“07.30”山西區(qū)域性暴雨的水汽輸送特征分析

王洪霞+苗愛梅+鄭皓文+董文曉

摘 要：利用NCEP/NCAR逐6 h 1°×1°再分析資料、常規(guī)氣象觀測(cè)資料、山西區(qū)域雨量站和GPS大氣可降水量資料，對(duì)2012-07-30—31的暴雨天氣過程中的水汽輸送和收支特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，熱帶輻合帶北側(cè)的偏東氣流與副熱帶高壓西側(cè)的偏南氣流是本次暴雨的水汽來源；暴雨中心出現(xiàn)在低層水汽通量大值中心和下風(fēng)方的水汽通量輻合中心之間，氣柱水汽總量空間分布在水平梯度≥30 mm/°N（E）的區(qū)域（干、濕空氣的交匯區(qū)）。暴雨區(qū)水汽主要來自對(duì)流層中低層的水汽輻合，低層?xùn)|西向的水汽輻合是其主要貢獻(xiàn)者，南邊界水汽輸入的突然增大或減小對(duì)暴雨的發(fā)生、發(fā)展和消亡具有一定的指示意義；對(duì)流層中低層水汽輸送分別對(duì)應(yīng)山西北部和南部暴雨區(qū)，同時(shí)水汽輸送極大值出現(xiàn)時(shí)間較強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)間有1～3 h的提前。

關(guān)鍵詞：暴雨；水汽輸送；水汽收支；GPS大氣可降水量

中圖分類號(hào)：P458.1+21.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）02-0140-03

水汽是影響短期降水預(yù)報(bào)的一個(gè)關(guān)鍵因素，同時(shí)也是暴雨產(chǎn)生的必要條件。研究表明，我國暴雨的水汽大部分來源于孟加拉灣、南海、東海和西太平洋等，但我國南北方暴雨的水汽輸送通道有所不同，北方暴雨區(qū)的水汽輸送主要是由西南急流、偏東急流或二者共同作用完成。暴雨在山西夏季降水中有極其重要的地位，山西多數(shù)暴雨都伴有低空急流。低空急流是中低緯系統(tǒng)相互作用的紐帶，它為暴雨的產(chǎn)生提供充足的水汽和能量。

2012-07-30—31，山西自北向南出現(xiàn)大范圍降水過程。這次降水過程雨勢(shì)強(qiáng)大，影響范圍廣，暴雨中心12 h降水量超過250 mm，然而在暴雨發(fā)生前或暴雨發(fā)生時(shí)，低空無急流形成。因此，本文利用NCEP/NCAR逐6 h 1°×1°再分析資料、常規(guī)氣象觀測(cè)資料、山西區(qū)域雨量站和GPS大氣可降水量資料，對(duì)本次暴雨過程的水汽輸送和收支特征進(jìn)行分析，旨在認(rèn)識(shí)暴雨的形成原因，為此類暴雨的預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 暴雨概況

受冷暖空氣共同影響，2012-07-30的8時(shí)至31日8時(shí)，山西出現(xiàn)大范圍降水天氣：30日白天，大暴雨落區(qū)位于忻州東北部，中心為忻州五臺(tái)縣，12 h降水量達(dá)107.7 mm，1 h最大降水量為52.1 mm；30日夜間，暴雨區(qū)擴(kuò)大并且明顯南壓至山西中南部，以強(qiáng)對(duì)流性降水形式出現(xiàn)，中心位于晉城澤州（266.4 mm，見圖1）。強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在30日23時(shí)至31日4時(shí)，1 h最大降水量為88 mm。共有41個(gè)縣市416個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，3個(gè)縣市40個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了100 mm以上降水，6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水量超過200 mm，暴雨落區(qū)分散全省。

2 大尺度環(huán)流背景

表1給出了2012-07-29—31，30°～42°N、100°～115°E500 hPa槽線和700 hPa、850 hPa冷、暖切變線的動(dòng)態(tài)變化及30°～40°N5880gpm線西脊點(diǎn)和105°～115°E5840gpm線的位置變化。

