低涡影响下的西北地区东部暴雨个例分析

马晓华，马 青，屈丽玮，黄少妮，刘菊菊，潘留杰

(1.陕西省气象台，西安 710014；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象实验室，西安 710016；3.眉县气象局，陕西眉县 722300)

陕西地处青藏高原东北侧，受高原大地形、秦巴山区及黄土高原等地形的影响，该地气候和天气异常复杂，暴雨灾害是夏季陕西地区最重要的气象灾害之一[1-2]。研究表明，副热带高压、低槽、500 hPa切变线、高原涡、西南涡、中低层低涡切变线、远距离台风为西北地区东部暴雨的发生、发展提供了有利的天气背景[2-10]；但是，受不同尺度天气系统的作用和陕西复杂地形的影响，不同暴雨过程中低涡发展演变过程复杂多变，随着加密自动站、高分辨率卫星和雷达等新型观测资料的应用，低涡暴雨过程中低涡及相应物理量演变特征等仍需进行深入研究。因此，本文以2019 年8 月2—4日的一次低涡影响下的西北地区东部暴雨过程为例，综合分析该过程中低涡形成的环流条件、结构特征以及相应物理量特征与低涡暴雨关系，以期为提高陕西暴雨天气的预报水平提供参考。

2019 年 8月 2-4 日，受低涡向东北移动影响，陕西省出现了一次自西南向东北的大范围强降水天气过程。本文利用常规气象观测资料、 陕西区域自动站观测资料、多源融合逐小时0.05°×0.05°格点降水资料、 NCEP 1°×1°再分析资料和卫星探测资料等，采用常规诊断分析方法，重点研究低涡引发暴雨的机制以及相关物理量作为暴雨预报的指示作用。

1 过程概况

受低涡影响，2日08时至4日08时陕西关中北部、陕北等地出现大范围强降雨，全省区域站监测表明共100个区(县)1 767站出现降雨，其中43站累计雨量超过100 mm，最大降雨量为商南余家台滑坡站为225 mm，289站超过50 mm(图略)。从24 h格点降水实况分布可见降雨量大值区与低涡移动路径基本一致， 2—3日(图1a) 降雨落区主要位于甘肃与陕西交界地区，随着低涡东北移，3—4日(图1b) 强降雨移至陕北地区，24 h累积降雨量超过100 mm。由于此次降雨强度大、时间长以及影响范围广等特点，故选取对陕西影响程度比较大的时段来探讨低涡不同演变时期产生降水的物理机制。

图1 2019-08-02T08—03T08(a)和2019-08-03T08—04T08(b)累计降雨量(单位为mm)

2 高空环流及低涡特征

2日20时500 hPa天气图上，欧亚中高纬度维持两低一高环流形势(图2a)，贝加尔湖以北地区为弱脊控制，巴尔喀什湖北部维持一个强大的低压中心，是这次暴雨过程中冷空气的源地，低压底部分裂的短波槽位于巴尔喀什湖以东、贝加尔湖以西，短波槽携带冷空气进入河西走廊，在高原东侧堆积。中纬度副热带高压呈带状分布，主体位于海上，西脊点位于120°E、34°N附近。在高原东侧有明显高空槽，陕西处于槽前西南气流中，高原槽东移，槽前正涡度平流造成低层减压，有利于低层低涡环流形成。低纬度地区2019年第7号台风“韦帕”位于广西省北海市南部近海，中心附近最大风力为9级，向西缓慢移动且逐渐减弱。700 hPa上，甘南地区有气旋性环流形成，其东侧平凉站风速较大，偏南风达18 m/s，陕西受312 dagpm线外围的一致南风影响。850 hPa陕西中南部以偏东风为主，在偏东风的阻挡下， 陕西上游降雨系统移速较慢。3日08时500 hPa高空槽加强，受副高阻挡，高空槽前气压梯度增强，偏南风明显增大。受高层正涡度平流影响，700 hPa上气旋性环流发展(图2b)，已形成低涡，低涡向东北方向移动，中心位于延安西侧。台风“韦帕”外围东南气流向西北地区东部伸展，在低涡冷切变东侧形成了低空急流，西安站风速达18 m/s。急流的建立不仅将北部湾水汽向河套地区输送，同时急流左前侧辐合区有利于低涡加强，也有利于上升运动发展。850 hPa上冷空气已经到达汉中，加剧了低层空气的不稳定。3日白天高空槽进一步缓慢东移且加深发展，20时500 hPa高空槽前西南气流明显增大。受西南气流引导，700 hPa低涡继续向东北方向移动，中心位于横山一带。此时850 hPa在陕北榆林地区有暖切变形成，暖切变走向与700 hPa低涡暖切变走向相垂直。可见此时低涡发展深厚，强度最强。随后的12 h低涡移速加快，迅速移出陕西地区，4日白天陕北地区降水也逐渐结束。

