鄭 新，向 軍

（蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

中國暴雨表現(xiàn)出明顯區(qū)域特征，而且成因復(fù)雜[1],其中暴雨是由多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果[2]。隨著我國觀測資料特別是高分辨率模式產(chǎn)品資料的廣泛應(yīng)用，對導(dǎo)致暴雨的中小尺度對流系統(tǒng)研究也逐漸深入[3]；充沛的水汽輸送是暴雨期間中尺度對流形成的先決條件，表現(xiàn)為環(huán)境大氣中具有較高的相對濕度、深厚濕層以及強(qiáng)低層水汽輻合等特征[4]；其次，暴雨的發(fā)生發(fā)展也伴隨著明顯的中尺度對流云團(tuán)[5]，它們之間的合并及組織化過程對誘發(fā)短時強(qiáng)降水的發(fā)生具有重要作用[6]，而導(dǎo)致暴雨發(fā)生發(fā)展的中尺度系統(tǒng)的爆發(fā)則需要觸發(fā)機(jī)制，切變線和地面輻合線相交的地區(qū)，是產(chǎn)生暴雨的對流單體初生和強(qiáng)烈發(fā)展的區(qū)域[7]。上述研究表明在暴雨發(fā)生期間中小尺度系統(tǒng)的重要作用，對探討區(qū)域性暴雨觸發(fā)機(jī)制和實際工作都具有重要意義。

但對于甘肅省特殊地形背景下不同中尺度影響系統(tǒng)引發(fā)的強(qiáng)降水天氣研究比較少，本文對2018年7 月10 日—7 月11 日和2018 年8 月20 日—8月21 日兩次甘肅省強(qiáng)降水過程的中尺度影響系統(tǒng)、環(huán)流背景、動力特征、熱力條件、水汽條件等因素進(jìn)行對比分析，探討甘肅省不同中尺度系統(tǒng)引發(fā)的強(qiáng)降水天氣的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，以期對此類型降水天氣的監(jiān)測和預(yù)報提供一些參考依據(jù)。

2 資料

利用甘肅省逐小時加密自動站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)和ERA5 全球再分析資料，水平分辨率0.25×0.25，垂直分辨率37 層，時間分辨率為1h，氣象要素包括風(fēng)場、位勢高度場、溫度場、相對濕度場、垂直速度場等資料。

3 實況分析

2018 年7 月10 日08 時—2018 年7 月11 日08 時（以下簡稱“個例1”），甘肅省隴東地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水，隴南、天水、平?jīng)?、慶陽等市部分地方出現(xiàn)暴雨，隴南、慶陽兩市局部地方出現(xiàn)大暴雨，整個雨帶呈現(xiàn)東北-西南走向，降水大值中心出現(xiàn)在文縣中廟198.4mm。另外，全省共出現(xiàn)162 站次短時強(qiáng)降水（短時強(qiáng)降水：小時雨強(qiáng)≥20mm），最大小時雨強(qiáng)為10 日16 時—17 時會寧縣黨峴37.5mm。

2018 年8 月20 日20 時—21 日20 時（以下簡稱“個例2”），甘肅省大部分地方出現(xiàn)降水，張掖、臨夏、蘭州、定西、白銀、平?jīng)?、慶陽等市州出現(xiàn)暴雨，蘭州、慶陽兩市出現(xiàn)大暴雨，雨帶呈東西走向，較為分散，存在3 個降水大值中心，分別為張掖肅南、蘭州榆中、慶陽鎮(zhèn)原。最大為蘭州榆中上莊167.5mm。另外，全省共出現(xiàn)138站次短時強(qiáng)降水，最大小時雨強(qiáng)為2018 年8 月20 日22 時-23 時肅南縣甘壩口61.2mm。如圖1 所示。

