1 引言
近期气候变化研究指出， 极端天气事件是全球气候变化显著和直接的表现（王绍武等， 2012）。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次报告（AR6）指出， 气候变化正在影响降雨特征， 在高纬度地区， 降水可能会增加， 而在亚热带的大部分地区则预估可能会减少。同时气候变化正在加剧水循环， 这会带来更强的降雨和洪水， 但在许多地区则意味着更严重的干旱， 气候变化或导致更多的极端天气， 但对于这个预测趋势的区域表现和机制则需要各地区进行更具体的研究（秦大河等， 2007； 黄子立等， 2021）。中国区域的降水和极端降水对增暖具有很强的敏感性， 随着全球变暖， 中国区域平均降水显著增加， 极端降水事件增多、 强度增强（韦志刚等， 2021； 卢珊等， 2022； 陈子凡等， 2022）。内蒙古自治区地域辽阔， 地形复杂， 盛夏季节冷暖空气交汇频繁， 内蒙古河套地区和东南部地区由于受夏季风边缘影响， 降水天气对气候变化的响应异常敏感， 是夏季极端强降水事件发生的主要地区。从近几年极端降水事件统计数据来看， 随着全球气候变暖， 内蒙古地区的极端降水事件发生的频次和强度在黄河套区表现为较明显的增长趋势（李潇等， 2015； 冯克鹏等， 2017； 刘林春等， 2020）， 引发的区域性洪涝损失程度也愈加严重（裴浩等， 2012； 白美兰等， 2006； 张桂莲等， 2018）， 防汛抗旱形势严峻复杂（余淼等， 2021）， 给国民经济和人民生命财产造成很大影响（蔡敏和张智， 2014； 张桂莲等， 2020）。
21世纪以来， 内蒙古暴雨事件发生频率和强度都呈增加的趋势， 研究表明内蒙古暴雨事件主要集中在7月中旬到8月上旬（常煜， 2015）， 从暴雨过程进行统计分析， 发现河套地区的夏季极端降水过程多受槽前西南气流影响， 加之河套地区异常强盛的上升气流， 易发生强降水事件（刘林春等， 2020）。而内蒙古东部地区暴雨多受蒙古冷涡和西来槽影响（孙永刚， 2015）， 并且暴雨事件多有夜发性的特点（常煜， 2015）。针对内蒙古东西部地区的暴雨研究多集中在单一或多个暴雨过程的个例对比分析（宋桂英等， 2016； 德勒格日玛等， 2014； 斯琴等， 2013； 马素艳等， 2015； 王永清等， 2014）， 例如大尺度环流特征和影响天气系统（宋桂英等， 2013）， 雷达回波特征（张桂莲等， 2020）以及地形的影响（王永清等， 2014）等方面。在盛夏， 内蒙古处于副热带高压边缘， 冷空气影响已经很小， 暴雨仍经常发生， 但一般局地性很强， 并且历时短强度大， 这种副高边缘的局地性暴雨一般很难预报， 所以利用动力因子为内蒙古夏季局地化的暴雨预报提供了新的思路。国内外气象工作者就动力因子对暴雨落区预报方面的研究已经开展了大量的工作， 动力因子对暴雨落区的预报能力在华北（赵宇等， 2008， 2009； 骆凯等， 2010； 杨帅等， 2013）、 东北（牛立强等， 2013）、 华东（朱刚， 2012）和西南陡峭地形的川西地区（李琴等， 2016； 王成鑫等， 2013）等多个暴雨个例中得到检验， 例如2012年北京“7·21”特大暴雨（高守亭等， 2013； 冉令坤等， 2014）， 台风“莫拉克”（许娈等， 2013）， 以及2021 年河南“7·20”极端暴雨（冉令坤， 2021）， 结果都表明动力因子能较好地追踪降水系统的演变和发展过程。这些研究主要集中在降水过程比较频繁且降水量较大的半湿润或湿润地区， 针对内蒙古干旱半干旱地区短历时强降水中动力因子的表现能力， 柳志慧和李瑞青（2020）以及李瑞青（2018）通过对40多个动力因子进行对比分析， 发现热力平流参数、 波作用密度和散度垂直通量对内蒙古夏季强降水有较好的指示性。
目前， 在全球气候变暖背景下极端气候事件的突发性、 不可预见性日益凸显。内蒙古地区近十几年夏季暴雨多发， 极端降水事件频发， 严重威胁着人民生命财产安全。本文以极端暴雨为切入点， 综合研究内蒙古典型地区夏季极端性暴雨的时空变化特征， 揭示极端性暴雨的客观规律及其中尺度动力因子特征， 对内蒙古地区洪涝灾害预报预警和防灾减灾具有十分重要的科学意义和参考价值。
2 数据来源与方法介绍
2.1 数据来源
本文数据包括： （1）1981 -2020年内蒙古119个国家气象站逐日降水量， 以08:00（北京时， 下同）为界， 资料来源于内蒙古气象信息中心。为分析降水的空间特征， 将站点降水数据用Cressman插值成0.5°×0.5°格点数据用于进一步分析。（2）国家气象信息中心最新研制发布的中国第一代全球大气再分析产品（CRA40）， 时间分辨率6 h， 空间分辨率0.5°×0.5°， 垂直层次64层， 本文所用要素包括各层位势高度、 气温、 相对湿度、 水平风速、 垂直风速、 地面气压和海平面气压场。
文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2019）1821号的标准地图制作， 底图无修改。
2.2 研究方法
