青藏高原东侧边坡地区一次强对流天气过程中尺度分析

2020-02-19万占鑫肖万有任桂萍

陕西气象 2020年1期

万占鑫，肖万有，乔戈，任桂萍，马宁

(嘉峪关市气象局，甘肃嘉峪关 735100)

甘肃河东地处青藏高原东侧边坡地带，地形地貌复杂，受特殊地形的影响，甘肃河东夏季天气复杂多变，强对流天气频发，冰雹、短时强降水出现频次高。而另一方面，它深处内陆，远离海洋，属于典型的温带大陆性干旱半干旱气候，地表生态环境脆弱，短历时暴雨极易形成山洪、中小河流洪水等灾害，给人民生命安全和财产安全造成严重危害。如何对高原东侧边坡地区的强降水天气进行临近预报和监测预警，已经有很多学者进行了研究。如王宝鉴等[1]、李晓霞等[2]分析了甘肃陇东南暴雨过程的中尺度特征；任余龙等[3]、井喜等[4]、王川等[5]分析了青藏高原东侧暴雨的发生机制和环境场；傅朝等[6]分析了甘肃陇东南暖区暴雨多普勒雷达特征。这些研究总结分析了青藏高原东侧的暴雨预报的天气尺度模型，物理量和不稳定能量阈值指标以及中尺度特征等。还有许多学者[7-13]对我国中东部和西北地区的强降水暴雨天气进行了大量分析，取得了很丰硕的成果。然而，由于地形地貌及气候的不同，处在不同区域不同季节的暴雨天气又有其各自的特点。如2018年7月18日傍晚，甘肃河东中西部地区发生的局地短历时暴雨引发山洪，导致甘肃临夏州受灾严重，而造成这次暴雨的直接系统是一个中-β尺度的强对流风暴。本文将在前人研究的基础上利用高空观测、地面观测、区域自动站、FY-2E卫星云顶亮温、兰州多普勒雷达和NCEP 1°×1°再分析等资料，对2018年7月18日傍晚发生在青藏高原东侧边坡地区的强对流天气从大尺度环流背景、物理量场和中尺度特征等方面进行分析，希望对青藏高原东侧边坡地区暴雨和强对流天气的预报预警积累一些可用的参考信息。

1 数据资料与研究方法

所用资料为2018年7月17—19日高空观测资料、地面观测资料、区域自动站资料、FY-2E卫星云顶亮温资料、兰州多普勒雷达资料和NCEP 1°×1°再分析资料。使用MICAPS、GRADS和雷达PUP等气象软件,应用天气学原理和方法、卫星气象学、雷达气象学和天气诊断学等方法对青藏高原东侧边坡地区一次强对流天气进行分析。

2 结果与分析

2.1 天气实况及灾情

2018年7月18日19时至19日00时，甘肃临夏州中部出现了强降雨天气过程，其中东乡县、和政县和广河县部分地方累计雨量达暴雨级别，局部地方达大暴雨量级。图1a是本次过程18日08时至19日08时累计雨量图，其中全州共计27个区域站降雨量超过50 mm，5个区域站降水超过100 mm，最大累计降水量出现在和政县梁家寺水库为166.4 mm。图1b是2018年7月18日20时至19日00时部分代表站点逐小时降水量分布情况，可以看出此次局地暴雨天气过程降水主要集中在18日19—22时，具有历时短、强度大的特点，东乡县那勒寺在20—21时出现了小时雨强为82.8 mm的短时强降水，其强度在西北地区极为罕见。经后续核查，此次强对流天气引发的局地暴雨，造成了临夏州12.1万人受灾，农作物受灾面积达62 km2，同时由于降水历时短、强度强、降水时段集中，局地暴雨天气引发了山洪暴发，造成13人死亡，3人失踪，多处道路、水渠、河提和桥梁等基础设施被冲毁，经济财产损失共计约5.64亿元。

图1 2018-07-18T08—19T08甘肃临夏州累计降雨量图(a)及部分代表站点逐小时降水量(b)

