寧夏一次極端暴雨的中尺度分析

賈宏元， 劉鵬兵， 田 風， 聶晶鑫

(1.寧夏氣象防災減災重點實驗室,寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象臺,寧夏銀川 750002)

寧夏處于我國季風降雨向內陸急劇減少的過渡帶，降水具有明顯的地域性特征，降水時段集中，區域差異大，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，六盤山區則多達600～800 mm，且多局部暴雨洪澇等災害，區域性暴雨發生率低，特別是大暴雨，近49年(1960～2008年)間常規測站僅出現過3 站次，屬于典型的天氣氣候極端事件[1]。同時由于暴雨常會引發嚴重的洪澇、地質災害，長期以來一直是預報技術難點和預報員關注的重點。

目前對寧夏典型暴雨已有了一定的認識。紀曉玲等總結提出了寧夏賀蘭山東麓暴雨統計預報模型，并指出暴雨落區與850～200 hPa各層氣流及中β尺度低值系統的配置關系[2]，認為寧夏突發性暴雨具有明顯的中小尺度系統特征[3-4]，中北部強對流降水雷達組合反射率與南方之間有明顯的差異[5]，并提出了預報著眼點[6]。盡管如此，因寧夏大暴雨極少發生，已有文獻對當地大暴雨研究較少，特別是中尺度系統的分析更是缺乏。為此，筆者利用常規氣象探測、多普勒雷達、衛星云圖、加密氣象站等高分辨率的探測數據及NCEP再分析資料，采用天氣動力學和中尺度診斷技術，分析了引發寧夏2012年“7.29” 極端暴雨過程的水汽、熱力、動力場空間結構特征，探討了造成此次大暴雨的成因及中小尺度系統結構、發生發展機制和演變特征，為強暴雨的預報和預警提供科學參考依據。

1 天氣實況

2012年7月29日夜間寧夏銀川、石嘴山兩市大部分地區出現了區域性暴雨，局地達大暴雨(圖1a)。該過程局地性特征明顯，降雨強度強，持續時間長，累計雨量為寧夏多年罕見。全區有183站次1 h雨量超10 mm，2站次1 h雨量超40 mm，累計雨量超過50 mm的有54個站，超過100 mm的有13個站，最大降水量出現在賀蘭山滾鐘口，達166.2 mm。銀川站連續9 h降水量超過5 mm/h，5 h 超過10 mm/h(圖1b)，累計降水116.5 mm，超過了該站年降水量的64%，創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、城市內澇及農田被淹等災情，受災人口81 086人，倒塌房屋811間，損壞房屋1 145間，農作物受災19 121 hm2，直接經濟損失近6千萬元。由于氣象部門提前預警，加強部門聯動，開展了及時有效的決策和公眾服務，全區無人員傷亡。

2 環流形勢特征和主要影響系統

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。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銀川逐時降水量(b)

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

綜合分析認為，此次大暴雨就是主要在副高東撤南退過程中，由500 hPa西風槽、700 hPa低渦、切變及地面冷鋒相互作用的結果。隨著580 dagpm線一路北抬至寧夏北部，500 hPa有低槽東移，帶動槽后冷空氣南下；從29日20：00～30日08：00 700 hPa系統演變(圖2b)可以看出，原位于內蒙西部和高原東部的700 hPa低渦隨著西風帶系統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構的系統，同時在其東部和南部分別出現了一個橫切變及豎切變線，豎切變線前、橫切變后西南氣流顯著加強，在寧夏北部出現了強烈的輻合區。同時寧夏上空處于200 hPa高空急流出口右側，呈反氣旋性環流，即大氣在此層為輻散場。這種高空輻散、低空輻合的環流特征為此次過程提供了較強的動力抬升條件，另外地面上有一弱冷鋒東南下移過寧夏，迫使暖空氣抬升，加強了鋒線附近的上升運動。30日20：00，低渦、切變線明顯東移，寧夏降雨也逐漸減弱結束。

