陕西榆林一次大暴雨成因分析

马晓华，马 青，刘嘉慧敏，高 勇，侯建忠，刘慧敏

（1.陕西省气象台，陕西 西安710014；2.眉县气象局，陕西 宝鸡722300；3.中国人民解放军95994部队，甘肃 酒泉735006；4.榆林市气象局，陕西 榆林719399）

陕西位于中国西北地区、青藏高原东北侧，受盛夏西北太平洋副热带高压系统（西太副高）与西风低槽等系统共同影响处易产生强对流天气，短时强降水可造成局部严重洪涝灾害，是气象预报重难点之一。西北地区以短时强降水为主的大暴雨过程受到国内气象工作者广泛关注[1-6]，他们在大暴雨天气成因、多种资料分析应用、预报方法、时空分布特征及概念模型等方面积累了相应的成果和经验。有关研究表明陕西每一场大暴雨中均可发现有热带环流系统的作用，重大洪灾与近海台风活动相关率达90%[7]。混合型不稳定层结，中β尺度重力波在水汽充沛条件下，可引发短时强降水[8-9]。对流层高层高值位涡侵入到低层时，可引起倾斜涡度发展，导致低层垂直涡度发生变化，产生对流性强降水，位涡随时间的变化与降水随时间的变化几乎保持一致[10-12]。近年来陕北极端降水频次增加，暴雨突发性及夜雨性明显，2017年7月25日夜间到26日凌晨，陕西榆林市出现了罕见区域性大暴雨天气，引发严重的洪涝灾害。有学者认为7月25日这次过程在环流及天气条件方面与陕北1977年7月5日到6日（“77·5”）特大暴雨相似[13-16]。针对此次过程，各家数值模式在量级及落区预报方面差异较大，短期预报效果欠佳。本文通过NCEP逐6 h 1°×1°再分析资料、常规气象观测资料、加密观测等资料从高空环流形势、中尺度环境条件、卫星及雷达特征方面分析榆林区域性大暴雨成因，以期提高此类灾害性天气预报服务水平。

1 降水概述

2017年7月25—26日，陕西省榆林市出现了区域性暴雨及大暴雨天气（图1a）。此次过程全市平均降水量为76.3 mm，过程降雨量为50～100 mm的有44站，占20%，100～250 mm的有30站，占14%，最大降水量在绥德的四十铺为247.3 mm，其中横山、米脂、子洲降水量分别为111.1、140.3、218.7 mm，均突破历史极值。强降水出现在25日夜间到26日凌晨，有明显夜雨性特征，25日22时及26日02时子洲小时雨强分别达41、52 mm（图1b），持续数小时强降水使得子洲遭受了多年以来最严重的暴雨洪统由低纬到高纬呈现“低—高—低”的分布。南海有台风活动，中纬度副高呈带状分布，584 dagpm线北界位于40°N附近，位置较偏北，588 dagpm控制了陕西关中、陕南大部分地方，脊线位于32°N，中高纬贝加尔湖东侧到我国东部地区为低压槽区，在内蒙古西部到甘肃中部有高空槽，河套处于槽前西南气流中，无明显暖平流。700 hPa榆林地区有偏东风与西南风形成的切变线，850 hPa榆林地区无明显风场辐合及高温高湿区存在；20时（图2b）300 hPa高空纬向急流带风速明显加强且位置南压，河套以北出现了36 m/s风速大值区，东胜、延安风速增大到24、18 m/s，榆林仍处于风速强辐散区中。500 hPa副高继续北抬西伸，河套地区有弱的短波槽，榆林位于副高588 dagpm线东北侧，南海台风“桑卡”继续西北行，台风与副高相互作用使得其北侧形成强偏东南气流，这股东南风从海上一直延伸到内陆，成为暴雨的主要水汽通道。700hPa312dagpm位置与500hPa 588 dagpm位置基本重合，沿着312 dagpm外围有涝侵袭。这次强降水范围广、强度大、强对流特征明显，造成榆林市9县区39.67万人受灾，因灾死亡12人，供水、供电、供气、交通、广电、通讯等基础设施严重损毁，人民群众财产损失严重。

图1 2017年7月25日08时—26日08时榆林降水量（a）及子洲小时雨量（b）（单位：mm）

2 环流形势及演变特征

大范围强降水必然有异常的环流形势，7月25日20时500 hPa（图2a）热带地区为负高度场距平区，表明南海台风活跃，使得副高位置偏北偏西，呈带状分布，中心强度异常偏强，同时台风与副高的相互作用，可使它们之间气压梯度加大，台风外围偏东南风加强，为西北地区提供水汽。中纬度巴尔喀什湖为正高度场距平区，表明此处有阻塞高压或强的高压脊存在，脊前可分裂小股弱冷空气东移南下影响河套地区，且与河套地区的高压之间易形成锋生。贝加尔湖到我国东北地区为强的负高度场距平区，该处亦可有低值扰动影响河套地区，整个环流形势背景有利于产生大暴雨。

