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  暴雨灾害   2016, Vol. 35 Issue (5): 427-436.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2016.05.004

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2016.05.004

资助项目

陕西省社会发展攻关项目(2013K13-04-04);国家自然科学基金项目(41175060);西安市气象局“火车头计划”项目(201402)

第一作者

张雅斌,主要从事天气预报业务工作以及相关技术研究。E-mail: ddusa@yeah.net

文章历史

收稿日期:2016-06-07
定稿日期:2016-08-29
西安“8.3”大暴雨的环境条件与中尺度特征分析
张雅斌 1, 乔娟 1, 屈丽玮 2, 武麦凤 3    
1. 陕西省西安市气象台,西安 710016;
2. 陕西省气象台,西安 721014;
3. 陕西省渭南市气象台,渭南 714000
摘要:基于陕西WARMS模式、FY2F卫星云图、多普勒天气雷达和地面加密观测等资料,分析总结了2015年8月3日西安致灾大暴雨过程(以下简称“8.3”大暴雨)的环境条件与中尺度特征。结果表明:该过程强度大、突发性强、降水落区集中,中低层快速东移南压的冷式切变线和地面冷锋是其主要影响系统,地面切变辐合偏弱、整层偏南水汽输送及其辐合不明显是大暴雨持续时间短、范围小的重要原因;地面冷锋后部偏北风遇秦岭北麓地形作用形成初始对流,高层北路冷空气侵入导致不稳定能量增大,二者共同作用触发对流与能量强烈释放,形成β中尺度对流系统,产生大暴雨;低层辐合、高层辐散和垂直上升运动中心偏强而无次级环流,造成暴雨范围小、持续时间短;暴雨区主要位于对流云团云顶亮温(TBB)梯度大值区,与3 h显著正变压中心梯度大值区和切变线交汇点南侧对应;雷达强回波区呈垂直塔状,质心低,属热带海洋型降水回波。在不稳定层结尤其是低层超绝热状态下,加强雷达资料分析研判,跟踪紧邻山地杂波的、孤立的、中心像素点反射率超过60 dBz的小尺度对流单体发展,可提前发布秦岭北麓暴雨预警。
关键词大暴雨    环境条件    中尺度特征    WARMS模式    
Environment conditions and mesoscale characteristics of an extremely rainstorm event in Xi'an on 3 August 2015
ZHANG Yabin1, QIAO Juan1, QU Liwei2, WU Maifeng3    
1. Xi'an Meteorological Observatory of Shaanxi Province, Xi'an 710016;
2. Shaanxi Meteorological Observatory, Xi'an 721014;
3. Weinan Meteorological Observatory of Shaanxi Province, Weinan 714000
Abstract: Based on WARMS model, FY2F satellite cloud images, Doppler weather radar data and observations from intensive automatic weather station (AWS), we have analyzed the environment conditions and mesoscale characteristics of an extremely disastrous rainstorm event (hereinafter referred to as "8.3" event) occurred in Xi'an on 3 August 2015. The results indicate that the "8.3" event is characterized by high intensity, strong burst and concentrated precipitation zone, whose major influencing systems are a cold shear line that rapidly moved eastwards and southwards in the mid- and low-level and a surface cold front. The surface shear is relatively weak. Vertically integrated water vapor transportation from south and water vapor convergence are unobvious, which lead to short precipitation duration and small rain area during the "8.3" event. Northerly wind at the rear of the surface cold front encountering the northern Qinling Mountains triggers initial convection, and the cold air intruding from upper level by north route results in the increase of unstable energy. Such combined condition triggers convection and intensive energy release, which in turn induces β-mesoscale convective system and generate extreme rainstorm. Convergence in the low-level, divergence in the upper level, strong vertical upward movement center and no secondary circulation make precipitation duration short and rain area small during the "8.3" event. The rainstorm occurs near the area with great value of brightness temperature gradient, which corresponds with the positive 3-hourly pressure difference center and the south side of shear line intersection point. Strong radar echo is observed to show vertical tower-shape and low centroid height, which is a characteristic of the tropical marine precipitation echo. Under unstable stratification, especially when low layer is super adiabatic, through analysis and judgment of radar data and especially small-scale convection cells with reflectivity factor greater than 60 dBz which is adjacent to but separate from mountain clutter echo, we can issue the early warning of rainstorm occurred in the northern Qinling Mountains ahead of time.
Key words: storm    environment condition    mesoscale characteristics    WARMS model    
引言

