引起甘肅省暴雨的兩種中尺度系統(tǒng)環(huán)境場對比

鄭 新，向 軍

（蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

中國暴雨表現(xiàn)出明顯區(qū)域特征，而且成因復雜[1],其中暴雨是由多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結果[2]。隨著我國觀測資料特別是高分辨率模式產品資料的廣泛應用，對導致暴雨的中小尺度對流系統(tǒng)研究也逐漸深入[3]；充沛的水汽輸送是暴雨期間中尺度對流形成的先決條件，表現(xiàn)為環(huán)境大氣中具有較高的相對濕度、深厚濕層以及強低層水汽輻合等特征[4]；其次，暴雨的發(fā)生發(fā)展也伴隨著明顯的中尺度對流云團[5]，它們之間的合并及組織化過程對誘發(fā)短時強降水的發(fā)生具有重要作用[6]，而導致暴雨發(fā)生發(fā)展的中尺度系統(tǒng)的爆發(fā)則需要觸發(fā)機制，切變線和地面輻合線相交的地區(qū)，是產生暴雨的對流單體初生和強烈發(fā)展的區(qū)域[7]。上述研究表明在暴雨發(fā)生期間中小尺度系統(tǒng)的重要作用，對探討區(qū)域性暴雨觸發(fā)機制和實際工作都具有重要意義。

但對于甘肅省特殊地形背景下不同中尺度影響系統(tǒng)引發(fā)的強降水天氣研究比較少，本文對2018年7 月10 日—7 月11 日和2018 年8 月20 日—8月21 日兩次甘肅省強降水過程的中尺度影響系統(tǒng)、環(huán)流背景、動力特征、熱力條件、水汽條件等因素進行對比分析，探討甘肅省不同中尺度系統(tǒng)引發(fā)的強降水天氣的發(fā)生、發(fā)展機制，以期對此類型降水天氣的監(jiān)測和預報提供一些參考依據。

2 資料

利用甘肅省逐小時加密自動站逐日降水數據和ERA5 全球再分析資料，水平分辨率0.25×0.25，垂直分辨率37 層，時間分辨率為1h，氣象要素包括風場、位勢高度場、溫度場、相對濕度場、垂直速度場等資料。

3 實況分析

2018 年7 月10 日08 時—2018 年7 月11 日08 時（以下簡稱“個例1”），甘肅省隴東地區(qū)出現(xiàn)強降水，隴南、天水、平涼、慶陽等市部分地方出現(xiàn)暴雨，隴南、慶陽兩市局部地方出現(xiàn)大暴雨，整個雨帶呈現(xiàn)東北-西南走向，降水大值中心出現(xiàn)在文縣中廟198.4mm。另外，全省共出現(xiàn)162 站次短時強降水（短時強降水：小時雨強≥20mm），最大小時雨強為10 日16 時—17 時會寧縣黨峴37.5mm。

2018 年8 月20 日20 時—21 日20 時（以下簡稱“個例2”），甘肅省大部分地方出現(xiàn)降水，張掖、臨夏、蘭州、定西、白銀、平涼、慶陽等市州出現(xiàn)暴雨，蘭州、慶陽兩市出現(xiàn)大暴雨，雨帶呈東西走向，較為分散，存在3 個降水大值中心，分別為張掖肅南、蘭州榆中、慶陽鎮(zhèn)原。最大為蘭州榆中上莊167.5mm。另外，全省共出現(xiàn)138站次短時強降水，最大小時雨強為2018 年8 月20 日22 時-23 時肅南縣甘壩口61.2mm。如圖1 所示。

圖1 兩次暴雨過程24h 降水量時空分布特征

4 形勢場對比

如圖2 所示分別給出了兩個個例700hPa 風場分布圖，從圖中可以看出，個例1 低層降水的主要影響系統(tǒng)為切變線，由河西走廊進入河東地區(qū)的西北風在白銀轉為北風開始南下，與川陜地區(qū)北上的南風在甘肅省隴東南地區(qū)交匯形成切變線，造成甘肅省隴東南一帶的強降水事件，而個例2 的影響系統(tǒng)與個例1 則完全不同，個例2的主要影響系統(tǒng)為中尺度低渦，根據逐小時再分析資料700hPa 風場可以看出，低渦的移動路徑為蘭州—白銀—平涼—陜西，2018 年8 月21 日07時在蘭州臨夏交界區(qū)域生成，直至2018 年8 月21 日20 時進入陜西省對甘肅省的影響結束，結合降水圖可以看出低渦移動路徑與降水分布基本一致。

圖2 兩次過程700hPa 風場空間分布

為了進一步對比兩個個例高空環(huán)流場的分布情況，如圖3 所示。給出了700 hPa 風場對應時500 hPa溫壓場的分布圖，個例1 中受位于東海地區(qū)第8 號超強臺風“瑪莉亞”影響，副熱帶高壓西伸，臺風及熱帶低壓外圍水汽沿副熱帶高壓南側被源源不斷地輸送到西北地區(qū)東部；青海東部有高原槽東移，甘肅河東地區(qū)處于高原槽前西南氣流中；原位于西伯利亞地區(qū)的低壓不斷南壓，低壓中心位于貝加爾湖西部，其底部冷空氣移至甘肅河西西部，隨著冷空氣的東移南下，與高原槽前的西南暖濕氣流在甘肅隴東南交匯，配合低層切變線是造成這次暴雨天氣的主要原因。個例2 高空環(huán)流形式相對于個例1 并不有利，其中我國中高緯至貝加爾湖北部高壓脊控制，副熱帶高壓受臺風影響明顯偏東，甘肅省中東部地區(qū)受高原短波小槽影響，對應低層中尺度低渦是引發(fā)此次降水的主要因素。

