2013年7月21日甘肅河?xùn)|大暴雨過程分析

茍尚 楊瑞鴻 吳文輝 陳得圓

摘 要：利用地面加密自動(dòng)站資料、FY2E紅外云圖資料、NCEP 1°×1°再分析資料、多普勒雷達(dá)資料等，對2013年7月21日發(fā)生在甘肅河?xùn)|的區(qū)域性大暴雨天氣過程進(jìn)行診斷，分析其主要影響系統(tǒng)、物理量、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)等特征。結(jié)果表明：西風(fēng)槽東移、鋒區(qū)南壓使得高原槽生成并且加深，且西風(fēng)槽與高原槽兩者在東移過程中同位相疊加，西太平洋副熱帶高壓東退，是此次暴雨發(fā)生的主要影響系統(tǒng);高低空急流的耦合為暴雨的產(chǎn)生提供了有利條件;低層正渦度區(qū)、整層強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)、充沛的水汽以及θse≥80℃的高能區(qū)，是產(chǎn)生此次大暴雨的動(dòng)力、水汽、能量、層結(jié)不穩(wěn)定條件;低質(zhì)心暖云降水、對流單體的列車效應(yīng)是造成局地持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)水的主要原因。

關(guān)鍵詞：甘肅;大暴雨;天氣診斷

中圖分類號(hào) P458.121.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）19-0147-05

Analysis of Heavy Rain Process in Hedong，Gansu Province on July 21，2013

GOU Shang1 et al

（1Lanzhou central Meteorological observatory，Lanzhou 730000， China）

Abstract：Used ground encryption automatic station data， fy2e infrared cloud image data，NCEP Based on the 1°×1° reanalysis data and Doppler radar data to diagnose the regional heavy rain weather process occurred in Hedong，Gansu Province on July 21， 2013， and analyzed its main influence system， physical quantity，satellite cloud image， radar and other characteristics.The results showed that the eastward movement of westerly trough and the southward pressure of the frontal area make the plateau trough generate and deepen，the westerly trough and the plateau trough are in the same position during the eastward movement In addition，and the eastward retreat of the Western Pacific subtropical high are the main influence system; the coupling of high and low-level jet provided favorable conditions for the rainstorm;the low-level positive vorticity area，the strong ascending motion of the whole layer， abundant water vapor and the high-energy area with θse ≥ 80 ℃ are the unstable conditions of the power，water vapor， energy and stratification; The low mass center warm cloud precipitation and the train effect of convective cell are the main reasons for the local sustained short-term strong water.

Key words：Gansu;Heavy rain;Weather diagnosis

暴雨是甘肅省主要的氣象災(zāi)害之一。甘肅雖地處西北干旱、半干旱地區(qū)，但是地形復(fù)雜、境內(nèi)氣候差異極大，小范圍暴雨發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、時(shí)間集中，容易引發(fā)山洪、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，且防御困難，易造成嚴(yán)重災(zāi)害。因此，探討西北暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制，對于提高西北暴雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、減少暴雨災(zāi)害具有重要意義。曾有不少學(xué)者做過關(guān)于西北暴雨的研究[1-14]。本研究利用常規(guī)觀測資料、甘肅省區(qū)域站資料、FY2E紅外云圖資料、NCEP 1°×1°再分析資料以及新一代多普勒天氣雷達(dá)資料，對2013年7月21—22日發(fā)生在甘肅省河?xùn)|地區(qū)的一次區(qū)域性大暴雨天氣過程的主要影響系統(tǒng)、水汽和動(dòng)力、熱力條件進(jìn)行了診斷分析，探究其發(fā)生的原因和特征，梳理預(yù)報(bào)過程中的難點(diǎn)和著眼點(diǎn)，以期為此類天氣的預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)和支撐。

1 天氣實(shí)況

2013年7月21日08時(shí)至22日08時(shí)，甘肅張掖以東大部分地區(qū)出現(xiàn)了降水天氣，河?xùn)|地區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨，局部地方出現(xiàn)大暴雨，個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)特大暴雨，其中大雨189站，暴雨153站，大暴雨52站，特大暴雨1站（圖1）。本次強(qiáng)降水主要分布在定西、天水、平?jīng)?、慶陽等地，最大降水量出現(xiàn)在平?jīng)鍪徐`臺(tái)縣東王溝村站288.7mm、獨(dú)店站218.1mm、瓦峪樓站207.3mm。此次降水的主要時(shí)段為21日20時(shí)至22日08時(shí)，1h最大降水量出現(xiàn)在靈臺(tái)縣東王溝村站為82.3mm/h，東王溝村連續(xù)6h累計(jì)降水超過200mm（圖2）。此次大暴雨過程具有強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長，降水時(shí)段集中，雨強(qiáng)大的特點(diǎn)。

