甘肅慶陽2018年暴雨異常偏多特征分析

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(zāi)害性天氣[1-2]，其引發(fā)的城市內(nèi)澇、山洪、泥石流等次生災(zāi)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(guān)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(jī)制、多普勒天氣雷達(dá)、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(yù)報(bào)預(yù)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(fēng)貌雄渾獨(dú)特，土質(zhì)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(jì)，慶陽市每年受暴雨侵襲引發(fā)的城市內(nèi)澇、洪澇山洪等次生災(zāi)害的經(jīng)濟(jì)損失在1億元以上，直接影響人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)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(shí)強(qiáng)降水多，強(qiáng)降水強(qiáng)度大，災(zāi)害性強(qiáng)，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)、群眾生活帶來了嚴(yán)重影響，并引發(fā)了不少地質(zhì)災(zāi)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(jìn)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(jī)制，以期為提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、災(zāi)害評估、氣象災(zāi)害防御決策、降低農(nóng)業(yè)損失提供科學(xué)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(dòng)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(dòng)氣象站所觀測資料。利用診斷分析、統(tǒng)計(jì)分析等方法對資料進(jìn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)

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(qiáng)對流天氣過程造成的且出現(xiàn)多站1 h降水≥20 mm的短時(shí)強(qiáng)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(qiáng)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(shí)降水量68.8 mm，小時(shí)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(nèi)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)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(nèi)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(shí)段(5-9月)集中(表 1)。2018年暴雨集中出現(xiàn)在三個(gè)時(shí)段：第一時(shí)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(shí)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(gè)暴雨過程，該時(shí)段以突發(fā)性暴雨為主；第三時(shí)段為8月末，為突發(fā)性暴雨。

表1 2018年慶陽市暴雨統(tǒng)計(jì)

2018年暴雨場次多，暴雨發(fā)生時(shí)段集中，大暴雨場次多，突發(fā)性暴雨多，短時(shí)強(qiáng)降水多，小時(shí)降水量大，災(zāi)害嚴(yán)重。這對預(yù)報(bào)服務(wù)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(guān)。我國大雨帶一般出現(xiàn)在副高脊線西北部5～8個(gè)緯距范圍內(nèi)[23-25]，暴雨主要出現(xiàn)在副熱帶高壓北側(cè)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(shí)段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guān)系。暴雨的出現(xiàn)是由于副高的南北進(jìn)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(cè)，出現(xiàn)了第二個(gè)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?zé)釋α魈鞖?，是引起暴雨的一個(gè)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(jié)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(dá)41.8°N，較常年平均偏北了10個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)緯距，7月上旬副高脊線位置偏南5個(gè)緯距，中旬至8月上旬，副高位置均偏北5個(gè)緯距以上，尤其是7月下旬偏北10個(gè)緯距位置；副高脊線達(dá)到最北端的時(shí)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(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖3)，中國境內(nèi)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(diǎn)伸至30°N、100°E附近，西北側(cè)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(dá)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(shí)間較短。青藏高壓附近區(qū)域?yàn)?0～20 gpm的正距平，說明該處強(qiáng)度較常年偏強(qiáng)。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(dá)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(qiáng)、副高偏強(qiáng)，副高較歷年偏西偏北。2018年夏季系統(tǒng)整體偏強(qiáng)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(jìn)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(nèi)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(nèi)部暴雨

2018年副高內(nèi)部暴雨主要發(fā)生在8月上中旬，發(fā)生時(shí)間與歷年的基本一致，是副高內(nèi)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(jìn)東退過程中，慶陽市處在副高5880 gpm線內(nèi)的西北部，該處的風(fēng)場上存在副高內(nèi)外的東南風(fēng)與西南風(fēng)的切變(或西南風(fēng)與西北風(fēng)的切變)，外部弱冷空氣東移滲入副高內(nèi)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(qiáng)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(qiáng)對流天氣過程，具有系統(tǒng)性、突發(fā)性特征，其雨強(qiáng)強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短，造成的災(zāi)害嚴(yán)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(nèi)，慶陽市位于副高外圍5840 gpm線內(nèi)，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(fēng)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(qiáng)度大，影響范圍廣，持續(xù)時(shí)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(shí)間長，雨強(qiáng)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(fēng)，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(shí)間短，小時(shí)降水量大，災(zāi)害嚴(yán)重是其主要特征。

4.3 2018年不同類型暴雨發(fā)生時(shí)間分析

對2018年與歷年不同類型暴雨發(fā)生時(shí)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(shí)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(qiáng)降水；西北氣流型暴雨較常年提早了半個(gè)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(shí)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(shí)間對比

5 物理量特征

5.1 水汽輸送

充足的水汽供應(yīng)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(jī)制。利用慶陽市上游探空站-平?jīng)鎏娇照镜奶娇召Y料,計(jì)算了歷年和2018年不同類型暴

雨的700 hPa比濕(q700)、700 hPa假相當(dāng)位溫(θse700)、500 hPa假相當(dāng)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(jié)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(dá)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(dá)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(dá)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?xiàng)l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(dá)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(dá)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(jié)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(shí)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(qiáng)：巴爾克什湖低槽較常年更明顯，青藏高壓較常年偏強(qiáng)。在環(huán)流形勢場上，副高內(nèi)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(qiáng)，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(fù)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(dāng)今技術(shù)條件下，對暴雨的成因分析也是一個(gè)復(fù)雜而又艱難的任務(wù)，2018年慶陽暴雨異常偏多的原因尚有待于在行星尺度上進(jìn)行進(jìn)一步的研究。