內蒙古干旱-半干旱區夏季兩次副熱帶高壓外圍極端暴雨事件分析

劉瀾波，趙志勇，蘇日娜，李 巖，李玫潔，王海軍

（內蒙古自治區包頭市氣象局，內蒙古 包頭 014030）

暴雨是內蒙古夏季常見的災害性天氣，也是預報服務的難點和重點。中國是一個受暴雨災害嚴重的國家，早在20 世紀70 年代，陶詩言對暴雨以及中小尺度系統的天氣學特征及動力學進行過全面的研究，增強了氣象工作者對暴雨天氣系統的認識和預報能力。冉令坤等分析北京2012-07-21 暴雨過程動力因子和預報研究得出，該暴雨由高、低空急流，高空槽、副熱帶高壓、冷鋒、輻合切變線等多個系統共同造成。姜學恭等對一次阻塞型華北對流性暴雨過程進行了診斷分析和數值模擬[1-3]。

2018-07-18T20：00—2018-07-19T20：00，內蒙古極端天氣氣候事件監測系統顯示，巴彥淖爾市烏拉特前旗、包頭市固陽縣、錫林郭勒盟二連浩特市07-19的24 h 降水量達到或超過極端日降水量閾值，出現極端降水事件。包頭市固陽縣日降水量為64 mm ，引發山洪，10 人在此次暴雨災害中死亡；07-23，內蒙古全區大部迎來一次史上罕見的強降雨過程。根據內蒙古極端天氣氣候事件監測系統顯示，20 1 8-0 7-2 2 T20：00—2018-07-23T20：00 鄂爾多斯市杭錦旗日降水量為74.5 mm、包頭市固陽縣日降水量為62.9 mm、阿拉善盟烏斯太日降水量為60.2 mm，日降水量超過極端閾值，出現極端降水事件。在2018 年的極端降水事件中，“7·19”“7·23”這兩次暴雨范圍大、突發性強、影響大，能在一定程度上代表內蒙古中西部的極端降水。本文采用NCEP 再分析資料、自動站降水資料、FY-2C 及FY-2D 衛星云和TBB 資料，對2018年夏季兩次大暴雨過程的環流背景、水汽輸送、動力條件、中尺度對流云團（MCC）等方面進行詳細的對比分析，進一步探尋內蒙古中西部地區極端降水的形成規律，為該地區天氣預報和災害預警研究提供參考。

1 影響系統對比分析

1.1 天氣尺度系統對比分析

暴雨是一定天氣尺度背景下產生的降水[4]。2018-07-19T08：00，200 hPa 上40°N 存在一支風速大于35 m/s 的高空急流，最大風速達40 m/s。2018-07-19 T08：00，500 hPa 環流場如圖1（a）所示。中高緯呈“兩脊一槽”的形式，烏拉爾山和中國河套以東至日本海、以南至華南地區為高壓脊控制，新疆北部有568 dagpm 的冷渦，冷渦底部低槽東移影響河套地區，槽后有明顯的冷平流，與槽前正渦度平流影響下，對流系統發生發展。副高588 dagpm 線西伸北抬至115°E以東、40°N 以北的區域，脊線位于25°N 附近，其外圍的西南暖濕氣流與北部的冷空氣交匯于河套地區。700 hPa 上南海和孟加拉灣的偏南風不斷加強，形成低空急流，河套地區有切變線存在。沿110°E 附近，形成一個明顯的垂向次級環流，而暴雨區處于該次級環流的上升支。

圖1 2018-07-19T08：00、2018-07-23T20：00，500 hPa環流場

2018-07-23T20：00，200 hPa 上43°N 也存在高空急流，與“7·19”過程相比較，強度較大，范圍較大，最大風速為48 m/s。2018-07-23T20：00，500 hPa 環流場如圖1（b）所示。500 hPa 高度場上，中高緯為穩定的“兩脊兩槽”形式，巴爾喀什湖附近是一個中心強度為552 dagpm 的冷渦，并配合-20 ℃的冷中心。新疆西部至河套地區受低槽控制，槽后冷平流加強，使低槽加深發展。副高588 dagpm 線東退至海上形成閉合的高壓中心，位于25°N—43°N、120°E—140°E，臺風外圍的東南氣流給此次暴雨提供豐富的水汽。700 hPa 在河套南部有明顯的風場輻合切變，加之大青山“喇叭口”地形的抬升作用，在大青山沿山一帶出現了大范圍的暴雨天氣。

對比兩次過程的環流場，200 hPa 上均有高空急流，但是風速大小有差異；500 hPa 上前者是“兩脊一槽”的形式，副高有明顯的西進北抬，臺風緩慢地沿西北向路徑移動，后者則是“兩脊兩槽”的形式；700 hPa 上兩次過程均有切變輻合，但是不同之處是前者有低空急流，水汽只有西南氣流，而后者沒有低空急流。