2 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

500hPa上，亞洲大陸中緯度為西風(fēng)帶緯向環(huán)流，多短波槽脊活動(dòng)，鋒區(qū)位于北緯40°附近，呈東西帶狀分布，副熱帶高壓穩(wěn)定維持，并有所東退。20日20時(shí)，西風(fēng)槽位于新疆東部，鋒區(qū)有所南壓已進(jìn)入甘肅河西及高原西北部，高原上有短波槽發(fā)展;副高脊線位于25°N，584線西伸至青藏高原中部;21日08時(shí)，西風(fēng)槽東移至河西中部，高空鋒區(qū)東移南壓，使得高原槽不斷加深發(fā)展，584線東退至西南地區(qū)，建立了“西低東高”的降水形式。21日20時(shí)（圖3a），西風(fēng)槽繼續(xù)東移，高原槽加深東移，兩者同位相疊加，584線穩(wěn)定維持，沿584線西南暖濕氣流發(fā)展強(qiáng)盛;22日08時(shí)，高原槽東移出甘肅河?xùn)|地區(qū)。700hPa上，20日20時(shí)，西南暖濕氣流沿高原東側(cè)一直延伸到內(nèi)蒙古中部，與西北氣流輻合在甘肅中東部;21日08時(shí)，冷空氣東移南下與西南暖濕空氣交匯，偏南氣流不斷增強(qiáng)，甘肅中部輻合加強(qiáng);21日20時(shí)（圖3b），切變線東移南壓，位于甘肅河?xùn)|地區(qū)，隨著偏南暖濕氣流繼續(xù)加強(qiáng)，河?xùn)|地區(qū)切變輻合進(jìn)一步增強(qiáng)，此時(shí)也對應(yīng)雨強(qiáng)最大的時(shí)段;22日08時(shí)，偏北氣流和偏南氣流都有增強(qiáng)，切變東移到甘肅陜西交界處，雨帶逐漸移至陜西地區(qū)。

3 物理量診斷

3.1 水汽條件 暴雨的發(fā)生除了需要本地充沛的水汽條件，還需要有源源不斷的水汽向暴雨區(qū)輸送，水汽通量能夠反映一個(gè)地區(qū)水汽輸送的強(qiáng)度和方向。從700hPa水汽通量的水平分布來看，21日08時(shí)，沿南海-廣西-貴州有水汽通量大值區(qū)沿著四川盆地北上，建立了1條明顯的水汽輸送帶，在甘肅天水地區(qū)有一個(gè)大值中心，強(qiáng)度為10g·（cm·hPa·s）-1;21日20時(shí)（圖4a），輸送帶上的水汽通量明顯加強(qiáng)，甘肅河?xùn)|的大值中心強(qiáng)度增強(qiáng)到12g·（cm·hPa·s）-1。僅有水汽的輸送還不夠，還要有水汽的輻合，才能使水汽向上輸送，水汽通量散度表示了水汽的集中程度。從700hPa水汽通量散度的水平分布來看，21日08時(shí)，水汽負(fù)值區(qū)（輻合區(qū)）出現(xiàn)在西藏東部、青海東部、寧夏南部，水汽正值區(qū)（輻散區(qū)）出現(xiàn)在四川北部;21日20時(shí)（圖4b），位于青海東部的水汽通量散度負(fù)值區(qū)東移，與寧夏南部的負(fù)值區(qū)合并，在甘肅河?xùn)|形成1個(gè)強(qiáng)的負(fù)值中心，中心強(qiáng)度為-60×10-8·g·cm-2·（hPa·s）-1，說明在這一地區(qū)水汽輻合非常強(qiáng)，并且與這一時(shí)段強(qiáng)降水的落區(qū)相吻合，可見南海水汽輸送為此次大暴雨過程提供了豐富的水汽條件，水汽通量散度對強(qiáng)降水的落區(qū)有很好的指示意義。

