2020年“7·9”錫林浩特市主城區(qū)極端降水系統(tǒng)的特征分析

白海云，孫岳飛

內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟氣象局，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 026000

夏季暴雨的產(chǎn)生受中小尺度系統(tǒng)的直接影響，且地面有輻合系統(tǒng)時往往對應有強降水產(chǎn)生。復雜地形對降水的影響明顯，有利的地形條件是暴雨中的中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)因子。吳翠紅等[1]認為，地形性渦旋的生成會對降水增幅起到關鍵作用；如果冷空氣的作用更顯著、不穩(wěn)定能量累積更多，則峽谷地形會促進降水效率更高、雨強更大。郭英蓮等[2]發(fā)現(xiàn)地形對降水的觸發(fā)主要有2個方面的作用：一是地形迎風坡抬升觸發(fā)作用，二是地形對近地層流場的影響造成的輻合觸發(fā)。本過程研究其中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展及其結構特征，為今后局地性大暴雨天氣的預報、預警提供參考依據(jù)，對防災減災服務具有一定積極的意義。

1 天氣實況

2020年7月9日11:00～19:00，錫林浩特市出現(xiàn)了暴雨，局地大暴雨天氣，并伴有短時強降水、雷電大風、冰雹強對流天氣。降雨主要集中在錫林浩特市主城區(qū)及周邊，全市1個站大暴雨，2個站暴雨，其中氣象局院內(nèi)（C2369，位于主城區(qū)內(nèi)），累計降雨量達120.4 mm（圖1），突破錫林浩特市測站建站以來歷史極值。

圖1 錫林浩特市2020年7月9日12:00～20:00降雨量分布圖

從各站逐小時降水演變看出（圖2），降水主要集中在12:00～15:00，持續(xù)約3 h，降水隨時間演變呈現(xiàn)明顯的3個峰值。其中，氣象局院內(nèi)測站最大小時雨強44.8 mm，最大分鐘雨強34 mm；錫林浩特市測站（54102，位于城東）測站累計降雨量67.2 mm，最大小時雨強45.3 mm。此次暴雨過程以短時強降水為主，局地性強，錫林浩特市主城區(qū)造成嚴重城市內(nèi)澇和經(jīng)濟損失，交通受阻，部分房屋進水，而且給人們生命安全帶來嚴重威脅。

圖2 錫林浩特市各站逐小時降雨演變

2 環(huán)流背景

2.1 大尺度環(huán)流特征

9日08:00 250 hPa，華北一帶有急流帶存在，急流核位于40°N、95°E附近，中心風速達50 m/s，暴雨區(qū)位于高空急流出口區(qū)的左側，強輻合上升區(qū)，為中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了有利的上升條件和高層氣流輻散條件。

500 hPa圖（圖略）上，亞歐中高緯為兩脊一槽，新地島南側為強高壓脊控制，貝湖東內(nèi)蒙古東部一帶為高壓脊，在河套北為一寬廣低槽，形成閉合低渦，中心值為564 hPa，錫盟處于低渦前部偏南氣流中；另外，高壓脊對上游系統(tǒng)的阻擋，使低渦維持少動，對錫盟的降水時間加長，降雨量級加大。

700 hP圖（圖略）上，低渦前底部存在明顯西南與東南風的切邊線，暴雨區(qū)位于切邊線北側，有風向和風速輻合，為強對流的發(fā)生提供動力條件；槽前有西南水汽輸送，也存在渤海灣東南水汽的補充；低渦前部有溫度脊存在，前期升溫明顯，為對流天氣的發(fā)生提供不穩(wěn)定層結。

850 hPa（圖 略）與700 hP基 本 一致，偏南水汽條件更加暢通，說明大暴雨的發(fā)生前，中低層水汽充沛。從整層配置看，系統(tǒng)存在前傾結構，為強對流的發(fā)生提供不穩(wěn)定層結條件。08時地面圖（圖略）上，鋒面位于內(nèi)蒙古西部河套一帶，錫盟處于鋒前暖區(qū)中，有明顯的西南和東南風的地面輻合線存在，因此午后的降雨為鋒前暖區(qū)對流性降雨，局地性強。

2.2 地面中尺度分析

此次過程發(fā)生前，地面輻合切變，有利邊界層的暖濕空氣輻合上升，尤其在錫盟的中部地區(qū)，700 hPa切變線與地面的輻合線重疊，在重疊處非常有利于對流單體生成和加強。

