楊 寅，包紅軍*，林 建

（1.國(guó)家氣象中心，北京 100081；2.中國(guó)氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

山洪是指發(fā)生在山區(qū)溝道中迅速、強(qiáng)烈的地表徑流現(xiàn)象，具有爆發(fā)突然、歷時(shí)短、破壞強(qiáng)的特征。2018 年9 月1 日，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市發(fā)生山洪，02：50 造成王泉溝天然氣管道沖斷，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)毓I(yè)生產(chǎn)和居民生活。事實(shí)上，石嘴山屬山洪災(zāi)害高發(fā)區(qū)，每年都有山洪災(zāi)害發(fā)生。其中，2012 年7 月和8 月連續(xù)發(fā)生兩次山洪，共造成10 人死亡，5 人受傷[1—2]。

降水總量大，特別是短歷時(shí)強(qiáng)降水容易在山丘區(qū)引發(fā)山洪災(zāi)害。由于西部地區(qū)往往缺乏能夠準(zhǔn)確描述山洪災(zāi)害的氣象和水文觀測(cè)資料，分布式水文模型和水位/流量反推等效果有限[3]。目前，石嘴山地區(qū)山洪災(zāi)害研究主要集中于天氣學(xué)成因。方寧蓮等[4]指出石嘴山暴雨主要發(fā)生于6—8 月份，多形成在“東高西低”環(huán)流背景下，以副熱帶高壓外圍5 840 gpm特征線附近出現(xiàn)概率最大。王暉等[5]發(fā)現(xiàn)誘發(fā)山洪災(zāi)害大暴雨與200 hPa 高空急流、500 hPa 短波槽及700 hPa 切變線發(fā)展和變化密切相關(guān)。其中，切變線、低空急流是主要影響系統(tǒng)。周翠芳等[6]認(rèn)為大風(fēng)溝山洪是由北部冷空氣與西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱“副高”）的高能、高濕區(qū)相互作用激發(fā)強(qiáng)對(duì)流，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水而誘發(fā)。

山洪災(zāi)害通常由高強(qiáng)度降水誘發(fā)，降水極端性研究對(duì)山洪災(zāi)害預(yù)警也具有重要意義。在重現(xiàn)期、極端降水指數(shù)等各種評(píng)估極端降水事件的方法中，百分位數(shù)法以適用于偏態(tài)分布數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。黃丹青等[7]提出超過(guò)累積頻率90%的降水為極端事件，陳東輝等[8]將第95%百分位值的降水量值定義為北京市極端降水閾值，遲瀟瀟等[9]則使用99%百分位值定義確定我國(guó)極端降水，以上研究對(duì)利用百分位數(shù)法評(píng)估誘發(fā)山洪災(zāi)害的降水極端性做出了啟示。降水極端性評(píng)估需要觀測(cè)數(shù)據(jù)支撐，但降水分布具有很強(qiáng)的局地性，同時(shí)我國(guó)西部地區(qū)氣象觀測(cè)站網(wǎng)密度低，觀測(cè)往往無(wú)法代表降水真實(shí)情況，學(xué)者們利用衛(wèi)星和雷達(dá)資料，結(jié)合降水觀測(cè)，通過(guò)最大似然合成、Reynolds 融合算法等技術(shù)研發(fā)了定量降水估測(cè)產(chǎn)品，對(duì)觀測(cè)稀疏或無(wú)資料地區(qū)降水進(jìn)行估計(jì)。

研究首先使用自動(dòng)氣象站觀測(cè)分析誘發(fā)石嘴山“9.1”山洪災(zāi)害的降水時(shí)空分布特征，其次基于定量降水估測(cè)（QPE）數(shù)據(jù)，利用百分位數(shù)法評(píng)估誘發(fā)山洪災(zāi)害的降水極端性，最后運(yùn)用再分析資料和雷達(dá)探測(cè)分析降水的天氣學(xué)成因，希望能為寧夏地區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)警提供參考。

