關中地區一次突發性暴雨天氣成因分析

牛樂田，王　英，李春娥，劉　帆，謝逸雯

(咸陽市氣象局，陜西咸陽　712000)

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關中地區一次突發性暴雨天氣成因分析

牛樂田，王英，李春娥，劉帆，謝逸雯

(咸陽市氣象局，陜西咸陽712000)

摘要：利用常規氣象觀測資料、NCEP 1°×1°分析資料，對2014年8月12日出現在陜西關中地區的一次突發性暴雨天氣進行分析。結果表明：暴雨前期對流層中低層無明顯低值系統，暴雨前期及后期能量場和水汽條件變化較小，高空西風急流觸發了此次局地突發性暴雨，高空急流軸右后側強輻散有利于形成強的上升速度，為暴雨生成提供有利的動力條件，700 hPa干冷空氣侵入與暖濕氣流的疊加使鋒區得到加強，有利于強降水的維持。

關鍵詞：突發性暴雨；高空急流；短波槽；地面冷鋒

氣象上將24 h內降雨量為50 mm或以上的雨，稱之為暴雨。按照發生和影響范圍的大小將暴雨劃分為區域性暴雨和局地突發性暴雨，后者在發生前往往環流特征并不明顯，暴雨產生了或即將發生時降水形勢才明顯地顯現出來，表現為“突發性”。侯建忠等[1]對發生在青藏高原東北側的突發性暴雨進行了定義：(1)中心降雨強度≥30 mm/6 h，且≥50 mm/12 h；(2)降暴雨站數≥3站且連片(現有國家氣象觀測站)；(3)暴雨發生前12 h，在95°E～110°E，27.5°N～42.5°N范圍內，500 hPa無明顯低值系統。此類暴雨歷時短、雨強大、局地性強，加之發生前征兆不明顯，預報難度大，一經發生，往往引發山洪、滑坡、塌方、泥石流等地質災害，給社會經濟發展帶來較大的危害。

2014年8月12—13日，陜西自西向東出現了一次大范圍強降水過程。關中的禮泉、興平、戶縣、藍田和陜南的洛南5縣出現暴雨,最大降雨量在禮泉為71.1 mm。全省15個鄉鎮出現暴雨，均位于關中地區，降雨量最大在興平南市為96.1 mm。主要降水時段集中在12日08—12時。由于影響系統空間尺度小、生命史短，本文在應用常規氣象觀測資料的基礎上，利用NCEP 1°×1°6 h分析資料和雷達資料對此次過程進行綜合分析，總結并積累預報經驗。

1環流形勢及影響系統

2014-08-11T20(暴雨前期)，200 hPa天氣圖上中緯度地區環流為緯向西風環流，40°N附近有東西向大于36 m/s西風急流存在，其在當日08時已經存在(圖略)，寧夏—陜西北部—山西中北部有大于50 m/s急流軸，同時次500 hPa天氣圖上陜西—甘肅東部—高原地區處于西西北氣流中，青海西寧與甘肅榆中、崆峒之間有弱風速輻合(風速由14 m/s減小到8 m/s)。 850 hPa和700 hPa天氣圖上陜西中南部地區處于一致的東北氣流之中。強降水前期，盡管40°N附近對流層高層存在高空急流(陜西氣象工作者認為，高空急流的形成、發展以及其位置對暴雨的強度、落區有關鍵作用，一般認為急流位于40°N附近時，暴雨會出現在關中地區[2])，但由于中低層沒有明顯低值系統配合，形成陜西強降水的影響系統特征并不明顯，此種形勢場很難預報出24 h內將會出現大降水。

