一次弱垂直风切变环境条件下短时大暴雨的研究

罗王军，蒋友严，霍佳宇，敖泽建

（1.甘南州气象局，甘肃 甘南747000；2.西北区域气候中心，甘肃 兰州730020；3.山西省气象灾害防御技术中心，山西 太原030002）

碌曲县地处甘肃省西南部，甘南藏族自治州中西部，青藏高原东边缘，主要地形有山地和盆地，境内大部分地区海拔为2900～4287 m，由于地形复杂，天气多变，降水局地性强，短时强降水发生频次高，自然灾害频繁。

针对强降水天气，许多学者从不同尺度天气系统、雷达回波特征、地形因素等方面做出了研究和分析，王福侠等[1]研究了2014年河北暴雨的多普勒雷达径向速度特征，将发生暴雨时的径向速度特征分为五类；闫昕旸等[2]对北京一次暴雨的成因进行了分析，认为蒙古低涡配合高空横槽，加之东南风的水汽输送造成了暴雨；杨群等[3]利用探空资料、新一代天气雷达资料等对局地特大暴雨进行了研究分析；李改琴等[4]对河南北部一次强降水进行了多尺度的诊断分析，研究了不同尺度系统对暴雨的作用；曾勇等[5]对新疆一次暴雨强对流天气的中尺度特征进行了分析；努尔比亚·吐尼牙孜等[6]利用高分辨率卫星资料、多普勒雷达产品、常规观测和NCEP 1°×1°再分析资料，对南疆西部一次突发暴雨的环流背景、大气层结、水汽特征及雷达、卫星形态等方面进行诊断分析，并选取一次连续性暴雨作为对比，发现两次暴雨在形势场上有明显不同；曲良璐等[7]利用常规地面与高空观测资料、自动站逐时资料、NECP1°×1°再分析资料，分析了新疆阿克苏地区的一次局地暴雨。章丽娜等[8]用配料法对“6·23”北京对流暴雨中尺度环境时空演变特征及影响因子做出了研究分析；杨磊等[9]对一次暴雨过程进行了多尺度分析，认为东北低压和低涡切变是造成暴雨的主要系统，指出地形作用是造成暴雨的主要原因之一。大量局地暴雨研究为短时临近预报提供了参考，但是对于青藏高原东边缘局地性暴雨的研究较少，利用雷达资料对甘南高原暴雨天气进行研究更是少之又少。由于地形独特，甘南高原天气气候特点与其他地区差异大，本文利用雷达回波资料、合作站探空资料以及碌曲县区域自动站降水资料，对2016年8月22日傍晚到夜间发生在碌曲县的局地大暴雨天气过程进行综合分析研究，意图寻找适合甘南高原短时暴雨的预报思路和方法，提高对局地性、突发性暴雨的预警水平。

1 资料选取

雷达数据资料来自合作新一代天气雷达站，站点位于甘南州合作市以南（102.9°E，34.9°N），天线馈源海拔高度为3373 m，为CINRAD/CD 714CDN型新一代天气雷达。采集数据时用VCP21降水模式进行体扫，每隔6 min获得一次体扫数据，有效范围半径为150 km（合作雷达站与碌曲各区域站距离为35～125 km，各区域站均在有效范围之内）。此次天气过程分析所用雷达产品有反射率因子、垂直积分液态水含量（VIL）等，降水中心碌曲位于雷达站西南侧，距离雷达站约60 km，雷达产品具有较高的真实性、可用性。

探空资料来源于甘南州气象局观测站（102.9°E，34.5°N，海拔高度 2908 m），探空仪为GTS1型数字式探空仪，雷达型号为GFE1型二次测风雷达。

雨量资料来源于碌曲县范围内12个两要素区域自动站和碌曲国家一般气象站降水资料，采集雨量时采用SL2-1型雨量传感器。

2 研究区概况和降水实况

碌曲地处青藏高原东边缘，地势西高东低，平均海拔为3500 m，境内山丘遍布，河流众多，河流冲击地区地势相对较低（图1a）。黄河上游水量最大的支流洮河流经碌曲北部，碌曲县城（图1a中红色三角）因处于洮河谷地而地势相对较低。在气候上，碌曲兼有大陆性季风气候与高原气候的特点，年平均气温2.5℃，年降水量585.7 mm，降水主要集中在6—8月，该时段降水量占年总降水量的一半。通过普查发现，碌曲夏季强降水跟西太平洋副热带高压关系密切，当588 dagpm线西伸至110°E左右，脊线在30°N附近时，碌曲处于副热带湿区，若有扰动，则会出现强降水天气，尤其在8月中、下旬，西太平洋副热带高压撤退时，强降水更容易产生，碌曲的暴雨基本都出现在这一时段（图略）。强降水往往造成一定程度的经济损失，有时甚至人员伤亡，例如，2006年8月31日碌曲发生降水量为88.4 mm的暴雨，造成14人丧生，经济损失6000多万元人民币。

