石嘴山“9.1”山洪灾害降水极端性及天气学成因分析

杨 寅，包红军*，林 建

（1.国家气象中心，北京 100081；2.中国气象局-河海大学水文气象研究联合实验室，北京 100081）

山洪是指发生在山区沟道中迅速、强烈的地表径流现象，具有爆发突然、历时短、破坏强的特征。2018 年9 月1 日，宁夏回族自治区石嘴山市发生山洪，02：50 造成王泉沟天然气管道冲断，严重影响当地工业生产和居民生活。事实上，石嘴山属山洪灾害高发区，每年都有山洪灾害发生。其中，2012 年7 月和8 月连续发生两次山洪，共造成10 人死亡，5 人受伤[1—2]。

降水总量大，特别是短历时强降水容易在山丘区引发山洪灾害。由于西部地区往往缺乏能够准确描述山洪灾害的气象和水文观测资料，分布式水文模型和水位/流量反推等效果有限[3]。目前，石嘴山地区山洪灾害研究主要集中于天气学成因。方宁莲等[4]指出石嘴山暴雨主要发生于6—8 月份，多形成在“东高西低”环流背景下，以副热带高压外围5 840 gpm特征线附近出现概率最大。王晖等[5]发现诱发山洪灾害大暴雨与200 hPa 高空急流、500 hPa 短波槽及700 hPa 切变线发展和变化密切相关。其中，切变线、低空急流是主要影响系统。周翠芳等[6]认为大风沟山洪是由北部冷空气与西太平洋副热带高压（以下简称“副高”）的高能、高湿区相互作用激发强对流，出现短时强降水而诱发。

山洪灾害通常由高强度降水诱发，降水极端性研究对山洪灾害预警也具有重要意义。在重现期、极端降水指数等各种评估极端降水事件的方法中，百分位数法以适用于偏态分布数据的优点而应用广泛。黄丹青等[7]提出超过累积频率90%的降水为极端事件，陈东辉等[8]将第95%百分位值的降水量值定义为北京市极端降水阈值，迟潇潇等[9]则使用99%百分位值定义确定我国极端降水，以上研究对利用百分位数法评估诱发山洪灾害的降水极端性做出了启示。降水极端性评估需要观测数据支撑，但降水分布具有很强的局地性，同时我国西部地区气象观测站网密度低，观测往往无法代表降水真实情况，学者们利用卫星和雷达资料，结合降水观测，通过最大似然合成、Reynolds 融合算法等技术研发了定量降水估测产品，对观测稀疏或无资料地区降水进行估计。

研究首先使用自动气象站观测分析诱发石嘴山“9.1”山洪灾害的降水时空分布特征，其次基于定量降水估测（QPE）数据，利用百分位数法评估诱发山洪灾害的降水极端性，最后运用再分析资料和雷达探测分析降水的天气学成因，希望能为宁夏地区山洪灾害预警提供参考。

1 研究资料与方法

石嘴山市位于宁夏回族自治区北部，年平均降水量在167.5～188.8 mm，境内贺兰山为石质山，植被覆盖稀疏，山石裸露，土壤蓄水能力差，径流形成方式以超渗产流为主[10]。根据山洪灾害点位置，研究利用1∶5 万数字高程（DEM）数据，通过地理信息系统（GIS）方法提取山洪沟信息。结果表明，山洪沟流域面积约25 km2，流域内有1 个自动气象站（编号891739），该站位于山洪灾害点上游，其观测可以代表山洪沟降水情况。

研究使用的观测资料为自动气象站观测和雷达探测，再分析资料为欧洲中期天气预报中心EC-ERA 数据（水平空间分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率1 h）。定量降水估测数据选用国家气象信息中心制作的中国区域0.1°×0.1°逐小时降水量融合产品。该数据基于自动站降水观测和CPC MORP Hing Technique（CMPRPH）卫星反演降水资料，采用概率密度匹配和最优插值方法处理。评估表明，该产品的24 h 累积降水量误差区域性特征不明显，平均误差-0.035 mm，相关系数0.908，与实际降水接近[11]。

百分位数法是目前降水极端性研究中一种应用广泛的方法，百分位数越大，对应的降水数值越大，降水极端性程度越高。具体方法：将降水量按照数值升序排列X1，X2，X3，…，Xm，…，Xn，则某一值小于或等于Xm的概率为[12]

式中，m 是Xm的序号；n 是降水序列长度；P 是概率。对给定的概率值P 可以计算出对应的降水量阈值。

2 降水分析

2.1 降水观测分析

2018 年9 月1 日08：00（北京时间，下同）山洪灾害点周边地区24 h 累积降水量观测见图1。由图1 可知，降水空间分布局地性特征明显，石嘴山南部及其以南的宁夏中部地区降水以小到中雨为主；石嘴山北部及其毗邻的内蒙古自治区乌海和阿拉善盟地区量级为中到大雨，部分地区暴雨，有2 个观测站出现大暴雨。其中，一个为山洪沟内891739 气象站。分析前期降水情况，石嘴山地区灾害发生前5 天累积降水量为小雨，降水仅出现在8 月29 日。因此，前期降水对该次山洪灾害的贡献度低，灾害诱因为当日大暴雨。