陕西省位于青藏高原东北侧,辖区地形复杂,主要包括陕北黄土高原、关中盆地和陕南秦巴山地。近50 a来,关中大部分地区降水时数与强度明显增加[1]。西安位于关中中部,所辖秦岭北麓一带峪口与河流众多、地形坡度大,是滑坡、泥石流和中小河流洪水等暴雨次生灾害高风险区[2]。例如,2015年8月3日西安大暴雨造成该市3县(区)强降水量突破历史极值,引发河流洪水、城市内涝,导致重大人员伤亡和基础设施严重破坏,其中,陇海铁路西安段连续2 d因泥石流漫道而中断,对当地交通造成如此严重影响十分罕见。近年来,气象工作者从不同角度对关中地区暴雨特征或规律进行了大量细致研究。慕建利等[3-4]对关中一次强暴雨特征分析表明,强暴雨过程与α中尺度低涡密切相关,近地层风场辐合、中尺度西南急流和东南急流触发强降水,秦岭屏障作用和关中喇叭口地形动力抬升作用有助于强暴雨发生、加强,低层偏东气流输送造成水汽聚集。梁生俊等[5]对陕西两次典型大暴雨过程对比分析表明,过程均有干冷空气侵入,位涡大值与强降水的出现时间一致。张弘等[6]和刘勇等[7]分析了关中突发性大暴雨特征,均认为受台风北侧东风急流与西风带低值系统共同作用,对流云系具有独特规律。还有人对远距离台风活动与关中暴雨相关特征[8-9]、秦岭大巴山地形对陕西强降水影响[10-11]以及短时强降水时空分布特征[12]等进行了详细研究。

气象卫星、天气雷达和区域自动站等高分辨率探测资料的广泛应用,为深入分析短时强降水特征及成因提供了有力支持[13-17]。本文使用卫星云图、风廓线和多普勒天气雷达等加密观测资料,结合成功预测此次强降水的陕西WRAMS数值模式,分析西安“8.3”大暴雨环境条件和中尺度特征,以期加深灾害性天气发生发展规律认识,进一步提高暴雨预警服务水平。

1 暴雨实况与模式预报

2015年7月24日—8月2日,西安连续10 d全市最高气温大于37 ℃,其中7月30日、8月2日城区最高气温超过40 ℃,2日19—20时(北京时,下同)城区出现雨强大于50 mm·h-1的短时暴雨,引发内涝。3日上午,西安周边为多云间阴天气,傍晚前后长安、蓝田和临潼等东南部区县先后出现短时大暴雨天气。“8.3”大暴雨前期持续性极端高温天气背景类似西安2004年“6.29”突发性大暴雨[6-7]

图 1给出“8.3”大暴雨期间陕西累计雨量和暴雨中心周边区域站逐时雨量变化。从全省范围看,大暴雨主要位于西安市,集中出现在8月3日16—20时,之后时段周边地区雨强小于5 mm·h-1。该过程期间,17—18时,西安南部长安区引镇大峪区域站雨强86.3 mm·h-1,日降雨量148.6 mm,均突破其建站以来历史记录。强降水引发附近小峪口山洪,导致7人死亡。18—19时,东部临潼区本站雨强76.1 mm·h-1,日降雨量116.1 mm,也均突破其建站以来历史记录;19—20时,位于临潼区偏南方向的骊山军区疗养院、兵马俑区域站雨强分别达77.7 mm·h-1和73.5 mm·h-1。17—20时,西安东南部蓝田县史家寨区域站3 h雨量超过75 mm,强降水引发局地山洪,导致3人死亡。由中国气象局短时临近预报业务规定(短时强降水为1 h降水量超过20 mm的降水)可知,西安“8.3”大暴雨具有雨强大、突发性强、落区集中、次生灾害严重的特点。

图 1 2015年8月3日17—20时陕西省3 h累积降雨量分布(a,单位: mm)与暴雨中心大峪、兵马俑、史家寨逐时雨量变化(b,单位: mm) Fig. 1 (a) The distribution of 3-hourly accumulated rainfall in Shaanxi province from 17:00 BT to 20:00 BT and (b) the evolution of hourly rainfall at Dayu, Binmayong and Shijiazhai stations near the center of rainstorm from 15:00 BT to 24:00 BT on 3 August 2015 (unit: mm).

