引發(fā)2016年十大孔兌嚴(yán)重山洪的暴雨診斷分析

張榮剛　王金花　靳莉君　張保龍

摘要：利用加密實時雨量觀測資料和NCEP再分析資料，對引發(fā)2016年8月16-17日內(nèi)蒙古十大孔兌地區(qū)嚴(yán)重山洪災(zāi)害的局地暴雨過程進行了診斷分析。結(jié)果表明：①此次暴雨天氣過程發(fā)生在“兩槽一脊”的大尺度環(huán)流背景下，新疆北部及東北亞上空的切斷低壓底部不斷有冷空氣移出，而副熱帶高壓與大陸高壓合并形成高壓脊阻擋了冷空氣的南下，冷暖空氣在十大孔兌地區(qū)強烈交匯，引發(fā)了此次強對流天氣；②700 hPa上的切變線和急流加強了氣流的上升運動，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，成為該次暴雨的主要影響系統(tǒng)；③水汽通量、垂直速度場以及假相當(dāng)位溫等物理量場的高低空配置和時空變化與暴雨過程的時空變化十分吻合。

關(guān)鍵詞：物理量場；環(huán)流形勢；山洪；暴雨；十大孔兌；2016年

1引言

在內(nèi)蒙古境內(nèi)有10條發(fā)源于鄂爾多斯臺地、自南向北流經(jīng)庫布齊沙漠匯入黃河干流的10條山洪溝（自西向東依次為毛不拉孔兌、卜爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母花河、東柳溝、呼斯太河），蒙語稱為十大孔兌。這些河流基本呈平行分布，流域形態(tài)相似，南北狹長，呈羽毛狀。河流上游為丘陵溝壑區(qū)，植被稀少，地表覆蓋有較薄的風(fēng)成沙，下伏地層有大面積砒砂巖出露，水土流失嚴(yán)重；中游為庫布齊沙漠，沙丘呈流動和半固定狀態(tài)，沙丘之間有較為開闊的低地和河谷階地，在風(fēng)力作用下，堆積在河溝兩側(cè)的流沙遇洪水即隨水流下泄；下游為沖洪積平原，地勢平坦，極易遭受孔兌洪水災(zāi)害。十大孔兌流域總面積為10 767.0 km2，其中水土流失面積8 361.6 km2。

黃河內(nèi)蒙古河段地理位置偏北且處于我國西北類型暴雨中心區(qū)，也是黃河流域的暴雨極值帶。該區(qū)域大部分時間受西北氣流控制，只有盛夏時的東南季風(fēng)會帶來海洋水汽，形成降水過程。降水量主要集中在7-9月（占全年降水量的60%-70%），降水強度大，常有暴雨發(fā)生。觀測資料表明，內(nèi)蒙古木多才當(dāng)最大24 h降雨量達1 400 mm。暴雨強度大、生態(tài)環(huán)境脆弱、土壤侵蝕強度大，使得十大孔兌地區(qū)極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。山洪暴發(fā)時攜帶大量泥沙尤其是粒徑大于0.05 mm的粗泥沙進入黃河，對黃河中下游河道沖淤及防洪造成嚴(yán)重影響。自有觀測資料以來，十大孔兌地區(qū)曾出現(xiàn)過10次泥沙淤堵黃河的現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)孛癖娚a(chǎn)生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大影響。因此，深入剖析十大孔兌地區(qū)2016年8月致洪暴雨發(fā)生的物理機制，闡明其主導(dǎo)因子，不僅能夠積累非常規(guī)資料（指加密實時雨量觀測資料）在暴雨天氣分析中的應(yīng)用經(jīng)驗，提高此類天氣預(yù)警預(yù)報的能力，而且還可為完善防洪搶險預(yù)警系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

本文主要采用加密實時雨量觀測資料以及美國國家環(huán)境預(yù)報中心和大氣科學(xué)研究中心（NCEP/NCAR）提供的同期逐6 h再分析資料（水平分辨率為2.5°×2.5°）進行分析。

