傅 朝，劉維成，宋興宇，徐麗麗，沙宏娥，馬 莉，崔 宇

（蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020）

引 言

西北干旱區(qū)位于西風(fēng)帶環(huán)流、亞洲季風(fēng)和高原季風(fēng)交匯地帶［1］，降水受東亞季風(fēng)、高原季風(fēng)直接或間接影響［2-4］，加之特殊的自然地理環(huán)境，大氣水汽來源的穩(wěn)定性和持續(xù)性較差、不確定性較大［5］。另外，全球變暖導(dǎo)致大氣水分循環(huán)規(guī)律改變，水汽輸送、降水、蒸發(fā)時空分布的不均勻性更為明顯［6］。研究表明，近半個世紀(jì)以來，西北干旱區(qū)降水量總體呈增加趨勢［1，4，6-7］，主要為夏季短時對流性降水的增加［8］，而降水日數(shù)卻呈下降趨勢，降水的非均勻性進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，自20世紀(jì)80年代西北干旱半干旱區(qū)的極端降水事件均呈上升趨勢［9-12］，這印證了全球變暖背景下強(qiáng)降水可能受潛在蒸發(fā)量的增加而加劇的觀點(diǎn)［13-14］。

大氣熱力、動力條件時空分布的不確定性和不均勻性是西北干旱區(qū)暴雨、短時強(qiáng)降水天氣事件的主要大氣環(huán)境背景特征。個例研究表明，暴雨、短時強(qiáng)降水具有顯著局地性，位于干旱區(qū)的河西走廊暴雨事件發(fā)生頻次很低，且常表現(xiàn)“單點(diǎn)”特征［15-19］，因此對該地區(qū)暴雨、短時強(qiáng)降水，尤其是極端暴雨事件準(zhǔn)確預(yù)報面臨很大困難。西北干旱區(qū)暴雨的極端性、局地性熱力和動力成因總體是大氣斜壓性的形成和增強(qiáng)，取決于整個對流層形勢配置。在對流層高空，南亞高壓形態(tài)及其中心位置所產(chǎn)生的高空散度場特殊分布，對中空槽脊的演變有強(qiáng)迫作用，因此，基于南亞高壓的概念模型在新疆極端暴雨分析中有較多應(yīng)用［19-22］；在對流層中層，中亞低槽（渦）［20］、高原低渦（槽）［17］、河套高壓（脊）［16］等天氣尺度和次天氣尺度系統(tǒng)的特殊演變有利于增強(qiáng)大氣斜壓性及改善中低層溫濕條件，形成利于暴雨中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展的大氣環(huán)境條件［23］。同時，在多尺度天氣系統(tǒng)的相互作用下水汽輸送量存在異常［21］，如河西走廊、新疆的多次極端暴雨過程的東路水汽貢獻(xiàn)顯著［16-17，20，24］，孟加拉灣和南海水汽北上、折向，有“接力”式傳輸特征，但受青藏高原及其以東地區(qū)的高、低壓系統(tǒng)和地形的共同影響，東路水汽傳輸過程復(fù)雜，往往會造成西北干旱區(qū)水汽空間分布極不均勻。大氣水汽含量遠(yuǎn)超氣候態(tài)，是極端暴雨產(chǎn)生的必要條件，西北干旱區(qū)極端暴雨伴隨的對流性強(qiáng)降水存在水汽的局地性匯合，熱力、動力條件局地性和觸發(fā)條件局地性的疊加影響，是暴雨局地性發(fā)生的重要原因。以往抬升動力機(jī)制研究主要面向冷暖輻合抬升、地形強(qiáng)迫作用［24-26］，但機(jī)制分析存在資料空間分辨率不足的問題。

2022年8月13日西北干旱區(qū)腹地甘肅金塔出現(xiàn)了一次暴雨天氣過程，降水以對流性降水為主，較以往河西走廊的暴雨過程更具極端性和局地性。甘肅金塔位于河西走廊中段，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，年降水量64.0 mm，境內(nèi)東南北三面皆山，東部和東南部屬巴丹吉林沙漠邊緣和合黎山地帶，西部為戈壁荒漠，南部為夾山褶皺帶，北部屬馬鬃山地臺東南部的低山地帶，中部為地勢低平的金塔盆地。本次降水過程僅金塔盆地的金塔縣城出現(xiàn)暴雨。2022年6—8月，我國出現(xiàn)1961年以來平均氣溫最高和降水量次少的氣候異常，8月上中旬，西北干旱區(qū)重旱比率高達(dá)4～5 成［27］。其間，南亞高壓異常偏北、偏強(qiáng)，500 hPa 青藏高原上空存在明顯正距平擾動［28］，大氣斜壓系統(tǒng)的發(fā)展、對流環(huán)境的形成具有一定的特殊性，有較高的分析價值。由于造成極端暴雨的對流系統(tǒng)時空尺度很小，大氣熱動力條件增強(qiáng)的局地性演變分析仍受資料分辨率的限制，因此本文主要從對流環(huán)境配置總結(jié)暴雨極端性特征，而暴雨的局地性解釋，將聚焦對流系統(tǒng)的局地動力觸發(fā)條件，以期提高西北干旱區(qū)暴雨觸發(fā)的預(yù)報能力，為形成有效的技術(shù)積累提供有益的借鑒。

