甘肃省暴雨过程分析与研究

摘要：甘肃是一个暴雨多发的省份，夏季降水集中，占全年降水70%左右，造成了冬春季干旱缺雨的地理气候大背景，境内许多山脉隆起，都是甘肃暴雨中心，降水量明显大于周围地区。暴雨天气过程为暴雨的形成提供了很好的水汽条件，散度、涡度等动力条件。通过研究分析甘肃省时段暴雨对于甘肃暴雨的变化规律，暴雨特性，指导暴雨观测与山区水资源量计算等具有重要意义。

关键词： 暴雨量；变化；规律；数值模拟；

中图分类号：P458文献标识码： A

一、绪论

1.1研究的目的和意义

暴雨是一种灾害性很强的气候事件，对国民经济以及人民生命财产造成巨大损失，暴雨因其突发性和毁灭性的危害等特定而备受关注；暴雨研究作为国家重大科技攻关项目，近年来取得了许多有意义的成果，但主要集中在短期暴雨过程和我国南方地区暴雨气候背景分析，我国西北地区暴雨，其范围和强度与其他地区尤其南方各地相对较弱，但是因下垫面植被、土壤物理性质、防范意识等的差异，危害程度不亚于我国其他地区。暴雨在西北地区从春季到秋季均可发发生，一次暴雨的日降水量往往超过当地月降水量的气候值，而西北地区的黄土高原和青藏高原的边坡地带，土质疏松，水土流失严重，使西北地区成为我国地质灾害多发区之一，正因为如此，暴雨给西北地区带来的危害也是巨大的，具有典型性和代表性。而甘肃是我国泥石流最为频发的地区之一，它与干旱洪涝和水土流失等自然灾害一起，成为制约当地经济发展得主要因素。

暴雨常造成重大的洪涝灾害，是甘肃省最严重的自然灾害。但它又是一种珍贵的水资源。因此，研究暴雨的成因及其发展、演变规律等是非常有重要意义的，也能为今后甘肃地区暴雨的长、中、短期预报提供背景资料。近年来，全球暴雨天气频发，研究暴雨日益受到国内外各方面的重视。

1.2暴雨研究进展

我国在70年代以前对暴雨的研究与应用还很少。改革开放以后国家科委气象组与国家气象局创立“七五”攻关项目，研究重点由天气尺度转为中尺度初级阶段，使得暴雨预报向客观化、定量化方向转变。20世纪90年代后，面对1991年和1998年江淮特大暴雨及洪涝灾害提出的挑战，研究重点为全面发展和建立暴雨监测、预报、评估和服务系统，并加雨基础理论研究，目标是揭示暴雨系统发生发展的机理及其物理过程。建立暴雨预报理论和方法。自暴雨灾害研究被列为国家973重大项目之后，我国对暴雨研究进入了新的阶段。随着新一代天气雷达网的业务建设，大气监测和遥感技术得到广泛应用，暴雨数值预报资料同化和超级集合预报技术发挥重要作用．

二、本次过程分析

本文通过对2013年7月25日发生在甘肃天水的一次罕见大暴雨过程进行模拟分析研究。定量解释暴雨过程中的主要物理量场变化，尝试分析暴雨发生过程中的物理结构，为归纳甘肃暴雨的发生和发展成因提供支撑。

2.1暴雨的特点

2.11暴雨基本情况

2013年7月，甘肃省天水市连续遭遇4次暴雨洪涝灾害（图1），引发山洪泥石流、滑坡及山体崩塌等自然灾害。其中25日暴雨再次袭击天水市秦州区、武山县等地，截至7月31日，已造成21人遇难、4人失踪，7个县区的123个乡镇、8个街道办事处122．26万人次受灾，大量民房、农田被毁，道路、水电、通讯等基础设施损毁严重。累积降水量15个观测站（县级站）超过50mm，其中7站超过100mm，5站在150mm以上（达年降水量1/3以上）。日最大降水量发生在天水中东部，达到160mm。

图17月23~25日甘肃省降水量分布（单位：mm）

2.12暴雨的局地性

我国西北大多数地区的暴雨为局地性天气。据西北区年降雨量小于600mm地区统计，日雨量>50mm的暴雨绝大多数都是小范围或局地的。此次过程是从25日08时开始，自西北向东南方向成片地发生，6小时累计降水量上可以看出，14时以后降水出现在拉脊山脉一带，从下午开始明显增大，6小时中心降水达到33ms以上，到晚上达到最强，降水中心位于甘肃省天水市，6小时降水达50mm以上。

2.3环流背景

下图为500hPa位势高度场分布情况。如图2.31，25日08时副热带高压位于N处，呈带状分布，其控制的区域为：北面从四川东缘、陕南、湖北，一直到淮河以南的沿海；西边到黔、桂东部。而陕南和甘肃中南部正处于其西北的边缘与槽的交界处影响地带，为对流性系统发生发展提供了有利的背景场。自7月初以来，太平洋副热带高压在我国大陆北移，副高稳定维持在中纬，它周围的顺时针气流，将来自太平洋的暖湿空气沿着贵州、重庆、四川一带，输送到陕南、甘肃中南部地区。为其降水带来了相对稳定的水汽条件。20时(图2.32)副高断裂，形成鞍形场形势，甘肃省位于两高压之间处，等温线落后于等高线，有冷平流南压。8日02时，东边的高压迅速西退(图略)，到了8日08时(图2.33)大陆高压依然稳定维持，中纬度槽线继续东移，甘肃南部处于副高西侧，偏南气流主导，有充足的暖湿气流向西北地区输送。

