2016年8月24日19:00(北京时, 下同)至25日08:00, 西北地区东部出现了区域暴雨, 暴雨主要由短时强降水形成, 并伴有雷暴, 呈典型的强对流天气特征。西北地区区域暴雨多发生在西太平洋副热带高压西北侧西南暖湿气流的背景下, 也有出现在暖区的区域对流暴雨(赵庆云等, 2014, 2017; 许东蓓等, 2015), 这次暴雨与以往区域暴雨的特征不同, 发生在500 hPa副热带高压(下称副高)588 dagpm线控制范围内, 强对流特征明显, 暴雨范围大。对近10年西北地区短时强降水(小时降水量R≥20 mm)和暴雨(24 h降水量R≥50 mm)的统计分析表明, 短时强降水形成的暴雨, 由于降水时间短、雨强大, 极易引发山洪、泥石流和城市内涝等地质灾害, 造成严重的人员伤亡和经济损失(张之贤等, 2013), 是西北地区最主要的强对流灾害天气。

随着观测资料、数值模式时空分辨率的提高, 暴雨过程中的短时强降水特征成为重点研究内容, 而短时强降水主要由强对流过程触发, 因而对短时强降水的研究主要集中在中尺度对流系统方面。Doswell(1987)指出雷暴一般由低层中尺度系统触发, 触发雷暴的中尺度系统主要包括边界层辐合线、中尺度地形和中尺度重力波, 其中, 特别重要的是边界层中尺度辐合线。观测和数值模拟研究发现, 边界层辐合线相互作用或者边界层辐合线与原有风暴系统相互作用, 导致近地面动力不稳定和辐合上升明显增强, 有利于对流风暴的新生和快速增强(Wilson et al, 2006; Xue et al, 2006; 陈明轩等, 2016), 雷暴发生时多普勒雷达探测到弱窄带回波, 一般对应于边界层的辐合线, 在合适的环境条件下, 边界层辐合线的演变与强对流天气的发生、发展密切相关(漆梁波等, 2006; 王彦等, 2011)。谌芸等(2012)、孙军等(2012)、方翀等(2012)、俞小鼎(2012)、孙继松等(2012)和陈明轩等(2013)对2012年7月21日北京特大暴雨的主要特征和形成机制进行了研究, 在充沛的水汽条件下, 低涡切变、低空急流上的风速脉动、地面辐合线及地形共同作用, 是触发此次强降水的中尺度对流系统MCS(Mesoscale Convective System)在暖区生成、发展的主要机制。低层的切变线和地面辐合线相交的地区, 是对流单体初生和强烈发展的区域。在MCS发展和加强阶段, 地面辐合线带来的干冷空气与环境大气中暖湿气流相互作用, 对MCS的高度组织化和强降水的形成起到重要作用, 在MCS传播前方的环境低层是明显的暖湿区, 而在传播后方的低层则是由于地面冷锋及MCS降水造成的冷区, 冷暖空气交汇对强降水的持续起重要作用。孙继松等(2015)对北京极端暴雨的研究指出, 夏季短时强降水一般与对流过程有关, MCS是这类过程的典型中尺度天气系统。慕建利等(2014)对陕西关中一次强暴雨环境条件及中尺度系统分析表明, 地面中尺度辐合系统的形成和加强, 可能是强降水的触发机制和增幅原因之一。

上述研究对中尺度天气系统在暴雨和短时强降水中的作用有了一定的认识, 由于西北地区地形复杂, 气候背景不同, 对流暴雨相对较少, 针对我国中东部强对流降水的个例分析和数值模拟, 在揭示对流暴雨过程中尺度的特征方面不能完全覆盖西北地区。因此, 通过对此次强对流暴雨中尺度对流系统发生、发展及传播特征的分析, 以期提高对此类致灾对流暴雨的认识。

