關(guān)中一次大暴雨天氣過程成因分析及陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

高 萌，劉 帆，王瑾婷，謝逸雯，牛樂田

(咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000)

暴雨是我國主要的災(zāi)害性天氣之一，易造成不同程度的洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致堤防潰決、農(nóng)作物被淹等，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。慕建利[1]認(rèn)為高空西風(fēng)急流入口區(qū)右側(cè)的動(dòng)力強(qiáng)迫是對(duì)流層高層暴雨區(qū)輻散形成和加強(qiáng)的原因，動(dòng)力強(qiáng)迫引起的非地轉(zhuǎn)風(fēng)是暴雨形成的原因之一。杜繼穩(wěn)等[2]認(rèn)為陜西關(guān)中地區(qū)地處青藏高原東北側(cè)，獨(dú)特的地理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致汛期暴雨頻發(fā)，且具有降水時(shí)段集中、雨強(qiáng)大、局地性強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)等特征。多年的研究表明，暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，大尺度環(huán)流為暴雨的產(chǎn)生提供了有利的背景，中尺度對(duì)流系統(tǒng)則是暴雨產(chǎn)生的直接影響者[3-5]。張弘等[6]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原東北側(cè)突發(fā)性暴雨必定伴有中尺度輻合系統(tǒng)；王川等[7]認(rèn)為陜西夏季暴雨多與西太平洋副熱帶高壓有關(guān)；沈嬌嬌等[8]研究發(fā)現(xiàn)高層輻散、低層輻合的有利配置加上旺盛深厚的垂直上升運(yùn)動(dòng)為暴雨發(fā)生發(fā)展提供動(dòng)力抬升作用。

陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)是基于國家氣象中心下發(fā)的指導(dǎo)預(yù)報(bào)產(chǎn)品和不同數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，采用動(dòng)態(tài)交叉取優(yōu)方法，制作以“精細(xì)、智能、一體化”為目標(biāo)的陜西省范圍內(nèi)分辨率為3 km×3 km格點(diǎn)化溫度、降水、風(fēng)等共11個(gè)氣象要素的定量預(yù)報(bào)產(chǎn)品[9]。精細(xì)化智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)改變了傳統(tǒng)的預(yù)報(bào)制作方式，由之前98個(gè)縣站的站點(diǎn)預(yù)報(bào)、模糊預(yù)報(bào)向數(shù)字化、精細(xì)化、智能化預(yù)報(bào)逐步轉(zhuǎn)變，還將原來的間隔12 h預(yù)報(bào)優(yōu)化為72 h內(nèi)逐小時(shí)預(yù)報(bào)，使業(yè)務(wù)流程更加扁平高效，業(yè)務(wù)布局更加集約合理，業(yè)務(wù)技能更加客觀智能，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)制作、實(shí)時(shí)同步[10]。

本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、西安多普勒雷達(dá)資料以及NCEP/NCAR1°×1°再分析資料，對(duì)2018年8月21—22日發(fā)生在陜西關(guān)中地區(qū)的大暴雨天氣過程進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步探討陜西關(guān)中地區(qū)盛夏暴雨天氣形成成因和發(fā)生機(jī)制，并對(duì)此次暴雨過程中陜西智能網(wǎng)格的降水定量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，為今后暴雨預(yù)報(bào)提供預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。

1 過程概述

2018年8月21日16時(shí)至22日18時(shí)陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)一次區(qū)域性大暴雨天氣過程，全省共249站雨量監(jiān)測(cè)站降水量達(dá)到暴雨，暴雨落區(qū)主要位于渭北西部、關(guān)中西部、陜南中西部。其中關(guān)中地區(qū)(銅川、咸陽、寶雞、西安局地)共28個(gè)雨量監(jiān)測(cè)站降雨量達(dá)到大暴雨，最大降雨量在印臺(tái)袁家山為152.1 mm。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段主要集中在21日傍晚到22日凌晨。此次大暴雨過程具有范圍廣、歷時(shí)短、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，造成了寶雞、咸陽、西安多地發(fā)生洪澇災(zāi)害。

