河西走廊東部一次突發(fā)性暴雨天氣分析

陳海貝，楊曉玲，趙慧華，陳 靜，周 華，喬 琴

（1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點開放實驗室，蘭州 730020；2.甘肅省古浪縣氣象局，甘肅 武威 733100；3.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威 733099；4.甘肅省永昌縣氣象局，甘肅 永昌 733200）

暴雨及強(qiáng)降雨是影響中國夏季的主要氣象災(zāi)害，暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害常給人民生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大損失［1-3］。西北地區(qū)東部地形復(fù)雜、地質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)降水及暴雨易誘發(fā)滑坡、泥石流、山洪等地質(zhì)災(zāi)害。因此，強(qiáng)降水及暴雨引起了各部門的廣泛關(guān)注和氣象部門的高度重視。許多學(xué)者從氣候特征、天氣成因、診斷分析、數(shù)值模擬、中尺度特征和天氣雷達(dá)等方面開展了強(qiáng)降水及暴雨過程研究［4-17］，已取得了很多有價值的成果。但隨著全球氣候變暖和氣象災(zāi)害的頻發(fā)，對暴雨發(fā)生機(jī)制的探討以及預(yù)報技術(shù)總結(jié)與改進(jìn)始終是預(yù)報業(yè)務(wù)一線人員的工作重點。

河西走廊東部地處青藏高原北坡，南靠祁連山脈，北鄰騰格里和巴丹吉林兩大沙漠，東接黃土高坡西緣，地理位置為36°29′—39°27′N、101°41′—104°16′E，海拔高度在1 300～3 100 m。由于深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，加上境內(nèi)地形和海拔高度的影響，長期高溫干旱，降雨稀少，年降雨量僅在120.8～431.1 mm，年氣溫在0.7～9.2 ℃，年蒸發(fā)量在1 500～2 700 mm，蒸發(fā)量與降雨量的比值在3.5～22.4 倍，屬于溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)［18］。河西走廊東部降雨以小雨為主，小雨（R＜10 mm）的概率占年降雨的92.7%～96.9%，中雨（10 mm≤R＜25 mm）占2.7%～6.6%，大雨及以上（R≥25 mm）僅占0.3%～0.8%，暴雨的概率很小，且具有局地性和突發(fā)性的特點，預(yù)報難度很大，如果出現(xiàn)偏大的降雨，就可能出現(xiàn)洪澇等災(zāi)害，帶來巨大損失。因此，該研究以實時MICAPS 常規(guī)觀測資料、物理量場、衛(wèi)星云圖和河西走廊東部的國家自動氣象觀測站和區(qū)域氣象站觀測資料為基礎(chǔ)，對2022年8 月2 日20：00 至3 日1：00 河西走廊東部突發(fā)的對流性短時強(qiáng)降雨、局地暴雨（1 h 雨強(qiáng)42.9 mm，最大降雨量達(dá)81 mm）從大尺度環(huán)流背景、水汽輸送、中尺度特征及物理量等方面進(jìn)行分析和探討，以期為河西走廊東部突發(fā)的對流性短時強(qiáng)降雨、局地暴雨的監(jiān)測和預(yù)報提供參考，同時為地方政府抗旱防汛、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料

資料包括：①河西走廊東部區(qū)域內(nèi)6 個國家自動氣象站和93 個區(qū)域氣象站資料2022 年8 月2 日8：00 至3 日8：00 逐時氣溫、降水、露點溫度資料；②MICAPS 常規(guī)觀測資料、物理量場、衛(wèi)星云圖資料；③災(zāi)情數(shù)據(jù)來自武威市應(yīng)急管理局。

2 天氣實況和災(zāi)情

8 月2 日20：00 至3 日1：00 河西走廊東部出現(xiàn)了區(qū)域雷暴、對流性短時強(qiáng)降雨、局地暴雨（圖1），共有88 個雨量點出現(xiàn)降雨。1 h 雨強(qiáng)≥10 mm 的21站、≥20 mm 的9 站、≥30 mm 的4 站，最大1 h 雨強(qiáng)在涼州清源，為42.9 mm。暴雨6 站、大雨11 站、中雨26 站。其中涼州吳家井76.7 mm、黃羊67.0 mm、清源64.0 mm、豐樂54.1 mm，古浪黃花灘81.0 mm、永豐灘64.8 mm。這次降雨過程的特點為突發(fā)性和局地性強(qiáng)，伴有雷暴，雨強(qiáng)大，持續(xù)時間短，降雨集中時段在8 月2 日20：00 至3 日1：00。