本文中对极端性暴雨的定义为： 统计1981 -2020年夏季各站达到暴雨量级的样本序列， 对其从小到大进行排序， 取90%分位数， 定义为各站极端暴雨阈值， 任一站点超过极端暴雨阈值时统计为一次极端暴雨事件。当某日全区有大于等于3个相邻行政区域站点降水量同时超过极端暴雨阈值时， 就认为出现一次极端暴雨过程。在研究区域范围内暴雨降水过程中， 出现暴雨站点的降水强度累加， 除以出现暴雨降水事件的站点数， 作为平均暴雨强度。
高守亭等（2018）在我国暴雨预报方法研究中指出在暴雨发生时， 温压湿风都会有明显的不同， 而其中值得关注的四种动力因子分别为对流涡度矢量、 湿热力平流参数、 波作用密度和二阶湿位涡。针对内蒙古季风影响的过渡区， 柳志慧等（2020）研究指出河套暴雨中动力因子有显著特征的为热力平流参数、 波作用密度和散度垂直通量， 李瑞青（2018）针对内蒙古东部地区暴雨的研究也指出动力因子表现明显的主要是热力螺旋度和热力散度垂直通量。说明在内蒙古暴雨天气过程中， 湿热力平流参数、 热力垂直螺旋度、 热力散度垂直通量和热力波作用密度在内蒙古暴雨预报中有较好的指示性。其中各动力因子表达式分别为：
湿热力平流参数定义为三维位温平流的水平梯度与广义位温水平梯度的标量积， 该参数能够描述热量平流输送和强斜压性等锋面特征（Wu et al， 2011）。
式中： Mtp为湿热力平流参数； 为等压坐标系内三维速度矢量； 为纬向速度； 为经向速度； 为垂直速度； 为位温； T为温度； P为气压； 为地面气压； R为气体常数； 为定压比热； 为广义位温； 为凝结潜热； 为对流抬升高度的温度； 为水汽饱和比湿； 为水汽比湿； k为经验常数； 为空间水平梯度算子； 为三维空间梯度算子。
热力垂直螺旋度定义为垂直速度与热量通量垂直涡度的乘积， 它是一个表征流体边旋转边沿旋转方向运动物理特性的重要物理量。该物理量一方面体现了垂直热量通量与相对垂直涡度的耦合作用， 另一方面包含了大气湿斜压性等信息（冉令坤和楚艳丽， 2009）。
式中： Helth为热力垂直螺旋度； 为纬向速度； 为经向速度； 为垂直速度； 为广义位温。
热力散度垂直通量定义为垂直速度与热量通量水平散度的乘积。该物理量涵盖了大气垂直运动、 水平辐合/辐散和热量平流输送等因素， 是动、 热力效应耦合的物理量（冉令坤和楚艳丽， 2009）。
式中： Wptediv为热力散度垂直通量； 为纬向速度； 为经向速度； 为垂直速度； 为广义位温。
热力波作用密度定义为扰动垂直速度与扰动广义位温的雅可比。波作用密度动力因子能反映偏离大气平均态的波动效应， 暴雨区的垂直运动、 温度场、 湿度场及风场等要素都会明显偏离平均态， 能反映其波动特征（Gao et al， 2009）。
式中： 为垂直速度； 为广义位温； 在这里任意物理量都可以写成基本态与扰动态之和的形式， 即， ， 下标“0”代表基本态， 下标“e”代表扰动态。在实际计算中， 利用Barnes低通滤波技术对CRA40再分析场进行连续3次水平平滑滤波， 该滤波结果作为基本态场， 从总资料场中减去基本态场就得到扰动态场。
为了得到整层动力因子的空间分布特征， 对各动力因子的绝对值求积分， 以 代表等压坐标系内物理量A的绝对值的质量权重（850 hPa至500 hPa对流层中低层）垂直积分， 其中 为密度。
3 结果与讨论
3.1 暴雨变化特征
在分析内蒙古近40年的暴雨变化特征时， 本文从暴雨的时空分布特征及其变化趋势、 暴雨发生次数统计的年际变化特征、 暴雨贡献率和暴雨强度的年际变化特征等多方面来探讨内蒙古的极端暴雨特征。从1981 -2020年内蒙古夏季降水的气候态分布及变化趋势空间分布特征［图1 （a）］显示， 内蒙古夏季降水量总体呈自西向东逐渐递增的空间分布趋势， 东西差异非常明显， 并且与阴山山脉和大兴安岭地形的分布密切相关。位于内蒙古西部的巴丹吉林沙漠、 腾格里沙漠和毛乌素沙地以及内蒙古中部地区的浑善达克沙地， 夏季总降水量都不足100 mm， 尤其是位于内蒙古最西部的阿拉善盟夏季降水量不足50 mm， 而位于阴山以南的河套地区， 包括鄂尔多斯市大部、 包头市、 呼和浩特市等地夏季降水量为150~200 mm。而浑善达克沙地以东的内蒙古东部地区降水量明显， 夏季降水量主要集中在东南部地区及大兴安岭东部， 其中呼伦贝尔市东部和兴安盟， 夏季总降水量超过300 mm。从全区夏季降水的年际变化趋势看， 除了小部分站点以外， 全区有76.27%的站点夏季降水都呈现出减少的趋势， 其中显著减少的站点达到36.44%， 从空间分布上看显著减少的站点主要集中在内蒙古南部地区。从暴雨贡献率和年平均暴雨事件分布［图1 （b）］来看， 内蒙古夏季发生暴雨的站点共109个， 占全区总站数的92.37%， 其中暴雨发生较频繁的区域主要集中在河套地区和内蒙古东部偏东地区， 河套地区平均每年夏季发生暴雨事件的次数为0.2~0.4次·a-1， 只有东胜站年平均暴雨事件次数达到了0.45次·a-1， 其次， 东部地区年平均暴雨事件次数超过0.4次·a-1的共有23个站点， 其中0.6~0.8次·a-1有4个站点， 分别为胡尔勒（0.73次·a-1）、 扎鲁特旗（0.68次·a-1）、 青龙山（0.73次·a-1）和科尔沁左翼后旗（0.65次·a-1）， 而暴雨事件平均每年超过0.8次·a-1的站点有3个， 分别为小二沟（0.93次·a-1）、 扎兰屯（0.88次·a-1）和乌兰浩特（0.85次·a-1）。