西北干旱区一次极端暴雨局地性增强的对流环境特征

傅 朝，刘维成，宋兴宇，徐丽丽，沙宏娥，马 莉，崔 宇

（兰州中心气象台，甘肃 兰州 730020）

引 言

西北干旱区位于西风带环流、亚洲季风和高原季风交汇地带［1］，降水受东亚季风、高原季风直接或间接影响［2-4］，加之特殊的自然地理环境，大气水汽来源的稳定性和持续性较差、不确定性较大［5］。另外，全球变暖导致大气水分循环规律改变，水汽输送、降水、蒸发时空分布的不均匀性更为明显［6］。研究表明，近半个世纪以来，西北干旱区降水量总体呈增加趋势［1，4，6-7］，主要为夏季短时对流性降水的增加［8］，而降水日数却呈下降趋势，降水的非均匀性进一步增强。此外，自20世纪80年代西北干旱半干旱区的极端降水事件均呈上升趋势［9-12］，这印证了全球变暖背景下强降水可能受潜在蒸发量的增加而加剧的观点［13-14］。

大气热力、动力条件时空分布的不确定性和不均匀性是西北干旱区暴雨、短时强降水天气事件的主要大气环境背景特征。个例研究表明，暴雨、短时强降水具有显著局地性，位于干旱区的河西走廊暴雨事件发生频次很低，且常表现“单点”特征［15-19］，因此对该地区暴雨、短时强降水，尤其是极端暴雨事件准确预报面临很大困难。西北干旱区暴雨的极端性、局地性热力和动力成因总体是大气斜压性的形成和增强，取决于整个对流层形势配置。在对流层高空，南亚高压形态及其中心位置所产生的高空散度场特殊分布，对中空槽脊的演变有强迫作用，因此，基于南亚高压的概念模型在新疆极端暴雨分析中有较多应用［19-22］；在对流层中层，中亚低槽（涡）［20］、高原低涡（槽）［17］、河套高压（脊）［16］等天气尺度和次天气尺度系统的特殊演变有利于增强大气斜压性及改善中低层温湿条件，形成利于暴雨中尺度天气系统发展的大气环境条件［23］。同时，在多尺度天气系统的相互作用下水汽输送量存在异常［21］，如河西走廊、新疆的多次极端暴雨过程的东路水汽贡献显著［16-17，20，24］，孟加拉湾和南海水汽北上、折向，有“接力”式传输特征，但受青藏高原及其以东地区的高、低压系统和地形的共同影响，东路水汽传输过程复杂，往往会造成西北干旱区水汽空间分布极不均匀。大气水汽含量远超气候态，是极端暴雨产生的必要条件，西北干旱区极端暴雨伴随的对流性强降水存在水汽的局地性汇合，热力、动力条件局地性和触发条件局地性的叠加影响，是暴雨局地性发生的重要原因。以往抬升动力机制研究主要面向冷暖辐合抬升、地形强迫作用［24-26］，但机制分析存在资料空间分辨率不足的问题。

2022年8月13日西北干旱区腹地甘肃金塔出现了一次暴雨天气过程，降水以对流性降水为主，较以往河西走廊的暴雨过程更具极端性和局地性。甘肃金塔位于河西走廊中段，属典型的温带大陆性干旱气候，年降水量64.0 mm，境内东南北三面皆山，东部和东南部属巴丹吉林沙漠边缘和合黎山地带，西部为戈壁荒漠，南部为夹山褶皱带，北部属马鬃山地台东南部的低山地带，中部为地势低平的金塔盆地。本次降水过程仅金塔盆地的金塔县城出现暴雨。2022年6—8月，我国出现1961年以来平均气温最高和降水量次少的气候异常，8月上中旬，西北干旱区重旱比率高达4～5 成［27］。其间，南亚高压异常偏北、偏强，500 hPa 青藏高原上空存在明显正距平扰动［28］，大气斜压系统的发展、对流环境的形成具有一定的特殊性，有较高的分析价值。由于造成极端暴雨的对流系统时空尺度很小，大气热动力条件增强的局地性演变分析仍受资料分辨率的限制，因此本文主要从对流环境配置总结暴雨极端性特征，而暴雨的局地性解释，将聚焦对流系统的局地动力触发条件，以期提高西北干旱区暴雨触发的预报能力，为形成有效的技术积累提供有益的借鉴。

