寧夏一次極端暴雨的中尺度分析

賈宏元， 劉鵬兵， 田 風(fēng)， 聶晶鑫

(1.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象臺(tái),寧夏銀川 750002)

寧夏處于我國(guó)季風(fēng)降雨向內(nèi)陸急劇減少的過渡帶，降水具有明顯的地域性特征，降水時(shí)段集中，區(qū)域差異大，7～8月累積降水總量超過年降水量的4/5，年降水量寧夏平原僅有200 mm，六盤山區(qū)則多達(dá)600～800 mm，且多局部暴雨洪澇等災(zāi)害，區(qū)域性暴雨發(fā)生率低，特別是大暴雨，近49年(1960～2008年)間常規(guī)測(cè)站僅出現(xiàn)過3 站次，屬于典型的天氣氣候極端事件[1]。同時(shí)由于暴雨常會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的洪澇、地質(zhì)災(zāi)害，長(zhǎng)期以來一直是預(yù)報(bào)技術(shù)難點(diǎn)和預(yù)報(bào)員關(guān)注的重點(diǎn)。

目前對(duì)寧夏典型暴雨已有了一定的認(rèn)識(shí)。紀(jì)曉玲等總結(jié)提出了寧夏賀蘭山東麓暴雨統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型，并指出暴雨落區(qū)與850～200 hPa各層氣流及中β尺度低值系統(tǒng)的配置關(guān)系[2]，認(rèn)為寧夏突發(fā)性暴雨具有明顯的中小尺度系統(tǒng)特征[3-4]，中北部強(qiáng)對(duì)流降水雷達(dá)組合反射率與南方之間有明顯的差異[5]，并提出了預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)[6]。盡管如此，因?qū)幭拇蟊┯陿O少發(fā)生，已有文獻(xiàn)對(duì)當(dāng)?shù)卮蟊┯暄芯枯^少，特別是中尺度系統(tǒng)的分析更是缺乏。為此，筆者利用常規(guī)氣象探測(cè)、多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星云圖、加密氣象站等高分辨率的探測(cè)數(shù)據(jù)及NCEP再分析資料，采用天氣動(dòng)力學(xué)和中尺度診斷技術(shù)，分析了引發(fā)寧夏2012年“7.29” 極端暴雨過程的水汽、熱力、動(dòng)力場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)特征，探討了造成此次大暴雨的成因及中小尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機(jī)制和演變特征，為強(qiáng)暴雨的預(yù)報(bào)和預(yù)警提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

2012年7月29日夜間寧夏銀川、石嘴山兩市大部分地區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨，局地達(dá)大暴雨(圖1a)。該過程局地性特征明顯，降雨強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)雨量為寧夏多年罕見。全區(qū)有183站次1 h雨量超10 mm，2站次1 h雨量超40 mm，累計(jì)雨量超過50 mm的有54個(gè)站，超過100 mm的有13個(gè)站，最大降水量出現(xiàn)在賀蘭山滾鐘口，達(dá)166.2 mm。銀川站連續(xù)9 h降水量超過5 mm/h，5 h 超過10 mm/h(圖1b)，累計(jì)降水116.5 mm，超過了該站年降水量的64%，創(chuàng)1951年有氣象記錄以來極值。暴雨過程造成了較大面積的道路塌陷、房屋倒塌、城市內(nèi)澇及農(nóng)田被淹等災(zāi)情，受災(zāi)人口81 086人，倒塌房屋811間，損壞房屋1 145間，農(nóng)作物受災(zāi)19 121 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失近6千萬(wàn)元。由于氣象部門提前預(yù)警，加強(qiáng)部門聯(lián)動(dòng)，開展了及時(shí)有效的決策和公眾服務(wù)，全區(qū)無人員傷亡。

2 環(huán)流形勢(shì)特征和主要影響系統(tǒng)

