山西北部一次罕見(jiàn)的秋季連陰雨診斷分析

李效珍，賈利芳，李子龍，何正梅

（山西省大同市氣象局，山西 大同037010）

我國(guó)氣象學(xué)者對(duì)形成秋季連陰雨天氣的天氣學(xué)、熱力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了廣泛研究［1～10］，取得了豐富的成果。但多數(shù)是對(duì)陜西、西北地區(qū)和長(zhǎng)江中下游連陰雨的研究，相對(duì)于山西一帶特別是山西北部秋季連陰雨研究較少，秋季會(huì)出現(xiàn)超過(guò)盛夏的大到暴雨的連續(xù)性強(qiáng)降水的原因探討不明。黃奕斌等［11］對(duì)2010年9月北半球大氣環(huán)流和中國(guó)天氣進(jìn)行了分析，本文對(duì)山西北部這次罕見(jiàn)秋季連陰雨過(guò)程做進(jìn)一步分析，旨在揭示連陰雨期間大尺度環(huán)流和中小尺度系統(tǒng)相互作用對(duì)局地降水造成的影響以及物理量場(chǎng)在空間和時(shí)間的演變，為山西北部秋季連陰雨的中短期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和秋季農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供參考。

山西北部以大同市為例。9月中旬大同市大秋作物正處于成熟至收獲期，此時(shí)的連續(xù)陰雨、低溫、寡照，對(duì)秋作物成熟、收獲、晾曬造成嚴(yán)重危害，使部分谷子、黍子等作物發(fā)生霉變、發(fā)芽，產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴(yán)重的影響。本文選用山西北部的大同觀測(cè)站、大同縣、陽(yáng)高、天填、左云、渾源、廣靈、靈丘8縣區(qū)氣象觀測(cè)站的降水資料、100個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站資料和實(shí)時(shí)天氣圖資料。

1 連陰雨過(guò)程實(shí)況

2010年9月16～21日，山西大同出現(xiàn)了一次陰雨相間的連陰雨天氣過(guò)程，其中18日和20日出現(xiàn)了局部暴雨。16～21日日照時(shí)數(shù)介于0.0～5.9小時(shí)之間，過(guò)程雨量介于29.0～140.1 mm，降水強(qiáng)度大，日照時(shí)間短，是近年來(lái)較為罕見(jiàn)的秋季連陰雨天氣。9月16日夜間開(kāi)始出現(xiàn)降水，16日到17日大部分地區(qū)為陣雨或間隙性小雨，17日夜間到18日白天雨強(qiáng)開(kāi)始增大，17日夜間開(kāi)始為雷陣雨天氣，之后轉(zhuǎn)為普雨，大的降水主要出現(xiàn)在17日夜間，17日20時(shí)到18日20時(shí)全市降水量均在中雨以上，其中5個(gè)縣區(qū)達(dá)到大到暴雨，測(cè)站雨量陽(yáng)高、天鎮(zhèn)達(dá)到暴雨，陽(yáng)高最大為60.9 mm，11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站出現(xiàn)了暴雨，最大降水量達(dá)70 mm，19日雨強(qiáng)再度減小，20日白天雨強(qiáng)再次增大，19日20時(shí)到20日20時(shí)左云、市區(qū)、陽(yáng)高、天鎮(zhèn)4縣區(qū)日降雨量為大到暴雨，左云最大為56.2 mm，21日20時(shí)全區(qū)降水基本結(jié)束。連陰雨期間各縣過(guò)程降水量和總?cè)照諘r(shí)數(shù)實(shí)況見(jiàn)表1。

表1 大同市16～21日過(guò)程降水量和總?cè)照諘r(shí)數(shù)Table 1 The process of precipitation and total sunshine hours from 16 to 21 in Datong

