王小龍 朱擁軍 李悅

摘要：為了提高天水地區(qū)暴雨預(yù)報(bào)及服務(wù)能力，利用天水地區(qū)所有自動(dòng)站資料、高空資料以及Micaps實(shí)況資料，對天水2010年8月12日發(fā)生的一次暴雨天氣過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）此次暴雨過程主要是由位于甘肅南部的低渦切變形成；（2）形成此次暴雨過程的水汽主要來源地是南海，另外還有來自高原和孟加拉灣的水汽作為補(bǔ)充；（3）高低空急流的耦合作用對此次暴雨的發(fā)生具有一定的引導(dǎo)和促進(jìn)作用；（4）高空輻散、低空輻合的流場形勢引發(fā)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，是此次強(qiáng)降水發(fā)生不可或缺的一個(gè)重要條件；（5）通過分析此次過程的垂直速度場可知，持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng)不斷觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，為暴雨的發(fā)生發(fā)展提供了必要的能量條件。

關(guān)鍵詞：暴雨時(shí)空特征；中尺度分析技術(shù)；環(huán)流形勢；高空急流

中圖分類號：P458.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號：cias15010005

0 引言

天水位于甘肅省東南部，境內(nèi)山脈縱橫，地勢西北高，東南低，氣候多變，降水時(shí)空分布不均，全境年平均降水量為482.1 mm，共劃分為3個(gè)不同的降水分布區(qū)，關(guān)山區(qū)（清水縣和張家川縣）和河谷區(qū)（秦州區(qū)、麥積區(qū)）年平均降水達(dá)到500 mm以上，渭北區(qū)（甘谷縣、武山縣、秦安縣）年平均降水不足450 mm，降水自東南向西北逐漸減少，是甘肅暴雨的集中多發(fā)區(qū)之一，年降水的70%以上集中在5—8月。在此期間，強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，多以雷陣雨、暴雨、冰雹的形式出現(xiàn)，突發(fā)性很強(qiáng)。之前有許多學(xué)者對西北地區(qū)暴雨天氣進(jìn)行過大量的分析和研究，但針對天水本地的暴雨天氣個(gè)例分析較少。因此，筆者分析天水地區(qū)暴雨形成的環(huán)流形勢和結(jié)構(gòu)物理特征，以期為天水地區(qū)暴雨預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)以及三農(nóng)服務(wù)工作提供重要的借鑒依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

利用2010年8月10日—12日Micaps實(shí)況場資料以及天水地區(qū)所有地面觀測站降水觀測資料，對天水地區(qū)發(fā)生在8月11日夜間的一次暴雨天氣過程進(jìn)行分析。

1.2 分析方法

使用Surfer繪圖軟件、Micaps 3.1系統(tǒng)及中尺度分析工具，利用天氣學(xué)分析方法及中尺度分析技術(shù)對造成天水此次暴雨過程的天氣系統(tǒng)、水汽條件、動(dòng)力條件以及能量條件進(jìn)行分析。

2 降水過程

由圖1可知，2010年8月11日20時(shí)—8月12日20時(shí)，受低渦切變的影響，天水市出現(xiàn)了入汛以來最大的強(qiáng)降雨天氣過程，全市60個(gè)區(qū)域站有7個(gè)站點(diǎn)降水量達(dá)到50mm以上，其中秦州區(qū)的李子，麥積區(qū)的黨川、麥積山以及甘泉等區(qū)域站日降水量均突破了100/mm，出現(xiàn)了大暴雨。秦州區(qū)的李子鄉(xiāng)日降水量達(dá)182.2mm，12日2—3時(shí)，該鄉(xiāng)1 h降水量為26.3 mm；3__4時(shí)，1 h降水量達(dá)96.1 mm；04—05時(shí)，1 h降水量為29.7mm，降水強(qiáng)度之大，為數(shù)十年來罕見。由于此次強(qiáng)降水中心出現(xiàn)在森林覆蓋率高達(dá)95%以上的秦州區(qū)李子鄉(xiāng)至麥積區(qū)黨川一帶，天水氣象臺提前5 h發(fā)布了暴雨黃色預(yù)警信號，并未引起太大的次生災(zāi)害以及人員傷亡情況，但由于降水較為集中，強(qiáng)度又大，山區(qū)河道常年萎縮，山洪來不及下泄，致使多處溝道洪水猛漲，滑坡、決口、漫堤等，部分房屋受淹倒塌，農(nóng)田淹沒，橋梁涵洞沖毀，人員被困等，使人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)依然受到了的威脅和損失。

