寧夏夏季兩次暴雨過程診斷分析

郝艷瓊，顧楠楠，胡文東*，邵 建，楊 侃，徐文嘉，賈凈翔，王 菲，吳尚毅

（1.成都信息工程大學 大氣科學學院，四川 成都 610225；2.二連浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 011100；3.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002；4.寧夏氣象臺，寧夏 銀川 750002；5.石嘴山市氣象局，寧夏 石嘴山 753000）

賀蘭山及石嘴山市一帶位于寧夏西北部，與內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰，平均年降水量僅為160 mm左右，屬于典型的大陸性干旱氣候，自然生態(tài)脆弱，發(fā)生在這里的暴雨往往導致山洪、泥石流等自然災害的暴發(fā)，但同時也是重要的水資源。暴雨是重大災害性天氣，受諸多條件制約，暴雨預報一直是預報業(yè)務(wù)中的難題，受到氣象工作者長期持續(xù)的關(guān)注。紀曉玲等[1]對寧夏暴雨預報進行研究，結(jié)果表明，穩(wěn)定的“東阻形勢”和西南低空急流的維持是暴雨持續(xù)的主要原因。在干旱區(qū)強降水方面，姜彩蓮等[2]對天山一次暴雨成因進行探究，發(fā)現(xiàn)K指數(shù)的增大、沙氏指數(shù)的減小、高低空強烈的風切變以及渦度平流的高低空配置加強了垂直上升運動的發(fā)展，使局地大氣潛能和不穩(wěn)定度增加，具備觸發(fā)暴雨天氣發(fā)生的條件。李紅英等[3]對甘肅一次罕見大暴雨進行剖析，指出強降水中心發(fā)生在對流不穩(wěn)定、斜壓不穩(wěn)定相結(jié)合的區(qū)域和對流有效位能（CAPE）強中心的下游。崔永躍等[4]分析陜西一次災害性暴雨，結(jié)果表明，高低空的有利配置及相互作用，對暴雨過程的產(chǎn)生有著很大影響。胡文東等[5]對陣風鋒觸發(fā)強對流過程的雷達資料特征進行分析，結(jié)果表明，通過雷達資料可準確掌握陣風鋒細致變化，是監(jiān)測強對流觸發(fā)與預警的關(guān)鍵手段。

本文在干旱區(qū)暴雨發(fā)生次數(shù)非常少的情況下，選取2018 年寧夏夏季兩次時間間隔較近、降水情況相似的罕見強降水天氣過程進行對比分析，探索暴雨天氣的形成原因。發(fā)現(xiàn)兩次強降水過程的相似性和差異性在物理量上反映顯著，揭示了降水天氣的發(fā)生、發(fā)展過程的演變特征，印證了兩次暴雨過程中雷達強回波與暴雨強度和落區(qū)具有良好的對應(yīng)關(guān)系。從而進一步加深對暴雨天氣的認識，以提高預報能力，更好地保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1 資料與方法

1.1 資料

本文采用常規(guī)氣象觀測資料、銀川C 波段多普勒天氣雷達資料、歐洲中期天氣預報中心0.25°分辨率再分析資料。

1.2 方法

運用天氣學診斷、雷達氣象學、中小尺度天氣學方法進行分析。從動力方面來看，位勢傾向方程表現(xiàn)了天氣變化趨勢，用于形勢預報。針對正壓準地轉(zhuǎn)大氣表示為

式中：f 為地轉(zhuǎn)參數(shù)；σ 為靜力穩(wěn)定度參數(shù)；p 為氣壓，hPa；φ 為位勢高度，gpm；t 為時間，s；Vg為地轉(zhuǎn)風向量，m/s；ζg為地轉(zhuǎn)風渦度，s-1。表明正常情況下槽前脊后的正渦度平流使槽脊東移，槽附近的冷平流使槽脊發(fā)展。

