2012年 7月陜西北部連續 3次大暴雨過程對比分析

2013-06-18 01:41:12李強

陜西氣象 2013年2期

李強

(榆林市氣象局,陜西榆林 719000)

李強

(榆林市氣象局,陜西榆林 719000)

利用常規氣象資料和 N CEP1°×1°再分析產品以及雷達回波資料 ,對陜西北部榆林市 2012年 7月 14— 28日 3次大暴雨天氣過程進行分析表明 ,華北冷渦后部有強冷平流,850 hPa偏南風較大,氣層有較強的垂直風切變,可引起陜北北部局地突發性大暴雨;雷達回波顯示反射率突然增強到 60 dBz以上,并有中氣旋出現;副高西伸北抬,其外圍形成較強的西南風急流到達陜北北部,當有西風槽東移或有北路冷空氣下滑時,觸發陜北北部區域性大暴雨;大暴雨前期對應有假相當位溫高能區、高位渦和能量鋒,散度、渦度、垂直速度均較一般暴雨量級明顯偏大;來自東海、南海及孟加拉灣的水汽均是大暴雨的水汽來源。

陜西北部;大暴雨;中氣旋

陜西省榆林市地處西北內陸腹地,暴雨年均不足一次,大暴雨出現概率極低,而且局地性強,所以預報難度更大。研究表明[1-5],盛夏 7— 9月副高北抬到 25°N～ 30°N,中低層水汽和能量輸送比較充沛,當有西風槽或高原槽東移時與副高外圍的西南暖濕氣流相遇,容易在本地產生局地暴雨,造成洪澇災害。

2012年 7月 14— 15日,陜西北部榆林市出現強對流天氣 (以下簡稱 7? 14暴雨),綏德縣 15日 00— 03時,義合、滿堂川兩個鄉鎮降水量分別達到 100.4 mm、111.0 mm。 7月 20— 21日 ,陜北再降大到暴雨 (以下簡稱 7? 21暴雨),榆林市16個鄉鎮降水量超過 100 mm,神木中雞鎮最大降水量 142.5 mm,府谷縣城降水量達 125.2 mm。 27— 28日 (以下簡稱 7? 27暴雨),榆林市26個鄉鎮雨量大于 100 mm,榆林城區雨量156.8 mm,佳縣縣城雨量最大,達 279.2 mm,其中 27日降水量 221.9 mm,是榆林市有氣象觀測記錄以來的最大日降水量。半月內連續 3次大暴雨在陜北歷史上較為少見,也造成重大洪澇災害和人員財產損失。通過分析這 3次大降水的環流形勢、水汽輸送、物理量等特征,有助于進一步認識陜西北部大暴雨的形成機理。

1 環流形勢

1.1 7? 14暴雨

7月 14日 08時,亞洲中高緯度 500 hPa為一高兩低型,新疆到河西為高脊,脊線位于 100°N附近,巴湖和華北為低渦,冷中心最低氣溫分別為-13oC和-9oC,榆林處于華北冷渦后部偏北氣流中,環流徑向度較大,偏北風速達到 8～ 12 m/s,-8oC線位于延安以北。700 hPa榆林上空也維持 6～8 m/s的北風,榆林北部形成 306 dagpm閉合低中心,配合有 8oC的冷中心。 850 hPa榆林西部有 23oC暖中心,并在榆林中部形成橫切變。300 hPa高空急流分為兩支,一支位于45°N,一支位于 35°N,副高位于 130°E以東。 14時地面圖上,榆林為熱低壓控制,北部有弱冷空氣活動。14日 20時,新疆高脊東移,華北冷渦加深,陜北上空處于渦后脊前較強的偏北氣流,冷平流加強(圖 1a),延安探空站 T-lnp圖顯示,700～250 hPa均為對流不穩定區,濕對流有效位能CAPE達 1 241.4 J/kg,700hPa以下為較弱的穩定層結,非常有利于對流的觸發和加強。850 hPa以下為暖濕氣團,低層暖平流與高層冷平流疊加,使對流不穩定加強,地面有弱冷鋒過境,觸發形成局地突發性大暴雨。

