呼和浩特市典型大到暴雨過程特征分析

孫尚瑜，劉 楊，王志楠，王智宇，喬驛媛

(1.呼和浩特市新城區(qū)氣象局，呼和浩特 010000；2.呼和浩特市氣象局，呼和浩特 010000；3.吉林省通化市氣象局，通化 134000；4.鄂爾多斯東勝區(qū)氣象局，鄂爾多斯 017000)

0 引言

2021-08-18T13：00—2021-08-19T03：00，呼和浩特市中部發(fā)生大到暴雨，局地大暴雨。全市126個(gè)雨情站，大暴雨(100～249.9 mm)2個(gè)站，暴雨(50～99.9 mm)32個(gè)站，大雨(25～49.9 mm)54個(gè)站，中雨(10～24.9 mm)30個(gè)站，小雨(0.1～9.9 mm)3個(gè)站。最大降水量出現(xiàn)在土默特左旗北什軸鄉(xiāng)(106.7 mm)，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在托克托縣古城鎮(zhèn)云中園18日18：00—19：00(35.9 mm/h)[1]。

1 環(huán)流背景

2021-08-18為降水過程日，08：00，500 hPa東亞地區(qū)為西低東高型環(huán)流背景。長(zhǎng)波槽位于貝加爾湖(以下簡(jiǎn)稱貝湖)到中國(guó)新疆北部，一脊位于中國(guó)東北地區(qū)。內(nèi)蒙古西部到甘肅中部有短波槽分裂東移，副熱帶高壓脊線位于35°N。隨著高空槽攜帶冷空氣東移，副熱帶高壓逐漸南落，副高外圍偏南水汽通路建立，源源不斷將偏南暖濕氣流向北輸送，冷暖空氣在500 hPa和700 hPa槽區(qū)交綏，加之地形作用的影響，形成此次呼和浩特市中部大到暴雨、局地大暴雨過程[2-9]。

2 影響系統(tǒng)及環(huán)流演變特征

2021-08-17是降水過程預(yù)報(bào)日，08:00，亞洲大陸呈現(xiàn)兩低一高環(huán)流形勢(shì)，冷渦底部分裂，高空槽位于新疆北部，東北冷渦及高空槽即將東移入海，河西走廊有短波槽發(fā)展，呼和浩特市位于副高588線內(nèi)部，受西北氣流影響，700 hPa，850 hPa切變線、地面冷鋒3層垂直疊置較好，同時(shí)配合T-Td≤5 ℃的濕區(qū)均位于內(nèi)蒙古西部，700 hPa，850 hPa均有低空急流建立，偏南風(fēng)速達(dá)12.0 m/s，地面低壓生成并位于額濟(jì)納旗，中心氣壓1005 hPa。系統(tǒng)整體移動(dòng)緩慢，切變線位置穩(wěn)定少動(dòng)。

2021-08-17T20：00，500 hPa短波槽略有減弱，東移緩慢，副熱帶高壓明顯南落，短波槽前T-Td≤5 ℃濕區(qū)移到內(nèi)蒙古西部，水汽條件逐漸轉(zhuǎn)好，T-Td=2 ℃，但呼和浩特仍受脊內(nèi)控制，氣層較為干燥。700 hPa，850 hPa切變區(qū)、地面冷鋒均位于內(nèi)蒙古西部，700 hPa，850 hPa切變區(qū)明顯加強(qiáng)，地面低壓進(jìn)一步北上發(fā)展，低值中心加強(qiáng)。

2021-08-18T08：00，冷渦底部高空槽略有東移南壓，短波槽溫度場(chǎng)落后于高度場(chǎng)繼續(xù)發(fā)展東移，位于阿拉善盟東部，呼和浩特市受脊內(nèi)偏西氣流控制，700 hPa，850 hPa切變線、地面冷鋒3層垂直疊置仍較好，移至呼和浩特市西部與包頭交界處，切變線前后低空急流、西北風(fēng)風(fēng)速明顯加強(qiáng)，系統(tǒng)整體后傾，地面低壓北上至貝湖南部，中心氣壓達(dá)1，002.5 hPa，呼和浩特市位于地面低壓東南象限，以偏南氣流為主。槽前配合大片云區(qū)，500 hPa，700 hPa有T-Td≤2 ℃的飽和區(qū)，500 hPa比濕達(dá)到了4 g/kg。

2021-08-18T20：00，500 hPa短波槽移至阿拉善盟東部，槽前500 hPa，700 hPa，850 hPa，T-Td≤0.2 ℃的飽和區(qū)移至呼和浩特市，水汽整層為飽和狀態(tài)，槽后有干冷平流跟進(jìn)，副熱帶高壓南落范圍進(jìn)一步縮小。700 hPa低槽進(jìn)一步加強(qiáng)東移至呼和浩特市，切變輻合仍較強(qiáng)，850 hPa與上游包頭均有偏西、偏東“對(duì)頭”風(fēng)切變，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為略前傾，有對(duì)流性降水產(chǎn)生。但200 hPa急流開始遠(yuǎn)離，抽吸作用減弱，偏南風(fēng)速也明顯減小，水汽輸送開始減弱。

