張洪芬， 李祥科， 焦美玲, 邱寧剛

(慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000)

引 言

暴雨天氣是我國夏季最易發(fā)生的災害性天氣[1-2]，其引發(fā)的城市內澇、山洪、泥石流等次生災害危害性大。暴雨的發(fā)生發(fā)展受多種尺度環(huán)境條件的共同影響。近年來關于暴雨氣候特征、行星尺度系統(tǒng)、大尺度環(huán)流背景、中小尺度天氣系統(tǒng)、地形影響、物理機制、多普勒天氣雷達、數(shù)值模擬等方面多有研究[3-19]，也取得許多有意義的研究成果，在一定程度上提高了預報預警能力。

甘肅慶陽地處甘肅東部，屬西北黃土高原東部，號稱“黃土層最厚”的地方，山、川、塬，溝、茆、梁相間，高原風貌雄渾獨特，土質疏松，海拔高度落差大，是暴雨尤其是突發(fā)性暴雨最易發(fā)生區(qū)[20-21]。據(jù)統(tǒng)計，慶陽市每年受暴雨侵襲引發(fā)的城市內澇、洪澇山洪等次生災害的經(jīng)濟損失在1億元以上，直接影響人民群眾的生命財產(chǎn)安全及社會穩(wěn)定。在全球氣候變暖的背景下，慶陽市近年來年暴雨場次逐漸增多，特別是2018年暴雨異常偏多，為歷年同期最多。慶陽市短時強降水多，強降水強度大，災害性強，給當?shù)氐霓r林牧漁業(yè)生產(chǎn)、群眾生活帶來了嚴重影響，并引發(fā)了不少地質災害。因此對暴雨期間的氣候背景、環(huán)流形勢、水汽來源及物理量進行分析，確定在大環(huán)流背景下慶陽市暴雨發(fā)生發(fā)展機制，以期為提高預報準確率、災害評估、氣象災害防御決策、降低農業(yè)損失提供科學依據(jù)和氣象保障。

1 資料與方法

1.1 資料來源與方法

使用資料為2018年6月20日至8月31日MICAPS常規(guī)資料、物理量及自動站和區(qū)域站降水等資料；歷史資料為2008-2017年10年暴雨資料，來源于慶陽市下轄8縣區(qū)國家站及區(qū)域自動氣象站所觀測資料。利用診斷分析、統(tǒng)計分析等方法對資料進行再分析。

西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)脊線數(shù)據(jù)、500 hPa平均高度場圖、整層水汽輸送距平場圖來自中國氣象局國家氣候中心。

1.2 統(tǒng)計標準

按氣象部門規(guī)定，24 h降水量50-99 mm為暴雨，100-199 mm為大暴雨，以明顯系統(tǒng)(槽、切變線、冷渦等)造成的持久而穩(wěn)定的暴雨為系統(tǒng)性暴雨，以局地性強對流天氣過程造成的且出現(xiàn)多站1 h降水≥20 mm的短時強降水的暴雨為突發(fā)性暴雨[22]。

2 慶陽2018年汛期暴雨特征

慶陽市歷年平均每年發(fā)生6場次暴雨。其中，13%為100 mm以上的大暴雨，即平均每年發(fā)生大暴雨0.8場次，強對流特征顯著的突發(fā)性暴雨占66%，降水持久而穩(wěn)定的系統(tǒng)性暴雨占34%。而2018年出現(xiàn)暴雨16場次，較常年異常偏多；出現(xiàn)大暴雨5場次，最大降水量為131.1 mm，占暴雨場次的31%，較歷年的明顯偏多；突發(fā)性暴雨13次，占總暴雨場次的81%；最大小時降水量68.8 mm，小時降水量在40 mm以上的場次多，且均出現(xiàn)在突發(fā)性暴雨過程中；年內出現(xiàn)短時強降水242站次，比歷年均值明顯偏多。

