蘇軍鋒，吳文輝，魏清霞，張 鋒，余永舟，王 賢

（1.隴南市氣象局，甘肅 隴南746000；2.兩當(dāng)縣氣象局，甘肅 兩當(dāng)742400）

在全球氣候變暖的大背景下， 地處青藏高原東北邊的甘肅東南部受氣候變化的響應(yīng)尤為明顯，主要表現(xiàn)在近年來極端天氣頻發(fā)，其中暴雨、冰雹、霜凍、 干旱等災(zāi)害性天氣及其誘發(fā)的次生災(zāi)害造成了巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失， 同時(shí)由于甘肅東南部特殊的地理位置、地形特征及氣候條件，導(dǎo)致甘肅東南部的暴雨有其自身的復(fù)雜性，暴雨的局地性、突發(fā)性、重災(zāi)性更為突出。目前，眾多學(xué)者對不同地區(qū)的暴雨天氣從氣候特征、天氣尺度系統(tǒng)、中尺度特征、數(shù)值模式模擬等方面進(jìn)行了研究分析， 同時(shí)隨著雷達(dá)衛(wèi)星資料及地面加密觀測資料分辨率的提高， 對暴雨及短時(shí)強(qiáng)降水的中小尺度研究和數(shù)值模擬也進(jìn)一步深入，并取得了許多成果[1-15]。 對于甘肅地區(qū)暴雨及短時(shí)強(qiáng)降水的研究，學(xué)者們從斜壓鋒生作用、暖區(qū)降水特征及觸發(fā)機(jī)制、中尺度對流云團(tuán)的成因、強(qiáng)對流天氣的分型、 冷暖平流的強(qiáng)迫作用等方面做了深入的研究[16-20]，從上述研究可以看出，高低層冷暖平流是形成暴雨及短時(shí)強(qiáng)降水差異的主要因素， 不但決定著水汽、不穩(wěn)定條件、抬升條件的強(qiáng)度，還影響著甘肅降水的性質(zhì)特征以及降水強(qiáng)度。 同時(shí)上述研究的區(qū)域較大， 研究的側(cè)重點(diǎn)也并不是甘肅暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水頻次最多的甘肅隴南地區(qū)， 對該地區(qū)暴雨及短時(shí)強(qiáng)降水的研究也相對較少， 特別是對相同氣候背景條件下，不同年份的暴雨對比研究分析更少。本文參考上述學(xué)者研究成果， 對甘肅東南部隴南地區(qū)2013 年8 月7 日和2017 年8 月7 日極端暴雨天氣從暴雨的時(shí)空分布特點(diǎn)、環(huán)流背景、物理量特征、中尺度云圖等方面進(jìn)行對比， 主要對形成不同暴雨天氣影響系統(tǒng)的差異以及在不同強(qiáng)度的冷空氣對暴雨及短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度和具體落區(qū)差異的原因進(jìn)行分析， 為后期甘肅東南部隴南地區(qū)暴雨及短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程的降水強(qiáng)度和具體落區(qū)的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供一定的科學(xué)依據(jù)及參考，對于減輕暴雨及短時(shí)強(qiáng)降水造成的經(jīng)濟(jì)損失和減少人員傷亡有重大意義。

1 資料與方法

利用NCEP FNL 1°×1°每日4 次的再分析資料，自動氣象站降水資料、常規(guī)氣象觀測資料及FY-2E和FY-2G 衛(wèi)星云圖資料， 對2013 年8 月7 日和2017 年8 月7 日發(fā)生在甘肅東南部隴南市極端暴雨天氣從降水及災(zāi)情實(shí)況、環(huán)流背景、物理量特征、衛(wèi)星云圖方面進(jìn)行對比分析。 文中重點(diǎn)關(guān)注的是兩次暴雨中不同強(qiáng)度的冷空氣對降水強(qiáng)度成因及其具體落區(qū)差異的分析。

