2023年7月10~12日海北中到大雨天气成因分析

Analysis of Causes of Moderate to Heavy Rain in Haibei from July 10~12, 2023

摘要: 本文利用站点实况数据、MICAPS数据、刚察风廓线雷达数据以及ERA5再分析资料研究了2023年7月10~12日青海省海北州出现的中到大雨天气过程，结果表明：此次天气过程发生发展与维持的动力条件来自高层南亚高压、中层短波槽及低层切变和热低压共同形成的高低空配置；孟加拉湾的水汽是此次强降水过程的主要水汽来源，西南气流在海北地区低层的动力输送下形成充沛的水汽供应；高温、高湿的环境贮存了较强的不稳定能量，中尺度系统的动力抬升和冷空气的入侵均有利于触发不稳定能量的释放，进一步增强了强对流天气的发生发展，导致短时强降水的出现；刚察风廓线雷达显示强降水开始前探测高度迅速增大，有短波槽在降水时段过境。

Abstract: In this paper, using the site data, MICAPS data, wind profile radar data and ERA5 reanalysis data, we studied the moderate to heavy rain weather process in Haibei Prefecture, Qinghai Province from July 10 to 12, 2023. The results show that: the dynamic conditions for the development and maintenance of the weather process came from the high and low altitude configuration formed by the upper South Asian high pressure, the middle short-wave trough, and the low level shear and thermal low pressure. The water vapor in the Bay of Bengal is the main source of water vapor in the heavy precipitation process, and the southwest airflow forms abundant water vapor supply under the power transport of the lower level in Haibei area. High temperature and high humidity store strong unstable energy. The dynamic uplift of mesoscale system and the intrusion of cold air are conducive to triggering the release of unstable energy, which further enhances the occurrence and development of strong convective weather and leads to the emergence of short-term heavy precipitation. Just observed wind profile radar showed that the detection height increased rapidly before the onset of heavy precipitation, and there was a short-wave trough passing through the precipitation period.

1. 引言

近年来，短时强降水天气受到业务工作者的重点关注，因其突发性和极端性的特点使得预报预测降水落区、强度以及发生时间成为难点。在降水落区的预报上，国外大尺度数值天气预报取得了良好效果，但雨量由于数值模式分辨率低，很难准确描述中尺度系统及缺乏对各类尺度天气系统之间如何相互作用的机制的了解等原因，预报效果较差，特别是强降水雨量的预报。

受短波槽和低层热低压的影响，海北州从7月10日至12日出现了持续性强降水过程，强降水过程引起的山洪、泥石流等重大地质灾害造成牲畜冲走，部分道路、草场网围栏、桥梁、水利堤防工程冲毁，涵洞、畜棚受损，机动车、草场被淹，造成较大经济损失。降水的突发性、持续性是造成重大灾害的直接原因，因此，研究强降水事件特征，对成因进行分析，探讨强降水形成的可能物理机理，对业务预报水平的提升和气象防灾减灾有重大意义。

2. 资料和方法

本研究采用了2023年7月10日至12日海北州降水站点数据、MICAPS数据资料、门源X波段雷达数据、刚察风廓线雷达数据、卫星云图以及逐小时ERA5再分析资料(空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚)，包括温度、比湿、风、位势高度、垂直速度、对流有效位能、海平面气压等物理量。

本文部分物理量的计算所用到的公式如下：

$qf=\frac{1}{g}\left|\stackrel{\to }{V}\right|\cdot q$ (1)

$qfd=\nabla \cdot \left(\frac{1}{g}q\stackrel{\to }{V}\right)$ (2)

$\theta =T{\left(\frac{1000}{P}\right)}^{0.2854}$ (3)

${\theta }_{se}=\theta \exp \left(\frac{L{q}_s}{C_{p}T}\right)$ (4)

说明：qf为水汽通量，q为比湿，qfd为水汽通量散度，θ为位温，T为气温(单位为K)，P为气压，θ_se为假相当位温，L为水汽潜热，q_s为饱和混合比，C_p定压比热。

3. 降水实况

7月10日至12日，海北地区出现持续性强降水天气，伴有雷暴大风、短时强降水等强对流天气。此次天气特点：累计降水量大、降水范围广、前期以对流性降水为主，后期转为稳定性降水。期间共计10个测站累计降水量降水超过50 mm，强降水落区主要在刚察北部、祁连东南部、门源西部乡镇，降水中心位于刚察吉尔孟乡江仓气象观测站67.9 mm (见图1)，主要降水时段集中在10日19时至23时、11日20时至12日03时。