2016年 8月 22日 20：00—23日 08：00（北京时间，下同），甘南州碌曲县局部地方出现强降水天气，图1b所示为碌曲县各区域站过程累计降水量的空间分布，其中碌曲站出现大暴雨，降水从22日20：00开始至23日02：00结束，过程累计降水量123.5 mm，最大小时雨强为71.6 mm/h，出现在22日20：00—21：00，而从 22 日 20：00—22：00，2 h 累计降水量达114.3 mm。此次降水过程中，碌曲站累计降水量之多、雨强之大，均为1973年建站以来历史之最。大暴雨过程未造成人员伤亡，但是造成经济损失600多万元人民币。

3 环流形势及影响系统

3.1 高空形势

图1 碌曲县地形（a）和8月22日20：00—23日08：00碌曲县各区域站累计降水量（b）

500 hPa 高空图上，22 日 08：00—20：00，巴尔喀什湖附近有一比较深的冷槽，孟加拉湾地区有一低压系统，我国除东北、新疆、内蒙古北部和海南外基本都处于588 dagpm控制的高压区。08：00碌曲县处于592 dagpm副热带高压的内侧，而20：00变化为处于两个592 dagpm副热带高压之间，此时，一方面偏东气流将暖湿空气输送至暴雨区，另一方面2个副热带高压之间的切变区有利于对流性天气的发生。从22日08：00—23日08：00的24 h累计降水量分布来看，发生大降水的区域刚好对应两高之间的切变区（图2a）。由于碌曲海拔基本都在3000 m以上，700 hPa接近大气的底层，因此在700 hPa上对湿度条件作研究分析，22日20：00，合作站（与碌曲站距离最近的探空站）比湿可达16 g/kg，湿度条件非常好，而温度露点差仅1℃，低层空气接近饱和。从8月20日开始到大暴雨发生，700 hPa上从四川盆地到甘肃南部各站一直维持西南风，有利于暖湿气流的输送。在200 hPa高层，甘肃青海交界地带上空为反气旋式高压环流，青海湖上空是一辐散中心，碌曲上空高层有强烈的辐散，有利于低层形成强烈的辐合上升运动。

3.2 地面形势

由于所分析的地区海拔超过1500 m，不进行海平面气压订正，这里地面高低压中心从有海平面气压记录的站点结合地面风场大致给出。22日20：00，甘肃河西地区东部为一高压中心，甘肃南部为一低压中心，高低压中心之间，根据气象要素：气温、变压、天气现象、云量、风场的分布，可判断碌曲站位于冷锋前部（图2b），并且湿度条件非常好，因此当冷锋移近的时候，锋前辐合抬升运动加强，从而触发雷暴的新生和发展[10]。从地面风场上看，碌曲、夏河、河南三站构成一个闭合的气旋式低压环流，在地面气旋附近，辐合上升运动强。

地面上黄河上游地区可以分析出一条露点锋（干线）（图2b），其西南侧的甘德、达日、玛沁等站，露点温度仅4～5℃，温度露点差达10～12℃，而其东北侧的泽库、河南、合作等站，露点温度高达12～16℃，温度露点差仅为1～4℃。因此干线西南侧为干区，其东北侧为湿区。从20：00干线附近的达日站和红原站探空图（图3）上也可以看到，干线西南侧达日、红原两站，整层空气相对湿度都不超过80%，即整层空气干燥，而从图4b可以看出，干线东北侧的合作站，除500～400 hPa较为干燥之外，其余层次相对湿度基本都在80%以上。露点锋两侧干湿对比明显，而且此时400 hPa有槽移近，500 hPa上高压分裂，于是露点锋附近气象要素变化剧烈，干线特别活跃[10]。