本次暴雨過程中，對(duì)流層中層貝加爾湖附近存在低壓環(huán)流，低壓底部有冷空氣隨西風(fēng)槽東移；同時(shí)，受09號(hào)臺(tái)風(fēng)蘇拉和10號(hào)熱帶風(fēng)暴達(dá)維的共同影響，西太平洋副熱帶高壓主體偏北，高壓脊線位于33° N附近并維持。2012-07-30的8時(shí)至20時(shí)，副高明顯西進(jìn)，20時(shí)以后副高東退至125° E 以東（見表1）。圖2為2012-07-30的20時(shí)流型配置，由圖可知，500 hPa西風(fēng)槽東移至河套地區(qū)中部，西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)伸至120°E 以西，臺(tái)風(fēng)北側(cè)的東南氣流與副高西南側(cè)的東南氣流疊加，暖濕氣流加強(qiáng)，5840gpm位于山西中南部呈東北—西南向；850 hPa存在偏南和偏東氣流，在山西和河北南部形成東西向暖性切變線，與存在于山西西部的冷性切變線共同形成“人”字形切變，地面冷鋒與850 hPa冷性切變線位置相差無幾，山西處于鋒前暖區(qū)。冷暖空氣的交綏、中低緯系統(tǒng)的相互作用導(dǎo)致了山西區(qū)域性暴雨的發(fā)生。

表1 2012-07-29—31中低層天氣系統(tǒng)位置

2012-07-29 2012-07-30 2012-07-31

20時(shí) 08時(shí) 20時(shí) 08時(shí)

5880gpm線 118.5°E 130.2°E 118.8°E 127.8°E

5840gpm線 38°～39°N 34°～37.5°N 34.8°～37.2°N 31°～34°N

500 hPa槽線 101.3°E 106.2°E 109.0°E 108°～113.8°E

700 hPa冷切 101.2°E 105.9°E 106°～110.2°E 104°～112.8°E

700 hPa暖切 33.5°～36°N 38°～40°N 42°N 40°～42°N

850 hPa冷切 無 105°～108.5°E 108°～111.5°E 109°～112°E

850 hPa暖切 38°N 37°～39°N 36°N 37°～39°N

圖2 2012-07-30的20時(shí)流型配置圖

3 暴雨過程水汽條件分析

3.1 水汽分布特征

充足的水汽是暴雨形成的必要條件之一。2012-07-30的8時(shí)河套西北部和河南分別存在水汽通量大值區(qū)，低空偏東、東南風(fēng)將東南部水汽向西、向北輸送，山西中南部存在-3×10-4 g/s·cm2·hPa的水汽通量輻合中心（見圖3中的a）；20時(shí)，在山西東部和南部形成“凹”字形水汽通量大值區(qū)，河套地區(qū)的水汽隨西風(fēng)槽東移至河套東部，水汽在陜西中南部出現(xiàn)明顯的輻合，輻合中心位于陜西北部和山西西南部，強(qiáng)度達(dá)到-9×10-4 g/s·cm2·hPa和-6×10-4 g/s·cm2·hPa（見圖3中的b）；31日2時(shí)南風(fēng)加強(qiáng)，在山西東南部和河南地區(qū)形成中心為12 g/s·hPa·cm的高濕區(qū)，與西部高濕區(qū)趨于合并，冷暖空氣在山西中南部交匯，暴雨中心出現(xiàn)在水汽通量大值中心和下風(fēng)方的水汽通量輻合中心之間（見圖3中的c）。由GPS-PWV大氣可降水量整體分布（圖3中的d）可知，山西上空存在兩條PWV密集帶，分別位于山西忻州中部和山西中南部地區(qū)，山西北部受顯著東南氣流影響，PWV呈東高西低分布；而中南部受500 hPa槽前西南暖濕氣流影響，PWV呈西高東低分布，在中部形成南北向PWV梯度大值區(qū)，且PWV水平梯度≥30 mm/° N（E）的區(qū)域與暴雨落區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。endprint

