向 軍，鄭 新，崔宇

（蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

我國西北地區(qū)地形地貌相對復(fù)雜，使得暴雨的時空分布特征與我國東部沿海地區(qū)有明顯差異，而甘肅省隴東地區(qū)又屬于西北地區(qū)暴雨發(fā)生較多的地區(qū)，且暴雨多以對流性強降水為主，因降水強度大、歷時短且局地性強，常常引發(fā)嚴重的洪澇災(zāi)害和山體滑坡等次生自然災(zāi)害，給人民的生命財產(chǎn)帶來極大危害。

丁一匯[1]總結(jié)了我國大部分地方暴雨形成的診斷條件，這些條件包括了大尺度環(huán)流背景、中小尺度系統(tǒng)特征、高低空系統(tǒng)的耦合、對流觸發(fā)機制、垂直上升運動、水汽輻合以及對流有效位能。其中高低空系統(tǒng)耦合主要體現(xiàn)在高低空急流形成的次級環(huán)流，高、低空急流形成的次級環(huán)流對于增強上升運動有著積極的作用，同時對于低空急流而言，偏南氣流提供了豐富的水汽，同時也是對流不穩(wěn)定持續(xù)維持的重要保障與來源[2]。此時中高層冷空氣的干侵入對于增強低層大氣的不穩(wěn)定能量，打破對流抑制有著積極主動的作用，這對于強對流中能量的維持以及不穩(wěn)定觸發(fā)至關(guān)重要[3]；中尺度輻合系統(tǒng)與地面輻合線觸發(fā)了強降水的發(fā)生[4]，而天氣尺度的冷鋒對于觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量有著舉足輕重的作用。眾所周知北京“7·21”特大暴雨造成了嚴重的災(zāi)害，對其發(fā)生發(fā)展機理的研究不在少數(shù)[5]，其中對于大尺度冷鋒在整個暴雨過程中的作用是毋庸置疑的，天氣尺度鋒面系統(tǒng)在東移的過程中，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，其攜帶的干冷空氣與暖空氣劇烈交匯是造成這次極端降水發(fā)生的重要原因，而其他的強降水個例研究也發(fā)現(xiàn)，天氣尺度的鋒面系統(tǒng)是對流觸發(fā)中極其重要的系統(tǒng)，同時鋒面兩側(cè)形成的鋒生垂直次級環(huán)流[6]，會明顯增強上升運動，在傾斜上升運動的前側(cè)產(chǎn)生大范圍強降水，在大氣不穩(wěn)定度高的情況下，地面冷鋒結(jié)合暖濕氣團在鋒面兩側(cè)形成抬升作用觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強對流性暴雨天氣有時會伴有雷暴大風(fēng)或者冰雹天氣。同時地形對于降水的影響也不容忽視，例如位于我國川陜甘交界處的秦嶺山脈，在其迎風(fēng)坡的空氣遇到山體阻擋形成動力爬升效果，會在山前形成局地強降水[7]。隨著天氣預(yù)報手段的豐富，高分辨率數(shù)值模式已然在現(xiàn)代天氣預(yù)報中占據(jù)了舉足輕重的地位，但高分辨率數(shù)值模式對降水量的預(yù)報能力隨著時間增加而減弱，并與局部地形和降水量級的空間分布有密切關(guān)系，中國東部地區(qū)模式對于降水的預(yù)報能力強于西部，這主要受精細化地形的影響，特別對于地形地貌構(gòu)造復(fù)雜的甘肅地區(qū)，同時對于量級而言，小量級降水預(yù)報準確率較高，對于突發(fā)性的對流性強降水預(yù)報能力是明顯不足的，因此針對地形復(fù)雜的甘肅地區(qū)對高分辨率數(shù)值模式的預(yù)報誤差進行研判和訂正，在短時臨近預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)中十分必要。

