劉慧敏,馬曉華,梁生俊,康磊,蔣伊蓉,婁盼星,艾銳

(1.陜西省榆林市氣象局榆林市能源化工氣象服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，榆林719000；2.陜西省氣象臺，西安710015；3.陜西省氣象科學(xué)研究所，西安710015)

引 言

陜西北部位于黃河河套地區(qū)毛烏素沙漠和黃土高原過渡地帶，夏季易出現(xiàn)局地突發(fā)性暴雨或大暴雨。20世紀(jì)70年代，該地區(qū)曾出現(xiàn)過日降水量達(dá)到1 400 mm的極端暴雨(朱乾根等，2007)。21世紀(jì)以來國內(nèi)暴雨趨多趨強(qiáng)，多地降水量突破歷史極值。2001年8月5日夜間，上海普降暴雨，中心城區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，降水量創(chuàng)50年來之最(陳永林等，2007)。2010年7月8—13日，湖南北部(湘北)出現(xiàn)了一次連續(xù)性大暴雨天氣過程，63個鄉(xiāng)鎮(zhèn)累積降雨量為300～400 mm。其中臨湘的日降水量刷新當(dāng)?shù)刈畲笕战邓涗?209.7 mm)(周慧等，2014)。2012年7月27日，陜西北部佳縣12 h降雨量為217.2 mm，突破歷史極值(劉勇等，2014)。2012年7月21日10時—22日02時(北京時，下同)，北京出現(xiàn)自1963年以來最強(qiáng)一次降水過程，最大24 h降雨量(460 mm)出現(xiàn)在房山河北鎮(zhèn)(陳明軒等，2013)。像這類極端降水事件的預(yù)報僅靠現(xiàn)有的數(shù)值模式還不能滿足業(yè)務(wù)需求。

陶詩言等(1980)指出，中國的暴雨尤其是極端強(qiáng)降水主要是由臺風(fēng)、鋒面和青藏高原及其周邊地區(qū)東移過來的氣旋性渦旋引起的。丁一匯(2014)研究指出，暴雨和大暴雨是多尺度系統(tǒng)互相作用的產(chǎn)物。張弘等(2006)研究陜北子長大暴雨認(rèn)為，河套低渦和遠(yuǎn)距離臺風(fēng)的共同作用，激發(fā)暴雨區(qū)中小尺度對流系統(tǒng)反復(fù)活躍，形成突發(fā)性大暴雨。王位泰等(2009)研究河套地區(qū)一次低渦強(qiáng)暴雨天氣時認(rèn)為，河套低渦具有下暖上冷的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在對流層高層有正值大渦度區(qū)。侯建忠等(2011)分析陜北一次大暴雨天氣時認(rèn)為河套低壓自身不斷發(fā)展加深的作用，加劇了上升運(yùn)動發(fā)展，上升運(yùn)動區(qū)與暴雨區(qū)吻合較好。梁豐等(2007)分析了河套氣旋強(qiáng)烈發(fā)展時，具有多個MCS排列在副高西北側(cè)造成大量降水。俞小鼎(2012)認(rèn)為導(dǎo)致北京極端暴雨的中尺度對流系統(tǒng)MCS起源于河套地區(qū)低層渦旋的發(fā)展，渦旋有類似熱帶氣旋的形態(tài)，可能與渦旋自組織機(jī)制有關(guān)，MCS始終位于低槽前的正渦度平流區(qū)，生命史長達(dá)44 h。劉勇等(2006a，2006b，2014)研究陜北地區(qū)突發(fā)性大暴雨認(rèn)為，當(dāng)西太平洋副熱帶高壓處于強(qiáng)盛期，副高外圍700 hPa西南風(fēng)低空急流和850 hPa東南風(fēng)急流的形成為大暴雨區(qū)提供了源源不斷的水汽供應(yīng)，低空急流在夜間增強(qiáng)導(dǎo)致大暴雨具有夜發(fā)性。梁生俊等(2012)分析西北地區(qū)東部暴雨過程認(rèn)為，低空急流建立在大暴雨發(fā)生前期。畢旭等(2011)認(rèn)為陜北北部區(qū)域性暴雨與中低層急流建立有關(guān)。劉鴻波等(2014)綜合回顧低空急流的研究成果,大多數(shù)的低空急流與暴雨等降水事件相關(guān)。徐明等(2018)分析認(rèn)為，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動以及大氣不穩(wěn)定狀態(tài)是出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的誘因之一。廖移山等(2010，2011)在分析大暴雨的β中尺度系統(tǒng)時認(rèn)為，地面β中尺度氣旋是β中尺度對流云團(tuán)的組織者，也是α中尺度對流云團(tuán)的組成者。張楠等(2018)在分析一次局地暴雨的中尺度特征時發(fā)現(xiàn)中尺度急流為短時強(qiáng)降水提供了源源不斷的水汽，促使強(qiáng)降水進(jìn)一步發(fā)展。井喜等(2013)分析黃土高原一次突發(fā)性暴雨過程發(fā)現(xiàn)，β中尺度暴雨是由β中尺度對流單體活動造成的，對流層低層β中尺度氣旋式輻合的生成、配合對流層高層β中尺度徑向強(qiáng)輻散，構(gòu)成暴雨最強(qiáng)降水時段垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)的基本特征。徐珺等(2018)研究廣州局地突發(fā)特大暴雨中尺度特征時發(fā)現(xiàn)，中尺度對流系統(tǒng)的單體移動方向和傳播方向近乎相反，使系統(tǒng)移動非常緩慢，后向傳播特征明顯導(dǎo)致長時間強(qiáng)降水。上述成果總結(jié)了不同尺度暴雨過程的天氣特點(diǎn)和形成機(jī)理。對于特大暴雨，由于出現(xiàn)概率較低，要尋找其主要成因并提出預(yù)報思路，尚需對天氣個例進(jìn)行深入研究。