降水前期，歐亞中高緯維持兩槽一脊，烏拉爾山以東廣大地區(qū)維持寬廣的高壓脊(圖2a)，其底部不斷有短波槽分股東移，中緯度氣流平直，冷空氣侵入頻繁，副高較弱，且588 dagpm特征線斷開，主體位于海洋上，副高脊線位于在33°N附近，584 dagpm線在寧夏北部附近擺動(dòng)。29日20:00，河西中部到高原北部有小槽東移，高原偏南氣流有所發(fā)展，并在寧夏交匯形成了此次暴雨過程。在降水過程中，584 dagpm西脊點(diǎn)基本以西伸為主，北線先北抬再南壓，降水日前南壓明顯，降水過程中基本穩(wěn)定維持在寧夏北部。

圖1 2012年7月29日20：00～30日08：00寧夏降水量(a)和29日18：00～30日16：00銀川逐時(shí)降水量(b)

圖2 2012年7月29日20：00 500 hPa形勢(shì)(a)及29日20：00～30日08：00 700 hPa系統(tǒng)演變(b)

綜合分析認(rèn)為，此次大暴雨就是主要在副高東撤南退過程中，由500 hPa西風(fēng)槽、700 hPa低渦、切變及地面冷鋒相互作用的結(jié)果。隨著580 dagpm線一路北抬至寧夏北部，500 hPa有低槽東移，帶動(dòng)槽后冷空氣南下；從29日20：00～30日08：00 700 hPa系統(tǒng)演變(圖2b)可以看出，原位于內(nèi)蒙西部和高原東部的700 hPa低渦隨著西風(fēng)帶系統(tǒng)的東移及偏南暖濕氣流北抬，快速移至寧夏北部合并成一明顯具有渦旋結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，同時(shí)在其東部和南部分別出現(xiàn)了一個(gè)橫切變及豎切變線，豎切變線前、橫切變后西南氣流顯著加強(qiáng)，在寧夏北部出現(xiàn)了強(qiáng)烈的輻合區(qū)。同時(shí)寧夏上空處于200 hPa高空急流出口右側(cè)，呈反氣旋性環(huán)流，即大氣在此層為輻散場(chǎng)。這種高空輻散、低空輻合的環(huán)流特征為此次過程提供了較強(qiáng)的動(dòng)力抬升條件，另外地面上有一弱冷鋒東南下移過寧夏，迫使暖空氣抬升，加強(qiáng)了鋒線附近的上升運(yùn)動(dòng)。30日20：00，低渦、切變線明顯東移，寧夏降雨也逐漸減弱結(jié)束。

3 物理量場(chǎng)診斷分析

3.1水汽條件

3.1.1相對(duì)濕度。29日20:00降水開始后，相對(duì)濕度時(shí)空剖面(圖3a)上反映寧夏上空37.5°N以北高空高濕層一直表現(xiàn)得很深厚，750～350 hPa相對(duì)濕度均超過了80%，并不斷在加強(qiáng)，而300 hPa以上高層干區(qū)明顯，存在強(qiáng)濕度梯度區(qū)，表明高層有干空氣侵入，屬于典型的上干下濕極不穩(wěn)定的濕度層結(jié)結(jié)構(gòu)；30日08:00后，雖然低層濕度仍較大，但高濕層高度迅速下降，相應(yīng)降水明顯減弱。

3.1.2比濕。700 hPa高空比濕對(duì)降水具有明顯的指示意義，降水隨著700 hPa比濕的增大而增強(qiáng)。已有研究認(rèn)為寧夏暴雨700和500 hPa比濕指標(biāo)一般為8.5～12.0和4～6 g/kg，而此次大暴雨29日20:00銀川700和500 hPa比濕均超過了普通暴雨，分別達(dá)13和9 g/kg，且在700 hPa 以上接近飽和，700 hPa30日08:00仍維持在11 g/kg，反映此次過程雨區(qū)上空可降水量水汽非常充沛。

3.1.3水汽通量散度。29日20:00，寧夏中低層處于水汽通量散度負(fù)值區(qū)，北部地區(qū)的水汽輻合上升明顯強(qiáng)于南部山區(qū)；降水前，中層水汽通量有強(qiáng)的輻散，低層和高層有弱的輻合，隨著降水開始，中低層水汽輻合明顯加強(qiáng)，最強(qiáng)時(shí)段位于30日02:00左右，中心主要位于低層700～850 hPa，中心值達(dá)-2×10-7g/(cm2·hPa·s)，中層500 hPa水汽通量以弱輻散為主(圖3b)。說明此次暴雨過程水汽源主要來自低層，但500 hPa高層輻散與低層輻合的配置加強(qiáng)了水汽的上升，同樣促進(jìn)了暴雨的發(fā)生發(fā)展。