2 環(huán)流形勢(shì)和物理?xiàng)l件

2.1 環(huán)流形勢(shì)特征

200 hPa 21日08時(shí)天氣圖上，南亞高壓穩(wěn)定存在，在39°N～47°N上空范圍內(nèi)存在一東西向高空西風(fēng)急流，急流中心強(qiáng)度為58 m/s；20時(shí)西風(fēng)急流仍維持東西向，且強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，其入口區(qū)右側(cè)大于40 m/s的風(fēng)速區(qū)范圍增大，陜西處于急流南側(cè)輻散區(qū)5個(gè)緯距處。500 hPa 21日08時(shí)天氣圖上，亞洲中高緯地區(qū)為穩(wěn)定的兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)，東亞大槽穩(wěn)定，高壓脊位于貝加爾湖附近，同時(shí)巴爾喀什湖附近有深厚冷渦存在，西太平洋上有臺(tái)風(fēng)“蘇力”和“西馬侖”生成并向西向北移動(dòng)，受其影響，副熱帶高壓北抬，東北冷渦向東北移動(dòng)，在巴爾喀什湖冷渦底部不斷有西北氣流分裂東移南下，甘肅東部至四川北部有下滑槽東移；20時(shí)隨著下滑槽緩慢發(fā)展東移，內(nèi)蒙古—陜西西部一帶為較深的低槽控制，受臺(tái)風(fēng)西移影響，副高位置穩(wěn)定維持，因此陜西關(guān)中地區(qū)位于巴爾喀什湖冷渦底部南下的冷空氣和副高外圍暖濕空氣交匯區(qū)，形成有利于暴雨發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)；22日08時(shí)，下滑槽持續(xù)東移至內(nèi)蒙古—陜西中部地區(qū)且槽有所加深，關(guān)中地區(qū)受下滑槽前一致西南氣流影響，降水持續(xù)。700 hPa上21日20時(shí)，甘肅東部和陜北—關(guān)中地區(qū)有一人字形切變，切變?yōu)榻涤晏峁┝藙?dòng)力抬升條件，四川到陜西為一致的西南風(fēng)；隨著冷空氣南壓，22日08時(shí)甘肅東部切變緩慢東移至陜北—關(guān)中西部—陜南西部地區(qū)，在高空500 hPa下滑槽下方有低渦生成。850 hPa 22日08時(shí)陜西關(guān)中地區(qū)存在東西向弱切變，由于受臺(tái)風(fēng)影響，陜西東北側(cè)有東北急流持續(xù)不斷從華北移入陜西中部地區(qū)，不僅帶來了東路冷空氣，同時(shí)還對(duì)偏南氣流起到阻擋截流作用，加強(qiáng)了水汽輻合(圖1)。

21日20時(shí)地面圖(圖略)上貝加爾湖西南側(cè)冷高壓中心強(qiáng)度為1 015 hPa，地面冷鋒位于關(guān)中地區(qū)，并不斷東移南壓，陜北北部處于等壓線密集帶，出現(xiàn)了8 m/s的大風(fēng)。隨著冷高壓不斷南壓，22日08時(shí)，冷高壓已完全影響陜西大部地區(qū)，并在陜北西部形成1 012.5 hPa的冷高壓中心。正是700 hPa東西向切變和地面冷鋒的配合觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放和強(qiáng)降水生成。

圖1 2018-08-21T20 200 hPa高空急流帶(陰影區(qū)，單位為m/s)、500 hPa高度場(chǎng)(實(shí)線，單位為dagpm)、700 hPa風(fēng)場(chǎng)

2.2 水汽分布特征

此次暴雨過程，700 hPa上陜西維持著一支西南暖濕氣流的水汽輸送通道，同時(shí)巴爾喀什湖附近有強(qiáng)冷空氣南下，二者在陜西境內(nèi)交匯，產(chǎn)生較強(qiáng)的水汽輻合。從21日20時(shí)水汽通量及其散度圖(圖略)上可以看到，700 hPa上甘肅東部的水汽通量散度所表示的輻合區(qū)迅速東移至陜北—關(guān)中西部，最大值增大至-0.6×10-6g/(cm2·hPa·s)，對(duì)應(yīng)的關(guān)中地區(qū)水汽通量較前期顯著增大到6～10 g/(cm·hPa·s)。22日08時(shí)水汽通量散度所表示的輻合區(qū)減弱并東移。

