1. 引言
化隆地区位于青海省东部，地形呈“八分山、一分水、一分川”的特点，北部为海拔3000 m以上的拉脊山余脉，南部为黄河流经地，整体呈北高南低阶梯状地势。境内多分布有南北向山脉，由于地形对气流有辐合抬升的作用，因此受地形影响，化隆地区成为降水高发区。经统计，近年来，化隆地区短时强降水次数及雨强呈逐年增长趋势，由于短时强降水的突发性以及致灾性，对农作物及生产生活造成了不同程度的影响，因此分析研究短时强降水的发生发展机理，有助于提高预报准确率、预警提前量。
短时强降水具有降水时间短促，降水效率高的特点，属于强对流天气中的预报重难点。国内研究基于不同角度对环流形势进行分型[1]-[4]，其中孙继松[5]、许东蓓等[6]基于动力机制和热力机制将西北地区强对流天气形势配置分为低层暖平流强迫类、高空冷平流强迫类和斜压锋生类。很多学者基于造成短时强降水的对流风暴，将其大致分为合并加强型、孤立对流单体型以及列车效应型[7]-[9]；基于强对流风暴卫星云图，分析云团移动路径，总结各项物理量演变规律，凝练指标[10]-[13]。地形在降水中起着重要作用，很多学者对地形与大气的相互作用进行了深入研究[14]-[16]，地形陡升区、迎风坡一侧及“喇叭口”等区域更容易发生降水[17]-[19]。
本文选取2023年8月3日(以下称8.3过程)与2023年9月6日(以下称9.6过程)两次短时强降水天气过程，从影响系统、天气分型、对流云移动路径等方面进行对比分析，总结两次天气过程中的异同点，以期对实际业务提供一定的预报技巧。
2. 天气实况
8.3过程中，3日傍晚至夜间化隆地区出现大到暴雨天气过程，6站次出现暴雨，降水中心出现在西部地区查甫乡64.5 mm，局地性突出。19~22时，中西部乡镇查甫乡、群科镇出现短时强降水，查甫乡一小时整点降水量为24.4mm (图1(a))，对总降水量贡献率达到38%。
9.6过程中，6日夜间化隆地区出现区域性大雨，大雨站次27站，降水中心出现在中部河谷地区群科镇49.1 mm，7日00时~7日02时，中西部乡镇昂思多镇、群科镇、扎巴镇出现短时强降水，其中7日01时群科镇一小时整点降水量为29.2 mm (图1(b))，对总降水量贡献率达到59%。
对比两次过程天气实况，8.3短时强降水出现在傍晚及夜间，9.6出现在夜间，后期均转为稳定性小量级降水，符合化隆地区“多夜雨”的气候特征；过程前期均以对流性降水为主，短时强降水均出现在化隆地区中西部乡镇，具有独特的地域性分布特征。分析整点小时雨强，9.6过程雨强较8.3过程强；两次强降水落区分布不均，8.3过程局地性更强，西部乡镇出现暴雨，而9.6过程县域内为一致性大雨。
(a) (b)
Figure 1. Hourly precipitation in Chafu Township (a) from 08:00 on August 3 to 08:00 on August 4, hourly precipitation in Qunke Town (b) from 08:00 on September 6 to 08:00 on September 7
图1. 8月3日08~4日08时查甫乡小时降水量(a)、9月6日08~7日08时群科镇小时降水量(b)
3. 环流背景
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 2. The circulation situation of 500 hPa (a), 700 hPa (b) at 08:00 on August 3 and 500 hPa (c), 700 hPa (d) at 20:00 on September 6
图2. 8月3日08时500 hPa (a)、700 hPa (b)以及9月6日20时500 hPa (c)、700 hPa (d)环流形势
8月3日08时，200 hPa南压高压呈带状分布，中心位于西藏中部地区，青海省东部位于高空急流右侧辐散区，抽吸作用利于低层辐合上升运动；500 hPa中纬度地区为西风气流波动形势，冷温槽位于青海省中部，槽前为西南气流，最大风速10 m/s。副热带高压西伸脊点位于106˚E，化隆地区处于副热带高压西北侧的西南气流中(图2(a))；700 hPa切变线位于内蒙古西部至河西走廊一带，青海东部处于东南气流中(图2(b))。温度场上，500 hPa有明显干冷平流沿槽后西北气流下滑影响青海东部地区。根据西北地区强对流天气形势分型，此次过程属于高空冷平流强迫类天气形势，主要天气系统的活动为西风槽冷平流。
