隴東南汛前期2次斜壓鋒生類短時強降水過程動力特征對比

肖 瑋，傅 朝，徐麗麗，劉維成，狄瀟泓，鄭 新，楊秀梅

(1.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省蘭州市氣象局，甘肅 蘭州 730020)

引 言

在全球氣候變暖背景下，我國西北地區(qū)氣候模態(tài)逐漸由“暖干化”向“暖濕化”轉變[1-2]，降水量和降水頻次均呈增多趨勢，極端降水事件也呈增多趨勢[3-5]，而極端性降水主要由局地強對流天氣造成[4]。強對流天氣是一種水平尺度小、持續(xù)時間短、破壞力極大的天氣，常帶來陣性大風和短時強降水，有時伴有雷暴、冰雹和龍卷等現象，往往會對人民生命財產造成巨大損害[6-8]。如2012年5月10日甘肅岷縣地區(qū)出現局地強對流天氣，并引發(fā)特大冰雹山洪泥石流災害，造成47人死亡、12人失蹤，直接經濟損失達68.4億元[9]。

強對流天氣的預報預警一直是現代天氣預報業(yè)務的重點和難點，尤其是西北干旱半干旱地區(qū)局地突發(fā)性強對流天氣的預報難度更大[6]。近年來，針對西北地區(qū)強對流天氣的中尺度特征及觀測特征研究取得了很多有意義的成果[10-12]。曲曉波等[13]對舟曲“8·8”特大山洪泥石流災害天氣的氣象成因做了分析，指出該次災害過程的天氣系統(tǒng)具有明顯的中尺度特征；劉維成等[14]在分析甘肅中部一次超級單體風暴的雷達回波特征基礎上，總結了冰雹天氣的臨近預報指標，如VIL變化劇烈、ET與冰雹一致對應、明顯的三體散射特征等；趙慶云等[15]分析了西北地區(qū)東部一次暖區(qū)大暴雨天氣個例的中尺度系統(tǒng)演變特征，發(fā)現大暴雨主要由對流云帶中一個向前傳播的β-中尺度對流云團產生，可見中尺度系統(tǒng)在強對流天氣過程中起到重要作用。然而在實際天氣分析過程中，對流天氣潛勢條件亦表現得非常重要，如強對流天氣可以發(fā)生在強動力抬升和弱熱力不穩(wěn)定條件下，也可以發(fā)生在強熱力不穩(wěn)定和弱動力抬升機制下，僅僅考慮強對流形成的中尺度特征，難以全面反映對流天氣形成的本質差異[16]。按照熱、動力學結構特征，我國強對流天氣劃分為高空冷平流強迫、低空暖平流強迫、斜壓鋒生、準正壓、高架對流等[17]。其中，斜壓鋒生類強對流天氣的顯著特點是中低層冷暖空氣強烈交匯，并伴有明顯溫度鋒區(qū)和鋒生。研究表明西北地區(qū)短時強降水主要存在于斜壓鋒生和暖平流強迫兩種天氣形勢下，且斜壓鋒生作用的逐漸增強是產生短時暴雨天氣的根本原因[18-19]。

2019年4月19—20日(簡稱“4·19”)和4月26—27日(簡稱“4·26”)，甘肅省隴東南地區(qū)連續(xù)發(fā)生2次夜間時段的區(qū)域性短時強降水。一般來說4月西北地區(qū)出現強對流天氣的概率較低[20]，出現短時強降水的概率更低[21-22]，這2次過程出現時間早，且均具備大氣斜壓性特征，地面分別有冷鋒和冷式切變輻合線。本文著重探討這2次斜壓鋒生類短時強降水過程的動力結構特征異同，加深對汛期前強對流天氣發(fā)生動力條件的理解，特別是通過診斷低層及近地層鋒生函數、溫度平流等物理量嘗試解決復雜地形條件下地面風場的不均勻性導致的低層及近地層對流觸發(fā)機制難以捕捉的問題。

