李曉利，康 磊，劉慧敏，蔣伊蓉，艾 銳

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

榆林暴雨具有強(qiáng)度大、歷時(shí)短、局地性強(qiáng)的特征，暴雨天氣極易引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。目前，國(guó)內(nèi)專家開(kāi)展了許多短時(shí)暴雨方面的研究，王寶鑒等[1]對(duì)甘肅隴東南一次大暴雨的中尺度特征分析，認(rèn)為中尺度對(duì)流系統(tǒng)具有暖云降水特點(diǎn)，質(zhì)心低，降水效率高，且具有明顯的后向傳播和“列車效應(yīng)”特征；黃少妮等[2]對(duì)延安盛夏一次局地暴雨中尺度特征分析，認(rèn)為中低層切變線與地面輻合線的重疊非常有利于邊界層暖濕空氣輻合抬升,激發(fā)對(duì)流單體的發(fā)生發(fā)展；支樹(shù)林等[3]對(duì)南昌地區(qū)一次夜間發(fā)展起來(lái)的大暴雨的中尺度對(duì)流條件及特征分析，認(rèn)為邊界層內(nèi)偏東氣流和風(fēng)輻合加劇降水回波的發(fā)展，“列車效應(yīng)”導(dǎo)致強(qiáng)降水持續(xù)；金琪等[4]認(rèn)為“080527湖北老河口短時(shí)暴雨”的成因與干線、500 hPa冷溫度槽、冷切尾部輻合區(qū)和中低層濕區(qū)及地面風(fēng)場(chǎng)輻合線等中尺度天氣系統(tǒng)的活動(dòng)密切相關(guān)；趙強(qiáng)等[5]認(rèn)為陜北區(qū)域性暴雨易發(fā)于能量鋒區(qū)附近,對(duì)流層中低層鋒生有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)；周長(zhǎng)春等[6]分析“7·3”成都短時(shí)強(qiáng)降水可預(yù)報(bào)性和地面中尺度特征，認(rèn)為地面加密自動(dòng)站觀測(cè)的風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)對(duì)強(qiáng)降水的落區(qū)及移動(dòng)具有指示意義；劉慧敏等[7]分析了陜北對(duì)流性特大暴雨的中尺度特征，認(rèn)為中尺度對(duì)流系統(tǒng)后向傳播、合并增強(qiáng)形成深厚的濕對(duì)流風(fēng)暴,可產(chǎn)生強(qiáng)降水；張雅斌等[8]認(rèn)為 “0812”關(guān)中盛夏突發(fā)性暴雨有利的動(dòng)力、觸發(fā)條件是近地層顯著東南風(fēng)、不穩(wěn)定擾動(dòng)增大及地面切變線。

2017年7月23日榆林城區(qū)出現(xiàn)短時(shí)突發(fā)性暴雨，雨強(qiáng)大，持續(xù)時(shí)間短，引發(fā)嚴(yán)重城市內(nèi)澇。針對(duì)此次暴雨過(guò)程，利用 NCEP1°×1° 再分析資料、FY-2G衛(wèi)星云圖和本地加密觀測(cè)資料及榆林多普勒雷達(dá)資料，分析本次暴雨過(guò)程的中尺度特征及成因，以期提升此類災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)水平。

1 過(guò)程概述

2017年7月23日14—23時(shí)，榆林市自西向東出現(xiàn)短時(shí)雷暴和強(qiáng)降水天氣，降水分布極不均勻。強(qiáng)降水集中在16—19時(shí)，強(qiáng)降水中心位于榆陽(yáng)區(qū)。16—17時(shí)榆陽(yáng)區(qū)中心廣場(chǎng)雨量達(dá)64.8 mm，榆林市國(guó)家氣象觀測(cè)站為57.9 mm；榆陽(yáng)區(qū)中心廣場(chǎng)站3 h降雨量為76.2 mm。

對(duì)暴雨監(jiān)測(cè)站分鐘雨量(圖1)進(jìn)行分析，榆林市區(qū)的強(qiáng)降水集中在16：22—17：21，平均雨強(qiáng)大于1 mm/min, 最大雨強(qiáng)在市區(qū)中心廣場(chǎng)站，為5.5 mm/min，出現(xiàn)在 16：46。雨強(qiáng)出現(xiàn)多個(gè)峰值。

