馬曉華，馬 青，劉嘉慧敏，高 勇，侯建忠，劉慧敏

（1.陜西省氣象臺，陜西 西安710014；2.眉縣氣象局，陜西 寶雞722300；3.中國人民解放軍95994部隊，甘肅 酒泉735006；4.榆林市氣象局，陜西 榆林719399）

陜西位于中國西北地區(qū)、青藏高原東北側(cè)，受盛夏西北太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)（西太副高）與西風(fēng)低槽等系統(tǒng)共同影響處易產(chǎn)生強對流天氣，短時強降水可造成局部嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，是氣象預(yù)報重難點之一。西北地區(qū)以短時強降水為主的大暴雨過程受到國內(nèi)氣象工作者廣泛關(guān)注[1-6]，他們在大暴雨天氣成因、多種資料分析應(yīng)用、預(yù)報方法、時空分布特征及概念模型等方面積累了相應(yīng)的成果和經(jīng)驗。有關(guān)研究表明陜西每一場大暴雨中均可發(fā)現(xiàn)有熱帶環(huán)流系統(tǒng)的作用，重大洪災(zāi)與近海臺風(fēng)活動相關(guān)率達(dá)90%[7]?；旌闲筒环€(wěn)定層結(jié)，中β尺度重力波在水汽充沛條件下，可引發(fā)短時強降水[8-9]。對流層高層高值位渦侵入到低層時，可引起傾斜渦度發(fā)展，導(dǎo)致低層垂直渦度發(fā)生變化，產(chǎn)生對流性強降水，位渦隨時間的變化與降水隨時間的變化幾乎保持一致[10-12]。近年來陜北極端降水頻次增加，暴雨突發(fā)性及夜雨性明顯，2017年7月25日夜間到26日凌晨，陜西榆林市出現(xiàn)了罕見區(qū)域性大暴雨天氣，引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。有學(xué)者認(rèn)為7月25日這次過程在環(huán)流及天氣條件方面與陜北1977年7月5日到6日（“77·5”）特大暴雨相似[13-16]。針對此次過程，各家數(shù)值模式在量級及落區(qū)預(yù)報方面差異較大，短期預(yù)報效果欠佳。本文通過NCEP逐6 h 1°×1°再分析資料、常規(guī)氣象觀測資料、加密觀測等資料從高空環(huán)流形勢、中尺度環(huán)境條件、衛(wèi)星及雷達(dá)特征方面分析榆林區(qū)域性大暴雨成因，以期提高此類災(zāi)害性天氣預(yù)報服務(wù)水平。

1 降水概述

2017年7月25—26日，陜西省榆林市出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨及大暴雨天氣（圖1a）。此次過程全市平均降水量為76.3 mm，過程降雨量為50～100 mm的有44站，占20%，100～250 mm的有30站，占14%，最大降水量在綏德的四十鋪為247.3 mm，其中橫山、米脂、子洲降水量分別為111.1、140.3、218.7 mm，均突破歷史極值。強降水出現(xiàn)在25日夜間到26日凌晨，有明顯夜雨性特征，25日22時及26日02時子洲小時雨強分別達(dá)41、52 mm（圖1b），持續(xù)數(shù)小時強降水使得子洲遭受了多年以來最嚴(yán)重的暴雨洪統(tǒng)由低緯到高緯呈現(xiàn)“低—高—低”的分布。南海有臺風(fēng)活動，中緯度副高呈帶狀分布，584 dagpm線北界位于40°N附近，位置較偏北，588 dagpm控制了陜西關(guān)中、陜南大部分地方，脊線位于32°N，中高緯貝加爾湖東側(cè)到我國東部地區(qū)為低壓槽區(qū)，在內(nèi)蒙古西部到甘肅中部有高空槽，河套處于槽前西南氣流中，無明顯暖平流。700 hPa榆林地區(qū)有偏東風(fēng)與西南風(fēng)形成的切變線，850 hPa榆林地區(qū)無明顯風(fēng)場輻合及高溫高濕區(qū)存在；20時（圖2b）300 hPa高空緯向急流帶風(fēng)速明顯加強且位置南壓，河套以北出現(xiàn)了36 m/s風(fēng)速大值區(qū)，東勝、延安風(fēng)速增大到24、18 m/s，榆林仍處于風(fēng)速強輻散區(qū)中。500 hPa副高繼續(xù)北抬西伸，河套地區(qū)有弱的短波槽，榆林位于副高588 dagpm線東北側(cè)，南海臺風(fēng)“?？ā崩^續(xù)西北行，臺風(fēng)與副高相互作用使得其北側(cè)形成強偏東南氣流，這股東南風(fēng)從海上一直延伸到內(nèi)陸，成為暴雨的主要水汽通道。700hPa312dagpm位置與500hPa 588 dagpm位置基本重合，沿著312 dagpm外圍有澇侵襲。這次強降水范圍廣、強度大、強對流特征明顯，造成榆林市9縣區(qū)39.67萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡12人，供水、供電、供氣、交通、廣電、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重?fù)p毀，人民群眾財產(chǎn)損失嚴(yán)重。

