2021年7月24日海西大到暴雨過程成因分析

余倩 裴尕桑 白延暉 唐仲濤

摘要 基于降水資料、高空、地面、Ncep1°×1°6 h再分析資料，分析2021年7月24日發(fā)生在青海省海西州的大到暴雨過程。結(jié)果表明：此次過程降水強(qiáng)度大、范圍廣，具有極端性和對流性質(zhì)，降水時段集中，以短時強(qiáng)降水為主，并伴雷暴。弱冷空氣、高空切變線、地面輻合線對此次強(qiáng)降水起到了很好的動力輻合抬升作用。水汽充足，T-Td≤2℃，700 hPa比濕在10 g/kg左右，東南風(fēng)和冷空氣前部的水汽源在輻合匯集明顯。探空曲線呈現(xiàn)“瘦高”型短時強(qiáng)降水類型，低層暖平流，高層冷平流，層結(jié)不穩(wěn)定，暖濕層深厚，降水效率高，強(qiáng)烈而深厚的上升運(yùn)動，地形輻合和抬升對降水增幅明顯。

關(guān)鍵詞 海西;大到暴雨;比濕

中圖分類號：P458.121.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）10–0034–04

柴達(dá)木盆地屬高原大陸性氣候，冬季以干旱為主要特點(diǎn)。年降水量自東南部的200 mm遞減到西北部的15 mm，年均相對濕度為30%～40%。年降水量少，且時空分布不均，主要集中在夏季[1]。7月24—25日，海西東部出現(xiàn)暴雨天氣，海西州氣象臺和下屬縣局氣象臺暴雨預(yù)警信號共22期，過程降水持續(xù)時間長、影響范圍廣、局地性強(qiáng)、降水強(qiáng)度大，其中短時強(qiáng)降水、冰雹等強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)的時間較歷年同期偏早。

目前，針對類似極端天氣過程的分析和研究較少。通過分析環(huán)流演變、動力及水汽條件、觸發(fā)機(jī)制、中小尺度系統(tǒng)、物理量等與降水落區(qū)及強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，總結(jié)此次極端暴雨天氣的成因，為提高海西暴雨、短時強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確率提供更多的參考。

1 資料

所用資料為2021年7月24—25日都蘭站探空資料、地面觀測資料、海西州10個國家基本站和109個區(qū)域自動站的降水資料，以及FY-4G紅外云圖資料。降水量標(biāo)準(zhǔn)采用青海省降水標(biāo)準(zhǔn)：日降水量R≥25 mm、R≥50 mm分別定義為大雨、暴雨;1 h降水量≥8.0 mm為短時強(qiáng)降水、1 h降水量≥16.0 mm為短時強(qiáng)暴雨。

2 降水實(shí)況

2021年7月24—26日海西州出現(xiàn)入汛以來最強(qiáng)降水天氣過程，其中海西中東部地區(qū)出現(xiàn)大到暴雨，過程期間伴有雷暴、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣。降水主要集中在24日夜間至25日白天，根據(jù)全州自動氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：24日20：00～25日20：00的24 h降水量達(dá)暴雨量級7站，大雨量級23站，中雨量級31站，最大降水出現(xiàn)在烏蘭金子海，降水量82.6 mm。按氣象觀測標(biāo)準(zhǔn)來看，烏蘭、都蘭兩地降水量均突破2個國家級氣象站單日降水量歷史極值。這是入汛以來出現(xiàn)的最強(qiáng)的降水天氣過程，呈現(xiàn)出范圍廣、強(qiáng)度強(qiáng)、極端性明顯等降水特征。

3 大尺度環(huán)流背景與影響系統(tǒng)

3.1 大尺度環(huán)流背景

2021年7月24—26日，100 hPa南亞高壓呈東部型，脊線位于青海省東部地區(qū)，高壓南部偏東氣流明顯。前期受中東高壓東伸和西太副高西伸影響，天氣晴好，各地出現(xiàn)2021年以來最高氣溫，海西大部地區(qū)氣溫維持30℃以上，烏蘭22日最高氣溫達(dá)到32℃，整體為高溫、高濕環(huán)境條件，為此次降水過程提供了較好的能量。

08：00 500 hPa高空圖上（圖3a），過程發(fā)生前，歐亞中高緯地區(qū)為兩槽一脊環(huán)流形式，貝加爾湖附近存在一閉合低渦，低渦底部到我國新疆北部一帶有低槽，低渦東移過程中槽底不斷分裂短波槽并東移南下。從24日20：00高空圖可以看出，貝加爾湖低渦東移南壓至新疆北部，青海省受中東高壓控制，溫度場落后于高度場，系統(tǒng)加強(qiáng)，青海省中部有切變線存在，且移動緩慢。中東高壓與南亞高壓主體位置重合，兩者均控制青海省全境，非常有利于降水區(qū)不穩(wěn)定能量的堆積，24日20：00 700 hPa高空圖上（圖3b）西部有高壓脊東移，青海省大部分地區(qū)受暖中心控制，其中心值為24℃。綜合上述分析，過程期間海西乃至青海大部均處于高溫、高濕的不穩(wěn)定層結(jié)中。

