2021 年主汛期包頭連續(xù)兩次暴雨天氣過程對比分析

魏 丹，劉瀾波，張世軍，趙志勇

（包頭市氣象局，內蒙古 包頭 014030）

暴雨是包頭夏季最主要的災害性天氣之一，具有分布不均、強度大、突發(fā)性強、常伴有對流性天氣等特點，往往會造成城市內澇、山洪等災害，給人民群眾生命財產安全和正常生產生活帶來較大的影響。2021-08-14—18 包頭連續(xù)出現(xiàn)兩次暴雨天氣，本文利用Micaps、自動氣象站等收集的數(shù)據(jù)從降水特點、環(huán)流形勢、成因、模式檢驗等方面對這兩次暴雨過程進行對比分析，以期進一步探索包頭地區(qū)暴雨天氣形成機理及特征，為提高暴雨預報準確率提供依據(jù)。

1 降水實況分析

1.1 “8·14”降水實況及特點

2021-08-14 T09 ：00—21：00，包頭市大部地區(qū)出現(xiàn)雷陣雨天氣，市區(qū)午后出現(xiàn)短時強降雨并伴有冰雹，旗縣區(qū)平均降水量：青山區(qū)11.3 mm、昆區(qū)18.9 mm、東河區(qū)4.7 mm、高新區(qū)12.9 mm、土右旗3.1 mm、固陽縣5.7 mm、白云區(qū)0.5 mm、達茂旗5.7 mm、石拐區(qū)7.3 mm、九原區(qū)8.3 mm。此次降水過程具有明顯對流性暴雨特點，首先，雖全市大部地區(qū)均有降水出現(xiàn)，但各地降水量差異懸殊，土右旗將軍堯降水量最小，為0.1 mm，九原區(qū)哈林格爾鎮(zhèn)降水量最大，為70.9 mm；其次，大量級降水位置分布極為不均，暴雨出現(xiàn)在九原區(qū)東部和青山區(qū)西部，大雨出現(xiàn)在昆區(qū)東南部、青山區(qū)西部、九原區(qū)東部、固陽縣南部和達茂旗北部；降水出現(xiàn)時間比較集中，午后伴有短時強降水、雷暴大風、冰雹等強對流天氣，降水強度大，10：00—14：00 降水主要集中在山北地區(qū)，12：00 達茂旗氣候校準站極大風速達18.6 m/s（8 級），14：00以后主要集中在山南地區(qū)，14：00—16：00 山南出現(xiàn)10 個站點短時強降水，15：00—16：00 九原區(qū)哈林格爾鎮(zhèn)1 h 降水量達到70.9 mm，市區(qū)出現(xiàn)冰雹，15：00土右旗公山灣極大風速達17.8 m/s（8 級），16：00昆都侖區(qū)昆河鎮(zhèn)極大風速達18.4 m/s（8 級）。

1.2 “8·18”降水實況及特點

2021-08-18 T05 ：00—2021-08-19T10：00，全市出現(xiàn)明顯降水天氣，30 個站點出現(xiàn)暴雨，主要分布在市區(qū)北部、土右旗中部和固陽縣南部，大雨分布在市區(qū)、土右旗、固陽縣大部和達茂旗烏克鎮(zhèn)，其余地區(qū)以中雨為主。旗縣區(qū)平均降水量：青山區(qū)41.5 mm，昆都侖區(qū)41.3 mm，東河區(qū)35.3 mm，高新區(qū)29.3 mm，土默特右旗41.1 mm，固陽縣27.9 mm，白云區(qū)21.1 mm，達爾罕茂明安聯(lián)合旗17.2 mm，石拐區(qū)58.0 mm，九原區(qū)42.7 mm。最大降雨量出現(xiàn)在九原區(qū)石門景區(qū)，為89 mm，最大小時雨強出現(xiàn)在梅力更2021-08-18 T13：00—14：00，為27.8 mm/h。與2021-08-14 降水天氣相比，此次過程全市總體降水量更大，中雨、大雨、暴雨分布均較上一次過程范圍更大，持續(xù)時間更長，但降水強度較上一次過程較弱，有短時強降水出現(xiàn)，但最大小時雨強與2021-08-14 過程相比較為懸殊。包頭市2021-08-14 和2021-08-18 降水量實況圖如圖1 所示。