圖1 2017年7月25日08時—26日08時榆林降水量（a）及子洲小時雨量（b）（單位：mm）

2 環(huán)流形勢及演變特征

大范圍強降水必然有異常的環(huán)流形勢，7月25日20時500 hPa（圖2a）熱帶地區(qū)為負(fù)高度場距平區(qū)，表明南海臺風(fēng)活躍，使得副高位置偏北偏西，呈帶狀分布，中心強度異常偏強，同時臺風(fēng)與副高的相互作用，可使它們之間氣壓梯度加大，臺風(fēng)外圍偏東南風(fēng)加強，為西北地區(qū)提供水汽。中緯度巴爾喀什湖為正高度場距平區(qū)，表明此處有阻塞高壓或強的高壓脊存在，脊前可分裂小股弱冷空氣東移南下影響河套地區(qū)，且與河套地區(qū)的高壓之間易形成鋒生。貝加爾湖到我國東北地區(qū)為強的負(fù)高度場距平區(qū)，該處亦可有低值擾動影響河套地區(qū)，整個環(huán)流形勢背景有利于產(chǎn)生大暴雨。

圖2 7月25日20時500 hPa高度場距平場（a）（單位：dagpm）和25日20時300 hPa急流（箭頭，≥20 m/s）、500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）及 700 hPa風(fēng)場（b）（風(fēng)桿，單位：m/s）

7月25日08時300 hPa從新疆西部經(jīng)內(nèi)蒙古到東北地區(qū)有風(fēng)速＞20 m/s東西向急流帶，陜北處于高空急流入口區(qū)右側(cè)，東勝風(fēng)速18 m/s，延安16 m/s，榆林處于兩站之間的風(fēng)速輻散區(qū)。500 hPa亞洲大陸中高緯環(huán)流形勢呈兩槽一脊型，東亞地區(qū)天氣系一支明顯的偏南氣流伸向西北地區(qū)東部，偏南風(fēng)在陜西境內(nèi)達(dá)10～14 m/s，且有暖平流向陜北輸送，榆林處于急流左前側(cè)。850 hPa榆林有偏南風(fēng)與弱的偏北風(fēng)切變，河套地區(qū)有中心強度達(dá)32℃的暖中心，榆林中南部處于ΔT（500-850）≥27℃的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。地面上從東北地區(qū)經(jīng)渤海灣到西北地區(qū)東部有冷高壓，河套到四川盆地有中心強度997.5 hPa熱低壓，熱低壓不斷向東北方向拱起，陜北處在高低壓之間弱鋒區(qū)中，地面暖濕空氣沿著東路弱冷空氣爬升，易產(chǎn)生大暴雨。

