李　博, 張　銘, 鄒瑞森, 華燈鑫

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

陜西暴雨多發(fā)生在陜南與關(guān)中地區(qū)[1-3],比如1998年7月9日陜南丹鳳縣出現(xiàn)的罕見特大暴雨災(zāi)害[1],比如2003年8月～10月“造成關(guān)中渭河流域50年來(lái)最嚴(yán)重洪澇災(zāi)害”的連續(xù)強(qiáng)降雨[2]。近年來(lái),陜西省的強(qiáng)降雨頻次也有逐漸增多的趨勢(shì),如2015年和2017年的強(qiáng)降雨頻發(fā)。由此可見,雖然陜西省位于我國(guó)干旱少雨的西北地區(qū),但這并不意味著此地就不發(fā)生暴雨災(zāi)害。然而,與華北、江淮、華南三大雨帶相比,有關(guān)陜西省的強(qiáng)降雨研究基礎(chǔ)較為薄弱,相關(guān)研究亟待開展。一方面,有效借鑒其它類似雨區(qū)(如與陜西位于相同緯度帶的華北地區(qū))的已有研究成果顯得尤為必要。華北發(fā)生過(guò)多次致洪暴雨災(zāi)害[4-7],丁一匯等[5]統(tǒng)計(jì)了1958—1976年華北暴雨的天氣形勢(shì)特點(diǎn):①暴雨主要發(fā)生在東高西低、兩高對(duì)峙等環(huán)流形勢(shì)下;②低渦、暖切變線、低槽以及冷鋒是暴雨的主要影響系統(tǒng);③特大暴雨多出現(xiàn)在兩個(gè)或兩個(gè)以上天氣系統(tǒng)相互疊加下。另一方面,我國(guó)學(xué)者近年來(lái)總結(jié)出了多類暴雨發(fā)生的物理模型[8-13],在這些模型中,有的側(cè)重于暴雨與低緯季風(fēng)渦的關(guān)聯(lián)[8],有的側(cè)重于暖切變上形成的多個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的作用[9],有的側(cè)重于誘發(fā)暴雨的各種尺度系統(tǒng)及其相互作用[10],有的側(cè)重于中尺度天氣系統(tǒng)的影響[11],有的側(cè)重于中尺度低渦的作用[12],有的側(cè)重于暴雨預(yù)報(bào)指標(biāo)及其閾值的描述[13]。

本文在參考上述研究成果與研究方法的基礎(chǔ)上,擬借助全國(guó)氣象臺(tái)站常規(guī)觀測(cè)資料、西安理工大學(xué)氣象站觀測(cè)資料以及NCEP全球分析資料,對(duì)2015年9月9日～11日西安一次強(qiáng)降雨進(jìn)行綜合診斷研究。旨在通過(guò)這種典型個(gè)例的研究,逐步豐富對(duì)陜西強(qiáng)降雨災(zāi)害的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

圖1　2015年9月8日～11日24小時(shí)雨量分布Fig.1　The 24 hours accumulated precipitation during 8～11 September 2015

1　資料與方法

1.1　綜合診斷方法與研究資料

采用綜合診斷方法研究這次強(qiáng)降雨,該方法在文獻(xiàn)[8]中有詳細(xì)論述,主要是通過(guò)事先對(duì)不同個(gè)例設(shè)計(jì)不同研究方案,進(jìn)而借助不同類別資料分類診斷不同結(jié)構(gòu)特征。依據(jù)綜合診斷技術(shù)路線,結(jié)合此次個(gè)例特征(非對(duì)流性強(qiáng)降雨),本文選取的原始資料包括美國(guó)NCEP(the National Centers for Environmental Prediction)全球分析資料、西安理工大學(xué)氣象站觀測(cè)資料以及全國(guó)氣象臺(tái)站常規(guī)觀測(cè)資料。以這些原始資料為基礎(chǔ),按綜合診斷技術(shù)路線,繼續(xù)通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法獲取二次處理資料,并用于強(qiáng)降雨分析研究中。

1.2　水汽通量散度的數(shù)值計(jì)算

表述大氣水汽狀態(tài)的參數(shù)較多,如露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、比濕、水汽通量散度、混合比、水汽壓、絕對(duì)濕度以及溫度露點(diǎn)差等。其中,水汽通量散度是較為綜合的反映大氣水汽含量及其來(lái)源的參數(shù),其計(jì)算過(guò)程為：

飽和水汽壓:

(1)

飽和比濕:

qs=0.622×es(T)/[p-0.378×es(T)]

(2)

比濕:

q=qs×r/100

(3)