ω 方程用于垂直運動的診斷，針對正壓準地轉(zhuǎn)大氣表示為

說明渦度平流隨氣壓的變化以及風場與位勢高度場隨氣壓變化的共同作用項的水平分布，影響上升運動。

在水汽方面，用水平的水汽通量F 表示水汽輸送強度為

式中：g 為重力加速度，m/s2；V 為風速矢量，m/s；q 為比濕，g/kg。該量反映水汽的來源與去向。

水汽通量散度A 表示水汽在某處的匯合情況：

式中：A 為水汽通量散度，g/（cm2·hPa·s）；u 為x 方向風速，m/s；v 為y 方向風速，m/s。水汽通量散度反映直接對降水產(chǎn)生貢獻的水汽。

對流有效位能（CAPE）表征大氣不穩(wěn)定能量：

式中：PEL為平衡高度處氣壓，hPa；PLFC為自由對流高度處氣壓，hPa；Rd為氣體常數(shù)；Tvp，Tve分別為氣塊和環(huán)境的虛溫，℃。

對流抑制能量（CIN）為氣塊從地面上升至自由對流高度所需要的最少能量：

式中：P起始為氣塊抬升初始高度處氣壓，hPa。合適的CIN 值有利于強對流。

正渦度使氣流做氣旋式旋轉(zhuǎn)，有利于降水，渦度方程為

式中：ζ 為渦度，s-1。渦度局地變化與散度項有關(guān)。

1.3 實況

2018 年7 月19 日，寧夏賀蘭山沿山及石嘴山市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時暴雨（A 過程），主要在賀蘭山沿山的大武口段和平羅段出現(xiàn)暴雨區(qū)。截至7 月19 日08：00，累計降水量大于50 mm 的有18 個站，其中有3 站大于100 mm，最大雨強54.5 mm/h，強降水時段集中在4：00—7：00。

3 d 后，7 月22 日夜間到23 日夜間，上述區(qū)域再次發(fā)生暴雨（B 過程），累計降水量大于50 mm 的有43 個站，其中有5 站大于100 mm；最大雨強51 mm/h，強降水時段出現(xiàn)在23 日01：00 和04：00—05：00。

兩次過程降雨范圍廣、強度大、落區(qū)相似，A過程降雨范圍更集中，B 過程降雨持續(xù)時間更長。寧夏北部賀蘭山區(qū)年平均降水僅為160 mm，為典型干旱區(qū)。而這兩次過程中僅1 h 的雨量高達年降水的1/3，影響巨大。兩次暴雨過程均造成上述區(qū)域發(fā)生不同程度的山洪，多處道路阻塞，交通中斷，造成重大財產(chǎn)損失，人民生命安全受到嚴重威脅。受強降水影響，7 月22 日夜間，賀蘭山沿山多處暴發(fā)山洪。大暴雨造成賀蘭山沿線5 000 多名群眾受洪水威脅，多名游客受困，220 間房屋進水，31 間房屋倒塌，8 000 hm2作物受災，成災面積3 266.67 hm2。

2 兩次暴雨過程天氣學分析

2.1 天氣形勢

A 過程中，500 hPa 高空圖上為東高西低環(huán)流形勢（圖1a），巴爾喀什湖到河套西部維持一寬廣的低壓槽，青海格爾木到河套為低渦，槽前脊后正渦度平流使低槽底部的冷空氣隨槽脊東移。副熱帶高壓位于東部沿海的日本地區(qū)附近，偏南暖濕氣流副熱帶高壓西側(cè)邊緣北上，遇賀蘭山抬升積聚，與冷空氣交匯，為降雨提供了條件。700 hPa 和850 hPa上寧夏有明顯切變線，最大風速達16 m/s 的西南低空急流輸送水汽能量（圖1b），溫度場和高度場呈現(xiàn)90°夾角，強冷平流有利于槽脊的發(fā)展，與河西走廊到河套地區(qū)的暖中心形成強烈不穩(wěn)定，有利于強降雨發(fā)生。7 月19 日08：00 槽脊東移，切變減弱，急流強度減小，降水減弱。

