张掖地区一次大到暴雨天气过程分析

李文清

 （张掖机场气象台 甘肃张掖 734099）

摘要：对2018年8月31日-9月1日发生在河西走廊中部张掖市的一次大到暴雨天气从环流形势、物理量场、卫星云图和雷达回波等方面进行分析，表明：乌山以东暖高脊的南压迫使乌山冷槽东移，槽后冷平流强烈，为此次降水提供了冷空气和触发机制；副高外围长时间强盛的偏南气流为降水提供了丰富的水汽；700hp的中尺度暖式切变线和强盛的辐合造成了降水的抬升条件；低层700hp的暖湿气流遇到祁连山属于迎风爬坡状态，沿山势的抬升运动使得高台县雨量明显增强引发洪灾。

关键词：大到暴雨；环流形势；物理量产；雷达图

引言

张掖处在河西走廊中部，拔海在1300m～2000m之间（不计算祁连山区），气候相对干燥，大到暴雨天气只有夏季才会出现，但是在植被稀薄土壤蓄水能力较弱的西北来说，大到暴雨往往会对人民生命财产和生产设施造成威胁，根据甘肃省气象局对河西地区的降水标准的规定，24小时降水量大于等于30mm定义为暴雨^[1]。2018年8月31日15时到9月1日08时，张掖多地降水超过30mm（表1），其中高台县南华镇遭遇了自1974年以来的最强降水，暴雨诱发山洪，多处发生地质灾害，部分乡镇道路受损，农田淹没，个别企业厂房及生产设备毁坏严重，经济损失达2806万元。这次暴雨从经济损失和过程降水量来看是河西地区影响很大的一次降水.

表1  2018年8月31日15时到9月1日08时张掖各站降水量统计表（mm）

Tab.1  Statistics of precipitation at each station in Zhangye from 20:00 on 31 August to 08:00 on 1 September 2018(mm)

1  环流形势分析

1.1  500hp环流形势

前期500hp’中高纬波动明显，为两槽两脊的形势，两槽分别位于亚洲东海岸和乌山以东附近，欧洲东部到乌山以及两槽之间是暖高脊，副高588线位于青藏高原东部四川盆地上空，绕高原边缘是副高外围气流控制下的强盛偏南暖湿气流。31日20时（图1），乌山西边暖高脊南压，迫使冷槽进一步东移南下，冷槽底部已经到达天山北部，并且已经有冷空气分裂到高原北侧，31日20时冷槽底部的西北气流在副高外围气流的影响下在青海北部形成冷槽，槽前暖湿气流强盛，槽后有冷空气入侵，青海北部500hp冷槽是此次降水的高空主要形式，槽后的西北气流为此次降水提供了冷空气。

图1  2018年8月31日20时500hp环流形势

Fig. 1  The 500hp synoptic situation at 20:00 on 31 August 2018

1.2  700hp和地面形势

700hp上，31日08时开始312线绕高原东侧直达河西走廊中东部，沿着312线是强盛的偏南暖湿急流，急流中心的最大偏南风速在31日08-20时达到12m/s或以上，同时配合500hp的偏南气流为此次降水提供了源源不断的水汽。在700hp上，与500hp相对应的乌山冷槽在31日08时到达甘肃上游，地面冷锋也已经移动到甘新交界处到额济纳附近，与此同时锋线附近的敦煌等地已经出现了降水，31日20时，冷锋移继续下移经过张掖，张掖站的温度从31日20时到9月1日02时从19℃降到10℃，足见此次冷空气的强盛。

从31日08时开始，700hp上高原南部，以西藏和青海交接为中心的暖低形势明显，受312偏南暖湿气流的影响，暖湿空气进一步积累，31日20时，暖中心温度持续上升并且达到20℃，暖中心的北部是紧邻的冷空气，这样的配置也进一步加剧了冷暖空气的交汇。31日20时，冷槽东移到高原北部和河西中上游，槽底部的西北气流达到12-14m/s，与槽前暖湿气流形成强烈的中尺度暖式切变辐合，中尺度暖式切变也是此次降水的直接形势。

31日08-20时，在张掖、民勤等站上空风向风速变化比较明显，700hp及低层是偏东风或偏东南，风速4m/s以内，但是在500hp或以上，风向转为西北风，风速也急剧增大，垂直风切变的存在有利于对流不稳定和高空辐散作用，对降水有利。

