陕西中部一次致灾暖区大暴雨的中尺度特征及成因

Convective Characteristics and Mechanism of a Local Heavy Rainfall in Central Shaanxi

摘要

利用高空观测、自动气象站、卫星、雷达、欧洲中心ERA5再分析资料等对2022年7月14—15日陕西关中蒲城特大暴雨的中尺度对流系统特征及成因进行分析。结果表明：此次暴雨过程发生在副热带高压边缘的暖区中，降水前环境场具备高湿高能及不稳定条件。极端降水由α、β和γ中尺度对流系统共同造成，暴雨云团经历2次后部对流新生、再次旺盛发展的过程。第一阶段β中尺度对流单体发展旺盛，低层偏东风加强带来持续高效的水汽辐合，中等强度的垂直风切变维持及增强造成热力垂直螺旋度增长，导致强涡旋运动维持，是暴雨云团合并增强、组织化发展的重要机制。第二阶段由α中尺度暴雨云团后部新生的γ中尺度对流单体造成，该系统尺度小但生命史长，上冲云顶高，雷达风场气旋式辐合维持导致低质心、高云顶的倾斜深厚湿对流单体后向传播进而产生持续高效的降水，是陕西关中东北部蒲城极端强降水的直接原因。

Abstract

Using FY-4A satellite and radar data, regional automatic station data, European Center ERA-5 reanalysis data, the structure characteristics of the mesoscale convective system at the edge of the subtropical high in the northeast of Guanzhong, Shaanxi Province on July 14-15, 2022 and the causes of the local special heavy rainstorm were studied. The results indicated that the extreme precipitation was caused by the mesoscale convective systems of α,β and γ . The northeast Guanzhong is located in the warm sector of the Subtropical High. The shear of the 700 hPa low-vortex was maintained in the central and northern parts of Shaanxi, with unstable environmental conditions of high temperature and high humidity near the surface. The strengthening of low-level easterly wind brought about continuous water vapor convergence, the maintenance and enhancement of medium intensity vertical wind shear caused the growth of helicity, and the maintenance of strong vortex movement were important mechanisms for the consolidation and enhancement of rainstorm. The backward propagation of mesoscale convective cells was caused by the cyclonic convergence and maintenance of radar wind fields, which resulting in the "train effect" of the backward propagation of inclined deep moist convective cells with low centroids and high cloud tops. The continuous and efficient precipitation was the direct cause of the heavy precipitation in Pucheng area in the northeastern Guanzhong, Shaanxi Province.

Graphical abstract

关键词

暴雨云团 / 垂直风切变 / 热力垂直螺旋度 / 后向传播

Key words

rainstorm cloud cluster / vertical wind shear / thermal vertical helicity / backward propagation

黄土高原属干旱半干旱气候，全年降水偏少且分布不均，暴雨的发生易导致水土流失严重，诱发山洪、泥石流、城市内涝等次生灾害，造成严重的人员伤亡和财产损失，暴雨的精细化预报对于防灾减灾意义重大。陕西位于黄土高原中部，特殊的地理位置、地形和气候状况导致陕西暴雨有一定的复杂性。在西北暖湿化的气候背景下，近年来黄土高原短时暴雨呈多发趋势^[1-3]。短时暴雨空间尺度小、生命期短、突发性强、致灾性强，中小尺度对流系统的发生发展决定暴雨落区和强度，对于该类天气数值预报存在较大偏差，是预报工作中的难点和重点。

在有利的大尺度环流形势下，中小尺度对流系统是造成暖区致灾大暴雨的直接影响系统，降水效率和持续时间共同决定降水量大小^[4-5]。近年来，学者深入剖析了华南、长江中下游、江南暖区暴雨的环境条件和天气系统配置 ^[6-8]。低空急流^[9-10]带来有利的动力、热力条件，影响中尺度对流系统加强和传播。地面辐合线^[11-12]是中尺度对流系统触发和维持的重要因子。空间形态、尺度大小、生命史不同的中尺度对流系统常具有不同的降水特征^[13-14]，发展环境具有明显的地域特点^[15-16]，尤其是在副热带高压边缘，由于其动力热力条件和稳定度的复杂性，常有对流性天气发生发展。已有研究对暖区致灾大暴雨的发生发展有了一定的认识，但陕西中部的个例研究较少，其演变规律和形成机制还有待深入研究。