圖1 7 月18 日20：00 天氣形勢分析圖

500 hPa 高空圖上，B 過程歐亞中高緯度為多波動環(huán)流（圖2a），貝加爾湖和巴爾克什湖之間為寬廣的槽區(qū)，寧夏北部鄂霍次克海附近有高脊，在下游形成的穩(wěn)定的阻塞，使寧夏西側(cè)的低槽移動緩慢，不斷有偏北急流向?qū)幭妮斔屠淇諝?；副熱帶高壓位于東部沿海的日本地區(qū)附近，來自南海的水汽不斷沿副高脊線向?qū)幭妮斔停? 月23 日08：00，烏拉爾山槽前不斷有冷空氣下滑，在寧夏西側(cè)堆積，形成低槽區(qū)，副熱帶高壓北抬東退，寧夏處于低壓槽前偏南氣流里。副熱帶高壓形成“東高西低”降水形勢，有利于暴雨的形成。700 hPa 和850 hPa 寧夏整體處于偏南氣流里，西側(cè)有切變線（圖2b），前側(cè)大于12 m/s 的急流為降水提供了充足的水汽，同時寧夏西南部的低壓中心使該地區(qū)有上升運動。

圖2 7 月23 日08：00 天氣形勢分析圖

兩次過程都是在東高西低的環(huán)流下，副熱帶高壓邊緣的暖濕氣流與低槽移動冷空氣交匯。B 過程有由烏拉爾山到貝加爾湖擴散南下的冷空氣，且受副熱帶高壓東進西退的影響，過程更持久。兩次過程中均主要受低空急流和切變線影響。A 過程西太平洋副熱帶高壓呈帶狀分布，脊線偏西；B 過程西太平洋副熱帶高壓位置偏北，導致兩次過程水汽來源不同。兩次過程中500 hPa 均有西南氣流輸送，750 hPa 和800 hPa 均有偏南氣流與北方冷空氣匯合，使暴雨落區(qū)相似。地面圖上都有冷鋒和臺風登陸瓦解的影響（圖1c 和圖2c），為暴雨形成提供更多水汽。

2.2 大氣層結(jié)

銀川探空站離兩次暴雨過程最近。由表1 和圖3 可知，大氣層結(jié)有利于強降水。沙氏指數(shù)SI 及抬升指數(shù)LI 小于0 時，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，且負值越大，不穩(wěn)定程度越大。由探空資料（表1）可知，兩次過程中的SI 和LI 均小于0，7 月22 日22：00 的SI和LI 相比于7 月18 日22：00 都更小，說明B 過程更不穩(wěn)定。由表1 可知，兩次過程強降水前CAPE均超過了1 100 J/kg，CIN 較小，最大垂直上升速度均超過48 m/s。說明兩次過程中大氣都聚集了大量不穩(wěn)定能量，容易發(fā)生強對流。

圖3 銀川站探空曲線圖（T-ln P）

表1 兩次暴雨過程中銀川探空站對流參數(shù)

K 指數(shù)越大，表征大氣越不穩(wěn)定。A 過程中，K指數(shù)由7 月18 日08：00 的25 ℃激增到20：00 的48 ℃，SI 指數(shù)下降至-2.93 ℃，說明暴雨前寧夏北部有大量不穩(wěn)定能量堆積，而7 月19 日8：00 CAPE下降至103.3 J/kg，也與強降雨時段相對應(yīng)。同樣，B過程中，K 指數(shù)由7 月22 日08：00 的36 ℃激增到20：00 的47 ℃，7 月23 日08：00 CAPE 和CIN 均為0，表明大氣整層已趨于穩(wěn)定，降水結(jié)束。

3 物理量診斷分析

3.1 動力診斷

3.1.1 渦度、散度 7 月19 日強降水時段，正渦度中心位于對流層中低層，與強降水中心對應(yīng)（圖4a）。高層輻散低層輻合有利于降水，且高低層散度差越大，降水越劇烈。從散度場來看，19 日04：00 降雨開始階段，低層為輻合區(qū)，輻合中心強度最大為-8×10-5s-1。高層為輻散區(qū)，輻散中心強度約為4×10-5s-1，高層輻散大于低層輻合，且散度差大，上升運動劇烈（圖5a）。19 日08：00，在強降雨時段內(nèi)，低層3 個輻合中心合并為1 個，移至107°E 附近，強度增大。高層在105.5°～107°E 范圍內(nèi)為一片寬廣的輻散區(qū)。此時，高層輻散仍大于低層輻合，但高低層散度差減小，使得上升運動持續(xù)劇烈發(fā)展，降水強度減弱。

