引言
西北干旱区位于西风带环流、亚洲季风和高原季风交汇地带[1]，降水受东亚季风、高原季风直接或间接影响[2⇓-4]，加之特殊的自然地理环境，大气水汽来源的稳定性和持续性较差、不确定性较大[5]。另外，全球变暖导致大气水分循环规律改变，水汽输送、降水、蒸发时空分布的不均匀性更为明显[6]。研究表明，近半个世纪以来，西北干旱区降水量总体呈增加趋势[1,4,6-7]，主要为夏季短时对流性降水的增加[8]，而降水日数却呈下降趋势，降水的非均匀性进一步增强。此外，自20世纪80年代西北干旱半干旱区的极端降水事件均呈上升趋势[9⇓⇓-12]，这印证了全球变暖背景下强降水可能受潜在蒸发量的增加而加剧的观点[13-14]。
大气热力、动力条件时空分布的不确定性和不均匀性是西北干旱区暴雨、短时强降水天气事件的主要大气环境背景特征。个例研究表明，暴雨、短时强降水具有显著局地性，位于干旱区的河西走廊暴雨事件发生频次很低，且常表现“单点”特征[15⇓⇓⇓-19]，因此对该地区暴雨、短时强降水，尤其是极端暴雨事件准确预报面临很大困难。西北干旱区暴雨的极端性、局地性热力和动力成因总体是大气斜压性的形成和增强，取决于整个对流层形势配置。在对流层高空，南亚高压形态及其中心位置所产生的高空散度场特殊分布，对中空槽脊的演变有强迫作用，因此，基于南亚高压的概念模型在新疆极端暴雨分析中有较多应用[19⇓⇓-22]；在对流层中层，中亚低槽（涡）[20]、高原低涡（槽）[17]、河套高压（脊）[16]等天气尺度和次天气尺度系统的特殊演变有利于增强大气斜压性及改善中低层温湿条件，形成利于暴雨中尺度天气系统发展的大气环境条件[23]。同时，在多尺度天气系统的相互作用下水汽输送量存在异常[21]，如河西走廊、新疆的多次极端暴雨过程的东路水汽贡献显著[16-17,20,24]，孟加拉湾和南海水汽北上、折向，有“接力”式传输特征，但受青藏高原及其以东地区的高、低压系统和地形的共同影响，东路水汽传输过程复杂，往往会造成西北干旱区水汽空间分布极不均匀。大气水汽含量远超气候态，是极端暴雨产生的必要条件，西北干旱区极端暴雨伴随的对流性强降水存在水汽的局地性汇合，热力、动力条件局地性和触发条件局地性的叠加影响，是暴雨局地性发生的重要原因。以往抬升动力机制研究主要面向冷暖辐合抬升、地形强迫作用[24⇓-26]，但机制分析存在资料空间分辨率不足的问题。
2022年8月13日西北干旱区腹地甘肃金塔出现了一次暴雨天气过程，降水以对流性降水为主，较以往河西走廊的暴雨过程更具极端性和局地性。甘肃金塔位于河西走廊中段，属典型的温带大陆性干旱气候，年降水量64.0 mm，境内东南北三面皆山，东部和东南部属巴丹吉林沙漠边缘和合黎山地带，西部为戈壁荒漠，南部为夹山褶皱带，北部属马鬃山地台东南部的低山地带，中部为地势低平的金塔盆地。本次降水过程仅金塔盆地的金塔县城出现暴雨。2022年6—8月，我国出现1961年以来平均气温最高和降水量次少的气候异常，8月上中旬，西北干旱区重旱比率高达4~5成[27]。其间，南亚高压异常偏北、偏强，500 hPa青藏高原上空存在明显正距平扰动[28]，大气斜压系统的发展、对流环境的形成具有一定的特殊性，有较高的分析价值。由于造成极端暴雨的对流系统时空尺度很小，大气热动力条件增强的局地性演变分析仍受资料分辨率的限制，因此本文主要从对流环境配置总结暴雨极端性特征，而暴雨的局地性解释，将聚焦对流系统的局地动力触发条件，以期提高西北干旱区暴雨触发的预报能力，为形成有效的技术积累提供有益的借鉴。
1 资料
所用资料：（1）国家级气象观测站和区域自动气象观测站地面观测资料和高空站气象观测资料。（2）嘉峪关雷达观测资料，雷达（98°17′51″E，39°45′53″；海拔1743 m）型号为CC。金塔县城距嘉峪关雷达站58 km，方位角63.5°。（3）欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第5代全球大气再分析产品ERA5，空间分辨率为0.125°×0.125°，时间分辨率为1 h。利用ERA5输出的物理量计算假相当位温（
2 观测实况和天气背景
2.1 降水实况
2022年8月12日午后到13日凌晨，河西地区自西向东普遍出现降水，部分地方出现中到大雨（15.0~37.0 mm），局部地方出现暴雨（大于等于50.0 mm）[图1（a）]，暴雨影响面积很小，主要出现在金塔县城区，金塔站日降水量达88.0 mm，超过河西地区国家级气象站观测历史日降水量（08：00—08：00，北京时，下同）极值（81.5 mm，2012年6月4日肃北站），并远超出本站近60 a平均年降水量64.0 mm。
图1
图1
2022年8月12日08：00至13日08：00甘肃河西地区24 h累计降水量空间分布（a，单位：mm）和金塔站及近郊区域自动气象站小时降水量演变（b）
[
Fig.1
The spatial distribution of 24-hour accumulated precipitation in Hexi of Gansu Province from 08：00 BST 12 to 08：00 BST 13 August 2022 （Unit： mm） （a） and the evolution of hourly precipitation at Jinta station and its suburban regional automatic meteorological stations
（The area enclosed by the dotted line in
从金塔站和近郊3个区域自动气象站的逐小时降水量[图1（b）]看出，对流性降水特征明显，主要有2个时段：00：00—01：00和02：00—04：00。其中，00：00—01：00，3站出现短时强降水（大于等于20.0 mm·h-1），金塔站达56.0 mm·h-1，突破了河西地区国家级气象站有记录以来的小时雨量极值（42.2 mm，2006年7月30日10：00武威站）；02：00—04：00，降水强度减弱，金鼎湖站03：00—04：00小时雨强为34.0 mm·h-1。
2.2 天气形势