1 资 料

所用资料：（1）国家级气象观测站和区域自动气象观测站地面观测资料和高空站气象观测资料。（2）嘉峪关雷达观测资料，雷达（98°17′51″E，39°45′53″；海拔1743 m）型号为CC。金塔县城距嘉峪关雷达站58 km，方位角63.5°。（3）欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第5 代全球大气再分析产品ERA5，空间分辨率为0.125°×0.125°，时间分辨率为1 h。利用ERA5 输出的物理量计算假相当位温（θse），以θse代替位温θ，计算标量锋生函数［29］。并利用ERA5 输出的物理量制作金塔国家级气象观测站（简称“金塔站”）的温度-对数压力图（即T-lnP图）。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS（2017）3320号的标准地图制作，底图无修改。

2 观测实况和天气背景

2.1 降水实况

2022年8月12日午后到13日凌晨，河西地区自西向东普遍出现降水，部分地方出现中到大雨（15.0～37.0 mm），局部地方出现暴雨（大于等于50.0 mm）［图1（a）］，暴雨影响面积很小，主要出现在金塔县城区，金塔站日降水量达88.0 mm，超过河西地区国家级气象站观测历史日降水量（08：00—08：00，北京时，下同）极值（81.5 mm，2012年6月4日肃北站），并远超出本站近60 a 平均年降水量64.0 mm。

从金塔站和近郊3个区域自动气象站的逐小时降水量［图1（b）］看出，对流性降水特征明显，主要有2 个时段：00：00—01：00 和02：00—04：00。其中，00：00—01：00，3 站出现短时强降水（大于等于20.0 mm·h-1），金塔站达56.0 mm·h-1，突破了河西地区国家级气象站有记录以来的小时雨量极值（42.2 mm，2006年7月30日10：00武威站）；02：00—04：00，降水强度减弱，金鼎湖站03：00—04：00小时雨强为34.0 mm·h-1。

图1 2022年8月12日08：00至13日08：00甘肃河西地区24 h累计降水量空间分布（a，单位：mm）和金塔站及近郊区域自动气象站小时降水量演变（b）［图1（a）虚线所围区域为酒泉市肃州区和金塔县）Fig.1 The spatial distribution of 24-hour accumulated precipitation in Hexi of Gansu Province from 08：00 BST 12 to 08：00 BST 13 August 2022 （Unit：mm） （a） and the evolution of hourly precipitation at Jinta station and its suburban regional automatic meteorological stations（The area enclosed by the dotted line in Fig.1 （a） is Suzhou District and Jinta County of Jiuquan City）

2.2 天气形势

12日08：00［图2（a）］，南亚高压中心位于青海中部，脊线在95°E 附近，此南亚高压属于夏季南亚高压两种模态之一的青藏高原模态［30-32］，即高压中心位于青藏高原，说明青藏高原为强烈热源。南亚高压偏北导致对流层中层的青藏高压和西风带锋区也偏北［图2（c）、图2（d）］，无系统性冷平流影响，对流层中高层为弱动力强迫。南亚高压脊后显著辐散区位于青海西北部，至20：00［图2（b）］辐散区东移北抬。500 hPa 青藏高压和西太平洋副热带高压打通，河西地区处于高压带北侧［图2（c）］。12日20：00 至13日08：00，受高空辐散影响，位于河西地区的588 dagpm线持续南落，巴尔喀什湖槽前平直气流波动加剧［图2（d）］，高空锋区一直维持在42°N以北，而位于高空锋区以南的500 hPa青藏高压西侧短波槽有所加深，并快速东移至酒泉中部地区。