图2 2019-08-02T20 500 hPa高空图(等值线为位势高度，单位为dagpm)及2019-08-02—04低涡中心移动动态图(低涡右侧的数字标注为低涡存在的时间，前两位为日期、后两位为时次)(a),2019-08-03T08 700 hPa高空图(等值线为位势高度，单位为dagpm)(b)

从以上描述和分析可以看出，由于副高位置稳定少动，受其阻挡，500 hPa中纬度地区呈现西低东高的形势，500 hPa高空槽及700 hPa低涡切变对此次降水形成有重要作用。陕西主要受槽前西南风控制，引导低涡向东北方向移动，低涡切变区容易形成辐合上升运动，为暴雨的产生提供了系统性动力抬升条件，强降雨主要发生在低涡前部东南和西南气流交汇处。

3 物理量场诊断分析

3.1 水汽条件

水汽是强降水天气过程的重要条件之一，因此水汽的输送和辐合区域集中情况值得关注。由整层水汽通量及水汽通量散度分布(图3) 可知，此次降水的主要水汽通道有两支，2—3日水汽来自广西北部湾，经云贵高原、四川盆地等地将暖湿空气向陕西北部输送，与偏北干冷气流交汇，从而在西北地区东部产生较强降水，3—4日水汽来自副高外围偏东南暖湿气流。

图3 2019年8月整层大气水汽通量 (箭头，单位为g/(m·s)) 及水汽通量散度(阴影区，单位为g/(m2·s))(a 2日20时，b 3日08时，c 3日20时，d 4日08时)

2日20时(图3a)，第7号台风“韦帕”位于21.3°N、109.3°E附近，且以每小时5～10 km的速度从广西沿海向偏西方向移动，其外围偏东南气流一直向内陆输送水汽，该偏南水汽通道在陕南关中地区形成了中心值达-5 g/(m2·s)的水汽辐合中心，为西北地区东部的暴雨过程提供了水汽和能量。水汽通量值大于4 000 g/(m·s)区域正好对应甘肃东部及陕西西部强降水。3日08时台风“韦帕”继续西北行(图3b)，水汽输送大值中心区4 000～5 000 g/(m·s)向东北方向移到关中北部及陕北南部地区，该地区处于强的水汽辐合大值区，整个3 000 g/(m·s)以上区域与降水落区对应良好，水汽输送大值中心叠加强辐合区使黄龙站出现了49.3 mm/6 h的强降水。08—14时水汽输送带进一步东北上，陕西地区水汽输送大值区中心强度增强到6 000～7 000 g/(m·s)，且一直伴随着强水汽辐合，延安志丹站出现了58.5 mm/6 h强降水。3日20时副高西伸北抬(图3c)，台风西行减弱，外围通往西北地区东部的水汽通道断裂，副高外围东南气流继续向陕西地区输送水汽，水汽输送带东移到陕西与山西交界处，且伴有水汽辐合，陕北黄河沿线多站6 h降雨量达35～50 mm。该水汽输送带维持到4日02时之后(图3d)，2 000 g/(m·s)以上的水汽通量通道东移出陕北地区，全省降水结束。