1.2 7? 21暴雨

7月 20日 08時 300 hPa高空圖,亞洲40°N附近為平直西風氣流。20時,河套北部形成高空急流≥40 m/s,陜北處于急流南側。500 hPa貝湖有低渦南壓,副高 588 dagpm線西伸到 116°E,584 dagpm線西伸到 95°E(圖 1b)。700 hPa陜北形成風速≥15 m/s的西南風低空急流,高低空急流耦合,有利于暴雨區的垂直運動發展,同時貝湖冷渦底部冷空氣南下,與副高外圍西南暖濕氣流在陜北北部交匯,形成斜壓不穩定的大氣層結。21日 14時,700 hPa低空急流左側形成 306 dapgm閉合中尺度低壓,中心位于榆林北部的府谷和神木縣,低壓中心強烈的上升運動和強輻合形成了本次大暴雨。

1.3 7? 27暴雨

7月 26日 08時 300 hPa中緯度為平直氣流,高空急流位于 95°E以西,27日 02時,高空急流向東發展,風速增大到 35 m/s,陜北位于高空急流的南側。500 hPa副高 588 dagpm線西伸到 110°E,脊線位于 35°N,584 dagpm線穿過陜北(圖 1c),同時西風帶有短波槽東移。700 hPa副高外圍西南低空急流風速達 12 m/s,并在陜北形成風向風速輻合。850 hPa有較強的東南風配合,風速＞8 m/s,500 hPa槽前正渦度與低層風場輻合疊加,形成了低層輻合高層輻散的垂直分布,再加上副高外圍持續的水汽輸送,是持續性大暴雨天氣形成的主要物理條件。

圖 1 2012年 7月榆林 3次大暴雨 500hPa環流形勢 (單位:dagpm)及風場 (單位:m/s)(a 14T20;b 21T08;c 27T08)

3次大暴雨的環流形勢共同點是都有高空急流,后兩次大暴雨都有低空急流。不同點是:7?14下暖上冷的對流不穩定層結,導致強對流天氣形成局地大暴雨;7? 21暴雨是副高冷渦型,即副高加強西伸,其外圍形成西南低空急流,與貝湖冷渦底部冷空氣在陜北北部形成對峙,導致 700 hPa有低值系統生成,觸發陜北北部區域性大暴雨。 7? 27暴雨是副高西風槽型,即副高 588 dagpm線穩定在 118°E,其外圍有較強的西南風急流維持在陜北,西風帶為平直西風氣流多短波槽活動,冷空氣較弱,大暴雨形成的主要物理機制是中低層水汽和熱量豐富,并在較強的風場輻合。850 hPa偏東氣流為暴雨區提供了更多的高能高濕條件,形成持續兩天的大暴雨。

2 低空急流

以往的研究表明,大暴雨通常有低空急流輸送水汽[2]。3次大暴雨過程中,7? 14暴雨沒有低空急流,副高偏東,陜北地區處在華北低渦底部的偏北氣流中,700 hPa以上均為西北氣流,只有850 hPa有＞ 8 m/s的偏南風 (圖 2a),大暴雨出現在南風大風區的東側。 7? 21暴雨副高西伸加強,其外圍形成＞11 m/s的西南風急流 (圖 2b),大暴雨出現在低空急流的北側;7?27暴雨低空急流最大達到 16 m/s(圖 2c),先有急流建立,然后降水開始,降水區位于急流的東北側,由于急流持續時間長,而且強度一直維持 16 m/s,所以大暴雨持續時間長達 2 d。

圖 2 2012年 7月榆林 3次大暴雨中低層風場及全風速 (單位:m/s)

