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摘要 利用常规观测资料和气象卫星、雷达、自动站等资料，对2013年6月15～16日发生在内蒙古巴彦淖尔市一次强降水过程进行诊断分析。结果表明，此次降水天气过程发生在“两槽一脊”环流背景下，高空短波槽引导西北涡北上影响河套地区，较好的水汽输送和强烈的水汽辐合是出现河套地区大雨的原因之一；正涡度平流和暖平流对河套地区上升运动的产生和维持提供了有利的动力条件，低层辐合、高层辐散的配置有利于强降水形成；在一定条件下，喇叭口地形可以加强上升运动并使降水时间延长。
关键词 降水天气；诊断分析；环流背景；中尺度对流系统；河套地区
中图分类号 S161.6 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）17-05604-03
Abstract By using conventional observation data， satellite cloud data， automatic station data and intensive rainfall data to analyze a heavy rain occurred in Bayannaoer City， Inner Mongolia during June 15-16， 2013. The results showed that this weather process occurred in “two grooves and one ridge” circulation background. High altitude short wave trough guide the lower northwest vortex traveling northeast to influence the Hetao Area， and good water vapor transport and strong water vapor convergence is one of the reasons of this heavy rain weather. The positive vorticity advection and warm advection provided profitably dynamic conditions to produce and maintain the ascending motion in Hetao Area， this low level convergence and upper level divergence’s situation is propitious to heavy rain weather. The high negative vorticity caused divergence motion plays an important role on the low layer rise. Under certain conditions， terrain convergence function can cause the precipitation strengthening.
Key words Precipitation； Diagnosis and analysis； Circulation background； Mesoscale convective systems； Hetao
内蒙古河套地区是指黄河“几”字弯和其周边流域，处于内陆深处的黄土高原，地势高，温差大，风沙多，蒸发强，降水少，属极干旱—干旱的荒漠和半荒漠地区。以巴彦淖尔市为例，年降水量在127～225 mm，其中近70%的降水集中在6～8月，雨热同期，变率大，保证率低[1]。2013年入春以来，巴彦淖尔市降水较常年偏少24%～78%，北部牧区持续干旱，对牧草的生长极为不利。6月15～16日，巴彦淖尔市迎来入夏以来最明显的一次降水天气过程，大部地区雨量为小到中雨，沿阴山一线至乌拉特中旗达到大雨，最大降水出现在乌拉特中旗的温更，为42.3 mm，降水有效缓解了草原旱情，补充了农区作物需水。笔者利用常规观测资料和气象卫星、雷达、自动站等资料，对此次天气过程的大尺度环流形势背景、水汽条件和动力条件进行了研究，分析了中尺度对流系统的TBB变化特征和雷达回波的演变情况。