此次大暴雨存在深厚的高濕層和遠(yuǎn)高于普通暴雨的水汽含量，其長(zhǎng)時(shí)間維持一方面對(duì)大暴雨的形成提供了充沛的水汽，另一方面凝結(jié)潛熱釋放增加了層結(jié)不穩(wěn)定，對(duì)強(qiáng)降水的持續(xù)及強(qiáng)度有重要影響。

3.2動(dòng)力條件從渦度及垂直速度場(chǎng)107°E空間剖面圖(圖4)可見，29日08：00～30日02：00寧夏上空渦度場(chǎng)均表現(xiàn)為上正(中心在200 hPa)下負(fù)(中心在850 hPa)的特征，但02：00正負(fù)渦度絕對(duì)值明顯加強(qiáng)，中心位于寧夏北部，且正負(fù)中心值位置趨于重合，垂直場(chǎng)變化更為突出，由僅500 hPa上空有弱的上升區(qū)發(fā)展為整層強(qiáng)的上升區(qū)；散度場(chǎng)上，寧夏中北部500 hPa以下為輻合區(qū)，中心位于850～700 hPa，輻散中心在200 hPa，低層輻合與高層輻合的重疊區(qū)對(duì)應(yīng)降雨的極大中心，暴雨區(qū)上空,高層正散度輻散與低層負(fù)散度輻合相配合,是觸發(fā)暴雨的動(dòng)力機(jī)制。表現(xiàn)在垂直速度場(chǎng)上，寧夏上空整體以上升運(yùn)動(dòng)為主，上升中心位于500～300 hPa附近。對(duì)流層中上層較強(qiáng)的垂直速度產(chǎn)生強(qiáng)勁的抽吸作用，促使低層暖濕氣流輻合上升。

圖3 2012年7月29日08：00～30日14：00 105°E、37.5°N相對(duì)濕度(a,%)和水汽通量散度[b,g/(cm2·hPa·s)]時(shí)空剖面

注：陰影為渦度,線條為垂直速度。圖4 2012年7月29日08：00(a)、30日02：00(b)渦度及垂直速度場(chǎng)107°E空間剖面

3.3熱力條件在指數(shù)變化圖上(圖略)，銀川站降水開始后濕對(duì)流有效位能(Cape)值和K指數(shù)一直較大，但在降水即將開始時(shí)明顯增大，特別是Cape由29日08:00的350 J/kg多增強(qiáng)至2 000 J/kg多，之后有個(gè)緩慢減小的過程，而相應(yīng)SI指數(shù)則從-0.25 ℃快速減小至-2.78 ℃，28日20：00又明顯增大了3.63 ℃。

