Plateau Meteorology

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2026 , Vol. 45 >Issue 3: 838 - 855

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00107

Extreme Characteristics of Anomalous Circulation and Conceptual Model for Extreme Heavy Rainstorms in Ningxia

  • Wenmei YU , 1, 3 ,
  • Yuying CHEN , 1, 2 ,
  • Guotao MA 1, 3
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  • 1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions，CMA/Ningxia Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation，Yinchuan 750002，Ningxia，China
  • 2. Ningxia Meteorological Observatory，Yinchuan 750002，Ningxia，China
  • 3. Guyuan Meteorological Bureau of Ningxia，Guyuan 756000，Ningxia，China

Received date: 2025-06-10

  Revised date: 2025-09-24

  Online published: 2026-05-22

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
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Abstract

Based on minute and hourly precipitation data from automatic weather stations and ERA5 reanalysis data， this paper analyzes the precipitation distribution， circulation patterns， extreme characteristics of thermodynamic and dynamic anomalies， and topographic amplification effects of four extreme heavy rainstorm events in Ningxia since the initiation of meteorological records.The results show that extreme heavy rainstorms were primarily distributed in the Helan-Yinchuan section of the eastern slope of Helan Mountain and the northwestern margin of Lingyan Platform.They were characterized by short duration， small spatial scale， high intensity， high precipitation efficiency， and prominent convective， topographic， nocturnal， and extreme features.Extreme heavy rainstorms occurred under the circulation backgrounds of the strong Western Pacific Subtropical High （WPSH） pattern and east-high-west-low pattern.The key influencing systems included the South Asian high （SAH， stronger than 1.0σ）， WPSH （stronger than 1.0σ）， the Hetao thermal low （stronger than -0.5σ）， the low-level jets （700 hPa and 850 hPa low-level jets were stronger than 8.0σ and 4.0σ， respectively）， and tropical cyclones or typhoons （stronger than -1.0σ）.All of these systems were abnormally strong and displaced northward， eastward or westward.Specifically， in the strong WPSH pattern， the meridional circulation was more pronounced， the SAH and WPSH were stronger， and displaced farther eastward （or westward）， and 700 hPa southerly jet was located more eastward.In the east-high-west-low pattern， the WPSH was displaced farther northward， tropical cyclones or typhoons were more active， the 700 hPa southerly jet extended more northward， the 850 hPa southeasterly jet was stronger， and eastward-moving westerly frontal systems were influential.Abnormally strong and persistent warm-moist water vapor transport and convergence were important factors for the extreme heavy rainstorms.The location and intensity of low-level jets and topographic effects significantly affected the spatial distribution of extreme heavy rainstorms.The western-pattern and eastern-pattern precipitation under the strong WPSH pattern were both warm-sector rainstorms characterized by more extreme thermal instability （convective available potential energy stronger than +7.0σ） and more extreme moisture conditions （700 hPa water vapor flux convergence stronger than -8.0σ）， respectively.Their interaction with the topography of Helan Mountains or Lingyan Platform resulted in extreme heavy rainstorms.The east-high-west-low pattern was characterized by more extreme dynamic conditions （700 hPa upward motion stronger than -6.0σ） and convergence of cold-warm air masses.Its interaction with the topography of Helan Mountains resulted in extreme heavy rainstorms with the largest rainfall amounts.Based on these results， a conceptual model of anomalous circulation for extreme heavy rainstorms in Ningxia is proposed.

Key words： extreme heavy rainstorm; anomalous circulation; extremity; topographic effect; conceptual model

Cite this article

Wenmei YU , Yuying CHEN , Guotao MA . Extreme Characteristics of Anomalous Circulation and Conceptual Model for Extreme Heavy Rainstorms in Ningxia[J]. Plateau Meteorology, 2026 , 45(3) : 838 -855 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00107

1 引言

宁夏位于中国西北地区东部， 北部干旱区除贺兰山外， 其他地区年降水量不足200 mm， 但受地形、 下垫面和天气气候背景影响， 极端强降水呈多发频发态势。例如2024年宁夏出现7轮强降水， 有6轮都集中在北部， 448站突破历史极值， 强降水诱发暴洪灾害致7人死亡、 1人失踪， 经济损失2.88亿元。近年来， 我国极端降水对总降水量的贡献率以及强度均呈增加趋势（卢珊等， 2020； 高荣等， 2018； 丁一汇等， 2023； 高涛和谢立安， 2014； Zhai et al， 2005）， 而且西北地区东部干旱区极端暴雨频率和强度较东部季风区增加更快， 极值增大趋势更明显（卢珊等， 2020； Han et al， 2019）。此外， 极端降水是由中小尺度系统造成（陈豫英等， 2021； 张君霞等， 2022； 贺晓露等， 2023； 周雅蔓等， 2024； 俞小鼎， 2012）， 而大尺度环流与极端降水事件关系密切（陈权亮等， 2024； 王雅琦等， 2020； Zhao et al， 2019； Davenport and Diffenbaugh， 2021； 王红霞等， 2023； 李双行等， 2024）。因此， 研究极端暴雨的环流异常对西北地区东部干旱区防灾减灾有着重要的科学价值和现实意义。
相关研究表明， 偏强偏北的西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）和低空急流以及增强的南亚高压与西北干旱区极端暴雨直接相关， 东亚夏季风水汽输送的强度、 影响范围和持续性在极端强降水过程中起关键作用， 环境场具有低层高温高湿高能等特征， 地形与低空急流相互作用有利于暴雨中尺度对流系统的触发和维持， 地形通过增强辐合上升运动、 增大垂直风切变使中尺度对流系统加强是极端短时强降水产生的重要原因（陈豫英等， 2018， 2021， 2022； 王倩等， 2019； 卢珊等， 2022； 傅朝等， 2022； Chen et al， 2021）。但是上述研究尚未对宁夏极端暴雨的大气环流和水汽、 热动力等环境条件的异常程度进行系统性研究。本文在上述研究的基础上， 对宁夏极端暴雨的降水特征以及大气环流和环境条件的极端性进行研究， 以期为宁夏极端暴雨预报提供一些参考。

