慶陽市2021年“8.18”旱澇急轉(zhuǎn)型暴雨過程診斷分析

劉 英，周忠文，張 峰

(慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000)

暴雨造成的暴洪災(zāi)害是我國主要災(zāi)害天氣之一，直接影響人民群眾的生命財產(chǎn)安全及社會穩(wěn)定。慶陽市地處西北地區(qū)東部，屬北溫帶半濕潤、半干旱氣候過渡區(qū)。隴東號稱“黃土層最厚”的地方，境內(nèi)山地起伏，溝壑縱橫，既是國家級生態(tài)功能重要區(qū)，又是生態(tài)脆弱敏感區(qū)。尤其土質(zhì)疏松，最易出現(xiàn)水土流失、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，同時強地表徑流易沖毀堤岸，淹沒農(nóng)田、村莊，沖毀交通設(shè)施、造成城市內(nèi)澇等災(zāi)害。由暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害，每年都會造成較大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。例如：“2013年7月13日”慶陽市環(huán)縣樊家川短時暴雨造成突發(fā)山洪，致2人死亡，6人失蹤，1人受傷。據(jù)統(tǒng)計，慶陽市每年受暴雨洪澇災(zāi)害年經(jīng)濟損失在1億元以上。近年來極端降水頻發(fā)，災(zāi)害愈強，關(guān)于暴雨的研究也多[1-4]，但是暴雨發(fā)生機制復(fù)雜多變，尤其是突發(fā)性暴雨，持續(xù)時間短，局地性強，突發(fā)性強，降水強度大，破壞力大。許多氣象工作者對西北地區(qū)東部及甘肅省暴雨發(fā)生發(fā)展機制進行診斷分析[5-8]，以期提高區(qū)域性暴雨落區(qū)、量級、時間段的預(yù)報準(zhǔn)確性，抓住有利時機進行人工增雨，為政府部門防災(zāi)減災(zāi)、抗旱防汛決策服務(wù)提供第一手氣象資料，對保障人民群眾生命財產(chǎn)安全具有非常重要的意義。

1 “旱澇急轉(zhuǎn)”天氣特征

1.1 前期旱情及成因

慶陽夏季雨熱同期，“七下八上”是慶陽市暴雨的主要發(fā)生時段。但是，2021年5月1日至8月17日，各縣站降水量僅48.8～178.1mm，與歷年同期相比偏少36～77%，環(huán)縣站降水量僅為48.8mm，是該站1957年有氣象記錄以來同期最少的年份，華池站降水量僅為68.1mm，是該站1965年有氣象記錄以來同期最少的年份。

慶陽市暴雨按出現(xiàn)站次和量級可分為局地性暴雨和區(qū)域性暴雨；也可分為系統(tǒng)性暴雨和突發(fā)性暴雨；按大氣環(huán)流形勢分型為：西北氣流型、低槽東移型、低渦型、副高型，其中副高型暴雨又分為副高外圍型和副高內(nèi)部型，副高外圍型暴雨，主要是指在副高5880gpm線與5840gpm線之間發(fā)生的暴雨，東移冷空氣與副高外圍西南(或東南)暖濕氣流交匯而引發(fā)的強對流天氣過程，具有系統(tǒng)性、突發(fā)性等共同特征，其雨勢強，持續(xù)時間短，造成的災(zāi)害嚴(yán)重。2021年8月18-19日這次旱澇急轉(zhuǎn)的突發(fā)性暴雨就是副高外圍型暴雨。

副熱帶高壓(以下簡稱副高)的位置與我國雨帶的位置密切相關(guān)，我國大雨帶一般出現(xiàn)在副高西北部5-8個緯距，暴雨則出現(xiàn)在副高西北側(cè)的大雨帶中[9-10]。大的系統(tǒng)性的降水過程，除了有北方的冷空氣外，還需要充足的水汽來源，慶陽地處西北地區(qū)東部，水汽主要來源于南海和副高外圍的偏南暖濕氣流，本次突發(fā)性暴雨前期，副高脊線較常年位置偏南，慶陽市降水量明顯偏少。8月上旬之前，慶陽大部受弱脊前偏北氣流控制，北方不斷有弱冷空氣活動，阻擋了副高北抬和水汽向北的輸送，無明顯的水汽輻合，慶陽出現(xiàn)持續(xù)性晴熱高溫天氣。據(jù)統(tǒng)計，2021年各縣站≥32℃高溫日數(shù)均高于歷史平均日數(shù)，且出現(xiàn)時間相對集中，大都出現(xiàn)在6月到8月上旬之前，環(huán)縣出現(xiàn)高溫日數(shù)多達39d，為歷史記錄最多年，7月13日環(huán)縣本站出現(xiàn)39.4℃的極端高溫，打破歷史極值。慶陽市氣象臺共發(fā)布高溫預(yù)警信號11期，極端高溫高且持續(xù)時間長，實屬近十年罕見。在降水持續(xù)偏少的同時，各地出現(xiàn)異常高溫天氣，慶陽市出現(xiàn)了多年不遇的夏季嚴(yán)重干旱，環(huán)縣北部達到重旱，慶陽市中北部農(nóng)作物受旱較重，部分地方出現(xiàn)絕收。