1 环流背景和主要影响系统
2013年6月14～15日，500 hPa亚欧中高纬度为“两槽
一脊”形势，乌拉尔山高空槽不断分裂短波槽南下东移，鄂霍茨克海冷涡逆时针旋转，两槽之间为闭合的高压脊系统，副热带高压明显西伸北跳，脊线位于30°N附近，西脊点位于106°E，河套地区受青海短波槽前西南气流影响，584 dagpm线外围有来自孟加拉湾的水汽输送，河套地区温度露点差<2 ℃，水汽达到饱和状态（图1）。15日08：00，700 hPa副热带高压与新疆地区闭合高压对峙，在青海柴达木盆地形成西北涡，至15日20：00，随着500 hPa短波槽东移，西北涡沿短波槽前西南气流北上，影响河套地区，西北涡东侧有自孟加拉湾向河套地区的西南暖湿气流输送，河套及以南地区温度露点差<2 ℃，具备产生强降水的水汽条件，且西南气流风速（最大风速20 m/s）达到低空急流标准，河套地区位于急流出口区的左侧，同一时次，40°N 附近地区300 hPa及以上为强盛的偏西气流，河套地区位于高空西北急流入口区的右侧，河套地区上空高低空急流的耦合配置，有利于产生强烈的上升运动。地面图上，河套地区处于地面倒槽顶部 。
2 形成机制分析
2.1 水汽条件分析
2.1.1
水汽含量和水汽饱和程度。水汽含量和水汽饱和程度决定了降水的强度，水汽含量的多少可以通过分析比湿获知，相对湿度则可以表示空气的饱和程度。分析临河站15日20：00垂直水汽分布图（图2）可以看出，临河850 hPa比湿达14 g/kg，饱和比湿达19 g/kg，这样的数值达到当地强降水的指标，而相对湿度在850 hPa不足80%，表现为水汽压与饱和水汽压距离较大，这是由于850 hPa温度较高所致，700～400 hPa空气相对湿度均达90%，表现为水汽压与饱和水汽压接近重合，空氣达到饱和程度，这样的深厚湿层有利于强降水的发生。 2.1.2
水汽通量和水汽通量散度。计算表明，单靠当地已有的水分，不可能形成暴雨[2]，水汽通量与水汽通量散度可以定量描述水汽输送的方向、大小以及水汽在何处集中，从而了解形成暴雨的水汽条件[3]。沿106°E、37.5°N和106°E、45°N两点做2013年6月15日20：00水汽通量垂直剖面和水汽通量散度剖面，从图3可以看出，从低纬到高纬均有水汽输送且从850 hPa延伸至400 hPa附近，主要的输送中心位于850 hPa、42.5°N附近，中心值为12 g/（cm·hPa·s），河套地区位于此中心南侧，河套地区850 hPa水汽通量达8～12 g/（cm·hPa·s），有较强的水汽输送；水汽通量散度方面，37.5°～42.5°N均有水汽的辐合，辐合中心位于850 hPa、40°N 附近，中心值为-56 g/（cm2·hPa·s），河套地区位于此中心右前侧，表明有大量水汽在河套地区积聚，强烈的水汽辐合是出现河套地区大雨的原因之一。
2.2 动力条件分析
分析高度场、风场与涡度场的叠加图（图略）可见，6月15日20：00 500 hPa河套地区位于短波槽前，槽区位置对应为正涡度中心，中心数值可达60×10-5 s-1，河套以南至甘肃南部地区为大范围西南风，风力均在12 m/s以上，表明500 hPa高空槽前对流层中层有明显的正涡度平流向河套地区输送，同时次850 hPa温度场和风场叠加图上，河套地区东北部存在24 ℃暖中心，从暖中心至河套地区为一致的偏东风，风力达4～6 m/s，表明对流层低层有暖平流向河套地区输送，正涡度平流和暖平流的输送对河套地区上升运动的产生和维持提供了有利的动力条件[4]。
分析15日08：00～16日20：00涡度时间剖面图（图4）看出，15日20：00，乌拉特中旗站400 hPa以下为正涡度，400 hPa以上为负涡度且在200 hPa附近存在-48×10-5 s-1的负涡度中心，同时刻散度时间剖面图250 hPa有1.8×10-5 s-1辐散中心、850 hPa存在-2.2×10-5 s-1的辐合中心，这种高层负涡度、低层正涡度的配置有利于高层反气旋性涡旋环流、低层气旋性涡旋环流增强[5]，并形成高层辐散、低层辐合的垂直环流机制，为强降水的发生提供十分有利的上升运动条件。
2.3 能量和大气层结条件
K指数能较好地反映大气层结的稳定性和不稳定能量的蓄积程度，被广泛应用于中小尺度强对流天气分析和强降水分析中[6]，K指数越大，层结越不稳定。分析K指数发现，15日08：00，河套地区处于28～32 ℃的大值区影响之下，至20：00，K指数增大至40 ℃，层结不稳定度加大，该区域极有可能出现较大量级降水，随后在乌拉特中旗站6 h降水30 mm，则进一步证实K指数可作为强降水预报的一个指标。
