庆阳市2021年“8.18”旱涝急转型暴雨过程诊断分析

刘 英，周忠文，张 峰

(庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000)

暴雨造成的暴洪灾害是我国主要灾害天气之一，直接影响人民群众的生命财产安全及社会稳定。庆阳市地处西北地区东部，属北温带半湿润、半干旱气候过渡区。陇东号称“黄土层最厚”的地方，境内山地起伏，沟壑纵横，既是国家级生态功能重要区，又是生态脆弱敏感区。尤其土质疏松，最易出现水土流失、滑坡、泥石流等次生地质灾害，同时强地表径流易冲毁堤岸，淹没农田、村庄，冲毁交通设施、造成城市内涝等灾害。由暴雨引发的洪涝灾害，每年都会造成较大的经济损失甚至人员伤亡。例如：“2013年7月13日”庆阳市环县樊家川短时暴雨造成突发山洪，致2人死亡，6人失踪，1人受伤。据统计，庆阳市每年受暴雨洪涝灾害年经济损失在1亿元以上。近年来极端降水频发，灾害愈强，关于暴雨的研究也多[1-4]，但是暴雨发生机制复杂多变，尤其是突发性暴雨，持续时间短，局地性强，突发性强，降水强度大，破坏力大。许多气象工作者对西北地区东部及甘肃省暴雨发生发展机制进行诊断分析[5-8]，以期提高区域性暴雨落区、量级、时间段的预报准确性，抓住有利时机进行人工增雨，为政府部门防灾减灾、抗旱防汛决策服务提供第一手气象资料，对保障人民群众生命财产安全具有非常重要的意义。

1 “旱涝急转”天气特征

1.1 前期旱情及成因

庆阳夏季雨热同期，“七下八上”是庆阳市暴雨的主要发生时段。但是，2021年5月1日至8月17日，各县站降水量仅48.8～178.1mm，与历年同期相比偏少36～77%，环县站降水量仅为48.8mm，是该站1957年有气象记录以来同期最少的年份，华池站降水量仅为68.1mm，是该站1965年有气象记录以来同期最少的年份。

庆阳市暴雨按出现站次和量级可分为局地性暴雨和区域性暴雨；也可分为系统性暴雨和突发性暴雨；按大气环流形势分型为：西北气流型、低槽东移型、低涡型、副高型，其中副高型暴雨又分为副高外围型和副高内部型，副高外围型暴雨，主要是指在副高5880gpm线与5840gpm线之间发生的暴雨，东移冷空气与副高外围西南(或东南)暖湿气流交汇而引发的强对流天气过程，具有系统性、突发性等共同特征，其雨势强，持续时间短，造成的灾害严重。2021年8月18-19日这次旱涝急转的突发性暴雨就是副高外围型暴雨。

副热带高压(以下简称副高)的位置与我国雨带的位置密切相关，我国大雨带一般出现在副高西北部5-8个纬距，暴雨则出现在副高西北侧的大雨带中[9-10]。大的系统性的降水过程，除了有北方的冷空气外，还需要充足的水汽来源，庆阳地处西北地区东部，水汽主要来源于南海和副高外围的偏南暖湿气流，本次突发性暴雨前期，副高脊线较常年位置偏南，庆阳市降水量明显偏少。8月上旬之前，庆阳大部受弱脊前偏北气流控制，北方不断有弱冷空气活动，阻挡了副高北抬和水汽向北的输送，无明显的水汽辐合，庆阳出现持续性晴热高温天气。据统计，2021年各县站≥32℃高温日数均高于历史平均日数，且出现时间相对集中，大都出现在6月到8月上旬之前，环县出现高温日数多达39d，为历史记录最多年，7月13日环县本站出现39.4℃的极端高温，打破历史极值。庆阳市气象台共发布高温预警信号11期，极端高温高且持续时间长，实属近十年罕见。在降水持续偏少的同时，各地出现异常高温天气，庆阳市出现了多年不遇的夏季严重干旱，环县北部达到重旱，庆阳市中北部农作物受旱较重，部分地方出现绝收。

1.2 “旱涝急转”降水实况及灾情

8月18日凌晨到19日白天庆阳市出现了降水天气过程，强降水时段出现在18日19时-19日03时，截至19日20时(图1)，累积降水量超过100mm的有8站，超过50mm的有22站，累计最大降水量出现在镇原闫沟200.2mm。有33站的短时强降水(见表1)，最大小时雨强出现在镇原县闫沟86.3mm(8月18日23时-19日00时),为历史小时雨强次大值。此次过程持续时间长，且时空分布不均，局地性强，短时雨强大，使庆阳的严重夏旱得以缓解，但也给庆阳市中南部造成了洪涝灾害，使镇原、西峰、庆城、华池等4个县(区)33个乡镇11907人不同程度受灾。紧急避险转移253人，紧急转移安置(分散)81人，需紧急生活救助15人。因灾死亡大牲畜牛4头、羊113只、猪仔2只；农作物受灾面积659.12公顷、倒塌房屋185户523间(农房)、损毁乡村道路407条。灾害造成直接经济损失3814.55万元。