2 連陰雨期間大氣環(huán)流特征

連陰雨期間，亞歐上空大型環(huán)流相對(duì)穩(wěn)定，烏拉爾山附近維持一穩(wěn)定的阻塞高壓，西太平洋副高異常偏強(qiáng)，亞洲中緯度多短波槽東移，700 hpa、850 hpa切變線頻頻建立，由于西太平洋副熱帶高壓異常偏北偏西，其外圍形成的西南低空急流把充足的水汽輸送到山西；當(dāng)烏山有阻高建立時(shí)，北方冷空氣沿脊前下滑，在巴湖形成切斷低壓，在貝湖形成低渦；貝湖底部分裂小槽南下，冷暖空氣在山西北部長(zhǎng)時(shí)間交匯，從而形成了山西北部長(zhǎng)時(shí)間的連陰雨天氣，當(dāng)阻高減弱崩潰，巴湖到新疆有高壓脊建立，副熱帶高壓東移南退，山西北部上空轉(zhuǎn)為西北氣流控制，連陰雨天氣結(jié)束。

2.1 副熱帶高壓位置變化及強(qiáng)度

在這次連陰雨過(guò)程中，西太平洋副高穩(wěn)定、位置偏北，同時(shí)西風(fēng)帶中不斷有冷空氣下滑、東移，山西北部處在副高西北部外圍的西南暖濕氣流中，陰雨綿綿。從2010年9月16日到21日逐日500 hpa圖中可以看出，副高與“584線”有兩次較為明顯的北跳與3次明顯的南壓的過(guò)程。其中，副高2次北抬的時(shí)間為16日08時(shí)、18日20時(shí)，“584線”均北抬到北緯40度以北；3次南壓：17日20時(shí)、20日20時(shí)584線南壓到40°N以南，南壓了約半個(gè)到一個(gè)緯距，21日20時(shí)584線南壓到山西中南部及太原以南，至此，山西北部降水宣告結(jié)束。

圖1 2010年9月15～22日08時(shí)588線動(dòng)態(tài)Fig.1 The 588line dynamics at 8，15th to 22th，from September，2010

圖2 2010年9月17日20時(shí)高低空系統(tǒng)配置Fig.2 The high altitude system configuration at 20，September 17th，2010

2.2 高低空系統(tǒng)配置及演變

2010年9月15日08時(shí)500 h Pa高空?qǐng)D上，在中高緯度上是兩槽兩脊的環(huán)流形勢(shì)，極地附近有一深厚的冷渦，大同市處于中部寬闊的大槽中，在河套地區(qū)西部該槽分裂短波槽東移南下，副高北抬至黃淮流域，“584線”控制山西北部上空。16日08時(shí)，500 h Pa位于巴湖附近的槽分裂成兩個(gè)，在北緯50度以北的槽快速東移至貝湖以西，而50度以南的槽則穩(wěn)定少動(dòng)，副高北抬至山西省中南部地區(qū)，冷空氣仍是偏北。16日20時(shí)烏拉爾山附近阻高建立，巴湖附近有一切斷低壓，700 h Pa上在河套地區(qū)的南部形成較弱的南風(fēng)急流，而850 h Pa我區(qū)仍處于高壓脊內(nèi)，這樣的形勢(shì)不利于大降水的產(chǎn)生，同時(shí)動(dòng)力條件不足，上升運(yùn)動(dòng)偏弱，16日白天到夜間大同市普降小雨。

9月17日08 時(shí)500hPa中緯度地區(qū)多分裂短波槽，巴湖附近的槽幾乎沒(méi)動(dòng)，但是副高北抬幅度較大，584線北抬到40°N以北，沿副高邊緣有南風(fēng)急流北上，形成較好的水汽通道，700hPa上的低渦還在河套以西，但在山西的北中部有明顯的橫切，大同市處于切變線的北端，850 h P形勢(shì)有所調(diào)整，由原來(lái)的高壓脊調(diào)整為東北西南向的倒槽，高低空系統(tǒng)配置不是很有利，所以白天的降水很弱，而且是斷斷續(xù)續(xù)。9月17日20時(shí)500 h Pa上南風(fēng)急流略有加強(qiáng)，并在河套地區(qū)形成深厚的大槽，從溫壓場(chǎng)的配合情況來(lái)看，等溫線與等壓線之間有很小的夾角，冷空氣仍是不足，但700 h Pa在河套地區(qū)形成閉合的低渦，而850 h Pa上則有與之配合的東北——西南向橫切變線存在，從溫度場(chǎng)上來(lái)看，高空溫度略有下降，而低空則處于一個(gè)弱的暖脊之上，說(shuō)明高低空存在不穩(wěn)定能量，并且上升對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。實(shí)況顯示，從傍晚開(kāi)始，大同市開(kāi)始時(shí)有雷聲，之后進(jìn)入大范圍的降雨，大降水的落區(qū)主要出現(xiàn)在850 h Pa切變線以北和700 h Pa低渦正前方。

