摘 要：2022年8月12—14日，阿拉善盟出現(xiàn)一次典型的暖區(qū)強(qiáng)降水過程，具有降水時(shí)間長(zhǎng)、雨強(qiáng)大、降水范圍集中的特點(diǎn)。通過利用常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)資料、自動(dòng)氣象站資料、風(fēng)云2-G衛(wèi)星云圖及ERA-5資料對(duì)阿拉善盟地區(qū)強(qiáng)降水過程的成因進(jìn)行探討，結(jié)果表明：低層高濕、整層高濕的環(huán)境場(chǎng)特點(diǎn)有利于降低抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度，從而降低暖區(qū)強(qiáng)降水對(duì)觸發(fā)機(jī)制的要求；高濕環(huán)境可減小雨滴蒸發(fā)率，增大暖云層厚度，從而提高本地降水效率；次天氣及以下尺度的系統(tǒng)為常見強(qiáng)對(duì)流天氣觸發(fā)機(jī)制，強(qiáng)降水落區(qū)一般位于低層多層輻合的疊置區(qū)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)對(duì)流天氣；中尺度；暖區(qū)強(qiáng)降水；垂直風(fēng)切變；降水效率

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）07–0-03

強(qiáng)對(duì)流天氣是指發(fā)生突然、天氣劇烈、破壞力極大，常伴有雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)、局部強(qiáng)降雨等強(qiáng)烈對(duì)流性的災(zāi)害性天氣，其一直是天氣預(yù)報(bào)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。內(nèi)蒙古自治區(qū)所轄盟阿拉善盟屬溫帶荒漠干旱區(qū)，為典型的大陸性氣候，主要表現(xiàn)為風(fēng)沙大、干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈。

2022年主汛期，阿拉善盟強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)，7月下旬至8月上旬，阿拉善盟出現(xiàn)連續(xù)性降雨，短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)，達(dá)101次，土壤含水率已經(jīng)飽和；8月12—14日又出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，降水的疊加效應(yīng)造成洼地積水、洪澇、城鎮(zhèn)內(nèi)澇等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇。

相較于沙塵暴、大風(fēng)、高溫等天氣，當(dāng)?shù)貧庀缶謱?duì)強(qiáng)對(duì)流天氣重視程度不足。無(wú)論是對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的分析能力還是相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)積累，都較為欠缺。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的研究已取得一定成果[1-5]。例如，俞小鼎[6]對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)思路及方法進(jìn)行了研究總結(jié)；孫繼松[7]討論研究了暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)別；常煜、馬素艷、仲夏[8]對(duì)造成內(nèi)蒙古短時(shí)強(qiáng)降水的MCS系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析和歸納。

基于此，針對(duì)2022年8月12—14日阿拉善盟一次引發(fā)山洪、洪澇災(zāi)害的強(qiáng)對(duì)流天氣，利用常規(guī)、非常規(guī)觀測(cè)資料、黑體亮度溫度（Black Body Temperature，TBB）、低層垂直風(fēng)切變等要素，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣中尺度特征進(jìn)行分析研究，為相關(guān)人員認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)這類暖區(qū)強(qiáng)降水提供預(yù)報(bào)參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及降水過程特點(diǎn)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以2022年8月12—14日阿拉善盟次引發(fā)山洪、洪澇災(zāi)害的強(qiáng)對(duì)流天氣為研究對(duì)象，利用多種常規(guī)觀測(cè)資料、自動(dòng)氣象站資料、風(fēng)云2-G衛(wèi)星云圖及ERA-5資料，計(jì)算分析強(qiáng)降水過程中的水汽通量、水汽通量散度、整層可降水量、比濕、相對(duì)濕度、TBB、低層垂直風(fēng)切變等要素，分析研究暖區(qū)強(qiáng)降水特點(diǎn)。

1.2 降水過程概況

2022年8月12日20：00—14日05：00，阿拉善盟大部分地區(qū)出現(xiàn)降水，其中額濟(jì)納旗古日乃、阿拉善右旗中部和南部、阿拉善左旗西部及賀蘭山山區(qū)降中到大雨，阿拉善右旗東南部降暴雨，多地出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，降水量為10.1～38.2 mm/h。阿拉善右旗板灘井降水量最多，為85.3 mm（圖1）。