從地面加密自動站風場資料（圖略）可以看到，主城區(qū)及周邊地面一直處于氣旋前部西南氣流中。至12:00，主城區(qū)風向由西南風為偏東，有弱降水（3.7 mm），之后風向逆時針旋轉(zhuǎn)，至13:00轉(zhuǎn)為西北風，同時在主城區(qū)西南部地面風速加大，達10 mm/s，水汽輸送條件也轉(zhuǎn)好，加之有明顯的風向、風速輻合，主城區(qū)開始出現(xiàn)較大量級降水，風向輻合一直維持至15:00，3 h累積量達112.8 mm。之后風向順時針旋轉(zhuǎn)，至16:00為東南風，降水強度逐漸減弱?？梢?，12:00～15:00在主城區(qū)一直存在輻合線或者小尺度氣旋式環(huán)流，為對流單體在此地加強發(fā)展提供和輻合抬升條件。暴雨發(fā)生在地面輻合線的北側,其生消和移動對局地暴雨的觸發(fā)起到了重要作用[3]。

2.3 地形的影響

強降水過程的次中心，它海拔略高，峽谷的熱力和山地阻滯強迫作用也是造成該處降水強度稍大的重要原因。C處累計雨量小于A和B處，其原因可能是相對西南氣流而言，該處屬背風區(qū)，但短時雨強仍很強，主要原因是其西南側有處一水庫（錫林浩特水庫），當?shù)孛嫖髂蠚饬鞔颠^水面后，會將相對暖濕的水汽向東北方向輸送，在一定程度上有助于該地的降水加強和維持。

3 環(huán)境場分析

3.1 水汽條件

08:00，700 hPa和850 hPa（圖略）水汽通量水平分布，此次強降雨水汽主要來自渤海灣。700 hPa受輻合切變線影響，切變線南側形成東北西南向水汽輻合帶，暴雨中心附近弱水汽輻合區(qū)，值約為-2×10-7g/(hPa·cm2·s)；暴雨區(qū)西側有風場輻合中心；比濕垂直分布圖（圖略），700 hPa以下≥1.5 g/kg，500 hPa接近0，上干下濕說明有干冷空氣侵入，有利于強雹暴的產(chǎn)生和發(fā)展；水汽垂直分布，低層水汽弱輻合，850 hPa附近強輔散，說明中下層抽吸作用明顯，暖濕空氣上升明顯，700 hPa以上有弱上升氣流；本次局地大暴雨過程雖然沒有低空急流和水汽通量大值區(qū)，但來自渤海灣水汽在切變線附近出現(xiàn)局地強水汽輻合，是本次躍發(fā)性局地大暴雨天氣的主要水汽特征。

圖3為7月9日12:00～19:00錫林浩特市累積降水量超過50 mm的區(qū)域站與地形疊加圖，A處為主城區(qū)，為典型的山谷和迎風坡地形，呈喇叭口特征，其東、北、西三面地勢較高，形成西南東北向的峽谷帶，有利于中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展；下游迎風坡受地形的阻擋作用，輻合抬升作用增強。造成該地強降水中心的另一原因是上游西北路冷空氣受地形的強迫抬升作用后，在峽谷帶（主城區(qū)）與西南暖濕氣流交匯，形成下暖上冷的不穩(wěn)定層結，這也是該處出現(xiàn)短時強降水的原因之一。B處為此

圖3 7月9日12:00～19:00錫林浩特市累計超過50 mm 區(qū)域自動氣象站與地形疊加圖

3.2 垂直運動條件

08:00垂直速度剖面（圖略），主城區(qū)西部上空在400 hPa以下為負值，在之上為正值，中心強度為2.5 Pa/s；整層來看，暖濕空氣上升，冷空氣下沉，有助于強對流的發(fā)生；同時正值中心強度遠大于負值，所以主要以上升氣流為主，有利于短時強降水的發(fā)生；層結處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有強對流發(fā)生的潛勢。

3.3 不穩(wěn)定能量

08:00，錫林浩特站 T-lnP （圖略）顯示CAPE值并不大，約為197.6 J/kg，對探空曲線進行訂正；至11:00，氣溫從 22.5℃升溫到 27.5℃，CAPE增長至1 400 J/kg；對流層 700 hPa 為暖平流，300 hPa 有較強冷平流，存在潛在不穩(wěn)定能量，對流條件轉(zhuǎn)好。值得注意的是：訂正后的錫林浩特站探空的溫度對數(shù)壓力圖，正能量區(qū)已經(jīng)接地，接近到自由對流條件，不需要明顯的觸發(fā)條件便可以產(chǎn)生局地對流?？梢?，不需要有明顯的觸發(fā)系統(tǒng)，對流單體就會暴發(fā)，可能因為達到了自由對流條件而形成[4]。

800～600 hPa 溫度露點差較大（≥5℃），850 hPa附近有溫度露點差較?。ā?℃），說明低層水汽含量相對較高，700 hPa以上空氣比較干，有“下濕上干”的不穩(wěn)定層結；3 km以下的垂直風切變較大，大約為8 m/s；0℃層600 hPa，-20℃層400 hPa，冰雹出現(xiàn)的概率比較大；溫度層結曲線，800 hPa 以下存在逆溫層，有利不穩(wěn)定能量積蓄和觸發(fā)。

