內(nèi)蒙古干旱-半干旱區(qū)夏季兩次副熱帶高壓外圍極端暴雨事件分析

劉瀾波，趙志勇，蘇日娜，李 巖，李玫潔，王海軍

（內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市氣象局，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

暴雨是內(nèi)蒙古夏季常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣，也是預(yù)報(bào)服務(wù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。中國(guó)是一個(gè)受暴雨災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家，早在20 世紀(jì)70 年代，陶詩(shī)言對(duì)暴雨以及中小尺度系統(tǒng)的天氣學(xué)特征及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行過(guò)全面的研究，增強(qiáng)了氣象工作者對(duì)暴雨天氣系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)能力。冉令坤等分析北京2012-07-21 暴雨過(guò)程動(dòng)力因子和預(yù)報(bào)研究得出，該暴雨由高、低空急流，高空槽、副熱帶高壓、冷鋒、輻合切變線(xiàn)等多個(gè)系統(tǒng)共同造成。姜學(xué)恭等對(duì)一次阻塞型華北對(duì)流性暴雨過(guò)程進(jìn)行了診斷分析和數(shù)值模擬[1-3]。

2018-07-18T20：00—2018-07-19T20：00，內(nèi)蒙古極端天氣氣候事件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示，巴彥淖爾市烏拉特前旗、包頭市固陽(yáng)縣、錫林郭勒盟二連浩特市07-19的24 h 降水量達(dá)到或超過(guò)極端日降水量閾值，出現(xiàn)極端降水事件。包頭市固陽(yáng)縣日降水量為64 mm ，引發(fā)山洪，10 人在此次暴雨災(zāi)害中死亡；07-23，內(nèi)蒙古全區(qū)大部迎來(lái)一次史上罕見(jiàn)的強(qiáng)降雨過(guò)程。根據(jù)內(nèi)蒙古極端天氣氣候事件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示，20 1 8-0 7-2 2 T20：00—2018-07-23T20：00 鄂爾多斯市杭錦旗日降水量為74.5 mm、包頭市固陽(yáng)縣日降水量為62.9 mm、阿拉善盟烏斯太日降水量為60.2 mm，日降水量超過(guò)極端閾值，出現(xiàn)極端降水事件。在2018 年的極端降水事件中，“7·19”“7·23”這兩次暴雨范圍大、突發(fā)性強(qiáng)、影響大，能在一定程度上代表內(nèi)蒙古中西部的極端降水。本文采用NCEP 再分析資料、自動(dòng)站降水資料、FY-2C 及FY-2D 衛(wèi)星云和TBB 資料，對(duì)2018年夏季兩次大暴雨過(guò)程的環(huán)流背景、水汽輸送、動(dòng)力條件、中尺度對(duì)流云團(tuán)（MCC）等方面進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，進(jìn)一步探尋內(nèi)蒙古中西部地區(qū)極端降水的形成規(guī)律，為該地區(qū)天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警研究提供參考。

1 影響系統(tǒng)對(duì)比分析

1.1 天氣尺度系統(tǒng)對(duì)比分析

暴雨是一定天氣尺度背景下產(chǎn)生的降水[4]。2018-07-19T08：00，200 hPa 上40°N 存在一支風(fēng)速大于35 m/s 的高空急流，最大風(fēng)速達(dá)40 m/s。2018-07-19 T08：00，500 hPa 環(huán)流場(chǎng)如圖1（a）所示。中高緯呈“兩脊一槽”的形式，烏拉爾山和中國(guó)河套以東至日本海、以南至華南地區(qū)為高壓脊控制，新疆北部有568 dagpm 的冷渦，冷渦底部低槽東移影響河套地區(qū)，槽后有明顯的冷平流，與槽前正渦度平流影響下，對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展。副高588 dagpm 線(xiàn)西伸北抬至115°E以東、40°N 以北的區(qū)域，脊線(xiàn)位于25°N 附近，其外圍的西南暖濕氣流與北部的冷空氣交匯于河套地區(qū)。700 hPa 上南海和孟加拉灣的偏南風(fēng)不斷加強(qiáng)，形成低空急流，河套地區(qū)有切變線(xiàn)存在。沿110°E 附近，形成一個(gè)明顯的垂向次級(jí)環(huán)流，而暴雨區(qū)處于該次級(jí)環(huán)流的上升支。

圖1 2018-07-19T08：00、2018-07-23T20：00，500 hPa環(huán)流場(chǎng)

