2015年8月2-3日西安地區(qū)短時暴雨天氣對比分析

2015年8月2-3日西安地區(qū)短時暴雨天氣對比分析

1城市洪水、泥石流、泥石流造成生命財產(chǎn)損失降雨是夏季最重要的災(zāi)害之一。夏季7月至8月的頻繁降雨，尤其是高度分散、易受區(qū)別的特點。雨水很強。由于短期降雨，短期降雨往往會導(dǎo)致城市洪水泛濫，并會導(dǎo)致次生災(zāi)害，如溪流和泥石流，造成巨大的生命和財產(chǎn)損失。因此，暴雨特別是短時暴雨是氣象預(yù)報服務(wù)的重點和難點（中國夏季降水與副熱帶高壓（簡稱副高）的變化密切相關(guān)，副高西北側(cè)是暴雨的頻發(fā)區(qū)，大氣的斜壓性和經(jīng)向環(huán)流對暴雨的產(chǎn)生有重要作用（西安位于秦嶺北麓，地形坡度大，周邊河流峪口眾多，是洪澇災(zāi)害及地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)（2-3日配方特征2015年8月2-3日西安地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)短時暴雨天氣，2日18:00（北京時，下同）-21:00西安城區(qū)及周邊臨潼、高陵、灞橋等地出現(xiàn)了暴雨天氣[圖1(a）]，臨潼3h降雨量達80mm，高陵1h降水量達到47.2mm。3日17:00-20:00西安周邊出現(xiàn)了短時暴雨[圖1(b)],19:00臨潼1h降水量達到76.1mm（表1），同時長安周邊峪口也出現(xiàn)了短時暴雨，長安區(qū)大峪、楊莊17:00-20:00的3h降水量超過100mm，大峪19:00的1h降水量高達87.6mm（表1）。下面利用常規(guī)高空、地面探測資料，衛(wèi)星云圖及西安站的多普勒雷達資料、ECMWF的再分析資料（0.25°×0.25°），對2-3日連續(xù)兩天發(fā)生在西安地區(qū)的短時暴雨成因進行分析，重點對比兩天的對流環(huán)境條件和觸發(fā)機制，為今后此類突發(fā)性、強致災(zāi)的短時暴雨臨近預(yù)報預(yù)警提供參考。文中涉及的地圖是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為[GS(2019)1719號]的中國地圖制作，底圖無修改。3大型域的背景條件3.1副高控制下的天氣形勢2015年8月2日08:00的500hPa高空圖上（圖略），中高緯度在東北地區(qū)有一冷渦，西太平洋副高和青藏高原副高打通，呈帶狀分布，陜西中南部為副高控制，在甘肅南部有短波槽東移，低層700hPa及850hPa上對應(yīng)短波槽的位置在甘肅南部有風(fēng)場的切變線，14:00500hPa上[圖2(a）]陜西中南部仍為副高控制，西安站的位勢高度達到590dagpm，甘肅南部的短波槽東移到關(guān)中西部地區(qū)，短波槽帶來了弱的負變溫。850hPa上[圖2(c）]，在甘肅東部到關(guān)中西部有切變線東移，地面圖上[圖2(e）]，從青藏高原東部到關(guān)中地區(qū)為低壓帶控制，關(guān)中南部平原氣溫達到37～38℃，露點溫度達到22～24℃，說明在副高控制之下，關(guān)中地區(qū)高溫、高濕，關(guān)中西北部有東北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合線，輻合線首先在關(guān)中北部觸發(fā)對流，隨后輻合線東南移動，影響到關(guān)中南部。2日20:00的關(guān)中西部的短波槽東移到陜西東部，帶狀的副高斷裂為兩部分，東部的副高減弱東退，西安站位勢高度降低至586dagpm，低層切變線東移，地面上的輻合線也移動到陜西東南部，因此20:00之后關(guān)中地區(qū)的降水減弱消散。