圖4 渦度時間垂直剖面圖（單位：10-5 hPa/ s）

圖5 散度垂直剖面圖（單位：10-5 hPa/s）

7 月22 日20：00 至23 日20：00，石嘴山市整層為正渦度區(qū)，23 日20：00 寧夏上空850～500 hPa 為正渦度，600 hPa 附近正渦度中心值達到15×10-5hPa/s，200 hPa 沿山和石嘴山市北部為負渦度（圖4b）?！吧县撓抡钡拇怪狈植颊f明中低層有對流發(fā)展機制存在，此時上升氣流發(fā)展旺盛，導致不穩(wěn)定能量快速釋放，為暴雨發(fā)生提供有利條件，與強降水發(fā)生時段互相對應(yīng)。散度場上，7 月23 日05：00，低層有強輻合中心。高層為范圍較廣的強輻散區(qū)（圖5b），寧夏處于強大的上升氣流中，降水形勢強烈。7 月23 日18：00，在寧夏境內(nèi)，高低層輻合輻散區(qū)范圍均有所減小。

兩次降雨過程渦度散度配置與降雨強度及強降水時段對應(yīng)。A 過程中低層輻合更強烈，B 過程中高層輻散強度更大，使A 過程中降水強度更大，B 過程中降水范圍更廣。

3.1.2 垂直速度場 垂直負速度對應(yīng)上升運動是降水中水汽冷卻凝結(jié)的條件。A 過程7 月19 日04：00，在強降水區(qū)域，高低層均出現(xiàn)上升運動（圖6a）。7月19 日08：00，暴雨中心上空上升運動區(qū)范圍擴大。B過程7 月23 日05：00，強降水區(qū)域，低層有弱的上升運動區(qū)，高層有強的下沉運動區(qū)（圖6b）。7 月23日08：00，上升運動區(qū)范圍減小，高層的下沉運動區(qū)消失，對應(yīng)降水間歇期。7 月23 日18：00，暴雨中心上空有很強的負速度，與強降水時段對應(yīng)。

圖6 垂直速度垂直剖面圖（單位：10-3 hPa/s）

3.2 水汽診斷

3.2.1 相對濕度 濕度層越厚，降水越強。7 月19日04：00 600 hPa 以下，大氣非常潮濕，強降水區(qū)域相對濕度大于80%，說明該地區(qū)水汽含量十分充足（圖7a）。7 月19 日08：00，隨著降雨的加強，濕度層下降，降水強度減弱。7 月23 日05：00，受到低渦和切變線的影響，600 hPa 以下水汽不斷輻合，加上西南暖濕空氣的輸送，使得強降水區(qū)域濕度較19 日更強，相對濕度大于80%（圖7b）。7 月23 日18：00，低層相對濕度區(qū)域面積增大，越靠近地面相對濕度越大，低層水汽貢獻更加顯著。

圖7 相對濕度垂直剖面圖（單位：%）

3.2.2 水汽輸送 兩次過程中，寧夏處于很強的水汽通量中心。A 過程，水汽通量最大可達14 g/（cm·hPa·s），水汽主要來自南海。B 過程，水汽通量普遍達13～14 g/（cm·hPa·s），水汽由南海地區(qū)、孟加拉灣以及華東沿海地區(qū)輸送，水汽通量更大（圖8）。

圖8 850 hPa 水汽通量圖（單位：g/（cm·hPa·s））

兩次過程寧夏處于水汽通量輻合中心，水汽通量散度為-4×10-8g/（cm2·hPa·s）至-1.0×10-8g/（cm2·hPa·s），說明低層有水汽的輻合抬升，有利于降水過程。B過程中水汽通量輻合明顯更強，使降水持續(xù)時間更長（圖9）。

圖9 850 hPa 水汽通量散度圖（單位：10-8 g/（cm2·hPa·s））

3.3 雷達資料分析

雷達資料對于雷暴大風的預警具有顯著的指示意義[6]。由7 月19 日03：00—08：00 反射率因子演變來看，A 過程以對流為主，出現(xiàn)了45～50 dBZ的強回波，主要集中在大水溝、姚伏鎮(zhèn)、石嘴山、大武口賀東莊園一線，主要有2 個東北西南向的弓形強回波造成了該次短時暴雨過程[6]。從小時雨強來看，弓形強回波和強降水的峰值對應(yīng)，第一個弓形強回波帶出現(xiàn)在03：00—05：00，最強回波出現(xiàn)在4：30 左右，05：00 后回波減弱；另一個弓形強回波帶出現(xiàn)在06：00—07：00，大水溝、賀東莊園一線又出現(xiàn)了一條帶狀強回波，07：00 后減弱（圖10）。