而暴雨贡献率的大值分布区也主要分布在阴山以南的河套地区及大兴安岭以东地区， 其中河套地区的暴雨贡献率在6%~15%， 大兴安岭以东的暴雨贡献率在15%以上， 其中以东南部地区暴雨贡献率最大， 达到18%以上。值得注意的是， 最大暴雨贡献率出现在内蒙古东南部地区， 而非年平均暴雨频次最大的东北部地区， 这可能与东北部夏季总降水量也较多有关， 因此暴雨的贡献率只在15%~18%。而东南部地区虽然夏季总降水量都在150~250 mm， 但发生暴雨事件的频率较多， 暴雨贡献率明显大于其他区域。因此， 在本文后续的分析中以暴雨贡献较为明显的西部河套地区和东南部地区作为重点关注区域进行研究。
图1 内蒙古夏季降水量分布（阴影， 单位： mm）及变化趋势（三角， 单位： mm·a-1）（a）和暴雨贡献率（阴影， 单位： %）及暴雨年平均次数（圆点， 单位： 次·a-1）（b）（b）中西部和东部方框范围分别为（37.5°N -41.4°N， 106.5°E -113.5°E）和（41.0°N -47.0°N， 118.0°E -124.0°E） Fig.1 Spatial distribution （the shaded， unit： mm） and linear trend （triangle， unit： mm·a-1） of summer precipitation （a）， and contribution rate of rainstorm （the shaded， unit： %） and annual mean number of rainstorm （circle dot， unit： times·a-1） （b） in Inner Mongolia.In Fig.1（b）， the box ranges are as follows respectively （37.5°N -41.4°N， 106.5°E -113.5°E） and （41.0°N -47.0°N， 118.0°E -124.0°E） |
进一步从站点平均夏季降水量的年际变化特征［图2 （a）， （c）］可以看到， 内蒙古夏季降水主要集中在7月， 8月次之， 6月最少。并且具有明显的年际变化特征， 2000年之前降水呈波动性变化特征， 最大降水量出现在1998年， 站点平均夏季降水量达到274.94 mm， 但在2000年以后夏季降水减少明显， 尤其是在2009 -2015年全区站点平均夏季总降水量不到100 mm， 2010年降水量最少， 仅有47.11 mm， 而在2016年以后， 夏季降水量又显著增加到200 mm以上， 整体降水量变化趋势为 -1.61 mm·a-1， 达到了95%的显著性检验。东部地区站点平均夏季降水量变化特征与全区基本一致， 同样在1998年最大降水量为406.91 mm， 而在2010年最少降水量为48.43 mm， 整体降水变化趋势为-3.09 mm·a-1， 达到了99%的显著性检验。西部河套地区站点平均夏季降水量明显偏少， 降水变化特征与全区基本一致， 最大降水量和最小降水量出现年份与东部和全区并不一致， 2016年最大降水量为247.76 mm， 而2011年降水量最少， 仅为14.79 mm， 降水变化趋势为-1.06 mm·a-1， 但变化趋势并不显著。暴雨发生站点数的年际变化特征与降水量基本一致［图2 （b）， （d）］， 暴雨主要发生在7月和8月， 6月发生暴雨的站点数最少， 甚至个别年份全区都没有暴雨发生， 1998年暴雨站点数最多， 为83个， 2000年后暴雨站点数明显偏少， 尤其是2009 -2015年， 暴雨站点数为20个， 2005年和2009年暴雨站点数最少， 都只有4个。但在近5年里， 暴雨站点数有显著增多的趋势， 尤其在2018年暴雨发生的站点数达到66个， 其中7月42个， 8月23个， 6月仅有1个。西部地区相比东部地区发生暴雨站点数明显偏少， 其中有9年都无暴雨发生， 1998年发生暴雨最多为26个， 大部分发生在7月份， 1985年次之， 为24个， 全部发生在8月， 而东部地区仅2015年无暴雨发生， 1998年暴雨发生站点数最多为37个， 1994年和2017年次之， 都为36个。
此外， 从平均暴雨强度及其贡献率上（图3 ）可以看出内蒙古全区整体平均的暴雨强度在60~70 mm·d-1， 而暴雨对夏季降水的贡献率基本在15%以下， 其中1994年暴雨强度为73 mm·d-1， 暴雨贡献率达到了17%， 说明在这一年不仅暴雨发生频率较多， 而且强度较强。西部地区除了个别年份以外， 整体的暴雨强度相比内蒙古全区偏小， 暴雨强度明显偏大的年份有1989年、 1994年、 1995年、 2001年和2002年， 但暴雨贡献率较大的年份却为1985年和1998年， 暴雨强度大但暴雨贡献率并不明显说明西部地区暴雨多为分散性的单点暴雨。东部地区暴雨强度较大， 暴雨贡献率也较西部偏大， 暴雨贡献率能达到15%以上的年份有15年。其中， 2014年和2018年的暴雨强度达到了84 mm·d-1和78 mm·d-1， 但他们的暴雨贡献率却分别为7%和21%， 说明2014年以单点暴雨为主， 而2018年整体性暴雨发生频率较多， 强度较强。