3 物理量場診斷分析

3.1水汽條件

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

3.1.2比濕。700 hPa高空比濕對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。已有研究認為寧夏暴雨700和500 hPa比濕指標一般為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值區，北部地區的水汽輻合上升明顯強于南部山區；降水前，中層水汽通量有強的輻散，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，最強時段位于30日02:00左右，中心主要位于低層700～850 hPa，中心值達-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了水汽的上升，同樣促進了暴雨的發生發展。

此次大暴雨存在深厚的高濕層和遠高于普通暴雨的水汽含量，其長時間維持一方面對大暴雨的形成提供了充沛的水汽，另一方面凝結潛熱釋放增加了層結不穩定，對強降水的持續及強度有重要影響。

3.2動力條件從渦度及垂直速度場107°E空間剖面圖(圖4)可見，29日08：00～30日02：00寧夏上空渦度場均表現為上正(中心在200 hPa)下負(中心在850 hPa)的特征，但02：00正負渦度絕對值明顯加強，中心位于寧夏北部，且正負中心值位置趨于重合，垂直場變化更為突出，由僅500 hPa上空有弱的上升區發展為整層強的上升區；散度場上，寧夏中北部500 hPa以下為輻合區，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對應降雨的極大中心，暴雨區上空,高層正散度輻散與低層負散度輻合相配合,是觸發暴雨的動力機制。表現在垂直速度場上，寧夏上空整體以上升運動為主，上升中心位于500～300 hPa附近。對流層中上層較強的垂直速度產生強勁的抽吸作用，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相對濕度(a,%)和水汽通量散度[b,g/(cm2·hPa·s)]時空剖面

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107°E空間剖面

3.3熱力條件在指數變化圖上(圖略)，銀川站降水開始后濕對流有效位能(Cape)值和K指數一直較大，但在降水即將開始時明顯增大，特別是Cape由29日08:00的350 J/kg多增強至2 000 J/kg多，之后有個緩慢減小的過程，而相應SI指數則從-0.25 ℃快速減小至-2.78 ℃，28日20：00又明顯增大了3.63 ℃。

4 中尺度天氣系統分析

4.1地面中尺度輻合線利用加密自動站逐時風場(圖5)資料，分析地面風場對暴雨的作用，結果發現，大暴雨過程產生的2個強降水中心(銀川附近及賀蘭山滾鐘口)，地面一直伴隨著2個長度為幾十到200 km的中尺度輻合線的影響，持續時間長達10 h，輻合線既表現為風向也有風速輻合，其與強降水區域對應較好。29日22:00銀川以東區域就出現了弱的輻合；23:00雨強明顯加強，相應在銀川東側形成了8 m/s西北風與6 m/s東南風的強輻合線；30日00:00除了有弱的風向輻合外，銀川以東區域東南風迅速加強至10 m/s，風速出現了明顯輻合，2 h內輻合線以北的銀川、賀蘭站降水量超過了40 mm，同時在銀川以西的賀蘭山，也存在一個弱的輻合區，只是強度較弱，沿山降水量不強；01:00左右，賀蘭山沿山SN風加大至8 m/s，輻合加大，此區域降水明顯加強；02:00～05:00銀川附近地面風場仍有輻合存在，但僅表現為弱的風向和風速輻合，降水開始減弱；07:00左右這種輻合強度又有所增強，不過與前次輻合最強時相比仍較弱，降水強度均低于15 mm/h；10:00后輻合緩慢南下，強降水區也南撤，14:00輻合消失，降水停止。在整個降水過程中，銀川站5 mm/h以上的強降水維持了近9 h，期間地面輻合線也長時間存在，其強度與降水強度密切相關，且強降雨帶與地面輻合區的走向較一致，多發生在其略偏北一側。地面輻合線長時間的存在是引發此次大暴雨持續的動力抬升條件。另外，賀蘭山滾鐘口的輻合強度雖明顯不及銀川附近，但降水強度仍超過了銀川，分析認為，可能是由于賀蘭山東麓一直吹較強東北風，疊加了明顯的地形抬升所導致的結果。

