2014年大青山南部地区初夏和初秋两次暴雨过程对比分析

引言

暴雨是影响我国重要的灾害性天气之一，由暴雨引发的洪涝灾害，每年都会造成人员伤亡和财产损失，暴雨往往具有历时短、强度大、局地性强等特点[1]，近年来许多气象工作者对暴雨做了细致的分析研究，赵世发 等[2]认为暴雨的主要触发系统是副热带高压和台风外围持续强劲的东南风低空急流，持续的东南风低空急流为暴雨区输送了源源不断的水汽和不稳定能量。温市耕[3]认为形成内蒙古中西部暴雨与三个方面的物理因素直接相关，即水汽的输送辐合、持续的上升运动、显著的不稳定性。毕宝贵等[4]认为在有利的大气环流背景下，中尺度系统是暴雨形成的直接影响系统。孙继松 等[5]证实了地形与城市热岛共同作用会导致北京地区暴雨。

从上述研究可见，对暴雨的形成机制的研究已经取得了一定的成果，但就不同季节出现暴雨的发生发展过程及着眼点研究，还有很多工作可以做。目前有很多新的探测资料，比如与风场有关的地面加密自动气象站、多普勒天气雷达径向速度等，而加密探空资料也可提供垂直风场结构，这些资料在时间、空间上形成互补，为暴雨天气的研究提供了可靠依据。本文选取了2014年大青山南部地区初夏和初秋两次具有代表性的暴雨天气过程(2014年7月6—7日和9月10—11日两次暴雨过程，下文简称初夏和初秋暴雨)，利用常规气象资料、NCEP2.5°×2.5°格点再分析资料等对这两次暴雨过程进行分析，以期对大青山南部地区不同季节产生暴雨的成因开展初步的分析。

1　降水实况及特点

初夏过程降水主要出现在2014年7月7日04—14时，最大降水出现在土右旗为67.9mm，其中7日07—08时为强降水时段，小时降水量达到20.8mm。初秋过程降水主要出现在2014年9月11日04—22时，最大降水出现在土右旗，为55.6mm，其中11日06—07时出现了23.2mm的短时强降水。

从降水实况分析可知，两次暴雨呈现出持续时间短、日变化大、局地性强等特点，从降水时间上分析，初秋过程较初夏过程持续时间略长，两次降水过程中均伴有短时强降水出现。从内蒙古包头市暴雨分布特点可知，1981—2010年大青山南部地区共出现43次暴雨，占历年出现次数的50%，另外在大青山山南地区有暴雨中心存在，除环流因素外，也突显了地形的重要作用。

2　环流形势及主要影响系统

2.1　环流形势

初夏过程500hPa平均高度场上，亚欧中高纬呈“两脊一槽”形势(图略)，副热带高压位于30°N附近，在贝加尔湖附近有明显的横槽，同时华北地区有阻高建立，6日20时—7日08时河套地区处于槽前的辐合区内，低层的水汽辐合上升明显。200hPa高度，35°N以北地区有明显的高空西风急流存在，河套地区处于高空急流出口区的右侧，形成了暴雨区上空有利的辐散条件。700hPa“东高西低”的环流形势有利于暴雨的形成，850hPa冷切变在105°E、40°～42°N生成。从地面场分析，7日02时地面冷锋逐渐生成并东移南压，05时冷锋移入河套地区，锋面抬升作用使锋前的暖湿空气沿锋面爬升逐渐凝结产生降水。

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初秋过程500hPa亚欧中高纬呈“两槽一脊”形势(图略)，乌拉尔山以东的西伯利亚西部和亚洲东岸的中高纬地区为高压脊，贝加尔湖以东为低槽，乌拉尔山以东的高压脊前的低槽不断引导冷空气自北冰洋南下，与此同时偏南气流把大量的暖湿空气输送到华北地区，与北方冷空气交汇，为暴雨的形成提供了有利的环流条件。200hPa高度，35°N以北地区有明显的高空西风急流存在，河套地区处于高空急流出口区的右侧，形成了暴雨区上空有利的辐散条件。700hPa高度上，从10日20时开始河套地区上空为偏南气流，11日08时加强为西南风低空急流，暴雨区位于低空急流的左侧，低空急流的发展使切变线南侧风速增大，配合低层的暖湿条件造成暴雨的出现。在暴雨发生前后，暴雨区地面维持低压系统控制，没有冷空气的加入，因此此次暴雨为一次暖区降水过程[6]。

2.2　主要影响系统

2.2.1　高低空急流

高空急流是大青山南部暴雨的一个重要环流条件，其活动也直接影响着暴雨的发生发展。分析表明，初夏、初秋两次暴雨过程高空急流的最大风速带明显偏北，均位于35°N以北地区，暴雨落区均位于急流核右侧4～6个纬距之间。