2.2 大气环流背景

强对流天气一般都是在一定的大尺度环流背景下发生的。过程发生前，100 hPa上南亚高压呈带状分布，东部脊线不断东伸北抬，过程发生时，东部脊线正好位于甘肃临夏州，高空辐散流场利于上升运动维持发展(图略)。500 hPa上2018年7月17日中纬度地区青藏高原西部有高原切变线形成，西太平洋副热带高压西伸脊点位于107°E、27.4°N；18日08时，高原切变线东移，在青海中部地区发展为高原槽；20时(图2a)，高原槽进一步东移至甘肃武威至青海东南部一线，西太平洋副热带高压西伸至103°E、27.4°N，甘肃临夏州处于副高西北侧和高空槽前强盛西南气流中。对应低层700 hPa 上(图略)，高原槽前青海东部与甘肃交界处有低值系统，其东北侧有东北—西南向暖式切变线。切变线南侧偏南气流发展加强为低空急流，低空急流不断将来自孟加拉湾和南海的暖湿气流向北输送，并在甘肃河东地区向低值中心辐合，临夏州处于急流出口区左前侧。低空急流为强对流天气的发生提供了动力、水汽和不稳定能量条件。由18日20时中尺度分析可知(图2b)，暴雨区位于高层辐散、低层辐合、高原槽前和低空急流出口区左前侧相重叠的区域。高低空系统耦合为此次强对流天气的发生提供了非常有利的动力条件；700 hPa低空急流输送水汽和不稳定能量，进一步增强了大气的对流不稳定性；地面上明显的西北风与东南风风向辐合线以及高原边坡地形强迫抬升作用触发了此次强对流天气。

图2 2018-07-18T20 500 hPa形势场(a)(实线为等高线，单位为dagpm；虚线为等温线，单位为℃；粗实线为槽线)和中尺度分析(b)(图中黑三角为暴雨区)

2.3 中尺度环境条件

2.3.1 水汽条件强降水的发生需要充沛的水汽条件。分析18日20时地面和高空实况资料可见(图略)，暴雨区附近从对流层中下层至地面的温度露点差均≤2 ℃，700 hPa至地面整层大气比湿均在12～14 g/kg，由此可以说明对流层中低层水汽非常充沛，在其他有利条件配合下易产生暴雨。

从18日20时沿35.5°N水汽通量散度和风场垂直剖面图(图3a)可知，暴雨区(103.4°E、35.5°N)地势有明显的西高东低的分布特点，对流层低层偏东暖湿气流受地形抬升作用明显，偏东暖湿气流与偏西干冷气流在103°E附近交汇，产生了明显辐合上升运动，水汽辐合区从近地面向上延伸到500 hPa高度附近，水汽辐合中心位于600 hPa，中心值为-6.0×10-7g/(cm2·hPa·s)。从暴雨区(103.4°E、35.5°N)水汽通量和水汽通量散度的时间高度剖面图(图3b)可知，强降水发生前，对流层中层600 hPa维持强度为10 g/(cm·hPa·s)水汽通量中心，临近强降水发生时，水汽通量中心高度逐渐下降至700 hPa附近，而水汽辐合在600 hPa高度为最强，中心强度为-6.0×10-7g/(cm2·hPa·s)。结合地形分析可知，水汽输送和水汽辐合中心均在对流层中低层，且水汽输送最强时段早于水汽辐合最强时段。虽然水汽通量和水汽通量散度变化与强降水发生对应关系较好，但与发生在高原东侧边坡地区如甘肃陇东南地区的暴雨过程相比，本次过程的水汽输送中心和辐合中心高度要明显偏高，水汽输送和辐合强度则偏弱。

图3 2018-07-18T20沿35.5°N水汽通量散度(单位为10-7 g/(cm2·hPa·s ))、风场(单位为m/s)垂直剖面(a)和2018-07-17T08—19T08沿暴雨区(103.4°E、35.5°N )的水汽通量(等值线，单位为g/(cm·hPa·s))、水汽通量散度(阴影，单位为10-7 g/(cm2·hPa·s))时间垂直剖面(b)