2 暴雨天氣概況

2013 年8 月7 日甘肅隴南市出現(xiàn)暴雨天氣過程（下文簡稱“2013·8·7”過程），部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大暴雨（圖1a），暴雨區(qū)呈帶狀分布，主要在隴南市東南部，并伴有雷暴、短時(shí)強(qiáng)降水、陣性大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。 全市400 個(gè)區(qū)域自動氣象站點(diǎn)24 h（北京時(shí)，下同，20—20 時(shí)）降水量31 個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)大暴雨，其中文縣碧口鎮(zhèn)出現(xiàn)特大暴雨（266.7 mm），5 h 降雨量達(dá)209.3 mm（圖1c）。 此次極端暴雨天氣過程中有79 站次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水（小時(shí)降水量≥20 mm），短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在7 日02:00—07:00， 其中02:00—03:00 有38 站次， 武都區(qū)裕河鄉(xiāng)05:00—06:00 降水量81.2 mm。

2017 年8 月6—7 日隴南市再次出現(xiàn)暴雨天氣（下文簡稱“2017·8·7”過程）（圖1b），此次降雨過程從8 月6 日14 時(shí)開始，7 日18 時(shí)結(jié)束，過程持續(xù)時(shí)間長，暴雨區(qū)呈片狀分布，主要集中在隴南市北部和東部，196 站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨，79 站點(diǎn)大暴雨， 禮縣龍林鄉(xiāng)萬家村累積降水量最大，達(dá)230.4 mm（圖1d），其中有174 站次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水， 強(qiáng)降水時(shí)段主要發(fā)生在6 日21:00—7 日02:00， 最大小時(shí)降水量達(dá)到68.8 mm。 另外，8 月7 日禮縣及武都區(qū)本站日降水量突破有氣象站記錄以來的歷史極值， 全市范圍內(nèi)區(qū)域自動氣象站降水量有53 個(gè)站點(diǎn)突破有氣象站記錄以來的歷史極值。

3 兩次過程環(huán)流形勢分析

圖1 2013 年8 月7 日08 時(shí)—8 日08 時(shí)（a）與2017 年8 月6 日08—20 時(shí)（b）累計(jì)雨量（單位:mm）及暴雨中心文縣碧口（c）和禮縣萬家（d）逐小時(shí)雨量

據(jù)統(tǒng)計(jì)，甘肅東南部隴南市暴雨主要發(fā)生在7、8 月，特別是7 月下旬到8 月上旬，是甘肅東南部暴雨的集中期， 這段時(shí)間西太平洋副熱帶高壓西伸北抬，副高外圍西南氣流強(qiáng)盛，暖濕空氣充沛，再配合北方冷空氣，冷暖空氣交匯于隴南市東南部，造成暴雨天氣。 從“2013·8·7”過程中6 日20 時(shí)500 hPa 高度場和風(fēng)場（圖2a）來看，從內(nèi)蒙古中部經(jīng)甘肅中部到青海南部有一高空槽， 甘肅隴南處于高空低槽前部，槽后偏北風(fēng)較強(qiáng)，有冷空氣侵入，槽前正渦度平流增強(qiáng)， 高空槽將東移發(fā)展， 此時(shí)副高脊線已到達(dá)30°N 附近，沿著588 dagpm 線西側(cè)有強(qiáng)盛的西南氣流源源不斷地向甘肅東南部輸送暖濕氣流， 冷空氣較強(qiáng)， 冷暖空氣交匯于甘肅隴南市東南部。 另外第10 號臺風(fēng)“山竹”對此次極端暴雨的形成也有一定的作用，它有利于副高西側(cè)西南氣流的維持與加強(qiáng)。在“2017·8·7”過程6 日20 時(shí)500 hPa 高度場和風(fēng)場（圖2b）上，從青海中部到四川西部有一高原槽，中緯度西北氣流下有小波動?xùn)|移南壓帶下弱冷空氣，此時(shí)副高脊線在22°N 附近，甘肅隴南市南部處于588 dagpm 線控制之中， 副高外圍的西南暖濕氣流與弱冷空氣交匯于隴南市北部。 從同時(shí)次的700 hPa 高度場和風(fēng)場上來看，在“2013·8·7”過程中（圖2c），700 hPa 上主要影響系統(tǒng)為從甘肅隴東到四川西部的一條切變線， 切變線前西南氣流一直延伸到隴東，隴南市處于西南氣流的左側(cè)，同時(shí)切變線后偏北風(fēng)較強(qiáng)，冷暖交匯的區(qū)域相對偏南，輻合上升的中心也隨之南壓， 致使這次暴雨分布沿切變線呈東北西南的帶狀分布，且強(qiáng)降水中心相對偏南。“2017·8·7”過程（圖2d）700 hPa 上，在甘肅隴南市北部有偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的輻合區(qū)，該輻合區(qū)逐漸發(fā)展為低渦，偏南氣流持續(xù)（顯著流線）較強(qiáng)，偏北冷空氣較弱，低渦移動緩慢， 在低渦中心及其右前方較強(qiáng)的正的局地渦度變化和輻合上升運(yùn)動導(dǎo)致降水強(qiáng)度大， 落區(qū)也偏北呈片狀分布，可以看到冷空氣強(qiáng)度以及低渦、低空急流的位置對暴雨的形成和降水強(qiáng)度、 落區(qū)具有重要的影響與作用。