2017年7月25日夜間至26日凌晨，陜西榆林市南部縣區(qū)發(fā)生區(qū)域性大暴雨，局地特大暴雨，黃河流域主要支流無定河洪峰流量達(dá)1960年以來最大值。暴雨導(dǎo)致洪水漫過堤壩，淹沒子洲、綏德縣城主街區(qū)(井宇等，2019)。本文利用MICAPS常規(guī)氣象資料、ERA-Interim 0.25°×0.25°再分析數(shù)據(jù)、地面區(qū)域氣象站逐小時觀測數(shù)據(jù)、FY-2G衛(wèi)星云圖，對這次過程進(jìn)行診斷分析，重點(diǎn)分析與特大暴雨直接相關(guān)的中小尺度天氣系統(tǒng)，以期為同類過程的預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料介紹

使用的氣象資料主要包含以下幾種：(1)12 h間隔的常規(guī)高空探測資料；(2)6 h間隔的ERA-Interim 0.25°×0.25°再分析資料；(3)逐小時的地面基本觀測資料；(4)30 min間隔的FY-2G紅外衛(wèi)星云圖。

2 降水實(shí)況及災(zāi)情

2017年7月25—26日，陜西北部出現(xiàn)了較為罕見的強(qiáng)降水天氣，降水出現(xiàn)在25日15時—26日10時(北京時，下同)。圖1給出2017年7月25日14時—26日14時陜西省北部榆林市及周邊省區(qū)累計降水量20 mm以上的區(qū)域以及50 mm以上暴雨區(qū)的分布。從圖1a可以看出，這次降水過程覆蓋了陜西省北部、山西省中北部及內(nèi)蒙古自治區(qū)河套地區(qū)，但暴雨區(qū)只出現(xiàn)在陜西省榆林市南部縣區(qū)及山西省離石市、柳林縣等區(qū)域，雨區(qū)呈明顯的東西向帶狀分布(圖中虛線方框區(qū)域)。另外，在榆林市與烏審旗交界處有一個范圍不大的暴雨區(qū)，中心位于榆陽區(qū)小壕兔區(qū)域氣象站，降水量為81.5 mm。圖1b為虛線方框區(qū)域內(nèi)更詳細(xì)的分布特征，可以看出暴雨區(qū)東西長約330 km、南北寬約70 km，長寬比大致為4.7倍；而100 mm以上的大暴雨區(qū)主要出現(xiàn)在榆林市南部縣區(qū)及山西省柳林縣，東西長約160 km、南北寬約40 km，長寬比為4倍，具有典型的β中尺度特征。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，200 mm以上的強(qiáng)降水區(qū)自西向東分散在橫山區(qū)魏家樓、子洲縣電市、子洲縣氣象站和綏德縣趙家砭等區(qū)域氣象站，降水中心位于綏德縣趙家砭(110.19°E，37.66°N)，25日14時—26日14時累計降水量達(dá)到252.4 mm，達(dá)到特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)，突破當(dāng)?shù)貧v史極值。強(qiáng)降水導(dǎo)致子洲、綏德2縣城洪水漫堤，主要街道被淹，造成12人死亡，1人失蹤，經(jīng)濟(jì)損失超過80億元。

圖1 2017年7月25日14時—26日14時陜西省北部及周邊省區(qū)20 mm以上累計降水量(a,單位：mm)和50 mm以上暴雨區(qū)(b,單位：mm)的空間分布Fig.1 Spatial distribution of(a)24 h accumulated precipitation(unit:mm)above20 mmand(b)heavy rain areasabove 50 mmin northern Shaanxiprovinceduringfrom14∶00 BT 25 July2017 to14∶00 BT 26 July 2017.