陕西中尺度模式SXMB-WARMS (Shaanxi Meteorology Bureau-WRF ADAS Real-time Modeling System,下文简称WARMS)是基于ADAS-WRF建立的,ADAS基于GFS分析预报,同化本地探空资料之后得到模式初始场,侧边界条件由ADAS生成。WARMS采用两重双向嵌套,中心位于(108°E、35°N),其分辨率分别为15 km和5 km,垂直方向27层。主要物理参数化方案包括: YSU边界层方案,RRTM长波辐射方案,Dudhia短波辐射方案,Noah陆面过程方案,WSM6类方案,15 km区域采用浅对流Kain-Fritsch (new Eta)积云参数化方案(5 km区域不使用积云参数化方案)。图 2给出2015年8月3日08时WARMS起报的不同时刻陕西及周边地区累积降雨量。对比预报与实况可知,WARMS成功预测了西安地区当日17—20时的短时大暴雨,其南部地区3 h累计雨量超过70 mm,无论是降水落区还是降水强度预报都与实况基本一致。因此,WARMS预报场适用于对西安“8.3”大暴雨进行中尺度特征诊断分析。

图 2 WARMS 2015年8月3日14—17时(a)与17—20时(b) 3 h累积雨量(单位: mm)预报(红色五星所示为西安) Fig. 2 The distribution of 3-hourly accumulated rainfall (unit: mm) forecasted by WARMS from (a) 14:00 BT to 17:00 BT and (b) 17:00 BT to 20:00 BT on 3 August 2015 (red star marks Xi'an).
2 环境条件 2.1 大尺度环流背景

2015年8月3日08时(图略),200 hPa上,贝加尔湖东南部至黑龙江西部一带有冷涡发展,乌拉尔山至我国东北地区受西风急流控制;500 hPa上,我国大陆中低纬30°N附近纬向分布的高压坝在四川出现断裂,西太平洋副热带高压(以下简称副高)588 dagpm线西脊点(30°N、109°E)位于鄂西南,贝加尔湖东南方有东北冷涡显著发展,冷涡底部经内蒙古中部至陇东为宽广的低槽区,关中处于低槽底部和副高西北侧一致的西南气流中;700 hPa上,关中上游河套至陇南一带受显著切变线影响,切变线西南端北侧的银川为14 m·s-1东北风,南侧西安为4 m·s-1西南偏西风,西安比湿9 g·kg-1;850 hPa上,切变线位于榆林南部至陇东一带,西安为4 m·s-1偏南风,比湿16 g·kg-1。到14时(图 3a),中低层切变线南移至关中北部,其南北两侧的西南风、东北风增大,后者增幅尤为显著,冷式切变特征维持。17时(图 3b),中低层切变线南移至关中东南部,受其影响,西安、渭南先后出现短时大暴雨天气。20时(图略),200 hPa上,陕北、河套地区高空急流转为西南风,风速变化不大;500 hPa上,副高略有减弱、东退,西脊点移至(30°N、111°E),东北冷涡略有东移,中纬度低槽移至山东、河南一带,陕西上空高度场与08时无明显变化。

图 3 2015年8月3日14时(a)和17时(b) WARMS 500 hPa高度(红色等值线,单位: dagpm)、700 hPa相对湿度(填色区,单位: %)与850 hPa风场(风向杆,单位: m·s-1) Fig. 3 Superposition of 500 hPa geopotential height field (red contour, unit: dagpm), 700 hPa relative humidity (color-filled, unit: %) and 850 hPa wind field (barb, unit: m·s-1) from WARMS at (a) 14:00 BT and (b) 17:00 BT on 3 August 2015.

海平面气压场上,8月3日08—14时,四川盆地、山西至河南一带为低压区,河套至陇东为高压区。当日傍晚前,高压加强,低压发展,二者之间的东北—西南向冷锋经过关中地区。地面风场上,3日14时东北风与西南风形成的大范围显著切变辐合区主要位于山东北部至河南北部一带,到20时(图 4),切变辐合区进一步发展加强,并向东南方向移至渤海湾、济南到郑州以南一带,水平尺度超过1 500 km。我国强降水主要分布在东部切变线周围偏北一侧,暴雨集中在切变线中段,中心位于济南西南一带,关中地区地面切变和辐合比东部明显偏弱。

图 4 2015年8月3日20时地面风场(风向杆,单位: m·s-1)、海平面气压(虚线,单位: hPa)与地形高度(填色区,单位: m)叠加图(蓝色、白色阴影区分别为西安暴雨区和东部强降水落区,红线为地面切变线) Fig. 4 Superposition of ground wind field (barb, unit: m·s-1), sea level pressure (dashed, unit: hPa) and terrain height (color-filled, unit: m) at 20:00 BT on 3 August 2015. Blue and white shaded areas denote Xi'an rainstorm zone and east China rainstorm areas, respectively. Red solid line denotes ground shear line.

