一次弱垂直風切變環境條件下短時大暴雨的研究

羅王軍，蔣友嚴，霍佳宇，敖澤建

（1.甘南州氣象局，甘肅 甘南747000；2.西北區域氣候中心，甘肅 蘭州730020；3.山西省氣象災害防御技術中心，山西 太原030002）

碌曲縣地處甘肅省西南部，甘南藏族自治州中西部，青藏高原東邊緣，主要地形有山地和盆地，境內大部分地區海拔為2900～4287 m，由于地形復雜，天氣多變，降水局地性強，短時強降水發生頻次高，自然災害頻繁。

針對強降水天氣，許多學者從不同尺度天氣系統、雷達回波特征、地形因素等方面做出了研究和分析，王福俠等[1]研究了2014年河北暴雨的多普勒雷達徑向速度特征，將發生暴雨時的徑向速度特征分為五類；閆昕旸等[2]對北京一次暴雨的成因進行了分析，認為蒙古低渦配合高空橫槽，加之東南風的水汽輸送造成了暴雨；楊群等[3]利用探空資料、新一代天氣雷達資料等對局地特大暴雨進行了研究分析；李改琴等[4]對河南北部一次強降水進行了多尺度的診斷分析，研究了不同尺度系統對暴雨的作用；曾勇等[5]對新疆一次暴雨強對流天氣的中尺度特征進行了分析；努爾比亞·吐尼牙孜等[6]利用高分辨率衛星資料、多普勒雷達產品、常規觀測和NCEP 1°×1°再分析資料，對南疆西部一次突發暴雨的環流背景、大氣層結、水汽特征及雷達、衛星形態等方面進行診斷分析，并選取一次連續性暴雨作為對比，發現兩次暴雨在形勢場上有明顯不同；曲良璐等[7]利用常規地面與高空觀測資料、自動站逐時資料、NECP1°×1°再分析資料，分析了新疆阿克蘇地區的一次局地暴雨。章麗娜等[8]用配料法對“6·23”北京對流暴雨中尺度環境時空演變特征及影響因子做出了研究分析；楊磊等[9]對一次暴雨過程進行了多尺度分析，認為東北低壓和低渦切變是造成暴雨的主要系統，指出地形作用是造成暴雨的主要原因之一。大量局地暴雨研究為短時臨近預報提供了參考，但是對于青藏高原東邊緣局地性暴雨的研究較少，利用雷達資料對甘南高原暴雨天氣進行研究更是少之又少。由于地形獨特，甘南高原天氣氣候特點與其他地區差異大，本文利用雷達回波資料、合作站探空資料以及碌曲縣區域自動站降水資料，對2016年8月22日傍晚到夜間發生在碌曲縣的局地大暴雨天氣過程進行綜合分析研究，意圖尋找適合甘南高原短時暴雨的預報思路和方法，提高對局地性、突發性暴雨的預警水平。

1 資料選取

雷達數據資料來自合作新一代天氣雷達站，站點位于甘南州合作市以南（102.9°E，34.9°N），天線饋源海拔高度為3373 m，為CINRAD/CD 714CDN型新一代天氣雷達。采集數據時用VCP21降水模式進行體掃，每隔6 min獲得一次體掃數據，有效范圍半徑為150 km（合作雷達站與碌曲各區域站距離為35～125 km，各區域站均在有效范圍之內）。此次天氣過程分析所用雷達產品有反射率因子、垂直積分液態水含量（VIL）等，降水中心碌曲位于雷達站西南側，距離雷達站約60 km，雷達產品具有較高的真實性、可用性。

探空資料來源于甘南州氣象局觀測站（102.9°E，34.5°N，海拔高度 2908 m），探空儀為GTS1型數字式探空儀，雷達型號為GFE1型二次測風雷達。

雨量資料來源于碌曲縣范圍內12個兩要素區域自動站和碌曲國家一般氣象站降水資料，采集雨量時采用SL2-1型雨量傳感器。

2 研究區概況和降水實況

碌曲地處青藏高原東邊緣，地勢西高東低，平均海拔為3500 m，境內山丘遍布，河流眾多，河流沖擊地區地勢相對較低（圖1a）。黃河上游水量最大的支流洮河流經碌曲北部，碌曲縣城（圖1a中紅色三角）因處于洮河谷地而地勢相對較低。在氣候上，碌曲兼有大陸性季風氣候與高原氣候的特點，年平均氣溫2.5℃，年降水量585.7 mm，降水主要集中在6—8月，該時段降水量占年總降水量的一半。通過普查發現，碌曲夏季強降水跟西太平洋副熱帶高壓關系密切，當588 dagpm線西伸至110°E左右，脊線在30°N附近時，碌曲處于副熱帶濕區，若有擾動，則會出現強降水天氣，尤其在8月中、下旬，西太平洋副熱帶高壓撤退時，強降水更容易產生，碌曲的暴雨基本都出現在這一時段（圖略）。強降水往往造成一定程度的經濟損失，有時甚至人員傷亡，例如，2006年8月31日碌曲發生降水量為88.4 mm的暴雨，造成14人喪生，經濟損失6000多萬元人民幣。