进一步通过百分位法计算各站点的极端暴雨阈值， 以此统计每年出现极端暴雨的站点个数及其强度， 结果如表1 所示， 从表1 中可以看到， 大部分极端暴雨事件都发生在7月和8月， 其中7月最多， 个别年份能达到5次以上， 而6月出现极端暴雨最少。夏季除了2009-2011年以外， 其余年份都有极端暴雨出现， 尤其是1984年、 1988年、 1994年、 1998年、 2016年、 2017年、 2018年和2020年， 极端暴雨日数都达到了7天以上， 其中2018年最多为9天， 1988年和1998年次之， 都为8天。进一步统计极端暴雨的站次（图4 ）可以看到， 极端暴雨有很明显的波动特征， 整体在21世纪之前极端暴雨站次较多， 2000年后极端暴雨明显减少， 但是在近5年里， 极端暴雨事件又明显增多， 尤其在2018年， 极端暴雨达到18个站次， 与1984年持平。值得注意的是， 在1984/1985年、 1994/1995年、 1997/1998年和2016/2017/2018年这几个典型的极端暴雨事件连续性大值年里， 东部地区和西部地区极端暴雨发生的站次变化却呈现相反的变化特征， 东部地区在1984年、 1994年、 2017年和2018年发生极端暴雨较多， 而西部地区则在1985年、 1995年、 1998年和2016年发生极端暴雨较多。
表1 极端暴雨事件统计表Table 1 Statistics of extreme rainstorm events |
| 年份 | 发生极端暴雨事件日期/［月-日（站数/个）］ | 极端暴雨降水量/mm |
|---|---|---|
| 1981 | 07-02； 07-31； 08-14（2） | 113.6； 50.3； （77.5； 77.4） |
| 1982 | 06-27； 07-26； 07-27 | 77.2； 78.1； 82.5 |
| 1983 | 07-14； 08-05（2）， 08-14， 08-23； 08-28 | 133.1； （98.8； 73.2）； 100.5； 63.7； 119.4 |
| 1984 | 06-17（2个）； 07-04； 08-02（3）； 08-09； 08-11（9）； 08-13； 08-26 | （74.7； 96.4）； 87.4； （64.1； 62.1； 76.3）； 65.1； （72.1； 92.9； 126.3； 89.5； 119； 119.5； 120.9； 98.3； 139.6）； 80.5； 98.7 |
| 1985 | 07-17； 07-29； 07-31； 08-20； 08-25（6） | 66.9； 80.4； 83； 128.1； （68.3； 61.9； 83.1； 64.1； 99.7； 74.7） |
| 1986 | 06-27； 07-06 | 79.7； 73.3 |
| 1987 | 08-15； 08-20 | 78.3； 150.4 |
| 1988 | 06-27； 07-23； 08-05； 08-06； 08-07（3）； 08-17； 08-30； 08-31 | 58.5； 107.9； 94.2； 80.7； （118.9； 90.2； 78.5）； 113.1； 62.3； 74.3 |
| 1989 | 07-21； 07-23； 08-23 | 129.3； 62.9； 100.6 |
| 1990 | 07-14； 07-15（2）； 07-26； 08-28（2）； 08-29（2） | 98.1； （125.7； 108.9）； 70.8； （88； 71.7）； （79.1； 63.6） |
| 1991 | 06-11； 06-12； 07-19； 07-23； 08-15 | 111.9； 84.1； 81.8； 109.9； 92.8 |
| 1992 | 07-26； 08-08（2）； 08-12 | 110.2； （108.2； 90.6）； 55.5 |
| 1993 | 06-29（2）； 07-09； 07-18（2）； 07-19； 07-31 | （114.9； 94.6）； 91.1； （71.1； 67.1）； 93.3； 111.6 |
| 1994 | 06-26； 07-06； 07-13（6）； 07-14（2）； 07-22； 07-28（2）； 08-13 | 85.5； 113.1； （183.4； 100.5； 151.4； 126； 131.6； 123）； （125.5； 182.3）； 142.9； （86.9； 110）； 74.5 |
| 1995 | 06-21； 06-29； 07-14； 07-18； 07-29（2）； 08-31 | 97.5； 99.1； 58.9； 117.1； （114.2； 75.7）； 91.7 |