12日08：00[图2（a）]，南亚高压中心位于青海中部，脊线在95°E附近，此南亚高压属于夏季南亚高压两种模态之一的青藏高原模态[30⇓-32]，即高压中心位于青藏高原，说明青藏高原为强烈热源。南亚高压偏北导致对流层中层的青藏高压和西风带锋区也偏北[图2（c）、图2（d）]，无系统性冷平流影响，对流层中高层为弱动力强迫。南亚高压脊后显著辐散区位于青海西北部，至20：00[图2（b）]辐散区东移北抬。500 hPa青藏高压和西太平洋副热带高压打通，河西地区处于高压带北侧[图2（c）]。12日20：00至13日08：00，受高空辐散影响，位于河西地区的588 dagpm线持续南落，巴尔喀什湖槽前平直气流波动加剧[图2（d）]，高空锋区一直维持在42°N以北，而位于高空锋区以南的500 hPa青藏高压西侧短波槽有所加深，并快速东移至酒泉中部地区。
图2
图2
2022年8月12日08：00（a）、20：00（b）200 hPa位势高度（等值线，单位：dagpm）和散度（彩色填色区，单位：10-5 s-1），12日20：00（c）、13日08：00（d）500 hPa位势高度（黑色等值线，单位：dagpm）、温度（红色等值线，单位：℃）和风场（风矢，单位：m·s-1）
（蓝点代表金塔站位置，下同）
Fig.2
The geopotential height （isolines， Unit： dagpm） and divergence （color shaded areas， Unit： 10-5 s-1） at 200 hPa at 08：00 BST （a）， 20：00 BST （b） 12 August， and 500 hPa geopotential height （black isolines， Unit： dagpm）， temperature （red isolines， Unit： ℃） and wind field （wind vectors， Unit： m·s-1） at 20：00 BST 12 August （c） and at 08：00 BST 13 August （d） 2022
（The blue dot represents the location of the Jinta station. the same as below）
图3
图3
2022年8月12日20：00 700 hPa位势高度（黑色等值线，单位：dagpm）、温度（红色等值线，单位：℃）、切变线（棕色实线）、显著流线（黑色箭头线）（a）和海平面气压（等值线，单位：hPa）、显著流线（黑色箭头线）、地面冷锋（蓝色齿线）（b）
Fig.3
700 hPa geopotential height （black isolines， Unit： dagpm）， temperature （red isolines， Unit： ℃）， shear line （brown solid lines）， significant streamline （black arrow lines） （a）， and sea level pressure （isolines， Unit： hPa）， significant streamline （black arrow line）， surface cold front （blue tooth-line） （b） at 20：00 BST 12 August 2022
2.3 对流环境条件
2.3.1 水汽条件
根据天气形势分析，西太平洋副热带高压控制下我国东部对流层中低层大气均为高压，低层的暖性高压与高原暖性低压之间东西向气压梯度在地转偏向力作用下有利于偏南气流发展。同时，700 hPa青海西北部为热低压中心，河西地区存在南北向气压梯度，致使偏南气流在河西走廊东部折向，形成低层水汽自孟加拉湾、南海向河西走廊连续贯通的输送路径。如图4所示，源自印缅槽前的孟加拉湾和南海的低层水汽沿云贵高原北上，经四川盆地、甘肃东部，在祁连山区东部向西折向，途经云贵高原、秦巴山区、祁连山区东部等海拔较高的地形，除祁连山区东部外，平均海拔均低于3000 m，因此700 hPa水汽输送在祁连山区东部出现明显绕流，经民勤进入河西地区。12日20：00[图4（a）]，比湿超过14 g·kg-1的显著湿区出现在河西走廊中段的张掖地区，并持续向西推进，进入酒泉地区的显著湿区基本位于金塔站和肃州区以南、以东；13日02：00[图4（b）]，祁连山沿山地带也分布有狭窄的显著湿区。
图4
图4
2022年8月12日20：00（a）、13日02：00（b）700 hPa流线（箭头线）和比湿（彩色填色区，单位：g·kg-1）
（灰色填充区的地面气压小于700 hPa）
Fig.4
700 hPa streamline （arrow lines） and specific humidity （color shaded areas， Unit： g·kg-1） at 20：00 BST 12 August （a） and 02：00 BST 13 August （b） 2022
（The surface pressure in gray filled area is less than 700 hPa）
12日08：00—20：00，金塔站以东的合黎山、祁连山的狭管地带基本维持水汽辐合（图略）。12日20：00[图5（a）]，700 hPa偏东气流进入开阔平坦的酒泉东部，水汽输送分散，张掖向西延伸的显著湿区（比湿12~14 g·kg-1）止于金塔站—肃州区一线，导致酒泉中东部地区东西之间、南北之间水汽分布极不均匀；至13日00：00[图5（b）]，金塔站处于显著湿区（比湿13~14 g·kg-1）北边界，比湿增大，并在40°N附近形成较大的比湿梯度。另外，整层大气可降水量（precipitable water， PW）[图5（c）、图5（d）]与700 hPa水汽平流空间分布的一致性较高，说明低层水汽为主要贡献。12日20：00至13日00：00，PW增至近60.0 mm，远超于河西走廊中西部夏季平均值10.0~15.0 mm[33]，是酒泉地区近10 a两次极端暴雨[16,24]的PW近1倍，水汽的极端性非常明显。
图5
图5
2022年8月12日20：00（a、c）、13日00：00（b、d）700 hPa比湿（等值线，单位：g·kg-1）、水汽通量散度（彩色填色区，单位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1）、风场（箭矢，单位：m·s-1）（a、b）和整层大气可降水量（单位：mm）（c、d）
[
Fig.5