圖2 給出了暴雨中心趙家砭2017年7月25日14時—26日14時的逐小時降水量，從圖中可以看出主要降水過程在25日22時—26日08時，10 h累計降水量229.7 mm，其中25日22時—26日03時為降水最強(qiáng)時段，5h累計降水量162.7mm，平均小時降水量達(dá)32.5mm，最大小時降水量出現(xiàn)在26日02時(50.6 mm)。分析降水的發(fā)展過程發(fā)現(xiàn)，雨團(tuán)整體表現(xiàn)出自西向東緩慢東移發(fā)展的特征(圖略)，其中26日01—02時雨強(qiáng)最大，出現(xiàn)在橫山區(qū)魏家樓區(qū)域氣象站，達(dá)到62.8 mm。

圖2 2017年7月25日14時—26日14時趙家砭逐小時降水量(單位:mm)Fig.2 Thehistogramof hourly rainfall at Zhaojiabian from14∶00 BT 25 July 2017 to14∶00 BT 26 July 2017(unit:mm).

從這次降水過程的主要特征可以看出，大暴雨區(qū)表現(xiàn)出明顯的東西向帶狀分布，雨強(qiáng)大、范圍小、移動慢，降水主要集中在夜間。根據(jù)降水的實(shí)況特征，有3個問題值得重點(diǎn)關(guān)注：(1)強(qiáng)降水為什么發(fā)生在夜間？(2)為什么100 mm以上的大暴雨區(qū)僅出現(xiàn)在水平尺度約160 km的范圍內(nèi)？(3)強(qiáng)降水中心為什么會出現(xiàn)爆發(fā)式的劇烈發(fā)展過程?在以下的分析中將重點(diǎn)圍繞這三個問題，從降水發(fā)生的時間、地點(diǎn)、強(qiáng)度等三個角度逐次進(jìn)行機(jī)理分析，并重點(diǎn)針對第3個問題進(jìn)行詳細(xì)的β中尺度分析。

3 大氣環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)

3.1 對流層中層的環(huán)流背景

首先分析強(qiáng)降水階段對流層中層的大氣環(huán)流背景。圖3給出2017年7月25日20時500 hPa環(huán)流形勢。為了弄清楚大氣環(huán)流背景的演變，在圖中繪制了25日08時—26日08時584 dagpm和588 dagpm兩條特征線，其中584 dagpm特征線可以反映出西風(fēng)槽的演變趨勢，而588 dagpm特征線可以反映出西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)的變化情況。從圖3中可以看到，從25日08—20時，位于內(nèi)蒙古西部的西風(fēng)槽在緩慢東移的過程中有所發(fā)展，而副高西脊點(diǎn)從106°E西伸至104°E，副高西伸北抬、強(qiáng)度加強(qiáng)。到26日08時，西風(fēng)槽快速東移南壓，而在此期間副高西脊點(diǎn)仍維持在104°E，副高北側(cè)則略有南壓。從25日20時—26日08時，由于西風(fēng)槽的快速東移南壓以及副高的穩(wěn)定維持，位于西風(fēng)槽前至副高外圍的廣大河套地區(qū)一直盛行西南暖濕氣流并不斷加強(qiáng)，槽前正渦度平流有利于低層低值系統(tǒng)的發(fā)展，強(qiáng)降水就發(fā)生在這樣的大氣環(huán)流背景的演變過程之中，這可以初步解釋強(qiáng)降水為什么發(fā)生在25日夜間。

圖3 2017年7月25日20時500 hPa大氣環(huán)流形勢(圖中棕色線為西風(fēng)槽線，黑色等值線為588位勢高度特征線，深藍(lán)色等值線為584位勢高度特征線，單位:dagpm；虛線、實(shí)線、點(diǎn)線分別表示25日08時、20時、26日08時特征線，G表示副高中心；▲表示暴雨中心趙家砭站，下同)Fig.3 Thedistribution of geopotential height field at 500 hPaat 20:00 BT 25 July 2017(Thebrown solid linerepresentsthewesterly trough.Thethin black dashed line,theblack solid lineand theblack dotted linerepresent thegeopotential height,respectively,at 08:00 and 20:00 BT 25 and 08:00 BT 26 July 2017,unit:dagpm.“G”representsthecenter of Western Pacific subtropical high.“▲”represents thecenter of thestorm).

3.2 對流層低層的影響系統(tǒng)

進(jìn)一步分析強(qiáng)降水階段對流層低層的主要影響系統(tǒng)。圖4給出2017年7月25日20時850 hPa環(huán)流形勢及7月25日08時—26日08時700 hPa西風(fēng)槽和特征等溫線的演變。從700 hPa 12℃特征線可以看出對流層中低層冷槽的演變過程，冷空氣的活動可以決定低層低值系統(tǒng)的發(fā)展演變。從圖4可以看出，25日08時700 hPa在高原東北側(cè)有冷槽形成，該冷槽位于500 hPa內(nèi)蒙古西部西風(fēng)槽的后部，并處于青藏高原向東北伸出的暖脊與副高外圍的暖脊之間，冷空氣的范圍比較狹窄，這表明500 hPa槽后冷空氣的勢力并不是很強(qiáng)。此時在700 hPa冷槽前側(cè)已有弱的切變線生成，而在其下方的前側(cè)，850 hPa寧夏及甘肅東部的廣大地區(qū)為較為一致的寬廣的東南氣流并具有弱的輻合(圖略)。25日20時，700 hPa冷槽緩慢東移，而弱切變線則在不斷向東北方向加深的過程中發(fā)展成為西風(fēng)槽，而其下方850 hPa，原來較為一致的東南輻合氣流中新生發(fā)展出一個較為閉合的低渦環(huán)流，由于正好位于河套地區(qū)，故稱之為河套低渦。從圖中可以進(jìn)一步看出，25日20時—26日08時，隨著500 hPa西風(fēng)槽的快速東移南壓，700 hPa冷槽和西風(fēng)槽東移南壓的速度也隨之加快，在這個中低層系統(tǒng)快速東移及副高穩(wěn)定的過程中，850 hPa新生的河套低渦開始東移發(fā)展，成為這次降水過程的直接影響系統(tǒng)，這進(jìn)一步解釋了強(qiáng)降水為什么發(fā)生在25日夜間。

