萬占鑫，肖萬有，喬 戈，任桂萍，馬 寧

(嘉峪關(guān)市氣象局，甘肅嘉峪關(guān) 735100)

甘肅河?xùn)|地處青藏高原東側(cè)邊坡地帶，地形地貌復(fù)雜，受特殊地形的影響，甘肅河?xùn)|夏季天氣復(fù)雜多變，強對流天氣頻發(fā)，冰雹、短時強降水出現(xiàn)頻次高。而另一方面，它深處內(nèi)陸，遠離海洋，屬于典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，短歷時暴雨極易形成山洪、中小河流洪水等災(zāi)害，給人民生命安全和財產(chǎn)安全造成嚴重危害。如何對高原東側(cè)邊坡地區(qū)的強降水天氣進行臨近預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警，已經(jīng)有很多學(xué)者進行了研究。如王寶鑒等[1]、李曉霞等[2]分析了甘肅隴東南暴雨過程的中尺度特征；任余龍等[3]、井喜等[4]、王川等[5]分析了青藏高原東側(cè)暴雨的發(fā)生機制和環(huán)境場；傅朝等[6]分析了甘肅隴東南暖區(qū)暴雨多普勒雷達特征。這些研究總結(jié)分析了青藏高原東側(cè)的暴雨預(yù)報的天氣尺度模型，物理量和不穩(wěn)定能量閾值指標以及中尺度特征等。還有許多學(xué)者[7-13]對我國中東部和西北地區(qū)的強降水暴雨天氣進行了大量分析，取得了很豐碩的成果。然而，由于地形地貌及氣候的不同，處在不同區(qū)域不同季節(jié)的暴雨天氣又有其各自的特點。如2018年7月18日傍晚，甘肅河?xùn)|中西部地區(qū)發(fā)生的局地短歷時暴雨引發(fā)山洪，導(dǎo)致甘肅臨夏州受災(zāi)嚴重，而造成這次暴雨的直接系統(tǒng)是一個中-β尺度的強對流風(fēng)暴。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上利用高空觀測、地面觀測、區(qū)域自動站、FY-2E衛(wèi)星云頂亮溫、蘭州多普勒雷達和NCEP 1°×1°再分析等資料，對2018年7月18日傍晚發(fā)生在青藏高原東側(cè)邊坡地區(qū)的強對流天氣從大尺度環(huán)流背景、物理量場和中尺度特征等方面進行分析，希望對青藏高原東側(cè)邊坡地區(qū)暴雨和強對流天氣的預(yù)報預(yù)警積累一些可用的參考信息。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

所用資料為2018年7月17—19日高空觀測資料、地面觀測資料、區(qū)域自動站資料、FY-2E衛(wèi)星云頂亮溫資料、蘭州多普勒雷達資料和NCEP 1°×1°再分析資料。使用MICAPS、GRADS和雷達PUP等氣象軟件,應(yīng)用天氣學(xué)原理和方法、衛(wèi)星氣象學(xué)、雷達氣象學(xué)和天氣診斷學(xué)等方法對青藏高原東側(cè)邊坡地區(qū)一次強對流天氣進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣實況及災(zāi)情

2018年7月18日19時至19日00時，甘肅臨夏州中部出現(xiàn)了強降雨天氣過程，其中東鄉(xiāng)縣、和政縣和廣河縣部分地方累計雨量達暴雨級別，局部地方達大暴雨量級。圖1a是本次過程18日08時至19日08時累計雨量圖，其中全州共計27個區(qū)域站降雨量超過50 mm，5個區(qū)域站降水超過100 mm，最大累計降水量出現(xiàn)在和政縣梁家寺水庫為166.4 mm。圖1b是2018年7月18日20時至19日00時部分代表站點逐小時降水量分布情況，可以看出此次局地暴雨天氣過程降水主要集中在18日19—22時，具有歷時短、強度大的特點，東鄉(xiāng)縣那勒寺在20—21時出現(xiàn)了小時雨強為82.8 mm的短時強降水，其強度在西北地區(qū)極為罕見。經(jīng)后續(xù)核查，此次強對流天氣引發(fā)的局地暴雨，造成了臨夏州12.1萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積達62 km2，同時由于降水歷時短、強度強、降水時段集中，局地暴雨天氣引發(fā)了山洪暴發(fā)，造成13人死亡，3人失蹤，多處道路、水渠、河提和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施被沖毀，經(jīng)濟財產(chǎn)損失共計約5.64億元。