圖1 包頭市2021-08-14 和2021-08-18 降水量實況圖

2 環(huán)流形勢分析

前期500 hPa 中高緯度為兩槽一脊形勢[1]，上游低渦系統(tǒng)發(fā)展強盛，且低渦中心維持在（50°N，80°E）附近，不斷有短波槽從低渦中分裂東南下，高脊不斷北移減弱，副高由東西向帶狀分布逐漸東退至東南沿海一帶，低層中國中西部大部處于暖脊控制，由于上游低值系統(tǒng)穩(wěn)定少動，槽前西南氣流不斷向包頭地區(qū)輸送暖濕空氣，有利于降水前期能量與水汽積累。2021-08-14T08：00 短波槽移至河套西部，700 hPa 切變線壓至包頭山北地區(qū)，觸發(fā)降水，隨著2021-08-14 白天輻合系統(tǒng)逐漸東移南壓，強降水出現(xiàn)位置也由山北向山南移動[2]。2021-08-15T08：00 高空槽東移至包頭下游。海平面氣壓場在降水前期維持東高西低形勢[3]，包頭地區(qū)處于低壓倒槽頂端，輻合抬升有利于降水的出現(xiàn)[4]。

2021-08-14 T20 ：00，環(huán)流形勢開始出現(xiàn)調整，影響包頭地區(qū)短波槽后高脊開始明顯增強，環(huán)流經(jīng)向度明顯加大，2021-08-15T08：00 高空槽移出包頭，2021-08-15—17 高脊東移過程中不斷加強北伸，包頭處于高脊控制中，同時副高西伸北抬，與中緯度高脊同位相疊加，后又東退。2021-08-18T08：00，500 hPa上包頭處于槽前西南氣流，上游有弱冷平流，副高東退至110°E 附近，其后部偏南氣流有利于將水汽與能量向北輸送[5]；700 hPa 切變移入包頭境內，提供有利的動力抬升條件，同時低層河套地區(qū)存在一個暖中心，包頭地區(qū)暖平流明顯，形成不穩(wěn)定層結[6]。2021-08-19白天低槽東移出包頭。 海平面氣壓場上2021-08-16—17 底部大范圍低壓系統(tǒng)逐漸發(fā)展并緩慢東移北上，2021-08-18T08：00 低壓中心位于包頭北部蒙古國境內， 包頭處于低壓底前部。2021-08-14T08：00 和2021-08-18T08：00 的500 hPa形勢場如圖2 所示。

圖2 2021-08-14T08：00 和2021-08-18T08：00 的500 hPa 形勢場

3 成因對比分析

3.1 抬升條件

從抬升條件來看，2021-08-14T08：00 包頭地區(qū)低層輻合、高層輻散，處于上升運動區(qū)。而“8·18”過程垂直運動較“8·14”過程更加強烈，雖然包頭地區(qū)并不處于強烈的上升運動區(qū)，而是處于上升運動與下沉運動的過渡區(qū)，但是恰好形成了西側上升、東側下沉的垂直方向環(huán)流，也同樣有利于暴雨天氣的出現(xiàn)。

3.2 水汽條件

“8·14”過程中地面低壓倒槽前及低層切變線前偏南氣流向北輸送水汽，并使得水汽在倒槽頂端和切變線附近輻合，整層水汽輸送與輻合條件均較為有利[7-8]，2021-08-14T08：00，850 hPa 比濕為8～9 g/kg，相對濕度達70%以上[9]；“8·18”過程中副高東退，外圍偏南氣流輸送水汽，配合高低層輻合系統(tǒng)使得水汽在包頭上空積累[10]，2021-08-18T08：00，850 hPa比濕山北達到8～9 g/kg，山南達到9 g/kg 以上，相對濕度達到70%以上。兩次降水過程中水汽條件均表現(xiàn)較好。

3.3 層結條件

2021-08-14 T08 ：00 降水前期，53336 站T-LogP圖中整層層結曲線和狀態(tài)曲線幾乎重疊，表明整層水汽條件較好，垂直風切變中700 hPa 以下為弱暖平流，700—600 hPa 為冷平流，K指數(shù)達到38.4 ℃，沙氏指數(shù)為負， 有利于不穩(wěn)定層結建立和維持。2021-08-14T20：00 中層有干冷空氣侵入，不穩(wěn)定層結被破壞。2021-08-18T08：00，53543 站T-LogP 圖中狀態(tài)曲線和層結曲線呈喇叭口狀分布，K指數(shù)達到38.5 ℃，沙氏指數(shù)為負，存在一定的不穩(wěn)定能量，垂直風切變中整層為暖平流，表明此次降水以暖區(qū)降水為主，伴隨有不穩(wěn)定能量的積累和釋放[11-12]。