1.2 “旱澇急轉(zhuǎn)”降水實況及災(zāi)情

8月18日凌晨到19日白天慶陽市出現(xiàn)了降水天氣過程，強降水時段出現(xiàn)在18日19時-19日03時，截至19日20時(圖1)，累積降水量超過100mm的有8站，超過50mm的有22站，累計最大降水量出現(xiàn)在鎮(zhèn)原閆溝200.2mm。有33站的短時強降水(見表1)，最大小時雨強出現(xiàn)在鎮(zhèn)原縣閆溝86.3mm(8月18日23時-19日00時),為歷史小時雨強次大值。此次過程持續(xù)時間長，且時空分布不均，局地性強，短時雨強大，使慶陽的嚴(yán)重夏旱得以緩解，但也給慶陽市中南部造成了洪澇災(zāi)害，使鎮(zhèn)原、西峰、慶城、華池等4個縣(區(qū))33個鄉(xiāng)鎮(zhèn)11907人不同程度受災(zāi)。緊急避險轉(zhuǎn)移253人，緊急轉(zhuǎn)移安置(分散)81人，需緊急生活救助15人。因災(zāi)死亡大牲畜牛4頭、羊113只、豬仔2只；農(nóng)作物受災(zāi)面積659.12公頃、倒塌房屋185戶523間(農(nóng)房)、損毀鄉(xiāng)村道路407條。災(zāi)害造成直接經(jīng)濟損失3814.55萬元。

圖1 2021年8月18日-19日慶陽市降水實況圖

2 大氣環(huán)流形勢分析

產(chǎn)生暴雨的主要物理條件是充分的水汽條件、不穩(wěn)定大氣層結(jié)、抬升觸發(fā)機制等，有組織的強對流發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵條件還有垂直風(fēng)切變等。前面的分析已證實，隴東地區(qū)的短時強降水和冰雹天氣常發(fā)生在午后至傍晚，與這次強對流天氣出現(xiàn)時間很吻合。

表1 2021年8月18日-19日暴雨過程中短時強降水(單位：mm)

2.1 500hPa環(huán)流形勢分析

圖2a 17日20時500hPa

圖2b 18日20時500hPa

從圖2a、2b可以看出，17日20時500hPa高空圖上，我國北部地區(qū)為兩槽一脊環(huán)流形勢，新疆地區(qū)有一低槽維持，東北地區(qū)有一個高壓脊維持。高緯度地區(qū)，有西風(fēng)槽分裂的階梯槽處于貝湖西側(cè)，低槽底部的氣流引導(dǎo)冷空氣的南下，副高5880gpm線西伸北抬控制我市，我市處于脊控制下，溫度較高。到18日20時，西風(fēng)槽不斷加深，并且東移南壓，慶陽位于低槽前部，槽前有正的渦度平流有利于上升運動加強；副高5880gpm南撤東退，我市處于副高外圍的偏南氣流中，西風(fēng)槽分裂的冷空氣在我市中北部地區(qū)匯集，溫度槽落后于高度槽，西風(fēng)槽不斷加深，分裂的階梯槽帶來冷平流較明顯，副高5880gpm外圍偏南水汽輸送通道較暢通，高原上有一個閉合的5880gpm高值中心和暖中心，大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定，使對流不穩(wěn)定建立；且低層有西南風(fēng)急流，有利于對流不穩(wěn)定加強；18日夜間，副高再次東退，冷槽東移，槽后冷空氣下滑，冷暖氣流交匯耦合，造成強烈的上升運動，引發(fā)我市中南部較強的短時強降水及突發(fā)性暴雨天氣過程。500hPa存在強烈的干冷平流，而對流層低層仍然處于暖濕區(qū)或是暖平流控制下，在平流移動過程的作用下，“上干冷、下暖濕”的層結(jié)將被強化，這種結(jié)構(gòu)不僅有利于熱力不穩(wěn)定層結(jié)加強，而且為強對流發(fā)生和發(fā)展提供了良好的水汽來源。

