一次中-γ尺度短时大暴雨的成因及可预报性分析

肖贻青，娄盼星，刘菊菊，刘胜男

(1.陕西省气象台，西安 710014；
2.秦岭和黄土高原生态环境重点实验室，西安 710000；
3.陕西省气象科学研究所，西安 710016)

对流性降水是汛期最主要的灾害性天气之一，具有突发性和局地性的特点，短时间内往往造成较大的降水量，造成城市内涝，并引发山洪、泥石流和中小河流洪水等地质灾害，造成巨大的经济财产损失和生命安全威胁，因此短时暴雨已成为气象预报服务中的重点和难点[1-5]。

近年来随着新型观测资料的多样性及中尺度数值模式的快速发展，许多学者对短时暴雨进行了更深入的研究，并取得了一些有意义的成果。尉英华等[6]对天津一次局地短时大暴雨过程的分析结果表明，低涡切变和偏东风作用下的中尺度对流系统主导了大暴雨的形成，风速辐合强迫产生的上升气流是中-γ尺度对流单体的重要触发机制。王晓丽等[7]对山西南部一次β中尺度短时暴雨的分析认为，副高边缘和低层切变线附近激发了对流系统。张宇星等[8]对河南一次短时大暴雨的成因分析表明，低涡切变是主要影响系统，冷空气和地面辐合线是短时强降水的触发机制，低空西南急流为暴雨提供了动力及水汽条件。大部分短时暴雨都是在中高层有明显天气尺度系统强迫下产生的[9-13]，但也有一部分研究认为在中高层天气尺度系统弱强迫下，依然可以发生极端短时强降水，此时边界层系统具有明显的指示意义[14-15]。同时地形作用对短时暴雨也有重要影响[16-19]。陈豫英等[20]认为，低空急流配合地形可触发暴雨中小尺度系统，且地形的抬升和收缩作用使辐合上升运动加强[21]，喇叭口对降水的增幅作用明显[22]，以及迎风坡的显著辐合抬升[23-24]，均可造成局地大暴雨。

2021年7月22至23日，陕西省东部的秦岭山区发生了一次短时大暴雨过程。由于其突发性强，降水量大，周围地形复杂及河口流域众多，降水时段恰为夜间，造成了重大财产损失。且过程为中-γ尺度，无明显的强天气尺度系统强迫，预报难度大，因此有必要对其成因和可预报性进行分析，以加强对秦岭山区短时暴雨机理的认识，提高预报准确率和预报服务效果。本文所使用的资料包括中国气象局自动气象站、区域气象站常规观测数据、FY-4A卫星资料、ERA-5再分析数据、多普勒雷达数据和多模式预报数据。

2021年7月22日18时至23日10时，关中东部商洛市、渭南市山区多地出现了短时暴雨，有33站过程累计降水量超过50 mm，7站超过100 mm，最大降水量173 mm(图1a)，位于商洛市法官镇。强降水范围非常小，具有一定的局地分散性。从短时强降水站数和1 h最大降水量的时间演变可以看出，主要降水过程从20时开始，呈先加强后减弱再加强的趋势，具有间歇性。23日00时后短时强降水的站数和小时雨强随着时间增强，02-04时达到最强，最大1 h降水量达到86.5 mm，属于极端短时强降水(图1b)。此次灾害造成312国道、101省道部分道路因水毁中断，华州区金堆镇等山区突发暴雨引发山洪，导致多条河流水位暴涨；
商洛市、洛南县、商州区、山阳县多地房屋倒塌、道路中断、电力中断，基础设施损毁严重，受灾人数达数十万，造成经济损失上亿元。

图1 陕西省2021年7月22日18时至23日10时累计降水量分布(a)和商洛市及周边地区1 h最大降水量及>20 mm/h站数时间演变(b)

22日20时的中尺度分析显示(图2a)，陕西东部中高层没有明显的影响系统，天气尺度动力条件弱，但低层和边界层受远距离台风外围的偏东风影响，850 hPa及925 hPa均存在低空急流，急流轴中心风速最大为15 m/s，为短时大暴雨区输送了大量水汽和能量，使该区域成为显著湿区，温度露点差≤3 ℃；
且该区域位于急流前部的风速辐合区，容易产生水汽辐合和质量辐合或强的上升运动，有利于强对流活动发展。同时500 hPa短波槽后的弱冷空气向南侵入，使850 hPa与500 hPa温差>25 ℃，大气热力不稳定强，为对流的发生提供了有利的热力环境。地面上存在中尺度的辐合线及干线，有利于对流的触发。另外，925 hPa在商洛南部存在干湿区的分界线，显著湿区t-td≤3℃，而显著干区t-td≥10 ℃，这样的干湿交汇区有利于对流出现。