2022年7月14—15日陕西暴雨天气是年度最强区域暴雨过程，致灾性强，多站突破历史极值。14日下午至15日凌晨为副热带高压边缘暖区内局地大暴雨，暴雨云团经历2次发展过程，模式对此类暖区暴雨的预报准确率低。本文利用中国FY-4A气象卫星逐小时红外云顶黑体辐射亮温（TBB）云图资料、多普勒雷达资料、高空观测、地面加密自动气象站资料和欧洲中心ERA5再分析资料，对此次过程的环境条件、中尺度对流系统的组织结构特征及成因进行分析，以增强预报员对此类致灾性、突发性重大天气事件的认识，提升预报精准度。

1 降水实况

2022年7月14日下午至15日凌晨，陕西关中东北部出现大暴雨、局地特大暴雨。7月14日16时—15日4时12 h累计降水量＞70 mm（大暴雨）有18站（图1a），位于铜川市和渭南市的北部，＞140 mm（特大暴雨）的2站（东陈、桥陵）均位于渭南市北部的蒲城县，最大为东陈（209 mm），达到极端降水强度；小时雨强（图1b）有2个时次超过50 mm：7月14日22时为64.5 mm，15日1时为70.1 mm。结合降水落区分布可知，此次暴雨过程降水强度大，持续时间短，局地性、突发性强，具有典型的中尺度特征，强降水峰值时段集中，预报难度大。

2 大尺度环境条件

2.1 天气尺度系统

2022年7月14—15日，100 hPa南亚高压呈东部型，控制我国青海以东的中南部地区，高压中心位于甘肃东南部，陕西中北部处于高空显著分流区中，高层气流辐散产生抽吸作用有利于低层低值系统发展。14日8时（图2a），副热带高压（简称“副高”）呈东—西向分布，588 dagpm控制关中、陕西省南部大部，700 hPa甘肃省东部—陕西省南部上空为西南气流，甘肃省东部—延安西部有暖式切变线发展。20时（图2b）副高略有北抬，700 hPa暖式切变线东移至陕西北部，陕西省中部处于暖式切变线南侧的暖区中，副高外围暖湿气流不断向北输送，为暴雨区提供水汽和动力条件。

2.2 垂直环境条件

延安500 hPa以下均为饱和湿层，整层可降水量达49 mm，中低层水平风随高度顺转，暖平流明显。K指数为41 ℃，SI指数为-1.6 ℃，对流不稳定特征明显。850 hPa附近为弱的偏东风，700 hPa为4 m·s^-1的西南风，500 hPa为偏西风，低层和中层垂直风切变分别为3、9.9 m·s^-1，中等强度的垂直风切变为对流发展提供了良好的动力环境条件。对流有效位能CAPE为287 J·kg^-1，按关中北部黄陵站14时地面温度（28 ℃）和露点（24 ℃）进行订正，CAPE达1 370 J·kg^-1，存在较高的对流不稳定能量。20时对流云团移至关中北部，陕北南部延安附近对流不稳定能量有所释放，CAPE及各指数减小。500 hPa偏西气流、700 hPa西南风及低空偏东风增强导致垂直风切变加强，低层和中层垂直风切变分别增大到10.7、13.9 m·s^-1，形成有利的动力环境，利于云团的维持和增长。关中北部在对流开始前具备了较好的水汽条件、较强的对流不稳定能量及动力环境条件。

