石光普,王銀花,劉世華,馮婭茹,白登元

(1.白銀市氣象局,甘肅白銀 730900；2.白銀市水務局,甘肅白銀 730900)

短時強降水具有歷時短、強度大、范圍小，易于形成洪水和內(nèi)澇的特點，往往給水文測報和防洪調(diào)度造成較大壓力，因此短時強降水是汛期監(jiān)測預報預警工作中的重點和難點[1-5]。青藏高原東北側是西北地區(qū)夏季降水異常敏感區(qū)域，而甘肅中部是西北地區(qū)顯著的干旱少雨中心之一[6]。在全球變暖的背景下，極端天氣氣候事件發(fā)生頻率增加、強度增大，區(qū)域性強降水的次數(shù)有增加趨勢[7]。西北干旱半干旱區(qū)由強降水引發(fā)的山洪、泥石流等災害時有發(fā)生[8-10]，如2010年“8·8”舟曲特大山洪泥石流災害[11-12]、2012年“5·10”甘肅岷縣特大山洪災害[13-14]的主要觸發(fā)因素是局地性強、短時強度大、突發(fā)性強的短歷時強降雨型的強對流天氣。近年來極端暴雨事件說明中尺度對流暴雨仍具有不可預報性[15]，還需要不斷加強研究來提高預報預警水平。

甘肅靖遠縣位于黃河上游，地處騰格里沙漠南緣和祁連山余脈向黃土高原丘陵溝壑區(qū)過渡地帶，黃河過境154 km，境內(nèi)溝壑縱深，地形地貌復雜，植被覆蓋差，土壤持水量低，下墊面多為黃土和沙石，所以短時暴雨具有形成洪水速度快，地表產(chǎn)生徑流量大的特點，極易引發(fā)山洪災害，造成人員傷亡、財產(chǎn)損失和基礎設施毀壞[16-18]。2018年8月9日夜間至10日凌晨，甘肅省白銀市靖遠縣突發(fā)強降水，受其影響，靖遠縣北灘鎮(zhèn)糧窖村八泉砂河、劉川鎮(zhèn)范家窯村大砂河爆發(fā)山洪，造成人員傷亡、道路損毀、房屋受損等重大災害，直接經(jīng)濟損失24 473.42萬元；因此，有必要對這次致洪強降水天氣的成因做深入的分析，為汛期預報預警提供借鑒。

1 天氣實況

此次致災強降水的主要降雨時段在2018年9日20時至10日02時，靖遠縣北灘鎮(zhèn)上游的永新鄉(xiāng)松柏站降雨量達到63.0 mm，永新鄉(xiāng)站降雨量達33.2 mm，劉川鎮(zhèn)范家窯村鷹嘴站降雨量77.6 mm，劉川鎮(zhèn)范家窯村上游白銀深部銅礦站降雨量52.5mm(圖1a)。對永新鄉(xiāng)松柏站和劉川鎮(zhèn)鷹嘴站降雨量做分時雨量圖(圖1b)，可見兩個站的主要降水歷時只有3 h。松柏站降水時段為9日20—23時，最大雨強達44.4 mm/h；鷹嘴站降水時段為9日23—10日02時，最大雨強達62.6 mm/h。如此大的雨強在甘肅河西五市以及蘭州、白銀等地發(fā)生的次數(shù)極少[19]，在西北干旱半干旱區(qū)也是少見的，如舟曲“8·8曲特大山洪泥石流災害中監(jiān)測到的最大雨強為77.3 mm/h。可以看出，此次降水過程具有短時強度大、空間尺度小、降水歷時短、極端性強的特征。

圖1 2018-08-09T20—10T02甘肅省白銀市降水空間分布(a；審圖號為GS(2020)4619號)和永新鄉(xiāng)松柏站、劉川鎮(zhèn)鷹嘴站降水量時間分布(b)

2 天氣分析

2.1 環(huán)流背景和天氣形勢

過程前，8月1—8日西太平洋副熱帶高壓西伸北抬，強度偏強，588 dagpm線西伸至甘肅東部，副高西脊點位于38°N、107°E附近(圖2a)。由于副高西伸脊點穩(wěn)定少動，甘肅中東部持續(xù)處于副熱帶高壓外圍的暖濕氣流中，甘肅中部700 hPa比濕持續(xù)維持在10～11 g/kg，蘭州至靖遠各地有5～6 d出現(xiàn)了30 ℃以上的高溫天氣，表明過程的前期甘肅中部環(huán)境大氣處于高溫高濕狀態(tài)。