因此大气整层水汽通量及水汽通量散度在本次低涡暴雨预报中具有一定的意义，水汽通量的突增对应降水的增强，水汽通量大值中心叠加强水汽通量辐合区对应强降水落区。

本次暴雨天气发生发展维持与低涡的生成发展及移向密切相关，因此从涡度平流及温度平流的角度分析低涡移向。

3.2 涡度平流

2日20时(图4a)，700 hPa低涡位于甘肃东部，在低涡东北部有正涡度平流中心，正涡度平流向东北方向移动，低涡中心东北部气旋性涡度增加，配合高层的辐散，造成低涡东北部为强上升运动区，低涡中心向东北移动发展。3日08时(图4b)，低涡中心移到甘肃、宁夏及陕西三省交界处，在低涡东部、北部存在正涡度平流，最强涡度平流达70×10-10s-2，引导低涡东移北抬。3日20时700 hPa 低涡位于榆林西部(图4c)，在陕北存在中心为40×10-10s-2的正涡度平流区，正涡度平流向东北方向移动， 低涡中心继续向东北方向发展增强。3日夜间到4日(图4d)，随着正涡度平流向东北传播，低涡快速移出陕北地区。

图4 2019年8月500 hPa涡度平流(单位为10-10s-2)及700 hPa风场(a 2日20时，b 3日08时，c 3日20时，d 4日08时)

3.3 温度平流

分析温度平流(图5，见第6页)可以发现，2日20时在低涡东北部有值为9×10-5℃/s的暖平流中心，暖平流可使低压东北部减压，低层产生上升运动，受中高层西南引导气流影响，低涡中心向东北方向移动。3日 08时，在低涡东北部存在暖平流中心，受中高层西南气流引导，低涡继续向东北方向移动。3 日 20时，700 hPa 低涡位于榆林西部，在低涡东北部有12×10-5℃/s的强暖平流中心，进一步使低涡中心向东北移动。值得注意的是在低涡的西部出现值为-8×10-5℃/s的冷平流中心，这种强烈的冷暖平流导致低涡附近斜压不稳定，低层等压面下降和较强的辐合抬升，从而低涡除了继续向东北方向移动外，还进一步增强发展。4日08时，低涡中心移出陕西榆林地区。因此对流层低层热力因子，即温度平流对低涡的移动有引导作用，并且能使低涡进一步发展加强[11]。对比了低涡中心位置与未来12 h降水落区，发现未来12 h强降水中心位于低涡东北侧，低涡移过的区域就是降水区，可见温度平流在对低涡移动路径方面有良好预报指示作用。

图5 2019年8月700 hPa温度平流(等值线，单位为×10-3 ℃/s)、风场及未来12 h降雨量(阴影区，单位为mm)(a 2日20时，b 3日08时，c 3日20时，d 4日08时)(文见第4页)

3.4 能量及不稳定条件

低涡向东北方向移动引发的榆林及延安北部强降水具有明显的强对流性质。3日08时延安探空图(图略)上，700 hPa 以下为东南风，以上西南风，有暖平流结构，利于低涡环流发展，近地面到500 hPa为不稳定层。3日白天CAPE值、K指数由579.5 J/kg、37.2 ℃跃增到1 365.3 J/kg、40.2 ℃，SI指数由0.01 ℃降为-2.68 ℃(图6a，见第6页)，大气处于极不稳定状态， 只要有触发机制，便可触发对流。从20时风场的变化可以清楚看出，整层大气均为西南气流，表明随着低涡向东北方向移动，延安地区已处于暖切变的暖区一侧。3日白天700 hPa假相当位温表明(图6b，见第6页)，从四川盆地有高能舌伸向陕西地区，陕北有明显能量梯度，能量梯度区对应低涡暖切变区，表明此处为能量集中区，大气层结极度不稳定，为强降水极其有利的条件。

图6 2019-08-03T20延安探空(a)和700 hPa假相当位温(b，单位为℃)(文见第4页)

