1 引言
内蒙古河套地区处于干旱半干旱地带， 地形复杂， 分布着沙漠、 高原、 山脉、 黄河等; 暴雨是河套地区夏季主要的灾害性天气， 通常表现为突发性、 局地性、 短历时强降水等特点， 由于该地区地表生态系统相对比较脆弱， 暴雨造成的危害性通常比较大。
中国的暴雨具有显著区域性特征， 并且成因复杂（丁一汇， 1994; 孙继松等， 2015; 王伏村等， 2016）。暴雨是由多尺度天气系统相互作用的结果（杨磊等， 2017）， 随着多源观测资料特别是高分辨率多普勒天气雷达资料的广泛应用， 对导致暴雨的中小尺度对流系统研究也逐渐深入（王宝鉴等， 2016; 赵庆云等， 2017）; 充沛的水汽输送是暴雨期间中尺度对流形成的必要条件之一， 表现为具有较高的环境相对湿度、 深厚湿度层以及强低层水汽辐合等特征（孙军等， 2012; 谌芸等， 2012）; 其次， 暴雨的发生发展也伴随着明显的中尺度对流复合体（汤鹏宇等， 2015; 张桂莲等， 2018a）， 它们之间的合并及组织化过程对诱发短时强降水的发生具有重要作用（漆梁波等， 2018; 万明波等， 2015; 赵淑芳等， 2017）， 而导致暴雨发生发展的中尺度系统的爆发则需要触发机制， 干线和地面辐合线相交的地区， 是产生暴雨的对流单体初生和强烈发展的区域（方翀等， 2012; 张桂莲等， 2019， 2018b）。上述研究均表明在暴雨发生期间中小尺度系统的重要作用， 对探讨区域性暴雨触发机制和实际工作都具有重要意义。但对于内蒙古河套地区特殊地形背景下短时强降水导致暴洪的天气研究比较少， 本文对2018 年7月18 -19日内蒙古河套地区暴雨过程的环流背景、 特别是触发中尺度对流系统急剧发展的“列车效应”导致的暴雨成因进行分析， 探讨内蒙古河套区域性地形强迫下暴雨的发生发展机制， 以期对该地区此类暴雨的监测和预报提供一些参考依据。
2 天气形势和资料选取
2.1 天气形势
2018年7月18日20:00（北京时， 下同）至19日20:00， 内蒙古河套地区出现了一次致灾性暴雨过程（简称“7·19”暴雨过程）， “7·19”暴雨过程伴有明显的“列车效应”中尺度对流系统触发特征， 其具有持续性和急剧性两个显著特点。降水回波自西向东持续经过阴山山脉南麓， 特别是巴彦淖尔市和包头市交界处， 24 h累计降水量126个站超过50 mm， 10个站超过100 mm[图1(a)]; 降水急剧、 雨强大、 降水效率高， 杨六圪卜、 坝梁、 两眼井气象站3 h降水量均突破100 mm以上， 雨强超过50 mm·s-1[图1(b)]; 对于1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm的降水事件称为极端短时强降水， 短时强降水导致的主要灾害是暴洪（俞小鼎， 2013）; 暴雨引发山洪灾害， 巴彦淖尔市和包头市两处水库出现险情， 应急撤离下游群众; 多地铁路公路路基塌方， 通讯信号中断; 乡镇、 村庄被洪水围困， 农作物、 房屋受灾严重， 洪灾造成5人死亡， 2人失踪。
2.2 资料选取
选取的资料包括内蒙古自治区气象信息中心提供的全区785个自动气象站24 h和1 h降水量资料以及内蒙古河套地区鄂尔多斯（CINRAD/CB型）多普勒雷达资料， NECP的FNL（1°×1°）逐6 h再分析资料及全球地形（1°×1°）资料。本文涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）2884号的中国地图制作， 底图无修。
3 大尺度环流背景