综上分析可知,副高东移减弱、对流层中下层西风槽发展东移、低层切变线和地面冷锋东移南压在暴雨区形成前倾结构,东北冷涡底部、高空急流南侧冷平流导致关中上空不稳定层结加强,为“8.3”大暴雨提供了有利的环流背景。另一方面,包括甘肃东部、四川北部在内的陕西周边700—850 hPa比湿场维持北高南低形势,偏南水汽输送不明显;陕西处于宽广西风槽底部,关中地区近地层未出现区域性暴雨过程常见的显著偏东气流[6, 18];相对我国大陆东部地区显著东移南压的地面切变线,关中地区切变与辐合较弱。上述条件导致此次大暴雨持续时间较短。

2.2 水汽与热力不稳定条件

2015年8月3日08时,700 hPa关中西部、陕南西部为水汽通量输送显著区(中心值达8 g·cm-1·hPa-1·s-1),其中在关中西部出现-14×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1水汽辐合中心;850 hPa关中、陕南水汽输送相比700 hPa偏弱、偏东。图 5为此次暴雨区(33.7°—34.7°N,108°—110°E)范围所有格点空间平均的WARMS水汽通量及其散度的时间垂直剖面图。从中可见,3日15时前,700 hPa以下为中心强度约-2×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1的弱水汽辐合区,850 hPa附近为水汽辐散区;之后,近地层水汽辐合增大,17—20时西安短时大暴雨时段,偏南水汽输送明显加强,近地层至400 hPa先后转为水汽辐合,850 hPa近地层水汽辐合中心值低于-12×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1,达到过程最强。21时后,偏南水汽输送明显减弱,低层迅速转为水汽辐散,强降水趋于结束。

图 5 2015年8月3日08—4日05时西安及周边暴雨区(33.7°—34.7°N,108°—110°E)平均水汽通量(箭矢,单位: g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(等值线,单位: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)的时间垂直剖面图 Fig. 5 Height-time cross section of average water vapor flux (vector, unit:g·cm-1·hPa-1·s-1) and its divergence (contour, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) in Xi'an and its surrounding rainstorm areas (33.7°-34.7°N, 108°-110°E) from 08:00 BT 3 to 05:00 BT on 4 August 2015.

分析同期长安站地基微波辐射计0—5 km逐分钟水汽监测资料表明,“8.3”大暴雨发生前6 h内,2.0 km以下近地层比湿由16.0 g·kg-1快速增至20.0 g·kg-1以上,显著湿层增厚约0.5 km。对比WARMS逐小时水汽通量散度变化与微波辐射计观测结果可知,低层水汽辐合中心出现时间与比湿最大时段一致,WARMS模式较好地预测了暴雨区周边水汽短时变化。近地层水汽显著集聚为暴雨中小尺度系统快速发展提供了有利条件。另一方面,前期中低层偏南水汽输送和水汽辐合整体较弱,水汽辐合突增仅发生在近地层,也是此次暴雨过程持续时间较短的原因之一。

当日西安探空站T-lnP图上,温湿层结曲线呈上干下湿“喇叭口”状,850 hPa附近逆温层持续存在,比西安周边夏季常见强对流天气近地层逆温层偏高[17],有利于逆温层之下暖湿空气与中高层干冷空气分隔,下层受平流与地面加热影响更暖湿,整层位势不稳定增大。同时,0 ℃层高度约5 km,抬升凝结高度约0.9 km,暖云层较厚,0—6 km垂直风切变较弱(5~10 m·s-1),降水效率较高。其中,3日08时(图 6a),400 hPa以下为深厚湿层,整层风向随高度顺时针旋转,有暖平流;K指数、沙氏指数(SI)和对流有效位能(CAPE)分别为39 ℃、-2.5 ℃和566 J·kg-1,存在对流抑制能量(CIN)。14时(图 6b),300—400 hPa出现风向随高度逆转的冷平流,高层西北风增大、干冷空气侵入下滑,不稳定能量增大,K指数、SICAPE分别为43 ℃、-2.8 ℃和807 J·kg-1,对流抑制能量消失。受持续高温和午后地面加热作用,抬升凝结高度至逆温层下部,逆温层上部至700 hPa,层结曲线与干绝热线基本平行,低层大气处于极有利于对流发展的超绝热状态。在上述有利的层结条件下,受干冷空气侵入、中尺度扰动和局地地形等触发,逆温层一旦减弱或破坏,不稳定能量将强烈释放,形成强对流天气。20时(图略),伴随短时大暴雨结束,不稳定能量完全释放,CAPE降至0 J·kg-1。比较而言:相比关中以往的一般区域性暴雨过程[6-7],“8.3”西安大暴雨过程上部干层明显;相比北方常见雷暴强对流过程[14],其下部饱和湿层深厚。可见,该过程特定的层结条件有利于产生短历时强降水。

图 6 2015年8月3日08时(a)和14时(b)西安探空站T-lnP Fig. 6 T-lnP chart at Xi'an sounding station at (a) 08:00 BT and (b) 14:00 BT on 3 August 2015.