東西方向水汽輸送:

qu=q×u/9.8

(4)

南北方向水汽輸送:

qv=q×v/9.8

(5)

式中,T為溫度;a、b為常數(shù)(a=17.27,b=35.86)；u、v分別指風(fēng)在東西方向與南北方向的水平分量;p為氣壓;r為相對(duì)濕度。最后由式(4)、(5)求取水汽通量散度。

2　強(qiáng)降雨的綜合診斷

我國(guó)雨量等級(jí)以24小時(shí)累計(jì)雨量為依據(jù),劃分標(biāo)準(zhǔn)為:0～10 mm小雨、10～25 mm中雨、25～50 mm大雨、大于50 mm暴雨。對(duì)于內(nèi)陸或干旱地區(qū),相應(yīng)等級(jí)的雨量取值還要再低些。

圖1繪出了陜西省本次降雨24小時(shí)實(shí)況降雨量(單位為mm),圖中黑色小方塊表示西安位置(其余圖與此相同)。強(qiáng)降雨主要發(fā)生在2015年9月9日～12日,涉及陜西、甘肅、四川、山西、河北等省份；強(qiáng)降雨集中影響陜西的時(shí)間為9日～11日。9月8日～9日,四川、甘肅已經(jīng)出現(xiàn)了暴雨,受其影響,陜南、陜北局部開始出現(xiàn)降雨(圖1(a));9月9日～10日,強(qiáng)雨區(qū)整體進(jìn)入陜西,雨帶范圍擴(kuò)大至關(guān)中、陜南以及陜北東部區(qū)域,西安24小時(shí)降雨量達(dá)到了20 mm以上(圖1(b));9月10日～11日,強(qiáng)雨區(qū)繼續(xù)影響陜西大部分地區(qū),西安的降雨仍屬于中到大雨級(jí)別(圖1(c));11日以后,降雨消失(圖略),西安地區(qū)持續(xù)3天的強(qiáng)降雨結(jié)束。

進(jìn)一步分析逐6小時(shí)降雨圖可以看出,強(qiáng)降雨主要集中于9月9日08:00～14:00和9月10日08:00～14:00(全文統(tǒng)一采用北京時(shí)間)兩個(gè)時(shí)段,后文將重點(diǎn)分析這兩個(gè)時(shí)段的降雨。

2.1　溫、壓、風(fēng)、濕的分析

圖2是最強(qiáng)降雨時(shí)期700 hPa位勢(shì)高度(等值線,單位為gpm),圖中深灰色陰影表示海拔大于3000 m的地形(即青藏高原),黑色小方塊表示西安位置。9月10日08:00,西安地區(qū)受低壓系統(tǒng)控制,低壓中心位于外蒙古國(guó)(圖2(a),字母D,位置122°E,56°N)；6小時(shí)以后,此低壓系統(tǒng)發(fā)展為一明顯的高空槽系統(tǒng)(圖2(b),點(diǎn)虛線),槽線南段直逼西安(黑色小方塊)。在這類低值系統(tǒng)控制區(qū)域,低層空氣從周圍流向中心,造成空氣堆積并輻合上升,氣團(tuán)在上升過(guò)程中體積膨脹溫度降低,水蒸汽凝結(jié),易形成云雨。

圖3為850 hPa溫度(單位為K),圖中深灰色陰影表示海拔大于3000 m的地形(即青藏高原)。圖3中,在西安的偏西方向存在暖氣團(tuán),西安位于由暖氣團(tuán)延伸出來(lái)的暖舌(點(diǎn)虛線)的東南側(cè)區(qū)域,而西安東北側(cè)存在冷氣團(tuán)中心(圖3(b),字母L),西安地處高溫與低溫過(guò)渡帶(冷暖空氣交匯區(qū)域)。高溫與低溫的相對(duì)溫差可以加速空氣流動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致冷空氣與暖空氣相遇并形成降雨。

相對(duì)濕度表示濕空氣中所含水蒸汽接近飽和的程度?？諝庠跍囟冉档偷倪^(guò)程中,只要其中的水分未被吸出,則其含水量不變,但空氣的相對(duì)濕度值卻會(huì)增加(反之,溫度升高，其相對(duì)濕度值降低),如果溫度降低到一定程度,就會(huì)使飽和水蒸汽凝結(jié)成水珠,從而產(chǎn)生降雨。圖4為850 hPa相對(duì)濕度,淺色表示相對(duì)濕度90%以上的區(qū)域,深灰色陰影表示海拔大于1500 m的地形(即青藏高原)。由圖4可見,西安處于高濕區(qū)域,相對(duì)濕度達(dá)到90%以上,再結(jié)合圖3的溫度分布可知,此處是冷暖空氣交匯區(qū)域,水蒸氣易凝結(jié)成水珠形成降雨。