圖1 榆林2017-07-23T16:01—18:10監(jiān)測(cè)站分鐘雨強(qiáng)分布

2 成因分析

2.1 環(huán)流背景

降水前期大陸高壓和副熱帶高壓系統(tǒng)持續(xù)偏北，7月7—14日，榆林市持續(xù)8 d出現(xiàn)35.0 ℃以上的高溫天氣。15—23日為連續(xù)次高溫天氣，最高氣溫為32～36 ℃。持續(xù)的高溫天氣為后期暴雨天氣提供了較好的能量條件。

7月23日08時(shí)，200 hPa天氣圖(圖略)上南亞高壓強(qiáng)盛，控制40°N度以南的大陸地區(qū)，鋒區(qū)位于40°N～50°N，中高緯為西風(fēng)氣流。500 hPa副熱帶高壓強(qiáng)盛，588 dagpm線西脊點(diǎn)西伸北抬至95°E，40°N。西風(fēng)槽位于蒙古國(guó)至我國(guó)甘肅西部，河套上游有弱冷空氣東移，榆林位于副熱帶高壓邊緣的西南氣流中，西南氣流強(qiáng)盛，東勝站風(fēng)速達(dá)14 m/s，濕度較小。700 hPa風(fēng)切變線位于河套北部至甘肅南部，甘南—延安—榆林一線西南風(fēng)速為4～10 m/s。850 hPa 風(fēng)切變線位于河套地區(qū)，經(jīng)過(guò)榆林呈東北西南向。對(duì)榆林附近高低空環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行尺度分析可見(jiàn)，500 hPa以上濕度較小，為干層，有多個(gè)溫度槽活動(dòng)；700～850 hPa為暖濕氣流，榆林附近伴有西北風(fēng)與西南風(fēng)風(fēng)向切變線；700～500 hPa河套附近有顯著的偏南風(fēng)氣流。上干下濕的垂直環(huán)流配置有利于對(duì)流性天氣發(fā)生發(fā)展。

2.2 水汽條件

23日08時(shí)水汽通量和水汽通量散度場(chǎng)(圖2)上，榆林附近低層有強(qiáng)水汽輻合，輻合中心在800 hPa以下，中心為-8×10-7g/(cm2·hPa ·s)。

圖2 2017-07-23水汽通量(等值線，單位為g/(cm·hPa·s))與水汽通量散度(陰影，單位為10-7 g/(cm2·hPa·s)沿109°E垂直剖面圖(a 08時(shí)；b 14時(shí))

強(qiáng)輻合區(qū)范圍小于50 km，中高層為弱輻散。38°N榆林附近700 hPa以下為水汽通量大值區(qū)，達(dá)8～12 g/(cm·hPa·s)，水汽輻合區(qū)與水汽通量大值區(qū)相疊置，水汽分布隨高度向北傾斜。河套附近水汽主要來(lái)自700～850 hPa副高外圍西南暖濕氣流輸送，中低層水汽是此次短時(shí)暴雨的主要水汽來(lái)源。14時(shí)伴隨對(duì)流天氣的出現(xiàn)，榆林周圍水汽通量略有減??；水汽通量散度大值區(qū)主要集中在700 hPa，水汽輻合區(qū)北移至40°N，強(qiáng)度較之前明顯減弱。分析比濕場(chǎng)(圖略)，中低層水汽充足，主要集中在700 hPa以下，850 hPa比濕為16～18 g/kg。中低層充足的水汽為短時(shí)暴雨提供了有利的水汽條件。

2.3 不穩(wěn)定條件

23日08時(shí)，K指數(shù)場(chǎng)上榆林附近為高能區(qū)，其西北側(cè)有低值槽，溫差較大，在河套西北部形成能量鋒。榆林K指數(shù)為40 ℃，沙氏指數(shù)為-2 ℃，有一定的對(duì)流有效位能存在。