從兩次過程影響系統(tǒng)的綜合分析來看（圖3），兩次暴雨過程主要的影響系統(tǒng)及觸發(fā)機(jī)制不同，“2013·8·7”過程主要受地面冷鋒觸發(fā)，配合高空冷空氣和低槽、700 hPa 切變線共同作用而成，其中副高強(qiáng)度大，588 dagpm 線西側(cè)的西南暖濕氣流強(qiáng)盛，在強(qiáng)冷空氣作用下， 暴雨區(qū)主要分布在冷空氣和切變線前側(cè)，低空顯著流線左側(cè)，并沿588 dagpm 線西側(cè)呈東北西南向帶狀分布，位置偏南?！?017·8·7”過程的主要觸發(fā)機(jī)制為地面輻合線， 隨著高原槽東移南壓，700 hPa 低渦切變線進(jìn)一步加強(qiáng)，并受副高的影響，低渦移動緩慢，導(dǎo)致“2017·8·7”過程暴雨站點(diǎn)和短時(shí)強(qiáng)降水站次更多， 暴雨區(qū)主要集中在低渦切變線附近，呈片狀，位置偏北。

圖2 2013 年8 月6 日20 時(shí)500 hPa（a）、700 hPa（c）和2017 年8 月6 日20 時(shí)500 hPa（b）、700 hPa（d）高度場及風(fēng)場

4 物理量診斷分析

4.1 水汽條件

從兩次暴雨天氣過程的700 hPa 比濕對比來看，比濕都持續(xù)超過12 g/kg，均在7 日08 時(shí)達(dá)到峰值，由比濕場的動態(tài)演變來看，兩次過程主要的水汽來源為南海和孟加拉灣地區(qū)，其中“2013·8·7”過程從西南地區(qū)經(jīng)甘肅東南部一直延伸到華北地區(qū)有一條明顯的濕舌，“2017·8·7” 過程則在西南地區(qū)有一濕中心。在降水開始前，濕度條件“2017·8·7”過程明顯優(yōu)于“2013·8·7”過程，整層比濕“2017·8·7”過程也明顯好于“2013·8·7”過程。 由“2013·8·7”過程最大降水站點(diǎn)碧口（圖4a）和“2017·8·7”過程最大降水站點(diǎn)禮縣萬家（圖4b）水汽通量散度時(shí)間剖面圖可知，850 ～600 hPa，2 次過程都有很好的水汽輻合，水汽通量散度輻合強(qiáng)度“2017·8·7”過程強(qiáng)于“2013·8·7”過程，最強(qiáng)中心達(dá)到-10×10-7g/（hPa·s·cm2），使得“2017·8·7”過程整體降水強(qiáng)度強(qiáng)于“2013·8·7”過程， 這與低渦中心的輻合上升有重要的關(guān)系， 另外“2017·8·7”過程前期為局地的對流性降水，強(qiáng)降水的形成與不穩(wěn)定能量的釋放及近地面層水汽的輻合有一定的關(guān)系。