2021-08-19T08：00，貝湖冷渦底部高空槽緩慢東移，短波槽減弱，500 hPa，700 hPa呼和浩特市受槽后偏西氣流影響，T-Td>40 ℃，以干冷的下沉氣流為主，降水停止，天空轉(zhuǎn)晴，氣溫下降，但850 hPa呼和浩特市中部仍存在明顯輻合切變，加上前期降水整層濕度較大，白天700 hPa短波槽過境天空轉(zhuǎn)晴，輻射增加，形成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于19日能量積聚產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

從整層來看，2021-08-18T08：00—2021-08-20T08：00，200 hPa均有風(fēng)速≥60 m/s且長(zhǎng)度較短的急流核存在，其輻散抽吸作用對(duì)低層減壓有利。在500 hPa冷渦底部分裂短波槽槽前暖平流和正渦度平流持續(xù)作用下，700 hPa以下低值系統(tǒng)生成并逐步發(fā)展東移，850 hPa切變輻合增強(qiáng)向東移動(dòng)。地面氣旋生成逐漸北上加強(qiáng)，呼和浩特市位于地面低壓西南象限，暖切變與其上層輻合貫通，后期轉(zhuǎn)為略前傾配置，深對(duì)流抬升開始形成，降水強(qiáng)度逐步增大。20：00系統(tǒng)垂直疊置移至呼和浩特東側(cè)之后迅速東移，200 hPa急流核轉(zhuǎn)向東移，抽吸減弱。

3 探空資料特征

2021-08-17T20：00，呼和浩特站、東勝站T-lnP圖上，層結(jié)指標(biāo)較穩(wěn)定，濕層淺薄。18日08：00，呼和浩特站、東勝站濕度條件迅速轉(zhuǎn)好，層結(jié)條件顯示不穩(wěn)定，700 hPa以下有較為深厚的濕層，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有明顯的暖濕平流，配合較低的0 ℃層和抬升凝結(jié)高度，有利于凝結(jié)成云致雨。K指數(shù)為34.3，SI為2.42，CAPE值為0.4，從物理量指數(shù)來看對(duì)流性不強(qiáng)。從高空風(fēng)分析圖看出，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，屬暖平流，說明兩站均處于天氣系統(tǒng)前部暖平流控制區(qū)，與14：00—17：00雷達(dá)速度圖上反映的結(jié)果一致。20：00，整層濕度轉(zhuǎn)好，雖然K指數(shù)略有增大，但各層層結(jié)條件指標(biāo)仍然較為穩(wěn)定。19日08：00，呼和浩特站、東勝站濕度迅速降低至700 hPa以下，層結(jié)條件指標(biāo)穩(wěn)定。從高空風(fēng)分析圖看出，風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，屬冷平流，說明兩站均已處于天氣系統(tǒng)后部冷平流控制區(qū)，降水結(jié)束[10-14]。

4 水汽條件

比濕：8月18日08：00—20：00，700 hPa，850 hPa呼和浩特市以西比濕達(dá)到8 g/kg，大值中心在35°N以南。這種比濕區(qū)分布反映出700 hPa，850 hPa青海低渦環(huán)流東側(cè)偏南、西南水汽通道建立，中低層水汽北推，呼和浩特市及上游有濕舌凸起。隨著近于垂直疊置系統(tǒng)東移，濕舌增厚，降水逐步開始。18日15：00比濕達(dá)到最大，為13 g/kg，降水強(qiáng)度達(dá)到最大。20：00，700 hPa，850 hPa呼和浩特市仍受濕舌控制，但500 hPa已有干冷空氣入侵，濕舌減弱，因此，呼和浩特市雨勢(shì)減小。

水汽通量散度：8月18日08：00，700 hPa以上呼和浩特市以西水汽通量散度為正值，850 hPa為負(fù)值，850 hPa最大負(fù)值中心在鄂爾多斯中部38 °N處。呼和浩特市處在正值區(qū)或正負(fù)值過渡帶，輻合輻散作用不顯著。8月18日14：00水汽通量散度平面圖上，呼和浩特市全境700 hPa水汽通量散度為負(fù)值，850 hPa為正值。850 hPa最大負(fù)值中心在鄂爾多斯東南38°N處，此處為風(fēng)向暖式切變區(qū)，中心值-42×10-8g/hPa/cm2/s，而呼和浩特市正處在偏東風(fēng)急流區(qū)，風(fēng)速為18.2 m/s，上游風(fēng)速較小，僅為8.2 m/s，形成輻散場(chǎng)(正值)。19日00：00，850 hPa負(fù)散度中心東移，呼和浩特市西部正散度控制，低層出現(xiàn)水汽通量輻散，降水減弱。