圖1 2018-07-18T08—19T08甘肅臨夏州累計降雨量圖(a)及部分代表站點逐小時降水量(b)

2.2 大氣環(huán)流背景

強對流天氣一般都是在一定的大尺度環(huán)流背景下發(fā)生的。過程發(fā)生前，100 hPa上南亞高壓呈帶狀分布，東部脊線不斷東伸北抬，過程發(fā)生時，東部脊線正好位于甘肅臨夏州，高空輻散流場利于上升運動維持發(fā)展(圖略)。500 hPa上2018年7月17日中緯度地區(qū)青藏高原西部有高原切變線形成，西太平洋副熱帶高壓西伸脊點位于107°E、27.4°N；18日08時，高原切變線東移，在青海中部地區(qū)發(fā)展為高原槽；20時(圖2a)，高原槽進一步東移至甘肅武威至青海東南部一線，西太平洋副熱帶高壓西伸至103°E、27.4°N，甘肅臨夏州處于副高西北側(cè)和高空槽前強盛西南氣流中。對應(yīng)低層700 hPa 上(圖略)，高原槽前青海東部與甘肅交界處有低值系統(tǒng)，其東北側(cè)有東北—西南向暖式切變線。切變線南側(cè)偏南氣流發(fā)展加強為低空急流，低空急流不斷將來自孟加拉灣和南海的暖濕氣流向北輸送，并在甘肅河?xùn)|地區(qū)向低值中心輻合，臨夏州處于急流出口區(qū)左前側(cè)。低空急流為強對流天氣的發(fā)生提供了動力、水汽和不穩(wěn)定能量條件。由18日20時中尺度分析可知(圖2b)，暴雨區(qū)位于高層輻散、低層輻合、高原槽前和低空急流出口區(qū)左前側(cè)相重疊的區(qū)域。高低空系統(tǒng)耦合為此次強對流天氣的發(fā)生提供了非常有利的動力條件；700 hPa低空急流輸送水汽和不穩(wěn)定能量，進一步增強了大氣的對流不穩(wěn)定性；地面上明顯的西北風(fēng)與東南風(fēng)風(fēng)向輻合線以及高原邊坡地形強迫抬升作用觸發(fā)了此次強對流天氣。

圖2 2018-07-18T20 500 hPa形勢場(a)(實線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃；粗實線為槽線)和中尺度分析(b)(圖中黑三角為暴雨區(qū))

2.3 中尺度環(huán)境條件

2.3.1 水汽條件 強降水的發(fā)生需要充沛的水汽條件。分析18日20時地面和高空實況資料可見(圖略)，暴雨區(qū)附近從對流層中下層至地面的溫度露點差均≤2 ℃，700 hPa至地面整層大氣比濕均在12～14 g/kg，由此可以說明對流層中低層水汽非常充沛，在其他有利條件配合下易產(chǎn)生暴雨。

從18日20時沿35.5°N水汽通量散度和風(fēng)場垂直剖面圖(圖3a)可知，暴雨區(qū)(103.4°E、35.5°N)地勢有明顯的西高東低的分布特點，對流層低層偏東暖濕氣流受地形抬升作用明顯，偏東暖濕氣流與偏西干冷氣流在103°E附近交匯，產(chǎn)生了明顯輻合上升運動，水汽輻合區(qū)從近地面向上延伸到500 hPa高度附近，水汽輻合中心位于600 hPa，中心值為-6.0×10-7g/(cm2·hPa·s)。從暴雨區(qū)(103.4°E、35.5°N)水汽通量和水汽通量散度的時間高度剖面圖(圖3b)可知，強降水發(fā)生前，對流層中層600 hPa維持強度為10 g/(cm·hPa·s)水汽通量中心，臨近強降水發(fā)生時，水汽通量中心高度逐漸下降至700 hPa附近，而水汽輻合在600 hPa高度為最強，中心強度為-6.0×10-7g/(cm2·hPa·s)。結(jié)合地形分析可知，水汽輸送和水汽輻合中心均在對流層中低層，且水汽輸送最強時段早于水汽輻合最強時段。雖然水汽通量和水汽通量散度變化與強降水發(fā)生對應(yīng)關(guān)系較好，但與發(fā)生在高原東側(cè)邊坡地區(qū)如甘肅隴東南地區(qū)的暴雨過程相比，本次過程的水汽輸送中心和輻合中心高度要明顯偏高，水汽輸送和輻合強度則偏弱。