歷年暴雨主要分布在慶陽市東南部的西峰、慶城、正寧、寧縣及合水西部，寧縣年暴雨頻率最高。2018年暴雨(圖1)西峰出現(xiàn)次數(shù)最少，年內只出現(xiàn)1次；次少的是合水，出現(xiàn)3場次；然后是正寧、寧縣、鎮(zhèn)原。北部3站出現(xiàn)暴雨場次最多，尤其是環(huán)縣，出現(xiàn)暴雨9場次，華池出現(xiàn)暴雨7場次，慶城出現(xiàn)暴雨6場次。暴雨落區(qū)主要集中在環(huán)縣東部和南部、華池中部、慶城西部和北部及鎮(zhèn)原西部。2018年慶陽市的暴雨分布較常年的偏北。

圖1 2018年慶陽市暴雨次數(shù)空間分布

2018年慶陽市暴雨出現(xiàn)在6月下旬至8月底，較歷年暴雨出現(xiàn)時段(5-9月)集中(表 1)。2018年暴雨集中出現(xiàn)在三個時段：第一時段是在6月下旬至7月中旬前期，27天出現(xiàn)暴雨7場次，平均每4天一次暴雨過程，以系統(tǒng)性暴雨為主；第二集中時段在8月上旬后期至中旬，共15天，出現(xiàn)暴雨8場次，平均每2天出現(xiàn)一場次暴雨，尤其是8月7-9日、11-15日每日一個暴雨過程，該時段以突發(fā)性暴雨為主；第三時段為8月末，為突發(fā)性暴雨。

表1 2018年慶陽市暴雨統(tǒng)計

2018年暴雨場次多，暴雨發(fā)生時段集中，大暴雨場次多，突發(fā)性暴雨多，短時強降水多，小時降水量大，災害嚴重。這對預報服務來說，難度非常大。

3 副高影響分析

副高脊線位置與我國雨帶的位置密切相關。我國大雨帶一般出現(xiàn)在副高脊線西北部5～8個緯距范圍內[23-25]，暴雨主要出現(xiàn)在副熱帶高壓北側的大雨帶之中。甘肅省慶陽市地處西北地區(qū)東部，屬北溫帶半濕潤、半干旱氣候過渡區(qū)，大降水的水汽主要來源于副高外圍偏南氣流帶來的暖濕氣流，故而可以說西太平洋副熱帶高壓是慶陽市暴雨的主要影響系統(tǒng)。

3.1 歷年氣候背景

慶陽市夏季雨熱同期，是暴雨的主要發(fā)生時段。據(jù)統(tǒng)計，2008-2017年10年間慶陽市暴雨中有75%出現(xiàn)在7-8月。慶陽地區(qū)的暴雨與副高有著直接的關系。暴雨的出現(xiàn)是由于副高的南北進退所造成的：7月上旬副熱帶高壓第二次北跳，跳過25°N以北，慶陽市處在副高西北部邊緣的暖濕氣流里，出現(xiàn)了7月暴雨高峰；7月底到8月初副高第三次北跳，慶陽地區(qū)處在副高西北部的西南氣流的南側，出現(xiàn)了第二個暴雨高峰。另外，副高外圍的暖濕氣流與北方下來的冷空氣的交匯，產(chǎn)生局地熱對流天氣，是引起暴雨的一個主要原因。

3.2 2018年副高脊線

對2018年夏季副高脊線逐日位置分析結果(圖2)表明，暴雨多發(fā)期副高脊線位置以偏北為主，尤其是7月30日，副高脊線最北端到達41.8°N，較常年平均偏北了10個緯距；在16場次暴雨過程中，除6月20-21日暴雨期間脊線較常年偏南1～2個緯距、7月1-2日暴雨期間脊線位置接近常年略偏南外，其余暴雨過程的副高脊線位置均較常年的偏北，其中8月12、13、15日暴雨期間脊線位置較平均值偏北5個緯距以上。

圖 2 2018年6月20日至8月31日慶陽市副高脊線位置

與歷年相比，6月下旬副高脊線位置較平均值偏北1～3個緯距，7月上旬副高脊線位置偏南5個緯距，中旬至8月上旬，副高位置均偏北5個緯距以上，尤其是7月下旬偏北10個緯距位置；副高脊線達到最北端的時間較常年偏早5天以上。故而與歷年相比，2018年夏季(6月下旬開始)我國整體大雨帶位置偏北。

