河西走廊中部一次罕见区域性强降水天气过程分析

2021-08-05张艳艳

农业开发与装备 2021年7期

张艳艳

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州 730021）

0 引言

在我国各地都有暴雨产生的可能，暴雨是一种灾害性天气。暴雨的形成条件之一就是需要充足的水汽条件，由于我国东部沿海地区濒临洋面，水汽条件比较充足，从而形成我国东部沿海区发生暴雨的频数多、强度大。虽然发生暴雨频数少、强度相对弱的区域位于我国西北干旱区，但由于暴雨具有强的阵性及较高的预报难度特点，加之西北地区植被覆盖率低的特点，容易造成滑坡、泥石流、山洪等衍生自然灾害现象，通常会给人民生命财产和工农业生产造成严重损失。西北地区与国内其他地区相比，能够达到50 mm的日降水量过程也很少，大部分地方年降水量少，就西北暴雨强度而言，虽然短历时暴雨强度相差不大，但日平均强度较弱。西北干旱区灾害暴雨的形成机制对于西北地区气象工作者而言，研究的相对较少，尚不清楚西北干旱区致灾暴雨的形成机制。方宗义等研究指出，对流层中层短波槽的前方和高温高湿的西南风低空急流的最北端通常容易发生中尺度对流系统。翟国庆等研究表明，低空急流对暴雨的产生有重要作用。

1 过程概述

2015年7月4日凌晨河西走廊中部肃南至山丹一带发生了暴雨天气过程。暴雨过程局地性强、持续时间短，强度大，3日23时开始，张掖市肃南裕固族自治县、民乐县、山丹县、甘州区、临泽县遭受暴雨袭击，降水时间持续至5日凌晨。张掖市12个自动气象站24 h累计降水量达河西地区暴雨标准（≥30 mm），这是根据112个自动气象站分析的结果，全市共计16站次（河西地区短时强降水标准，1 h降水量≥10 mm）。肃南02～03时一小时降水量即达到30.0 mm，山丹焉支山林场08～11时3 h降水量达54 mm。从7月3日23时～7月5日07时累计降水量可以看出，强降水主要集中在肃南、民乐、山丹沿祁连山一带。

2 大尺度环流形势

2.1 500 hpa的环流背景

2015年7月3日20时500 hpa环流形势（图略）图上，北支槽东移至新疆、甘肃交界处，低槽前部甘肃河西到河套地区由于之前的暖平流作用，形成了西北—东西向高压。冷空气沿槽后西北气流下滑，被高压阻挡在河西西部，冷空气在河西西部进行堆积。温度场上，冷平流较强，温度槽明显落后于高度槽。4日08时500 hpa环流形势，北支槽东移至河西走廊中部，从内蒙西部至河套地区的西北—东南向高压同时东退，高压特征更加明显，河西走廊中部有明显的冷暖交汇区，系统斜压性增强。4日20时500 hpa环流形势，北支槽减弱东移至张掖、武威交界处，高压脊特征减弱，河西中西部转为守槽后西北气流控制，降水减弱。

2.2 700 hpa环流形势

2015年7月3日20时700 hpa环流形势（图1）图上，在新疆、甘肃交界处有切变。从巴湖到敦煌有显著偏西气流，最大风速16 m/s。从华中地区至河西中部有东南风暖湿气流形成并发展，风速为8 m/s。东南风气流携带水汽源源不断向河西地区输送，并与偏西气流在河西西部交汇。4日08时（图略），偏西气流伸展至张掖一带，最大风速增加到22 m/s。700 hpa辐合线也随之移动到张掖到武威之间，强降水中心位于肃南至山丹一带。从巴湖至河西的强盛的偏西气流，给上升运动提供了强劲的动力。04日20时（图略），偏西气流仍然持续，但强度减弱，最大风速达16 m/s。从华中地区至河西地区的东南风气流也明显减弱，而且西北、东南向相对的冷暖气流交汇区也减弱为西北、西南向的切变。河西中西部的强降水过程逐渐结束。

