馬曉華，馬 青，屈麗瑋，黃少妮，劉菊菊，潘留杰

(1.陜西省氣象臺，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象實驗室，西安 710016；3.眉縣氣象局，陜西眉縣 722300)

陜西地處青藏高原東北側(cè)，受高原大地形、秦巴山區(qū)及黃土高原等地形的影響，該地氣候和天氣異常復(fù)雜，暴雨災(zāi)害是夏季陜西地區(qū)最重要的氣象災(zāi)害之一[1-2]。研究表明，副熱帶高壓、低槽、500 hPa切變線、高原渦、西南渦、中低層低渦切變線、遠(yuǎn)距離臺風(fēng)為西北地區(qū)東部暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的天氣背景[2-10]；但是，受不同尺度天氣系統(tǒng)的作用和陜西復(fù)雜地形的影響，不同暴雨過程中低渦發(fā)展演變過程復(fù)雜多變，隨著加密自動站、高分辨率衛(wèi)星和雷達(dá)等新型觀測資料的應(yīng)用，低渦暴雨過程中低渦及相應(yīng)物理量演變特征等仍需進(jìn)行深入研究。因此，本文以2019 年8 月2—4日的一次低渦影響下的西北地區(qū)東部暴雨過程為例，綜合分析該過程中低渦形成的環(huán)流條件、結(jié)構(gòu)特征以及相應(yīng)物理量特征與低渦暴雨關(guān)系，以期為提高陜西暴雨天氣的預(yù)報水平提供參考。

2019 年 8月 2-4 日，受低渦向東北移動影響，陜西省出現(xiàn)了一次自西南向東北的大范圍強(qiáng)降水天氣過程。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、 陜西區(qū)域自動站觀測資料、多源融合逐小時0.05°×0.05°格點降水資料、 NCEP 1°×1°再分析資料和衛(wèi)星探測資料等，采用常規(guī)診斷分析方法，重點研究低渦引發(fā)暴雨的機(jī)制以及相關(guān)物理量作為暴雨預(yù)報的指示作用。

1 過程概況

受低渦影響，2日08時至4日08時陜西關(guān)中北部、陜北等地出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨，全省區(qū)域站監(jiān)測表明共100個區(qū)(縣)1 767站出現(xiàn)降雨，其中43站累計雨量超過100 mm，最大降雨量為商南余家臺滑坡站為225 mm，289站超過50 mm(圖略)。從24 h格點降水實況分布可見降雨量大值區(qū)與低渦移動路徑基本一致， 2—3日(圖1a) 降雨落區(qū)主要位于甘肅與陜西交界地區(qū)，隨著低渦東北移，3—4日(圖1b) 強(qiáng)降雨移至陜北地區(qū)，24 h累積降雨量超過100 mm。由于此次降雨強(qiáng)度大、時間長以及影響范圍廣等特點，故選取對陜西影響程度比較大的時段來探討低渦不同演變時期產(chǎn)生降水的物理機(jī)制。

圖1 2019-08-02T08—03T08(a)和2019-08-03T08—04T08(b)累計降雨量(單位為mm)