圖1 兩次暴雨過程24h 降水量時空分布特征

4 形勢場對比

如圖2 所示分別給出了兩個個例700hPa 風(fēng)場分布圖，從圖中可以看出，個例1 低層降水的主要影響系統(tǒng)為切變線，由河西走廊進(jìn)入河?xùn)|地區(qū)的西北風(fēng)在白銀轉(zhuǎn)為北風(fēng)開始南下，與川陜地區(qū)北上的南風(fēng)在甘肅省隴東南地區(qū)交匯形成切變線，造成甘肅省隴東南一帶的強(qiáng)降水事件，而個例2 的影響系統(tǒng)與個例1 則完全不同，個例2的主要影響系統(tǒng)為中尺度低渦，根據(jù)逐小時再分析資料700hPa 風(fēng)場可以看出，低渦的移動路徑為蘭州—白銀—平?jīng)觥兾鳎?018 年8 月21 日07時在蘭州臨夏交界區(qū)域生成，直至2018 年8 月21 日20 時進(jìn)入陜西省對甘肅省的影響結(jié)束，結(jié)合降水圖可以看出低渦移動路徑與降水分布基本一致。

圖2 兩次過程700hPa 風(fēng)場空間分布

為了進(jìn)一步對比兩個個例高空環(huán)流場的分布情況，如圖3 所示。給出了700 hPa 風(fēng)場對應(yīng)時500 hPa溫壓場的分布圖，個例1 中受位于東海地區(qū)第8 號超強(qiáng)臺風(fēng)“瑪莉亞”影響，副熱帶高壓西伸，臺風(fēng)及熱帶低壓外圍水汽沿副熱帶高壓南側(cè)被源源不斷地輸送到西北地區(qū)東部；青海東部有高原槽東移，甘肅河?xùn)|地區(qū)處于高原槽前西南氣流中；原位于西伯利亞地區(qū)的低壓不斷南壓，低壓中心位于貝加爾湖西部，其底部冷空氣移至甘肅河西西部，隨著冷空氣的東移南下，與高原槽前的西南暖濕氣流在甘肅隴東南交匯，配合低層切變線是造成這次暴雨天氣的主要原因。個例2 高空環(huán)流形式相對于個例1 并不有利，其中我國中高緯至貝加爾湖北部高壓脊控制，副熱帶高壓受臺風(fēng)影響明顯偏東，甘肅省中東部地區(qū)受高原短波小槽影響，對應(yīng)低層中尺度低渦是引發(fā)此次降水的主要因素。

圖3 兩次過程500hPa 溫壓場空間分布

5 動力條件對比

高低層環(huán)流配置的差異，導(dǎo)致高空急流及其次級環(huán)流在兩個個例中表現(xiàn)出很大不同。個例1 在35N 附近上升運(yùn)動最強(qiáng)，中心值達(dá)到4Pa/s，在29N 和38N 附近有弱的下沉運(yùn)動，從而形成兩個從對流層低層延伸至對流層頂?shù)纳詈耖]合環(huán)流圈，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，這兩個閉合環(huán)流圈更加有利于垂直上升運(yùn)動的維持。反觀個例2，37N 附近上升運(yùn)動明顯，但相比于個例1 強(qiáng)度及范圍略小，只有在42N 中層有一個弱的閉合環(huán)流圈，導(dǎo)致整體降水時間較短。如圖4 所示。

圖4 矢量風(fēng)（v-w 合成，w 放大100 倍）與垂直速度（單位：hPa/s）經(jīng)向剖面

為了更好的說明兩次個例的動力學(xué)特征，個例1中選取位于降水大值中心文縣中廟，個例2 選取雨帶次大值中心的榆中站進(jìn)行對比其渦度場和散度場的高低空配置如圖5 所示。大約在550hPa 高度以下中廟上空為輻合，500hPa 以上為輻散，低層輻散高層輻合，低層為正渦度，隨高度增加逐漸變?yōu)樨?fù)渦度，600hPa 以上有轉(zhuǎn)為正渦度，對流層高層又變?yōu)樨?fù)渦度，結(jié)合圖4 垂直運(yùn)動，此結(jié)構(gòu)有利于垂直上升運(yùn)動增強(qiáng)維持。個例2700hPa 以下為輻合，650～700hPa 之間為輻合，之后直到500hPa 又變?yōu)檩椇希?00hPa 以下為正渦度，對比個例1 發(fā)現(xiàn)此低渦系統(tǒng)為淺薄系統(tǒng)，整個動力配置表現(xiàn)都較個例1 弱。

圖5 渦度（實線）散度（虛線）垂直分布

6 熱力條件對比

假相當(dāng)位溫是一種保守物理量，其綜合反應(yīng)了溫度、壓力、濕度場的變化特點(diǎn)，可以較好反應(yīng)大氣的暖濕特征，同時也可展現(xiàn)氣塊的不穩(wěn)定能量。