对7月19日08:00 500 hPa高度场、 850 hPa风场和700 hPa低空急流综合图（图2）分析可知， 西太平洋副热带高压（简称西太副高）成带状且稳定维持在黄淮和长江中下游地区， 内蒙古河套地区位于副高边缘588 dagpm线西北侧; 热带地区有热带风暴“山神”、 强热带风暴“安比”， 有利于充沛的水汽沿着副高远距离输送到干旱半干旱的河套地区， 源自于热带和副热带的强盛西南暖湿气流在河套地区汇合， 为河套地区暴雨的发生提供了充沛水汽和不稳定能量; 中纬度西风带在河套地区500 hPa上有高空槽东移， 而700~850 hPa则均有西南低空急流大风速辐合带和“人”字型切变线， 其暖式切变线几乎重叠位于副高588 dagpm线西北侧。因此， 由于副高稳定少动， 使得500 hPa高空槽、 700~850 hPa“人”字型切变线和西南低空急流长时间维持在河套地区， 对流单体沿着副高边缘上的暖式切变线不断输送， 形成具有“列车效应”的强对流回波带， 最终诱发河套地区暴雨; 此外， 500 hPa高空槽、 700~850 hPa“人”字型切变线和西南低空急流等多种天气系统的耦合， 既有利降水系统的维持和加强， 也有利于西南暖湿水汽输送和不稳定能量聚积， 表现为对流回波进一步增强， 形成“列车效应”诱发的“7·19”短时致灾暴雨。
图2 “7·19”暴雨过程08:00高空综合图黑线为500 hPa位势高度(单位: dagpm); 阴影为700 hPa≥12 m·s-1低空急流(单位: m·s -1); 风羽为850 hPa风场(单位: m·s-1) Fig.2 Comprehensive field of high level at 08:00 on 19 July 2018.The black line represents potential height at 500 hPa(unit: dagpm); The shadow represents the jet of 700 hPa≥12 m·s -1(unit: m·s-1); Barbs represents 850 hPa wind field(unit: m·s-1) |
4 暴雨的成因
4.1 充沛的水汽
对7月19日08:00水汽通量和水汽通量散度沿110.05°E大暴雨中心包头市固阳县（41.03°N, 110.05°E）剖面分析（图3）可知， 在阴山山脉南麓35°N -40°N地区中低层有一条强的西南水汽通道维持， 水汽通量强度中心发展至700 hPa; 局地水汽是有限的， 暴雨的产生必须有来自暴雨区外水汽补充（或供应）， 而水汽通量及其散度辐合可表征外地水汽对雨区内水汽的补充（陶祖钰， 2011）; 在此次暴雨中心（40°N附近）水汽通量散度垂直辐合非常深厚， 上升至500 hPa， 而高层400~500 hPa为水汽通量散度辐散， 中低层水汽强烈辐合， 高层水汽辐散， 水汽通量输送中心和水汽通量散度辐合中心几乎叠置; 暴雨期水汽条件表现为强西南支水汽输送和垂直辐合上升， 两者的共同作用有利于短时强降水产生， 这也是“列车效应”诱发河套暴雨的关键原因之一。同时， 暴雨的发生发展进程也与之对应， 大暴雨中心包头市固阳县杨六圪卜19日07:00 -09:00 3 h降水量高达156.4 mm， 最大雨强为84.7 mm·h-1， 出现在07:00 -08:00， 大暴雨中心短时强降水的发生发展与水汽通量和水汽辐合中心具有一致性。
图3 “7·19”暴雨过程08:00水汽通量[阴影， 单位: g·（cm·hPa·s）-1]及其散度（黑线， 单位: ×10-6 g·s-1·cm-2·hPa-1）沿110.05°E剖面Fig.3 The profile of water vapor flux field [the shaded， unit: g·（cm·hPa·s）-1)] and its divergence field (black line， unit: ×10-6 g·s-1·cm-2·hPa-1) along 110.05°E at 08:00 in “7·19” heavy rainstorm |
4.2 大尺度上升运动