分析过暴雨中心长安站(34°10'N、108°50'E)所作的WARMS假相当位温(θse)、相对湿度经向垂直剖面表明,8月3日08时,在中低层槽线或切变线位置附近,陕北南部存在随高度向北倾斜的θse梯度大值区和能量锋;850 hPa与500 hPa假相当位温差(θse850-500)为9 ℃,对流不稳定层结明显。14时(图 7a),关中θse整体上升,并在西安周边低层达到过程最大,5 km以下θse垂直梯度增大,下暖湿、上干冷的不稳定层结明显;关中北部为向北倾斜的能量锋区,北部中下层干冷空气呈楔形南侵、下滑(蓝色箭头线所示);θse850-500为10 ℃,不稳定层结维持。20时(图 7b),北部能量锋区移至关中,中低层干冷空气继续向暴雨区南侵、下滑,与关中北部高层干冷空气共同作用触发不稳定能量强烈释放,暴雨中心中下层等θse线转为陡立密集分布;θse850-500降至3 ℃,不稳定层结快速减弱。位势不稳定减小导致绝对涡度增大,垂直涡度与辐合上升运动加强[15],为“8.3”西安短时大暴雨提供了有利的动力条件。

图 7 2015年8月3日14时(a)和20时(b)过暴雨中心长安站(红三角处)沿108°50'E的WARMS假相当位温(等值线,单位: K)和相对湿度(填色区,单位: %)经向剖面图 Fig. 7 Meridional cross section of the pseudo-potential temperature (solid lines, unit: K) and the relative humidity (color-filled, unit: %) from WARMS along 108°50'E at Chang'an (marked by red triangle) across storm center at (a) 14:00 BT and (b) 20:00 BT on 3 August 2015.
2.3 动力条件

过暴雨中心长安站WARMS的涡度、散度、垂直速度和雨水含量的经向垂直剖面图上,8月3日15时前,关中周边无上升运动和对流发展;16时,关中北部35°N、700 hPa附近出现约0.9 m·s-1的上升运动中心,附近最大雨水含量约1.0 g·kg-1,400 hPa以下低层辐合、高层辐散,中小尺度对流系统开始发展;暴雨区附近600 hPa以下低层辐合、高层辐散,风场出现小幅波动(图略)。17时(图 8),关中北部35°N以南附近形成水平尺度约50 km、中心速度约1.2 m·s-1的倾斜上升区,散度、涡度、雨水含量中心及对应高度比前1 h明显增大,正负散度、涡度区随高度向北倾斜,对流系统略呈后倾结构;暴雨区附近,辐合、辐散强度和垂直上升运动略有加强。

图 8 2015年8月3日17时过暴雨中心长安站(黑色三角形所示)沿108°50'E的WARMS各物理量场经向垂直剖面图(a)涡度(填色区,单位: 10-5 s-1)与散度(细线,单位: 10-5 s-1);(b)风场(v与5w合成,箭矢,单位: m·s-1)、垂直速度(细线,单位: m·s-1)与雨水含量(填色区,单位: g·kg-1) Fig. 8 Meridional cross section of some physical quantity fields from WARMS along 108°50'E at Chang'an (marked by black triangle) across storm center at 17:00 BT on 3 August 2015. (a) Vorticity (color-filled, unit:10-5 s-1) and divergence (thin line, unit:10-5 s-1). (b) Wind (compound of v and 5w, unit: m·s-1), vertical velocity (thin line, unit: m·s-1) and rain water content (color-filled, unit: g·kg-1).

18时(图 9),关中北部中尺度对流系统南移约80 km,暴雨中心附近整层垂直上升运动强烈发展,600 hPa附近出现4.2 m·s-1以上该过程最强上升运动。同时,500 hPa以上辐散中心突增至190×10-5 s-1以上,接近负涡度中心区,600 hPa以下辐合中心降至-120×10-5 s-1以下,接近北侧正涡度中心区。整层涡度、散度正负中心达到过程最强,低层出现2.4 g·kg-1以上最大雨水含量。散度、涡度正负区随高度转为向南倾斜,呈前倾结构,中尺度对流系统强烈发展,长安出现过程最大雨强。19时(图略),上升运动以及辐合、辐散中心强度急剧下降,各物理量中心区略向北移,雨水含量中心明显减小,与上升运动中心明显分离,长安雨强降至10 mm·h-1以下。20时(图略),暴雨中尺度对流系统进一步减弱,上升区与雨水含量相对大值区范围向北扩大,强降水落区随之东移。

图 9图 8,但为2015年8月3日18时 Fig. 9 Same as Fig. 8 but for at 18:00 BT on 3 August 2015.