2 高空環(huán)流及低渦特征

2日20時500 hPa天氣圖上，歐亞中高緯度維持兩低一高環(huán)流形勢(圖2a)，貝加爾湖以北地區(qū)為弱脊控制，巴爾喀什湖北部維持一個強(qiáng)大的低壓中心，是這次暴雨過程中冷空氣的源地，低壓底部分裂的短波槽位于巴爾喀什湖以東、貝加爾湖以西，短波槽攜帶冷空氣進(jìn)入河西走廊，在高原東側(cè)堆積。中緯度副熱帶高壓呈帶狀分布，主體位于海上，西脊點位于120°E、34°N附近。在高原東側(cè)有明顯高空槽，陜西處于槽前西南氣流中，高原槽東移，槽前正渦度平流造成低層減壓，有利于低層低渦環(huán)流形成。低緯度地區(qū)2019年第7號臺風(fēng)“韋帕”位于廣西省北海市南部近海，中心附近最大風(fēng)力為9級，向西緩慢移動且逐漸減弱。700 hPa上，甘南地區(qū)有氣旋性環(huán)流形成，其東側(cè)平?jīng)稣撅L(fēng)速較大，偏南風(fēng)達(dá)18 m/s，陜西受312 dagpm線外圍的一致南風(fēng)影響。850 hPa陜西中南部以偏東風(fēng)為主，在偏東風(fēng)的阻擋下， 陜西上游降雨系統(tǒng)移速較慢。3日08時500 hPa高空槽加強(qiáng)，受副高阻擋，高空槽前氣壓梯度增強(qiáng)，偏南風(fēng)明顯增大。受高層正渦度平流影響，700 hPa上氣旋性環(huán)流發(fā)展(圖2b)，已形成低渦，低渦向東北方向移動，中心位于延安西側(cè)。臺風(fēng)“韋帕”外圍東南氣流向西北地區(qū)東部伸展，在低渦冷切變東側(cè)形成了低空急流，西安站風(fēng)速達(dá)18 m/s。急流的建立不僅將北部灣水汽向河套地區(qū)輸送，同時急流左前側(cè)輻合區(qū)有利于低渦加強(qiáng)，也有利于上升運(yùn)動發(fā)展。850 hPa上冷空氣已經(jīng)到達(dá)漢中，加劇了低層空氣的不穩(wěn)定。3日白天高空槽進(jìn)一步緩慢東移且加深發(fā)展，20時500 hPa高空槽前西南氣流明顯增大。受西南氣流引導(dǎo)，700 hPa低渦繼續(xù)向東北方向移動，中心位于橫山一帶。此時850 hPa在陜北榆林地區(qū)有暖切變形成，暖切變走向與700 hPa低渦暖切變走向相垂直?？梢姶藭r低渦發(fā)展深厚，強(qiáng)度最強(qiáng)。隨后的12 h低渦移速加快，迅速移出陜西地區(qū)，4日白天陜北地區(qū)降水也逐漸結(jié)束。

圖2 2019-08-02T20 500 hPa高空圖(等值線為位勢高度，單位為dagpm)及2019-08-02—04低渦中心移動動態(tài)圖(低渦右側(cè)的數(shù)字標(biāo)注為低渦存在的時間，前兩位為日期、后兩位為時次)(a),2019-08-03T08 700 hPa高空圖(等值線為位勢高度，單位為dagpm)(b)

從以上描述和分析可以看出，由于副高位置穩(wěn)定少動，受其阻擋，500 hPa中緯度地區(qū)呈現(xiàn)西低東高的形勢，500 hPa高空槽及700 hPa低渦切變對此次降水形成有重要作用。陜西主要受槽前西南風(fēng)控制，引導(dǎo)低渦向東北方向移動，低渦切變區(qū)容易形成輻合上升運(yùn)動，為暴雨的產(chǎn)生提供了系統(tǒng)性動力抬升條件，強(qiáng)降雨主要發(fā)生在低渦前部東南和西南氣流交匯處。

3 物理量場診斷分析

3.1 水汽條件

水汽是強(qiáng)降水天氣過程的重要條件之一，因此水汽的輸送和輻合區(qū)域集中情況值得關(guān)注。由整層水汽通量及水汽通量散度分布(圖3) 可知，此次降水的主要水汽通道有兩支，2—3日水汽來自廣西北部灣，經(jīng)云貴高原、四川盆地等地將暖濕空氣向陜西北部輸送，與偏北干冷氣流交匯，從而在西北地區(qū)東部產(chǎn)生較強(qiáng)降水，3—4日水汽來自副高外圍偏東南暖濕氣流。

圖3 2019年8月整層大氣水汽通量 (箭頭，單位為g/(m·s)) 及水汽通量散度(陰影區(qū)，單位為g/(m2·s))(a 2日20時，b 3日08時，c 3日20時，d 4日08時)

