榆林市两次局地短时大暴雨过程的特征分析

肖贻青，肖湘卉，屈丽玮

（1.陕西省气象台，陕西 西安 710014；2.渭南市气象局，陕西 渭南 714000）

暴雨一直是天气预报和服务的重点，更是预报的难点，因此始终是各国气象工作的重要内容之一[1]。国内众多学者对暴雨的形成做了大量的研究，主要成果包括：高空急流在暴雨过程中的动力作用[2]、动力因子特征[3]、不稳定触发机制[4]、暴雨云团的触发和传播机理[5]、环流特性和极端性[6]以及中尺度对流系统[7]对暴雨的影响机理。这些工作多视角展示了暴雨发展演变、形成结构、触发机理、模式可预报性等不同特征，对深入理解和预报暴雨有重大意义。短时强降水作为强对流主要天气之一，也是引发暴雨的主要原因，其局地性和突发性等特点，造成的短时暴雨更具有破坏性和灾害性。武麦凤等[8]对陕西关中东部的强对流天气分析认为，强的垂直风切变和低层辐合造成了短时强降水；刘新伟等[9]研究结果表明，高空冷平流和低层暖平流强迫均可造成短时强降水，水汽条件好的过程雨强更大；更多的研究是从天气形势、物理量条件、卫星云图及雷达回波特征对短时强降水进行分析[10-12]。

陕北地处黄土高原，全年降水偏少且分布不均，主要地形地貌为黄土丘陵沟壑，植被差，遇暴雨水土流失非常严重，并且往往会引发山洪、滑坡和泥石流等地质灾害，造成严重的人员伤亡和财产损失。在全球变暖的气候背景下，极端天气频发，陕北的暴雨、大暴雨过程也有明显上升趋势，仅2018年汛期7—8月，陕北就出现了多次明显的大暴雨过程，其中8月7日、8月10日榆林市局地短时大暴雨，造成了严重的城市内涝、山洪滑坡等灾害，直接经济损失上亿元，给人民生活带来了严重的威胁。

近些年对陕北暴雨过程的诊断分析和模拟[13-16]，对陕北暴雨发生时的环流背景、动力水汽条件、触发机制等多方面进行了研究，但局地短时大暴雨依然是预报中的难点，因此有必要进一步探究不同类型短时大暴雨成因和特征，以建立最新的预报指标，提高预报的准确率。

1 降水实况

2018年8月7日14—20时，榆林市出现了局地短时大暴雨，共有8站达到暴雨量级，1站大暴雨，最大累计降水103.4 mm，为榆林城区站（图1a）。8月10日20时—11日08时，该地再次发生了短时大暴雨，共15站暴雨，3站大暴雨，累计最大降水量出现在神木县乔岔滩站，为142.5 mm（图1b）。

对两次过程发生短时强降水的自动站次统计可以看出，过程I和过程II超过20 mm·h-1的短时强降水均维持了约6 h，过程I出现了23站次（图1c），最大小时雨强为66.3 mm·h-1；过程II出现了17站次（图1d），小时最大降水为49.2 mm。两次过程均发生在榆林市境内，相隔仅3 d，对其形成机理的深入研究，有利于进一步了解陕北短时大暴雨的特征和机理，从而提高短时大暴雨预报技术。

图1 8月7日14—20时（a）、10日20时—11日08时（b）累积降水分布（单位：mm）及过程I（c）、过程II（d）>20 mm·h-1的短时强降水站次分布

2 天气背景与对流环境条件分析

2.1 天气背景

合的切变线位于副热带高压外围，短波槽的下游地区；850 hPa上低涡位置与700 hPa接近，陕西北部为一气旋性环流中心，从榆林北部有一条切变线向西南方向可延伸至宁夏南部，从甘肃南部至陕西北部有一条暖舌。