图2.31

图2.32

图2.33

三、本次暴雨研究诊断

3.1局地地形作用

地形和下垫面既能制约和改造大尺度环流系统，间接影响西北暴雨，又能改变局地环流，直接影响暴雨过程。我国西北地区位于青藏高原的北部和北侧。青藏高原和帕米尔高原连接在一起，横亘在一带，成为世界上最大、最高的高原。它的平均高度超过4000m，把热带潮湿空气阻隔在高原南侧，把极低冷空气阻挡在高原北侧，并通过多种动力和热力过程，影响西北各地的天气气候。

3.2水汽条件

分析此次暴雨过程700hPa比湿场可以发现，从24日08时开始至25日02时天水地区一直为高湿区，q均为大于12g/kg，从24日14时开始舟曲县至天水市区一带上空出现等比湿线密集带，比湿最大中心位于四川省北部，到暴雨发生前的3小时，高湿中心北移至天水市正上方，中心比湿最大值为13g/kg，甘肃中部的等值线密集程度加剧，到25日02时，北部的比湿密集带依然存在，但是密集程度有所减弱，此时的舟曲至岷县一带的局地短时大暴雨过程减弱，舟曲县至岷县一带上空的比湿值有所减小，但依然大于12g/kg。可见，当700hPa的比湿大于12g/kg时，有利于此次暴雨的发生，且比湿密集带的位置与暴雨落区有很好的对应关系，暴雨发生在比湿密集带附近与偏高值一侧的地区。

3.3湿焓分析

压能Ep是一个动力学参数，文中计算压能公式为：为重力加速度；为对平均高度的偏差，为等压面上某一平均高度值，500hPa、700hPa、850hPa的Z分别取5500gpm、3000gpm、1400gpm；代表空气质量的动能，分析中压能用代替，单位。

暴雨发生的过程既是热力过程，也是动力过程。湿焓是一个热力学参数，而压能是一个动力学参数，和之和通称为“总能量”。湿空气的焓简称“湿焓”，是显热能和潜热能之和，通常以表示；其中，其中Cp、L、q、T分别为空气的定压比热、水的凝结潜热，比湿和气温。分析中用代替，单位。以下针对700hPa高度层进行湿焓平流分析。

在24日20时（图3.31），四川北部至陇南上空的等湿焓线与等压能线的密集带开始逐渐转为相垂直的形势，湿焓平流逐渐增大，尤其以舟曲县至天水的东南部一带最为明显。到了25日的02时，垂直形势已经完全形成，并且持续到25日下午14时，湿焓平流达到最大．等湿焓线愈密集，与等压能线的交角愈接近90。的地方，短期暴雨强度愈大，且强湿焓平流一般是由等湿焓线的密集带与等压能线的密集带成近似垂直相交而形成，处于湿焓锋生过程，具有斜压不稳定能量酬。到了20时（图3.32），甘肃省南部上空的等值线密集带基本消失，强降水过程逐渐减弱。从此次降水过程的压能场和湿焓场的相互配置来看，低层湿焓平流大值区较好地反应了该区未来12h-24h强降水．

图 3.31

图 3.32

四、结论

甘肃是我国泥石流最发育的地区之一，灾害重且类型复杂。暴雨常造成重大的洪涝灾害，是我国最严重的一种灾害性天气。此次甘肃天水泥石流就是由于短时间暴雨造成的。本文主要对7月24日至25日的一次暴雨过程进行数值模拟和诊断分析，在输出结果上从多角度进行了细致和深入的研究，主要结论如下：

（1）卫星资料及雷达资料表明，本次过程是中尺度系统自西北向东南移动造成的，具有明显的局地性及短时性特点．

（2）本次过程水汽条件十分有利于降水的发生和发展。比湿大于12g/kg区域基本覆盖了舟曲县至天水一带上空，水汽通量强辐合区与暴雨落区对应很好。此外，高空急流对此次暴雨也有一定的激发作用，在急流出口区北侧出现的下沉气流把高空锋区的冷空气带下，而急流南侧的上升气流则将低层的暖湿气流带到高层，由此形成次级环流，有利于高低层和南北侧的冷暖空气联通，进行热量交换。

（3）从湿焓平流场分析也发现，我们可以提前12h做出能量累积和未来强降水落区的预报，高湿焓区是不稳定能量聚集区，而压能风对湿焓的平流较为准确地反应了24h后的强降水落区。

（4）高原局地地形作用对此次暴雨起着重要作用。高原中尺度地形的阻挡效应使北面冷空气沿高原东坡下滑，迫使冷空气与来自东侧的东南暖湿气流正好在甘南地区相遇，CAPE值显著增大，为对流在该地区发展提供动力条件，而且高原东坡的热力作用在对流发展和形成中也可能起重要作用。

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