榆林附近的東勝站探空?qǐng)D(圖略)顯示，23日08時(shí)，等飽合比濕線(qs)與干絕熱線(θ)和濕絕熱線(θse)形成窄喇叭口狀；600～850 hPa為濕層，600 hPa以上為干層，不穩(wěn)定層較厚在850～500 hPa，不穩(wěn)定面積較??；0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?6 m/s，屬于中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變，有利于對(duì)流天氣的發(fā)展。利用榆林14時(shí)氣溫(32 ℃)對(duì)探空?qǐng)D進(jìn)行訂正，對(duì)流有效位能面積明顯增大，非常有利于對(duì)流天氣的產(chǎn)生。

從23日08時(shí)假相當(dāng)位溫垂直剖面(圖3a)圖可知，榆林上空850 hPa為假相當(dāng)位溫大值中心，達(dá)92 ℃，高能舌隨高度向北伸展；河套西北側(cè)40°N以北700 hPa以下為假相當(dāng)位溫低值區(qū)，說(shuō)明中低層西北側(cè)有干冷空氣南壓，能量鋒區(qū)位于40°N附近。分析垂直位溫差可以看出，500 hPa以上假相當(dāng)位溫隨高度增大而增大，為較穩(wěn)定層結(jié)；500～850 hPa假相當(dāng)位溫隨高度增大顯著減小，為對(duì)流不穩(wěn)定性層結(jié)。14時(shí)(圖3b)，700 hPa以下假相當(dāng)位溫差梯度明顯增大，同時(shí)能量鋒區(qū)南壓至39°N附近，冷空氣已進(jìn)入榆林境內(nèi)。

圖3 2017-07-23沿109°E假相當(dāng)位溫垂直剖面圖(單位為℃；a 08時(shí)，b 14時(shí))

2.4 動(dòng)力抬升及觸發(fā)機(jī)制

23日08時(shí)散度場(chǎng)上，榆林上空700～500 hPa為輻合區(qū)，500 hPa以上有明顯的輻散。強(qiáng)輻合位于700 hPa，為(-0.6～-1.0)×10-5s-1。渦度場(chǎng)上，850～700 hPa為正渦度，有利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展；500 hPa為負(fù)渦度區(qū)，不利于對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展。本次強(qiáng)降水是由中小尺度系統(tǒng)所造成的?？梢?jiàn)，中小尺度系統(tǒng)仍能沖破大尺度的不利條件產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流暴雨天氣。

23日08時(shí)地面圖上(圖略)，榆林位于低壓頂部，其后側(cè)河套西部有高壓系統(tǒng)南壓，河套附近生成一輻合區(qū)。11時(shí)，輻合線明顯南壓至榆林中部，并在其附近維持。輻合線呈東西向，其北側(cè)為西北風(fēng)，南側(cè)為西南風(fēng)。同時(shí)08時(shí)河套西北部榆林長(zhǎng)城沿線附近可分析出明顯的東北西南向的干線，17時(shí)干線南壓至榆林北部，強(qiáng)降水出現(xiàn)在干線附近偏南側(cè)(圖4)，可見(jiàn)干線觸發(fā)了不穩(wěn)定能量產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖4 2017-07-23地面輻合線、干線演變(地面輻合線、干線)

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征

3.1 雷達(dá)回波特征

榆林多普勒雷達(dá)圖(圖5，圖見(jiàn)第5頁(yè))上，23日13：00組合反射率因子(圖略)顯示榆林境內(nèi)對(duì)流云發(fā)展迅速。15：24多個(gè)中γ尺度對(duì)流單體從西南向東北方向發(fā)展加強(qiáng)形成一條颮線，颮線附近不斷有新的對(duì)流雨團(tuán)生成合并，最大回波強(qiáng)度達(dá)50 dBz以上。15：36對(duì)流單體結(jié)構(gòu)密實(shí)，強(qiáng)度達(dá)50～60 dBz，與之相應(yīng)靖邊縣紅墩界、橫山縣雷龍灣過(guò)去15 min雨量達(dá)20 mm以上，降水回波向榆林城區(qū)方向逼近。16：13颮線移入榆林城區(qū)，多個(gè)對(duì)流單體合并形成中β尺度的對(duì)流雨團(tuán)，颮線回波西北側(cè)低層出現(xiàn)明顯的出流邊界，可見(jiàn)有強(qiáng)下沉氣流。 16：25強(qiáng)降水回波經(jīng)雷達(dá)站時(shí)出現(xiàn)信號(hào)衰減，但出流邊界仍維持在強(qiáng)回波附近。17：02回波強(qiáng)度明顯減弱，出流邊界開(kāi)始遠(yuǎn)離對(duì)流母體，颮線特征消失，強(qiáng)降水趨于減弱。17：20對(duì)流雨團(tuán)結(jié)構(gòu)變得疏散，回波趨于消散。