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地面加密自動站風場

4.2中尺度對流云團在此采用張晰瑩等中尺度對流系統定義方法[7]，將MβCS定義為紅外云圖上具有圓形或橢圓形冷云蓋的對流系統，且其-32 ℃冷云蓋的短軸長度在1.5～3.0°緯距之間的為MβCS，其成熟階段為TBB≤-32 ℃冷云蓋面積達最大時，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，其前側不斷發展加強，云罩和冷云頂面積不斷向前擴大，是一個前向傳播系統；-52 ℃冷云區面積29日22:00～23:30達最大，超過了60 000 km2，-60 ℃的面積也達40 000 km2，冷云中心值低于-65 ℃，MβCS發展到最成熟階段，同時在冷云核心區前側偏東南向，出現了明顯的楔形尖突的強TBB梯度區(圖6圓環所示)，強梯度區維持了近3 h。依據雷達反演的風場(圖7)其正好位于低空急流的下風方、700 hPa暖切變線北側，并隨著低空急流和切變的減弱而消失。分析認為，在MβCS最成熟階段并出現楔形尖突強TBB梯度區時，強梯度區偏TBB值低的區域在1～2 h內降水強度明顯增大。加密自動站資料反映此區域在29日23：00和30日00:00分別出現了39.7和47.7 mm/h的暴雨(圖6黑三角所示)；30日00:00后，-52 ℃冷云區面積有所縮小，但強梯度區仍然明顯，降水強度有所減弱，仍有20 mm/h以上的強降水；01：30時后，強梯度區消失，MβCS東移，降水強度明顯減弱，1 h降水不超過10 mm。因此，中尺度對流系統成熟階段出現強TBB梯度區對暴雨發生有一定的指示意義。

4.3多普勒雷達資料分析限于常規探高資料較低的時間分辨率，一些重要的天氣系統許多細節演變特征往往無法分析掌握，大大影響了預報水平的提高。近年來，借助于多普勒雷達反演的高時間分辨率的風場，可對常規高空探測資料起到重要的補充作用。29日20:00常規探高資料反映700 hPa無低空急流，最大風速僅有8 m/s，但從雷達反演風場(圖7)可清楚發現，寧夏南部700 hPa 22:00出現了12 m/s西南低空急流，23:00后繼續加強至14 m/s，且維持到了30日01:00；同時在29日22:00銀川站上空形成了10 m/s東南風，30日00:00～01:00風速增強至12 m/s，在寧夏中北部形成了西南風與東南風的強暖式切變線，此強切變的形成與維持相應造成了在輻合區出現了40 mm/h以上的大暴雨；02:00風速變小，降水減弱；09:00后風向轉為偏北風，寧夏北部降水減弱結束。

圖6 2012年7月29日20:00～30日02:00 TBB場分布

圖7 2012年7月29日21:00～30日09:00雷達反演700 hPa逐時風場

徑向速度場顯示，29日22:00以后在銀川偏南方向有一條較明顯的垂直風切變，上、下層分別為偏北風、偏南風，高度大致在2 km(800 hPa)，距離測站20 km左右，切變中心位于銀川東南部的永寧附近，已有文獻認為[8]，這種切變環境使上升氣流傾斜，降水質點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，降落到下沉氣流中的降水質點，因蒸發冷卻和下沉拖帶作用，會增強下沉冷空氣出流，從而維持和激發了上升氣流增強，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

(1)此次大暴雨具有明顯的中尺度特征，且是由MβCS

發展并較長時間維持少動造成的。MβCS最成熟階段時，TBB強梯度區偏向冷云中心區與未來1～2 h暴雨落區有較好的對應關系。

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

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

(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，另一方面凝結潛熱釋放增加了層結不穩定，對強降水的持續及強度有重要影響。

(5)多普勒雷達反演的風場可對常規高空探測資料起到重要的補充作用。

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