2022年8月青海東部一次極端性降水過程的成因分析

馬 瓊，邢子毅，馬曉真，張寧瑾，朱玉軍

1.青海省氣象臺，青海西寧 810001；2.青海省黃南州氣象局，青海同仁 811300；3.青海省水文水資源測報中心，青海西寧 810001

暴雨是夏季最主要的災(zāi)害性天氣之一，近幾十年來，在全球變暖的氣候背景下，極端暴雨事件頻發(fā)，且極端降水強度增強，極端降水量增加，其引發(fā)的山洪、泥石流等次生災(zāi)害常給人們生命財產(chǎn)和經(jīng)濟帶來嚴(yán)重?fù)p失[1]。比如河南7月20日極端強降水過程，造成河南數(shù)百人遇難及失蹤，造成了嚴(yán)重的社會影響[2]。青海地處青藏高原東北部，地形復(fù)雜，山大溝深，夏季短時暴雨極易匯集成山洪，引發(fā)泥石流及滑坡，造成沖毀村莊、淹沒農(nóng)田、人員傷亡等嚴(yán)重災(zāi)害。青藏高原極端降水近十年來也呈增加趨勢[3]。

多年來，青海的氣象工作者對暴雨天氣形成機理、分布規(guī)律等進行了大量的研究，結(jié)果表明西太平洋副熱帶高壓和青藏高原低渦切變是影響青海暴雨的主要天氣系統(tǒng)，副高邊緣型、副高控制型和低渦切變型是青海暴雨的3種主要環(huán)流形勢[4-5]。2022年8月青海出現(xiàn)多次強降水過程，其中2022年8月27—28日，出現(xiàn)區(qū)域性大雨，降水影響范圍廣、極端性較強，此次降水天氣過程導(dǎo)致湟中縣、興?？h、河南縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路、房屋、帳篷、砂石路及沿途網(wǎng)圍欄被沖毀，共造成經(jīng)濟損失27萬余元。因此，有必要對此次降水天氣過程進行全面、深入的分析。

1 天氣實況

2022年8月27—28日除海西西部外，青海省大部出現(xiàn)一次中到大雨降水天氣過程。其中，出現(xiàn)61站次大雨，主要分布在西寧、海東、黃南南部、海南南部及玉樹中部，分為南、北2條雨帶，北部雨帶主要分布在湟水河谷地，南部雨帶主要分布在黃南南部和玉樹中部，全省降水中心位于澤庫，為49.3 mm。強降水主要集中在27日下午至夜間，過程期間伴有雷電和3站次短時強降水，澤庫20:00～22:00降水量占總降水量的88.4%，降水對流性顯著，夜雨現(xiàn)象明顯。除此之外，同德江群林場和湟中上五莊鎮(zhèn)水峽也分別出現(xiàn)26.4和26.5 mm的短 時強降水（圖1）。

圖1 8月27日08:00—28日08:00青海省24 h降水（a）、澤庫站8月27日14:00—28日04:00降水分布（b）

2 降水極端性分析

此次降水過程共15個站點突破95%極端降水閾值，達到極端降水標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。包括湟中、澤庫、治多及玉樹4個國家站，有5個站次24 h降水量超95%極端降水閾值為10 mm，超95%極端降水閾值較明顯的站點多分布在南部。其中，澤庫站和玉樹市西杭街道辦禪古村極端性最顯著，日降水量超過95%極端降水閾值為13.8 mm，澤庫站超過歷史同期第三極值（41.4 mm），其次為玉樹，超10.4 mm，突破歷史同期極值（30.9 mm）。北部地區(qū)化隆扎巴鎮(zhèn)拉曲灘二村107號極端性最顯著，超過95%極端降水閾值8.2 mm。此次過程中有4個站點突破99%極端降水閾值，包括1個國家站玉樹、3個玉樹和治多的區(qū)域站。其中，玉樹市西杭街道辦禪古村極端性最顯著，超99%極端降水閾值為7 mm，所以此次大雨過程具有一定的極端性。