假相当位温θse可以表征大气的温湿特征，在干、湿绝热过程中均具有保守性，其数值越大，表示气团越高温高湿。通常取上、下层θse的差值作为对流性稳定度指数（Iconve），即Iconve=（θse上-θse下），Iconve>0时，为对流性稳定；Iconve<0时，为对流性不稳定[7]。在此取Iconve=θse500-θse850表示大气对流稳定度。研究表明，Iconve可作为预报大暴雨的指标之一，若Iconve<0，有利于暴雨产生[8]。计算Iconve发现，15日08：00河套地区Iconve在-10～-8 ℃， 大气层结已经处于不稳定状态，至20：00，Iconve大值中心东移并增至-16 ℃，不稳定层结进一步加强，降水区域也随之东移且降水强度加大（15日08：00～20：00河套地区均为小雨量级，而20：00～16日02：00出现大雨量级的降水）。以上说明，Iconve大值区可作为强降水落区预报的一个指标，同时值的大小可作为降水量级预报的一个参考。
2.4 地形的作用
巴彦淖尔地区属于内蒙古高原的一部分，存在北部高原、中部山地丘陵和南部平原3种地貌。阴山山地北部到蒙古边境的广大区域为乌拉特高原，海流图盆地位于狼山与哈达特山之间，呈南北向的喇叭口地形。乌拉特中旗（海流图）站15日20：00 850 hPa为8 m/s的东北风，地面15日20：00～16日02：00为一致的东北风，风速为4～6 m/s。一方面，近地面风速随高度增大且风向正对喇叭口地形开口的方向，地形强迫抬升和地形辐合的共同作用加强了上升运动，从而增加凝结量，使降水加强；另一方面，地形对雨团移动的阻滞、促使雨团合并可以延长降水时间，同时喇叭口地形的辐合和抬升作用反过来又为雨团发展加强创造了有利条件[9]，这2个方面的共同作用，使降水强度加大。
3.2 雷达资料分析
利用6月15日临河站C波段多普勒雷达数据（图5）对此次降水进行分析发现，12：16，造成河套地区前期降水的对流单体回波强度最大可达53 dBz，回波顶高8 km，垂直累积液态水含量8～13 kg/m2，17：00之后，回波强度明显减弱，大片层状云回波中镶嵌个别积状云回波，回波顶高降低至5 km左右，垂直累积液态水含量减小为1～5 kg/m2，降水转为以层状云降水为主的积云层状云混合降水，这与卫星云图的分析结果一致。
4 小结
（1）在“两槽一脊”的环流背景下，短波槽引导低层西北涡北上，地面倒槽不断发展加强，是造成2013年6月15日河套地区入夏一次强降水的主要影响系统。
（2）较强的水汽输送和强烈的水汽辐合是出现河套地区大雨的原因之一。正涡度平流和暖平流对河套地区上升运动的产生和维持提供了有利的动力条件。高层辐散、低层辐合的垂直环流机制，为强降水的发生提供了有利的上升运动条件。
（3）降水过程中，河套地区大气层结始终处于对流不稳定状态，K指数≥36 ℃、Iconve<0的区域与降水落区一致，可作为以后预报的参考依据。
（4）在一定条件下，喇叭口地形可以加强上升运动并使降水时间延长。
（5）初始阶段的对流性降水主要由不断生成和消亡的中尺度对流云团活动所致，雷达回波显示，前期降水主要是积状云降水，后期降水转为以层状云降水为主的积云层状云混合降水。
参考文献
[1]李金田，张喜林.巴彦淖尔市农牧业气候资源与区划[M].北京：科学普及出版社，2006：37.
[2] 北京大学地球物理系气象教研室.天气分析和预报[M].北京：科学出版社，1976.
[3] 文宝安.水汽通量与水汽通量散度[J].气象，1980（7）：34-36.
[4] 朱乾根，林锦瑞.寿绍文，等.天气学原理与方法[M].3版.北京：气象出版社，1992.
[5] 李明，张涛，魏杰平.2008年初夏孝感一次大暴雨天气过程的分析与诊断[J].暴雨灾害，2009，28（1）：51-57.
[6] 张端禹，张兵，钟敏.对2005年9月鄂东一次连续大暴雨的诊断分析[J].暴雨灾害，2007，26（1）：52-56.
[7] 刘健文，郭虎，李耀东，等.天气分析预报物理量计算基础[M].北京：气象出版社， 2005：85.
[8] 施望芝，毛以伟，谌伟，等.台风“云娜”降水云区中单站大暴雨诊断分析和预报[J].暴雨灾害，2007，26（1）：47-51.