圖3 兩次過程500hPa 溫壓場空間分布

5 動力條件對比

高低層環(huán)流配置的差異，導致高空急流及其次級環(huán)流在兩個個例中表現(xiàn)出很大不同。個例1 在35N 附近上升運動最強，中心值達到4Pa/s，在29N 和38N 附近有弱的下沉運動，從而形成兩個從對流層低層延伸至對流層頂的深厚閉合環(huán)流圈，根據質量守恒原理，這兩個閉合環(huán)流圈更加有利于垂直上升運動的維持。反觀個例2，37N 附近上升運動明顯，但相比于個例1 強度及范圍略小，只有在42N 中層有一個弱的閉合環(huán)流圈，導致整體降水時間較短。如圖4 所示。

圖4 矢量風（v-w 合成，w 放大100 倍）與垂直速度（單位：hPa/s）經向剖面

為了更好的說明兩次個例的動力學特征，個例1中選取位于降水大值中心文縣中廟，個例2 選取雨帶次大值中心的榆中站進行對比其渦度場和散度場的高低空配置如圖5 所示。大約在550hPa 高度以下中廟上空為輻合，500hPa 以上為輻散，低層輻散高層輻合，低層為正渦度，隨高度增加逐漸變?yōu)樨摐u度，600hPa 以上有轉為正渦度，對流層高層又變?yōu)樨摐u度，結合圖4 垂直運動，此結構有利于垂直上升運動增強維持。個例2700hPa 以下為輻合，650～700hPa 之間為輻合，之后直到500hPa 又變?yōu)檩椇希?00hPa 以下為正渦度，對比個例1 發(fā)現(xiàn)此低渦系統(tǒng)為淺薄系統(tǒng)，整個動力配置表現(xiàn)都較個例1 弱。

圖5 渦度（實線）散度（虛線）垂直分布

6 熱力條件對比

假相當位溫是一種保守物理量，其綜合反應了溫度、壓力、濕度場的變化特點，可以較好反應大氣的暖濕特征，同時也可展現(xiàn)氣塊的不穩(wěn)定能量。

文縣中廟站白天中層位勢不穩(wěn)定逐漸增強，到了晚上等值線逐漸加密，表明冷暖空氣于夜晚相遇，出現(xiàn)鋒區(qū)，降水區(qū)暖濕屬性增強，中低層假相當位溫較之白天有所增加4～8K。反觀個例2 的榆中站，整個過程的中低層處于位勢不穩(wěn)定條件下，中尺度低渦的長時間維持是造成低層位勢不穩(wěn)定的主要原因，整個hPa700 處于高溫高濕狀態(tài)且長時間維持，但中高層則相反，這與整個系統(tǒng)的配置息息相關。如圖6 所示。

圖6 中廟站、榆中站假相當位溫垂直分布

7 水汽條件對比

源源不斷的水汽供應是產生暴雨的一個重要條件。如圖7 所示給出兩次過程從地面到200 hPa 垂直積分的水汽通量分布。由圖7 可見，個例1 影響甘肅省的水汽通道主要來源于東海臺風以及副熱帶高壓西部的偏南風水汽通道。對于個例2 的水汽分布來說，影響甘肅省的水汽通道主要由來自于孟加拉灣的水汽經云南-四川進入甘肅，同時來自祁連山區(qū)的偏西風暖濕氣流進入甘肅省西部，顯然來自于海灣的水汽含量比來自于高原山區(qū)的水汽含水量要大。兩個個例的水汽來源明顯不同，雖然兩次過程在東海都有臺風影響，但個例1 受臺風和副熱帶高壓的影響更大，而且從來自海上的水汽通量值可以看出個例1 明顯大于個例2。

圖7 兩次過程整層水汽通量和水汽通量矢量空間分布

8 結論

利用甘肅省逐小時加密自動站逐日降水數據和ERA5 逐小時全球再分析資料分析，使用天氣學診斷方法，對比了兩次低層不同影響系統(tǒng)的環(huán)流形式、動力特征、熱力條件、水汽條件等，得出以下結論：

（1）切變線引起的暴雨過程其500hPa 受臺風副熱帶高壓西伸影響，副熱帶高壓南側被源源不斷地輸送到西北地區(qū)東部；整個甘肅省處于貝加爾湖西部深厚低壓控制下，且青海東部有高原槽東移，甘肅河東地區(qū)處于高原槽前西南氣流中；中尺度低渦引起的暴雨過程我國中高緯至貝加爾湖北部高壓脊控制，副熱帶高壓受臺風影響明顯偏東，大環(huán)流背景不利于降水產生，其主要受甘肅省中東部地區(qū)受高原短波小槽影響。

（2）切變線引起的暴雨形成兩個次級環(huán)流閉合圈，且低層輻合高層輻散，低層正渦度，中高層負渦度，此結構有利于垂直上升運動增強維持；中尺度低渦引起的暴雨過程高空急流及其次級環(huán)流圈較弱，但上升運動很明顯，低層輻合—中層輻散—高層輻合，整個低渦顯示為淺薄系統(tǒng)。

（3）切變線引起的暴雨白天到夜間中層位勢不穩(wěn)定逐漸增強，且夜晚假相當位溫線密集出現(xiàn)鋒區(qū)，水汽主要由位于東海的超強臺風以及副熱帶高壓西部的偏南風維持輸送；中尺度低渦引起的暴雨過程整個過程的中低層處于位勢不穩(wěn)定條件下，低層長時間處于高溫高濕狀態(tài)，但高層則恰好相反，水汽來源分別來自孟加拉灣和祁連山區(qū)。雖然兩次過程在東海都有臺風存在，但明顯看出切變線降水比中尺度低渦降水更易受到其影響。