圖4 2017年7月25日20時850 hPa天氣形勢及25日08時—26日08時700 hPa西風(fēng)槽和12℃特征等溫線的演變(黑色等值線為位勢高度特征線，單位:dagpm；紅色等值線為12℃等溫線，單位:℃；紅色粗線為溫度槽，棕色線為西風(fēng)槽線，雙虛線為切變線；虛線、實(shí)線、點(diǎn)線分別表示25日08時、25日20時、26日08時三個不同時刻；D表示河套低渦中心)Fig.4 Theevolution of 12℃isometric temperatureat 700 hPaand the through in 12 hoursfrom20∶00 BT 25 July to08∶00 BT 26 July 2017,and thegeopotential height field at 850 hPaat 20∶00 BT 25 July 2017“(D”representsthecenter location of the Hetaolowvortex.Theisometric temperatureat 08∶00 and 20∶00 BT 25 July and 08∶00 BT 26 July2017 is respectively denoted by thered thin dashed line,thered thin solid lineand thered thin dotted line.Thedoublered solid linesdenotestheshear position,and thebrown solid linealsorepresentsthewesterly through while thered bold linerepresents thetemperaturethrough).

由于850 hPa河套低渦形成后東移緩慢、發(fā)展加強(qiáng)，同時受副高穩(wěn)定的阻擋，這樣的環(huán)境場限定了強(qiáng)降水區(qū)不能快速東移擴(kuò)展，并初步解釋了強(qiáng)降水區(qū)的β中尺度特征。

4 河套低渦與低空急流的發(fā)展演變

從環(huán)流形勢和影響系統(tǒng)的分析已初步明確了這次過程的基本特點(diǎn)，但間隔12 h的常規(guī)高空探測資料還難以細(xì)致地分析和解釋河套低渦的形成原因和發(fā)展過程，因此尚需進(jìn)一步回答前面提出的第2個問題。用間隔6 h的0.25°×0.25°再分析資料，從河套低渦的形成及低空急流的發(fā)展做進(jìn)一步的診斷分析。

圖5給出2017年7月25日14時、20時850 hPa風(fēng)場和溫度場。從圖5a看出，25日14時在河套以西銀川西南側(cè)有氣旋性環(huán)流形成，其中心位于105.25°E，38°N。25日08時該區(qū)域?yàn)橐恢碌臇|南氣流(圖略)，因此可以推斷河套低渦的形成時間約在25日14時左右，此時為低渦形成的初始階段。從圖5a還可以看出，在河套低渦東南側(cè)107.25°E，35.5°N處，午后有一個32℃的暖中心形成，低渦形成于弱的鋒區(qū)中并具有不對稱的暖心結(jié)構(gòu)。關(guān)注這一時刻的三支特征氣流：(1)低渦西北側(cè)的偏北氣流，中心風(fēng)速5 m·s-1；(2)低渦東南側(cè)的西南氣流，中心風(fēng)速8 m·s-1；(3)位于榆林南側(cè)的東南氣流，中心風(fēng)速11 m·s-1。此時，兩支偏南氣流風(fēng)速中心的北側(cè)輻合加強(qiáng)。到25日20時(圖5b)，河套低渦向東南方向移動到106.25°E，37°N，而暖中心則向西北方向移動到106°E，36.5°N，兩者中心趨于重合，此時為低渦發(fā)展的成熟階段。

從14時(圖5a)到20時(圖5b)，低渦西北側(cè)的偏北氣流有所加強(qiáng)，中心風(fēng)速增大到6 m·s-1，但隨著低渦中心向暖中心方向移動，低渦不對稱的暖心結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的暖心結(jié)構(gòu)，此時低渦東南側(cè)的西南氣流逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槠蠚饬鳎瑥?qiáng)度變化不大。但值得注意的是榆林南側(cè)的東南氣流明顯加強(qiáng)，中心風(fēng)速加大到20 m·s-1，形成明顯的東南低空急流，而且急流中心緩慢向西北方向推進(jìn)。

圖5 2017年7月25日14時(a)、20時(b)850 hPa風(fēng)場和溫度場(箭矢表示風(fēng)場，單位:m·s-1；等值線為溫度場，單位:℃；箭頭表示特征氣流；D為低渦；N為暖中心；黑色虛線為圖6剖面所取的位置)Fig.5 Thegeopotential height and temperaturefield at(a)14∶00 BTand(b)20∶00 BT 25 July 2017(Arrowsrepresentsthewind field,unit:m·s-1.Thecontour lineisthetemperaturefield,unit:℃.“N”representsthewarmcenter,“D”representsthelocation of thelow vortex with movingpath denoted by thered dashed line.Thered arrowsrepresentsrespectively thesouthwest and southeast air whilethebluearrow representsthenorth air).