4 中尺度天氣系統(tǒng)分析

4.1地面中尺度輻合線利用加密自動(dòng)站逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)(圖5)資料，分析地面風(fēng)場(chǎng)對(duì)暴雨的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大暴雨過程產(chǎn)生的2個(gè)強(qiáng)降水中心(銀川附近及賀蘭山滾鐘口)，地面一直伴隨著2個(gè)長(zhǎng)度為幾十到200 km的中尺度輻合線的影響，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 h，輻合線既表現(xiàn)為風(fēng)向也有風(fēng)速輻合，其與強(qiáng)降水區(qū)域?qū)?yīng)較好。29日22:00銀川以東區(qū)域就出現(xiàn)了弱的輻合；23:00雨強(qiáng)明顯加強(qiáng)，相應(yīng)在銀川東側(cè)形成了8 m/s西北風(fēng)與6 m/s東南風(fēng)的強(qiáng)輻合線；30日00:00除了有弱的風(fēng)向輻合外，銀川以東區(qū)域東南風(fēng)迅速加強(qiáng)至10 m/s，風(fēng)速出現(xiàn)了明顯輻合，2 h內(nèi)輻合線以北的銀川、賀蘭站降水量超過了40 mm，同時(shí)在銀川以西的賀蘭山，也存在一個(gè)弱的輻合區(qū)，只是強(qiáng)度較弱，沿山降水量不強(qiáng)；01:00左右，賀蘭山沿山SN風(fēng)加大至8 m/s，輻合加大，此區(qū)域降水明顯加強(qiáng)；02:00～05:00銀川附近地面風(fēng)場(chǎng)仍有輻合存在，但僅表現(xiàn)為弱的風(fēng)向和風(fēng)速輻合，降水開始減弱；07:00左右這種輻合強(qiáng)度又有所增強(qiáng)，不過與前次輻合最強(qiáng)時(shí)相比仍較弱，降水強(qiáng)度均低于15 mm/h；10:00后輻合緩慢南下，強(qiáng)降水區(qū)也南撤，14:00輻合消失，降水停止。在整個(gè)降水過程中，銀川站5 mm/h以上的強(qiáng)降水維持了近9 h，期間地面輻合線也長(zhǎng)時(shí)間存在，其強(qiáng)度與降水強(qiáng)度密切相關(guān)，且強(qiáng)降雨帶與地面輻合區(qū)的走向較一致，多發(fā)生在其略偏北一側(cè)。地面輻合線長(zhǎng)時(shí)間的存在是引發(fā)此次大暴雨持續(xù)的動(dòng)力抬升條件。另外，賀蘭山滾鐘口的輻合強(qiáng)度雖明顯不及銀川附近，但降水強(qiáng)度仍超過了銀川，分析認(rèn)為，可能是由于賀蘭山東麓一直吹較強(qiáng)東北風(fēng)，疊加了明顯的地形抬升所導(dǎo)致的結(jié)果。

注：a、b分別為29日22：00和23：00；c～i分別為30日00：00、01：00、02：00、04：00、06：00、08：00、14：00。圖5 2012年7月29日22:00～30日14:00地面加密自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)

4.2中尺度對(duì)流云團(tuán)在此采用張晰瑩等中尺度對(duì)流系統(tǒng)定義方法[7]，將MβCS定義為紅外云圖上具有圓形或橢圓形冷云蓋的對(duì)流系統(tǒng)，且其-32 ℃冷云蓋的短軸長(zhǎng)度在1.5～3.0°緯距之間的為MβCS，其成熟階段為TBB≤-32 ℃冷云蓋面積達(dá)最大時(shí)，且其橢圓率在0.5°以上。由圖6可見，此次過程中，MβCS從移入寧夏到減弱移出共維持了5 h以上，在東移過程中，其前側(cè)不斷發(fā)展加強(qiáng)，云罩和冷云頂面積不斷向前擴(kuò)大，是一個(gè)前向傳播系統(tǒng)；-52 ℃冷云區(qū)面積29日22:00～23:30達(dá)最大，超過了60 000 km2，-60 ℃的面積也達(dá)40 000 km2，冷云中心值低于-65 ℃，MβCS發(fā)展到最成熟階段，同時(shí)在冷云核心區(qū)前側(cè)偏東南向，出現(xiàn)了明顯的楔形尖突的強(qiáng)TBB梯度區(qū)(圖6圓環(huán)所示)，強(qiáng)梯度區(qū)維持了近3 h。依據(jù)雷達(dá)反演的風(fēng)場(chǎng)(圖7)其正好位于低空急流的下風(fēng)方、700 hPa暖切變線北側(cè)，并隨著低空急流和切變的減弱而消失。分析認(rèn)為，在MβCS最成熟階段并出現(xiàn)楔形尖突強(qiáng)TBB梯度區(qū)時(shí)，強(qiáng)梯度區(qū)偏TBB值低的區(qū)域在1～2 h內(nèi)降水強(qiáng)度明顯增大。加密自動(dòng)站資料反映此區(qū)域在29日23：00和30日00:00分別出現(xiàn)了39.7和47.7 mm/h的暴雨(圖6黑三角所示)；30日00:00后，-52 ℃冷云區(qū)面積有所縮小，但強(qiáng)梯度區(qū)仍然明顯，降水強(qiáng)度有所減弱，仍有20 mm/h以上的強(qiáng)降水；01：30時(shí)后，強(qiáng)梯度區(qū)消失，MβCS東移，降水強(qiáng)度明顯減弱，1 h降水不超過10 mm。因此，中尺度對(duì)流系統(tǒng)成熟階段出現(xiàn)強(qiáng)TBB梯度區(qū)對(duì)暴雨發(fā)生有一定的指示意義。

