2020年石嘴山市一次暴雨過程的診斷分析

薛佩珍，顧 寧,3*，牛宏宇,3，楊艷紅,3

1.寧夏石嘴山市氣象局,寧夏石嘴山 753000；2.中國氣象局 旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室,寧夏銀川 750002；3.寧夏氣象防災減災重點實驗室,寧夏銀川 750002

在寧夏，暴雨的季節存在明顯的變化，且空間分布由東南向西北逐漸遞減。近年來，寧夏氣象工作者對寧夏的暴雨天氣過程做了大量研究。紀曉玲、馮建民、穆建華等[1]利用寧夏自動氣象站觀測數據、閃電定位信息、雷達回波、衛星云圖等氣象資料，分析了2008年7月18，間石炭井短時暴雨天氣過程。結果表明：蒙古高壓與大陸高壓之間的低值系統與橫切變的輻合抬升作用，配合冷空氣入侵釋放能量，使寧夏北部出現短時強雷雨天氣。趙光平等[2]利用動力相似過濾預報方法建立了寧夏暴雨動力相似過濾預報系統。桑建人等[3]選取1981—2000年寧夏部分氣象站和水文站逐日降水量和山洪流量數據進行了相關分析，結果表明：降水量級與山洪發生的可能性密切相關，大武口和石炭井中雨以上量級的降水引發最強山洪次數分別占66. 7%、36. 9%，且最強山洪的發生與周邊地區出現強降水或短時強降水有關。邵建等[4]指出寧夏暴雨易發區為中衛市以南和賀蘭山東麓，石嘴山年均暴雨貢獻率位列寧夏五市之首，為29. 6%。通過數值預報資料、探空資料和NCEP再分析資料等，分析了2020年8月11日夜間石嘴山局地暴雨天氣過程，旨在通過分析此類天氣過程總結出石嘴山局地暴雨天氣發生的大氣環流形勢、物理量指標等，提高對石嘴山市局地暴雨天氣的預報準確率，最大限度地降低暴雨災害造成的損失[5-6]。

1 天氣實況

2020年8月11日白天到夜間石嘴山市出現了一次明顯的降水過程，大武口出現小到中雨，平羅、惠農出現中到大雨，局地暴雨。有41個氣象站累計降水量超過30 mm。其中，惠農區五渠村、農牧場、上營子村、聚寶村、園藝鎮、紅果子工業園區、惠農本站、紅果子溝、和平村、星火村，以及平羅縣渠中村、渠羊村12個站點累計雨量達50 mm以上。從小時雨強來看，強降水時段主要集中在11日11:00，最強降水區在惠農區,最大累計降水量和最大小時雨強均出現在惠農區五渠村，分別為126 mm和84.5 mm（8月11日11:00出現）(圖1)。

圖1 2020年8月11日石嘴山市降水分布圖

本次過程受災情況：惠農區140.6 hm2葵花、194 hm2玉米、8 hm2水稻出現側傾或倒伏現象。惠農區溫室大棚進水38棟，大棚損壞60棟。苜蓿受損面積為301.1 hm2。平羅全縣除城關鎮、崇崗鎮外，其他11個鄉鎮均受災。受災糧食作物分別為玉米3 199.2 hm2，水稻430 hm2，受災癥狀為倒伏。

2 環流背景及影響系統分析

2020年8月11日08:00 200 hPa石嘴山市上空出現西北急流，使降水區上空存在輻散區，有利于上升運動的發展。08:00 500 hPa高度場歐亞中高緯為兩槽一脊環流形勢，有一股穿脊冷空氣從巴爾喀什湖逐漸南下影響石嘴山市，內蒙古東部存在明顯的溫度槽，使冷空氣不斷堆積，冷中心強度為-8 ℃。石嘴山市受貝加爾湖以北、巴爾喀什湖以東的低壓槽影響，槽前存在西南暖濕氣流，為此次降水提供了較好的水汽條件(圖2）。

圖2 2020年8月11日08:00 500 hPa高空形勢

2020年 8月11日02:00 700 hPa河西走廊地區有低渦生成，08:00低渦繼續東移發展至308線的邊緣，在河西走廊南部存在明顯的暖式切變線。石嘴山市位于暖式切變偏東一側，暖中心強度為16 ℃，形成了上冷下暖的不穩定層結。從四川到甘肅東南部再到石嘴山市北部存在明顯的偏南暖濕氣流，最大風速為16 m/s，達到急流標準，提供了良好的水汽通道，同時為此次降水過程提供了對流層中層弱的輻合區，可引起上升運動，為此次暴雨過程提供了動力抬升條件(圖3）。

圖3 2020年8月11日08:00 700 hPa高空形勢

由2020年8月11日08:00的海平面氣壓場可知，石嘴山市受地面低壓控制，中心強度為995 hPa。甘肅中南部存在明顯冷鋒，冷鋒逐漸東移發展，石嘴山市處于鋒區，同時激發了一定的不穩定能量而造成上升運動（圖4）。

圖4 2020年8月11日08:00海平面氣壓場

3 探空資料分析

不穩定層結是形成對流性天氣的條件之一，也是強對流發展基本條件。如果SI＞0,表示穩定；如果SI＜0, 表示不穩定，SI負值越大，表示層結越不穩定。K值越大，越不穩定。從銀川站探空資料來看，T-InP圖整層為高濕區，10日20:00 CAPE值 為601，CIN值 為314.7，K指數和SI指數分別為29.9、-0.85；11日08:00，CIN值升為555.5，K指數和SI指數分別為41.9、-3.64；11日20:00,各指數都回歸為穩定狀態（圖5）。由此可見，這是一個不穩定能量不斷積累的過程，大氣層的不穩定度在上升，近地面層有偏南暖濕氣流和低空急流的建立，使河套地區源源不斷向寧夏北部輸送不穩定能量，為暴雨的發生和持續提供了高濕能量。

