呼和浩特市典型大到暴雨过程特征分析
2023-01-18孙尚瑜王志楠王智宇乔驿媛
孙尚瑜,刘 杨,王志楠,王智宇,乔驿媛
(1.呼和浩特市新城区气象局,呼和浩特 010000;2.呼和浩特市气象局,呼和浩特 010000;3.吉林省通化市气象局,通化 134000;4.鄂尔多斯东胜区气象局,鄂尔多斯 017000)
0 引言
2021-08-18T13:00—2021-08-19T03:00,呼和浩特市中部发生大到暴雨,局地大暴雨。全市126个雨情站,大暴雨(100~249.9 mm)2个站,暴雨(50~99.9 mm)32个站,大雨(25~49.9 mm)54个站,中雨(10~24.9 mm)30个站,小雨(0.1~9.9 mm)3个站。最大降水量出现在土默特左旗北什轴乡(106.7 mm),最大小时雨强出现在托克托县古城镇云中园18日18:00—19:00(35.9 mm/h)[1]。
1 环流背景
2021-08-18为降水过程日,08:00,500 hPa东亚地区为西低东高型环流背景。长波槽位于贝加尔湖(以下简称贝湖)到中国新疆北部,一脊位于中国东北地区。内蒙古西部到甘肃中部有短波槽分裂东移,副热带高压脊线位于35°N。随着高空槽携带冷空气东移,副热带高压逐渐南落,副高外围偏南水汽通路建立,源源不断将偏南暖湿气流向北输送,冷暖空气在500 hPa和700 hPa槽区交绥,加之地形作用的影响,形成此次呼和浩特市中部大到暴雨、局地大暴雨过程[2-9]。
2 影响系统及环流演变特征
2021-08-17是降水过程预报日,08:00,亚洲大陆呈现两低一高环流形势,冷涡底部分裂,高空槽位于新疆北部,东北冷涡及高空槽即将东移入海,河西走廊有短波槽发展,呼和浩特市位于副高588线内部,受西北气流影响,700 hPa,850 hPa切变线、地面冷锋3层垂直叠置较好,同时配合T-Td≤5 ℃的湿区均位于内蒙古西部,700 hPa,850 hPa均有低空急流建立,偏南风速达12.0 m/s,地面低压生成并位于额济纳旗,中心气压1005 hPa。系统整体移动缓慢,切变线位置稳定少动。
2021-08-17T20:00,500 hPa短波槽略有减弱,东移缓慢,副热带高压明显南落,短波槽前T-Td≤5 ℃湿区移到内蒙古西部,水汽条件逐渐转好,T-Td=2 ℃,但呼和浩特仍受脊内控制,气层较为干燥。700 hPa,850 hPa切变区、地面冷锋均位于内蒙古西部,700 hPa,850 hPa切变区明显加强,地面低压进一步北上发展,低值中心加强。
2021-08-18T08:00,冷涡底部高空槽略有东移南压,短波槽温度场落后于高度场继续发展东移,位于阿拉善盟东部,呼和浩特市受脊内偏西气流控制,700 hPa,850 hPa切变线、地面冷锋3层垂直叠置仍较好,移至呼和浩特市西部与包头交界处,切变线前后低空急流、西北风风速明显加强,系统整体后倾,地面低压北上至贝湖南部,中心气压达1,002.5 hPa,呼和浩特市位于地面低压东南象限,以偏南气流为主。槽前配合大片云区,500 hPa,700 hPa有T-Td≤2 ℃的饱和区,500 hPa比湿达到了4 g/kg。
2021-08-18T20:00,500 hPa短波槽移至阿拉善盟东部,槽前500 hPa,700 hPa,850 hPa,T-Td≤0.2 ℃的饱和区移至呼和浩特市,水汽整层为饱和状态,槽后有干冷平流跟进,副热带高压南落范围进一步缩小。700 hPa低槽进一步加强东移至呼和浩特市,切变辐合仍较强,850 hPa与上游包头均有偏西、偏东“对头”风切变,系统结构转为略前倾,有对流性降水产生。但200 hPa急流开始远离,抽吸作用减弱,偏南风速也明显减小,水汽输送开始减弱。