12日08時，200 hPa天氣圖上上述西風急流略有南壓，主要位于陜西北部及山西北部，急流軸仍呈東西向，但強度增強，其入口區右側大于40 m/s風速區范圍增大，陜西關中地區位于高空急流軸入口區右側。500 hPa天氣圖上西安—平涼—武都有短波槽存在(圖1中粗虛線)，槽線呈東北—西南走向，南北跨越5個緯距，陜西中南部處于槽前西南氣流中。700 hPa天氣圖上在甘肅平涼、武都與陜西延安、西安之間有南北向切變線生成，平涼和武都兩站西北風由11日08時的6 m/s增加至12 m/s，四川東北部與陜西南部有低渦輻合存在，從東海經江蘇—安徽—河南到陜西南部有大于12 m/s的偏東風出現，偏東風將東海水汽輸送至陜南南部地區，關中地區處在水汽通道的北緣。850 hPa在平涼與延安、西安之間有中尺度輻合。

地面圖上，暴雨前期，河西—新疆有一冷高壓，冷高壓中心位于新疆北部與貝湖之間，西南地區—四川東北部有熱低壓存在，陜西西南部處于冷暖空氣交匯區。8月12日08時，地面冷空氣向東南方向擴散，甘肅東南部—陜西中北部—山西中部有地面冷鋒存在，冷鋒后部冷空氣迅速擴散南下，冷暖空氣在暴雨區激烈交匯。

可以看出，高原中部生成的短波槽快速東移引導冷空氣東移南下與出現在四川—陜西南部的偏東暖濕氣流交匯。由于暴雨發生地區前12 h 中低層沒有出現有利于大降水產生的環流形勢，容易導致短期預報的漏報。

圖1　2014年8月 500 hPa形勢場(a 11日20時， b 12日08時；粗虛線為槽線，陰影區為200 hPa風速超過36 m/s高空急流帶)

2高空急流特征

謝靜芳等[3]研究高空急流對強對流局地暴雨的觸發作用時，分析了熱能量方程導出的ω方程，由于高空急流右后側是反氣旋性渦旋區，隨著高空急流的加強，急流右后側高空反氣旋性渦旋明顯加大，而低層渦度變化不明顯，從而該區域渦度平流垂直差異項有利于上升運動。此次過程中11日20時—12日08時高空急流風速穩定且逐漸增強，其右后方的輻散也逐漸加強，由ω方程分析發現其有利于中下層對流運動的產生及維持；此次過程前和過程后，高空急流軸呈平直狀，其左側為西風帶系統，伴有較強冷空氣，右側為高壓系統有暖平流輸送，因此高空急流右側溫度平流的作用是有利于上升運動。

由以上高空急流特征實例結合ω方程分析可以得出，此次高空急流軸的演變特征有利于垂直方向上升運動的發生、發展，暴雨出現前高空急流強度及位置少變，由于高空急流對局地暴雨具有觸發作用，因此在日常業務中對于較長時間維持的高空急流應加以關注，尤其是急流軸位置及強度的變化應重點關注。

3物理量診斷分析

3.1能量

從θse場的時間和空間變化圖上(圖略)可以看出，8月11日20時，850 hPa西南地區—四川西部有θse大值區，中心值接近90 ℃，陜西西南部θse值約為60 ℃，并隨高度略有增高。12日08時，強降水發生前，西南地區—四川西部θse大值區中心仍然存在，陜西西南部θse值變化不大，為60～65 ℃。500 hPa上，θse值為60～65 ℃，Δθse(500-850)接近于0 ℃。Δθse(500-850)負值愈大，位勢不穩定度越強[4]，但此次突發性暴雨發生前或即將發生時，暴雨區上空位勢不穩定度較弱，大氣基本處于穩定狀態，暴雨開始直至結束，暴雨區始終處在比較穩定的層結中，能量場的這種分布和變化，與通常陜西盛夏暴雨能量場的強烈不穩定特征有明顯的差異。究其原因，此次突發性暴雨發生期間的環流形勢具有西北氣流型特征，暴雨即將發生時700 hPa暴雨區上游西北風發生明顯躍增，850 hPa有偏東暖濕氣流輸送至關中南部及陜南地區，突然躍增的西北風帶來冷空氣疊加至低層暖濕輻合之上，引起垂直方向上的溫度差動平流加大，成為此次突發暴雨的主要成因。