3.2 高低空急流 700hPa，21日08時(shí)，甘肅河?xùn)|偏南風(fēng)氣流發(fā)展，風(fēng)速為8m/s;21日20時(shí)，風(fēng)速不斷增強(qiáng)，在川、陜、甘交界風(fēng)速達(dá)到10m/s;22日02時(shí)（圖5a），河?xùn)|南北風(fēng)風(fēng)速進(jìn)一步增強(qiáng)，風(fēng)向風(fēng)速輻合加強(qiáng)，低空急流建立，在四川西北部和陜西中部個(gè)有1個(gè)急流核，中心風(fēng)速13m/s。低空急流把南海的水汽源源不斷地輸送到四川盆地，進(jìn)而到達(dá)甘肅河?xùn)|的暴雨區(qū)，一方面引起暴雨區(qū)水汽的輸送和輻合，同時(shí)也在不斷向暴雨區(qū)輸送能量，從而促進(jìn)對流不穩(wěn)定能量的建立和維持。河?xùn)|地區(qū)恰好位于低空急流的左前方，這里水汽的輻合與上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)。200hPa（圖5b），內(nèi)蒙古中部至山西北部有1支東西向的高空急流，急流核在山西北部。中心最大風(fēng)速超過40m/s，暴雨區(qū)正好處于高空急流核出口區(qū)的右側(cè)，有正的渦度平流，因而引發(fā)高空氣流輻散，低層氣壓降低，對應(yīng)低層為輻合區(qū)，高空急流環(huán)流的上升支與低層的輻合上升運(yùn)動(dòng)疊加，使得上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)，對流發(fā)展旺盛，對暴雨的產(chǎn)生十分有利。

3.3 渦度 從700hPa渦度場上可以看到，21日08時(shí)，甘肅中部有至河?xùn)|處在正渦度區(qū)，中心強(qiáng)度為4·10-5·s-1，而天水、平?jīng)觥c陽此時(shí)處于負(fù)渦度區(qū)，中心強(qiáng)度為-2·10-5·s-1;20日20時(shí)，正渦度中心移至隴東南，中心強(qiáng)度增至6·10-5·s-1，天水、平?jīng)觥c陽此時(shí)已轉(zhuǎn)為正渦度區(qū)，在正渦度區(qū)的西北方和東南方各有1個(gè)負(fù)渦度中心，也就是垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的西北和東南方兩側(cè)存在下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，這是上升運(yùn)動(dòng)區(qū)四周的補(bǔ)償下沉區(qū)，也是低層的輻合維持和加強(qiáng)的條件，此時(shí)對應(yīng)河?xùn)|地區(qū)的強(qiáng)降水開始;22日02時(shí)（圖6a），隴東南的正渦度中心強(qiáng)度迅速增強(qiáng)到10·10-5·s-1，可見此處氣旋性曲率增大，環(huán)流發(fā)展旺盛，上升運(yùn)動(dòng)很強(qiáng)，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了動(dòng)力條件;22日08時(shí)，川北的正渦度中心與河?xùn)|正渦度中心合并，移至陜西關(guān)中地區(qū)，甘肅河?xùn)|正渦度區(qū)逐漸減弱。

3.4 垂直速度 從降水中心35°N作垂直速度的剖面來看，21日08時(shí)，上升氣流的大值區(qū)位于高原邊坡，最大值為-1.6Pa·s-1，甘肅臨夏有弱的下沉氣流，屬于次級(jí)環(huán)流，有利于上升運(yùn)動(dòng)的維持，21日14時(shí)，上升氣流區(qū)移至臨夏地區(qū)，強(qiáng)度維持，在臨夏以東，中低層有弱下沉氣流，但高層開始有上升氣流發(fā)展;21日20時(shí)至22日02時(shí)（圖6b），在天水、平?jīng)觥c陽，850～200hPa整層都表現(xiàn)為上升運(yùn)動(dòng)，最大上升中心在600～700hPa，為-1.4 Pa·s-1，深厚的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域?qū)?yīng)著暴雨區(qū)。

3.5 假相當(dāng)位溫 從700hPa上假相當(dāng)位溫的分布可以看出，21日14時(shí)，從川北、甘肅河?xùn)|θse≥75℃，臨夏、甘南θse≥80℃，有不穩(wěn)定能量積聚;21日20時(shí)（圖7a），川北θse≥80℃高能舌伸至天水、平?jīng)?，使得河?xùn)|地區(qū)中低層不穩(wěn)定能量進(jìn)一步增強(qiáng)。從35N的θse垂直剖面圖可以看出，21日20時(shí)（圖7b），天水、平?jīng)鲋械蛯蛹傧喈?dāng)位溫隨高度減小，垂直梯度很大，大氣層結(jié)很不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生;22日08時(shí)，對應(yīng)本次暴雨過程降水集中的時(shí)段，700hPa河?xùn)|θse減弱到75℃，表明經(jīng)過強(qiáng)降水能量迅速釋放，大氣不穩(wěn)定度已顯著降低。