2.2 700hPa環(huán)流形勢分析

18日08時700hPa高度上慶陽處于3120gpm外圍，有大風(fēng)速帶向慶陽市輸送水汽能量，上游有冷空氣東移，并且從08時開始，700hPa高度上在平?jīng)?甘南一帶形成一個切變線向東移動，到18日20時，隨著貝加爾湖低槽明顯加深，并且東移南壓，冷空氣滲透加強，切變線東移到慶陽西部，靠近切變線東南部的鎮(zhèn)原出現(xiàn)強降水；切變線位置偏南，隨著切變線繼續(xù)東移，慶陽市中南部處于切變線的東南象限，風(fēng)向上有輻合，有利于上升運動的發(fā)展，與中南部的大降水區(qū)正好對應(yīng)；受副高5880gpm在我市東南部的穩(wěn)定維持，700hPa切變線在18日夜間也穩(wěn)定維持，這就是造成慶陽市中南部強降水時段較長，雨量較大的原因。18日20時，慶陽區(qū)域700hPa上有溫度脊，低層暖濕氣流與中高層的干冷平流造成的對流不穩(wěn)定在暴雨區(qū)形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，低層暖濕平流造成的增溫增濕、對流層中上層干冷平流造成降溫變干，是造成此次區(qū)域性暴雨的主要原因。

3 物理量分析

3.1 水汽條件

充沛的水汽是暴雨天氣發(fā)生的必要條件之一。18日08時700hPa比濕≥10g/kg，850pha比濕≥16g/kg；18日20時700hPa比濕≥12g/kg，850pha比濕≥17g/kg。說明此次暴雨低層水汽條件非常充沛。從08時到20時比濕變化對比可見(圖3a、3b)，到18日20時水汽從低層到高層有明顯的增加。

圖3a 18日08時比濕

圖3b 18日20時比濕

3.2 熱力條件

θse表征大氣溫、壓、濕的綜合特征(圖略)。其水平分布常用來反映大氣中潛在能量的分布，高值區(qū)為高溫高濕的能量區(qū)，等值線密集區(qū)對應(yīng)為能量鋒區(qū)。18日08時慶陽區(qū)域θse值在66-70℃之間，18日20時慶陽區(qū)域θse在72-80℃之間，等θse線變密，能量鋒增強，并且處于一個能量脊區(qū)域，加之慶陽前期干旱少雨，各地出現(xiàn)異常高溫天氣，邊界層增溫明顯，說明此次暴雨的能量充足且熱力條件很好。

3.3 不穩(wěn)定條件

層結(jié)不穩(wěn)定增長是對流強烈發(fā)展的重要條件，不穩(wěn)定層結(jié)是暴雨發(fā)生的必備條件之一。8月18日08時和20時常用熱力對流參數(shù)和特征高度(表2)。K指數(shù)是表征大氣熱力層結(jié)的物理量，當(dāng)溫度遞減率越大，累積不穩(wěn)定能量越多，且低空水汽接近飽和時，K指數(shù)越大，說明層結(jié)越不穩(wěn)定。就慶陽本地而言，當(dāng)K指數(shù)≥32℃時，容易出現(xiàn)強對流天氣。18日08時，慶陽市的K指數(shù)33-37℃，到了20時則增大至37℃-43℃，對照出現(xiàn)強降水的區(qū)域，其K指數(shù)已達到43℃左右；抬升指數(shù)Li值-2.63℃小于0，表示層結(jié)不穩(wěn)定；CAPE值從08時的340.5J/kg到20時增大至1362.9J/kg，CAPE值增大很明顯，說明能量非常強，對流發(fā)展的高度越高，對強對流發(fā)生有很好的指示意義；抬升凝結(jié)高度高，暖云深厚，有利于高效率降水的產(chǎn)生。

表2 2021年8月18日08時和20時常用 熱力對流參數(shù)和特征高度

4 探空資料分析

本次強對流天氣和區(qū)域性暴雨主要發(fā)生在慶陽市的中南部，故選取平?jīng)鍪刑娇召Y料(圖4a、4b)。18日08時層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線從低層到500hPa以上相距很近，說明從低層到高層水汽都接近飽和，出現(xiàn)短時強降水的可能性很大；450hPa以上的高度比較干，形成了“下暖濕、上干冷”不穩(wěn)定層結(jié)，探空圖上層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線之間構(gòu)成向上開口的“喇叭口”分布。從垂直風(fēng)切變看出，低層為東南風(fēng)，隨高度順轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)說明低層有暖平流，高空轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，從低層到高層都存在不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流觸發(fā)。