4.3多普勒雷達(dá)資料分析限于常規(guī)探高資料較低的時(shí)間分辨率，一些重要的天氣系統(tǒng)許多細(xì)節(jié)演變特征往往無法分析掌握，大大影響了預(yù)報(bào)水平的提高。近年來，借助于多普勒雷達(dá)反演的高時(shí)間分辨率的風(fēng)場(chǎng)，可對(duì)常規(guī)高空探測(cè)資料起到重要的補(bǔ)充作用。29日20:00常規(guī)探高資料反映700 hPa無低空急流，最大風(fēng)速僅有8 m/s，但從雷達(dá)反演風(fēng)場(chǎng)(圖7)可清楚發(fā)現(xiàn)，寧夏南部700 hPa 22:00出現(xiàn)了12 m/s西南低空急流，23:00后繼續(xù)加強(qiáng)至14 m/s，且維持到了30日01:00；同時(shí)在29日22:00銀川站上空形成了10 m/s東南風(fēng)，30日00:00～01:00風(fēng)速增強(qiáng)至12 m/s，在寧夏中北部形成了西南風(fēng)與東南風(fēng)的強(qiáng)暖式切變線，此強(qiáng)切變的形成與維持相應(yīng)造成了在輻合區(qū)出現(xiàn)了40 mm/h以上的大暴雨；02:00風(fēng)速變小，降水減弱；09:00后風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，寧夏北部降水減弱結(jié)束。

圖6 2012年7月29日20:00～30日02:00 TBB場(chǎng)分布

圖7 2012年7月29日21:00～30日09:00雷達(dá)反演700 hPa逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)

徑向速度場(chǎng)顯示，29日22:00以后在銀川偏南方向有一條較明顯的垂直風(fēng)切變，上、下層分別為偏北風(fēng)、偏南風(fēng)，高度大致在2 km(800 hPa)，距離測(cè)站20 km左右，切變中心位于銀川東南部的永寧附近，已有文獻(xiàn)認(rèn)為[8]，這種切變環(huán)境使上升氣流傾斜，降水質(zhì)點(diǎn)能夠脫離出上升氣流，而不致因拖帶作用減弱上升氣流的浮力；同時(shí)，降落到下沉氣流中的降水質(zhì)點(diǎn)，因蒸發(fā)冷卻和下沉拖帶作用，會(huì)增強(qiáng)下沉冷空氣出流，從而維持和激發(fā)了上升氣流增強(qiáng)，因此這種形式的維持也是此次大暴雨形成的原因之一。

5 小結(jié)

(1)此次大暴雨具有明顯的中尺度特征，且是由MβCS

發(fā)展并較長(zhǎng)時(shí)間維持少動(dòng)造成的。MβCS最成熟階段時(shí)，TBB強(qiáng)梯度區(qū)偏向冷云中心區(qū)與未來1～2 h暴雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)地面輻合線的較長(zhǎng)時(shí)間的維持是造成此次大暴雨的重要原因之一；強(qiáng)降雨帶與地面輻合線的走向較一致，且多發(fā)生在其略偏北一側(cè)。

(3)暴雨發(fā)生時(shí)，濕對(duì)流有效位能(Cape)有明顯的增大，其對(duì)大暴雨發(fā)生時(shí)有較好的指示意義。

(4)深厚濕層的存在一方面為此次大暴雨的形成提供了充沛的水汽，另一方面凝結(jié)潛熱釋放增加了層結(jié)不穩(wěn)定，對(duì)強(qiáng)降水的持續(xù)及強(qiáng)度有重要影響。

(5)多普勒雷達(dá)反演的風(fēng)場(chǎng)可對(duì)常規(guī)高空探測(cè)資料起到重要的補(bǔ)充作用。

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