阿榮旗短時強降水的環流背景和物理量場特征分析

趙岳冀，陳高娃

1.呼倫貝爾市氣象局，內蒙古呼倫貝爾 021000；2.阿榮旗氣象局，內蒙古呼倫貝爾 162750

阿榮旗短時強降水天氣常會造成災害，汛期時有短時強降水天氣發生。短時強降水是指1 h雨量≥20 mm，會造成城市內澇、山體滑坡、泥石流等災害，對人民生命財產常造成威脅。

短時強降水天氣具有天氣空間尺度小、生命史短、突發性強、破壞力大、預報難度大等特點[1-2]。研究表明，強降水所需要的條件包括強的降水效率、強的上升氣流、大的水汽混合比以及長的持續時間[3-4]。因此，研究阿榮旗短時強降水天氣的發生發展規律，提高短時強降水天氣預報準確率和預警時間提前量，對提高短時強降水天氣監測預報業務能力、減輕氣象災害損失有重要的支撐作用[5-6]。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料

使用資料為阿榮旗2015年～2020年逐時降水量和NCEP資料數據。環流形勢使用500 hPa、700 hPa和850 hPa高度場、風場和溫度場，分析圖均為發生短時強降水前最近的實況圖。分析比濕、水汽通量散度和整層可降水量、垂直速度、散度和CAPE、θSE850-θSE500和K指數等物理量因子，各物理量值選取時間為每個短時強降水過程發生前最近的時間。

1°×1°的NCEP/NCAP資 料：溫度、相對濕度、比濕、風場、垂直速度、散度(直接下載數據)計算出水汽通量散度、假相當位溫、500 hPa和850 hPa的θse差、K指數值分析短時強降水發生時的物理量。表1為本研究中分析的物理量因子，各物理量值選取時間為每個短時強降水過程發生前最近的時間。

表1 影響系統指標

1.2 方法

(1)水汽通量散度(A)[2]

(2)假相當位溫

計算公式[3]為：

式(2)中TK、p、q分別為起始面上絕對溫度(K)、氣壓(hPa)、比濕(g/g)，TL為凝結高度的絕對溫度計算公式為：

(3)K指數

(4)指標離散程度

通過應用統計學方法，計算指標物理量的有關統計量，主要統計了各物理量的平均值、標準差和變異系數(變異系數可以表征指標離散程度)。

平均值：

式中：數據為i=1,2,3…,N個xi數據組成

標準差：[4]

1.3 統計分析

使用辦公軟件進行數據處理及編寫，GrADS軟件分析1°×1°的NCEP/NCAP資料。

1.4 各類災害性天氣定義及普查標準

各類災害性天氣標準根據有關氣象災害國家標準、行業標準、地方標準、團體標準確定。短時強降水是指1 h降水量≥20 mm的降水過程。當國家站或區域站單站出現短時強降水，記為短時強降水個例的開始時刻；當國家站或區域站單站出現短時強降水，但連續12 h或以上沒有出現短時強降水，記為短時強降水個例結束時刻。開始時刻和結束時刻內的國家站或區域站出現的短時強降水定義為1次強降水個例[7-8]。

2 短時強降水時間變化特征

統計2015—2020年阿榮旗的短時強降水年際變化發現，2018年發生短時強降水次數最多，總計為20次；其次為2019年，總計數為18次；呈現單峰式，出現次數從2015年逐漸上升，2018年達到最多，之后逐漸減少。

2015—2020年，阿榮旗短時強降水次數逐月呈單峰式分布，峰值出現在7月，出現次數為32次；8月次之，出現次數為23次；其次為6月，出現次數為22次；9月最少，出現次數為7次，分布特征與阿榮旗主汛期時間吻合。6—8月，東北冷渦活動頻繁，東移南下的冷空氣與暖氣團交匯觸發不穩定能量釋放，冷渦對應的地面氣旋前后易產生對流性天氣，產生短時強降水。隨著副熱帶高壓北抬，華北、東北進入雨季，也為阿榮旗短時強降水的發生提供了環境條件。

阿榮旗短時強降水日變化呈現雙峰型，最大峰值集中出現在15:00～17:00，最高出現頻次是在17:00，其次是在16:00。午后，地面積累大量太陽短波輻射，近地面溫度快速升高，出現短時強降水；夜間地面發射長波輻射，凈輻射能減少，近地面氣溫逐漸降溫；日出后，太陽短波輻射不斷加熱大氣和地面，大氣層自上而下逐步升溫，當高層溫度高于底層則會形成逆溫，若有擾動出現會觸發逆溫層聚集的能量，產生局地對流，如果伴隨一定的水汽則容易產生短時強降水。09:00～10:00是一天中出現短時強降水最少的時段。各個小時降水量量級的日變化和短時強降水發生的日變化規律一致，各量級都是在13:00～19:00出現的頻次最高，09:00～10:00最低。

3 短時強降水過程環流背景和物理量場特征

研究表明，內蒙古強對流天氣，通常會出現短時強降水、雷雨大風和冰雹等災害性天氣[9-10]。選取在阿榮旗造成災害較多的短時強降水和冰雹天氣為研究對象，分析造成阿榮旗短時強降水的高空和地面形勢(表1)，結果如下：200 hPa影響系統中，約一半(44%)過程伴有高空急流；500 hPa影響系統主要有冷渦(包括冷渦中心、冷渦前部、冷渦頂部、冷渦底部)、低渦(低渦中心、低渦前部)、槽(包括高空槽、槽前、槽后)；850 hPa影響系統主要有切變線(48%)、低渦(24%)、冷渦(8%)、低空急流(9%)、風速的輻合(11%)；地面影響系統主要有低壓(40%)、鋒面氣旋(25%)、倒槽(25%)、均壓區(10%)。