2 数据来源与方法介绍

2.1　研究区概况

宁夏境内地形地貌复杂多变， 北部干旱区主要有贺兰山、 银川平原、 黄河、 灵盐台地， 南部山区以六盘山为主（图1）。其中北部贺兰山呈东北-西南弧形走向， 南北长约220 km， 东西宽20~60 km， 海拔1400~3556 m， 灵盐台地海拔1200~1700 m。贺兰山和灵盐台地分布着数百条山洪沟， 是宁夏暴洪灾害易发区和重点防御区域。
图1 宁夏海拔（填色， 单位： m）和气象观测站（黑色三角形）分布

Fig.1 Altitude （shading， unit： m） and distribution of meteorological stations （black triangle） in Ningxia

2.2　数据来源

宁夏建站以来分钟和小时降水实况、 银川CA雷达资料、 欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料ERA5， 垂直方向1000~100 hPa共27层， 水平分辨率0.25°×0.25°， 时间间隔为1 h。距平是相对于1991 -2020年的气候平均值。
文中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（2019）1825 的中国地图和GS（2019）3266的宁夏地图制作， 底图无修改。文中所用时间均为北京时。

2.3　暴雨特征量

暴雨依据降水量等级标准（GB/T 28592-2012）和Chen et al（2022）研究， 结合西北东部干旱区降水特点， 定义08:00至次日08:00或20:00至次日20:00 24 h累计降雨量50 mm≤R 24h<100 mm为暴雨， 100 mm≤R 24h<200 mm为大暴雨， R 24h≥200 mm为特大暴雨。
短（历）时强降水： 1 h降雨量R 1h≥20 mm或5 min降雨量R 5min≥10 mm， 其中， R 1h≥50 mm或R 5min≥20 mm为极端短（历）时强降水。
降水效率 p 1 h、 p 3 h、 p 5 m i n、 p 20 m i n：
p 1 h = R 1 h R 24 h , p 3 h = R 3 h R 24 h , p 5 m i n = R 5 m i n R 1 h， p 20 m i n = R 20 m i n R 1 h
相对强度 F：
F = R 24 h R a v e
式中： R 1h、 R 3h、 R 24h、 R 5min、 R 20min对应1 h、 3 h、 24 h、 5 min、 20 min降雨量； 国家级观测站R ave为1991 - 2020年近30年年平均降水量， 区域自动站R ave为有完整气象观测记录以来的年平均降水量。
按照上述标准， 宁夏有气象观测记录以来共出现4次特大暴雨过程， 分别为2016年8月21日08:00至22日08:00（简称“8·21”）、 2018年7月22日20:00至23日20:00（简称“7·22”）、 2022年8月9日20:00至10日20:00（简称“8·10”）、 2024年8月24日08:00至25日08:00（简称“8·24”）。

2.4　标准差倍数

使用环境场各物理量相对于历史同期气候平均值的标准差倍数表征其偏离气候态的程度， 由于不同时期环境场物理量值差异较大， 为统一衡量其异常性， 文中历史同期气候平均值均采用了1991 - 2020年暴雨日强降水时段的数据参与计算。公式如下：
标准差倍数 K：
K = X - x ¯ σ
标准差 σ：
σ = ∑ i = 1 n ( x i - x ¯ ) 2 n
式中： Х为计算时刻的环境参数值； x ¯为环境参数历史同期气候平均值； σ为计算日强降雨时段的气候态标准差； x i为1991 -2020年计算日强降雨时段的物理量值； n为该组数的个数。
根据Hart and Grumm（2001）对于标准化后的正态分布要素， K的绝对值达到2.5σ以上意味着要素值发生频率在5%~16%， 可以说是历史上少有， 因此可用K值大小判定极端天气事件中因子的异常特征。

2.5　西太副高指数和南亚高压指数

参照刘芸芸等（2012）、 王伟和范广洲（2012）、 胡景高等（2010）研究和现行气候监测业务中使用的大气环流指数， 定义西太副高指数和南亚高压指数如下：
西太副高强度指数： 10°N -60°N、 110°E -180°E范围内， 500 hPa位势高度≥5880 gpm的格点位势高度与5870 gpm之差的总和。
西太副高西伸脊点指数： 10°N -60°N、 90°E - 180°E区域， 5880 gpm等值线最西端位置所在经度。
西太副高北界位置指数： 10°N -60°N、 110°E - 150°E区域， 500 hPa高度场逐条经线上副热带高压北侧5880 gpm等值线所在纬度的平均值。
南亚高压强度指数： 10°N -50°N、 10°E -160°E范围内， 200 hPa位势高度≥12520 gpm的格点位势高度与12520 gpm之差的总和。
南亚高压东伸脊点指数： 10°N -50°N、 10°E - 160°E区域， 200 hPa高度场12520 gpm等值线最东端位置所在经度。
南亚高压北界指数： 10°N -50°N、 10°E -160°E区域， 200 hPa高度场逐条经线上南亚高压北侧12520 gpm等值线所在纬度的平均值。