除了水汽条件以外， 暴雨形成还需要水汽快速凝结， 而水汽快速凝结需要强烈对流上升运动。对比分析此次暴雨过程的垂直运动及其雷达回波的演变特征可知， 19日02:00散度和涡度沿大暴雨中心41.03°N剖面图[图4(a)]显示， 在105°E附近低层散度辐合较弱， 散度辐合区对应的正涡度区也很小， 对照分析03:57[图5(a)]鄂尔多斯雷达反射率， 内蒙古河套地区只有分散的积状云层状云混合降水回波; 08:00散度和涡度沿41.03°N剖面图显示[图4(b)]， 散度辐合中心东移至110°E（大暴雨中心）附近， 散度辐合强度和面积有明显的跃增， 高度从02:00的700 hPa上升到550 hPa， 低层散度强烈辐合高层辐散， 正涡度中心面积也迅速跃增并且移至110°E（大暴雨中心）， 正涡度中心高度从02:00的800 hPa延伸至550 hPa并与负散度中心重合形成准正压不稳定结构导致垂直对流系统强盛发展， 对应于19日07:28[图5(b)]雷达反射率图， 在内蒙古河套地区已经形成东西向和南北向长度约为300 km两条“列车效应”带状回波， 其中东西向为积状云层状云混合回波， 在阴山南麓包头和巴彦淖尔交界处（强降水区）分布着约150 km的45~60 dBz强回波， 其反映出对流单体对暴雨区不稳定能量输送和维持的重要作用。
图4 “7·19”暴雨过程02:00和08:00涡度（等值线， 单位: ×10-5 s-1）、 散度（阴影， 单位: ×10-6 s-1）沿41.03°N剖面Fig.4 The profile of vorticity field (contour， unit: ×10-5 s-1) and divergence field (the shaded， unit: ×10-6 s-1)along 41.03°N at 02:00 and 08:00 in“7·19”heavy rainstorm |
4.3 垂直不稳定层结
从19日08:00风场和假相当位温θ se沿大暴雨中心41.03°N进行剖面（图6）可以看出， 假相当位温θ se呈“鞍”型分布， 表现为850 hPa以下低层为高能区， 地面至500 hPa假相当位温θ se分布呈倒“漏斗”型的不稳定层结， θ se随高度升高逐渐减小， θ se递减率却明显加大， 不稳定层结有利于中尺度对流系统的发展， 也有利于“列车效应”的维持。此外， 在大暴雨中心110°E附近偏南风逐渐加大， 700~850 hPa有≥12 m·s-1的低空急流， 在大暴雨中心上游（105°E -110°E）地面到500 hPa有阶梯槽维持， 槽后干冷空气不断侵入到暖湿空气中， 冷暖空气交汇也有利于强对流天气发生。
19日08:00位于河套地区东胜站53543（39.87°N， 109.98°E）温度对数压力图显示（图7）从地面到500 hPa是深厚湿层， 300~500 hPa是显著干层， 为上干下湿不稳定层结。0~6 km垂直风切变为11 m·s-1， 低层到中层具有中等强度垂直风切变， 有利于组织性强的对流单体长时间维持。不稳定能量也很大， K指数、 对流有效位能CAPE分别为40 ℃、 1037.8 J·kg-1， 抬升指数LI却很小， 为 -1.92 ℃， 表明对流不稳定明显。700 hPa比湿为9.86 g·kg-1， 而850 hPa比湿高达17.28 g·kg-1， 中低层维持着深厚湿层。对流凝结高度CCL为804 m， 抬升凝结高度LCL为817.8 m， 两者高度都很低且几乎重合， 0 ℃层高度在5687.4 m， 表明暖云层较厚。由上可知， 深厚暖云层和湿层、 中等强度0~6 km垂直风切变环境、 较大对流有效位能以及上干下湿不稳定层结， 都表明“7·19”暴雨过程具有明显对流性、 短时强降水特征， 这也和实况非常吻合[见图1(b)]。
4.4 “列车效应”触发机制
4.4.1 阴山山脉特殊地形的强迫抬升
中国暴雨与地形常具有密切联系（刘蕾等， 2015; 王华等， 2019; 赵玉春等， 2012; 张芹等， 2018; 韩国泳等， 2016）， 它主要取决于低空风场和地形之间的配置（陶祖钰， 2011）， 另一方面， 地形与风场相互作用也对强对流触发有重要作用（孙军等， 2012）， “7·19”暴雨和东西向阴山山脉特殊地形密切相关。
