2020年石嘴山市一次暴雨过程的诊断分析

2023-03-04薛佩珍牛宏宇杨艳红

农业灾害研究 2023年1期

薛佩珍，顾宁,3*，牛宏宇,3，杨艳红,3

1.宁夏石嘴山市气象局,宁夏石嘴山 753000；2.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏银川 750002；3.宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏银川 750002

在宁夏，暴雨的季节存在明显的变化，且空间分布由东南向西北逐渐递减。近年来，宁夏气象工作者对宁夏的暴雨天气过程做了大量研究。纪晓玲、冯建民、穆建华等[1]利用宁夏自动气象站观测数据、闪电定位信息、雷达回波、卫星云图等气象资料，分析了2008年7月18，间石炭井短时暴雨天气过程。结果表明：蒙古高压与大陆高压之间的低值系统与横切变的辐合抬升作用，配合冷空气入侵释放能量，使宁夏北部出现短时强雷雨天气。赵光平等[2]利用动力相似过滤预报方法建立了宁夏暴雨动力相似过滤预报系统。桑建人等[3]选取1981—2000年宁夏部分气象站和水文站逐日降水量和山洪流量数据进行了相关分析，结果表明：降水量级与山洪发生的可能性密切相关，大武口和石炭井中雨以上量级的降水引发最强山洪次数分别占66. 7%、36. 9%，且最强山洪的发生与周边地区出现强降水或短时强降水有关。邵建等[4]指出宁夏暴雨易发区为中卫市以南和贺兰山东麓，石嘴山年均暴雨贡献率位列宁夏五市之首，为29. 6%。通过数值预报资料、探空资料和NCEP再分析资料等，分析了2020年8月11日夜间石嘴山局地暴雨天气过程，旨在通过分析此类天气过程总结出石嘴山局地暴雨天气发生的大气环流形势、物理量指标等，提高对石嘴山市局地暴雨天气的预报准确率，最大限度地降低暴雨灾害造成的损失[5-6]。

1 天气实况

2020年8月11日白天到夜间石嘴山市出现了一次明显的降水过程，大武口出现小到中雨，平罗、惠农出现中到大雨，局地暴雨。有41个气象站累计降水量超过30 mm。其中，惠农区五渠村、农牧场、上营子村、聚宝村、园艺镇、红果子工业园区、惠农本站、红果子沟、和平村、星火村，以及平罗县渠中村、渠羊村12个站点累计雨量达50 mm以上。从小时雨强来看，强降水时段主要集中在11日11:00，最强降水区在惠农区,最大累计降水量和最大小时雨强均出现在惠农区五渠村，分别为126 mm和84.5 mm（8月11日11:00出现）(图1)。

图1 2020年8月11日石嘴山市降水分布图

本次过程受灾情况：惠农区140.6 hm2葵花、194 hm2玉米、8 hm2水稻出现侧倾或倒伏现象。惠农区温室大棚进水38栋，大棚损坏60栋。苜蓿受损面积为301.1 hm2。平罗全县除城关镇、崇岗镇外，其他11个乡镇均受灾。受灾粮食作物分别为玉米3 199.2 hm2，水稻430 hm2，受灾症状为倒伏。

2 环流背景及影响系统分析

2020年8月11日08:00 200 hPa石嘴山市上空出现西北急流，使降水区上空存在辐散区，有利于上升运动的发展。08:00 500 hPa高度场欧亚中高纬为两槽一脊环流形势，有一股穿脊冷空气从巴尔喀什湖逐渐南下影响石嘴山市，内蒙古东部存在明显的温度槽，使冷空气不断堆积，冷中心强度为-8 ℃。石嘴山市受贝加尔湖以北、巴尔喀什湖以东的低压槽影响，槽前存在西南暖湿气流，为此次降水提供了较好的水汽条件(图2）。

图2 2020年8月11日08:00 500 hPa高空形势

2020年 8月11日02:00 700 hPa河西走廊地区有低涡生成，08:00低涡继续东移发展至308线的边缘，在河西走廊南部存在明显的暖式切变线。石嘴山市位于暖式切变偏东一侧，暖中心强度为16 ℃，形成了上冷下暖的不稳定层结。从四川到甘肃东南部再到石嘴山市北部存在明显的偏南暖湿气流，最大风速为16 m/s，达到急流标准，提供了良好的水汽通道，同时为此次降水过程提供了对流层中层弱的辐合区，可引起上升运动，为此次暴雨过程提供了动力抬升条件(图3）。

图3 2020年8月11日08:00 700 hPa高空形势

由2020年8月11日08:00的海平面气压场可知，石嘴山市受地面低压控制，中心强度为995 hPa。甘肃中南部存在明显冷锋，冷锋逐渐东移发展，石嘴山市处于锋区，同时激发了一定的不稳定能量而造成上升运动（图4）。