2日20時(圖3a)，第7號臺風(fēng)“韋帕”位于21.3°N、109.3°E附近，且以每小時5～10 km的速度從廣西沿海向偏西方向移動，其外圍偏東南氣流一直向內(nèi)陸輸送水汽，該偏南水汽通道在陜南關(guān)中地區(qū)形成了中心值達(dá)-5 g/(m2·s)的水汽輻合中心，為西北地區(qū)東部的暴雨過程提供了水汽和能量。水汽通量值大于4 000 g/(m·s)區(qū)域正好對應(yīng)甘肅東部及陜西西部強(qiáng)降水。3日08時臺風(fēng)“韋帕”繼續(xù)西北行(圖3b)，水汽輸送大值中心區(qū)4 000～5 000 g/(m·s)向東北方向移到關(guān)中北部及陜北南部地區(qū)，該地區(qū)處于強(qiáng)的水汽輻合大值區(qū)，整個3 000 g/(m·s)以上區(qū)域與降水落區(qū)對應(yīng)良好，水汽輸送大值中心疊加強(qiáng)輻合區(qū)使黃龍站出現(xiàn)了49.3 mm/6 h的強(qiáng)降水。08—14時水汽輸送帶進(jìn)一步東北上，陜西地區(qū)水汽輸送大值區(qū)中心強(qiáng)度增強(qiáng)到6 000～7 000 g/(m·s)，且一直伴隨著強(qiáng)水汽輻合，延安志丹站出現(xiàn)了58.5 mm/6 h強(qiáng)降水。3日20時副高西伸北抬(圖3c)，臺風(fēng)西行減弱，外圍通往西北地區(qū)東部的水汽通道斷裂，副高外圍東南氣流繼續(xù)向陜西地區(qū)輸送水汽，水汽輸送帶東移到陜西與山西交界處，且伴有水汽輻合，陜北黃河沿線多站6 h降雨量達(dá)35～50 mm。該水汽輸送帶維持到4日02時之后(圖3d)，2 000 g/(m·s)以上的水汽通量通道東移出陜北地區(qū)，全省降水結(jié)束。

因此大氣整層水汽通量及水汽通量散度在本次低渦暴雨預(yù)報中具有一定的意義，水汽通量的突增對應(yīng)降水的增強(qiáng)，水汽通量大值中心疊加強(qiáng)水汽通量輻合區(qū)對應(yīng)強(qiáng)降水落區(qū)。

本次暴雨天氣發(fā)生發(fā)展維持與低渦的生成發(fā)展及移向密切相關(guān)，因此從渦度平流及溫度平流的角度分析低渦移向。

3.2 渦度平流

2日20時(圖4a)，700 hPa低渦位于甘肅東部，在低渦東北部有正渦度平流中心，正渦度平流向東北方向移動，低渦中心東北部氣旋性渦度增加，配合高層的輻散，造成低渦東北部為強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)，低渦中心向東北移動發(fā)展。3日08時(圖4b)，低渦中心移到甘肅、寧夏及陜西三省交界處，在低渦東部、北部存在正渦度平流，最強(qiáng)渦度平流達(dá)70×10-10s-2，引導(dǎo)低渦東移北抬。3日20時700 hPa 低渦位于榆林西部(圖4c)，在陜北存在中心為40×10-10s-2的正渦度平流區(qū)，正渦度平流向東北方向移動， 低渦中心繼續(xù)向東北方向發(fā)展增強(qiáng)。3日夜間到4日(圖4d)，隨著正渦度平流向東北傳播，低渦快速移出陜北地區(qū)。

圖4 2019年8月500 hPa渦度平流(單位為10-10s-2)及700 hPa風(fēng)場(a 2日20時，b 3日08時，c 3日20時，d 4日08時)

3.3 溫度平流

分析溫度平流(圖5，見第6頁)可以發(fā)現(xiàn)，2日20時在低渦東北部有值為9×10-5℃/s的暖平流中心，暖平流可使低壓東北部減壓，低層產(chǎn)生上升運(yùn)動，受中高層西南引導(dǎo)氣流影響，低渦中心向東北方向移動。3日 08時，在低渦東北部存在暖平流中心，受中高層西南氣流引導(dǎo)，低渦繼續(xù)向東北方向移動。3 日 20時，700 hPa 低渦位于榆林西部，在低渦東北部有12×10-5℃/s的強(qiáng)暖平流中心，進(jìn)一步使低渦中心向東北移動。值得注意的是在低渦的西部出現(xiàn)值為-8×10-5℃/s的冷平流中心，這種強(qiáng)烈的冷暖平流導(dǎo)致低渦附近斜壓不穩(wěn)定，低層等壓面下降和較強(qiáng)的輻合抬升，從而低渦除了繼續(xù)向東北方向移動外，還進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)展。4日08時，低渦中心移出陜西榆林地區(qū)。因此對流層低層熱力因子，即溫度平流對低渦的移動有引導(dǎo)作用，并且能使低渦進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)[11]。對比了低渦中心位置與未來12 h降水落區(qū)，發(fā)現(xiàn)未來12 h強(qiáng)降水中心位于低渦東北側(cè)，低渦移過的區(qū)域就是降水區(qū)，可見溫度平流在對低渦移動路徑方面有良好預(yù)報指示作用。