4 不同影響系統強降水特點

以500hPa影響系統作為分類依據，結合個例，分別分析冷渦型短時強降水、低渦型短時強降水、槽型短時強降水、副熱帶高壓型短時強降水的特點。

4.1 冷渦型

2018年7月11日23:00，阿榮旗境內5個鄉鎮出現了降水量超過20.0 mm的短時強降水。從2018年7月11日20:00，200 hPa環流形勢看，阿榮旗位于急流出口區左側的位置，該地高層強輻散的抽吸作用為強降水的發生提供了條件；從500 hPa環流背景看，阿榮旗位于冷渦前部偏南風控制，同時東海渤海一帶的高空槽位于冷槽前部，為強降水發生地輸送暖濕氣流；從850 hPa環流背景看，阿榮旗受低渦前部偏南風控制，來自南部洋面的暖濕氣流會不斷對其輸送水汽；從地面形勢看，阿榮旗受偏南風控制，有充足的暖濕空氣補充涌入，此時地面高壓剛移出不久，冷暖空氣交匯，暖空氣爬升，增加了層結不穩定性。

4.2 低渦型

2018年6月5日11:00，在高空低渦影響下，阿榮旗出現了短時強降水。從2018年6月5日08:00高空200 hPa環流形勢可以看到(圖略)，中高緯度阻塞形勢、西伯利亞為阻塞高壓，阿榮旗位于切斷低壓控制。500 hPa環流形勢與200 hPa環流形勢一致，中高緯度阻塞形勢、西伯利亞為阻塞高壓，阿榮旗位于切斷低壓控制。850 hPa阿榮旗受低渦控制，從高低空配置可以看出，低渦發展較深厚，阿榮旗位于低渦前部偏南氣流控制中，偏南氣流自渤海延伸至阿榮旗，有利于水汽的輸送。

4.3 槽型

2016年7月17日16:00，阿榮旗境內2個區域站出現降水量超過20.00 mm的短時強降水，此次短時強降水是在高空槽影響下發生的。根據2017年7月17日14:00環流背景(圖略)可以看出，從300 hPa環流形式形勢看，阿榮旗位于急流區左側位置，利于垂直運動；從500 hPa環流形勢看，55°N以北冷渦系統控制，55°～30°N兩脊一槽，貝加爾湖和鄂霍次克海為高壓脊，阿榮旗位于槽區；從850 hPa環流形勢看，阿榮旗受低渦前部控制，風輻合場；從地面氣壓場看，阿榮旗位于低壓前部。

4.4 副熱帶高壓型

2018年8月3日02:00，阿榮旗紅花梁子村(C0046)、阿榮旗那吉屯農場場部(C0182)、阿榮旗新發鄉(C0186)、阿榮旗新發鄉唐王溝水庫(C0184)，1 h降水量分別為25.70、22.50、29.80和22.50 mm。

根據2018年8月3日08:00高空200 hPa環流形式形勢(圖略)可以看出，中高緯度兩槽一脊，烏拉爾山和鄂霍次克海為高壓槽，呼倫貝爾市為脊；500 hPa環流形勢與200 hPa環流形勢相一致(圖略)，中高緯度兩槽一脊，烏拉爾山和鄂霍次克海為高壓槽，呼倫貝爾市為脊，副熱帶高壓北界脊線位置已北抬至45°N附近。700 hPa(圖 略)和850 hPa(圖略)呼倫貝爾市存在切變線，從高低空配置可以看出，嶺東地區位于副熱帶高壓脊前部偏南氣流控制中，偏南氣流自渤海延伸至呼倫貝爾市，有利于水汽的輸送。

5 物理量場

產生強對流天氣的基本條件包括水汽條件、不穩定層結條件和抬升觸發機制[11-12]。其中，水汽條件所起的作用不僅是提供成云致雨的原料，而且它的垂直分布是影響穩定度的重要因子。本文選取的主要水汽因子物理量包括比濕、整層可降水量和水汽通量散度。

水汽因子的總體特征表明(表2)，短時強降水發生時850 hPa和700 hPa平均比濕分別6.0和9.5 g/kg，范圍值分別為5.0～10.1和6.4～12.3 g/kg。850 hPa和700 hPa比濕變異系數較小，這表明短時強降水發生時，指標物理量相對集中，對發生短時強降水有很好的指示意義。整層可降水量平均值20.50 mm，范圍值為23.10～49.90 mm，異系數僅0.3，產生短時強降水有較好的指示意義[13-14]。雖然表征水汽集中程度的水汽通量散度低層有較好的水汽輻合，但是強輻合中心高度不一致，導致700 hPa和850 hPa變異系數較大。

表2 短時強降水過程各物理量因子平均值、標準差和離散程度

(1)動力因子：從表2可以看出，短時強降水時存在上升運動，只是每個過程大值中心出現位置不同，變異系數較大。散度低層輻合不明顯、高層有較好的輻散場，總體上利于上升運動的加強，并且各層的變異系數較大。雖然從動力因子離散程度看，變異系數均較大，短時強降水的指示意義相對有限，但是從高低層垂直速度值看，均有較強的上升運動；散度高低層值看，高層較強的輻散，抽吸作用利于加強垂直運動。

(2)不穩定因子：θSE850-θSE500大 氣中層結潛在不穩定，暴雨落區一般在差值0～15 K之間[15-16]。從表3可以看出，本文選取的不穩定因子K指數和θSE850-θSE500的變異系數較小，離散程度小，對產生短時強降水有相對很好的指示意義；CAPE值變異系數較大，對產生短時強降水指示意義還相對有限。