过程II在8月10日20时，500 hPa高度场（图2b）在东北地区有一冷涡，从冷涡中心延伸出的槽线呈东西走向，有利于冷空气堆积，榆林位于冷涡底部槽线附近，槽后冷涡底部的西北气流有利于引导冷空气南下并加深高空槽，另外副热带高压东退至江南地区；700 hPa在陕西北部—内蒙古地区有一冷中心，与此同时，850 hPa在该处也有一冷中心，切变位于榆林东部，呈东西走向，且有暖舌从陕西中部向东北方向延伸至榆林中部。

综合来看，这两次短时大暴雨过程，产生的大尺度环流背景、高低空配置是有明显差异的。过程I是典型的副热带高压外围短波扰动引起的强对流天气，而过程II是典型的冷空气南下触发的强对流天气。

2.2 局地对流条件分析

过程I在8月7日14时，500 hPa（图2a），中高纬度大部为平直的西风气流，榆林处于西太平洋副热带高压外围西南气流控制中，上游河套地区有明显短波槽扰动；700 hPa低涡位于榆林北部，与之配

图2 8月7日14时（a）和8月10日20时（b）500 hPa位势高度场和风场

本文应用的探空站为榆林北部的东胜站，过程I采用8月7日14时的地面观测资料，对该站08时的探空进行修正[17]，过程II利用8月10日20时的地面实况对08时的探空进行修正，分别获取两次强对流天气发生前的环境条件。

从订正后的探空曲线（图3）可以看出，过程I属于“上干下湿”结构，500 hPa以上为干层，中低层温度露点差均在1～2℃，且前期本地阵性降水较多，因此水汽非常丰富；过程II整层都相对较干，850 hPa以上温度露点差均>9℃，400 hPa以下环境曲线斜率较大，说明过程II的干冷空气较强。且过程I的地面温度高于过程II，热力不稳定更明显，因此过程I的对流条件更好一些。从不稳定能量来看，两次过程的CAPE值均呈细长状，过程I的CAPE值订正后从355 kg/J快速增加至1 362 kg/J，CIN从49.8 kg/J下降至33.5 kg/J，过程II的CAPE值订正后从548 kg/J增加至853.9 kg/J，CIN从99.5 kg/J下降至0 kg/J。

图3 榆林8月7日14时（a）和8月10日20时（b）探空曲线

强对流发生的基本条件是水汽条件、动力抬升以及大气不稳定，表1给出了两次过程发生前的关键环境参数（过程I为8月7日14时，过程II为8月10日20时）。表1前4项为热力稳定度指数，从K指数、SI指数和Li指数可以看出，过程I发生前，大气处于非常强的层结不稳定中；过程II的K指数虽然较小，是因为中层冷空气比较明显，但SI指数和Li指数也非常有利于强对流天气的发生。对于总指数（TT）和强天气威胁指数（SWEAT），两次过程差别较小，但TT指数参考价值不大，SWEAT指数也未能达到产生强雷暴的标准。0℃层高度（ZH）和抬升凝结高度（LCL）之间为暖云层的厚度，暖云层越厚越有利于降水效率，过程I的暖云层厚度约为3 600 m，而过程II的为3 400 m左右，且过程I的湿层非常深厚（q850hPa，q700hPa），这也能解释为什么过程I的小时雨强大于过程II。两次过程0～6 km风切变均处于弱至中等强度的垂直切变环境中[18]。

表1 两次过程的一些环境参数统计

以上对流条件分析表明，两次过程由于背景天气不同，探空曲线和物理量也存在明显差异。过程I的CAPE值比过程II高500 kg/J左右，LCL和Li的绝对值明显高于过程II，具有明显的干对流的特征，而过程II则具有湿对流的特点。值得注意的是，由于过程II发生在夜间，且有冷空气入侵，温度相对较低，所以K指数相对不是很大，因此在这种情况下不能单纯地用K指数的大小来判断是否发生强对流天气。