4.2 不穩(wěn)定條件

兩次極端暴雨天氣過程中都伴有雷暴和短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生， 降水強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)段都是集中在6 日20時(shí)—7 日08 時(shí)，利用武都探空資料來分析兩次過程的能量和層結(jié)條件。 表1 為兩次暴雨開始前后層結(jié)不穩(wěn)定條件的物理量， 可以看出兩次過程層結(jié)都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不同的是“2013·8·7”過程的CAPE值和θse500-850的值明顯大于“2017·8·7”過程，這主要是“2013·8·7”過程前期受副高外圍西南暖濕氣流控制，高溫高濕，CAPE 值較大，在槽后偏北風(fēng)帶下強(qiáng)冷空氣的作用下，形成了強(qiáng)對流天氣，導(dǎo)致個(gè)別站點(diǎn)降水強(qiáng)度超過50 mm?！?017·8·7”過程主要是受弱冷空氣的下沉和低層暖濕氣流上升引起的對流性天氣，多站次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水等對流天氣，大范圍降水強(qiáng)度大， 結(jié)合K 指數(shù)、SI 指數(shù)和θse的分析可知，“2017·8·7”過程中低層的暖濕條件好于“2013·8·7”過程。 同時(shí)兩次過程在6 日20 時(shí)對流條件最佳，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生，這和暴雨開始前出現(xiàn)雷暴、短時(shí)強(qiáng)降水和陣性大風(fēng)的天氣實(shí)況完全對應(yīng)。

圖3 2013 年8 月6 日20 時(shí)（a）和2017 年8 月6 日20 時(shí)（b）綜合分析

圖4 暴雨中心文縣碧口（a）和禮縣萬家（b）水汽通量散度時(shí)間剖面

表1 武都站兩次過程對流條件參數(shù)

4.3 動力條件

利用渦度的變化與垂直速度的變化對暴雨的上升運(yùn)動條件進(jìn)行詳細(xì)的分析。 從沿105°E 的渦度緯度—高度垂直剖面圖（圖5）可知，“2013·8·7”過程在暴雨中心（33°N）附近，中低層為正渦度，最強(qiáng)中心在600～700 hPa，中心渦度達(dá)8×10-5s-1；“2017·8·7”過程在暴雨中心（34°N）附近，中低層也為正渦度，達(dá)到12×10-5s-1，相對“2013·8·7”過程中低層輻合更強(qiáng)，正渦度區(qū)域也較低，低層輻合上升運(yùn)動強(qiáng)，從緯向上來看分布范圍廣?！?013·8·7”過程正渦度區(qū)最高達(dá)到300 hPa，證明了“2013·8·7”過程對流發(fā)展旺盛，對流強(qiáng)度大。結(jié)合沿105°E 的垂直速度緯度—高度垂直剖面圖（圖6），“2017·8·7”過程降水中心的垂直速度明顯大于“2013·8·7” 過程，中心垂直速度達(dá)-3×10-3hPa·s-1， 中低層上升運(yùn)動強(qiáng)，“2013·8·7”過程上升運(yùn)動延伸的高度高，對流相對旺盛。這與對流不穩(wěn)定能量的釋放和低層系統(tǒng)的動力輻合條件有直接的關(guān)系，相對來說“2017·8·7”過程中低渦作用下的輻合更強(qiáng)。綜上所述，兩次暴雨過程都具有強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動和對流性強(qiáng)的特點(diǎn)。 不同的是，“2013·8·7”過程則表現(xiàn)為垂直方向上，垂直運(yùn)動高度更高，局地的對流性更強(qiáng)，水平方向上范圍小，局地性強(qiáng)，短時(shí)強(qiáng)降水站次相對少而分散?！?017·8·7”過程中低層輻合和垂直上升運(yùn)動分布范圍更廣，強(qiáng)降水范圍大，整體降水強(qiáng)度強(qiáng)，對流性天氣分布范圍廣，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水站次較多。