由距离陕西省商洛市最近的探空站河南省三门峡市卢氏站的T-lnp图(图2b)可以看到，该站具有非常强的对流有效位能，为1516.6 J/kg，K指数为42.6 ℃，SI指数为-3.32 ℃，均说明大气处于非常强的不稳定状态。500 hPa附近有干空气层，近地面至800 hPa的比湿为14～20 g/kg，至500 hPa相对湿度均>80%，湿层深厚，意味着在远距离台风外围的水汽输送下，对流层中低层具有高温、高湿的特征。抬升凝结高度TCL为912.8 hPa，自由对流高度为908.8 hPa，位于边界层内，使对流容易触发。925 hPa至700 hPa垂直风切变为12 m/s左右，有利于强对流单体的维持。另外边界层具有较强的偏东风，风速为6～10 m/s。偏东风一方面遇山脉被强迫抬升，产生垂直运动，可触发对流或使对流加强；
另一方面925 hPa在河北南部具有冷中心，冷槽底部可伸至32.5°N，偏东风带来的冷空气可增加大气斜压性，造成低层低值系统发展，从而有利于对流的发生。假相当位温在垂直方向上随高度快速减小(图2c)，500 hPa与925 hPa假相当位温温差超过30 ℃，说明此时大气具有较强的对流不稳定；
925 hPa-850 hPa假相当位温均在75 ℃以上，最高达88 ℃，表明边界层具有高温、高湿、高能，热力不稳定条件非常有利于强对流天气。

图2 2021年7月22日20时中尺度分析图(a)、卢氏站T-lnp图(b)和假相当位温随高度的演变(c)

3.1 地面辐合线特征

22日18时地面风场、露点及小时降水量分布如图3(a)所示，商洛市北部有一条南北向的地面辐合线,该辐合线触发了对流。辐合线一侧为边界层环境气流导致的偏南风，另一侧是西北风，为偏东风在秦岭北麓强迫抬升后在背风坡下沉形成，沿着辐合线出现了0.1～13.0 mm的小时降水量，此时降水强度较小，之后对流逐渐加强。另外从秦岭北麓背风坡下沉的气流造成该区域露点较小，形成弱的干线，露点变化率为1.2 ℃/km左右，在露点梯度大值区附近也出现一些阵性降水。地面辐合线在该地区长时间维持，对流沿着辐合线不断生成发展，并使多站在过程期间出现了20～40 mm/h的强降水。此时山阳西侧也出现了地面辐合线，但对流还未明显发展，降水较小。随着地面风场的变化，到23日02时(图略)，山阳附近的地面辐合线移动至其东南侧并有所发展，附近多站出现了10～30 mm/h的强降水，对流沿着辐合线不断发展，造成了多站出现大于50 mm/h的极端强降水。从地面辐合线的变化及过程累计降水量(图3b)可以看出，秦岭北麓及商洛市山阳县附近的地面辐合线位置与短时大暴雨的位置基本吻合，说明地面辐合线是本次强对流过程的触发和维持机制。另外，地面辐合线位置稳定少动，受地形的影响较大。

图3 2021年7月22日18时地面风场、等露点线与1 h降水(a)和地面辐合线变化及过程累计降水量(b)

