引发2016年十大孔兑严重山洪的暴雨诊断分析

张荣刚　王金花　靳莉君　张保龙

摘要：利用加密实时雨量观测资料和NCEP再分析資料，对引发2016年8月16-17日内蒙古十大孔兑地区严重山洪灾害的局地暴雨过程进行了诊断分析。结果表明：①此次暴雨天气过程发生在“两槽一脊”的大尺度环流背景下，新疆北部及东北亚上空的切断低压底部不断有冷空气移出，而副热带高压与大陆高压合并形成高压脊阻挡了冷空气的南下，冷暖空气在十大孔兑地区强烈交汇，引发了此次强对流天气；②700 hPa上的切变线和急流加强了气流的上升运动，触发不稳定能量的释放，成为该次暴雨的主要影响系统；③水汽通量、垂直速度场以及假相当位温等物理量场的高低空配置和时空变化与暴雨过程的时空变化十分吻合。

关键词：物理量场；环流形势；山洪；暴雨；十大孔兑；2016年

1引言

在内蒙古境内有10条发源于鄂尔多斯台地、自南向北流经库布齐沙漠汇入黄河干流的10条山洪沟（自西向东依次为毛不拉孔兑、卜尔色太沟、黑赖沟、西柳沟、罕台川、壕庆河、哈什拉川、母花河、东柳沟、呼斯太河），蒙语称为十大孔兑。这些河流基本呈平行分布，流域形态相似，南北狭长，呈羽毛状。河流上游为丘陵沟壑区，植被稀少，地表覆盖有较薄的风成沙，下伏地层有大面积砒砂岩出露，水土流失严重；中游为库布齐沙漠，沙丘呈流动和半固定状态，沙丘之间有较为开阔的低地和河谷阶地，在风力作用下，堆积在河沟两侧的流沙遇洪水即随水流下泄；下游为冲洪积平原，地势平坦，极易遭受孔兑洪水灾害。十大孔兑流域总面积为10 767.0 km2，其中水土流失面积8 361.6 km2。

黄河内蒙古河段地理位置偏北且处于我国西北类型暴雨中心区，也是黄河流域的暴雨极值带。该区域大部分时间受西北气流控制，只有盛夏时的东南季风会带来海洋水汽，形成降水过程。降水量主要集中在7-9月（占全年降水量的60%-70%），降水强度大，常有暴雨发生。观测资料表明，内蒙古木多才当最大24 h降雨量达1 400 mm。暴雨强度大、生态环境脆弱、土壤侵蚀强度大，使得十大孔兑地区极易发生洪涝灾害。山洪暴发时携带大量泥沙尤其是粒径大于0.05 mm的粗泥沙进入黄河，对黄河中下游河道冲淤及防洪造成严重影响。自有观测资料以来，十大孔兑地区曾出现过10次泥沙淤堵黄河的现象，给当地民众生产生活和工农业生产造成重大影响。因此，深入剖析十大孔兑地区2016年8月致洪暴雨发生的物理机制，阐明其主导因子，不仅能够积累非常规资料（指加密实时雨量观测资料）在暴雨天气分析中的应用经验，提高此类天气预警预报的能力，而且还可为完善防洪抢险预警系统提供技术支持。

本文主要采用加密实时雨量观测资料以及美国国家环境预报中心和大气科学研究中心（NCEP/NCAR）提供的同期逐6 h再分析资料（水平分辨率为2.5°×2.5°）进行分析。

2降雨实况

2016年8月16日22时至17日24时，十大孔兑地区出现了局地暴雨天气过程。据加密实时雨量观测资料，该区域内有60个观测站的过程降雨量大于50mm，其中有37个观测站的过程降雨量超过100 mm，主要集中在罕台川、西柳沟、黑赖沟、卜尔色太沟和东柳沟，而暴雨中心则位于西柳沟流域和罕台川流域，其过程降雨量超过200 mm（见图1），致使西柳沟流域把口站——龙头拐水文站17日14时50分洪峰流量达到3 000 m3/s（见图2），为1963年有实测资料以来第4位（历史最大洪峰流量为6 940 m3/s，1989年7月），重现期接近20 a。

3大尺度环流背景和影响系统分析

从500 hPa高度场（见图3，图中36、46为风场标尺）上看，8月16-17日亚洲中纬度地区为两槽一脊经向型环流。在我国新疆北部和东北亚上空均是切断低压且稳定少动，而在贝加尔湖南部则为高压脊。副热带高压西伸北抬，与大陆高压连为一体，对西路冷空气形成阻挡。十大孔兑地区位于副高的西南边缘，暖湿气流异常强盛。同时，从新疆北部切断低压底部分裂出来的冷空气到达该区与暖湿气流交汇，形成了十分有利的降水形势。