| 1996 | 06-20； 07-28 | 91； 76.4 |
| 1997 | 07-31； 08-09； 08-10； 08-14（2）； 08-15（2）； 08-28（3） | 78； 104.2； 115.5； （100.1； 55）； （92.6； 82.3）； （94.1； 84.6； 92） |
| 1998 | 06-24； 07-05； 07-06； 07-13（5）； 07-14； 08-10； 08-11； 08-19 | 72.7； 86.7； 72； （97.1； 114.7； 107.7； 71； 150.7）； 95.7； 98.8； 85.4； 116.2 |
| 1999 | 07-08； 07-12； 07-21 | 79.2； 70.1； 89.9 |
| 2000 | 07-08； 08-12； 08-13 | 71.8； 113.3； 142.3 |
| 2001 | 08-19（2） | （85.9； 71.5） |
| 2002 | 07-23； 07-31 | 88.1； 129.8 |
| 2003 | 06-27（2）； 07-26； 07-27； 08-06 | （75.2； 70.6）； 96.8； 91.8； 133.6 |
| 2004 | 06-30； 07-05； 07-16； 08-03； 08-12； 08-21（2） | 81.3； 123.5； 128； 85.2； 110.6； （85.3； 85.3） |
| 2006 | 07-05； 07-18； 08-07； 08-12 | 96.4； 86.2； 67； 89.6 |
| 2007 | 07-01； 08-09 | 128.6； 112.1 |
| 2008 | 07-31（4）； 08-10 | （86.5； 86.5； 72.9； 51.2）； 73.4 |
| 2012 | 07-21； 07-28（2）； 07-29 | 89； （81； 108.7）； 76.4 |
| 2013 | 07-23； 07-28（2） | 80.5； （114.9； 82.5） |
| 2014 | 06-18 | 81.4 |
| 2015 | 07-19； 08-15 | 102.8； 80.3 |
| 2016 | 07-08； 07-12； 07-21（3）； 07-25； 08-07； 08-15（2）； 08-18（2） | 109.1； 102.4； （89.7； 142.3； 111.7）； 70.3； 97.7； （87； 57.2）； （68.9； 89.6） |
| 2017 | 07-07； 07-08（2）； 07-26； 08-03（3）； 08-04（2）； 08-12； 08-15 | 92.6； （101.3； 82.9）； 70.1； （276.6； 120.8； 154.8）； （126.3； 123.8）； 106.6； 102.7 |
| 2018 | 06-16； 07-04（2）； 07-17； 07-20（2）； 07-23； 07-24（2）； 07-25（5）； 08-28（3）； 08-29 | 86.3； （76.4； 79.9）； 109.7； （95.7； 62）； 60.2； （74.5； 66.9）； （103.3； 101.5； 120.3； 89.5； 104.1）； （70.3； 95.7； 80.7）； 143.1 |
| 2019 | 06-22； 06-26； 08-07； 08-21 | 68.9； 62.9； 130.9； 96.2 |
| 2020 | 07-03； 07-17（2）； 07-31； 08-04； 08-12； 08-14； 08-30 | 105.6； （98.9； 77.6）； 79.4； 83.8； 66.1； 68.3； 66.8 |
阴影表示极端暴雨事件发生在3个站点以上 |
进一步以某日超过3个相邻行政区域站点同时达到极端暴雨阈值为一次极端暴雨过程， 结果以阴影方式显示在表1 中。从表1 可以看到， 近40年里共发生了12次极端暴雨过程， 而1984年和2018年都发生了2次极端暴雨过程， 此外， 1994年的7月13-14日和1998年的7月13-14日， 有明显的连续性极端暴雨事件发生， 在1994年7月13日和1998年7月13日都达到了极端暴雨过程， 同时在其后7月14日仍然有站点出现极端暴雨。进一步统计这12次极端暴雨过程影响的区域和站点信息结果如表2 所示， 从月份分布看， 有5次发生在7月， 7次发生在8月， 6月没有。从地理区域看， 极端暴雨影响的区域主要出现在西部的河套地区和东南部地
表2 极端暴雨过程统计表Table 2 Statistical table of extreme rainstorm process |
| 日期（年-月-日） | 暴雨站点区域 | 暴雨站数 /个 | 极端暴雨 站数/个 | 最大日降水量/mm（08:00 -20:00/20:00 -08:00/08:00 -08:00） |
|---|---|---|---|---|