圖5 2019年8月700 hPa溫度平流(等值線，單位為×10-3 ℃/s)、風(fēng)場及未來12 h降雨量(陰影區(qū)，單位為mm)(a 2日20時，b 3日08時，c 3日20時，d 4日08時)(文見第4頁)

3.4 能量及不穩(wěn)定條件

低渦向東北方向移動引發(fā)的榆林及延安北部強(qiáng)降水具有明顯的強(qiáng)對流性質(zhì)。3日08時延安探空圖(圖略)上，700 hPa 以下為東南風(fēng)，以上西南風(fēng)，有暖平流結(jié)構(gòu)，利于低渦環(huán)流發(fā)展，近地面到500 hPa為不穩(wěn)定層。3日白天CAPE值、K指數(shù)由579.5 J/kg、37.2 ℃躍增到1 365.3 J/kg、40.2 ℃，SI指數(shù)由0.01 ℃降為-2.68 ℃(圖6a，見第6頁)，大氣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)， 只要有觸發(fā)機(jī)制，便可觸發(fā)對流。從20時風(fēng)場的變化可以清楚看出，整層大氣均為西南氣流，表明隨著低渦向東北方向移動，延安地區(qū)已處于暖切變的暖區(qū)一側(cè)。3日白天700 hPa假相當(dāng)位溫表明(圖6b，見第6頁)，從四川盆地有高能舌伸向陜西地區(qū)，陜北有明顯能量梯度，能量梯度區(qū)對應(yīng)低渦暖切變區(qū)，表明此處為能量集中區(qū)，大氣層結(jié)極度不穩(wěn)定，為強(qiáng)降水極其有利的條件。

圖6 2019-08-03T20延安探空(a)和700 hPa假相當(dāng)位溫(b，單位為℃)(文見第4頁)

4 濕位渦

濕位渦是一個能綜合反映大氣動力、熱力和水汽性質(zhì)的物理量，廣泛用于暴雨診斷分析中[12]。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，導(dǎo)致強(qiáng)降水發(fā)生。3日08時過低渦中心的濕位渦剖面圖(圖7a，見第7頁)可知，受副高影響，陜西上空被偏南氣流控制，大氣低層呈現(xiàn)出明顯的對流不穩(wěn)定狀態(tài)，在低渦上空700～500 hPa有中心為0.3 PVU(1 PVU=10-6m2·K/(s·kg))正位渦中心，700 hPa以下為負(fù)位渦區(qū)。濕位渦隨高度呈正負(fù)疊加分布，表明冷空氣以高值位渦的形式向下輸送，疊加在低層暖濕空氣上，加快了低層不穩(wěn)定能量的釋放，使對流不穩(wěn)定更加旺盛。3日20時(圖7b，見第7頁)低渦109°E上空，大氣對流不穩(wěn)定性加強(qiáng)，同時在低渦西側(cè)，有明顯冷空氣入侵，700 hPa附近有中心為0.9 PVU正位渦中心，同時在低渦東側(cè)對流層中高層的濕位渦正值向下延伸，氣柱拉伸，低層大氣氣旋性渦度增強(qiáng)，有利于低渦加強(qiáng)、上升運(yùn)動發(fā)展，向高層輸送水汽能量，從而有利于暴雨的發(fā)展。

圖7 過低渦中心濕位渦(等值線，單位為PVU)、假相當(dāng)位溫(陰影，單位為K)及風(fēng)場(風(fēng)桿，單位為m/s)緯向剖面圖(a 2019-08-03T08，b 2019-08-03T20)(文見第5頁)

