2018年8月1—2日河西走廊中部一次局地短時暴雨天氣過程分析

張浩文，崔 宇，狄增文

1.張掖市氣象局，甘肅張掖 734000；2.甘肅省氣象局，甘肅蘭州 730020；3.張掖市氣象局，甘肅張掖 734000

短時暴雨的小時降水強度大、局地性強，預(yù)報的難度較大。通常我國東部沿海區(qū)發(fā)生暴雨的頻數(shù)多、強度大; 而西北干旱區(qū)雖然發(fā)生暴雨的頻數(shù)少、強度相對弱，但因其突發(fā)性強，預(yù)報難度大，加之干旱區(qū)植被覆蓋率低，水土涵養(yǎng)差，因此由其引發(fā)的泥石流、滑坡、山洪等衍生自然災(zāi)害通常會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)造成嚴重損失。西北地區(qū)大部分地區(qū)年降水量少，日降水量達到 50 mm 的過程也很少。就西北暴雨強度而言，與國內(nèi)其他地區(qū)相比，半日或日平均強度較弱，但短歷時暴雨強度相差不大。西北地區(qū)氣象工作者對西北暴雨的氣候特征、環(huán)流和系統(tǒng)、物理條件、概念模式、低空急流、衛(wèi)星云圖和雷達回波特征、地形和下墊面影響、預(yù)報方法等方面進行了研究。錢正安等[1]研究表明，河西走廊地區(qū)出現(xiàn)副高西伸等特定有利環(huán)流形勢下，核心旱區(qū)的主要水汽源地在臺海區(qū)。盧煥珍等[2]研究指出，副高邊緣暖濕氣流,低空弱切變、弱對流抑制和北部冷空氣南下為強降雨提供了有利的條件。針對2018年8月1—2日發(fā)生在河西走廊中部的一次局地短時暴雨天氣過程，從環(huán)流形勢、衛(wèi)星云圖、雷達回波、數(shù)值預(yù)報對此次過程的預(yù)報表現(xiàn)等方面，分析了此次暴雨天氣過程，為我國西北干旱區(qū)暴雨天氣的預(yù)報提供著眼點，為地方政府防汛減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 過程概述與災(zāi)情

1.1 過程概述

受到副高外圍暖濕氣流與南下冷空氣的共同影響，8月1日下午至2日白天，張掖市出現(xiàn)中到大雨，山丹、民樂局地暴雨，山丹雙湖出現(xiàn)大暴雨天氣，最大降水出現(xiàn)在山丹雙湖（75.4 mm）。暴雨過程局地性強、持續(xù)時間短、強度大，112個自動氣象站中，達到河西地區(qū)暴雨標準（≥30 mm）僅有6站。但僅雙湖站從2日01:00~04:00，連續(xù)3 h的小時降水量超過10 mm，達到河西地區(qū)短時強降水標準，其中02:00~03:00 1 h降水量達24.7 mm，01:00~04:00 3 h降水量達53 mm，累計降水量達75.4 mm。從8月1日12:00—8月2日07:00累計降水量可以看出，強降水主要集中在山丹南部沿祁連山一帶，其中存在明顯的大值中心（圖1）。

圖1 張掖市2018年8月1日12:00—2日07:00累計降水量

1.2 氣候背景

甘肅張掖市深處內(nèi)陸，遠離潮濕的海洋氣流，降水稀少且變率高，屬于典型的溫帶大陸性氣候。而2022年從7月中旬開始，副熱帶高壓北抬至華北甚至東北，張掖市處在副高西側(cè)588線附近。異常偏北的副高使得來自南海的西南季風(fēng)水汽跨過烏鞘嶺，副高南側(cè)的臺風(fēng)帶也向北，帶來了豐富的水汽，致使今年主汛期局地暴雨多，極端性強。

2 天氣尺度環(huán)流背景場

2.1 500 hPa環(huán)流形勢

2018年8月1日08:00 500 hPa環(huán)流形勢圖上，副高控制我國華北至東北一帶，588線最西部達到河套地區(qū)，從巴湖到河西西部，不斷有小槽東移，形成階梯槽，副高外圍584線在甘肅省呈西北—東南走向，孟加拉灣的水汽沿副高外圍向河西中部輸送。北支槽底部冷空氣沿著階梯槽不斷下滑，被副高阻擋在青藏高原東北部邊坡，冷空氣在高原邊坡堆積。溫度場上，溫度槽明顯落后于高度槽，在巴湖附近有1個-13℃的冷中心，冷平流較強。1日20:00 500 hPa環(huán)流形勢圖，河西西部的短波槽略微東移，從內(nèi)蒙古西部到甘肅中部的西北—東南向高壓穩(wěn)定維持，河西走廊中部有明顯的冷暖交匯區(qū)，大氣斜壓性增強（圖2）。2日08:00，短波槽東移至張掖、武威交界處，南支槽也東移至青海東部，副高穩(wěn)定少動，副高外圍584線向東收縮至河套至隴東一線。河西中西部轉(zhuǎn)為槽后西北氣流，降水減弱。