3 水汽輸送

大暴雨需要較強的水汽輻合[6-7],陜北地處西北內陸腹地,海洋水汽很難遠距離輸送,3次大暴雨范圍、強度、持續時間均不相同,與水汽通量及水汽輻合密切相關。

7月 14日 20時 700 hPa從四川到陜北有一條水汽通道,最大水汽通量 7 g/(cm? hPa? s),水汽通量輻合偏南,位于陜北南部,輻合值達-1.5× 10-7g/(cm2? hPa? s)(圖 3)。 850 hPa水汽通量輻合達 -4× 10-7g/(cm2? hPa? s),正好位于陜北。 7? 21暴雨在 700 hPa明顯有兩條水汽通道,一是西南急流攜帶大量水汽到達陜北,水汽通量最大值達 16 g/(cm? hPa? s),二是南風氣流攜帶的水汽與西南氣流在陜北合并,水汽通量輻合達到-14×10-7g/(cm2? hPa? s),700和 850 hPa都有輻合區與大暴雨區對應,輻合層較厚 (圖 4)。7? 27暴雨有 3條水汽通道 (圖 5),分別來自西南、南和東南,水汽通量最大層在 850 hPa,通量最大值為 14g/(cm? hPa? s),主要輻合層在 700～ 500 hPa,輻合最強為-1.5×10-7g/(cm2? hPa? s)。

可以看出,7? 14暴雨只有一條水汽通道,水汽通量并不大,但是輻合較強,輻合層在 850 hPa,所以大暴雨范圍很小;7? 21暴雨有兩個水汽通道,水汽通量最大,輻合特別強,輻合層在850～ 700 hPa之間,所以暴雨范圍較大,量級也較大;7? 27暴雨有 3個水汽通道,水汽輻合沒有前兩次強,但輻合層較厚,850～ 500 hPa均為輻合層,而且 500 hPa輻合最強,該次過程降水量最大,持續時間最長。

圖 3 2012-07-14T20水汽通量 (g/(cm? hPa? s))和水汽通量散度 (陰影區 10-7g/(cm2? hPa? s))

圖 4 2012-07-21T08水汽通量 (g/(cm? hPa? s))和水汽通量散度 (陰影區 10-7g/(cm2? hPa? s))

4 物理量場

4.1 散度和渦度

7? 14暴雨前期 850～ 500 hPa散度均為輻合,20時達到最大為 -30× 10-6s-1,高層 300 hPa有輻散中心＞ 20× 10-6s-1(圖 6a)。7? 21暴雨散度場表現為 21日 02時 850～500 hPa各層輻合顯著增強,輻合區位置基本重疊,各層輻合值均＜-40× 10-6s-1。具有輻合層厚,輻合強的特點,同時高層 300hPa輻散值達到 60×10-6s-1(圖 6b)。 7? 27暴雨低層到 500 hPa均為較強輻合,300 hPa輻散＞ 20×10-6s-1(圖 6c),低層輻合高層輻散的配置從 27日 08時持續到 20時,暴雨區隨著輻合輻散區的位置從佳縣向北移動到府谷。

3次大暴雨均對應有高層輻散低層輻合,而且輻合中心與輻散中心基本重合,7? 14暴雨中心位于輻合區左側,7? 21暴雨中心位于輻合區中心,7? 27暴雨中心位于輻合區東側,輻合輻散的量級越大,降水越大。暴雨的強度基本與輻合輻散增強同步。

500 hPa渦度場上,3次大暴雨均對應有較強的正渦度中心,而且量級也比較大 (圖略),7?14暴雨 500 hPa渦度為 70×10-6s-1,7? 21暴雨渦度達 100× 10-6s-1,7? 27暴雨渦度達 80×10-6s-1。

圖 6 2012年 7月榆林 3次大暴雨過程 700hPa散度場 (點線)和 300hPa散度場 (實線 )疊加圖(a 14T20,b 21T02,c 27T20;單位為 10-6s-1;黑點為大暴雨中心位置)

與普通暴雨相比,大暴雨在散度和渦度場表現為更明顯的輻合和氣旋性旋轉,量級也較大,特別是高層輻散的抽吸作用對氣柱垂直運動的影響較大。

4.2 垂直速度

7? 14暴雨在垂直運動場表現為地面至 400 hPa均為上升運動,垂直速度為-1.1 Pa/s,最大垂直運動中心位于 850～ 700 hPa。 7? 21暴雨期間的垂直運動表現為整層均為上升運動,最大值達到-2 Pa/s,中心位于 400～600 hPa之間。7?27暴雨表現為從低層到高層垂直速度增大,低層為-0.4 Pa/s,高層為-1.8 Pa/s,垂直運動伸展高度更高。