3 中尺度特征

3.1 地面中尺度系统

过程I：8月7日14时（图4a），在榆林西南部和延安北部形成了一条东北—西南向的中尺度辐合线，沿辐合线出现了20 mm·h-1左右的短时强降水；到16时，偏北风与偏南风的辐合线基本维持，风速有所增加，在辐合线的右侧出现了>30 mm·h-1的短时强降水，榆林城区开始出现小阵雨；随着对流不断发展，雷暴下沉气流造成地面风速，18时地面风速增加至8 m/s，辐合显著加强（图4b），在榆林城区西侧形成了中尺度辐合环流，北侧则为东西走向的辐合线，受其影响，榆林城区在18时出现66.3 mm·h-1的短时强降水，此时对流发展达到最强，随后开始逐渐减弱；20时（图4c），地面辐合线东移至陕西边境，对流明显减弱，榆林大部分地方转为小阵雨。由图5可以看出，14时前随着时间气温增加，气压降低，14时后气温从29℃开始下降，说明有扩散冷空气逐渐入侵，在其触发影响下，对流也开始发展；15时后对流造成的雷暴下沉气流到达地面并开始堆积，堆积的冷空气又不断触发和加强对流，使得地面气压增加；18—19时对流活动达到最强，雷暴造成的下沉冷池导致19时地面气温降至最低（19.6℃）；之后强对流活动减弱，地面气温缓慢回升，气压逐渐降低。13—22时地面温度和气压呈负相关，相关系数为-0.76，发生短时强降水期间（14—20时）的相关系数达-0.86。

图4 陕西北部地面风场

图5 8月7日13—22时榆林站气压、气温逐小时演变

过程II：地面风场上（图6）大暴雨区附近在短时强降水发生前（8月10日22时）存在明显的地面辐合线（图6a），触发强对流天气，其他时刻高空850和700 hPa存在切变线，有利于强对流天气的维持。由图7可知，8月10日20时—8月11日01时，神木站的气温变化维持在18.5℃，8月11日02时气温下降幅度较小，说明强对流引起的雷暴相对较弱，没有明显的冷池形成，短时强降水的强度在20 mm·h-1左右；最大降水量发生在03—04时，大暴雨区多个站的小时降水在35 mm以上，最大为49.2 mm，此时对应地面温度降至最低（17.5℃）；之后温度缓慢上升，短时强降水的落区和强度也开始减少。8月10日20时—8月11日08时地面温度和气压变化基本一致（图7），相关系数为0.77，说明虽然这次过程是冷空气南下引发的强对流天气，但发生短时强降水期间，冷空气已渗透，没有强雷暴引起的冷池堆积，因此气温和气压变化较小。

图6 陕西北部地面风场

图7 8月10日22时—11日08时神木站气压、气温演变

过程I的地面中尺度辐合线是强对流天气的触发和发展条件，且辐合线长时间维持，有利于雷暴活动的加强，由此引发的雷暴高压导致地面冷池堆积，从而引起地面气温减弱，气压显著增加。过程II的地面辐合线相对较弱，但位置几乎没有改变，虽然小时降水强度不如过程I，但强降水时间持续较长，所以累积降水量较大；此外强对流活动引起的雷暴发展不够剧烈，气温和气压变化较小。

3.2 卫星云图分析

从卫星云图相当黑体温度（TBB）分布可以看出，8月7日14时（图8a）陕西省北部在500 hPa副热带高压边缘开始出现中γ尺度对流云团，水平尺度不足20 km，云顶TBB最大为-62℃，此时该对流云团对应的地面辐合线在榆林、延安交界处，有一站开始出现短时强降水；随着地面辐合的加强以及层结不稳定的增加，云团尺度逐渐增大，15时形成了多个水平尺度在40～70 km的β中尺度对流云团。16时中β尺度对流云团继续合并发展，＜-52℃的冷云面积超过2.5×104km2，云顶TBB中心强度低于-72℃，但此时的降水主要位于延安北部，且小时雨强为30 mm左右；随着对流云团的发展和缓慢东移，18时＜-52℃的冷云面积超过6×104km2（图8b），形成中尺度对流复合体（MCC），其中超过-72℃的中γ尺度强对流云团恰好位于榆林城区，使其出现66.3 mm·h-1的短时强降水，造成城区的短时暴雨天气；19时云团在原地开始减弱，TBB最大值降至-68℃，对应最大雨强减至35 mm·h-1；20时＜-52℃冷云区面积快速减小到2×104km2，短时强降水显著减弱；21时（图8c），强对流云团东移消散，中心已移出陕西境内，降水逐渐停止。