初秋过程700hPa上有明显的西南风低空急流。这种天气尺度的低空急流，位于低空低值系统东南侧，且在10日夜间逐渐加强，因而暴雨在夜间发生的特征明显，暴雨区则出现在低空急流的左侧200km范围内。这条低空急流不仅为此次暴雨提供了所需的水汽，而且维持了暴雨区的不稳定层结，并触发对流不稳定能量的释放。初夏过程只有偏南气流的水汽通道建立，未形成低空急流。

2.2.2　切变线

2.2.3　地面系统

从涡度场分析，两次暴雨过程强降雨区正涡度区分别在500hPa和700hPa以下，400hPa以上均为负涡度。从涡度值上看，初夏低层正涡度值(图1a)更大，既气旋性更强，强降雨区发生在正涡度中心的西南侧，初秋高层负涡度值(图1b)更大，既反气旋性更强，强降雨区发生在正涡度中心的东北侧。两次过程中低层正涡度和高层负涡度的耦合加强，反映了中低层气旋性和高层反气旋性天气系统的加强，有利于暴雨天气系统的维持。

切变线是对流层中低层850hPa或700hPa上气旋性的风向不连续线，是冷暖两支气流间的强烈辐合上升运动地带，也是造成大青山南部地区暴雨的主要影响系统之一。

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初夏过程中700hPa存在冷性切变线，地面配合有冷锋。此次暴雨过程的冷性切变线是在副热带高压稳定少动的过程中，由西来槽东移演变而成，切变线方向呈东北西南向。所以降水过程呈现出的是阵性降水特点，7月6日20时冷性切变在河套西部生成，7日08时移入40°～42°N，105°～115°E地区，强降水区与切变线平行，且在切变线到地面锋线之间。

初秋过程中700hPa产生的是暖湿切变线，即在700hPa的3120gpm线后部暖区中生成的切变线。在切变线附近，低空有明显的暖锋结构，但温度梯度不明显，切变线南侧有强而稳定的低空急流。

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初夏、初秋两次暴雨过程地面共同的特点是河套地区北部有低压系统存在，但地面冷空气的路径、强度和位置有显著不同。在初夏过程中，河套西北至蒙古南部地区为强大的冷高压，其与河套地区低压之间的等压线密集，与蒙古国交界的地区为一致的西北风，暴雨中心主要集中在冷锋附近。而初秋过程中，河套地区为低压倒槽控制，河套地区盛行南风，并无冷空气入侵河套地区，暴雨中心在倒槽顶端的南风气流中产生。

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从上述两次天气过程的影响系统来看，相同点：(1)有高空急流存在，形成了暴雨上空的辐散条件；(2)高空500hPa受高空槽影响，河套地区处于槽前西南气流中。不同点：(1)初夏过程地面有冷锋存在，700hPa受冷切变影响，存在高层冷平流和低层暖平流作用，具有中等强度的对流有效位能，有利于对流性降水的形成；(2)初秋过程地面为低压倒槽控制，700hPa受暖湿切变、低空急流的影响，中低层较深厚的南风气流有利于系统的垂直发展。

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3　物理量场诊断分析

3.1　不稳定条件分析

对比分析两次暴雨过程可知，辐合区主要在850～700hPa之间，主要上升区都在700hPa以上，初夏过程发生在负散度中心和负垂直速度中心的南侧、正涡度中心的西南侧，初秋过程发生在负散度中心和负垂直速度中心的北侧、正涡度中心的东北侧。

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从散度场分析，两次过程的强降雨区负散度区均在700hPa以下，初夏过程河套地区在850hPa存在负散度中心，低层辐合高层辐散耦合作用形成强烈的上升运动，高层辐散使低层辐合得以维持，二者相互作用促使对流强烈发展。初秋过程散度中心略偏南，对应了切变线及低空急流出口的位置，水汽的汇合主要靠低空流场的辐合，负散度与降水强度成正相关。

 

表1 2014年初夏和初秋08时两次暴雨过程物理量实况对比

  

时间/(月.日)抬升凝结高度/hPa0℃层高度/mT850-500hPa/℃CAPE/(J·kg1)露点温度/℃沙氏指数/℃0～2km风矢量差/(m·s1)7.7833.5490024124820.11.01.609.11827.942002233216.12.00.09

3.2　动力条件分析

番茄由于性喜温，需要有充足的光照，大概在3.0-3.5万Lx光照强度，在这样的环境下方可健康生长。光饱和点大概为7万Lx，有助于番茄充分的光合作用，促进植株茁壮成长。

