甘肃庆阳2018年暴雨异常偏多特征分析

张洪芬， 李祥科， 焦美玲, 邱宁刚

(庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000)

引 言

暴雨天气是我国夏季最易发生的灾害性天气[1-2]，其引发的城市内涝、山洪、泥石流等次生灾害危害性大。暴雨的发生发展受多种尺度环境条件的共同影响。近年来关于暴雨气候特征、行星尺度系统、大尺度环流背景、中小尺度天气系统、地形影响、物理机制、多普勒天气雷达、数值模拟等方面多有研究[3-19]，也取得许多有意义的研究成果，在一定程度上提高了预报预警能力。

甘肃庆阳地处甘肃东部，属西北黄土高原东部，号称“黄土层最厚”的地方，山、川、塬，沟、茆、梁相间，高原风貌雄浑独特，土质疏松，海拔高度落差大，是暴雨尤其是突发性暴雨最易发生区[20-21]。据统计，庆阳市每年受暴雨侵袭引发的城市内涝、洪涝山洪等次生灾害的经济损失在1亿元以上，直接影响人民群众的生命财产安全及社会稳定。在全球气候变暖的背景下，庆阳市近年来年暴雨场次逐渐增多，特别是2018年暴雨异常偏多，为历年同期最多。庆阳市短时强降水多，强降水强度大，灾害性强，给当地的农林牧渔业生产、群众生活带来了严重影响，并引发了不少地质灾害。因此对暴雨期间的气候背景、环流形势、水汽来源及物理量进行分析，确定在大环流背景下庆阳市暴雨发生发展机制，以期为提高预报准确率、灾害评估、气象灾害防御决策、降低农业损失提供科学依据和气象保障。

1 资料与方法

1.1 资料来源与方法

使用资料为2018年6月20日至8月31日MICAPS常规资料、物理量及自动站和区域站降水等资料；历史资料为2008-2017年10年暴雨资料，来源于庆阳市下辖8县区国家站及区域自动气象站所观测资料。利用诊断分析、统计分析等方法对资料进行再分析。

西太平洋副热带高压(以下简称副高)脊线数据、500 hPa平均高度场图、整层水汽输送距平场图来自中国气象局国家气候中心。

1.2 统计标准

按气象部门规定，24 h降水量50-99 mm为暴雨，100-199 mm为大暴雨，以明显系统(槽、切变线、冷涡等)造成的持久而稳定的暴雨为系统性暴雨，以局地性强对流天气过程造成的且出现多站1 h降水≥20 mm的短时强降水的暴雨为突发性暴雨[22]。

2 庆阳2018年汛期暴雨特征

庆阳市历年平均每年发生6场次暴雨。其中，13%为100 mm以上的大暴雨，即平均每年发生大暴雨0.8场次，强对流特征显著的突发性暴雨占66%，降水持久而稳定的系统性暴雨占34%。而2018年出现暴雨16场次，较常年异常偏多；出现大暴雨5场次，最大降水量为131.1 mm，占暴雨场次的31%，较历年的明显偏多；突发性暴雨13次，占总暴雨场次的81%；最大小时降水量68.8 mm，小时降水量在40 mm以上的场次多，且均出现在突发性暴雨过程中；年内出现短时强降水242站次，比历年均值明显偏多。

历年暴雨主要分布在庆阳市东南部的西峰、庆城、正宁、宁县及合水西部，宁县年暴雨频率最高。2018年暴雨(图1)西峰出现次数最少，年内只出现1次；次少的是合水，出现3场次；然后是正宁、宁县、镇原。北部3站出现暴雨场次最多，尤其是环县，出现暴雨9场次，华池出现暴雨7场次，庆城出现暴雨6场次。暴雨落区主要集中在环县东部和南部、华池中部、庆城西部和北部及镇原西部。2018年庆阳市的暴雨分布较常年的偏北。

图1 2018年庆阳市暴雨次数空间分布

2018年庆阳市暴雨出现在6月下旬至8月底，较历年暴雨出现时段(5-9月)集中(表 1)。2018年暴雨集中出现在三个时段：第一时段是在6月下旬至7月中旬前期，27天出现暴雨7场次，平均每4天一次暴雨过程，以系统性暴雨为主；第二集中时段在8月上旬后期至中旬，共15天，出现暴雨8场次，平均每2天出现一场次暴雨，尤其是8月7-9日、11-15日每日一个暴雨过程，该时段以突发性暴雨为主；第三时段为8月末，为突发性暴雨。