圖2 2018-08-01—08 500 hPa平均高度場(實等值線)、700 hPa平均風場和比濕(色斑) (a)、2018-08-09T20 500 hPa高度場(實等值線)、溫度場(虛等值線)和風場 (b)及700 hPa高度場(實等值線)、風場和比濕(色斑)(c)(高度場單位為dagpm；風場單位為m/s；比濕單位為g/kg；溫度單位為℃)(?為甘肅省靖遠縣位置，下同)

9日20時500 hPa(圖2b)，西太平洋副熱帶高壓西脊點繼續(xù)維持在西北地區(qū)東部，伊朗高壓發(fā)展東伸至青海西部，甘肅中部位于兩高壓之間的弱切變輻合區(qū)。700 hPa上甘肅中部也處于切變輻合區(qū)(圖2c)，500 hPa、700 hPa風切變雖然都比較弱，但位置相疊加，有利于上升運動加強。500 hPa高空槽位于新疆東部到蒙古西部一帶，槽底有弱冷平流，但由于河套至蒙古為弱的高壓脊，不利于冷空氣的南下。

從8月9日08時甘肅榆中站探空圖可以看到(圖略)，甘肅中部上空具有“上干下濕”的特征，高低層風切變?nèi)酰瑢α饔行荒苋?，CAPE值只有6.5 J/kg，對流抑制能量CIN為262.3 J/kg，有利于不穩(wěn)定能量在低層積聚。9日午后，蘭州到靖遠一帶氣溫高達30～33 ℃，20時甘肅中部Δt(700-500)≥17 ℃。由于下墊面強烈加熱，對流層中下層的層結不穩(wěn)定強烈發(fā)展，地面到500 hPa的溫差進一步加大，CAPE值增大至1 559 J/kg，CIN值減小至53 J/kg，沙氏指數(shù)SI由正值轉為負值(-0.42 ℃)，表明熱力不穩(wěn)定加強，對流不穩(wěn)定有了很好的發(fā)展(圖3a)。同時，對流層中低層存在明顯的濕層，在600 hPa以上的中高層為干空氣，下濕上干的配置有利于對流的加強發(fā)展。從白銀市上空溫度平流垂直分布(圖3b)可以看出，700 hPa以下為強的暖平流，而700 hPa以上冷平流偏弱?？梢娺@是一次由低層暖平流強迫造成的分散性強對流天氣，此類天氣局地性強、降水量級大[20]，而強降水落區(qū)和量級往往是短期預報中的難點。

圖3 2018-08-09T20榆中探空圖(a)和36°N～37°N、102°E～104°E區(qū)域平均溫度平流的垂直分布(b)

2.2 螺旋度分析

垂直螺旋度作為一種動力觸發(fā)機制，對天氣系統(tǒng)的移動、發(fā)展及強對流和大暴雨天氣的預報有一定的指示意義[21-23]，正的旋轉風螺旋度大值中心及其演變較好地對應造成暴雨的中尺度渦旋(暴雨中心)的發(fā)生位置及演變，較大的螺旋度值是暴雨及低層中尺度低渦和地面氣旋系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的機制之一[24]。

8月9日20時700 hPa層上，沿四川北部到甘肅中部為垂直螺旋度正值區(qū)，與切變輻合區(qū)位置相一致，在36.5°N、104°E附近為垂直螺旋度大值中心，垂直螺旋度大值區(qū)位置與強降水落區(qū)高度一致(圖4a)。從強降水發(fā)生區(qū)36.5°N～37.5°N的平均垂直螺旋度剖面圖(圖4b)可見，強降水發(fā)生區(qū)上空低層650 hPa以下有強正螺旋度發(fā)展，表明低層有強烈氣旋性輻合上升運動，而中高層600～500 hPa為負螺旋度，表明中高層大氣呈反氣旋且伴有水平輻散的螺旋轉動。垂直螺旋度呈低層正、中高層負的配置，為強對流的產(chǎn)生、加強、維持創(chuàng)造了有利的動力條件。垂直螺旋度正的大值中心在750 hPa，中心值≥26×10-6hPa/s2，低層正的垂直螺旋度遠大于中高層負螺旋度，表明此次強對流天氣主要由低層正渦度輻合產(chǎn)生。

圖4 2018-08-09T20 700 hPa垂直螺旋度(a；審圖號為GS(2020)4619號)和36.5°N～37.5°N平均垂直螺旋度剖面圖(b)(單位為10-6 hPa/s2)