3 特大暴雨的降水极端性特征

3.1　降水实况

从4次特大暴雨过程的降水量分布（图2）和特征量（表1）看出， 宁夏特大暴雨集中在盛夏季节， 出现在7月下旬、 8月上旬和下旬， 8月尤为集中（75%）； 强降水主要发生在前半夜， 除了8·10在02:00之后， 其他3次过程都集中在21:00至次日01:00； 强降水范围小、 局地性强， 地形增幅作用显著， 暴雨主要分布在贺兰山东坡的贺兰到银川段（海拔1500 m左右）、 黄河东岸、 灵盐台地西北缘（海拔1400 m左右）， 暴雨测站占比均不超过21%， 除了8·24（20.8%）， 其他3次过程甚至不超过7%， 特大暴雨站数不超过4个； 强降水效率高、 相对强度大， 最大日降雨量均超过当地年均降雨量的1倍多， 除了7·22， 其他3次过程最大1 h P 1h、 3 h降水效率P 3h均在34%和82%以上， 最大5 min降水效率P 5min为16.1%~47.2%， 除了8·21， 其他3次过程最大20 min降水效率P 20min均在58%以上。对比黄玉霞等（2019）研究， 宁夏特大暴雨日降雨量和小时雨强虽然仅为中国极值暴雨的20%和40%左右， 但降水效率与华南相当， 高于华北， 相对强度远高于华南。由此可见， 宁夏特大暴雨历时短、 范围小、 强度大、 降水效率高， 且局地性、 对流性、 夜发性、 地形性特征凸显。
图2 宁夏特大暴雨日（a、 c、 e、 g）、 小时（b、 d、 f、 h）降水量分布（单位： mm）

填色为海拔（单位： m）

Fig.2 Daily （a、 c、 e、 g） and hourly （b、 d、 f、 h） precipitation distributions for extreme heavy rainstorms in Ningxia.Unit： mm. The shading is altitude （unit： m）

表1 宁夏特大暴雨的特征量和降水情况

Table 1 Characteristic quantities and precipitation of extreme heavy rainstorms in Ningxia

特征量 降水过程
8·21 7·22 8·10 8·24
R 24h R 24h≥50 mm站数（占总测站比率） 9（1.1%） 51（6.7%） 12（1.3%） 213（20.8%）
R 24h≥100 mm站数（占总测站比率） 4（0.5%） 9（1.2%） 3（0.3%） 59（5.7%）
R 24h≥200 mm站数（占总测站比率） 2（0.2%） 4（0.5%） 1（0.1%） 1（1%）
最大降雨量（出现测站） 241.7 mm（贺兰山滑雪场） 296.9 mm（贺兰山滑雪场） 212 mm（灵武西三社区） 200 mm（灵武宁东中水回用厂）
暴雨中心F 1.1 1.4 1.3 1.2
突破历史极值站数 / 11 / /
突破当月历史极值站数 / 20 / /
R 1h R 1h≥20 mm站次 21 124 27 237
R 1h≥50 mm站次 6 8 2 19
最大降雨量（出现时段） 82.5 mm(22日00:00 -01:00) 74.1 mm(22日21:00 -22:00) 89.5 mm(10日02:00 -03:00) 78.5 mm(25日00:00 -01:00)
最大P 1h 34.1% 25% 42.2% 51.3%
最大P 3h 82.9% 62.1% 94.2% 99%
突破历史极值站次 6 25 8 89
突破当月历史极值站次 11 33 11 166
R 5min R 5min≥10 mm站次 7 31 8 16
R 5min≥20 mm站次 / 2 / /
最大5min降雨量（出现时段） 12.4 mm(21日21:40 -21:45) 35 mm(23日01:00 -01:05) 14.9 mm(10日02:45 -02:50) 18 mm(24日07:25 -07:30)
最大P 5min 16.1% 47.2% 16.6% 24.8%
最大P 20min 46.2% 77.1% 58.9% 84.8%
突破历史极值站次 11 48 5 33
突破当月历史极值站次 14 112 11 79

/表示无值（/ indicates no value）

相较而言， 强降水范围8·24最大， 8·21最小； 日降雨量7·22最大， 8·24最小； 小时降雨量8·10最大， 7·22最小； 5 min降雨量7·22最大， 8·21最小； 1 h和3 h降水效率8·24最大， 7·22最小， 5 min和20 min降水效率7·22、 8·24最大， 8·21最小； 相对强度7·22最大， 8·21最小。

3.2　降水极端性

对比宁夏有气象记录以来的降水数据（表2）， 4次特大暴雨分别占比日、 小时和5 min降雨量历史排名前10的90%（9站次）、 80%（8站次）、 30%（3站次）。进一步考察不同时效降雨量历史排位占比、 名次顺序、 突破极值测站等极端性指标。
表2 宁夏有气象观测记录以来排名前10的不同时效降水量

Table 2 Top 10 precipitation of different time durations in Ningxia since meteorological observation records