3.2水汽

3.2.1比濕850 hPa比濕場上，11日20時，云貴高原—四川盆地存在12～16 g/kg的大值中心，陜西中南部處于10 g/kg區域(圖略)，陜北與河套地區之間為比濕低值區，12日08時(圖2)，陜西中南部仍處于10 g/kg區域。暴雨是在大氣飽和比濕達到相當大的數值才能形成，如果降水區整層飽和，垂直遞減率等于絕熱遞減率時，700 hPa比濕≥10 g/kg, 850 hPa附近比濕≥14 g/kg[5]，由此可見，此次突發暴雨發生之前或即將發生之時比濕條件較差。同時，850 hPa和700 hPa 關中地區t-td均大于4 ℃，不利的濕度條件往往令預報員忽視產生強降水的可能。

圖2　2014-08-12T08 850 hPa比濕(a 單位為g/kg)和水汽通量散度(b 單位為10-7 g/(cm2·hPa·s))

3.2.2水汽通量散度850 hPa水汽通量散度圖上，11日20時，從西南地區—四川北部有大片水汽通量散度輻合區，輻合中心值為-4×10-7g/(cm2·hPa·s)，陜西中南部處于水汽通量輻散區中，輻散大值中心位于33°N、108°E附近，正好為陜西關中西部地區，陜北到河套地區有弱輻合區。12日08時(圖2b)，陜西中南部的水汽通量輻散區轉為弱的水汽通量輻合，由東至西存在水汽輸送通道，有明顯的水汽通量輻散位于關中東部及陜南東部地區，其大值中心值為2×10-7g/(cm2·hPa·s)，這與850 hPa偏東風水汽輸送相對應。12日14時，強降水結束后，位于關中東部及陜南東部的的水汽輻散大值區，相比暴雨開始之前已明顯改為向西南方向發展移動。

可見，此次突發性暴雨發生前，有利的水汽輸送及水汽含量位于陜西南部地區，陜西關中地區水汽含量與水汽輸送均較弱，強降水開始后，850 hPa位于關中東部及陜南東部地區的偏東氣流向西南方向移動，暖濕氣流與西北方向南下的干冷空氣交匯，促使地面鋒區加強，有利于強降水維持。

4動力條件分析

4.1渦度、散度

11日20時，沿34.5°N的渦度垂直剖面圖表明(圖略)，在108°E附近850 hPa以下有3×10-5s-1的正渦度區，850 hPa以上有大片負渦度區。隨著高原短波槽攜帶冷空氣東移的影響，低層正渦度區有所增加。12日08時，強降水即將開始時，108°E附近低層的正渦度區增加至4×10-5s-1，對流層中上層仍為大片負渦度區。

從散度場來看，11日20時，陜西到河西地區在垂直方向上沒有明顯的輻合、輻散區存在，散度值為(0～2)×10-5s-1。12日08時(圖3a)，強降水區所對應的區域，300 hPa層上102°E～108°E范圍內有較強輻散區存在，中心值大于10×10-5s-1，其對流層中下層散度場沒有變化，300 hPa上甘肅南部—陜西西部有一條中心值大于10×10-5s-1的強輻散區。西風急流的強風速帶為突發暴雨提供高層抽吸作用，能促使垂直環流發展，使暴雨加強并持續，這與侯建忠等[1]研究的陜西突發性暴雨中300 hPa急流作用相一致。

4.2垂直速度場

沿34.5°N垂直速度場剖面圖上，11日20時，關中西部地區有弱的上升氣流，其大值中心位于600 hPa以下，約為-4×10-3hPa/s。12日08時108°E附近(圖3b)，上升運動迅速增加至-8×10-3hPa/s，且伸至300 hPa，迅速增大的上升運動將低層的水汽源源不斷的輸送到高層，導致濕層加厚，形成有利于暴雨產生和維持的動力條件。14時上升運動又迅速減弱至-3×10-3hPa/s以下。