2  主要影响系统

此次降水的主要影响系统有（1）由于暖高脊的东移迫使乌山冷槽南下加深，强烈的冷平流入侵到暖湿空气中形成降水，也是此次过程的触发机制，同时也改变了河西地区前期暖低压、高湿度的单一气层结构；（2）低层700hp的暖式切变线造成了强烈的辐合运动和中尺度云团，有利于不稳定能量的释放和降水的发生；（3）副高外围长时间强盛偏南气流和低空急流带来了丰富的水汽，造成了降水的持续。

3  物理量诊断分析

3.1  水汽条件分析

3.1.1  水汽运输

形成降水水汽是必不可少的条件，滕水昌等^[2]认为低层700hp的湿度与降水有直接的关系。图2（a）为8月31日20时700hp水汽通量图，水汽源地的水汽输送到降水区，其输送量的大小用水汽通量来表示^[3]，青海省一直向北到河西走廊西部和河东庆阳两处是水汽通量较大的区域，其中青海中北部的水汽通量达到12g·cm^-1·hPa ^-1·s ^-1,，河西走廊中部包括张掖上空水汽通量4g·cm^-1·hPa ^-1·s ^-1，31日夜间到9月1日早上08点，受夜间西南低空急流的影响，水汽输送比较明显，河西走廊中部该数值增大到10·g·cm^-1·hPa ^-1·s ^-1。整个31日，700hp水汽通量在明显增大，31日夜间又有显著增加，并且500hp上也与700hp相对应，张掖上空也是有水汽输送比较大的地区，从底层到高层稳定强大的水汽输送为此次降水提供了充足的水汽条件。

(a)                               (b)

图2  2018年8月31日20时700hp水汽通量(a)和水汽通量散度(b)

Fig.2  The 700hp water vapor flux(a) and water vapor flux divergence(b) at 20:00 on 31 August 2018

3.1.2  水汽累积

图2（b）为8月31日20时700hp水汽通量散度图，当水汽源地的水汽运输到降水区时，水汽需要水平辐合上升才能产生降水，单位体积内水汽水平辐合的大小用水汽通量散度来表示^[4]。31日08时，青海中部地区水汽通量散度为负值，河西中部水汽通量散度为正值，说明此时河西走廊的水汽辐合条件不是太好，但是到了31日20时，青海负值区域向北扩大到河西走廊中部，张掖上空水汽通量散度全部为负值，青海中部达到-50*10^-7g·cm ^-2·hPa ^-1·s ^-1,，河西走廊中部也达到-20*10^-7g·cm ^-2·hPa ^-1·s ^-1, ，如此大的水汽通量散度在全国范围内也并不常见。

所以河西走廊中部不但水汽输送较强，而且水汽在该地区的辐合也很强，强盛的水汽辐合为大到暴雨提供了水汽累积和聚合条件。

3.1.3  比湿、相对湿度、温度露点差

普遍认为850hp上的比湿大于12g/kg，或者700hp上的比湿大于8g/kg时，有可能出现暴雨，观察8月31日-9月1日700hp的比湿分布（图3（a）），河西走廊31日20时比湿在10-12g/kg，张掖站20时比湿10.27g/kg，500hp上的比湿也能达到6.47g/kg。底层比湿的高值中心在青海西部和甘肃中南部，沿青海北部和河西走廊一直延伸到甘肃西部，都是高湿舌区。

(a)                               (b)

图3  2018年8月31日20时700hp比湿(a)和相对湿度(b)

Fig.3  The 700hp specific humidity (a) and relative humidity(b) at 20:00 on 31 August 2018

从相对湿度和温度露点差分析（图3（b）），31日08时到9月1日08时，绕整个高原西北侧一直延伸到敦煌相对湿度都大于90%，31日20时张掖站700hp和500hp相对湿度分别是93%和92%，空气几乎饱和。张掖站31日20时400hp及以下T-Td小于等于1，湿层厚度相当大，到9月1日08时，随着空气中水汽的凝结和降水的发生湿层厚度有所下降。所以31日河西走廊包括张掖以及往东的大部分地区空气接近或达到饱和，水汽极易凝结形成降水。

3.2  涡度条件分析

从8月31日08时到9月1日08时高原北侧和河西中部300hp和400hp上涡度均为负值，31日20时，河西走廊和张掖上空300hp的涡度达到-60*10^-5·s ^-1，400hp涡度值-40*10^-5·s ^-1（图4（a）），与此同时700hp上青海北部到阿拉善高原都是正涡度，31日20时，河西走廊和张掖上空的涡度达到20*10^-5·s ^-1（图4（b）），这种下层正涡度较大，上层负涡度明显的结构，使整个大气层低层辐合强烈，上层辐散强烈，加强了空气层的上升运动，也为空气层的抬升提供了强大的动力因子。

