劉 帆，高 萌，謝逸雯，王瑾婷，王 英

（咸陽市氣象局，陜西 咸陽712000）

暴雨的發(fā)生多數(shù)是中小尺度系統(tǒng)直接造成的。陜西位于我國內(nèi)陸腹地，是我國冷暖空氣的交匯地，也是我國暴雨多發(fā)地區(qū)之一。而陜西突發(fā)性暴雨由于其歷時短、強度大、面積小的特點，給人民生產(chǎn)和生活帶來嚴重的影響，造成的洪澇災(zāi)害也相當(dāng)嚴重。

國內(nèi)外很多研究發(fā)現(xiàn)中小尺度系統(tǒng)是短時暴雨發(fā)生的主要原因[1-4]，也有學(xué)者認為對流不穩(wěn)定和對稱不穩(wěn)定（即混合型不穩(wěn)定），配合低層充足的水汽條件，也可能會引發(fā)強降水[5-14]。近年來，許多陜西氣象工作者研究發(fā)現(xiàn)，造成陜西夏季短時局地強降水的條件是有利于觸發(fā)中小尺度系統(tǒng)發(fā)生及其發(fā)展[4]，而秋季連陰雨過程中也多出現(xiàn)暴雨，主要是受西風(fēng)帶短波槽及西南渦東移與西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的東南暖濕氣流交匯產(chǎn)生[15，16]。

隨著多普勒雷達在中尺度對流系統(tǒng)監(jiān)測方面的發(fā)展，許多學(xué)者對暴雨的雷達回波形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其在強對流預(yù)報中的應(yīng)用等方面做了大量研究。國外學(xué)者很早就發(fā)現(xiàn)30 dBz雷達回波達到-20℃高度層之后5分鐘將會發(fā)生閃電放電過程[17]，在-10℃高度，連續(xù)2個雷達體掃的反射率都達到40 dBz對雷電預(yù)報有很好的指示意義[18]。王福俠等[19]發(fā)現(xiàn)β中尺度輻合線、β中尺度輻合、γ中尺度輻合、高空急流和深厚持久的低空急流是河北中南部暴雨的主要雷達徑向速度特征。徐雙柱等[20]認為≥45 dBz的強回波區(qū)或回波帶與強降水區(qū)對應(yīng)。紀曉玲等[21]發(fā)現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)與強降水的發(fā)生有很好的對應(yīng)關(guān)系，且逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的時間相對強降水發(fā)生提前了20~30 min。但是，對于西北地區(qū)夏季短時暴雨的雷達回波特征分析研究不多。

2016年7月18日陜西省關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了短時暴雨，并伴有強烈的雷電天氣，暴雨范圍大，莊稼被毀、城市內(nèi)澇，對關(guān)中地區(qū)造成嚴重的經(jīng)濟損失。本文利用西安的多普勒雷達探測的回波資料，對此次暴雨的成因和雷達回波特征進行了詳細分析，旨在尋找關(guān)中地區(qū)暴雨易發(fā)的雷達回波特征指標，提高短時暴雨預(yù)報、監(jiān)測能力，并為人工影響天氣提供可靠依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域為陜西省關(guān)中平原地區(qū)，位于106°18′～110°38′E，33°35′～35°52′N；平均海拔 520 m，介于陜北高原與秦巴山脈之間，包括寶雞、咸陽、西安、銅川、渭南等5個市及楊凌示范區(qū)；屬于大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.0～13.6℃，干濕季節(jié)分明，雨熱同季，多年平均降水量在550～700 mm，年降水的地理分布有顯著差異，西部降水多于東部，北部多于南部。

陜西關(guān)中盆地處于少暴雨區(qū)，且區(qū)域性暴雨發(fā)生概率較低；關(guān)中暴雨大多表現(xiàn)為夜雨型，常發(fā)生在7月到9月上旬；關(guān)中暴雨的主要特點為：歷時短、強度大、面積小。

1.2 資料來源

本文所采用的氣象資料為研究區(qū)域內(nèi)46個自動氣象站（圖1）逐時、逐十分鐘降水量、溫度、氣壓、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，雷達資料為西安新一代多普勒天氣雷達CINRAD/SA雷達產(chǎn)品，包括 5 個仰角（分別為 0.5°、1.5°、2.4°和 3.4°）的基本反射率因子、對應(yīng)各層徑向速度、回波頂高和垂直累積液態(tài)水含量等。