表1 2018年庆阳市暴雨统计

2018年暴雨场次多，暴雨发生时段集中，大暴雨场次多，突发性暴雨多，短时强降水多，小时降水量大，灾害严重。这对预报服务来说，难度非常大。

3 副高影响分析

副高脊线位置与我国雨带的位置密切相关。我国大雨带一般出现在副高脊线西北部5～8个纬距范围内[23-25]，暴雨主要出现在副热带高压北侧的大雨带之中。甘肃省庆阳市地处西北地区东部，属北温带半湿润、半干旱气候过渡区，大降水的水汽主要来源于副高外围偏南气流带来的暖湿气流，故而可以说西太平洋副热带高压是庆阳市暴雨的主要影响系统。

3.1 历年气候背景

庆阳市夏季雨热同期，是暴雨的主要发生时段。据统计，2008-2017年10年间庆阳市暴雨中有75%出现在7-8月。庆阳地区的暴雨与副高有着直接的关系。暴雨的出现是由于副高的南北进退所造成的：7月上旬副热带高压第二次北跳，跳过25°N以北，庆阳市处在副高西北部边缘的暖湿气流里，出现了7月暴雨高峰；7月底到8月初副高第三次北跳，庆阳地区处在副高西北部的西南气流的南侧，出现了第二个暴雨高峰。另外，副高外围的暖湿气流与北方下来的冷空气的交汇，产生局地热对流天气，是引起暴雨的一个主要原因。

3.2 2018年副高脊线

对2018年夏季副高脊线逐日位置分析结果(图2)表明，暴雨多发期副高脊线位置以偏北为主，尤其是7月30日，副高脊线最北端到达41.8°N，较常年平均偏北了10个纬距；在16场次暴雨过程中，除6月20-21日暴雨期间脊线较常年偏南1～2个纬距、7月1-2日暴雨期间脊线位置接近常年略偏南外，其余暴雨过程的副高脊线位置均较常年的偏北，其中8月12、13、15日暴雨期间脊线位置较平均值偏北5个纬距以上。

图 2 2018年6月20日至8月31日庆阳市副高脊线位置

与历年相比，6月下旬副高脊线位置较平均值偏北1～3个纬距，7月上旬副高脊线位置偏南5个纬距，中旬至8月上旬，副高位置均偏北5个纬距以上，尤其是7月下旬偏北10个纬距位置；副高脊线达到最北端的时间较常年偏早5天以上。故而与历年相比，2018年夏季(6月下旬开始)我国整体大雨带位置偏北。

4 暴雨的影响系统分析

4.1 天气尺度背景分析

对暴雨频发期500 hPa高度平均场进行分析发现(图3)，中国境内的等高线基本上为较平直的纬向环流形势，巴尔克什湖附近存在一槽区，在青藏高原西部有5860 gpm的青藏高压存在，而副高外围5860 gpm线最西端点伸至30°N、100°E附近，西北侧伸展成西南东北向，在庆阳市上空形成有利于西南水汽的北上输送通道，副高主体5880 gpm线位于日本岛南部。从距平场上可以看出，2018年巴尔克什湖低槽较常年深厚，东北地区存在高度的正距平中心，其值达到40～60 gpm，说明该地历年存在低涡或低槽，而在2018年高度平均场上以纬向环流为主，说明与历年相比，东北低值系统较浅或持续时间较短。青藏高压附近区域为10～20 gpm的正距平，说明该处强度较常年偏强。历年的副高外围5860 gpm线位置在长江中下游地区，最西端到达25°N、110°E附近，副高主体在25°N、130°E以东位置。故而可以看出，2018年青藏高压偏强、副高偏强，副高较历年偏西偏北。2018年夏季系统整体偏强是庆阳市暴雨异常偏多的天气尺度影响系统。

图3 2018年6月20日至8月31日庆阳市500 hPa高度平均场及距平场彩色阴影区为距平场，等值线为平均场，500 hPa环流场中红色粗线为气候平均的5880 gpm线

4.2 暴雨的环流场分型

根据研究，庆阳市常见暴雨的主要影响系统可分为副高控制型、副高外围型、低涡型、西北气流型、低槽东移型5类。而对影响庆阳市2018年16场暴雨的天气形势进行分析发现，副高直接影响的暴雨9场次，其中发生在副高内部的暴雨有3场次，发生在副高边缘的暴雨有6场次；低涡型暴雨3场次，西北气流型暴雨4场次。