9月6日20时，200 hPa青海东部位于高空急流轴右侧；500 hPa中纬地区为两槽一脊型，低涡位于巴尔喀什湖以北，底部分裂短波槽东移，新疆东部至青海西部槽后偏西风风速14~16 m/s，最大风速达到22 m/s，偏西风与等温线交角较大，有明显冷平流向东南方向输送。槽前西南风强盛，最大风速达18 m/s。槽后冷平流与槽前西南暖湿气流的共同作用下，温度锋区不断加强，斜压性增大。副热带高压西脊点位于89˚E，化隆地区位于副热带高压西北侧西南气流当中(图2(c))。700 hPa切变线位于河西走廊一带，青海东部处于暖区中(图2(d))。根据西北地区强对流天气形势配置，此次过程属于斜压锋生类。
对比两次过程环流形势和影响系统，高空均位于辐散区，500 hPa均有短波槽及副高的影响，700 hPa受到切变线影响。不同特征表现为两次过程热力动力机制具有明显差异，8.3过程属于西风槽冷平流强迫类，而9.6过程为斜压锋生类。
4. 地面特征
(a)
(b)
Figure 3. The superimposed topographic map of ground pressure and wind field at 21:00 (a) on August 3, 2023 and 00:00 (b) on September 7
图3. 8月3日21时(a)及9月7日00时(b)地面变压、风场叠加地形图
8月3日17时，由地面24小时变压可知，受西路冷空气影响，化隆西部上游地区转为正变压控制，化隆境内为负变压。18~19时，上游正变压增大至2.0 hPa，化隆西部乡镇持续出现大于17 mm/h的降水。20时，上游地区正变压增大至2.4 hPa，冷空气逐渐向东侵入，偏西风与北面山脉下坡风形成辐合抬升，查甫乡出现短时强降水，化隆东部乡镇临近站点循化受东路冷空气倒灌影响，转为正变压控制，此时强度弱于西路冷空气。随着东西路冷空气的持续推进，化隆中部沿黄河地区形成辐合线(图3(a))，对流加强导致21~22时该地区出现短时强降水。
9月6日22时，化隆西部上游地区地面24小时变压为2.4 hPa，化隆境内受负变压控制。7日00时，上游地区正变压不断增大(图3(b))，西部偏西地区偏西风风速14 m/s，东部地区受正变压控制，偏东风风速10 m/s。随着冷空气的不断补充加强，西路冷空气达到3.0~3.5 hPa，东路冷空气达到1.7~4.0 hPa。受地形及风向风速影响，化隆境内形成多条辐合线，触发对流，出现大范围的降水，其中00~02时中西部乡镇出现短时强降水。
对比冷空气及风向风速，受化隆地区东开口喇叭口特殊地形以及北高南低地势影响，两次过程中化隆地区西部一般为偏西风，东部为偏东风或东南风，风场辐合、地形抬升以及冷空气强迫抬升作用触发对流，出现强降水，其中冷空气的侵入路径为常见的东路和西路。化隆地区上下游地面24小时正变压对降水的开始时间有较好的指示意义。两次过程中8.3冷空气强度以及风速均小于9.6过程。
5. 水汽特征
8月3日，500 hPa青海东部有槽前西南气流和副热带高压外围东南气流两支气流输送水汽，08时比湿为4 g/kg，20时增加至8 g/kg，700 hPa有东南气流输送水汽，08时比湿为11 g/kg，20时增加至13 g/kg。500 hPa至700 hPa青海东部温度露点差均由08时5℃转为0℃，达到饱和。地面化隆地区露点温度为10℃，截至降水发生前，地面露点增至11℃并维持。大气整层可降水量在21~24 mm之间。邻近站点西宁地区08时探空图显示整层相对湿度浅薄，590~628 hPa相对湿度≥80%。20时西宁地区探空图，低层风向转为偏东风，且风力增大，表明有持续水汽输送。
9月6日20时，中低层青海东部有副热带高压外围西南暖湿气流输送水汽，500 hPa比湿为4 g/kg，700 hPa比湿为11 g/kg，中低层温度露点差均为7℃。地面化隆地区Td为11℃。大气整层可降水量在26~27 mm之间。邻近站点西宁地区20时探空图，513~567 hPa、418~437 hPa相对湿度≥80%。20时西宁地区探空图，低层风向由08时的东北风转变为东南风，风力增大至10 m/s，有利于水汽的输送与辐合。
对比水汽条件，8.3过程以及9.6过程短时强降水发生前，临近站西宁地区整层相对湿度较小，中低层绝对湿度比湿均达到青海省东部汛期大雨物理量指标，然而，8.3过程实际降水量为暴雨级别。探空图上，低层风向均发生转变，有偏东风或东南风持续输送水汽。两次过程大气整层可降水量数值范围较其余地区明显偏小，这可能与山区复杂下垫面、纬度和海拔有关[20]。