圖3 2018-07-18T20沿35.5°N水汽通量散度(單位為10-7 g/(cm2·hPa·s ))、風(fēng)場(單位為m/s)垂直剖面(a)和2018-07-17T08—19T08沿暴雨區(qū)(103.4°E、35.5°N )的水汽通量(等值線，單位為g/(cm·hPa·s))、水汽通量散度(陰影，單位為10-7 g/(cm2·hPa·s))時間垂直剖面(b)

2.3.2 不穩(wěn)定條件和探空環(huán)境條件 假相當位溫(θse)可以表征大氣溫度、壓力和濕度的綜合特征，它的分布可以反映大氣中能量的分布狀況。分析本次過程發(fā)生時θse垂直分布，從7月18日20時沿35.5°N假相當位溫垂直剖面(圖4)可知，暴雨區(qū)附近及其下游地區(qū)近地層θse維持在356 K以上。這是由于700 hPa偏東南氣流為暴雨區(qū)輸送水汽和能量，近地層大氣高溫高濕造成的。而該區(qū)域上層600 hPa附近θse僅為344 K左右，垂直方向上近地層與600 hPa之間等θse線密集，θse相差達12 K以上。θse隨高度遞減的分布特征表征該區(qū)域大氣具有明顯對流不穩(wěn)定性。在暴雨區(qū)上游地區(qū)102°E附近，等θse線非常陡峭，以352 K等θse線為例，高度從300 hPa附近一直下降到600 hPa。等θse線陡峭分布利于渦度的傾斜發(fā)展，為低層垂直渦度的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件[14]。

圖4 2018-07-18T20沿35.5°N假相當位溫(單位為K)垂直剖面

T-lnp探空圖能夠反映測站和周邊一定范圍內(nèi)上空的各種氣象要素的垂直分布特征。由于臨夏無探空站，而榆中探空站和暴雨區(qū)距離相對較近且海拔高度基本一致，兩地大氣層結(jié)穩(wěn)定度基本相似，差異主要體現(xiàn)在近地層風(fēng)向風(fēng)速上，榆中風(fēng)速更大，偏南風(fēng)分量更大，因此用榆中探空資料對此次過程的探空環(huán)境進行分析。從2018年7月18日20時榆中站探空的T-lnp圖(圖5)可知，近地層至450 hPa之間濕度條件較好，僅在750～650 hPa之間為相對干層。從風(fēng)的垂直切變分布狀況來看，近地層以偏東南風(fēng)為主，且地面至500 hPa風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流輸送。500～400 hPa風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流輸送。這種上冷下暖的平流輸送可進一步加強大氣層結(jié)不穩(wěn)定度。對流有效位能CAPE達1 485.4 J/kg，其垂直分布呈“瘦長型”，結(jié)合深厚的水汽垂直分布，0 ℃層高度超過了6 km，暖云層深厚，非常利于短時強降水天氣的發(fā)生。從探空層結(jié)曲線分布來看，低層750 hPa附近有一淺薄的逆溫層，近地層有弱的對流抑制能量(CIN為24～30 J/kg)，對低層不穩(wěn)定能量的積累十分有利。此外，抬升凝結(jié)高度(LCL)和自由對流高度(LFC)均在700 hPa以下，較低的LCL和LFC也非常利于對流的觸發(fā)。

