張掖市一次極端暴雨過程的天氣學(xué)診斷

張文光 陸偉 安婷婷

摘 要：利用常規(guī)地面和高空觀測(cè)資料以及歐洲中心再分析資料（ERA-Interim），對(duì)2018年8月31日—9月1日張掖市極端暴雨天氣的環(huán)流形勢(shì)、影響系統(tǒng)和物理量特征進(jìn)行了綜合診斷分析。結(jié)果顯示：此次暴雨發(fā)生在有利于西北地區(qū)多雨的大尺度環(huán)流背景下，南亞高壓為東部型，500hPa副熱帶高壓西伸北跳，588線控制長江中下游地區(qū)。主要影響系統(tǒng)有巴爾喀什湖冷槽、低層低渦和地面倒槽。中低層的流場(chǎng)配置有利于水汽的輸送和匯聚，對(duì)流層內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和暴雨的形成。

關(guān)鍵詞：極端暴雨;環(huán)流形勢(shì);物理量

中圖分類號(hào)：S16 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200530044

引言

近年來，河西地區(qū)強(qiáng)降水頻發(fā)，表現(xiàn)為局地性強(qiáng)、時(shí)間短和強(qiáng)度大[1]。此次天氣過程，降水強(qiáng)度大，其中高臺(tái)站24h降水量接近其年平均將水量的1/2，屬于比較極端的一次降水過程。

相關(guān)研究表明[2]，在有利于降水的大尺度環(huán)流背景下，高低空環(huán)流配置以及物理量場(chǎng)的差異，會(huì)導(dǎo)致暴雨的范圍和強(qiáng)度明顯不同，因而分析導(dǎo)致相關(guān)物理量場(chǎng)的變化特征，對(duì)預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)和強(qiáng)度是有重要意義。本文利用甘肅省常規(guī)地面氣象觀測(cè)站的降水資料、MICAPS資料以及0.75°×0.75°的歐洲中心再分析資料（ERA-Interim），對(duì)本次暴雨過程的降水實(shí)況、環(huán)流形勢(shì)和相關(guān)物理量場(chǎng)做診斷分析，并試圖尋找暴雨天氣的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

1 降水過程概況

2018年8月31日08∶00—9月1日08∶00，張掖市普降中到大雨，部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨、大暴雨，最大降水量出現(xiàn)在山丹焉支山林場(chǎng)，為87.3mm（本文采用甘肅省氣象局制定的河西暴雨標(biāo)準(zhǔn)：24h降水量≥30mm，下同）。此次降水共有60站達(dá)到大雨，34站達(dá)到暴雨，2站達(dá)到大暴雨。雨量大值區(qū)主要集中在北部的高臺(tái)縣和臨澤縣以及東部的山丹縣，其中有21個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)大于10mm/h（河西地區(qū)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)）的短時(shí)強(qiáng)降水。

選取高臺(tái)站的逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)做簡要分析，從逐小時(shí)降水量演變情況（表1）來看，降水從8月31日18∶00開始，強(qiáng)降水主要集中于上半夜（8月31日19∶00—9月1日0∶00），后半夜降水減弱，趨于結(jié)束。

2 環(huán)流形勢(shì)

從500hPa環(huán)流形勢(shì)可以看到，歐亞中高緯呈2槽1脊型。巴爾喀什湖以東和東亞東岸為低槽區(qū)，貝加爾湖東側(cè)存在高壓脊。副熱帶高壓（以下簡稱副高）588線控制長江中下游一帶，副高脊線位于N33°附近，西伸脊點(diǎn)伸至四川盆地，甘肅中東部處于副高邊緣，存在一定的暖濕氣流供應(yīng)。2018年8月31日20∶00，巴爾喀什湖以東的低槽東移加深，并略有南壓。同時(shí)，青海中部發(fā)展出短波槽，張掖位于短波槽前。槽后冷平流加強(qiáng)，引導(dǎo)冷空氣不斷南下。由于河套西部地區(qū)前期為晴熱天氣，低層溫度較高，中高層干冷空氣侵入，形成上干冷下暖濕結(jié)構(gòu)，易觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。槽前正相對(duì)渦度平流輸送，促使中低層垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，為降水形成提供了較好的動(dòng)力條件。9月1日08∶00，短波槽移至甘肅東部，張掖處于短波槽后，降水過程結(jié)束。

700hPa上，甘肅中東部處于偏東風(fēng)和東南風(fēng)控制下，存在風(fēng)向和風(fēng)速的輻合，為水汽的輸送和聚集提供了便利。8月31日08∶00 700hPa形勢(shì)場(chǎng)上，甘肅中部存在1個(gè)小的低渦，張掖也處于其控制下。低渦既能提供較好的動(dòng)力抬升條件，又可使冷暖氣流的交匯。

200hPa高層形勢(shì)場(chǎng)上，南亞高壓主體位于高原上空，脊線在N32°附近，中心偏于E90°以東，屬于東部型。甘肅中東部處于高空急流的出流區(qū)，形成高層輻散，加強(qiáng)抽吸作用，有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持。

3 水汽條件

暴雨的發(fā)生、發(fā)展要求本地上空具備豐富的水汽和持續(xù)不斷的水汽輸送，且有一個(gè)充足的水汽累積過程。此次暴雨過程中，水汽主要由青藏高原東側(cè)的偏東南氣流供應(yīng)。

3.1 水汽含量

相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明[3]，暴雨發(fā)生時(shí)700hPa上比濕往往大于8g/kg。從2018年8月31日08∶00 700hPa比濕場(chǎng)上可以看出，整個(gè)甘肅地區(qū)的比濕維持在9～11g/kg，其中張掖上空的比濕為10g/kg。8月31日20∶00，由于東南暖濕氣流輸送增強(qiáng)，甘肅中東部的比濕進(jìn)一步增大，達(dá)到10～12g/kg。9月1日08∶00，降水過程趨于結(jié)束，大氣中的水汽得到釋放，甘肅中部的比濕降為8～9g/kg。