The specific humidity （isolines， Unit： g·kg-1）， vapor flux divergence （color shaded areas， Unit： 10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1）， wind field （arrow vectors， Unit： m·s-1） at 700 hPa （a， b）， and whole layer integrated atmospheric precipitable water （Unit： mm） （c， d） at 20：00 BST 12 August （a， c） and 00：00 BST 13 August （b， d） 2022
[The surface pressure for the gray filled areas in
2.3.2 大气层结特征
12日20：00[图6（a）]和13日00：00[图6（b）]大气层结均为典型强降水特征，自由对流高度（level of free convection， LFC）以上温度露点差很小；0~3 km高度风切变小于5 m·s-1，0~6 km高度风切变小于10 m·s-1。不稳定能量于12日18：00开始产生（图略），20：00达最大，对流有效位能（convective effective potential energy， CAPE）为880 J·kg-1，21：00明显减小（图略），CAPE降为200 J·kg-1左右；之后，不稳定能量再次增强，13日00：00达680 J·kg-1。由于边界层以上温度几乎无变化，不稳定能量与边界层温度和湿度变化有关，夜间边界层温度降低、湿度增加，抬升凝结高度（lifting condensation level， LCL）有所下降。同时，傍晚对流抑制（convective inhibition， CIN）能量很低，而夜间显著增强，LFC有所升高。
图6
图6
2022年8月12日20：00（a、c）和13日00：00（b、d）金塔站T-ln P图（a、b）和对流有效位能（CAPE）（单位：J·kg-1）（c、d）
（红实线为层结曲线，黑实线为状态曲线，绿实线为露点温度线）
Fig.6
T-ln P diagram （a， b） at Jinta station and convective effective potential energy （CAPE） （Unit： J·kg-1） （c， d） at 20：00 BST 12 August （a， c） and 00：00 BST on 13 August （b， d） 2022
（The red， black， green solid lines are stratification curve， state curve and dew point temperature， respectively）
12日20：00至13日00：00，不稳定能量大值区位于金塔以东的张掖，酒泉的不稳定能量仅分布在40°N附近及以南地区[图6（c）、图6（d）]，与700 hPa比湿大于等于11 g·kg-1的区域分布一致性很高。由于中高层动力强迫很弱且低层均压、均温，低层湿度是影响层结不稳定能量的根本因素，不稳定能量随湿度增加而增大，并与低层湿度的分布高度一致。从金塔站上空大气物理量时间变化（图7）来看，13日00：00之前金塔站低层增湿明显，500 hPa转为西西南气流，中层湿度有所增加；假相当位温下暖上冷，具有明显的对流不稳定；整层无急流和明显的冷暖平流。13日00：00以后地面冷锋过境，不稳定能量迅速减弱。
图7
图7
2022年8月12日10：00至13日10：00金塔站比湿（等值线，单位：g·kg-1）、假相当位温（彩色填色区，单位：K）及风场（风矢，单位：m·s-1）时间-高度剖面
Fig.7
The time-height cross-section of specific humidity （isolines，Unit： g·kg-1）， pseudo-equivalent potential temperature （color shaded areas， Unit： K） and wind field （wind vectors， Unit： m·s-1） at Jinta station from 10：00 BST 12 August to 10：00 BST 13 August 2022
2.4 雷达反射率因子特征
12日20：01[图8（a）]，合黎山南侧至玉门东北部一线有多个对流单体，各单体间相距较远，且基本呈准静止状态，或随低层环境风极缓慢向东移动，分别处于不同发展阶段，西部初生，东部发展成熟；20：58[图8（b）]，高台北部对流减弱，金塔境内有2个中-γ尺度对流单体（A、B）发展；22：01[图8（c）]，在A、B单体之间有新的对流单体C初生；22：58[图8（d）]，B、C单体合并为对流系统BC，A单体发生对流传播，尺度显著加大，BC和A均为中-β尺度对流系统（mesoscale convective system， MCS），在这两个对流系统之间，对流单体D初生（D位于金塔站西部约10 km，位置为98.7°E、40.0°N）。同时，冷锋中高云系进入马鬃山东南侧。
图8
图8
2022年8月12日20：01（a）、20：58（b）、22：01（c）、22：58（d）及13日00：01（e）、01：03（f）、02：00（g）、03：03（h）嘉峪关雷达站组合反射率因子（单位：dBZ）
（黑色三角形代表金塔站，英文大写字符用红色线段指向所代表的对流单体或系统）
Fig.8
The combined reflectivity factor from Jiayuguan radar station at 20：01 BST （a）， 20：58 BST （b）， 22：01 BST （c）， 22：58 BST （d） 12 August and 00：01 BST （e）， 01：03 BST （f）， 02：00 BST （g）， 03：03 BST （h） 13 August 2022 （Unit： dBZ）
（The black triangle represents Jinta station， the English capital letters connected by red line represent convective cells or systems）