1 資 料

所用資料：（1）國家級氣象觀測站和區(qū)域自動氣象觀測站地面觀測資料和高空站氣象觀測資料。（2）嘉峪關(guān)雷達(dá)觀測資料，雷達(dá)（98°17′51″E，39°45′53″；海拔1743 m）型號為CC。金塔縣城距嘉峪關(guān)雷達(dá)站58 km，方位角63.5°。（3）歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第5 代全球大氣再分析產(chǎn)品ERA5，空間分辨率為0.125°×0.125°，時間分辨率為1 h。利用ERA5 輸出的物理量計算假相當(dāng)位溫（θse），以θse代替位溫θ，計算標(biāo)量鋒生函數(shù)［29］。并利用ERA5 輸出的物理量制作金塔國家級氣象觀測站（簡稱“金塔站”）的溫度-對數(shù)壓力圖（即T-lnP圖）。文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)下載的審圖號為GS（2017）3320號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

2 觀測實(shí)況和天氣背景

2.1 降水實(shí)況

2022年8月12日午后到13日凌晨，河西地區(qū)自西向東普遍出現(xiàn)降水，部分地方出現(xiàn)中到大雨（15.0～37.0 mm），局部地方出現(xiàn)暴雨（大于等于50.0 mm）［圖1（a）］，暴雨影響面積很小，主要出現(xiàn)在金塔縣城區(qū)，金塔站日降水量達(dá)88.0 mm，超過河西地區(qū)國家級氣象站觀測歷史日降水量（08：00—08：00，北京時，下同）極值（81.5 mm，2012年6月4日肅北站），并遠(yuǎn)超出本站近60 a 平均年降水量64.0 mm。

從金塔站和近郊3個區(qū)域自動氣象站的逐小時降水量［圖1（b）］看出，對流性降水特征明顯，主要有2 個時段：00：00—01：00 和02：00—04：00。其中，00：00—01：00，3 站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水（大于等于20.0 mm·h-1），金塔站達(dá)56.0 mm·h-1，突破了河西地區(qū)國家級氣象站有記錄以來的小時雨量極值（42.2 mm，2006年7月30日10：00武威站）；02：00—04：00，降水強(qiáng)度減弱，金鼎湖站03：00—04：00小時雨強(qiáng)為34.0 mm·h-1。

圖1 2022年8月12日08：00至13日08：00甘肅河西地區(qū)24 h累計降水量空間分布（a，單位：mm）和金塔站及近郊區(qū)域自動氣象站小時降水量演變（b）［圖1（a）虛線所圍區(qū)域?yàn)榫迫忻C州區(qū)和金塔縣）Fig.1 The spatial distribution of 24-hour accumulated precipitation in Hexi of Gansu Province from 08：00 BST 12 to 08：00 BST 13 August 2022 （Unit：mm） （a） and the evolution of hourly precipitation at Jinta station and its suburban regional automatic meteorological stations（The area enclosed by the dotted line in Fig.1 （a） is Suzhou District and Jinta County of Jiuquan City）

2.2 天氣形勢

12日08：00［圖2（a）］，南亞高壓中心位于青海中部，脊線在95°E 附近，此南亞高壓屬于夏季南亞高壓兩種模態(tài)之一的青藏高原模態(tài)［30-32］，即高壓中心位于青藏高原，說明青藏高原為強(qiáng)烈熱源。南亞高壓偏北導(dǎo)致對流層中層的青藏高壓和西風(fēng)帶鋒區(qū)也偏北［圖2（c）、圖2（d）］，無系統(tǒng)性冷平流影響，對流層中高層為弱動力強(qiáng)迫。南亞高壓脊后顯著輻散區(qū)位于青海西北部，至20：00［圖2（b）］輻散區(qū)東移北抬。500 hPa 青藏高壓和西太平洋副熱帶高壓打通，河西地區(qū)處于高壓帶北側(cè)［圖2（c）］。12日20：00 至13日08：00，受高空輻散影響，位于河西地區(qū)的588 dagpm線持續(xù)南落，巴爾喀什湖槽前平直氣流波動加?。蹐D2（d）］，高空鋒區(qū)一直維持在42°N以北，而位于高空鋒區(qū)以南的500 hPa青藏高壓西側(cè)短波槽有所加深，并快速東移至酒泉中部地區(qū)。