2.3.2 不稳定条件和探空环境条件假相当位温(θse)可以表征大气温度、压力和湿度的综合特征，它的分布可以反映大气中能量的分布状况。分析本次过程发生时θse垂直分布，从7月18日20时沿35.5°N假相当位温垂直剖面(图4)可知，暴雨区附近及其下游地区近地层θse维持在356 K以上。这是由于700 hPa偏东南气流为暴雨区输送水汽和能量，近地层大气高温高湿造成的。而该区域上层600 hPa附近θse仅为344 K左右，垂直方向上近地层与600 hPa之间等θse线密集，θse相差达12 K以上。θse随高度递减的分布特征表征该区域大气具有明显对流不稳定性。在暴雨区上游地区102°E附近，等θse线非常陡峭，以352 K等θse线为例，高度从300 hPa附近一直下降到600 hPa。等θse线陡峭分布利于涡度的倾斜发展，为低层垂直涡度的发展创造了有利条件[14]。

图4 2018-07-18T20沿35.5°N假相当位温(单位为K)垂直剖面

T-lnp探空图能够反映测站和周边一定范围内上空的各种气象要素的垂直分布特征。由于临夏无探空站，而榆中探空站和暴雨区距离相对较近且海拔高度基本一致，两地大气层结稳定度基本相似，差异主要体现在近地层风向风速上，榆中风速更大，偏南风分量更大，因此用榆中探空资料对此次过程的探空环境进行分析。从2018年7月18日20时榆中站探空的T-lnp图(图5)可知，近地层至450 hPa之间湿度条件较好，仅在750～650 hPa之间为相对干层。从风的垂直切变分布状况来看，近地层以偏东南风为主，且地面至500 hPa风向随高度顺转，有暖平流输送。500～400 hPa风向随高度逆转，有冷平流输送。这种上冷下暖的平流输送可进一步加强大气层结不稳定度。对流有效位能CAPE达1 485.4 J/kg，其垂直分布呈“瘦长型”，结合深厚的水汽垂直分布，0 ℃层高度超过了6 km，暖云层深厚，非常利于短时强降水天气的发生。从探空层结曲线分布来看，低层750 hPa附近有一浅薄的逆温层，近地层有弱的对流抑制能量(CIN为24～30 J/kg)，对低层不稳定能量的积累十分有利。此外，抬升凝结高度(LCL)和自由对流高度(LFC)均在700 hPa以下，较低的LCL和LFC也非常利于对流的触发。

图5 2018-07-18T20榆中站探空T-lnp

2.3.3 动力条件由暴雨区的涡度、散度和垂直速度时间垂直剖面(图6)可知，强降水发生前，对流层整层以负涡度为主，无明显辐合辐散和向上的垂直运动。强降水开始和维持时段，中低层转为正涡度且涡度迅速增加，在600～500 hPa之间有明显正涡度中心，中心强度达8×10-5s-1，高层仍维持负涡度。散度场上中低层转为辐合、高层转为辐散，且高层辐散强度略大于中低层辐合强度，高层抽吸作用较为明显。这种中低层气旋性辐合环流和高层反气旋性辐散环流为上升运动的发生发展提供了有利的动力条件，在600～500 hPa之间出现了强度为-1.0 Pa/s的上升运动大值中心。强降水减弱停止后，整层涡度和散度趋于减弱，整层的垂直运动也开始转为弱的下沉运动。由上述可知，对流层中低层强正涡度、高层辐散中低层辐合和垂直方向上强上升运动与强降水的发生有很好的对应关系，为此次强降水发生提供了有利的动力条件。

图6 2018-07-17T20—19T08沿暴雨区(103.4°E、35.5°N)涡度(细线，单位为10-5 s-1)、散度(粗线，单位为10-5 s-1)和垂直速度(阴影，单位为Pa/s)时间垂直剖面