3.2 中尺度系統(tǒng)

從24日20：00中尺度分析圖（圖4a）分析看出，前期受高壓控制，天氣晴好，不穩(wěn)定能量累積，100 hPa上南亞高壓維持在高原上空，500 hPa上青海省中部存在切變，且青海省北部T-Td≤2℃，都蘭T-Td為0℃，接近飽和。地面上24 h變壓在3～5 hPa，冷空氣分為西路和東路兩路影響海西，冷鋒位于祁連山區(qū)北部，格爾木、都蘭與德令哈及烏蘭之間存在明顯的中尺度輻合線，中尺度的低空輻合線會觸發(fā)對流發(fā)展，地面弱冷空氣對暴雨觸發(fā)起到了重要作用，往往決定暴雨發(fā)生時間。弱冷空氣、高空切變線、地面輻合線為此次海西東部強(qiáng)降水提供了很好的動力輻合抬升作用。

4 強(qiáng)降水成因

4.1 不穩(wěn)定條件

圖5b是都蘭站24日20：00探空，可以看出此次過程中都蘭站探空曲線呈“瘦高型”的典型強(qiáng)降水分布形態(tài)，整層濕度較好，對流層高層至500 hPa之間有干冷空氣侵入，溫濕層結(jié)曲線形成向下開口的喇叭形狀，與500 hPa以下的暖濕層形成“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)。從風(fēng)場垂直分布來看，近地層風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，高層風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流，有利于對流不穩(wěn)定的加強(qiáng)。CAPE值達(dá)404 J/kg，有一定的能量儲備，為對流性降水的產(chǎn)生提供了較好的能量條件。0℃層高度較高，暖區(qū)深厚，有利于提高降水效率。

假相當(dāng)位溫（θse）是表示當(dāng)濕空氣中所有的水汽凝結(jié)并釋放潛熱以后空氣塊所具有的位溫值[2-3]。θse值越大，氣塊的暖濕程度越高，代表氣塊所含的能量和水汽越多，有利于抬升凝結(jié)出更多的水，釋放出更多的潛熱。從假相當(dāng)位溫的空間分布來看，在青海南部有500 hPa有θse≥85℃的高能舌，700 hPa青海省東南部處于θse≥65℃的高能區(qū)（圖5a），說明氣團(tuán)處于θse高值的狀態(tài)，海西東部存在高溫、高濕的能量，結(jié)合再分析資料（圖5b）24日20：00烏蘭上空形成一個“高懸的低θse”疊加在低層高θse上的結(jié)構(gòu)，中低層大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)。大的不穩(wěn)定能量使得此次系統(tǒng)性降水天氣中伴隨對流性降水，從而在單位時間內(nèi)能夠產(chǎn)生更大的降水量。

4.2 水汽條件

充沛的水汽供應(yīng)是大降水發(fā)生的必要條件，從不同時次的水汽通量分布來看，加上前期青海省東部受副高控制，地面上也積累了一定的能量。從水汽通量散度場來看，海西大部有較為明顯的水汽輸送通道，但水汽輸送強(qiáng)度偏弱，700 hPa青海省東北部為水汽通量散度輻合中心，中心值為-9×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1。Ncep再分析資料烏蘭地區(qū)水汽通量散度場和比濕場時間剖面分析顯示，24—25日整層水汽較好，在600 hPa最強(qiáng)，達(dá)10 g/kg左右，達(dá)到海西地區(qū)出現(xiàn)大雨或暴雨閾值（圖6a）。對比可知降水期間水汽主要來自于低層或700 hPa，低層水汽條件更為充足，因此應(yīng)關(guān)注低層水汽條件是否達(dá)到強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)。

水汽通量散度場上，24日20：00的500～400 hPa之間水汽匯集強(qiáng)度最強(qiáng)，因此在強(qiáng)降水發(fā)生期間烏蘭上空不僅有明顯的水汽輸送通道，且水汽在烏蘭上空有明顯的匯集，對比而言，高空水汽輸送的強(qiáng)度及匯集程度均強(qiáng)于低空。再分析數(shù)據(jù)也顯示20：00低層500 hPa水汽輸送強(qiáng)度和輻合強(qiáng)度均強(qiáng)于高層700 hPa（圖6b）。

再分析資料700～500 hPa過程前后分析發(fā)現(xiàn)，過程前24日08：00 700～500 hPa水汽主要聚集在海西西部，14：00水汽輻合較08：00加強(qiáng)，同時低層（700～600 hPa）輻合中心向東部移動，20：00烏蘭地區(qū)整層水汽輸送強(qiáng)度和輻合強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，700～500 hPa輻合中心值在-8×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1以上。同時，輻合中心在海西東北部地區(qū)（圖7），23：00中高層水汽輻合強(qiáng)度減弱，但700 hPa烏蘭北部水汽輻合繼續(xù)維持，中心值為-9×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1。

