2020年“8.15”陕西西部区域性暴雨的成因分析

2022-05-25徐迎春李恩莉

绿色科技 2022年8期

韩洁，徐迎春，李恩莉

(1.宝鸡市气象局，陕西宝鸡 721006；2.武汉市气象局，湖北武汉 430299)

1 引言

陕西汛期的主要气象灾害为暴雨，因暴雨引发的塌方、滑坡等地质灾害造成的经济损失数额巨大，对人民生命财产构成威胁。近年来，随着全球变暖日益加剧，极端天气气候事件日益增多[1～3]。暴雨的形成需要具备3个条件：充足的水汽条件、强烈的上升运动和大气层结构的不稳定，其中充足的水汽供应是暴雨出现的先决条件[4]。同时也有大量的研究表明暴雨是大尺度和中尺度天气系统相互作用的产物[5～9]。已有学者对我国各地的暴雨天气进行了深入的分析与研究。杨云芸等[10]通过对2019年主汛期湖南一次强降雨过程的成因讨论发现此次降雨的影响系统复杂多变，由暖区暴雨、中层冷平流入侵暴雨、锋面暴雨组成，其中冷空气入侵时降雨效率最高。黄文彦等[11]通过对江苏南部的一次极端暴雨过程分析发现中层弱的干冷空气入侵对降水有增幅作用。周长艳等[12]通过对四川一次特大暴雨水汽来源的分析发现一条新的水汽输送路径：阿拉伯海北部的西南风水汽输送途经高原主体、高原东南部进人四川。慕建利等[13]对一次陕西关中暴雨环境条件和中尺度系统的研究表明：强降水的强弱与地面中尺度辐合系统的强弱有很好的对应关系，地面中尺度辐合系统的形成和加强可能是强降水的触发机制和增幅原因之一。赵强[14]等通过对2017年7月25～26日陕北大暴雨过程的诊断分析，发现中层大气锋生造成的垂直运动使得陕北地区的强降水持续。

2020年夏季，陕西关中地区降水较常年明显偏多，8月上中旬更是出现了连续强降水天气，其中8月上旬以短时暴雨为主，8月中旬出现区域性暴雨天气。特别是8月15～16日陕西西部的区域性暴雨造成位于关中西部的凤县多条主要公路受阻，通信中断，几乎成为“孤岛”；陕南西部略阳、宁强、留坝等多县区遭遇洪水，经济损失惨重。因此对于2020年8月15～16日区域性暴雨的深入研究显得尤为重要，本文从环流形势、雷达回波、卫星云图、水汽条件、能量条件等方面入手分析了造成此次区域性暴雨的可能原因，为深入了解此类致灾性暴雨的成因提供科学依据。

2 降水实况分析

从2020年8月15日08：00至16日08：00的累计降水量(图1)可以看出，陕西出现不同强度的降水天气，关中西部和陕南西部出现大范围的暴雨天气，统计可知，全省共出现253站暴雨，其中21站大暴雨，最大降水量出现在留坝留侯镇，为124.2 mm。降水期间共出现30站小时雨强超过20 mm的短时强降水，最大值出现在洛南四皓街道33.6 mm/h。从留侯镇逐小时的降水演变(图2)可以看出此次暴雨天气的强降水时段主要出现在15日09：00～11：00和16日00：00～03：00，具有双峰型的特点。同时可以看到除15日13：00外其余时段均出现降水，小时降水强度在0.7～18.9 mm之间，降水较为平稳。因此，此次暴雨具有影响范围大、持续时间长，强降雨呈现双峰型的特点。

图1 研究区2020年8月15日08：00至16日08：00降水量分布

图2 留侯镇站逐小时雨量

3 暴雨的环流形势演变特征

3.1 高空环流形势

在500 hPa天气图(图3a)上，2020年8月15日20：00西太平洋副热带高压主体位于我国东南沿海地区，588 dagpm西伸至(31°N，110°E)附近。自高原地区有一低槽东移至甘肃东部地区，陕西西部地区位于槽前的西南气流之中。在降雨期间，副热带高压稳定少动，略有北抬，阻挡低槽东移，使得陕西西部长时间位于副热带高压外围的暖湿气流与低槽后部冷空气的交汇处，为此次暴雨天气提供了有利的环流背景。

在700 hPa上(图3b)，8月15日20：00陕西西部位于切变线前的暖湿气流内，自南海向陕西地区有一支最大风速达10 m/s的偏南暖湿气流，至16日02：00偏南暖湿气流加强成低空急流，中心最大风速达16 m/s，此时小时降水量明显增大，多地出现短时强降水。与700 hPa相对应，在850 hPa上(图3c)，陕西西部地区有一切变线存在，风向辐合明显，同时切变线前的偏南风急流转向为偏东气流向陕西西部输送水汽。低层的水汽输送与切变线附近的辐合抬升均为陕西西部的区域性暴雨提供了有利的条件。

在200 hPa上(图3d)，8月15日20：00高空急流位于40°N附近，陕西位于高空急流的右侧，高层的辐散抽吸有利于加强低层的上升运动，同时从高低空急流的配置来看，陕西西部地区位于高空急流的右侧，低空急流的前侧，高低空急流的耦合，有利于加强上升运动，为暴雨的维持提供了有利条件。

图3 2020年8月15日20时不同强度下的位势高度(实线，单位：dagpm)、温度(等值线，单位：℃)、风场(风向杆，单位：m/s)与全风速(实线，单位：m/s)