所用地面加密资料为区域站10 min观测资料, 欧洲中心数值预报ECMWF细网格资料为0.125°×0.125°逐3 h预报资料, 美国NCEP/NCAR资料为2.5°×2.5°逐日再分析资料, 风云2E(FY-2E)高分辨率红外云图资料, 雷达观测资料以及常规观测资料。文中涉及的地图来源于中国气象局气象信息综合分析处理系统(MICAPS)。

2016年8月24日08:00至25日08:00, 甘肃中东部、陕西关中出现暴雨, 19个区域站降水量达100 mm以上, 最大降水量158.7 mm, 暴雨主要由短时强降水形成, 短时强降水集中在24日19:00至25日08:00, 短时强降水突发性强、强度强, 范围大, 小时最大降水量为79.1 mm, 且伴随雷电天气, 呈现出典型的强对流天气特征。从暴雨的分布(图 1)来看, 暴雨区基本呈东西向带状分布, 出现两个暴雨中心:一个在甘肃中部, 降水量为158.7 mm(天水武山县温泉); 另一个在六盘山东侧、关中西部, 降水量为137 mm(陕西千阳), 大暴雨主要出现在这个区域, 暴雨导致较大范围的洪水, 造成了重大经济损失。

图 1(Figure 1)

图 1 2016年8月24日08:00至25日08:00暴雨分布(a, 单位: mm)和温泉、千阳逐时降水量(b) Figure 1 Distribution of heavy rainfall (a, unit: mm) and hourly rainfall (b) of Wenquan and Qianyang from 08:00 on 24 to 08:00 on 25 August 2016

强对流暴雨出现在500 hPa副高588 dagpm线控制范围内。8月副高异常偏强, 18日588 dagpm大陆副高又一次西伸北抬, 最强盛时(22-23日), 其西北边界到达甘肃河西西部、内蒙古西部。分析18-25日平均高度场[图 2(a)], 大陆副高异常强大, 西脊点伸到青藏高原西部, 脊线呈东西向, 西北地区在副高的控制下; 700 hPa是较大范围温度T≥12 ℃的暖区, 比湿12~15 g·kg^-1(图略); 地面上大暴雨区处在冷锋前部、低压倒槽内(图略)。从暴雨区(34.5°N-35.5°N, 104.5°E-108.5°E)假相当位温θ_se时间、高度剖面图[图 2(b)]可以看到, 24日前, $\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial z}} < 0$, 对流不稳定非常明显, 暴雨区中甘肃平凉站的湿对流有效位能CAPE达1 135 J·kg^-1(24日20:00)。副高控制下, 西北地区高温高湿, 大气层结不稳定, 环境条件非常有利于强对流天气发生。

图 2(Figure 2)

图 2 2016年8月18-25日500 hPa平均位势高度(等值线, 单位: dagpm)及其8月距平场(阴影区, 单位: dagpm) (a)和暴雨区假相当位温θse(b, 单位: K)时间-高度剖面 Figure 2 The average (contour, unit: dagpm) and anomalies (the shaded, unit: dagpm) of geopotential height at 500 hPa (a) and θse(b, unit: K)time-high profile in severe rainstorm areas from 18 to 25 August 2016

在水汽和不稳定条件已具备的环境条件下, 抬升强迫对强对流天气的触发至关重要, 分析强对流暴雨的形成发现, 强对流暴雨的发生与700 hPa低空切变线南压时地面辐合线的形成有密切联系。24日前, 尽管环境场高温高湿、大气层结不稳定, 西北东部有一些对流降水, 但没有明显冷空气的扰动, 降水比较小。24日, 700 hPa低空切变线向南移动时, 地面风场辐合线形成, 触发中尺度对流系统, 中尺度对流系统开始活跃, 产生强对流暴雨。强降水过后, 25日500 hPa大陆副高仍然控制西北地区, 但不稳定能量释放, $\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial z}} > 0$, 大气层结转为稳定, 暴雨区中平凉站(图 3)的湿对流有效位能CAPE值迅速减为0 J·kg^-1, 700 hPa比湿q明显下降到8 g·kg^-1, 偏南风转为偏北风, 冷空气南压, 气温T下降到9 ℃, 这些特征表明强降水触发系统发生在低层。