圖5 2020年8月11日08:00（a）和20:00（b）T-InP圖

4 暴雨形成的物理機制分析

4.1 水汽條件分析

從此次過程的相對濕度場可以看出，在強降水期間相對濕度整層呈現高濕區，為降水提供了充足的水汽條件。水汽通量散度值達到石嘴山局地暴雨的水汽通量輻合指標-1.5×10-7g/（cm2·s·hPa）（圖6）。可見，充沛的水汽條件是此次降水的有利條件之一。

圖6 2020年11日14:00石嘴山地區相對濕度（a）和水汽通量散度時間—高度剖面圖（b）

4.2 動力條件分析

從散度的剖面圖來看，在強降水期間，散度呈垂直分布，700～800 hPa為強輻合區域，700 hPa為輻合中心，其值為-8×10-5hPa/s，400 hPa以上為輻散區域，其值為2×10-5hPa/s，整體趨勢呈現輻合較強的狀態（圖7a）。垂直速度反映大氣中的水汽凍結和降水與上升運動密切相關，主要通過垂直運動實現大氣中的能量轉換。從垂直速度剖面來看，強降水時段上升速度比較垂直，從低層到高層基本為上升氣流，而且上升速度在700 hPa和300 hPa左右的高度表現得最強烈（圖7b）。

圖7 2020年11日08:00石嘴山地區散度（a）和垂直速度時間—高度剖面圖（b）

4.3 熱力條件分析

假相當位溫（θse）反映了大氣的溫濕狀況，利用其水平和垂直分布分析大氣中的能量、垂直穩定度和大氣濕斜壓性分布狀況。由8月11日假相當位溫（θse）的時間變化可知，強降水發生期間，降水區上空受高能區控制，且不穩定能量逐漸增加,暴雨出現在能量釋放階 段（圖8a）。從850 hPa與500 hPa的假相當位溫之差（簡稱θse850-500）可知，當θse850-500＞0時，大氣處于不穩定狀態。此次降水過程θse850-500為正值，石嘴山地區（106°E、39°N）處于θse850-500的大值中心區，最大中心值為200 K，處于較強的對流性不穩定區，有利于產生強對流天氣（圖8b）。

圖8 2020年8月11日08:00石嘴山地區假相當位溫時間—高度剖面圖（a）和θse850-500（b）

5 雷達分析

從基本反射率演變情況來看，此次降水為層狀云與對流云疊加的混合型降水，新的對流單體不斷產生使回波發展。

2020年8月11日08:02，石嘴山市已經出現50～55 dBz的強回波，回波區域較小(主要集中在大武口區、惠農區)，移動速度快。但隨著高度上升，強度明顯增強。層積混合降水回波中夾雜著較強的對流單體，結構清楚，頂高在13.1 km左右（圖9）。

圖9 2020年8月11日08:12組合反射率（a）和回波頂高（b）

在引導氣流的作用下，銀川以南的降水回波自南向北移動。09:04在平羅南部有明顯的多單體線狀風暴逐漸向北移動影響整個石嘴山市。10:00石嘴山市上空表現為持續、大范圍的層狀云回波，出現多個對流單體組成的弓形回波，石嘴山大部回波強度在35 dBz以上，惠農南部、平羅東北部基本反射率在55 dBz以上，惠農東部回波達60 dBz以上。此時惠農、平羅大部出現了降水，五渠村出現1 h達 84.5 mm的強降水，強回波中心與強降水中心相對應。10:12在惠農南部、平羅東北部上空的垂直累計液態水含量值達到50 kg／m2，且在之后的1 h內，VIL維持高值。從風暴總降水和1 h累積雨量(OHP)可以看出，惠農東南部上空的總降水量和1 h累積雨量均達59 mm以上。從10:29的回波頂高可以看出，石嘴山上空最大回波頂高達到17.2 km，上升氣流強烈，對流云發展旺盛，有利于強降水的發生。

14:21平羅南部有回波發展向并北移動，14:54在平羅回波強度達605 dBz以上，此時，最強回波高度達到16.7 km。16:25南部繼續有強回波移動到石嘴山上空，平羅東南部到惠農東部回波有后向傳播。強回波持續到18:35減弱至35 dBz左右，全市強降水已基本結束，后期轉為穩定型降水（圖10）。

圖10 2020年8月11日16:25～18:35組合反射率

6 結論

（1）此次石嘴山短時暴雨過程是500 hPa冷槽、700 hPa低渦、切變、低空急流共同造成的。

（2）在探空圖上，上干冷、下暖濕的不穩定層結，以及各指數在對流發生前后的強烈變化，揭示了此次過程是一次典型的強降水過程。

（3）在強降水期間，充沛的水汽條件、低層輻合、高層輻散的空間分布結構，以及較強的對流不穩定是此次短時強降水的主要物理機制。尤其是低層700 hPa輻合中心值為-8×10-5hPa/s。

（4）從雷達回波來看，此次降水為層狀云與對流云疊加的混合型降水，新的對流單體不斷產生使回波發展。