从12日21：33对流单体A的西西南向剖面[图9（a）]看出，单体A向东倾斜，东侧2.5 km高度以下有明显的有界弱回波，55 dBZ强回波位于5.0 km高度附近。23：09（图略），对流单体D的雷达反射率因子剖面呈相似特征，但强度稍弱，强回波倾斜和有界弱回波特征不明显；13日00：00，中-γ尺度对流单体D缓慢东移加强，其西侧新生对流单体并入对流系统E；之后至02：00，D影响金塔县城及周边较小范围地区，并于00：29[图9（b）]发展为较强的深厚湿对流，回波中心强度达63 dBZ，强回波质心低于5.0 km，30 dBZ以上回波顶高14.0 km，回波向东倾斜，前侧东风入流明显，有界弱回波特征明显；02：12[图9（c）]，D回波中心强度增至67 dBZ，质心高度升至7.5 km，入流和有界弱回波特征不明显，回波趋向直立状态；此后，对流系统D迅速减弱。
图9
图9
2022年8月12日21：33对流单体A（a）和13日00：29（b）、02：12（c）对流单体D的雷达反射率因子垂直剖面（单位：dBZ）
Fig.9
The vertical profile of radar reflectivity factor of convective cell A at 21：33 BST on August 12 （a） and convective cell D at 00：29 BST （b） and 02：12 BST （c） on August 13， 2022 （Unit： dBZ）
结合降水实况，地面冷锋触发的中-β尺度多单体线状对流系统E是此次极端暴雨主要影响系统之一，造成了金塔站13日02：00—03：00近20 mm·h-1的强降水。因此，先于线状对流系统E，造成13日00：00—01：00 56 mm·h-1强降水的中-γ尺度对流单体D才是金塔站极端暴雨形成的关键。单体D触发于2个浅对流系统之间，与两个对流系统间边界层复杂的扰动机制有关，冷锋前近乎直线排列的松散分布的浅对流正是触发单体D初生的根本原因。
3 对流局地触发和增强的环境条件
3.1 地面冷锋前部湿度锋区和干线
干线概念源自美国，最早是指美国南部大平原西部的暖性干湿空气边界[34]，其主要特征是干线两侧露点温度或比湿的差异明显，而温度差异通常不大。俞小鼎等[35]界定干线标准为两侧存在明显的露点温度梯度，但温度差异不明显且附近存在风辐合。从图10（a）看到，12日20：00 850 hPa干、湿中心分别位于酒泉西北和东南部，金塔附近东西向温度差异很小，但比湿差异明显，金塔站南侧有东西向气旋式切变，此处符合广义干线定义。地面冷锋东段呈东北—西南向[图10（b）]，冷锋前部，金塔干线大致位于露点温度16 ℃附近。由于冷锋前部的风场较弱，辐合特征不明显，下文将以850 hPa比湿梯度和锋生重合的狭长锋生带界定干线，其依据是夜间冷锋前温度梯度很小，不考虑锋生函数非绝热加热项的作用，仅以水平辐合项和水平变形项为主导（垂直运动倾斜项最大程度依赖于水平辐合）。以锋生为主要依据，无论强弱，均能够说明有直接或间接的（假相当位温场变形所致）水平风场辐合，从而避免了地面风场分析的复杂性。
图10
图10
2022年8月12日20：00 850 hPa比湿（等值线，单位：g·kg-1）、温度（彩色填色区，单位：℃）、风场（箭矢，单位：m·s-1）（a）和地面大于等于12 ℃露点温度（黑色等值线，单位：℃）、冷锋（蓝色齿线）、干线（黑色圆齿线）（b）
（灰色区域的地面气压小于850 hPa）
Fig.10
The specific humidity （isolines， Unit： g·kg-1）， temperature （color shaded areas， Unit： ℃）， wind field （arrow vectors， Unit： m·s-1） at 850hPa （a）， and surface dewpoint temperature greater than or equal to 12 ℃（black isolines， Unit： ℃）， cold front （blue tooth-line）， dryline （black circular tooth-line） （b） at 20：00 BST on August 12， 2022
（The surface pressure in gray area is less than 850 hPa.）
3.2 干线锋生和对流触发
金塔站附近存在东西向干线，且干线附近风场辐合较弱，即便在地面浅层存在明显风切变（也可能是抬升的负面影响），但辐合动力也不足以突破CIN。干线是综合热力、动力条件的地面影响系统。从图11（a）看出，850 hPa金塔站附近东西向有锋生带，位置与地面干线一致，其锋生强度明显小于西北部地面冷锋锋生和额济纳旗中部地区干线锋生，且对应较弱的风场辐合特征。
12日20：00之后，对流单体A（图8）在金塔站西南侧触发，随后东北移并发展，22：00移至金塔站东侧。其间，金塔站降水2.5 mm。因此，沿最有利分析单体A的东北—西南方向做垂直剖面[图11（b）]，发现20：00干线南侧（金塔站西南方）有浅层的锋生坡面，坡面上有明显的上升运动，其中心高度位于700 hPa附近，最大上升速率为0.4 hPa·s-1，而干线北侧为明显的下沉气流区，呈现出典型的干线锋生次级环流特征[36]。21：00（图略），锋生减弱，600 hPa附近最大上升气流速率达1.3 hPa·s-1，金塔站附近对流单体A发展，最大上升速率区与单体A位置接近。以上分析表明，干线锋生次级环流的上升支触发了对流单体A，21：00单体A移至金塔站附近并发展。
图11
图11
2022年8月12日20：00 850 hPa比湿（绿色等值线，单位g·kg-1）、锋生函数（彩色填色区，单位K·m-1·s-1）、风场（箭矢，单位：m·s-1）（a）和锋生函数（彩色填色区，单位：K·m-1·s-1）、垂直速度（灰色等值线，单位：hPa·s-1）、风场（箭矢，水平风在剖面方向投影与垂直速度合成，单位：m·s-1）垂直剖面（b）
[
Fig.11
The specific humidity（green isolines， Unit： g·kg-1）， frontogenesis function （color shaded areas， Unit： K·m-1·s-1）， wind vector （arrow vectors， Unit：m·s-1） at 850hPa （a）， and vertical profiles of frontogenesis function （color shaded areas， Unit： K·m-1·s-1）， vertical velocity （gray isolines， Unit： hPa·s-1）， wind （arrow vector ， the composite of vertical velocity with the projection of horizontal wind，Unit：m·s-1） （b） at 20：00 BST on August 12， 2022