3 中尺度对流系统的结构与发展演变特征

卫星云顶亮温（TBB）能够反映中尺度对流系统的发生发展演变过程。相继生消的5个不同尺度的中尺度对流系统（MCS）是引发关中东北部强降水的直接系统。

2022年7月14日16:15在延安市西部的黄陵县西北部和富县南部有孤立的点状对流生成，之后两者逐渐合并增强，18时＜-52 ℃的云团直径约110 km，面积为1.2×10⁴ km²，在延安西南部和铜川北部发展旺盛（图3a）。18—19时，该β中尺度对流云团向东缓慢移动，面积增大为1.7×10⁴ km²，发展为α尺度（图3b）。19—20时云团A逐渐减弱，其后部西南侧新生γ尺度单体B形成并发展旺盛（图3c），云顶亮温降至-72 ℃，同时陕西省南部商州北部有新生单体C。21—22时对流单体B和对流单体C发展旺盛（图3d），形成2个近圆形β中尺度对流系统，云团B直径约95 km，云团C直径约75 km。22时云团B面积约为21时的2倍，增大至1.8×10⁴ km²，同时2个云团开始逐渐合并，渭南北部的云顶亮温最低为-80～-90 ℃，造成白水、澄城、蒲城东部及大荔西北部产生短时强降水。22—23时（图3e），对流云团B、C合并形成新云团D，合并过程中云团面积不断增大。23时对流云团呈近圆形分布，直径约200 km。2个β尺度对流云团合并迅速增强，是造成蒲城雨强增大的直接原因。对流云合并在MCS的形成发展过程中起关键作用，合并过程不仅使云团的尺度和强度发生变化，而且明显影响降水效率和地面强降水^[16]。14日23时—15日0时（图3f），对流云团D东移，强度降低，偏东主体区移至省外，强盛的对流仍然在蒲城东部造成强降水（蒲城罕井降水强度为41 mm·h^-1）。15日0—1时（图3g），对流单体D逐渐消亡，但其后部在蒲城有γ中尺度对流单体E再次发展旺盛并维持近3 h，造成蒲城附近再次出现强降水，蒲城东陈15日1时小时雨强为70 mm·h^-1，01:30（图3h）蒲城东部云顶亮温最低达-90 ℃，15日2时（图3i）蒲城紫荆公园小时雨强为65 mm·h^-1，3时后对流单体逐渐东移减弱，进入消亡阶段，降水逐渐减弱。

暴雨云团发生发展过程为：（1）7月14日16—20时，延安南部的点状对流逐渐发展为α中尺度对流单体MCS-A，其后部新生的γ中尺度单体MCS-B在延安南部和铜川旺盛发展造成局地暴雨。（2）7月14日21—23时，MCS-B由γ尺度逐渐发展至β尺度，后合并增强至α尺度的MCS-D，造成关中东北部的蒲城第一阶段强降水。（3）7月15日0—3时，受MCS-D后部新生的γ中尺度对流单体MCS-E影响，造成蒲城第二阶段强降水。该γ中尺度对流系统发展旺盛，生命史长，上冲云顶高。冷云区面积大且维持时间长，降水强度大，移动缓慢造成地面降水持续时间长，局地累积雨量大。以上2个阶段共同造成渭南市蒲城出现局地特大暴雨。

4 蒲城特大暴雨触发及演变机理

4.1 环境热力结构——不稳定、水汽条件

图4为暴雨发生前和发生时沿35°N过暴雨中心的风场和{\theta }_{\mathrm{s}\mathrm{e}}纬向剖面。14日8时暴雨发生前，109°～110°E上空近地层至800 hPa为360 K的高能高湿区，高层500 hPa附近为344 K的低能区，整层为“上冷下暖”的不稳定层结状态，随着近地面层偏东风气流带不断将暖湿气流输送至暴雨区上空，16时（图4a）低层{\theta }_{\mathrm{s}\mathrm{e}}增至364～368 K，800～600 hPa形成{\theta }_{\mathrm{s}\mathrm{e}}\mathrm{梯度}区，低层与高层{\theta }_{\mathrm{s}\mathrm{e}}差值达24 K，{\theta }_{\mathrm{s}\mathrm{e}}随高度递减率增大，表明低层偏东风使暖湿输送增强，层结不稳定性加强。

随着近地面偏东气流持续输送，水汽辐合区逐渐形成。由35°N（蒲城）的水汽通量散度纬向剖面可知，14日18时（图4c）水汽辐合中心位于850～600 hPa，中心达-10×10^-7 g·cm^-2 ·hPa^-1 ·s ^-1～-15×10^-7 g·cm^-2 ·hPa^-1 ·s ^-1，近地面比湿达18 m/s，水汽绝对含量大。14日20时（图4d），水汽辐合层高度由东向西自地面延伸至500 hPa，水汽通量辐合中心在109°～110°E附近，中心最大为-20×10^-7 g·cm^-2 ·hPa^-1 ·s ^-1，对应中高层偏西风与低层东南风的辐合区，表明暴雨区低层有强烈的水汽辐合，近地面偏东风急流为降水区提供了充足的水汽。另外，关中东部地势西高东低，偏东风入流产生迎风坡效应，加强了动力抬升作用，促进云团发展。