| 1984-08-01至1984-08-02 | 阿拉善盟、 鄂尔多斯市、 巴彦淖尔市、 包头市 | 6 | 3 | 磴口（76.3/0.0/76.3） |
| 1984-08-10至1984-08-11 | 赤峰市、 通辽市、 呼伦贝尔市 | 14 | 9 | 宝国图（0.3/139.3/139.6） |
| 1985-08-24至1985-08-25 | 呼和浩特市、 鄂尔多斯市、 包头市、 乌兰察布市、 锡林郭勒盟 | 16 | 6 | 呼和浩特（59.4/40.3/99.7） |
| 1988-08-06至1988-08-07 | 呼伦贝尔市 | 7 | 3 | 鄂伦春旗（57.1/61.8/118.9） |
| 1994-07-12至1994-07-13 | 赤峰市， 通辽市 | 12 | 6 | 青龙山（105.4/78.0/183.4） |
| 1997-08-27至1997-08-28 | 兴安盟 | 3 | 3 | 胡尔勒（0.3/93.8/94.1） |
| 1998-07-12至1998-07-13 | 鄂尔多斯、 包头市、 呼和浩特市、 乌兰察布市、 赤峰市 | 20 | 5 | 土默特左旗（2.1/148.6/150.7） |
| 2008-07-30至2008-07-31 | 巴彦淖尔市， 鄂尔多斯， 包头市， 呼和浩特市 | 10 | 4 | 达拉特旗（21.8/64.7/86.5） |
| 2016-07-20至2016-07-21 | 赤峰市， 通辽市 | 7 | 3 | 八里罕（92.5/49.8/142.3） |
| 2017-08-02至2017-08-03 | 赤峰市， 通辽市 | 6 | 3 | 青龙山（253.0/23.6/276.6） |
| 2018-07-24至2018-07-25 | 锡林郭勒盟、 赤峰市、 通辽市、 兴安盟 | 13 | 5 | 阿鲁科尔沁旗（83.6/36.7/120.3） |
| 2018-08-27至2018-08-28 | 包头市、 锡林郭勒盟、 赤峰市 | 5 | 3 | 多伦（66.5/29.2/95.7） |
区， 但西部地区发生的极端暴雨事件概率小于东部地区， 12次极端暴雨事件中西部地区有4次， 东部地区有8次。暴雨站数最多的是1998年7月12 -13日， 在我区西部地区的鄂尔多斯市、 包头市、 呼和浩特市和乌兰察布市有20个站点出现暴雨， 其中5个站点超过极端暴雨阈值， 最大降水量出现在土默特左旗站， 最大降水量为150.7 mm， 极端暴雨主要出现在夜间。而极端暴雨站数最多的是1984年8月10 -11日， 在我区东部赤峰市、 通辽市和呼伦贝尔市的14个站点发生暴雨， 其中9个站点超过极端暴雨阈值， 最大降水量出现在宝国图站（139.6 mm）， 极端暴雨也主要出现在夜间。
近40年12次极端暴雨过程的降水量特征如图5 所示， 其中西部地区发生极端暴雨有4次， 分别为1984年8月2日、 1985年8月25日、 1998年7月13日和2008年7月31日， 暴雨站点基本都覆盖在关键区中并且极端降水量级整体小于东部地区。而东部地区发生极端暴雨有8次， 其中4次暴雨站点都覆盖在关键区中， 主要集中在赤峰市和通辽市南部， 分别为1984年8月11日、 1994年7月13日、 2016年7月21日和2017年8月3日， 剩下的4次极端暴雨落区相对偏北， 主要出现在赤峰市东北部、 通辽市北部、 兴安盟和呼伦贝尔市地区。在后续的动力因子分析中集中关注4次河套地区和4次东南部地区的极端暴雨过程。
3.2 典型暴雨过程中动力因子特征分析
针对这12次极端暴雨过程， 计算其动力因子特征。因为24 h降水是一个累积量， 而动力因子特征是一个瞬时量， 因此以6 h时间间隔的CRA40再分析产品， 计算每次降水过程起始日期08:00到结束日期08:00共5个时次的瞬时动力因子特征， 分别与24 h降水量计算空间相关系数， 取其相关系数最大的时次， 结果如表3 所示。从表3 中可以看出， 四种动力因子中， 湿热力平流参数和热力波作用密度与降水的相关系数相比热力垂直螺旋度和热力散度垂直通量要大， 说明这两种动力因子对内蒙古整体的极端暴雨过程有很好的指示作用。其中河套地区四次典型极端暴雨过程中， 四种动力因子都有较好的表现， 尤其是湿热力平流参数和热力波作用密度， 四次过程与降水的空间相关系数都在0.5以上， 其中以2008年7月31日效果最为明显， 湿热力平流参数和热力波作用密度与降水的空间相关系数分别达到0.82和0.78。对于东南部地区的4次典型极端暴雨天气过程中， 所有动力因子对东南部极端暴雨天气都有很好的指示意义， 尤其是2016年7月21日， 湿热力平流参数和热力波作用密度与降水的相关系数都达到了0.85， 同时热力垂直螺旋度和热力散度垂直通量与降水的相关性也都为0.74。此外对于东部其他地区4次非典型的极端暴雨过程中， 动力因子对降水的指示作用较弱， 只有2018年8月28日出现在锡林郭勒盟南部的极端暴雨过程有一定的指示意义， 热力平流参数和热力波作用密度相关系数达到了0.76和0.77， 而对于出现在东北部的呼伦贝尔市和兴安盟， 以及赤峰-通辽-兴安盟这种狭长的暴雨雨带， 动力因子对他们的指示作用都相对较弱。