[9] 林之光. 地形降水气候学[M].北京：科学出版社， 1995.
[10] 杨金锡， 冯志娴. 9403 强热带风暴致洪暴雨 Tbb 特征分析[J]. 氣象科学， 1996， 16（4）： 378-382.
关键词 降水天气；诊断分析；环流背景；中尺度对流系统；河套地区
中图分类号 S161.6 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）17-05604-03
Abstract By using conventional observation data， satellite cloud data， automatic station data and intensive rainfall data to analyze a heavy rain occurred in Bayannaoer City， Inner Mongolia during June 15-16， 2013. The results showed that this weather process occurred in “two grooves and one ridge” circulation background. High altitude short wave trough guide the lower northwest vortex traveling northeast to influence the Hetao Area， and good water vapor transport and strong water vapor convergence is one of the reasons of this heavy rain weather. The positive vorticity advection and warm advection provided profitably dynamic conditions to produce and maintain the ascending motion in Hetao Area， this low level convergence and upper level divergence’s situation is propitious to heavy rain weather. The high negative vorticity caused divergence motion plays an important role on the low layer rise. Under certain conditions， terrain convergence function can cause the precipitation strengthening.
Key words Precipitation； Diagnosis and analysis； Circulation background； Mesoscale convective systems； Hetao
内蒙古河套地区是指黄河“几”字弯和其周边流域，处于内陆深处的黄土高原，地势高，温差大，风沙多，蒸发强，降水少，属极干旱—干旱的荒漠和半荒漠地区。以巴彦淖尔市为例，年降水量在127～225 mm，其中近70%的降水集中在6～8月，雨热同期，变率大，保证率低[1]。2013年入春以来，巴彦淖尔市降水较常年偏少24%～78%，北部牧区持续干旱，对牧草的生长极为不利。6月15～16日，巴彦淖尔市迎来入夏以来最明显的一次降水天气过程，大部地区雨量为小到中雨，沿阴山一线至乌拉特中旗达到大雨，最大降水出现在乌拉特中旗的温更，为42.3 mm，降水有效缓解了草原旱情，补充了农区作物需水。笔者利用常规观测资料和气象卫星、雷达、自动站等资料，对此次天气过程的大尺度环流形势背景、水汽条件和动力条件进行了研究，分析了中尺度对流系统的TBB变化特征和雷达回波的演变情况。
1 环流背景和主要影响系统
2013年6月14～15日，500 hPa亚欧中高纬度为“两槽