為了進(jìn)一步了解河套低渦和東南低空急流在三維空間的動力結(jié)構(gòu)，圖6給出2017年7月25日20時沿37°N垂直剖面上的垂直速度和緯向垂直環(huán)流。從圖中可見，雖然河套低渦此時處于較為成熟的階段，但是低渦上空的對流并不明顯，上升運(yùn)動僅到達(dá)600 hPa，該低渦為淺薄的暖低壓系統(tǒng)，從圖3可以看到該低渦上空500 hPa雖然位于西風(fēng)槽前，但是西南氣流并不強(qiáng)盛，銀川為6 m·s-1的西偏北風(fēng)，對流發(fā)展可能受到一些弱西北氣流的抑制。圖6顯示此時在低渦東側(cè)109°E上空卻出現(xiàn)了一支明顯的上升氣流，上升運(yùn)動中心位于700 hPa附近，強(qiáng)度達(dá)到-1.8×10-2hPa·s-1，它與上述東南低空急流的發(fā)展密切相關(guān)。隨著這支上升氣流的發(fā)展，20時以后榆林地區(qū)強(qiáng)降水開始出現(xiàn)，從圖1可以看到暴雨區(qū)的西界位于108.7°E附近，對應(yīng)著-1.2×10-2hPa·s-1的上升運(yùn)動區(qū)。

圖6中還有一個值得注意的現(xiàn)象是，在上升氣流的東側(cè)500 hPa以下出現(xiàn)了一支徑向次級環(huán)流，它的出現(xiàn)表明了上升運(yùn)動正處于發(fā)展旺盛階段。廖移山等(2006)在分析河南強(qiáng)暴雨過程時曾用數(shù)值模式模擬出這種徑向次級環(huán)流，并在研究湖北襄樊特大暴雨和山東濟(jì)南大暴雨時也曾多次發(fā)現(xiàn)這類垂直環(huán)流的特征(廖移山等，2010，2011)。這些研究都指出，由強(qiáng)上升運(yùn)動強(qiáng)迫產(chǎn)生的補(bǔ)償次級環(huán)流十分有利于對流的發(fā)展與維持。

圖6 2017年7月25日20時沿37°N垂直剖面上的垂直速度(單位:10-2 hPa·s-1)和緯向垂直環(huán)流Fig.6 Thedistribution of vertical velocity(unit:10-2 hPa·s-1)and zonal vertical circulation alongthe37°Nat 20∶00 BT 25 July 2017.

圖7給出2017年7月26日02時850 hPa風(fēng)場和溫度場。從圖中可見，河套低渦向東偏北方向移動到107.25°E，37.5°N，而暖中心則向東偏北方向移動到107°E，36.75°N，兩者保持相同的移動方向和速度，低渦仍具有對稱的暖心結(jié)構(gòu)，此時為低渦發(fā)展的旺盛階段。同樣關(guān)注這一時刻的三支特征氣流：(1)低渦西北側(cè)的偏北氣流繼續(xù)有所加強(qiáng)，中心風(fēng)速達(dá)到8 m·s-1；(2)低渦東南側(cè)的偏南氣流又轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂蠚饬鳎行娘L(fēng)速再次加大到8 m·s-1；(3)榆林南側(cè)的東南低空氣流中心風(fēng)速有所減小但仍達(dá)到16 m·s-1，急流中心快速向西北方向推進(jìn)至榆林附近，此時榆林地區(qū)強(qiáng)降水達(dá)到旺盛階段。

圖7 2017年7月26日02時850 hPa風(fēng)場和溫度場(黑色虛線為圖8剖面所取的位置)Fig.7 Thedistribution of geopotential height and temperaturefield on 850 hPaat 02∶00 BT 26 July 2017(Theblack dotted lineis theposition taken in Fig.8).