Figure 1. Precipitation distribution from 08:00 on 10th to 08:00 on 13th

图1. 10日08时~13日08时降水实况分布图

10日19时30分至20时30分刚察热水工业园区出现短强25.8 mm/h，11日19时45分至20时45分刚察吉尔孟乡江仓气象观测站出现短强20.3 mm/h，12日01时25分至02时25分刚察沙柳河镇刚察大寺恩乃村出现短强21.7 mm/h (见表1)。

Table 1. Short-time heavy precipitation statistics from July 10~12, 2023

表1. 2023年7月10~12日短时强降水统计

4. 大气环流特征

10日20时在200 hPa高度上青海处在南亚高压控制下(见图2(a))，且有一个明显的暖中心，海北在高温、高湿、高能区内，高压外围的辐散作用有利于低层动力的维持，北部急流可以增强动力不稳定和风速的垂直切变，有利于强对流的发生发展 [1] 。海北上空的高空辐散先增强后减弱的趋势与降水强度的变化一致，且变化时段是对应的，同时高空辐散对上升运动的维持具有重要的作用。500 hPa高度上中高纬呈两槽一脊的形势，青海省关键区呈东高西低的形态，东部高压脊阻挡效应明显，在10日20时高空槽分裂的短波槽携带冷空气影响海北(见图2(b))，与前期积累的暖湿空气交汇，产生强降水。600 hPa高度海北受切变活动影响(见图2(c))，北部冷空气沿河西走廊下滑影响海北，西南暖湿气流沿着河湟谷地灌入为此次降水提供水汽和能量，冷暖气流形成的切变是此次过程中上升运动的助力之一。700 hPa高度青海省受热低压控制(见图2(d))，暖中心温度高达20℃，低压北部有冷空气沿河西走廊下滑影响海北，来自孟加拉湾的西南暖湿气流沿着高原边坡接力北输至青海东部；西南气流从孟加拉湾带来充沛的水汽，通过热低压辐合上升运动将水汽抬升到凝结高度形成降水，后期伴随北部冷空气南下，偏南气流的输送作用减弱，降水强度也随之减弱。西南气流是强降水过程中输送水汽和能量的通道，为水汽的汇集和不稳定层结的形成提供了有利条件 [2] 。

Figure 2. 20:00 day circulation situation field Wind field (vector arrow), Potential height field (black contour line) Temperature field (red contour line) on July 10, 2023. (a) 200 hPa; (b) 500 hPa; (c) 600 hPa; (d) 700 hPa

图2. 2023年7月10日20时日环流形势场风场(矢量箭头)，位势高度场(黑色等值线)温度场(红色等值线)。(a) 200 hPa；(b) 500 hPa；(c) 600 hPa；(d) 700 hPa

5. 物理量诊断分析

5.1. 水汽条件

5.1.1. 水汽通量

从600 hPa水汽通量的分布可知，10日20时(见图3(a))、11日20时(见图3(b))的水汽主要来自系统自带和高原东部偏南气流输送的孟加拉湾水汽，东部的水汽通过河湟谷地灌入青海东部，伴随偏东气流影响海北，为降水提供了源源不断的原料 [3] ，期间产生强降水；12日08时(见图3(c))随着北方冷空气南压，水汽通道被阻断，只有系统自带的水汽影响海北，转为稳定性降水，12日20时(见图3(d))水汽输送进一步减弱，降水趋于结束。

Figure 3. 600 hPa water vapor flux from July 10 to 12, 2023 (Unit: 10⁻² g∙s⁻¹∙cm⁻¹∙hPa⁻¹). (a) At 20:00 on the 10th; (b) At 20:00 on the 11th; (c) At 08:00 on the 12th; (d) At 20:00 on the 12th

图3. 2023年7月10日至12日600 hPa水汽通量(单位：10⁻² g∙s⁻¹∙cm⁻¹∙hPa⁻¹)。(a) 10日20时；(b) 11日20时；(c) 12日08时；(d) 12日20时

5.1.2. 比湿

10日20时(见图4(a))、11日20时(见图4(b))由于源源不断的水汽输送，600 hPa高度上全州大部比湿超过9 g/kg，最大达11 g/kg，超过青海地区大雨量级降水对应的比湿阈值，比湿大值中心位于刚察、海晏的北部地区，短时强降水落区比湿达到10.5 g/kg。12日08时南部水汽输送通道阻断，主要受到系统自带水汽影响，比湿较前一日有所减小(见图4(c))，降水也转为稳定性降水，强度明显减弱；到12日20时水汽输送结束，所以比湿迅速减弱(见图4(d))，降水趋于结束。