1 研究資料與方法

石嘴山市位于寧夏回族自治區(qū)北部，年平均降水量在167.5～188.8 mm，境內(nèi)賀蘭山為石質(zhì)山，植被覆蓋稀疏，山石裸露，土壤蓄水能力差，徑流形成方式以超滲產(chǎn)流為主[10]。根據(jù)山洪災(zāi)害點(diǎn)位置，研究利用1∶5 萬(wàn)數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)，通過(guò)地理信息系統(tǒng)（GIS）方法提取山洪溝信息。結(jié)果表明，山洪溝流域面積約25 km2，流域內(nèi)有1 個(gè)自動(dòng)氣象站（編號(hào)891739），該站位于山洪災(zāi)害點(diǎn)上游，其觀測(cè)可以代表山洪溝降水情況。

研究使用的觀測(cè)資料為自動(dòng)氣象站觀測(cè)和雷達(dá)探測(cè)，再分析資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心EC-ERA 數(shù)據(jù)（水平空間分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1 h）。定量降水估測(cè)數(shù)據(jù)選用國(guó)家氣象信息中心制作的中國(guó)區(qū)域0.1°×0.1°逐小時(shí)降水量融合產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)基于自動(dòng)站降水觀測(cè)和CPC MORP Hing Technique（CMPRPH）衛(wèi)星反演降水資料，采用概率密度匹配和最優(yōu)插值方法處理。評(píng)估表明，該產(chǎn)品的24 h 累積降水量誤差區(qū)域性特征不明顯，平均誤差-0.035 mm，相關(guān)系數(shù)0.908，與實(shí)際降水接近[11]。

百分位數(shù)法是目前降水極端性研究中一種應(yīng)用廣泛的方法，百分位數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的降水?dāng)?shù)值越大，降水極端性程度越高。具體方法：將降水量按照數(shù)值升序排列X1，X2，X3，…，Xm，…，Xn，則某一值小于或等于Xm的概率為[12]

式中，m 是Xm的序號(hào)；n 是降水序列長(zhǎng)度；P 是概率。對(duì)給定的概率值P 可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的降水量閾值。

2 降水分析

2.1 降水觀測(cè)分析

2018 年9 月1 日08：00（北京時(shí)間，下同）山洪災(zāi)害點(diǎn)周邊地區(qū)24 h 累積降水量觀測(cè)見(jiàn)圖1。由圖1 可知，降水空間分布局地性特征明顯，石嘴山南部及其以南的寧夏中部地區(qū)降水以小到中雨為主；石嘴山北部及其毗鄰的內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海和阿拉善盟地區(qū)量級(jí)為中到大雨，部分地區(qū)暴雨，有2 個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)大暴雨。其中，一個(gè)為山洪溝內(nèi)891739 氣象站。分析前期降水情況，石嘴山地區(qū)災(zāi)害發(fā)生前5 天累積降水量為小雨，降水僅出現(xiàn)在8 月29 日。因此，前期降水對(duì)該次山洪災(zāi)害的貢獻(xiàn)度低，災(zāi)害誘因?yàn)楫?dāng)日大暴雨。

圖1 2018 年9 月1 日08：00 自動(dòng)氣象站24 h 累積降水量觀測(cè)分布圖

2018 年8 月31 日08：00 至9 月1 日08：00 期間891739 自動(dòng)氣象站逐小時(shí)和累積降水量觀測(cè)見(jiàn)圖2。由圖2 可知，24 h 累積降水量為104.1 mm，降水集中發(fā)生在山洪災(zāi)害發(fā)生前3 h，即9 月1日00：00—03：00，時(shí)段內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水（＞20 mm/h），小時(shí)降水量最大強(qiáng)度為39 mm/h，平均降水量30.3 mm/h。降水持續(xù)時(shí)間短，但累積量大，小時(shí)和平均降水強(qiáng)度明顯，再結(jié)合賀蘭山區(qū)下墊面條件，進(jìn)而誘發(fā)石嘴山“9.1”山洪災(zāi)害。

