固原市一次暴雨天气过程分析.pdf

第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023固原市一次暴雨天气过程分析马霞1，2，马国涛1，3，苏发奋1，3（1.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；2.泾源县气象局，宁夏 固原 756400；3.固原市气象局，宁夏 固原756000）摘 要：利用常规气象资料、NCEP 再分析资料、探空资料以及多普勒雷达资料，结合宁夏业务化平台数字预报模式输出产品，对 2021 年 8 月 18 日宁夏固原市暴雨天气过程进行分析，具体包括降水实况、环流背景、物理量场和新一代多普勒雷达等内容。结果表明：此次降水在 500 hPa 短波槽和 700 hPa 低涡切变线的有利配合下产生；副热带高压稳定少动是造成这次暴雨天气的主要原因；充足的水汽条件、强烈的上升运动和不稳定层结有利于此次暴雨的发生；多普勒雷达产品组合反射率因子、径向速度、垂直累积液态水含量和垂直风廓线是降水预报、预警的重要判据和指标。关键词：暴雨；副热带高压；多普勒雷达中图分类号：P458.3 文献标志码：A宁夏地处西北东部黄土高原边缘，地势南高北低、南陡北缓，有利于气流的入侵及抬升，易产生暴雨天气。宁夏暴雨大多是在大尺度环流背景下，由多种尺度天气系统相互作用产生的，其对国民经济建设、工农业生产和人民生命财产均会产生较大影响1。许多气象工作者对宁夏暴雨进行了研究，如邵建等2对近 53 年宁夏暴雨时空分布特征进行了分析，发现宁夏暴雨呈“南多北少”的整体分布特征，暴雨易发区为中卫市以南和贺兰山东麓；陈豫英等3对近 55 年宁夏秋季降水的时空变化特征及其大尺度环流背景进行了分析，发现宁夏秋季降水呈下降趋势，异常敏感区为宁夏北部和六盘山区；陈海波等4分析了宁夏六盘山区多年降水的时空变化情况，得出了季、年线性变化趋势和年变化周期及突变点，发现各区域降水存在不同的变化规律及年降水均呈减少趋势；肖云清等5、苏洋等6对宁夏暴雨天气过程物理机制进行了诊断分析，探讨了暴雨发生的机制和成因。本文主要分析宁夏固原市一次暴雨过程的成因、发生和发展规律、系统演变等内容，以期为暴雨预报、预警工作提供一定的科学依据，从而为今后的气象防灾、减灾工作提供更好的气象服务。1资料及降水实况本文采用常规气象观测资料、NCEP 再分析资料、地面区域自动站探空资料和多普勒雷达资料，并结合宁夏业务化平台数字预报模式输出产品，运用天气学诊断分析方法，对此次暴雨过程进行了诊断分析。2021 年 8 月 18 日 08:00 至 19 日 20:00 宁夏固原市出现暴雨天气过程，部分乡镇出现大暴雨，全市累积降水量为 0.6141.3 mm；最大降水量出现在泾源县泾河源镇泾河源小学，为 141.3 mm；最大雨强出现在 18 日 22:00 泾源县新民乡照明村，为51.3 mm/h。各县区降水量：原州区 3.536.2 mm（城区 13.1 mm）；西吉县 0.627.0 mm（城区 8.2 mm）；隆德县 16.192.9 mm（城区 44.6 mm）；泾源县 13.7141.3 mm（城区 54.0 mm）；彭阳县 5.730.7 mm（城区24.0 mm）。固原市降水量100 mm的站点有6个，均出现在泾源县；降水量50 mm 的站点有 26 个。图 1 为 8 月 18 日 08:00 至 19 日 20:00 固原市6 个国家气象观测站的雨强图。由图 1 可知：六盘山站 18 日 10:00 最先出现降水；泾源站 18 日 18:00出现对流性天气过程，雨强达到 14.5 mm/h；18 日22:00 开始，整个固原市出现普雨，降水集中时段为18 日 22:00 至 19 日 02:00；彭阳站雨强极值出现在文章编号：1671-7244（2023）02-0097-06收稿日期：2022-05-31基金项目：2021年第六批“自治区青年科技人才托举工程”作者简介：马霞（1993），女，工程师，主要从事综合气象观测等工作（）。宁 夏 工 程 技 术第 22 卷18 日 23:00，为 6.1 mm/h；西吉站雨强极值出现在19 日 0:00，为 4.8 mm/h；泾源站雨强极值出现在 19 日0:00，为 10.4 mm/h；隆德站雨强极值出现在 19 日0:00，为 15.5 mm/h；六盘山站雨强极值出现在 19 日01:00，为 17.9 mm/h；19 日 18:00 过后，固原市降水停止。图 2 为 8 月 18 日 08:00 至 19 日 20:00 泾源县6 个区域站（降水量100 mm）的雨强图。由图 2 可知，泾源县降水集中时段为 18 日 18:00 至 19 日02:00，雨强极值出现在 18 日 22:00，分别为 38.3 mm/h（泾河源镇），37.1 mm/h（泾河源小学），28.2 mm/h（泾河源），39.7 mm/h（泾河源泾光村），42.8 mm/h（香水镇沙南村），51.3 mm/h（新民乡照明村），其中雨强最大值出现在新民乡照明村。