本次降水總時(shí)長(zhǎng)為32 h，集中降水時(shí)間16 h，短時(shí)強(qiáng)降水為12 h。本次降水具有降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、局地性強(qiáng)、降水范圍集中的特點(diǎn)。

短時(shí)強(qiáng)降水極易引發(fā)山洪、洪澇等災(zāi)害，使道路交通、公共服務(wù)設(shè)施、財(cái)產(chǎn)安全及人身安全受到不同程度的威脅。

1.3 短時(shí)強(qiáng)降水概況

本次強(qiáng)降水過程無(wú)明顯冷空氣活動(dòng)，為典型的暖區(qū)強(qiáng)降水過程。統(tǒng)計(jì)自動(dòng)氣象站降水量，短時(shí)強(qiáng)降水主要集中于2022年8月13日白天（06：00～20：00），且阿拉善右旗南部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水。

根據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水量占日降水量的百分比，對(duì)于≥50 mm的降雨站點(diǎn)，降水量（短時(shí)強(qiáng)降水）＞10 mm/h占總降水量的85.4%；對(duì)于25～49.9 mm的降雨站點(diǎn)，降水量（短時(shí)強(qiáng)降水）＞10 mm/h占總降水量的69%。這表明本次強(qiáng)降水過程中尺度特征明顯。綜上分析，本次強(qiáng)降水過程具有降水量大、強(qiáng)降水范圍集中的特點(diǎn)，并且穩(wěn)定性降水和明顯的中尺度對(duì)流性降水共同形成了本次強(qiáng)降水過程。

2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的環(huán)境場(chǎng)特點(diǎn)

2.1 環(huán)流背景

從高空影響系統(tǒng)演變圖分析，在暖區(qū)強(qiáng)降水過程中，阿拉善盟（40°N以北）上空為西風(fēng)帶多波動(dòng)，副熱帶高壓深入內(nèi)陸，其西端維持在90°E附近，西風(fēng)帶多波動(dòng)與副熱帶高壓相持易產(chǎn)生持續(xù)性降水。

8月12日20：00，阿拉善盟處于副熱帶高壓外圍西南氣流中。13日清晨伴隨高空弱冷空氣入侵，阿拉善右旗西南部形成西北與西南風(fēng)切變，額濟(jì)納旗南部及阿拉善右旗西南部出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣，恰好發(fā)生于低空顯著流線最大風(fēng)速中心前方的副熱帶高壓和水汽輻合區(qū)（圖2）。13日08：00，伴隨西風(fēng)槽東移，副熱帶高壓南退，阿拉善盟大部地區(qū)出現(xiàn)降水。13日20：00，西風(fēng)槽東移至阿拉善盟東部地區(qū)，強(qiáng)降水落區(qū)由阿拉善右旗東移至賀蘭山及周邊地區(qū)，加之700 hPa青海地區(qū)低渦與副熱帶高壓之間形成偏南風(fēng)顯著流線，風(fēng)速達(dá)8～10 m/s。

13日，阿拉善盟持續(xù)處于地面氣旋頂部控制中，伴隨沿甘肅地區(qū)淺薄冷空氣的入侵，阿拉善盟自西向東出現(xiàn)強(qiáng)降水，并且強(qiáng)降水落區(qū)上空持續(xù)存在地面輻合線。

中尺度分析表明（圖略），在潮濕不穩(wěn)定的空氣輸送條件下，850 hPa強(qiáng)降水落區(qū)，比濕均＞14 g/kg。強(qiáng)降水出現(xiàn)在700 hPa切變線、地面輻合線及低空顯著流線出口區(qū)（即對(duì)流層低層多層風(fēng)速輻合區(qū)的疊置區(qū)）。

2.2 高濕環(huán)境與高降水效率

在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，暖區(qū)強(qiáng)降水影響系統(tǒng)和預(yù)報(bào)征兆較鋒面暴雨的功能相對(duì)薄弱，故而預(yù)報(bào)難度較大。在弱強(qiáng)迫抬升條件下，出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水與高濕環(huán)境與高降水效率密切相關(guān)。