1 資料與方法

利用歐洲數值預報中心提供的ERA5再分析資料(空間分辨率為0.125°×0.125°、時間分辨率為1 h)，分析2次過程溫度平流、鋒生函數、渦度、散度、垂直風切變等物理量。本文鋒生函數計算采用p坐標的標量鋒生公式[23-24]，包括非絕熱加熱項、水平變形項、水平輻合項和傾斜項，其中非絕熱加熱項，即非絕熱加熱梯度產生的鋒生作用，在濕絕熱條件下可忽略；傾斜項，即垂直速度的水平梯度產生的鋒生作用；散度項，即水平輻合或輻散產生的鋒生或鋒消；變形項，即水平變形產生的鋒生作用。另外，文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)3333的地圖制作，底圖無修改。

2 實 況

2019年4月19—20日和26—27日，隴東南地區(qū)連續(xù)發(fā)生2次區(qū)域性短時強降水(≥20 mm·h-1)天氣過程，短時強降水均出現在夜間。其中，“4·19”過程，短時強降水累計出現32站次，主要降水時段為19日20:00至20日02:00(北京時，下同)，最大小時雨強(48.5 mm·h-1，19日23:00至20日00:00)和過程最大雨量(83.9 mm)均出現在徽縣高橋(圖1)；“4·26”過程，短時強降水累計出現128站次，其中天水和隴南兩市117站次，短時強降水分布更為集中，主要降水時段為27日02:00—08:00，最大小時雨強為54.7 mm·h-1(27日06:00—07:00)，出現在成縣毛壩村，過程最大雨量為69.3 mm，出現在成縣沙壩(圖2)，另外，26日傍晚到夜間甘肅中部個別站出現短時強降水，并伴有冰雹、雷暴大風。

圖1 2019年4月19日18：00至20日02：00 隴東南小時降水量空間分布(a)和19日17:00至20日11：00 3個代表站逐時降水量(b)

圖2 2019年4月26日18:00至27日08：00隴東南小時降水量空間分布(a)和26日21:00至27日14：00 3個代表站逐時降水量(b)

從單站降水來看，“4·19”過程降水持續(xù)時間更長，短時強降水出現后，有5～6 h的層云降水，“4·26”過程降水在1～3 h完成，呈現出雨強大、降水持續(xù)時間短的特點，對流性降水特征更為顯著。

3 天氣形勢

500 hPa高空圖上，2次過程亞歐中高緯均為“兩槽兩脊”型，4月19日，歐洲高壓脊前移動性長波槽影響西北，高空鋒區(qū)自45°N以北不斷南壓，槽后冷平流明顯；26日，烏拉爾山高壓脊前長波槽穩(wěn)定少動，其底部中緯地區(qū)以平直的緯向環(huán)流為主，40°N以南存在高空鋒區(qū)，甘肅酒泉北部有西風帶分裂短波槽，東移過程中與高原槽同位相疊加，經向度加大。700 hPa 19日20：00，冷式切變位于寧夏北部至甘肅隴南一線；26日20：00，低渦中心位于甘肅臨夏，對應有“人”字形切變，南側有低空急流發(fā)展(圖3)。700 hPa位勢高度場上2次過程均為“東高西低”型。

圖3 2019年4月19日(a)和26日(b)20:00 500 hPa位勢高度場(黑色實等值線，單位：dagpm)和溫度場(紅色虛等值線，單位：℃)(“D”為位勢高度低值中心，“L”為冷中心)

2次過程地面觸發(fā)機制具有明顯差異。4月19日，冷空氣經由河西走廊迅速東移南下，酒泉為閉合冷高壓，14：00地面冷鋒南段進入甘肅河東地區(qū)，此時河東大部分地區(qū)以負變壓為主[圖4(a)]；20：00鋒后正變壓加強并迅速向南推進[圖4(b)]，冷鋒南段的隴東南地區(qū)出現短時強降水。4月26日，地面冷空氣主力由河套以東向西擴散，冷高壓中心位于華北，20：00小股冷空氣向西滲透，同時高原東北邊坡有熱低壓發(fā)展，低壓外圍至高壓之間出現正變壓區(qū)[圖4(c)]，甘肅中部地面輻合線附近出現分散性短時強降水，并伴冰雹、大風天氣；27日02：00—08：00，正變壓中心東移南壓過程中逐漸減弱，地面輻合線轉為冷式切變并分裂為兩段[圖4(d)]，經過天水、隴南兩地時，出現區(qū)域性短時強降水。