2降雨實況

2016年8月16日22時至17日24時，十大孔兌地區(qū)出現(xiàn)了局地暴雨天氣過程。據(jù)加密實時雨量觀測資料，該區(qū)域內(nèi)有60個觀測站的過程降雨量大于50mm，其中有37個觀測站的過程降雨量超過100 mm，主要集中在罕臺川、西柳溝、黑賴溝、卜爾色太溝和東柳溝，而暴雨中心則位于西柳溝流域和罕臺川流域，其過程降雨量超過200 mm（見圖1），致使西柳溝流域把口站——龍頭拐水文站17日14時50分洪峰流量達到3 000 m3/s（見圖2），為1963年有實測資料以來第4位（歷史最大洪峰流量為6 940 m3/s，1989年7月），重現(xiàn)期接近20 a。

3大尺度環(huán)流背景和影響系統(tǒng)分析

從500 hPa高度場（見圖3，圖中36、46為風(fēng)場標(biāo)尺）上看，8月16-17日亞洲中緯度地區(qū)為兩槽一脊經(jīng)向型環(huán)流。在我國新疆北部和東北亞上空均是切斷低壓且穩(wěn)定少動，而在貝加爾湖南部則為高壓脊。副熱帶高壓西伸北抬，與大陸高壓連為一體，對西路冷空氣形成阻擋。十大孔兌地區(qū)位于副高的西南邊緣，暖濕氣流異常強盛。同時，從新疆北部切斷低壓底部分裂出來的冷空氣到達該區(qū)與暖濕氣流交匯，形成了十分有利的降水形勢。

在700 hPa風(fēng)場上，16-17日在河套地區(qū)存在一條穩(wěn)定切變線，并在切變線南側(cè)出現(xiàn)西南風(fēng)急流，急流軸的末端指向十大孔兌地區(qū)。16日8-20時以東一西向的暖式切變?yōu)橹鳎罂變兜貐^(qū)處在切變線北側(cè)偏東氣流中。17日8時，切變線南側(cè)的西南氣流有所加強。急流中心風(fēng)速從12-14 m/s加大到14～16 m/s。同時，切變線略有北抬并轉(zhuǎn)為東北一西南向，十大孔兌地區(qū)處在切變線東南側(cè)的西南氣流中。17日20時，切變線位置少動，但西南風(fēng)已明顯減弱。至18日8時，切變線已完全移出十大孔兌地區(qū)，該地區(qū)轉(zhuǎn)為受切變線西側(cè)偏北氣流控制。850 hPa風(fēng)場的系統(tǒng)演變與700 hPa風(fēng)場的相似。

由此可見：500 hPa上切斷低壓底部不斷有冷空氣移出。副高與大陸高壓合并形成高壓脊，阻擋了冷空氣南下，使得冷暖空氣在十大孔兌地區(qū)強烈交匯，繼而造成了該區(qū)域的暴雨；低層切變線和急流是此次暴雨的主要影響系統(tǒng)，兩者的穩(wěn)定維持為暴雨的形成提供了充足的水汽和動力條件。

4物理量場診斷分析

4.1水汽條件分析

水汽的輸送和積聚是形成降雨的條件之一。源源不斷的水汽輸送和強水汽堆積是暴雨發(fā)生不可缺少的重要因素。圖4（圖中26為水汽通量標(biāo)尺）為此次暴雨發(fā)展過程中850 hPa上的水汽通量演變情況。由圖4可知：16日8時黃河中上游以南方水汽輸送為主，水汽主要來自于南海和西太平洋。在河套地區(qū)還存在來自東邊的水汽輸送，這與低層天氣形勢一致。水汽通量最大的地區(qū)位于十大孔兌以西的石嘴山附近。之后，隨著西風(fēng)槽東移以及副高南側(cè)的西南氣流發(fā)展并加強，低層水汽通量也開始增大；17日8時十大孔兌水汽通量達到最大，中心值超過14 g·hPa/（s·am）。進一步對水汽通量散度的變化進行分析可發(fā)現(xiàn)，暴雨發(fā)生前，水汽通量輻合區(qū)位于十大孔兌地區(qū)西南側(cè)，隨著降水系統(tǒng)的發(fā)展和東移，水汽通量輻合區(qū)開始向東北擴展，十大孔兌地區(qū)水汽通量輻散開始減弱，17日8時水汽通量散度轉(zhuǎn)為負值，且大部地區(qū)在-3×10-5g/（m2·s）以下。