本次過程由弱的天氣系統(tǒng)影響產(chǎn)生，預(yù)報難度大，落區(qū)位置特殊。300 hPa急流帶超前暴雨出現(xiàn)，急流的存在與維持使得暴雨區(qū)存在強高空輻散，河套以北37°～41°N緯向急流帶增強南壓，且700 hPa偏南風(fēng)迅速增加北上，兩者相互作用使高層正渦度增大，低層負(fù)渦度變小，上升運動加強，降水強度增強，這與前人的研究結(jié)論一致[7]。

3 成因分析

能產(chǎn)生如此強的區(qū)域性大暴雨，必然有觸發(fā)中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件，下面從水汽、不穩(wěn)定層結(jié)及抬升條件方面重點分析。

3.1 水汽條件

對局地短時大暴雨，持續(xù)不間斷的水汽輸送十分必要，以補充暴雨發(fā)生所造成的大氣柱內(nèi)水汽損耗，通過計算大氣整層水汽通量[17]，以此來分析水汽來源。

25日08時（圖3a），八號臺風(fēng)“?？ā蔽挥谀虾?08.7°E、17.3°N，其外圍水汽沿副高西側(cè)向北輸送，這條偏南路徑的水汽輸送使榆林西部水汽通量最大值達(dá) 4000 g·（cm·s·hPa）-1。14 時隨著臺風(fēng)西北上，偏南路徑水汽輸送增強，整個河套水汽通量值達(dá)4000 g·（cm·s·hPa）-1，榆林西部水汽增大到5000 g·（cm·s·hPa）-1。20 時副高西伸，遠(yuǎn)距離水汽輸送維持（圖3b），同時中緯度有一支偏東氣流將黃海、東海的水汽帶到內(nèi)陸，東路水汽輸送與遠(yuǎn)距離水汽輸送共兩條水汽供應(yīng)集中到西北地區(qū)東部，為暴雨區(qū)提供了充沛的水汽供應(yīng)，榆林地區(qū)水汽通量明顯加強，中心最大值增加到 5000 g·（cm·s·hPa）-1，強降水開始。之后6 h由遠(yuǎn)距離偏南路徑及偏東路徑水汽的持續(xù)輸送使暴雨區(qū)水汽通量最大值達(dá)到8000 g·（cm·s·hPa）-1，降水達(dá)到峰值。26 日 08 時由于“?？ā钡奈饕萍案备叩哪蠅海鞅钡貐^(qū)東部的兩支水汽通道斷裂，本地的水汽通量大值中心發(fā)生東移，榆林地區(qū)強降水結(jié)束。

圖4為大暴雨中心子洲的水汽場，25日20時—26日02時偏南水汽通量明顯加強，大氣低層由前期的輻散轉(zhuǎn)為輻合，中心強度達(dá)-10×10-5g·（cm2·hPa·s）-1，且水汽輻合區(qū)達(dá) 500 hPa，中高層為水汽輻散區(qū)，這種低層輻合高層輻散的大氣水汽結(jié)構(gòu)，造成了子洲罕見大暴雨。

3.2 大氣穩(wěn)定度

3.2.1 探空資料

圖 3 大氣整層水汽通量（單位：g·（cm·s·hPa）-1）

圖 4 子洲水汽通量（風(fēng)桿，單位：g·（cm·s·hPa）-1）及水汽通量散度（單位：10-5g·（cm2·hPa·s）-1）高度—時間演變

選取暴雨區(qū)附近的探空站作為代表站（圖5），25日白天延安地區(qū)晴空無云，隨著晴空輻射加強，且風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有明顯暖平流，大氣聚集了較大對流不穩(wěn)定能量，CAPE值達(dá)2422 J/kg，K指數(shù)為44℃，500 hPa以上為干層，以下濕度較大，上干下濕的分布及較弱的垂直風(fēng)切變均有利于不穩(wěn)定能量的積累和強對流天氣的觸發(fā)。東勝探空呈現(xiàn)出“細(xì)長”結(jié)構(gòu)，溫度曲線和露點曲線接近重合，并一直向上伸展到200 hPa，大氣整層為濕層，水汽條件異常豐沛，且垂直風(fēng)切變小，是典型的短時強降水大氣分布特征。