5.2. 动力条件

对500 hPa垂直速度场分析可知，10日过程期间强上升运动主要位于刚察地区(见图5(a))，11日较强上升运动区在刚察、祁连东部地区(见图5(b))，最强垂直上升速度出现在10日夜间，达到150 × 10⁻² pa/s (20 cm/s)，强上升运动区与强降水落区有较好的对应，降水中心位于垂直速度大值中心的东部，12日08时强上升运动区在刚察、祁连地区(见图5(c))，稳定性降水带在上升区东部，12日08时上升运动减弱(见图5(d))，降水趋于结束。从降水实况可知，海北西部降水强于东部，海北西部的垂直运动的强度普遍强于东部，即降水的发生需要一定强度的垂直运动，而垂直运动强度与降水强度呈正相关。

5.3. 不稳定条件

5.3.1. 假相当位温

从刚察哈尔盖镇热水工业园区的假相当位温时间序列剖面图(见图6(a))可知，在10日20时强降水

Figure 4. Specific humidity of 600 hPa from July 10 to 12, 2023 (unit: g∙kg⁻¹). (a) At 20:00 on the 10th; (b) At 20:00 on the 11th; (c) at 08:00 on the 12th; (d) At 20:00 on the 12th

图4. 2023年7月10日至12日600 hPa比湿(单位：g∙kg⁻¹)。(a) 10日20时；(b) 11日20时；(c) 12日08时；(d) 12日20时

Figure 5. 500 hPa vertical velocity from July 10 to 12, 2023 (unit: 10⁻² Pa∙s⁻¹). (a) At 20:00 on the 10th; (b) At 20:00 on the 11th; (c) at 08:00 on the 12th; (d) At 20:00 on the 12th

图5. 2023年7月10日至12日500 hPa垂直速度(单位：10⁻² pa∙s⁻¹)。(a) 10日20时；(b) 11日20时；(c) 12日08时；(d) 12日20时

出现时中低层假相当位温随高度升高而减小，为对流不稳定区，刚察吉尔孟乡江仓地区的假相当位温时间序列剖面图(见图6(b))显示11日20时左右也同样出现对流不稳定区，两地在强对流发生前的假相当位温均高于80℃，后期随着假相当位温减小至80℃以下，降水逐渐转为稳定性降水，高温、高湿的环境条件对强对流的发生有明显加持作用，有利于短时强降水的产生。

Figure 6. Time series Profile of θ_se falling area of Haibei Heavy precipitation from July 10 to 12, 2023 (unit: ˚C). (a) Hot Water Industrial Park in Gangchahargai Town; (b) Jiangcang, Gangchir Mong Township

图6. 2023年7月10日至12日海北强降水落区θ_se时间序列剖面图(单位：℃)。(a) 刚察哈尔盖镇热水工业园区；(b) 刚察吉尔孟乡江仓

5.3.2. 对流有效位能

10日午后对流有效位能达到1250 J/kg以上(见图7(a))，位于海北上游地区，影响海北的对流云团在此被触发，随后东移至刚察东北部、门源西部形成强降水；11日的对流有效位能最大值达到2000 J/kg以上(见图7(b))，同样位于海北西部，由于能量更强，对流在短时间内发展旺盛，随即产生降水，对流有效位能作为潜在的不稳定能量，需要抬升触发条件才能转化为上升的动力，所以主要影响了位于动力抬升区的刚察西北部。

Figure 7. Distribution of the effective potential energy of the Boreal convection in the afternoon of July 10 and 11, 2023 (unit: J∙kg⁻¹). (a) At 14:00 on the 10th; (b) At 14:00 on the 11th

图7. 2023年7月10日和11日午后海北对流有效位能分布图(单位：J∙kg⁻¹)。(a) 10日14时；(b) 11日14时

5.3.3. 海平面24小时变压

从冷空气路径来看，10日午后冷空气沿河西走廊南下(见图8(a))，16时冷空气入侵我州西部，对流开始发展，20时冷空气前沿的刚察东北部触发强降水(见图8(b))；11日强降水主要受东路冷空气影响产生，20时刚察西北部地区冷空气前沿的刚察西北部产生较强降水(见图8(c))，12日冷空气已控制海北全境(见图8(d))，降水以冷云系降水为主，降水稳定，相比前期的对流性降水，强度减弱。