圖2 2022年8月12日08：00（a）、20：00（b）200 hPa位勢高度（等值線，單位：dagpm）和散度（彩色填色區(qū)，單位：10-5 s-1），12日20：00（c）、13日08：00（d）500 hPa位勢高度（黑色等值線，單位：dagpm）、溫度（紅色等值線，單位：℃）和風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）（藍(lán)點(diǎn)代表金塔站位置，下同）Fig.2 The geopotential height （isolines，Unit：dagpm） and divergence （color shaded areas，Unit：10-5 s-1） at 200 hPa at 08：00 BST （a），20：00 BST （b） 12 August，and 500 hPa geopotential height （black isolines，Unit：dagpm），temperature （red isolines，Unit：℃） and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） at 20：00 BST 12 August （c） and at 08：00 BST 13 August （d） 2022（The blue dot represents the location of the Jinta station.the same as below）

500 hPa青藏高壓西北側(cè)短波槽發(fā)展，槽前正渦度平流引導(dǎo)低層干冷氣團(tuán)東移南壓，導(dǎo)致700 hPa切變線持續(xù)東移，12日20：00［圖3（a）］移至新疆哈密一帶，低層高壓帶前緣西北氣流與青藏高原熱低壓外圍的偏東氣流在此輻合加強(qiáng)，致使切變線附近鋒區(qū)也有所加強(qiáng)，此時地面冷高壓已控制新疆北部，高壓脊線沿偏北路徑向東延伸，地面冷鋒進(jìn)入酒泉西北部［圖3（b）］；23：00，地面高壓脊線折向東南，地面冷空氣向南推進(jìn)，地面冷鋒南壓。至13日02：00地面冷鋒東移到金塔站以東區(qū)域（圖略）。

圖3 2022年8月12日20：00 700 hPa位勢高度（黑色等值線，單位：dagpm）、溫度（紅色等值線，單位：℃）、切變線（棕色實(shí)線）、顯著流線（黑色箭頭線）（a）和海平面氣壓（等值線，單位：hPa）、顯著流線（黑色箭頭線）、地面冷鋒（藍(lán)色齒線）（b）Fig.3 700 hPa geopotential height （black isolines，Unit：dagpm），temperature （red isolines，Unit：℃），shear line （brown solid lines），significant streamline （black arrow lines） （a），and sea level pressure （isolines，Unit：hPa），significant streamline（black arrow line），surface cold front （blue tooth-line） （b） at 20：00 BST 12 August 2022

2.3 對流環(huán)境條件

2.3.1 水汽條件

根據(jù)天氣形勢分析，西太平洋副熱帶高壓控制下我國東部對流層中低層大氣均為高壓，低層的暖性高壓與高原暖性低壓之間東西向氣壓梯度在地轉(zhuǎn)偏向力作用下有利于偏南氣流發(fā)展。同時，700 hPa青海西北部為熱低壓中心，河西地區(qū)存在南北向氣壓梯度，致使偏南氣流在河西走廊東部折向，形成低層水汽自孟加拉灣、南海向河西走廊連續(xù)貫通的輸送路徑。如圖4所示，源自印緬槽前的孟加拉灣和南海的低層水汽沿云貴高原北上，經(jīng)四川盆地、甘肅東部，在祁連山區(qū)東部向西折向，途經(jīng)云貴高原、秦巴山區(qū)、祁連山區(qū)東部等海拔較高的地形，除祁連山區(qū)東部外，平均海拔均低于3000 m，因此700 hPa 水汽輸送在祁連山區(qū)東部出現(xiàn)明顯繞流，經(jīng)民勤進(jìn)入河西地區(qū)。12日20：00［圖4（a）］，比濕超過14 g·kg-1的顯著濕區(qū)出現(xiàn)在河西走廊中段的張掖地區(qū)，并持續(xù)向西推進(jìn)，進(jìn)入酒泉地區(qū)的顯著濕區(qū)基本位于金塔站和肅州區(qū)以南、以東；13日02：00［圖4（b）］，祁連山沿山地帶也分布有狹窄的顯著濕區(qū)。

圖4 2022年8月12日20：00（a）、13日02：00（b）700 hPa流線（箭頭線）和比濕（彩色填色區(qū)，單位：g·kg-1）（灰色填充區(qū)的地面氣壓小于700 hPa）Fig.4 700 hPa streamline （arrow lines） and specific humidity （color shaded areas，Unit：g·kg-1） at 20：00 BST 12 August（a） and 02：00 BST 13 August （b） 2022（The surface pressure in gray filled area is less than 700 hPa）