圖2　700 hPa位勢(shì)高度Fig.2　The 700 hPa potential height

圖3　850 hPa溫度Fig.3　The 850 hPa temperature

圖5為850 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位為m/s),圖中黑色加粗箭頭表示影響西安的氣流。由圖5(a)可見,西安東北側(cè)區(qū)域有一小股冷空氣向西南方向移動(dòng)(粗箭頭)并侵入西安,冷空氣與南方較暖氣團(tuán)在西安上空交匯,這種冷暖空氣的交匯有利于云層厚度的增加和降雨的產(chǎn)生。由圖5(b)可見,冷氣團(tuán)主體位于蒙古新疆一帶,從中分離出一股較為強(qiáng)勁的冷空氣沿東南路徑侵襲西安(粗箭頭),而此時(shí)西安恰受東南暖風(fēng)(細(xì)箭頭)的影響,冷暖空氣的交匯更為明顯。

圖4　850 hPa相對(duì)濕度Fig.4　The 850 hPa relative humidity

圖5　850 hPa風(fēng)場(chǎng)Fig.5　The 850 hPa wind field

2.2　水汽通量散度的分析

由上一節(jié)分析已經(jīng)知道,形成降雨的必要條件之一是要有足夠多的水分。然而,這些水分是西安局地就有還是靠外圍流入?計(jì)算表明,單靠當(dāng)?shù)匾延械乃?是難以形成強(qiáng)降雨的。因此,必須要有水汽不斷地輸入降雨區(qū)。

此處引入水汽通量散度的概念。該參數(shù)可定量描述水汽輸送源地、方向、大小以及水汽在何處集中[14],其意義是單位時(shí)間、單位體積中水汽的凈流失量,其值為正的地區(qū)表示水汽自該地區(qū)向四周輻散,稱該地區(qū)為水汽源,反之,稱該地區(qū)為水汽匯合。圖6為降雨強(qiáng)盛期的水汽通量(箭頭)及水汽通量散度(虛線等值線)分布,水汽通量散度單位為10-9g·s-1·hPa-1·cm-2,箭頭表示大于0.002 6的水汽通量,單位為g·s-1·hPa-1·cm-1,黑色陰影表示海拔大于3 000 m的地形(即青藏高原)。

由圖6可知,西安地區(qū)(黑色小方塊)水汽通量散度呈負(fù)值分布,代表該地有水汽吸收、有外來(lái)的水汽供應(yīng)。

進(jìn)一步分析圖6可發(fā)現(xiàn),西安地區(qū)水汽主要是來(lái)自于西安的東部,即東海所在區(qū)域(長(zhǎng)虛線箭頭);同時(shí),西安地區(qū)還受東南方向水汽的影響(短虛線箭頭),其東南方向是三峽大壩所在區(qū)域(黑色小圓點(diǎn))。

圖6　2015年9月10日14:00 700 hPa水汽通量和水汽通量散度分布Fig.6　The distribution of 700 hPa water vapor flux and its divergence at 14:00 September 10th 2015

由圖6還可以看出,有來(lái)自西北方向的冷空氣,與上述來(lái)自東部與東南部的暖濕空氣在西安相遇,這恰恰從另一個(gè)角度印證了前文關(guān)于冷暖空氣在西安交匯的分析結(jié)論。

2.3　高低空急流的分析

急流是指大氣中“風(fēng)速?gòu)?qiáng)、寬度窄”的氣流帶,按急流出現(xiàn)的高度不同,可以分為高空急流(ULJ)和低空急流(LLJ),通常將300 hPa或200 hPa層風(fēng)速不低于30 m/s的強(qiáng)風(fēng)區(qū)稱為高空急流;將出現(xiàn)在對(duì)流層中低層,風(fēng)速不低于12 m/s以上的強(qiáng)風(fēng)區(qū)稱為低空急流[15-16]。

圖7為本次強(qiáng)降雨期間的大尺度天氣形勢(shì),圖中填色區(qū)表示200 hPa高空急流,箭矢線表示700 hPa低空急流,等值線代表500 hPa等高線(單位為gpm)。

圖7　2015年9月10日08:00～20:00天氣形勢(shì)Fig.7　The composite synoptic weather pattern from 08:00 to 20:00 September 10th 2015