图1 2018 年9 月1 日08：00 自动气象站24 h 累积降水量观测分布图

2018 年8 月31 日08：00 至9 月1 日08：00 期间891739 自动气象站逐小时和累积降水量观测见图2。由图2 可知，24 h 累积降水量为104.1 mm，降水集中发生在山洪灾害发生前3 h，即9 月1日00：00—03：00，时段内连续出现短时强降水（＞20 mm/h），小时降水量最大强度为39 mm/h，平均降水量30.3 mm/h。降水持续时间短，但累积量大，小时和平均降水强度明显，再结合贺兰山区下垫面条件，进而诱发石嘴山“9.1”山洪灾害。

图2 2018 年8 月31 日08：00—9 月1 日08：00 891739 自动气象站逐小时和累积降水量分布图

2.2 降水极端性分析

石嘴山“9.1”山洪灾害中，山洪沟内自动气象站投入运行时间短，观测数据序列不长，周边基本气象站均位于平原地区且距离30 km 以上，不能体现降水局地性特征，无法用于诱发该次山洪灾害的降水极端性评估。研究以中国区域小时降水量融合产品为数据源，通过百分位数法构建定量降水估测产品24 h 累积降水量典型百分位值数据集（以下简称“QPE 百分位值数据集”），分析诱发石嘴山“9.1”山洪灾害降水的极端性。

考虑到中国区域小时降水量融合产品从2008年起发布，石嘴山地区山洪灾害均发生在夏季，研究选择2008—2019 年共计12 年5—9 月份期间24 h累积降水量大于等于0.1 mm 的数据为样本，分别计算QPE 百分位值数据集在50%，75%，90%，95%，97.5%，100%等典型百分位值的24 h 累积降水量。为验证QPE 百分位值数据集的质量，研究额外计算了灾害点周边距离最近的石嘴山、惠农、平罗3 个国家基本气象站相同时间序列的百分位值数据。表1是2 种数据结果对比，QPE 百分位值数据集在50%，75%等典型百分位值的降水量与实际观测接近，二者误差在10%以内，表明QPE 可以替代实际观测用于降水极端性评估。石嘴山“9.1”山洪灾害过程中，山洪沟内891739 气象站降水量为104.1 mm，相同位置上QPE 百分位值数据集97.5%和100%值的降水量分别是31.9 mm 和63.6 mm，实际降水量超过97.5%百分位值的3 倍，同时约为100%百分位值（即降水量极大值）的1.6 倍，可见该次降水具有很强的极端性。

表1 融合降水产品和基本气象站观测在石嘴山等站的24 h累积降水量典型百分位值对比

研究额外对比了石嘴山、惠农、平罗3 个国家基本气象站观测数据在2008—2017 和1988—2017 年（即10 年和30 年）2 种时间序列的24 h 累积降水量典型百分位值数据（表略）。结果表明，除100%极大值外，两种数据在50%，75%，90%，95%，97.5%等百分位值的24 h 累积降水量差异均不明显，利用该QPE 百分位值数据集评估降水极端性的方法是可行的。

3 天气学成因分析

2018 年8 月31 日20：00 探空观测的环流形势分析见图3。由图3 可知，500 hPa 高度场上欧亚中高纬度地区“东高西低”特征显著，东北地区和内蒙古东部受高压脊控制，新疆东部地区受高空槽影响，槽前另有分裂短波槽东移影响西北地区中北部。西太平洋副高5 880 gpm 特征线北界位于甘肃东部—陕西中部—山西南部，5 840 gpm 特征线位于甘肃中部—内蒙古中部偏北地区，宁夏石嘴山地区受到副高系统影响，700 hPa 高度上甘肃南部存在低涡系统，石嘴山受低涡东北侧偏南风与偏东风的切变影响。此外，200 hPa 上石嘴山市位于南亚高压东侧的气流辐散区，850 hPa 处于偏南风的风速辐合带中。高层辐散、低层辐合的大尺度环境场易形成深厚的上升运动，结合副高系统高温高湿的热力和水汽条件，容易触发对流天气。

图3 2018 年8 月31 日20：00 高空环流形势分析图

明显降水时段开始前，2018 年8 月31 日23：00 EC-ERA 再分析数据的整层可降水量（TPW）、850 hPa 风场和水汽通量分布见图4。由图4 可见，宁夏中北部平原地区处于TPW 高值区内，山洪灾害点位置数值约为47 mm，本地水汽含量充沛。超过14 g/（cm·s）的水汽通量大值区位于宁夏中北部平原地区，说明有明显水汽由南向北输送。随着降水时段临近，水汽通量大值区逐渐往北延伸，并且在降水持续过程中，这种由南向北的水汽输送形势稳定维持。本地水汽含量明显，同时有明显水汽输送维持，为石嘴山降水提供了理想的水汽条件。此外，对流层低层850 hPa 上宁夏北部位于偏南风的风速辐合带中，山洪灾害点位于低空急流出口区左侧前方，形成了有利的辐合上升动力条件。