2.3 水汽條件

水汽對強降水的發(fā)生非常重要，充沛的水汽供應是產(chǎn)生強降水的必要條件。8月9日20時(圖2c)，700 hPa上甘肅中部南風偏弱，只有6 m/s，沒有低空急流存在；但由于副熱帶高壓邊緣有偏南氣流持續(xù)穩(wěn)定的水汽輸送，甘肅中東部700 hPa上形成比濕達10～12 g/kg的高濕區(qū)。

強降水的發(fā)生需要充沛水汽輸送，但更重要的是水汽是否在該區(qū)匯聚。為此計算了此次暴雨上空的水汽通量散度。從700 hPa水汽通量散度場(圖5a)可見，青海高原東部到甘肅中部為水汽輻合區(qū)，但甘肅中部與輻合中心相距較遠。為進一步探究造成強降水的水汽輻合特征，沿36.5°N作水汽通量散度和垂直速度剖面圖(圖5b)，可見在強降水發(fā)生區(qū)上空低層800～750 hPa存在強烈水汽輻合，輻合中心在104°E～105°E之間，中心強度達-7×10-7g/(cm2·hPa·s)。700 hPa以下水汽通量散度為負值區(qū)，700 hPa之上為水汽通量散度的正值區(qū)，這種低層輻合、高層輻散的抽吸機制有利于水汽的上升運動。結合該區(qū)上空垂直速度分析可見，上升運動在750～650 hPa最為強烈，并且從地面到500 hPa高度為垂直上升氣流，加強了水汽的垂直輸送。文寶安[25]曾研究指出，對流層低層水汽在大氣水汽中占有重要位置，低層和近地層有豐沛的水汽輸送和輻合，不僅引起對流層下部出現(xiàn)凝結，而且還可通過鉛直輸送引起對流層上部出現(xiàn)凝結，為強降水的發(fā)生提供有利的水汽條件。

圖5 2018-08-09T20 700 hPa水汽通量散度(單位為10-7 g/(cm2·hPa·s)(a；審圖號為GS(2020)4619號)和沿36.5°N的水汽通量散度(陰影；單位為10-7 g/(cm2·hPa·s)、垂直速度(等值線；單位為Pa/s)剖面圖(b)

2.4 層結條件

假相當位溫(θse)能夠表征大氣中的能量分布以及對流不穩(wěn)定，是用能量學方法研究強對流天氣的有效參數(shù)[26]。強降水發(fā)生前期，甘肅中部上空700 hPa盛行東南風，低層暖濕氣流的持續(xù)輸送有利于形成大氣層結的不穩(wěn)定。由圖6a可見，8月9日20時，700 hPa上θse高能舌從四川北部北伸至甘肅中部，甘肅中部地區(qū)處于θse高能舌前部，強度達78 ℃。沿36.5°N做θse空間垂直剖面圖(圖6b)，可發(fā)看出θse大值中心在106°E附近，強降水區(qū)(104°E～105°E)處于高能舌前部，θse高能舌從地面延伸到700 hPa。從地面到500 hPa，θse隨高度遞減，所以500 hPa以下氣層是不穩(wěn)定的，表明強降水發(fā)生之前存在低層暖濕平流的增溫增濕，使得低層大氣層能量積聚，熱力不穩(wěn)定層結有了很好的發(fā)展。

圖6 2018-08-09T20 700 hPa假相當位溫場(a；審圖號為GS(2020)4619號)和沿36.5 °N假相當位溫剖面圖(b)(單位為℃)

2.5 中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)條件及發(fā)展演變

強對流天氣的形成，與中小系統(tǒng)關系密切，如地面的中小尺度低壓、氣旋輻合中心、輻合線和切變線等。在水汽和層結不穩(wěn)定條件滿足的情況下，低層的輻合能夠觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，造成對流性天氣[27]。

8月9日午后，甘肅中部氣溫上升到30～33 ℃，近地面層的氣溫升高加劇了氣層的不穩(wěn)定度。9日17—23時甘肅中部的蘭州、靖遠到寧夏的同心之間，存在一個中小尺度熱低壓，低壓周圍風場呈氣旋性切變，有利于產(chǎn)生輻合上升運動；9日20時至10日02時甘肅中部到寧夏西部有地面輻合線形成并維持(圖7)，中尺度熱低壓與地面輻合線的存在，使該區(qū)域熱力不穩(wěn)定增加，上升運動加強，為對流發(fā)展提供了抬升觸發(fā)機制。