圖1 8 月2 日20：00 至3 日1：00 河西走廊東部降雨量分布

這次大到暴雨天氣引發(fā)了局地山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。災(zāi)害造成涼州區(qū)、古浪縣25 個鎮(zhèn)55 個行政村630 戶2 305人受災(zāi)。緊急避險轉(zhuǎn)移20 人，緊急轉(zhuǎn)移安置82 人，集中安置點2 個，無人員傷亡。倒塌房屋4 戶15 間，嚴(yán)重?fù)p壞房屋5 戶12 間，一般損壞房屋11 戶20 間。農(nóng)作物受災(zāi)面積314.8 hm2、成災(zāi)面積277.5 hm2、絕收面積23.3 hm2。災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失2 909 萬元。但對當(dāng)?shù)厮畮?、水窖的蓄水和農(nóng)作物的生長發(fā)育較為有利，有效地緩減了旱情。

3 環(huán)流形勢

3.1 高、低空環(huán)流形勢

8 月2 日8：00 500 hPa 西伯利亞和新疆西部均有低壓槽，河西走廊東部處在副熱帶高壓584 dagpm邊緣的西南暖濕氣流中，青藏高原至河西走廊為明顯暖舌，河西走廊東部處在暖舌內(nèi)，濕度較大，T-Td（露點溫度差）≤5 ℃；20：00 500 hPa 西伯利亞和新疆西部低壓槽略東移，副高進(jìn)一步西伸，河西走廊東部處在副高588 dagpm 線邊緣的西南暖濕氣流中，河西走廊中東部出現(xiàn)了切變線，河西走廊東部仍處于暖舌內(nèi)，濕度明顯增大，T-Td≤3 ℃；此外8：00 和20：00 均有西南顯著流線向河西走廊東部輸送水汽，水汽通道暢通。說明高空河西走廊東部處于暖區(qū)內(nèi)，水汽輸送充沛，濕度條件好，在不穩(wěn)定條件的激發(fā)下，容易引起強(qiáng)對流、暴雨天氣。

8 月2 日8：00 700 hPa 青藏高原到河西走廊有一小低渦生成，高原上有明顯的切變線，河西走廊東部處于暖舌內(nèi)，有明顯的偏南流線向河西走廊輸送水汽，河西走廊東部濕度較大，T-Td≤7 ℃；20：00 700 hPa 青藏高原低渦范圍明顯擴(kuò)大，河西走廊東部處于暖中心前部，河西走廊中部形成了“人字型”切變線，這種“人字型”切變線有利于水汽河西走廊中東部聚集輻合抬升，同時也有明顯的偏南流線向河西走廊輸送水汽，河西走廊東部濕度較大，T-Td≤3 ℃。即偏南流線向河西走廊輸送水汽和“人字型”切變線是該次強(qiáng)對流、暴雨天氣的水汽來源和觸發(fā)系統(tǒng)。

3.2 地面系統(tǒng)及氣象要素變化

由圖2 可知，8 月2 日14：00 地面圖上，新疆東北部有一個較強(qiáng)的冷高壓，河西走廊中西部生成了一小高壓系統(tǒng)，其前部河西走廊東部從高原上延伸出一熱低壓系統(tǒng)，高、低壓之間在河西走廊中東部交界形成了明顯的地面輻合線；20：00 地面圖上，地面系統(tǒng)與14：00 相比變化不大，只是高、低壓系統(tǒng)略有東移，地面輻合線也隨之東移到河西走廊東部。20：00開始，河西走廊東部自西北向東南相繼出現(xiàn)了大范圍的降雨，伴有雷暴和短時強(qiáng)降雨，涼州的清源、黃羊、吳家井、高壩、豐樂和古浪的永豐灘、黃花灘等區(qū)域站出現(xiàn)了1 h 雨強(qiáng)≥20 mm 的短時強(qiáng)降雨，其中清源1 h 雨強(qiáng)達(dá)42.9 mm；3 日1：00 地面輻合線減弱移出武威市，較強(qiáng)的降雨基本結(jié)束，南部山區(qū)仍有弱的降雨天氣。