圖4 2019年4月19日14：00(a)、20：00(b)和26日20：00(c)海平面氣壓場(黑色實等值線，單位：hPa)及27日02：00—08：00(d)地面輻合線(-×-)和3 h變壓(藍色數字，單位：hPa)(“D”代表低壓中心，“G”為高壓中心)

綜上所述，2次過程都存在高空冷平流，低層冷暖氣流交匯，地面分別存在明顯的冷鋒和冷式切變輻合線，屬斜壓鋒生類強對流天氣[16]。低層和地面均為“東高西低”，高壓后部的偏南氣流使得低層和地面的溫濕條件增強，配合高空冷平流，加大了高低層之間的溫濕差異，有利于隴東南地區(qū)形成較大的不穩(wěn)定能量。但是，2次過程冷空氣入侵路徑、強度存在差異：“4·19”過程長波槽東移引導地面冷空氣南下，地面有明顯冷鋒，具有深厚的鋒面大尺度的動力強迫抬升條件；“4·26”過程高空不存在大規(guī)模冷平流影響，但西風帶短波槽與高原槽同位相疊加，波動振幅加大，導致偏南的高空鋒區(qū)南下，增加大氣斜壓效應，進而在槽前的低層和近地層形成明顯的輻合切變。

4 水汽和不穩(wěn)定條件

分析大氣整層含水量(PW)及700 hPa比濕(圖略)，發(fā)現“4·19”過程隴東南地區(qū)PW為22～25 g·m-2，“4·26”過程PW為28～32 g·m-2，整層含水量較前一次過程略偏大，2次過程強降水開始前，河東大部分地區(qū)700 hPa比濕均大于8 g·kg-1，尤其是“4·26”過程隴南、天水兩地比濕大于10 g·kg-1，對于西北地區(qū)，這樣充足的水汽條件在4月還是比較少見的。與此相對應，對流發(fā)生前，“4·19”過程隴東南地區(qū)對流有效位能(CAPE)值為200～400 kg·J-1，“4·26”過程隴南、天水兩地CAPE值為500～1000 kg·J-1，較前者明顯偏大?？梢姡?次過程均具有良好的水汽條件以及一定強度的不穩(wěn)定能量，其中“4·19”過程不穩(wěn)定條件相對較弱。

5 動力診斷

鋒生函數和假相當位溫(θse)分別為動力和熱力的綜合物理量，可定量表征大氣的鋒生結構及其時空分布和演變特征[25]，在鋒生過程的研究中得到廣泛應用[26-31]，不同層次的鋒生對降水的作用不盡相同，有研究認為鋒生中心多位于低層[32]，而顯著的冷暖平流導致斜壓鋒生加強，并形成動力強迫[16]。針對2次過程，著重分析700、850 hPa的鋒生函數和假相當位溫，研究鋒生作用與低層及近地層影響系統(tǒng)、短時強降水的對應關系，并通過中、低層溫度平流分析低層及近地層的斜壓鋒生特征。

強對流的發(fā)生需要水汽、不穩(wěn)定層結和抬升力3個基本條件。在具備一定的水汽及不穩(wěn)定能量條件基礎上，利用水平風場、散度、渦度、垂直風切變等物理量，對比低空輻合、高空輻散條件，以及低空急流、對流風暴的垂直組織性等動力特征，揭示2次過程動力抬升機制。