2018-07-23T20：00，200 hPa 上43°N 也存在高空急流，與“7·19”過(guò)程相比較，強(qiáng)度較大，范圍較大，最大風(fēng)速為48 m/s。2018-07-23T20：00，500 hPa 環(huán)流場(chǎng)如圖1（b）所示。500 hPa 高度場(chǎng)上，中高緯為穩(wěn)定的“兩脊兩槽”形式，巴爾喀什湖附近是一個(gè)中心強(qiáng)度為552 dagpm 的冷渦，并配合-20 ℃的冷中心。新疆西部至河套地區(qū)受低槽控制，槽后冷平流加強(qiáng)，使低槽加深發(fā)展。副高588 dagpm 線(xiàn)東退至海上形成閉合的高壓中心，位于25°N—43°N、120°E—140°E，臺(tái)風(fēng)外圍的東南氣流給此次暴雨提供豐富的水汽。700 hPa 在河套南部有明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合切變，加之大青山“喇叭口”地形的抬升作用，在大青山沿山一帶出現(xiàn)了大范圍的暴雨天氣。

對(duì)比兩次過(guò)程的環(huán)流場(chǎng)，200 hPa 上均有高空急流，但是風(fēng)速大小有差異；500 hPa 上前者是“兩脊一槽”的形式，副高有明顯的西進(jìn)北抬，臺(tái)風(fēng)緩慢地沿西北向路徑移動(dòng)，后者則是“兩脊兩槽”的形式；700 hPa 上兩次過(guò)程均有切變輻合，但是不同之處是前者有低空急流，水汽只有西南氣流，而后者沒(méi)有低空急流。

1.2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）對(duì)比分析

暴雨與中尺度對(duì)流系統(tǒng)密不可分，其內(nèi)部對(duì)流旺盛的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)常常是暴雨的直接制造者[5]。MCS 是“7·19”暴雨過(guò)程中造成短時(shí)強(qiáng)降水的直接影響系統(tǒng)，這次暴雨主要經(jīng)歷兩次合并加強(qiáng)過(guò)程：04：00 對(duì)流云與北部蒙古國(guó)境內(nèi)的對(duì)流云團(tuán)合并加強(qiáng)，呈東北西南向，至05：00MCS 初顯橢圓狀，南側(cè)有明顯的“V”形凹槽存在，河套以北地區(qū)北開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)降水。06：00—07：00MCS 加強(qiáng)活動(dòng)，基本覆蓋河套地區(qū)山北地區(qū)。08：00 開(kāi)始為MCS 第二次合并加強(qiáng)的過(guò)程，與鄂爾多斯西部形成的中尺度對(duì)流云團(tuán)合并，形成列車(chē)效應(yīng)，其南側(cè)有明顯的“V”形凹槽存在，此時(shí)包頭市楊六圪卜出現(xiàn)大暴雨，07：00—08：00 小時(shí)雨強(qiáng)為84.7 mm。10：00 形成一個(gè)范圍更大的MCS，河套地區(qū)南部開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)降水，并維持至17：00。由于下游副高的阻擋作用，降水維持的時(shí)間較長(zhǎng)，是此次暴雨強(qiáng)度大的主要原因之一。MCS 在河套地區(qū)形成加強(qiáng)至移出經(jīng)歷了14 h。

分析“7·23”暴雨過(guò)程發(fā)現(xiàn)，04：00—05：00鋒面云系前段不斷形成尺度較小的中尺度對(duì)流云團(tuán)，影響大青山以北地區(qū)，06：00—09：00 中尺度對(duì)流云團(tuán)基本維持少動(dòng)，從10：00 開(kāi)始減弱。而13：00 開(kāi)始大青山以南地區(qū)開(kāi)始形成多個(gè)對(duì)流云團(tuán)，合并加強(qiáng)，呈東北西南向，河套地區(qū)南部地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)降水。到17：00 形成2 個(gè)橢圓形的MCS，16：00—17：00 河套地區(qū)南部地區(qū)石拐區(qū)腦包溝村出現(xiàn)53.5 mm/h 短時(shí)強(qiáng)降水。19：00，2 個(gè)MCS 合并移出河套地區(qū)，然而在鄂爾多斯北部又開(kāi)始形成新的對(duì)流云團(tuán)，加強(qiáng)東移，21：00 形成MCS，2018-07-24T01：00 后減弱移出河套地區(qū)[6]。

對(duì)比兩次暴雨紅外云圖特征發(fā)現(xiàn)，兩次過(guò)程均形成MCS，有多個(gè)中尺度對(duì)流單體合并構(gòu)成，形成列車(chē)效應(yīng)，有利于暴雨的形成。不同之處為“7·19”暴雨為584 dagpm 線(xiàn)外圍MCS 構(gòu)成的暴雨，而“7·23”暴雨為鋒面云系、MCS 和臺(tái)風(fēng)云系共同影響造成的暴雨。