3.2 地面形势演变

在地面图上，8月15日08：00陕西中北部地区受强度为1005 hPa的弱高压控制，陕南南部地区为暖低压前部，此时在高低压之间形成西北-东南向的弱锋区，至15日17：00 1005 hPa的高压中心缓慢东移，陕西西部地区的气压值减小，同时青藏高原附近的暖低压向东扩展，陕西关中、陕南地区受暖低压加强东伸影响，锋区减弱，降水强度随之减弱。15日23：00，地面上自新疆东部至陕西有新的弱冷空气补充至陕西西部地区，至16日02：00，陕西西部弱高压虽迅速被南部强暖低压切断，但陕西西部地区补充的冷空气与东部弱冷空气汇合，与南部加强发展的暖低压在陕西西部形成新的东-西向锋区，锋区加强，使得降水强度增大。因此，地面上弱冷空气的补充和地面暖低压形成的锋区是影响此次暴雨的重要地面系统(图4)。

图4 2020年8月不同时段的地面实况气压场(等值线为等压线，单位：hPa)

4 云图与雷达图特征

从红外云图上(图5a～c)可以看出，8月15日08：00至16日08：00，主要有两个显著的降水云带影响宝鸡地区，一个是15日早晨的带状降水云系，与宝鸡雷达组合反射率因子图(图5d)上密实的层状云回波相对应，同时在层状云回波中夹杂强度大于45 dBz的积状云回波，此时陕西西部出现降雨强度为18.9 mm/h的强降水。15日12：00～20：00(图5e)，带状云系减弱，组合反射率图上，回波强度减弱，组织结构松散，降雨强度减小，小时雨强不超过3 mm。随着青海东部降水对流云系的东移发展，15日23：00开始影响陕西西部地区，从16日02：00的组合反射率因子图上(图5f)可以看出，雷达回波结构密实，强度在35～40 dBz，其间的积状云回波明显增多，最大回波强度超过50 dBz，强度较15日早晨增强，此时出现第二个强降水阶段，最大小时雨强达到20 mm/h。与地面锋区相结合，可以发现影响陕西西部的两个显著降雨云团与地面锋区加强与减弱对应较好。

图5 2020年8月不同时段的红外卫星云图与雷达组合反射率

5 水汽和动力条件

5.1 水汽条件

从8月16日02：00 700 hPa的水汽通量和水汽通量散度图(图6a)上可以看出，自南海到陕西关中地区有一明显的偏南水汽通量输送，同时在陕西西部地区存在明显的水汽通量散度的辐合区，辐合中心最大值超过30×107g/(hPa·cm·s)。同样的在850hPa图上(图6b)，自南海向陕南地区仍然存在向南输送的水汽通量，但强度略小于700hPa水汽通量。关中西部的水汽通量为南海向陕南输送的水汽在33°N附近转向为偏东气流向关中西部输送水汽，850hPa上的水汽通量散度的辐合区主要出现在陕南西部，关中西部的水汽辐合较陕南西部弱。由此可知，陕南西部的水汽输送为来自南海的偏南气流输送，而关中西部的水汽输送主要有两条路径，分别为700hPa的偏南气流输送和850hPa转向的偏东气流输送。

图6 2020年8月16日02：00 700 hPa(a)、850hPa(b)水汽通量(箭头，单位：g/hPa·cm·s)和水汽通量散度(阴影、等值线，单位：107 g/(hPa·cm·s)

5.2 垂直运动条件

从垂直速度和散度沿107°纬度-高度剖面图上可以看出，8月15日20：00(图7a)，主要存在两个强上升运动区，一个位于34°N附近的700～500 hPa上，另一个位于35°N附近的500～400 hPa上，垂直运动强盛，均达-0.8 Pa/s。16日02时(图7b)，强上升运动从800 hPa伸展至200 hPa，中心强度达-3.0 Pa/s。因此，从15日20:00至16日02:00，上升运动伸展的高度更高，强度增大，强垂直运动的维持有利于暴雨的产生。

从8月16日02:00高低空散度的配置图(图7c)上可以看出，在低层700hPa上延安至关中地区以及陕南西部均为辐合区，且辐合中心强度达到-5×10-5s-1，在200 hPa上，辐散区主要位于陕西、甘肃交界处，最大辐散值超过7×10-5s-1，关中西部和陕南西部正好位于低层辐合高层辐散的叠置区，有利于水汽的辐合抬升。

图7 2020年8月15日不同时段的垂直运动(等值线，单位:Pa/s)沿107°E的纬度-高度剖面图和16日02时高低空的散度图(等值线为200hPa散度，阴影为700hPa散度；单位为10-5s-1)

6 能量条件

从西安(泾河)站8月15日20：00的探空图(图8a)上可以看出，由于低层偏南气流的水汽输送，500 hPa以下为湿层，湿层深厚，中低层比湿达11～17 g/kg，水汽充沛，CAPE值为42.2 J/kg，K指数为31.7 ℃，表明存在一定的不稳定层结。850 hPa以下为偏东风，850 hPa以上转为偏南风，这与影响关中的两支水汽输送带一致。在汉中站的探空图(图8b)上，整层近于饱和，CAPE值为1666.1 J/kg，K指数达41.8 ℃，表明陕南西部地区存在强的不稳定能量。同时已有的研究[15]也表明K指数大于36 ℃，越有利于暴雨的产生。

从8月15日20：00假相当位温沿107°的剖面图上可以看出，从34.5°以北随高度向北倾斜存在一个假相当位温的低值区，表明有冷空气存在，这与地面图上的高压相对应，同时在其南侧34°N以南为一假相当位温的高值区，与地面暖低压相对应，冷暖空气在34°N附近交汇，形成锋区，降水增强(图8c)。至16日02：00，高层500 hPa上假相当位温的低值区向北移动并增强，使得中低层34°N附近锋区略增强，此时，出现雨强20 mm/h的短时强降水(图8d)。