图2 2022年8月12日08：00（a）、20：00（b）200 hPa位势高度（等值线，单位：dagpm）和散度（彩色填色区，单位：10-5 s-1），12日20：00（c）、13日08：00（d）500 hPa位势高度（黑色等值线，单位：dagpm）、温度（红色等值线，单位：℃）和风场（风矢，单位：m·s-1）（蓝点代表金塔站位置，下同）Fig.2 The geopotential height （isolines，Unit：dagpm） and divergence （color shaded areas，Unit：10-5 s-1） at 200 hPa at 08：00 BST （a），20：00 BST （b） 12 August，and 500 hPa geopotential height （black isolines，Unit：dagpm），temperature （red isolines，Unit：℃） and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） at 20：00 BST 12 August （c） and at 08：00 BST 13 August （d） 2022（The blue dot represents the location of the Jinta station.the same as below）

500 hPa青藏高压西北侧短波槽发展，槽前正涡度平流引导低层干冷气团东移南压，导致700 hPa切变线持续东移，12日20：00［图3（a）］移至新疆哈密一带，低层高压带前缘西北气流与青藏高原热低压外围的偏东气流在此辐合加强，致使切变线附近锋区也有所加强，此时地面冷高压已控制新疆北部，高压脊线沿偏北路径向东延伸，地面冷锋进入酒泉西北部［图3（b）］；23：00，地面高压脊线折向东南，地面冷空气向南推进，地面冷锋南压。至13日02：00地面冷锋东移到金塔站以东区域（图略）。

图3 2022年8月12日20：00 700 hPa位势高度（黑色等值线，单位：dagpm）、温度（红色等值线，单位：℃）、切变线（棕色实线）、显著流线（黑色箭头线）（a）和海平面气压（等值线，单位：hPa）、显著流线（黑色箭头线）、地面冷锋（蓝色齿线）（b）Fig.3 700 hPa geopotential height （black isolines，Unit：dagpm），temperature （red isolines，Unit：℃），shear line （brown solid lines），significant streamline （black arrow lines） （a），and sea level pressure （isolines，Unit：hPa），significant streamline（black arrow line），surface cold front （blue tooth-line） （b） at 20：00 BST 12 August 2022

2.3 对流环境条件

2.3.1 水汽条件

根据天气形势分析，西太平洋副热带高压控制下我国东部对流层中低层大气均为高压，低层的暖性高压与高原暖性低压之间东西向气压梯度在地转偏向力作用下有利于偏南气流发展。同时，700 hPa青海西北部为热低压中心，河西地区存在南北向气压梯度，致使偏南气流在河西走廊东部折向，形成低层水汽自孟加拉湾、南海向河西走廊连续贯通的输送路径。如图4所示，源自印缅槽前的孟加拉湾和南海的低层水汽沿云贵高原北上，经四川盆地、甘肃东部，在祁连山区东部向西折向，途经云贵高原、秦巴山区、祁连山区东部等海拔较高的地形，除祁连山区东部外，平均海拔均低于3000 m，因此700 hPa 水汽输送在祁连山区东部出现明显绕流，经民勤进入河西地区。12日20：00［图4（a）］，比湿超过14 g·kg-1的显著湿区出现在河西走廊中段的张掖地区，并持续向西推进，进入酒泉地区的显著湿区基本位于金塔站和肃州区以南、以东；13日02：00［图4（b）］，祁连山沿山地带也分布有狭窄的显著湿区。

图4 2022年8月12日20：00（a）、13日02：00（b）700 hPa流线（箭头线）和比湿（彩色填色区，单位：g·kg-1）（灰色填充区的地面气压小于700 hPa）Fig.4 700 hPa streamline （arrow lines） and specific humidity （color shaded areas，Unit：g·kg-1） at 20：00 BST 12 August（a） and 02：00 BST 13 August （b） 2022（The surface pressure in gray filled area is less than 700 hPa）