2 天氣概況

2.1 空間分布

7月18日08時—19日08時關(guān)中地區(qū)累積降水見圖1，可以看出，除關(guān)中東南部為中雨外，其余地區(qū)均達到大雨量級，其中19站出現(xiàn)了暴雨。西南部和東北部有兩處強降水帶，中心雨量在80 mm以上，分別位于岐山（80.7 mm）和澄城（91.5 mm）。此次降水范圍大，降水相對分散，西南部地區(qū)降水持續(xù)時間長、強度變化大、小時雨強大；中部地區(qū)降水持續(xù)時間長、強度變化小、小時雨強??；而東部降水則表現(xiàn)為持續(xù)時間短、強度變化大，短時雨強大等強對流降水特點。

圖1 關(guān)中地區(qū)區(qū)域自動站和18日08時—19日08時累積降水量分布

2.2 時間分布

從降水時序分布來看，西部降水主要集中在18日16—23時，東部降水主要集中在19日05—08時。其中，扶風(fēng)的強降水時段在18日19—22時，3 h累積降水量達到56.2 mm；武功的強降水時段在21—23時，3 h累積降水量為63.5 mm，其中最大瞬時雨強達到了40.5 mm（21時）；澄城的主要降水時段在19日06—08時，3 h降水量達到了73.6 mm，其中最大瞬時雨強為58.6 mm（19日07時）（圖2）。

圖2 扶風(fēng)、武功、澄城7月18日16時—19日08時逐小時降水量

3 環(huán)境條件

3.1 大尺度環(huán)流形勢與影響系統(tǒng)

此次暴雨是在大、中尺度天氣系統(tǒng)和高、中緯環(huán)流相互作用的背景下產(chǎn)生的，影響此次暴雨的主要因子有西太平洋副熱帶高壓、西北路弱冷空氣、切變線、偏南和偏東風(fēng)急流等。

強降水發(fā)生前2016年7月18日08時（圖3a），500 hPa上亞洲中高緯呈兩槽一脊形勢，高空槽東移，冷空氣下滑，表明有干空氣從中高層入侵；584 dagpm線控制30°N以南并逐漸北抬，西脊點（34°N，109°E）位于陜西東南部，其西部的西南風(fēng)有利于水汽輸送、匯集以及不穩(wěn)定能量的聚集和釋放；河套東部至四川為深厚的低槽區(qū)，其南北長度約10個緯距，關(guān)中處于低槽前側(cè)西南氣流中。700 hPa上，從孟加拉灣經(jīng)云貴地區(qū)、重慶至陜西關(guān)中地區(qū)，打開了水汽輸送通道，在甘肅與陜西交界處有顯著的西北—偏南向風(fēng)切變，表明低層有利于暖濕氣流的水平輻合；700 hPa的偏南急流和850 hPa的東風(fēng)急流向關(guān)中地區(qū)輸送明顯的熱量和水汽，有利于暴雨發(fā)生前不穩(wěn)定層結(jié)的建立。地面上四川盆地維持西南渦，關(guān)中、陜南是顯著的西北—東南向風(fēng)向輻合，關(guān)中西部存在干線，有一定的不穩(wěn)定條件。這種高低空的配置形成了大氣的不穩(wěn)定，有利于垂直上升運動的迅速發(fā)展。

14時（圖3b），500 hPa高空槽東移加強，隨著高層冷空氣下滑，副熱帶高壓緩慢東移，低空急流加強，在關(guān)中西部形成了冷暖空氣交綏，高空槽、低空急流和關(guān)中西部切變線配合產(chǎn)生對流云團，出現(xiàn)短時強降水。

3.2 水汽和動力條件

水汽條件是強降水發(fā)生的先決條件。此次降水的水汽輸送最強的位置主要集中在850~700 hPa。從強降水前期18日08時850 hPa的水汽通量矢量來看（圖4a），水汽的主要來源和路徑是孟加拉灣的水汽經(jīng)云貴地區(qū)、重慶到陜西與甘肅交界處，東海的水汽也經(jīng)江蘇、合肥、鄭州至關(guān)中和陜南西部。兩股水汽與西北路干空氣在甘肅東部和關(guān)中西部交匯輻合，輻合中心值為-2 g/（cm·hPa·s），此時水汽通量中心強度達12 g/（cm·hPa·s）。

