六盘山区一次降水天气过程分析

邓佩云，穆建华，舒志亮，李进玉，田 磊，杨 勇

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002；3.宁夏回族自治区气象灾害防御技术中心，宁夏银川 750002；4.泾源县气象局，宁夏固原 756400）

六盘山区是重要的水源涵养林基地及雨养农业区，也是海洋暖湿气流进入西北内陆的门户，维系西北内陆地区空中水汽输送的关键区域，对于陕、甘、宁三省区水源地供水有着重要作用。作为中国气象局精准扶贫行动计划示范区，其干旱少雨、灾害性天气多、区域降水差异大等气候特征严重制约着当地经济发展[1—2]。陈豫英等[3]发现近50 年来西北地区可利用降水总体呈东部减少趋势（六盘山区尤甚），因此，明晰六盘山区降水过程的空间分布成因、水汽源地以及云-降水的宏观特征，有利于评估区域空中水资源的利用潜力，为区域降水预测以及人工增雨作业方案提供可参考性依据，具有重要的现实意义和科学价值。已有研究表明，山地上空的云量较周边区域偏多[4]，空气的上升运动在较低海拔山脉可产生对流云[5]。崔洋等[6]发现六盘山地形对西北地区东部降水分布有着重要的影响。刘黎平等[7]用EOF（经验正交分解法）和相关分析方法研究了平凉地区的对流云和降水的日、月变化规律及地理分布，得到了这些量与地形高度及坡度的关系，并揭示了六盘山对本地区云和降水影响的规律。李强等[8]对宁夏六盘山地区的一次区域性暴雨天气过程进行了诊断分析，得出该区域低层辐合高层辐散，有利于强降水的发生、发展和维持。杨文海等[9]从环流背景、水汽动力等条件对固原地区出现的局地暴雨天气过程进行了分析，发现六盘山山脉地形辐合及地形抬升作用，加强了上升运动并引起了降水量的增幅。云作为地球大气系统中气候的重要影响因子，与降水的关系密切，二者的分布也可改变区域辐射状况，进而影响大气环流与天气气候[10—11]。刘屹岷等[12]基于卫星资料对青藏高原上云宏观和微观结构特征、云与降水相关性、云辐射效应以及模式中的云-辐射问题等方面进行研究，指出高原上较少的水汽对云层厚度和层数有显著压缩作用，云对总降水的贡献随着云层数增多而减少。王亚敏等[13]研究指出，低云量与降水、相对湿度等呈显著正相关。王小勇等[14]利用2005—2007年春季降水和MODIS 云资料对祁连山东部云参数特征与降水的关系进行分析，得出降雨（雪）量与低云量、低云冰水路径、低云云顶-云底气压差呈明显正相关。目前，有关降水天气过程的雷达观测相对较少，特别是利用高时空分辨率的垂直定向雷达研究降水天气过程发生发展时云系的垂直结构与特征更为匮乏，针对六盘山区降水天气过程的水汽源地及空间分布差异的成因以及云-降水宏观特征的系统分析还鲜有研究。基于毫米波多普勒云雷达具有体积小、穿透性强、空间分辨力高等特点[15]，本文利用布设在六盘山站的Ka 波段毫米波云雷达资料，结合地面、高空资料、ERA-Interim 高时空分辨率的再分析资料，对2019 年8 月30—31 日发生在六盘山区的一次降水天气过程的天气背景和Ka 波段毫米波云雷达反演的云系宏观特征进行研究，以期明晰此次降水天气过程的成因，初步探讨六盘山区云的宏观参数特征与降水的相关性，为后续云和降水物理过程参数化方案等相关研究和应用提供可参考性依据。

1 资料及降水实况

1.1 资料来源

本文使用的资料包括2019 年8 月30—31 日HT101 型全固态Ka 波段毫米波云雷达资料以及同期区域自动站（西吉站、隆德站、六盘山站、泾源站、固原站、彭阳站）逐时降水量观测资料、探空资料、ERA-Interim 高分辨率再分析资料。具体说明如下：