5.1 低層和近地層鋒生

4月19日14：00，700 hPaθse等值線密集帶由甘肅中部向北延伸至內蒙古中部，對應為鋒生函數正值，呈東北—西南向分布，與地面冷鋒走向一致，但位置略偏北[圖5(a)]，低層冷鋒隨高度向西傾斜；20：00，θse等值線趨于密集，鋒生強度明顯增強，中心位于慶陽北部至白銀東南部一線，強度達400～500×10-10K·m-1·s-1[圖5(b)]；20：00至次日02：00，鋒生函數持續(xù)增大，配合θse等值線密集帶向南推進至隴東南地區(qū)，中心強度達500～600×10-10K·m-1·s-1[圖5(c)]。850 hPa鋒生函數、假相當位溫空間分布與700 hPa鋒生函數和假想當位溫以及地面冷鋒一致，850 hPa隴東南鋒生強度明顯小于700 hPa，為100～200×10-10K·m-1·s-1(圖略)。短時強降水與700 hPa鋒生函數大值區(qū)分布一致，表明在較弱的熱力不穩(wěn)定條件下，濕空氣沿鋒面斜升，鋒面附近存在條件性對稱不穩(wěn)定[16]，以動力不穩(wěn)定條件為主。

圖5 2019年4月19日14:00(a)、20:00(b)及20日02:00(c)700 hPa鋒生函數(填色區(qū)代表正值、紅色虛等值線代表負值，單位：10-10 K·m-1·s-1)及假相當位溫(藍色等值線，單位：K)空間分布

4月26日20：00，700 hPa小股冷空氣沿蘭州北部南下，白銀—蘭州—臨夏一線θse等值線趨于密集，較地面輻合線位置略偏北，鋒生函數正值區(qū)中心強度為400×10-10K·m-1·s-1左右[圖6(a)]，對應甘肅中部冰雹、大風及分散性的短時強降水天氣；27日02：00，θse等值線密集帶呈東北—西南向，強鋒區(qū)(鋒生函數正值中心500×10-10K·m-1·s-1)位于隴東南西北部[圖6(b)]；27日02：00—05：00，強鋒生帶進入隴東南并迅速減弱[圖6(c)]，對應地面冷式切變斷裂。26日20：00，850 hPa存在兩個θse等值線密集區(qū)：一個位于甘肅中部，鋒生函數中心強度小于100×10-10K·m-1·s-1；另一個位于陜西，受華北平原冷空氣向西擴散影響，存在中心強度大于500×10-10K·m-1·s-1的鋒生區(qū)[圖6(d)]；27日02：00—05：00，天水、隴南東部θse等值線逐漸密集，并出現弱的鋒生帶(鋒生強度小于100×10-10K·m-1·s-1)[圖6(e)、圖6(f)]?？梢?，對流性強降水先后受東西兩路鋒區(qū)影響，700 hPa西路鋒區(qū)東移至隴東南，強度迅速減弱，27日02：00—03：00在慶陽觸發(fā)了分散性短時強降水；03：00—08：00 850 hPa東路鋒區(qū)在隴南和天水東部生成并穩(wěn)定維持，觸發(fā)區(qū)域性短時強降水。

圖6 2019年4月 26日20:00(a、d)、27日02：00(b、e)和05:00(c、f)700 hPa(a、b、c)、850 hPa(d、e、f)鋒生函數(填色區(qū)代表正值、紅色虛線代表負值，單位：10-10 K·m-1·s-1)和假相當位溫(藍色實等值線，單位：K)空間分布

5.2 溫度平流

4月19日22：00至20日02：00，500 hPa河東大部分地區(qū)有冷平流發(fā)展，并向東南方向延伸，中心強度為-25×10-5K·s-1左右，地面加壓，水平形變項導致鋒生作用加強[23-24,27][圖7(a)]。26日17：00—21：00，高原邊坡有冷平流入侵，中心強度小于-45×10-5K·s-1，對應地面高壓南側出現正變壓區(qū)，氣壓梯度增大，地面鋒生加強[圖7(b)]；26日22：00至27日08：00，冷平流強度明顯減弱，中心強度小于-25×10-5K·s-1[圖7(c)]，地面正變高減小，水平變形項作用使得低層鋒生作用減弱。

圖7 2019年4月20日01:00(a)、26日17:00(b)及27日02:00(c)500 hPa溫度平流空間分布(單位：10-5 K·s-1)