圖5 2013 年8 月7 日08 時(shí)（a）和2017 年8 月7 日08 時(shí)（b）沿105°E 的渦度緯度—高度垂直剖面

圖6 2017 年8 月7 日08 時(shí)（a）和2017 年8 月7 日08 時(shí)（b）沿105°E 的垂直速度緯度—高度垂直剖面

5 衛(wèi)星云圖中尺度特征對比分析

高分辨率的衛(wèi)星云圖可以直觀地表現(xiàn)對流性中尺度天氣系統(tǒng)的形成、加強(qiáng)和消亡過程。 利用FY-2E、FY-2G 衛(wèi)星高分辨率云頂黑體亮溫（TBB）資料， 對兩次極端暴雨過程的對流性系統(tǒng)重要時(shí)次進(jìn)行分析（圖7），得到中尺度對流云團(tuán)的演變特征。在“2013·8·7”過程中，由于強(qiáng)冷空氣的影響，在6 日20 時(shí)（圖7a）甘肅中部形成了一個(gè)范圍較大的α 中尺度對流云團(tuán)， 甘肅東南部隴南市已處于對流云團(tuán)前沿，在其前沿梯度大值區(qū)已出現(xiàn)對流性降水，值得注意的是， 此時(shí)在四川盆地北部有弱的對流云團(tuán)發(fā)展生成， 隨著西南氣流的加強(qiáng)， 不斷向東北方向移動。 6 日22 時(shí)（圖7b），甘肅中部的α 中尺度對流云團(tuán)逐漸消散，川北的對流云團(tuán)發(fā)展成為β 中尺度對流云團(tuán)，中心TBB≤-60 ℃，甘肅東南部隴南市在逐漸消散的對流云團(tuán)影響下，降水范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。 7日02 時(shí)（圖7c），東移到徽成盆地（甘肅隴南市徽縣、成縣境內(nèi)，地形和緩，有串狀分布的平川，海拔1000~1500 m， 四面環(huán)山） 的對流云團(tuán)降水強(qiáng)度增大，而四川盆地及北部的對流云團(tuán)仍在發(fā)展，文縣碧口處于該對流云團(tuán)前沿TBB 梯度大值區(qū)，降水逐漸加強(qiáng)。7 日04 時(shí)（圖7d）四川盆地及北部的對流云團(tuán)向東北方向發(fā)展，影響甘肅東南部，形成了一個(gè)中尺度對流云帶，該云帶持續(xù)發(fā)展到7 日07 時(shí)（圖7e），演變成一個(gè)近圓形的α 中尺度對流云團(tuán)，7 日02—07 時(shí)也是此次極端暴雨過程中對流性最強(qiáng)，降水強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段， 而文縣碧口一直處于該對流云團(tuán)之中，成為此次暴雨的中心。 7 日10 時(shí)（圖7f），α 中尺度對流云團(tuán)逐漸消散，降水減弱并逐漸停止，整個(gè)降水過程中，甘肅東南部降水云系在冷空氣的影響下，降水云團(tuán)持續(xù)在隴南市東南部呈西北東南向的帶狀分布，也導(dǎo)致了強(qiáng)降水落區(qū)偏南。 另外，“2013·8·7”過程中TBB 的分布可以看出， 對流云團(tuán)發(fā)展成熟，范圍大，高度高，在整個(gè)降水過程中具有層積混合型的冷云降水特征，降水局地性強(qiáng)。與“2013·8·7”過程相比，由于冷空氣強(qiáng)度較弱，“2017·8·7”過程中對流云團(tuán)發(fā)展的強(qiáng)度也較弱， 對流云團(tuán)TBB≤-60 ℃范圍較小，在低層低渦和強(qiáng)水汽輻合下，低層云水滴凝結(jié)碰并增長形成降水，降水具有暖云降水特征，降水效率高，強(qiáng)降水云團(tuán)高度低，卻能形成更多站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，累積降水量也大。 6 日18 時(shí)甘肅東南部隴南市有弱對流在當(dāng)?shù)匕l(fā)展生成， 到6 日20 時(shí)，發(fā)展成為一個(gè)β 中尺度對流云團(tuán)， 中心TBB≤-60℃，6 日22 時(shí)該β 中尺度對流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展， 基本穩(wěn)定維持在甘肅東南部，范圍逐漸擴(kuò)大，這段時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度增強(qiáng)，在β 中尺度對流云團(tuán)的控制區(qū)域都出現(xiàn)了較強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水， 最強(qiáng)小時(shí)降水出現(xiàn)在β中尺度對流云團(tuán)TBB 梯度較大區(qū)，短時(shí)強(qiáng)降水最大區(qū)域和過程累積最大降水量與對流云團(tuán)位置并不一致， 這與低層偏北低渦的和強(qiáng)盛的西南暖濕氣流長時(shí)間維持，導(dǎo)致降水云系持續(xù)時(shí)間長，降水效率高有密切的關(guān)系。7 日00 時(shí)，弱對流云團(tuán)東移南壓，其南部影響文縣北部梨坪鎮(zhèn)、舍書鄉(xiāng)一帶，該區(qū)域出現(xiàn)小時(shí)雨量＞35 mm 的短時(shí)強(qiáng)降水，造成了人員傷亡。 7日02 時(shí)，對流云團(tuán)繼續(xù)東移，主要影響康縣南部地區(qū)，7 日06 時(shí)后，對流云團(tuán)逐漸消散，降水轉(zhuǎn)為系統(tǒng)性層狀云降水。