图2 7月25日20时500 hPa高度场距平场（a）（单位：dagpm）和25日20时300 hPa急流（箭头，≥20 m/s）、500 hPa高度场（等值线，单位：dagpm）及 700 hPa风场（b）（风杆，单位：m/s）

7月25日08时300 hPa从新疆西部经内蒙古到东北地区有风速＞20 m/s东西向急流带，陕北处于高空急流入口区右侧，东胜风速18 m/s，延安16 m/s，榆林处于两站之间的风速辐散区。500 hPa亚洲大陆中高纬环流形势呈两槽一脊型，东亚地区天气系一支明显的偏南气流伸向西北地区东部，偏南风在陕西境内达10～14 m/s，且有暖平流向陕北输送，榆林处于急流左前侧。850 hPa榆林有偏南风与弱的偏北风切变，河套地区有中心强度达32℃的暖中心，榆林中南部处于ΔT（500-850）≥27℃的不稳定区域内。地面上从东北地区经渤海湾到西北地区东部有冷高压，河套到四川盆地有中心强度997.5 hPa热低压，热低压不断向东北方向拱起，陕北处在高低压之间弱锋区中，地面暖湿空气沿着东路弱冷空气爬升，易产生大暴雨。

本次过程由弱的天气系统影响产生，预报难度大，落区位置特殊。300 hPa急流带超前暴雨出现，急流的存在与维持使得暴雨区存在强高空辐散，河套以北37°～41°N纬向急流带增强南压，且700 hPa偏南风迅速增加北上，两者相互作用使高层正涡度增大，低层负涡度变小，上升运动加强，降水强度增强，这与前人的研究结论一致[7]。

3 成因分析

能产生如此强的区域性大暴雨，必然有触发中尺度系统发生发展的环境条件，下面从水汽、不稳定层结及抬升条件方面重点分析。

3.1 水汽条件

对局地短时大暴雨，持续不间断的水汽输送十分必要，以补充暴雨发生所造成的大气柱内水汽损耗，通过计算大气整层水汽通量[17]，以此来分析水汽来源。

25日08时（图3a），八号台风“桑卡”位于南海108.7°E、17.3°N，其外围水汽沿副高西侧向北输送，这条偏南路径的水汽输送使榆林西部水汽通量最大值达 4000 g·（cm·s·hPa）-1。14 时随着台风西北上，偏南路径水汽输送增强，整个河套水汽通量值达4000 g·（cm·s·hPa）-1，榆林西部水汽增大到5000 g·（cm·s·hPa）-1。20 时副高西伸，远距离水汽输送维持（图3b），同时中纬度有一支偏东气流将黄海、东海的水汽带到内陆，东路水汽输送与远距离水汽输送共两条水汽供应集中到西北地区东部，为暴雨区提供了充沛的水汽供应，榆林地区水汽通量明显加强，中心最大值增加到 5000 g·（cm·s·hPa）-1，强降水开始。之后6 h由远距离偏南路径及偏东路径水汽的持续输送使暴雨区水汽通量最大值达到8000 g·（cm·s·hPa）-1，降水达到峰值。26 日 08 时由于“桑卡”的西移及副高的南压，西北地区东部的两支水汽通道断裂，本地的水汽通量大值中心发生东移，榆林地区强降水结束。

图4为大暴雨中心子洲的水汽场，25日20时—26日02时偏南水汽通量明显加强，大气低层由前期的辐散转为辐合，中心强度达-10×10-5g·（cm2·hPa·s）-1，且水汽辐合区达 500 hPa，中高层为水汽辐散区，这种低层辐合高层辐散的大气水汽结构，造成了子洲罕见大暴雨。

3.2 大气稳定度

3.2.1 探空资料

图 3 大气整层水汽通量（单位：g·（cm·s·hPa）-1）

图 4 子洲水汽通量（风杆，单位：g·（cm·s·hPa）-1）及水汽通量散度（单位：10-5g·（cm2·hPa·s）-1）高度—时间演变

选取暴雨区附近的探空站作为代表站（图5），25日白天延安地区晴空无云，随着晴空辐射加强，且风随高度顺转有明显暖平流，大气聚集了较大对流不稳定能量，CAPE值达2422 J/kg，K指数为44℃，500 hPa以上为干层，以下湿度较大，上干下湿的分布及较弱的垂直风切变均有利于不稳定能量的积累和强对流天气的触发。东胜探空呈现出“细长”结构，温度曲线和露点曲线接近重合，并一直向上伸展到200 hPa，大气整层为湿层，水汽条件异常丰沛，且垂直风切变小，是典型的短时强降水大气分布特征。