圖5 2018-07-18T20榆中站探空T-lnp

2.3.3 動力條件 由暴雨區(qū)的渦度、散度和垂直速度時間垂直剖面(圖6)可知，強降水發(fā)生前，對流層整層以負渦度為主，無明顯輻合輻散和向上的垂直運動。強降水開始和維持時段，中低層轉(zhuǎn)為正渦度且渦度迅速增加，在600～500 hPa之間有明顯正渦度中心，中心強度達8×10-5s-1，高層仍維持負渦度。散度場上中低層轉(zhuǎn)為輻合、高層轉(zhuǎn)為輻散，且高層輻散強度略大于中低層輻合強度，高層抽吸作用較為明顯。這種中低層氣旋性輻合環(huán)流和高層反氣旋性輻散環(huán)流為上升運動的發(fā)生發(fā)展提供了有利的動力條件，在600～500 hPa之間出現(xiàn)了強度為-1.0 Pa/s的上升運動大值中心。強降水減弱停止后，整層渦度和散度趨于減弱，整層的垂直運動也開始轉(zhuǎn)為弱的下沉運動。由上述可知，對流層中低層強正渦度、高層輻散中低層輻合和垂直方向上強上升運動與強降水的發(fā)生有很好的對應(yīng)關(guān)系，為此次強降水發(fā)生提供了有利的動力條件。

圖6 2018-07-17T20—19T08沿暴雨區(qū)(103.4°E、35.5°N)渦度(細線，單位為10-5 s-1)、散度(粗線，單位為10-5 s-1)和垂直速度(陰影，單位為Pa/s)時間垂直剖面

2.4 強對流中尺度特征

2.4.1 衛(wèi)星云圖中尺度特征 利用FY-2E衛(wèi)星逐小時TBB資料，分析造成強降水的中尺度對流云團演變特征。分析圖7可知，18日16：30(圖7a)，青海東部有較小的中-β尺度對流云團A新生發(fā)展，四川、甘肅、青海交界處存在中-α尺度對流云團B，云團A、B中心tBB<-62 ℃,此時上述系統(tǒng)還未對甘肅產(chǎn)生影響。17：30(圖7b)，對流云團A、B向東移動開始進入甘肅境內(nèi)，且云團A西南側(cè)有新生對流云團C生成；18：30(圖7c)，上述3個對流云團東移合并加強為中-α尺度對流云團D，云團D中甘肅、青海交界和四川西北部分別出現(xiàn)了tBB<-72 ℃的云區(qū)；19：30(圖7d)，云團D緩慢東移并發(fā)展為較大尺度的中尺度對流系統(tǒng)(MCS),19：30—23：30 MCS的tBB<-52 ℃區(qū)域逐漸發(fā)展變大后穩(wěn)定維持，其形狀逐漸發(fā)展為橢圓形。20：30—22：30(圖7e、f、g) MCS對流發(fā)展最為旺盛，MCS中不斷有積云單體新生合并發(fā)展，出現(xiàn)了中心值tBB<-72 ℃的云區(qū)，對流中心長時間穩(wěn)定維持在臨夏州中部，造成了該地區(qū)大強度的短歷時暴雨。23：30(圖7h)，MCS冷云罩(tBB<-52 ℃)范圍仍在擴大，但其強度已經(jīng)開始減弱，TBB值高于-72 ℃。19日00：30(圖7i)，MCS開始趨于松散分裂，隨著時間推移，對流云團逐漸減弱消散，降水過程趨于結(jié)束。綜合上述分析，表1給出對流云團與降水強度、落區(qū)的關(guān)系。強降水的發(fā)生與對流云團的強烈發(fā)展有密切關(guān)聯(lián)，強降水主要集中在對流云團強烈發(fā)展和發(fā)展成熟時段，強降水落區(qū)大多處在對流云團TBB最小值中心附近和TBB梯度大值區(qū)附近。MCS發(fā)展最旺盛(tBB<-72 ℃的云區(qū)在19—22時穩(wěn)定維持在臨夏州中部)的時段內(nèi)，該區(qū)域附近出現(xiàn)了短時暴雨，共計82站次短時強降水，其中最大小時雨強為東鄉(xiāng)縣那勒寺，20—21時降水量達82.8 mm。

圖7 2018-07-18—19 FY-2E衛(wèi)星TBB演變(a 16：30；b 17：30；c 18：30；d 19：30；e 20：30；f 21：30；g 22：30；h 23：30；i 00：30)