繼續(xù)剖析河套低渦和東南低空急流的三維空間動力結(jié)構(gòu)。圖8給出2017年7月26日02時沿37.5°N垂直剖面上的垂直速度和緯向垂直環(huán)流，可以看出河套低渦上空的對流依然較弱，而原來位于109°E上空的上升氣流已經(jīng)東移到了110.5°E上空，上升運(yùn)動中心上抬至500 hPa附近，垂直速度增強(qiáng)到-2.7×10-2hPa·s-1。有兩點(diǎn)值得關(guān)注：(1)從25日20時(圖6)到26日02時(圖8)，6 h上升運(yùn)動區(qū)東移了1.5個經(jīng)距，平均東移速度約為22 km·h-1；(2)位于上升氣流東側(cè)的徑向次級環(huán)流減弱消失，雖然上升運(yùn)動此時達(dá)到最強(qiáng)，但卻難以進(jìn)一步發(fā)展與維持，在達(dá)到頂峰后將逐步減弱。這些變化特征與圖9給出的子洲縣逐小時雨量變化趨勢以及圖2趙家砭的逐小時雨量變化趨勢至少在3個方面表現(xiàn)出較好的一致性：(1)22 km·h-1的東移速度決定了強(qiáng)降水東移擴(kuò)展不至于太快；(2)最強(qiáng)上升運(yùn)動和小時最大降水量大致同時出現(xiàn)在26日02時；(3)此后上升運(yùn)動難以繼續(xù)維持，而逐步減弱的趨勢使得26日02時以后降水在減弱的過程中仍保持了一定的強(qiáng)度。這些看似一致的特性進(jìn)一步解釋了強(qiáng)降水區(qū)的β中尺度特征。

圖8 2017年7月26日02時沿37.5°N垂直剖面上的垂直速度(單位:10-2 hPa·s-1)和緯向垂直環(huán)流Fig.8 Thedistribution of vertical velocity(unit:10-2 hPa·s-1)and zonal vertical circulation alongthe37.5°Nat 02∶00 BT 26 July 2017.

圖9 2017年7月25日14時—26日14時子洲縣逐小時雨量(單位:mm)直方圖Fig.9 Thehistogramof hourly rainfall at Zizhou county from 14∶00 BT 25 July 2017 to14∶00 BT 26 July 2017(unit:mm).

5 中尺度分析

廖移山等(2010)在分析2007年7月18日濟(jì)南大暴雨過程時用逐時的地面氣象觀測資料及紅外衛(wèi)星云圖對地面β中尺度系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出其較高的時空分辨率可以更充分發(fā)揮它們在β中尺度分析中的作用。以下利用逐時的地面氣象觀測資料及間隔30 min的FY-2G紅外衛(wèi)星云圖，進(jìn)一步對地面β中尺度系統(tǒng)及對流云團(tuán)的發(fā)展演變進(jìn)行細(xì)致的解剖和分析。為更清晰描述云團(tuán)的特征和區(qū)分不同中尺度之間的差異，統(tǒng)一使用：γ中尺度對流單體、β中尺度對流云團(tuán)、α中尺度對流云系，對于表現(xiàn)出明顯線性特征的云體則稱之為對流云帶。

圖10為2017年7月25日16時—26日02時的地面風(fēng)場、海平面氣壓場和紅外衛(wèi)星云圖。從圖10a可以看到，7月25日16時海平面氣壓場上，河套地區(qū)受到一個向東北方向伸展的暖低壓倒槽控制，低壓中心L位于陜西、內(nèi)蒙古、寧夏三省區(qū)交界處，同時在低壓中心區(qū)內(nèi)有一個水平尺度約100 km的β中尺度氣旋C。從圖5a的分析已經(jīng)看到，25日14時850 hPa河套低渦D開始新生，由于這一區(qū)域平均海拔高度約在1 000 m左右，因此河套低渦距近地面只有約400 m的垂直距離，這是一個非常淺薄的熱低壓系統(tǒng)，可以肯定的是C的發(fā)生發(fā)展直接受到D的影響，因?yàn)?5日14時在河套地區(qū)近地面較為一致的弱南風(fēng)流場中開始出現(xiàn)中尺度輻合線(圖略)，很快輻合線上出現(xiàn)氣旋擾動并于16時形成β中尺度氣旋C，在C的西南方向?yàn)槔涫角凶兙€并伴有弱的鋒區(qū)存在，而在C的東側(cè)則為暖式切變線。此時在C的北偏東方向新生出一個γ中尺度對流單體和一個β中尺度對流云團(tuán)，而在晉陜交界的中部地區(qū)及周邊區(qū)域也有多個β中尺度對流云團(tuán)發(fā)展，它們于午后新生，并在相對獨(dú)立的狀態(tài)下快速向東北方向移動，這一區(qū)域午后至傍晚地面上基本都處于較為一致的東南氣流中，在圖5a中已經(jīng)注意到25日14時850 hPa這一區(qū)域有一支中心風(fēng)速為11 m·s-1的東南低空急流在發(fā)展，位于急流軸前方區(qū)域的低層輻合開始加強(qiáng)，此時云團(tuán)的發(fā)展表現(xiàn)為局地對流和分散性云涌，在500 hPa副高北側(cè)邊緣西南氣流引導(dǎo)下快速向東北方向移動但缺乏有組織的發(fā)展，16時在子洲、趙家砭等途徑之處出現(xiàn)了超過10 mm的局地短時強(qiáng)降水(圖2，圖9)，其后向東北方向移動至?xí)x北地區(qū)減弱。

