甘肃东南部两次极端致灾暴雨对比分析

苏军锋，吴文辉，魏清霞，张 锋，余永舟，王 贤

（1.陇南市气象局，甘肃 陇南746000；2.两当县气象局，甘肃 两当742400）

在全球气候变暖的大背景下， 地处青藏高原东北边的甘肃东南部受气候变化的响应尤为明显，主要表现在近年来极端天气频发，其中暴雨、冰雹、霜冻、 干旱等灾害性天气及其诱发的次生灾害造成了巨大的经济财产损失， 同时由于甘肃东南部特殊的地理位置、地形特征及气候条件，导致甘肃东南部的暴雨有其自身的复杂性，暴雨的局地性、突发性、重灾性更为突出。目前，众多学者对不同地区的暴雨天气从气候特征、天气尺度系统、中尺度特征、数值模式模拟等方面进行了研究分析， 同时随着雷达卫星资料及地面加密观测资料分辨率的提高， 对暴雨及短时强降水的中小尺度研究和数值模拟也进一步深入，并取得了许多成果[1-15]。 对于甘肃地区暴雨及短时强降水的研究，学者们从斜压锋生作用、暖区降水特征及触发机制、中尺度对流云团的成因、强对流天气的分型、 冷暖平流的强迫作用等方面做了深入的研究[16-20]，从上述研究可以看出，高低层冷暖平流是形成暴雨及短时强降水差异的主要因素， 不但决定着水汽、不稳定条件、抬升条件的强度，还影响着甘肃降水的性质特征以及降水强度。 同时上述研究的区域较大， 研究的侧重点也并不是甘肃暴雨和短时强降水频次最多的甘肃陇南地区， 对该地区暴雨及短时强降水的研究也相对较少， 特别是对相同气候背景条件下，不同年份的暴雨对比研究分析更少。本文参考上述学者研究成果， 对甘肃东南部陇南地区2013 年8 月7 日和2017 年8 月7 日极端暴雨天气从暴雨的时空分布特点、环流背景、物理量特征、中尺度云图等方面进行对比， 主要对形成不同暴雨天气影响系统的差异以及在不同强度的冷空气对暴雨及短时强降水强度和具体落区差异的原因进行分析， 为后期甘肃东南部陇南地区暴雨及短时强降水天气过程的降水强度和具体落区的精细化预报提供一定的科学依据及参考，对于减轻暴雨及短时强降水造成的经济损失和减少人员伤亡有重大意义。

1 资料与方法

利用NCEP FNL 1°×1°每日4 次的再分析资料，自动气象站降水资料、常规气象观测资料及FY-2E和FY-2G 卫星云图资料， 对2013 年8 月7 日和2017 年8 月7 日发生在甘肃东南部陇南市极端暴雨天气从降水及灾情实况、环流背景、物理量特征、卫星云图方面进行对比分析。 文中重点关注的是两次暴雨中不同强度的冷空气对降水强度成因及其具体落区差异的分析。

2 暴雨天气概况

2013 年8 月7 日甘肃陇南市出现暴雨天气过程（下文简称“2013·8·7”过程），部分乡镇出现大暴雨（图1a），暴雨区呈带状分布，主要在陇南市东南部，并伴有雷暴、短时强降水、阵性大风等强对流天气。 全市400 个区域自动气象站点24 h（北京时，下同，20—20 时）降水量31 个站点出现大暴雨，其中文县碧口镇出现特大暴雨（266.7 mm），5 h 降雨量达209.3 mm（图1c）。 此次极端暴雨天气过程中有79 站次出现短时强降水（小时降水量≥20 mm），短时强降水主要发生在7 日02:00—07:00， 其中02:00—03:00 有38 站次， 武都区裕河乡05:00—06:00 降水量81.2 mm。

2017 年8 月6—7 日陇南市再次出现暴雨天气（下文简称“2017·8·7”过程）（图1b），此次降雨过程从8 月6 日14 时开始，7 日18 时结束，过程持续时间长，暴雨区呈片状分布，主要集中在陇南市北部和东部，196 站点出现暴雨，79 站点大暴雨， 礼县龙林乡万家村累积降水量最大，达230.4 mm（图1d），其中有174 站次出现短时强降水， 强降水时段主要发生在6 日21:00—7 日02:00， 最大小时降水量达到68.8 mm。 另外，8 月7 日礼县及武都区本站日降水量突破有气象站记录以来的历史极值， 全市范围内区域自动气象站降水量有53 个站点突破有气象站记录以来的历史极值。

3 两次过程环流形势分析

图1 2013 年8 月7 日08 时—8 日08 时（a）与2017 年8 月6 日08—20 时（b）累计雨量（单位:mm）及暴雨中心文县碧口（c）和礼县万家（d）逐小时雨量