（1）HT101 型全固态Ka 波段毫米波云雷达，设置于宁夏六盘山气象站（简称LPS，35.67°N，106.20°E，海拔2 842 m），数据采集频率为5 s/次，垂直分辨率为30 m，探测范围可达10 km 以上高空，主要包含云底高度、云顶高度、云层数、云厚度、回波强度、垂直速度以及速度谱宽气象数据。

（2）地面实测逐时降水资料来自宁夏地面基础气象资料服务平台，探空资料使用的MICAPS 4.0 高空实况资料。

（3）ERA-Interim 高分辨率再分析资料来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF），空间分辨率为0.125°×0.125°，垂直分为16 层等压面。具体包括：位势高度场、风场、相对湿度、表面气温、海平面气压场和垂直速度等。

1.2 降水实况

六盘山位于青藏高原东部，黄土高原的西北边缘，近似南北走向，与南北向夹角近30°，范围约在105.2°E～107°E，34.7°N～36.5°N，本文以六盘山站（2 872 m）为基准，向东至宁夏东部边缘范围为六盘山东坡区域，即106.2°E～107°E，34.7°N～36.5°N，西坡区域为六盘山站至宁夏西部边缘范围，即105.2°E～106.2°E，34.7°N～36.5°N，其中，西吉、隆德站位于六盘山的西坡，泾源、固原、彭阳站位于六盘山的东坡。

2019 年8 月30 日16:00 至31 日14:00，受东移冷空气和西南暖湿气流共同影响，六盘山区出现了一次明显的降水天气过程，见图1。此次降水过程主要集中在六盘山区南部，累积雨量较大值集中在六盘山系附近，山系东坡的累积降水量高于西坡，此次降水过程六盘山区大部分区域降水量级以小到中雨（泾源、隆德两县及西吉县南部）为主，其中六盘山气象站降水量级达到了大雨，且出现的时间最早、持续时间最长（降水起止时间为30 日16:00—31 日14:00）、单站累积降水量最高（30.2 mm）。进一步由红外云图演变来看（图略），此次降水过程云系整体由西北向西南方向移动，云图色调均匀，云系覆盖范围大，属于稳定性层状云降水，此次降水过程在六盘山区具有代表性，且大雨或将影响该山系山体滑坡、泥石流等自然灾害。

图1 2019 年8 月30 日16:00—8 月31 日14:00 六盘山区累积降水量分布图

2 天气背景分析

2.1 大尺度环流背景分析

2019 年8 月30 日08:00 500 hPa 欧亚范围中高纬度环流形势总体为“两槽（巴尔喀什湖、东北地区）一脊（新疆到蒙古国西部）”，宁夏处于脊前西北气流中，有冷空气不断从巴尔喀什湖槽底部穿脊东移，在脊区形成多个小波动，其中甘肃中东部到青海东南部有一短波槽，受脊前西北气流引导，自西北向东南方向移动。30 日20:00，短波槽向东南方向移动，主体位于宁夏海原到青海东部一带，短波槽前部开始影响六盘山区，受此影响，六盘山区开始出现降水，30 日21:00 至31 日07:00，受短波槽过境影响，六盘山区各站出现了第一次降水峰值。31 日08:00，短波槽移出，降水明显减弱，此时在宁夏西北部地区又出现一短波横槽，移速较快，主体于31 日10:00至13:00 影响宁夏六盘山区，造成六盘山区再次出现一次小的降水峰值，14:00 以后，横槽移出，对六盘山地区影响结束，降水也趋于结束。

8 月30 日08:00 700 hPa 上河北—山西—陕西—宁夏南部有一明显横槽，六盘山区位于横槽尾部，四川东部—陕西南部—宁夏南部—河西走廊一带存在一支东南暖湿气流，为此次降水提供了必要的水汽条件和热力条件。30 日20:00，横槽东移南压，在六盘山区出现一东北风与东南风的切变，造成低层暖湿气流的辐合抬升，配合500 hPa 短波槽，30 日后半夜六盘山区出现了明显降水。31 日08:00，宁夏中南部地区继续受一偏南风和偏东风的切变影响，有较好的低层水汽输送和辐合条件，配合500 hPa横槽，31 日中午前后，六盘山区再次出现一次小量降水过程（图略）。

