）强降水过程的一些特征有一致性[17]。其中涡度分布特征显示，对流层高层和中低层的负涡度中心、正涡度中心与强降水落区配合很好（图6d、7d），其形态和走势与两次强降水的落区十分近似，随着暴雨的临近、发生，正涡度中心明显北移至强降水附近，而正涡度的增长，有利于对流的发展，也有利于产生暴雨的气旋性环流维持和发展。

对流层中低层都有明显的冷平流区配合，表现在以700 hPa冷平流表现最为明显，且具有明显的径向型特征（图6b、7b），这可能是SW偏强所造成的，其中“17.02暴雪”最强时中心值达到-40×10-3℃/s，“12.07暴雨”最强时中心值达到-8×10-3℃/s。

另外500 hPa冷平流也清晰可辨，不同的是“12.07暴雨”在河套底部的内蒙南部表现明显，演变特征为稳定和东移；“17.02暴雪”则是在河套西部的宁夏一带表现明显，演变特征为南压和东南移动。强降水都与冷平流最强时刻相对应，由此可见冷平流的影响对两次强降水过程发生有一定的触发作用。首先是冷平流从对流层低层侵入原来低涡或切变（暖切），增加了该区域大气的不稳定，激发暖切或低槽的对流加强；其次冷平流起到一个冷垫作用，有利于暖湿气流强迫抬升，使低层大气出现大范围辐合。由此可见关注对流层中低层冷平流的变化特征，也是准确预报强降水落区的一个关键因子。

图6 2012年7月 20日和 21日温度平流（a，b）和涡度（c，d）

图 7 2017年 2月 21日 08：00温度平流（a，b）和 20日 20：00涡度（c，d）

4 结论

（1）两次强降水过程，虽然季节差异较大，但天气系统配置、云型有一定相似的特征。首先西南暖湿急流十分强盛，700 hPa平均都在10～18 m/s，满足：当西安出现≥12 m/s西南风时，暴雨落区将在陕西北部一带的指标。“17.02暴雪”要更强盛一点，最强达到28 m/s，且经向型特征明显。而700 hPa西南暖湿急流加强的幅度及低涡或切变线位置对强降水落区有一定指示意义。同时850 hPa偏东风对强降水低层辐合、抬升作用要高度重视。云型总体上具有“厂”字型或“倒三角”型特征，“12.07暴雨”过程中“厂”字型或“倒三角”顶部晴空区域特征明显，“17.02暴雪”则不清楚。

（2）云图特征分析显示：当云系在东移、南压的过程中，顶部出现几条反气旋弯曲的螺旋型云带时，即形成红色的暖锋云带。当其右侧再出现发展、加强的中尺度对流云团就应高度重视，该云团产生强降水的可能性极高，该云团多从“厂”字空白区前部暖区发展形成，其中影响云带（团）“12.07暴雨”为中尺度对流云团，而“17.02暴雪”则为带状的云带。它比短时强降水往往提早约2～3 h出现。云顶亮温特征显示，最大小时降雨量与TBB的最低时段匹配较好。

（3）两次强降水过程，前期能量和水汽输送的积聚显著而持续，“12.07暴雨”在数值上明显要强于“17.02暴雪”，但“12.07暴雨”的持续性更好；在能量场差别更加明显，两者相差达约30℃，这主要是由季节差异造成的。西南暖湿急流直伸河套底部的陕西北部、山西北部形成一个暖式切变，该暖切降水多为对流性、雨强大，暖切在北推或东移过程中与冷空气南下共同作用使暴雨往往发展、加强。对应云图显示，云型和强降水对流云团紧随切变移动加强和发展，即云系向影响系统适应或者说影响系统领先于云图出现，可以借鉴模式预报的风场和加密地面风场实况预则云系未来的演变，再进一步预测降水强度及落区。

（4）两次强降水加强、发展与冷平流最强时刻对应较好，暴雪过程的冷平流明显强于暴雨过程，这也是季节原因造成的。可见冷平流的影响对两次强降水过程发生、发展起着一个触发和加强作用，冷平流多从西侧或西北侧侵入强降水区域发挥作用。冷平流分布特征与强降水落区有一致性。密切关注对流层中低层冷平流的路径和强弱是准确预测强降水落区出现的一个关键因子。