降水效率可用暖云高度來衡量，根據(jù)抬升凝結(jié)高度及零度層高度可計算暖云層厚度[18]，降水系統(tǒng)中暖云層越厚，越有利于高降水效率的產(chǎn)生，此次強降水過程抬升凝結(jié)高度普遍較低，暖云層厚度東勝約3600 m，延安3500 m，可導(dǎo)致榆林地區(qū)降水效率的迅速提高。

3.2.2 濕位渦

濕位渦同時反映熱力與動力的綜合作用，可進一步分析大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性[19-20]。對流層上層高位渦向下伸展時，分裂的高值擾動促使中低層氣旋渦度發(fā)展，常導(dǎo)致強降水發(fā)生。25日20時陜北上空高層盛行西南氣流（圖6a），低層為偏東南氣流，受副高影響，大氣層處于高溫高濕狀態(tài)。對流層中高層有正值位渦區(qū)，位渦值相對較小，暴雨區(qū)38°N上空有小股弱冷空氣侵入，中心值為0.2 PVU。26日02時陜北上空對流層中高層由西南氣流轉(zhuǎn)為偏西北氣流（圖6b），濕位渦正值區(qū)較上一時刻明顯范圍擴大、強度增強，且在37°N上空出現(xiàn)了“漏斗”狀正值位渦區(qū)，強度0.2 PVU干冷空氣沿著等θse面下滑到650 hPa，補充了前一股弱冷空氣，位于 850 hPa、38°N的弱冷空氣沿著副高外圍繼續(xù)向南侵入100 km，暖濕空氣被迫抬升，高溫高濕區(qū)向高空伸展，θse梯度增大，暴雨區(qū)上空對流不穩(wěn)定性加強，短時強降水也達(dá)到了峰值。在干冷空氣逐步侵入的過程中，暴雨區(qū)上空建立了“上干冷下暖濕”的大氣垂直結(jié)構(gòu)，加強了對流不穩(wěn)定的形成。

圖5 7月25日20時東勝及延安探空T-lnP

圖6 過暴雨中心沿110°E的濕位渦（等值線，單位：PVU）與假相當(dāng)位溫（陰影，單位：K）及風(fēng)場（風(fēng)桿，單位：m/s）經(jīng)向剖面

3.3 總溫度平流

總溫度平流是綜合性物理量，不僅能反映暖濕空氣的活動，而且在一定意義上可以反映地形的影響[21]。暴雨發(fā)生前12 h（圖7a），子洲地面被東路弱冷空氣控制，總溫度平流約-8℃·s-1，900～600 hPa被暖濕空氣包圍，大值中心8℃·s-1位于850 hPa，600～300 hPa被較強冷空氣控制，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定。到了20時（圖7b），隨著偏南風(fēng)的加強，子洲有明顯暖空氣活動，900 hPa以上均為暖平流，且中心最大值突增到20℃·s-1，暖濕空氣沿東路冷空氣爬升，大氣不穩(wěn)定程度加大，為子洲之后暴雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。26日08時子洲上空大氣層幾乎被暖平流控制，東路冷空氣消失，強降水結(jié)束。