至25日20時(圖10b)，低壓倒槽區(qū)整體向東移動并發(fā)展出一個閉合的β中尺度低壓L，而β中尺度氣旋C也同時出現(xiàn)東移，氣旋中心和低壓中心基本保持重合。此時850 hPa河套低渦D處于向東南方向移動的過程中，而C和L則向偏東方向移動，總體來說C和L一直位于D的東偏北方向并處于D的控制范圍之內(nèi)。隨著C和L的東移，其東北側(cè)的γ中尺度對流單體和β中尺度對流云團(tuán)在緩慢東移過程中合并加強(qiáng)，并迅速發(fā)展為尺度約200～250 km的α中尺度對流云系，其邊界較為完整但形狀略顯不規(guī)則，18—20時在該對流云系中只是在榆林小壕兔出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水(81.5 mm)。此時位于C西南方向的冷式切變線有所加強(qiáng)，主要表現(xiàn)為其北側(cè)的偏北冷空氣風(fēng)速加大，其南側(cè)的偏南風(fēng)也有所加強(qiáng)。在圖5的分析中已經(jīng)注意到河套低渦西北側(cè)的偏北冷空氣，這支冷氣流從14—20時有所加強(qiáng)并在近地層得到了一定的反映，隨著切變線南側(cè)偏南暖濕氣流的加強(qiáng)，在冷暖氣流交匯處、冷切變的東端又有一個γ中尺度對流單體開始新生，而在α中尺度對流云系的南緣也有一個γ中尺度對流單體向南突出；此時在榆林南面，趙家砭與延安之間的區(qū)域范圍內(nèi)也有一個東南低空急流中新生的對流云團(tuán)發(fā)展，其尺度已達(dá)β中尺度，此時850 hPa東南低空急流中心已加強(qiáng)至20 m·s-1，位于急流軸前方的區(qū)域低層輻合明顯加強(qiáng)，在圖6的分析中已看到在趙家砭以西約2.5個經(jīng)度范圍內(nèi)大氣垂直上升運(yùn)動已得到明顯加強(qiáng)，這一區(qū)域已成為對流發(fā)展極為有利的區(qū)域(圖10b中的白色虛線矩形框所示)。

至25日23時(圖10c)，低壓倒槽區(qū)整體向西南方向收縮并有新的β中尺度低壓L和β中尺度氣旋C生成。此時，對流云團(tuán)的演變出現(xiàn)了明顯而復(fù)雜的變化特征：(1)原來位于榆林西北方向不規(guī)則的α中尺度對流云系整體以緩慢的速度東移發(fā)展，并逐步演變成一個長軸為東北-西南向的規(guī)則橢圓狀α中尺度對流云系；(2)原來位于冷切變東端的γ中尺度對流單體緩慢東移發(fā)展為β中尺度對流云團(tuán)；(3)原來位于α中尺度對流云系南緣向南突出的γ中尺度對流單體也東移發(fā)展為β中尺度對流云團(tuán)；(4)原來位于趙家砭與延安之間的β中尺度對流云團(tuán)整體向東北方向發(fā)展并可分辨出2個相對的強(qiáng)中心。從20—23時，4個尺度各不相同的相對獨(dú)立的對流云團(tuán)從不同的方向以不同的方式運(yùn)動并逐步相互靠近，演變成一個較為完整的對流復(fù)合體，在其南側(cè)邊界37.5°—38°N的緯度內(nèi)自西向東排列出4個相對獨(dú)立可辨的β中尺度對流云團(tuán)(位于圖中白色實(shí)線矩形框內(nèi))，尺度介于60～90 km之間，它與圖1降水實(shí)況中暴雨區(qū)的范圍極為吻合，也呈現(xiàn)出明顯的東西向帶狀分布。圖中白色實(shí)線矩形框比虛線矩形框偏東，表明了對流發(fā)展有一個緩慢東移的過程，對比圖6與圖8可以清晰地印證出大氣環(huán)流背景的變化所導(dǎo)致的降水發(fā)展的結(jié)果。

至26日02時(圖10d)，在河套低渦D以15 km·h-1緩慢向東偏北方向移動的過程中，地面新生的β中尺度低壓L和β中尺度氣旋C又緩慢向東北方向移動。值得注意的是，位于榆林北側(cè)的規(guī)則橢圓狀α中尺度對流云系快速向東北方向收縮，范圍減小、強(qiáng)度減弱并趨于消散；而榆林南側(cè)處于合并過程中呈東西向帶狀分布的對流云帶則處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，由于快速合并發(fā)展，此時對流云帶已發(fā)展為長軸為東北—西南向的規(guī)則橢圓狀α中尺度對流云系，云系中心正位于趙家砭及其西部的子洲縣附近區(qū)域，其云頂溫度最低已降至-76℃。