图1 2015年7月3日20时700 hpa环流形势

2.3 地面天气形势

7月3日20时（图2），地面低压位于贝加尔湖以南，中心气压值为942 hpa，冷空气主力位于新疆、青海、甘肃交界处，地面冷锋位于河西走廊中部。23时（图略），地面冷锋位置维持，冷锋后3 h变压为+4.2 hpa，此时河西强对流已开始发展。4日02时（图略），地面冷锋缓慢东移过境，冷空气主体已经移入河西西部与青海西部，肃南县受冷锋与低空冷暖气流交汇影响，突降暴雨。08时，冷空气主体东移入侵酒泉大部分地区，地面锋面东移至河东地区，山丹焉支山开始出现强降水，持续到12时之后开始减弱。

图2 2015年7月3日20时地面天气形势

3 水汽条件及动力条件

3.1 水汽通量和水汽通量散度

此次短时强降水天气过程，3日20时来自华中地区的东南风暖湿气流与来自巴湖的西北冷湿急流建立起通往河西地区的水汽输送通道。3日20时700 hpa水汽通量散度，大量暖湿气流从华中东南向河西地区中西部汇集，并且中心值较大，使得河西走廊中西部底层增温增湿，大气层结呈强烈对流不稳定状态。4日08时，华中一带东南低空急流稳定维持，西北急流加强，缓慢向东推进至张掖、武威交界处，形成张掖上空一直维持的水汽通量高值区，大量水汽汇合与青海湖到张掖地区，形成中心值为较大的水汽通量汇合区。因此，来自巴湖西北冷湿气流的输送和华中一带的东南低空急流为此次暴雨过程提供了充沛的水汽和水汽输送条件。

3.2 动力作用和不稳定条件

3.2.1 涡度场、散度场和垂直速度场。物理量场中的散度、涡度及垂直速度的演变和分布与暴雨的形成发展有着十分密切的关系。本次较短时间的强降水天气过程，降水发生前3日20时，沿38.9°N涡度剖面图上，甘肃、新疆交界处一带以及肃南县上空为气旋式流场，辐合上升，散度剖面图上，河西中西部上空中心散度值为负的辐合区，低层暖湿气流便于向降雨区域上空输送。3日20时沿39°N垂直速度剖面图显示，肃南上空整层为负的垂直速度，最大值中心数值较大，垂直上升运动非常强烈，降水发生前强的垂直上升运动为雨区上空输送水汽和不稳定能量。4日02时，沿38.9°N涡度剖面图上，甘肃酒泉到肃南县之间有辐合上升区，散度剖面图上，酒泉到肃南有中心散度值为负的辐合区，沿38.8°N的垂直速度剖面图上，肃南上空整层ω为负值，最大值绝对值较大，肃南县开始出现短时强降水。根据散度场和涡度场的垂直结构分析得出结论，当玉门镇和库尔勒暴雨发生时，高层出现辐散，低层出现辐合，有很强的垂直上升运动，对对流不稳定能量的释放是非常有利的。这样，涡度场、散度场以及垂直速度场的相互配合，就为民乐、肃南、山丹沿祁连山一带暴雨的发生提供了很好的动力条件。

3.2.2 对流不稳定指数。强降水的产生比一般降水条件要求更严格，不但需要充足的水汽条件和源源不断的水汽供应，还必须具备一定的不稳定能量条件。通常可以用SI指数、K指数、CAPE值来判断大气层结稳定度。对探空站酒泉与张掖的各项指数进行统计分析，短时强降水前只有敦煌K指数较大，为36，张掖与酒泉都没有，积聚的不稳定能量还没有移动到降水区。而SI指数酒泉为1.15，张掖为1.73，此时大气层结相对稳定。而降水中的4日08时，三站K指数均较大，敦煌为37，酒泉为37，张掖为36，SI指数均为负值，与降水前形成鲜明对比，更是说明了此次短时强降水天气过程能量积蓄时间短，但是积蓄的能量大，突发性强的特点。降水结束后，K指数减小，但是SI指数进一步减小。从此可以看出对西北干旱区的暴雨，K指数符合的较好，有一定的指示意义，而SI指数存在一定的滞后性，指示意义较差。