（The surface pressure for the gray filled areas in
另外，本文没有进一步分析干线范围动力条件的局地性差异，如地面风场的不连续变化、肃州区以南祁连山上坡地形强迫等因素影响，造成干线锋生区的局地减弱或加强，来说明即便是浅对流也是局地触发的这一现象，而这一现象的机理探究应主要基于观测和数值模拟。
3.3 干线浅对流的局地性增强
金塔干线对流触发是由于干线附近湿度锋区斜压强迫的垂直环流。干线锋生在12日20：00达到最强，此后持续减弱，22：00[图12（a）]—23：00干线锋生减弱明显，其间对流单体D触发于金塔站西侧约10 km，在2个减弱的干线对流系统A和BC（图9）之间，其触发可能存在干线减弱的锋生和对流出流复杂的影响。地面冷锋持续缓慢东移，23：00减弱的干线与地面冷锋交叉点（三分点）位于金塔西侧[图12（b）]，与单体D位置极为接近。沿大致垂直冷锋方向，过金塔站做垂直剖面，发现12日23：00[图12（c）]至13日00：00[图12（d）]强锋生区域增大，其后侧有下沉气流区，为典型的冷锋锋生次级环流特征[38]。其中，13日00：00地面冷锋（θse强锋区）移至98°E以东，浅层锋生剧烈，次级环流的上升支明显增强，其中心位于750 hPa高度附近，垂直速度达-1.6 hPa·s-1。据雷达观测，12日23：00对流单体D在98.5°E以西，之后缓慢东移并明显增强，13日00：00—01：00，单体D发展为典型的中-γ尺度深厚湿对流。
图12
图12
2022年8月12日22：00 850 hPa比湿（等值线，单位g·kg-1）、锋生函数（彩色填色区，单位K·m-1·s-1）、风（箭矢，单位：m·s-1）（a）和23：00地面大于等于12 ℃露点温度（黑色等值线，单位：℃）、冷锋（蓝色齿线）、干线（黑色圆齿线）（b）以及12日23：00（c）和13日00：00（d）锋生函数（彩色填色区，单位：K·m-1·s-1）、垂直速度（等值线，单位：hPa·s-1）、风（箭矢，水平风在剖面方向投影与垂直速度合成，单位：m·s-1）的垂直剖面
（红色字母T是冷锋和干线的三分点位置）
Fig.12
The specific humidity （isolines， Unit： g·kg-1） and frontogenesis function （color shaded areas， Unit：K·m-1·s-1）， wind （arrow vector ， Unit：m·s-1） at 850 hPa at 22：00 BST on August 12 （a）， surface dewpoint temperature greater than or equal to 12 ℃ （black isolines， Unit： ℃）， cold front （blue tooth-line）， dryline （black circular tooth-line） at 23：00 BST on August 12 （b），and vertical profiles of frontogenesis function （color shaded areas， Unit： K·m-1·s-1）， vertical velocity （gray isolines， Unit： hPa·s-1）， wind （arrow vector， composite of vertical velocity with projection of horizontal wind on the profile， Unit： m·s-1） at 23：00 BST on August 12 （c） and 00：00 BST on August 13 （d）， 2022
（The red letter T is three-point position of the cold front and the dryline）
4 结论和讨论
本文从环流背景、对流环境特征、对流触发和增强的动力条件等方面分析了2022 年8月13日甘肃金塔局地极端暴雨的成因。主要结论如下：
（1）南亚高压西北侧的辐散风场扰动有利于西风槽发展，低层切变线和地面冷锋随之东移，是暴雨的主要影响系统。
（2）青藏高原强热源效应极大影响了此次极端暴雨的大气环流背景，对流层高、中层为弱动力强迫，暴雨区水汽丰富。大气弱强迫条件下，中等强度层结不稳定形成于显著增湿区域，而酒泉中东部低层水汽输送不均匀，有利于强降水的对流环境条件仅在金塔站附近局地形成。
（3）干线的形成及其锋生有利于浅对流触发。低层水汽的不均匀分布形成近地面干线，干线热力斜压引发锋生作用，锋生强迫的次级环流有利于沿干线局地对流初生和发展，但由于干线锋生次级环流动力强迫弱，这些离散分布的浅对流系统未进一步发展。
（4）地面冷锋临近时，干线与冷锋交叉点处的浅对流系统强烈发展为造成金塔局地性极端暴雨的中-γ尺度深厚湿对流系统。干线与冷锋交角大，冷锋推进时其与干线交叉点处存在两者相互作用，有利于对流发展，特别是交叉点处如有干线对流，垂直上升运动更为强烈。
本文利用再分析资料和实况观测资料，通过诊断分析锋生和垂直速度，对干线触发对流及增强机制现象进行定性分析与描述，可为类似深厚湿对流局地性影响的天气预警及精细化预报提供一定思路。但是，这些机制的关键影响因素分析也很重要，如地形和中小尺度天气系统相互作用对锋生的动力影响机制、地面感热与潜热通量对锋生局地性的热力影响机制以及水平涡度变化引起的垂直环流等。针对以上问题，通过数值模式模拟试验，开展更有深度和价值的研究十分必要。
参考文献
Westerlies Asia and monsoonal Asia: spatiotemporal differences in climate change and possible mechanisms on decadal to sub-orbital timescales
[J].
论全球变暖背景下中国西北地区降水增加问题
[J].