12日08：00—20：00，金塔站以东的合黎山、祁连山的狭管地带基本维持水汽辐合（图略）。12日20：00［图5（a）］，700 hPa 偏东气流进入开阔平坦的酒泉东部，水汽输送分散，张掖向西延伸的显著湿区（比湿12～14 g·kg-1）止于金塔站—肃州区一线，导致酒泉中东部地区东西之间、南北之间水汽分布极不均匀；至13日00：00［图5（b）］，金塔站处于显著湿区（比湿13～14 g·kg-1）北边界，比湿增大，并在40°N 附近形成较大的比湿梯度。另外，整层大气可降水量（precipitable water，PW）［图5（c）、图5（d）］与700 hPa 水汽平流空间分布的一致性较高，说明低层水汽为主要贡献。12日20：00 至13日00：00，PW 增至近60.0 mm，远超于河西走廊中西部夏季平均值10.0～15.0 mm［33］，是酒泉地区近10 a 两次极端暴雨［16，24］的PW 近1 倍，水汽的极端性非常明显。

图5 2022年8月12日20：00（a、c）、13日00：00（b、d）700 hPa比湿（等值线，单位：g·kg-1）、水汽通量散度（彩色填色区，单位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1）、风场（箭矢，单位：m·s-1）（a、b）和整层大气可降水量（单位：mm）（c、d）［图5（a）、图5（b）中灰色填充区的地面气压小于700 hPa］Fig.5 The specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1），vapor flux divergence （color shaded areas，Unit：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1），wind field （arrow vectors，Unit：m·s-1） at 700 hPa （a，b），and whole layer integrated atmospheric precipitable water （Unit：mm）（c，d） at 20：00 BST 12 August （a，c） and 00：00 BST 13 August （b，d） 2022［The surface pressure for the gray filled areas in Fig.5 （a） and Fig.5 （b） is less than 700 hPa］

2.3.2 大气层结特征

12日20：00［图6（a）］和13日00：00［图6（b）］大气层结均为典型强降水特征，自由对流高度（level of free convection，LFC）以上温度露点差很小；0～3 km高度风切变小于5 m·s-1，0～6 km 高度风切变小于10 m·s-1。不稳定能量于12日18：00 开始产生（图略），20：00 达最大，对流有效位能（convective effective potential energy，CAPE）为880 J·kg-1，21：00明显减小（图略），CAPE降为200 J·kg-1左右；之后，不稳定能量再次增强，13日00：00 达680 J·kg-1。由于边界层以上温度几乎无变化，不稳定能量与边界层温度和湿度变化有关，夜间边界层温度降低、湿度增加，抬升凝结高度（lifting condensation level，LCL）有所下降。同时，傍晚对流抑制（convective inhibition，CIN）能量很低，而夜间显著增强，LFC有所升高。

12日20：00 至13日00：00，不稳定能量大值区位于金塔以东的张掖，酒泉的不稳定能量仅分布在40°N 附近及以南地区［图6（c）、图6（d）］，与700 hPa比湿大于等于11 g·kg-1的区域分布一致性很高。由于中高层动力强迫很弱且低层均压、均温，低层湿度是影响层结不稳定能量的根本因素，不稳定能量随湿度增加而增大，并与低层湿度的分布高度一致。从金塔站上空大气物理量时间变化（图7）来看，13日00：00 之前金塔站低层增湿明显，500 hPa转为西西南气流，中层湿度有所增加；假相当位温下暖上冷，具有明显的对流不稳定；整层无急流和明显的冷暖平流。13日00：00 以后地面冷锋过境，不稳定能量迅速减弱。

图6 2022年8月12日20：00（a、c）和13日00：00（b、d）金塔站T-ln P图（a、b）和对流有效位能（CAPE）（单位：J·kg-1）（c、d）（红实线为层结曲线，黑实线为状态曲线，绿实线为露点温度线）Fig.6 T-ln P diagram （a，b） at Jinta station and convective effective potential energy （CAPE） （Unit：J·kg-1） （c，d） at 20：00 BST 12 August （a，c） and 00：00 BST on 13 August （b，d） 2022（The red，black，green solid lines are stratification curve，state curve and dew point temperature，respectively）