3.2 地形作用

图4(a)为陕西省商洛市附近地形海拔高度与过程累计降水量。从降水量分布可以看出，商洛市北部的大暴雨分布在秦岭北麓，因偏东风进入关中盆地后加速，并在秦岭北麓被强迫抬升使对流系统加强，在山前和山区造成了多处强降水。商洛市山阳县附近的大暴雨则分布在喇叭口的迎风坡地带，该处地面较长时间出现东南风(图略)，由于喇叭口地形的狭管效应，东南风进入峡谷地形后风速增加，同时从低海拔向高海拔地区爬坡，该区域平均海拔为800 m以上，超过了抬升凝结高度及自由对流高度，则气流在爬升阶段可加强上升运动，从而促进短时强降水。从短时强降水最强时刻23日02时110°E的垂直速度的剖面(图4b)也可以看到，商洛市境内33°-34°N，700 hPa以下存在上升运动，最大垂直速度为-5×10-1Pa/s，位于850 hPa附近，近地层的较小，说明地形抬升加强了上升运动。上升运动中心位于33.5°N附近，即山阳的大暴雨区，说明地前抬升对山阳附近短时大暴雨有重要作用。同时在秦岭北麓34°-35°N具有正的垂直速度，为偏东风强迫抬升后在背风坡引起的下沉运动。

图4 陕西省商洛市附近地形海拔高度和过程累计降水量(a)与2021年7月23日02时沿110°E垂直速度剖面图(b)

22日21时(图5a),在渭南与商洛交界处的地面辐合线附近出现了一个孤立的中-γ尺度的对流云团，中心云顶亮温为-42 ℃，尺度约为20 km。该对流云团在秦岭北麓缓慢南移，产生了26 mm/h的降水。另外在山阳附近也开始出现一些弱的对流，对应10～15 mm/h的降水。23时(图5b)，南移的对流云团在翻越秦岭过程中逐渐消散，下山后在地面辐合线的作用下再加强，云顶亮温值为-40 ℃，带来局地41 mm的小时降水量；
商洛市山阳县以东对流有所发展。23日01时(图5c)，商洛市北部的对流云团在山区上空发展为椭圆状对流单体，中心云顶亮温达-52 ℃，降水范围明显扩大，但由于对流云团减弱较快，因此小时累计降水量不大，多站出现10～20 mm/h的对流性降水；
而商洛市山阳县的中-γ尺度的对流云团造成了附近多站大于20 mm/h的短时强降水。03时(图5d)，商洛市北部的对流云团原地减弱；
受地面辐合线影响，山阳县本地生成的对流云团增强，冷云区面积增加，云顶亮温达到-52 ℃以下，导致山阳县境内最大1 h雨量达到52 mm；
与此同时在渭南市和商洛市交界处山区上空有新生的对流云团移入并发展，云顶亮温为-30 ℃左右，致秦岭北麓多站出现20～30 mm/h的短时强降水。05时(图5e)，北部的对流云团在地面辐合线的作用下继续发展，在秦岭北麓及山阳县峡谷区内造成了多站大于20 mm/h的短时强降水，而南部的对流云团开始东南移，即将离开商洛市。07时(图5f)，商洛市北部在地面辐合线的作用下，再次生成新的对流云团，由北向南缓慢移动，直到10时左右完全离开商洛市境内。整个过程中-γ尺度的对流云团的云顶亮温为-20～-52 ℃，对流云团受地形阻挡在山区上空移动缓慢，并在地面辐合线的触发下不断有新对流云团生成发展，从而造成了具有地形特征的短时大暴雨。