圖2 2018 年8 月31 日08：00—9 月1 日08：00 891739 自動(dòng)氣象站逐小時(shí)和累積降水量分布圖

2.2 降水極端性分析

石嘴山“9.1”山洪災(zāi)害中，山洪溝內(nèi)自動(dòng)氣象站投入運(yùn)行時(shí)間短，觀測(cè)數(shù)據(jù)序列不長(zhǎng)，周邊基本氣象站均位于平原地區(qū)且距離30 km 以上，不能體現(xiàn)降水局地性特征，無(wú)法用于誘發(fā)該次山洪災(zāi)害的降水極端性評(píng)估。研究以中國(guó)區(qū)域小時(shí)降水量融合產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，通過(guò)百分位數(shù)法構(gòu)建定量降水估測(cè)產(chǎn)品24 h 累積降水量典型百分位值數(shù)據(jù)集（以下簡(jiǎn)稱“QPE 百分位值數(shù)據(jù)集”），分析誘發(fā)石嘴山“9.1”山洪災(zāi)害降水的極端性。

考慮到中國(guó)區(qū)域小時(shí)降水量融合產(chǎn)品從2008年起發(fā)布，石嘴山地區(qū)山洪災(zāi)害均發(fā)生在夏季，研究選擇2008—2019 年共計(jì)12 年5—9 月份期間24 h累積降水量大于等于0.1 mm 的數(shù)據(jù)為樣本，分別計(jì)算QPE 百分位值數(shù)據(jù)集在50%，75%，90%，95%，97.5%，100%等典型百分位值的24 h 累積降水量。為驗(yàn)證QPE 百分位值數(shù)據(jù)集的質(zhì)量，研究額外計(jì)算了災(zāi)害點(diǎn)周邊距離最近的石嘴山、惠農(nóng)、平羅3 個(gè)國(guó)家基本氣象站相同時(shí)間序列的百分位值數(shù)據(jù)。表1是2 種數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比，QPE 百分位值數(shù)據(jù)集在50%，75%等典型百分位值的降水量與實(shí)際觀測(cè)接近，二者誤差在10%以內(nèi)，表明QPE 可以替代實(shí)際觀測(cè)用于降水極端性評(píng)估。石嘴山“9.1”山洪災(zāi)害過(guò)程中，山洪溝內(nèi)891739 氣象站降水量為104.1 mm，相同位置上QPE 百分位值數(shù)據(jù)集97.5%和100%值的降水量分別是31.9 mm 和63.6 mm，實(shí)際降水量超過(guò)97.5%百分位值的3 倍，同時(shí)約為100%百分位值（即降水量極大值）的1.6 倍，可見(jiàn)該次降水具有很強(qiáng)的極端性。

表1 融合降水產(chǎn)品和基本氣象站觀測(cè)在石嘴山等站的24 h累積降水量典型百分位值對(duì)比

研究額外對(duì)比了石嘴山、惠農(nóng)、平羅3 個(gè)國(guó)家基本氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)在2008—2017 和1988—2017 年（即10 年和30 年）2 種時(shí)間序列的24 h 累積降水量典型百分位值數(shù)據(jù)（表略）。結(jié)果表明，除100%極大值外，兩種數(shù)據(jù)在50%，75%，90%，95%，97.5%等百分位值的24 h 累積降水量差異均不明顯，利用該QPE 百分位值數(shù)據(jù)集評(píng)估降水極端性的方法是可行的。

3 天氣學(xué)成因分析

2018 年8 月31 日20：00 探空觀測(cè)的環(huán)流形勢(shì)分析見(jiàn)圖3。由圖3 可知，500 hPa 高度場(chǎng)上歐亞中高緯度地區(qū)“東高西低”特征顯著，東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東部受高壓脊控制，新疆東部地區(qū)受高空槽影響，槽前另有分裂短波槽東移影響西北地區(qū)中北部。西太平洋副高5 880 gpm 特征線北界位于甘肅東部—陜西中部—山西南部，5 840 gpm 特征線位于甘肅中部—內(nèi)蒙古中部偏北地區(qū)，寧夏石嘴山地區(qū)受到副高系統(tǒng)影響，700 hPa 高度上甘肅南部存在低渦系統(tǒng)，石嘴山受低渦東北側(cè)偏南風(fēng)與偏東風(fēng)的切變影響。此外，200 hPa 上石嘴山市位于南亞高壓東側(cè)的氣流輻散區(qū)，850 hPa 處于偏南風(fēng)的風(fēng)速輻合帶中。高層輻散、低層輻合的大尺度環(huán)境場(chǎng)易形成深厚的上升運(yùn)動(dòng)，結(jié)合副高系統(tǒng)高溫高濕的熱力和水汽條件，容易觸發(fā)對(duì)流天氣。