表3 动力因子与24 h观测降水空间相关系数Table 3 Spatial correlation coefficients between dynamical parameters and 24 hour precipitation |
| 动力因子 | 西部地区 | 东南部地区 | 东部其他地区 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1984-08-02T02:00 | 1985-08-24T20:00 | 1998-07-12T20:00 | 2008-07-31T02:00 | 1984-08-10T20:00 | 1994-07-13T08:00 | 2016-07-21T02:00 | 2017-08-03T08:00 | 1988-08-07T02:00 | 1997-08-27T20:00 | 2018-07-24T14:00 | 2018-08-28T02:00 | |
| 湿热力平流参数（mtp） | 0.75 | 0.63 | 0.57 | 0.82 | 0.73 | 0.67 | 0.85 | 0.67 | 0.57 | 0.31 | 0.33 | 0.76 |
| 热力垂直螺旋度（helth） | 0.50 | 0.44 | 0.52 | 0.61 | 0.64 | 0.78 | 0.74 | 0.61 | 0.43 | 0.38 | 0.44 | 0.46 |
| 热力散度垂直通量（wptediv） | 0.53 | 0.38 | 0.57 | 0.55 | 0.64 | 0.75 | 0.74 | 0.73 | 0.48 | 0.40 | 0.40 | 0.61 |
| 热力波作用密度（wavepte） | 0.68 | 0.67 | 0.61 | 0.78 | 0.74 | 0.82 | 0.85 | 0.73 | 0.55 | 0.42 | 0.49 | 0.77 |
在极端暴雨天气过程中， 通常都是高能高湿的形势。因此， 在暴雨落区动力因子也会表现出明显的大值区。进一步分别对河套地区和东南部地区的4次极端暴雨过程动力因子进行合成分析， 空间相关系数结果显示湿热力平流参数、 热力垂直螺旋度、 热力散度垂直通量和热力波作用密度与降水的空间相关系数分别为0.81、 0.61、 0.54和0.78， 他们在东部地区与降水的相关系数分别为0.67、 0.61、 0.73和0.73， 我们以热力波作用密度为代表分析动力因子与降水落区的对应关系， 结果如图6 所示。从图6 中可以看到， 热力波作用密度的空间分布特征与降水落区基本重合， 动力因子大值区也与暴雨区相对应， 同时也可以看到， 东部地区降水落区的动力因子明显大于西部地区， 即动力因子强度与降水强度也有很好的对应关系。
图6 内蒙古西部（a）和东南部（b）极端暴雨过程中热力波作用密度（等值线， 单位： ×10-10 K·Pa·m-2·s-1）与24 h降水量（阴影， 单位： mm）的空间分布Fig.6 Spatial distribution of thermodynamic wave activity density （contour， unit： ×10-10 K·Pa·m-2·s-1） and 24-hour precipitation （the shaded， unit： mm） of typical rainstorm processes in the western （a） and southeastern （b） Inner Mongolia |
从各动力因子的计算公式中可以看到， 四种动力因子都是基于广义位温的基础上进行了计算， 广义位温的定义实现了与干大气位温和湿大气的相当位温的无缝连接。它最大的优势在于可以用于区分大气中湿空气的饱和区和非饱和区， 对暴雨的落区有重要的指示意义（高守亭等， 2015）。进一步分析西部和东南部四次暴雨过程中降水、 广义位温和垂直速度的径向剖面（图7 ）可以看到， 西部地区［图7 （a）］在110°E的剖面图显示降水范围在37.5°N -43°N， 最大降水量为64.04 mm， 出现在40°N -41°N附近， 在暴雨区附近上空广义位温有明显的强信号， 并且对应的垂直速度的大值区， 垂直上升运动达到300 hPa左右， 最大垂直速度位于500 hPa， 中心最大值为-1.2 Pa·s-1。而东部地区［图7 （b）］的降水强度明显增强， 最大降水量为136.12 mm， 也是在41°N -42°N附近， 在暴雨区附近上空广义位温有明显的强信号， 延伸至850 hPa以下， 最大垂直速度位于700~500 hPa， 中心最大值达到-3.2 Pa·s-1。此外， 值得注意的是， 相当位温和垂直速度的大值中心与强降水中心并不完全重合， 动力因子的强信号都位于强降水落区中心的北侧， 出现这种动力因子大值区与强降水落区不一致的原因可能与动力因子是个瞬时量， 而24 h降水落区是个累积量有一定的关系。此外， 冉令坤和楚艳丽（2009）对于这种位置偏差也作出解释， 由于强降水区与弱降水区和非降水区在动力、 热力学特征上表现出了明显的差异， 从而两者之间的交界处会存在显著水平梯度， 而这些动力因子在计算的过程中会包含这类的水平梯度， 因此在交界处会呈现出动力因子的强信号， 这可能也是造成动力因子大值中心与24 h降水强对流中心的位置出现偏差的另一个原因。