圖7 2018-08-09T20—10T02地面風場(點劃線為地面輻合線)、溫度場(等值線，單位為℃)及FY-2G高分辨率紅外云圖演變

為進一步研究此次強對流天氣的觸發(fā)機制，沿104.5°E作8月9日20時流場垂直剖面圖(圖8)。可見在36.50°N～38.25°N之間600 hPa以下為上升運動，在600 hPa以上有弱的下沉運動疊置在上升運動中心之上，下沉運動產(chǎn)生的對流抑制作用有利于對流不穩(wěn)定能量的充分積累。在39°N附近，500 hPa以下為下沉運動，中心在800 hPa，使得中層冷空氣向暖區(qū)入侵，直接觸發(fā)強對流發(fā)生。從流場剖面圖上看到，在37.5°N～39.5°N 之間，700 hPa以下形成一個順時針次級環(huán)流圈，使得冷空氣在低層由北向南輸送，抬升暖區(qū)暖濕空氣上升，在次級環(huán)流圈南側形成強勁的上升運動, 不斷激發(fā)對流產(chǎn)生，為對流性強降水的發(fā)生提供了動力條件。

圖8 2018-08-09T20沿104.5°E流場、垂直速度(影陰，單位為Pa/s)、溫度場(紅色實線，單位為℃)剖面圖

9日20時(圖7a)，隴中至寧夏地面輻合線附近有多個對流云團生成，并逐漸加強。21時(圖7b)靖遠北部與寧夏交界處的對流云迅速發(fā)展成強對流單體。從蘭州多普勒雷達1.5°仰角反射率因子演變可見，從9日20時開始位于靖遠縣北部的對流云團快速發(fā)展，永新與北灘鄉(xiāng)之間一直存在中心強度為50～60 dBz的強回波(圖9a),垂直累積液態(tài)水含量VIL維持在15～20 kg/m2，強回波持續(xù)到22時后逐漸減弱，造成靖遠縣北部局地強對流暴雨，永新鄉(xiāng)松柏站3 h累計降雨量達63 mm。

造成靖遠縣劉川鎮(zhèn)強降水的對流系統(tǒng)，是由蘭州到白銀一帶生成的多個強對流單體在東移過程中合并加強所形成的。9日20時，地面輻合線附近已有多個中-γ尺度對流云團生成(圖7)，由于地面輻合線位置穩(wěn)定且移動緩慢，對流單體在其附近不斷合并加強。23時在白銀和靖遠縣之間的對流云團發(fā)展進入鼎盛期，在對應的反射率因子圖上，大于45 dBz的強回波排列緊密，中心強度達50～55 dBz(圖9b),強降水期間強回波對應的垂直累積液態(tài)水含量VIL維持在約10～15 kg/m2。直到10日02時后，地面熱低壓減弱，地面輻合線逐漸東移，對流云團隨之減弱，降水趨于結束，其中靖遠縣劉川鎮(zhèn)鷹嘴站3 h累計降雨量達77.6 mm。

圖9 2018-08-09—10蘭州多普勒雷達1.5°仰角反射率因子及沿紅色實線的垂直剖面圖(a 9日20:49；b 10日00:09)

靖遠縣永新鄉(xiāng)和劉川鎮(zhèn)一帶強降水期間，40 dBz以上的回波高度普遍在4 km以下，無高懸強回波和回波懸垂，低質(zhì)心短時強降水雷達回波特征明顯。

3 結論與討論

(1)2018年8月9—10日，西太平洋副熱帶高壓西伸北抬，穩(wěn)定少動的環(huán)流背景使得甘肅中東部處于高溫高濕的環(huán)境，對流層低層水汽的輻合和垂直輸送，為強降水發(fā)生提供了有利的水汽條件。

(2)低層正渦度輻合為強降水發(fā)生提供了有利的動力條件。強降水發(fā)生前低層暖濕平流的增溫增濕，使得低層大氣層能量積聚，甘肅中部地區(qū)處于θse高能舌前，熱力不穩(wěn)定層結有了很好的發(fā)展。

(3)此次致災短時強降水的形成與中小系統(tǒng)關系密切，中小尺度熱低壓使該區(qū)域熱力不穩(wěn)定增加，中低層弱冷空氣入侵、地面輻合線為強對流提供了觸發(fā)機制，地面氣旋性風場、南風氣流和西北下沉氣流耦合產(chǎn)生的次級環(huán)流為強對流提供了持續(xù)強勁的上升運動。

(4)此次強降水天氣過程中，無高懸強回波和回波懸垂，低質(zhì)心短時強降水雷達回波特征明顯。