4.2 暴雨云团组织化发展成因——垂直风切变与热力垂直螺旋度

沿（109.5°E，35°N）作水平风的垂直廓线（图5a）可知，14日8时850 hPa以下偏东风气流已建立，800～600 hPa为偏南气流，高层转为西南气流，水平风从低层至高层顺时针旋转，有暖平流输送；11时0～6 km高层垂直风切变为10 m·s^-1左右，0～3 km低层垂直风切变逐渐增加，低层偏东风和高层偏西风均呈加强趋势；14时起深层垂直风切增至13 m·s^-1，达到中等强度，之后高层偏西风和低层偏东风均在不断增强，垂直风切变强度不断增加；17时垂直风切变接近15 m·s^-1，不断增长的垂直风切变有利于对流云团的增长和发展，低空垂直风切变表现为先上升后下降；18时垂直风切变达到11 m·s^-1，为过程中最大值；高层垂直风切变19时达到此次暴雨过程中的最大值，为17 m·s^-1，对应暴雨云团A发展至最强阶段；之后垂直风切变呈下降趋势，但中等强度以上垂直风切变维持至14日23时，为暴雨云团B的持续发展提供良好的动力环境条件。垂直风切变增大导致系统动力不稳定增强，在中等以上强度的垂直风切变时，有利于对流风暴形成并组织化发展。

将反映湿大气非均匀饱和特征的广义位温引入垂直螺旋度得到热力垂直螺旋度的概念^[17]，表达式为：

H=\omega \left[\frac{\partial \left(v{\theta }^{*}\right)}{\partial x}-\frac{\partial \left(u{\theta }^{*}\right)}{\partial y}\right]，（1）

{\theta }^{*}=\theta \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[{\left(\frac{q_{\mathrm{v}}}{q_{\mathrm{s}}}\right)}^k{L}_v{q}_s/c_p{T}_c\right]。（2）

式中：\omega为P坐标系下的垂直速度，u，v为水平风速，{\theta }^{*}为广义位温，q_v为水汽比湿，q_s为饱和水汽比湿，k是反映大范围凝结状态与局地凝结现象有关的权重函数的计算系数，一般取k=9。该参数体现了垂直热量通量与相对垂直涡度的耦合作用，另一方面包含了大气湿斜压性等信息。热力垂直螺旋度可表征暖湿空气旋转和沿旋转轴方向运动的强弱程度。图5b给出暴雨区热力螺旋度的时间—高度剖面及垂直环流。7月14日8时，近地层至850 hPa为偏东风；14—17时随着垂直风切变加强，对流云团开始组织化发展增强；17时700 hPa垂直速度增加，上升运动增强，中高层垂直环流建立；19时整层垂直速度超过-2×10^-2 m·s^-1，此时热力垂直螺旋度增大，随后低层正螺旋度中心向对流层中上层发展，强度迅速加强，表明有较强的热量向上输送；20时垂直速度在700～500 hPa较大，中心值超过-3.6 Pa·s^-1，螺旋度最大达8×10^-6 m·s^-2；20—23时，垂直速度与热力螺旋度均为过程中发展最强阶段，上升运动增强导致垂直环流增强，使暴雨云团B迅速发展增强。热力垂直螺旋度大值区代表涡旋运动强烈发展的深厚正涡度柱，垂直风切变加强时间超前热力垂直螺旋度约3 h，暴雨云团形成后，强的上升运动将低层水汽不断输送到高层，垂直风切变增强的动力作用导致热力螺旋度增长，使涡旋运动加强，是对流云团组织化发展和维持的重要机制。

4.3 <bold>MCS-E</bold>机理分析

7月15日0时，暴雨云团D后部新生中γ尺度系统MCS-E。由西安雷达组合反射率因子图（图6）可知，7月14日23时关中东北部有多个γ-MCS再次发展加强，且最大反射率因子持续超过55 dBZ。γ-MCS位于东西向带状分布的β-MCS（＞30 dBZ的回波）后部（西侧），β-MCS随平均气流方向向东移动，在西北侧不断有新的西北—东南向分布的γ-MCS单体生成，地面偏东风与对流单体后部下沉气流辐合，形成由γ-MCS构成的多单体风暴，表现出明显的后向传播特征。

