天水地区一场夏季暴雨天气过程分析
2015-05-30王小龙朱拥军李悦
王小龙 朱拥军 李悦
摘要：为了提高天水地区暴雨预报及服务能力，利用天水地区所有自动站资料、高空资料以及Micaps实况资料，对天水2010年8月12日发生的一次暴雨天气过程进行分析。结果表明：（1）此次暴雨过程主要是由位于甘肃南部的低涡切变形成；（2）形成此次暴雨过程的水汽主要来源地是南海，另外还有来自高原和孟加拉湾的水汽作为补充；（3）高低空急流的耦合作用对此次暴雨的发生具有一定的引导和促进作用；（4）高空辐散、低空辐合的流场形势引发强烈的上升运动，是此次强降水发生不可或缺的一个重要条件；（5）通过分析此次过程的垂直速度场可知，持续的上升运动不断触发不稳定能量的释放，为暴雨的发生发展提供了必要的能量条件。
关键词：暴雨时空特征；中尺度分析技术；环流形势；高空急流
中图分类号：P458.3 文献标志码：A 论文编号：cias15010005
0 引言
天水位于甘肃省东南部，境内山脉纵横，地势西北高，东南低，气候多变，降水时空分布不均，全境年平均降水量为482.1 mm，共划分为3个不同的降水分布区，关山区（清水县和张家川县）和河谷区（秦州区、麦积区）年平均降水达到500 mm以上，渭北区（甘谷县、武山县、秦安县）年平均降水不足450 mm，降水自东南向西北逐渐减少，是甘肃暴雨的集中多发区之一，年降水的70%以上集中在5—8月。在此期间，强对流天气频发，多以雷阵雨、暴雨、冰雹的形式出现，突发性很强。之前有许多学者对西北地区暴雨天气进行过大量的分析和研究，但针对天水本地的暴雨天气个例分析较少。因此，笔者分析天水地区暴雨形成的环流形势和结构物理特征，以期为天水地区暴雨预报、防灾减灾以及三农服务工作提供重要的借鉴依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源
利用2010年8月10日—12日Micaps实况场资料以及天水地区所有地面观测站降水观测资料，对天水地区发生在8月11日夜间的一次暴雨天气过程进行分析。
1.2 分析方法
使用Surfer绘图软件、Micaps 3.1系统及中尺度分析工具，利用天气学分析方法及中尺度分析技术对造成天水此次暴雨过程的天气系统、水汽条件、动力条件以及能量条件进行分析。
2 降水过程
由图1可知，2010年8月11日20时—8月12日20时，受低涡切变的影响，天水市出现了入汛以来最大的强降雨天气过程，全市60个区域站有7个站点降水量达到50mm以上，其中秦州区的李子，麦积区的党川、麦积山以及甘泉等区域站日降水量均突破了100/mm，出现了大暴雨。秦州区的李子乡日降水量达182.2mm，12日2—3时，该乡1 h降水量为26.3 mm；3__4时，1 h降水量达96.1 mm；04—05时，1 h降水量为29.7mm，降水强度之大，为数十年来罕见。由于此次强降水中心出现在森林覆盖率高达95%以上的秦州区李子乡至麦积区党川一带，天水气象台提前5 h发布了暴雨黄色预警信号，并未引起太大的次生灾害以及人员伤亡情况，但由于降水较为集中，强度又大，山区河道常年萎缩，山洪来不及下泄，致使多处沟道洪水猛涨，滑坡、决口、漫堤等，部分房屋受淹倒塌，农田淹没，桥梁涵洞冲毁，人员被困等，使人民群众的生命财产依然受到了的威胁和损失。
3 环流形势及影响系统
3.1 天气形势
分析500 hPa高空图（见图2），8月10日东亚大陆中高纬度为2槽1脊形势，冷槽位于新疆以北，黑龙江北部有1个低涡，副热带高压位于青海南部至甘肃平庆一线，甘肃主要为西北气流所控制，冷空气可沿着河西地区一直南下到达陇东南以北。11日副热带高压西伸北抬，北部冷空气稳定少动，高原南侧至青海以东有1个高原切变生成，西南气流发展旺盛。11日20时，高原上空气压降低，辐合加强。12日08时在合作、定西以及陇南之间有1个闭合环流形成，西南气流明显加强，出现明显的气旋型上升运动，为暴雨的形成提供有利的水汽条件和动力条件。12日20时低涡减弱为低槽并开始东移，主要降水过程结束。