综上所述，此次降水发生在“两槽一脊”的环流背景下，主要的影响系统为500 hPa 短波槽和700 hPa切变，500 hPa 短波槽主要提供了冷空气条件，低层切变和偏南气流提供了水汽条件和辐合条件，在其共同影响下，六盘山区出现了明显的降水。

2.2 动力、水汽和热力条件分析

取此次六盘山区降水强盛阶段对应的较强降水时刻（2019 年8 月31 日00:00），从水汽通量散度场的高低层配置对六盘山区此次降水过程的动力条件进行分析（图2）。由图2 可知，500 hPa 六盘山区整层的水汽通量散度在0.1～1 g/（s·hPa·cm2）范围内，区域平均水汽通量散度值为0.53 g/（s·hPa·cm2），水汽辐散，其中，东坡区域整层的水汽通量散度在0.2～1 g/（s·hPa·cm2）范围内，东坡区域平均水汽通量散度值为0.41 g/（s·hPa·cm2），西坡区域整层的水汽通量散度在0.1～0.9 g/（s·hPa·cm2）范围内，西坡区域平均水汽通量散度值为0.53 g/（s·hPa·cm2）。而在800 hPa 六盘山的东坡范围内水汽通量散度在-1～2 g/（s·hPa·cm2）范围内，东坡区域平均水汽通量散度值为0.87 g/（s·hPa·cm2），尤其在六盘山东部南部区域，为负值区或弱正值区，为弱辐散或辐合，800 hPa水汽通量散度正值的大值区集中在六盘山系西坡，水汽通量散度在0.9～3.9 g/（s·hPa·cm2）范围内，西坡区域平均水汽通量散度值为1.46 g/（s·hPa·cm2），水汽辐散降水偏少，受地形的抬升作用在东坡引起的低层辐合或弱辐散、高层辐散的动力场[16]，使东坡相较于西坡有着更为有利的较强降水发生发展条件，这种现象在六盘山区南部更为明显，这也是此次降水过程中，降水发展以及东坡的降水量大于西坡降水量的重要成因之一。

图2 2019 年8 月31 日00：00 水汽通量散度图

六盘山区700 hPa 的水汽通量值在1～3 g/（s·hPa·cm），区域平均水汽通量为2.50 g/（s·hPa·cm），较周边临近平地区域具有更大的水汽通量值，为明晰此次降水过程的水汽来源，对2019 年8 月31 日00:00 的水汽通量进行分析（图3）。由图3 可知，此次降水过程的水汽主要来源于孟加拉湾、南海，孟加拉湾至南海有明显的西南风水汽输送带，经云南、四川转为向西北输送，六盘山区处在青藏高原以及四川盆地的交界带，在地形的影响下，水汽输送带经峡口地带延伸至甘肃东南部、宁夏南部、陕西一带，六盘山区的水汽较为充沛。进一步分析表明，六盘山区在700 hPa 以西南风水汽输送为主，750 hPa 以下以东南风水汽输送为主（图略），六盘山东侧为东南风迎风坡，受六盘山地形强迫影响，东南暖湿气流在东坡抬升，加之700 hPa 西南风水汽输送，造成此次六盘山系降水呈“东高西低”的分布特征。