14日23时—15日02:22组合反射率因子极大值持续超过55 dBZ，且在00:58和01:28组合反射率因子极大值达65.5 dBZ，对流风暴强度发展最强，选取01:28沿γ对流单体传播方向作反射率因子剖面（图6b，沿图a中白线作剖面，起始点33.7°,69 km；结束点52.5°,75 km），可见强降水对流单体表现为倾斜结构，对流单体＞50 dBZ的强反射率因子顶高基本位于0 ℃层高度（5.8 km）以下，云底高度较低，表明降水云团性质是低质心暖云降水，该类风暴可造成高效率降水。这与环境条件和结构特征有关，云中粒子蒸发较小，易形成有效的地面降水。较强垂直风切变条件下对流云体发生明显倾斜，有利于暖湿气流从云体前部不断流入，维持对流云发展所需要的热力不稳定能量和水物质供应，同时使下沉气流在后部流出，避免了对流过程中的下沉气流对云中上升气流的抑制作用，使对流得以较长时间维持和发展^[18]。该过程最大反射率因子超过一般短时强降水强度（40～50 dBZ），达到甚至超过深对流主导的极端暴雨事件最大降水强度对应的雷达反射率（55～60 dBZ）^[19]，主要是因为环境水汽含量高，倾斜型深厚湿对流使降水粒子碰并作用明显，造成最大组合反射率因子＞55 dBZ且持续3 h。

1.5°仰角（高度约3 km）蒲城中层引导气流为西南风。径向速度垂直剖面图上，中层可见气流辐合区（图6c中黑色椭圆区域为辐合区），辐合切变产生持续的上升运动，导致γ-MCS旺盛发展，产生强回波。气旋式辐合是强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密关联的小尺度涡旋，气旋式辐合的正负速度＞15 m·s^-1时，风暴可维持较长时间。此次降水过程中的气旋式辐合速度达到该临界值，属于弱中气旋，强风暴持续时间＞3 h。中等强度气旋式辐合的维持是造成多单体风暴持续的原因。本次过程中，对流风暴＞30 dBZ的反射率因子回波顶高＞12 km，对应云顶亮温最低为-90～-80 ℃，上冲云顶高，云层厚度大，说明在暖湿条件充沛的环境下，出现了质心低、云顶高度高的暖区深对流降水回波^[20]，后向传播产生的多个对流单体沿平均气流东移，形成列车效应，导致强降水产生。

5 结论

（1）2022年7月14日下午至15日凌晨，陕西关中东北部出现致灾性暖区大暴雨天气，渭南北部蒲城县降水量多站突破历史极值。此次过程降水强度大，局地性和突发性强，具有典型的中尺度特征，强降水峰值时段集中，预报难度大。

（2）蒲城大暴雨第一阶段由α中尺度和β中尺度对流单体共同造成，强降水主要出现在对流云团中心TBB梯度大值区附近；第二阶段由后部新生的γ中尺度对流单体造成，该系统尺度小但生命史长，上冲云顶高，移动缓慢，降水持续时间长，局地累积雨量大。

（3）低层偏东风急流持续输送充沛水汽，与中层西南气流辐合。中等以上强度的风切变环境有利于对流风暴形成并组织化发展，垂直风切变加强时间超前于热力垂直螺旋度，垂直风切变加强导致热力螺旋度增长，使涡旋运动加强并维持，是对流风暴组织化发展和维持的重要机制。

（4）在副高外围高湿高能环境中，中等强度的垂直风切变动力条件下，雷达径向速度场上气旋式辐合维持，导致低质心、高云顶的倾斜型深厚湿对流风暴后向传播产生“列车效应”，造成持续降水是导致蒲城极端强降水的直接原因。

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基金资助

秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室面上课题(2023G-1)

秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室面上课题(2023G-4)

陕西省自然科学基础研究计划项目(2024-JC-YBMS-217)

气象能力提升联合研究专项(24NLTSZ003)