一脊”形势，乌拉尔山高空槽不断分裂短波槽南下东移，鄂霍茨克海冷涡逆时针旋转，两槽之间为闭合的高压脊系统，副热带高压明显西伸北跳，脊线位于30°N附近，西脊点位于106°E，河套地区受青海短波槽前西南气流影响，584 dagpm线外围有来自孟加拉湾的水汽输送，河套地区温度露点差<2 ℃，水汽达到饱和状态（图1）。15日08：00，700 hPa副热带高压与新疆地区闭合高压对峙，在青海柴达木盆地形成西北涡，至15日20：00，随着500 hPa短波槽东移，西北涡沿短波槽前西南气流北上，影响河套地区，西北涡东侧有自孟加拉湾向河套地区的西南暖湿气流输送，河套及以南地区温度露点差<2 ℃，具备产生强降水的水汽条件，且西南气流风速（最大风速20 m/s）达到低空急流标准，河套地区位于急流出口区的左侧，同一时次，40°N 附近地区300 hPa及以上为强盛的偏西气流，河套地区位于高空西北急流入口区的右侧，河套地区上空高低空急流的耦合配置，有利于产生强烈的上升运动。地面图上，河套地区处于地面倒槽顶部 。
2 形成机制分析
2.1 水汽条件分析
2.1.1
水汽含量和水汽饱和程度。水汽含量和水汽饱和程度决定了降水的强度，水汽含量的多少可以通过分析比湿获知，相对湿度则可以表示空气的饱和程度。分析临河站15日20：00垂直水汽分布图（图2）可以看出，临河850 hPa比湿达14 g/kg，饱和比湿达19 g/kg，这样的数值达到当地强降水的指标，而相对湿度在850 hPa不足80%，表现为水汽压与饱和水汽压距离较大，这是由于850 hPa温度较高所致，700～400 hPa空气相对湿度均达90%，表现为水汽压与饱和水汽压接近重合，空氣达到饱和程度，这样的深厚湿层有利于强降水的发生。 2.1.2
水汽通量和水汽通量散度。计算表明，单靠当地已有的水分，不可能形成暴雨[2]，水汽通量与水汽通量散度可以定量描述水汽输送的方向、大小以及水汽在何处集中，从而了解形成暴雨的水汽条件[3]。沿106°E、37.5°N和106°E、45°N两点做2013年6月15日20：00水汽通量垂直剖面和水汽通量散度剖面，从图3可以看出，从低纬到高纬均有水汽输送且从850 hPa延伸至400 hPa附近，主要的输送中心位于850 hPa、42.5°N附近，中心值为12 g/（cm·hPa·s），河套地区位于此中心南侧，河套地区850 hPa水汽通量达8～12 g/（cm·hPa·s），有较强的水汽输送；水汽通量散度方面，37.5°～42.5°N均有水汽的辐合，辐合中心位于850 hPa、40°N 附近，中心值为-56 g/（cm2·hPa·s），河套地区位于此中心右前侧，表明有大量水汽在河套地区积聚，强烈的水汽辐合是出现河套地区大雨的原因之一。
2.2 动力条件分析
分析高度场、风场与涡度场的叠加图（图略）可见，6月15日20：00 500 hPa河套地区位于短波槽前，槽区位置对应为正涡度中心，中心数值可达60×10-5 s-1，河套以南至甘肃南部地区为大范围西南风，风力均在12 m/s以上，表明500 hPa高空槽前对流层中层有明显的正涡度平流向河套地区输送，同时次850 hPa温度场和风场叠加图上，河套地区东北部存在24 ℃暖中心，从暖中心至河套地区为一致的偏东风，风力达4～6 m/s，表明对流层低层有暖平流向河套地区输送，正涡度平流和暖平流的输送对河套地区上升运动的产生和维持提供了有利的动力条件[4]。
分析15日08：00～16日20：00涡度时间剖面图（图4）看出，15日20：00，乌拉特中旗站400 hPa以下为正涡度，400 hPa以上为负涡度且在200 hPa附近存在-48×10-5 s-1的负涡度中心，同时刻散度时间剖面图250 hPa有1.8×10-5 s-1辐散中心、850 hPa存在-2.2×10-5 s-1的辐合中心，这种高层负涡度、低层正涡度的配置有利于高层反气旋性涡旋环流、低层气旋性涡旋环流增强[5]，并形成高层辐散、低层辐合的垂直环流机制，为强降水的发生提供十分有利的上升运动条件。
2.3 能量和大气层结条件
K指数能较好地反映大气层结的稳定性和不稳定能量的蓄积程度，被广泛应用于中小尺度强对流天气分析和强降水分析中[6]，K指数越大，层结越不稳定。分析K指数发现，15日08：00，河套地区处于28～32 ℃的大值区影响之下，至20：00，K指数增大至40 ℃，层结不稳定度加大，该区域极有可能出现较大量级降水，随后在乌拉特中旗站6 h降水30 mm，则进一步证实K指数可作为强降水预报的一个指标。
