馬曉華，馬 青，劉嘉慧敏，張雅斌

(1.陜西省氣象臺，西安 710014；2.眉縣氣象局，陜西眉縣 722300；3.西安市氣象臺，西安 710016)

2015年8月3日傍晚，西安地區(qū)出現(xiàn)了一次低槽冷鋒型暴雨天氣過程(下簡稱“8·3大暴雨”)，暴雨出現(xiàn)在冷鋒前，具有明顯的中尺度對流性質(zhì)。此類暴雨在陜西較為常見，但預(yù)報難度很大。目前，在暴雨研究[1-3]中普遍認為，暴雨發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景下，由一系統(tǒng)的中小尺度系統(tǒng)引起。王楠等[4]分析了冷渦影響下干侵入的特征及其對短時暴雨發(fā)生、發(fā)展的作用機制，認為干侵入能增大對流云團邊緣亮溫梯度，使對流云團發(fā)展,有利于對流性暴雨發(fā)生。張雅斌[5]認為西安“8·3大暴雨”屬于熱帶海洋型降水，加強雷達資料分析研判，跟蹤山地雜波中孤立的、中心高反射率的中小尺度對流單體，可提前發(fā)布秦嶺北麓暴雨預(yù)警。本文針對此次對流性暴雨特點，利用WRF中尺度模式同化預(yù)報資料，對該過程動力場、熱力場結(jié)構(gòu)、不穩(wěn)定機制及中小尺度系統(tǒng)活動特點進行綜合分析，試圖總結(jié)此類型暴雨預(yù)報著眼點，為提高此類暴雨預(yù)報能力提供參考。

1 降水實況及過程特點

2015年8月3日下午西安市區(qū)及近郊出現(xiàn)了一次強暴雨過程(圖1)(北京時，下同)，其中14時至20時，全市有25個區(qū)縣站累積降雨量≥50 mm，最大降雨量為長安縣引鎮(zhèn)大峪站為142.9 mm，突破建站以來歷史極值。強降水主要集中在16時到20時，其中17時到18時引鎮(zhèn)大峪降雨量為86.3 mm，18—19時臨潼為76.1 mm，19時到20時軍區(qū)療養(yǎng)院等區(qū)域站降雨量達70 mm以上，強降水導(dǎo)致了局地山洪爆發(fā)，7人死亡，市區(qū)出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇。整個降水落區(qū)集中，降水的突發(fā)性及致災(zāi)性強。

圖1 2015-08-03T14—20降水量(單位為mm)

2 數(shù)值模式及資料同化預(yù)報方案

使用西安、延安、寶雞3部C波段新一代多普勒天氣雷達資料進行WRF中尺度模式同化預(yù)報，背景場取自NCEP1°×1°逐6 h再分析資料。WRF模式采用兩重雙向嵌套，中心位于108°E、35°N，分辨率分別為15 km和5 km，垂直方向32層。主要物理參數(shù)化方案包括：YSU邊界層方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面過程方案、WSM6類方案、Kain-Fritsch(new Eta)積云參數(shù)化方案。采用間歇性同化方法進行預(yù)報，過程從當日14：00開始，逐6 min同化雷達資料至16：00，再直接積分10 h。