3日14:00500hPa高空圖上[圖2(b）]，西太平洋副高西伸脊點位于110°E，脊線位于28°N左右，高原上有短波槽東移，同時河西地區(qū)也有冷槽東移，在河套到四川東北部合并加深，高空槽前正渦度平流帶來的動力強迫造成低層的上升運動，陜西中南部出現(xiàn)了較大范圍的降水天氣，同時700hPa上對應(yīng)的切變線東移，700hPa切變線前側(cè)從云貴高原到陜西中南部有8～10m·s對比兩天的天氣形勢可以發(fā)現(xiàn)，2日關(guān)中地區(qū)為副高控制，甘肅南部有短波槽東移，冷平流較弱，而3日河套到川東北有較深的低槽存在，關(guān)中地區(qū)位于副高外圍、低槽前部的冷暖空氣交匯區(qū)，由于槽的經(jīng)向度加大，使得槽后冷平流更強，同時中低層切變線前側(cè)的西南暖濕輸送也更強；地面圖上2日關(guān)中為低壓控制，14:00氣溫達到了37～38℃，低壓中的輻合線從關(guān)中西北部東南移動，觸發(fā)了對流，產(chǎn)生短時暴雨，而3日地面上關(guān)中存在明顯的冷鋒，地面氣溫只有29～30℃，較2日有明顯的下降，冷鋒觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，產(chǎn)生暴雨天氣。3.2暴雨區(qū)近地面層雨水散度分布特征分析2015年8月2日及3日14:00、20:00的比濕、水汽通量及其散度垂直分布（圖3）發(fā)現(xiàn)，2日14:00，暴雨區(qū)近地面層到750hPa的比濕達到了12～14g·kg3.3比較熱量和不穩(wěn)定型的差異4觸發(fā)機制的比較分析4.1面云系和對流云團演變特征8月2日14:00的FY-2E紅外衛(wèi)星云圖上（圖5a），圓形對流云團在延安地區(qū)發(fā)展，中心的云頂亮溫在-52℃，16:00（圖略）對流云團進一步發(fā)展并南壓到延安南部，最低云頂亮溫低于-70℃，對應(yīng)在延安南部的黃陵產(chǎn)生了15mm·h3日14:00云圖上[圖5(d）]，關(guān)中北部到甘肅南部有東北-西南走向的帶狀鋒面云系，關(guān)中北部的云頂亮溫在-32℃左右，說明鋒面云系中的對流發(fā)展并不旺盛，17:00（圖略）冷鋒前的西安地區(qū)有團狀對流開始發(fā)展，云頂亮溫開始達到-52℃，造成了17:00-18:00高陵的短時強降水，降雨量達24mm,18:00[圖5(e）]，西安地區(qū)的對流云團進一步發(fā)展，云團面積增大，最低云頂亮溫達到了-70℃，在18:00-19:00，西安地區(qū)的中β尺度對流云團造成了短時強降水，臨潼1h降水量高達76mm，長安區(qū)大峪1h降水量高達87.6mm，暴雨引發(fā)山洪，造成人員傷亡。19:00[圖5(f）]鋒面云系和對流云系合并，云團的面積擴大，最低云頂亮溫有所升高，20:00之后，云頂亮溫進一步升高，鋒面云系的對流性減弱，轉(zhuǎn)為層狀云降水，強降水結(jié)束。通過兩天對流云團發(fā)展演變特征的對比分析，2日主要是對流云團先在延安南部中尺度輻合線附近觸發(fā)，然后主體發(fā)展南壓，并伴隨雷暴出流邊界觸發(fā)西安地區(qū)的對流新生的過程；3日主要是鋒面云系在南壓過程中與暖區(qū)對流云團相結(jié)合，中尺度對流云團進一步發(fā)展并南壓影響西安的對流過程。4.2比較降雨觸發(fā)條件的分析4.2.1中低山地溫度場及氣溫2日14:00（圖略）地面圖上，陜西中北部為低壓控制，延安到甘肅南部有中尺度輻合線，沿著風(fēng)場輻合線有較強的輻合上升運動，散度中心值達到-30×1018:00的地面溫度及變溫[圖6(d）]可以看到，冷中心進一步南壓，關(guān)中北部地區(qū)的氣溫下降到18～22℃，變溫在4～6℃，關(guān)中南部平原地區(qū)的氣溫仍達到32～36℃，等溫線密集帶位于西安北部地區(qū)，風(fēng)場上[圖6(c）]，關(guān)中北部有8～10m·s4.2.2地面風(fēng)場回波分析從前面的地面圖分析發(fā)現(xiàn)，2日的對流主要是暖低壓中的中尺度輻合線觸發(fā)，下面利用鋒生函數(shù)分析近地面層的鋒生、鋒消情況，結(jié)合地面加密資料和雷達進一步分析3日的暴雨的觸發(fā)條件。