3 環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

3.1 天氣形勢

分析500 hPa高空圖（見圖2），8月10日東亞大陸中高緯度為2槽1脊形勢，冷槽位于新疆以北，黑龍江北部有1個(gè)低渦，副熱帶高壓位于青海南部至甘肅平慶一線，甘肅主要為西北氣流所控制，冷空氣可沿著河西地區(qū)一直南下到達(dá)隴東南以北。11日副熱帶高壓西伸北抬，北部冷空氣穩(wěn)定少動(dòng)，高原南側(cè)至青海以東有1個(gè)高原切變生成，西南氣流發(fā)展旺盛。11日20時(shí)，高原上空氣壓降低，輻合加強(qiáng)。12日08時(shí)在合作、定西以及隴南之間有1個(gè)閉合環(huán)流形成，西南氣流明顯加強(qiáng)，出現(xiàn)明顯的氣旋型上升運(yùn)動(dòng)，為暴雨的形成提供有利的水汽條件和動(dòng)力條件。12日20時(shí)低渦減弱為低槽并開始東移，主要降水過程結(jié)束。

700hPa高空場上（見圖3），高原東部多低值系統(tǒng)活動(dòng)，從10日開始青海南部一直位于低值系統(tǒng)控制下，孟加拉灣、南海至天水一帶一直維持有西南氣流，水汽條件非常好。11日20時(shí)開始低值系統(tǒng)不斷加強(qiáng)并形成低渦不斷向天水方向移動(dòng)，到12日8時(shí)已經(jīng)完全抵達(dá)天水，而天水地區(qū)暴雨也主要發(fā)生在該段時(shí)間內(nèi)，同時(shí)，天水附近上空700 hPa輻合也達(dá)到最強(qiáng)。12日20時(shí)開始低渦逐漸減弱并消失，天水降水也顯著減弱，并很快停止。

在整個(gè)過程中，青海南部附近低值系統(tǒng)活動(dòng)頻繁，大氣環(huán)流場也呈東高西低形勢，低壓中心沿著高壓邊緣向天水方向移動(dòng)，11日20時(shí)地面圖上低壓中心位于中國四川盆地，23時(shí)向東北方向有所加強(qiáng)，維持到12日5時(shí)，這與此次強(qiáng)降水的時(shí)間段正好吻合，之后又開始減弱，與700 hPa低渦移動(dòng)發(fā)展方向有著較好的對應(yīng)關(guān)系。

綜合以上可知，在此次暴雨天氣過程中，從地面到高空天水附近一直維持著明顯的輻合上升運(yùn)動(dòng)，高低空配合良好，使得系統(tǒng)從高原東側(cè)向甘肅南部地區(qū)移動(dòng)過程中不斷加強(qiáng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)降水。

3.2 高低空急流的作用

暴雨的形成與高低空急流的相互作用也有著一定的聯(lián)系，因此筆者對高低空急流也進(jìn)行了分析（見圖4）。分析10日700 hPa流場可知，從南海到天水附近一直維持著明顯的偏南氣流，源源不斷的暖濕氣流被輸送到天水附近，同時(shí)在四川北部形成有1個(gè)較大的比濕中心。11日08時(shí)700 hPa全風(fēng)速場上，從南海到陜西東南部有1條較為明顯的次天氣尺度的低空急流，急流中心附近最大風(fēng)速為12 m/s。700hPa高空場上，11日熱低壓由蜀青藏交界處向東北方向開始移動(dòng)，于11日20時(shí)—12日08時(shí)之間在甘肅南部形成1個(gè)低渦，低層輻合明顯加強(qiáng)。11日08時(shí)從南海經(jīng)廣西、貴州和四川盆地一直到陜西南部有1條風(fēng)速≥10 m/s顯著風(fēng)帶，并且在陜西安康至河南南陽之間有1條明顯的次天氣尺度的西南急流（中心風(fēng)速≥12 m/s），它們源源不斷地將高比濕空氣向天水附近輸送。