据统计，甘肃东南部陇南市暴雨主要发生在7、8 月，特别是7 月下旬到8 月上旬，是甘肃东南部暴雨的集中期， 这段时间西太平洋副热带高压西伸北抬，副高外围西南气流强盛，暖湿空气充沛，再配合北方冷空气，冷暖空气交汇于陇南市东南部，造成暴雨天气。 从“2013·8·7”过程中6 日20 时500 hPa 高度场和风场（图2a）来看，从内蒙古中部经甘肃中部到青海南部有一高空槽， 甘肃陇南处于高空低槽前部，槽后偏北风较强，有冷空气侵入，槽前正涡度平流增强， 高空槽将东移发展， 此时副高脊线已到达30°N 附近，沿着588 dagpm 线西侧有强盛的西南气流源源不断地向甘肃东南部输送暖湿气流， 冷空气较强， 冷暖空气交汇于甘肃陇南市东南部。 另外第10 号台风“山竹”对此次极端暴雨的形成也有一定的作用，它有利于副高西侧西南气流的维持与加强。在“2017·8·7”过程6 日20 时500 hPa 高度场和风场（图2b）上，从青海中部到四川西部有一高原槽，中纬度西北气流下有小波动东移南压带下弱冷空气，此时副高脊线在22°N 附近，甘肃陇南市南部处于588 dagpm 线控制之中， 副高外围的西南暖湿气流与弱冷空气交汇于陇南市北部。 从同时次的700 hPa 高度场和风场上来看，在“2013·8·7”过程中（图2c），700 hPa 上主要影响系统为从甘肃陇东到四川西部的一条切变线， 切变线前西南气流一直延伸到陇东，陇南市处于西南气流的左侧，同时切变线后偏北风较强，冷暖交汇的区域相对偏南，辐合上升的中心也随之南压， 致使这次暴雨分布沿切变线呈东北西南的带状分布，且强降水中心相对偏南。“2017·8·7”过程（图2d）700 hPa 上，在甘肃陇南市北部有偏南风和偏东风的辐合区，该辐合区逐渐发展为低涡，偏南气流持续（显著流线）较强，偏北冷空气较弱，低涡移动缓慢， 在低涡中心及其右前方较强的正的局地涡度变化和辐合上升运动导致降水强度大， 落区也偏北呈片状分布，可以看到冷空气强度以及低涡、低空急流的位置对暴雨的形成和降水强度、 落区具有重要的影响与作用。

从两次过程影响系统的综合分析来看（图3），两次暴雨过程主要的影响系统及触发机制不同，“2013·8·7”过程主要受地面冷锋触发，配合高空冷空气和低槽、700 hPa 切变线共同作用而成，其中副高强度大，588 dagpm 线西侧的西南暖湿气流强盛，在强冷空气作用下， 暴雨区主要分布在冷空气和切变线前侧，低空显著流线左侧，并沿588 dagpm 线西侧呈东北西南向带状分布，位置偏南。“2017·8·7”过程的主要触发机制为地面辐合线， 随着高原槽东移南压，700 hPa 低涡切变线进一步加强，并受副高的影响，低涡移动缓慢，导致“2017·8·7”过程暴雨站点和短时强降水站次更多， 暴雨区主要集中在低涡切变线附近，呈片状，位置偏北。

图2 2013 年8 月6 日20 时500 hPa（a）、700 hPa（c）和2017 年8 月6 日20 时500 hPa（b）、700 hPa（d）高度场及风场

4 物理量诊断分析

4.1 水汽条件

从两次暴雨天气过程的700 hPa 比湿对比来看，比湿都持续超过12 g/kg，均在7 日08 时达到峰值，由比湿场的动态演变来看，两次过程主要的水汽来源为南海和孟加拉湾地区，其中“2013·8·7”过程从西南地区经甘肃东南部一直延伸到华北地区有一条明显的湿舌，“2017·8·7” 过程则在西南地区有一湿中心。在降水开始前，湿度条件“2017·8·7”过程明显优于“2013·8·7”过程，整层比湿“2017·8·7”过程也明显好于“2013·8·7”过程。 由“2013·8·7”过程最大降水站点碧口（图4a）和“2017·8·7”过程最大降水站点礼县万家（图4b）水汽通量散度时间剖面图可知，850 ～600 hPa，2 次过程都有很好的水汽辐合，水汽通量散度辐合强度“2017·8·7”过程强于“2013·8·7”过程，最强中心达到-10×10-7g/（hPa·s·cm2），使得“2017·8·7”过程整体降水强度强于“2013·8·7”过程， 这与低涡中心的辐合上升有重要的关系， 另外“2017·8·7”过程前期为局地的对流性降水，强降水的形成与不稳定能量的释放及近地面层水汽的辐合有一定的关系。