此次突發性暴雨發生前及發生后在垂直方向上沒有出現明顯的低層輻合、高層輻散的結構，但對流層高層強輻散區一直存在；垂直速度場上，強降水前期12 h上升運動較弱，強降水即將開始時候，上升運動迅速增強。

圖3　2014-08-12T08沿34.5°E散度(a 單位為10-5s-1)和垂直速度(b 單位為10-3 hPa/s)空間剖面圖

5雷達資料分析

分析西安多普勒雷達資料可以發現，此次突發性暴雨過程中存在中小尺度系統的發生、發展。12日08時反射率因子圖上，關中西部和北部被片狀回波覆蓋，回波強度約為30～40 dBz，淳化、富平有小范圍40～45 dBz的強回波中心。08：50，關中的戶縣、禮泉、興平出現超過45 dBz的回波單體，呈線狀分布，而后強回波單體逐漸合并。10：04(圖4a)，關中西部戶縣、興平、禮泉出現成片超過55 dBz的強回波，隨著上述強回波緩慢減弱并向東南方向移動，12時強降水移出關中西部。與之對應，關中西部強降水逐漸減弱。由徑向速度圖可以清楚看到，此次暴雨發生前后存在明顯的中尺度輻合演變特征。08：36(降水開始時，圖略)，暴雨區西北部有一致的西北風，藍田—西安—咸陽之間有偏東風發展，東西風在禮泉、興平、戶縣之間形成輻合，隨后，西北風逐漸向南推進。10：33(圖4b)，戶縣、興平、禮泉之間中尺度輻合達到最強。輻合區一直維持至12：30，之后關中西部均處于偏北風之中。

圖4　2014-08-12西安多普勒雷達圖(a 10：04基本反射率因子；b 10：33徑向速度)

綜上可知，利用雷達資料可以很好的揭示此次突發性暴雨中小尺度系統演變情況，強回波存在的時間與強降水對應很好，雷達徑向速度圖上暴雨區上游出現一致的西北風與東南風在暴雨區形成明顯輻合，很好的佐證了冷暖空氣在暴雨區激烈交匯。

6結論

(1)此次突發性暴雨12 h之前，位于高原中東部地區的弱風速輻合，在快速東移至暴雨區時加強形成短波槽，為暴雨產生提供有利的環流背景，業務中應重點關注高原地區出現的弱風速切變。

(2)此次突發性暴雨的能量場及水汽條件變化較小，但高空急流較長時間維持，急流軸的突然變化應重點關注，急流右后側的強輻散促使上升運動加強，形成有利于暴雨產生的動力機制。

(3)此次突發性暴雨即將開始之時，700 hPa突然增大的西北風攜帶干冷空氣與850 hPa暖濕氣流疊加，使低層鋒區得到加強，從而保證了降水的維持和加強。

(4)雷達產品對中小尺度系統發生、發展特征有很好的反映,突發性暴雨預報中應重點應用其分析暴雨落區及范圍。

參考文獻：

[1]侯建忠.青藏高原東北側突發暴雨的環流及動力特征分析[C]//杜繼穩，張弘，梁生俊，等.青藏高原東北側突發性暴雨分析研究與應用[M].北京：氣象出版社，2005：147-148.

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文章編號：1006-4354(2016)04-0013-05

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：牛樂田(1980—)，男，漢族，陜西戶縣人，學士，工程師，從事短期天氣預報研究。

基金項目：咸陽市鄉鎮預報服務系統(2014Y-15)

中圖分類號：P458.121

文獻標識碼：A

牛樂田，王英，李春娥，等.關中地區一次突發性暴雨天氣成因分析[J].陜西氣象，2016(4)：13-17.