5 動(dòng)力條件

渦度：8月17日20：00，500 hPa，700 hPa最大正渦度中心在貝湖低渦區(qū)，而在高原上有正渦度區(qū)形成，反映700 hPa青海低壓環(huán)流建立和500 hPa短波槽東移。18日08：00，500 hPa，700 hPa最大正渦度中心穩(wěn)定少動(dòng)，而高原上500 hPa和700 hPa正渦度區(qū)東移北抬并擴(kuò)展為帶狀分布，與巴湖正渦度中心連通，表明其為巴湖低渦外圍分裂系統(tǒng)東移北抬造成的正渦度區(qū)帶狀分布。

散度：8月18日08：00，呼和浩特市200 hPa為正散度，700 hPa負(fù)散度中心在巴盟東部，呼和浩特市也為負(fù)散度，垂直來看，是高空輻散抽吸、低層輻合抬升作用在散度平面圖上的準(zhǔn)確反映，其最大差值達(dá)到20×10-6s-1。14：00，最大正散度中心與最大負(fù)散度中心明顯東移，降水強(qiáng)度達(dá)到最大。

從8月18日08：00至8月19日08：00包頭到呼和浩特市實(shí)況散度時(shí)間剖面圖上看出，受500 hPa槽前正渦度平流作用，地面低壓發(fā)展北上，地面輻合線呈西南-東北向，位于呼和浩特市中部，700 hPa低渦底部低槽進(jìn)一步東移影響，配合低槽前部T-Td≤4 ℃的大濕區(qū)，同時(shí)，呼和浩特市位于高空急流入口區(qū)右側(cè)及低空急流出口區(qū)左側(cè)耦合區(qū)，高空急流次級(jí)環(huán)流上升有利于上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，850 hPa低空急流配合700 hPa低渦前部暖平流作用也有利于地面低壓發(fā)展加強(qiáng)，配合低空急流風(fēng)速輻合，有低空天氣尺度上升運(yùn)動(dòng)的建立，高低空系統(tǒng)疊置，形成高層輻散、底層輻合的動(dòng)力配置，有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)條件。

6 層結(jié)條件

從8月18日08：00—20：00，假相當(dāng)位溫平面圖可知，500 hPa，850 hPa均有45～59 K的高能舌外圍控制呼和浩特市。從500 hPa，850 hPa溫差對(duì)比來看，影響日500 hPa與850 hPa溫度差值≥-23 ℃，為弱熱力不穩(wěn)定層結(jié)，伴隨著高層冷空氣的不斷侵入和底層暖中心的東移，大氣的熱力不穩(wěn)定進(jìn)一步增大，午后氣溫上升后，大氣層結(jié)將趨于不穩(wěn)定。從8月18日至19日20：00 K指數(shù)平面圖可知，K指數(shù)影響日最大正值為18 ℃，屬穩(wěn)定值范圍。從8月18日08：00至20日08：00 Si指數(shù)平面圖可知，Si指數(shù)始終為正值，影響日最小值為11 ℃，屬穩(wěn)定值范圍。

7 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)況資料分析，8月18日08：00至19日08：00是呼和浩特市主要降水時(shí)段，18日14：00—20：00雨強(qiáng)增大，1 h雨強(qiáng)達(dá)到35.9 mm，20：00以后強(qiáng)降水區(qū)移至呼和浩特市東部。此次降水過程從18日11：00開始至19日06：00結(jié)束，歷時(shí)19 h。統(tǒng)計(jì)提取降水大值中心、呼和浩特站和林格爾縣各降雨時(shí)次對(duì)應(yīng)的MICAPS物理量場(chǎng)、T-lnP指標(biāo)量值，得到副高外圍暖濕切變暴雨呼和浩特市地區(qū)經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)(表1、表2)。

提取降雨各時(shí)次各物理量指標(biāo)數(shù)值可以看出，此次暴雨各物理量發(fā)展演變與暴雨過程各階段對(duì)應(yīng)較好：渦度值在降水開始前顯著增加，由負(fù)渦度轉(zhuǎn)為正渦度，數(shù)值由-15轉(zhuǎn)到70；散度由之前的整層正散度輻散轉(zhuǎn)為低層輻合、高層輻散的垂直環(huán)流，最大數(shù)值由-4轉(zhuǎn)到2，且輻合中心與呼和浩特市降水大值中心對(duì)應(yīng)較好；垂直速度由整層下沉氣流轉(zhuǎn)為整層顯著上升氣流，抬升條件明顯轉(zhuǎn)好，相對(duì)濕度從17%增加到96%，比濕由1.8 g/kg增大到5.8 g/kg，水汽通量達(dá)到9，水汽通量散度達(dá)到9，500 hPa與850 hPa假相當(dāng)位溫差達(dá)到31，0 ℃層到抬升凝結(jié)高度距離較遠(yuǎn)，有利于水汽凝結(jié)成云致雨，形成效率較大的降水，但K指數(shù)和Si指數(shù)不大，所以未形成明顯的對(duì)流天氣，以過程累積量級(jí)較大的穩(wěn)定性降雨為主。

表1 8月18-19日呼和浩特市中部暴雨過程物理量場(chǎng)個(gè)例指標(biāo)

表2 8月18-19日呼和浩特市中部暴雨過程呼和浩特站及周邊站T-lnP圖個(gè)例指標(biāo)