排名 测站 R 24h/mm 时间 测站 R 1h/mm 时间 测站 R 5min/mm 时间
1 滑雪场 296.9 2018年7月22日20:00至23日20:00 西三社区 89.5 2022年8月10月02:00 -03:00 丽景街办事处 35.8 2017年7月6日16:00 -16:05
2 拜寺沟 273.7 2018年7月22日20:00至23日20:00 红果子 84.5 2020年8月11日10:00 -11:00 滑雪场 35 2018年7月23日01:00 -01:05
3 滑雪场 241.7 2016年8月21日08:00至22日8:00 西三社区 84.2 2022年8月10日03:00 -04:00 滑雪场 21.5 2018年7月23日01:05 -01:10
4 岩画 233.0 2018年7月22日20:00至23日20:00 滑雪场 82.5 2016年8月22日00:00 -01:00 史店镇 19.9 2018年7月8日01:05 -01:10
5 拜寺沟 220.3 2016年8月21日08:00至22日08:00 拜寺沟 80.6 2016年8月21日23:00至22日00:00 头闸镇 19.5 2020年8月11日15:30 -15:35
6 贺兰山 211.5 1975年8月4日20:00至5日20:00 永宁望洪林场 78.5 2024年8月25日00:00 -01:00 下马关镇 19.5 2016年7月4日00:00 -00:05
7 西三社区 212.0 2022年8月9日20:00至10日20:00 拜寺沟 76.6 2016年8月21日21:00 -22:00 滑雪场 18.7 2018年7月22日21:35 -21:40
8 南水 207.1 2018年7月22日20:00至23日20:00 盐池县高沙窝镇宝塔村 76.5 2024年8月24日22:00 -23:00 黄铎堡镇 18.6 2017年8月26日15:25 -15:30
9 宁东中水回用厂 200.0 2024年8月24日08:00至25日08:00 滑雪场 74.1 2018年7月22日21:00 -22:00 彭阳 18.4 2010年9月3日16:20 -16:25
10 隆德联财镇恒光村 195.7 2024年7月22日20:00至23日20:00 临河镇 71.4 2018年8月9日12:00 -13:00 寨科镇 18.4 2018年8月11日09:45 -19:50
日降雨量： 7·22进入历史排位的站数（4站）最多、 名次最靠前（第1、 2位次）， 8·24最少（1站）、 最靠后（第9位次）； 7·22分别有11站和20站突破历史和当月极值， 其他过程没有； 8·24超过年均（28站）和当月降水量（253站）1倍以上的站数最多， 8·21最少（1站、 10站）。
1 h降雨量： 8·21进入历史排位的次数最多（3站）， 7·22最少（1站）； 8·10排位最靠前（第1、 3位次）， 7·22最靠后（第9位次）； 8·24突破历史（89站）和当月（166站）极值的站次最多， 8·21最少（6站、 11站）。
5 min降雨量： 7·22有3个时次进入历史排位且名次靠前（第2、 3、 7位次）， 其他过程没有历史排位； 7·22突破历史（48站）和当月（112站）极值的站次最多， 8·10最少（5站、 11站）。
上述分析表明， 宁夏特大暴雨极端性特征突出。相较分钟降雨量， 日降雨量和小时降雨量的极端性更为显著。其中， 7·22日降雨量更极端， 8·24、8·21和8·10小时雨量更极端。

4 大气环流极端性

西北地区暴雨大都出现在一定的大尺度环流形势下（黄玉霞等， 2019； Chen et al， 2021， 2022； 杨秀梅等， 2023； 李明娟等， 2023； 伏晶等， 2025）。根据500 hPa高度场分布， 4次特大暴雨主要有两种环流类型： 西太副高强盛型（8·21、 8·10和8·24）和东高西低型（7·22）。4次特大暴雨除8·21外， 其余3次特大暴雨过程均有热带气旋或台风影响。
西太副高强盛型［图3（a）， （c）， （e）； 图4］： 欧亚中高层中高纬环流分布相似， 呈两槽一脊， 南亚高压和西太副高在我国中东部形成东-西向高压坝， 且异常偏强偏北偏东（西）， 宁夏受南亚高压1264 dagpm、 西太副高588 dagpm、 河套热低压顶部1005 hPa控制， 没有明显西风带系统入境， 整层相对较暖。较历史同期， 南亚高压偏北9个纬距， 偏东28个经距， 偏强3.2倍和3.0σ~3.5σ； 西太副高偏西37个经度、 偏北9个纬距、 偏强5.4倍和2.0σ~2.5σ； 河套热低压偏低-1.5σ~-0.5σ， 南海有偏低-1.0σ的台风活动。
图3 宁夏西太副高强盛型（a、 c、 e）、 东高西低型（b、 d、 f）特大暴雨200 hPa（a~b）和500 hPa（c， d）位势高度场（黑色实线， 单位： dagpm）、 海平面气压场（e， f， 黑色实线， 单位： hPa）及位势高度场标准差倍数（a~f， 填色）

红色轮廓表示宁夏边界（下同）， 灰色阴影为青藏高原

Fig.3 Geopotential height （black solid line， unit： dagpm） at 200 hPa （a， b） and 500 hPa （c， d）， sea level pressure （e， f， black solid line， unit： hPa）， and the standardized anomaly multiples of geopotential height （a~f， shading） for extreme heavy rainstorms in Ningxia under the strong Western Pacific Subtropical High pattern （a， c， e） and east-high-west-low pattern （b， d， f）.The red outline denotes the boundary of Ningxia （the same as after）， the gray shadow is Qinghai-Xizang Plateau

图4 宁夏特大暴雨过程期间南亚高压（a~c）和西太副高（d~f）指数与气候平均的对比（气候平均指1991 -2020年同期平均值）

Fig.4 Comparison of South Asian High and Western Pacific Subtropical High indices with the climatological mean during the extreme heavy rainstorms in Ningxia （climatological mean denotes the average for the same period from 1991 to 2020）

低层风场上， 来自南海和东海的700 hPa东南气流经过四川后转向北上加强， 在河套南部形成18 m·s-1的南风急流中心， 急流轴最前端位于宁夏北部38°N附近［图5（a）］， 宁夏中北部南风偏强8σ~10σ， 急流中心偏强16σ［图5（e）］； 850 hPa东南气流经过河套东部加强继续西进北上， 在河套中北部形成12 m·s-1的偏东风急流中心［图5（c）］， 宁夏中北部偏东风偏强4σ~8σ［图5（g）］。暴雨区位于700 hPa南风急流轴左前端及850 hPa东风急流轴南（左）侧的强辐合区［图5（a）， （c）］。
图5 宁夏西太副高强盛型（a、 c、 e、 g）、 东高西低型（b、 d、 f、 h）特大暴雨700 hPa（a~b）和850 hPa风场（c~d）及其标准差倍数（e~h， 彩色区）

