通辽市一次大范围大暴雨天气过程成因分析

郭鲁彦

(通辽市气象局，内蒙古 通辽 028000)

通辽市位于内蒙古自治区东南部，西接蒙古高原，东与东北平原毗邻，地势由西南向东北缓慢倾斜。盛夏季节冷暖空气交汇频繁,每年都有暴雨天气产生，降水具有突发性、局地性等特点。对通辽市30年(1984年-2014年)暴雨过程统计发现，大多数区域性暴雨或大暴雨(例如1994年7月12日-13日、1984年8月10日等)都直接或间接与台风有关。北京大学地球物理系气象专业[1]在我国北方大范围暴雨的研究中，明确提出“立足低纬,强调中低纬环流相互作用”的观点，受到我国天气工作者的重视，内蒙古预报员在长期的工作实践中也积累了低纬度环流系统活动与内蒙古暴雨相联系的实践经验。陶诗言等[2]也指出，我国的暴雨尤其是极端强降水事件主要是由台风、锋面和从青藏高原及其周边地区东移过来的气旋性涡旋引起的；有时也可以由登陆台风与中高纬的西风带系统和副热带高压的相互作用所导致，或由台风远距离作用所加强[3]。牛若云等[4]认为在强降水带上空反复出现强烈的低层水汽辐合抬升、高层辐散抽吸及垂直上升运动发展，致使强降水得以维持。杨庆华等[5]对河西西部一次暴雨的产生机制进行分析得出强降水中心发生在对流不稳定、斜压不稳定相结合的区域和CAPE强中心的下游。马素艳[6]等对2013年7月14日内蒙古河套地区的一次极端暴雨过程进行诊断分析,指出高低空急流耦合及地形抬升作用使得垂直运动强烈发展。

2017年8月2日-3日，受台风海棠后期减弱低压北上和高空西风槽共同影响，通辽市中部和南部大部分地区出现大暴雨，局部特大暴雨的历史极端天气，此次过程导致农作物受灾，直接经济损失超过几亿元。对于这次降水几家主要模式都有不错的表现，但导致如此强降水的机理是什么并不清楚。为此，本文利用常规资料卫星云图、雷达图以及NCEP 2.5°×2.5°再分析资料对大暴雨成因进行分析，探讨此次极端强降水的发生、发展机制，加深对该类天气的认识。

1 降雨概括

2017年8月2日16时-3日20时(北京时间,下同)降水量图(见图1a)显示通辽市中部和南部大部分地区出现了大暴雨天气，尤其西南部多站出现了特大暴雨。国家气象站青龙山、通辽站日降水量分别为349.7mm、179.0mm，均突破了青龙山站181.8mm和通辽站174.4mm历史单日极值记录。青龙山站创造了内蒙古国家级气象站日雨量记录，也是内蒙古国家级气象站首个实测特大暴雨。降水过程中伴有强对流天气，以短时强降水为主，局地伴有雷电、大风。降水主要集中在3日凌晨和白天，选取青龙山站(见图1b)进一步说明降水强度，可以看出青龙山站强降水主要处在3日03时-08时和3日12时-15时，03时-08时小时雨强最小为27.1mm，最大为57.9mm，12时-15时最大雨强为24.4mm。可见本次降雨过程具有强度强、分布范围广、持续时间长等特点。

2 大尺度环流背景演变特征

分析500hPa环流形势(见图2)可以看到：2日20时，副热带高压呈块状位于东部海上，西伸脊点位于123°E附近，588dagpm线最北段位于38°N附近。热带低压(台风海棠减弱为热带低压)北上与西风带弱冷空气合并形成高空槽,副热带高压与东北地区上空高压脊合并，与上游高空槽形成西低东阻的形势。在槽后冷平流的作用下，致使高空槽强度有所加强，进而高空槽与副热带高压之间梯度加大，槽前偏南风气流加强，急流进一步加强。偏南风急流从浙江省一直延伸至通辽市，宽度较宽，大约5～7个经距，且大都位于东部海上，急流最大风速超过20mm·s-1。3日08时，高空槽缓慢东移，通辽市处在高空槽槽前上升运动中。3日20时，通辽市大部地区转为槽后影响。