3 環(huán)流背景

3日08時，500 hPa天氣圖上，從貝加爾湖到內(nèi)蒙古和黑龍江交界處有冷渦發(fā)展，處于冷渦底部的內(nèi)蒙古中部、甘肅東部、四川盆地東北部位于寬廣低槽區(qū)，低槽東移引導(dǎo)低層冷空氣南下。700 hPa上，內(nèi)蒙古中部到隴東地區(qū)有一東北西南向切變線，西安站上空為4 m/s西南風(fēng)。850 hPa上，切變線位于榆林西部到甘肅東部一帶，仍呈東北西南向分布，切變線南側(cè)無明顯低空急流存在。14時，隨著500 hPa高空冷渦底部低槽東移，700 hPa和850 hPa切變線東移南壓位于延安南部、關(guān)中中西部到陜南西部，高層槽線位置與低層切變線位置近乎重合。此時切變線兩側(cè)風(fēng)速明顯增大，低空偏南急流加強，西安偏南風(fēng)風(fēng)速增強至8 m/s。地面圖上(圖2a)，隴東到陜西西部有高壓發(fā)展，關(guān)中盆地東部有中心值為20 ℃的等露點線密集區(qū)(即干線)形成，同時有等溫線密集區(qū)形成，鋒區(qū)位于干線北側(cè)，地面上有明顯偏北風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合區(qū)形成，冷鋒位于地面輻合線附近。17時，低層700 hPa及850 hPa切變線南壓到關(guān)中東部，850 hPa(圖2b)西安地區(qū)相對濕度達90%以上，相對濕度大值區(qū)位于切變線附近，切變線南北兩側(cè)存在有明顯溫差(圖2b)，高的溫度梯度及空氣濕度均有利于強降水發(fā)生。同時由西安雷達風(fēng)廓線圖(圖略)可以看出，從16：43開始西安上空3 km以下轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，冷鋒已進入西安地區(qū)，3 km以上為強西南氣流，地面冷鋒南侵時抬升鋒前偏南暖濕氣流，潮濕的暖空氣在鋒前上升中釋放凝結(jié)潛熱，有利于鋒生和正環(huán)流加強[6]。

圖2 2015-08-03T14地面風(fēng)場、露點(實線，單位為℃)及溫度(a，長虛線，單位為℃)，2015-08-03T17 850 hPa風(fēng)場、濕度場(b，色斑區(qū)，單位為%)及溫度(實線，單位為℃)

可見本次“8·3大暴雨”是由高空槽伴隨低層切變線及地面冷鋒快速南侵，與偏南暖濕氣流在西安一帶劇烈交匯而產(chǎn)生。

4 環(huán)境場分析

4.1 水汽條件

西南風(fēng)急流的強度和位置可以作為暖濕氣流向北輸送和積累的標志。3日08時700 hPa天氣圖上，我國東南沿海為312 dagpm線高壓控制，在高壓外圍有一支12～20 m/s的西南氣流，此時西安位于急流軸左前側(cè)，風(fēng)速為4 m/s，14時急流軸向西北方向移動，西安風(fēng)速增大到8 m/s。17時700 hPa低槽東移，低槽與東南沿海高壓之間氣壓梯度加大，致使西南風(fēng)增大，暴雨就發(fā)生在低空西南急流左前側(cè)，低空急流將南海水汽向西北地區(qū)輸送，同時導(dǎo)致急流左前側(cè)氣旋性渦度增強，有利于暴雨發(fā)生。從整層水汽通量場可以看出，15時開始西安地區(qū)的水汽通量自西向東開始增大，17時水汽通量值達最大(圖3a)，最大值可達9 000 g/(cm·s) ，強的水汽通量為西安地區(qū)短時暴雨提供了充足的水汽，此時低層700 hPa對應(yīng)兩個強的水汽輻合中心(圖3b)，臨潼最大值達-2×10-7g/(cm2·s·hPa)，秦嶺南側(cè)長安區(qū)最大值達-2.5×10-7g/(cm2·s·hPa)，與17—18時西安城區(qū)、長安地區(qū)等暴雨發(fā)生中心相吻合。

圖3 2015-08-03T17整層大氣水汽通量(a色斑區(qū)，單位為g/(cm·s))，2015-08-03T17 700 hPa水汽通量散度(虛線，單位為10-7 g/(cm2·s·hPa))及2015-08-03T17—18降水量(b色斑區(qū)，單位為mm)

4.2 不穩(wěn)定條件和熱力條件

本次暴雨過程具有明顯的強對流性質(zhì)，伴有強雷電和短時強降水。分析不穩(wěn)定條件發(fā)現(xiàn)，在西安上空冷鋒前存在明顯的對流不穩(wěn)定能量集聚和釋放過程。