1.3 衛(wèi)星云圖TBB 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

TBB 反映對(duì)流云團(tuán)的云頂高度，TBB 負(fù)值中心越小，表明MCS 云頂高度越高、對(duì)流發(fā)展垂直方向越深厚[6]；TBB 負(fù)值中心冷云區(qū)面積越大，說(shuō)明對(duì)流發(fā)展水平范圍越廣，兩者是導(dǎo)致MCS 降水增強(qiáng)的重要原因。07-19T08：00 覆蓋的冷云區(qū)TBB 最小值為-68 ℃，最大小時(shí)雨強(qiáng)為84.7 mm/h；09：00—10：00，TBB小于等于-60 ℃的冷云區(qū)覆蓋自包頭市達(dá)茂旗東南部地區(qū)，該區(qū)域過(guò)程雨量均在50 mm 以上。07-23 降水云團(tuán)TBB 值較07-19 偏高，10：00 大青山北部TBB值為-56 ℃，之后TBB 最小值逐漸增大，16：00—17：00 大青山南部TBB 值為-63 ℃，最大小時(shí)雨強(qiáng)為53.5 mm/h?？梢钥闯?，兩次暴雨過(guò)程中短時(shí)強(qiáng)降水與TBB 低值區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.4 雷達(dá)監(jiān)測(cè)特征

據(jù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)，07-19T09：00，鄂爾多斯西北部到巴盟東部呈線(xiàn)狀排列的β中尺度對(duì)流單體群發(fā)展成熟，每個(gè)單體中心的反射率因子均達(dá)到50～55 dBz，這在北方干旱區(qū)是少見(jiàn)的。同時(shí)，河套西南方新生的對(duì)流群不斷并入，對(duì)流系統(tǒng)擴(kuò)展至河套東北部，但包頭南部一直是強(qiáng)回波帶。對(duì)應(yīng)衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為MCS 由初始時(shí)刻進(jìn)入成熟期，在MCS 附近有云頂紅外亮溫TBB小于等于-60 ℃的中-β尺度強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)生成和發(fā)展，同時(shí)MCS 云頂紅外亮溫TBB 小于等于-60 ℃云區(qū)面積快速減小。對(duì)比分析可以看到，每次強(qiáng)降水出現(xiàn)后，從雷達(dá)反射率因子圖上可看到（圈距100 km），在雷達(dá)北部100～200 km 處都有強(qiáng)度大于30 dBz 的中-β尺度云團(tuán)發(fā)展，而中-β尺度云團(tuán)內(nèi)部又有強(qiáng)度大于45 dBz 的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)生成。

2 動(dòng)力熱力條件對(duì)比分析

2.1 水汽空間分布

將2018-07-19T08：00 水汽通量沿40°N 剖面分析發(fā)現(xiàn)，河套地區(qū)水汽輻合較強(qiáng)，在暴雨發(fā)生區(qū)域有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，沿伸至400 hPa，最大輻合中心值達(dá)到108×10-3kg·m-2·s-1，如圖2（a）所示。在比濕場(chǎng)上，有一條從孟加拉灣和南海不斷向河套地區(qū)的輸送西南暖濕氣流的水汽通道，出現(xiàn)大暴雨區(qū)域的比濕達(dá)到14 g/kg。將2018-07-23T20：00 水汽通量沿40°N 剖面分析發(fā)現(xiàn)，“7·23”暴雨過(guò)程中，河套地區(qū)存在一帶狀水汽輻合區(qū)，并延伸至400 hPa，最強(qiáng)輻合中心值達(dá)到84×10-3kg·m-2·s-1，如圖2（b）所示。在比濕場(chǎng)上，水汽的輸送有兩支，一支源于孟加拉灣和南海的西南暖濕氣流，另一支源于副高后部和臺(tái)風(fēng)外圍渤海、黃海的東南氣流不斷地向河套地區(qū)輸送充足的水汽，出現(xiàn)大暴雨區(qū)域的比濕也達(dá)到14 g/kg。

圖2 2018-07-19T08：00、2018-07-23T20：00水汽通量散度沿40°N 剖面圖

綜上可知，兩次暴雨過(guò)程均有強(qiáng)烈水汽輻合，但是“7·23”過(guò)程水汽輻合強(qiáng)度明顯低于“7·19”，這也是“7·19”過(guò)程降水強(qiáng)度和小時(shí)雨強(qiáng)均大于“7·23”過(guò)程的重要原因之一。

2.2 渦度條件

圖3（a）為“7·19”暴雨渦度沿40°N 剖面圖，108°N—110°N 上空，700 hPa 出現(xiàn)一個(gè)正渦度中心，最大中心值達(dá)14×10-5s-1，在此區(qū)域有30×10-3hPa 的最大垂直上升速度中心，沿伸值為200 hPa，表明此階段是暴雨發(fā)生的最強(qiáng)時(shí)段。在散度剖面圖上，108°N—110°N 有較強(qiáng)的輻合中心，高度沿伸值為400 hPa，400 hPa 以上為輻散區(qū)，表明中低層輻合，高層輻散。圖3（b）為“7·23”渦度沿40°N 剖面圖，由圖可知，108°N 上空550 hPa 上有正渦度中心，中心值達(dá)到12×10-5s-1，并向西傾斜。在散度場(chǎng)上，108°N—110°N 也有較強(qiáng)的輻合中心，高度沿伸至550 hPa，最大輻合中心值達(dá)-4×10-5s-1，550 hPa 以上為輻散區(qū)，最大輻散中心達(dá)8×10-5s-1，這樣的垂直結(jié)構(gòu)有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖3 “7·19”“7·23”暴雨渦度沿40°N 剖面圖