5 衛(wèi)星云圖

在由FY-2G氣象衛(wèi)星反演得到的TBB時間演變圖(圖8)上，3日08:00，河套地區(qū)為一條逗點型云帶。整個云帶以層狀云為主，云帶中夾雜著中小尺度對流云團(tuán)，結(jié)構(gòu)松散；云帶的TBB值多低于-36 ℃，最低達(dá)-60 ℃；云帶可分成兩塊，北部呈圓形的低渦云系，南部呈帶狀的高空槽云系。 與6 h累積降雨量對比發(fā)現(xiàn)， 3日凌晨強(qiáng)降水主要是由南部的高空槽云系造成，云團(tuán)A云頂亮溫低至-60 ℃，造成了漢中佛坪熊貓谷134 mm/6 h的降水。云團(tuán)B、C經(jīng)過的區(qū)域也出現(xiàn)了20～70 mm/6 h降水，此時陜北地區(qū)降水不強(qiáng)，強(qiáng)度為10～15 mm/6 h。隨后4 h隨著低渦向東北方向移動，高空槽云系中的云團(tuán)A、B、C合并成線狀，北部圓形的低渦云系結(jié)構(gòu)變得密實，中心夾雜著中小尺度對流云團(tuán)，冷云主體對流發(fā)展極盛，tBB≤-52 ℃ 的冷云蓋面積增大，云團(tuán)TBB梯度大值區(qū)雨強(qiáng)約30～70 mm/6 h。16:00南部的云系有所減弱，關(guān)中、陜南地區(qū)的降水也明顯減小，陜北地區(qū)低渦云系在該時段強(qiáng)度維持，且冷云中心緩慢向東北方向移動，云團(tuán)中心移過的區(qū)域均出現(xiàn)了30～60 mm/6 h降雨。20:00北部云團(tuán)和南部線狀云帶有所分離，北部低渦云團(tuán)范圍有所減小，tBB≤-52 ℃ 的冷云蓋面積較之前縮小，強(qiáng)降水局地性更強(qiáng)，低渦冷云蓋中心移過的區(qū)域出現(xiàn)了30～80 mm/6 h降水。20:00之后北部低渦云系中有新生對流云團(tuán)D生成，在之后6 h內(nèi)，云團(tuán)D經(jīng)歷了快速發(fā)展、加強(qiáng)、減弱，造成了榆陽縣巴拉素鎮(zhèn)124 mm/6 h強(qiáng)降雨。4日04:00之后整個降水云系移出陜西，全省降水結(jié)束。

圖8 2019-08-03—04FY-2G紅外云圖TBB演變(單位為℃)

6 小結(jié)

(1)500 hPa低槽緩慢東移，中緯度副熱帶高壓穩(wěn)定維持，這樣的高空形勢有利于北方弱冷空氣與來自副高外圍的偏南氣流在河套地區(qū)相遇，為此次低渦暴雨提供有利條件。

(2)大氣整層水汽通量及水汽通量散度在本次低渦暴雨預(yù)報中具有一定的意義。水汽通量的突增對應(yīng)降水的增強(qiáng)，水汽通量大值中心疊加強(qiáng)水汽輻合區(qū)對應(yīng)強(qiáng)降水落區(qū)。500 hPa正的渦度平流使低渦移動并發(fā)展，對流層低層熱力因子溫度平流對低渦移動路徑方面有良好預(yù)報指示作用，冷暖平流導(dǎo)致低渦進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，渦度平流和溫度平流對本次低渦暴雨的發(fā)展和移動有很好的指導(dǎo)意義，未來12 h強(qiáng)降水落區(qū)移動路徑與低渦中心移動路徑有直接關(guān)系。

(3)對流層上層高位渦向下伸展，分裂的高值擾動可促使中低層氣旋渦度發(fā)展，有利于低渦加強(qiáng)，對流層中低層700 hPa附近上正下負(fù)的分布形態(tài)促進(jìn)了不穩(wěn)定能量的釋放， 有利于低渦暴雨的發(fā)生。

(4)衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為逗點型云帶，整個云帶以層狀云為主，北部橢圓云形與低渦系統(tǒng)對應(yīng)良好，南部線狀云帶對應(yīng)切變線系統(tǒng)。