降水效率可用暖云高度来衡量，根据抬升凝结高度及零度层高度可计算暖云层厚度[18]，降水系统中暖云层越厚，越有利于高降水效率的产生，此次强降水过程抬升凝结高度普遍较低，暖云层厚度东胜约3600 m，延安3500 m，可导致榆林地区降水效率的迅速提高。

3.2.2 湿位涡

湿位涡同时反映热力与动力的综合作用，可进一步分析大气层结的不稳定性[19-20]。对流层上层高位涡向下伸展时，分裂的高值扰动促使中低层气旋涡度发展，常导致强降水发生。25日20时陕北上空高层盛行西南气流（图6a），低层为偏东南气流，受副高影响，大气层处于高温高湿状态。对流层中高层有正值位涡区，位涡值相对较小，暴雨区38°N上空有小股弱冷空气侵入，中心值为0.2 PVU。26日02时陕北上空对流层中高层由西南气流转为偏西北气流（图6b），湿位涡正值区较上一时刻明显范围扩大、强度增强，且在37°N上空出现了“漏斗”状正值位涡区，强度0.2 PVU干冷空气沿着等θse面下滑到650 hPa，补充了前一股弱冷空气，位于 850 hPa、38°N的弱冷空气沿着副高外围继续向南侵入100 km，暖湿空气被迫抬升，高温高湿区向高空伸展，θse梯度增大，暴雨区上空对流不稳定性加强，短时强降水也达到了峰值。在干冷空气逐步侵入的过程中，暴雨区上空建立了“上干冷下暖湿”的大气垂直结构，加强了对流不稳定的形成。

图5 7月25日20时东胜及延安探空T-lnP

图6 过暴雨中心沿110°E的湿位涡（等值线，单位：PVU）与假相当位温（阴影，单位：K）及风场（风杆，单位：m/s）经向剖面

3.3 总温度平流

总温度平流是综合性物理量，不仅能反映暖湿空气的活动，而且在一定意义上可以反映地形的影响[21]。暴雨发生前12 h（图7a），子洲地面被东路弱冷空气控制，总温度平流约-8℃·s-1，900～600 hPa被暖湿空气包围，大值中心8℃·s-1位于850 hPa，600～300 hPa被较强冷空气控制，大气层结相对稳定。到了20时（图7b），随着偏南风的加强，子洲有明显暖空气活动，900 hPa以上均为暖平流，且中心最大值突增到20℃·s-1，暖湿空气沿东路冷空气爬升，大气不稳定程度加大，为子洲之后暴雨的发生提供了有利的环境条件。26日08时子洲上空大气层几乎被暖平流控制，东路冷空气消失，强降水结束。

3.4 中尺度动力抬升

图7 25日08时（a）和20时（b）过子洲站总温度平流纬向剖面图（单位：℃·s-1）

20时前后地面主要以偏东或东南风为主，风速较小，无明显降水，子洲偏南风，风速3 m/s，清涧东南风，风速5.7 m/s，无明显辐合，22时子洲风向转偏北风，风速突增到10.5 m/s，清涧9.2 m/s偏南风，出现“对吹”现象，榆林东南部形成了一条约100 km东北西南向地面辐合线，对应中小尺度低值系统影响子洲，强降水位于辐合线西北侧，子洲降水量42 mm/h，23时风速迅速减小，风向以偏东或东北风为主，持续到26日01时，地面再次出现风速突增，子洲为6.4 m/s的偏北风，米脂为9.5 m/s的偏东风，清涧为5.1 m/s的东南风，地面辐合线再次出现，影响榆林东南部，子洲出现52 mm/h的降水，01时后风速显著减小，强降水逐步减弱。从子洲逐小时变压场来看，21—22时有1 hPa正变压，01—02时有1.6 hPa正变压，可见在两次强降水期间地面均有弱冷空气活动。这也印证了上一节中低层弱冷空气沿着副高外围向南侵入结论，弱冷空气强迫暖湿空气在地面辐合线附近抬升，触发中小尺度对流系统发生发展，引发子洲短时强降水。

4 中尺度对流系统演变特征

从云图分析可见强降水是由中尺度对流系统（MCS）引起（图8），强降水发生前，河套地区有分布零散的α、β、γ中尺度对流系统，东北路弱冷空气不断侵入，冷暖气团交汇，使得大气层结很不稳定，导致中小尺度系统云团不断发展合并，22时前后，β中尺度系统与α中尺度系统合并，此时MCS云团TBB≤-52℃的云团面积已经达到105km2，雨强加大，21—22时子洲最大雨强为41 mm，子洲恰好位于两云团合并处，之后MCS面积不断增大，云顶TBB最小值达-80℃，26日02时前后云团发展最强，椭圆特征明显，且边界光滑，TBB≤-52℃的云团面积达1.6×105km2，子洲01—02时降水量52 mm，该MCS持续到04时开始变形衰减，TBB≤-52℃的云团面积减小，强降水也随着减弱，到了06时对流云团分裂成若干个中小尺度对流云团，随着云系的减弱东移，降水结束。