图8 2018年8月7日FY-2E卫星TBB（单位：℃）的分布

过程II的云顶亮温要明显高于过程I（图9），对流云团发展高度较低，整个降水过程云顶中心TBB未能达到-62℃，且对流云团相当有组织，基本一直在榆林东北部呈椭圆状。22时TBB大值区位于黑色圆点附近（图9a），该云团中心TBB为-53℃，水平尺度在100 km左右，对应榆林站东部有区域站出现10～15 mm·h-1的短时强降水；之后该对流云团缓慢东移，维持在榆林东北部的神木站，水平尺度没有较大改变，中心TBB值也未发生较大改变（图9b）。02—04时，TBB＜-52℃的云团有所发展，尺度从30 km增加至100 km，此时对应的短时强降水也有所增加，一些站点出现15～40 mm·h-1的雨强，其中最大为03—04时神木的沙峁站（49.2 mm），位于云团南部TBB梯度大值区。05时，TBB＜-52℃云区移出陕西境内（图9c），但在云团南侧TBB值的大梯度区，依然出现了15～30mm·h-1的短时强降水，其中最大为36.2 mm·h-1。06时云团强度显著减弱，在南部TBB的梯度区分别出现40.3和25.5 mm·h-1的站点。之后随着对流强度降低，云团东移，降水减弱。

图9 2018年8月10日22时—8月11日05时FY-2E卫星TBB（单位：℃）的分布

两次过程都受中尺度对流云团影响，但过程II的云顶亮温值要远高于过程I，即对流云团发展高度较低。过程I的强降水与云顶TBB的低值区对应，尤其是＜-72℃的中γ尺度强对流云团，是造成较强短时强降水的原因；过程II的强降水与对流云团南侧TBB梯度大值区相对应。

3.3 雷达回波分析

过程I，8月7日14：03（图10a），在榆林雷达的西南50～200 km，即副高外围及地面辐合线的附近，已出现多个小尺度对流单体回波组成的片状回波，最强单体中心强度达65 dBZ，片状回波的前沿及周围还有不断新生成并发展的对流单体。榆林雷达站附近有2个尺度在50 km左右的对流单体逐渐发展，15：04（图10b），两个单体逐渐合并，且在周围有不断新生的小对流云团，同时西边呈东北—西南向的线状回波逐渐向榆林站靠近。15：35，0.5°仰角图上可以清晰地看到，在线状回波前侧及南侧较强对流云团的西北方向，有明显的阵风锋，这两条阵风锋在沿着对流发展方向移动过程中逐渐靠近，同时又触发了新的对流，新生的对流泡发展成小对流单体，与之前的对流云团结合后促进对流继续发展。17：00发展为对流主体呈东北—西南走向的片状回波，对流云团南北尺度接近200 km，其中夹杂着多个强度超过50 dBZ、尺度约50 km左右的强对流云团，这些小尺度的强回波对流云团造成了榆林市区孟家湾乡66.3 mm·h-1的短时强降水和中心广场62.7 mm·h-1的局地短时强降水，造成短时大暴雨。15：00后在榆林城区上空一直存在＞50 dBZ的强对流云团，尺度在20 km左右，18：26该云团的回波强度还在55 dBZ左右，19：00整体减弱东移。

图10 8月7日榆林站雷达组合反射率因子

17：25（图10c）的0.5°仰角速度图上，在雷达站西南侧50 km的地方出现了正负速度对及速度模糊，退模糊后速度径向速度可达20 m·s-1以上。统计表明[18]在0.5°仰角，距离雷达中心75 km内，如果径向速度超过了20 m·s-1，出现雷暴大风的几率很高。实况显示，该时段内榆林城区出现了20.8 m·s-1的短时大风。另外沿雷达径向方向的中尺度速度辐合对表明在该处形成较强的辐合上升运动，更有利于对流的持续发展和加强。