图 3(Figure 3)

图 3 2016年8月23日08:00至25日20:00平凉观测站CAPE、700 hPa比湿和气温的演变 Figure 3 The evolution of CAPE, specific humidity and temp- erature at 700 hPa of Pingliang observation station from 08:00 on 23 to 20:00 on 25 August 2016

应用ECMWF细网格资料, 分析700 hPa风场, 17:00宁夏南部至甘肃中部出现一条长度约220 km、方向呈东东北—西西南、东北风与西南风的切变线, 位于500 hPa副高588 dagpm线内。切变线移动过程中, 其东段移速较快, 20:00切变线转为东西向的横切变线压在甘肃平凉到定西一带, 23:00切变线东段在六盘山东侧加深为低涡, 此后低涡与切变线合并, 整体南压(图略)。700 hPa切变线的形成, 导致低层动力不稳定和辐合上升明显增强, 由暴雨区(34.5°N-35.5°N, 104.5°E-108.5°E)垂直速度-时间剖面图[图 4(a)]可以看到, 强降水发生前上升运动很弱, 当700 hPa切变线形成后, 24日上升运动明显加强, 且低层到500 hPa都为上升运动, 动力场的切变扰动发展到强盛阶段, 有利于强对流降水天气的产生。

图 4(Figure 4)

图 4 2016年8月1825日暴雨区垂直速度-时间剖面(a, 单位: Pa·s-1)及24日17:00至25日06:00逐时地面辐合线(黑色实线)演变和短时强降水区域(灰色阴影区)(b) Figure 4 The time profile of vertical velocity in heavy rains areas from 18 to 25 (a, unit: pa·s-1), the evolution of hourly surface convergence line (black solid line) and the areas of short time heavy rainfall (the grey shaded) from 17:00 on 24 to 06:00 on 25(b) August 2016

分析地面中尺度系统演变, 强降水伴随地面辐合线出现, 表明地面辐合线对触发中尺度对流系统、造成强降水起到关键作用。随着700 hPa切变线南压, 东北气流携带小股冷空气先于天气尺度冷锋到达暴雨区, 冷锋前中尺度辐合线形成, 中尺度对流系统开始活跃。由于西北东部的特殊地形, 地面上形成了两条辐合线:一条在六盘山以西, 另一条在六盘山东侧[图 4(b)], 影响系统进入500 hPa副高控制下高温高湿、大气层结不稳定区域, 造成西北东部强对流降水。仔细分析10 min地面要素加密资料及1 h降水量, 17:00六盘山以西辐合线形成, 此后辐合线向东南方向移动, 19:00开始成片的短时强降水在辐合线附近出现[图 4(b)中阴影区域], 总体跟随复合线移动, 造成甘肃中部的短时强降水和暴雨。强降水的出现使不稳定能量释放, 同时地面上风场辐合减弱, 有利于强降水的热力、动力条件减弱, 21:00后辐合线消失, 强对流降水结束。此时六盘山东侧辐合线形成, 辐合线在移动过程中, 由于地形影响分裂为两段, 辐合线东段继续向东南方向移动, 短时强降水区域伴随辐合线移动, 22:00以后, 辐合线不清楚了, 但风场上仍然有分散的小辐合区, 短时强降水区向东南方向移动, 影响甘肃平凉及关中平原以北的地方, 并持续到25日02:00;辐合线西段移到陕西关中西段时(23:00), 沿峡谷进来的偏北风改变为沿地形走向的西北风, 并与环境风场的东北风形成南北向辐合线, 在冷空气的推动下, 沿关中平原向东移动, 短时强降水区域伴随辐合线也向东移动, 形成甘肃东部和陕西关中的暴雨区。