（a~d）中彩色区为风速（单位： m·s-1）， 灰色阴影为青藏高原

Fig.5 Wind fields at 700 hPa （a~b） and 850 hPa （c~d）， and their standardized anomaly multiples （e~h， colored area） for extreme heavy rainstorms in Ningxia under the strong Western Pacific Subtropical High pattern （a、 c、 e、 g） and east-high-west-low pattern （b、 d、 f、 h）.In （a）~（d）， the colored area is wind speed （unit： m·s-1）.The gray shadow is Qinghai-Xizang Plateau

东高西低型［图3（b）， （d）， （f）； 图4］： 欧亚中高层中高纬气流较为平直， 200 hPa南亚高压主体位于青藏高原及以西地区， 较历史同期偏北9个纬距， 偏东12个经距， 偏强2.6倍和1.0σ~1.5σ； 500 hPa中纬度呈东高西低分布， 西太副高主要位于华北， 较历史同期偏西11个经度、 偏北11个纬距、 偏强4.0倍和1.0σ~1.5σ， 青藏高原东北部有西风带锋面系统东移（高空槽）， 偏强-0.5σ； 地面气压场上， 宁夏受偏强-1.0σ~-0.5σ的热低压控制， 海南岛和长三角有两个偏强-3.5σ~-2.5σ的热带气旋或台风活动。宁夏中北部处于西部南亚高压1256 dagpm北侧、 西太副高588 dagpm西北侧、 热低压1000 hPa东部。
低层风场上， 两个来自东南洋面的热带气旋或台风外围的700 hPa偏东气流在四川汇合后转向北上， 在河套西南部形成17 m·s-1的南风急流中心， 急流轴最前端位于宁夏北部39°N附近［图5（b）］， 宁夏中北部南风偏强10σ~12σ， 急流中心偏强16σ［图5（f）］； 850 hPa主要是来自长三角台风“安比”外围的偏东气流经过河套东南部加强并转向北上， 在河套东北部形成14 m·s-1的东南风急流中心［图5（d）］， 宁夏中北部东南风偏强4σ~8σ［图5（h）］。暴雨区位于700 hPa南风急流轴前端和850 hPa东南风急流轴左侧的辐合区［图5（b）， （d）］。
由此可见， 宁夏特大暴雨均出现在南亚高压、 西太副高、 河套热低压和低空急流发展加强阶段， 并且低纬度地区低值系统活跃， 其中南亚高压和西太副高异常偏强偏北偏东（西）， 河套热低压、 低空急流和东南洋面热带气旋或台风异常偏强。不同的是， 西太副高强盛型中高层中高纬环流经向度更大， 南亚高压和西太副高更偏强偏东（西）， 700 hPa南风急流轴相对偏东， 河套北部850 hPa偏东急流和河套热低压相对偏弱； 东高西低型西太副高更偏北， 东南洋面的热带气旋或台风更为活跃， 700 hPa南风急流轴更北， 河套北部850 hPa东南急流更强， 青藏高原东北部有西风带锋面系统东移影响。

5 热动力关键物理量极端性

在环流相似背景下， 3次西太副高强盛型特大暴雨落区分布却并不一致， 而整层水汽通量WVF、 低层700 hPa水汽辐合WVC 700、 整层可降水量PW等水汽因子和对流有效位能CAPE、 K指数、 850 hPa与500 hPa假相当位温差（θ se850-500）等热力因子以及850 hPa散度（DIV 850）、 700 hPa垂直速度（ω 700）等动力因子是暴雨落区的关键影响因子（杜钧等， 2014； 丁一汇， 2014； 傅朝等， 2022； 张玉峰和张潜玉， 2015）。下面根据暴雨落区进一步将宁夏特大暴雨细分为西太副高强盛西部型（8·21）、 西太副高强盛东部型（8·10和8·24）、 东高西低型（7·22）， 对比分析主要降水时段不同类型特大暴雨关键热动力物理量的极端性。
西太副高强盛西部型［图6（a）， 6（d）， 6（g）， 7（a）， 7（d）， 8（a）， 8（d）］： 700 hPa最大风速为19 m·s-1的急流轴呈近南北向分布， 位于105°E -106.5°E， 北伸至宁夏北部37.6°N附近， 850 hPa最大风速为12 m·s-1的东风急流轴位于河套北部39°N -41°N， 暴雨区位于700 hPa急流轴前端38.6°N -39°N和850 hPa偏东风急流的左侧。700 hPa南风急流和850 hPa河套北部的偏东风急流携带大量暖湿水汽在暴雨区长时间汇合， 水汽异常充沛， 并形成异常不稳定的大气层结。宁夏北部WVF、 WVC 700、 PW、 CAPE、 K指数、 θ se850-500分别为300~400 kg‧m-1‧s-1、 -4×10-6~-2×10-6 kg‧m-2‧s-1‧hPa-1、 46~52 mm、 600~1400 J·kg-1（图略）、 38~43 ℃（图略）、 16~22 ℃， 较历史同期分别偏强10σ~14σ、 -6σ~-2σ、 2.5σ~3.5σ、 4.0σ~8.0σ、 2.0σ~3.5σ、 3.0σ~5.5σ， 其中暴雨中心分别偏强10.0σ、 -4.0σ、 2.5σ、 7.0σ、 2.5σ、 5.5σ以上， 水汽含量和水汽辐合极端性异常显著。同时， 在700 hPa南风急流前端明显的风速辐合以及850 hPa偏东风急流受贺兰山强迫抬升的共同作用下， 造成贺兰山迎风坡形成强辐合上升运动， DIV850和ω 700中心分别为-8×10-5 s-1和-0.2 Pa·s-1， 较历史同期偏强-8.0σ~-4.0σ、 -6.0σ~-2.0σ。在低层异常暖湿和异常不稳定大气环境下， 异常强的辐合抬升作用对强对流的触发和维持非常有利， 从而产生此次局地性很强的暖区特大暴雨。
图6 宁夏西太副高强盛西部型（a、 d、 g）、 西太副高强盛东部型（b、 e、 h）、 东高西低型（c、 f、 i）特大暴雨主要降水时段整层（875~300 hPa）水汽通量（a~c， 绿色实线， 单位： kg‧m-1‧s-1）、 700 hPa水汽通量散度（d~f， 绿色实线， 单位： ×10-6 kg‧m-2‧hPa-1‧s-1）和整层可降水量（g~i， 绿色实线， 单位： mm）及其标准差倍数（a~i， 彩色区）