12日08：00—20：00，金塔站以東的合黎山、祁連山的狹管地帶基本維持水汽輻合（圖略）。12日20：00［圖5（a）］，700 hPa 偏東氣流進(jìn)入開闊平坦的酒泉東部，水汽輸送分散，張掖向西延伸的顯著濕區(qū)（比濕12～14 g·kg-1）止于金塔站—肅州區(qū)一線，導(dǎo)致酒泉中東部地區(qū)東西之間、南北之間水汽分布極不均勻；至13日00：00［圖5（b）］，金塔站處于顯著濕區(qū)（比濕13～14 g·kg-1）北邊界，比濕增大，并在40°N 附近形成較大的比濕梯度。另外，整層大氣可降水量（precipitable water，PW）［圖5（c）、圖5（d）］與700 hPa 水汽平流空間分布的一致性較高，說明低層水汽為主要貢獻(xiàn)。12日20：00 至13日00：00，PW 增至近60.0 mm，遠(yuǎn)超于河西走廊中西部夏季平均值10.0～15.0 mm［33］，是酒泉地區(qū)近10 a 兩次極端暴雨［16，24］的PW 近1 倍，水汽的極端性非常明顯。

圖5 2022年8月12日20：00（a、c）、13日00：00（b、d）700 hPa比濕（等值線，單位：g·kg-1）、水汽通量散度（彩色填色區(qū)，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1）、風(fēng)場（箭矢，單位：m·s-1）（a、b）和整層大氣可降水量（單位：mm）（c、d）［圖5（a）、圖5（b）中灰色填充區(qū)的地面氣壓小于700 hPa］Fig.5 The specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1），vapor flux divergence （color shaded areas，Unit：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1），wind field （arrow vectors，Unit：m·s-1） at 700 hPa （a，b），and whole layer integrated atmospheric precipitable water （Unit：mm）（c，d） at 20：00 BST 12 August （a，c） and 00：00 BST 13 August （b，d） 2022［The surface pressure for the gray filled areas in Fig.5 （a） and Fig.5 （b） is less than 700 hPa］

2.3.2 大氣層結(jié)特征

12日20：00［圖6（a）］和13日00：00［圖6（b）］大氣層結(jié)均為典型強(qiáng)降水特征，自由對流高度（level of free convection，LFC）以上溫度露點(diǎn)差很??；0～3 km高度風(fēng)切變小于5 m·s-1，0～6 km 高度風(fēng)切變小于10 m·s-1。不穩(wěn)定能量于12日18：00 開始產(chǎn)生（圖略），20：00 達(dá)最大，對流有效位能（convective effective potential energy，CAPE）為880 J·kg-1，21：00明顯減小（圖略），CAPE降為200 J·kg-1左右；之后，不穩(wěn)定能量再次增強(qiáng)，13日00：00 達(dá)680 J·kg-1。由于邊界層以上溫度幾乎無變化，不穩(wěn)定能量與邊界層溫度和濕度變化有關(guān)，夜間邊界層溫度降低、濕度增加，抬升凝結(jié)高度（lifting condensation level，LCL）有所下降。同時，傍晚對流抑制（convective inhibition，CIN）能量很低，而夜間顯著增強(qiáng)，LFC有所升高。

12日20：00 至13日00：00，不穩(wěn)定能量大值區(qū)位于金塔以東的張掖，酒泉的不穩(wěn)定能量僅分布在40°N 附近及以南地區(qū)［圖6（c）、圖6（d）］，與700 hPa比濕大于等于11 g·kg-1的區(qū)域分布一致性很高。由于中高層動力強(qiáng)迫很弱且低層均壓、均溫，低層濕度是影響層結(jié)不穩(wěn)定能量的根本因素，不穩(wěn)定能量隨濕度增加而增大，并與低層濕度的分布高度一致。從金塔站上空大氣物理量時間變化（圖7）來看，13日00：00 之前金塔站低層增濕明顯，500 hPa轉(zhuǎn)為西西南氣流，中層濕度有所增加；假相當(dāng)位溫下暖上冷，具有明顯的對流不穩(wěn)定；整層無急流和明顯的冷暖平流。13日00：00 以后地面冷鋒過境，不穩(wěn)定能量迅速減弱。

圖6 2022年8月12日20：00（a、c）和13日00：00（b、d）金塔站T-ln P圖（a、b）和對流有效位能（CAPE）（單位：J·kg-1）（c、d）（紅實(shí)線為層結(jié)曲線，黑實(shí)線為狀態(tài)曲線，綠實(shí)線為露點(diǎn)溫度線）Fig.6 T-ln P diagram （a，b） at Jinta station and convective effective potential energy （CAPE） （Unit：J·kg-1） （c，d） at 20：00 BST 12 August （a，c） and 00：00 BST on 13 August （b，d） 2022（The red，black，green solid lines are stratification curve，state curve and dew point temperature，respectively）

圖7 2022年8月12日10：00至13日10：00金塔站比濕（等值線，單位：g·kg-1）、假相當(dāng)位溫（彩色填色區(qū)，單位：K）及風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）時間-高度剖面Fig.7 The time-height cross-section of specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1），pseudo-equivalent potential temperature （color shaded areas，Unit：K） and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） at Jinta station from 10：00 BST 12 August to 10：00 BST 13 August 2022