徑向速度圖上，強(qiáng)降水時(shí)段在0.5°、1.5°、2.4°、3.4°仰角均可見(jiàn)多個(gè)中尺度輻合存在。強(qiáng)降水開(kāi)始前風(fēng)速突增，速度場(chǎng)出現(xiàn)速度模糊。16：01高空9.2 km處東南風(fēng)最大達(dá)25 m/s，16：38(圖6，圖見(jiàn)第5頁(yè))高空7.5 km處偏南風(fēng)達(dá)30 m/s，此時(shí)輻合達(dá)到最強(qiáng)，強(qiáng)輻合上升至9 km以上， 可見(jiàn)此時(shí)對(duì)流系統(tǒng)已發(fā)展為深厚的系統(tǒng)。強(qiáng)輻合在17：02后趨于減弱，18：03中尺度輻合完全消失。

3.2 雷達(dá)降水量估測(cè)對(duì)比

雷達(dá)1 h降水估測(cè)產(chǎn)品是固定Z-I關(guān)系下降水量的反演(簡(jiǎn)稱“固定估測(cè)產(chǎn)品”)。分級(jí)估測(cè)降水產(chǎn)品是利用基于最小二乘法的判別函數(shù)，將榆林多普勒雷達(dá)5～55 dBz的反射率因子以10 dBz為間隔分為5個(gè)等級(jí)，55 dBz以上按照55 dBz計(jì)算。對(duì)于各等級(jí)回波強(qiáng)度，分別進(jìn)行一次最優(yōu)Z-I關(guān)系判別，得到最終的分級(jí)最優(yōu)Z-I關(guān)系。通過(guò)最優(yōu)Z-I關(guān)系判別，形成榆林雷達(dá)反演1 h降水量估測(cè)產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱“分級(jí)估測(cè)產(chǎn)品”)。

對(duì)比分析分級(jí)估測(cè)產(chǎn)品與實(shí)況雨量，16:00(圖7a1，圖見(jiàn)第6頁(yè))分級(jí)估測(cè)產(chǎn)品小時(shí)最大估測(cè)雨量值為40 mm，強(qiáng)降水落區(qū)及估測(cè)雨量與實(shí)況基本一致。17:00(圖7a2)估測(cè)強(qiáng)降水中心與實(shí)況一致；估測(cè)小時(shí)最大降水量為15 mm,實(shí)況雨量為60 mm,估測(cè)值偏小，誤差較大。固定估測(cè)產(chǎn)品對(duì)16:00(圖7b1)小時(shí)最大雨量估測(cè)值為60 mm；強(qiáng)降水落區(qū)與實(shí)況一致，但降水量級(jí)明顯偏大。17:00(圖7b2)估測(cè)降水落區(qū)與實(shí)況一致，估測(cè)小時(shí)最大降水量為25 mm,較實(shí)況明顯偏小。

通過(guò)上述內(nèi)容分析，17:00由于降水系統(tǒng)位于雷達(dá)上空，造成信號(hào)衰減，兩種估測(cè)產(chǎn)品的估測(cè)值均存在較大誤差，沒(méi)有反應(yīng)出強(qiáng)降水。16:00分級(jí)估測(cè)產(chǎn)品對(duì)實(shí)況降水有較好的反應(yīng)；但固定估測(cè)產(chǎn)品估測(cè)降水偏大，存在較大誤差。可見(jiàn)，分級(jí)估測(cè)產(chǎn)品能更好地反應(yīng)中尺度對(duì)流性降水，對(duì)預(yù)報(bào)員判別短時(shí)強(qiáng)降水具有指示性。