6. 探空图特征
8月3日08时，西宁探空站T-lnp图显示(图4)，中低层表现为条件不稳定(图4(b))。西宁地区CAPE值为0 J/kg，结合西宁站探空资料，利用14时化隆地区温度进行订正，CAPE值增大至411 J/kg，对流有效位能适当；500 hPa至700 hPa中低层温差T75为16.7℃，沙氏指数SI为0.48℃。400 hPa至600 hPa附近有干空气卷入。过程中，中低层风速均较小，0~6 km垂直风切变为6.3 m/s。
9月6日20时，西宁站近地面层至500 hPa条件不稳定特征明显(图4(d))。西宁地区CAPE为1089.5 J/kg，具有较大的对流有效位能，T75为18.7℃，沙氏指数SI为−0.92℃，层结不稳定。过程中，低层风速较大，0~6 km垂直风切变为14.3 m/s。
对比探空图各项物理量特征，两次过程中，中低层均表现为条件不稳定，T75大于16℃，两次过程均具有一定的CAPE值且均呈细长型，湿层厚度相比于化隆地区典型短时强降水天气过程，较为浅薄，但低层绝对湿度较大。8.3过程订正后的CAPE值远小于9.6过程，表明短时强降水发生在合适的CAPE值条件下。0~6 km垂直风切变8.3过程强度偏弱，而9.6过程超过12 m/s，属于中等强度。
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 4. Radiosonde map (a), vertical potential temperature analysis map (b) at 08:00 on August 3, 2023 and radiosonde map (c), vertical potential temperature analysis map (d) at 20:00 on September 6, 2023 at Xining station.
图4. 西宁站2023年8月3日08时探空图(a)、垂直位温分析图(b)及9月6日20时探空图(c)、垂直位温分析图(d)
7. 卫星云图特征
8月3日08时红外云图上，青海中部–河西走廊中部–内蒙古西部为带状云系(图略)。14时，化隆地区上游—贵南与贵德两县交界处有对流云团生成并在东移过程中与尖扎方向的云团合并后加强。20时，对流云团在东移北上过程中，强度减弱，在其南边界造成查甫乡短时强降水。同时，化隆西部地区出现新生对流云团，在缓慢东移过程中不断发展加强，造成22时中部地区群科镇短时强降水。强降水期间(20~22时)，雷电监测数据显示化隆地区出现正闪1次，负闪20次。
9月6日08时红外云图上，贝加尔湖–新疆东部为高空槽前大尺度带状云系(图略)。14时，云系继续东移，随着午后地面温度升高，青海对流云团多点散发，并随高空引导气流向东北方向移动。23时，对流云在移动过程中不断合并加强，由散乱状转为组织结构紧密的中尺度对流系统，影响青海东部地区。00~02时，受对流云团影响，化隆西部三乡镇出现短时强降水。强降水期间(00~02时)，雷电监测数据显示化隆地区出现正闪7次，负闪88次。
对比卫星云图特征，8.3过程为大尺度带状云系，对流云团分别以西南路径以及偏西路径造成化隆地区20时及22时短时强降水，强度为一般性对流云[21]；9.6过程影响化隆地区强降水的对流云为中尺度对流系统，对流云团以西南路径移动，造成00~02时化隆地区中西部乡镇短时强降水，强度为穿越对流层顶的强对流。两次过程中短时强降水均出现在TBB梯度大值区，TBB数值大小可以反映出对流活动的强弱，但无法反映小时雨量的强度。
8. 总结
通过2023年8月3日和9月6日两次短时强降水天气过程，对比分析短时强降水分布特征、环流特征、水汽特征以及卫星云图等特征，得出以下结论：
1) 两次过程前期降水均具有对流性质，短时强降水对总降水量贡献率在38%~59%之间，出现时间分布在傍晚至夜间，落区具有显著地域性分布特征。实际预报业务中，结合化隆地区短时强降水特征，对于发生在傍晚至夜间的对流性天气过程，化隆中西部乡镇更容易出现降水大值。
2) 8.3过程为西风槽冷平流强迫类，9.6过程为斜压锋生类，冷暖平流主导作用存在差异。化隆地区特殊地形、地面中尺度辐合线及冷空气抬升触发两次过程强降水，其中上下游地区冷空气的侵入时间对降水的开始时间有较好的指示意义。
3) 对流云强度与小时雨强无明显相关性；两次过程中，影响化隆地区的对流云移动路径多以西南路径为主。