呼和浩特市典型大到暴雨過程特征分析

孫尚瑜，劉 楊，王志楠，王智宇，喬驛媛

(1.呼和浩特市新城區氣象局，呼和浩特 010000；2.呼和浩特市氣象局，呼和浩特 010000；3.吉林省通化市氣象局，通化 134000；4.鄂爾多斯東勝區氣象局，鄂爾多斯 017000)

0 引言

2021-08-18T13：00—2021-08-19T03：00，呼和浩特市中部發生大到暴雨，局地大暴雨。全市126個雨情站，大暴雨(100～249.9 mm)2個站，暴雨(50～99.9 mm)32個站，大雨(25～49.9 mm)54個站，中雨(10～24.9 mm)30個站，小雨(0.1～9.9 mm)3個站。最大降水量出現在土默特左旗北什軸鄉(106.7 mm)，最大小時雨強出現在托克托縣古城鎮云中園18日18：00—19：00(35.9 mm/h)[1]。

1 環流背景

2021-08-18為降水過程日，08：00，500 hPa東亞地區為西低東高型環流背景。長波槽位于貝加爾湖(以下簡稱貝湖)到中國新疆北部，一脊位于中國東北地區。內蒙古西部到甘肅中部有短波槽分裂東移，副熱帶高壓脊線位于35°N。隨著高空槽攜帶冷空氣東移，副熱帶高壓逐漸南落，副高外圍偏南水汽通路建立，源源不斷將偏南暖濕氣流向北輸送，冷暖空氣在500 hPa和700 hPa槽區交綏，加之地形作用的影響，形成此次呼和浩特市中部大到暴雨、局地大暴雨過程[2-9]。

2 影響系統及環流演變特征

2021-08-17是降水過程預報日，08:00，亞洲大陸呈現兩低一高環流形勢，冷渦底部分裂，高空槽位于新疆北部，東北冷渦及高空槽即將東移入海，河西走廊有短波槽發展，呼和浩特市位于副高588線內部，受西北氣流影響，700 hPa，850 hPa切變線、地面冷鋒3層垂直疊置較好，同時配合T-Td≤5 ℃的濕區均位于內蒙古西部，700 hPa，850 hPa均有低空急流建立，偏南風速達12.0 m/s，地面低壓生成并位于額濟納旗，中心氣壓1005 hPa。系統整體移動緩慢，切變線位置穩定少動。

2021-08-17T20：00，500 hPa短波槽略有減弱，東移緩慢，副熱帶高壓明顯南落，短波槽前T-Td≤5 ℃濕區移到內蒙古西部，水汽條件逐漸轉好，T-Td=2 ℃，但呼和浩特仍受脊內控制，氣層較為干燥。700 hPa，850 hPa切變區、地面冷鋒均位于內蒙古西部，700 hPa，850 hPa切變區明顯加強，地面低壓進一步北上發展，低值中心加強。

2021-08-18T08：00，冷渦底部高空槽略有東移南壓，短波槽溫度場落后于高度場繼續發展東移，位于阿拉善盟東部，呼和浩特市受脊內偏西氣流控制，700 hPa，850 hPa切變線、地面冷鋒3層垂直疊置仍較好，移至呼和浩特市西部與包頭交界處，切變線前后低空急流、西北風風速明顯加強，系統整體后傾，地面低壓北上至貝湖南部，中心氣壓達1，002.5 hPa，呼和浩特市位于地面低壓東南象限，以偏南氣流為主。槽前配合大片云區，500 hPa，700 hPa有T-Td≤2 ℃的飽和區，500 hPa比濕達到了4 g/kg。

2021-08-18T20：00，500 hPa短波槽移至阿拉善盟東部，槽前500 hPa，700 hPa，850 hPa，T-Td≤0.2 ℃的飽和區移至呼和浩特市，水汽整層為飽和狀態，槽后有干冷平流跟進，副熱帶高壓南落范圍進一步縮小。700 hPa低槽進一步加強東移至呼和浩特市，切變輻合仍較強，850 hPa與上游包頭均有偏西、偏東“對頭”風切變，系統結構轉為略前傾，有對流性降水產生。但200 hPa急流開始遠離，抽吸作用減弱，偏南風速也明顯減小，水汽輸送開始減弱。