18日08時(shí)各層形勢(shì)位置穩(wěn)定少動(dòng)，但是700 h Pa上河套地區(qū)的低渦崩潰，僅在內(nèi)蒙古烏蘭察布市地區(qū)有一組風(fēng)的弱切變，這時(shí)降水逐步減弱。到19日20時(shí)大同市處在一個(gè)西移過(guò)來(lái)的弱脊區(qū)控制，但副高仍然控制著我省南部地區(qū)，水汽通道良好，仍是以陰天為主，有間斷性降水。

20日08時(shí)500h Pa呈現(xiàn)一槽一脊，而受南海臺(tái)風(fēng)登陸的影響，南退的副高再一次北抬，由南海的氣旋頂部沿副高的邊緣有良好的水汽通道，大同市處在中高緯度大槽的底部和副高之間，由于副高強(qiáng)盛，冷空氣影響范圍仍然偏北，700 h Pa在河套地區(qū)再一次形成低渦，850 h Pa亦有明顯的輻合在大同市上空（圖3）。此次降水大值落區(qū)依然在850 h Pa輻合區(qū)以北和700 h Pa低渦正前方，其中左云縣本站從20日05時(shí)開(kāi)始到21日05時(shí)降水68.8 mm，降水主要集中在20日早上7點(diǎn)到11點(diǎn)之間。

圖3 9月20日08高低空系統(tǒng)配置Fig.3 The high altitude system configuration at 8，September 20th，2010

21日20時(shí)，烏拉爾山阻高崩潰，巴湖到新疆有高壓脊建立，副熱帶高壓南壓，584線南壓到山西中南部，山西北部上空轉(zhuǎn)為西北氣流控制，連陰雨天氣結(jié)束。

圖4 左云20日05時(shí)～21日08時(shí)逐小時(shí)降水量Fig.4 The hourly precipitation in Zuoyun country from 5 of 20 to 8 of 21.

3 物理量診斷

3.1 垂直速度

圖6為15日到22日各層垂直速度隨時(shí)間的變化。17日08時(shí)到18日08時(shí)、19日20時(shí)～20日20時(shí)，均有上升氣流，17日08～20時(shí)中低層的上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，850 h Pa～500 h Pa均處在上升氣流區(qū)，最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū)位于700 h Pa～500 h Pa之間，其中心數(shù)值為－18 hpa·s－1，18日08時(shí)中心高度下降，強(qiáng)度減弱，到19日20時(shí)從低層到高層均轉(zhuǎn)為下沉氣流。19日20時(shí)到20日20時(shí)，從低層到高層均轉(zhuǎn)為上升氣流，中心高度維持在500 h Pa左右及對(duì)流層平均值，其中心數(shù)值為－34 hpa·s－1，21日08時(shí)中心高度再次降低，到21日20是整層轉(zhuǎn)為下沉氣流。其中20日上升運(yùn)動(dòng)較17日上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到的高度高，中心強(qiáng)度較17日大，但持續(xù)的時(shí)間短，降水強(qiáng)度也沒(méi)有17日大，可能是17日前期高溫少雨，近地面增溫，積累了不穩(wěn)定能量，因此對(duì)流降水可能是17日降水增幅的主要原因。

圖5 16日20時(shí)500 hPa高度場(chǎng)（左），21日20時(shí)500 hPa高度場(chǎng)（右）Fig.5 The 500h Pa geopotential height field at 20 on 16th（left）；The 500h Pageopotential height field at 20 on 21th（right）