分析两次暴雨区附近的探空站层结可以看出(见表1)，在初夏暴雨发生前12h，河套地区K指数在30℃以上，7日08时河套地区K指数增长到35℃，且K指数在河套地区出现了一个Ω型，强降水区位于Ω型西南侧拐点处，这里冷暖空气交汇，有利于不稳定能量的增大。从土默特右旗附近探空资料分析，在初夏过程出现前850～500hPa为CAPE正值区，7日08时增加至1248J·kg-1，不稳定能量得到聚集。850～400hPa风场随高度顺转，为暖平流。400～300hPa风场随高度逆转，为冷平流。这种低层暖平流高层冷平流的形势非常有利于对流天气的发生发展。而零度层高度在4900m附近，抬升凝结高度在850hPa附近，850～500hPa温度差为24℃，露点温度18.0℃，暴雨结束后CAPE正值区减小至20.7J·kg-1，可见过程结束后湿对流有效位能得到了有效释放，同时其他有利于强降水发生的层结特征也受到了破坏。初秋过程前850～250hPa为CAPE正值区，11日08时增加至264.6J·kg-1，零度层高度在4200m附近，抬升凝结高度在850hPa附近，850～500hPa温度差为22℃，露点温度14.0℃，K指数均在30℃以下。对比分析可知，初夏过程大气对流不稳定条件强于初秋过程。

从垂直速度场分析，初夏过程中，6日20时—7日08时河套地区上空上升运动持续增强，最大值达到-30×10-3hPa·s-1，位于450hPa(图1c)附近，为暴雨的出现提供了有利的垂直环流机制。初秋过程上升运动大值区位于河套偏南地区，10日20时—11日08时垂直速度大值区(图1d)逐渐向降水区移动，在上升运动东侧有弱的下沉运动，下沉气流在近地面与大气低层气流汇合并向上运动，加强上升运动的发展，形成了次级环流。

从假相当位温(θse)垂直分布分析可以看出，初夏过程出现前，850hPa以下有明显的高能舌从宁夏向河套地区伸展，850hPa高值中心为76℃，河套地区θse≥72℃，低层大气处于高温、高湿状态，从850～500hPa河套地区θse迅速减小，平均△θse500-850≤-10℃，存在较强的大气不稳定层结。初秋过程850hPa高值中心仅为62℃，相对于初夏的不稳定层结偏弱。温度平流不仅可以造成大气层结不稳定，且可以产生垂直运动，它在对流性天气中起到重要作用。分析温度平流发现初夏过程850～500hPa为-35×10-5℃·s-1的冷平流，有利于高空水汽的凝结，925hPa为6×10-5℃·s-1的暖平流，即此次暴雨过程发生在下暖上冷(平流)的不稳定大气中。而初秋过程温度平流作用不明显。

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图1　经过暴雨中心涡度-经向剖面(a,b；单位:10-5s-1)、垂直速度-经向剖面(c,d；单位:Pa·s-1) (a,c)2014年7月7日08时，(b,d)2014年9月11日08时

3.3　水汽条件分析

源源不断的水汽输送和较强的上升运动是形成暴雨的基本条件，包头属于干旱与半干旱地区，深居内陆，降雨过程一般都需要有较好的本地水汽或外地的水汽输送。

将拌好的育苗床土装入盘或育苗钵中，新装的盘压在已经装好的盘上，一层层地压，下边压实的再拿到上边压新装土的盘，使育苗床土填实，再利用刮板从穴盘一方刮向另一方，使每个空穴都能平整的装满育苗土。

分析7月7日08时850hPa比湿(图略)分布发现，河套地区都处于高湿状态，比湿在12～14g·kg-1。水汽通量和水汽通量散度显示，河套地区水汽来源于华北中部地区，850hPa河套中东部处于水汽辐合中心区，7日08时水汽通量散度中心强度达到-30×10-7g·(hPa·cm2·s)-1。9月11日08时850hPa比湿分布显示(图略)，河套南部地区水汽条件较好，比湿在8～10g·kg-1，水汽通量和水汽通量散度显示，11日08时700hPa河套南部地区出现水汽辐合中心，水汽通量散度中心强度达到-10×10-7g·(hPa·cm2·s)-1，在700hPa建立了一条西南(低空)急流，水汽通道的形成把黄海、渤海的水汽输送到河套地区。对比分析发现，两次暴雨的水汽来源不同，水汽辐合中心位置也不同，初夏过程发生时水汽辐合更强，比湿垂直分布条件更好，在暴雨开始前6日20时850hPa水汽辐合中心已经在河套地区形成，7日08时辐合中心逐渐移入河套地区。初秋过程中，本地比湿条件相对较弱，10日20时河套地区辐合中心在850hPa，11日08时辐合中心抬升至700hPa。

