宁夏一次极端暴雨的中尺度分析

贾宏元， 刘鹏兵， 田 风， 聂晶鑫

(1.宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏银川 750002；2.宁夏气象台,宁夏银川 750002)

宁夏处于我国季风降雨向内陆急剧减少的过渡带，降水具有明显的地域性特征，降水时段集中，区域差异大，7～8月累积降水总量超过年降水量的4/5，年降水量宁夏平原仅有200 mm，六盘山区则多达600～800 mm，且多局部暴雨洪涝等灾害，区域性暴雨发生率低，特别是大暴雨，近49年(1960～2008年)间常规测站仅出现过3 站次，属于典型的天气气候极端事件[1]。同时由于暴雨常会引发严重的洪涝、地质灾害，长期以来一直是预报技术难点和预报员关注的重点。

目前对宁夏典型暴雨已有了一定的认识。纪晓玲等总结提出了宁夏贺兰山东麓暴雨统计预报模型，并指出暴雨落区与850～200 hPa各层气流及中β尺度低值系统的配置关系[2]，认为宁夏突发性暴雨具有明显的中小尺度系统特征[3-4]，中北部强对流降水雷达组合反射率与南方之间有明显的差异[5]，并提出了预报着眼点[6]。尽管如此，因宁夏大暴雨极少发生，已有文献对当地大暴雨研究较少，特别是中尺度系统的分析更是缺乏。为此，笔者利用常规气象探测、多普勒雷达、卫星云图、加密气象站等高分辨率的探测数据及NCEP再分析资料，采用天气动力学和中尺度诊断技术，分析了引发宁夏2012年“7.29” 极端暴雨过程的水汽、热力、动力场空间结构特征，探讨了造成此次大暴雨的成因及中小尺度系统结构、发生发展机制和演变特征，为强暴雨的预报和预警提供科学参考依据。

1 天气实况

2012年7月29日夜间宁夏银川、石嘴山两市大部分地区出现了区域性暴雨，局地达大暴雨(图1a)。该过程局地性特征明显，降雨强度强，持续时间长，累计雨量为宁夏多年罕见。全区有183站次1 h雨量超10 mm，2站次1 h雨量超40 mm，累计雨量超过50 mm的有54个站，超过100 mm的有13个站，最大降水量出现在贺兰山滚钟口，达166.2 mm。银川站连续9 h降水量超过5 mm/h，5 h 超过10 mm/h(图1b)，累计降水116.5 mm，超过了该站年降水量的64%，创1951年有气象记录以来极值。暴雨过程造成了较大面积的道路塌陷、房屋倒塌、城市内涝及农田被淹等灾情，受灾人口81 086人，倒塌房屋811间，损坏房屋1 145间，农作物受灾19 121 hm2，直接经济损失近6千万元。由于气象部门提前预警，加强部门联动，开展了及时有效的决策和公众服务，全区无人员伤亡。

2 环流形势特征和主要影响系统

降水前期，欧亚中高纬维持两槽一脊，乌拉尔山以东广大地区维持宽广的高压脊(图2a)，其底部不断有短波槽分股东移，中纬度气流平直，冷空气侵入频繁，副高较弱，且588 dagpm特征线断开，主体位于海洋上，副高脊线位于在33°N附近，584 dagpm线在宁夏北部附近摆动。29日20:00，河西中部到高原北部有小槽东移，高原偏南气流有所发展，并在宁夏交汇形成了此次暴雨过程。在降水过程中，584 dagpm西脊点基本以西伸为主，北线先北抬再南压，降水日前南压明显，降水过程中基本稳定维持在宁夏北部。

图1 2012年7月29日20：00～30日08：00宁夏降水量(a)和29日18：00～30日16：00银川逐时降水量(b)

图2 2012年7月29日20：00 500 hPa形势(a)及29日20：00～30日08：00 700 hPa系统演变(b)

综合分析认为，此次大暴雨就是主要在副高东撤南退过程中，由500 hPa西风槽、700 hPa低涡、切变及地面冷锋相互作用的结果。随着580 dagpm线一路北抬至宁夏北部，500 hPa有低槽东移，带动槽后冷空气南下；从29日20：00～30日08：00 700 hPa系统演变(图2b)可以看出，原位于内蒙西部和高原东部的700 hPa低涡随着西风带系统的东移及偏南暖湿气流北抬，快速移至宁夏北部合并成一明显具有涡旋结构的系统，同时在其东部和南部分别出现了一个横切变及竖切变线，竖切变线前、横切变后西南气流显著加强，在宁夏北部出现了强烈的辐合区。同时宁夏上空处于200 hPa高空急流出口右侧，呈反气旋性环流，即大气在此层为辐散场。这种高空辐散、低空辐合的环流特征为此次过程提供了较强的动力抬升条件，另外地面上有一弱冷锋东南下移过宁夏，迫使暖空气抬升，加强了锋线附近的上升运动。30日20：00，低涡、切变线明显东移，宁夏降雨也逐渐减弱结束。