4.2動力條件

從圖5可知：16日8時十大孔兌處大氣中低層氣流為弱上升運動，高層為下沉運動，有利于對流天氣的發(fā)展。降雨開始后，上升氣流顯著增強并向上延伸，16日20時在中層500 hPa附近出現(xiàn)上升運動的高值區(qū)。隨著不穩(wěn)定能量的不斷釋放，上升運動區(qū)進一步向高空擴展。17日8時，研究區(qū)850 hPa以上至100 hPa為一致的上升運動，最大上升運動中心位于700 hPa附近。之后，上升運動開始減弱并重回低值。散度的變化與垂直速度的變化基本一致。暴雨發(fā)生伊始，十大孔兌地區(qū)中低層表現(xiàn)為弱輻合，高層表現(xiàn)為輻散，有利于高層大氣的“抽吸”，從而導(dǎo)致垂直上升運動進一步發(fā)展和加強，反過來又使得低層輻合繼續(xù)加大，在17日8時中低層大氣輻合的高度和強度均達到最大，從17日20時開始，低層輻合中心強度有所減弱，輻合高度也隨之降低，暴雨過程漸趨于結(jié)束。

4.3不穩(wěn)定能量

假相當(dāng)位溫可用來描述大氣層結(jié)的穩(wěn)定度，尤其是850 hPa假相當(dāng)位溫的變化對暴雨預(yù)報有較好的指示意義。圖6為16-17日暴雨區(qū)假相當(dāng)位溫的演變情況。從圖6可知：16日8時十大孔兌位于假相當(dāng)位溫的低值區(qū)，大部地區(qū)假相當(dāng)位溫在68℃以下，而在其南側(cè)則是假相當(dāng)位溫的高值區(qū)，對應(yīng)著低層強盛的西南氣流。之后，假相當(dāng)位溫的高值區(qū)明顯向東北擴展，這與西風(fēng)槽東移以及西南暖濕氣流加強北上有關(guān)。16日20時（圖略），研究區(qū)的假相當(dāng)位溫已達到72℃。冷暖空氣的劇烈交匯加劇了能量鋒區(qū)強度的變化，從17日8時的假相當(dāng)位溫圖（圖6（b））上看，東北一西南向的鋒區(qū)位于河套北部，十大孔兌剛好位于鋒區(qū)南側(cè)的高能舌中，研究區(qū)假相當(dāng)位溫均在76℃以上，有利于強對流天氣的發(fā)生。17日20時鋒區(qū)南壓，之后暴雨區(qū)假相當(dāng)位溫開始降低并再次成為低值區(qū)。

5結(jié)論

（1）2016年8月16-17日，十大孔兌地區(qū)上空大陸高壓與副熱帶高壓連為一體，有力地阻擋了冷空氣南下，致使自新疆北部切斷低壓底部分裂出來的冷空氣與副高西南邊緣的暖濕氣流在該地區(qū)交匯，為強對流天氣的發(fā)生提供了有利的背景條件。

（2）700 hPa的切變線及其南側(cè)的西南風(fēng)急流為暴雨發(fā)生提供了強有力的動力條件，為此次暴雨的主要影響系統(tǒng)。

（3）850 hPa上來自于南海和西太平洋的南方水汽輸送和來自東邊的水汽輸送在十大孑L兌地區(qū)堆積，加之低中高層一致的上升運動，形成了強度較大的降雨。