（a） （b）

（c） （d）

圖3 2012-07-30的8時(shí)（a）、30日20時(shí)（b）、31日2時(shí)（c） 850 hPa風(fēng)場（風(fēng)羽，單位：m/s）、水汽通量（實(shí)線，單位：g/s·hPa·cm）和水汽通量散度場（陰影區(qū)，單位：10-4 g/s·cm2·hPa），（d）2012- 07-30的18時(shí)GPS-PWV大氣可降水量分布圖（單位：mm）

3.2 水汽收支特征

為分析不同層次水汽輸送特征與暴雨過程水汽收支情況，取地面至700 hPa（對(duì)流層低層）、700～500 hPa（對(duì)流層中層）、500～300 hPa（對(duì)流層高層）和整層（地面至300 hPa）計(jì)算山西區(qū)域（110°～114°E，35°～40°N）及東、西、南、北邊界的水汽通量輸入、輸出和收支量。

圖4 對(duì)流層高、中、低層逐6 h山西區(qū)域（110°～114°E，35°～40°N）水汽通量輸送量（單位：kg/s·cm）與暴雨中心五臺(tái)縣2012-07-30的8時(shí)至20時(shí)及晉城澤州2012-07-30的20時(shí)至31日8時(shí)逐小時(shí)降水量綜合圖（單位：mm）

圖4為29日20時(shí)至31日8時(shí)逐6 h對(duì)流層低、中、高邊界水汽輸送量，由圖可知，本次暴雨過程的水汽主要來源于對(duì)流層中低層，且低層的貢獻(xiàn)大于中層的水汽輸送。對(duì)流層中層水汽輸入主要出現(xiàn)在30日2時(shí)至14時(shí)，8時(shí)輸送量達(dá)到極值，相應(yīng)北部暴雨中心五臺(tái)縣自9時(shí)開始出現(xiàn)降水，11時(shí)1 h雨強(qiáng)達(dá)到最大；對(duì)流層低層自30日2時(shí)至31日8時(shí)水汽輸送均為正值，為水汽輸入，其強(qiáng)度演變與山西南部降水的強(qiáng)度演變有很好的相關(guān)性。30日20時(shí)水汽輸入量達(dá)到最大（191.2 kg/s·cm），晉城澤州自23時(shí)降水強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，且31日0時(shí)至2時(shí)逐小時(shí)雨量強(qiáng)度均超過80 mm/h。從各邊界水汽輸送量（表2）可以看出，水汽輸送主要來自南邊界和東邊界，而南邊界水汽輸送量隨時(shí)間呈先增加后減小再增加的變化態(tài)勢(shì)，最高值分別出現(xiàn)在30日2時(shí)和31日2時(shí)，其中31日2時(shí)水汽輸送量高達(dá)107.2 kg/s·cm，與暴雨發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束時(shí)間具有一定的相關(guān)性；30日14時(shí)西邊界轉(zhuǎn)為水汽輸入，與東邊界形成水汽輻合，20時(shí)輻合強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，成為山西南部暴雨區(qū)水汽來源的主要貢獻(xiàn)者。

表2 山西區(qū)域（110°～114°E，35°～40°N）地面至

700 hPa各邊界水汽通量收支（單位：kg/s·cm）

時(shí)間 南邊界 北邊界 西邊界 東邊界 南北向輻合 東西向輻合 合計(jì)

29日20時(shí) 57.4 20.9 -45.6 32.2 78.3 -13.4 64.9

30日2時(shí) 84.4 -13.8 -77.1 12.2 70.6 -64.9 5.7

30日8時(shí) 67.9 1.1 -72.5 66.4 69 -6.1 62.9

30日14時(shí) 85.2 -51.3 9.1 90.9 33.9 100 133.9

30日20時(shí) 82.2 -29.4 58.9 79.5 52.8 138.4 191.2

31日2時(shí) 107.2 -17.7 30.2 1.6 89.5 31.8 121.3

31日8時(shí) 46 9.5 0.5 -19.3 55.5 -18.8 36.7

注：各邊界值：正值表示水汽從區(qū)域外通過邊界流向山西區(qū)域，負(fù)值表示由區(qū)域內(nèi)流向區(qū)域外；東西向輻合、南北向輻合及合計(jì)：負(fù)值表示水汽輻合，正值表示水汽輻散。