2.4 强对流中尺度特征

2.4.1 卫星云图中尺度特征利用FY-2E卫星逐小时TBB资料，分析造成强降水的中尺度对流云团演变特征。分析图7可知，18日16：30(图7a)，青海东部有较小的中-β尺度对流云团A新生发展，四川、甘肃、青海交界处存在中-α尺度对流云团B，云团A、B中心tBB<-62 ℃,此时上述系统还未对甘肃产生影响。17：30(图7b)，对流云团A、B向东移动开始进入甘肃境内，且云团A西南侧有新生对流云团C生成；18：30(图7c)，上述3个对流云团东移合并加强为中-α尺度对流云团D，云团D中甘肃、青海交界和四川西北部分别出现了tBB<-72 ℃的云区；19：30(图7d)，云团D缓慢东移并发展为较大尺度的中尺度对流系统(MCS),19：30—23：30 MCS的tBB<-52 ℃区域逐渐发展变大后稳定维持，其形状逐渐发展为椭圆形。20：30—22：30(图7e、f、g) MCS对流发展最为旺盛，MCS中不断有积云单体新生合并发展，出现了中心值tBB<-72 ℃的云区，对流中心长时间稳定维持在临夏州中部，造成了该地区大强度的短历时暴雨。23：30(图7h)，MCS冷云罩(tBB<-52 ℃)范围仍在扩大，但其强度已经开始减弱，TBB值高于-72 ℃。19日00：30(图7i)，MCS开始趋于松散分裂，随着时间推移，对流云团逐渐减弱消散，降水过程趋于结束。综合上述分析，表1给出对流云团与降水强度、落区的关系。强降水的发生与对流云团的强烈发展有密切关联，强降水主要集中在对流云团强烈发展和发展成熟时段，强降水落区大多处在对流云团TBB最小值中心附近和TBB梯度大值区附近。MCS发展最旺盛(tBB<-72 ℃的云区在19—22时稳定维持在临夏州中部)的时段内，该区域附近出现了短时暴雨，共计82站次短时强降水，其中最大小时雨强为东乡县那勒寺，20—21时降水量达82.8 mm。

图7 2018-07-18—19 FY-2E卫星TBB演变(a 16：30；b 17：30；c 18：30；d 19：30；e 20：30；f 21：30；g 22：30；h 23：30；i 00：30)

表1 2018-07-18对流云团与强降水强度、落区的关系

2.4.2 雷达特征分析利用兰州多普勒天气雷达资料分析对流单体的演变。由组合反射率演变可知，18：27(图略)，在和政县境内新生对流单体A和B，对流单体 A中心强度大于40 dBz，对流单体B中心强度大于50 dBz。18：56(见第7页图8a)，受对流层中层西南气流引导，对流单体A和B分别向东北和正北方向移动并发展加强，对流单体B中心强度大于65 dBz，在对流单体A东南侧有对流单体C新生。19：34(见第7页图8b)，对流单体B分裂为两块对流单体并趋于减弱消亡，对流单体A和对流单体C合并加强形成中心强度超过60 dBz的中-β尺度对流单体D。19：34—20：22对流单体D强度维持并缓慢向东北方向移动，对应地面区域站在该时间段内降水强度最大，19—20时连续出现了雨强超过70 mm/h的短时强降水。分析19：42雷达反射率因子(见第7页图9a)可知，1.5°、2.4°仰角对流单体D均有明显“V型”缺口，沿风暴移动方向对反射率因子作垂直剖面，强回波具有明显“悬垂”结构，强回波主要集中在6 km以下到近地面，回波顶高超过了12 km。分析该时次的雷达平均径向速度(见第7页图9b)可知，雷达径向速度3.4°、4.3°仰角风暴区域有中尺度辐合区，沿风暴移动方向对平均径向速度作垂直剖面，有明显低层径向辐合、高层径向辐散的结构。以上均表明对流单体D为对流发展非常旺盛、降水效率极高的低质心风暴，对应该时段地面区域站出现了10 min雨强超过20 mm/h的强降水。20：34(图8d)，对流单体D与其他新生对流单体合并为呈东北—西南向的线状多单体风暴(中尺度雨带)，范围增大但强度趋于减弱。21：20(图略)，线状多单体风暴范围进一步增大但强度无明显变化，对应地面区域站仍有短时强降水出现，但降水强度已明显减弱。此后，线状多单体风暴逐渐向东北方向移动，临夏州强降水逐渐趋于结束。综上可知，低质心的中-β尺度强对流风暴缓慢移动并长时间维持在临夏州中部造成了局部短历时暴雨。