此次降水过程持续时间短、强度大，共造成泾河源镇马家村、余家村、龙潭村共 11 户农户院内进水，冲毁涵洞桥 5 座（石咀河生产桥），冲毁河堤 1 400 m（石咀河先锋村段 1 200 m浆砌石坍塌，泾河主干流白面村段右护岸被冲毁200 m），3 座水库受损（卧龙山库坝后泄水渠与河道交汇处被冲毁 50 m、西峡水库输水洞末端被冲毁50 m、先进水库溢洪道出水口下游被冲毁 150 m），经济损失约 920 万元。2环流形势及天气系统分析根据 MICAPS 绘制的天气形势图（图略），18 日08:00，500 hPa 亚洲中高纬为“两槽一脊”的环流形势，我国内蒙古至新疆有一冷槽东移，东北至华北地区处于高压脊中，内蒙古西部至甘肃有一短波槽东移南下，影响宁夏，固原市处于副热带高压（以下简称副高）边缘的偏南暖湿气流中，且副高和大陆高压之间有切变线形成，副高 588 线西伸至青海东部；700 hPa 固原市主要受低涡暖式切变影响；地面图（图略）上，宁夏位于热低压底部，因此白天有 1 次升温过程，泾源地区出现对流性天气。18 日 20:00，700 hPa 固原地区仍受低涡切变影响，地面受冷高压影响；500 hPa 副高 588 线略有东退，退至固原市东南部，短波槽东移，携带冷空气东移南下。在副高的阻挡下，短波槽移速较慢，配合低层暖湿气流，使得冷、暖空气在固原地区长时间交汇，从而形成此次暴雨天气过程。3物理量分析3.1水汽条件分析3.1.1相对湿度8 月 18 日 20:00 至 19 日 02:00，700 hPa 整个固原地区相对湿度大于 90%，该时段是主要降水集中时段，水汽条件充沛（图 3）。0481216201808:001822:001820:001818:001816:001814:001812:001810:001912:001910:001908:001906:001904:001902:00190:001920:001918:001916:001914:00/mmh1 b图18月18日08：00至19日20：00固原市6个国家气象观测站雨强图（单位：mm/h）0102030/mmh14050601808:001822:001820:001818:001816:001814:001812:001810:001912:001910:001908:001906:001904:001902:00190:001920:001918:001916:001914:00 b图28月18日08：00至19日20：00泾源县6个区域站（降水量100 mm）雨强图（单位：mm/h）98第 2 期马霞等：固原市一次暴雨天气过程分析3.1.2比湿由比湿场（图略）可知，8 月 18 日 08:00，800850 hPa 固原市中北部比湿为 12 g/kg，南部比湿为 14 g/kg；700750 hPa 固原市中北部比湿为10 g/kg，南部比湿为 12 g/kg；600650 hPa 固原市大部分地区比湿为 8 g/kg。18 日 20:00 固原市泾源和隆德地区 700850 hPa 比湿达 1214 g/kg。3.1.3水汽通量散度图 4 为 8 月 18 日 20:00 水汽通量散度分析图。固原市南部位于 700 hPa 水汽通量辐合中心，水汽通量散度为-610-7 g/（cm2hPas）（图 4a）。固原市处于水汽通量辐合大值区，说明低层水汽输送强盛。固原市南部整层（850200 hPa）处于水汽通量辐合大值区，靠近水汽通量辐合中心，水汽通量散度为-2010-7 g/（cm2hPas），说明水汽输送旺盛（图 4b）。3.2动力条件3.2.1垂直速度8 月 18 日 08:00 至 19 日 08:00泾源站（35.3N，106.2E，本站气压 800 hPa 左右）垂直速度剖面图如图5所示。18日11:00至19日08:00从地面到高层 500 hPa 左右，垂直速度为负值，以上升运动为主，最强垂直速度中心值为-0.7 Pa/s；18 日20:00 至 19 日 08:00 高层 500 300 hPa 左右，垂直速度为正值，以下沉运动为主，最强垂直速度中心值为 0.3 Pa/s，动力条件有利于暴雨的发生。3.2.2涡度和散度由 8 月 18 日 08:00 至 19 日08:00 泾源站（35.3N，106.2E，本站气压 800 hPa 左右）涡度剖面图（图 6）和散度剖面图（图 7）可知，18 日 18:00 至 19 日 02:00 泾源上空低层处于正涡度区和负散度区，中高层为负涡度区和正散度区，说明低层为气旋性辐合，中高层为反气旋性辐散，促进了上升运动的发展和强对流的发生、发展，这种长时间的低层辐合、中高层辐散结构有利于暴雨的发生。3.3热力条件由崆峒站探空图（图 8）可知，8 月 18 日 08:0020:00 CAPE值从311.8 J/kg增大至1 362.9 J/kg，不稳定能量增强，层结不稳定。