850hPa存在南-西南风急流，700hPa、925hPa急流位置与850hPa重叠，低空偏南风急流伸至通辽市南部，最大风速达18mm·s-1～22mm·s-1。2日20时对流层低层通辽市位于偏南风急流前部，通辽市南部存在风速辐合。随着地面气旋北上，通辽市处在倒槽中，上升运动加强，产生降水。3日08时高空系统东移加强，850hPa系统也加强形成低涡，之后低涡逐渐东北上。地面倒槽北抬，配合有边界层辐合线。200hPa高空急流位于锡林郭勒盟北部—兴安盟南部—吉林和黑龙江一带，通辽市位于200hPa入口区右侧。强降水位于低空急流出口区左侧，高空急流入口区右侧。

图1 (a) 2017年8月2日16时-3日20时累计降水量(单位：mm)

图2 2017年8月2日20时500hPa高度场和850hPa风场叠加

可见，500hPa大尺度环流形势较为稳定，呈现“西低东阻”的形势，降水系统持续时间长。副热带高压位置偏北偏东，有利于副高西侧强盛的低空急流把低纬度暖湿气流输送至通辽市。冷空气与热带系统和海上偏南风急流带来的充沛的暖湿空气相遇，造成强降水天气的产生。

3 成因分析

3.1 持续不断的水汽供应

对于连续性暴雨来说，需要有天气尺度系统将水汽源源不断地输送到暴雨区，以补充暴雨发生所造成的气柱内水汽损耗。

通过计算大气整层水汽通量(见图3a)可以看出,3日02时水汽输送主要为副热带高压西侧偏南水汽输送，此时台风“海棠”与北方冷空气结合减弱为高空槽，槽前水汽及东南沿海水汽沿副热带高压西侧的偏南风急流向北输送。 从水汽通量图上可以看出，东南沿海至辽宁、通辽一带为水汽通量大值中心，中心最大值达15 000g·(cm·s·hPa)-1，通辽市南部位于水汽通量大值区中，对应地面降水实况3日02时-08时，奈曼旗、库伦旗大部地区出现大暴雨，奈曼旗青龙山站7小时雨量达249.8mm。可见偏南水汽通道为大暴雨区提供了丰沛的水汽供应。3日08时，水汽通道仍然维持，水汽通量大值区东移，通辽市东部水汽通量最大值达15 000g·(cm·s·hPa)-1，强降水落区也东移。3日20时(见图3b)，水汽通量大值中心东北移，强度减弱，降水也随之减小。

图3 (a) 2017年8月3日02时大气整层水汽通量(单位：g·(cm·s·hPa)-1)

(a) 2017年8月3日02时 (b) 2017年8月3日14时 图4 沿121.5°E垂直速度(单位:Pa·s-1)的垂直剖面和水平风场 (单位:m·s-1)(实心圆处为大暴雨区)

3.2 高低空急流耦合与垂直运动

分析水平风场(沿121.5°E)的垂直剖面：3日02时(见图4a)，43°N以南偏南风急流较强，一直伸展至500hPa，不断向北输送暖湿空气，同时加强了层结的不稳定度，大暴雨区(黑色圆点处)位于低空急流的前侧，200hPa高空急流入口区右侧，低层辐合高层辐散上升运动加强，形成一个深厚的上升气流区，最大上升速度达-3.0Pa·s-1，位于400hPa附近，引发了西南部强降水;随着高空槽和地面倒槽自西南向东北方向移动，3日14时(见图4b)，低空急流北推至45°N附近，200hPa急流仍然维持，在大暴雨区上空上升运动很强，最大垂直速度达-4.6Pa·s-1，位于600hPa附近。由此可见，高低空急流耦合为大暴雨产生提供了非常有利动力条件。

3.3 探空站资料分析

分析2日20时通辽(见图5a)探空站，条件不稳定特征明显，对流有效位能很强，计算的CAPE值为2 044.6J·kg-1，对流层低层水汽条件较好，700hPa～600hPa附近有干空气卷入；边界层内具有较强的垂直风切变；0～700hPa风随高度顺转，这些都为短时强降水的形成提供了水汽条件和热力、动力不稳定条件。从降水实况可以看出，2日夜间开始通辽市西南部出现了短时强降水，多站小时雨强都超过了30mm·h-1，最大达57.9mm·h-1。

