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

气象水文海洋仪器 2022年4期

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。