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，預報的難度較大。通常我國東部沿海區發生暴雨的頻數多、強度大; 而西北干旱區雖然發生暴雨的頻數少、強度相對弱，但因其突發性強，預報難度大，加之干旱區植被覆蓋率低，水土涵養差，因此由其引發的泥石流、滑坡、山洪等衍生自然災害通常會給工農業生產和人民生命財產造成嚴重損失。西北地區大部分地區年降水量少，日降水量達到 50 mm 的過程也很少。就西北暴雨強度而言，與國內其他地區相比，半日或日平均強度較弱，但短歷時暴雨強度相差不大。西北地區氣象工作者對西北暴雨的氣候特征、環流和系統、物理條件、概念模式、低空急流、衛星云圖和雷達回波特征、地形和下墊面影響、預報方法等方面進行了研究。錢正安等[1]研究表明，河西走廊地區出現副高西伸等特定有利環流形勢下，核心旱區的主要水汽源地在臺海區。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日發生在河西走廊中部的一次局地短時暴雨天氣過程，從環流形勢、衛星云圖、雷達回波、數值預報對此次過程的預報表現等方面，分析了此次暴雨天氣過程，為我國西北干旱區暴雨天氣的預報提供著眼點，為地方政府防汛減災提供參考依據。

1 過程概述與災情

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，張掖市出現中到大雨，山丹、民樂局地暴雨，山丹雙湖出現大暴雨天氣，最大降水出現在山丹雙湖（75.4 mm）。暴雨過程局地性強、持續時間短、強度大，112個自動氣象站中，達到河西地區暴雨標準（≥30 mm）僅有6站。但僅雙湖站從2日01:00~04:00，連續3 h的小時降水量超過10 mm，達到河西地區短時強降水標準，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588線附近。異常偏北的副高使得來自南海的西南季風水汽跨過烏鞘嶺，副高南側的臺風帶也向北，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 天氣尺度環流背景場

2.1 500 hPa環流形勢

2018年8月1日08:00 500 hPa環流形勢圖上，副高控制我國華北至東北一帶，588線最西部達到河套地區，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環流形勢圖，河西西部的短波槽略微東移，從內蒙古西部到甘肅中部的西北—東南向高壓穩定維持，河西走廊中部有明顯的冷暖交匯區，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。河西中西部轉為槽后西北氣流，降水減弱。

圖2 2018年8月1日20:00 500 hPa環流形勢

2.2 700 hPa環流形勢

2018年8月1日08:00 700 hPa環流形勢圖上，在張掖上空存在切變。受12號臺風云雀影響，從南海到河西中部存在顯著南風氣流，最大風速14 m/s，將南海的水汽源源不斷地向河西地區輸送。內蒙古西部到河西地區有中心溫度達16℃的暖中心。1日20:00，顯著南風氣流減弱，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，顯著南風氣流增強為低空急流，最大風速達18 m/s。切變線東移至甘肅中部，強降水落區隨之逐漸東移，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定能量較多，已經有強對流開始發展。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切變線疊加產生強勁的上升運動），高空輻散（200 hPa為反氣旋式環流），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℃，使得大氣的不穩定度上升。而且甘肅省除了酒泉西部，其他地區的K指數均≥30，中心最大值在內蒙古臨河，達到46，體現了大氣不穩定度較高，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定性（圖5）。

圖5 2018年8月1日20:00中尺度分析

3 衛星云圖和雷達回波

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，沿著副高外圍產生的對流云團，呈氣旋式旋轉，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暴，回波強度最大接近40 dBz，張掖東部開始出現降水。01:57，多單體風暴增強，35 dBz以上強回波區擴大，并且連成一片，最強回波接近45 dBz，降水增強，雙湖出現小時17.6 mm的短時強降水。02:38，多單體風暴進一步增強，回波最強達到接近50 dBz，并且略微向西北移動，強回波區位于雙湖；03:06，不斷有新的強回波生成，向西北方向移動，產生列車效應，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，多單體風暴進一步向西北移動，而且強回波區域減小，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，強回波區最高高度只達到5 600 m，所以此次強對流天氣只產生了暴雨。從03:12速度圖像上可以看出，低層是西北風，從中層開始轉為東南風，風向在低層隨高度逆轉，存在明顯的冷平流，中層5 500 m左右有14 m/s的風速大值區，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 數值模式在此次降水過程中的應用與表現

4.1 數值預報模式降雨預報產品分析

利用ECMWF細網格產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報可以看出，ECMWF預報24 h降水量大值區是在祁連山沿山地區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，降水時段的預報也出現了較大的誤差。

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 數值預報模式形勢預報分析

從EC細網格海平面氣壓形勢預報可以看出，地面冷空氣在8月1日08:00就已經控制了河西中西部，冷空氣前鋒已經到達武威，預報冷空氣進入張掖時間偏早，這也是預報降水時段在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細網格500 hPa高空形勢圖可以看出，EC細網格預報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，而預報在甘肅中部白銀—定西—隴南一線。這也是造成預報的水汽輸送偏東，降水區域整體偏東的原因之一（圖10）。從EC細網格500 hPa溫度預報可以看出，EC細網格預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細網格比濕預報可以看出，低層預報比濕與實況相近，而中層預報比濕偏高，綜合考慮，EC細網格預報的中層侵入干冷空氣明顯偏弱，而且預報入侵時間偏早，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細網格2018年8月1日08:00地面海平面氣壓

圖10 EC細網格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。

根據數值預報，在短期預報時，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。數值預報對這種局地的極端天氣的落區、時段和量級預報表現較差。

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