3.2 水汽輸送

8月31日08∶00，水汽輸送通道就已經(jīng)建立。從700hPa水汽通量場(chǎng)可以看出，甘肅東部存在1個(gè)大于9g·cm-1·hPa-1·s-1水汽通量的大值中心，在東南風(fēng)和偏南風(fēng)的共同作用下，水汽源源不斷地向張掖地區(qū)輸送。8月31日20∶00，甘肅東部的水汽輸送中心范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，且有所西移，中心數(shù)值增大至13g·cm-1·hPa-1·s-1，同時(shí)，東南風(fēng)分量增大。這些都加強(qiáng)了水汽輸送，為暴雨發(fā)生提供了充分的水汽供應(yīng)。

3.3 水汽輻合

由圖8顯示的700hPa水汽通量散度可知，8月31日08∶00，甘肅中西部與內(nèi)蒙古西部的水汽通量散度均為負(fù)值，存在水汽輻合中心，呈狹長的東北—西南走向，中心數(shù)值小于-2×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，張掖位于該輻合中心的東側(cè)。8月31日20∶00原有的水汽輻合中心強(qiáng)度略有增強(qiáng)，且大的負(fù)水汽通量散度區(qū)范圍擴(kuò)大。與此同時(shí)，青海東部至甘肅中部也有一較強(qiáng)的水汽輻合中心發(fā)展起來，中心水汽通量散度小于-6×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，張掖處于這2個(gè)水汽輻合中心之間，受兩者的共同作用。9月1日08∶00，降水結(jié)束，甘肅省水汽通量散度基本轉(zhuǎn)為正值（圖略），呈現(xiàn)水汽輻散狀態(tài)。從水汽通量散度整個(gè)演變過程來看，位于甘肅中部的張掖在降水時(shí)段內(nèi)，低層都處于水汽輻合區(qū)，且離水汽輻合中心較近，說明水汽供應(yīng)充足，且水汽得到較好的輻合積聚。

4 動(dòng)力條件

為了研究降水時(shí)段內(nèi)張掖地區(qū)的動(dòng)力條件，本文沿N39°做緯向垂直剖面，分析渦度和垂直速度這2個(gè)物理量的演變情況。

2018年8月31日08∶00張掖市區(qū)（E100.5°）中低層850～400hPa處于弱正渦度（氣旋性渦度）場(chǎng)中，且隨高度略向西傾斜。此時(shí)，張掖偏東地區(qū)低層（850～700hPa）存在-6×10-5/s的正渦度中心。31日20∶00，700hPa附近有一正渦度中心，中心值達(dá)到4×10-5/s。2個(gè)時(shí)次，400hPa以上的中高層均為負(fù)渦度控制，且在200hPa附近存在負(fù)渦度中心，中心值小于-4×10-5/s。這樣的高低空渦度場(chǎng)配置，有利于形成低層輻合，高層輻散，加強(qiáng)張掖上空高空輻散抽吸作用，使得垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。

垂直速度場(chǎng)主要表現(xiàn)為整層都處于負(fù)速度區(qū)，具備較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。8月31日08∶00，張掖附近上空上升運(yùn)動(dòng)還比較弱。31日20∶00垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，強(qiáng)速度中心在600hPa附近，垂直速度達(dá)到-0.8hPa/s，主體偏于張掖西部。到了9月1日02∶00（圖略），強(qiáng)上升中心經(jīng)過張掖上空，高度略有下降。

綜合來看，低層氣旋性渦度（正渦度）與強(qiáng)降水時(shí)段有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，垂直速度則在降水初期就已經(jīng)表現(xiàn)為上升運(yùn)動(dòng)，隨著降水強(qiáng)度增大，整層上升運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)增強(qiáng)，較好的動(dòng)力條件，有利于低層的水汽和熱量抬升到高空，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的持續(xù)釋放，形成暴雨。

5 總結(jié)

南亞高壓為東部型，500hPa副高控制長江中下游地區(qū)，這是有利于西北地區(qū)多雨的環(huán)流背景[4]。500hPa短波槽引導(dǎo)冷空氣南下，低層輻合有利于暖濕氣流的輸送和累積，低層低渦既提供了較好的動(dòng)力抬升條件，又有利于冷暖氣流交匯，從而形成大范圍降水;甘肅東部存在水汽源地，借助東南風(fēng)和偏南風(fēng)，為張掖地區(qū)輸送源源不斷的水汽，從而為暴雨發(fā)生提供充足的水汽條件。從水汽通量散度的演變來看，低層處于水汽輻合區(qū)，水汽供應(yīng)充足且得到較好累積;低層氣旋性渦度，中高層反氣旋性渦度，有利于高空輻散抽吸作用，形成強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供了抬升條件，也為暴雨的形成提供動(dòng)力條件。

本文僅從環(huán)流形勢(shì)、影響系統(tǒng)、水汽條件和動(dòng)力條件等方面初步分析了張掖此次暴雨天氣過程的影響因子，但關(guān)于各因子對(duì)暴雨的影響程度，未做深入研究，這有待數(shù)值模擬和敏感性試驗(yàn)予以進(jìn)一步分析。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉洪蘭，張強(qiáng)，劉德菊，等.河西走廊中部一次暴雨過程的天氣學(xué)診斷[J].干旱氣象，2014，32（2）：263-269.

[4]朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社，2011：489-490.

（責(zé)任編輯 李媛媛）