对流系统的移动速度、移动方向上降水系统的尺度和强弱决定了强对流降水的大小。由区域站逐时降水量可知, 这次降水来势猛, 雨强大, 整体上西北地区短时强降水持续了较长时间, 但对某一个地方来说短时强降水时间并不长, 降水量最大的甘肃天水温泉和陕西陇县千阳, 短时强降水持续2 h, 观测事实表明, 造成这次短时强降水的对流系统移动快、移动方向上降水系统强。

对流系统的传播受风暴内部结构以及与风暴相互作用的外部环境特征的影响, 如动力强迫和风暴引起的阵风锋辐合、风场辐合线和地形特征等(俞小鼎等, 2006)。分析中尺度对流系统演变发现, 六盘山东侧中尺度对流系统的发展与六盘山东侧地面辐合线相对应, 对流系统传播方向的改变是西北东部特殊地形造成的。

19:30开始, 大面积的层积混合回波已经在六盘山及其东侧形成, 较强降水回波呈东北—西南向带状分布[图 5(a), 红线位置, 标注B], 最强回波大于40 dBz, 回波带位于地面辐合线附近。回波带随着地面辐合线向偏南方向移动, 20:00造成六盘山东侧(甘肃平凉)成片的短时强降水, 小时最大降水量达35 mm, 当雷暴云开始出现强降水时, 向外辐散的下沉冷空气在地面附近向外流出, 冷出流边界与暖湿的环境大气之间交汇形成辐合, 触发新的雷暴(张培昌等, 2011)。雷暴冷出流边界的影响在雷达组合反射率图上表现为在回波带B的东南侧触发了一串新的、分散的对流单体, 形成一条新的带状回波B1[图 5(b)], 与地面等温线(图略)的走向基本一致, 新单体远离对流回波带B, 意味着中尺度对流系统传播速度加快, 新单体取代老单体, 对流回波带B强度减弱。19:30-21:30对流回波带主体的移动方向与对流系统的传播方向一致, 都向偏南方向移动, 中尺度对流系统整体向南快速移动。

图 5(Figure 5)

图 5 2016年8月24日19:30至25日04:30雷达组合反射率演变(单位: dBz) 红线表示对流回波带位置 Figure 5 The radar combination of reflectivity factor from 19:30 on 24 to 04:30 on 25 August 2016.Unit: dBz.Red line is the location of echo band

此后, 对流回波带的形状特征不清楚了, 原因是当对流回波带向南移到接近关中平原时, 特殊地形的影响, 使对流回波带西段加强, 东段减弱, 对流回波带西南部又有新的对流单体出现[图 5(c), (d)], 位置在关中平原西端。由地面风场加密观测分析可知, 沿六盘山南下的偏北风进入关中平原西部时, 改变为沿地形走向的西北风, 与环境风场的偏东风形成南北向辐合线, 辐合线触发了新的对流单体, 辐合线后部的西北风速加大到8 m·s^-1, 冷空气不断从关中平原西部灌入, 到23:00在关中平原西部形成一条新的南北向的对流辐合带[图 5(e), (f), 红线C位置], 此后对流辐合带沿地形走向自西向东移动, 由25日00:54的回波演变[图 5(g)]可清楚看出, 新的更强的回波单体在其东南方生成, 并呈东北-西南向排列, 中尺度对流系统由向南传播转为向东传播。中尺度对流系统在向东传播期间, 雷暴冷出流边界与地面辐合线的共同作用使雷暴加强, 在下风向触发新的对流单体, 由雷达回波的演变可以看到, 大于50 dBz的强回波单体总是出现在回波带C的东侧, 中尺度对流系统继续向东传播, 对流回波带C沿关中平原地形走向自西向东移动, 造成陕西关中的强降水和暴雨。