圖3 2018 年8 月31 日20：00 高空環(huán)流形勢(shì)分析圖

明顯降水時(shí)段開(kāi)始前，2018 年8 月31 日23：00 EC-ERA 再分析數(shù)據(jù)的整層可降水量（TPW）、850 hPa 風(fēng)場(chǎng)和水汽通量分布見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn)，寧夏中北部平原地區(qū)處于TPW 高值區(qū)內(nèi)，山洪災(zāi)害點(diǎn)位置數(shù)值約為47 mm，本地水汽含量充沛。超過(guò)14 g/（cm·s）的水汽通量大值區(qū)位于寧夏中北部平原地區(qū)，說(shuō)明有明顯水汽由南向北輸送。隨著降水時(shí)段臨近，水汽通量大值區(qū)逐漸往北延伸，并且在降水持續(xù)過(guò)程中，這種由南向北的水汽輸送形勢(shì)穩(wěn)定維持。本地水汽含量明顯，同時(shí)有明顯水汽輸送維持，為石嘴山降水提供了理想的水汽條件。此外，對(duì)流層低層850 hPa 上寧夏北部位于偏南風(fēng)的風(fēng)速輻合帶中，山洪災(zāi)害點(diǎn)位于低空急流出口區(qū)左側(cè)前方，形成了有利的輻合上升動(dòng)力條件。

圖4 2018 年8 月31 日23：00 整層可降水量與850 hPa 風(fēng)場(chǎng)和水汽通量分布圖

誘發(fā)山洪災(zāi)害的短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)期間，9 月1 日02：00 沿山洪災(zāi)害點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)、垂直速度和比濕場(chǎng)剖面見(jiàn)圖5。由圖5 可知，災(zāi)害點(diǎn)區(qū)域整層上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈且發(fā)展深厚，地面至500 hPa 的垂直速度大于0.8 Pa/s，600 hPa 最大值超過(guò)1.2 Pa/s。此外，對(duì)流層中低層水汽含量高，600 hPa 以下比濕大于10 g/kg，最大值超過(guò)13 g/kg。上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展強(qiáng)烈，同時(shí)中低層比濕明顯，為強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)提供了理想的動(dòng)力和水汽條件。

8 月31 日22：00 850 hPa 與500 hPa 溫差（T850-500）分布見(jiàn)圖6，石嘴山所在的寧夏北部地區(qū)超過(guò)21 ℃，寧夏中南部和甘肅南部地區(qū)超過(guò)22 ℃，說(shuō)明以上地區(qū)大氣層結(jié)存在不穩(wěn)定性，具有對(duì)流發(fā)生潛勢(shì)。明顯降水開(kāi)始前，石嘴山地區(qū)850 hPa 存在暖濕的偏南氣流，500 hPa 高空槽前存在冷平流，低層增溫，高層降溫，導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定性逐漸增加。對(duì)比分析9 月1 日00：00 與8 月31 日22：00 T850-500變化可以發(fā)現(xiàn)，寧夏大部、甘肅南部和陜西西部等地T850-500隨時(shí)間逐漸增加，表明上述地區(qū)的大氣層結(jié)不穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，更易于對(duì)流觸發(fā)。

圖5 2018 年9 月1 日02：00 沿山洪災(zāi)害點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)垂直剖面圖

圖6 2018 年8 月31 日22：00 850 hPa 與500 hPa 溫差分布圖

綜上，石嘴山地區(qū)受南亞高壓、副高、短波槽、低渦等系統(tǒng)共同影響，垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展強(qiáng)烈，中低層比濕明顯，并有持續(xù)水汽輸送，同時(shí)大氣層結(jié)具有不穩(wěn)定性，以上因素最終觸發(fā)對(duì)流產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。