图5 2021年7月22日21时(a)、23时(b)及23日01时(c)、03时(d)、05时(e)、07时(f)云顶亮温及对应1 h降水量

由商洛市商州站雷达的组合反射率分析可知，20:00(图6a)商洛市北部与渭南市交界处地面辐合线触发了对流，形成了一些分散的对流单体，中心反射率因子强度小于45 dBZ，受山体阻挡作用向南缓慢移动，此时的降水强度不大；
商洛市商州站及山阳站附近则在地面辐合线的触发下，出现的强对流单体中心最大反射率因子大于50 dBZ，对应产生了大于10 mm/h的对流性降水，雷达回波整体呈絮状，为典型的层积混合云回波。由21:59(图6b)的反射率因子可以看出，商洛市洛南站附近至秦岭北麓的对流单体在地面辐合线的维持下发展，位置变化较小，山区上空反射率因子强度有所加强，造成了最大30 mm/h以上的强降水。到23日00:49(图6c)，系统明显发展，洛南北部至秦岭北麓的对流在原地发展，强回波面积增加，而商洛市商州站西部的强回波中心向东北方向移动发展，与秦岭北麓的对流合并加强；
同时山阳站东部的对流随着基本气流向西移动，并逐渐发展，其大于40 dBZ的强回波伸展到5 km，表明积云发展深厚，有利于强降水产生。02:14(图6d)，洛南站西部与秦岭北麓的对流回波强度稍有减弱，但受山体阻挡作用,位置基本维持不变；
而山阳站东部的对流移至山阳站附近，受喇叭口和迎风坡的地形影响而明显发展，对流单体中嵌有大于45 dBZ的反射率因子长时间维持，强回波伸展到5 km以上。由于对流单体无法翻过高山而长时间在原地维持，且不断有新的回波移入山阳县境内，造成列车效应，从而多站出现30 mm/h以上的强降水，86.5 mm/h的极端强降水。04:14(图6e)，秦岭北麓的对流单体合并加强，在山脉上空维持45 dBZ的反射率因子，使商洛市北部山区的强降水持续，对应出现大于30 mm/h的强降水；
山阳县的对流系统03:00后向东南方向移动，系统中存在尺度非常小的大于50 dBZ的回波，同时其西部也开始有新的对流单体生成并向东移动经过山阳县，使该地持续受列车效应影响，出现44 mm/h的强降水。06:13(图6f)，在大片层积混合云内，洛南站西北部至秦岭北麓的对流在山区上空发展和维持，还有大于45 dBZ的强回波发展，导致局地雨强依然较大；
山阳站附近的对流单体在东南移动中逐渐消散，降水强度明显减小。

图6 2021年7月22日20:00(a)、21:59(b)及23日00:49(c)、02:14(d)、04:14(e)、06:13(f)商州雷达组合反射率因子

01：06商洛雷达2.4°仰角(图7a)的径向速度图上，山阳县东南部出现速度模糊(白色圆圈处)，经过速度退模糊后，出现大于12 m/s的东南风低空急流，有利于向强降水区源源不断地输送水汽，且有正负速度对形成的气旋性辐合中心(白色方框处)，有利于水汽辐合和低层上升运动加强。该东南风低空急流一直维持至04：00前，从而持续为山阳的强降水提供水汽，同时东南风在迎风坡被地形抬升，从而加强短时强降水。04：02商洛雷达2.4°仰角的径向速度图上(图7b)，秦岭北麓存在中尺度气旋性辐合中心(上部白色方框处)。该辐合中心的垂直高度达到4 km以上，持续时间达2 h以上，有利于长时间水汽和质量的辐合上升，从而造成该区域较长时间的短时强降水，此时山阳的气旋性辐合中心(下部白色方框处)依然存在。

图7 2021年7月23日01:06(a)和04：02(b)商洛雷达2.4°仰角的径向速度图

综上可知，此次过程主要是回波强度为30～45 dBZ的大片层积混合云在山前或山上稳定少动，并在地面辐合线的持续影响下有对流不断生成和发展引起。由于地面辐合线位置变化较小，秦岭北麓对流回波的南移幅度小，对流回波长时间维持在该地区而导致大暴雨。山阳站附近的对流回波开始向西移动，在迎风坡被抬升后发展，由于无法翻越山脉而长时间位置不变，之后受西部不断新生的对流单体移入境内影响，造成列车效应，从而产生短时大暴雨；
且局地有大于45 dBZ的强回波发展到5 km以上，有利于降水效率提高。对流层中下层低空急流为短时大暴雨提供了源源不断的水汽，同时气旋性辐合中心有利于水汽辐合和上升运动加强，从而加强降水。