圖7 2013 年8 月6—7 日FY-2E（a~f）衛(wèi)星云圖TBB 演變

6 結(jié)論

（1）兩次極端暴雨天氣過程都伴有短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴等強(qiáng)對流性天氣，具有降水量大、雨強(qiáng)強(qiáng)、災(zāi)害重的特點(diǎn)，具體落區(qū)和暴雨中心完全不同，“2013·8·7”過程主要在甘肅隴南市的東南部，呈帶狀分布，隴南市南部為暴雨中心，“2017·8·7” 過程在隴南市北部和中部，呈片狀分布，隴南市北部為暴雨中心。

（2）兩次極端暴雨的主要影響系統(tǒng)和觸發(fā)條件及冷空氣強(qiáng)度不同。在強(qiáng)冷空氣和高空低槽、低層切變線、低空急流共同影響下，“2013·8·7”過程局地強(qiáng)對流天氣強(qiáng)，短時(shí)強(qiáng)降水更加劇烈。在弱冷空氣和高原槽、低層低渦、低空急流的作用下，“2017·8·7”過程暴雨區(qū)范圍大，短時(shí)強(qiáng)降水范圍也大。

（3）兩次暴雨過程中比濕都達(dá)到甘肅隴南市暴雨的閾值， 在弱冷空氣和持續(xù)偏強(qiáng)的西南暖濕低空急流（顯著流線） 和低渦的共同作用下，“2017·8·7”過程的濕度厚，水汽輻合強(qiáng)度、渦度以及垂直速度明顯＞“2013·8·7”過程，致使整個(gè)過程降水效率更高，出現(xiàn)了大范圍的強(qiáng)降水，持續(xù)時(shí)間也較長?！?013·8·7”過程受強(qiáng)冷空氣影響下，不穩(wěn)定條件更好，形成對流性天氣強(qiáng)度更強(qiáng)，強(qiáng)降水局地性強(qiáng)。

（4）從高分辨率衛(wèi)星云圖分析得出，“2013·8·7”過程在冷空氣的影響下， 中尺度對流云團(tuán)在隴南市東南部呈西北東南向的帶狀分布，移動較快，但強(qiáng)降水中心長時(shí)間處于發(fā)展旺盛的對流云帶之中， 形成極端暴雨?！?017·8·7”過程在700 hPa 低渦和西南暖濕氣流長時(shí)間維持下，移動緩慢，并且具有暖云降水特征，對流云團(tuán)尺度小，降水持續(xù)時(shí)間長，降水效率高，導(dǎo)致暴雨范圍更大。