图7 2022年8月12日10：00至13日10：00金塔站比湿（等值线，单位：g·kg-1）、假相当位温（彩色填色区，单位：K）及风场（风矢，单位：m·s-1）时间-高度剖面Fig.7 The time-height cross-section of specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1），pseudo-equivalent potential temperature （color shaded areas，Unit：K） and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） at Jinta station from 10：00 BST 12 August to 10：00 BST 13 August 2022

2.4 雷达反射率因子特征

12日20：01［图8（a）］，合黎山南侧至玉门东北部一线有多个对流单体，各单体间相距较远，且基本呈准静止状态，或随低层环境风极缓慢向东移动，分别处于不同发展阶段，西部初生，东部发展成熟；20：58［图8（b）］，高台北部对流减弱，金塔境内有2个中-γ 尺度对流单体（A、B）发展；22：01［图8（c）］，在A、B 单体之间有新的对流单体C 初生；22：58［图8（d）］，B、C 单体合并为对流系统BC，A 单体发生对流传播，尺度显著加大，BC 和A 均为中-β 尺度对流系统（mesoscale convective system，MCS），在这两个对流系统之间，对流单体D 初生（D 位于金塔站西部约10 km，位置为98.7°E、40.0°N）。同时，冷锋中高云系进入马鬃山东南侧。

图8 2022年8月12日20：01（a）、20：58（b）、22：01（c）、22：58（d）及13日00：01（e）、01：03（f）、02：00（g）、03：03（h）嘉峪关雷达站组合反射率因子（单位：dBZ）（黑色三角形代表金塔站，英文大写字符用红色线段指向所代表的对流单体或系统）Fig.8 The combined reflectivity factor from Jiayuguan radar station at 20：01 BST （a），20：58 BST （b），22：01 BST （c），22：58 BST （d） 12 August and 00：01 BST （e），01：03 BST （f），02：00 BST （g），03：03 BST （h） 13 August 2022 （Unit：dBZ）（The black triangle represents Jinta station，the English capital letters connected by red line represent convective cells or systems）

13日00：01［图8（e）］，各对流系统发生明显变化，A 和BC 迅速减弱消亡，冷锋后部混合云系呈东北—西南向，并位于马鬃山以东；之后至01：03［图8（f）］，金塔和玉门东部40°N 一线对流加强，逐渐组织为不规则的线状对流E；02：00—03：03［图8（g）、图8（h）］，受地面冷高压前侧气流由偏北转偏东的流场作用，线状对流E 缓慢南压，呈东西向并向东延伸，主要影响嘉峪关、肃州区、金塔南部、高台东部等地区。

从12日21：33 对流单体A 的西西南向剖面［图9（a）］看出，单体A 向东倾斜，东侧2.5 km 高度以下有明显的有界弱回波，55 dBZ 强回波位于5.0 km 高度附近。23：09（图略），对流单体D 的雷达反射率因子剖面呈相似特征，但强度稍弱，强回波倾斜和有界弱回波特征不明显；13日00：00，中-γ尺度对流单体D 缓慢东移加强，其西侧新生对流单体并入对流系统E；之后至02：00，D影响金塔县城及周边较小范围地区，并于00：29［图9（b）］发展为较强的深厚湿对流，回波中心强度达63 dBZ，强回波质心低于5.0 km，30 dBZ 以上回波顶高14.0 km，回波向东倾斜，前侧东风入流明显，有界弱回波特征明显；02：12［图9（c）］，D 回波中心强度增至67 dBZ，质心高度升至7.5 km，入流和有界弱回波特征不明显，回波趋向直立状态；此后，对流系统D迅速减弱。

图9 2022年8月12日21：33对流单体A（a）和13日00：29（b）、02：12（c）对流单体D的雷达反射率因子垂直剖面（单位：dBZ）Fig.9 The vertical profile of radar reflectivity factor of convective cell A at 21：33 BST on August 12 （a） and convective cell D at 00：29 BST （b） and 02：12 BST （c） on August 13，2022 （Unit：dBZ）