6.1 主观预报及数值模式的可预报性分析

本次过程陕西省气象台及省辖地市气象台订正的22日08时起报的24 h降水量(22日08时至23日08时)主观预报结果(图略)显示,陕西省东部为分散性阵性降水，量级为0～10 mm，局地达10～20 mm，暴雨漏报。全球模式EC、NCEP_GFS，GRAPES_GFS多时次起报陕西省东部主要降雨均是小量级的降雨，短时暴雨均被漏报，而中尺度模式对强降雨的落区、量级和范围预报与实况虽然均存在误差，但具有一定的预报指示意义(图略)。图8为商洛市及周边地区7月22日20时至23日02时(图8a-c)及23日02至08时(图8d-f)的6 h累计降雨量，其中图8(a)(d)为实况，图8(b)(e)为7月22日14时北京模式RMAPS的预报结果，图8(c)(f)为陕西省区域模式3 km产品的预报结果。可以看出,北京模式对22日20时至23日02时即前6 h降水只预报出了一个暴雨区，最大降水量超过60 mm(图8b)，与山阳县的实况暴雨相比位置稍偏东、偏北，但范围和量级预报效果较好，对秦岭北麓及商南县的短时暴雨出现漏报；
23日02时至08时即后6 h降水预报两个短时暴雨中心(图8e)，分别对应秦岭北麓和山阳县，降水量级和范围与实况对应较好，强降水区雨量≥60 mm，但位置偏东、偏南，差异较大。陕西省区域模式3 km产品对前6 h降水预报(图8c)显示有多个暴雨中心，出现了一些空报，与实况相比，对秦岭北麓的降水预报效果较好，强度和范围较一致，但山阳县附近的降水明显预报偏弱，短时暴雨漏报；
后6 h的降水预报(图8f)显示，秦岭北麓的短时暴雨强度、范围与实况基本一致，山阳县附近雨区位置偏东，但整体对这种中-γ尺度的短时大暴雨具有非常好的参考意义。

图8 商洛市及周边地区2021年7月22日20时至23日02时(a、b、c)和23日02时至08时(d、e、f)的6 h累计降雨量

由于此次强降水区地形复杂，致使主观预报及全球模式对本次暴雨过程缺乏预报能力。而中尺度数值模式预报的降雨的尺度、量级、落区与实况相对接近，但会出现空报的情况，在业务预报中应对多种中尺度模式加以分析，结合当地的强降水预报经验，筛选出可用的信息。

6.2 触发机制可预报性

在较强的热力不稳定环境下，短时暴雨的发生与触发机制有重要关系。7月22日08时EC模式预报的22日20时地面风场(图9)显示，位于秦岭北麓的关中平原为一致的偏东风，其南部有东南风在山前形成暖式切变。根据实况，偏东风在秦岭北麓被强迫抬升，下坡后转为西北风，与偏南风形成地面辐合线,从而触发对流；
山阳县附近模式预报为一致的东南风，未能形成地面辐合线，也无法触发对流。表明模式对地面的局地中小尺度系统预报能力不足，亦未考虑地形的强迫抬升，同时也说明该过程中地形的重要作用。

图9 2021年7月22日08时EC模式预报的22日20时地面风场与海拔高度

本次过程是在高温、高湿、高能环境条件下发生，具有强的对流有效位能、较低的抬升凝结高度，中小尺度扰动就能触发强烈的短时暴雨。陕西省东部的山地、丘陵地形复杂，地面易形成局地辐合线、涡旋等中小尺度扰动，触发对流。但目前数值模式对地面中小尺度的扰动描述存在较大的误差，从而造成对触发机制的预报偏差，导致暴雨漏报。

此次短时大暴雨过程是由中-γ尺度的对流云团造成，降水强度大，持续时间长，分散性强。通过天气背景及多种资料和多模式分析，得到以下结论：

(1)台风外围的偏东风造成850 hPa和925 hPa低空急流持续输送大量水汽，使陕西省东部低层大气具有高温、高湿、高能的特征，增强了大气不稳定性，同时抬升凝结高度和自由对流高度非常低，为本次短时大暴雨提供了有利的环境条件。

(2)此次过程具有明显的地形特征，强降水主要发生在山区及迎风坡，地面辐合线是对流的触发机制。秦岭北麓地形对偏东风有强迫抬升作用，山阳县附近的喇叭口状的迎风坡也有利于加强上升运动，促进对流发展，造成降水量增加。

(3)由于地面中尺度辐合线稳定少动，加之山脉阻挡，因而对流云团长时间维持在秦岭北麓一带，出现短时大暴雨。山阳县附近的短时大暴雨则是由于不断有新生的对流单体移入该区域造成列车效应引起的，45 dBZ以上的强回波发展到5 km以上、气旋性辐合中心与对流层中下层偏东风急流的共同作用造成了局地极端短时强降水。

(4)此次过程，全球模式与主观预报24 h短期预报能力较差，主要原因是不能准确地预报中小尺度的触发机制，对地面中小尺度扰动的描述存在较大的误差，并对地形作用考虑不足。中尺度模式具有较好的参考意义，尤其是陕西省区域模式3 km预报产品对本次短时暴雨的落区、范围和强度把握较好。