由于前期一直受副高控制，水汽條件非常充足，850 hPa陜西東北側(cè)有水汽持續(xù)不斷從華北流入陜西關(guān)中地區(qū)，21日20時(shí)(圖2a)850 hPa上強(qiáng)的水汽通量散度所表示的輻合區(qū)東移南壓至關(guān)中地區(qū)，水汽通量和水汽通量散度較前期迅速增大至12 g/(cm·hPa·s)、-0.6×10-6g/(cm2·hPa·s)。22日08時(shí)關(guān)中地區(qū)處在水汽通量散度所表示的輻合區(qū)中，但其強(qiáng)度明顯減弱。

沿109°E的水汽通量散度剖面圖可發(fā)現(xiàn)，21日20時(shí)(圖2b)水汽通量散度負(fù)值區(qū)位于1 000～800 hPa，關(guān)中地區(qū)(35°N附近)高空存在明顯的水汽輻合，此時(shí)關(guān)中地區(qū)自北向南先后出現(xiàn)降水。22日08時(shí)(圖略)，關(guān)中地區(qū)仍處于水汽輻合區(qū)中，但輻合強(qiáng)度已減弱，降水強(qiáng)度隨水汽輻合減弱而迅速減弱，關(guān)中、陜南降水趨于結(jié)束。

可見，本次大暴雨過程水汽主要來源于700 hPa西南暖濕氣流和850 hPa東北急流，降水前后關(guān)中地區(qū)存在水汽輻合，暴雨發(fā)生時(shí)段水汽通量顯著增大，造成關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨。

圖2 2018-08-21T20 850 hPa水汽通量矢量(箭頭)、水汽通量等值線(實(shí)線，單位為g/(cm·hPa·s))、水汽通量散度場(chǎng)(陰影為負(fù)值區(qū)，單位為10-6 g/(cm2·hPa·s))(a)；沿109°E 2018-08-21T20的水汽通量散度緯向垂直剖面(b.單位為10-6 g/(cm2·hPa·s))

2.3 動(dòng)力條件

2.3.1 垂直速度場(chǎng) 沿109°E垂直速度剖面圖可以看出，21日20時(shí)(圖3)，關(guān)中地區(qū)(35°N附近)上空900～500 hPa有上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心位于850 hPa左右，最大上升速度增大為-1.8×10-3hPa/s，結(jié)合前面分析，這可能是由于地面冷鋒鋒生產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)使低層大氣克服對(duì)流抑制，達(dá)到自由對(duì)流高度，釋放不穩(wěn)定能量，產(chǎn)生對(duì)流降水。隨著冷空氣進(jìn)一步南壓，22日02時(shí)關(guān)中地區(qū)處于冷暖空氣交匯區(qū)，最強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)位于800～700 hPa。22日08時(shí)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心依然維持在35°N以北，上升運(yùn)動(dòng)高度有所降低，但強(qiáng)度略減弱至-1.5×10-3hPa/s。隨著上升運(yùn)動(dòng)減弱，陜西關(guān)中地區(qū)大暴雨逐漸結(jié)束。

2.3.2 渦度場(chǎng)和散度場(chǎng) 從渦度場(chǎng)分析可見，21日20時(shí)(圖4a)900～700hPa關(guān)中地區(qū)處于正渦度區(qū)，但強(qiáng)度較小，而在600～400 hPa和300 hPa以上分別有兩個(gè)強(qiáng)的負(fù)渦度區(qū)，強(qiáng)度均為-4×10-5s-1，近地面負(fù)渦度較弱。22日08時(shí)，低層900～600 hPa正渦度區(qū)迅速增大，高層負(fù)渦度區(qū)減弱。

圖3 2018-08-21T20 沿109°E的垂直速度剖面圖(單位為10-3hPa/s)

散度場(chǎng)上，21日20時(shí)(圖4b)600 hPa上關(guān)中地區(qū)上空有輻散值為4×10-5s-1的輻散區(qū)存在，而1 000～800 hPa有大范圍強(qiáng)輻合區(qū)，中心值為-10×10-5s-1，22日08時(shí)降水結(jié)束時(shí)，高低層輻散輻合強(qiáng)度迅速減小。可見本次大暴雨過程中關(guān)中地區(qū)處于低層輻合高層輻散的形勢(shì)場(chǎng)中，這種有利的系統(tǒng)配置，便于產(chǎn)生強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，為關(guān)中地區(qū)大暴雨發(fā)生提供了有利的動(dòng)力環(huán)境條件。