综上分析可知,“8.3”西安大暴雨主要由水平尺度小于100 km、持续时间小于4 h的β中尺度系统产生。强降水发生时,迅速南移的β中尺度系统与秦岭北麓沿山地区局地热力对流在不稳定层结环境下快速合并、发展,垂直方向上迅速转为前倾结构,组织性加强,显著的低层辐合、高层辐散有利于强对流发展。“8.3”大暴雨区附近散度、涡度中心强度比本地区域性暴雨至少大一个量级[3, 5, 18],最大上升速度约大1倍。但上升运动区呈直立结构,南北跨度、持续时间明显偏小,未出现区域性暴雨区附近常见的次级环流。当小尺度上升运动快速发展形成暴雨后,降雨粒子拖曳作用不利于上升运动维持,造成强降水历时短、落区集中。

另外,分析长安站风廓线雷达0—2 km高度逐30 min水平风场变化发现:8月3日15:30前,1.0 km以下近地层以偏东风为主,1.0 km以上为一致偏西风;15:30—17:00风场变化明显,2.0 km以下自下而上快速转为偏北偏西风,16:30后偏北风强度、高度增大。对应地面冷锋后部北风向南到达秦岭北麓,受局地热力及地形抬升作用影响,对流系统初生并发展。傍晚前后,关中上空高层偏北风和冷平流加强,触发位势不稳定能量强烈释放,形成短时大暴雨。

借助不同时刻暴雨中心WARMS风场经向垂直剖面图(图 10),可进一步分析暴雨β中尺度系统演变。8月3日09时,对应河套地区中低层冷式切变线向南发展,37°N以北、陕北中北部700 hPa以上有上升运动和中尺度波动发展;11时,低层切变线北侧偏北气流呈楔形向南显著伸展,整层倾斜上升运动增大;14时,风场显著波动区继续南扩,500 hPa以上出现偏北气流,中低层为一致的上升运动并加强;16时,500 hPa以上偏北气流加强并下沉发展,对应北路冷空气侵入、不稳定能量迅速增大和强烈释放,中低层上升运动继续加强,秦岭北麓局地初生对流单体迅速发展为暴雨中尺度系统。18—20时,暴雨区周边水平风场呈显著上升、下降交替分布,对流组织性明显,上升运动强度、范围和降雨强度达到过程最大。

图 10 2015年8月3日09时(黑色)、11时(蓝色)、14时(绿色)、16时(黄色)和18时(红色)过暴雨中心(黑色三角形所示)沿108°50'E的WARMS风场(v与15w合成)经向垂直剖面图 Fig. 10 Meridional cross section of wind filed (compound of v and 15w, unit: m·s-1) from WARMS along 108°50'E across storm center (marked by black triangle) at 09:00 BT (black arrow), 11:00 BT (blue arrow), 14:00 BT (green arrow), 16:00 BT (yellow arrow) and 18:00 BT (red arrow) on 3 August 2015.
3 “8.3”西安大暴雨的中尺度特征分析 3.1 地面中尺度扰动

“8.3”西安大暴雨发生前后,陕西及其周边海平面气压场沿西北—东南方向呈逐渐下降分布,关中地区风场切变与辐合明显弱于我国东部地区。分析陕西地面自动站3 h变压(ΔP3)可知,8月3日16—17时降水开始时,关中西部一带有显著正变压区向东南方向移至西安中西部,降水零散分布在正变压区附近(图略);18—19时(图 11),正变压中心强度快速增至4 hPa以上,降水中心加强、范围更集中,暴雨区位于正变压中心并靠近梯度大值区附近。

图 11 2015年8月3日18时(a)和19时(b)自动站风场(风向杆,单位: m·s-1)、雨强(阴影,单位: mm·h-1)与3 h变压(等值线,单位:10-1 hPa)分布(▲和●分别为长安、临潼) Fig. 11 Distribution of wind field (barb, unit: m·s-1), rain intensity (shaded, unit: mm·h-1) and 3-hourly pressure difference (contour, unit: 10-1 hPa) from the intensive AWSs over Xi'an at (a) 18:00 BT and (b) 19:00 BT on 3 August 2015. Black triangles and dot mark Chang'an and Lintong, respectively.