700hPa相對濕度場對此次天氣過程的水汽輸送情況反應(yīng)較好。從10日開始四川盆地至天水附近相對濕度不斷增加，在11日20時(shí)—12日08時(shí)左右四川北部相對濕度達(dá)到100%，天水附近相對濕度也在90%以上，可見暴雨發(fā)生時(shí)天水地區(qū)相對濕度條件是非常好的。

分析700 hPa水汽通量散度場可知，11日夜間天水位于1個(gè)負(fù)的水汽通量散度大值區(qū)控制下，中心值達(dá)到-16x10^-7/（cm²·hPa·s），說明在這一帶有明顯的水汽匯聚，在一定程度上也反映出700 hPa偏南風(fēng)對水汽的輸送作用。

由于天水地區(qū)平均海拔在1000～1500 m之間，再加上青藏高原和秦嶺山脈的阻擋作用，850 hPa的水汽輸送不到這些地區(qū)，因此筆者不對850 hPa進(jìn)行分析。

綜上所述，700 hPa上持續(xù)而穩(wěn)定的偏南風(fēng)源源不斷的把南海的水汽輸送到天水地區(qū)，為此次天水地區(qū)暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽。由于充沛的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的根本條件，因此偏南風(fēng)和次天氣尺度偏南風(fēng)急流在此次暴雨過程中有著非常重要的作用。

250 hPa高空圖上，自甘肅河西至內(nèi)蒙古中部有1個(gè)西北一東南走向的高空急流，急流軸位于甘肅河西、內(nèi)蒙古阿拉善左旗至呼和浩特一帶，中心最大風(fēng)速≥40 m/s。由于高空急流的入口區(qū)右側(cè)有正的渦度平流，容易引發(fā)高空輻散，迫使低層氣壓降低，從而使低層的氣流輻合上升，形成高空輻散抽吸效應(yīng)，有利于低層低壓系統(tǒng)的維持。

高空急流的右側(cè)容易出現(xiàn)對流性云團(tuán)，尤其是高空急流呈反氣旋型彎曲時(shí)，其右下方4～5個(gè)緯距以外為強(qiáng)的輻散區(qū)，多出現(xiàn)暴雨云團(tuán)。由于高空輻散的抽吸作用使低層形成次級上升環(huán)流，而低空急流左側(cè)為正的渦度區(qū)，當(dāng)?shù)涂盏蜏u遇到強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，2種運(yùn)動(dòng)相重疊，從而形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，從而為暴雨的發(fā)生提供了深厚的垂直環(huán)流發(fā)展條件。而這次暴雨剛好發(fā)生在高空急流軸右側(cè)、次天氣尺度的低空急流軸左側(cè)，正是高低空急流耦合最有利于暴雨發(fā)生的動(dòng)力場區(qū)域。

4 中尺度分析

由于暴雨過程的降水并非由單純的連續(xù)性降水所組成，是過程期間中尺度雨團(tuán)不斷生成和移動(dòng)的結(jié)果，而中尺度雨團(tuán)則是由中尺度擾動(dòng)將小尺度的積云對流組織而成，研究暴雨天氣過程不僅要分析大尺度環(huán)流背景下的主要影響系統(tǒng)，還要分析暴雨天氣過程的物理量特征以及中尺度特征，這也是諸多學(xué)者研究暴雨天氣過程的主要技術(shù)方法。

甘肅東南部暴雨有三大特點(diǎn)：突發(fā)性強(qiáng)，降水強(qiáng)度大，區(qū)域特征明顯。此次降水過程中，武山和甘谷降水量只有1.9 mm和0.1 mm。而天水東部以及天水南部多個(gè)自動(dòng)站、區(qū)域站降水量均達(dá)到了大到暴雨。有關(guān)研究把相鄰2個(gè)測站3 h降水量≥30 mm或1個(gè)測站3 h降水量≥60 mm認(rèn)定為1次中尺度天氣系統(tǒng)影響，照此標(biāo)準(zhǔn)，這次大暴雨天氣過程由中尺度系統(tǒng)所構(gòu)成。

由圖5可知，8月11日20時(shí)，地面圖上天水市地區(qū)為24 h正變壓區(qū)，并相繼有雷暴開始發(fā)生，500 hPa在青海南部到甘肅省蘭州一帶有1條切變線，200 hPa高空急流位于40°N偏北，700 hPa顯著流線從四川盆地經(jīng)陜西南部一直延伸到山東以北地區(qū)，甘肅省武威以北為顯著干區(qū)，四川東部以及我省隴東南地區(qū)為濕區(qū)，天水市位于高空急流軸右側(cè)，低空顯著流線左側(cè)的干濕交匯區(qū)偏南，輻合以及水汽條件良好，有利于高低空急流耦合的形成和強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。