2.4 雷達(dá)反射率因子特征

12日20：01［圖8（a）］，合黎山南側(cè)至玉門東北部一線有多個對流單體，各單體間相距較遠(yuǎn)，且基本呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，或隨低層環(huán)境風(fēng)極緩慢向東移動，分別處于不同發(fā)展階段，西部初生，東部發(fā)展成熟；20：58［圖8（b）］，高臺北部對流減弱，金塔境內(nèi)有2個中-γ 尺度對流單體（A、B）發(fā)展；22：01［圖8（c）］，在A、B 單體之間有新的對流單體C 初生；22：58［圖8（d）］，B、C 單體合并為對流系統(tǒng)BC，A 單體發(fā)生對流傳播，尺度顯著加大，BC 和A 均為中-β 尺度對流系統(tǒng)（mesoscale convective system，MCS），在這兩個對流系統(tǒng)之間，對流單體D 初生（D 位于金塔站西部約10 km，位置為98.7°E、40.0°N）。同時，冷鋒中高云系進(jìn)入馬鬃山東南側(cè)。

圖8 2022年8月12日20：01（a）、20：58（b）、22：01（c）、22：58（d）及13日00：01（e）、01：03（f）、02：00（g）、03：03（h）嘉峪關(guān)雷達(dá)站組合反射率因子（單位：dBZ）（黑色三角形代表金塔站，英文大寫字符用紅色線段指向所代表的對流單體或系統(tǒng)）Fig.8 The combined reflectivity factor from Jiayuguan radar station at 20：01 BST （a），20：58 BST （b），22：01 BST （c），22：58 BST （d） 12 August and 00：01 BST （e），01：03 BST （f），02：00 BST （g），03：03 BST （h） 13 August 2022 （Unit：dBZ）（The black triangle represents Jinta station，the English capital letters connected by red line represent convective cells or systems）

13日00：01［圖8（e）］，各對流系統(tǒng)發(fā)生明顯變化，A 和BC 迅速減弱消亡，冷鋒后部混合云系呈東北—西南向，并位于馬鬃山以東；之后至01：03［圖8（f）］，金塔和玉門東部40°N 一線對流加強(qiáng)，逐漸組織為不規(guī)則的線狀對流E；02：00—03：03［圖8（g）、圖8（h）］，受地面冷高壓前側(cè)氣流由偏北轉(zhuǎn)偏東的流場作用，線狀對流E 緩慢南壓，呈東西向并向東延伸，主要影響嘉峪關(guān)、肅州區(qū)、金塔南部、高臺東部等地區(qū)。

從12日21：33 對流單體A 的西西南向剖面［圖9（a）］看出，單體A 向東傾斜，東側(cè)2.5 km 高度以下有明顯的有界弱回波，55 dBZ 強(qiáng)回波位于5.0 km 高度附近。23：09（圖略），對流單體D 的雷達(dá)反射率因子剖面呈相似特征，但強(qiáng)度稍弱，強(qiáng)回波傾斜和有界弱回波特征不明顯；13日00：00，中-γ尺度對流單體D 緩慢東移加強(qiáng)，其西側(cè)新生對流單體并入對流系統(tǒng)E；之后至02：00，D影響金塔縣城及周邊較小范圍地區(qū)，并于00：29［圖9（b）］發(fā)展為較強(qiáng)的深厚濕對流，回波中心強(qiáng)度達(dá)63 dBZ，強(qiáng)回波質(zhì)心低于5.0 km，30 dBZ 以上回波頂高14.0 km，回波向東傾斜，前側(cè)東風(fēng)入流明顯，有界弱回波特征明顯；02：12［圖9（c）］，D 回波中心強(qiáng)度增至67 dBZ，質(zhì)心高度升至7.5 km，入流和有界弱回波特征不明顯，回波趨向直立狀態(tài)；此后，對流系統(tǒng)D迅速減弱。

圖9 2022年8月12日21：33對流單體A（a）和13日00：29（b）、02：12（c）對流單體D的雷達(dá)反射率因子垂直剖面（單位：dBZ）Fig.9 The vertical profile of radar reflectivity factor of convective cell A at 21：33 BST on August 12 （a） and convective cell D at 00：29 BST （b） and 02：12 BST （c） on August 13，2022 （Unit：dBZ）

結(jié)合降水實(shí)況，地面冷鋒觸發(fā)的中-β尺度多單體線狀對流系統(tǒng)E是此次極端暴雨主要影響系統(tǒng)之一，造成了金塔站13日02：00—03：00 近20 mm·h-1的強(qiáng)降水。因此，先于線狀對流系統(tǒng)E，造成13日00：00—01：00 56 mm·h-1強(qiáng)降水的中-γ尺度對流單體D 才是金塔站極端暴雨形成的關(guān)鍵。單體D觸發(fā)于2 個淺對流系統(tǒng)之間，與兩個對流系統(tǒng)間邊界層復(fù)雜的擾動機(jī)制有關(guān)，冷鋒前近乎直線排列的松散分布的淺對流正是觸發(fā)單體D 初生的根本原因。