700hPa高空场上（见图3），高原东部多低值系统活动，从10日开始青海南部一直位于低值系统控制下，孟加拉湾、南海至天水一带一直维持有西南气流，水汽条件非常好。11日20时开始低值系统不断加强并形成低涡不断向天水方向移动，到12日8时已经完全抵达天水，而天水地区暴雨也主要发生在该段时间内，同时，天水附近上空700 hPa辐合也达到最强。12日20时开始低涡逐渐减弱并消失，天水降水也显著减弱，并很快停止。
在整个过程中，青海南部附近低值系统活动频繁，大气环流场也呈东高西低形势，低压中心沿着高压边缘向天水方向移动，11日20时地面图上低压中心位于中国四川盆地，23时向东北方向有所加强，维持到12日5时，这与此次强降水的时间段正好吻合，之后又开始减弱，与700 hPa低涡移动发展方向有着较好的对应关系。
综合以上可知，在此次暴雨天气过程中，从地面到高空天水附近一直维持着明显的辐合上升运动，高低空配合良好，使得系统从高原东侧向甘肃南部地区移动过程中不断加强，从而产生强降水。
3.2 高低空急流的作用
暴雨的形成与高低空急流的相互作用也有着一定的联系，因此笔者对高低空急流也进行了分析（见图4）。分析10日700 hPa流场可知，从南海到天水附近一直维持着明显的偏南气流，源源不断的暖湿气流被输送到天水附近，同时在四川北部形成有1个较大的比湿中心。11日08时700 hPa全风速场上，从南海到陕西东南部有1条较为明显的次天气尺度的低空急流，急流中心附近最大风速为12 m/s。700hPa高空场上，11日热低压由蜀青藏交界处向东北方向开始移动，于11日20时—12日08时之间在甘肃南部形成1个低涡，低层辐合明显加强。11日08时从南海经广西、贵州和四川盆地一直到陕西南部有1条风速≥10 m/s显著风带，并且在陕西安康至河南南阳之间有1条明显的次天气尺度的西南急流（中心风速≥12 m/s），它们源源不断地将高比湿空气向天水附近输送。
700hPa相对湿度场对此次天气过程的水汽输送情况反应较好。从10日开始四川盆地至天水附近相对湿度不断增加，在11日20时—12日08时左右四川北部相对湿度达到100%，天水附近相对湿度也在90%以上，可见暴雨发生时天水地区相对湿度条件是非常好的。
分析700 hPa水汽通量散度场可知，11日夜间天水位于1个负的水汽通量散度大值区控制下，中心值达到-16x10-7/（cm2·hPa·s），说明在这一带有明显的水汽汇聚，在一定程度上也反映出700 hPa偏南风对水汽的输送作用。
由于天水地区平均海拔在1000～1500 m之间，再加上青藏高原和秦岭山脉的阻挡作用，850 hPa的水汽输送不到这些地区，因此笔者不对850 hPa进行分析。
综上所述，700 hPa上持续而稳定的偏南风源源不断的把南海的水汽输送到天水地区，为此次天水地区暴雨的发生提供了充足的水汽。由于充沛的水汽供应是暴雨发生的根本条件，因此偏南风和次天气尺度偏南风急流在此次暴雨过程中有着非常重要的作用。
250 hPa高空图上，自甘肃河西至内蒙古中部有1个西北一东南走向的高空急流，急流轴位于甘肃河西、内蒙古阿拉善左旗至呼和浩特一带，中心最大风速≥40 m/s。由于高空急流的入口区右侧有正的涡度平流，容易引发高空辐散，迫使低层气压降低，从而使低层的气流辐合上升，形成高空辐散抽吸效应，有利于低层低压系统的维持。