3.3 中尺度對(duì)流云團(tuán)特征

FY-2G衛(wèi)星云圖(圖8，圖見(jiàn)第6頁(yè))上，23日13:00左右榆林中部有對(duì)流云團(tuán)生成，隨后該云團(tuán)迅速發(fā)展，范圍快速擴(kuò)大，形成中β尺度對(duì)流云團(tuán)，影響榆林城區(qū)附近大約100 km范圍，其內(nèi)部伴有多個(gè)γ尺度對(duì)流云團(tuán)。15：30后對(duì)流云團(tuán)tBB突然增大，tBB<-60 ℃，子洲馬岔鎮(zhèn)15—16時(shí)降水量達(dá)36 mm。16：30強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)移入榆林城區(qū)，tBB降至-71 ℃，榆林城區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，最大降水出現(xiàn)在中心廣場(chǎng)為64.8 mm。17：30云團(tuán)結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，伴有tBB<-73 ℃的強(qiáng)冷云核中心；18：30開(kāi)始對(duì)流云團(tuán)逐漸變疏散，移出城區(qū)。強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)在榆林境內(nèi)維持了大約9 h。tBB<-60 ℃區(qū)域與短時(shí)暴雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 2017-07-23榆林多普勒雷達(dá)組合反射率因子(圖中白色線條為出流邊界，文見(jiàn)第4頁(yè)3.1)

圖6 2017-07-23T16:38榆林多普勒雷達(dá)徑向速度圖(文見(jiàn)第4頁(yè)3.1)

4 結(jié)論

(1)此次強(qiáng)降水是由中β尺度對(duì)流雨團(tuán)內(nèi)部的多個(gè)γ尺度強(qiáng)對(duì)流雨團(tuán)所造成，表現(xiàn)為分鐘雨強(qiáng)大，持續(xù)時(shí)間短。tBB<-60 ℃區(qū)域與短時(shí)暴雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)降水前期副高強(qiáng)盛，位置偏北，榆林市出現(xiàn)持續(xù)8 d高溫高濕天氣，多站日最高氣溫達(dá)40 ℃以上，西太平洋副熱帶高壓控制下的高溫高濕天氣為暴雨天氣儲(chǔ)備了水汽和能量。0～6 km中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變、對(duì)流不穩(wěn)定能量和中低層強(qiáng)輻合為短時(shí)暴雨的產(chǎn)生提供有利的環(huán)境場(chǎng)。

(3)副高外圍中低層西南暖濕氣流帶來(lái)了水汽和不穩(wěn)定能量。地面圖上干線觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流天氣。強(qiáng)降水出現(xiàn)在干線附近偏南側(cè)。

(4)暴雨時(shí)段，雷達(dá)圖上有多個(gè)中γ尺度對(duì)流單體形成一條颮線,自西南向東北方向生成發(fā)展，合并為強(qiáng)度達(dá)50 dBz以上的中β尺度強(qiáng)對(duì)流雨團(tuán)，并伴有強(qiáng)的下沉氣流。徑向速度圖上，強(qiáng)降水時(shí)多個(gè)仰角均伴有中尺度輻合維持，強(qiáng)輻合上升至9 km以上。

圖7 2017-07-23分級(jí)最優(yōu)Z-I關(guān)系反演1 h降水量(a1 16：00；a2 17：00) 、雷達(dá)固定Z-I關(guān)系反演1 h降水量(b1 16：00；b2 17：00)和小時(shí)降水實(shí)況(c1 16：00；c2 17：00)(單位為mm；文見(jiàn)第4頁(yè)3.2)

(5)分級(jí)最優(yōu)Z-I反演降水估測(cè)產(chǎn)品能更好地反應(yīng)中尺度對(duì)流性降水的量級(jí)，對(duì)預(yù)報(bào)員判別短時(shí)強(qiáng)降水具有指示作用。