3 Ka 毫米波云雷达宏观特征分析

图3 2019 年8 月31 日00:00 700 hPa 水汽通量图

云垂直结构反映了云体内部热力和动力以及微物理过程，在辐射收支、能量平衡、水汽循环等方面对地气系统起着重要作用。为了分析此次降水过程六盘山站云系的垂直结构，对六盘山站Ka 波段毫米波云雷达的云底高、顶高、云层数等云宏观特征进行数据处理分析，并与对应降雨时段中区域自动站的逐时雨量进行对比，见图4a、图4b。其中图4b 统计的为六盘山基准站（2 872 m）以上的云高，Ka 波段云雷达距地300 m，故海拔高度为3 172 m 时即认定为云系接地。对比分析图4a 和图4b 可知，从30 日02:00 开始，六盘山站出现高云，随着云系的发展，云层数呈波动性增加，于30 日08:00 云层数发展至3 层，随后云系发展为以中低云为主的双层云，30 日16:00，在降水过程发生时，云系底高开始接地，变为云顶高为7 102 m，云厚度为3 930 m 的深厚的单层中云，随着降水过程的发展，云厚度逐渐增大，小时降水量也增大，最大云厚出现在31 日00:00，即小时雨量最大值（4.7 mm/h）出现的前1 h，为5 760 m；此后，云顶高波动性下降，云厚度变薄至900 m，31日13:00，即降水过程结束前1 h，云层数由单层云变为双层云，此时小时雨量仅为0.1 mm/h，至31 日14:00，降水过程结束，此时云系变得浅薄，云系底高增高，随着降水过程的结束，云系波动性消散。

综上分析可见，此次降水前后云层数呈双峰型，在降雨发生前，云系不断发展，以多层云为主，降雨发生时，云系发展为云厚为3 930 m 的深厚单层云，在小时雨量最大值出现的前1 h，云系达最大云厚，为5 760 m。这一云的宏观特征可为降雨的预测预警提供重要的参考依据。

进一步对小时降水量与低云云厚的相关性进行分析（图5）可知，小时降水量与低云云厚的相关系数为0.55，通过了α=0.01 的信度检验，可见降水量与低云云厚呈正相关关系。云雾粒子在长大成降水粒子的过程中受到了多种因子的综合作用，例如凝结增长和碰并增长等的影响，而降水是多种因子起作用的复杂物理过程，低云云厚越大表明低云发展越旺盛，为降水过程提供了更多的水汽，伴随着上升运动，使水汽凝结为液态水，以降水形式降落到地面，因此，低云云厚的发展有利于促进降水过程的形成。对于高云而言，其云层较薄，且高度较高，对降水天气过程影响不大。

图4 2019 年8 月30—31 日六盘山站云宏观特征图

图5 2019 年8 月30—31 日六盘山站小时雨量-低云云厚散点图

4 结论

本文利用2019 年8 月30—31 日区域自动站逐时降水量观测资料、探空资料、ERA-Interim 高分辨率再分析资料以及同期HT101 型全固态Ka 波段毫米波云雷达资料，对六盘山区一次降水天气过程的天气形势及云宏观特征进行分析，得出以下结论：

（1）此次降水天气过程中，六盘山区处于“两槽一脊”的环流背景下，主要的影响系统为500 hPa 短波槽和700 hPa 切变。

（2）六盘山区降水强盛阶段，水汽通量散度在六盘山系东坡地区存在低层辐合（水汽通量散度：-1～0 g/（s·hPa·cm2））或弱辐散（区域平均水汽通量散度值为0.06 g/（s·hPa·cm2））、高层辐散（0.41 g/（s·hPa·cm2））的动力场，使东坡相较于西坡有着更为有利的降水发生发展条件。

（3）此次降水过程的水汽主要来源于孟加拉湾、南海，六盘山区处在青藏高原以及四川盆地的交界带，在地形的影响下，水汽输送带经峡口地带延伸至甘肃东南部、宁夏南部、陕西一带，加之低层切变和偏南气流，六盘山区的水汽较为充沛。

（4）此次降水前后云层数呈双峰型，在降雨发生前，云系不断发展，云层数最多达3 层云，降雨发生时，云系从双层云变为云厚为3 930 m 的深厚单层云，且在小时雨量最大值出现的前1 h，云系达最大云厚，为5 760 m，降水过程结束前1 h，云系又从单层云变为双层云；进一步分析表明，低云云厚的发展有利于促进降水过程的形成。