分析雷达组合反射率因子场的演变可知, 17:00六盘山以西出现对流回波, 18:00发展为长度约140 km的对流回波带, 与地面辐合线对应, 方向也呈东东北-西西南, 对流回波带(图 5, 红线A位置)中对流单体结构较为松散, 强度达35 dBz, 给甘肃中部的定西造成49.3 mm的短时强降水。对流回波带整体随地面辐合线向东南移动, 影响甘肃定西、天水, 由于对流回波带较窄, 回波带的走向与其移动方向基本垂直, 因此, 所经之处短时强降水持续时间不是很长, 如最先出现短时强降水的定西云田、降水量最大的天水武山县温泉, 短时强降水持续2~3 h, 呈现出降水强度大、来势猛的强对流降水特征。

在中纬度地区, MCS是暖季强降水的主要贡献者(Doswell et al, 1996; 陈明轩等, 2013, 张家国等, 2015)。仔细分析FY-2E高分辨率红外云图, 由24日17:00至25日08:00逐时对流云团的变化, 发现先后有2个MCS在不同时间分别造成了甘肃中部和六盘山东侧的短时强降水和暴雨。

17:00, 六盘山以西、位于甘肃中部的地面辐合线激发出一串孤立的小对流云团, 这些孤立的对流云团沿地面辐合线分布, 对流云团经过2 h的发展, 演变为3个较强的对流云团[图 6(a), 标为A1、A2、A3], 并逐渐合并发展为MCS, [图 6(b)中A云团], 其生命史达8 h。MCS在发展过程中, 强度加强, 范围扩展, 但移动缓慢, 21:00-23:00是MCS发展最强盛的时段, 在2 h内几乎呈准静止状态, 形状呈椭圆形, 由新生时孤立的γ中尺度对流云团发展成为β中尺度对流云团, 给定西、天水带来小时降水量达50~79 mm短时强降水。

图 6(Figure 6)

图 6 2016年8月24-25日FY-2E红外云图演变(单位: K) A、B表示MCS Figure 6 FY-2E infrared satellite cloud images in the eastern part of Northwest China during 24-25 August 2016.Unit: K.A and B represent MCS

19:00, 另一个MCS(图 6中B云团)在六盘山东侧发展形成, 其生命史大于9 h。追踪B云团逐小时变化发现, 造成强降水的中尺度对流系统演变有两个阶段:第一阶段, 24日23:00至25日01:00[图 6(c)~(e)], B云团发展成为MCS, 强度明显加强、范围明显扩大, 形状基本呈圆形, 强中心(云顶亮温低值区)也呈圆形, 快速发展加强的MCS造成甘肃平凉、陕西关中西部50~69 mm·h^-1的短时强降水。第二阶段, 25日02:00-08:00[图 6(f)~(h)], MCS发生变化, MCS下风向与其前部的小云团合并加强, 强中心发展为2个[图 6(f)], 此后强中心形状发生变化, 由圆形转为东西带状[图 6(g)], 强中心的位置也发生变化, 由云团中心, 变为云团下风向, 即云团东侧[图 6(h)], MCS移动方向发生改变, 移动加快, MCS由第一阶段的向南扩大范围变为明显的向东移动, 给陕西关中中东部带来50~70 mm·h^-1的短时强降水, 由上述雷达组合反射率因子的分析可知, 这是中尺度对流系统传播发生变化的结果。

中尺度对流系统的传播受多种因素的制约, 发生在六盘山东侧的中尺度对流系统先向南传播, 然后转为向东传播, 其传播方向的改变与西北地区东部复杂地形有密切关系。六盘山是位于宁夏回族自治区西南部、甘肃东部、南延至陕西西端宝鸡以北的狭长山地, 山脉走向近北北西南南东, 山脊海拔超过2.5 km。关中平原东西长约300 km, 向东开阔, 向西收缩, 呈喇叭口地形, 东部最宽达100 km, 窄的地方仅20 km, 海拔0.3~0.8 km, 其南边为秦岭山脉中段, 海拔2~3 km。关中喇叭口地形以及秦岭山脉在六盘山东侧中尺度对流系统的发生、发展及传播中起到了关键作用。