2016年 8月 22日 20：00—23日 08：00（北京時間，下同），甘南州碌曲縣局部地方出現強降水天氣，圖1b所示為碌曲縣各區域站過程累計降水量的空間分布，其中碌曲站出現大暴雨，降水從22日20：00開始至23日02：00結束，過程累計降水量123.5 mm，最大小時雨強為71.6 mm/h，出現在22日20：00—21：00，而從 22 日 20：00—22：00，2 h 累計降水量達114.3 mm。此次降水過程中，碌曲站累計降水量之多、雨強之大，均為1973年建站以來歷史之最。大暴雨過程未造成人員傷亡，但是造成經濟損失600多萬元人民幣。

3 環流形勢及影響系統

3.1 高空形勢

圖1 碌曲縣地形（a）和8月22日20：00—23日08：00碌曲縣各區域站累計降水量（b）

500 hPa 高空圖上，22 日 08：00—20：00，巴爾喀什湖附近有一比較深的冷槽，孟加拉灣地區有一低壓系統，我國除東北、新疆、內蒙古北部和海南外基本都處于588 dagpm控制的高壓區。08：00碌曲縣處于592 dagpm副熱帶高壓的內側，而20：00變化為處于兩個592 dagpm副熱帶高壓之間，此時，一方面偏東氣流將暖濕空氣輸送至暴雨區，另一方面2個副熱帶高壓之間的切變區有利于對流性天氣的發生。從22日08：00—23日08：00的24 h累計降水量分布來看，發生大降水的區域剛好對應兩高之間的切變區（圖2a）。由于碌曲海拔基本都在3000 m以上，700 hPa接近大氣的底層，因此在700 hPa上對濕度條件作研究分析，22日20：00，合作站（與碌曲站距離最近的探空站）比濕可達16 g/kg，濕度條件非常好，而溫度露點差僅1℃，低層空氣接近飽和。從8月20日開始到大暴雨發生，700 hPa上從四川盆地到甘肅南部各站一直維持西南風，有利于暖濕氣流的輸送。在200 hPa高層，甘肅青海交界地帶上空為反氣旋式高壓環流，青海湖上空是一輻散中心，碌曲上空高層有強烈的輻散，有利于低層形成強烈的輻合上升運動。

3.2 地面形勢

由于所分析的地區海拔超過1500 m，不進行海平面氣壓訂正，這里地面高低壓中心從有海平面氣壓記錄的站點結合地面風場大致給出。22日20：00，甘肅河西地區東部為一高壓中心，甘肅南部為一低壓中心，高低壓中心之間，根據氣象要素：氣溫、變壓、天氣現象、云量、風場的分布，可判斷碌曲站位于冷鋒前部（圖2b），并且濕度條件非常好，因此當冷鋒移近的時候，鋒前輻合抬升運動加強，從而觸發雷暴的新生和發展[10]。從地面風場上看，碌曲、夏河、河南三站構成一個閉合的氣旋式低壓環流，在地面氣旋附近，輻合上升運動強。

地面上黃河上游地區可以分析出一條露點鋒（干線）（圖2b），其西南側的甘德、達日、瑪沁等站，露點溫度僅4～5℃，溫度露點差達10～12℃，而其東北側的澤庫、河南、合作等站，露點溫度高達12～16℃，溫度露點差僅為1～4℃。因此干線西南側為干區，其東北側為濕區。從20：00干線附近的達日站和紅原站探空圖（圖3）上也可以看到，干線西南側達日、紅原兩站，整層空氣相對濕度都不超過80%，即整層空氣干燥，而從圖4b可以看出，干線東北側的合作站，除500～400 hPa較為干燥之外，其余層次相對濕度基本都在80%以上。露點鋒兩側干濕對比明顯，而且此時400 hPa有槽移近，500 hPa上高壓分裂，于是露點鋒附近氣象要素變化劇烈，干線特別活躍[10]。