2021-08-19T08:00,贝湖冷涡底部高空槽缓慢东移,短波槽减弱,500 hPa,700 hPa呼和浩特市受槽后偏西气流影响,T-Td>40 ℃,以干冷的下沉气流为主,降水停止,天空转晴,气温下降,但850 hPa呼和浩特市中部仍存在明显辐合切变,加上前期降水整层湿度较大,白天700 hPa短波槽过境天空转晴,辐射增加,形成上干冷下暖湿的不稳定层结,有利于19日能量积聚产生强对流天气。
从整层来看,2021-08-18T08:00—2021-08-20T08:00,200 hPa均有风速≥60 m/s且长度较短的急流核存在,其辐散抽吸作用对低层减压有利。在500 hPa冷涡底部分裂短波槽槽前暖平流和正涡度平流持续作用下,700 hPa以下低值系统生成并逐步发展东移,850 hPa切变辐合增强向东移动。地面气旋生成逐渐北上加强,呼和浩特市位于地面低压西南象限,暖切变与其上层辐合贯通,后期转为略前倾配置,深对流抬升开始形成,降水强度逐步增大。20:00系统垂直叠置移至呼和浩特东侧之后迅速东移,200 hPa急流核转向东移,抽吸减弱。
3 探空资料特征
2021-08-17T20:00,呼和浩特站、东胜站T-lnP图上,层结指标较稳定,湿层浅薄。18日08:00,呼和浩特站、东胜站湿度条件迅速转好,层结条件显示不稳定,700 hPa以下有较为深厚的湿层,风随高度顺转,有明显的暖湿平流,配合较低的0 ℃层和抬升凝结高度,有利于凝结成云致雨。K指数为34.3,SI为2.42,CAPE值为0.4,从物理量指数来看对流性不强。从高空风分析图看出,风随高度顺转,属暖平流,说明两站均处于天气系统前部暖平流控制区,与14:00—17:00雷达速度图上反映的结果一致。20:00,整层湿度转好,虽然K指数略有增大,但各层层结条件指标仍然较为稳定。19日08:00,呼和浩特站、东胜站湿度迅速降低至700 hPa以下,层结条件指标稳定。从高空风分析图看出,风随高度逆转,属冷平流,说明两站均已处于天气系统后部冷平流控制区,降水结束[10-14]。
4 水汽条件
比湿:8月18日08:00—20:00,700 hPa,850 hPa呼和浩特市以西比湿达到8 g/kg,大值中心在35°N以南。这种比湿区分布反映出700 hPa,850 hPa青海低涡环流东侧偏南、西南水汽通道建立,中低层水汽北推,呼和浩特市及上游有湿舌凸起。随着近于垂直叠置系统东移,湿舌增厚,降水逐步开始。18日15:00比湿达到最大,为13 g/kg,降水强度达到最大。20:00,700 hPa,850 hPa呼和浩特市仍受湿舌控制,但500 hPa已有干冷空气入侵,湿舌减弱,因此,呼和浩特市雨势减小。
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为正值,850 hPa为负值,850 hPa最大负值中心在鄂尔多斯中部38 °N处。呼和浩特市处在正值区或正负值过渡带,辐合辐散作用不显著。8月18日14:00水汽通量散度平面图上,呼和浩特市全境700 hPa水汽通量散度为负值,850 hPa为正值。850 hPa最大负值中心在鄂尔多斯东南38°N处,此处为风向暖式切变区,中心值-42×10-8g/hPa/cm2/s,而呼和浩特市正处在偏东风急流区,风速为18.2 m/s,上游风速较小,仅为8.2 m/s,形成辐散场(正值)。19日00:00,850 hPa负散度中心东移,呼和浩特市西部正散度控制,低层出现水汽通量辐散,降水减弱。
5 动力条件