假相当位温θse可以表征大气的温湿特征，在干、湿绝热过程中均具有保守性，其数值越大，表示气团越高温高湿。通常取上、下层θse的差值作为对流性稳定度指数（Iconve），即Iconve=（θse上-θse下），Iconve>0时，为对流性稳定；Iconve<0时，为对流性不稳定[7]。在此取Iconve=θse500-θse850表示大气对流稳定度。研究表明，Iconve可作为预报大暴雨的指标之一，若Iconve<0，有利于暴雨产生[8]。计算Iconve发现，15日08：00河套地区Iconve在-10～-8 ℃， 大气层结已经处于不稳定状态，至20：00，Iconve大值中心东移并增至-16 ℃，不稳定层结进一步加强，降水区域也随之东移且降水强度加大（15日08：00～20：00河套地区均为小雨量级，而20：00～16日02：00出现大雨量级的降水）。以上说明，Iconve大值区可作为强降水落区预报的一个指标，同时值的大小可作为降水量级预报的一个参考。
2.4 地形的作用
巴彦淖尔地区属于内蒙古高原的一部分，存在北部高原、中部山地丘陵和南部平原3种地貌。阴山山地北部到蒙古边境的广大区域为乌拉特高原，海流图盆地位于狼山与哈达特山之间，呈南北向的喇叭口地形。乌拉特中旗（海流图）站15日20：00 850 hPa为8 m/s的东北风，地面15日20：00～16日02：00为一致的东北风，风速为4～6 m/s。一方面，近地面风速随高度增大且风向正对喇叭口地形开口的方向，地形强迫抬升和地形辐合的共同作用加强了上升运动，从而增加凝结量，使降水加强；另一方面，地形对雨团移动的阻滞、促使雨团合并可以延长降水时间，同时喇叭口地形的辐合和抬升作用反过来又为雨团发展加强创造了有利条件[9]，这2个方面的共同作用，使降水强度加大。
3.2 雷达资料分析
利用6月15日临河站C波段多普勒雷达数据（图5）对此次降水进行分析发现，12：16，造成河套地区前期降水的对流单体回波强度最大可达53 dBz，回波顶高8 km，垂直累积液态水含量8～13 kg/m2，17：00之后，回波强度明显减弱，大片层状云回波中镶嵌个别积状云回波，回波顶高降低至5 km左右，垂直累积液态水含量减小为1～5 kg/m2，降水转为以层状云降水为主的积云层状云混合降水，这与卫星云图的分析结果一致。
4 小结
（1）在“两槽一脊”的环流背景下，短波槽引导低层西北涡北上，地面倒槽不断发展加强，是造成2013年6月15日河套地区入夏一次强降水的主要影响系统。
（2）较强的水汽输送和强烈的水汽辐合是出现河套地区大雨的原因之一。正涡度平流和暖平流对河套地区上升运动的产生和维持提供了有利的动力条件。高层辐散、低层辐合的垂直环流机制，为强降水的发生提供了有利的上升运动条件。
（3）降水过程中，河套地区大气层结始终处于对流不稳定状态，K指数≥36 ℃、Iconve<0的区域与降水落区一致，可作为以后预报的参考依据。
（4）在一定条件下，喇叭口地形可以加强上升运动并使降水时间延长。
（5）初始阶段的对流性降水主要由不断生成和消亡的中尺度对流云团活动所致，雷达回波显示，前期降水主要是积状云降水，后期降水转为以层状云降水为主的积云层状云混合降水。
参考文献
[1]李金田，张喜林.巴彦淖尔市农牧业气候资源与区划[M].北京：科学普及出版社，2006：37.
[2] 北京大学地球物理系气象教研室.天气分析和预报[M].北京：科学出版社，1976.
[3] 文宝安.水汽通量与水汽通量散度[J].气象，1980（7）：34-36.
[4] 朱乾根，林锦瑞.寿绍文，等.天气学原理与方法[M].3版.北京：气象出版社，1992.
[5] 李明，张涛，魏杰平.2008年初夏孝感一次大暴雨天气过程的分析与诊断[J].暴雨灾害，2009，28（1）：51-57.
[6] 张端禹，张兵，钟敏.对2005年9月鄂东一次连续大暴雨的诊断分析[J].暴雨灾害，2007，26（1）：52-56.
[7] 刘健文，郭虎，李耀东，等.天气分析预报物理量计算基础[M].北京：气象出版社， 2005：85.
[8] 施望芝，毛以伟，谌伟，等.台风“云娜”降水云区中单站大暴雨诊断分析和预报[J].暴雨灾害，2007，26（1）：47-51.
[9] 林之光. 地形降水气候学[M].北京：科学出版社， 1995.
[10] 杨金锡， 冯志娴. 9403 强热带风暴致洪暴雨 Tbb 特征分析[J]. 氣象科学， 1996， 16（4）： 378-382.