圖2 8月22日08：00—20：00 592 dagpm位置變動與24 h降水疊加（a）及地面形勢與24 h降水疊加（b）

圖3 8月22日20：00達日站（a）和紅原站（b）探空圖

地面冷鋒和露點鋒在青海東南部相交，碌曲處于冷鋒前部，即比較暖的環境條件下，同時碌曲也處于露點鋒濕區一側，即比較濕的環境條件下，暖濕環境條件相疊加，促使大氣的不穩定程度加劇，冷鋒的系統性抬升觸發對流，活躍的露點鋒一方面觸發對流，另一方面與冷鋒造成的氣流輻合相結合，進一步加強上升運動。

碌曲站位于碌曲縣城，處洮河谷地北側，北面為地勢較高的山丘，南面為地形低洼區，山丘與低洼區海拔高度差約200 m。22日20：00地面圖上碌曲站為3～4 m/s的西南風，西南暖濕氣流被強迫在山丘迎風坡一側抬升，因此地形抬升對不穩定能量的釋放有一定的觸發作用[10]。

從探空資料來看，20：00與碌曲站相鄰的合作站，也受冷鋒和露點鋒共同影響，自由對流高度僅有565.9 m，因此，在冷鋒和露點鋒疊加影響的區域，若有一定的抬升觸發則容易發生自由對流，另外碌曲的地形強迫抬升作用也利于對流發生。在冷鋒、露點鋒、地形和氣旋性輻合的共同作用下，不穩定能量得以觸發釋放。

4 物理量診斷分析

4.1 探空物理量分析

圖4a為合作探空站22日08：00探空曲線，層結曲線與露點曲線下部緊靠，上部分開，表現為“上干下濕”的對流不穩定層結狀態。600 hPa以上有逆溫層存在，有利于對流不穩定能量的積蓄，對后期對流發展極為有利。地面溫度15℃，而對流溫度（當地面受到太陽輻射加熱作用后開始形成熱力對流時的地面溫度）僅16℃，因此若有略微的升溫，熱對流就很容易產生。CAPE可達1000 J/kg以上，對流有效位能比較充足。整層風速都較小，基本在6 m/s以內，垂直風切變也小，700 hPa上為西南風，風速僅為0～1 m/s，而200 hPa為北西北風，風速也僅有1～2 m/s。

22日14：00碌曲地面氣溫上升至23℃，超過了當天的對流溫度，而露點溫度為13℃，通過訂正[8]發現，CAPE可達1700 J/kg以上。

22日20：00，整層空氣濕度都增大，中層為一致的西南風輸送水汽（圖4b）。此時SI為-3.16，對流發生的可能性很高。CAPE較08：00有所下降，可能是已經部分釋放。整層風速仍然較小，基本維持在6 m/s以內，垂直風切變較08：00無明顯變化，700 hPa上為3～4 m/s的偏北風，200 hPa上也僅為 3～4 m/s的偏西風。較小的風速和弱的垂直風切變不利于有組織的強風暴的產生，常常引起風暴移動緩慢，降水通過上升氣流降落[11]，但正因為風暴移動緩慢，所以對某一地區形成強降水卻是有利的。23日08：00，暴雨發生后，合作站探空資料顯示，相對濕度＞80%的濕層延伸至400 hPa以上，CAPE下降至53.7 J/kg（表1）。

4.2 物理量診斷分析

利用Micaps剖面分析方法，對碌曲附近（102.6°E，34.3°N）垂直速度和水汽通量進行時間剖面分析，分析所用資料為實況觀測資料。

表1 合作站CAPE、SI指數及0℃、-20℃高度

圖 4 8 月 22 日 08：00（a）和 20：00（b）合作站探空圖

圖5a為垂直速度的時間剖面，22日20：00碌曲上空700 hPa以上垂直速度基本都＜-4 hPa/s，為比較一致的上升運動，其中在300 hPa附近，上升運動最強，垂直速度可達-20 hPa/s。垂直速度的特征表明，在降水發生時段，碌曲附近整層都有強烈的上升運動。

圖5b為水汽通量的時間剖面，22日08：00—23日08：00碌曲低層的水汽通量基本都＞3.0 g/（s·hPa·cm），表明在這個時間段內，碌曲上空低層有明顯的水汽平流。而在22日20：00左右，碌曲低層水汽通量在4.2 g/（s·hPa·cm）以上，水汽通量較22日08：00時有所增強，水汽輸送更為明顯，較強的水汽輸送為碌曲大暴雨的發生提供了有利的水汽條件。