到18日14時，水汽輸送路徑保持不變，但水汽通量中心強度明顯增強，輻合區(qū)東移至關(guān)中西北部，與暴雨落區(qū)對應(yīng)（圖4b）。

從暴雨區(qū)（34°N）垂直速度的高度—經(jīng)度垂直剖面（圖5）可以看出，強降水發(fā)生前期18日08時關(guān)中暴雨區(qū)處于垂直上升運動的東側(cè)，到14時垂直上升運動區(qū)東移，范圍擴大，強度增強，關(guān)中西部已經(jīng)處于強烈的垂直上升區(qū)，東西跨越500 km左右，中心強度達2 Pa/s，位于700~500 hPa，1.0 Pa/s的上升速度區(qū)在高空伸展至300 hPa；強上升運動區(qū)東部為寬厚的下沉運動區(qū)，中心位置略低（750 hPa），中心強度為3.0 Pa/s。

圖3 7月18日08時、14時500 hPa高度（等值線，單位：dagpm）和700 hPa風(fēng)場

圖4 7月18日08（a）和14時（b）850 hPa水汽通量和水汽通量散度（陰影）

圖5 7月18日14時垂直速度沿34°N緯向剖面

4 多普勒雷達特征分析

此次降水過程為大片層狀云穩(wěn)定降水回波中夾雜有少量積狀云對流降水回波，積云降水范圍小，且對流性相對明顯。

4.1 基本反射率與徑向速度產(chǎn)品

從降水過程中反射率因子和徑向速度圖演變來看（圖6），18日8：02寶雞西部開始出現(xiàn)層云降水回波，最大回波為35～40 dBz；之后回波不斷擴大、加強，整體回波移動緩慢，以50 km/h的速度向東北方向移動；到12：45降水回波尺度擴大到寶雞整市、咸陽北部和銅川，最大反射率為43 dBz，出現(xiàn)在麟游北部（紅圈內(nèi)）；平均徑向速度圖上的零速度線呈“S”型，風(fēng)向隨高度不斷增強且順時針旋轉(zhuǎn)，雷達處為東北風(fēng)，表明有暖平流，有利于降水的發(fā)生。此時關(guān)中西部地區(qū)開始出現(xiàn)穩(wěn)定降水，小時降水量在2 mm左右。

16：47在大片的20～40 dBz層云降水回波中出現(xiàn)了45～50 dBz的對流降水回波（圖6中A處），回波頂高為8 km，但強回波高度中心高度較低，超過35 dBz的回波高度在2～7 km，最強回波中心（45～55 dBz）高度在 2～4 km，回波質(zhì)心低，且此時對流回波處（3.8 km左右高度）已有逆風(fēng)區(qū)存在（白圈內(nèi)），扶風(fēng)西部低層小范圍負速度區(qū)被大面積入流速度區(qū)所包圍，風(fēng)速在7 m/s左右，逆風(fēng)區(qū)維持了一個多小時，之后與大片正速度區(qū)合并，而扶風(fēng)的較強降水天氣在18時之后產(chǎn)生。

18：02此對流云團發(fā)展至最旺盛，中心強度達到55～60 dBz，對流云團A已經(jīng)發(fā)展分裂為2個單體，以10 km/h的速度移至扶風(fēng)境內(nèi)，A2對流云團對應(yīng)徑向速度圖上又出現(xiàn)了小范圍的逆風(fēng)區(qū)（4.2 km左右高度上）。對流云團A西部鳳翔又有小片的對流塊B生成，范圍不斷擴大，并緩慢向東北方向移動，中心強度為45～50 dBz，之后逐漸減弱。

19：52對流云團B中心強度范圍減小，又移至扶風(fēng)境內(nèi)，A、B的相繼影響，造成扶風(fēng)持續(xù)3 h的短時強降水；而A范圍擴大，移至武功境內(nèi)，回波頂高達到10 km，最強回波中心（50～55 dBz）高度在6 km以下，回波質(zhì)心低，徑向速度達到12 m/s，20時之后武功出現(xiàn)了強降水。

此次暴雨過程出現(xiàn)的逆風(fēng)區(qū)屬于“少動型”[22]，移動速度在10 km/h，該類型逆風(fēng)區(qū)的存在有利于強對流天氣發(fā)生，逆風(fēng)區(qū)與強降水中心區(qū)是對應(yīng)的，且逆風(fēng)區(qū)與強回波中心位置相對應(yīng)，也有利于強回波的維持或加強，這與前人的研究結(jié)果一致[23-26]。