20:00 低层为东南风，500 hPa40N39N38N37N36N35N34N33N32N1009080706050100E101E102E103E104E105E106E107E108E109E110Ea18日20：0040N39N38N37N36N35N34N33N32N1009080706050100E101E102E103E104E105E106E107E108E109E110Eb19日02：00图38月18日20：00至19日02：00 700 hPa相对湿度场分析图（单位：%）40N39.5N38.5N37.5N36.5N35.5N35N34.5N34N10.08.06.04.02.02.0101E 102E 103E 104E 105E 106E 107E 108E 109E 110E4.06.08.010.0111E39N38N37N36Na700 hPa40N39.5N38.5N37.5N36.5N35.5N35N34.5N34N2.0101E 102E 103E 104E 105E 106E 107E 108E 109E 110E4.0101520111E39N38N37N36N25b850200 hPa图48月18日20：00水汽通量散度分析图（单位：g/（cm2hPas）0:0006:0012:0018:000:001 000925850700600500400300250200时刻气压/hPa图58月18日08：00至19日08：00泾源站垂直速度剖面图（单位：Pa/s）99宁 夏 工 程 技 术第 22 卷转为偏西风；200 hPa 转为西北风，从低层至高层均为暖平流；850500 hPa 均为偏南风，湿层从低层扩展到高层，湿层深厚，可触发对流性天气发生、发展。4雷达特征分析4.1反射率因子由雷达组合反射率因子分布图可知，8 月 18 日21:30 左右开始，隆德县西南部静宁地区（图 9a 左圈处）及泾源县东南部华亭地区（图 9a 右圈处）对流单体不断生成和发展，形成“列车效应”并向东北方向移动，逐渐影响固原市隆德、泾源地区；22:36 左右（图略），隆德和泾源县降水单体不断生成，连成片状，影响整个隆德和泾源地区；23:00 左右，以积云降水回波为主的混合型回波全面影响固原地区（图 9b圈处），反射率因子为 5566 dBZ，泾源和隆德地区部分乡镇出现最大雨强（图 9b）。19 日 0:00 左右（图略），泾源县和隆德县出现最大雨强；03:00 左右（图略），影响固原、彭阳地区的降水单体基本结束；04:00 左右（图略），又有新的降水单体生成，并且其从西南向东北方向移动，开始逐渐影响隆德、泾源地区；06:00 左右（图略），降水单体影响固原、彭阳地区；07:00 左右（图略），降水单体基本移出影响区域，整个固原市降水趋于结束。4.2径向速度在 21:31 径向速度图上可以看到中尺度系统的高、低层风场变化特征。在 2.4仰角以下的高度内，泾源地区以偏南风为主（图 10a、图 10b 圈处）；随着仰角的抬升，泾源县东南部出现高层辐散（图 10c、图 10d 圈处），在暴雨区中心出现逆风区，而逆风区的辐合正好对应对流单体的强回波中心。4.3垂直累积液态水含量8 月 18 日 18:00 至 19 日 0:00 泾源暴雨发生地（图 11a、图 11b 右圈）垂直累积液态水含量（以下简称 VIL）一直维持在 520 kg/m2，但最大降水不完全对应 VIL 大值区。21:0022:00 泾源县出现最强降雨，暴雨区 VIL 为 10 kg/m2，而隆德县温堡乡（图11a 图、11b 左圈）降水量不大，但 VIL 为 15 kg/m2，说明暴雨天气只需一定的 VIL，VIL 与降水强度并1 0009258507006005004003002502001 0009258507006005004003002502001 0009258507006005004003002502000:0006:0012:0018:000:00时刻1 0009258507006005004003002502000:0006:0012:0018:000:00时刻-8-7-6-5-3-2-102345-5.5-5-4-3.5-2.5-2-1-0.50.5122.5气压/hPa气压/hPa 图6涡度剖面图（单位：10-5 s-1）图7散度剖面图（单位：10-5 s-1）1 000925850700600500400300250200气压/hPa1 000925850700600500400300250200-80-70-60-50-40-30-20-10010203040-80-70-60-50-40-30-20-10010203040-80-70-60-50-40-30-20-10010203040-80-70-60-50-40-30-20-100102030401 0009258507006005004003002502001 000925850700600500400300250200气压/hPa温度/温度/a08：00 b20：00 图88月18日崆峒站探空图100第 2 期马霞等：固原市一次暴雨天气过程分析非正相关。4.4垂直风廓线由 8 月 18 日垂直风廓线图（图 12）可知，18:0021:00（主要降水开始时段）从低层到高层风向较凌乱；21:00 之后风向随高度顺转，偏南风转为西南风，有暖平流，为暴雨提供充足的水汽输送。a21：37 b23：22图118月18日垂直累积液态水分布图 a21：31 b23：22图98月18日雷达组合反射率因子分布图 a 1.5 b 2.4 c 4.3 d 6.0 图108月18日21：31径向速度分布图101宁 夏 工 程 技 术第 22 卷5结论（1）此次降水在 500 hPa 短波槽和 700 hPa 低涡切变线的有利配合下产生；副高稳定少动是造成这次暴雨天气的主要原因。