图2 8月22日08：00—20：00 592 dagpm位置变动与24 h降水叠加（a）及地面形势与24 h降水叠加（b）

图3 8月22日20：00达日站（a）和红原站（b）探空图

地面冷锋和露点锋在青海东南部相交，碌曲处于冷锋前部，即比较暖的环境条件下，同时碌曲也处于露点锋湿区一侧，即比较湿的环境条件下，暖湿环境条件相叠加，促使大气的不稳定程度加剧，冷锋的系统性抬升触发对流，活跃的露点锋一方面触发对流，另一方面与冷锋造成的气流辐合相结合，进一步加强上升运动。

碌曲站位于碌曲县城，处洮河谷地北侧，北面为地势较高的山丘，南面为地形低洼区，山丘与低洼区海拔高度差约200 m。22日20：00地面图上碌曲站为3～4 m/s的西南风，西南暖湿气流被强迫在山丘迎风坡一侧抬升，因此地形抬升对不稳定能量的释放有一定的触发作用[10]。

从探空资料来看，20：00与碌曲站相邻的合作站，也受冷锋和露点锋共同影响，自由对流高度仅有565.9 m，因此，在冷锋和露点锋叠加影响的区域，若有一定的抬升触发则容易发生自由对流，另外碌曲的地形强迫抬升作用也利于对流发生。在冷锋、露点锋、地形和气旋性辐合的共同作用下，不稳定能量得以触发释放。

4 物理量诊断分析

4.1 探空物理量分析

图4a为合作探空站22日08：00探空曲线，层结曲线与露点曲线下部紧靠，上部分开，表现为“上干下湿”的对流不稳定层结状态。600 hPa以上有逆温层存在，有利于对流不稳定能量的积蓄，对后期对流发展极为有利。地面温度15℃，而对流温度（当地面受到太阳辐射加热作用后开始形成热力对流时的地面温度）仅16℃，因此若有略微的升温，热对流就很容易产生。CAPE可达1000 J/kg以上，对流有效位能比较充足。整层风速都较小，基本在6 m/s以内，垂直风切变也小，700 hPa上为西南风，风速仅为0～1 m/s，而200 hPa为北西北风，风速也仅有1～2 m/s。

22日14：00碌曲地面气温上升至23℃，超过了当天的对流温度，而露点温度为13℃，通过订正[8]发现，CAPE可达1700 J/kg以上。

22日20：00，整层空气湿度都增大，中层为一致的西南风输送水汽（图4b）。此时SI为-3.16，对流发生的可能性很高。CAPE较08：00有所下降，可能是已经部分释放。整层风速仍然较小，基本维持在6 m/s以内，垂直风切变较08：00无明显变化，700 hPa上为3～4 m/s的偏北风，200 hPa上也仅为 3～4 m/s的偏西风。较小的风速和弱的垂直风切变不利于有组织的强风暴的产生，常常引起风暴移动缓慢，降水通过上升气流降落[11]，但正因为风暴移动缓慢，所以对某一地区形成强降水却是有利的。23日08：00，暴雨发生后，合作站探空资料显示，相对湿度＞80%的湿层延伸至400 hPa以上，CAPE下降至53.7 J/kg（表1）。

4.2 物理量诊断分析

利用Micaps剖面分析方法，对碌曲附近（102.6°E，34.3°N）垂直速度和水汽通量进行时间剖面分析，分析所用资料为实况观测资料。

表1 合作站CAPE、SI指数及0℃、-20℃高度

图 4 8 月 22 日 08：00（a）和 20：00（b）合作站探空图

图5a为垂直速度的时间剖面，22日20：00碌曲上空700 hPa以上垂直速度基本都＜-4 hPa/s，为比较一致的上升运动，其中在300 hPa附近，上升运动最强，垂直速度可达-20 hPa/s。垂直速度的特征表明，在降水发生时段，碌曲附近整层都有强烈的上升运动。

图5b为水汽通量的时间剖面，22日08：00—23日08：00碌曲低层的水汽通量基本都＞3.0 g/（s·hPa·cm），表明在这个时间段内，碌曲上空低层有明显的水汽平流。而在22日20：00左右，碌曲低层水汽通量在4.2 g/（s·hPa·cm）以上，水汽通量较22日08：00时有所增强，水汽输送更为明显，较强的水汽输送为碌曲大暴雨的发生提供了有利的水汽条件。