从19日08:00 850 hPa风场和散度平面[图8(a)]中可以看出， 阴山北侧有散度辐散中心， 阴山南侧有散度辐合中心和≥12 m·s-1西南低空急流， 且有明显风速辐合区， 散度辐合区和风速辐合区基本重合， 有利于阴山南麓迎风坡风速的进一步增强。19日08:00 -14:00（图略）西南低空气流一直维持在阴山南麓， 低层西南暖湿气流在上升运动过程中受东西方向阴山山脉地形的阻挡而强迫抬升， 地形强迫抬升有利于对流在阴山南麓的触发和组织， 同时低空急流不断输送丰富水汽和不稳定能量也有利于对流环境重建和维持， 这也是“列车效应”长时间维持的原因。辐散和辐合中心之间有明显的东西向散度梯度密集区， 散度梯度密集区同阴山山脉南麓几乎重合， 进一步激发和加强了阴山南麓迎风坡的作用， “列车效应”就发生在阴山南麓的散度梯度密集区内， 地形对垂直运动有所增强， 而垂直运动又影响降水量的大小（赵思雄等， 2018）。18日20:00至19日20:00 24 h降水量[图8(b)]≥50 mm的暴雨观测站点基本呈东西带状分布在阴山山脉南麓迎风坡处， 与阴山山脉走向基本一致， 也进一步说明阴山山脉特殊地形的强迫抬升对这次暴雨具有明显的增幅作用。“列车效应”即由于阴山山脉地形强迫作用导致的扰动不断输送至暴雨区且在雷达回波特征上表现为显著的东西轴向带状回波形势， 是导致暴雨不断发展的重要动力过程。
图8 “7·19”暴雨过程19日08:00 850 hPa风场（风羽， 单位: m·s-1）和散度（黑线， 单位: ×10-6 s-1）（a）， 18日20:00至19日20:00 24 h降水量≥50 mm的气象观测站点分布（b, 阴影: 地形高度， 单位: m）Fig.8 Wind field at 850 hPa (barb， unit: m·s -1) and divergence field (black line， unit: ×10-6 s-1) at 08:00 on 19(a)， and the distribution of observation stations with ≥50 mm precipitation from 20:00 on 18 to 20:00 on 19 (b, the shaded: terrain height， unit: m) in “7·19” heavy rainstorm |
4.4.2 地面中尺度辐合线、 干线的触发
中尺度对流回波一般都有中尺度系统与之相配合， 这些系统对回波触发和组织有着重要作用。19日08:00（图9）内蒙古河套地区（35°N -44°N， 100°E -110°E）10 m风场上有近似“┌”型的东西向和南北向两条中尺度辐合线， 偏东风和偏南风组成的东西向中尺度辐合线上有10 m·s-1偏东风辐合， 其南侧有12 m·s-1偏南风形成的低空急流大风速辐合带， 而中尺度辐合线东段曲率弯曲最大处是风向风速辐合最强烈的地方， 正好位于大暴雨中心附近。东西向地面中尺度辐合线恰好位于阴山山脉南麓一带， 东西向地面中尺度辐合线与阴山山脉重叠， 共同触发对流单体强烈发展为范围广、 强度高的中尺度对流回波带， 而东西向地面中尺度辐合线一直在阴山山脉南麓维持到14:00（图略）， 这是“列车效应”在东西方向长时间维持的重要原因之一。