2.2.1 高濕環(huán)境

在本次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，500 hPa外圍西南風(fēng)、700 hPa偏南風(fēng)顯著流線及地面氣旋外圍偏東風(fēng)共同輸送水汽，形成深厚濕層。強(qiáng)降水開始前，700、850 hPa均有較強(qiáng)的東南風(fēng)輸送水汽，700 hPa水汽通量＞850 hPa水汽通量。8月13日14：00，700 hPa水汽通量輻合區(qū)在低層顯著流線出口區(qū)，風(fēng)速和風(fēng)向輻合皆有。對(duì)比850 hPa，輻合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。低層強(qiáng)水汽輸送和輻合使得強(qiáng)降水發(fā)生前和發(fā)生過程中，地面露點(diǎn)溫度＞20 ℃，溫度露點(diǎn)差維持在3 ℃左右。阿拉善盟大部地區(qū)整層可降水量均超過37 mm，強(qiáng)降水落區(qū)降水量＞43 mm。

暴雨站點(diǎn)曼德拉站整層比濕、相對(duì)濕度隨時(shí)間演變圖顯示，強(qiáng)降水發(fā)生前（13日08：00）和發(fā)生過程中（13日14：00）整層高濕，近地層比濕為14～16 g/kg，垂直方向6 g/kg延伸至500 hPa，整層相對(duì)濕度均在70%以上，最大時(shí)甚至達(dá)到了100%。

2.2.2 高降水效率

降水效率與水汽輻合強(qiáng)度、地面蒸發(fā)率、夾卷率、暖云層厚度等因素密切相關(guān)。一般情況下，暖云層厚度（即0 ℃層至抬升凝結(jié)高度之間的厚度）越厚，降水效率越高；環(huán)境相對(duì)濕度越高，雨滴蒸發(fā)率越?。昏偳队谳^大尺度云系中的中尺度對(duì)流系統(tǒng)通過夾卷率效應(yīng)，從大尺度云系中不斷補(bǔ)充“彈藥”，對(duì)比孤立對(duì)流系統(tǒng)，其生命周期更長(zhǎng)久，降水效率明顯增大。

本次降水過程中，抬升凝結(jié)高度（Lifting Condens-ation Level，LCL）持續(xù)維持在850 hPa左右。降水開始前，自由對(duì)流高度（Level of Free Convection，LFC）均在600 hPa以下。伴隨持續(xù)降水，環(huán)境濕度不斷增大，自由對(duì)流高度進(jìn)一步降低至700 hPa以下，甚至接近850 hPa。這表明LCL、LFC在高濕背景下高度更低，導(dǎo)致暖區(qū)強(qiáng)降水對(duì)抬升條件的要求降低，這也表明了暖區(qū)強(qiáng)降水不需要像鋒面這種強(qiáng)抬升條件。

強(qiáng)降水地區(qū)無(wú)探空站，但其周邊地區(qū)對(duì)流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）能量區(qū)域均呈狹長(zhǎng)形狀，有利于短時(shí)強(qiáng)降水，其值在759～643 J/kg。同時(shí)，整層高濕降低了蒸發(fā)率，增大了暖云層厚度。本次過程中，暖云層厚度在5～6 km。

綜上所述，在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，針對(duì)這類低層高濕、整層高濕的環(huán)境，應(yīng)保持警惕。

2.3 抬升條件

相關(guān)學(xué)者提出強(qiáng)對(duì)流天氣觸發(fā)機(jī)制往往由次天氣及以下尺度的系統(tǒng)提供，天氣尺度上升運(yùn)動(dòng)因速度過慢，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)將氣塊抬升至自由對(duì)流高度。但在本次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，天氣尺度上升運(yùn)動(dòng)形成較大尺度云系，這一方面解釋了本次過程出現(xiàn)32 h長(zhǎng)時(shí)間降水的原因，另一方面增加了鑲嵌在大尺度云系中的中尺度對(duì)流云系的停留期，從而提高降水效率。以下將利用地面加密觀測(cè)資料、FY2-G衛(wèi)星觀測(cè)資料、ERA-5資料來(lái)分析本次強(qiáng)降水天氣的中尺度系統(tǒng)特征。

2.3.1 中尺度云團(tuán)活動(dòng)特征

從1 h間隔的衛(wèi)星云圖反演的TBB與地面風(fēng)場(chǎng)可以清晰展現(xiàn)出此次中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS的發(fā)生發(fā)展過程。