红色五角星代表暴雨中心， 灰色阴影为青藏高原

Fig.6 Integral layer （875~300 hPa） water vapor flux （a~c， green solid line， unit： kg‧m-1‧s-1）， 700 hPa water vapor flux divergence （d~f， green solid line， unit： ×10-6 kg‧m-2‧hPa-1‧s-1）， and integrated precipitable water （g~i， green solid line， unit： mm）， as well as their standardized anomaly multiples （a~i， colored area） during the main precipitation period of extreme heavy rainstorms in Ningxia under the strong Western Pacific Subtropical High western pattern （a， d， g）， strong Western Pacific Subtropical High eastern pattern （b， e， h）， and east-high-west-low pattern （c， f， i）.The red pentagram represents the rainstorm center， gray shadow is Qinghai-Xizang Plateau

图7 宁夏西太副高强盛西部型（a、 d）、 西太副高强盛东部型（b、 e）、 东高西低型（c、 f）特大暴雨主要降水时段CAPE（彩色区）和K指数（绿色实线）的标准差倍数（a~c）、 850 hPa与500 hPa假相当位温差（绿色实线， 单位： ℃）及其标准差倍数（d~f， 彩色区）

红色五角星代表暴雨中心， 灰色阴影为青藏高原

Fig.7 Standardized anomaly multiples of CAPE （colored area） and K index （green solid line） （a~c）， as well as pseudo-equivalent potential temperature difference between 850 hPa and 500 hPa （green solid line， unit： ℃） and its standardized anomaly multiples （d~f， colored area） during the main precipitation period of extreme heavy rainstorms in Ningxia under the strong Western Pacific Subtropical High western pattern （a， d）， strong Western Pacific Subtropical High eastern pattern （b， e）， and east-high-west-low pattern （c， f）.The red pentagram represents the rainstorm center， gray shadow is Qinghai-Xizang Plateau

图8 宁夏西太副高强盛西部型（a、 d）、 西太副高强盛东部型（b、 e）、 东高西低型（c、 f）特大暴雨主要降水时段850 hPa散度（a~c， 绿色实线， 单位： ×10-5 s-1）、 700 hPa垂直速度（d~f， 绿色实线， 单位： Pa·s-1）及其标准差倍数（a~f， 彩色区）

红色五角星代表暴雨中心， 灰色阴影为青藏高原

Fig.8 Divergence at 850 hPa （a~c， green solid line， unit： ×10-5 s-1）， vertical velocity at 700 hPa （d~f， green solid line， unit： Pa·s-1）， and their standardized anomaly multiples （a~f， colored area） during the main precipitation period of extreme heavy rainstorms in Ningxia under the strong Western Pacific Subtropical High western pattern （a， d）， strong Western Pacific Subtropical High eastern pattern （b， e）， and east-high-west-low pattern （c， f）.The red pentagram represents the rainstorm center， gray shadow is Qinghai-Xizang Plateau