图7 西部（a）和东南部（b）广义位温（阴影， 单位： K）、 垂直速度（等值线， 单位： Pa·s-1）与24 h降水量（柱状图， 单位： mm）沿110°E和120°E的径向垂直剖面图Fig.7 The cross sections of generalized potential temperature （the shaded， unit： K）， vertical velocity （contour， unit： Pa·s-1）， and 24-hour precipitation （column， unit： mm） along 110°E and 120°E of typical rainstorm processes in the western （a） and southeastern （b） Inner Mongolia |
从东西部各4次极端暴雨过程中环流场和水汽通量及其散度的合成分析（图8 ）可以看出， CRA40再分析资料显示的500 hPa环流形势场中， 西部地区极端暴雨过程主要受500 hPa高空槽影响， 500 hPa有垂直上升运动大值区， 同时， 副热带高压明显偏强， 588 dagpm线位置西伸北抬至黄河流域， 副高西侧有低涡系统配合， 两者之间水汽输送通道建立， 有强的偏南风将南海水汽源源不断地输入到内陆， 并在河套地区整层水汽有明显辐合， 致使河套地区出现极端暴雨天气过程。此外， 地形的抬升作用也会对极端暴雨起到加强作用， 河套地区极端暴雨主要为东西带状分布， 强降水区主要位于阴山山脉南麓迎风坡区， 说明低层偏南气流在河套地区受阴山山脉地形阻挡， 对偏南风水汽输送起到强迫抬升作用， 结合图7 （a）中强烈的上升运动和显著的广义位温大值区， 进一步促进了降水效率的提高。而位于东部地区的典型暴雨天气过程受西低东高的环流系统影响， 两者之间有明显的水汽输送， 并且在华北地区形成辐合， 并配合有显著的垂直上升运动， 加上大兴安岭的地形抬升作用使得降水明显， 内蒙古东南部地区的赤峰市和通辽市发生极端性暴雨事件。
图8 西部（a）和东南部（b）典型暴雨过程的500 hPa位势高度（等值线， 单位： dagpm）、 整层水汽通量（矢量， 单位： kg·m-1·s-1）及水汽通量散度（彩色区， 单位： ×10-5 kg·m-2·s-1）Fig.8 Spatial distribution of 500 hPa geopotential height （contour， unit： dagpm）， vertically integrated water vapor flux （vector， unit： kg·m-1·s-1） and divergence （color area， unit： ×10-5 kg·m-2·s-1） of typical rainstorm processes in the western （a） and southeastern （b） Inner Mongolia |
4 结论
本研究基于1981 -2020年国家站日降水观测数据及中国第一代全球大气再分析产品（CRA40）， 分析近40年内蒙古夏季极端暴雨的变化规律， 研究典型地区极端暴雨过程中的动力因子特征， 得到以下主要结论：
（1） 内蒙古夏季降水量总体呈自西向东逐渐递增的空间分布特征， 东西差异明显， 并且与阴山山脉和大兴安岭地形的分布密切相关， 大部分站点夏季降水为减少趋势。其中暴雨发生频繁， 暴雨贡献率较大的区域主要集中在内蒙古西部河套地区和内蒙古东南部地区。
（2） 内蒙古夏季极端暴雨主要集中在7月和8月， 多为夜雨， 并且具有显著的年际变化特征， 2000年后极端暴雨发生频率降低， 但在近5年里， 暴雨事件明显增多， 尤其在2018年， 极端暴雨达到18个站次。
（3） 在西部地区和东南部地区各4次极端暴雨过程中， 动力因子大值区与强降水区基本重合， 东部地区降水落区的动力因子明显大于西部地区。4种动力因子对东南部典型极端暴雨过程都有很好的指示意义， 但在西部典型极端暴雨过程中， 湿热力平流参数和热力波作用密度表现更好。
（4） CRA40再分析资料显示西部和东南部地区极端暴雨过程中， 副热带高压明显偏强， 500 hPa为东高西低的环流系统影响， 两者之间有明显的水汽输送， 并配合显著的垂直上升运动， 致使极端暴雨天气过程发生。
本文主要分析了内蒙古夏季极端暴雨变化特征及相关的典型动力因子特征， 获得了一些关于内蒙古夏季极端暴雨变化影响机制的初步结论。但是内蒙古地理环境特殊， 涉及该研究区域极端暴雨变化的不确定因素众多， 影响机制也相对复杂， 动力因子表现能力差异的原因分析不足， 同时导致极端暴雨年代际气候变化的原因还需从异常环流形势等多方面深入研究。随着气候暖湿化背景下降水过程的极端化也给内蒙古黄河流域的高质量发展和生态保护提出新的问题。