随着全球变暖，全球的降水形式、分布格局都在发生着变化，其中干旱区的降水变化尤为引人瞩目。西北地区干旱少雨，在全球变暖背景下，降水量和大气中的含水量均呈现出增加趋势。通过研究认为这种“暖湿”是一种干旱区湿润程度的改善，并不会改变其干旱少雨的基本气候特征。西北地区降水的形式和性质都和我国东部地区有着根本的差别，降水增加主要是极端和短时对流降水的增加。另外，降水增加主要发生在西北干旱区的内陆河流域，该流域内的干旱地区的农业生态问题并非富水就能解决；西北地区的河西走廊等干旱和极端干旱地区水资源的主要来源是山区降水和冰雪资源；科学理性地认识西北地区降水增加，是正确处理西北地区水资源合理调配和使用、科学开展生态文明建设的前提。
西北干旱区水汽收支变化及其与降水的关系
[J].利用NCEP资料计算并分析1961—2010年西北干旱区（35°N—50°N，73°E—105°E）经纬向水汽输送、蒸发和水汽辐合辐散的变化特征，以及它们与同期西北干旱区降水之间的关系。结果显示：（1）西北干旱区冬、春、秋季经向水汽输送为净输入，纬向为净输出，总水汽输送为净输入。夏季经、纬向水汽输送均为净输出；（2）1961—2010年，西北干旱区各季节降水均增加，冬、春季降水增加显著，夏、秋季降水增加不显著。冬季纬向水汽净输出减少，导致西北干旱区冬季总水汽输送增加；春、秋季经向净输入减少和夏季经向净输出增加，导致春、夏、秋季总水汽输送减少；（3）1961—2010年，西北干旱区各季节蒸发量显著增加，且夏季增加趋势最显著；（4）各季节水汽通量散度显著减小，水汽辐合加强，且夏季水汽辐合增强最明显；（5）蒸发增大和水汽辐合增强是西北干旱区降水增加的主要原因，但外部水汽输送变化也会影响降水变化。
近55 年来中国西北地区降水变化特征及影响因素分析
[J].利用1961-2015年中国西北地区128个站的降水观测资料和NCEP再分析资料，分析了年、季降水量与降水日数变化总趋势及其区域分布特征，并采用与平均温度、气候指数相关性来分析和讨论其所受的影响因素。结果表明：（1）西北中西部年降水量呈增加趋势，增加趋势位于0.1%·（10a）<sup>-1</sup>~10.0%·（10a）<sup>-1</sup>；西北东部年降水量呈减少趋势，减少趋势均小于5%·（10a）<sup>-1</sup>；春季、夏季和秋季西北西部大部分地区降水量是以增加趋势为主；东部主要为减少趋势，但是在冬季几乎所有站点的降水量呈增加趋势；（2）西北西部降水日数以增加趋势为主，东部地区降水日数以减少趋势为主，大部分站点年降水日数在冬季呈现增加趋势，其他季节则基本表现为西北西部增加、西北东部减少；（3）河西走廊西部、青海高原边坡、西北东部年降水量与年平均气温呈负相关，青海高原年降水量与年平均气温呈正相关，西北地区大部分年降水日数与年平均气温呈负相关；（4）北疆、南疆和西北东部37°N以南地区年平均降水量变率与年平均温度变率呈现负相关，且相关系数较大，而其余地区为正相关；（5）西风带影响西北大部分地区年降水量，东亚季风和南亚季风主要影响西北地区中北部和南部的年降水量。
Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China
[J].
Changes in temperature and precipitation extreme indices over China: analysis of a high-resolution grid dataset
[J].
Atmospheric warming and the amplification of precipitation extremes
[J].Climate models suggest that extreme precipitation events will become more common in an anthropogenically warmed climate. However, observational limitations have hindered a direct evaluation of model-projected changes in extreme precipitation. We used satellite observations and model simulations to examine the response of tropical precipitation events to naturally driven changes in surface temperature and atmospheric moisture content. These observations reveal a distinct link between rainfall extremes and temperature, with heavy rain events increasing during warm periods and decreasing during cold periods. Furthermore, the observed amplification of rainfall extremes is found to be larger than that predicted by models, implying that projections of future changes in rainfall extremes in response to anthropogenic global warming may be underestimated.
Atmospheric moisture residence times and cycling: implications for rainfall rates and climate change
[J].
河西走廊中西部干旱区极端暴雨个例分析
[J].利用常规、自动气象观测站资料、卫星资料及NCEP 1°×1°再分析资料, 对2012年6月45日河西走廊中西部干旱区极端暴雨天气过程的影响系统配置、中尺度特征、水汽输送、不稳定能量等方面进行了诊断分析.结果表明: 此次暴雨发生在地面冷锋过境后, 降温冷凝作用明显, 对流层高层存在强抽吸作用, 中层高原低涡受其下游弱脊阻挡较长时间维持在暴雨区上空, 低层存在切变线, 高低空系统的耦合提供了中尺度对流系统发生, 发展的有利条件; 水汽主要来自对流层中低层东、西两路及高层南路三支水汽输送通道, 西路水汽输送强度最大, 东路水汽输送受小高压影响显著, 暴雨开始后6 h才完整建立, 暴雨中心整层大气可降水量达到了该地区夏季平均值的两倍多; 通过降温, 增湿作用近地面出现对流不稳定能量, 自由对流高度较低; 涡旋云系的冷空气侵入处, 不断激发出6个β中尺度的对流单体, 暴雨中心玉门两次受其中4个单体的影响, 产生短时强降水.