鋒生函數(shù)計算選取θ式中：F1為水平鋒生；F2為垂直鋒生（F1和F2均未考慮非絕熱加熱對鋒生的作用），F(xiàn)>0代表鋒生，F(xiàn)<0代表鋒消；u、v表示水平風(fēng)速的緯向和經(jīng)向分量；θ8月3日17:00地面圖（圖略）上可以看到冷鋒位于關(guān)中西部地區(qū)，相應(yīng)的雷達回波圖上[圖7(e）]，鋒面雨帶呈西南—東北走向位于關(guān)中西部地區(qū)，強度30～40dBZ，鋒面南壓過程中遇到秦嶺山脈的阻擋及后部冷高壓的影響，在秦嶺北側(cè)沿山地帶由于質(zhì)量堆積使偏西風(fēng)加強，17:00地面風(fēng)場來看（圖略）在秦嶺北側(cè)的寶雞南部到西安南部有12～14m·s17:00-18:00雷達回波移動上看，西安南部的回波由于秦嶺山脈的地形阻擋自西向東沿山移動，移動過程中，在長安南部山區(qū)不斷有中γ尺度的強回波生成，強度達到50dBZ，強回波的不斷生成，加之回波自西向東不斷移過西安，形成列車效應(yīng)，使得強降水維持，從18:00雷達回波的垂直剖面上看（圖略），45dBZ以上的回波集中在近地面層到5km以下的高度上，為低質(zhì)心強降水回波，降水效率高，對應(yīng)17:00-18:00長安區(qū)引鎮(zhèn)1h降水量達到40.3mm。18:00開始，冷鋒東移，鋒后偏西風(fēng)增強，從溫度場分布[圖6(b）]看，西安以西為冷空氣控制，西安東部為28℃的高溫區(qū)，等溫線密集帶位于西安東部，從同時次的鋒生函數(shù)分布[圖7(d）]上可以看到，關(guān)中西部為冷空氣控制，為鋒消區(qū)，而關(guān)中東部為假相當位溫等值線密集區(qū)的鋒生區(qū)，鋒生值達到30×10下面進一步定性分析鋒生造成的垂直運動情況。通過對垂直于鋒面的次級環(huán)流方程（SE方程）進行定量診斷，能夠加深對鋒面次級環(huán)流以及相應(yīng)的對稱不穩(wěn)定等問題的認識（式中：5日天氣尺度系統(tǒng)對比分析(1)2015年8月2-3日西安地區(qū)連續(xù)兩天出現(xiàn)了短時暴雨天氣，分析發(fā)現(xiàn)兩天的對流環(huán)境條件及觸發(fā)機制明顯不同。2日西安地區(qū)為副高控制，甘肅南部有短波槽東移，冷平流較弱，地面上為低壓控制，14:00氣溫達到了37～38℃，低壓中的輻合線從關(guān)中西北部東南移動，觸發(fā)了對流，關(guān)中北部的對流產(chǎn)生雷暴高壓，其出流產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒觸發(fā)西安地區(qū)不穩(wěn)定能量的釋放，產(chǎn)生短時暴雨。3日河套有較深的低槽東移動，關(guān)中地區(qū)位于冷暖空氣交匯區(qū)，槽的經(jīng)向度更大，槽后冷平流更強，地面上陜西中部存在明顯的冷鋒，氣溫較2日有明顯的下降，冷鋒觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生暴雨天氣。(2）對流環(huán)境條件對比顯示：2日天氣尺度系統(tǒng)的強迫較弱，水汽輸送條件、大尺度的動力和熱力條件均稍差，但大氣水汽含量大，能量條件充沛，底層大氣接近超絕熱狀態(tài)，對流極易觸發(fā)。3日為低槽、副高共同影響下冷暖空氣交匯產(chǎn)生的降水，天氣尺度強迫、水汽輻合更強，地面有冷鋒南壓，屬于鋒面降水的形勢，但是能量條件較差，對流抑制更大，近地面層不穩(wěn)定度降低，需要更大的抬升力觸發(fā)對流。(3)3日下午強鋒生區(qū)域與低層冷平流區(qū)域?qū)?yīng)較好，位于近地面層到850hPa，地面到850hPa由于鋒生造成的垂直運動，使得氣塊克服對流抑制而抬升到自由對流高度，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強降水。冷鋒南壓過程中由于秦嶺的阻擋作用，在沿山北麓邊界層形成急流，沿著急流強雷暴單體不斷生成并在向東移動過程中形成列車效應(yīng)，造成山區(qū)的大暴雨。(4）對于低壓暖區(qū)的對流性強降水，在有利的水汽、能量條件下，應(yīng)關(guān)注地面中尺度輻合線的位置及其對對流的觸發(fā)，以及對流觸發(fā)后陣風(fēng)鋒造成的對流傳播；在能量條件較弱，對流抑制大的情況下，應(yīng)關(guān)注較強天氣尺度強迫觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放。熱力不穩(wěn)定條件是強對流發(fā)生發(fā)展的必要條件（蘇東生等，2019），下面對兩天的熱力不穩(wěn)定條件進行對比分析，2日14:00的假相當位溫垂直剖面上[圖4(a）]可以看到，關(guān)中平原為“上低下高”的位勢不穩(wěn)定區(qū)，近地面到850hPa附近為假相當位溫大值區(qū)，達352～356K，表明底層大氣高溫、高濕，溫度平流整層為弱的暖平流，說明在