4.2 不稳定条件

两次极端暴雨天气过程中都伴有雷暴和短时强降水发生， 降水强度最强时段都是集中在6 日20时—7 日08 时，利用武都探空资料来分析两次过程的能量和层结条件。 表1 为两次暴雨开始前后层结不稳定条件的物理量， 可以看出两次过程层结都处于不稳定状态，不同的是“2013·8·7”过程的CAPE值和θse500-850的值明显大于“2017·8·7”过程，这主要是“2013·8·7”过程前期受副高外围西南暖湿气流控制，高温高湿，CAPE 值较大，在槽后偏北风带下强冷空气的作用下，形成了强对流天气，导致个别站点降水强度超过50 mm。“2017·8·7”过程主要是受弱冷空气的下沉和低层暖湿气流上升引起的对流性天气，多站次出现短时强降水等对流天气，大范围降水强度大， 结合K 指数、SI 指数和θse的分析可知，“2017·8·7”过程中低层的暖湿条件好于“2013·8·7”过程。 同时两次过程在6 日20 时对流条件最佳，有利于强对流天气的发生，这和暴雨开始前出现雷暴、短时强降水和阵性大风的天气实况完全对应。

图3 2013 年8 月6 日20 时（a）和2017 年8 月6 日20 时（b）综合分析

图4 暴雨中心文县碧口（a）和礼县万家（b）水汽通量散度时间剖面

表1 武都站两次过程对流条件参数

4.3 动力条件

利用涡度的变化与垂直速度的变化对暴雨的上升运动条件进行详细的分析。 从沿105°E 的涡度纬度—高度垂直剖面图（图5）可知，“2013·8·7”过程在暴雨中心（33°N）附近，中低层为正涡度，最强中心在600～700 hPa，中心涡度达8×10-5s-1；“2017·8·7”过程在暴雨中心（34°N）附近，中低层也为正涡度，达到12×10-5s-1，相对“2013·8·7”过程中低层辐合更强，正涡度区域也较低，低层辐合上升运动强，从纬向上来看分布范围广。“2013·8·7”过程正涡度区最高达到300 hPa，证明了“2013·8·7”过程对流发展旺盛，对流强度大。结合沿105°E 的垂直速度纬度—高度垂直剖面图（图6），“2017·8·7”过程降水中心的垂直速度明显大于“2013·8·7” 过程，中心垂直速度达-3×10-3hPa·s-1， 中低层上升运动强，“2013·8·7”过程上升运动延伸的高度高，对流相对旺盛。这与对流不稳定能量的释放和低层系统的动力辐合条件有直接的关系，相对来说“2017·8·7”过程中低涡作用下的辐合更强。综上所述，两次暴雨过程都具有强烈的辐合上升运动和对流性强的特点。 不同的是，“2013·8·7”过程则表现为垂直方向上，垂直运动高度更高，局地的对流性更强，水平方向上范围小，局地性强，短时强降水站次相对少而分散。“2017·8·7”过程中低层辐合和垂直上升运动分布范围更广，强降水范围大，整体降水强度强，对流性天气分布范围广，出现短时强降水站次较多。