结合降水实况，地面冷锋触发的中-β尺度多单体线状对流系统E是此次极端暴雨主要影响系统之一，造成了金塔站13日02：00—03：00 近20 mm·h-1的强降水。因此，先于线状对流系统E，造成13日00：00—01：00 56 mm·h-1强降水的中-γ尺度对流单体D 才是金塔站极端暴雨形成的关键。单体D触发于2 个浅对流系统之间，与两个对流系统间边界层复杂的扰动机制有关，冷锋前近乎直线排列的松散分布的浅对流正是触发单体D 初生的根本原因。

3 对流局地触发和增强的环境条件

3.1 地面冷锋前部湿度锋区和干线

干线概念源自美国，最早是指美国南部大平原西部的暖性干湿空气边界［34］，其主要特征是干线两侧露点温度或比湿的差异明显，而温度差异通常不大。俞小鼎等［35］界定干线标准为两侧存在明显的露点温度梯度，但温度差异不明显且附近存在风辐合。从图10（a）看到，12日20：00 850 hPa干、湿中心分别位于酒泉西北和东南部，金塔附近东西向温度差异很小，但比湿差异明显，金塔站南侧有东西向气旋式切变，此处符合广义干线定义。地面冷锋东段呈东北—西南向［图10（b）］，冷锋前部，金塔干线大致位于露点温度16 ℃附近。由于冷锋前部的风场较弱，辐合特征不明显，下文将以850 hPa 比湿梯度和锋生重合的狭长锋生带界定干线，其依据是夜间冷锋前温度梯度很小，不考虑锋生函数非绝热加热项的作用，仅以水平辐合项和水平变形项为主导（垂直运动倾斜项最大程度依赖于水平辐合）。以锋生为主要依据，无论强弱，均能够说明有直接或间接的（假相当位温场变形所致）水平风场辐合，从而避免了地面风场分析的复杂性。

图10 2022年8月12日20：00 850 hPa比湿（等值线，单位：g·kg-1）、温度（彩色填色区，单位：℃）、风场（箭矢，单位：m·s-1）（a）和地面大于等于12 ℃露点温度（黑色等值线，单位：℃）、冷锋（蓝色齿线）、干线（黑色圆齿线）（b）（灰色区域的地面气压小于850 hPa）Fig.10 The specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1），temperature （color shaded areas，Unit：℃），wind field （arrow vectors，Unit：m·s-1） at 850hPa （a），and surface dewpoint temperature greater than or equal to 12 ℃（black isolines，Unit：℃），cold front （blue tooth-line），dryline （black circular tooth-line） （b） at 20：00 BST on August 12，2022（The surface pressure in gray area is less than 850 hPa.）

3.2 干线锋生和对流触发

金塔站附近存在东西向干线，且干线附近风场辐合较弱，即便在地面浅层存在明显风切变（也可能是抬升的负面影响），但辐合动力也不足以突破CIN。干线是综合热力、动力条件的地面影响系统。从图11（a）看出，850 hPa 金塔站附近东西向有锋生带，位置与地面干线一致，其锋生强度明显小于西北部地面冷锋锋生和额济纳旗中部地区干线锋生，且对应较弱的风场辐合特征。

图11 2022年8月12日20：00 850 hPa比湿（绿色等值线，单位g·kg-1）、锋生函数（彩色填色区，单位K·m-1·s-1）、风场（箭矢，单位：m·s-1）（a）和锋生函数（彩色填色区，单位：K·m-1·s-1）、垂直速度（灰色等值线，单位：hPa·s-1）、风场（箭矢，水平风在剖面方向投影与垂直速度合成，单位：m·s-1）垂直剖面（b）［图11（a）灰色填充区的地面气压小于700 hPa；图11（b）的左上角为剖线示意图，黑色区域为地形。下同］Fig.11 The specific humidity（green isolines，Unit：g·kg-1），frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），wind vector （arrow vectors，Unit：m·s-1） at 850hPa （a），and vertical profiles of frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），vertical velocity （gray isolines，Unit：hPa·s-1），wind （arrow vector ，the composite of vertical velocity with the projection of horizontal wind，Unit：m·s-1） （b） at 20：00 BST on August 12，2022（The surface pressure for the gray filled areas in Fig.11 （a） is less than 700 hPa；the left corner in Fig.11 （b） is diagram of the profile line and the black areas for the terrain.the same as below）

