王 濤,李小霞,楊春芽
1.舟曲縣氣象局,甘肅舟曲 746300;2.張家川縣氣象局,甘肅張家川 741500
大氣降水是水資源的重要來源,是地表水和地下水的最終補(bǔ)給。在全球氣候變暖的大背景影響下,區(qū)域內(nèi)降水量也隨著時(shí)間發(fā)生了不同程度的變化,降水量的改變?cè)斐筛珊?、洪澇等極端天氣氣候事件多發(fā)、頻發(fā),并衍生地質(zhì)災(zāi)害、泥石流、洪澇等次生災(zāi)害,使社會(huì)經(jīng)濟(jì)及國民生命財(cái)產(chǎn)安全遭受嚴(yán)重制約和損失[1-2]。
舟曲縣位于甘肅省的南部,處于南秦嶺山地,岷山山系自東南向西北橫貫全境,境內(nèi)地勢(shì)呈現(xiàn)西北高、東南低的特點(diǎn),山巒疊嶂,溝壑縱橫,屬于典型的高山峽谷區(qū),山高、谷深,坡陡、土薄,如果出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣,荒山荒坡水土流失、泥石流和山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重。舟曲縣屬于溫暖帶氣候區(qū),年平均氣溫12.7℃,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,年降雨量400~800 mm,降水年內(nèi)分布不均,干旱、冰雹、大風(fēng)、暴雨等氣象災(zāi)害頻發(fā),特別是暴雨引發(fā)的山洪、地質(zhì)災(zāi)害等影響較為嚴(yán)重,氣象防災(zāi)極其重要,而加強(qiáng)暴雨天氣的預(yù)報(bào)分析是加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)的有力保障。
2020年7月17—18日,舟曲縣普降大雨,哈迭、頭溝壩、大峽溝、坪定、茶坪、東山6站出現(xiàn)暴雨,降水中心哈迭降水量69.2 mm(圖1a)。主要降水時(shí)段在18日凌晨至清晨,其中頭溝壩、哈迭先 后 在18日03:00~04:00、05:00~06:00出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,降水量分別為24.3 mm、20.0 mm(圖1b),降水過程中伴有雷暴,降水以對(duì)流性質(zhì)開始,穩(wěn)定性質(zhì)結(jié)束。
圖1 舟曲縣2020年7月17—18日降水量(a)和哈迭站氣象要素隨時(shí)間的變化(b)
如圖2a所示,7月17日20:00 500 hPa上,整個(gè)甘肅都處于低槽后部西北氣流中,500 hPa高空鋒區(qū)壓至甘肅中部,冷空氣已影響甘肅大部,青藏高原中部有一低槽。在低層700 hPa(圖2b),從甘肅至四川盆地北部,基本為西北風(fēng)或東北風(fēng),僅合作和武都為偏東風(fēng)。
圖2 舟曲縣2020年7月17日20:00 500 hPa(a)和700 hPa(b)高空形勢(shì)場(chǎng)
基于以上形勢(shì)場(chǎng)分析,基本可以認(rèn)為,可能影響舟曲的西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)已經(jīng)過境,500 hPa和700 hPa表現(xiàn)為北風(fēng)的情況下,水汽輸送將會(huì)不足,而暴雨的形成僅僅靠本地水汽是不夠的,必須有水汽的輸送;700 hPa低層甘肅南部至四川盆地為北風(fēng)主導(dǎo),通常而言,北風(fēng)是干冷的,因此認(rèn)為這樣的大氣層結(jié)是趨于穩(wěn)定的;常規(guī)經(jīng)驗(yàn)來看,500 hPa高原槽尚在青藏高原中部,在短時(shí)間內(nèi)影響到舟曲的可能性較小。在水汽輸送、不穩(wěn)定條件、抬升觸發(fā)機(jī)制均表現(xiàn)較差的情況下,如果單從形勢(shì)來簡單外推,基本認(rèn)為舟曲在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)暴雨的可能性不大[3-4]。
但事實(shí)情況是,在18日凌晨出現(xiàn)雷暴,緊接著出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,多站降水量達(dá)到暴雨,因此有必要對(duì)此次天氣過程的成因和可預(yù)報(bào)性作深入分析。
17日20:00,在500 hPa上,雖然高原槽尚在青藏高原中部,但是700 hPa上青藏高原南部巴塘和林芝站比濕已達(dá)12~13 g/kg,舟曲附近的武都和合作站為偏東風(fēng),比濕達(dá)11~14 g/kg,上述4站表現(xiàn)為明顯的比濕大值中心(圖3a),說明高原上確實(shí)已經(jīng)形成水汽輸送通道,暖濕氣流被輸送到甘肅南部,輸送來的水汽在甘肅南部輻合,形成水汽通量散度負(fù)值中心(圖3b)。