圖2 2022年8月27日超過95%極端降水閾值站點、數(shù)值及24 h降水量

3 成因及機理研究

3.1 大尺度環(huán)流背景

500 hPa中高緯度為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢，兩槽分別位于巴爾喀什湖和東亞地區(qū)（圖3a）。巴湖低槽底部分裂下滑的短波槽在27日20:00移至青海東北部，是此次過程北部雨帶形成的主要影響系統(tǒng)，而青南地區(qū)受高原切變線控制及西北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合形成南部雨帶。澤庫從18:00開始500 hPa受風(fēng)向切變，正渦度中心強度和范圍不斷擴大，22:00達 到 最 大（圖3b）。600 hPa青 海東部白天受偏北風(fēng)控制，19:00以后東風(fēng)開始轉(zhuǎn)為東風(fēng)，且風(fēng)速加大，偏東風(fēng)輻合增強，澤庫一線為從2 m/s增加至4～6 m/s（圖3c），至28日00:00東南風(fēng)減小為2 m/s。700 hPa青海中南部受暖低壓影響，200 hPa青海位于西風(fēng)急流右側(cè)，青海大部位于南壓高壓的東北側(cè)的分流區(qū)。高層輻散的抽吸作用使上升運動進一步加強。

圖3 8月27日20:00 500 hPa高度場（黑線）、風(fēng)場及溫度場（紅線）（a）；8月27日21:00 500 hPa風(fēng)場、高度場與渦度場（b）；600 hPa風(fēng)場與散度場（c）

從地面來看，08:00西路弱冷空氣進入盆地西部地區(qū)，而冷空氣主體位于甘肅西部。西路冷空氣在11:00完全進入盆地東部，北部冷空氣主體仍位于甘肅西部。隨后北部冷空氣加強且緩慢東移，20:00冷空氣前沿移至河西走廊東部，02:00才進入東部河谷地區(qū)。但從圖4可看出，冷空氣主體還在38°N以北地區(qū)（河西走廊），但地面37°N一線冷平流明顯，且處于假相當(dāng)位溫密集帶的前沿，說明此處冷暖空氣交匯明顯。由此推斷雖冷空氣主體未到達，但地面冷空氣20:00已滲透東部河谷地區(qū)，故未能觸發(fā)區(qū)域性短時強降水出現(xiàn)。

圖4 8月27日21:00沿101.47°E溫度平流（陰影）、假相當(dāng)位溫（紅色點線）及流場（黑色流線）圖

綜合來看，此次降水過程青海東部地區(qū)大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，北部前期降水主要是高層有短波擾動，低層偏東風(fēng)輻合及冷空氣滲透觸發(fā)了一定的不穩(wěn)定能量，產(chǎn)生了對流性降水，后期降水是由于短波擾動配合冷空氣產(chǎn)生的穩(wěn)定性降水，南部降水是由于高層風(fēng)向切變，低層?xùn)|南風(fēng)風(fēng)速迅速輻合觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放產(chǎn)生的暖區(qū)降水。

3.2 水汽及不穩(wěn)定能量分析

3.2.1 局地水汽及層結(jié)不穩(wěn)定 降水前期27日17：00（圖5）青海東部地面比濕在10～12 g/kg，湟水河谷地及黃河谷地一線比濕達到13～14 g/kg，局地水汽豐沛，超過暴雨所需的比濕條件（8～12 g/kg）。從27日20:00西寧站（圖6a）探空圖來看，廓線呈“瘦高”型，為典型的短時強降水的探空形態(tài)特征。濕層深厚，地面至400 hPa均為濕層。由于過程前兩天青海大部受到副高控制，湟水河谷地和黃河谷地的最高溫度為24～26 ℃，雖然相較于23—24日高溫明顯下降，但在副高控制下還是積蓄了一定的不穩(wěn)定能量，西寧站CAPE值為421.7 J/kg，低層風(fēng)向有明顯順轉(zhuǎn)，低層暖平流明顯。選取與澤庫距離較近的合作站（圖6b）從探空圖來看，廓線也符合強降水特征，濕層相對深厚，濕層也從地面擴展至400 hPa，CAPE為275.1 J/kg.

圖5 8月27日17:00地面比濕圖

圖6 8月27日20:00西寧（a）、合作（b）探空圖

3.2.2 水汽輸送 從水汽通量及其散度分析來看，由于副高東退明顯，位置偏南（華南），其外圍西南氣流對青海水汽輸送較弱(圖7a)，600 hPa水汽輸送明顯(圖7b)，湟水河谷地主要有2條水汽輸送帶，一條為北部輸送帶，水汽沿祁連山區(qū)西北氣流東灌至湟水河谷地；另一條水汽來自孟加拉灣，水汽主體輸送至四川和甘南地區(qū)，到達甘南后部分水汽在偏東風(fēng)的引導(dǎo)下輸送至黃南。從整體來看，水汽輸送較弱，未達到暴雨量級，只出現(xiàn)了單點短強降水。