图1 2021年8月18日-19日庆阳市降水实况图

2 大气环流形势分析

产生暴雨的主要物理条件是充分的水汽条件、不稳定大气层结、抬升触发机制等，有组织的强对流发生发展的关键条件还有垂直风切变等。前面的分析已证实，陇东地区的短时强降水和冰雹天气常发生在午后至傍晚，与这次强对流天气出现时间很吻合。

表1 2021年8月18日-19日暴雨过程中短时强降水(单位：mm)

2.1 500hPa环流形势分析

图2a 17日20时500hPa

图2b 18日20时500hPa

从图2a、2b可以看出，17日20时500hPa高空图上，我国北部地区为两槽一脊环流形势，新疆地区有一低槽维持，东北地区有一个高压脊维持。高纬度地区，有西风槽分裂的阶梯槽处于贝湖西侧，低槽底部的气流引导冷空气的南下，副高5880gpm线西伸北抬控制我市，我市处于脊控制下，温度较高。到18日20时，西风槽不断加深，并且东移南压，庆阳位于低槽前部，槽前有正的涡度平流有利于上升运动加强；副高5880gpm南撤东退，我市处于副高外围的偏南气流中，西风槽分裂的冷空气在我市中北部地区汇集，温度槽落后于高度槽，西风槽不断加深，分裂的阶梯槽带来冷平流较明显，副高5880gpm外围偏南水汽输送通道较畅通，高原上有一个闭合的5880gpm高值中心和暖中心，大气层结更加不稳定，使对流不稳定建立；且低层有西南风急流，有利于对流不稳定加强；18日夜间，副高再次东退，冷槽东移，槽后冷空气下滑，冷暖气流交汇耦合，造成强烈的上升运动，引发我市中南部较强的短时强降水及突发性暴雨天气过程。500hPa存在强烈的干冷平流，而对流层低层仍然处于暖湿区或是暖平流控制下，在平流移动过程的作用下，“上干冷、下暖湿”的层结将被强化，这种结构不仅有利于热力不稳定层结加强，而且为强对流发生和发展提供了良好的水汽来源。

2.2 700hPa环流形势分析

18日08时700hPa高度上庆阳处于3120gpm外围，有大风速带向庆阳市输送水汽能量，上游有冷空气东移，并且从08时开始，700hPa高度上在平凉-甘南一带形成一个切变线向东移动，到18日20时，随着贝加尔湖低槽明显加深，并且东移南压，冷空气渗透加强，切变线东移到庆阳西部，靠近切变线东南部的镇原出现强降水；切变线位置偏南，随着切变线继续东移，庆阳市中南部处于切变线的东南象限，风向上有辐合，有利于上升运动的发展，与中南部的大降水区正好对应；受副高5880gpm在我市东南部的稳定维持，700hPa切变线在18日夜间也稳定维持，这就是造成庆阳市中南部强降水时段较长，雨量较大的原因。18日20时，庆阳区域700hPa上有温度脊，低层暖湿气流与中高层的干冷平流造成的对流不稳定在暴雨区形成上冷下暖的不稳定层结，低层暖湿平流造成的增温增湿、对流层中上层干冷平流造成降温变干，是造成此次区域性暴雨的主要原因。

3 物理量分析

3.1 水汽条件

充沛的水汽是暴雨天气发生的必要条件之一。18日08时700hPa比湿≥10g/kg，850pha比湿≥16g/kg；18日20时700hPa比湿≥12g/kg，850pha比湿≥17g/kg。说明此次暴雨低层水汽条件非常充沛。从08时到20时比湿变化对比可见(图3a、3b)，到18日20时水汽从低层到高层有明显的增加。

图3a 18日08时比湿

图3b 18日20时比湿

3.2 热力条件

θse表征大气温、压、湿的综合特征(图略)。其水平分布常用来反映大气中潜在能量的分布，高值区为高温高湿的能量区，等值线密集区对应为能量锋区。18日08时庆阳区域θse值在66-70℃之间，18日20时庆阳区域θse在72-80℃之间，等θse线变密，能量锋增强，并且处于一个能量脊区域，加之庆阳前期干旱少雨，各地出现异常高温天气，边界层增温明显，说明此次暴雨的能量充足且热力条件很好。

3.3 不稳定条件

层结不稳定增长是对流强烈发展的重要条件，不稳定层结是暴雨发生的必备条件之一。8月18日08时和20时常用热力对流参数和特征高度(表2)。K指数是表征大气热力层结的物理量，当温度递减率越大，累积不稳定能量越多，且低空水汽接近饱和时，K指数越大，说明层结越不稳定。就庆阳本地而言，当K指数≥32℃时，容易出现强对流天气。18日08时，庆阳市的K指数33-37℃，到了20时则增大至37℃-43℃，对照出现强降水的区域，其K指数已达到43℃左右；抬升指数Li值-2.63℃小于0，表示层结不稳定；CAPE值从08时的340.5J/kg到20时增大至1362.9J/kg，CAPE值增大很明显，说明能量非常强，对流发展的高度越高，对强对流发生有很好的指示意义；抬升凝结高度高，暖云深厚，有利于高效率降水的产生。