2021-08-19T08：00，貝湖冷渦底部高空槽緩慢東移，短波槽減弱，500 hPa，700 hPa呼和浩特市受槽后偏西氣流影響，T-Td>40 ℃，以干冷的下沉氣流為主，降水停止，天空轉晴，氣溫下降，但850 hPa呼和浩特市中部仍存在明顯輻合切變，加上前期降水整層濕度較大，白天700 hPa短波槽過境天空轉晴，輻射增加，形成上干冷下暖濕的不穩定層結，有利于19日能量積聚產生強對流天氣。

從整層來看，2021-08-18T08：00—2021-08-20T08：00，200 hPa均有風速≥60 m/s且長度較短的急流核存在，其輻散抽吸作用對低層減壓有利。在500 hPa冷渦底部分裂短波槽槽前暖平流和正渦度平流持續作用下，700 hPa以下低值系統生成并逐步發展東移，850 hPa切變輻合增強向東移動。地面氣旋生成逐漸北上加強，呼和浩特市位于地面低壓西南象限，暖切變與其上層輻合貫通，后期轉為略前傾配置，深對流抬升開始形成，降水強度逐步增大。20：00系統垂直疊置移至呼和浩特東側之后迅速東移，200 hPa急流核轉向東移，抽吸減弱。

3 探空資料特征

2021-08-17T20：00，呼和浩特站、東勝站T-lnP圖上，層結指標較穩定，濕層淺薄。18日08：00，呼和浩特站、東勝站濕度條件迅速轉好，層結條件顯示不穩定，700 hPa以下有較為深厚的濕層，風隨高度順轉，有明顯的暖濕平流，配合較低的0 ℃層和抬升凝結高度，有利于凝結成云致雨。K指數為34.3，SI為2.42，CAPE值為0.4，從物理量指數來看對流性不強。從高空風分析圖看出，風隨高度順轉，屬暖平流，說明兩站均處于天氣系統前部暖平流控制區，與14：00—17：00雷達速度圖上反映的結果一致。20：00，整層濕度轉好，雖然K指數略有增大，但各層層結條件指標仍然較為穩定。19日08：00，呼和浩特站、東勝站濕度迅速降低至700 hPa以下，層結條件指標穩定。從高空風分析圖看出，風隨高度逆轉，屬冷平流，說明兩站均已處于天氣系統后部冷平流控制區，降水結束[10-14]。

4 水汽條件

比濕：8月18日08：00—20：00，700 hPa，850 hPa呼和浩特市以西比濕達到8 g/kg，大值中心在35°N以南。這種比濕區分布反映出700 hPa，850 hPa青海低渦環流東側偏南、西南水汽通道建立，中低層水汽北推，呼和浩特市及上游有濕舌凸起。隨著近于垂直疊置系統東移，濕舌增厚，降水逐步開始。18日15：00比濕達到最大，為13 g/kg，降水強度達到最大。20：00，700 hPa，850 hPa呼和浩特市仍受濕舌控制，但500 hPa已有干冷空氣入侵，濕舌減弱，因此，呼和浩特市雨勢減小。

水汽通量散度：8月18日08：00，700 hPa以上呼和浩特市以西水汽通量散度為正值，850 hPa為負值，850 hPa最大負值中心在鄂爾多斯中部38 °N處。呼和浩特市處在正值區或正負值過渡帶，輻合輻散作用不顯著。8月18日14：00水汽通量散度平面圖上，呼和浩特市全境700 hPa水汽通量散度為負值，850 hPa為正值。850 hPa最大負值中心在鄂爾多斯東南38°N處，此處為風向暖式切變區，中心值-42×10-8g/hPa/cm2/s，而呼和浩特市正處在偏東風急流區，風速為18.2 m/s，上游風速較小，僅為8.2 m/s，形成輻散場(正值)。19日00：00，850 hPa負散度中心東移，呼和浩特市西部正散度控制，低層出現水汽通量輻散，降水減弱。