圖2 8 月2 日地面影響系統(tǒng)

以武威站為例，選取地面自動儀器采集到的逐小時氣象要素資料（圖3）發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降雨天氣出現(xiàn)前后，武威站氣象要素發(fā)生了劇烈變化，首先是氣溫猛降，氣壓、露點溫度陡升，在曲線圖上逐漸形成了一個“雷暴鼻”，然后是出現(xiàn)雷暴天氣，風(fēng)向急轉(zhuǎn)、風(fēng)速急增，最后出現(xiàn)強(qiáng)度較大的降雨。氣象要素的劇烈變化即不穩(wěn)定能量的釋放過程［19，20］，也是強(qiáng)降雨天氣發(fā)生、發(fā)展到消亡的過程。這次強(qiáng)降雨天氣從發(fā)生、發(fā)展到消亡的生命史約5 h。

圖3 強(qiáng)降雨天氣發(fā)生前后武威站實測氣象要素變化

3.3 中尺度環(huán)境

從8月2日20：00中尺度分析（圖4）來看，500 hPa河西走廊中西部有切變線，700 hPa 河西走廊中東部有切變線，為暴雨的出現(xiàn)提供了動力抬升件；河西走廊東部700 hPa qq（比濕）≥12 g/kg，超過了河西走廊東部出現(xiàn)暴雨的閾值（≥8.0 g/kg），且700 hPa 有西南顯著流線持續(xù)地輸送水汽，為暴雨產(chǎn)生提供了充足的水汽條件；河西走廊東部CAPE（對流有效位能）≥100 J/kg，天祝、古浪及以南地區(qū)CAPE≥500 J/kg，為暴雨產(chǎn)生提供了不穩(wěn)定能量。綜合分析，高、低層切變線輻合抬升、本地較大的濕度條件和低層偏南顯著流線不斷地輸送水汽以及較大的不穩(wěn)定能量都是出現(xiàn)強(qiáng)降雨的重要因素［21］。

圖4 8 月2 日20：00 中尺度分析

3.4 探空資料分析

以民勤站為例，把8 月2 日8：00 探空曲線經(jīng)修正抬升點訂正到14：00（陰影區(qū)為負(fù)面積，斜線區(qū)為正面積即對流有效位能CAPE）。由圖5a 可知，民勤上空正面積區(qū)域大，有較大的CAPE值，具有強(qiáng)對流不穩(wěn)定；20：00 正面積區(qū)域雖有所減弱（圖5b），但仍具有較強(qiáng)的對流潛勢［22］。此外，由14：00 和20：00層結(jié)曲線和露點曲線可知，700 hPa 到300 hPa，T-Td＜5 ℃，說明從底層到高層濕度較大，濕層較厚，且持續(xù)時間較長。

圖5 8 月2 日民勤站T-lgP 圖

4 物理量診斷

4.1 低層水汽通量散度

8 月2 日20：00 700 hPa 水汽通量散度場上，在新疆到河西走廊為水汽輻合區(qū)，其中心強(qiáng)度為-1.2×10-7g/（hPa·s·cm2），河西走廊東部位于輻合區(qū)底部（表1）；8 月2 日20：00 850 hPa 水汽通量散度場上，內(nèi)蒙古西部到河西走廊為水汽輻合區(qū)，其中心強(qiáng)度為-0.4×10-7g/（hPa·s·cm2），河西走廊東部位于輻合區(qū)中心（表1）?？傊?，河西走廊東部低層水汽輻合明顯，有源源不斷的水汽連續(xù)向本地輸送，為這次局地暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽來源。

表1 8 月2 日20：00 河西走廊東部物理量指數(shù)強(qiáng)度

4.2 散度和渦度場

由表1 可知，8 月2 日20：00 高層500 hPa 散度場上，河西走廊至高原為輻散帶，散度中心強(qiáng)度為1.0×10-5s-1，低層700 hPa，河西走廊至高原為輻合帶，中心強(qiáng)度為-1.0×10-5s-1；8 月2 日20：00 高層500 hPa 渦度場上，河西走廊至高原也為輻散帶，散度中心強(qiáng)度為-2.0×10-5s-1，低層700 hPa，河西走廊至高原也為輻合帶，中心強(qiáng)度為1.0×10-5s-1。即這次強(qiáng)對流過程中散度和渦度場上河西走廊上空均表現(xiàn)為高層輻散中心和中低層輻合中心，形成了強(qiáng)烈的抽吸作用，對上升運(yùn)動的形成和發(fā)展非常有利［12，13］，為強(qiáng)降雨的產(chǎn)生提供了動力條件。