2 資料

利用甘肅省加密自動站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)和美國國家大氣環(huán)境中心的全球分銷系統(tǒng)（GDS）全球預(yù)報零場資料，水平分辨率0.25×0.25，垂直分辨率34層，時間分辨率為6 h，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 實況及降水量預(yù)報檢驗

如圖1所示甘肅省西部及隴東南出現(xiàn)區(qū)域性暴雨和局地大暴雨天氣，此次過程范圍廣、持續(xù)時間短、強度大。其中兩站大暴雨分別為：臨夏尹集111.8 mm和環(huán)縣曹旗村105.6 mm，暴雨86站，臨夏、慶陽、隴南、天水等市州共25站次短時強降水，強降水主要集中在8日晚上至9日凌晨，其中最強小時降水量出現(xiàn)在8日21—22時臨夏州尹集為56.3 mm。

圖1 2019年9月8日20時—9日20時甘肅24 h降水空間分布

歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）等各家數(shù)值預(yù)報模式與此次強降水的落區(qū)及量級的預(yù)報都明顯偏小偏北，與實況降水出入較大。EC細網(wǎng)格（圖2左）8日8時起報的8日20時—9日20時24 h累積降水顯示隴中及隴東南有大雨出現(xiàn)，整體量級偏小，尤其對于臨夏州強降水完全沒有預(yù)報出來；GRAPES和NCEP兩家全球模式（圖2中）8日8時起報的8日20時—9日20時24 h累積降水則完全沒有預(yù)報出此次降水過程，只有局地中雨出現(xiàn)，偏差很大?？梢娭髁鲾?shù)值模式降水落區(qū)偏北，降水量偏弱。天水-平?jīng)?慶陽一帶的降水主要為穩(wěn)定性的系統(tǒng)降水，主要由中尺度系統(tǒng)造成的，而出現(xiàn)在臨夏的降水對流特征明顯，雨強大，持續(xù)時間短，并伴有雷電。模式對于穩(wěn)定性降水有一定的預(yù)報性，對于對流性降水明顯偏弱。以下將對2個地方暴雨的水汽、動力、熱力條件及中尺度對流系統(tǒng)進行對比分析。

圖2 2019年9月8日20時—9日20時EC（左）、GRAPES（中）、NCEP（右）8日08時起報的24h累積降水空間分布

4 環(huán)流形勢分析

500 hpa高空圖（圖3a）上呈現(xiàn)出“兩槽一脊”的大形勢，甘肅省剛好位于500 hpa高壓脊控制下，500 hpa大環(huán)境并不是十分有利，在青藏高原上不斷有短波小槽不斷東移為此次降水提供有利的環(huán)流形勢，反觀8日20時700 hpa（圖3c）低空急流從川東北一直延伸至臨夏、蘭州等地，受地形影響，低空急流進入臨夏州受太子山阻擋有明顯的抬升爬坡作用，加之西北冷空氣南下與低空急流相交匯造成此時臨夏開始出現(xiàn)降水，到9日8時（圖3b）隨著冷空繼續(xù)推移隴東南中尺度切變線明顯，切變線觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，隴東南降水開始增強。

圖3 2019年9月9日8時500 hpa溫壓場（a）、700 hpa風(fēng)場與地形（b）和2019年9月8日20時700 hpa風(fēng)場與地形（c）

5 動力、熱力診斷

5.1 動力條件診斷

為了使得診斷分析具有代表性，選取2個降水大值中心臨夏尹集（103E，35.5N）和環(huán)縣曹旗村（107.5E,36.5N）進行對比分析。從圖4中可以看出尹集8日20時開始低層開始出現(xiàn)上升運動，到9日早晨達到最大，直到9日傍晚垂直上升運動減弱消失，降水結(jié)束，散度表現(xiàn)出低層輻合，中層輻散的節(jié)后，有利于降水的產(chǎn)生，其最強降水階段出現(xiàn)在9日凌晨對應(yīng)深厚的上升運動，其上升運動出現(xiàn)原因與低空急流在山前受地形抬升密切相關(guān)；反觀曹旗村9日凌晨出現(xiàn)上升運動，上升運動較之深厚，開始逐漸加強，到9日14時達到最強，而中低層輻合較強，對應(yīng)隴東南的降水出現(xiàn)時間。