Figure 8. 24-hour sea level barotropic field from July 10 to 12, 2023 (unit: hPa). (a) 10, 08:00; (b) At 20:00 on the 10th; (c) 11, 20:00; (d) At 14:00 on the 12th

图8. 2023年7月10日至12日24小时海平面变压场(单位：hPa)。(a) 10日08时；(b) 10日20时；(c) 11日20时；(d) 12日14时

6. 中小尺度系统分析

6.1. 中尺度地面辐合线

10日18时左右祁连地区形成中尺度地面辐合线，刚察大部由偏东气流转为偏南气流，祁连出现阵雨，至19时左右刚察地区开始产生中尺度地面辐合线并逐渐东移，到20时30分移至刚察东部，期间刚察地区出现强降水，21时左右门源西部地区产生中尺度地面辐合线，门源地区强降水开始(见图9(a))。

11日过程开始前全州大部盛行东南气流，18时左右祁连形成中尺度地面辐合线，祁连出现阵雨，20时祁连南部、刚察西北部交界处产生辐合，刚察江仓出现短时强降水；12日02时左右刚察西部转为偏北风，与东部偏东风形成辐合线，在辐合线附近出现新一轮降水；12日04时~05时海晏、门源地区辐合明显，对应地区开始产生降水(见图9(b))。中尺度地面辐合线为此次中到大雨天气提供了动力抬升触发机制 [4] 。

6.2. 风廓线雷达产品

从刚察10日风廓线雷达风羽图可以看出(见图10(a))，低层到高层风向从西南风转为偏西风，风随

(a) (b)

Figure 9. Mesoscale surface convergence lines for July 10~12, 2023. (a) 10, from 18:00 to 21:00; (b) 18:00 on 11~05:00 on 12

图9. 2023年7月10日至12日中尺度地面辐合线。(a) 10日18时~21时；(b) 11日18时~12日05时

高度顺转，有暖平流，20时至21时30分西南风逐渐转为偏南风，之后转为偏西风，表明有短波槽在此时段过境；10日的垂直速度图(见图10(b))显示19时30分开始探测高度迅速增大，表明湍流活动增强，有对流活跃，刚察地区垂直速度为正在20时30分之后，表明降水在对流发展1小时后产生。11日风羽图(见图10(c))和垂直速度图(见图10(d))均显示探测高度迅速增加在20时左右，但风向变化不明显，无短波槽活动，因此未产生降水。到12日01时30分探测高度增大，最高9 km左右(见图10(e))，低层到高层风向从西南风转为偏西风，有暖平流，在03时30分之后转为偏西风，有短波槽过境，受其影响，刚察出现降水。

7. 结果与讨论

7.1. 结果

本文分析了2023年7月10~12日海北地区持续性强降水过程，得出以下结论：

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Figure 10. Wind Profile radar wind plume (left) and vertical velocity chart (right) from July 10 to 12

图10. 7月10日至12日风廓线雷达风羽图(左)和垂直速度图(右)

① 此次天气过程发生发展与维持的环流背景是高层南亚高压、西风急流；中层短波槽及低层的切变和热低压，有利的高低空配置提供了高层辐散、低层辐合的条件；

② 孟加拉湾的水汽是此次强降水过程的主要水汽来源，强盛的西南水汽通量提供了有利的水汽输送条件，给降水区上空带来了充沛的水汽，从600 hPa比湿场上可以得出强降水区上空比湿超过10.5 g/kg；

③ 高层辐散、低层辐合高低空配置产生的垂直上升运动为降水过程提供了动力条件，降水中心位于垂直速度大值中心的东部；

④ 高温、高湿的环境贮存了较强的不稳定能量，中尺度系统的动力抬升和冷空气的入侵均有利于触发不稳定能量的释放，进一步增强了强对流天气的发生发展，导致短时强降水的出现；

⑤ 刚察风廓线雷达垂直速度图显示强降水开始前探测高度迅速增大，风羽图上有短波槽在降水时段过境。

7.2. 讨论

本文只初步分析了2023年7月10日至12日海北地区持续性降水过程的部分成因，还有一些问题有待进一步研究：在预报场中如何判断降水落区，不同因子对降水强度和落区影响的权重是多少？除了上述成因外，是否还有其他重要因素？