5 動力條件

渦度：8月17日20：00，500 hPa，700 hPa最大正渦度中心在貝湖低渦區，而在高原上有正渦度區形成，反映700 hPa青海低壓環流建立和500 hPa短波槽東移。18日08：00，500 hPa，700 hPa最大正渦度中心穩定少動，而高原上500 hPa和700 hPa正渦度區東移北抬并擴展為帶狀分布，與巴湖正渦度中心連通，表明其為巴湖低渦外圍分裂系統東移北抬造成的正渦度區帶狀分布。

散度：8月18日08：00，呼和浩特市200 hPa為正散度，700 hPa負散度中心在巴盟東部，呼和浩特市也為負散度，垂直來看，是高空輻散抽吸、低層輻合抬升作用在散度平面圖上的準確反映，其最大差值達到20×10-6s-1。14：00，最大正散度中心與最大負散度中心明顯東移，降水強度達到最大。

從8月18日08：00至8月19日08：00包頭到呼和浩特市實況散度時間剖面圖上看出，受500 hPa槽前正渦度平流作用，地面低壓發展北上，地面輻合線呈西南-東北向，位于呼和浩特市中部，700 hPa低渦底部低槽進一步東移影響，配合低槽前部T-Td≤4 ℃的大濕區，同時，呼和浩特市位于高空急流入口區右側及低空急流出口區左側耦合區，高空急流次級環流上升有利于上升運動增強，850 hPa低空急流配合700 hPa低渦前部暖平流作用也有利于地面低壓發展加強，配合低空急流風速輻合，有低空天氣尺度上升運動的建立，高低空系統疊置，形成高層輻散、底層輻合的動力配置，有強烈的上升運動條件。

6 層結條件

從8月18日08：00—20：00，假相當位溫平面圖可知，500 hPa，850 hPa均有45～59 K的高能舌外圍控制呼和浩特市。從500 hPa，850 hPa溫差對比來看，影響日500 hPa與850 hPa溫度差值≥-23 ℃，為弱熱力不穩定層結，伴隨著高層冷空氣的不斷侵入和底層暖中心的東移，大氣的熱力不穩定進一步增大，午后氣溫上升后，大氣層結將趨于不穩定。從8月18日至19日20：00 K指數平面圖可知，K指數影響日最大正值為18 ℃，屬穩定值范圍。從8月18日08：00至20日08：00 Si指數平面圖可知，Si指數始終為正值，影響日最小值為11 ℃，屬穩定值范圍。

7 結束語

根據實況資料分析，8月18日08：00至19日08：00是呼和浩特市主要降水時段，18日14：00—20：00雨強增大，1 h雨強達到35.9 mm，20：00以后強降水區移至呼和浩特市東部。此次降水過程從18日11：00開始至19日06：00結束，歷時19 h。統計提取降水大值中心、呼和浩特站和林格爾縣各降雨時次對應的MICAPS物理量場、T-lnP指標量值，得到副高外圍暖濕切變暴雨呼和浩特市地區經驗性指標(表1、表2)。

提取降雨各時次各物理量指標數值可以看出，此次暴雨各物理量發展演變與暴雨過程各階段對應較好：渦度值在降水開始前顯著增加，由負渦度轉為正渦度，數值由-15轉到70；散度由之前的整層正散度輻散轉為低層輻合、高層輻散的垂直環流，最大數值由-4轉到2，且輻合中心與呼和浩特市降水大值中心對應較好；垂直速度由整層下沉氣流轉為整層顯著上升氣流，抬升條件明顯轉好，相對濕度從17%增加到96%，比濕由1.8 g/kg增大到5.8 g/kg，水汽通量達到9，水汽通量散度達到9，500 hPa與850 hPa假相當位溫差達到31，0 ℃層到抬升凝結高度距離較遠，有利于水汽凝結成云致雨，形成效率較大的降水，但K指數和Si指數不大，所以未形成明顯的對流天氣，以過程累積量級較大的穩定性降雨為主。

表1 8月18-19日呼和浩特市中部暴雨過程物理量場個例指標

表2 8月18-19日呼和浩特市中部暴雨過程呼和浩特站及周邊站T-lnP圖個例指標