3 對流局地觸發(fā)和增強(qiáng)的環(huán)境條件

3.1 地面冷鋒前部濕度鋒區(qū)和干線

干線概念源自美國，最早是指美國南部大平原西部的暖性干濕空氣邊界［34］，其主要特征是干線兩側(cè)露點(diǎn)溫度或比濕的差異明顯，而溫度差異通常不大。俞小鼎等［35］界定干線標(biāo)準(zhǔn)為兩側(cè)存在明顯的露點(diǎn)溫度梯度，但溫度差異不明顯且附近存在風(fēng)輻合。從圖10（a）看到，12日20：00 850 hPa干、濕中心分別位于酒泉西北和東南部，金塔附近東西向溫度差異很小，但比濕差異明顯，金塔站南側(cè)有東西向氣旋式切變，此處符合廣義干線定義。地面冷鋒東段呈東北—西南向［圖10（b）］，冷鋒前部，金塔干線大致位于露點(diǎn)溫度16 ℃附近。由于冷鋒前部的風(fēng)場較弱，輻合特征不明顯，下文將以850 hPa 比濕梯度和鋒生重合的狹長鋒生帶界定干線，其依據(jù)是夜間冷鋒前溫度梯度很小，不考慮鋒生函數(shù)非絕熱加熱項(xiàng)的作用，僅以水平輻合項(xiàng)和水平變形項(xiàng)為主導(dǎo)（垂直運(yùn)動傾斜項(xiàng)最大程度依賴于水平輻合）。以鋒生為主要依據(jù)，無論強(qiáng)弱，均能夠說明有直接或間接的（假相當(dāng)位溫場變形所致）水平風(fēng)場輻合，從而避免了地面風(fēng)場分析的復(fù)雜性。

圖10 2022年8月12日20：00 850 hPa比濕（等值線，單位：g·kg-1）、溫度（彩色填色區(qū)，單位：℃）、風(fēng)場（箭矢，單位：m·s-1）（a）和地面大于等于12 ℃露點(diǎn)溫度（黑色等值線，單位：℃）、冷鋒（藍(lán)色齒線）、干線（黑色圓齒線）（b）（灰色區(qū)域的地面氣壓小于850 hPa）Fig.10 The specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1），temperature （color shaded areas，Unit：℃），wind field （arrow vectors，Unit：m·s-1） at 850hPa （a），and surface dewpoint temperature greater than or equal to 12 ℃（black isolines，Unit：℃），cold front （blue tooth-line），dryline （black circular tooth-line） （b） at 20：00 BST on August 12，2022（The surface pressure in gray area is less than 850 hPa.）

3.2 干線鋒生和對流觸發(fā)

金塔站附近存在東西向干線，且干線附近風(fēng)場輻合較弱，即便在地面淺層存在明顯風(fēng)切變（也可能是抬升的負(fù)面影響），但輻合動力也不足以突破CIN。干線是綜合熱力、動力條件的地面影響系統(tǒng)。從圖11（a）看出，850 hPa 金塔站附近東西向有鋒生帶，位置與地面干線一致，其鋒生強(qiáng)度明顯小于西北部地面冷鋒鋒生和額濟(jì)納旗中部地區(qū)干線鋒生，且對應(yīng)較弱的風(fēng)場輻合特征。

圖11 2022年8月12日20：00 850 hPa比濕（綠色等值線，單位g·kg-1）、鋒生函數(shù)（彩色填色區(qū)，單位K·m-1·s-1）、風(fēng)場（箭矢，單位：m·s-1）（a）和鋒生函數(shù)（彩色填色區(qū)，單位：K·m-1·s-1）、垂直速度（灰色等值線，單位：hPa·s-1）、風(fēng)場（箭矢，水平風(fēng)在剖面方向投影與垂直速度合成，單位：m·s-1）垂直剖面（b）［圖11（a）灰色填充區(qū)的地面氣壓小于700 hPa；圖11（b）的左上角為剖線示意圖，黑色區(qū)域?yàn)榈匦?。下同］Fig.11 The specific humidity（green isolines，Unit：g·kg-1），frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），wind vector （arrow vectors，Unit：m·s-1） at 850hPa （a），and vertical profiles of frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），vertical velocity （gray isolines，Unit：hPa·s-1），wind （arrow vector ，the composite of vertical velocity with the projection of horizontal wind，Unit：m·s-1） （b） at 20：00 BST on August 12，2022（The surface pressure for the gray filled areas in Fig.11 （a） is less than 700 hPa；the left corner in Fig.11 （b） is diagram of the profile line and the black areas for the terrain.the same as below）

