2022年8月青海东部一次极端性降水过程的成因分析

马 琼，邢子毅，马晓真，张宁瑾，朱玉军

1.青海省气象台，青海西宁 810001；2.青海省黄南州气象局，青海同仁 811300；3.青海省水文水资源测报中心，青海西宁 810001

暴雨是夏季最主要的灾害性天气之一，近几十年来，在全球变暖的气候背景下，极端暴雨事件频发，且极端降水强度增强，极端降水量增加，其引发的山洪、泥石流等次生灾害常给人们生命财产和经济带来严重损失[1]。比如河南7月20日极端强降水过程，造成河南数百人遇难及失踪，造成了严重的社会影响[2]。青海地处青藏高原东北部，地形复杂，山大沟深，夏季短时暴雨极易汇集成山洪，引发泥石流及滑坡，造成冲毁村庄、淹没农田、人员伤亡等严重灾害。青藏高原极端降水近十年来也呈增加趋势[3]。

多年来，青海的气象工作者对暴雨天气形成机理、分布规律等进行了大量的研究，结果表明西太平洋副热带高压和青藏高原低涡切变是影响青海暴雨的主要天气系统，副高边缘型、副高控制型和低涡切变型是青海暴雨的3种主要环流形势[4-5]。2022年8月青海出现多次强降水过程，其中2022年8月27—28日，出现区域性大雨，降水影响范围广、极端性较强，此次降水天气过程导致湟中县、兴海县、河南县部分乡镇道路、房屋、帐篷、砂石路及沿途网围栏被冲毁，共造成经济损失27万余元。因此，有必要对此次降水天气过程进行全面、深入的分析。

1 天气实况

2022年8月27—28日除海西西部外，青海省大部出现一次中到大雨降水天气过程。其中，出现61站次大雨，主要分布在西宁、海东、黄南南部、海南南部及玉树中部，分为南、北2条雨带，北部雨带主要分布在湟水河谷地，南部雨带主要分布在黄南南部和玉树中部，全省降水中心位于泽库，为49.3 mm。强降水主要集中在27日下午至夜间，过程期间伴有雷电和3站次短时强降水，泽库20:00～22:00降水量占总降水量的88.4%，降水对流性显著，夜雨现象明显。除此之外，同德江群林场和湟中上五庄镇水峡也分别出现26.4和26.5 mm的短 时强降水（图1）。

图1 8月27日08:00—28日08:00青海省24 h降水（a）、泽库站8月27日14:00—28日04:00降水分布（b）

2 降水极端性分析

此次降水过程共15个站点突破95%极端降水阈值，达到极端降水标准（图2）。包括湟中、泽库、治多及玉树4个国家站，有5个站次24 h降水量超95%极端降水阈值为10 mm，超95%极端降水阈值较明显的站点多分布在南部。其中，泽库站和玉树市西杭街道办禅古村极端性最显著，日降水量超过95%极端降水阈值为13.8 mm，泽库站超过历史同期第三极值（41.4 mm），其次为玉树，超10.4 mm，突破历史同期极值（30.9 mm）。北部地区化隆扎巴镇拉曲滩二村107号极端性最显著，超过95%极端降水阈值8.2 mm。此次过程中有4个站点突破99%极端降水阈值，包括1个国家站玉树、3个玉树和治多的区域站。其中，玉树市西杭街道办禅古村极端性最显著，超99%极端降水阈值为7 mm，所以此次大雨过程具有一定的极端性。

图2 2022年8月27日超过95%极端降水阈值站点、数值及24 h降水量

3 成因及机理研究

3.1 大尺度环流背景

500 hPa中高纬度为“两槽一脊”的环流形势，两槽分别位于巴尔喀什湖和东亚地区（图3a）。巴湖低槽底部分裂下滑的短波槽在27日20:00移至青海东北部，是此次过程北部雨带形成的主要影响系统，而青南地区受高原切变线控制及西北风和西南风的辐合形成南部雨带。泽库从18:00开始500 hPa受风向切变，正涡度中心强度和范围不断扩大，22:00达 到 最 大（图3b）。600 hPa青 海东部白天受偏北风控制，19:00以后东风开始转为东风，且风速加大，偏东风辐合增强，泽库一线为从2 m/s增加至4～6 m/s（图3c），至28日00:00东南风减小为2 m/s。700 hPa青海中南部受暖低压影响，200 hPa青海位于西风急流右侧，青海大部位于南压高压的东北侧的分流区。高层辐散的抽吸作用使上升运动进一步加强。

图3 8月27日20:00 500 hPa高度场（黑线）、风场及温度场（红线）（a）；8月27日21:00 500 hPa风场、高度场与涡度场（b）；600 hPa风场与散度场（c）

从地面来看，08:00西路弱冷空气进入盆地西部地区，而冷空气主体位于甘肃西部。西路冷空气在11:00完全进入盆地东部，北部冷空气主体仍位于甘肃西部。随后北部冷空气加强且缓慢东移，20:00冷空气前沿移至河西走廊东部，02:00才进入东部河谷地区。但从图4可看出，冷空气主体还在38°N以北地区（河西走廊），但地面37°N一线冷平流明显，且处于假相当位温密集带的前沿，说明此处冷暖空气交汇明显。由此推断虽冷空气主体未到达，但地面冷空气20:00已渗透东部河谷地区，故未能触发区域性短时强降水出现。

图4 8月27日21:00沿101.47°E温度平流（阴影）、假相当位温（红色点线）及流场（黑色流线）图

综合来看，此次降水过程青海东部地区大气层结处于不稳定状态，北部前期降水主要是高层有短波扰动，低层偏东风辐合及冷空气渗透触发了一定的不稳定能量，产生了对流性降水，后期降水是由于短波扰动配合冷空气产生的稳定性降水，南部降水是由于高层风向切变，低层东南风风速迅速辐合触发不稳定能量释放产生的暖区降水。