1.2 中尺度對流系統（MCS）對比分析

暴雨與中尺度對流系統密不可分，其內部對流旺盛的β中尺度對流系統常常是暴雨的直接制造者[5]。MCS 是“7·19”暴雨過程中造成短時強降水的直接影響系統，這次暴雨主要經歷兩次合并加強過程：04：00 對流云與北部蒙古國境內的對流云團合并加強，呈東北西南向，至05：00MCS 初顯橢圓狀，南側有明顯的“V”形凹槽存在，河套以北地區北開始出現強降水。06：00—07：00MCS 加強活動，基本覆蓋河套地區山北地區。08：00 開始為MCS 第二次合并加強的過程，與鄂爾多斯西部形成的中尺度對流云團合并，形成列車效應，其南側有明顯的“V”形凹槽存在，此時包頭市楊六圪卜出現大暴雨，07：00—08：00 小時雨強為84.7 mm。10：00 形成一個范圍更大的MCS，河套地區南部開始出現強降水，并維持至17：00。由于下游副高的阻擋作用，降水維持的時間較長，是此次暴雨強度大的主要原因之一。MCS 在河套地區形成加強至移出經歷了14 h。

分析“7·23”暴雨過程發現，04：00—05：00鋒面云系前段不斷形成尺度較小的中尺度對流云團，影響大青山以北地區，06：00—09：00 中尺度對流云團基本維持少動，從10：00 開始減弱。而13：00 開始大青山以南地區開始形成多個對流云團，合并加強，呈東北西南向，河套地區南部地區開始出現降水。到17：00 形成2 個橢圓形的MCS，16：00—17：00 河套地區南部地區石拐區腦包溝村出現53.5 mm/h 短時強降水。19：00，2 個MCS 合并移出河套地區，然而在鄂爾多斯北部又開始形成新的對流云團，加強東移，21：00 形成MCS，2018-07-24T01：00 后減弱移出河套地區[6]。

對比兩次暴雨紅外云圖特征發現，兩次過程均形成MCS，有多個中尺度對流單體合并構成，形成列車效應，有利于暴雨的形成。不同之處為“7·19”暴雨為584 dagpm 線外圍MCS 構成的暴雨，而“7·23”暴雨為鋒面云系、MCS 和臺風云系共同影響造成的暴雨。

1.3 衛星云圖TBB 數據對比分析

TBB 反映對流云團的云頂高度，TBB 負值中心越小，表明MCS 云頂高度越高、對流發展垂直方向越深厚[6]；TBB 負值中心冷云區面積越大，說明對流發展水平范圍越廣，兩者是導致MCS 降水增強的重要原因。07-19T08：00 覆蓋的冷云區TBB 最小值為-68 ℃，最大小時雨強為84.7 mm/h；09：00—10：00，TBB小于等于-60 ℃的冷云區覆蓋自包頭市達茂旗東南部地區，該區域過程雨量均在50 mm 以上。07-23 降水云團TBB 值較07-19 偏高，10：00 大青山北部TBB值為-56 ℃，之后TBB 最小值逐漸增大，16：00—17：00 大青山南部TBB 值為-63 ℃，最大小時雨強為53.5 mm/h。可以看出，兩次暴雨過程中短時強降水與TBB 低值區有很好的對應關系。

1.4 雷達監測特征

據雷達監測，07-19T09：00，鄂爾多斯西北部到巴盟東部呈線狀排列的β中尺度對流單體群發展成熟，每個單體中心的反射率因子均達到50～55 dBz，這在北方干旱區是少見的。同時，河套西南方新生的對流群不斷并入，對流系統擴展至河套東北部，但包頭南部一直是強回波帶。對應衛星云圖上表現為MCS 由初始時刻進入成熟期，在MCS 附近有云頂紅外亮溫TBB小于等于-60 ℃的中-β尺度強對流云團生成和發展，同時MCS 云頂紅外亮溫TBB 小于等于-60 ℃云區面積快速減小。對比分析可以看到，每次強降水出現后，從雷達反射率因子圖上可看到（圈距100 km），在雷達北部100～200 km 處都有強度大于30 dBz 的中-β尺度云團發展，而中-β尺度云團內部又有強度大于45 dBz 的強對流云團生成。

2 動力熱力條件對比分析

2.1 水汽空間分布

將2018-07-19T08：00 水汽通量沿40°N 剖面分析發現，河套地區水汽輻合較強，在暴雨發生區域有強烈的上升運動，沿伸至400 hPa，最大輻合中心值達到108×10-3kg·m-2·s-1，如圖2（a）所示。在比濕場上，有一條從孟加拉灣和南海不斷向河套地區的輸送西南暖濕氣流的水汽通道，出現大暴雨區域的比濕達到14 g/kg。將2018-07-23T20：00 水汽通量沿40°N 剖面分析發現，“7·23”暴雨過程中，河套地區存在一帶狀水汽輻合區，并延伸至400 hPa，最強輻合中心值達到84×10-3kg·m-2·s-1，如圖2（b）所示。在比濕場上，水汽的輸送有兩支，一支源于孟加拉灣和南海的西南暖濕氣流，另一支源于副高后部和臺風外圍渤海、黃海的東南氣流不斷地向河套地區輸送充足的水汽，出現大暴雨區域的比濕也達到14 g/kg。