在700 hPa风场上，16-17日在河套地区存在一条稳定切变线，并在切变线南侧出现西南风急流，急流轴的末端指向十大孔兑地区。16日8-20时以东一西向的暖式切变为主，十大孔兑地区处在切变线北侧偏东气流中。17日8时，切变线南侧的西南气流有所加强。急流中心风速从12-14 m/s加大到14～16 m/s。同时，切变线略有北抬并转为东北一西南向，十大孔兑地区处在切变线东南侧的西南气流中。17日20时，切变线位置少动，但西南风已明显减弱。至18日8时，切变线已完全移出十大孔兑地区，该地区转为受切变线西侧偏北气流控制。850 hPa风场的系统演变与700 hPa风场的相似。

由此可见：500 hPa上切断低压底部不断有冷空气移出。副高与大陆高压合并形成高压脊，阻挡了冷空气南下，使得冷暖空气在十大孔兑地区强烈交汇，继而造成了该区域的暴雨；低层切变线和急流是此次暴雨的主要影响系统，两者的稳定维持为暴雨的形成提供了充足的水汽和动力条件。

4物理量场诊断分析

4.1水汽条件分析

水汽的输送和积聚是形成降雨的条件之一。源源不断的水汽输送和强水汽堆积是暴雨发生不可缺少的重要因素。图4（图中26为水汽通量标尺）为此次暴雨发展过程中850 hPa上的水汽通量演变情况。由图4可知：16日8时黄河中上游以南方水汽输送为主，水汽主要来自于南海和西太平洋。在河套地区还存在来自东边的水汽输送，这与低层天气形势一致。水汽通量最大的地区位于十大孔兑以西的石嘴山附近。之后，随着西风槽东移以及副高南侧的西南气流发展并加强，低层水汽通量也开始增大；17日8时十大孔兑水汽通量达到最大，中心值超过14 g·hPa/（s·am）。进一步对水汽通量散度的变化进行分析可发现，暴雨发生前，水汽通量辐合区位于十大孔兑地区西南侧，随着降水系统的发展和东移，水汽通量辐合区开始向东北扩展，十大孔兑地区水汽通量辐散开始减弱，17日8时水汽通量散度转为负值，且大部地区在-3×10-5g/（m2·s）以下。

4.2动力条件

从图5可知：16日8时十大孔兑处大气中低层气流为弱上升运动，高层为下沉运动，有利于对流天气的发展。降雨开始后，上升气流显著增强并向上延伸，16日20时在中层500 hPa附近出现上升运动的高值区。随着不稳定能量的不断释放，上升运动区进一步向高空扩展。17日8时，研究区850 hPa以上至100 hPa为一致的上升运动，最大上升运动中心位于700 hPa附近。之后，上升运动开始减弱并重回低值。散度的变化与垂直速度的变化基本一致。暴雨发生伊始，十大孔兑地区中低层表现为弱辐合，高层表现为辐散，有利于高层大气的“抽吸”，从而导致垂直上升运动进一步发展和加强，反过来又使得低层辐合继续加大，在17日8时中低层大气辐合的高度和强度均达到最大，从17日20时开始，低层辐合中心强度有所减弱，辐合高度也随之降低，暴雨过程渐趋于结束。

4.3不稳定能量

假相当位温可用来描述大气层结的稳定度，尤其是850 hPa假相当位温的变化对暴雨预报有较好的指示意义。图6为16-17日暴雨区假相当位温的演变情况。从图6可知：16日8时十大孔兑位于假相当位温的低值区，大部地区假相当位温在68℃以下，而在其南侧则是假相当位温的高值区，对应着低层强盛的西南气流。之后，假相当位温的高值区明显向东北扩展，这与西风槽东移以及西南暖湿气流加强北上有关。16日20时（图略），研究区的假相当位温已达到72℃。冷暖空气的剧烈交汇加剧了能量锋区强度的变化，从17日8时的假相当位温图（图6（b））上看，东北一西南向的锋区位于河套北部，十大孔兑刚好位于锋区南侧的高能舌中，研究区假相当位温均在76℃以上，有利于强对流天气的发生。17日20时锋区南压，之后暴雨区假相当位温开始降低并再次成为低值区。

5结论

（1）2016年8月16-17日，十大孔兑地区上空大陆高压与副热带高压连为一体，有力地阻挡了冷空气南下，致使自新疆北部切断低压底部分裂出來的冷空气与副高西南边缘的暖湿气流在该地区交汇，为强对流天气的发生提供了有利的背景条件。

（2）700 hPa的切变线及其南侧的西南风急流为暴雨发生提供了强有力的动力条件，为此次暴雨的主要影响系统。

（3）850 hPa上来自于南海和西太平洋的南方水汽输送和来自东边的水汽输送在十大孑L兑地区堆积，加之低中高层一致的上升运动，形成了强度较大的降雨。