圖10 7 月19 日雷達基本反射率

由圖11 可以看出，7 月22 日21：00 開始降水，回波自西向東北方向移動，先后影響石嘴山市各地。由基本反射率特征得出，B 過程以對流為主，在大部分20～25 dBZ 反射率區(qū)域中呈現(xiàn)了多個強度在45 dBZ 以上的強回波塊，強中心達到55 dBZ。降水的強度主要受回波持續(xù)時間、強度的影響[7]，雷達資料中的颮線往往與降水過程相對應(yīng)[8]。本次過程中各站大于10 mm/h 的降水主要是因為多個強度大于45 dBZ 的強回波影響，降水過程中一直伴隨著颮線回波單體的生成和消亡[8]。

圖11 7 月22 日，7 月23 日雷達基本反射率

雷達資料中，降水峰值與基本反射率峰值相對應(yīng)[9]。7 月23 日00：00—03：00 賀蘭山沿山大西峰溝到石炭井一帶出現(xiàn)強度達55 dBZ 南北向的回波帶，造成崇崗鎮(zhèn)大西峰溝出現(xiàn)80.6 mm 的降水。7 月23 日04：00—05：00 在平羅沙湖附近又出現(xiàn)一個強度55～60 dBZ 的回波，回波向北移動并加強，影響大武口，大武口1 h 降水量達17.9 mm。

4 結(jié)論與討論

本文在干旱區(qū)暴雨發(fā)生次數(shù)非常少的情況下，針對兩次時間間隔較短、降水情況相似的罕見暴雨過程進行了分析，旨在比較兩次降水差異，進一步提高對寧夏暴雨的認識。

（1）兩次強降水過程發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景下，均受低空急流和氣旋性切變的影響?！皷|高西低”的環(huán)流背景有利于干旱區(qū)降水，地面冷鋒活動和臺風登陸瓦解對水汽的匯聚有重要作用。

（2）暴雨發(fā)生前，探空圖上這兩次過程大氣均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，K 指數(shù)達到45 ℃以上，各物理量在各個時段變化幅度與降水時段相對應(yīng)。兩次過

程中渦度的垂直分布均為“上負下正”，散度垂直方向上高層輻散，低層輻合。其中，A 過程正渦度中心值達12×10-7hPa/s，B 過程正渦度中心值達到15×10-5hPa/s，有利于上升運動發(fā)展。降水的強度變化與大氣層結(jié)中各物理參數(shù)的變化有很好的對應(yīng)關(guān)系。渦度散度場的配置和垂直速度場的負速度區(qū)域及大小的不同，造成兩次降雨強度和時間范圍的區(qū)別。這些都可以作為干旱區(qū)暴雨預報的指標。

（3）兩次過程濕度越往低層越大。兩次過程強降水區(qū)域大氣低層相對濕度均達到80%以上，B 過程相對濕度更大，水汽來源更廣，水汽通量強度和范圍更大，處于更強的水汽通量散度中心。水汽輸送差異造成降水持續(xù)時間差異，對干旱區(qū)暴雨的預報有重要意義，副熱帶高壓位置的不同可能是造成水汽來源和輸送差別的原因之一，需要深入研究。

（4）通過雷達產(chǎn)品可以得出兩次降水過程都屬于對流為主的降水，颮線回波強度都在45 dBZ 以上，強回波和強降水的峰值及降水過程的生消相對應(yīng)。兩次過程中，雷達強回波與降水的峰值和降水的生消有很好的對應(yīng)關(guān)系，更加直觀地反映了整個天氣過程。如何利用雷達產(chǎn)品做更加及時準確的預報還需要更多更深入的研究。

通過上述分析，有助于暴雨預報中對降水落區(qū)、量級、時間等的確定，對干旱區(qū)自然環(huán)境保護、水資源充分利用、防災減災等提供技術(shù)支持。