圖2 2018-07-19T08：00、2018-07-23T20：00水汽通量散度沿40°N 剖面圖

綜上可知，兩次暴雨過程均有強烈水汽輻合，但是“7·23”過程水汽輻合強度明顯低于“7·19”，這也是“7·19”過程降水強度和小時雨強均大于“7·23”過程的重要原因之一。

2.2 渦度條件

圖3（a）為“7·19”暴雨渦度沿40°N 剖面圖，108°N—110°N 上空，700 hPa 出現一個正渦度中心，最大中心值達14×10-5s-1，在此區域有30×10-3hPa 的最大垂直上升速度中心，沿伸值為200 hPa，表明此階段是暴雨發生的最強時段。在散度剖面圖上，108°N—110°N 有較強的輻合中心，高度沿伸值為400 hPa，400 hPa 以上為輻散區，表明中低層輻合，高層輻散。圖3（b）為“7·23”渦度沿40°N 剖面圖，由圖可知，108°N 上空550 hPa 上有正渦度中心，中心值達到12×10-5s-1，并向西傾斜。在散度場上，108°N—110°N 也有較強的輻合中心，高度沿伸至550 hPa，最大輻合中心值達-4×10-5s-1，550 hPa 以上為輻散區，最大輻散中心達8×10-5s-1，這樣的垂直結構有利于強降水的發生。

圖3 “7·19”“7·23”暴雨渦度沿40°N 剖面圖

對比兩次過程的動力條件，發現兩次過程均有較強的正渦度中心和輻合中心，“7·19”過程要比“7·23”過程的強度要高。分析發現最強降水中心與最大正渦度中心、輻合中心的位置略有偏差，暴雨中心均出現在最大正渦度中心、輻合中心的東側。

2.3 不穩定條件

分析07-18T20：00 探空圖可以看出層結有些不穩定，在1 000～500 hPa 風隨高度順轉，有暖平流，高層為一致的西南風，中低層有弱的垂直風切變，有利于對流系統的組織和發展。另外，對流有效位能（CAPE）為1 209.5 J/kg，呈明顯的狹長型分布，其值明顯高于同時間相鄰其他站點。K指數高達40 ℃、沙氏指數為-2.47 ℃，表明層結不穩定。07-19T08：00，θse沿109°E 的剖面圖上，38°N—40°N 有高能舌，最大值達100 ℃。07-23T20：00 探空圖，低層有暖平流，并且濕層比較厚，延伸至300 hPa，表明高溫高濕，CAPE 值達到839 J/kg，抬升指數為-2.86。07-23 T20：00，θse沿109°E 的剖面圖上，在40°N 附近有高能舌，此區域正是暴雨出現的區域，最大值達92 ℃。07-23，θ線在低層700 hPa 及500 hPa 有明顯折角，整層風為順滾流且南風明顯增強，假相當位溫和飽和假相當位溫為準平行，且與T軸準垂直，低層假相當位溫和飽和假相當位溫與T軸呈鈍角；200 hPa 附近超低溫加強（比之前變陡），濕層深厚。

3 結論

對比兩次過程的環流場，200 hPa 上均有高空急流，但是風速大小有差異；500 hPa 上前者是“兩脊一槽”的形式，副高有明顯的西進北抬，而后者則是“兩脊兩槽”的形式。臺風擾動是水汽輸送通道建立的關鍵因素，也是水汽通量輻合的動力因子，暴雨區在水汽通量輻合的峰值區。

兩次暴雨過程均有強烈水汽輻合，但是“7·23”過程水汽輻合強度明顯低于“7·19”，并且在700 hPa上有低空急流，這也是“7·19”過程降水強度和小時雨強均大于“7·23”過程的重要原因。

分析兩次暴雨過程的動力條件發現兩次過程均有較強的正渦度中心和輻合中心，前者要比后者的強度強。另外，分析發現最強降水中心與最大正渦度中心、輻合中心的位置略有偏差，暴雨中心均出現在最大正渦度中心、輻合中心的東側。并且在探空圖上，兩次過程層結均有一定程度的不穩定，“7·19”過程的CAPE 值、K指數、θse等均大于“7·23”過程，因此出現了較強的短時強降水。

分析兩次暴雨過程的紅外云圖特征發現，兩次過程均形成MCS，有多個中尺度對流單體合并構成，形成列車效應，有利于暴雨的形成。不同之處為“7·19”暴雨為584 線外圍MCS 構成的暴雨，而“7·23”暴雨為鋒面云系、MCS 和臺風云系共同影響造成的暴雨。