高空急流的右侧容易出现对流性云团，尤其是高空急流呈反气旋型弯曲时，其右下方4～5个纬距以外为强的辐散区，多出现暴雨云团。由于高空辐散的抽吸作用使低层形成次级上升环流，而低空急流左侧为正的涡度区，当低空低涡遇到强的上升运动时，2种运动相重叠，从而形成强烈的上升运动，从而为暴雨的发生提供了深厚的垂直环流发展条件。而这次暴雨刚好发生在高空急流轴右侧、次天气尺度的低空急流轴左侧，正是高低空急流耦合最有利于暴雨发生的动力场区域。
4 中尺度分析
由于暴雨过程的降水并非由单纯的连续性降水所组成，是过程期间中尺度雨团不断生成和移动的结果，而中尺度雨团则是由中尺度扰动将小尺度的积云对流组织而成，研究暴雨天气过程不仅要分析大尺度环流背景下的主要影响系统，还要分析暴雨天气过程的物理量特征以及中尺度特征，这也是诸多学者研究暴雨天气过程的主要技术方法。
甘肃东南部暴雨有三大特点：突发性强，降水强度大，区域特征明显。此次降水过程中，武山和甘谷降水量只有1.9 mm和0.1 mm。而天水东部以及天水南部多个自动站、区域站降水量均达到了大到暴雨。有关研究把相邻2个测站3 h降水量≥30 mm或1个测站3 h降水量≥60 mm认定为1次中尺度天气系统影响，照此标准，这次大暴雨天气过程由中尺度系统所构成。
由图5可知，8月11日20时，地面图上天水市地区为24 h正变压区，并相继有雷暴开始发生，500 hPa在青海南部到甘肃省兰州一带有1条切变线，200 hPa高空急流位于40°N偏北，700 hPa显著流线从四川盆地经陕西南部一直延伸到山东以北地区，甘肃省武威以北为显著干区，四川东部以及我省陇东南地区为湿区，天水市位于高空急流轴右侧，低空显著流线左侧的干湿交汇区偏南，辐合以及水汽条件良好，有利于高低空急流耦合的形成和强对流天气的发生。
12日08时地面图上（见图6），甘肃南部仍有雷暴发生，天水地区有一AT24<0℃的降温区与雷暴区相配合。甘肃南部有1个低涡生成，700 hPa图上位于青海南部和武威一带的干线抬高至马鬃山至内蒙古中部一带，200 hPa高空急流位置稳定少动，700 hPa在河南和山东一带有1次天气尺度的西南低空急流生成，湿舌范围减弱至四川以及甘肃南部一带，天水位于其中。700 hPa温度槽分裂为2条，一条沿着河西走廊东移至河套以西，一条维持在新疆东部地区，500 hPa温度槽稳定少动，说明在11日夜间至12日上午暴雨发生之时低层有冷空气侵入。综合分析可知，在11日夜间至12日上午天水市南部高空为辐散区，中低空为深厚的辐合区，水汽条件良好，低层有冷空气侵入，有利于产生强对流天气。
5 物理量诊断分析
5.1 水汽条件
5.1.1 比湿分析暴雨在大气比湿达到一定的条件下才能形成嘲，据统计，天水地区暴雨大都发生在700 hPa比湿≥8 g/kg的环境场中。分析此次暴雨天气过程中天水附近700 hPa比湿场的水平分布可知，12日08时天水附近存在1个明显的高比湿区域，比湿值达到8 g/kg以上，中心位于四川东北部，中心最高值达到14 g/kg，天水市完全位于10 g/kg的等比湿线以内，而经验也表明当天水市比湿达到10 g/kg以上时，如果有明显的天气系统相配合极易引发暴雨（见图7）。
5.1.2 水汽通量和水汽通量散度 暴雨的发生还需要有充足的水汽作为补充。只有大量水汽不断在降水区辐合并凝结降落，暴雨才有可能发生。12日08时700hPa水汽通量场上，从两广到四川盆地有1条明显的水汽输送带，其中心位于四川省北部，强度达到12×10-4g/（cm·hPa·s）。根据经验，暴雨落点一般位于水汽通量大值区的下风向，而天水此次的强降水区就在四川输送中心北侧，这对预报暴雨落区具有一定的指示意义（见图8）。