3 物理量场诊断分析

3.1水汽条件

3.1.1相对湿度。29日20:00降水开始后，相对湿度时空剖面(图3a)上反映宁夏上空37.5°N以北高空高湿层一直表现得很深厚，750～350 hPa相对湿度均超过了80%，并不断在加强，而300 hPa以上高层干区明显，存在强湿度梯度区，表明高层有干空气侵入，属于典型的上干下湿极不稳定的湿度层结结构；30日08:00后，虽然低层湿度仍较大，但高湿层高度迅速下降，相应降水明显减弱。

3.1.2比湿。700 hPa高空比湿对降水具有明显的指示意义，降水随着700 hPa比湿的增大而增强。已有研究认为宁夏暴雨700和500 hPa比湿指标一般为8.5～12.0和4～6 g/kg，而此次大暴雨29日20:00银川700和500 hPa比湿均超过了普通暴雨，分别达13和9 g/kg，且在700 hPa 以上接近饱和，700 hPa30日08:00仍维持在11 g/kg，反映此次过程雨区上空可降水量水汽非常充沛。

3.1.3水汽通量散度。29日20:00，宁夏中低层处于水汽通量散度负值区，北部地区的水汽辐合上升明显强于南部山区；降水前，中层水汽通量有强的辐散，低层和高层有弱的辐合，随着降水开始，中低层水汽辐合明显加强，最强时段位于30日02:00左右，中心主要位于低层700～850 hPa，中心值达-2×10-7g/(cm2·hPa·s)，中层500 hPa水汽通量以弱辐散为主(图3b)。说明此次暴雨过程水汽源主要来自低层，但500 hPa高层辐散与低层辐合的配置加强了水汽的上升，同样促进了暴雨的发生发展。

此次大暴雨存在深厚的高湿层和远高于普通暴雨的水汽含量，其长时间维持一方面对大暴雨的形成提供了充沛的水汽，另一方面凝结潜热释放增加了层结不稳定，对强降水的持续及强度有重要影响。

3.2动力条件从涡度及垂直速度场107°E空间剖面图(图4)可见，29日08：00～30日02：00宁夏上空涡度场均表现为上正(中心在200 hPa)下负(中心在850 hPa)的特征，但02：00正负涡度绝对值明显加强，中心位于宁夏北部，且正负中心值位置趋于重合，垂直场变化更为突出，由仅500 hPa上空有弱的上升区发展为整层强的上升区；散度场上，宁夏中北部500 hPa以下为辐合区，中心位于850～700 hPa，辐散中心在200 hPa，低层辐合与高层辐合的重叠区对应降雨的极大中心，暴雨区上空,高层正散度辐散与低层负散度辐合相配合,是触发暴雨的动力机制。表现在垂直速度场上，宁夏上空整体以上升运动为主，上升中心位于500～300 hPa附近。对流层中上层较强的垂直速度产生强劲的抽吸作用，促使低层暖湿气流辐合上升。

图3 2012年7月29日08：00～30日14：00 105°E、37.5°N相对湿度(a,%)和水汽通量散度[b,g/(cm2·hPa·s)]时空剖面

注：阴影为涡度,线条为垂直速度。图4 2012年7月29日08：00(a)、30日02：00(b)涡度及垂直速度场107°E空间剖面

3.3热力条件在指数变化图上(图略)，银川站降水开始后湿对流有效位能(Cape)值和K指数一直较大，但在降水即将开始时明显增大，特别是Cape由29日08:00的350 J/kg多增强至2 000 J/kg多，之后有个缓慢减小的过程，而相应SI指数则从-0.25 ℃快速减小至-2.78 ℃，28日20：00又明显增大了3.63 ℃。

4 中尺度天气系统分析

4.1地面中尺度辐合线利用加密自动站逐时风场(图5)资料，分析地面风场对暴雨的作用，结果发现，大暴雨过程产生的2个强降水中心(银川附近及贺兰山滚钟口)，地面一直伴随着2个长度为几十到200 km的中尺度辐合线的影响，持续时间长达10 h，辐合线既表现为风向也有风速辐合，其与强降水区域对应较好。29日22:00银川以东区域就出现了弱的辐合；23:00雨强明显加强，相应在银川东侧形成了8 m/s西北风与6 m/s东南风的强辐合线；30日00:00除了有弱的风向辐合外，银川以东区域东南风迅速加强至10 m/s，风速出现了明显辐合，2 h内辐合线以北的银川、贺兰站降水量超过了40 mm，同时在银川以西的贺兰山，也存在一个弱的辐合区，只是强度较弱，沿山降水量不强；01:00左右，贺兰山沿山SN风加大至8 m/s，辐合加大，此区域降水明显加强；02:00～05:00银川附近地面风场仍有辐合存在，但仅表现为弱的风向和风速辐合，降水开始减弱；07:00左右这种辐合强度又有所增强，不过与前次辐合最强时相比仍较弱，降水强度均低于15 mm/h；10:00后辐合缓慢南下，强降水区也南撤，14:00辐合消失，降水停止。在整个降水过程中，银川站5 mm/h以上的强降水维持了近9 h，期间地面辐合线也长时间存在，其强度与降水强度密切相关，且强降雨带与地面辐合区的走向较一致，多发生在其略偏北一侧。地面辐合线长时间的存在是引发此次大暴雨持续的动力抬升条件。另外，贺兰山滚钟口的辐合强度虽明显不及银川附近，但降水强度仍超过了银川，分析认为，可能是由于贺兰山东麓一直吹较强东北风，叠加了明显的地形抬升所导致的结果。