图4 2020年8月11日08:00海平面气压场

3 探空资料分析

不稳定层结是形成对流性天气的条件之一，也是强对流发展基本条件。如果SI＞0,表示稳定；如果SI＜0, 表示不稳定，SI负值越大，表示层结越不稳定。K值越大，越不稳定。从银川站探空资料来看，T-InP图整层为高湿区，10日20:00 CAPE值为601，CIN值为314.7，K指数和SI指数分别为29.9、-0.85；11日08:00，CIN值升为555.5，K指数和SI指数分别为41.9、-3.64；11日20:00,各指数都回归为稳定状态（图5）。由此可见，这是一个不稳定能量不断积累的过程，大气层的不稳定度在上升，近地面层有偏南暖湿气流和低空急流的建立，使河套地区源源不断向宁夏北部输送不稳定能量，为暴雨的发生和持续提供了高湿能量。

图5 2020年8月11日08:00（a）和20:00（b）T-InP图

4 暴雨形成的物理机制分析

4.1 水汽条件分析

从此次过程的相对湿度场可以看出，在强降水期间相对湿度整层呈现高湿区，为降水提供了充足的水汽条件。水汽通量散度值达到石嘴山局地暴雨的水汽通量辐合指标-1.5×10-7g/（cm2·s·hPa）（图6）。可见，充沛的水汽条件是此次降水的有利条件之一。

图6 2020年11日14:00石嘴山地区相对湿度（a）和水汽通量散度时间—高度剖面图（b）

4.2 动力条件分析

从散度的剖面图来看，在强降水期间，散度呈垂直分布，700～800 hPa为强辐合区域，700 hPa为辐合中心，其值为-8×10-5hPa/s，400 hPa以上为辐散区域，其值为2×10-5hPa/s，整体趋势呈现辐合较强的状态（图7a）。垂直速度反映大气中的水汽冻结和降水与上升运动密切相关，主要通过垂直运动实现大气中的能量转换。从垂直速度剖面来看，强降水时段上升速度比较垂直，从低层到高层基本为上升气流，而且上升速度在700 hPa和300 hPa左右的高度表现得最强烈（图7b）。

图7 2020年11日08:00石嘴山地区散度（a）和垂直速度时间—高度剖面图（b）

4.3 热力条件分析

假相当位温（θse）反映了大气的温湿状况，利用其水平和垂直分布分析大气中的能量、垂直稳定度和大气湿斜压性分布状况。由8月11日假相当位温（θse）的时间变化可知，强降水发生期间，降水区上空受高能区控制，且不稳定能量逐渐增加,暴雨出现在能量释放阶段（图8a）。从850 hPa与500 hPa的假相当位温之差（简称θse850-500）可知，当θse850-500＞0时，大气处于不稳定状态。此次降水过程θse850-500为正值，石嘴山地区（106°E、39°N）处于θse850-500的大值中心区，最大中心值为200 K，处于较强的对流性不稳定区，有利于产生强对流天气（图8b）。

图8 2020年8月11日08:00石嘴山地区假相当位温时间—高度剖面图（a）和θse850-500（b）

5 雷达分析

从基本反射率演变情况来看，此次降水为层状云与对流云叠加的混合型降水，新的对流单体不断产生使回波发展。

2020年8月11日08:02，石嘴山市已经出现50～55 dBz的强回波，回波区域较小(主要集中在大武口区、惠农区)，移动速度快。但随着高度上升，强度明显增强。层积混合降水回波中夹杂着较强的对流单体，结构清楚，顶高在13.1 km左右（图9）。

图9 2020年8月11日08:12组合反射率（a）和回波顶高（b）

在引导气流的作用下，银川以南的降水回波自南向北移动。09:04在平罗南部有明显的多单体线状风暴逐渐向北移动影响整个石嘴山市。10:00石嘴山市上空表现为持续、大范围的层状云回波，出现多个对流单体组成的弓形回波，石嘴山大部回波强度在35 dBz以上，惠农南部、平罗东北部基本反射率在55 dBz以上，惠农东部回波达60 dBz以上。此时惠农、平罗大部出现了降水，五渠村出现1 h达 84.5 mm的强降水，强回波中心与强降水中心相对应。10:12在惠农南部、平罗东北部上空的垂直累计液态水含量值达到50 kg／m2，且在之后的1 h内，VIL维持高值。从风暴总降水和1 h累积雨量(OHP)可以看出，惠农东南部上空的总降水量和1 h累积雨量均达59 mm以上。从10:29的回波顶高可以看出，石嘴山上空最大回波顶高达到17.2 km，上升气流强烈，对流云发展旺盛，有利于强降水的发生。

14:21平罗南部有回波发展向并北移动，14:54在平罗回波强度达605 dBz以上，此时，最强回波高度达到16.7 km。16:25南部继续有强回波移动到石嘴山上空，平罗东南部到惠农东部回波有后向传播。强回波持续到18:35减弱至35 dBz左右，全市强降水已基本结束，后期转为稳定型降水（图10）。