圖7 8月27日20:00 500 hPa（a）、600 hPa（b）水汽通量及其散度

3.3 澤庫站降水分析

從澤庫站水汽通量散度、垂直速度及比濕的時間剖面及緯向剖面來看(圖8），澤庫站降水發(fā)生在低層水汽通量散度快速輻合時期，27日21:00澤庫地面比濕超過11 g/kg，并配合有一定的上升運動。從澤庫單站要素垂直分布來看，強降水發(fā)生時(圖9b）比前一時次(圖9a）散度、水汽通量散度及垂直速度均明顯變大，尤其是600和650 hPa輻合清楚。說明邊界層的水汽通量快速輻合是產(chǎn)生強降水的重要條件。由此看出澤庫站水汽輸送主要依靠600～650 hPa偏東風(fēng)輸送。

圖8 澤庫站水汽通量散度、垂直速度及風(fēng)場時間變化（a），8月27日21:00澤庫水汽通量散度、比濕及風(fēng)場剖面（b）

圖9 8月27日20:00（a）和21:00（b）澤庫站散度（黑線）、水汽通量散度（藍線）、垂直速度（紅線）垂直分布

4 雷達及衛(wèi)星分析

澤庫站(20:40～21:40)最大小時雨強達42.2 mm，5 min降水量為7.9 mm；雷達產(chǎn)品分析中主要有以下特征：風(fēng)暴結(jié)構(gòu)產(chǎn)品顯示影響澤庫本站最強風(fēng)暴的最大反射率因子從20:34～21:07均在60 dBz以上，此后呈下降趨勢，對應(yīng)時段的垂直積分液態(tài)含水量在15～20 kg/m2，從低仰角的基本反射率和差分反射率ZDR對比分析來看，澤庫地區(qū)反射率因子最大值64.5 dBz，ZDR最大值為4 dBz左右，因此反射率因子的大值區(qū)域差分反射率因子的大值區(qū)相對應(yīng)，符合強降水的特征。從差分傳播相移-φDP和差分傳播相移率KDP分析澤庫地區(qū)ΦDP存在顯著變化，最大值約為39 deg，而KDP最大值約為5.8 deg/km，與大降水落區(qū)對應(yīng)，在定量降水估測QPE產(chǎn)品中20:56估計降水的大值區(qū)在澤庫站附近，對應(yīng)的最大值為50～80 mm/h，盡管估計值明顯偏大，但對強降水有明顯指示意義，同時從ROSE 2.0強降水報警產(chǎn)品分析來看，21:07澤庫本站有出現(xiàn)強降水的報警，且對應(yīng)的概率為57%（圖10）。

圖10 澤庫雷達2022年8月27日21:07風(fēng)暴結(jié)構(gòu)產(chǎn)品(a)；20:56 0.5°仰角高分辨率基本反射率（b）、ZDR（c）、 -ΦDP(d)、2.4°仰角KDP(e)；21:07 報警產(chǎn)品heavyrain(f)；20:56 QPE(g)

從衛(wèi)星云圖（圖11）來看，以多個小尺度云團為主。澤庫地區(qū)短時強降水過程主要由中尺度對流系統(tǒng)形成。27日20:40左右FY-4衛(wèi)星云圖（圖11a）顯示澤庫地區(qū)處于TBB梯度大值區(qū)附近，20:50風(fēng)云地球?qū)α鞒跎O(jiān)測系統(tǒng)（圖11b）顯示澤庫地區(qū)有對流生成，對流亮溫在-55 ℃左右，對流云團在東移過程中減弱消散，21:45左右對流云圖移出澤庫地區(qū)并減弱消散，澤庫地區(qū)降雨減弱停止。西寧、海東云團較弱，云頂亮溫約為-51 ℃（222 K），降水也出現(xiàn)在梯度大值區(qū)?？梢姶舜味虝r強降水局地性強。

5 結(jié)論

此次天氣系統(tǒng)組織性不高，對流降水局地性強，且在短期預(yù)報時段內(nèi)較難把握中小尺度觸發(fā)機制。根據(jù)上述分析，動力、水汽及能量條件是強降水預(yù)報中不可或缺的要素。在此次降水過程的預(yù)報中，先有一定的能量配合，水汽方面要產(chǎn)生較大的降水僅僅依靠本地水汽條件無法達到，還需要有水汽輸送并集中到降水區(qū)。而大氣中的水汽主要集中在低層，尤其是邊界層，所以根據(jù)對幾次強降水過程的分析，最需要關(guān)注的是低層水汽的輻合，尤其是邊界層水汽輻合非常重要，水汽快速輻合能產(chǎn)生短時較強的降水，若輻合時段維持較長，則小時雨強會略有減弱。

圖11 2022年8月27日20:40FY-4云圖（a）、20:50風(fēng)云地球?qū)α鞒跎O(jiān)測系統(tǒng)（b）