图4 2018 年8 月31 日23：00 整层可降水量与850 hPa 风场和水汽通量分布图

诱发山洪灾害的短时强降水持续期间，9 月1 日02：00 沿山洪灾害点的风场、垂直速度和比湿场剖面见图5。由图5 可知，灾害点区域整层上升运动强烈且发展深厚，地面至500 hPa 的垂直速度大于0.8 Pa/s，600 hPa 最大值超过1.2 Pa/s。此外，对流层中低层水汽含量高，600 hPa 以下比湿大于10 g/kg，最大值超过13 g/kg。上升运动发展强烈，同时中低层比湿明显，为强对流出现提供了理想的动力和水汽条件。

8 月31 日22：00 850 hPa 与500 hPa 温差（T850-500）分布见图6，石嘴山所在的宁夏北部地区超过21 ℃，宁夏中南部和甘肃南部地区超过22 ℃，说明以上地区大气层结存在不稳定性，具有对流发生潜势。明显降水开始前，石嘴山地区850 hPa 存在暖湿的偏南气流，500 hPa 高空槽前存在冷平流，低层增温，高层降温，导致大气层结不稳定性逐渐增加。对比分析9 月1 日00：00 与8 月31 日22：00 T850-500变化可以发现，宁夏大部、甘肃南部和陕西西部等地T850-500随时间逐渐增加，表明上述地区的大气层结不稳定性逐渐增强，更易于对流触发。

图5 2018 年9 月1 日02：00 沿山洪灾害点的风场和垂直速度场垂直剖面图

图6 2018 年8 月31 日22：00 850 hPa 与500 hPa 温差分布图

综上，石嘴山地区受南亚高压、副高、短波槽、低涡等系统共同影响，垂直上升运动发展强烈，中低层比湿明显，并有持续水汽输送，同时大气层结具有不稳定性，以上因素最终触发对流产生短时强降水。

图7 8 月31 日21：00—9 月1 日00：20 雷达回波基本反射率分布图

4 雷达探测分析

利用银川市天气雷达观测数据分析8 月31 日21：05—9 月1 日03：00 山洪沟连续短时强降水成因。雷达回波基本反射率及其随时间演变情况见图7。雷达站以东地区21：05 有对流云团生成，之后云团沿着与贺兰山脉平行的方向由南向北移动，移动过程中对流云团的回波强度和面积不断增大，最终在00：20 左右影响山洪沟，回波反射率最大值超过50 dBZ，垂直液态水含量最大值超过8 kg/m2。进一步分析沿山洪沟的雷达基本反射率回波垂直剖面（图8），回波顶高超过8 km，大值区域集中在6 km以下，并在3.5 km 高度存在最大值超过50 dBZ 的强反射率因子核心，低质心特征明显。雷达回波基本反射率极大值超过50 dBZ，垂直液态水含量明显，并且呈低质心结构，说明对流发展旺盛，降水强度很大。

图8 9 月1 日00：20 雷达回波基本反射率沿山洪沟区域剖面图

9 月1 日02：00—03：00，雷达回波上先后有2个对流云团在山洪沟产生短时强降水。这些云团均是在平原地区生成后，沿贺兰山脉由南向北移动发展的（图略）。雷达回波监测对石嘴山市山洪灾害预警具有参考意义，当石嘴山以南地区的对流云团出现由南向北的移动轨迹时，需要考虑未来可能受移动的对流云团影响发生山洪灾害。

5 结论与讨论

针对2018 年宁夏石嘴山“9.1”山洪灾害，研究使用自动气象站观测、雷达探测、EC-ERA 再分析资料和中国区域小时降水量融合（QPE）产品分析降水极端性和天气学成因。结果表明，诱发山洪灾害的大暴雨具有持续时间短，累积降水量大，小时和平均降水强度明显的特征。研究利用百分位数法建立了QPE 产品24 h 累积降水量的典型百分位值数据集，揭示了诱发该次山洪灾害的降水是数据集97.5%百分位值的3 倍，并且是100%值的1.6 倍，具有明显的极端性特征。

天气学分析表明，石嘴山“9.1”山洪灾害是“东高西低”的环流形势中，受南亚高压、西太平洋副热带高压、500 hPa 短波槽、700 hPa 低涡等系统影响，高层辐散、中低层辐合引起整层深厚上升运动的动力条件下，在大气层结不稳定和中低层比湿含量显著，以及由南向北水汽输送明显的环境场中触发多个中尺度对流云团连续产生短时强降水诱发的。对流云团具有沿贺兰山由南向北运动的轨迹，发展旺盛，雷达回波具有低质心特征，基本反射率极大值超过50 dBZ，垂直液态含水量大于8 kg/m2。

该研究未来将使用更多的山洪灾害个例，建立基于定量降水估测数据的山洪降水极端性定量分析百分位值产品。中国区域小时降水量融合产品在小时降水强度超过8 mm/h 后误差超过30%，未来将尝试利用频率匹配等方法订正数据，进一步建立小时降水极端性分析产品。