5 雷达回波特征

5.1 雷达回波反射率

雷达回波的强度通常用反射率因子来度量，故可根据反射率因子大小来判别回波强弱[12]。22日17：57，碌曲东北部有小范围雷达回波产生，最大反射率因子为33 dBz，随后向西北方向移动并加强，最强达44 dBz以上，此回波中已出现雷暴（碌曲18：20出现雷暴），其后回波强度有所减弱，但持续存在，移动缓慢。据上述分析，此次天气过程发生在弱的垂直风切变环境中，俞小鼎等[11]认为，弱的垂直风切变环境中的对流风暴多为普通单体风暴或者组织程度较差的多单体风暴。在22日18：30左右，碌曲西部及南部等地也有不同强度的回波产生并加强，向西北方向缓慢移动。

风暴运动是平流和传播的合成，而当环境风场较弱时，传播对于风暴运动起着主导作用。如果已知风暴承载层的平均风和风暴运动，就可以确定产生新单体的区域[11]。据上述分析，碌曲处于露点锋的湿区一侧，地面冷锋的前部，低层空气为高温高湿状态，并且整层空气中垂直风切变都很小。风暴向西北方向运动，而由图4b可知环境风场为西南风，因此，根据矢量叠加原理，风暴为向西传播，考虑风暴运动速度大于风暴承载层的平均风速，那么风暴向西北方向传播，于是新生单体就会产生在已有单体的东南侧。在20：05发展产生新的对流单体（图6a红圈中所示），此单体生成后逐渐发展并增强，20：10与旧风暴开始合并。20：16新旧风暴基本合并为一体（图6b），该时刻恰好与碌曲降水开始的时刻（如图7，20：13降水开始）对应。20：37降水风暴开始成熟，最强降水时段开始。20：53出现最强回波，最大反射率因子可达47 dBz（图6c），同时从图6d可知，此时反射率因子核心在3 km高度附近，而雷达天线馈源海拔高度为3373 m，因此该反射率因子核心在6 km以上，说明此时对流发展旺盛。降水主要出现在回波开始合并增强到趋于减弱的近2 h内，而到21：36，该风暴反射率因子逐渐降低，降水强度也趋于减弱（图7）。由于环境风场的垂直风切变小，所以降水导致上升气流中水负载明显增加，因此风暴维持时间较短。

5.2 垂直积分液态水含量

图5 8月21日08：00—23日20：00碌曲垂直速度（a）（单位：hPa/s）和水汽通量（b）（单位：g/（s·hPa·cm）的时间剖面

垂直积分液态水含量（VIL）表示将反射率因子数据转换成等价的液态水值[12]。自2013年合作新一代雷达站建设以来，根据本地统计分析，VIL数值较小，最大仅有21.4 kg/m2。吉哲君等[13]将短时强降水的VIL阈值定为5.0 kg/m2，即当VIL＞5.0 kg/m2时，短时强降水发生的可能性很大。此次降水过程中，VIL最大可达5.22 kg/m2（图8），与此阈值接近。从图7和图8可知，在20：00 VIL数值很小，此时还未出现降水，其后VIL逐渐增大，降水开始。20：20—21：40，每10 min降水量基本都在10 mm以上，而这段时间VIL也都在1.00 kg/m2以上，降水集中时段基本对应VIL的大值时段。21：36之后，VIL减小至1.00 kg/m2以下，降水也趋于减弱。

6 结论

图6 2016年8月22日反射率因子剖面（单位：dBz）

图 7 8 月 22 日 20：00—22：00 碌曲 10 min 降水

图8 8月22日20：00—21：36碌曲VIL变化

这是一次在整层空气高温高湿、垂直风切变很弱的环境条件下发生在副高内部的局地对流性强降水天气过程，通过分析得到以下结论：

（1）500 hPa上副热带高压向东南方向撤退并分裂，碌曲处于两个592 dagpm高压之间的切变区，对对流的发生起到了关键作用；地面冷锋、露点锋以及地形抬升是此次对流性大暴雨的中尺度触发系统。

（2）大暴雨发生前48 h，碌曲上空低层有西南风或南风持续输送水汽，空气高温高湿，并且当日早晨逆温层的存在有利于能量的积蓄；午后超过1700 J/kg的充足对流有效位能、垂直速度达-20 hPa/s的强烈上升运动以及水汽通量达4.2 g/（s·hPa·cm）的明显水汽输送，使得大暴雨在短时间内就能发生。

（3）根据对流风暴的运动规律可以判断新单体的产生区域，新单体与旧单体的合并加强指示强降水的开始，过程主要降水集中在回波开始合并增强到趋于减弱的近2 h内，垂直积分液态水含量与强降水发生有密切的关系，垂直积分液态水含量大于1.00 kg/m2的时段10 min降水基本在10 mm以上。