4 云圖特征

21日08時(shí)（圖8a），隨著高原東部低渦切變的形成，高原東部有明顯葉狀云系發(fā)展;21日14時(shí)（圖8b），冷空氣南壓，高原切變東移，形成一個(gè)尺度較大的渦旋狀云系;21日20時(shí)（圖8c），700hPa的切變線東移南壓，西南急流的加強(qiáng)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，甘肅河?xùn)|、四川北部有多個(gè)中β、中γ尺度云團(tuán)生成，其中甘肅平?jīng)鰧α髟茍F(tuán)發(fā)展旺盛，并向東北方向移動(dòng)，其后不斷有又新的對流云團(tuán)生成并向東北方向移動(dòng)，連續(xù)經(jīng)過地區(qū)，使得該地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水;22日08時(shí)（圖8d），高空槽南壓，切變線東移，云團(tuán)移出甘肅，降水結(jié)束。

5 雷達(dá)回波特征

此次大暴雨過程選取西峰新一代多普勒天氣雷達(dá)的資料進(jìn)行分析，從強(qiáng)度圖來看，此次過程層積混合型降水回波一直維持，范圍較廣，其中分散地存在著對流單體，強(qiáng)度并不很強(qiáng)，在35～40dbz，自西南向東北方向移動(dòng)，21日20時(shí)以后（圖9a），平?jīng)龅貐^(qū)密實(shí)的混合降水回波云系發(fā)展加強(qiáng)，范圍增大，不斷有對流單體經(jīng)過靈臺(tái)縣，對應(yīng)這一地區(qū)產(chǎn)生持續(xù)性強(qiáng)降水，21：49（圖9b）雷達(dá)低仰角觀測中在靈臺(tái)出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)，說明該區(qū)域輻合上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，對流發(fā)展增強(qiáng)，此后逆風(fēng)區(qū)范圍不斷增大，并向東北方向移動(dòng)，直至22：39分消失。

從東王溝村站上空雷達(dá)回波強(qiáng)度的時(shí)序圖上可以看出（圖10），從21日20時(shí)開始，該站上空回波強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，高度不斷發(fā)展，以當(dāng)天20時(shí)平?jīng)鲇^測站探空代該地區(qū)的大氣層結(jié)狀況，抬升凝結(jié)高度在1.8km處，0℃層高度在5.3km處，由此可見，整個(gè)降水過程中，較強(qiáng)回波主要分布在0℃層以下深厚的暖云層空間，說明強(qiáng)反射率因子主要是液態(tài)水滴，低質(zhì)心暖云降水特征明顯，因此，整個(gè)過程以暖云降水為主，在21：29回波強(qiáng)度達(dá)發(fā)展到35～40dbz，對應(yīng)此時(shí)出現(xiàn)在東王溝村的82.3mm/h短時(shí)強(qiáng)降水。22：28分以后又有新的單體生成，經(jīng)過東王溝村，產(chǎn)生1h32.4mm的強(qiáng)降水，這樣對流單體不斷生成和消亡在這一地區(qū)產(chǎn)生列車效應(yīng)，致使該地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)降水。

6 結(jié)論

（1）西風(fēng)槽東移，鋒區(qū)南壓，使得高原槽生成并且加深，兩者在東移過程中同位相疊加，西太平洋副熱帶高壓584線東退，是此次暴雨的主要影響系統(tǒng)。

（2）低層來自南海的水汽沿西太平洋副熱帶高壓的西南側(cè)經(jīng)云貴四川地區(qū)進(jìn)入甘肅，并在甘肅東南部強(qiáng)烈輻合上升，為大暴雨的發(fā)生提供充足的水汽。

（3）暴雨區(qū)處于高空急流入口區(qū)的右側(cè)，低空急流的左前方，高低空急流的耦合是暴雨出現(xiàn)的重要原因。

（4）低層正渦度區(qū)，整層強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，充沛水汽條件，θse≥80℃的高能區(qū)，是造成此次大暴雨過程的動(dòng)力、水汽、能量、層結(jié)不穩(wěn)定條件。

（5）低質(zhì)心暖云降水，逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)，對流單體不斷生成和消亡產(chǎn)生的列車效應(yīng)是造成局地持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)降水的主要原因。

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（責(zé)編：張宏民）