從西安涇河站3日08時探空圖(圖4)可以看出，大氣溫度濕度層結(jié)呈現(xiàn)典型的上干下濕狀態(tài)，且在低層邊界層內(nèi)存在有利于大氣不穩(wěn)定層結(jié)建立的逆溫層存在，大氣中低層風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有強暖平流輸送，對應(yīng)K指數(shù)、沙氏指數(shù)及對流有效位能分別達39 ℃、-2.47 ℃、566 J/kg，0～6 km垂直風(fēng)切變較小，且暖云厚度達4.0 km，非常有利于高效率降水產(chǎn)生。14時，隨著地面晴空輻射加強及偏南暖濕氣流增強，低層大氣暖濕程度進一步加強，且在高層有明顯的北風(fēng)加大，干冷空氣入侵，對流抑制消失，大氣不穩(wěn)定程度增強，K指數(shù)、沙氏指數(shù)及對流有效位能分別達43 ℃、-2.77 ℃、806.5 J/kg，在午后持續(xù)高溫下，受地面冷鋒入侵，大氣不穩(wěn)定能量劇烈釋放，形成強對流天氣。20時，隨著強對流天氣的結(jié)束，大氣不穩(wěn)定能量完全釋放。

圖4 2015-08-03涇河探空圖(a 08時，b 14時)

3日14時冷鋒前關(guān)中東部地區(qū)700 hPa上空有明顯能量鋒區(qū)存在，θse等值線近似呈南北走向(圖略)，1 000～400 hPa為暖濕層結(jié)，400 hPa以上為相對干冷層，形成對流不穩(wěn)定區(qū)。與08時相比，高低層之間的θse增加了7 ℃，梯度加大，大氣不穩(wěn)定性加劇。16時，西安南部能量繼續(xù)增加，對流不穩(wěn)定層結(jié)仍維持，此時關(guān)中中部冷鋒及θse密集區(qū)也在逐漸東移，向鋒前不穩(wěn)定區(qū)靠近。同時低空偏南急流也明顯增強，兩者共同觸發(fā)了冷鋒前對流不穩(wěn)定能量的釋放，激發(fā)了中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，導(dǎo)致對流性暴雨的發(fā)生。

K指數(shù)的變化可以表征環(huán)境場的熱力條件，是中低層穩(wěn)定度和濕度條件的綜合指標，通常K指數(shù)越大，層結(jié)越不穩(wěn)定，大氣潛在能量越大[7]。17時，暴雨發(fā)生前西安東部地區(qū)K指數(shù)最大值仍維持在42 ℃，值得注意的是在大值區(qū)西側(cè)有K指數(shù)的密集區(qū)存在，K指數(shù)最小值約32 ℃，0.2°緯距達10 ℃變化，該密集區(qū)對應(yīng)地面干線，干線東部大氣層結(jié)高度不穩(wěn)定，干線西側(cè)大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，隨著冷鋒的東移，大氣層結(jié)穩(wěn)定性被快速破壞，致使引鎮(zhèn)大峪突發(fā)暴雨。18—19時K指數(shù)密集區(qū)消失，K指數(shù)大值區(qū)向西安東北部臨潼地區(qū)延伸，其值約36～38 ℃，與該時段對應(yīng)，臨潼出現(xiàn)了短時強降水。

4.3 動力場分析

從垂直速度圖可見，3日16時在西安中部出現(xiàn)了強上升中心，但上升中心與相對濕度場配合較差。17時，在長安地區(qū)和臨潼地區(qū)出現(xiàn)了中心值達3.5 m/s的上升區(qū)，并位于冷鋒前，從17時過長安站(108.91°E，34.15°N)的徑向剖面圖(圖5a)可以看出，冷鋒位于34°N左右，在鋒前34.2°N～34.4°N范圍內(nèi)從地面到高空有一支強烈垂直上升氣流，上升速度在1.0～3.5 m/s之間，上升區(qū)寬度僅有0.2°緯距，較狹窄，大氣中低層雨水含量達5 g/kg,18時地面觀測長安引鎮(zhèn)大峪降水量86.3 mm,充沛的雨水含量及鋒前強上升運動是造成局地暴雨的主要原因。在秦嶺北側(cè)冷鋒后部有一支速度為1 m/s的下沉氣流，下沉支與鋒前上升支構(gòu)成了次級環(huán)流，強降水就發(fā)生在鋒前強上升區(qū)中。