表1 2018-07-18對流云團與強降水強度、落區(qū)的關(guān)系

2.4.2 雷達特征分析 利用蘭州多普勒天氣雷達資料分析對流單體的演變。由組合反射率演變可知，18：27(圖略)，在和政縣境內(nèi)新生對流單體A和B，對流單體 A中心強度大于40 dBz，對流單體B中心強度大于50 dBz。18：56(見第7頁圖8a)，受對流層中層西南氣流引導(dǎo)，對流單體A和B分別向東北和正北方向移動并發(fā)展加強，對流單體B中心強度大于65 dBz，在對流單體A東南側(cè)有對流單體C新生。19：34(見第7頁圖8b)，對流單體B分裂為兩塊對流單體并趨于減弱消亡，對流單體A和對流單體C合并加強形成中心強度超過60 dBz的中-β尺度對流單體D。19：34—20：22對流單體D強度維持并緩慢向東北方向移動，對應(yīng)地面區(qū)域站在該時間段內(nèi)降水強度最大，19—20時連續(xù)出現(xiàn)了雨強超過70 mm/h的短時強降水。分析19：42雷達反射率因子(見第7頁圖9a)可知，1.5°、2.4°仰角對流單體D均有明顯“V型”缺口，沿風(fēng)暴移動方向?qū)Ψ瓷渎室蜃幼鞔怪逼拭妫瑥娀夭ň哂忻黠@“懸垂”結(jié)構(gòu)，強回波主要集中在6 km以下到近地面，回波頂高超過了12 km。分析該時次的雷達平均徑向速度(見第7頁圖9b)可知，雷達徑向速度3.4°、4.3°仰角風(fēng)暴區(qū)域有中尺度輻合區(qū)，沿風(fēng)暴移動方向?qū)ζ骄鶑较蛩俣茸鞔怪逼拭妫忻黠@低層徑向輻合、高層徑向輻散的結(jié)構(gòu)。以上均表明對流單體D為對流發(fā)展非常旺盛、降水效率極高的低質(zhì)心風(fēng)暴，對應(yīng)該時段地面區(qū)域站出現(xiàn)了10 min雨強超過20 mm/h的強降水。20：34(圖8d)，對流單體D與其他新生對流單體合并為呈東北—西南向的線狀多單體風(fēng)暴(中尺度雨帶)，范圍增大但強度趨于減弱。21：20(圖略)，線狀多單體風(fēng)暴范圍進一步增大但強度無明顯變化，對應(yīng)地面區(qū)域站仍有短時強降水出現(xiàn)，但降水強度已明顯減弱。此后，線狀多單體風(fēng)暴逐漸向東北方向移動，臨夏州強降水逐漸趨于結(jié)束。綜上可知，低質(zhì)心的中-β尺度強對流風(fēng)暴緩慢移動并長時間維持在臨夏州中部造成了局部短歷時暴雨。

圖8 2018-07-18蘭州多普勒天氣雷達組合反射率(a 18：56；b 19：25；c 19：59；d 20：34)

3 結(jié)論

(1)2018年7月18日青藏高原東側(cè)邊坡地區(qū)短歷時暴雨天氣過程發(fā)生在南亞高壓東部脊線、500 hPa高原槽前、700 hPa低空急流和地面輻合線相互配合的有利環(huán)流背景下。高層輻散、低層輻合和中層槽前正渦度平流為強對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利的動力條件。

(2)對流層中低層充足的暖濕水汽輸送為暴雨區(qū)提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，上冷下暖的平流輸送增強大氣層結(jié)不穩(wěn)定度?！笆蓍L型”CAPE分布、深厚暖云層、低層淺薄逆溫層和弱對流抑制能有利于短時強降水發(fā)生，地面輻合線和地形抬升共同作用觸發(fā)了此次強對流天氣。

(3)中-α尺度的MCS中不斷有對流單體生消、合并加強，鑲嵌在MCS中發(fā)展極為旺盛的高強度、低質(zhì)心和移動緩慢的中-β尺度強對流風(fēng)暴是造成臨夏州中部局部短歷時暴雨的直接影響系統(tǒng)。

圖9 2018-07-18T19：42反射率因子(a, 2.4°仰角)和平均徑向速度(b,3.4°仰角)