文縣中廟站白天中層位勢不穩(wěn)定逐漸增強(qiáng)，到了晚上等值線逐漸加密，表明冷暖空氣于夜晚相遇，出現(xiàn)鋒區(qū)，降水區(qū)暖濕屬性增強(qiáng)，中低層假相當(dāng)位溫較之白天有所增加4～8K。反觀個例2 的榆中站，整個過程的中低層處于位勢不穩(wěn)定條件下，中尺度低渦的長時間維持是造成低層位勢不穩(wěn)定的主要原因，整個hPa700 處于高溫高濕狀態(tài)且長時間維持，但中高層則相反，這與整個系統(tǒng)的配置息息相關(guān)。如圖6 所示。

圖6 中廟站、榆中站假相當(dāng)位溫垂直分布

7 水汽條件對比

源源不斷的水汽供應(yīng)是產(chǎn)生暴雨的一個重要條件。如圖7 所示給出兩次過程從地面到200 hPa 垂直積分的水汽通量分布。由圖7 可見，個例1 影響甘肅省的水汽通道主要來源于東海臺風(fēng)以及副熱帶高壓西部的偏南風(fēng)水汽通道。對于個例2 的水汽分布來說，影響甘肅省的水汽通道主要由來自于孟加拉灣的水汽經(jīng)云南-四川進(jìn)入甘肅，同時來自祁連山區(qū)的偏西風(fēng)暖濕氣流進(jìn)入甘肅省西部，顯然來自于海灣的水汽含量比來自于高原山區(qū)的水汽含水量要大。兩個個例的水汽來源明顯不同，雖然兩次過程在東海都有臺風(fēng)影響，但個例1 受臺風(fēng)和副熱帶高壓的影響更大，而且從來自海上的水汽通量值可以看出個例1 明顯大于個例2。

圖7 兩次過程整層水汽通量和水汽通量矢量空間分布

8 結(jié)論

利用甘肅省逐小時加密自動站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)和ERA5 逐小時全球再分析資料分析，使用天氣學(xué)診斷方法，對比了兩次低層不同影響系統(tǒng)的環(huán)流形式、動力特征、熱力條件、水汽條件等，得出以下結(jié)論：

（1）切變線引起的暴雨過程其500hPa 受臺風(fēng)副熱帶高壓西伸影響，副熱帶高壓南側(cè)被源源不斷地輸送到西北地區(qū)東部；整個甘肅省處于貝加爾湖西部深厚低壓控制下，且青海東部有高原槽東移，甘肅河?xùn)|地區(qū)處于高原槽前西南氣流中；中尺度低渦引起的暴雨過程我國中高緯至貝加爾湖北部高壓脊控制，副熱帶高壓受臺風(fēng)影響明顯偏東，大環(huán)流背景不利于降水產(chǎn)生，其主要受甘肅省中東部地區(qū)受高原短波小槽影響。

（2）切變線引起的暴雨形成兩個次級環(huán)流閉合圈，且低層輻合高層輻散，低層正渦度，中高層負(fù)渦度，此結(jié)構(gòu)有利于垂直上升運(yùn)動增強(qiáng)維持；中尺度低渦引起的暴雨過程高空急流及其次級環(huán)流圈較弱，但上升運(yùn)動很明顯，低層輻合—中層輻散—高層輻合，整個低渦顯示為淺薄系統(tǒng)。

（3）切變線引起的暴雨白天到夜間中層位勢不穩(wěn)定逐漸增強(qiáng)，且夜晚假相當(dāng)位溫線密集出現(xiàn)鋒區(qū)，水汽主要由位于東海的超強(qiáng)臺風(fēng)以及副熱帶高壓西部的偏南風(fēng)維持輸送；中尺度低渦引起的暴雨過程整個過程的中低層處于位勢不穩(wěn)定條件下，低層長時間處于高溫高濕狀態(tài)，但高層則恰好相反，水汽來源分別來自孟加拉灣和祁連山區(qū)。雖然兩次過程在東海都有臺風(fēng)存在，但明顯看出切變線降水比中尺度低渦降水更易受到其影響。