4.2 垂直累積液態(tài)水含量（VIL）

圖 6 12：45、16：47、18：02 和 19：52 雷達 1.5°仰角的反射率因子（單位：dBz）和徑向速度圖（單位：m/s）

圖7 16—22時的對流單體A的組合反射率和VIL的時間演變

對比分析本次強降水過程（16：01—21：59）的對流單體A的組合反射率和垂直液態(tài)水含量的時間演變圖（圖7），發(fā)現(xiàn)VIL與組合反射率的變化趨勢基本一致，但振蕩更明顯，VIL達到峰值再回落至低值，可能是由于強降水和破壞性大風(fēng)的的發(fā)生[27]。在17：16出現(xiàn)第一次躍增，從17 kg/m2增加至25 kg/m2，但只持續(xù)了一個體掃，出現(xiàn)在扶風(fēng)境內(nèi)，該對流單體組合反射率中心強度為58 dBz，回波頂高為8 km。第二次躍增出現(xiàn)在18：19，VIL值從13 kg/m2增加至23 kg/m2，小幅震蕩了3個體掃后減弱至13 kg/m2，此時組合反射率因子基本保持在58 dBz，對流單體移動至扶風(fēng)西南。第三次躍增是在20：03-20：15，持續(xù)時間相對較長，VIL值在26 kg/m2左右，對應(yīng)對流單體為關(guān)中西部的單體裂變后不斷擴大，反射率因子先減小，移至武功后不斷加強，組合反射率因子在58 dBz左右。第四次躍增是在21：24，VIL出現(xiàn)次峰值，為23 kg/m2，此時對流單體擴大增強后移至武功和禮泉交界，對應(yīng)組合反射率因子為58 dBz，回波頂高為7 km。VIL的大值區(qū)與強回波區(qū)對應(yīng)較好。

降水開始時垂直累積液態(tài)水含量較小，在1～5 kg/m2，以穩(wěn)定降水為主，之后對流云產(chǎn)生、發(fā)展，VIL值變化很大。從 16：47 開始 VIL 達到 15 kg/m2，17：16時增加至25 kg/m2，只持續(xù)了一個體掃，出現(xiàn)在扶風(fēng)境內(nèi)，之后維持在20 kg/m2。20：03時VIL在武功境內(nèi)，增加至 25～30 kg/m2，斷續(xù)地維持了近 0.5 h，之后降到15～23 kg/m2移除出武功（圖8）。20—21時VIL出現(xiàn)了一個峰值，之后武功也出現(xiàn)了40.5 mm的短時強降水。VIL峰值的出現(xiàn)時間與強降水時段對應(yīng)較好。前人在對強對流天氣的預(yù)報、跟蹤及估測降水也發(fā)現(xiàn)了此結(jié)論[28]。

圖8 降水過程中組合反射率和垂直液態(tài)水含量演變

5 結(jié)論

本文對2016年7月18日關(guān)中一次突發(fā)性暴雨天氣過程進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）影響這次暴雨的主要因子有西太平洋副熱帶高壓、西北路弱冷空氣、切變線、偏南和偏東風(fēng)急流等。水汽來源主要是孟加拉灣和東海。

（2）此次過程回波頂高在8～11 km，但強回波高度中心高度較低，最強回波中心（45～55 dBz）高度在6 km以下，屬于低質(zhì)心強降水回波，對預(yù)報關(guān)中短時強降水明顯參考價值。

（3）徑向速度圖上零速度線呈“S”型、風(fēng)向輻合和逆風(fēng)區(qū)等特征均有利于短時強降水的發(fā)生。逆風(fēng)區(qū)與強降水中心區(qū)、強回波中心位置有很好的對應(yīng)關(guān)系，對短時強降水發(fā)生有很好的預(yù)報作用。

（4）VIL的大值區(qū)與強回波區(qū)、強降水中心區(qū)相對應(yīng)，當(dāng)VIL中心值持續(xù)在25～30 kg/m2時，可能會出現(xiàn)小時雨強超過20 mm的短時強降水。

本文著眼于短時臨近預(yù)報的角度，通過環(huán)流形勢和影響系統(tǒng)判斷此次暴雨產(chǎn)生的環(huán)境背景，著重分析了此次層積混合對流降水的雷達回波特征，由于暴雨突發(fā)性較強，從雷達回波上看不出典型形狀特征，但仍能發(fā)現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)和VIL對短時強降水發(fā)生有很好的預(yù)報意義。逆風(fēng)區(qū)的強度和厚度與短時強降水的雨強是否有相關(guān)性、確定本地區(qū)VIL的閾值是否可以區(qū)分一般性降水和短時強降水，仍需更多的天氣個例進行統(tǒng)計分析，從而更好地為短時臨近預(yù)報提供參考依據(jù)。