在此次降水过程中，六盘山地形对降水有一定的增幅作用。（2）此次降水过程相对湿度和比湿条件有利于暴雨的发生、发展。相对湿度大且深厚，整个固原地区相对湿度大于 90%；比湿最大值为 14 g/kg。水汽条件充足，水汽输送旺盛。（3）在主要降水时段，大气呈低层辐合、高层辐散状态，并且有强上升运动，为大的降水提供了很好的动力条件。（4）此次降水天气过程中，CAPE 值反映出层结不稳定，且不稳定能量较强，从低层到高层为暖平流，为暴雨的发展提供了必要的热力条件。（5）从组合反射率因子来看，此次降水过程中对流单体不断生成，形成“列车效应”并后向传播，最大反射率因子为 5055 dBZ，对流单体在泾源、隆德县停留时间长且暴雨强回波质心低；在径向速度图上可以看到泾源县有逆风区，高层辐散、低层辐合；通过 VIL 分析，可知此次暴雨过程中 VIL 没有明显的跃增现象，说明暴雨的发生只需一定的 VIL，VIL和降水强度非正相关；由垂直风廓线图可知，在主要降水时段底层风向维持偏南风，风向一致随高度顺转，维持暖平流。参考文献：1 冯建民.宁夏天气预报手册M.北京：气象出版社，2012.2 邵建，裴晓蓉，刘娟，等.近53 a宁夏暴雨时空分布特征J.干旱气象，2015，33（4）：595-601.3 陈豫英，陈楠，王式功，等.近55年宁夏秋季降水的时空变化特征及其大尺度环流背景J.干旱区地理，2009，32（1）：9-16.4 陈海波，严华生，陈文，等.宁夏六盘山区多年降水的时空变化分析J.干旱气象，2009，27（2）：103-110.5 肖云清，杨苑媛，朱海斌，等.2018年7月2223日宁夏暴雨天气过程物理机制诊断分析J.宁夏工程技术，2019，18（3）：193-201.6 苏洋，贾宏元，任小芳，等.2019年6月2527日宁夏一次暴雨过程诊断分析J.宁夏农林科技，2020，61（9）：33-35.Analysis of a Rainstorm Weather Process in Guyuan CityMA Xia1，2，MA Guotao1，3，SU Fafeng1，3（1.Key Laboratory for Monitoring，Early Warning and Risk Management of Agrometeorological Disasters in Dry Areas of China Meteorological Administration，Yinchuan 750002，China；2.Jingyuan Meteorological Bureau，Guyuan 756400，China；3.Guyuan Meteorological Bureau，Guyuan 756000，China）Abstract:Based on the conventional meteorological data，NECP reanalysis data，sounding data and Doppler radar data，combined with the output products of the digital forecast model of Ningxia operational platform，the rainstorm weather process in Guyuan City on August 18，2021 was analyzed from the aspects of precipitation reality，circulation background，physical quantity field and new generation Doppler radar.The results show that the precipitation was generated under the favorable cooperation of 500 hPa shortwave trough and 700 hPa vortex shear line.The stable subtropical high was the main cause of this torrential rain.Sufficient water vapor conditions，strong ascending motion and unstable stratification were conducive to the occurrence of this rainstorm.The composite reflectivity factor，radial velocity，vertically accumulated liquid water content and vertical wind profile of Doppler radar products are important criteria and indexes for precipitation forecast and early warning.Keywords:rainstorm；subtropical high；Doppler radar（责任编辑 丁莉君）图128月18日垂直风廓线图102