表2 2021年8月18日08时和20时常用 热力对流参数和特征高度

4 探空资料分析

本次强对流天气和区域性暴雨主要发生在庆阳市的中南部，故选取平凉市探空资料(图4a、4b)。18日08时层结曲线和状态曲线从低层到500hPa以上相距很近，说明从低层到高层水汽都接近饱和，出现短时强降水的可能性很大；450hPa以上的高度比较干，形成了“下暖湿、上干冷”不稳定层结，探空图上层结曲线与状态曲线之间构成向上开口的“喇叭口”分布。从垂直风切变看出，低层为东南风，随高度顺转为西南风，风向随高度顺转说明低层有暖平流，高空转为偏北风，从低层到高层都存在不稳定层结，有利于对流触发。

从18日20时平凉探空资料可以看出，水汽相比早上更加充足，湿层更加深厚，短时强降水发生概率高；500hPa以下，水汽接近饱和，300-400hPa附近有干冷空气卷入，一方面有利于热力不稳定增长，另一方面促进蒸发，对下沉气流产生向下的加速度，促进热力不稳定加强。从垂直风切变可以看出，低层是西北风，然后逆转为东南风，说明低层有辐合，700hPa以上顺转为西南风，再转为偏西风。这种低空辐合高空辐散产生上升运动，为低空气块提供了抬升机制，进而有利于触发对流不稳定能量释放。低层水汽饱和、中层干空气卷入、强热力不稳定，为局地短时强降水的形成提供了水汽条件和热力不稳定条件。

图4a 18日08时平凉T-logP图

图4b 18日20时平凉T-logP图

5 多普勒雷达分析

强降水持续时间长必须满足下列两个条件：1.降水系统移动较慢；2.系统沿着雷达回波移动方向的强降水区域尺寸较大，较大的对流云团依次经过会因“列车效应”而导致极端的雨量。

从西峰新一代天气雷达组合反射率因子图的移动和发展可以看出(图5)，这次区域性暴雨共有三段回波，第一波为18日凌晨到傍晚，回波由西北的宁夏境内移入我市的环县，以层状云回波为主夹杂着对流云回波，为混合云降水，最大回波强度为40dbz，这个过程中，降水量级都比较小。18日18时，另一波回波由西南向东北移动，回波移动过程中逐渐发展加强，对流云团合并，形成明显的“带状回波”；对流云回波从18日19时到19日03时发展到最强，最强中心达55dbz，强回波主体在庆阳中南部，主要影响镇原、庆城、华池、西峰等地，回波移动过程中有明显的“列车效应”，共出现33站次短时强降水。其中18日23时至19日01时，两小时共出现了15站次的短时强降水，最大小时雨强86.3mm。第三波回波为19日04时到20时,移动方向为西南东北方向,相对于上一波回波强度明显减弱,降水量级逐渐减弱，到20时回波全部移出我市，整个降水过程结束。此次暴雨过程中，副高在庆阳东南部维持，致使强回波带长时间在此停留，从而造成强降水区域集中。从强降水阶段的雷达反射率因子速度图(图略)上可以看出，回波整体由西南向东北移动，18日23时至19日02时，出现短时强降水时段的速度图上都有明显的辐合，这与强降水均有很好的对应。

图5 18日19:35 31:34 22:09 23:09雷达组合反射率因子图

6 结论

(1)此次强降水为副高外围型暴雨，高空槽东移过程中不断分裂的冷空气南下，为暴雨产生提供了源源不断的冷空气，500hPa温度槽落后于高度槽，有利于高空槽不断加深；

(2)副高外围西南暖湿气流为暴雨提供了水汽条件，湿层深厚且有水汽辐合，低空急流及其耦合作用，中等强度的垂直风切变使得低层暖湿气流源源不断地输送到发展中的上升气流中区，有利于对流不稳定建立和加强；

(3)强降水发生前期，庆阳天气晴好，连续的干旱高温天气致使边界层增温明显，在垂直方向上为强对流提供了较好的热力不稳定条件；

(4)低层水汽饱和，湿层深厚，中层干空气卷入，冷暖空气的交汇耦合对大气抬升起到积极作用，强烈的上升运动使系统对流性加强，造成这次降水持续时间长、强度大、局地性强的区域性暴雨过程；

(5)从雷达回波演变可以看出，此次强降水时段主要由对流云回波造成，强回波在移动过程中有明显的“列车效应”，由于副高长时间维持在庆阳东南部，强回波主体在庆阳中南部停留较长时间，出现33站次的短时强降水；

(6)庆阳前期出现罕见的严重伏旱，久旱之后的突发性暴雨，各家数值预报模式均对此次过程预报比实况明显偏弱，旱涝急转型暴雨预报是一个复杂的过程，还需要不断探索研究。另外，由于前期旱情严重，庆阳市人影办抓住有利时机进行跨县区联合人工增雨作业，这也是此次突发性暴雨实况比预报明显偏大的原因之一。