图5 2013 年8 月7 日08 时（a）和2017 年8 月7 日08 时（b）沿105°E 的涡度纬度—高度垂直剖面

图6 2017 年8 月7 日08 时（a）和2017 年8 月7 日08 时（b）沿105°E 的垂直速度纬度—高度垂直剖面

5 卫星云图中尺度特征对比分析

高分辨率的卫星云图可以直观地表现对流性中尺度天气系统的形成、加强和消亡过程。 利用FY-2E、FY-2G 卫星高分辨率云顶黑体亮温（TBB）资料， 对两次极端暴雨过程的对流性系统重要时次进行分析（图7），得到中尺度对流云团的演变特征。在“2013·8·7”过程中，由于强冷空气的影响，在6 日20 时（图7a）甘肃中部形成了一个范围较大的α 中尺度对流云团， 甘肃东南部陇南市已处于对流云团前沿，在其前沿梯度大值区已出现对流性降水，值得注意的是， 此时在四川盆地北部有弱的对流云团发展生成， 随着西南气流的加强， 不断向东北方向移动。 6 日22 时（图7b），甘肃中部的α 中尺度对流云团逐渐消散，川北的对流云团发展成为β 中尺度对流云团，中心TBB≤-60 ℃，甘肃东南部陇南市在逐渐消散的对流云团影响下，降水范围进一步扩大。 7日02 时（图7c），东移到徽成盆地（甘肃陇南市徽县、成县境内，地形和缓，有串状分布的平川，海拔1000~1500 m， 四面环山） 的对流云团降水强度增大，而四川盆地及北部的对流云团仍在发展，文县碧口处于该对流云团前沿TBB 梯度大值区，降水逐渐加强。7 日04 时（图7d）四川盆地及北部的对流云团向东北方向发展，影响甘肃东南部，形成了一个中尺度对流云带，该云带持续发展到7 日07 时（图7e），演变成一个近圆形的α 中尺度对流云团，7 日02—07 时也是此次极端暴雨过程中对流性最强，降水强度最强的时段， 而文县碧口一直处于该对流云团之中，成为此次暴雨的中心。 7 日10 时（图7f），α 中尺度对流云团逐渐消散，降水减弱并逐渐停止，整个降水过程中，甘肃东南部降水云系在冷空气的影响下，降水云团持续在陇南市东南部呈西北东南向的带状分布，也导致了强降水落区偏南。 另外，“2013·8·7”过程中TBB 的分布可以看出， 对流云团发展成熟，范围大，高度高，在整个降水过程中具有层积混合型的冷云降水特征，降水局地性强。与“2013·8·7”过程相比，由于冷空气强度较弱，“2017·8·7”过程中对流云团发展的强度也较弱， 对流云团TBB≤-60 ℃范围较小，在低层低涡和强水汽辐合下，低层云水滴凝结碰并增长形成降水，降水具有暖云降水特征，降水效率高，强降水云团高度低，却能形成更多站点出现短时强降水，累积降水量也大。 6 日18 时甘肃东南部陇南市有弱对流在当地发展生成， 到6 日20 时，发展成为一个β 中尺度对流云团， 中心TBB≤-60℃，6 日22 时该β 中尺度对流云团继续发展， 基本稳定维持在甘肃东南部，范围逐渐扩大，这段时间内降水强度增强，在β 中尺度对流云团的控制区域都出现了较强的短时强降水， 最强小时降水出现在β中尺度对流云团TBB 梯度较大区，短时强降水最大区域和过程累积最大降水量与对流云团位置并不一致， 这与低层偏北低涡的和强盛的西南暖湿气流长时间维持，导致降水云系持续时间长，降水效率高有密切的关系。7 日00 时，弱对流云团东移南压，其南部影响文县北部梨坪镇、舍书乡一带，该区域出现小时雨量＞35 mm 的短时强降水，造成了人员伤亡。 7日02 时，对流云团继续东移，主要影响康县南部地区，7 日06 时后，对流云团逐渐消散，降水转为系统性层状云降水。

图7 2013 年8 月6—7 日FY-2E（a~f）卫星云图TBB 演变

6 结论

（1）两次极端暴雨天气过程都伴有短时强降水和雷暴等强对流性天气，具有降水量大、雨强强、灾害重的特点，具体落区和暴雨中心完全不同，“2013·8·7”过程主要在甘肃陇南市的东南部，呈带状分布，陇南市南部为暴雨中心，“2017·8·7” 过程在陇南市北部和中部，呈片状分布，陇南市北部为暴雨中心。

（2）两次极端暴雨的主要影响系统和触发条件及冷空气强度不同。在强冷空气和高空低槽、低层切变线、低空急流共同影响下，“2013·8·7”过程局地强对流天气强，短时强降水更加剧烈。在弱冷空气和高原槽、低层低涡、低空急流的作用下，“2017·8·7”过程暴雨区范围大，短时强降水范围也大。

（3）两次暴雨过程中比湿都达到甘肃陇南市暴雨的阈值， 在弱冷空气和持续偏强的西南暖湿低空急流（显著流线） 和低涡的共同作用下，“2017·8·7”过程的湿度厚，水汽辐合强度、涡度以及垂直速度明显＞“2013·8·7”过程，致使整个过程降水效率更高，出现了大范围的强降水，持续时间也较长。“2013·8·7”过程受强冷空气影响下，不稳定条件更好，形成对流性天气强度更强，强降水局地性强。

（4）从高分辨率卫星云图分析得出，“2013·8·7”过程在冷空气的影响下， 中尺度对流云团在陇南市东南部呈西北东南向的带状分布，移动较快，但强降水中心长时间处于发展旺盛的对流云带之中， 形成极端暴雨。“2017·8·7”过程在700 hPa 低涡和西南暖湿气流长时间维持下，移动缓慢，并且具有暖云降水特征，对流云团尺度小，降水持续时间长，降水效率高，导致暴雨范围更大。