至11:00，中低層垂直風切變明顯加大，底層為偏南風，中層正為東南風，說明出現(xiàn)“下暖上冷”的不穩(wěn)定層結，配合 “下濕上干”，大氣對流條件轉(zhuǎn)好，觸發(fā)強對流天氣。

4 雷達回波特征分析

11:22左右，對流回波在主城區(qū)西南部生成，迅速原地發(fā)展；至11:50最強回波發(fā)展60 dBz以上，之后朝東北方向移動，強度和范圍逐漸變大；至11:56氣象局院內(nèi)開始下雨，但雨強不大；至12:13雨強達最大，分鐘雨強達3.4 mm，雷達回波達65 dBz以上，同時伴有冰雹、雷雨大風強天氣，55 dBz以上在院內(nèi)維持了6個體掃（半個小時），小時雨強達44.8 mm；至12:40左右主城區(qū)雷達回波開始減弱移出，但強度有所減弱，在錫林浩特測站維持時間也比較短，小時雨強僅為14.6 mm。第2個峰值出現(xiàn)在13:27左右，主城區(qū)分鐘雨強2.9 mm，雷達回波55 dBz以上維持3個體掃，之后強回波北上；第3個峰值出現(xiàn)在14:40左右，主城區(qū)分鐘雨強3.1 mm，雷達回波55 dBz以上維持3個體掃，之后強回波移出主城區(qū)。過程期間主城區(qū)上空有明顯的“列車效應”，因此導致該區(qū)域出現(xiàn)大暴雨。

主城區(qū)強降雨出現(xiàn)第1個峰值時，其西北方有“逆風區(qū)”存在，有輔散下沉區(qū)，伴有雷暴大風、冰雹的產(chǎn)生；第2個峰值時，主城區(qū)“逆風區(qū)”發(fā)展至最強（負速度里包圍正速度7 m/s），與東北方向的負速度（-12 m/s）形成小尺度輻合區(qū)，有對流單體的生成；第三個峰值時，主城區(qū)南側有明顯正負速度對，對流單體生成。15:00后強回波基本移出，可見中小尺度輻合區(qū)的穩(wěn)定維持是引起強降水回波穩(wěn)定少動的主要原因，是短時強降水預報預警的關鍵[5]。

5 分鐘數(shù)據(jù)在強降雨天氣中的指示作用

從2020年7月9日11:40～16:40，錫林浩特站5 min地面三線圖分析5 min降雨量與5 min地面要素場之間的關系，統(tǒng)計錫林浩特測站3個強降雨時段中的3個峰值期（分鐘雨強＞5 mm）內(nèi)的5 min露點差和溫度露點差的變化趨勢，對數(shù)據(jù)進行整理分析。

在強降雨開始前，5 min露點差會躍增+1℃左右，有時躍增到2℃以上；5 min溫度露點差躍增≥1℃以上。達到峰值期（分鐘雨強＞5 mm）時，5 min露點差處于躍增躍降狀態(tài)，升降幅度≥1℃，有時甚至≥3℃，但也有例外的情況；5 min溫度露點差也處于躍增躍降狀態(tài)，升降幅度＞1℃以上（表1）?？傊瑥娊涤暝诎l(fā)生期間，露點差和溫度露點差的躍增躍降可以對降水的出現(xiàn)時間和量級的大小有個很好的指示作用。

表1 錫林浩特測站強降雨出現(xiàn)期間5 min地面要素變化統(tǒng)計表

6 結論

（1）此次強降水過程是在高空低渦與切變線、地面輻合線共同作用造成的，屬于典型的低渦型暴雨環(huán)流形勢。

（2）此次過程發(fā)生前地面輻合切變，非常有利于邊界層的暖濕空氣輻合上升，尤其在錫盟的中部地區(qū)，700 hPa切變線與地面的輻合線重疊，在重疊處非常有利于對流單體生成和加強。

（3）錫林浩特市周邊山地地形對此次大暴雨過程的形成和降水分布具有較大的影響。

（4）來自渤海灣水汽在切變線附近出現(xiàn)局地強水汽輻合，是本次躍發(fā)性局地大暴雨天氣的主要水汽特征，“下暖上冷”“下濕上干”，觸發(fā)強對流天氣。

（5）對流單體的生成、穩(wěn)定維持是引起強降水主要原因，是短時強降水預報預警的關鍵，主城區(qū)上空 “列車效應”，導致該區(qū)域出現(xiàn)大暴雨。

（6）強降雨在發(fā)生期間，露點差和溫度露點差的躍增躍降可以對降水的出現(xiàn)時間和量級的大小具有很好的指示作用。