4 湿位涡

湿位涡是一个能综合反映大气动力、热力和水汽性质的物理量，广泛用于暴雨诊断分析中[12]。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，导致强降水发生。3日08时过低涡中心的湿位涡剖面图(图7a，见第7页)可知，受副高影响，陕西上空被偏南气流控制，大气低层呈现出明显的对流不稳定状态，在低涡上空700～500 hPa有中心为0.3 PVU(1 PVU=10-6m2·K/(s·kg))正位涡中心，700 hPa以下为负位涡区。湿位涡随高度呈正负叠加分布，表明冷空气以高值位涡的形式向下输送，叠加在低层暖湿空气上，加快了低层不稳定能量的释放，使对流不稳定更加旺盛。3日20时(图7b，见第7页)低涡109°E上空，大气对流不稳定性加强，同时在低涡西侧，有明显冷空气入侵，700 hPa附近有中心为0.9 PVU正位涡中心，同时在低涡东侧对流层中高层的湿位涡正值向下延伸，气柱拉伸，低层大气气旋性涡度增强，有利于低涡加强、上升运动发展，向高层输送水汽能量，从而有利于暴雨的发展。

图7 过低涡中心湿位涡(等值线，单位为PVU)、假相当位温(阴影，单位为K)及风场(风杆，单位为m/s)纬向剖面图(a 2019-08-03T08，b 2019-08-03T20)(文见第5页)

5 卫星云图

在由FY-2G气象卫星反演得到的TBB时间演变图(图8)上，3日08:00，河套地区为一条逗点型云带。整个云带以层状云为主，云带中夹杂着中小尺度对流云团，结构松散；云带的TBB值多低于-36 ℃，最低达-60 ℃；云带可分成两块，北部呈圆形的低涡云系，南部呈带状的高空槽云系。 与6 h累积降雨量对比发现， 3日凌晨强降水主要是由南部的高空槽云系造成，云团A云顶亮温低至-60 ℃，造成了汉中佛坪熊猫谷134 mm/6 h的降水。云团B、C经过的区域也出现了20～70 mm/6 h降水，此时陕北地区降水不强，强度为10～15 mm/6 h。随后4 h随着低涡向东北方向移动，高空槽云系中的云团A、B、C合并成线状，北部圆形的低涡云系结构变得密实，中心夹杂着中小尺度对流云团，冷云主体对流发展极盛，tBB≤-52 ℃ 的冷云盖面积增大，云团TBB梯度大值区雨强约30～70 mm/6 h。16:00南部的云系有所减弱，关中、陕南地区的降水也明显减小，陕北地区低涡云系在该时段强度维持，且冷云中心缓慢向东北方向移动，云团中心移过的区域均出现了30～60 mm/6 h降雨。20:00北部云团和南部线状云带有所分离，北部低涡云团范围有所减小，tBB≤-52 ℃ 的冷云盖面积较之前缩小，强降水局地性更强，低涡冷云盖中心移过的区域出现了30～80 mm/6 h降水。20:00之后北部低涡云系中有新生对流云团D生成，在之后6 h内，云团D经历了快速发展、加强、减弱，造成了榆阳县巴拉素镇124 mm/6 h强降雨。4日04:00之后整个降水云系移出陕西，全省降水结束。

图8 2019-08-03—04FY-2G红外云图TBB演变(单位为℃)

6 小结

(1)500 hPa低槽缓慢东移，中纬度副热带高压稳定维持，这样的高空形势有利于北方弱冷空气与来自副高外围的偏南气流在河套地区相遇，为此次低涡暴雨提供有利条件。

(2)大气整层水汽通量及水汽通量散度在本次低涡暴雨预报中具有一定的意义。水汽通量的突增对应降水的增强，水汽通量大值中心叠加强水汽辐合区对应强降水落区。500 hPa正的涡度平流使低涡移动并发展，对流层低层热力因子温度平流对低涡移动路径方面有良好预报指示作用，冷暖平流导致低涡进一步发展加强，涡度平流和温度平流对本次低涡暴雨的发展和移动有很好的指导意义，未来12 h强降水落区移动路径与低涡中心移动路径有直接关系。

(3)对流层上层高位涡向下伸展，分裂的高值扰动可促使中低层气旋涡度发展，有利于低涡加强，对流层中低层700 hPa附近上正下负的分布形态促进了不稳定能量的释放， 有利于低涡暴雨的发生。

(4)卫星云图上表现为逗点型云带，整个云带以层状云为主，北部椭圆云形与低涡系统对应良好，南部线状云带对应切变线系统。