(a)                               (b)

图4  2018年8月31日20时300hp涡度场(a)和700hp涡度场(b)

Fig.4  The 300hp vorticity field(a) and 700hp vorticity field(b) at 20:00 on 31 August 2018

3.3  垂直速度

从30日08时开始，青海北部和河西走廊上空500hp上都是负的垂直速度，从30日到31日，负垂直运动的强度和厚度范围在进一步增大， 31日20时，500hp河西走廊张掖上空垂直速度在-40*10^-3·s ^-1,及以上，700hp上述地区垂直速度在-20*10^-3·s ^-1及以上（图5（a）），垂直速度的中心仍位于高原北侧，强盛的上升气流为此次降水过程提供了很好的动力条件。随着降水结束，9月1日早上08时，河西上空垂直速度由负值逐渐转为0或者正值。

(a)                               (b)

图5  2018年8月31日20时700垂直速度(a)和温度平流(b)

Fig.5  The 700hp vertical velocity(a) and temperature advection(b) at 20:00 on 31 August 2018

3.4  温度平流

从8月30日08时开始，祁连山和河西走廊都是暖平流控制，整个31日，正温度平流的中心位于河西走廊中端靠北的方向，500hp上暖平流十分强盛，暖平流的中心依然在张掖偏北的方向，31日20时河西走廊张掖上空正好是冷暖平流的交汇处，700hp张掖上空温度平流为0.21-0.61*10^-5·K·s ^-1，而在500hp，这一数值达到4.0*10^-5·K·s ^-1（图5（b）），故而前期暖平流的发展为降水提供了不稳定能量，31日700hp冷暖平流的交汇正好促进了降水发展和增大。

3.5  总温度场和假相当位温条件分析

一般将总温度场大于等于68℃的区域作为大到暴雨高能区的考虑^[5]，降水发生的前12-24小时，从30日20时开始，以青海省为中心从700-300hp都是高能区，各层总温度在68-72℃之间，31日20时，河西走廊张掖上空总温度≥68℃（图6（a）），500hp总温度≥72℃，从31日夜间到9月1日，高能舌由河西地区向河西下游和河套方向延伸和移动，说明在降水前期能量的积累已经十分充足。

(a)                               (b)

图6  2018年8月31日20时700hp总温度场(a)和假相当位温场(b)

Fig.6  The 700hp total temperature field(a) and θse field(b) at 20:00 on 31 August 2018

假相当位温θse是温度气压和水汽的重要的参数，θse反映了大气中能量和水汽含量的高低^[6]，从8月30日08时开始，500hp以整个高原中部为中心都是横向分布的高能区，到31日晚上20时，高能区向北扩展，河西走廊中部θse在76-80℃之间，700hp上河西中部θse也在72-76℃之间（图6（b）），为大到暴雨的发展提供了能量条件，并且整个大气层从高原北部到阿拉善以北都是θse的锋区，降水就发生在θse高值区北侧或其锋区内，随着降水的发生，能量逐渐释放，9月1日08时，θse的高值区逐渐向东移动到河套附近，河西降水过程也随之结束。

3.6  不稳定指数分析

31日早上08时到晚上20时（表2），K指数和抬升指标Li在一直增大，Cape值从0 增大到320.7J·Kg ^-1，说明空气层结从早上到晚上是更加趋于不稳定。根据寿绍文天气学分析中的判定方法^[7]，当满足下列三个条件时，（1）SI≤1.5，但在六月≤3，5月≤4；（2）T-Td_（850hp）≤3；（3）850-500hp温度平流≥2*10^-5·K·s ^-1，就容易有大雨发生。虽然降水是发生在9月份，SI参照5月和6月可以认为是满足，T-Td和温度平流都满足条件，也验证了12-24小时以内的大到暴雨的发生。

表2  2018年8月31日08时和20时张掖测站各类不稳定参数

Tab.2  Various unstable parameters of Zhangye station at 08:00 and 20:00 on 31 August 2018