圖2 2018年8月1日20:00 500 hPa環(huán)流形勢

2.2 700 hPa環(huán)流形勢

2018年8月1日08:00 700 hPa環(huán)流形勢圖上，在張掖上空存在切變。受12號臺風(fēng)云雀影響，從南海到河西中部存在顯著南風(fēng)氣流，最大風(fēng)速14 m/s，將南海的水汽源源不斷地向河西地區(qū)輸送。內(nèi)蒙古西部到河西地區(qū)有中心溫度達16℃的暖中心。1日20:00，顯著南風(fēng)氣流減弱，青藏高原上暖中心增強，中心溫度達20℃，在低層積攢了大量的不穩(wěn)定能量（圖3）。張掖上空的切變線略微東移，蒙古西部有一低槽東移。2日08:00，顯著南風(fēng)氣流增強為低空急流，最大風(fēng)速達18 m/s。切變線東移至甘肅中部，強降水落區(qū)隨之逐漸東移，河西中部降水逐漸減弱。

圖3 2018年8月1日20:00 700 hPa環(huán)流形勢

2.3 地面天氣形勢

8月1日14:00，河西中東部受熱低壓控制，中心氣壓值為992 hPa，冷空氣主力位于新疆西部，冷空氣前鋒已經(jīng)入侵河西，開始進入張掖。20:00，冷空氣進一步入侵，由于冷空氣較弱，氣壓梯度較小，但河西中東部積聚的不穩(wěn)定能量較多，已經(jīng)有強對流開始發(fā)展。2日02:00，冷空氣前鋒到達張掖、武威交界處，在張掖、武威交界處的山丹南部突降暴雨（圖4）。08:00，冷空氣前鋒到達武威，武威以東開始出現(xiàn)強降水，張掖市降水逐漸減弱。

圖4 2018年8月2日02:00地面形勢

2.4 高低空系統(tǒng)相互作用

在本次短時暴雨的過程中，低層輻合上升（地面冷鋒與700 hPa切變線疊加產(chǎn)生強勁的上升運動），高空輻散（200 hPa為反氣旋式環(huán)流），形成了整層的上升運動，為短時強降水提供了動力條件。而低層高溫高濕，中層有明顯的干冷空氣侵入，500 hPa 24 h變溫達到-4.3℃，使得大氣的不穩(wěn)定度上升。而且甘肅省除了酒泉西部，其他地區(qū)的K指數(shù)均≥30，中心最大值在內(nèi)蒙古臨河，達到46，體現(xiàn)了大氣不穩(wěn)定度較高，而且水汽飽和程度很高。在此次過程中，冷空氣較弱，而且高空200 hPa風(fēng)速較小。主要是因為大氣高能高濕，中層又有明顯的干冷空氣侵入，進一步增強了大氣的不穩(wěn)定性（圖5）。

圖5 2018年8月1日20:00中尺度分析

3 衛(wèi)星云圖和雷達回波

3.1 FY-2G紅外云圖

從FY-2G紅外圖像上看，1日20:00，造成山丹南部短時暴雨的對流云團主要從青海東部生成之后，沿著584外圍東南氣流向西北方向移動，翻過祁連山后，在山丹南部明顯加強，云頂亮溫達到227 K，從而造成了山丹南部的局地暴雨（圖6）。在青海東部，沿著副高外圍產(chǎn)生的對流云團，呈氣旋式旋轉(zhuǎn)，并沿著584線向西北方向移動。2日02:00，在山丹南部遇到地面冷空氣與中層干空氣侵入后，對流云團增強，造成了山丹南部的局地短時強降水與暴雨天氣。2日08:00，對流云團減弱，向西北移出張掖市，張掖的降水逐漸結(jié)束。

圖6 2018年8月2日02:00 FY-2G水汽圖像

3.2 雷達回波特征

分析張掖站多普勒天氣雷達8月2日01:00~04:00的 雷 達 回 波 圖，2日00:54，從平山湖到李橋附近為強度較低的多單體風(fēng)暴，回波強度最大接近40 dBz，張掖東部開始出現(xiàn)降水。01:57，多單體風(fēng)暴增強，35 dBz以上強回波區(qū)擴大，并且連成一片，最強回波接近45 dBz，降水增強，雙湖出現(xiàn)小時17.6 mm的短時強降水。02:38，多單體風(fēng)暴進一步增強，回波最強達到接近50 dBz，并且略微向西北移動，強回波區(qū)位于雙湖；03:06，不斷有新的強回波生成，向西北方向移動，產(chǎn)生列車效應(yīng)，使得山丹南部一直處在強回波的范圍之下，降水也在此時最強，兩站出現(xiàn)短時強降水，雙湖小時降水量達到24.7 mm（圖7a）。04:32，多單體風(fēng)暴進一步向西北移動，而且強回波區(qū)域減小，形成帶狀，強度減弱，減弱到35 dBz，降水開始減弱。從圖7可以看出，強回波區(qū)最高高度只達到5 600 m，所以此次強對流天氣只產(chǎn)生了暴雨。從03:12速度圖像上可以看出，低層是西北風(fēng)，從中層開始轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)向在低層隨高度逆轉(zhuǎn)，存在明顯的冷平流，中層5 500 m左右有14 m/s的風(fēng)速大值區(qū)，中層有明顯的干冷空氣侵入（圖7b）。