组合反射率因子回波演变来看， 在东西向带状回波上， 东移的对流单体后侧（西方）不断有新生对流单体生成且东移， 回波单体具有明显的后向传播特征， 对流雨带的移动方向和其主轴方向基本平行， 为东西向; 由于东西向对流回波带范围广、 尺度大、 回波强度高， 回波移动方向与带状回波长轴方向几乎平行且移动速度较慢， 从而造成东西向阴山山脉南麓一带的暴雨。俞小鼎（2012）研究认为导致强降水的中尺度对流系统常呈现为线状对流雨带， 当对流雨带的移动速度矢量基本平行于其主轴， 使得对流雨带中的每一个强降水单体依次经过同一地点， 形成“列车效应”， 从而产生极大累积雨量， 对于极端降水事件大多数都有“列车效应”的作用。对照此次过程， 东西向强回波几乎沿阴山山脉平行方向移动， 东西向带状回波长轴方向、 阴山山脉地形以及回波移动方向三者基本平行， 东西方向“列车效应”非常明显。强降水和东西向带状回波最强时段有着非常好的对应关系， 07:00 -09:00时段内河套地区北部阴山南麓一带出现短时强降水， 该地区38个站次出现1 h降水量≥30 mm的短时强降水， 之后东西向带状回波上线状回波一直维持到11:04[图10(c)]， 但强度逐渐减弱， 在11:33（图略）之后连成一线的强对流单体逐渐断裂， 至13:04（图略）东西向带状回波东移过程中于减弱消失， 但后面还维持着宽广的层状云降水回波。
这次暴雨也有明显的干冷空气入侵， 表现为地面2 m露点温度在河套地区西侧（35°N -40°N， 100°E -105°E）有范围较大的南北向等露点温度线密集带即露点锋（干线）， 干线东侧有显著湿区， 湿区中心2 m露点温度高达24 ℃， 干线西侧干区中心2 m露点温度仅为7 ℃， 干冷空气的侵入使对流更加不稳定。而且， 南北向中尺度辐合线和干线的重叠触发南北向中尺度对流雨带产生， 南北向带状回波虽然维持时间长， 但带状回波移动方向（自西向东）基本垂直于带状回波主轴（南北向）以及南北向的中尺度辐合线和干线， 无法形成“列车效应”， Doswell et al（1996）认为多单体强降水对流系统中单体移动方向基本上与雨带走向垂直不利于长时间降水的产生。因此， 河套地区南侧累积降水量并没有出现大范围强降水[见图1(a)、 图8(b)]。地面中尺度辐合线与阴山山脉重叠共同触发中尺度对流带发生， 是暴雨产生高效率强降水的直接触发机制， 也是“列车效应”长时间维持的另一重要原因。
5 结论
利用内蒙古自治区气象信息中心提供的全区785个自动气象站24 h降水量和1 h降水量资料以及内蒙古河套地区鄂尔多斯雷达站CINRAD/CB型多普勒雷达探空资料， NECP的FNL （1°×1°）逐6 h再分析资料及全球地形（1°×1°）资料， 对2018年7月18 -19日内蒙古河套地区致灾暴雨的成因分析。得到以下主要结论:
（1） 副热带高压成带状稳定少动， 其西北侧500 hPa高空槽、 中低层700~850 hPa“人”字型切变线和低空急流是暴雨发生的主要背景条件; 由于副高稳定少动， 使得500 hPa高空槽、 700~850 hPa“人”字型切变线和西南急流长时间维持在河套地区， 对流单体沿着副高边缘上的暖式切变线不断输送， 形成具有“列车效应”特征的强对流回波带， 诱发河套地区的暴雨。
（2） 暴雨期水汽条件表现为强西南支水汽输送和垂直辐合上升运动， 水汽通量强度中心发展至700 hPa， 水汽通量散度垂直辐合上升至500 hPa， 两者的共同作用使低层充沛水汽向高层输送， 低层丰富水汽在上升运动中凝结， 有利于短时强降水产生。
（3） 暴雨最强时段， 散度辐合中心和正涡度中心均有显著发展， 有利于气旋和大尺度上升运动的加强， 暴雨区表现出正涡度中心和负散度中心的重合的准正压不稳定结构加剧了对流不稳定的发展。
（4） 低层假相当位温θ se均为高能区， 地面至500 hPa假相当位温θ se分布呈倒“漏斗”型的不稳定层结， θ se随高度升高逐渐减小， θ se递减率却明显加大， 不稳定层结有利于中尺度对流系统的发展。
（5） 地面中尺度辐合线、 干线和阴山山脉是暴雨过程期间中尺度对流回波的直接触发机制， 特别是东西向中尺度辐合线、 阴山山脉重叠是触发“列车效应”重要原因。
（6） “列车效应”即由于阴山山脉地形强迫作用导致的扰动不断输送至暴雨区且在雷达回波特征上表现为显著的东西轴向带状回波形势， 是导致暴雨不断发展的重要动力过程。