圖7(a)中,2015年9月10日8:00,西安正北方有強(qiáng)勁的、較大范圍的高空急流帶,最低風(fēng)速達(dá)到50 m/s,中心風(fēng)速突破65 m/s,跨越40個(gè)緯度區(qū)域,急流中心區(qū)域位于西安東北方向,如此強(qiáng)烈的高空急流與低層從西北方向分支出來(lái)的急流相互耦合；6小時(shí)以后(圖7(b)),60～65 m/s的強(qiáng)風(fēng)速中心向西蔓延,而大于65 m/s的中心急流帶位置維持穩(wěn)定,低空急流不僅與50～60 m/s的高空急流帶相互耦合,還與60～65 m/s的高空急流中心有耦合現(xiàn)象;再過(guò)6小時(shí)(圖7(c)),高空急流繼續(xù)向西蔓延,強(qiáng)風(fēng)速中心從之前西安的東北方向發(fā)展到了西安的西北方向,另一方面,從西北方向分支出來(lái)的低空急流范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,與大于65 m/s的高空急流中心發(fā)生耦合,可見,高低空耦合區(qū)域進(jìn)一步增大。諸多研究已表明[4,8,10],高低空急流的耦合可以大大增強(qiáng)空氣的上升運(yùn)動(dòng),有助于降雨的增強(qiáng)。

3　物理模型的建立

根據(jù)上述研究結(jié)果,可以建立此次西安強(qiáng)降雨發(fā)生的物理模型,如圖8所示。

圖8　2015年9月9日～11日西安強(qiáng)降雨物理模型Fig.8　The physical model for a heavy rainfall case occurred during September 9～11th 2015 in Xi’an

本次降雨發(fā)生在高空急流(200 hPa)和低空急流(700 hPa)耦合(點(diǎn)虛線)的有利條件下。西安上空受低值系統(tǒng)影響(500 hPa低壓),特別是在700 hPa存在一明顯的低空槽線(粗點(diǎn)線),這是造成此次強(qiáng)降雨的主要天氣系統(tǒng)。在對(duì)流層中低層(700～850 hPa),由東海區(qū)域(灰色帶箭頭的雙虛線)與三峽區(qū)域(黑色帶箭頭的單虛線)將暖濕空氣輸送至西安,導(dǎo)致西安地區(qū)相對(duì)濕度達(dá)90%以上;同時(shí),北方干冷空氣由700 hPa向下侵入,并沿東南路徑進(jìn)入西安,西安成為冷暖空氣交匯區(qū)。在850 hPa,西安西偏北方向存在一暖舌區(qū)域,東北側(cè)則是較冷中心,中間(即西安所處位置)是冷暖氣團(tuán)的過(guò)渡帶。高低空急流的耦合、槽前各股氣流的輻合,均增強(qiáng)了西安上空氣流的上升運(yùn)動(dòng)。由此,較為充沛的水汽、較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)以及冷暖空氣的交匯帶共同作用形成了此次強(qiáng)降雨。

4　結(jié)　論

借助NCEP全球分析資料、西安理工大學(xué)氣象站觀測(cè)資料以及全國(guó)氣象臺(tái)站常規(guī)觀測(cè)資料,對(duì)西安2015年9月初的一次強(qiáng)降雨過(guò)程開展了綜合診斷研究,得出了幾點(diǎn)結(jié)論。

1) 強(qiáng)降雨的產(chǎn)生是多種有利的氣象要素共同作用的結(jié)果,包含位勢(shì)高度圖中槽線附近的輻合上升氣流、溫度圖中冷暖空氣的交匯、相對(duì)濕度圖中的較大相對(duì)濕度等。

2) 強(qiáng)降雨水汽來(lái)源于兩條輸送通道,主通道為東部沿海,次通道為位于西安東南方位的三峽大壩。需要指出的是,由此個(gè)例分析可見,強(qiáng)降雨期間,西安降雨的部分水汽源自于三峽地區(qū),當(dāng)?shù)厮匚鞅甭窂椒角貛X,并經(jīng)3000 m左右高空輸送至西安上空。

3) 對(duì)急流的分析研究表明,此次個(gè)例存在明顯的急流耦合,即西安高空200 hPa強(qiáng)風(fēng)速帶向西擴(kuò)展,并與低空700 hPa由西北方位的強(qiáng)風(fēng)速帶中分離出來(lái)的急流相互耦合。

4) 本文在上述研究的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了此次強(qiáng)降雨發(fā)生的物理模型。模型對(duì)今后西安地區(qū)類似暴雨災(zāi)害的預(yù)報(bào)具有一定的參考價(jià)值。

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