4.2.1 副高内部暴雨

2018年副高内部暴雨主要发生在8月上中旬，发生时间与历年的基本一致，是副高内部渗入的弱冷空气与暖湿空气交汇引发的对流天气过程，造成了突发性暴雨。此类暴雨的500 hPa典型形势如下(图4)：副高西进东退过程中，庆阳市处在副高5880 gpm线内的西北部，该处的风场上存在副高内外的东南风与西南风的切变(或西南风与西北风的切变)，外部弱冷空气东移渗入副高内部。庆阳市本处于副高控制之下，高温高湿，弱冷空气的入侵，引发强对流天气，造成突发性暴雨天气过程。

4.2.2 副高外围暴雨

副高外围型暴雨，主要是指在副高5880 gpm线与5840 gpm线之间发生的暴雨。东移冷空气与副高外围西南(或东南)暖湿气流交汇而引发的强对流天气过程，具有系统性、突发性特征，其雨强强，持续时间短，造成的灾害严重。2018年该种类型暴雨主要发生在7月中旬、8月上旬后期至中旬前期及8月底。其典型形势如下(图5)：500 hPa上副高最西端位于山东境内，庆阳市位于副高外围5840 gpm线内，以偏南气流为主，上游有冷平流东移；700 hPa上处于3120 gpm线外围，有大风速带向庆阳市输送水汽能量，上游有冷空气东移。

图5 庆阳市副高外部暴雨的500 hPa典型形势(a)和中尺度分析(b)

4.2.3 低涡型暴雨

庆阳历年低涡型暴雨6-8月均有发生。而2018年主要发生在7月上中旬，是以系统性暴雨为主，降水强度大，影响范围广，持续时间长。其典型形势如下(图6)：500 hPa贝加尔湖西部低涡东移南压，后部冷平流东移，副高处在山东河南一带，庆阳市受副高外围的偏南气流控制；700 hPa上，有低空急流经过庆阳市，向庆阳输送水汽和能量，切变东移过程中影响庆阳。低涡型暴雨是夏季暴雨的另一主要降水形势，降水持续时间长，雨强相对其他形势的较弱。

图6 庆阳市低涡型暴雨的500 hPa典型形势(a)和中尺度分析(b)

4.2.4 西北气流型暴雨

历年西北气流下滑冷空气造成的暴雨主要发生在7-8月。2018年则主要发生在6月下旬至7月上旬，以局地性突发性暴雨为主。其典型形势如下(图7)：500 hPa上低槽移至东北东部至黄淮流域，庆阳上空处槽后西北气流中，温度槽落后于高度槽，冷平流较为明显，上游为一致的西北风，天气晴朗，近地面升温明显；700 hPa上有弱冷空气南压，配合本地高湿高能条件，引发对流性天气过程，造成突发性暴雨。低空暖湿平流与中空干冷平流配合造成的对流不稳定是产生西北气流型暴雨的主要原因。

图7 庆阳市西北气流型暴雨的500 hPa典型形势(a)和中尺度分析(b)黑色为等高线，黄色为等温线

分析发现，2018年无明显低槽东移型暴雨，暴雨发生均直接或间接受副高影响显著，更有56%以上场次的暴雨的发生直接受副高影响。故而，在副高脊线及大雨带较常年偏北的情况下，庆阳市2018年暴雨以突发性暴雨为主，降水时间短，小时降水量大，灾害严重是其主要特征。

4.3 2018年不同类型暴雨发生时间分析

对2018年与历年不同类型暴雨发生时间的对比可以看出(表2)：副高控制类暴雨主要发生在8月上中旬，较历年发生时段集中；副高外围型暴雨在7月中旬开始发生，说明副高外围对庆阳市的影响较常年偏早；低涡型暴雨主要发生在7月上中旬，较常年的夏末初秋发生早，且庆阳市2018年9月无强降水；西北气流型暴雨较常年提早了半个月以上；2018年无明显低槽东移型暴雨的发生。经过对比分析可以看出，2018年暴雨发生早、时段集中，降水类型较常年少，受副高影响显著。