3.4 中尺度動力抬升

圖7 25日08時（a）和20時（b）過子洲站總溫度平流緯向剖面圖（單位：℃·s-1）

20時前后地面主要以偏東或東南風(fēng)為主，風(fēng)速較小，無明顯降水，子洲偏南風(fēng)，風(fēng)速3 m/s，清澗東南風(fēng)，風(fēng)速5.7 m/s，無明顯輻合，22時子洲風(fēng)向轉(zhuǎn)偏北風(fēng)，風(fēng)速突增到10.5 m/s，清澗9.2 m/s偏南風(fēng)，出現(xiàn)“對吹”現(xiàn)象，榆林東南部形成了一條約100 km東北西南向地面輻合線，對應(yīng)中小尺度低值系統(tǒng)影響子洲，強降水位于輻合線西北側(cè)，子洲降水量42 mm/h，23時風(fēng)速迅速減小，風(fēng)向以偏東或東北風(fēng)為主，持續(xù)到26日01時，地面再次出現(xiàn)風(fēng)速突增，子洲為6.4 m/s的偏北風(fēng)，米脂為9.5 m/s的偏東風(fēng)，清澗為5.1 m/s的東南風(fēng)，地面輻合線再次出現(xiàn)，影響榆林東南部，子洲出現(xiàn)52 mm/h的降水，01時后風(fēng)速顯著減小，強降水逐步減弱。從子洲逐小時變壓場來看，21—22時有1 hPa正變壓，01—02時有1.6 hPa正變壓，可見在兩次強降水期間地面均有弱冷空氣活動。這也印證了上一節(jié)中低層弱冷空氣沿著副高外圍向南侵入結(jié)論，弱冷空氣強迫暖濕空氣在地面輻合線附近抬升，觸發(fā)中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展，引發(fā)子洲短時強降水。

4 中尺度對流系統(tǒng)演變特征

從云圖分析可見強降水是由中尺度對流系統(tǒng)（MCS）引起（圖8），強降水發(fā)生前，河套地區(qū)有分布零散的α、β、γ中尺度對流系統(tǒng)，東北路弱冷空氣不斷侵入，冷暖氣團交匯，使得大氣層結(jié)很不穩(wěn)定，導(dǎo)致中小尺度系統(tǒng)云團不斷發(fā)展合并，22時前后，β中尺度系統(tǒng)與α中尺度系統(tǒng)合并，此時MCS云團TBB≤-52℃的云團面積已經(jīng)達(dá)到105km2，雨強加大，21—22時子洲最大雨強為41 mm，子洲恰好位于兩云團合并處，之后MCS面積不斷增大，云頂TBB最小值達(dá)-80℃，26日02時前后云團發(fā)展最強，橢圓特征明顯，且邊界光滑，TBB≤-52℃的云團面積達(dá)1.6×105km2，子洲01—02時降水量52 mm，該MCS持續(xù)到04時開始變形衰減，TBB≤-52℃的云團面積減小，強降水也隨著減弱，到了06時對流云團分裂成若干個中小尺度對流云團，隨著云系的減弱東移，降水結(jié)束。

MCS持續(xù)時間長、面積大，對流發(fā)展旺盛是產(chǎn)生強降水的主要原因，子洲第一階段強降水位于云團合并處，第二階段降水位于TBB中心最小值附近。

圖8 FY2G衛(wèi)星TBB產(chǎn)品

25日20時—26日02時，云團處于強發(fā)展期，分別計算了強降水區(qū)平均垂直速度，渦度及散度（圖9），降水發(fā)生時650 hPa以下為弱的反氣旋性渦度，最大氣旋性渦度4.0×10-5s-1位于400 hPa，到了強降水發(fā)生時，中低層均出現(xiàn)了明顯增大的雙峰型氣旋性渦度，分別為800 hPa的6.0×10-5s-1、450 hPa的 2.0×10-5s-1，300 hPa出現(xiàn)異常偏大的反氣旋渦度最大值為-5.0×10-5s-1，對應(yīng)中低層輻合增強，高層輻散加大，整層大氣均為上升氣流，最大上升速度-0.9 Pa·s-1位于550 hPa，“抽吸”作用使降水區(qū)上升運動加強，云團垂直方向發(fā)展異常旺盛。