神木县短时强降水从8月11日凌晨开始。从组合反射率因子分布可知，00：03雷达回波呈片状分布，神木县区域内雷达回波强度不到40 dBZ，此时降水强度不到5 mm·h-1，距榆林雷达站东北部20 km左右的区域出现较小的对流云团，中心强度为45 dBZ，之后该对流云团东移发展进入神木县内，发展最强时刻中心强度超过55 dBZ；00：58（图11a）该云团后部不断有新生的小对流云团，造成了该区域内发生了29.5 mm·h-1的短时强降水。榆林雷达站北部持续生成小的对流云团东移进入神木县内，强度在50 dBZ左右的小对流云团（图11b），给神木县多个站带来了10～30 mm·h-1的短时强降水。最强短时强降水发生在03：00—04：00，从03：43（图11c）的雷达回波可以看到，神木县南部有2个强度在55 dBZ以上的对流单体，尺度不到20 km，这2个对流单体的发展和移动给多站带来了30 mm·h-1以上的短时强降水。05：45依然有较强回波的对流单体东移发展进入神木县境内，1站＞40 mm·h-1的短时强降水，之后回波东移速度加快，对单体逐渐解体，强度减弱，08：00降水过程基本结束。

图11 8月11日榆林站雷达组合反射率因子

过程I是在地面辐合线的触发下生成的多个小对流单体快速发展，在合并加强过程中产生阵风锋，进而加强对流并造成的短时强降水过程，且伴随雷暴大风；在雷达回波图上显示为积状云降水回波，后期发展为层状积状云混合降水回波。过程II是在上游地区不断有较强的对流云团生成，在东移过程中经过神木县境内加强，且这种“列车效应”持续时间较长，因此造成了神木县的短时大暴雨；整个过程在雷达回波图上显示为大片层状云中嵌着积状云混合降水。过程I的对流强度大于过程II，因此小时雨强较大，而过程II的持续时间较久，因而过程总降水量较大。

4 结论

通过对陕西省榆林市8月发生的两次短时大暴雨过程的环流背景、中尺度特征、卫星云图及雷达回波进行特征分析并进行比较，得出以下结论：

（1）两次过程发生时间差距仅3 d，但背景场属于两类完全不同的天气形势，过程I是典型的副热带高压外围受短波槽扰动引起的干对流天气，过程II则是冷涡后部冷空气南下引起的湿对流天气。

（2）过程I的强对流环境参数均优于过程II，说明副热带高压外围触发的对流发展更旺盛，不稳定能量强、暖云层较厚是造成短时强降水强度较大的原因；而冷涡后部由冷空气强迫触发的对流性天气相对较弱，这种情况下K指数指示效果一般不明显。

（3）过程I由地面中尺度辐合线触发和加强，对流发展旺盛，强烈的对流造成了下沉气流堆积向四面扩散，从而产生雷暴使短时强降水期间地面温度和气压呈负相关；过程II地面中尺度辐合系统较弱，移动缓慢，雷暴活动较弱，过程期间温度和地面气压变化一致。

（4）在卫星云图上，过程I的短时强降水与云顶TBB的低值区对应，过程II的则与对流云团南侧TBB梯度大值区对应，且过程I的MCS维持时间明显小于过程II。

（5）过程I在雷达图上有独立的对流单体，在其发展过程中产生强雷暴作用形成阵风锋以触发和加强对流，中γ尺度强对流云团造成的极端小时降水量是造成局地短时大暴雨的主要原因；过程II以层状云积状云混合回波为主，＞40 dBZ的对流云团更长时间的“列车效应”是造成局地短时大暴雨的原因。两次过程造成短时强降水强度较大的云团均为中-γ尺度。