12日20：00之后，对流单体A（图8）在金塔站西南侧触发，随后东北移并发展，22：00 移至金塔站东侧。其间，金塔站降水2.5 mm。因此，沿最有利分析单体A的东北—西南方向做垂直剖面［图11（b）］，发现20：00干线南侧（金塔站西南方）有浅层的锋生坡面，坡面上有明显的上升运动，其中心高度位于700 hPa 附近，最大上升速率为0.4 hPa·s-1，而干线北侧为明显的下沉气流区，呈现出典型的干线锋生次级环流特征［36］。21：00（图略），锋生减弱，600 hPa附近最大上升气流速率达1.3 hPa·s-1，金塔站附近对流单体A发展，最大上升速率区与单体A位置接近。以上分析表明，干线锋生次级环流的上升支触发了对流单体A，21：00单体A移至金塔站附近并发展。

ZIGLER 等［36-37］通过对干线的模拟分析认为，气块理论无法单独解释干线触发对流，干线次级环流一般较浅，无法将边界层空气整层“抬升”通过LFC。干线触发对流的关键机制可归纳如下：一是，次级环流的上升支有利于减小并突破CIN而形成对流；二是，干线上升气流引起的垂直气流通量远小于气块理论预设的整层空气块抬升的垂直气流通量，使得以不稳定能量估算的对流强度大幅减少，因此，在干线上若没有更深层次的动力条件配合，不能够触发深对流。这也解释了20：00 较低的LFC（629 hPa）和最大的CAPE（880 J·kg-1）条件下，能够触发干线对流，且对流发展不够深厚也会产生强降水的原因。

另外，本文没有进一步分析干线范围动力条件的局地性差异，如地面风场的不连续变化、肃州区以南祁连山上坡地形强迫等因素影响，造成干线锋生区的局地减弱或加强，来说明即便是浅对流也是局地触发的这一现象，而这一现象的机理探究应主要基于观测和数值模拟。

3.3 干线浅对流的局地性增强

金塔干线对流触发是由于干线附近湿度锋区斜压强迫的垂直环流。干线锋生在12日20：00达到最强，此后持续减弱，22：00［图12（a）］—23：00 干线锋生减弱明显，其间对流单体D 触发于金塔站西侧约10 km，在2 个减弱的干线对流系统A 和BC（图9）之间，其触发可能存在干线减弱的锋生和对流出流复杂的影响。地面冷锋持续缓慢东移，23：00 减弱的干线与地面冷锋交叉点（三分点）位于金塔西侧［图12（b）］，与单体D 位置极为接近。沿大致垂直冷锋方向，过金塔站做垂直剖面，发现12日23：00［图12（c）］至13日00：00［图12（d）］强锋生区域增大，其后侧有下沉气流区，为典型的冷锋锋生次级环流特征［38］。其中，13日00：00 地面冷锋（θse强锋区）移至98°E 以东，浅层锋生剧烈，次级环流的上升支明显增强，其中心位于750 hPa 高度附近，垂直速度达-1.6 hPa·s-1。据雷达观测，12日23：00 对流单体D 在98.5°E 以西，之后缓慢东移并明显增强，13日00：00—01：00，单体D 发展为典型的中-γ尺度深厚湿对流。