付丹紅等(2007)在研究北京一次強(qiáng)對流天氣過程時指出：積云的并合過程可導(dǎo)致區(qū)域降水增加并顯著提高降水效率；廖移山等(2010)在分析2007年7月18日濟(jì)南大暴雨過程時也發(fā)現(xiàn)對流云團(tuán)的合并能夠使降水得到強(qiáng)烈的發(fā)展。本次降水過程中強(qiáng)降水區(qū)小時雨強(qiáng)的演變過程進(jìn)一步表明了積云的合并對降水發(fā)展的重要意義，其中26日01—02時是對流云團(tuán)合并最強(qiáng)盛的時期，26日02時趙家砭、子洲及魏家樓等3個站的小時雨量分別達(dá)到50.6mm、52.0mm及62.8mm，可見降水之劇烈。積云的合并發(fā)展較好地解釋了前面提出的第3個問題，即強(qiáng)降水中心為什么會出現(xiàn)爆發(fā)式的劇烈發(fā)展過程。

一個非常有意思并可能值得關(guān)注的現(xiàn)象：在圖10b—d的3幅云圖中似乎存在一條隱形的分隔線(圖中黑色粗點(diǎn)線)，20時(圖10b)這條分隔線很清楚，它“隔開了”榆林北側(cè)α中尺度對流云系與其南側(cè)2個γ中尺度對流單體和1個β中尺度對流云團(tuán)；23時(圖10c)這條分隔線表明的是相對弱的對流云區(qū)，在它南北兩側(cè)的對流云區(qū)應(yīng)該各自有著不同的物理過程；02時(圖10d)這條分隔線很明確地區(qū)分開了兩塊不同的對流云區(qū)，其北側(cè)是東移減弱的云系，南側(cè)則是正在發(fā)展壯大的云系，這條分隔線的隱形存在可能預(yù)示著兩種不同的物理過程，尤其是對流云團(tuán)的合并是一個極其復(fù)雜的中尺度過程。

6 結(jié)論與討論

通過對2017年7月25日夜間至26日凌晨陜北強(qiáng)降水過程形成機(jī)理的診斷分析，得出以下結(jié)論：

(1)這次降水過程表現(xiàn)出明顯的東西向帶狀分布，雨強(qiáng)大、范圍小、移動慢、持續(xù)時間長，降水主要集中在夜間，大暴雨區(qū)具有典型的β中尺度特征。

(2)西風(fēng)槽的快速東移南壓以及副高的穩(wěn)定維持有利于槽前正渦度平流的加強(qiáng)及低層低值系統(tǒng)的發(fā)展，850hPa新生的河套低渦和東南低空急流成為這次強(qiáng)降水過程的直接影響系統(tǒng)。

(3)河套低渦是一個淺薄的熱低壓系統(tǒng)，它的發(fā)生發(fā)展可分為三個階段，初始階段低渦形成于弱的鋒區(qū)中并具有不對稱的暖心結(jié)構(gòu)，成熟階段和旺盛階段低渦轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的暖心結(jié)構(gòu)，強(qiáng)降水產(chǎn)生在低渦發(fā)展成熟階段，在低渦旺盛階段降水達(dá)到最強(qiáng)。

圖102017 年7月25日16時(a)、20時(b)、23時(c)及26日02時(d)地面風(fēng)場、海平面氣壓場和紅外衛(wèi)星云圖(D表示同一時刻河套低渦中心的位置，C表示地面中尺度氣旋，L表示地面中尺度低壓，細(xì)點(diǎn)線表示海平面氣壓場(單位：hPa)，黑色虛線表示冷切變，紅色虛線表示暖切變，白色矩形框示意對流發(fā)展的有利區(qū)域，▲表示趙家砭)Fig.10 The distribution of surface wind field, sea level pressure field and infrared satellite image at (a) 16∶00 BT, (b) 20∶00 BT, (c) 23∶00 BT 25 July 2017 and (d) 02:00 BT 26 July 2017,respectively“( D”represents the location of the center of the low vortex in Hetao at the same time.“C”represents the mesoscale cyclone on the ground.“L”represents the mesoscale low pressure on the ground. The fine line represents thesea level pressure field (unit: hPa). The black dotted line represents the cold shear. The red dotted line represents the warm shear.The white rectangle box indicates the favorable area for the development of convection, and“▲”marks Zhaojiabian).

(4)河套低渦直接影響并控制著地面β中尺度低壓的發(fā)生發(fā)展，β中尺度低壓穩(wěn)定在榆林西部，中尺度低壓的西部和東部分別形成冷性輻合和暖性輻合，不斷觸發(fā)γ對流單體生成，不同中尺度對流云團(tuán)的合并導(dǎo)致了降水的強(qiáng)烈發(fā)展。

大氣環(huán)流背景(比如西風(fēng)槽、副高)影響著次級天氣系統(tǒng)發(fā)生的大概時間和大致地點(diǎn)，而α中尺度系統(tǒng)(主要是河套低渦、低空急流)則決定著β中尺度系統(tǒng)(主要是地面β中尺度氣旋、輻合線、切變線)的發(fā)生發(fā)展，從而直接引發(fā)了這些復(fù)雜的中尺度過程，不同中尺度(包括γ中尺度對流單體、β中尺度對流云團(tuán)、α中尺度對流云系所表現(xiàn)出來的發(fā)展與合并過程代表著不同的物理機(jī)制，其中很多我們還不是很清楚或缺乏深入的研究。