注：a、b分别为29日22：00和23：00；c～i分别为30日00：00、01：00、02：00、04：00、06：00、08：00、14：00。图5 2012年7月29日22:00～30日14:00地面加密自动站风场

4.2中尺度对流云团在此采用张晰莹等中尺度对流系统定义方法[7]，将MβCS定义为红外云图上具有圆形或椭圆形冷云盖的对流系统，且其-32 ℃冷云盖的短轴长度在1.5～3.0°纬距之间的为MβCS，其成熟阶段为TBB≤-32 ℃冷云盖面积达最大时，且其椭圆率在0.5°以上。由图6可见，此次过程中，MβCS从移入宁夏到减弱移出共维持了5 h以上，在东移过程中，其前侧不断发展加强，云罩和冷云顶面积不断向前扩大，是一个前向传播系统；-52 ℃冷云区面积29日22:00～23:30达最大，超过了60 000 km2，-60 ℃的面积也达40 000 km2，冷云中心值低于-65 ℃，MβCS发展到最成熟阶段，同时在冷云核心区前侧偏东南向，出现了明显的楔形尖突的强TBB梯度区(图6圆环所示)，强梯度区维持了近3 h。依据雷达反演的风场(图7)其正好位于低空急流的下风方、700 hPa暖切变线北侧，并随着低空急流和切变的减弱而消失。分析认为，在MβCS最成熟阶段并出现楔形尖突强TBB梯度区时，强梯度区偏TBB值低的区域在1～2 h内降水强度明显增大。加密自动站资料反映此区域在29日23：00和30日00:00分别出现了39.7和47.7 mm/h的暴雨(图6黑三角所示)；30日00:00后，-52 ℃冷云区面积有所缩小，但强梯度区仍然明显，降水强度有所减弱，仍有20 mm/h以上的强降水；01：30时后，强梯度区消失，MβCS东移，降水强度明显减弱，1 h降水不超过10 mm。因此，中尺度对流系统成熟阶段出现强TBB梯度区对暴雨发生有一定的指示意义。

4.3多普勒雷达资料分析限于常规探高资料较低的时间分辨率，一些重要的天气系统许多细节演变特征往往无法分析掌握，大大影响了预报水平的提高。近年来，借助于多普勒雷达反演的高时间分辨率的风场，可对常规高空探测资料起到重要的补充作用。29日20:00常规探高资料反映700 hPa无低空急流，最大风速仅有8 m/s，但从雷达反演风场(图7)可清楚发现，宁夏南部700 hPa 22:00出现了12 m/s西南低空急流，23:00后继续加强至14 m/s，且维持到了30日01:00；同时在29日22:00银川站上空形成了10 m/s东南风，30日00:00～01:00风速增强至12 m/s，在宁夏中北部形成了西南风与东南风的强暖式切变线，此强切变的形成与维持相应造成了在辐合区出现了40 mm/h以上的大暴雨；02:00风速变小，降水减弱；09:00后风向转为偏北风，宁夏北部降水减弱结束。

图6 2012年7月29日20:00～30日02:00 TBB场分布

图7 2012年7月29日21:00～30日09:00雷达反演700 hPa逐时风场

径向速度场显示，29日22:00以后在银川偏南方向有一条较明显的垂直风切变，上、下层分别为偏北风、偏南风，高度大致在2 km(800 hPa)，距离测站20 km左右，切变中心位于银川东南部的永宁附近，已有文献认为[8]，这种切变环境使上升气流倾斜，降水质点能够脱离出上升气流，而不致因拖带作用减弱上升气流的浮力；同时，降落到下沉气流中的降水质点，因蒸发冷却和下沉拖带作用，会增强下沉冷空气出流，从而维持和激发了上升气流增强，因此这种形式的维持也是此次大暴雨形成的原因之一。

5 小结

(1)此次大暴雨具有明显的中尺度特征，且是由MβCS

发展并较长时间维持少动造成的。MβCS最成熟阶段时，TBB强梯度区偏向冷云中心区与未来1～2 h暴雨落区有较好的对应关系。

(2)地面辐合线的较长时间的维持是造成此次大暴雨的重要原因之一；强降雨带与地面辐合线的走向较一致，且多发生在其略偏北一侧。

(3)暴雨发生时，湿对流有效位能(Cape)有明显的增大，其对大暴雨发生时有较好的指示意义。

(4)深厚湿层的存在一方面为此次大暴雨的形成提供了充沛的水汽，另一方面凝结潜热释放增加了层结不稳定，对强降水的持续及强度有重要影响。

(5)多普勒雷达反演的风场可对常规高空探测资料起到重要的补充作用。

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