圖4 2018-08-21T20(a)渦度場(chǎng)、(b)散度場(chǎng)分布圖(陰影區(qū)為負(fù)值，單位為10-5 s-1)

2.4 雷達(dá)回波特征

8月21日14：30西安多普勒雷達(dá)1.5°仰角反射率因子圖上，關(guān)中西北部和南部有孤立的多個(gè)雷暴單體生成，造成該區(qū)域小范圍陣性降水，16：00開始，在關(guān)中西部出現(xiàn)大范圍雷達(dá)回波，此后不斷發(fā)展加強(qiáng)并向東偏北方向移動(dòng)。18：00，多個(gè)雷暴單體已發(fā)展成穩(wěn)定的大范圍多單體對(duì)流系統(tǒng)，在系統(tǒng)移動(dòng)方向前沿不斷有發(fā)展旺盛的對(duì)流單體生成，造成系統(tǒng)前沿出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。20：59(圖5a)該對(duì)流系統(tǒng)移至扶風(fēng)(白圈內(nèi))，中心強(qiáng)度達(dá)60 dBz以上的雷達(dá)回波維持6個(gè)體掃，速度圖上(圖5b)為明顯的徑向輻合，垂直累計(jì)液態(tài)水含量(VIL)(圖5c)達(dá)到50 kg/m2，此時(shí)雷達(dá)回波頂高達(dá)9～12 km，一小時(shí)累計(jì)降水(OHP)(圖5d)上顯示在扶風(fēng)縣區(qū)內(nèi)有31.7～50.8 mm的降雨量，對(duì)應(yīng)的扶風(fēng)召公站小時(shí)雨量達(dá)到了53.6 mm；隨后對(duì)流風(fēng)暴持續(xù)東移至楊凌，21：22反射率因子中心強(qiáng)度為63 dBz，VIL維持50 kg/m2，回波頂高增高至16 km，速度圖上維持輻合，此時(shí)楊凌自動(dòng)站在22:00出現(xiàn)了1小時(shí)為42.2 mm的降雨量。此后該系統(tǒng)不斷東移，咸陽南部和西安南部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。22日00:00，對(duì)流風(fēng)暴逐漸分散并減弱，以穩(wěn)定性降水回波為主，此時(shí)回波頂高降低至5～8 km，08：00以后雷達(dá)回波基本消失，降水趨于結(jié)束。

3 陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

此次關(guān)中地區(qū)暴雨天氣過程主要降水時(shí)段在21日20時(shí)—22日20時(shí)，因此對(duì)該時(shí)段的陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)結(jié)果與降水實(shí)況進(jìn)行對(duì)比。可以看出，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了此次暴雨的開始和持續(xù)時(shí)間。智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)19日20時(shí)起報(bào)的未來72小時(shí)(圖6a)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示關(guān)中地區(qū)將會(huì)出現(xiàn)大雨，寶雞西南部、西安和銅川局地會(huì)出現(xiàn)暴雨，與實(shí)況對(duì)比可以看出對(duì)寶雞、西安和銅川暴雨預(yù)報(bào)的范圍偏小，強(qiáng)度明顯偏弱。20日20時(shí)起報(bào)的未來48小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，關(guān)中南部以中到大雨為主，咸陽北部和銅川北部將會(huì)出現(xiàn)暴雨。與實(shí)況對(duì)比，48小時(shí)暴雨區(qū)預(yù)報(bào)較實(shí)況位置偏北(圖6b)。隨著智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)模式調(diào)整，21日20時(shí)起報(bào)的未來24小時(shí)(圖6c)銅川、西安西部、咸陽有暴雨，預(yù)報(bào)的暴雨落區(qū)與實(shí)況最為吻合。從智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)的調(diào)整可以看出，隨著時(shí)間臨近，模式對(duì)暴雨范圍調(diào)整，關(guān)中北部暴雨預(yù)報(bào)范圍減小，強(qiáng)度減弱，而關(guān)中南部地區(qū)降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)加強(qiáng)，與實(shí)況暴雨落區(qū)較為一致。