12日20：00之后，對流單體A（圖8）在金塔站西南側(cè)觸發(fā)，隨后東北移并發(fā)展，22：00 移至金塔站東側(cè)。其間，金塔站降水2.5 mm。因此，沿最有利分析單體A的東北—西南方向做垂直剖面［圖11（b）］，發(fā)現(xiàn)20：00干線南側(cè)（金塔站西南方）有淺層的鋒生坡面，坡面上有明顯的上升運(yùn)動，其中心高度位于700 hPa 附近，最大上升速率為0.4 hPa·s-1，而干線北側(cè)為明顯的下沉氣流區(qū)，呈現(xiàn)出典型的干線鋒生次級環(huán)流特征［36］。21：00（圖略），鋒生減弱，600 hPa附近最大上升氣流速率達(dá)1.3 hPa·s-1，金塔站附近對流單體A發(fā)展，最大上升速率區(qū)與單體A位置接近。以上分析表明，干線鋒生次級環(huán)流的上升支觸發(fā)了對流單體A，21：00單體A移至金塔站附近并發(fā)展。

ZIGLER 等［36-37］通過對干線的模擬分析認(rèn)為，氣塊理論無法單獨(dú)解釋干線觸發(fā)對流，干線次級環(huán)流一般較淺，無法將邊界層空氣整層“抬升”通過LFC。干線觸發(fā)對流的關(guān)鍵機(jī)制可歸納如下：一是，次級環(huán)流的上升支有利于減小并突破CIN而形成對流；二是，干線上升氣流引起的垂直氣流通量遠(yuǎn)小于氣塊理論預(yù)設(shè)的整層空氣塊抬升的垂直氣流通量，使得以不穩(wěn)定能量估算的對流強(qiáng)度大幅減少，因此，在干線上若沒有更深層次的動力條件配合，不能夠觸發(fā)深對流。這也解釋了20：00 較低的LFC（629 hPa）和最大的CAPE（880 J·kg-1）條件下，能夠觸發(fā)干線對流，且對流發(fā)展不夠深厚也會產(chǎn)生強(qiáng)降水的原因。

另外，本文沒有進(jìn)一步分析干線范圍動力條件的局地性差異，如地面風(fēng)場的不連續(xù)變化、肅州區(qū)以南祁連山上坡地形強(qiáng)迫等因素影響，造成干線鋒生區(qū)的局地減弱或加強(qiáng)，來說明即便是淺對流也是局地觸發(fā)的這一現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象的機(jī)理探究應(yīng)主要基于觀測和數(shù)值模擬。

3.3 干線淺對流的局地性增強(qiáng)

金塔干線對流觸發(fā)是由于干線附近濕度鋒區(qū)斜壓強(qiáng)迫的垂直環(huán)流。干線鋒生在12日20：00達(dá)到最強(qiáng)，此后持續(xù)減弱，22：00［圖12（a）］—23：00 干線鋒生減弱明顯，其間對流單體D 觸發(fā)于金塔站西側(cè)約10 km，在2 個減弱的干線對流系統(tǒng)A 和BC（圖9）之間，其觸發(fā)可能存在干線減弱的鋒生和對流出流復(fù)雜的影響。地面冷鋒持續(xù)緩慢東移，23：00 減弱的干線與地面冷鋒交叉點(diǎn)（三分點(diǎn)）位于金塔西側(cè)［圖12（b）］，與單體D 位置極為接近。沿大致垂直冷鋒方向，過金塔站做垂直剖面，發(fā)現(xiàn)12日23：00［圖12（c）］至13日00：00［圖12（d）］強(qiáng)鋒生區(qū)域增大，其后側(cè)有下沉氣流區(qū)，為典型的冷鋒鋒生次級環(huán)流特征［38］。其中，13日00：00 地面冷鋒（θse強(qiáng)鋒區(qū)）移至98°E 以東，淺層鋒生劇烈，次級環(huán)流的上升支明顯增強(qiáng)，其中心位于750 hPa 高度附近，垂直速度達(dá)-1.6 hPa·s-1。據(jù)雷達(dá)觀測，12日23：00 對流單體D 在98.5°E 以西，之后緩慢東移并明顯增強(qiáng)，13日00：00—01：00，單體D 發(fā)展為典型的中-γ尺度深厚濕對流。

圖12 2022年8月12日22：00 850 hPa比濕（等值線，單位g·kg-1）、鋒生函數(shù)（彩色填色區(qū)，單位K·m-1·s-1）、風(fēng)（箭矢，單位：m·s-1）（a）和23：00地面大于等于12 ℃露點(diǎn)溫度（黑色等值線，單位：℃）、冷鋒（藍(lán)色齒線）、干線（黑色圓齒線）（b）以及12日23：00（c）和13日00：00（d）鋒生函數(shù)（彩色填色區(qū)，單位：K·m-1·s-1）、垂直速度（等值線，單位：hPa·s-1）、風(fēng)（箭矢，水平風(fēng)在剖面方向投影與垂直速度合成，單位：m·s-1）的垂直剖面（紅色字母T是冷鋒和干線的三分點(diǎn)位置）Fig.12 The specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1） and frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），wind（arrow vector ，Unit：m·s-1） at 850 hPa at 22：00 BST on August 12 （a），surface dewpoint temperature greater than or equal to 12 ℃（black isolines，Unit：℃），cold front （blue tooth-line），dryline （black circular tooth-line） at 23：00 BST on August 12 （b），and vertical profiles of frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），vertical velocity （gray isolines，Unit：hPa·s-1），wind （arrow vector，composite of vertical velocity with projection of horizontal wind on the profile，Unit：m·s-1） at 23：00 BST on August 12 （c） and 00：00 BST on August 13 （d），2022（The red letter T is three-point position of the cold front and the dryline）