分析10 min间隔的地面加密风场, 天气尺度背景下, 风暴形成前(24日17:00), 西北东部处在东北-西南向的地面冷锋前部, 环境风场为偏北气流, 偏北气流到关中平原时, 受地形影响由东向西灌入关中平原的喇叭口地形, 转为偏东气流, 但并没有中尺度对流系统发展。东北气流携带的冷空气受到北北西-南南东走向的六盘山阻挡, 只能在六盘山东侧沿着山脉南下[图 7(a)], 南下的冷空气沿峡谷到达关中平原西段时, 再往南又受到秦岭的阻挡, 由偏北风转为西北风, 迎面与由东向西灌入关中平原的偏东风形成南北向辐合线[图 7(b)], 触发新的对流系统, 使对流系统由向南传播转为向东传播, 地面辐合线由最初的东西向转为南北向[图 7(c)]。由温度场上等温线的变化可以看到, 在辐合线的东侧, 即对流传播前方的环境场是明显的暖湿区, 而在辐合线的西侧, 即对流传播后方是沿峡谷进来的冷空气及对流降水造成的冷区, 冷暖空气交汇对雷暴的加强起到重要作用, 同时冷区推动辐合线沿关中平原自西向东移动, 对雷暴和短时强降水的持续也起到重要作用。

图 7(Figure 7)

图 7 2016年8月24-25日地面风场(风羽, 单位: m·s-1)、辐合线(黑色双实线)、等温线(红色虚线, 单位: ℃)以及短时强降水区域(阴影)的演变 Figure 7 Evolution of the wind field (barb, unit: m·s-1), convergence line (black double solid line), isotherm (red dotted line, unit: ℃) and areas of short time heavy rainfall (the shaded) from 24 to 25 August 2016

复杂地形下, 盛行气流转向, 形成地面辐合线, 导致近地面动力、热力不稳定和辐合上升明显增强, 使对流风暴增强, 同时, 特殊的地形也改变了对流系统的传播方向, 造成了关中平原的强对流降水。

(1) 西北地区在500 hPa副高588 dagpm线控制范围内、水汽和不稳定条件已具备的环境条件下, 抬升强迫对强对流天气的触发至关重要, 当低层切变线形成后, 动力场的切变扰动发展到强盛阶段, 有利于强对流降水天气的产生。

(2) 地面辐合线对触发中尺度对流系统、造成强降水起到关键作用, 雷暴单体在辐合线附近强烈发展, 短时强降水伴随地面辐合线出现, 整体随辐合线移动。

(3) 先后有2个MCS在不同时间, 分别造成了六盘山以西和六盘山东侧的短时强降水和暴雨。造成六盘山以西、甘肃中部短时强降水的MCS, 生命史达8 h, 在发展过程中, 强度加强, 范围扩展, 但移动缓慢。起源于六盘山东侧的MCS, 生命史达9 h, 其发展过程中先以强度明显加强、范围明显扩大, 形状基本呈圆形, 强中心也呈圆形为特征, 造成甘肃平凉、陕西关中西部的短时强降水。当中尺度对流系统传播发生变化, 即向南传播变为向东传播, MCS强中心发展为2个, 强中心由圆形变为东西带状, 强中心的位置由云团中心变为云团下风向, MCS移动方向改变, 移速加快, MCS由向南扩大范围变为明显的向东移动, 造成陕西关中中东部的短时强降水。

(4) 六盘山以西的对流系统, 整体随着辐合线向东南方向移动, 当有利于强降水的热力、动力条件减弱后, 对流系统减弱消失; 六盘山东侧的对流系统, 先是随着辐合线整体向偏南方向移动, 但受西北东部复杂地形的影响, 低层盛行气流进入关中平原受到秦岭的阻挡, 沿六盘山南下到关中西端的偏北风转为沿地形走向的西北风, 与由东向西灌入关中平原的偏东风形成南北向辐合线, 触发新的对流系统, 使对流系统的传播方向发生变化, 由向南传播转为向东传播。