4月19日20：00，700 hPa冷平流向南擴散過程中強烈發(fā)展，中心強度達-100×10-5K·s-1，暖平流中心強度為10×10-5K·s-1，在偏北風和偏南風水平輻合作用下[圖8(a)]，沿變溫升度方向，等θse線趨于密集，表現為慶陽北部至白銀東南部低層鋒生[23-24]；850 hPa冷平流較700 hPa偏弱，且輻合位置略偏北[圖8(b)]，對應邊界層鋒生作用較弱。26日20：00，700 hPa冷平流中心強度小于-40×10-5K·s-1，暖平流中心強度為40×10-5K·s-1左右，甘肅中部南北風輻合[圖8(c)]，水平θse梯度增大，出現強鋒生帶； 850 hPa，甘肅河東地區(qū)有兩支冷平流，除甘肅中部南下的西路冷平流外，另外一支由華北平原向西擴散至隴東地區(qū)[圖8(d)]。27日02：00—08：00，700 hPa冷平流減弱并南壓，隴東南偏南風轉為西南風，水平輻合項減小，低層鋒生隨之減弱，此階段暖平流強烈發(fā)展，中心強度達70×10-5K·s-1，低空急流改善了低層溫濕條件，熱力不穩(wěn)定顯著[圖8(e)]；27日03：00—08：00，850 hPa西路冷平流南下過程中逐漸減弱，東路冷平流穩(wěn)定維持，與四川北部、陜南暖平流交匯，此時風場輻合雖不明顯[圖8(f)]，但在隴南、天水東部存在弱的鋒生作用。

圖8 2019年4月19日20:00(a、b)、26日20:00(c、d)、27日05:00(e、f) 700 hPa(a、c、e)、850 hPa(b、d、f)溫度平流(填色，單位：10-5 K·s-1)和風場(矢量，單位：m·s-1)

綜合來看，“4·19”過程中、低層冷平流強烈發(fā)展，驅動低層鋒生，深厚的鋒面抬升加強對流發(fā)展。“4·26”過程中層冷平流減弱，低層及近地層冷平流較為復雜，在東西兩路冷平流共同作用下，隴東南出現近地層弱鋒生帶；而低層暖濕平流強烈發(fā)展，在隴東南高能高濕區(qū)內，低層及近地層鋒生帶(對應地面冷式輻合線)經過隴南、天水東部觸發(fā)出區(qū)域性短時強降水。

5.3 風場、渦度場和散度場

5.3.1 700 hPa風場和渦度場

2次過程在700 hPa均存在偏北風與偏南風強烈輻合的環(huán)流背景?！?·19”過程偏北氣流強于偏南氣流，大于15 m·s-1的等風速線南壓過程中范圍不斷擴大，在隴東南有強輻合場，至20日00:00，正渦度中心達40×10-5s-1[圖9(a)]；“4·26”過程正好相反，偏南氣流明顯強于偏北氣流，偏南氣流發(fā)展為低空急流，27日02:00，中心風速大于25 m·s-1，偏南氣流前端有強輻合場，輻合中心強度與前者相當，范圍更大[圖9(b)]。綜上所述，“4·19”低層干冷空氣為主導，而“4·26”暖濕空氣更為強盛。

圖9 2019年4月20日00:00(a)及27日02:00(b)700 hPa風場(矢量，單位：m·s-1)和渦度(只顯示正值，填色，單位：10-5 s-1)

5.3.2 200 hPa風場和散度場

4月19日08：00，200 hPa中高緯和副熱帶地區(qū)有兩支西風急流，分別位于47°N和25°N附近(圖略)，20：00，在河東地區(qū)出現西南風與偏西風的輻散區(qū)域，散度大于10×10-5s-1[圖10(a)]，20日00：00，西風帶西段急流入口南壓至37°N附近，副熱帶急流出口北抬至30°N附近，隴東南處于西風帶急流入口區(qū)右側、副熱帶西風急流出口區(qū)左側，散度大于12×10-5s-1[圖10(b)]。26日08：00 200 hPa僅有一支西風帶急流，緯度跨25°N—55°N(圖略)，急流在向東傳播過程中， 20：00在甘肅白銀、河東偏南地區(qū)分別出現兩個輻散區(qū)域[圖10(c)]，27日04：00，甘肅隴東轉為西南風，西風帶急流在隴東南分支為西南風與西北風，呈南北向帶狀分布、范圍更大，此時散度中心強度大于20×10-5s-1[圖10(d)]。