4 暴雨的影響系統(tǒng)分析

4.1 天氣尺度背景分析

對暴雨頻發(fā)期500 hPa高度平均場進行分析發(fā)現(xiàn)(圖3)，中國境內的等高線基本上為較平直的緯向環(huán)流形勢，巴爾克什湖附近存在一槽區(qū)，在青藏高原西部有5860 gpm的青藏高壓存在，而副高外圍5860 gpm線最西端點伸至30°N、100°E附近，西北側伸展成西南東北向，在慶陽市上空形成有利于西南水汽的北上輸送通道，副高主體5880 gpm線位于日本島南部。從距平場上可以看出，2018年巴爾克什湖低槽較常年深厚，東北地區(qū)存在高度的正距平中心，其值達到40～60 gpm，說明該地歷年存在低渦或低槽，而在2018年高度平均場上以緯向環(huán)流為主，說明與歷年相比，東北低值系統(tǒng)較淺或持續(xù)時間較短。青藏高壓附近區(qū)域為10～20 gpm的正距平，說明該處強度較常年偏強。歷年的副高外圍5860 gpm線位置在長江中下游地區(qū)，最西端到達25°N、110°E附近，副高主體在25°N、130°E以東位置。故而可以看出，2018年青藏高壓偏強、副高偏強，副高較歷年偏西偏北。2018年夏季系統(tǒng)整體偏強是慶陽市暴雨異常偏多的天氣尺度影響系統(tǒng)。

圖3 2018年6月20日至8月31日慶陽市500 hPa高度平均場及距平場彩色陰影區(qū)為距平場，等值線為平均場，500 hPa環(huán)流場中紅色粗線為氣候平均的5880 gpm線

4.2 暴雨的環(huán)流場分型

根據(jù)研究，慶陽市常見暴雨的主要影響系統(tǒng)可分為副高控制型、副高外圍型、低渦型、西北氣流型、低槽東移型5類。而對影響慶陽市2018年16場暴雨的天氣形勢進行分析發(fā)現(xiàn)，副高直接影響的暴雨9場次，其中發(fā)生在副高內部的暴雨有3場次，發(fā)生在副高邊緣的暴雨有6場次；低渦型暴雨3場次，西北氣流型暴雨4場次。

4.2.1 副高內部暴雨

2018年副高內部暴雨主要發(fā)生在8月上中旬，發(fā)生時間與歷年的基本一致，是副高內部滲入的弱冷空氣與暖濕空氣交匯引發(fā)的對流天氣過程，造成了突發(fā)性暴雨。此類暴雨的500 hPa典型形勢如下(圖4)：副高西進東退過程中，慶陽市處在副高5880 gpm線內的西北部，該處的風場上存在副高內外的東南風與西南風的切變(或西南風與西北風的切變)，外部弱冷空氣東移滲入副高內部。慶陽市本處于副高控制之下，高溫高濕，弱冷空氣的入侵，引發(fā)強對流天氣，造成突發(fā)性暴雨天氣過程。

4.2.2 副高外圍暴雨

副高外圍型暴雨，主要是指在副高5880 gpm線與5840 gpm線之間發(fā)生的暴雨。東移冷空氣與副高外圍西南(或東南)暖濕氣流交匯而引發(fā)的強對流天氣過程，具有系統(tǒng)性、突發(fā)性特征，其雨強強，持續(xù)時間短，造成的災害嚴重。2018年該種類型暴雨主要發(fā)生在7月中旬、8月上旬后期至中旬前期及8月底。其典型形勢如下(圖5)：500 hPa上副高最西端位于山東境內，慶陽市位于副高外圍5840 gpm線內，以偏南氣流為主，上游有冷平流東移；700 hPa上處于3120 gpm線外圍，有大風速帶向慶陽市輸送水汽能量，上游有冷空氣東移。

圖5 慶陽市副高外部暴雨的500 hPa典型形勢(a)和中尺度分析(b)