5 雷達回波特征

5.1 雷達回波反射率

雷達回波的強度通常用反射率因子來度量，故可根據反射率因子大小來判別回波強弱[12]。22日17：57，碌曲東北部有小范圍雷達回波產生，最大反射率因子為33 dBz，隨后向西北方向移動并加強，最強達44 dBz以上，此回波中已出現雷暴（碌曲18：20出現雷暴），其后回波強度有所減弱，但持續存在，移動緩慢。據上述分析，此次天氣過程發生在弱的垂直風切變環境中，俞小鼎等[11]認為，弱的垂直風切變環境中的對流風暴多為普通單體風暴或者組織程度較差的多單體風暴。在22日18：30左右，碌曲西部及南部等地也有不同強度的回波產生并加強，向西北方向緩慢移動。

風暴運動是平流和傳播的合成，而當環境風場較弱時，傳播對于風暴運動起著主導作用。如果已知風暴承載層的平均風和風暴運動，就可以確定產生新單體的區域[11]。據上述分析，碌曲處于露點鋒的濕區一側，地面冷鋒的前部，低層空氣為高溫高濕狀態，并且整層空氣中垂直風切變都很小。風暴向西北方向運動，而由圖4b可知環境風場為西南風，因此，根據矢量疊加原理，風暴為向西傳播，考慮風暴運動速度大于風暴承載層的平均風速，那么風暴向西北方向傳播，于是新生單體就會產生在已有單體的東南側。在20：05發展產生新的對流單體（圖6a紅圈中所示），此單體生成后逐漸發展并增強，20：10與舊風暴開始合并。20：16新舊風暴基本合并為一體（圖6b），該時刻恰好與碌曲降水開始的時刻（如圖7，20：13降水開始）對應。20：37降水風暴開始成熟，最強降水時段開始。20：53出現最強回波，最大反射率因子可達47 dBz（圖6c），同時從圖6d可知，此時反射率因子核心在3 km高度附近，而雷達天線饋源海拔高度為3373 m，因此該反射率因子核心在6 km以上，說明此時對流發展旺盛。降水主要出現在回波開始合并增強到趨于減弱的近2 h內，而到21：36，該風暴反射率因子逐漸降低，降水強度也趨于減弱（圖7）。由于環境風場的垂直風切變小，所以降水導致上升氣流中水負載明顯增加，因此風暴維持時間較短。

5.2 垂直積分液態水含量

圖5 8月21日08：00—23日20：00碌曲垂直速度（a）（單位：hPa/s）和水汽通量（b）（單位：g/（s·hPa·cm）的時間剖面

垂直積分液態水含量（VIL）表示將反射率因子數據轉換成等價的液態水值[12]。自2013年合作新一代雷達站建設以來，根據本地統計分析，VIL數值較小，最大僅有21.4 kg/m2。吉哲君等[13]將短時強降水的VIL閾值定為5.0 kg/m2，即當VIL＞5.0 kg/m2時，短時強降水發生的可能性很大。此次降水過程中，VIL最大可達5.22 kg/m2（圖8），與此閾值接近。從圖7和圖8可知，在20：00 VIL數值很小，此時還未出現降水，其后VIL逐漸增大，降水開始。20：20—21：40，每10 min降水量基本都在10 mm以上，而這段時間VIL也都在1.00 kg/m2以上，降水集中時段基本對應VIL的大值時段。21：36之后，VIL減小至1.00 kg/m2以下，降水也趨于減弱。

6 結論

圖6 2016年8月22日反射率因子剖面（單位：dBz）

圖 7 8 月 22 日 20：00—22：00 碌曲 10 min 降水

圖8 8月22日20：00—21：36碌曲VIL變化

這是一次在整層空氣高溫高濕、垂直風切變很弱的環境條件下發生在副高內部的局地對流性強降水天氣過程，通過分析得到以下結論：

（1）500 hPa上副熱帶高壓向東南方向撤退并分裂，碌曲處于兩個592 dagpm高壓之間的切變區，對對流的發生起到了關鍵作用；地面冷鋒、露點鋒以及地形抬升是此次對流性大暴雨的中尺度觸發系統。

（2）大暴雨發生前48 h，碌曲上空低層有西南風或南風持續輸送水汽，空氣高溫高濕，并且當日早晨逆溫層的存在有利于能量的積蓄；午后超過1700 J/kg的充足對流有效位能、垂直速度達-20 hPa/s的強烈上升運動以及水汽通量達4.2 g/（s·hPa·cm）的明顯水汽輸送，使得大暴雨在短時間內就能發生。

（3）根據對流風暴的運動規律可以判斷新單體的產生區域，新單體與舊單體的合并加強指示強降水的開始，過程主要降水集中在回波開始合并增強到趨于減弱的近2 h內，垂直積分液態水含量與強降水發生有密切的關系，垂直積分液態水含量大于1.00 kg/m2的時段10 min降水基本在10 mm以上。