4　触发机制分析

暴雨的形成条件中，触发机制是其形成的重要条件之一。进一步探讨两次暴雨形成可知，初夏过程发生前期河套地区为热低压控制，晴热少雨。根据ω方程诊断暴雨过程中的垂直运动发展可得：第一项为涡度平流随高度的变化项，出现暴雨前，贝加尔湖附近的横槽东移南压，槽前为正涡度平流，于是涡度平流随高度增加，有上升运动加强；第二项是厚度平流的拉普拉斯项，从6日20时850hPa温度平流可以分析，河套地区上空出现了暖平流，中心最大值为2×10-5K·s-1，暖平流区有上升运动；第三项为非绝热加热项的拉普拉斯，6日14—20时河套地区气温逐渐升高，近地面空气受热不均匀，热低压发展加强，因此在暴雨区有非绝热加热造成的上升运动。上述三项在暴雨中均产生了上升运动，同时暴雨区的暖平流、热低压以及降水的发生相互作用，暖平流引起地面减压，低压中的降水释放凝结潜热使上升运动加强，只要在边界层内存在使得不稳定能量释放的触发机制，就会在一定的条件下产生暴雨[6]。分析可知，此次过程中切变线、地面冷锋在对流系统的发展过程中有更加直接的触发作用。

应用上述方法分析初秋过程，暴雨发生前10日20时与暴雨发生时11日08时，河套地区均出现了暖平流输送、热低压发展、地面辐合线加强的特征。与初夏过程的主要区别是动力因素对垂直运动的诊断，初秋过程由于受高空急流、暖湿切变线、低空急流的影响，形成了低层强辐合、高层强辐散的上升运动。

另一方面，地形能够对大气运动产生不同的动力、热力效应，地形的强迫抬升作用也是暴雨触发条件之一[7]。大青山山体呈东西方向延伸，山地南北的地貌形态非常不对称，北部比较平缓，与内蒙古高平原之间没有明显的分界线，南坡则以巨大的正断面与黄河平原即土默川平原截然分开。北坡直接承受蒙古干燥气流的影响，气候干燥而温度低，南坡则由于山地的阻挡，相对比较温暖而湿润，两次暴雨过程均位于大青山南麓，地势北高南低，低层的偏南暖湿气流遇阻后沿山爬升，上升运动促使对流云团发展[8]。另外山脉也是水汽输送的屏障，造成水汽通量在山前辐合[9]。

通过上述分析发现，在这两次暴雨过程中，初夏降水前期就已经具有了暴雨所需的热力条件，当水汽条件也具备时，预报着眼点应重点考虑：(1)切变线的建立与加强；(2)地面冷锋及地面辐合线的加强触发暴雨的发生。初秋冷空气活动频繁，当动力条件具备时，预报着眼点应重点考虑：(1)低空急流的建立与加强；(2)热低压中辐合线的发展；(3)暖湿切变线的加强触发暴雨的发生。

5　小结

本文通过对大青山南部地区不同季节两次暴雨的对比分析，结果显示这两次暴雨过程存在一定的相似性和差异，主要表现在：

(1)这两次暴雨过程呈现出持续时间短、日变化大、局地性强的特点。初夏过程暴雨区与切变线平行，且在切变线到地面锋线之间。初秋过程中700hPa存在暖湿切变线，低空有明显的暖锋结构，但温度梯度不明显，且切变线南侧有强而稳定的低空急流。两次暴雨过程地面共同的特点是河套地区北部都有低压系统存在，但地面冷空气的路径、强度和位置有显著不同。

(2)从物理量分析两次过程可知，主要辐合区在850～700hPa之间，主要上升区都在700hPa以上，初夏过程发生在负散度中心和负垂直速度中心的南侧、正涡度中心的西南侧，初秋过程发生在负散度中心和负垂直速度中心的北侧、正涡度中心的东北侧。初夏过程大气对流不稳定条件和水汽条件均强于初秋过程。

(3)针对暴雨触发机制讨论发现，地形的强迫抬升作用也是暴雨触发的重要条件，初夏暴雨过程发生前期已经具备了所需的热力条件，当水汽条件也具备时，预报着眼点应重点考虑，切变线的建立与加强和地面冷锋、地面辐合线的加强。而初秋的暴雨过程，当动力条件具备时，预报着眼点应重点考虑，低空急流的建立与加强、热低压中辐合线的发展、暖湿切变线的加强。

参考文献

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