12日08時(shí)地面圖上（見圖6），甘肅南部仍有雷暴發(fā)生，天水地區(qū)有一AT24<0℃的降溫區(qū)與雷暴區(qū)相配合。甘肅南部有1個(gè)低渦生成，700 hPa圖上位于青海南部和武威一帶的干線抬高至馬鬃山至內(nèi)蒙古中部一帶，200 hPa高空急流位置穩(wěn)定少動(dòng)，700 hPa在河南和山東一帶有1次天氣尺度的西南低空急流生成，濕舌范圍減弱至四川以及甘肅南部一帶，天水位于其中。700 hPa溫度槽分裂為2條，一條沿著河西走廊東移至河套以西，一條維持在新疆東部地區(qū)，500 hPa溫度槽穩(wěn)定少動(dòng)，說明在11日夜間至12日上午暴雨發(fā)生之時(shí)低層有冷空氣侵入。綜合分析可知，在11日夜間至12日上午天水市南部高空為輻散區(qū)，中低空為深厚的輻合區(qū)，水汽條件良好，低層有冷空氣侵入，有利于產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。

5 物理量診斷分析

5.1 水汽條件

5.1.1 比濕分析暴雨在大氣比濕達(dá)到一定的條件下才能形成嘲，據(jù)統(tǒng)計(jì)，天水地區(qū)暴雨大都發(fā)生在700 hPa比濕≥8 g/kg的環(huán)境場中。分析此次暴雨天氣過程中天水附近700 hPa比濕場的水平分布可知，12日08時(shí)天水附近存在1個(gè)明顯的高比濕區(qū)域，比濕值達(dá)到8 g/kg以上，中心位于四川東北部，中心最高值達(dá)到14 g/kg，天水市完全位于10 g/kg的等比濕線以內(nèi)，而經(jīng)驗(yàn)也表明當(dāng)天水市比濕達(dá)到10 g/kg以上時(shí)，如果有明顯的天氣系統(tǒng)相配合極易引發(fā)暴雨（見圖7）。

5.1.2 水汽通量和水汽通量散度 暴雨的發(fā)生還需要有充足的水汽作為補(bǔ)充。只有大量水汽不斷在降水區(qū)輻合并凝結(jié)降落，暴雨才有可能發(fā)生。12日08時(shí)700hPa水汽通量場上，從兩廣到四川盆地有1條明顯的水汽輸送帶，其中心位于四川省北部，強(qiáng)度達(dá)到12×10^-4g/（cm·hPa·s）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，暴雨落點(diǎn)一般位于水汽通量大值區(qū)的下風(fēng)向，而天水此次的強(qiáng)降水區(qū)就在四川輸送中心北側(cè)，這對預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)具有一定的指示意義（見圖8）。

水汽通量散度表征水汽的集中程度閉，通過分析此次暴雨過程天水附近700 hPa水汽通量散度可知，天水位于水汽凈輸入?yún)^(qū)，而且水汽通量散度中心也恰好位于天水至蘭州附近，說明這些地方有很強(qiáng)的水汽通量輻合，對暴雨的形成非常有利（圖略）。

5.2 動(dòng)力條件

5.2.1 渦度和散度 暴雨得以發(fā)生的初始動(dòng)力條件是高層有明顯的輻散，低層有明顯的輻合。在12日08時(shí)的500 hPa渦度場上，天水附近為-20x10^-1s^-1。的負(fù)渦度，而在700 hPa的散度場上，天水附近為-20×10^-5s^-1。的負(fù)散度，高層具有明顯的輻散，低層有明顯的輻合，高低空結(jié)合形成強(qiáng)烈的抽吸效應(yīng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了天氣系統(tǒng)的垂直發(fā)展，對暴雨的形成提供了很好的動(dòng)力抬升條件（圖略）。