5 雷達(dá)特征分析

25日20時榆林地區(qū)回波主要呈現(xiàn)帶狀回波A、孤立雷暴單體B及片塊狀回波C，到21：36前后A、B、C分別發(fā)展到強度最強（圖10a），A回波長寬比約為5：1，長軸最長達(dá)250～300 km，中心強度約為50～60 dBz且移速較快，B、C移動較慢，中心強度＞65 dBz，子洲55 dBz回波強度在4.5 km左右，垂直液態(tài)水含量最大達(dá)69 kg/m2，沿各強回波中心附近開始出現(xiàn)12～18 mm/10 min的短時強降水；隨后B、C在東移過程中強度逐漸減弱并與A回波合并成塊狀回波，22：25前后塊狀回波減弱到中心強度45～50 dBz，此時最大降水強度回落至5～7 mm/10 min。

26日00—02時主要降水回波平流方向已由開始的東西走向變?yōu)槲鞅薄獤|南走向，以層狀云混合降水回波為主，在其前部有強度為55～65 dBz的對流回波區(qū)，尤其在子洲、綏德地區(qū)（圖10b紅色矩形框）不斷有多個強回波中心生成發(fā)展，形成“列車效應(yīng)”，強回波首先經(jīng)過子洲，26日00時降水量達(dá)32.8 mm，01時降水量略有減小，02時子洲回波強度達(dá)50 dBz，小時雨量52 mm，03時雨強減弱到19.1 mm，此時強回波東移影響綏德，03—04時綏德小時雨強36.5、32.7 mm。04—06時降水回波南下東移，榆林地區(qū)短時強降水時段結(jié)束。

6 結(jié)論

對 2017年 7月25—26日陜北榆林一次大暴雨進行了診斷分析，主要結(jié)論如下：

圖 9 26 日 02 時過暴雨區(qū)域平均渦度（a）（單位：10-5s-1）、散度（b）（單位：10-5s-1）及垂直速度（c）（單位：Pa/s）剖面

圖10 榆林雷達(dá)組合反射率因子

（1）榆林此次大暴雨過程主要以對流性強降水為主，大暴雨發(fā)生在副高穩(wěn)定少動且位置偏北、偏西環(huán)流背景下，300 hPa 37°～41°N 緯向急流帶增強南壓，700 hPa偏南風(fēng)增加北上為本次暴雨提供了有利背景場，臺風(fēng)外圍偏南氣流與副高外圍偏東南氣流所攜帶的水汽為暴雨區(qū)提供了水汽供應(yīng)。

（2）探空資料表明上干下濕大氣層結(jié)及弱的垂直風(fēng)切變均有利于強降水發(fā)生。大氣高層有0.2 PVU的正值位渦擾動沿假相當(dāng)位溫密集區(qū)下滑補充低層弱冷空氣，低層?xùn)|路冷空氣抬升暖濕空氣，兩者共同作用加強了大氣對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立。伴隨地面兩次輻合線的出現(xiàn)，子洲迎來了最大小時雨強52 mm降水極值。

（3）中小尺度對流系統(tǒng)在東移過程中合并發(fā)展成橢圓形MCS。MCS發(fā)展階段，低層為“雙峰型”氣旋性渦度伴隨中尺度輻合，高層反氣旋型渦度伴隨中尺度輻散的垂直大氣結(jié)構(gòu)，且上升速度明顯，MCS最強時段TBB≤52℃冷云罩面積達(dá)1.6×105km2。子洲第一階段強降水位于云團合并處，第二階段強降水位于MCS云團中心附近。

（4）中心強度＞55 dBz的對流單體造成了子洲第一階段強降水，偏南風(fēng)脈動使得多個中心強度＞55 dBz強回波連續(xù)經(jīng)過子洲、綏德一帶，類似于“列車效應(yīng)”，這是造成子洲第二階段強降水主要原因。