西太副高强盛东部型［图6（b）， 6（e）， 6（h）， 7（b）， 7（e）， 8（b）， 8（e）］： 700 hPa 最大风速为22 m·s-1的南风急流自河套南部伸至38.5°N附近， 急流轴呈南西南-北东北向， 位于105.3°E -107.5°E， 850 hPa最大风速为13 m·s-1的东风急流轴位于河套北部38.5°N -41°N， 暴雨区位于700 hPa低空急流的左前端和850 hPa偏东风急流的左侧。来自东海以及南海热带气旋外围的暖湿水汽通过两条低空急流在暴雨区长时间汇合， 造成宁夏中北部WVF、 WVC 700、 PW、 CAPE、 K指数、 θ se850-500分别为150~400 kg‧m-1‧s-1、 -4×10-6~-2×10-6 kg‧m-2‧s-1‧hPa-1、 48~54 mm、 400~1600 J·kg-1（图略）、 36~44 ℃（图略）、 6~12 ℃， 较历史同期分别偏强4σ~12σ、 -10σ~-4σ、 3.0σ~3.5σ、 0.0σ~3.0σ、 2.5σ~3.5σ、 0.0σ~2.0σ， 其中暴雨中心分别偏强8.0σ、 -8.0σ、 3.0σ、 1.0σ、 3.0σ、 1.0σ以上， 水汽条件极端性异常显著， 大气层结呈明显不稳定， 但极端性并不显著。由于700 hPa偏南风急流左前端强气旋性辐合以及850 hPa偏东风急流受贺兰山强迫抬升， 宁夏中北部DIV 850和ω 700中心分别为-4×10-5 s-1和-0.6 Pa·s-1， 较历史同期分别偏强-4.0σ~0σ、 -8.0σ~-2.0σ。虽然此次特大暴雨低层大气异常暖湿、 辐合抬升异常强， 但层结不稳定度极端性并不显著， 加之降水持续时间和降水强度配合不好， 从而造成此类特大暴雨在特大暴雨降水量排名中靠后。
东高西低型［图6（c）， 6（f）， 6（i）， 7（c）， 7（f）， 8（c）， 8（f）］： 700 hPa最大风速为20 m·s-1的南风急流自河套南部伸至39°N附近， 急流轴呈南北向分布， 位于104.2°E -106.5°E， 850 hPa最大风速为14 m·s-1的东南风急流自河套东南部北伸至河套北部， 暴雨区位于700 hPa急流轴前端38.3°N -39.4°N和850 hPa 东南风急流的左侧。黄海、 南海的台风和热带气旋外围的暖湿水汽通过两支急流长时间向宁夏北部输送， 造成宁夏北部WVF、 WVC 700、 PW、 CAPE、 K指数、 θ se850-500分别为300~350 kg‧m-1‧s-1、 -4×10-6~-2×10-6 kg‧m-2‧s-1‧hPa-1、 44~50 mm、 1000~2000 J·kg-1（图略）、 40~48 ℃（图略）、 20~22 ℃， 较历史同期分别偏强4σ~6σ、 -6σ~-2σ、 2.0σ~2.5σ、 3.0σ~4.0σ、 2.0σ~2.5σ、 2.5σ~3.5σ， 其中暴雨中心分别偏强4.0σ、 -4.0σ、 2.0σ、 3.0σ、 2.0σ、 3.0σ以上。可见， 在台风和热带气旋远距离影响下， 宁夏北部水汽异常充沛， 大气暖湿性显著， 层结很不稳定， 极端性显著。此外， 在700 hPa南风急流前端显著的风速辐合以及850 hPa东南风急流受贺兰山强迫抬升作用下， 贺兰山迎风坡形成强辐合上升运动， DIV850和ω 700中心分别为-8×10-5 s-1和-0.6 Pa·s-1， 较历史同期偏强-7.0σ~-1.0σ、 -8.0σ~-2.0σ， 极端性异常显著。在低层大气暖湿性显著和大气层结异常不稳定的条件下， 异常强的辐合抬升作用和较长时间的冷暖空气交汇造成此类特大暴雨降水量级最大。
以上分析表明， 异常偏强且较长时间的暖湿水汽输送和水汽辐合是宁夏极端特大暴雨产生的重要因素， 特大暴雨位于WVF>250 kg‧m-1‧s-1、 PW>48 mm的区域。低空急流的位置和强度与特大暴雨落区关系十分密切， 异常偏强的低空急流是低层异常高温高湿高能对流环境形成的关键因素。宁夏特大暴雨均出现在水汽异常充沛、 低层异常高温高湿不稳定、 辐合上升运动异常偏强的区域。相较而言， 西太副高强盛东部型的水汽更极端， 西太副高强盛西部型的热力不稳定更极端， 东高西低型的动力条件更极端。

6 地形对暴雨增幅作用

从宁夏地形（图1）和特大暴雨分布（图2）得知， 8·21和7·22特大暴雨区主要集中在贺兰山东坡， 8·10和8·24特大暴雨区主要集中在灵盐台地西北缘， 都与地形关系密切。以8·21过程为代表， 讨论地形对宁夏特大暴雨的增幅作用。
对流触发前， 21日14:00 -17:00， 贺兰山东侧的偏东风受地形强迫抬升， 在贺兰山迎风坡形成中心为-0.6 Pa·s-1的上升运动， 伸展高度不高， 位于700 hPa以下， 低层水汽通过850 hPa偏东急流向西输送过程中， 受贺兰山地形阻挡， 水汽在贺兰山迎风坡形成辐合， 且水汽输送和水汽辐合较强， 分别为16 g·cm-1·hPa-1·s-1、 -16×10-6 kg·m-2·hPa-1·s-1［图9（a）］。21日18:00至22日00:00， 随着850 hPa低空急流的进一步加强， 贺兰山迎风坡的上升运动、 水汽辐合以及水汽输送明显增强［图9（b）， 9（c）］， 分别超过-1.0 Pa·s-1、 -24×10-6 kg·m-2·hPa-1·s-1、 24 g·cm-1·hPa-1·s-1［图9（c）］。此外， 从银川雷达回波演变可以看到， 21日18:25至22日02:16， 在异常暖湿不稳定的环境条件下， 地形强迫抬升作用使得贺兰山东麓中尺度对流系统触发并强烈发展， 中尺度对流系统有明显的后向传播特征， 并沿贺兰山走向呈带状分布， 维持时间近7 h［图9（d）~（f）］， 从而产生极端特大暴雨。由此可见， 在低层异常暖湿的不稳定大气环境中， 地形对极端强降水的触发和增幅极其重要。
图9 2016年8月21日15:00（a）、 19:00（b）、 23:00（c）沿38.75°N的风场（风羽， 单位： m·s-1）、 垂直速度（红色虚线， 单位： Pa·s-1）、 水汽通量（蓝色阴影， 单位： g·cm-1·hPa-1·s-1）和水汽通量散度（黄色虚线， 单位： ×10-6 kg·m-2·hPa-1·s-1）纬向空间剖面； 2016年8月21日19:09（d）、 19:36（e）、 22:56（f）银川C波段雷达组合反射率因子（单位： dBz）