4 結(jié)束語

通過上述分析，可得到以下主要結(jié)論：①暴雨發(fā)生在冷空氣東移南下和低緯度雙臺(tái)風(fēng)效應(yīng)導(dǎo)致西太平洋副高北抬的背景下，中低緯系統(tǒng)的相互作用和冷暖空氣交綏為暴雨的產(chǎn)生提供了天氣尺度系統(tǒng)條件；②臺(tái)風(fēng)北側(cè)的東南氣流與副高西南側(cè)的東南氣流疊加為山西暴雨提供了充足的水汽，暴雨出現(xiàn)在低層水汽通量大值中心與下風(fēng)方水汽通量輻合中心之間，干、濕空氣交綏使，得GPS-PWV梯度增大至30 mm/°N（E）的區(qū)域；③暴雨區(qū)水汽主要來自對(duì)流層中低層的水汽輻合，低層?xùn)|西向的水汽輻合是暴雨區(qū)水汽輻合的主要貢獻(xiàn)者，南邊界水汽輸入的突然增大、減小對(duì)暴雨的發(fā)生、發(fā)展和消亡具有一定的指示意義；④對(duì)流層中層水汽輸送對(duì)應(yīng)北部暴雨區(qū)，南部暴雨區(qū)水汽主要來源于對(duì)流層低層，且中低層水汽輸送極大值的出現(xiàn)比強(qiáng)降水的出現(xiàn)提前了1～3 h。

參考文獻(xiàn)

[1]慕建利，李澤椿，趙琳娜，等.“07.08”陜西關(guān)中短歷時(shí)強(qiáng)暴雨水汽條件分析[J].高原氣象，2012，31（4）：1042-1052.

[2]楊蓮梅，張?jiān)苹?，湯?2007年7月新疆三次暴雨過程的水汽特征分析[J].高原氣象，2012，31（4）：963-973.

[3]劉子臣，張健宏.黃土高原上兩次低空東北急流大暴雨的診斷分析[J].高原氣象，1997，14（1）：107-113.

[4]劉子臣，梁生俊，張健宏.登陸臺(tái)風(fēng)對(duì)黃土高原東部暴雨的影響[J].高原氣象，1997，16（4）：402-409.

[5]畢寶貴，鮑媛媛，李澤椿.“02.6”陜南大暴雨的結(jié)構(gòu)及成因分析[J].高原氣象，2006，25（1）：34-44.

[6]謝義炳，戴武杰.中國東部地區(qū)夏季水汽輸送個(gè)例計(jì)算[J].氣象學(xué)報(bào)，1959，30（2）：173-185.

[7]武麥鳳，王旭仙，孫健康，等. 2003年渭河流域5次致洪暴雨過程的水汽場診斷分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（2）：225-231.

[8]苗愛梅，董春卿，張紅雨，等.“0811”大暴雨過程中MCC與一般暴雨云團(tuán)的對(duì)比分析[J].高原氣象，2012，31（3）：731-743.endprint

[9]苗愛梅，武捷，趙海英，等.低空急流與山西大暴雨的統(tǒng)計(jì)關(guān)系及流型配置[J].高原氣象，2010，29（4）：939-946.

————————

作者簡介：王洪霞（1986—），女，山東莒縣人，助理工程師，2010年6月畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)氣象學(xué)專業(yè)。

“07.30”Shanxi Regional Heavy Rain Water Vapor Transmission Characteristics of the Analysis