圖10 2019年4月19日20:00(a)、20日00:00(b)、26日20:00(c)及27日04:00(d)200 hPa風(矢量，單位：m·s-1)和散度(填色，只顯示正值，單位：10-5 s-1)空間分布

綜上所述，2次過程都存在高空輻散、低層輻合，對流層下層到中上層出現深厚的垂直上升運動?！?·19”過程低層以偏北風為主導，對流發(fā)生在西風帶急流入口區(qū)右側、副熱帶急流出口區(qū)左側；“4·26”過程低層以偏南風為主導，對流發(fā)生在高層西風帶急流的分流區(qū)內。

5.4 垂直風切變

如果沒有垂直風切變的作用，上升氣流難以維持。通過對比環(huán)境場的垂直風切變，發(fā)現19日22:00隴東南地區(qū)0～6 km垂直風切變小于6 m·s-1(圖略)，4 h內快速增大至18 m·s-1[圖11(a)]；26日02:00隴東南地區(qū)垂直風切變中心強度大于21 m·s-1[圖11(b)]，且此強度維持4 h，更有利于雷暴的組織及傳播。從隴南單站風場的垂直分布(圖略)可以看出，2次過程在強對流發(fā)生初期，風均隨高度順轉有暖平流，屬于有組織的對流垂直分布形勢。

圖11 2019年4月20日02:00(a)及27日02:00(b)0～6 km垂直風切變場(單位：m·s-1)

6 結論和討論

(1)2次過程中層有冷平流，低層冷暖空氣交匯，地面分別有冷鋒和冷式切變線，具備一定強度的垂直風切變，屬于斜壓鋒生類短時強降水過程。在同樣顯著的斜壓大氣環(huán)境條件下，對流發(fā)生、發(fā)展呈現出多樣性?！?·19”過程屬深厚的西路冷空氣南下，地面有明顯的冷鋒活動，具備大尺度的鋒面降水特征，“4·26”過程低層及近地層冷空氣擴散，低空急流改善了低層溫濕條件，對流降水的中尺度特征更為顯著。

(2)在低空輻合、高空輻散作用下，2次過程均存在深厚的抬升條件，“4·19”過程低層輻合區(qū)以偏北風為主導，對流發(fā)生在西風帶急流入口區(qū)右側、副熱帶急流出口區(qū)左側的輻散區(qū)內，“4·26”過程低層輻合區(qū)偏南風發(fā)展，對流位于西風帶急流的分流區(qū)內。

(3)“4·19”過程中、低層冷平流發(fā)展，驅動低層鋒生加強，對流發(fā)生在強的鋒面強迫抬升和弱的熱力不穩(wěn)定條件下，以動力不穩(wěn)定為主導?！?·26”過程中、低層冷平流減弱，弱的邊界層斜壓鋒生條件下，低層暖濕急流強烈發(fā)展，對流發(fā)生在強熱力不穩(wěn)定能量環(huán)境和邊界層鋒生觸發(fā)共同作用下，以熱力不穩(wěn)定為主導。

(4)“4·26”過程低層及邊界層冷空氣路徑較為復雜，對流性強降水先后受東西兩路冷空氣影響，對流初期，700 hPa西路冷平流南下過程中減弱，地面切變輻合觸發(fā)了分散性短時強降水；對流旺盛階段，850 hPa東路冷平流向西推進，近地層鋒生在隴南、天水東部形成并穩(wěn)定維持，觸發(fā)了區(qū)域性短時強降水。

(5)西北地區(qū)地形復雜，低層和近地層觸發(fā)系統(tǒng)難以界定，鋒生函數可定量描述低層和近地層影響系統(tǒng)的時空分布和演變特征，可作為斜壓鋒生類對流觸發(fā)系統(tǒng)判定的主要物理量指標。

本文在討論低層鋒生運動學特征時，據鋒生函數各項的物理意義，是否可將500 hPa冷平流發(fā)展、地面加壓用作對流層中下層變形場鋒生的主要動力因子，仍需進一步討論；同時，用于討論鋒生函數水平散度項貢獻的700 hPa溫度平流、風場演變特征，需要做進一步定量化的分析。