從18日20時平?jīng)鎏娇召Y料可以看出，水汽相比早上更加充足，濕層更加深厚，短時強降水發(fā)生概率高；500hPa以下，水汽接近飽和，300-400hPa附近有干冷空氣卷入，一方面有利于熱力不穩(wěn)定增長，另一方面促進蒸發(fā)，對下沉氣流產(chǎn)生向下的加速度，促進熱力不穩(wěn)定加強。從垂直風(fēng)切變可以看出，低層是西北風(fēng)，然后逆轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，說明低層有輻合，700hPa以上順轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，再轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。這種低空輻合高空輻散產(chǎn)生上升運動，為低空氣塊提供了抬升機制，進而有利于觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放。低層水汽飽和、中層干空氣卷入、強熱力不穩(wěn)定，為局地短時強降水的形成提供了水汽條件和熱力不穩(wěn)定條件。

圖4a 18日08時平?jīng)鯰-logP圖

圖4b 18日20時平?jīng)鯰-logP圖

5 多普勒雷達分析

強降水持續(xù)時間長必須滿足下列兩個條件：1.降水系統(tǒng)移動較慢；2.系統(tǒng)沿著雷達回波移動方向的強降水區(qū)域尺寸較大，較大的對流云團依次經(jīng)過會因“列車效應(yīng)”而導(dǎo)致極端的雨量。

從西峰新一代天氣雷達組合反射率因子圖的移動和發(fā)展可以看出(圖5)，這次區(qū)域性暴雨共有三段回波，第一波為18日凌晨到傍晚，回波由西北的寧夏境內(nèi)移入我市的環(huán)縣，以層狀云回波為主夾雜著對流云回波，為混合云降水，最大回波強度為40dbz，這個過程中，降水量級都比較小。18日18時，另一波回波由西南向東北移動，回波移動過程中逐漸發(fā)展加強，對流云團合并，形成明顯的“帶狀回波”；對流云回波從18日19時到19日03時發(fā)展到最強，最強中心達55dbz，強回波主體在慶陽中南部，主要影響鎮(zhèn)原、慶城、華池、西峰等地，回波移動過程中有明顯的“列車效應(yīng)”，共出現(xiàn)33站次短時強降水。其中18日23時至19日01時，兩小時共出現(xiàn)了15站次的短時強降水，最大小時雨強86.3mm。第三波回波為19日04時到20時,移動方向為西南東北方向,相對于上一波回波強度明顯減弱,降水量級逐漸減弱，到20時回波全部移出我市，整個降水過程結(jié)束。此次暴雨過程中，副高在慶陽東南部維持，致使強回波帶長時間在此停留，從而造成強降水區(qū)域集中。從強降水階段的雷達反射率因子速度圖(圖略)上可以看出，回波整體由西南向東北移動，18日23時至19日02時，出現(xiàn)短時強降水時段的速度圖上都有明顯的輻合，這與強降水均有很好的對應(yīng)。

圖5 18日19:35 31:34 22:09 23:09雷達組合反射率因子圖

6 結(jié)論

(1)此次強降水為副高外圍型暴雨，高空槽東移過程中不斷分裂的冷空氣南下，為暴雨產(chǎn)生提供了源源不斷的冷空氣，500hPa溫度槽落后于高度槽，有利于高空槽不斷加深；

(2)副高外圍西南暖濕氣流為暴雨提供了水汽條件，濕層深厚且有水汽輻合，低空急流及其耦合作用，中等強度的垂直風(fēng)切變使得低層暖濕氣流源源不斷地輸送到發(fā)展中的上升氣流中區(qū)，有利于對流不穩(wěn)定建立和加強；

(3)強降水發(fā)生前期，慶陽天氣晴好，連續(xù)的干旱高溫天氣致使邊界層增溫明顯，在垂直方向上為強對流提供了較好的熱力不穩(wěn)定條件；

(4)低層水汽飽和，濕層深厚，中層干空氣卷入，冷暖空氣的交匯耦合對大氣抬升起到積極作用，強烈的上升運動使系統(tǒng)對流性加強，造成這次降水持續(xù)時間長、強度大、局地性強的區(qū)域性暴雨過程；

(5)從雷達回波演變可以看出，此次強降水時段主要由對流云回波造成，強回波在移動過程中有明顯的“列車效應(yīng)”，由于副高長時間維持在慶陽東南部，強回波主體在慶陽中南部停留較長時間，出現(xiàn)33站次的短時強降水；

(6)慶陽前期出現(xiàn)罕見的嚴(yán)重伏旱，久旱之后的突發(fā)性暴雨，各家數(shù)值預(yù)報模式均對此次過程預(yù)報比實況明顯偏弱，旱澇急轉(zhuǎn)型暴雨預(yù)報是一個復(fù)雜的過程，還需要不斷探索研究。另外，由于前期旱情嚴(yán)重，慶陽市人影辦抓住有利時機進行跨縣區(qū)聯(lián)合人工增雨作業(yè)，這也是此次突發(fā)性暴雨實況比預(yù)報明顯偏大的原因之一。