涡度:8月17日20:00,500 hPa,700 hPa最大正涡度中心在贝湖低涡区,而在高原上有正涡度区形成,反映700 hPa青海低压环流建立和500 hPa短波槽东移。18日08:00,500 hPa,700 hPa最大正涡度中心稳定少动,而高原上500 hPa和700 hPa正涡度区东移北抬并扩展为带状分布,与巴湖正涡度中心连通,表明其为巴湖低涡外围分裂系统东移北抬造成的正涡度区带状分布。
散度:8月18日08:00,呼和浩特市200 hPa为正散度,700 hPa负散度中心在巴盟东部,呼和浩特市也为负散度,垂直来看,是高空辐散抽吸、低层辐合抬升作用在散度平面图上的准确反映,其最大差值达到20×10-6s-1。14:00,最大正散度中心与最大负散度中心明显东移,降水强度达到最大。
从8月18日08:00至8月19日08:00包头到呼和浩特市实况散度时间剖面图上看出,受500 hPa槽前正涡度平流作用,地面低压发展北上,地面辐合线呈西南-东北向,位于呼和浩特市中部,700 hPa低涡底部低槽进一步东移影响,配合低槽前部T-Td≤4 ℃的大湿区,同时,呼和浩特市位于高空急流入口区右侧及低空急流出口区左侧耦合区,高空急流次级环流上升有利于上升运动增强,850 hPa低空急流配合700 hPa低涡前部暖平流作用也有利于地面低压发展加强,配合低空急流风速辐合,有低空天气尺度上升运动的建立,高低空系统叠置,形成高层辐散、底层辐合的动力配置,有强烈的上升运动条件。
6 层结条件
从8月18日08:00—20:00,假相当位温平面图可知,500 hPa,850 hPa均有45~59 K的高能舌外围控制呼和浩特市。从500 hPa,850 hPa温差对比来看,影响日500 hPa与850 hPa温度差值≥-23 ℃,为弱热力不稳定层结,伴随着高层冷空气的不断侵入和底层暖中心的东移,大气的热力不稳定进一步增大,午后气温上升后,大气层结将趋于不稳定。从8月18日至19日20:00 K指数平面图可知,K指数影响日最大正值为18 ℃,属稳定值范围。从8月18日08:00至20日08:00 Si指数平面图可知,Si指数始终为正值,影响日最小值为11 ℃,属稳定值范围。
7 结束语
根据实况资料分析,8月18日08:00至19日08:00是呼和浩特市主要降水时段,18日14:00—20:00雨强增大,1 h雨强达到35.9 mm,20:00以后强降水区移至呼和浩特市东部。此次降水过程从18日11:00开始至19日06:00结束,历时19 h。统计提取降水大值中心、呼和浩特站和林格尔县各降雨时次对应的MICAPS物理量场、T-lnP指标量值,得到副高外围暖湿切变暴雨呼和浩特市地区经验性指标(表1、表2)。
提取降雨各时次各物理量指标数值可以看出,此次暴雨各物理量发展演变与暴雨过程各阶段对应较好:涡度值在降水开始前显著增加,由负涡度转为正涡度,数值由-15转到70;散度由之前的整层正散度辐散转为低层辐合、高层辐散的垂直环流,最大数值由-4转到2,且辐合中心与呼和浩特市降水大值中心对应较好;垂直速度由整层下沉气流转为整层显著上升气流,抬升条件明显转好,相对湿度从17%增加到96%,比湿由1.8 g/kg增大到5.8 g/kg,水汽通量达到9,水汽通量散度达到9,500 hPa与850 hPa假相当位温差达到31,0 ℃层到抬升凝结高度距离较远,有利于水汽凝结成云致雨,形成效率较大的降水,但K指数和Si指数不大,所以未形成明显的对流天气,以过程累积量级较大的稳定性降雨为主。
表1 8月18-19日呼和浩特市中部暴雨过程物理量场个例指标
表2 8月18-19日呼和浩特市中部暴雨过程呼和浩特站及周边站T-lnP图个例指标