圖5 2015-08-03T17過長安站108.91°E渦度(陰影區(qū)，單位為10-5 s-1)及散度(a，等值線，單位為10-5 s-1)經(jīng)向剖面，垂直速度(w*5)與雨水混合比(b,單位為g/kg)

17時，在西安東北部及南部有明顯增大的輻合區(qū)及正渦度區(qū)出現(xiàn)，輻合強度可達-150×10-5s-1，并與正的渦度大值區(qū)對應(yīng)，渦度值也突增到200×10-5s-1。過西安南部長安(108.91°E，34.15°N)的渦度散度徑向剖面(圖5b)也能看出在鋒面附近的輻合區(qū)和正渦度區(qū)呈現(xiàn)狹窄及強度強特征，未來1 h內(nèi)暴雨區(qū)位于34.2°N～34.4°N范圍內(nèi)正渦度大值區(qū)與強輻合大值區(qū)疊加處。

從動力場分析可見，本次中小尺度對流系統(tǒng)強度強，尺度小，垂直分布結(jié)構(gòu)明顯，鋒面前強上升運動有利于低層暖濕氣流快速向高空輸送水汽，另一方面也是有利于觸發(fā)鋒前不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致對流性暴雨發(fā)生。

5 雷達特征

15時，在西安西部有分散的小尺度對流泡生成，中心最大強度為50 dBz，對流泡東移過程中發(fā)展成一個β尺度對流風(fēng)暴，β尺度對流風(fēng)暴中心由分散的小對流泡組成，中心最大強度為60 dBz，該對流風(fēng)暴沿著秦嶺北麓向東快速移動。17時，β尺度對流風(fēng)暴繼續(xù)發(fā)展(圖6a)，范圍擴大，強度增強，分散的對流泡合并成一個完整的風(fēng)暴中心，且強度達65 dBz以上，過β尺度對流風(fēng)暴回波帶中心109°E做剖面圖(圖6b)可見，35 dBz以上強回波范圍大，且垂直伸展高度高，風(fēng)暴中心約在400 hPa，由于對流環(huán)境的垂直風(fēng)切變相對較小，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)無明顯傾斜結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為塔狀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的回波懸垂特征，這也解釋了為什么接下來長安有短時強降水發(fā)生，沒有伴隨其它的強對流現(xiàn)象。18—19時后強回波帶整體東移，經(jīng)過臨潼，造成臨潼日降水量突破建站以來歷史極值。

圖6 2015-08-03T17最大反射率因子(a,陰影區(qū)，單位為dBz)，過109°E反射率因子剖面(b,單位為dBz)

6 小結(jié)

(1)本次暴雨是冷渦低槽東移配合低層冷式切變線、地面冷鋒東移南壓導(dǎo)致的鋒前對流性暴雨過程。高層槽線與低層切變線位置相對重合，鋒面陡峭，鋒面南側(cè)強的對流不穩(wěn)定層結(jié)，均有利于對流暴雨的發(fā)生發(fā)展。

(2)暴雨開始前由于冷鋒前低層暖濕氣流的增強和白天地面輻射增溫，使得大氣不穩(wěn)定能量增大，冷鋒靠近時秦嶺北麓地形強迫作用，觸發(fā)了鋒前不穩(wěn)定能量釋放。低層水汽輻合區(qū)及K指數(shù)大值區(qū)對短時暴雨落區(qū)有好的指示意義。

(3)鋒面附近輻合區(qū)、正渦度區(qū)及垂直上升運動區(qū)強度異常偏強，但呈現(xiàn)狹窄狀、結(jié)構(gòu)近乎垂直。強輻合上升為對流暴雨發(fā)生提供了有利的動力條件。

(4)雷達回波顯示，在鋒前有β尺度對流風(fēng)暴發(fā)展東移，弱的垂直風(fēng)切變中，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為塔狀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的回波懸垂特征，β尺度對流風(fēng)暴與暴雨雨團對應(yīng)。