3.2 水汽及不稳定能量分析

3.2.1 局地水汽及层结不稳定 降水前期27日17：00（图5）青海东部地面比湿在10～12 g/kg，湟水河谷地及黄河谷地一线比湿达到13～14 g/kg，局地水汽丰沛，超过暴雨所需的比湿条件（8～12 g/kg）。从27日20:00西宁站（图6a）探空图来看，廓线呈“瘦高”型，为典型的短时强降水的探空形态特征。湿层深厚，地面至400 hPa均为湿层。由于过程前两天青海大部受到副高控制，湟水河谷地和黄河谷地的最高温度为24～26 ℃，虽然相较于23—24日高温明显下降，但在副高控制下还是积蓄了一定的不稳定能量，西宁站CAPE值为421.7 J/kg，低层风向有明显顺转，低层暖平流明显。选取与泽库距离较近的合作站（图6b）从探空图来看，廓线也符合强降水特征，湿层相对深厚，湿层也从地面扩展至400 hPa，CAPE为275.1 J/kg.

图5 8月27日17:00地面比湿图

图6 8月27日20:00西宁（a）、合作（b）探空图

3.2.2 水汽输送 从水汽通量及其散度分析来看，由于副高东退明显，位置偏南（华南），其外围西南气流对青海水汽输送较弱(图7a)，600 hPa水汽输送明显(图7b)，湟水河谷地主要有2条水汽输送带，一条为北部输送带，水汽沿祁连山区西北气流东灌至湟水河谷地；另一条水汽来自孟加拉湾，水汽主体输送至四川和甘南地区，到达甘南后部分水汽在偏东风的引导下输送至黄南。从整体来看，水汽输送较弱，未达到暴雨量级，只出现了单点短强降水。

图7 8月27日20:00 500 hPa（a）、600 hPa（b）水汽通量及其散度

3.3 泽库站降水分析

从泽库站水汽通量散度、垂直速度及比湿的时间剖面及纬向剖面来看(图8），泽库站降水发生在低层水汽通量散度快速辐合时期，27日21:00泽库地面比湿超过11 g/kg，并配合有一定的上升运动。从泽库单站要素垂直分布来看，强降水发生时(图9b）比前一时次(图9a）散度、水汽通量散度及垂直速度均明显变大，尤其是600和650 hPa辐合清楚。说明边界层的水汽通量快速辐合是产生强降水的重要条件。由此看出泽库站水汽输送主要依靠600～650 hPa偏东风输送。

图8 泽库站水汽通量散度、垂直速度及风场时间变化（a），8月27日21:00泽库水汽通量散度、比湿及风场剖面（b）

图9 8月27日20:00（a）和21:00（b）泽库站散度（黑线）、水汽通量散度（蓝线）、垂直速度（红线）垂直分布

4 雷达及卫星分析

泽库站(20:40～21:40)最大小时雨强达42.2 mm，5 min降水量为7.9 mm；雷达产品分析中主要有以下特征：风暴结构产品显示影响泽库本站最强风暴的最大反射率因子从20:34～21:07均在60 dBz以上，此后呈下降趋势，对应时段的垂直积分液态含水量在15～20 kg/m2，从低仰角的基本反射率和差分反射率ZDR对比分析来看，泽库地区反射率因子最大值64.5 dBz，ZDR最大值为4 dBz左右，因此反射率因子的大值区域差分反射率因子的大值区相对应，符合强降水的特征。从差分传播相移-φDP和差分传播相移率KDP分析泽库地区ΦDP存在显著变化，最大值约为39 deg，而KDP最大值约为5.8 deg/km，与大降水落区对应，在定量降水估测QPE产品中20:56估计降水的大值区在泽库站附近，对应的最大值为50～80 mm/h，尽管估计值明显偏大，但对强降水有明显指示意义，同时从ROSE 2.0强降水报警产品分析来看，21:07泽库本站有出现强降水的报警，且对应的概率为57%（图10）。

图10 泽库雷达2022年8月27日21:07风暴结构产品(a)；20:56 0.5°仰角高分辨率基本反射率（b）、ZDR（c）、 -ΦDP(d)、2.4°仰角KDP(e)；21:07 报警产品heavyrain(f)；20:56 QPE(g)

从卫星云图（图11）来看，以多个小尺度云团为主。泽库地区短时强降水过程主要由中尺度对流系统形成。27日20:40左右FY-4卫星云图（图11a）显示泽库地区处于TBB梯度大值区附近，20:50风云地球对流初生监测系统（图11b）显示泽库地区有对流生成，对流亮温在-55 ℃左右，对流云团在东移过程中减弱消散，21:45左右对流云图移出泽库地区并减弱消散，泽库地区降雨减弱停止。西宁、海东云团较弱，云顶亮温约为-51 ℃（222 K），降水也出现在梯度大值区。可见此次短时强降水局地性强。

5 结论

此次天气系统组织性不高，对流降水局地性强，且在短期预报时段内较难把握中小尺度触发机制。根据上述分析，动力、水汽及能量条件是强降水预报中不可或缺的要素。在此次降水过程的预报中，先有一定的能量配合，水汽方面要产生较大的降水仅仅依靠本地水汽条件无法达到，还需要有水汽输送并集中到降水区。而大气中的水汽主要集中在低层，尤其是边界层，所以根据对几次强降水过程的分析，最需要关注的是低层水汽的辐合，尤其是边界层水汽辐合非常重要，水汽快速辐合能产生短时较强的降水，若辐合时段维持较长，则小时雨强会略有减弱。

图11 2022年8月27日20:40FY-4云图（a）、20:50风云地球对流初生监测系统（b）