MCS持续时间长、面积大，对流发展旺盛是产生强降水的主要原因，子洲第一阶段强降水位于云团合并处，第二阶段降水位于TBB中心最小值附近。

图8 FY2G卫星TBB产品

25日20时—26日02时，云团处于强发展期，分别计算了强降水区平均垂直速度，涡度及散度（图9），降水发生时650 hPa以下为弱的反气旋性涡度，最大气旋性涡度4.0×10-5s-1位于400 hPa，到了强降水发生时，中低层均出现了明显增大的双峰型气旋性涡度，分别为800 hPa的6.0×10-5s-1、450 hPa的 2.0×10-5s-1，300 hPa出现异常偏大的反气旋涡度最大值为-5.0×10-5s-1，对应中低层辐合增强，高层辐散加大，整层大气均为上升气流，最大上升速度-0.9 Pa·s-1位于550 hPa，“抽吸”作用使降水区上升运动加强，云团垂直方向发展异常旺盛。

5 雷达特征分析

25日20时榆林地区回波主要呈现带状回波A、孤立雷暴单体B及片块状回波C，到21：36前后A、B、C分别发展到强度最强（图10a），A回波长宽比约为5：1，长轴最长达250～300 km，中心强度约为50～60 dBz且移速较快，B、C移动较慢，中心强度＞65 dBz，子洲55 dBz回波强度在4.5 km左右，垂直液态水含量最大达69 kg/m2，沿各强回波中心附近开始出现12～18 mm/10 min的短时强降水；随后B、C在东移过程中强度逐渐减弱并与A回波合并成块状回波，22：25前后块状回波减弱到中心强度45～50 dBz，此时最大降水强度回落至5～7 mm/10 min。

26日00—02时主要降水回波平流方向已由开始的东西走向变为西北—东南走向，以层状云混合降水回波为主，在其前部有强度为55～65 dBz的对流回波区，尤其在子洲、绥德地区（图10b红色矩形框）不断有多个强回波中心生成发展，形成“列车效应”，强回波首先经过子洲，26日00时降水量达32.8 mm，01时降水量略有减小，02时子洲回波强度达50 dBz，小时雨量52 mm，03时雨强减弱到19.1 mm，此时强回波东移影响绥德，03—04时绥德小时雨强36.5、32.7 mm。04—06时降水回波南下东移，榆林地区短时强降水时段结束。

6 结论

对 2017年 7月25—26日陕北榆林一次大暴雨进行了诊断分析，主要结论如下：

图 9 26 日 02 时过暴雨区域平均涡度（a）（单位：10-5s-1）、散度（b）（单位：10-5s-1）及垂直速度（c）（单位：Pa/s）剖面

图10 榆林雷达组合反射率因子

（1）榆林此次大暴雨过程主要以对流性强降水为主，大暴雨发生在副高稳定少动且位置偏北、偏西环流背景下，300 hPa 37°～41°N 纬向急流带增强南压，700 hPa偏南风增加北上为本次暴雨提供了有利背景场，台风外围偏南气流与副高外围偏东南气流所携带的水汽为暴雨区提供了水汽供应。

（2）探空资料表明上干下湿大气层结及弱的垂直风切变均有利于强降水发生。大气高层有0.2 PVU的正值位涡扰动沿假相当位温密集区下滑补充低层弱冷空气，低层东路冷空气抬升暖湿空气，两者共同作用加强了大气对流不稳定层结的建立。伴随地面两次辐合线的出现，子洲迎来了最大小时雨强52 mm降水极值。

（3）中小尺度对流系统在东移过程中合并发展成椭圆形MCS。MCS发展阶段，低层为“双峰型”气旋性涡度伴随中尺度辐合，高层反气旋型涡度伴随中尺度辐散的垂直大气结构，且上升速度明显，MCS最强时段TBB≤52℃冷云罩面积达1.6×105km2。子洲第一阶段强降水位于云团合并处，第二阶段强降水位于MCS云团中心附近。

（4）中心强度＞55 dBz的对流单体造成了子洲第一阶段强降水，偏南风脉动使得多个中心强度＞55 dBz强回波连续经过子洲、绥德一带，类似于“列车效应”，这是造成子洲第二阶段强降水主要原因。