圖7 張掖站雷達2018年8月2日03:06（a）與03:12（b）雷達回波強度

4 數(shù)值模式在此次降水過程中的應(yīng)用與表現(xiàn)

4.1 數(shù)值預(yù)報模式降雨預(yù)報產(chǎn)品分析

利用ECMWF細網(wǎng)格產(chǎn)品資料對此次局地性短時暴雨天氣過程進行檢驗分析。從ECMWF細網(wǎng)格對2018年8月1日08:00—2日20:00之間的各種時段的降水量預(yù)報可以看出，ECMWF預(yù)報24 h降水量大值區(qū)是在祁連山沿山地區(qū)與平山湖以東的整個山丹縣，最大降水量級為中雨量級，在10~25 mm之間（圖8）。從12 h與6 h降水量可以看出，ECMWF將最大降水時段預(yù)報為1日14:00~20:00與2日14:00~20:00，沒有考慮2日凌晨的短時暴雨。未能考慮降水量級，降水時段的預(yù)報也出現(xiàn)了較大的誤差。

圖8 2018年8月2日08:00~2日20:00 12 h（a）與14:00~2日20:00 6 h（b）降水量

4.2 數(shù)值預(yù)報模式形勢預(yù)報分析

從EC細網(wǎng)格海平面氣壓形勢預(yù)報可以看出，地面冷空氣在8月1日08:00就已經(jīng)控制了河西中西部，冷空氣前鋒已經(jīng)到達武威，預(yù)報冷空氣進入張掖時間偏早，這也是預(yù)報降水時段在1日14:00~20:00的 主 要 原 因（圖9）。1日20:00，張掖附近的海平面氣壓從1 005降至1 002.5 hPa，冷空氣減弱，這也是預(yù)報1日20:00—2日08:00之間降水量級只有小雨的原因之一。從EC細網(wǎng)格500 hPa高空形勢圖可以看出，EC細網(wǎng)格預(yù)報1日20:00 500 hPa高空形勢，副高外圍584線位置比實況略偏東。實況是在青海—甘肅交界，而預(yù)報在甘肅中部白銀—定西—隴南一線。這也是造成預(yù)報的水汽輸送偏東，降水區(qū)域整體偏東的原因之一（圖10）。從EC細網(wǎng)格500 hPa溫度預(yù)報可以看出，EC細網(wǎng)格預(yù)報中空入侵的冷空氣較弱，溫度比實況高1℃~2℃，而且冷空氣主要影響在1日08:00，預(yù)報溫度為-3℃，在20:00溫度升高為-1℃，冷空氣減弱。而且從EC細網(wǎng)格比濕預(yù)報可以看出，低層預(yù)報比濕與實況相近，而中層預(yù)報比濕偏高，綜合考慮，EC細網(wǎng)格預(yù)報的中層侵入干冷空氣明顯偏弱，而且預(yù)報入侵時間偏早，并且584線偏東，在張掖東南部并沒有好的配合，所以在張掖東南部降水考慮偏弱。

圖9 EC細網(wǎng)格2018年8月1日08:00地面海平面氣壓

圖10 EC細網(wǎng)格2018年8月1日08:00地面海平面氣壓（a）與20:00 500 hPa形勢（b）

5 成功與失敗經(jīng)驗

此次局地暴雨是在副高外圍暖濕氣流控制下，大氣高濕高能，有在青海東部生成的對流云團沿副高外圍584線朝著西北方向移動，到了山丹南部，同時底層有弱冷空氣，中層有較強的干冷空氣入侵，共同影響下造成一次局地短時暴雨天氣。

根據(jù)數(shù)值預(yù)報，在短期預(yù)報時，未考慮此次降水天氣過程存在降水過程，降水量級偏低，降水時段考慮偏遲等問題。數(shù)值預(yù)報對這種局地的極端天氣的落區(qū)、時段和量級預(yù)報表現(xiàn)較差。

加強對多普勒天氣雷達、衛(wèi)星云圖、區(qū)域站10 min降水量等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與研判，根據(jù)降水量監(jiān)控平臺的不同時段的閾值，增加預(yù)警信號、短時強降水天氣提示等產(chǎn)品的提前量，值班預(yù)報員通過提高自己的短臨預(yù)報能力與對多種資料綜合應(yīng)用的能力，以此彌補短期預(yù)報對局地極端天氣預(yù)報的不足。