圖6 9月15日08時(shí)～22日08時(shí)各層垂直速度隨時(shí)間的變化Fig.6 The each layer vertical velocity changes with time from 8，September 15th to 8，22th

3.2 散度

從散度場(chǎng)隨時(shí)間的垂直剖面圖（圖7）看，17日和20日均為低層輻合、高層輻散，形成比較有利于降水的高低空配置，但17日低層輻合相對(duì)于20日較強(qiáng)，其中心強(qiáng)度達(dá)－15 s－1，且17日高層輻散與低層輻合勢(shì)利相當(dāng)，而20日低層輻合則相對(duì)較弱，高層輻散相對(duì)低層輻合較強(qiáng)，其輻散層高度達(dá)到200 hpa以上，這也是17日較20日降水大的原因之一。而18日白天到19日高低空均有輻散場(chǎng)的存在，是這次降水間斷的原因之一。

圖7 9月15日20時(shí)～22日20時(shí)各層散度隨時(shí)間的變化Fig.7 The each layer vertical divergence changes with time at 20 September 15th to 20，22th

3.3 比濕

從比濕場(chǎng)隨時(shí)間的垂直剖面圖（圖8）看，16日～17日20時(shí)，低層850 hpa以下有一比濕大值區(qū)，其中心數(shù)值為14.5 kg·kg－1，300 hpa～400 hpa空氣濕度也較大，而500 hpa為弱得干冷傾入，形成有利混合云強(qiáng)降水的云物理空間結(jié)構(gòu)，隨著雨團(tuán)濕度大值區(qū)快速移動(dòng)，雨強(qiáng)減弱對(duì)應(yīng)比濕發(fā)生變化，到19日20時(shí)，低層比濕出現(xiàn)了一個(gè)低值區(qū)，到了20日，從850 hpa到500 hpa空氣濕度均較大，400 hpa以上為干冷空氣，所以20日以穩(wěn)定性降水為主，降水的雨強(qiáng)沒(méi)有17日大。

圖8 9月15日20時(shí)～22日20時(shí)各層比濕隨時(shí)間的變化Fig.8 The each layer vertical Specific humidity changes with time at 20 September 15th to 20，22th

4 結(jié)論

（1）這次異常連陰雨天氣的發(fā)生是不同尺度，不同性質(zhì)的天氣系統(tǒng)相互制約又相互作用的結(jié)果，連陰雨期間大型環(huán)流形勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)生降水的系統(tǒng)連續(xù)影響，是產(chǎn)生連陰雨的關(guān)鍵原因。

（2）阻塞高壓可以影響大范圍地區(qū)的天氣和氣候，它的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)可以給大范圍地區(qū)帶來(lái)干旱和連陰雨，造成氣候異常［12］。連陰雨期間烏拉爾山阻高的建立和維持是整個(gè)歐亞上空大型環(huán)流穩(wěn)定的基礎(chǔ)。同時(shí)亞洲中緯度多短波槽東移，是陰雨天氣持續(xù)的重要?jiǎng)恿l件，同時(shí)高低空急流的維持、發(fā)展、水汽的輸送、以及低層輻合、高層輻散場(chǎng)的迭置為連陰雨提供了必要的環(huán)境場(chǎng)條件。

（3）副熱帶高壓異常偏強(qiáng)，位置偏北、偏西，其總體相對(duì)穩(wěn)定，有3次南壓和2次北抬短期變化過(guò)程，其西北側(cè)強(qiáng)盛的西南暖濕氣流為連陰雨提供了能量和水汽條件。

（4）副熱帶高壓南側(cè)的低緯度熱帶氣旋活躍，為阻止副熱帶高壓迅速南落起到關(guān)鍵性的作用。

（5）連陰雨期間不僅有來(lái)自我國(guó)西南豐沛的水汽來(lái)源，在降水強(qiáng)度大、降水時(shí)間集中時(shí)段有明顯的水汽輻合及垂直上升運(yùn)動(dòng)，降水最大的時(shí)段中層有弱的冷空氣傾入，形成了不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在降水間歇時(shí)段，700 hpa為弱的下沉氣流。

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