WEISS 等［39］利用機(jī)載雙偏振雷達(dá)觀測資料分析，發(fā)現(xiàn)“三分點(diǎn)”處存在上升氣流合并和地面輻合加強(qiáng)的現(xiàn)象，有利于深對流發(fā)展；NEIMAN 等［40］描述了龍卷風(fēng)試驗(yàn)（VORTEX）中冷鋒和干線相互作用的觀測事實(shí)，當(dāng)冷鋒鋒生次級環(huán)流接近干線弱對流時，兩支上升氣流合并，將對弱對流發(fā)展產(chǎn)生明顯強(qiáng)迫。ROBERT［41］針對干線深對流發(fā)展的局地性，歸納了5 種可能條件，其中之一就是“三分點(diǎn)”上冷鋒對干線對流的強(qiáng)迫作用。

根據(jù)上述觀測試驗(yàn)和研究結(jié)論，進(jìn)一步分析12日22：00 冷鋒前部的850 hPa 鋒生［圖12（a）］和23：00地面冷鋒與干線［圖12（b）］，發(fā)現(xiàn)冷鋒前部干線與冷鋒的交角較大，具有產(chǎn)生“三分點(diǎn)”的基本條件，當(dāng)冷鋒沿干線臨近單體D時，進(jìn)入了同時具備極端水汽條件、層結(jié)不穩(wěn)定和淺層上升運(yùn)動的“局地”，冷鋒鋒生次級環(huán)流的上升氣流與“局地”上升氣流合并，形成強(qiáng)烈抬升，并充分觸發(fā)不穩(wěn)定能量，造成極端降水。單體D是冷鋒與干線相互作用而形成有利于深濕對流發(fā)展的“三分點(diǎn)”所在。

4 結(jié)論和討論

本文從環(huán)流背景、對流環(huán)境特征、對流觸發(fā)和增強(qiáng)的動力條件等方面分析了2022年8月13日甘肅金塔局地極端暴雨的成因。主要結(jié)論如下：

（1）南亞高壓西北側(cè)的輻散風(fēng)場擾動有利于西風(fēng)槽發(fā)展，低層切變線和地面冷鋒隨之東移，是暴雨的主要影響系統(tǒng)。

（2）青藏高原強(qiáng)熱源效應(yīng)極大影響了此次極端暴雨的大氣環(huán)流背景，對流層高、中層為弱動力強(qiáng)迫，暴雨區(qū)水汽豐富。大氣弱強(qiáng)迫條件下，中等強(qiáng)度層結(jié)不穩(wěn)定形成于顯著增濕區(qū)域，而酒泉中東部低層水汽輸送不均勻，有利于強(qiáng)降水的對流環(huán)境條件僅在金塔站附近局地形成。

（3）干線的形成及其鋒生有利于淺對流觸發(fā)。低層水汽的不均勻分布形成近地面干線，干線熱力斜壓引發(fā)鋒生作用，鋒生強(qiáng)迫的次級環(huán)流有利于沿干線局地對流初生和發(fā)展，但由于干線鋒生次級環(huán)流動力強(qiáng)迫弱，這些離散分布的淺對流系統(tǒng)未進(jìn)一步發(fā)展。

（4）地面冷鋒臨近時，干線與冷鋒交叉點(diǎn)處的淺對流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展為造成金塔局地性極端暴雨的中-γ尺度深厚濕對流系統(tǒng)。干線與冷鋒交角大，冷鋒推進(jìn)時其與干線交叉點(diǎn)處存在兩者相互作用，有利于對流發(fā)展，特別是交叉點(diǎn)處如有干線對流，垂直上升運(yùn)動更為強(qiáng)烈。

本文利用再分析資料和實(shí)況觀測資料，通過診斷分析鋒生和垂直速度，對干線觸發(fā)對流及增強(qiáng)機(jī)制現(xiàn)象進(jìn)行定性分析與描述，可為類似深厚濕對流局地性影響的天氣預(yù)警及精細(xì)化預(yù)報提供一定思路。但是，這些機(jī)制的關(guān)鍵影響因素分析也很重要，如地形和中小尺度天氣系統(tǒng)相互作用對鋒生的動力影響機(jī)制、地面感熱與潛熱通量對鋒生局地性的熱力影響機(jī)制以及水平渦度變化引起的垂直環(huán)流等。針對以上問題，通過數(shù)值模式模擬試驗(yàn)，開展更有深度和價值的研究十分必要。