4  卫星云图和雷达回波特征

由于8月31日整天湿度都比较大，青海北部到河西走廊一带都是宽广密实的中尺度云团，下午18:00左右，云团进一步向北发展，云顶亮温数值进一步减小，河西走廊开始有降水产生，中尺度云团也是此次降水的直接原因。下面主要从雷达资料分析回波图像在张掖地区的特征，根据陈垚森的研究^[8]，多普勒雷达在降水量的估计上不同仰角（0.5°，1.5°，2.4°）的回波都有很好的使用价值，一般情况下只使用第一层（0.5°仰角）资料，所以此处只使用0.5°仰角的回波来分析。从2018年8月31日晚上18:00开始到9月1日08点降水主体基本结束为止，大部分地区回波强度基本上在20-30dbz之间（图7），偶有地区能达到30-40dbz，在大范围平坦的层状云中混合有对流云形成絮状回波，回波高度基本上在1700-2300米之间，这种有层状云和对流云混合而成的絮状回波是此次降水较大的原因之一。

观察雷达资料，在20:00左右在机场上空从空回波变成20dbz及以上，根据张掖机场的实时监测，也正是在这个时间机场气象台观测到开始有降水生成，反之亦然，在早上08:00左右张掖机场降水结束，回波也基本消失。所以在临近预报中，回波图像的生成和结束正好能够很好地反映该地区降水的开始和终止，究其原因，一方面是由于云层增厚的影响，另一方面也是因为云滴增长成为雨滴，雨滴等粒子对雷达的反射，也会造成回波强度的增大。

图7  2018年8月31日18:00到9月1日04:00张掖站雷达回波图像

Fig.7  The radar echo images of Zhangye station from 18:00 on 31 August to 04:00 on 1 September 2018

5  地形影响

根据研究表明，强降水多出现在山前迎风坡平坦的地方，降水增幅可达30%以上^[9]，河西走廊南侧是西北-东南走向的祁连山，高台县位于祁连山北侧20公里左右，南华镇处于高台县偏南方向接近10公里的位置，几乎靠近祁连山。观察31日20时700hp风向，在民勤站和张掖站，风向都为偏东风，风速较小，但在酒泉站风向却转为偏北风，风速达到12m/s，由此可以断定，在高台和南华镇700hp的风向为东北风或者偏北风，风速也不小，这样的风向正好是对着祁连山，低层700hp的暖湿气流遇到祁连山属于迎风爬坡状态，沿山势的抬升运动使得高台县雨量明显增强引发洪灾。

6  结论

（1）乌山以东暖高脊的南压迫使青海北部500hp冷槽东移，槽后的西北气流为此次降水提供了冷空气和触发机制。

（2）绕高原东侧副高外围长时间强盛的偏南气流为降水提供了丰富的水汽。

（3）700hp的中尺度暖式切变线和强盛的辐合造成了降水的抬升条件，有利于不稳定能量的释放和降水的发生。

（4）各项物理量场的配置以及高能量、高湿度的大气环境为降水提供了能量和水汽条件，31日20时河西走廊中部水汽通量散度达到-20*10^-7g·cm ^-2·hPa ^-1·s ^-1, ，如此大的数值比较罕见，也造成了局地暴雨的发生。

（5）对层状云和对流云混合而成的絮状云团回波的监测，对降水的具体开始和终止时间有很好的指示作用。

（6）低层700hp的暖湿气流遇到祁连山属于迎风爬坡状态，沿山势的抬升运动使得高台县雨量明显增强引发洪灾。

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Analysis of a Heavy Rain Process occurred in Zhangye Area

Li Wenqing

(Meteorological Station of Zhangye Airport, Zhangye, Gansu province 734099)

Abstract: A heavy rain process occurred in Zhangye area on 31 August to 1 September 2018 was analyzed from synoptic situation of atmosphere, physical quantity field, satellite Images and radar echo images. The results show that the development of 500hp cold trough in east of the Ural Mountains moves eastward has brought cold air and trigger mechanism for this heavy rain process. The reason is that the high warm ridge moves southward on the east side of the Ural Mountains. The long-term southerly airflow around the Western Pacific Subtropical High provides abundant water vapor for precipitation. The medium-scale wind vertical warm shear in 700hp and strong convergence rise resulted in increase of upward air movement for the rain. The low-level warm and humid airflow of 700hp was lifted up in the Qilian Mountains, which was the main reason for causing rain to become bigger and arousing flood disaster in Gaotai County.

Keywords: Heavy Rain; synoptic situation of Atmosphere; Physical quantity field; Radar echo images