随着降水的产生，能量得以释放。3日08时通辽探空站(见图5b)，对流有效位能减小为37.6J·kg-1，大气层结由强不稳定层结转变为稳定层结，但湿层厚度增厚，近地面层到925hPa相对湿度达100%，大气达到饱和状态，水汽条件异常充沛，导致3日白天的强降水的发生。根据云的微物理理论，降水系统中的暖云层越厚，越有利于高效率降水的产生。暖云层厚度由抬升凝结高度到零度层高度之间的厚度来估计[7]。3日白天降水发生期间，抬升凝结高度不足600m，暖云层厚度达4 300m，由于高效率的降水，3日白天通辽市中部和东部多站(包括区域自动站)小时雨强达20mm·h-1以上，最强49.2mm·h-1，多数站点累计降水量超过100mm。

4 中尺度系统的触发机制

由于对中尺度系统估计不足,在预报过程中不论是客观预报还是主观预报都漏报了3日02时-08时西南部强降水。3日02时对流层低层假相当位温高能舌伸至通辽市西南部，西南部处在高温高湿的不稳定区域中，通过对地面风场分析发现，3日02时华北气旋北伸,通辽市西南部处在气旋东北侧,存在偏东风与偏南风辐合线，该辐合线一直维持至3日08时,对应通辽市西南部地形增幅作用，不断有中尺度对流系统生成。可见，在地面辐合线的触发下不断有中尺度对流系统生成，造成通辽南部尤其西南部强降水的产生。

5 卫星云图特征分析

FY2E红外云图显示此次强降雨过程主要是不同尺度的对流云团和暖锋云系造成的。22时云团A(见图6a)开始进入通辽市西部，沿中层西南气流东北移过程中不断发展加强，TBB最小值为-58℃，23时云团A发展成圆形，维持到3日00时，之后变成形状不规则的云系向东北方向移动。云团A给奈曼旗北部、开鲁县南部、科尔沁区西部带来了强降雨。

02时00分云团A强度明显减弱，同时在河北省北部和辽宁省西部存在不同尺度的对流云团，云团B(见图6b)北上影响奈曼旗南部，不断发展加强，TBB最小值为-59℃，影响奈曼旗南部、库伦旗、科左后旗西部，03时开始云团C和云团D又相继影响上述地区，一直持续至08时。上述对流云团造成了奈曼旗南部、库伦旗大部100mm以上的降水，其中奈曼旗青龙山站从01时-08时降水量达249.8mm，连续6h达到短时强降水的标准，最大小时雨强为57.9mm·h-1。08时开始暖锋云系从奈曼旗南部沿西南-东北向逐渐东北移，又相继影响通辽市西南部，一直持续至3日17时，最终导致西南部多站出现200mm以上的大暴雨，局地特大暴雨的降水。同时暖锋云系造成通辽市东部大暴雨天气，20时通辽市降水基本结束。由此可见，云团形成的列车效应导致西南部特大暴雨的产生。

(a) 2017年8月2日20时 (b) 2017年8月3日08时

6 雷达图特征分析

分析3日白天通辽多普勒雷达(CB)反射率因子图，沿通辽市东部强降水区域做反射率因子垂直剖面可以看出(见图7)，雷达回波强反射率因子中心值在45dBZ左右，35dBZ回波高度基本在4km以下，回波顶高度不足8km，质心较低，与大陆型的高反射率高回波顶的强对流系统完全不同，而类似于热带海洋对流系统的雷达反射率因子分布特征。其形成可能与这次降水的水汽一部分来自热带系统有关。

图7 2017年8月3日13时50分强降水区通辽雷达反射率因子垂直剖面

7 结论

①这次大暴雨发生在副热带高压稳定少动且位置比较偏北偏东环流背景下，副热带高压西侧偏南风急流激发的中尺度对流系统以及冷空气与热带系统共同作用下产生的。异常强盛的低空偏南风急流为大暴雨区提供了源源不断的水汽供应，异常充沛的水汽条件是大暴雨产生的关键因素。②高低空急流耦合使得上升运动增强，有利于强降水的产生。③通辽站探空资料分析表明：2日夜间至3日清晨大气层结不稳定，有利于短时强降水的发生；而3日白天大气层结为稳定性层结，水汽条件充沛，抬升凝结高度不足600m，暖云层厚度达4 300m，因此更利于高效率降水的产生。④地面辐合线是中尺度对流系统的触发机制。⑤卫星云图上，不断有降水云团经过通辽市西南部，产生 “列车效应”，造成该地区的强降水。