表2 2018年及历年不同暴雨类型发生时间对比

5 物理量特征

5.1 水汽输送

充足的水汽供应是暴雨发生的首要条件。2018年暴雨频发期间1000-300 hPa整层水汽输送距平场(图8)与历年平均相比，庆阳上空(35.2°-37.2°N、106.4°-108.7°E)2018年水汽较常年的偏多，矢量距平以向北为主，与历年相比，水汽自东海向西北输送明显，输送量为200 kg/(s·m)以上；水汽辐合较历年平均更加明显，辐合量为3×10-5～5×10-5kg/(s·m2)。故2018年水汽更加充沛，辐合更加明显，更加有利于暴雨的发生发展。

图 8 2018年6月20日至8月31日庆阳市整层水汽输送距平场矢量为水汽输送q×V距平，单位kg/(s·m)，阴影区为水汽输送辐合辐散距平场，单位10-5kg/(s·m2)

5.2 物理量场

暴雨天气发生要具备良好的不稳定条件、水汽条件及触发机制。利用庆阳市上游探空站-平凉探空站的探空资料,计算了历年和2018年不同类型暴

雨的700 hPa比湿(q700)、700 hPa假相当位温(θse700)、500 hPa假相当位温(θse500)、700 hPa和500 hPa的温差(Δt75)、湿对流有效位能(CAPE)、K指数、沙氏指数(SI)、抬升指数(li)的平均值，结果见表3。

由表3可以看出，2018年副高影响型暴雨的比湿较历年的偏高0.3 g/kg，而低涡型暴雨的比湿为10.3 g/kg，较历年的高1.3 g/kg,尤其是西北气流型暴雨比较差值高达2.1 g/kg。2018年暴雨期间本地湿度条件均较历年的平均值大，湿度条件良好，这对突发性暴雨及系统性暴雨的发生提供了良好的水汽条件。从热力潜势条件上看，2018年暴雨期间的θse500及θse700均较历年平均值大，副高影响型暴雨的热力潜势的差值为1 ℃以上，而低涡型暴雨的差值在5 ℃左右，差值最大的是西北气流型暴雨，差值分别为8 ℃和12.4 ℃。从不稳定条件上，CAPE值均比历年平均值大，尤其是副高影响型暴雨，高达912.2 J/kg，差值最小的西北气流型暴雨的CAPE值也较历年平均值偏大了15.2 J/kg；K指数均较历年平均值偏大，副高影响型暴雨的K指数在41 ℃以上，低涡型暴雨和西北气流型暴雨的K指数也均达到了38 ℃以上；700 hPa和500 hPa的温差，副高型和低涡型的温差均在15 ℃以上，较历年平均值偏高，西北气流型暴雨的平均温度差为13.7 ℃，较历年平均值偏低2.8 ℃；沙氏指数(SI)及抬升指数(li)均是副高影响型和低涡型暴雨条件较历年平均值小，而西北气流型暴雨的SI指数和li指数均较历年平均值偏高。

表3 2018年暴雨及历年暴雨物理条件对比

故而，2018年暴雨期间水汽输送通道通畅，物理量更是非常有利于暴雨的发生发展：暴雨期间，水汽主要是从南海东部向西北输送到达庆阳市，少部分是孟加拉湾输送的水汽，水汽输送更加通畅，到达本地的空气湿度大(本地比湿大)，而副高脊线的北抬，热力潜势较常年高，不稳定条件除西北气流型的Δt75、SI指数和li指数外,均较常年更加有利，所以2018年更容易出现暴雨，尤其是直接受副高影响的暴雨。

6 结论与讨论

(1)2018年暴雨场次异常偏多，大暴雨场次明显偏多，突发性显著，降水时段集中。暴雨空间分布较常年偏北，主要集中在庆阳市中部偏北。在行星尺度系统上，受副高脊线位置较常年偏北影响显著；在天气尺度系统上，夏季系统较常年偏强：巴尔克什湖低槽较常年更明显，青藏高压较常年偏强。在环流形势场上，副高内部暴雨为3场次，副高边缘暴雨为6场次,低涡型暴雨为3场次，西北气流型暴雨为4场次,物理量场上，水汽输送较往年更加明显，本地辐合程度更强，本地湿度条件及热力条件良好，本地不稳定条件大都利于暴雨的发生发展。

(2)由于暴雨发生条件复杂，行星尺度系统、大中小尺度系统均有明显影响，以及在不同的天气形势下，地形对暴雨都有不同的影响，因此在当今技术条件下，对暴雨的成因分析也是一个复杂而又艰难的任务，2018年庆阳暴雨异常偏多的原因尚有待于在行星尺度上进行进一步的研究。