图12 2022年8月12日22：00 850 hPa比湿（等值线，单位g·kg-1）、锋生函数（彩色填色区，单位K·m-1·s-1）、风（箭矢，单位：m·s-1）（a）和23：00地面大于等于12 ℃露点温度（黑色等值线，单位：℃）、冷锋（蓝色齿线）、干线（黑色圆齿线）（b）以及12日23：00（c）和13日00：00（d）锋生函数（彩色填色区，单位：K·m-1·s-1）、垂直速度（等值线，单位：hPa·s-1）、风（箭矢，水平风在剖面方向投影与垂直速度合成，单位：m·s-1）的垂直剖面（红色字母T是冷锋和干线的三分点位置）Fig.12 The specific humidity （isolines，Unit：g·kg-1） and frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），wind（arrow vector ，Unit：m·s-1） at 850 hPa at 22：00 BST on August 12 （a），surface dewpoint temperature greater than or equal to 12 ℃（black isolines，Unit：℃），cold front （blue tooth-line），dryline （black circular tooth-line） at 23：00 BST on August 12 （b），and vertical profiles of frontogenesis function （color shaded areas，Unit：K·m-1·s-1），vertical velocity （gray isolines，Unit：hPa·s-1），wind （arrow vector，composite of vertical velocity with projection of horizontal wind on the profile，Unit：m·s-1） at 23：00 BST on August 12 （c） and 00：00 BST on August 13 （d），2022（The red letter T is three-point position of the cold front and the dryline）

WEISS 等［39］利用机载双偏振雷达观测资料分析，发现“三分点”处存在上升气流合并和地面辐合加强的现象，有利于深对流发展；NEIMAN 等［40］描述了龙卷风试验（VORTEX）中冷锋和干线相互作用的观测事实，当冷锋锋生次级环流接近干线弱对流时，两支上升气流合并，将对弱对流发展产生明显强迫。ROBERT［41］针对干线深对流发展的局地性，归纳了5 种可能条件，其中之一就是“三分点”上冷锋对干线对流的强迫作用。

根据上述观测试验和研究结论，进一步分析12日22：00 冷锋前部的850 hPa 锋生［图12（a）］和23：00地面冷锋与干线［图12（b）］，发现冷锋前部干线与冷锋的交角较大，具有产生“三分点”的基本条件，当冷锋沿干线临近单体D时，进入了同时具备极端水汽条件、层结不稳定和浅层上升运动的“局地”，冷锋锋生次级环流的上升气流与“局地”上升气流合并，形成强烈抬升，并充分触发不稳定能量，造成极端降水。单体D是冷锋与干线相互作用而形成有利于深湿对流发展的“三分点”所在。

4 结论和讨论

本文从环流背景、对流环境特征、对流触发和增强的动力条件等方面分析了2022年8月13日甘肃金塔局地极端暴雨的成因。主要结论如下：

（1）南亚高压西北侧的辐散风场扰动有利于西风槽发展，低层切变线和地面冷锋随之东移，是暴雨的主要影响系统。

（2）青藏高原强热源效应极大影响了此次极端暴雨的大气环流背景，对流层高、中层为弱动力强迫，暴雨区水汽丰富。大气弱强迫条件下，中等强度层结不稳定形成于显著增湿区域，而酒泉中东部低层水汽输送不均匀，有利于强降水的对流环境条件仅在金塔站附近局地形成。

（3）干线的形成及其锋生有利于浅对流触发。低层水汽的不均匀分布形成近地面干线，干线热力斜压引发锋生作用，锋生强迫的次级环流有利于沿干线局地对流初生和发展，但由于干线锋生次级环流动力强迫弱，这些离散分布的浅对流系统未进一步发展。

（4）地面冷锋临近时，干线与冷锋交叉点处的浅对流系统强烈发展为造成金塔局地性极端暴雨的中-γ尺度深厚湿对流系统。干线与冷锋交角大，冷锋推进时其与干线交叉点处存在两者相互作用，有利于对流发展，特别是交叉点处如有干线对流，垂直上升运动更为强烈。

本文利用再分析资料和实况观测资料，通过诊断分析锋生和垂直速度，对干线触发对流及增强机制现象进行定性分析与描述，可为类似深厚湿对流局地性影响的天气预警及精细化预报提供一定思路。但是，这些机制的关键影响因素分析也很重要，如地形和中小尺度天气系统相互作用对锋生的动力影响机制、地面感热与潜热通量对锋生局地性的热力影响机制以及水平涡度变化引起的垂直环流等。针对以上问题，通过数值模式模拟试验，开展更有深度和价值的研究十分必要。