4 數(shù)值預報模式檢驗

在對兩次暴雨過程的EC 模式檢驗中發(fā)現(xiàn)，兩次過程預報起止時間都基本準確，稍有偏差，“8·14”過程預報結束時間略偏晚，“8·18”過程預報結束時間略偏早，可見EC 模式對降水過程起止時間把握較準確，可參考性較高，但預報結束時間偏早對于預報量級偏小有一定影響；降水量級預報方面兩次過程預報均明顯偏小，且隨著時間臨近降水量預報均向更小調整，雖然估計到可能伴隨有強對流天氣的出現(xiàn)，但對具體位置和極端性估計不足導致降水量級預報偏小。本地預報對于整體形勢場的把握、災害性天氣強度預報等仍主要依賴于中央臺指導預報和數(shù)值預報產品，隨著總體預報準確率的不斷提升，數(shù)值預報產品在穩(wěn)定性和準確率方面均有較好的反饋，為災害性天氣預報預警工作提供了重要支撐，但也存在各家模式預報分歧大、對災害性天氣極端性難以詳盡描述等特點，本地對于模式誤差的訂正能力仍有待提高。

5 氣象服務情況

針對“8·14”過程，包頭市氣象臺2021-08-13日發(fā)布氣象預報信息，提到“14—15 日全市將出現(xiàn)一次小到中雨天氣過程，主要降水時段集中在14日白天，全市大部地區(qū)有小雨，市區(qū)、土右、固陽有中雨，山南及沿山地區(qū)易出現(xiàn)短時強降水、雷暴大風、冰雹等強對流天氣。”在2021-08-14T11：00—16：00 先后發(fā)布雷電黃色預警信號、冰雹橙色預警信號、中小河流洪水氣象風險預警、城市內澇氣象風險預警、暴雨黃色預警信號、山洪氣象風險預警。降水期間逐小時發(fā)布降水實況信息及天氣提示，并于2021-08-14 T16：24—16：26，在土右旗開展地面防雹作業(yè)2 點次，共發(fā)射防雹炮彈120 發(fā)。

針對“8·18”過程，包頭市氣象臺2021-08-16發(fā)布氣象預報信息，預報“17—18 日全市將出現(xiàn)一次小到中雨天氣過程，主要降水時段集中在18 日白天，全市大部地區(qū)小雨，市區(qū)、土右、固陽有中雨，局部地區(qū)偏大，沿山地區(qū)易出現(xiàn)短時強降水、雷暴大風、冰雹等強對流天氣。”2021-08-18T07：00—18：00 先后發(fā)布山洪氣象風險預警、城市內澇氣象風險預警、暴雨黃色預警信號，與自然資源局聯(lián)合發(fā)布地質災害氣象風險預警，及時啟動重大氣象災害（暴雨）Ⅳ級應急響應。降水期間逐小時發(fā)布降水實況信息及天氣提示并于2021-08-18T08：50—13：51 在固陽縣、達茂旗開展地面人工增雨作業(yè)4 點次，發(fā)射增雨火箭彈36 枚。

6 結論

“8·14”降水過程具有明顯對流性暴雨特點，各地降水量差異懸殊，大量級降水位置分布極為不均，降水出現(xiàn)時間集中，降水強度大，午后伴有短時強降水、雷暴大風、冰雹等強對流天氣；而“8·18”降水過程全市降水范圍更大，總體降水量更大，持續(xù)時間更長，同樣伴隨有短時強降水等強對流天氣，但降水強度較“8·14”過程稍弱。

“8·14”過程為兩槽一脊形勢，短波槽從低渦中不斷分裂南下，副高東退，槽前西南氣流配合副高外圍西南氣流向北輸送暖濕空氣與不穩(wěn)定能量，地面倒槽有利于輻合抬升，低空切變線觸發(fā)降水。“8·18”過程中環(huán)流調整，經(jīng)向度明顯加大，副高西升北抬并與高脊疊加，打通暖濕空氣輸送通道，低層暖中心利于不穩(wěn)定層結形成，地面低壓發(fā)展提供輻合抬升條件。

兩次過程均處于低層輻合、高層輻散的上升運動區(qū)，且“8·18”過程存在西側上升、東側下沉的垂直方向環(huán)流。兩次過程均達到了比濕8～9 g/kg、相對濕度達70%以上的有利水汽條件，且整層水汽條件均較好。K指數(shù)均達到38 ℃以上，沙氏指數(shù)小于0，上干冷下暖濕的層結有利于不穩(wěn)定能量的聚積。

各家模式在降水量上預報分歧較大，其中EC 模式在預報準確性、穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)較好，尤其在降水起止時間上把握較準確，可參考性較高，但對具體位置和極端性估計不足。

包頭市氣象臺提前1～2 d 發(fā)布降水預報信息，在降水開始后及時發(fā)布各類氣象災害預警信號以及山洪、中小河流洪水、城市內澇、地質災害等氣象風險預警，人影部門選取適當?shù)臅r間、地點及時開展人影防雹、增雨作業(yè)，提供了及時有效的氣象服務，為減輕各類損失提供支撐。但兩次過程中預報量級均偏小，本地對于數(shù)值模式誤差的訂正能力仍有待提高。