如圖3c所示,在17日20:00武都探空?qǐng)D上,700~500 hPa相對(duì)濕度較大,而其他層次相對(duì)濕度小,原因可能是青藏高原海拔在3 000~5 000 m之間(圖3d),于是水汽輸送在500~700 hPa附近,武都處于高原邊坡,濕度增長也將從500~700 hPa之間開始,這也說明舟曲附近的水汽輸送剛剛建立。
圖3 2020年7月17日20:00 700 hPa比濕場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)(a)、700 hPa水汽通量散度(b)、武都站探空?qǐng)D(c)和地形圖(d)
雖然在17日08:00合作、武都均已出現(xiàn)西北風(fēng)(圖略),說明此時(shí)冷空氣已經(jīng)影響到甘肅,但是甘肅南部地區(qū)由于白天晴朗少云(圖4a),太陽輻射對(duì)地面的加熱作用明顯,地面長波輻射也將對(duì)大氣加熱顯著,尤其是合作海拔在3 000 m左右,大氣層薄,太陽輻射對(duì)大氣的間接加熱作用更加顯著,這樣輻射升溫抵消了冷空氣造成的平流降溫。于是即便在北風(fēng)主導(dǎo)的情況下,仍然可以形成低層暖層。另外,根據(jù)之前分析,20:00西南暖濕氣流輸送已經(jīng)建立,將也將有利于形成暖濕層結(jié)。從17日20:00 700 hPa溫度場(chǎng)來看,合作和武都2站為14℃的暖中心(圖4b)。
圖4 2020年7月17日14:00紅外云圖(a)、700 hPa溫度場(chǎng)(b)
到了夜間,太陽輻射消失,但甘肅地區(qū)北風(fēng)依舊維持,冷空氣還存在,青藏高原上暖濕氣流向東北發(fā)展,冷暖空氣在甘肅南部交匯(圖5a中紅色箭頭代表暖濕氣流,藍(lán)色箭頭代表干冷平流),形成強(qiáng)降水。
圖5a為18日08:00的24 h降水,可見25 mm以上的降水區(qū)域集中在甘肅南部,而在甘肅南部附近的其他地區(qū),雖然也形成了降水,降水量級(jí)要較該區(qū)域小,充分說明冷暖空氣在此交匯對(duì)暴雨形成起到了決定性作用。
由圖5b可知,甘肅南部到四川北部,有一沙氏指數(shù)的負(fù)值中心,說明該地區(qū)大氣是不穩(wěn)定的,而在其以北,沙氏指數(shù)為正值,說明該地區(qū)大氣層結(jié)是穩(wěn)定的。這充分證明了冷暖空氣在此交匯,建立了不穩(wěn)定層結(jié)。
圖5 2020年7月18日04:00紅外云圖疊加18日08:00 24 h降水(a)、沙氏指數(shù)分布(b)
從17日20:00 500 hPa高空?qǐng)D和18日08:00 500 hPa高空?qǐng)D(圖6a)的變化來看,高原槽迅速移動(dòng),在移動(dòng)過程中觸發(fā)了對(duì)流。判斷其快速移動(dòng)的原因?yàn)?00 hPa西北氣流強(qiáng)勁(17日20:00甘肅有站點(diǎn)風(fēng)速達(dá)20 m/s以上),且在下游無強(qiáng)的系統(tǒng)阻擋,于是西風(fēng)帶氣流迅速東移,促使高原槽也迅速東移。
從700 hPa露點(diǎn)溫度來看(圖6b),合作至武都為露點(diǎn)溫度大值區(qū)域,而該區(qū)域以東為小值區(qū)域,這樣,就形成了一條露點(diǎn)鋒。恰好在500 hPa高原槽移近,露點(diǎn)鋒將特別活躍,因此,露點(diǎn)鋒也是此次對(duì)流的觸發(fā)條件之一。
圖6 舟曲縣2020年7月18日08:00 500 hPa高空?qǐng)D(a)和700 hPa露點(diǎn)溫度(b)
(1)西風(fēng)帶槽后西北氣流有兩個(gè)作用,一方面攜帶冷空氣疊加在甘肅南部的低層暖層之上,形成不穩(wěn)定層結(jié);另一方面,促使下游系統(tǒng)在500 hPa引導(dǎo)氣流作用下迅速東移,高原槽受下游效應(yīng)作用也迅速東移,而觸發(fā)對(duì)流。
(2)高原槽前西南氣流加強(qiáng)北上,與東移南壓的冷空氣在甘肅南部交匯,冷暖空氣的交匯對(duì)暴雨的形成起到了決定性作用。
(3)水汽從高原上輸送,而在甘肅南部輻合;太陽輻射加熱作用對(duì)層結(jié)不穩(wěn)定的建立起到了重要作用;此次暴雨天氣過程的觸發(fā)系統(tǒng)為500 hPa高原槽和700 hPa露點(diǎn)鋒。
(4)如果根據(jù)形勢(shì)進(jìn)行常規(guī)外推,可能對(duì)此次暴雨造成漏報(bào)。而EC模式對(duì)此次過程的形勢(shì)和量級(jí)均有較好的預(yù)報(bào),參考模式之后,對(duì)此次過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確,效果良好。但是,700 hPa上一直表現(xiàn)為北風(fēng)主導(dǎo),這仍然是需要深入分析的,在今后的預(yù)報(bào)過程中需要引起注意。