4.3 Si指數(shù)和K 指數(shù)

8 月2 日20：00 沙氏指數(shù)Si指數(shù)場上，河西走廊東部Si指數(shù)為-4 ℃（表1），遠(yuǎn)超對流臨界值0 ℃［23］；8 月2 日20：00 氣團(tuán)K指數(shù)場上，河西走廊東部氣團(tuán)K指數(shù)為36 ℃（表1），超過了對流臨界值35 ℃［23］，說明河西走廊東部濕層厚度大，層結(jié)極不穩(wěn)定，有強(qiáng)烈的不穩(wěn)定能量，是這次暴雨天氣過程對流增強(qiáng)、雨強(qiáng)增大的主要原因［24］。

5 云圖

FY-4A（10.8 μm）紅外衛(wèi)星云圖（圖6a 至圖6f）顯示，8 月2 日20：00 在河西走廊東部涼州西部有一中尺度對流云團(tuán)發(fā)展生成，范圍較小，結(jié)構(gòu)密實；21：00 對流云團(tuán)東移，并迅速發(fā)展，其中心TBB（云頂亮溫）為-80 ℃，范圍也明顯擴(kuò)大，占據(jù)了涼州的大部分地區(qū)；22：00 對流云團(tuán)發(fā)展東移南壓，其前鋒移入古浪縣，結(jié)構(gòu)非常密實，中心TBB為-95 ℃；23：00 對流云團(tuán)進(jìn)一步東移南壓，發(fā)展非常強(qiáng)盛，中心TBB為-110 ℃；8 月3 日0：00 對流云團(tuán)完全移入古浪縣，強(qiáng)度略有減弱；1：00 對流云團(tuán)迅速東移，且快速減弱。由此可知，對流云團(tuán)在涼州上空持續(xù)約3 h，20：00—23：00 涼州吳家井、黃羊、清源和豐樂區(qū)域站分別出現(xiàn)了76.7、67.0、64.0、54.1 mm 的暴雨，其周邊的區(qū)域站降雨量級較大；對流云團(tuán)在古浪縣上空持續(xù)2～3 h，23：00—1：00 古浪黃花灘和永豐灘區(qū)域站分別出現(xiàn)了81.0、64.8 mm 的暴雨，其周邊的區(qū)域站降雨量級也較大，之后對流云團(tuán)減弱移出，降雨量級迅速減小。這次局地對流性短時強(qiáng)降雨、局地暴雨是由局地生成的對流云團(tuán)強(qiáng)烈發(fā)展造成的。

圖6 8 月2 日20：00 至3 日1：00 FY-4A 紅外衛(wèi)星云圖

6 小結(jié)

這次對流性強(qiáng)降雨、局地暴雨具有明顯的突發(fā)性、局地性和時間性特征，發(fā)生在高、低空均處在副熱帶高壓邊緣的暖區(qū)內(nèi)，高、低層、地面輻合線以及高層輻散、低層輻合是強(qiáng)降雨、局地暴雨天氣發(fā)生的動力機(jī)制。此次過程濕度條件好，水汽充沛，水汽通道暢通，水汽輻合強(qiáng)，具備了產(chǎn)生暴雨或短時強(qiáng)降雨必要的水汽條件。700 hPa qq（比濕）≥12 g/kg，700 hPa水汽通量散度中心強(qiáng)度為-1.2×10-7g/（hPa·s·cm2）。

地面氣象要素劇烈變化是這次暴雨天氣能量的釋放過程。較大的CAPE、較大的K指數(shù)、負(fù)的Si指數(shù)和大氣層結(jié)極不穩(wěn)定是強(qiáng)對流天氣發(fā)生、發(fā)展的基本條件，是雨強(qiáng)和雨量增大的主要原因。河西走廊東部新生中尺度對流云團(tuán)強(qiáng)烈發(fā)展，中心TBB達(dá)-110 ℃，是造此次暴雨量級較大的直接原因。