4.2.3 低渦型暴雨

慶陽歷年低渦型暴雨6-8月均有發(fā)生。而2018年主要發(fā)生在7月上中旬，是以系統(tǒng)性暴雨為主，降水強度大，影響范圍廣，持續(xù)時間長。其典型形勢如下(圖6)：500 hPa貝加爾湖西部低渦東移南壓，后部冷平流東移，副高處在山東河南一帶，慶陽市受副高外圍的偏南氣流控制；700 hPa上，有低空急流經(jīng)過慶陽市，向慶陽輸送水汽和能量，切變東移過程中影響慶陽。低渦型暴雨是夏季暴雨的另一主要降水形勢，降水持續(xù)時間長，雨強相對其他形勢的較弱。

圖6 慶陽市低渦型暴雨的500 hPa典型形勢(a)和中尺度分析(b)

4.2.4 西北氣流型暴雨

歷年西北氣流下滑冷空氣造成的暴雨主要發(fā)生在7-8月。2018年則主要發(fā)生在6月下旬至7月上旬，以局地性突發(fā)性暴雨為主。其典型形勢如下(圖7)：500 hPa上低槽移至東北東部至黃淮流域，慶陽上空處槽后西北氣流中，溫度槽落后于高度槽，冷平流較為明顯，上游為一致的西北風，天氣晴朗，近地面升溫明顯；700 hPa上有弱冷空氣南壓，配合本地高濕高能條件，引發(fā)對流性天氣過程，造成突發(fā)性暴雨。低空暖濕平流與中空干冷平流配合造成的對流不穩(wěn)定是產(chǎn)生西北氣流型暴雨的主要原因。

圖7 慶陽市西北氣流型暴雨的500 hPa典型形勢(a)和中尺度分析(b)黑色為等高線，黃色為等溫線

分析發(fā)現(xiàn)，2018年無明顯低槽東移型暴雨，暴雨發(fā)生均直接或間接受副高影響顯著，更有56%以上場次的暴雨的發(fā)生直接受副高影響。故而，在副高脊線及大雨帶較常年偏北的情況下，慶陽市2018年暴雨以突發(fā)性暴雨為主，降水時間短，小時降水量大，災害嚴重是其主要特征。

4.3 2018年不同類型暴雨發(fā)生時間分析

對2018年與歷年不同類型暴雨發(fā)生時間的對比可以看出(表2)：副高控制類暴雨主要發(fā)生在8月上中旬，較歷年發(fā)生時段集中；副高外圍型暴雨在7月中旬開始發(fā)生，說明副高外圍對慶陽市的影響較常年偏早；低渦型暴雨主要發(fā)生在7月上中旬，較常年的夏末初秋發(fā)生早，且慶陽市2018年9月無強降水；西北氣流型暴雨較常年提早了半個月以上；2018年無明顯低槽東移型暴雨的發(fā)生。經(jīng)過對比分析可以看出，2018年暴雨發(fā)生早、時段集中，降水類型較常年少，受副高影響顯著。

表2 2018年及歷年不同暴雨類型發(fā)生時間對比

5 物理量特征

5.1 水汽輸送

充足的水汽供應是暴雨發(fā)生的首要條件。2018年暴雨頻發(fā)期間1000-300 hPa整層水汽輸送距平場(圖8)與歷年平均相比，慶陽上空(35.2°-37.2°N、106.4°-108.7°E)2018年水汽較常年的偏多，矢量距平以向北為主，與歷年相比，水汽自東海向西北輸送明顯，輸送量為200 kg/(s·m)以上；水汽輻合較歷年平均更加明顯，輻合量為3×10-5～5×10-5kg/(s·m2)。故2018年水汽更加充沛，輻合更加明顯，更加有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。

圖 8 2018年6月20日至8月31日慶陽市整層水汽輸送距平場矢量為水汽輸送q×V距平，單位kg/(s·m)，陰影區(qū)為水汽輸送輻合輻散距平場，單位10-5kg/(s·m2)

5.2 物理量場

暴雨天氣發(fā)生要具備良好的不穩(wěn)定條件、水汽條件及觸發(fā)機制。利用慶陽市上游探空站-平?jīng)鎏娇照镜奶娇召Y料,計算了歷年和2018年不同類型暴