5.2.2 垂直速度 暴雨的發(fā)生還需要源源不斷的上升運(yùn)動(dòng)。從各層的垂直速度分布情況來看，天水地區(qū)高低層在12日均處于上升氣流中，上升區(qū)700 hPa垂直速度最大值為-4×10^-3hPa/s，500 hPa最大值為-8×1-^-3hPa/s，300 hPa最大值為-4×10^-3hPa/s，深厚的垂直運(yùn)動(dòng)不斷觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，加強(qiáng)了暴雨天氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展（圖略）。

5.3 能量條件

5.3.1 假相當(dāng)位溫12日08時(shí)700 hPa假相當(dāng)位溫場上，在四川北部有1個(gè)高能中心，天水位于高能中心邊緣，高能軸呈西南一東北走向，高能舌伸向隴南地區(qū)；12日20時(shí)700 hPa假相當(dāng)位溫場上高能中心仍位于四川北部，天水一直處于假相當(dāng)位溫的大值區(qū)，表明天水附近有著明顯的能量輸送，有利于強(qiáng)降水的形成（圖略）。

以500 hPa和700 hPa的假相當(dāng)位溫之差△θ_se來描述層結(jié)的穩(wěn)定性，△θ_se<0表示大氣層結(jié)不穩(wěn)定。分析8月12日08時(shí)的△θ_se可以看出，△θ_se已經(jīng)由負(fù)值轉(zhuǎn)而趨向于0，大氣不穩(wěn)定狀態(tài)已經(jīng)減弱，而此時(shí)主要強(qiáng)降水過程已經(jīng)結(jié)束，大部分大氣不穩(wěn)定能量已經(jīng)釋放，由可見，△θ_se對暴雨的產(chǎn)生同樣具有一定的指示性意義（圖略）。

5.3.2 海平面K指數(shù)分析K指數(shù)是表征大氣的溫度垂直遞減率和大氣中低層的濕度條件與飽和程度的物理量，K值越大，大氣愈不穩(wěn)定和愈潮濕。根據(jù)當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)K指數(shù)值在25～30℃之間時(shí)，天水地區(qū)就有可能發(fā)生雷暴，而當(dāng)K指數(shù)大于35℃時(shí)，天水就很可能發(fā)生成片的雷雨。12日08時(shí)的K指數(shù)圖場上，天水地區(qū)K值為3C℃左右，具備發(fā)生強(qiáng)降水天氣的條件，這對暴雨的預(yù)報(bào)也具有一定的指示意義（圖略）。

6 結(jié)論

（1）副熱帶高壓西伸北抬迫使高原南部西南氣流不斷加強(qiáng)，并誘導(dǎo)了高原低渦系統(tǒng)的生成，高原低渦是造成此次天水地區(qū)暴雨天氣過程的主導(dǎo)系統(tǒng)。

（2）低層西南暖濕氣流和低空急流為暴雨的形成提供了大量的水汽和能量，同時(shí)，還有來自孟加拉灣和高原的水汽作為補(bǔ)充。

（3）暴雨區(qū)位于高空急流軸右側(cè)、低空急流軸左側(cè)，高低空急流的耦合作用對此次暴雨的形成具有一定的促進(jìn)作用。

（4）此次暴雨天氣過程中，比濕、K指數(shù)等物理量特征明顯，符合天水本地暴雨天氣過程指標(biāo)，同時(shí)，渦度、散度以及假相當(dāng)位溫等物理量在此次暴雨天氣過程中也具有較好的指示性。

7 討論

（1）夏季副熱帶高壓的變化直接影響著高原南部天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。當(dāng)副熱帶高壓增強(qiáng)，高原南部西南氣流發(fā)展旺盛時(shí)，有利于高原低渦系統(tǒng)的生成，這與許多研究者對夏季副熱帶高壓變化與高原低渦系統(tǒng)生成的相互關(guān)系觀點(diǎn)相一致。

（2）高低空急流的存在影響著天水地區(qū)暴雨天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，尤其是當(dāng)夏季高低空急流發(fā)生耦合時(shí)，對天水地區(qū)暴雨的形成具有一定的促進(jìn)作用。

（3）此次暴雨天氣過程中低空急流尺度小，并且存在時(shí)間較短，位置也相對偏東南，這在類似的天氣分析中比較少見。究其原因可能是本研究只針對天水地區(qū)的暴雨進(jìn)行了分析，具有一定局限性，在以后的研究中應(yīng)特別針對這一情況做出詳細(xì)研究，以便更清楚地解釋其中的原理。