圖7 8 月31 日21：00—9 月1 日00：20 雷達(dá)回波基本反射率分布圖

4 雷達(dá)探測(cè)分析

利用銀川市天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析8 月31 日21：05—9 月1 日03：00 山洪溝連續(xù)短時(shí)強(qiáng)降水成因。雷達(dá)回波基本反射率及其隨時(shí)間演變情況見(jiàn)圖7。雷達(dá)站以東地區(qū)21：05 有對(duì)流云團(tuán)生成，之后云團(tuán)沿著與賀蘭山脈平行的方向由南向北移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中對(duì)流云團(tuán)的回波強(qiáng)度和面積不斷增大，最終在00：20 左右影響山洪溝，回波反射率最大值超過(guò)50 dBZ，垂直液態(tài)水含量最大值超過(guò)8 kg/m2。進(jìn)一步分析沿山洪溝的雷達(dá)基本反射率回波垂直剖面（圖8），回波頂高超過(guò)8 km，大值區(qū)域集中在6 km以下，并在3.5 km 高度存在最大值超過(guò)50 dBZ 的強(qiáng)反射率因子核心，低質(zhì)心特征明顯。雷達(dá)回波基本反射率極大值超過(guò)50 dBZ，垂直液態(tài)水含量明顯，并且呈低質(zhì)心結(jié)構(gòu)，說(shuō)明對(duì)流發(fā)展旺盛，降水強(qiáng)度很大。

圖8 9 月1 日00：20 雷達(dá)回波基本反射率沿山洪溝區(qū)域剖面圖

9 月1 日02：00—03：00，雷達(dá)回波上先后有2個(gè)對(duì)流云團(tuán)在山洪溝產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。這些云團(tuán)均是在平原地區(qū)生成后，沿賀蘭山脈由南向北移動(dòng)發(fā)展的（圖略）。雷達(dá)回波監(jiān)測(cè)對(duì)石嘴山市山洪災(zāi)害預(yù)警具有參考意義，當(dāng)石嘴山以南地區(qū)的對(duì)流云團(tuán)出現(xiàn)由南向北的移動(dòng)軌跡時(shí)，需要考慮未來(lái)可能受移動(dòng)的對(duì)流云團(tuán)影響發(fā)生山洪災(zāi)害。

5 結(jié)論與討論

針對(duì)2018 年寧夏石嘴山“9.1”山洪災(zāi)害，研究使用自動(dòng)氣象站觀測(cè)、雷達(dá)探測(cè)、EC-ERA 再分析資料和中國(guó)區(qū)域小時(shí)降水量融合（QPE）產(chǎn)品分析降水極端性和天氣學(xué)成因。結(jié)果表明，誘發(fā)山洪災(zāi)害的大暴雨具有持續(xù)時(shí)間短，累積降水量大，小時(shí)和平均降水強(qiáng)度明顯的特征。研究利用百分位數(shù)法建立了QPE 產(chǎn)品24 h 累積降水量的典型百分位值數(shù)據(jù)集，揭示了誘發(fā)該次山洪災(zāi)害的降水是數(shù)據(jù)集97.5%百分位值的3 倍，并且是100%值的1.6 倍，具有明顯的極端性特征。

天氣學(xué)分析表明，石嘴山“9.1”山洪災(zāi)害是“東高西低”的環(huán)流形勢(shì)中，受南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓、500 hPa 短波槽、700 hPa 低渦等系統(tǒng)影響，高層輻散、中低層輻合引起整層深厚上升運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力條件下，在大氣層結(jié)不穩(wěn)定和中低層比濕含量顯著，以及由南向北水汽輸送明顯的環(huán)境場(chǎng)中觸發(fā)多個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)連續(xù)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水誘發(fā)的。對(duì)流云團(tuán)具有沿賀蘭山由南向北運(yùn)動(dòng)的軌跡，發(fā)展旺盛，雷達(dá)回波具有低質(zhì)心特征，基本反射率極大值超過(guò)50 dBZ，垂直液態(tài)含水量大于8 kg/m2。

該研究未來(lái)將使用更多的山洪災(zāi)害個(gè)例，建立基于定量降水估測(cè)數(shù)據(jù)的山洪降水極端性定量分析百分位值產(chǎn)品。中國(guó)區(qū)域小時(shí)降水量融合產(chǎn)品在小時(shí)降水強(qiáng)度超過(guò)8 mm/h 后誤差超過(guò)30%，未來(lái)將嘗試?yán)妙l率匹配等方法訂正數(shù)據(jù)，進(jìn)一步建立小時(shí)降水極端性分析產(chǎn)品。