雨的700 hPa比濕(q700)、700 hPa假相當位溫(θse700)、500 hPa假相當位溫(θse500)、700 hPa和500 hPa的溫差(Δt75)、濕對流有效位能(CAPE)、K指數(shù)、沙氏指數(shù)(SI)、抬升指數(shù)(li)的平均值，結果見表3。

由表3可以看出，2018年副高影響型暴雨的比濕較歷年的偏高0.3 g/kg，而低渦型暴雨的比濕為10.3 g/kg，較歷年的高1.3 g/kg,尤其是西北氣流型暴雨比較差值高達2.1 g/kg。2018年暴雨期間本地濕度條件均較歷年的平均值大，濕度條件良好，這對突發(fā)性暴雨及系統(tǒng)性暴雨的發(fā)生提供了良好的水汽條件。從熱力潛勢條件上看，2018年暴雨期間的θse500及θse700均較歷年平均值大，副高影響型暴雨的熱力潛勢的差值為1 ℃以上，而低渦型暴雨的差值在5 ℃左右，差值最大的是西北氣流型暴雨，差值分別為8 ℃和12.4 ℃。從不穩(wěn)定條件上，CAPE值均比歷年平均值大，尤其是副高影響型暴雨，高達912.2 J/kg，差值最小的西北氣流型暴雨的CAPE值也較歷年平均值偏大了15.2 J/kg；K指數(shù)均較歷年平均值偏大，副高影響型暴雨的K指數(shù)在41 ℃以上，低渦型暴雨和西北氣流型暴雨的K指數(shù)也均達到了38 ℃以上；700 hPa和500 hPa的溫差，副高型和低渦型的溫差均在15 ℃以上，較歷年平均值偏高，西北氣流型暴雨的平均溫度差為13.7 ℃，較歷年平均值偏低2.8 ℃；沙氏指數(shù)(SI)及抬升指數(shù)(li)均是副高影響型和低渦型暴雨條件較歷年平均值小，而西北氣流型暴雨的SI指數(shù)和li指數(shù)均較歷年平均值偏高。

表3 2018年暴雨及歷年暴雨物理條件對比

故而，2018年暴雨期間水汽輸送通道通暢，物理量更是非常有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展：暴雨期間，水汽主要是從南海東部向西北輸送到達慶陽市，少部分是孟加拉灣輸送的水汽，水汽輸送更加通暢，到達本地的空氣濕度大(本地比濕大)，而副高脊線的北抬，熱力潛勢較常年高，不穩(wěn)定條件除西北氣流型的Δt75、SI指數(shù)和li指數(shù)外,均較常年更加有利，所以2018年更容易出現(xiàn)暴雨，尤其是直接受副高影響的暴雨。

6 結論與討論

(1)2018年暴雨場次異常偏多，大暴雨場次明顯偏多，突發(fā)性顯著，降水時段集中。暴雨空間分布較常年偏北，主要集中在慶陽市中部偏北。在行星尺度系統(tǒng)上，受副高脊線位置較常年偏北影響顯著；在天氣尺度系統(tǒng)上，夏季系統(tǒng)較常年偏強：巴爾克什湖低槽較常年更明顯，青藏高壓較常年偏強。在環(huán)流形勢場上，副高內部暴雨為3場次，副高邊緣暴雨為6場次,低渦型暴雨為3場次，西北氣流型暴雨為4場次,物理量場上，水汽輸送較往年更加明顯，本地輻合程度更強，本地濕度條件及熱力條件良好，本地不穩(wěn)定條件大都利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。

(2)由于暴雨發(fā)生條件復雜，行星尺度系統(tǒng)、大中小尺度系統(tǒng)均有明顯影響，以及在不同的天氣形勢下，地形對暴雨都有不同的影響，因此在當今技術條件下，對暴雨的成因分析也是一個復雜而又艱難的任務，2018年慶陽暴雨異常偏多的原因尚有待于在行星尺度上進行進一步的研究。