水汽通量散度表征水汽的集中程度闭，通过分析此次暴雨过程天水附近700 hPa水汽通量散度可知，天水位于水汽净输入区，而且水汽通量散度中心也恰好位于天水至兰州附近，说明这些地方有很强的水汽通量辐合，对暴雨的形成非常有利（图略）。
5.2 动力条件
5.2.1 涡度和散度 暴雨得以发生的初始动力条件是高层有明显的辐散，低层有明显的辐合。在12日08时的500 hPa涡度场上，天水附近为-20x10-1s-1。的负涡度，而在700 hPa的散度场上，天水附近为-20×10-5s-1。的负散度，高层具有明显的辐散，低层有明显的辐合，高低空结合形成强烈的抽吸效应，进一步加强了天气系统的垂直发展，对暴雨的形成提供了很好的动力抬升条件（图略）。
5.2.2 垂直速度 暴雨的发生还需要源源不断的上升运动。从各层的垂直速度分布情况来看，天水地区高低层在12日均处于上升气流中，上升区700 hPa垂直速度最大值为-4×10-3hPa/s，500 hPa最大值为-8×1--3hPa/s，300 hPa最大值为-4×10-3hPa/s，深厚的垂直运动不断触发不稳定能量的释放，加强了暴雨天气系统的发生和发展（图略）。
5.3 能量条件
5.3.1 假相当位温12日08时700 hPa假相当位温场上，在四川北部有1个高能中心，天水位于高能中心边缘，高能轴呈西南一东北走向，高能舌伸向陇南地区；12日20时700 hPa假相当位温场上高能中心仍位于四川北部，天水一直处于假相当位温的大值区，表明天水附近有着明显的能量输送，有利于强降水的形成（图略）。
以500 hPa和700 hPa的假相当位温之差△θse来描述层结的稳定性，△θse<0表示大气层结不稳定。分析8月12日08时的△θse可以看出，△θse已经由负值转而趋向于0，大气不稳定状态已经减弱，而此时主要强降水过程已经结束，大部分大气不稳定能量已经释放，由可见，△θse对暴雨的产生同样具有一定的指示性意义（图略）。
5.3.2 海平面K指数分析K指数是表征大气的温度垂直递减率和大气中低层的湿度条件与饱和程度的物理量，K值越大，大气愈不稳定和愈潮湿。根据当地预报经验，当K指数值在25～30℃之间时，天水地区就有可能发生雷暴，而当K指数大于35℃时，天水就很可能发生成片的雷雨。12日08时的K指数图场上，天水地区K值为3C℃左右，具备发生强降水天气的条件，这对暴雨的预报也具有一定的指示意义（图略）。
6 结论
（1）副热带高压西伸北抬迫使高原南部西南气流不断加强，并诱导了高原低涡系统的生成，高原低涡是造成此次天水地区暴雨天气过程的主导系统。
（2）低层西南暖湿气流和低空急流为暴雨的形成提供了大量的水汽和能量，同时，还有来自孟加拉湾和高原的水汽作为补充。
（3）暴雨区位于高空急流轴右侧、低空急流轴左侧，高低空急流的耦合作用对此次暴雨的形成具有一定的促进作用。
（4）此次暴雨天气过程中，比湿、K指数等物理量特征明显，符合天水本地暴雨天气过程指标，同时，涡度、散度以及假相当位温等物理量在此次暴雨天气过程中也具有较好的指示性。
7 讨论
（1）夏季副热带高压的变化直接影响着高原南部天气系统的发生发展。当副热带高压增强，高原南部西南气流发展旺盛时，有利于高原低涡系统的生成，这与许多研究者对夏季副热带高压变化与高原低涡系统生成的相互关系观点相一致。
（2）高低空急流的存在影响着天水地区暴雨天气系统的发生发展，尤其是当夏季高低空急流发生耦合时，对天水地区暴雨的形成具有一定的促进作用。
（3）此次暴雨天气过程中低空急流尺度小，并且存在时间较短，位置也相对偏东南，这在类似的天气分析中比较少见。究其原因可能是本研究只针对天水地区的暴雨进行了分析，具有一定局限性，在以后的研究中应特别针对这一情况做出详细研究，以便更清楚地解释其中的原理。