結(jié)合8月21—22日雷達(dá)和衛(wèi)星云圖，可將此次暴雨天氣過程降水分為系統(tǒng)性降水、對(duì)流性降水和系統(tǒng)-對(duì)流混合降水，現(xiàn)選取長(zhǎng)武、武功、扶風(fēng)和鄠邑區(qū)(圖7)進(jìn)行分析。21日18：00—22：00長(zhǎng)武出現(xiàn)系統(tǒng)性降水，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)降水的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間與實(shí)況較吻合；武功和扶風(fēng)在21：00—23：00出現(xiàn)對(duì)流性短時(shí)強(qiáng)降水，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)對(duì)此時(shí)段的短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)量級(jí)偏小，22日00：00后降水調(diào)整為系統(tǒng)性降水，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)迅速調(diào)整，預(yù)報(bào)結(jié)果較好；22日00：00—05：00鄠邑區(qū)出現(xiàn)系統(tǒng)性降水，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)對(duì)主要降水時(shí)段和降雨量級(jí)的預(yù)報(bào)和實(shí)況較為一致。因此系統(tǒng)性降水為主時(shí)，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)較好，結(jié)果與實(shí)況基本一致；對(duì)流性降水起主要作用時(shí)，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)偏弱，結(jié)果與實(shí)況相比量級(jí)偏小，在預(yù)報(bào)中可以根據(jù)大氣環(huán)境條件進(jìn)行訂正。

圖5 2018-08-21T20:59 1.5°仰角西安多普勒雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)品(白圈內(nèi)為扶風(fēng))(a.反射率因子R，單位為dBz；b.徑向速度V，單位為m/s；c.垂直累計(jì)液態(tài)水含量VIL，單位為kg/m2；d.一小時(shí)累計(jì)降水OHP，單位為mm)

黑色等值線為智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)，粗實(shí)線為50 mm等值線，填值為降水實(shí)況。圖6 陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)與降水實(shí)況對(duì)比(a. 2018-08-19T20 起報(bào)未來72小時(shí)降水量預(yù)報(bào)；b. 2018-08-20T20起報(bào)未來48小時(shí)降水量預(yù)報(bào)；c. 2018-08-21T20起報(bào)未來24小時(shí)降水量預(yù)報(bào))

(黑色等值線為智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)，柱狀為降水實(shí)況)圖7 陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)2018-08-21T15—22T13小時(shí)降雨量

4 結(jié)論

(1)此次暴雨發(fā)生在巴爾喀什湖冷渦底部南下冷空氣和副高外圍暖濕空氣交匯區(qū)，低層“人字”型切變、西南暖濕氣流、東北急流、低渦輻合和地面冷鋒是該次暴雨過程的主要影響系統(tǒng)。

(2)700 hPa“人”字型切變?yōu)榻涤晏峁┝藙?dòng)力抬升條件；850 hPa冷空氣南壓、低渦輻合和地面冷鋒觸發(fā)了關(guān)中地區(qū)不穩(wěn)定能量的釋放；700 hPa西南暖濕氣流和850 hPa東北急流為暴雨區(qū)輸送水汽。低層輻合、高層輻散，再加上強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，為暴雨的產(chǎn)生提供了動(dòng)力條件。

(3)此次暴雨過程雷達(dá)圖上，反射率因子強(qiáng)，回波頂高，VIL的大值區(qū)與強(qiáng)回波區(qū)、強(qiáng)降水中心區(qū)位置有很好的對(duì)應(yīng)，當(dāng)VIL中心值持續(xù)在50 kg/m2時(shí)，關(guān)中局地出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)超過30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。

(4)陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)中準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了此次區(qū)域性暴雨過程的落區(qū)、降水開始時(shí)段、持續(xù)時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)性降水為主時(shí)，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況基本一致；而對(duì)流性降水起主要作用時(shí)，陜西智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況相比，量級(jí)偏小，在預(yù)報(bào)中可以根據(jù)大氣環(huán)境條件進(jìn)行訂正。