进一步分析该过程地面自动站风场变化特征发现,14—16时强降水发生前,西安中北部为西北风、东北风形成的辐合区;17—18时强降水期间,西安北部对应西北路、东北路冷空气和偏南暖湿气流之间出现长约150 km的人字形切变线,强降水中心主要在切变线交汇点偏南侧;19时,西安、咸阳地区形成明显的气旋性风场,ΔP3正值区稳定维持,其中心位于切变线和气旋性风场东南部;20时后,强降水明显减弱,陕西全境ΔP3转为正值。

综上可知,“8.3”西安大暴雨期间,关中地区地面快速发展东移的中小尺度切变线和显著正变压扰动为暴雨中尺度系统发展、加强提供了动力不稳定条件;强降水区位于“人”字形切变交汇点南侧、ΔP3正中心附近,其中心在最大变压梯度区前沿北侧。

3.2 中尺度对流云团

分析FY2F卫星红外云图云顶亮温(TBB)表明,“8.3”西安大暴雨期间,伴随西北方向低层切变线发展东移,陕西中南部有对流云团发展、加强(图 12)。8月3日15:30,关中西部、陕南西部出现东北—西南向长约400 km、宽约200 km的α中尺度对流云团A,偏北地区宝鸡麟游县境内TBB中心小于-50 ℃,对应关中西部3 h正变压区;陕南东部商州至西安东部蓝田县之间有一水平尺度小于100 km、TBB中心小于-50 ℃的近圆形β中尺度对流云团B快速发展,对应陕南东北部3 h负变压区。16:30 (图 12a),云团A发展东移,TBB<-50 ℃中心位于西安西南边界,在云团A主体东侧、地面切变线南侧有小尺度对流云团发展,南部长安区开始出现降水;同时,对流云团B向北快速发展、增高,TBB中心小于-60 ℃。17:30 (图 12b),云团A主体东移至关中中部,对应西安南部长安、蓝田境内分别出现86.3 mm·h-1和36.6 mm·h-1的最大雨强;陕南东部对流云团B快速发展为边缘光滑的螺旋状,冷云罩面积成倍扩大,对应冷空气夹卷形成开口朝向东北侧的暗影,TBB<-60 ℃冷云罩北抬区与关中“人”字形切变线交汇点以南的南北向变压梯度显著区一致。18:30—19:30 (图 12cd),云团A减弱、东移,云团B强烈发展的冷云罩扩大至关中东部,影响区域内临潼出现73.5 mm·h-1的最大雨强,蓝田县强降水持续。随后,中尺度对流云团继续东移,强降水维持;21时后云团明显减弱,强降水逐渐结束。

图 12 2015年8月3日不同时刻(a. 16:30;b. 17:30;c. 18:30;d. 19:30) FY2F卫星TBB(阴影区,单位: ℃)逐小时变化(“+”处为西安,A和B表示对流云团) Fig. 12 Hourly TBB (shaded, unit: ℃) from FY2F infrared images at (a) 16:30 BT, (b) 17:30 BT, (c) 18:30 BT and (d) 19:00 BT on 3 August 2015. Symbol "+" indicates Xi'an, and "A" and "B" denote convective cloud clusters.

综上可知,“8.3”西安大暴雨期间,对应地面“人”字形切变线,关中西部和东部局地分别出现向暴雨区发展靠近、中心区未合并的中尺度对流云团,强降水位于TBB最大梯度区和切变线交汇点南侧强烈发展的云团西侧。TBB中心附近降水不明显,这与我国东部地区切变线强降水云图特征不同[16]。有别该地区以往长历时区域性暴雨[6, 18],“8.3”大暴雨云系位于关中以南,关中以北未出现北凸斜压叶状云系,对应区域高空急流南侧辐散较弱,云团范围较小,暴雨落区集中。

3.3 多普勒雷达回波

图 13ab为“8.3”大暴雨期间不同时次西安泾河多普勒天气雷达组合反射率因子产品,图 13cde是分别沿图 13ab白线位置(经过雷达站与长安)对基本反射率和径向速度所作的垂直剖面,对其分析如下。

图 13 2015年8月3日15:45(a)与16:55(b)西安泾河雷达组合反射率因子(单位: dBz)以及分别沿图a和图b白线位置所作的15:45(c)、16:55(d)基本反射率(单位: dBz)与16:55(e)径向速度(单位: m·s-1)垂直剖面图 Fig. 13 Composite reflectivity factor (unit: dBz) from Jinghe Radar in Xi'an at (a) 15:45 BT and (b) 16:55 BT on 3 August 2015, and vertical cross sections of radar reflectivity factor (unit: dBz) at (c) 15:45 BT (along the white line in (a)) and (d) 16:55 BT (along the white line in (b) and of radial velocities (unit: m·s-1) at (e) 16:55 BT (along the white line in (b)) on 3 August 2015.