（a~c）黄色阴影为特大暴雨区， 黑色阴影为地形

Fig.9 Cross-sections along 38.75°N of wind field （barb， unit： m·s-1）， vertical velocity （red dashed line， unit： Pa·s-1）， water vapor flux （blue shading， unit： g·cm-1·hPa-1·s-1）， and water vapor flux divergence （yellow dashed line， unit： ×10-6 kg·m-2·hPa-1·s-1） at 15:00 （a）， 19:00 （b）， 23:00 （c） on August 21， 2016.C-band radar composite reflectivity factor （unit： dBz） in Yinchuan at 19:09 （d）， 19:36 （e）， 22:56 （f） on August 21， 2016.In Fig.9（a）~9（c）， the yellow shadow represents extreme heavy rainstorm region， black shadow is terrain

7 特大暴雨概念模型

通过以上分析研究， 建立宁夏极端特大暴雨过程的天气学概念模型（图10）。在南亚高压和西太副高异常偏强（均偏强1.0σ以上）偏北（分别为44°N以北、 43°N以北）偏东（西）（分别为140°E以东、 109°E以西）的环流背景下， 河套热低压强烈发展， 异常偏强的低空急流（700 hPa偏强8.0σ以上、 850 hPa偏强4.0σ以上）是低层异常高温高湿高能对流环境形成的关键因素， 它的位置和强度与特大暴雨落区关系十分密切， 东南沿海的热带台风或热带气旋对特大暴雨的形成有间接影响， 特大暴雨位于WVF>250 kg‧m-1‧s-1、 PW>48 mm的区域。
图10 宁夏特大暴雨概念模型和异常因子配置

Fig.10 Conceptual model and anomalous factor configuration for extreme heavy rainstorms in Ningxia

西太副高强盛型的西太副高呈东西带状分布， 其中， 西太副高强盛西部型700 hPa急流呈南北向， 西伸至105°E -106.5°E、 北伸至37.6°N， 850 hPa急流呈东东南-西西北向， 位于39°N -41°N， 其中WVF、 CAPE分别偏强10.0σ、 7.0σ以上； 西太副高强盛东部型700 hPa急流呈南西南-北东北向， 西伸至105.3°E -107.5°E、 北伸至38.5°N， 850 hPa急流呈东东南-西西北向， 位于38.5°N -41°N， 其中WVF和WVC700分别偏强8.0σ、 -8.0σ以上。
东高西低型的西太副高呈东北-西南向分布， 青藏高原东北部有西风带锋面系统东移影响。700 hPa急流呈南北向， 西伸至104.2°E -106.5°E、 北伸至39°N附近， 850 hPa急流呈东南-西北向， 位于38.5°N -41°N， 其中ω 700、 DIV 850分别偏强-6.0σ、 -6.0σ以上。
由上可知， 西太副高强盛东部型的水汽更极端， 西太副高强盛西部型的热力不稳定更极端， 东高西低型的动力条件更极端， 其中较长时间的冷暖空气交汇是东高西低型特大暴降雨量级最大的一个原因。

8 结论

通过分析宁夏建站以来4次特大暴雨过程的降水特征、 环流形势、 热动力异常极端特征及地形增幅作用， 在此基础上总结了宁夏特大暴雨异常环流概念模型， 并得出如下主要结论：
（1） 宁夏特大暴雨主要分布在贺兰山东坡贺兰到银川段和灵盐台地西北缘， 持续时间短、 范围小、 相对强度大、 降水效率高， 对流性、 地形性、 夜发性和极端性特征突出。最大日降雨量均超过当地年均降雨量的1倍多， 最大1 h、 3 h、 5 min、 20 min降水效率分别为25%~51.3%、 62.1%~99%、 16.1%~47.2%、 46.2%~84.8%。宁夏有气象记录以来日、 小时和5 min降雨量历史排位中， 4次特大暴雨分别占比历史前10的90%、 80%、 30%。
（2） 宁夏特大暴雨分为西太副高强盛型和东高西低型， 关键影响系统南亚高压、 西太副高、 低空急流、 河套热低压、 热带气旋或台风均异常偏强， 并且南亚高压和西太副高异常偏强偏北偏东（西）。不同的是， 西太副高强盛型中高层中高纬环流经向度更大， 南亚高压和西太副高更强更东（西）， 700 hPa南风急流偏东， 河套北部850 hPa偏东急流和河套热低压相对偏弱； 东高西低型西太副高更偏北， 热带气旋或台风更活跃， 700 hPa南风急流北抬更北， 河套北部850 hPa东南风急流更强， 有西风带锋面系统东移影响。
（3） 根据暴雨落区进一步将宁夏特大暴雨细分为西太副高强盛西部型、 西太副高强盛东部型、 东高西低型。异常偏强且持续的暖湿水汽输送和水汽辐合是宁夏极端特大暴雨产生的重要因素， 特大暴雨位于WVF>250 kg‧m-1‧s-1、 PW >48 mm的区域。低空急流的位置和强度与特大暴雨落区关系十分密切， 异常偏强的低空急流是低层异常高温高湿高能对流环境形成的关键因素。宁夏特大暴雨均出现在水汽异常充沛、 大气层结异常不稳定、 辐合上升运动异常偏强的区域。其中， 西太副高强盛西部型的WVF、 CAPE分别偏强10.0σ、 7.0σ以上， 西太副高强盛东部型的WVF、 WVC 700分别偏强8.0σ、 -8.0σ以上， 东高西低型的DIV 850、 ω 700分别偏强-6.0σ、 -6.0σ以上。相较而言， 西太副高强盛东部型的水汽更极端， 西太副高强盛西部型的热力不稳定更极端， 东高西低型的动力条件更极端。此外， 较长时间的冷暖空气交汇是东高西低型特大暴雨降水量级最大的一个原因。
（4） 宁夏特大暴雨与贺兰山地形关系密切。在异常不稳定的大气环境下， 大量水汽在贺兰山东麓聚集， 较强的偏东风和贺兰山地形相互作用形成强辐合上升运动， 这对极端强降水的产生十分有利。

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