圖4 2019年9月8日8時—9日20時尹集（a/c）和曹旗村（b/d）垂直速度、散度垂直分布（單位：pa/s）

從對流有效位能（CAPE）空間分布可以看出8日20時臨夏東部與定西交界地區(qū)為CAPE大值中心，中心值為200 J/kg，隨著時間推移到9日8時，CAPE大值區(qū)移動到天水西部地區(qū)，中心值也增大到了300 J/Kg,2個時次的CAPE分布與降水落區(qū)基本對應(yīng)，如圖5所示。

圖5 2019年9月8日20時（a）、9日8時（b）CAPE分布

5.2 熱力條件診斷

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，可以較好地反應(yīng)大氣的暖濕特征，假相當(dāng)位溫的密集帶可以看成是鋒面，同時也可展現(xiàn)氣塊的不穩(wěn)定能量。結(jié)合700 hpa風(fēng)場，從圖6上可以看出隨時間推移攜帶干冷空氣的西北氣流經(jīng)河西走廊向隴東移動，假相當(dāng)位溫左端密集帶受高原邊坡高大地形影響停滯不前，與南來的低空暖濕氣流在高原邊坡地帶交匯，并由于大地形的動力抬升作用，在臨夏一帶形成強降水，右端在冷空氣推進下快速向東南方向移動，6 h時間從蘭州南部移動到隴南-天水-平?jīng)?慶陽一帶，與西南低空暖濕氣流交匯，導(dǎo)致隴東南一帶的強降水天氣。

圖6 2019年9月9日2時（a）、8時（b）700 hpa假相當(dāng)位溫空間分布

6 結(jié)論

利用甘肅省加密自動站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)和美國國家大氣環(huán)境中心的GDS全球預(yù)報零場資料，使用天氣學(xué)診斷方法，對比分析了隴東暴雨不同降水影響系統(tǒng)的環(huán)流形式、動力特征、熱力條件等，得出以下結(jié)論：

（1）高空環(huán)流呈現(xiàn)出“兩槽一脊”的大形勢，甘肅省受高壓脊控制，高原上不斷有短波小槽不斷東移為此次降水提供有利的環(huán)流形勢；700 hpa低空急流進入臨夏州受太子山阻擋有明顯的抬升爬坡作用，加之西北冷空氣南下與低空急流相交匯造成此時臨夏開始出現(xiàn)降水，隴東南一線降水主要受鋒面觸發(fā)。

（2）臨夏與隴東南在9日傍晚低空輻合中層輻散明顯，同時垂直上升運動在8日夜晚至9日白天最為明顯，兩地區(qū)降水垂直結(jié)構(gòu)層的分布受鋒面東南移動影響，上升運動及輻合輻散的時段表現(xiàn)不一致。

（3）熱力場方面假相當(dāng)位溫左端密集帶受高原邊坡高大地形影響停滯不前，與南來的低空暖濕氣流在高原邊坡地帶交匯，并由于大地形的動力抬升作用，在臨夏一帶形成強降水，右端在冷空氣推進下快速向東南方向移動，與西南低空暖濕氣流交匯，導(dǎo)致隴東南一帶的強降水天氣。

（4）ECMWF等各家數(shù)值預(yù)報模式與此次強降水的落區(qū)及量級的預(yù)報都明顯偏小偏北，與實況降水出入較大。隴東南降水主要為穩(wěn)定性的鋒面降水，而出現(xiàn)在臨夏的降水對流特征明顯，雨強大，持續(xù)時間短，并伴有雷電。模式對于局部地方的短時強降水預(yù)報能力明顯不足，這跟局部地形影響和中小尺度天氣系統(tǒng)的模擬能力息息相關(guān)。