河西走廊西部两次极端暴雨事件水汽特征分析
[J].利用常规观测资料、地面自动站雨量资料和NCEP 1°×1°再分析资料,应用水汽通量诊断分析、后向轨迹模型等方法分析了2012年6月4-5日(简称"0605")和2011年6月15-16日("0616")河西走廊西部干旱区两次极端暴雨事件的水汽输送和收支特征。结果表明,高原低涡及其前部弱高压脊共同作用下,在甘肃中西部对流层中层形成的异常偏东气流是河西走廊西部暴雨水汽输送的关键,其将来自孟加拉湾的水汽接力式的输送到河西走廊西部,有利于该地区的水汽辐合;弱高压脊的强度和位置决定了异常偏东气流的强度和最西端延伸的位置,而异常偏东气流的强度和最西端延伸的位置在很大程度上又决定了暴雨水汽的主要来源;两次暴雨过程均存在两路异常的水汽输送,随西风气流的西路水汽输送和绕高原的东路水汽输送,"0605"过程弱高压脊位置偏东偏弱,异常偏东气流由东向西扩展,最西端达到张掖,较强的西路水汽输送贡献率达到了90.02%,而"0616"过程弱高压脊位置偏西偏强且在内蒙古西部形成闭合的反气旋环流,异常偏东气流由西向东扩展,最西端位于酒泉西部,较强的东路水汽输送贡献率达到了84.6%;西(东)路水汽输送在对流层低(中)层输入较为显著。
河西走廊中部一次暴雨过程的天气学诊断
[J].2012 年 7 月 29 日 13 时至 30 日 03 时河西走廊中部遭遇暴雨袭击，利用常规高空和地面资料、区域加密雨量站资料、FY －2 静止卫星云图以及 6 h 一次 1° ×1°的 NCEP 再分析资料，对此次暴雨发生前后的天气环流背景及影响系统、物理量特征和卫星云图以及中尺度系统的发生发展进行了天气学综合诊断分析。结果表明:此次暴雨发生在非常有利的大尺度天气背景下，高、低层均为“东高西低”的流场配置，影响的环流系统是巴尔喀什湖冷槽，暴雨发生时高层辐散、低层辐合，形成了强烈的抽吸作用;对流层内出现强烈的上升运动，中低层流场的配置有利于水汽的输送和汇聚;500 hPa垂直螺旋度的分布与天气系统和强降水有很好的对应关系，700 hPa 柴达木暖性低涡及地面中尺度系统为不稳定能量的储存和暴雨提供了动力条件，从兰州至河西的强暖湿平流的发展为暴雨提供了热力条件;暴雨发生期间有多个中尺度对流云团在该区域上空活动，表明暴雨过程中存在明显的中小尺度系统。
西部一次极端暴雨事件的成因分析
[J].利用常规观测、FY-2G、地面加密自动站和NCEP/NCAR（0.25°×0.25°）再分析资料，对2016年7月31日至8月1日新疆西部出现的一次极端特大暴雨过程进行分析。结果表明：暴雨发生在南亚高压单体型和"两脊一槽"稳定环流形势下，暴雨区位于200 hPa高空西南急流入口区右侧、700 hPa低空偏东急流前部、500 hPa偏南急流及700 hPa辐合线附近。除中亚低槽自身携带的水汽外，在极为有利的高、中、低纬环流系统配合下孟加拉湾、南海和西太平洋向暴雨区输送的丰沛水汽也是此次极端特大暴雨的重要水汽来源。暴雨区西、东、南边界水汽输入均起着重要作用，尤其是西边界和东边界，占水汽输入总量的78.4%。暴雨区上空高低空急流的配合以及纬向风的水平切变和经向风的垂直切变为暴雨区辐合上升运动和中尺度系统的产生和发展提供有利条件。中尺度对流云团生成后在引导气流的作用下不断向北移动发展，是造成暴雨的直接系统。发展、移动的低空急流、切变线、风场辐合线和地形辐合线及自天山迎风坡向北分布的多个具有强上升支的中尺度垂直环流不断将水汽和能量向上输送，经500 hPa槽前强偏南气流向北输送至暴雨区上空。中低层暖平流、风切变和天山地形对天山迎风坡暴雨中尺度系统的产生和向上强烈发展有重要的作用。
天山南坡暖季暴雨过程的水汽来源及输送特征
[J].利用1981—2020年5—9月天山南坡16个气象站逐日降水资料和NCEP/NCAR GDAS再分析资料,分析天山南坡暖季暴雨过程的环流形势,并采用HYSPLIT模式,模拟追踪水汽源地及输送特征。结果表明:天山南坡暖季暴雨主要发生在南亚高压双体型、500 hPa以上西南急流(气流)、700 hPa切变辐合以及天山地形辐合抬升的重叠区域。水汽主要源自中亚、大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近,经TKAP(塔吉克斯坦、吉尔吉斯坦、阿富汗东北部、巴基斯坦北部和印度西北部)、南疆、北疆关键区,分别从偏西、偏南、偏北通道输入暴雨区,700 hPa以上偏西通道、以下偏北通道占主导地位,且贡献最大的是南疆关键区。源自中亚的水汽主要输送至暴雨区700 hPa及以下,对暴雨的贡献较大,且沿途损失较大;源自大西洋及其沿岸、地中海和黑海及其附近的水汽主要输送至暴雨区700 hPa以上,对暴雨的贡献较小。另外,中低层还存在源自北疆、南疆、北美洲东部、蒙古的水汽。基于上述特征,建立了天山南坡暖季暴雨过程水汽三维精细化结构模型。
河西干旱区短时强降水过程的中尺度分析
[J].运用中尺度天气分析技术，对河西西部干旱区３ 次短时强降水过程从高空、地面的影响系统、水汽条件、抬升条件、不稳定条件、高低层风场配置等方面进行了对比分析，找出了３ 次过程的相似点与不同之处，结果表明：５００ ｈＰａ 新疆有低压槽东移，低槽前部甘肃河东到张掖为高压脊或者歪脖子高压，青海高原有低涡或者切变线，相应的低层也为低槽、切变线或者低涡，地面有冷锋、辐合线配合的环流形势是河西西部短时强降水产生的关键，高空急流（２００ ｈＰａ）或者高空显著流线入口区右侧、地面露点温度Ｔｄ ＞１０ ℃的高湿区、低层绝对湿度比湿＞６ ｇ／ ｋｇ，中层５００ ｈＰａ 处在显著湿区、７００ ｈＰａ 假相当位温高能舌、Ｋ 指数＞３０ ℃，ＣＡＰＥ 值也明显增大为产生短时强降水提供了有利条件，最后建立了河西西部干旱区短时强降水中尺度天气分析概念模型。
一次干旱区极端暴雨天气的中尺度特征分析
[J/OL].
