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(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室,寧夏銀川 750002；3.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,寧夏銀川 750002

在寧夏，暴雨的季節(jié)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(jì)曉玲、馮建民、穆建華等[1]利用寧夏自動氣象站觀測數(shù)據(jù)、閃電定位信息、雷達回波、衛(wèi)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(jié)果表明：蒙古高壓與大陸高壓之間的低值系統(tǒng)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(xiàn)短時強雷雨天氣。趙光平等[2]利用動力相似過濾預(yù)報方法建立了寧夏暴雨動力相似過濾預(yù)報系統(tǒng)。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(shù)據(jù)進行了相關(guān)分析，結(jié)果表明：降水量級與山洪發(fā)生的可能性密切相關(guān)，大武口和石炭井中雨以上量級的降水引發(fā)最強山洪次數(shù)分別占66. 7%、36. 9%，且最強山洪的發(fā)生與周邊地區(qū)出現(xiàn)強降水或短時強降水有關(guān)。邵建等[4]指出寧夏暴雨易發(fā)區(qū)為中衛(wèi)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(shù)值預(yù)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(jié)出石嘴山局地暴雨天氣發(fā)生的大氣環(huán)流形勢、物理量指標(biāo)等，提高對石嘴山市局地暴雨天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率，最大限度地降低暴雨災(zāi)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(xiàn)了一次明顯的降水過程，大武口出現(xiàn)小到中雨，平羅、惠農(nóng)出現(xiàn)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(nóng)區(qū)五渠村、農(nóng)牧場、上營子村、聚寶村、園藝鎮(zhèn)、紅果子工業(yè)園區(qū)、惠農(nóng)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(qū)在惠農(nóng)區(qū),最大累計降水量和最大小時雨強均出現(xiàn)在惠農(nóng)區(qū)五渠村，分別為126 mm和84.5 mm（8月11日11:00出現(xiàn)）(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(zāi)情況：惠農(nóng)區(qū)140.6 hm2葵花、194 hm2玉米、8 hm2水稻出現(xiàn)側(cè)傾或倒伏現(xiàn)象?；蒉r(nóng)區(qū)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(guān)鎮(zhèn)、崇崗鎮(zhèn)外，其他11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均受災(zāi)。受災(zāi)糧食作物分別為玉米3 199.2 hm2，水稻430 hm2，受災(zāi)癥狀為倒伏。

2 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)分析

2020年8月11日08:00 200 hPa石嘴山市上空出現(xiàn)西北急流，使降水區(qū)上空存在輻散區(qū)，有利于上升運動的發(fā)展。08:00 500 hPa高度場歐亞中高緯為兩槽一脊環(huán)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(nèi)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(qū)有低渦生成，08:00低渦繼續(xù)東移發(fā)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(cè)，暖中心強度為16 ℃，形成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)。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(fēng)速為16 m/s，達到急流標(biāo)準(zhǔn)，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(qū)，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(fā)展，石嘴山市處于鋒區(qū)，同時激發(fā)了一定的不穩(wěn)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(wěn)定層結(jié)是形成對流性天氣的條件之一，也是強對流發(fā)展基本條件。如果SI＞0,表示穩(wěn)定；如果SI＜0, 表示不穩(wěn)定，SI負值越大，表示層結(jié)越不穩(wěn)定。K值越大，越不穩(wěn)定。從銀川站探空資料來看，T-InP圖整層為高濕區(qū)，10日20:00 CAPE值 為601，CIN值 為314.7，K指數(shù)和SI指數(shù)分別為29.9、-0.85；11日08:00，CIN值升為555.5，K指數(shù)和SI指數(shù)分別為41.9、-3.64；11日20:00,各指數(shù)都回歸為穩(wěn)定狀態(tài)（圖5）。由此可見，這是一個不穩(wěn)定能量不斷積累的過程，大氣層的不穩(wěn)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(qū)源源不斷向?qū)幭谋辈枯斔筒环€(wěn)定能量，為暴雨的發(fā)生和持續(xù)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(xiàn)高濕區(qū)，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(biāo)-1.5×10-7g/（cm2·s·hPa）（圖6）?？梢?，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(qū)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(qū)域，700 hPa為輻合中心，其值為-8×10-5hPa/s，400 hPa以上為輻散區(qū)域，其值為2×10-5hPa/s，整體趨勢呈現(xiàn)輻合較強的狀態(tài)（圖7a）。垂直速度反映大氣中的水汽凍結(jié)和降水與上升運動密切相關(guān)，主要通過垂直運動實現(xiàn)大氣中的能量轉(zhuǎn)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(xiàn)得最強烈（圖7b）。

圖7 2020年11日08:00石嘴山地區(qū)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(dāng)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(wěn)定度和大氣濕斜壓性分布狀況。由8月11日假相當(dāng)位溫（θse）的時間變化可知，強降水發(fā)生期間，降水區(qū)上空受高能區(qū)控制，且不穩(wěn)定能量逐漸增加,暴雨出現(xiàn)在能量釋放階 段（圖8a）。從850 hPa與500 hPa的假相當(dāng)位溫之差（簡稱θse850-500）可知，當(dāng)θse850-500＞0時，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此次降水過程θse850-500為正值，石嘴山地區(qū)（106°E、39°N）處于θse850-500的大值中心區(qū)，最大中心值為200 K，處于較強的對流性不穩(wěn)定區(qū)，有利于產(chǎn)生強對流天氣（圖8b）。

圖8 2020年8月11日08:00石嘴山地區(qū)假相當(dāng)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(chǎn)生使回波發(fā)展。

2020年8月11日08:02，石嘴山市已經(jīng)出現(xiàn)50～55 dBz的強回波，回波區(qū)域較小(主要集中在大武口區(qū)、惠農(nóng)區(qū))，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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(fēng)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(xiàn)為持續(xù)、大范圍的層狀云回波，出現(xiàn)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(nóng)南部、平羅東北部基本反射率在55 dBz以上，惠農(nóng)東部回波達60 dBz以上。此時惠農(nóng)、平羅大部出現(xiàn)了降水，五渠村出現(xiàn)1 h達 84.5 mm的強降水，強回波中心與強降水中心相對應(yīng)。10:12在惠農(nóng)南部、平羅東北部上空的垂直累計液態(tài)水含量值達到50 kg／m2，且在之后的1 h內(nèi)，VIL維持高值。從風(fēng)暴總降水和1 h累積雨量(OHP)可以看出，惠農(nóng)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(fā)展旺盛，有利于強降水的發(fā)生。

14:21平羅南部有回波發(fā)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(xù)有強回波移動到石嘴山上空，平羅東南部到惠農(nóng)東部回波有后向傳播。強回波持續(xù)到18:35減弱至35 dBz左右，全市強降水已基本結(jié)束，后期轉(zhuǎn)為穩(wěn)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(jié)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(wěn)定層結(jié)，以及各指數(shù)在對流發(fā)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(jié)構(gòu)，以及較強的對流不穩(wěn)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(chǎn)生使回波發(fā)展。