8月3日午后至15:30前,泾河雷达站西北方向咸阳至铜川一带,对应低层切变线附近有带状降水回波东移南压,其东南方向的蓝田、商州一带有局地块状对流回波发展,西部、东部回波区对应发展靠近的中尺度对流云团。西安南部长安一带为秦岭北麓山脉杂波,无降水回波出现。15:45前后(图 13ac),西北方向咸阳附近带状回波维持,西安东南部、秦岭北麓沿山一带出现反射率因子50 dBz以上、中心像素点60 dBz以上、零散孤立分布的小尺度强对流泡,与关中平原、秦岭北麓交界位置完全一致,山地地形作用明显。之后1 h (图 13b),对应地面“人”字形切变线交汇点南侧附近,小尺度对流泡快速发展、扩大,形成中心区域强度大于60 dBz、东西方向水平尺度大于100 km的β中尺度强对流回波带,对应区域开始出现短时大暴雨。从16:55基本反射率因子和径向速度垂直剖面上可见(图 13de):45 dBz以上强回波范围、高度明显增大,呈垂直塔状,回波质心低于5 km,降水效率高,属热带海洋型降水回波;5 km以下低层北风继续向南运动,秦岭北麓地形抬升加快上升运动发展;10 km以上高层北部冷空气向南侵入,有利于整层位势不稳定层结加强和能量释放,南部局地开始出现短时暴雨天气。17—20时,强对流回波整体东移,中心最大强度维持50~60 dBz,其主体先后经过长安、临潼和蓝田。

总之,“8.3”西安大暴雨过程雷达强回波中心相对分散,未出现类似于飑线、超级单体等强对流系统常见的连续、密实且边缘平滑的强中心区,垂直方向强回波中心区无明显倾斜结构,强对流自毁机制不利于暴雨中尺度系统维持、发展,所以强降水持续时间短。

4 结论与讨论

(1) 此次暴雨过程期间,副高略有减弱东退,关中处于宽广西风槽底部、副高西北侧的西南气流中,低层快速东移南压的冷式切变线与地面冷锋是其主要影响系统。暴雨发生前6 h内,2.0 km以下比湿快速增至20.0 g·kg-1以上,近地层水汽辐合突增为中尺度对流快速发展提供了有利的水汽条件。前期中下层偏南水汽输送和辐合总体不强,地面切变辐合比大陆东部明显偏弱,造成该过程暴雨持续时间短、范围小。

(2) 大暴雨区上空为“上干下湿”层结,逆温层较高,午后对流抑制能量消失、低层大气处于超绝热状态,极有利于不稳定能量积累与释放。地面冷锋后部偏北风遇秦岭北麓地形作用形成初始对流,高层北路冷空气侵入导致不稳定能量增大,二者共同作用触发不稳定能量剧烈释放,形成β中尺度对流系统,产生大暴雨。地面显著正变压和“人”字形切变线有利于中小尺度扰动发展,切变线附近出现了在秦岭南北两侧发展、靠近但未合并的中尺度对流云团。暴雨主要位于对流云团之间TBB梯度大值区,对应3 h显著正变压中心梯度大值区、切变线交汇点南侧附近。“8.3”大暴雨云系偏南,关中以北地区未出现对应高空急流南侧强辐散区的斜压叶状云系,云团范围小,强降水集中。

(3) WARMS中尺度分析表明,低层辐合、高层辐散叠置与中心强度增大有利于此过程上升运动发展和水汽聚集,散度、涡度中心呈前倾结构,比本地区域性暴雨大1个数量级,最大上升速度偏强约1倍,对应暴雨强度大、突发性强。上升运动区呈直立结构,南北跨度小、持续时间短,无区域性暴雨区附近常见的次级环流,降水拖曳作用导致强对流自毁机制明显,暴雨历时短、落区集中。经向风场逐时演变再现了该过程暴雨中尺度系统移动、发展过程。

该过程前期持续性极端高温天气增加了不稳定能量积累,在不稳定层结尤其是低层超绝热状态下,加强多普勒天气雷达资料分析研判,可提前发布秦岭北麓暴雨预警。该过程首先发生在秦岭北麓长安区,暴雨出现前,长安境内尚未发现大范围较明显的回波区,但在邻近的蓝田县、户县和临潼区境内沿山一带局地已出现快速发展、分散孤立的单体,中心像素点反射率超过60 dBz。这些特征可作为今后当地暴雨短临预警的参考指标。另外,突增的强反射率大多紧邻山地杂波,增加了暴雨中小尺度系统发现的难度,这需要在今后的短临预报预警中对其加强监视、仔细辨识。

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