河西走廊一次突发性暴雨天气的诊断分析
[J].对2006年7月14日发生在甘肃省永昌县南部山区的局地强暴雨从天气学、物理量场、水汽条件、降水强度、卫星和雷达特征等方面进行了综合分析,发现500 hPa气旋式风切变是局地强降水形成的主要形势诱发因子,风的垂直切变为上升运动的维持提供了有利条件,有利于对流的产生和发展;由涡旋云系外部气流引发的对流单体,造成了这次局地强对流降水。同时发现高能区和Si场的分析对强对流天气的预测有良好的指示作用
2022年夏季我国高温干旱特征及其环流形势分析
[J].在气候变暖背景下，2022年夏季我国出现1961年以来平均气温最高和降水量次少的气候异常，并伴有最强的全国性（东北地区除外）高温过程和长江中下游及川渝地区大范围强伏旱。针对这次高温干旱的持续性和极端性，本文基于2022年6—8月全国2162个气象站逐日最高气温和降水量以及NCEP（National Centers for Environmental Prediction）/NCAR（National Center for Atmospheric Research）逐日再分析资料等，分析其时空分布特征及环流形势，将对今后我国南方地区夏季高温干旱不同时间尺度的预报预测有一定参考价值。结果表明：2022年夏季，全国76.0%的站共出现48 198次高温，其中36.6%的站累计出现3001次极端高温事件，20次以上极端高温事件的站点均分布在四川盆地，高温状况远超21世纪以来的典型高温年份。全国性的高温过程从6月13日持续到8月30日，共计79 d，高温最强时段在8月11—24日。按照高温发生站次、持续时间、影响范围、强度等由强到弱综合排序，依次是华东、西南、华中、西北、华北和华南地区，其中西南地区极端性最强，而东北地区未出现高温。干旱时空分布特征与高温基本相似，全国最强干旱时段在8月中旬。2022年夏季，500 hPa欧亚中高纬度呈“两脊一槽”型，尤其在7—8月乌拉尔山和鄂霍次克海附近高压脊形成阶段性阻塞高压，强盛的副热带系统将两高之间活跃的冷空气大部分时段阻挡在50°N以北，造成我国“北涝南旱”的格局；低纬度的伊朗高压异常东伸，西太平洋副热带高压略偏北且异常西伸，两高压长时间贯通形成的高压带控制区气流辐散下沉，并持续阻碍水汽向中纬度输送，不利于长江流域产生降水。同时，对流层高层南亚高压异常偏东，与中层的西太平洋副热带高压相向而行，于8月中下旬在80°E—120°E范围内叠加，致使控制我国大范围的高压系统呈稳定正压结构，中心位于川渝上空，致使川渝地区成为高温日数和极端高温事件次数的高值中心。
2022年长江中下游夏季异常干旱高温事件之环流异常特征
[J].2022年夏季长江流域发生了建国以来最为严重的干旱高温气候事件，对当地工农业生产、居民生活、生态安全等造成严重影响。为深入认识这次干旱高温气候事件发生的原因和改进气候预测技术，利用1951—2022年2400多测站气温、降水数据和NCEP/NCAR再分析数据等资料，采用T-N波作用通量、视热源Q<sub>1</sub>（Q<sub>2</sub>）诊断和合成分析、距平分析等方法，从大气环流异常的角度进行综合分析。主要结论如下：（1）2022年夏季，500 hPa源自北大西洋地区的扰动异常偏强，在沿中高纬西风带向东传播时引发了明显的大槽大脊活动，波动能量主要沿西风带向东传播，没有出现在东亚向东南方向传播的特征，造成冷空气活动位置偏北，很难影响到长江流域。（2）2022年夏季，500 hPa高度场在青藏高原上空出现明显正距平扰动，尤其8月扰动进一步加强，东移到长江流域，诱发西北太平洋副热带高压西伸，使得副热带高压呈现东西带状分布。副热带高压（简称“副高”）西部完全控制了长江流域地区，一方面副高阻挡了北方冷空气南下，另一方面副高长时间维持下沉运动，不利于降水发生，有利于下沉增温。（3）2022年夏季，热带对流区（视热源）位置异常偏南到赤道以南（气候态在5°N—20°N），有两方面影响：一是造成哈德来经圈环流（Hadley Cell）上升支异常偏南，长江流域在8月为异常下沉区，不利于降水发生，有利于下沉增温效应的出现；另一方面造成2022年夏季亚洲热带夏季风偏弱、东亚副热带夏季风偏强，低频信号向长江中下游传播明显偏弱，这些都不利于长江中下游降水过程的发生。（4）高纬、中低纬、低纬热带地区环流异常协同作用造成2022年长江流域夏季出现异常的干旱高温气候事件。要预测长江流域夏季降水或高温干旱，需提前关注500 hPa北大西洋地区扰动信号的发生及未来传播特征，青藏高原上空高度场扰动的发生及移动特征，热带对流（热源）位置变化及伴随的热带夏季风强度变化、低频信号的传播特征等。
Impact of Indian summer monsoon on the South Asian high and its influence on summer rainfall over China
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Quasi-biweekly oscillation of the South Asian high and its role in connecting the Indian and East Asian summer rainfalls
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近10 年夏季西北地区水汽空间分布和时间变化分析
[J].利用NCEP 1°×1°再分析资料对近10年（2000-2009年）夏季西北地区整层大气水汽的时空分布进行了分析。结果表明： (1)近10年西北地区夏季大气可降水量和水汽通量分布呈两头多、 中间少。700~200 hPa的水汽通量值要比地面至700 hPa的大， 在南疆盆地， 地面至700 hPa的水汽通量值比700~200 hPa的大， 水汽通量在600~450 hPa之间比较丰富； (2)整层水汽通量散度辐合区对降水落区的预报具有指导意义， 除甘肃河西地区外， 其他地区低层（700 hPa以下）和高层（700 hPa以上）的水汽通量散度呈反位相分布\.(3)近10年西北地区水汽输送主要来自西风带在青藏高原西侧分为南北两支所携带的水汽、 孟加拉湾的水汽随西南风输送以及西风带爬上青藏高原沿高原南边输送， 而造成整层水汽通量年变化的主要原因是西风带输送水汽能力的大小\.(4)近10年西北地区整层水汽通量呈线性增加， 整层水汽通量的年变化趋势基本上可以指示地面降水的年变化趋势\.(5)西北地区近10年夏季水汽来源主要以经向输送为主， 纬向水汽通量对于西北区水汽净收支起决定作用。：
A modeling study of the dryline
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The initiation of moist convection at the dryline: forecasting issues from a case study perspective
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The role of an apparent mesoscale frontogenetic circulation in squall line initiation
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Airborne pseudo-dual Doppler analysis of a dryline out flow boundary intersection
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The interaction of a Pacific cold front with shallow air masses east of Rocky mountains
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