8月13日03：00，對(duì)流云團(tuán)在阿右旗西部邊境開始生成，伴隨地面輻合線（風(fēng)速、風(fēng)向）的增強(qiáng)，對(duì)流云團(tuán)發(fā)展增強(qiáng)并緩慢東移。07：00，云頂亮溫≤-70 ℃。

08：00，對(duì)流云團(tuán)分裂成2個(gè)對(duì)流云團(tuán)A、B，對(duì)流云團(tuán)A、B的云頂亮溫≤-70 ℃。

10：00，對(duì)流云團(tuán)B開始進(jìn)一步增強(qiáng)，云頂亮溫≤-70 ℃，且范圍不斷擴(kuò)大，中心強(qiáng)度達(dá)-80 ℃，直至13：00達(dá)到最強(qiáng)，15：00開始減弱。這與對(duì)流云團(tuán)B地區(qū)的暴雨站點(diǎn)曼德拉站點(diǎn)、板井灘強(qiáng)降水集中在12：00～14：00相對(duì)應(yīng)。對(duì)流云團(tuán)A從10：00起逐漸減弱消散，這與阿拉善右旗西南部強(qiáng)降水時(shí)段集中在12：00之前相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)累計(jì)降水分布可知，中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MesoscaleConvective System，MCS）沿著地面輻合線發(fā)展移動(dòng)，且強(qiáng)降水幾乎都發(fā)生在云頂亮溫中心附近，這表明中尺度活動(dòng)與強(qiáng)降水有直接聯(lián)系。

2.3.2 中尺度雨團(tuán)與低層垂直風(fēng)切變的關(guān)系

Weisman（1992）和Rotunno（1988）已證實(shí)MCS傾向于低層強(qiáng)垂直風(fēng)切變處生成發(fā)展。在本次強(qiáng)降水發(fā)生前和發(fā)生過程中，地面為偏東風(fēng)，風(fēng)隨高度迅速順轉(zhuǎn)增強(qiáng)，600 hPa已成為偏南、東南風(fēng)顯著流線。

通過850～600 hPa垂直風(fēng)切變圖分析，8月13日03：00，阿拉善盟西南部與甘肅交界處存在風(fēng)速切變達(dá)12 m/s中心，無(wú)論是風(fēng)速切變還是風(fēng)向切變均為大值中心，且此地首先生成MCS。13日13：00，伴隨低層垂直風(fēng)切變大值中心的東移，MCS東移至阿右旗西南部（即曼德拉、板井灘地區(qū)）。故可判斷強(qiáng)降水發(fā)生過程中850～600 hPa＞10 m/s的強(qiáng)垂直風(fēng)切變中心均與MCS的發(fā)生發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)日后中尺度對(duì)流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)有良好的指示作用。

3 結(jié)論

本文利用多種常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)資料、風(fēng)云2-G衛(wèi)星云圖及ERA-5資料，選取阿拉善盟一次引發(fā)洪澇災(zāi)害的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，針對(duì)其降水時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大、強(qiáng)降水范圍集中的特點(diǎn)進(jìn)行了成因分析，有以下3點(diǎn)發(fā)現(xiàn)。

第一，暖區(qū)強(qiáng)降水的低層高濕、整層高濕環(huán)境特點(diǎn)有助于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。高的地面高露點(diǎn)溫度和低的溫度露點(diǎn)差有助于降低LCL，整層高濕環(huán)境有助于降低LFC高度，同時(shí)增大暖云層厚度，減小雨滴蒸發(fā)率，從而提高降水效率。值得關(guān)注的是，較低的LCL和LFC使得暖區(qū)強(qiáng)降水對(duì)抬升條件的要求降低，在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)當(dāng)中應(yīng)特別警惕這類高濕的區(qū)域。

第二，次天氣及以下尺度的抬升條件，如地面輻合線、低空急流出口區(qū)相伴隨的風(fēng)速輻合等均可導(dǎo)致暖區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生，強(qiáng)降水落區(qū)一般位于低層多層風(fēng)速輻合的疊置區(qū)。

第三，中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展區(qū)和低層強(qiáng)垂直風(fēng)切變區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即MCS沿強(qiáng)低層垂直風(fēng)切變區(qū)域發(fā)展增強(qiáng)，是暖區(qū)強(qiáng)降水的重要預(yù)報(bào)指標(biāo)。

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