對(duì)比兩次過(guò)程的動(dòng)力條件，發(fā)現(xiàn)兩次過(guò)程均有較強(qiáng)的正渦度中心和輻合中心，“7·19”過(guò)程要比“7·23”過(guò)程的強(qiáng)度要高。分析發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)降水中心與最大正渦度中心、輻合中心的位置略有偏差，暴雨中心均出現(xiàn)在最大正渦度中心、輻合中心的東側(cè)。

2.3 不穩(wěn)定條件

分析07-18T20：00 探空?qǐng)D可以看出層結(jié)有些不穩(wěn)定，在1 000～500 hPa 風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，高層為一致的西南風(fēng)，中低層有弱的垂直風(fēng)切變，有利于對(duì)流系統(tǒng)的組織和發(fā)展。另外，對(duì)流有效位能（CAPE）為1 209.5 J/kg，呈明顯的狹長(zhǎng)型分布，其值明顯高于同時(shí)間相鄰其他站點(diǎn)。K指數(shù)高達(dá)40 ℃、沙氏指數(shù)為-2.47 ℃，表明層結(jié)不穩(wěn)定。07-19T08：00，θse沿109°E 的剖面圖上，38°N—40°N 有高能舌，最大值達(dá)100 ℃。07-23T20：00 探空?qǐng)D，低層有暖平流，并且濕層比較厚，延伸至300 hPa，表明高溫高濕，CAPE 值達(dá)到839 J/kg，抬升指數(shù)為-2.86。07-23 T20：00，θse沿109°E 的剖面圖上，在40°N 附近有高能舌，此區(qū)域正是暴雨出現(xiàn)的區(qū)域，最大值達(dá)92 ℃。07-23，θ線(xiàn)在低層700 hPa 及500 hPa 有明顯折角，整層風(fēng)為順滾流且南風(fēng)明顯增強(qiáng)，假相當(dāng)位溫和飽和假相當(dāng)位溫為準(zhǔn)平行，且與T軸準(zhǔn)垂直，低層假相當(dāng)位溫和飽和假相當(dāng)位溫與T軸呈鈍角；200 hPa 附近超低溫加強(qiáng)（比之前變陡），濕層深厚。

3 結(jié)論

對(duì)比兩次過(guò)程的環(huán)流場(chǎng)，200 hPa 上均有高空急流，但是風(fēng)速大小有差異；500 hPa 上前者是“兩脊一槽”的形式，副高有明顯的西進(jìn)北抬，而后者則是“兩脊兩槽”的形式。臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)是水汽輸送通道建立的關(guān)鍵因素，也是水汽通量輻合的動(dòng)力因子，暴雨區(qū)在水汽通量輻合的峰值區(qū)。

兩次暴雨過(guò)程均有強(qiáng)烈水汽輻合，但是“7·23”過(guò)程水汽輻合強(qiáng)度明顯低于“7·19”，并且在700 hPa上有低空急流，這也是“7·19”過(guò)程降水強(qiáng)度和小時(shí)雨強(qiáng)均大于“7·23”過(guò)程的重要原因。

分析兩次暴雨過(guò)程的動(dòng)力條件發(fā)現(xiàn)兩次過(guò)程均有較強(qiáng)的正渦度中心和輻合中心，前者要比后者的強(qiáng)度強(qiáng)。另外，分析發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)降水中心與最大正渦度中心、輻合中心的位置略有偏差，暴雨中心均出現(xiàn)在最大正渦度中心、輻合中心的東側(cè)。并且在探空?qǐng)D上，兩次過(guò)程層結(jié)均有一定程度的不穩(wěn)定，“7·19”過(guò)程的CAPE 值、K指數(shù)、θse等均大于“7·23”過(guò)程，因此出現(xiàn)了較強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水。

分析兩次暴雨過(guò)程的紅外云圖特征發(fā)現(xiàn)，兩次過(guò)程均形成MCS，有多個(gè)中尺度對(duì)流單體合并構(gòu)成，形成列車(chē)效應(yīng)，有利于暴雨的形成。不同之處為“7·19”暴雨為584 線(xiàn)外圍MCS 構(gòu)成的暴雨，而“7·23”暴雨為鋒面云系、MCS 和臺(tái)風(fēng)云系共同影響造成的暴雨。