4.3 動力條件

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動條件被認(rèn)為是強(qiáng)降水天氣發(fā)生的直接觸發(fā)機(jī)制[4-5]。垂直運(yùn)動造成水汽、熱量、動量、渦度等物理量的垂直輸送對天氣系統(tǒng)的發(fā)展也有很大的影響。從降水發(fā)生時段來看，垂直速度場存在強(qiáng)的上升運(yùn)動區(qū)，從低層700 hPa至高層200 hPa均處于強(qiáng)烈的上升區(qū)，300 hPa最強(qiáng)，中心值達(dá)到-40 hPa/s，烏蘭處于垂直速度大值區(qū)西南側(cè)，這樣強(qiáng)且深厚的上升氣流為此次降水過程提供了充足的動力條件。結(jié)合再分析資料分析7月24日20：00低層500 hPa以下為下沉運(yùn)動，高層500～300 hPa為上升運(yùn)動，至25日02：00整層為強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，700～600 hPa最強(qiáng)（圖8），因此此次強(qiáng)降水過程中上升運(yùn)動主要集中在中低層。

5 衛(wèi)星云圖特征分析

從衛(wèi)星云圖分析（圖9），此次大降水過程分為2個階段：第一階段在24日20：00左右海西東部有對流云系不斷發(fā)展且加強(qiáng)，云頂亮溫最大為-63℃，烏蘭地區(qū)在對流云系移動的后方，第二階段在25日02：00左右，在德令哈地區(qū)又有新的對流云系發(fā)展，且在東移過程中不斷加強(qiáng)，影響烏蘭地區(qū)的云團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密呈近圓形，具有明顯的暴雨和局地短時強(qiáng)對流云團(tuán)的特征。

6 結(jié)論

（1）此次過程降水強(qiáng)度大、范圍廣、具有極端性;降水具有對流性質(zhì)，是發(fā)生在大陸高壓外圍的一次以短強(qiáng)為主的對流性降水。

（2）弱冷空氣、高空切變線、地面輻合線對此次強(qiáng)降水起到了很好的動力輻合抬升作用。水汽充足，T-Td≤2℃，700 hPa比濕在4～6 g/kg左右，東南氣流和冷空氣前部的水汽源輻合匯集明顯。

（3）探空曲線呈現(xiàn)“瘦高”型短時強(qiáng)降水類型，低層暖平流，高層冷平流，層結(jié)不穩(wěn)定，暖濕層深厚，強(qiáng)烈而深厚的上升運(yùn)動，地形輻合和抬升對降水增幅明顯。

（4）強(qiáng)降水出現(xiàn)在對流云系移動方向的后側(cè)，云團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密呈近圓形，具有明顯的暴雨和局地短時強(qiáng)對流云團(tuán)的特征。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳濤，宋友桂，李云.柴達(dá)木盆地末次盛冰期與全新世大暖期風(fēng)沙活動的對比研究[J].干旱區(qū)研究，2016，33（4）：877-883.

[2] 姚學(xué)祥.天氣預(yù)報(bào)技術(shù)與方法[M].北京：氣象出版社，2011.

[3] 丁一匯.高等天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社，2005.

[4] 王振海.青海省災(zāi)害性天氣個例分析文集[M].北京：氣象出版社，2021.

[5] 孫繼松.短時強(qiáng)降水和暴雨的區(qū)別與聯(lián)系[J].暴雨災(zāi)害，2017，36（6）：498-506.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Cause Analysis of Big Enough to Cause a Storm Process in Haixi on July 24， 2021

YU Qian et al（Haixi Observatory， Qinghai Province， Delingha， Qinghai 819100）

Abstract Based on precipitation data， upper air， ground and Ncep1°×1°6h reanalysis data， the heavy to heavy rain process that occurred in Haixi， Qinghai province on July 24， 2021 was analyzed. The results showed that the precipitation intensity was large， the range was wide， extreme and convective， and the precipitation period was concentrated， mainly short-time heavy precipitation， accompanied by thunderstorms. Weak cold air， upper shear line and ground convergence line played a good role on the dynamic convergence uplift of the heavy rainfall. Water vapor was sufficient， t-TD≤2℃， specific humidity of 700 hPa is about 10 g/kg， and water vapor sources in southeast wind and front of cold air converge obviously. The radiosonde curve showed a “thin and high” short-time heavy precipitation type， with warm advection at low level and cold advection at high level， unstable stratification， deep warm and wet layer， high precipitation efficiency， strong and deep upward movement， and terrain convergence and uplift had obvious effect on precipitation increase.

Key words Haixi; Heavy rain; Specific humidity