3次大暴雨均表現為較強的上升運動,垂直速度均小于-1 Pa/s,比普通降水大一個數量級。7? 14和 7? 27暴雨有明顯的次級環流,加強了垂直運動發展 (圖 7)。

圖 7 2012年 7月榆林 3次大暴雨過程沿 39°N垂直速度剖面圖 (a14T14,b21T08,c27T20;單位為 Pa/s)

4.3 假相當位溫和位渦

盛夏大暴雨的發生常常對應中低層有高能區[8-9]。分析 3次大暴雨發生期間的假相當位溫場可以看出,7? 14暴雨在發生前期即 14日 08時就有高能舌從四川伸向陜北,中心假相當位溫達65oC以上,高能舌一直穩定在陜北北部。7? 21和7? 27暴雨假相當位溫達 80oC。 3次大暴雨發生前期都有相對濕度＜50%的干冷空氣從高層侵入到 500 hPa高能區,形成斜壓不穩定或者能量鋒區,成為大暴雨的觸發機制。

7? 14暴雨在 14日 20時,高層到 650hPa有高位渦區向下傳遞,并在暴雨區上空 650 hPa附近與假相當位溫高值區形成小尺度的斜壓不穩定層結 (圖 8a),加上垂直上升運動的發展,形成了局地大暴雨。 7? 21大暴雨在 20日 20時,600 hPa以下為高能區,假相當位溫＞70oC,高位渦侵入到 700 hPa,中心＞ 0.3 PVU(圖 8b),比 7? 14暴雨位渦數值大,范圍也大,斜壓擾動更強,產生的大暴雨范圍大,持續時間長。7? 27暴雨在26日 20時,40°N附近有明顯的能量鋒區向南斜升到 400 hPa,冷區一側既是能量低值區,也是位渦高值區,水平方向表現為斜壓不穩定,垂直方向表現為位勢不穩定 (圖 8c),在它們的共同作用下,導致了大暴雨天氣。

圖 8 2012年 7月 3次大暴雨過程假相當位溫 (實線,單位為oC)和位渦 (虛線;單位為 PV U)沿暴雨中心經向剖面疊加 (a 14T20,b 20T20,c 26T20;黑三角為大暴雨中心)

3次大暴雨均表現為具有高位渦特征的冷空氣與低層暖濕空氣的配置,形成有利于暴雨的中尺度熱力和動力系統。

5 雷達回波

7? 14大暴雨在雷達回波上表現為 3個單體回波依次加強影響暴雨區(圖 9),第一個回波在14日 14:17(本小節時間為世界時)于綏德局地生成的單體對流回波 a,反射率＜50 dBz;14:47在其左側新生一單體對流回波 b,反射率強度＞60 dBz,對應地面出現冰雹和強降水;15:18單體 a減弱,b增強,反射率＞ 65 dBz,15:48回波 b向后側傳播增強,16:01回波達到最強,＞ 55 dBz區域有 20×10 km2,回波 b造成綏德部分鄉鎮出現冰雹和局地暴雨,其中滿堂川 2小時降水量達 97.2 mm;17:21從上游移來＞65 dBz回波單體再次影響綏德縣部分鄉鎮。

回波 b在徑向速度場上表現出了中氣旋的特征(圖 10),15:48回波 b向后傳播增強,速度場上對應中氣旋開始生成,15:55中氣旋發展成熟,16:01減弱,中氣旋直徑為 12 km,最大風速＞20 m/s,垂直高度位于 2.5～ 4.5 km,0.5°和 1.5°仰角可見,維持時間 3個體掃,即＞ 13 min。

7? 21暴雨和 7? 27暴雨的雷達回波為大片層狀云回波(圖略),組合反射率最大為 55 dBz,回波大值區呈列車效應經過大暴雨區,速度場上可以明顯地看到急流存在,回波大值區出現在急流軸上。