Wang Hongxia， Miao Aimei， Zheng Haowen， Dong Wenxiao

Abstract： Based on the NCEP/NCAR by 6 h 1°×1° reanalysis data， conventional meteorological observation data， shanxi area precipitation station and GPS atmospheric precipitation data， the heavy rain weather process of the 2012-07-30—31 characteristics are analyzed， and the water vapor transmission and payments results show that the intertropical convergence zone on the north side of the airflow and the west side of subtropical high by south east airflow is water vapor source of the heavy rain； Rainstorm center appears in the center of the lower water vapor flux big value and disadvantage between the vapor flux convergence center， total gaseous water vapor space distribution in horizontal gradient of 30 mm/°N（E）or area（the intersection of dry， wet air）. Heavy water vapor area mainly from low-level moisture in the troposphere， the lower the east-west water vapor convergence is the main contributor， south boundary sudden increase or decrease of water vapor input on the occurrence and development of heavy rain and die has a certain instruction significance； Troposphere for lower water vapor transport in a heavy rain in north and south shanxi area， the maximum of water vapor transport also appear strong precipitation appear time 1～3 h in advance.

Key words： heavy rain； water vapor transmission； the water vapor balance； GPS atmospheric precipitationendprint

[9]苗愛梅，武捷，趙海英，等.低空急流與山西大暴雨的統(tǒng)計(jì)關(guān)系及流型配置[J].高原氣象，2010，29（4）：939-946.

————————

作者簡介：王洪霞（1986—），女，山東莒縣人，助理工程師，2010年6月畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)氣象學(xué)專業(yè)。

“07.30”Shanxi Regional Heavy Rain Water Vapor Transmission Characteristics of the Analysis

Wang Hongxia， Miao Aimei， Zheng Haowen， Dong Wenxiao

Abstract： Based on the NCEP/NCAR by 6 h 1°×1° reanalysis data， conventional meteorological observation data， shanxi area precipitation station and GPS atmospheric precipitation data， the heavy rain weather process of the 2012-07-30—31 characteristics are analyzed， and the water vapor transmission and payments results show that the intertropical convergence zone on the north side of the airflow and the west side of subtropical high by south east airflow is water vapor source of the heavy rain； Rainstorm center appears in the center of the lower water vapor flux big value and disadvantage between the vapor flux convergence center， total gaseous water vapor space distribution in horizontal gradient of 30 mm/°N（E）or area（the intersection of dry， wet air）. Heavy water vapor area mainly from low-level moisture in the troposphere， the lower the east-west water vapor convergence is the main contributor， south boundary sudden increase or decrease of water vapor input on the occurrence and development of heavy rain and die has a certain instruction significance； Troposphere for lower water vapor transport in a heavy rain in north and south shanxi area， the maximum of water vapor transport also appear strong precipitation appear time 1～3 h in advance.

Key words： heavy rain； water vapor transmission； the water vapor balance； GPS atmospheric precipitationendprint

[9]苗愛梅，武捷，趙海英，等.低空急流與山西大暴雨的統(tǒng)計(jì)關(guān)系及流型配置[J].高原氣象，2010，29（4）：939-946.

————————

作者簡介：王洪霞（1986—），女，山東莒縣人，助理工程師，2010年6月畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)氣象學(xué)專業(yè)。

“07.30”Shanxi Regional Heavy Rain Water Vapor Transmission Characteristics of the Analysis

Wang Hongxia， Miao Aimei， Zheng Haowen， Dong Wenxiao

Abstract： Based on the NCEP/NCAR by 6 h 1°×1° reanalysis data， conventional meteorological observation data， shanxi area precipitation station and GPS atmospheric precipitation data， the heavy rain weather process of the 2012-07-30—31 characteristics are analyzed， and the water vapor transmission and payments results show that the intertropical convergence zone on the north side of the airflow and the west side of subtropical high by south east airflow is water vapor source of the heavy rain； Rainstorm center appears in the center of the lower water vapor flux big value and disadvantage between the vapor flux convergence center， total gaseous water vapor space distribution in horizontal gradient of 30 mm/°N（E）or area（the intersection of dry， wet air）. Heavy water vapor area mainly from low-level moisture in the troposphere， the lower the east-west water vapor convergence is the main contributor， south boundary sudden increase or decrease of water vapor input on the occurrence and development of heavy rain and die has a certain instruction significance； Troposphere for lower water vapor transport in a heavy rain in north and south shanxi area， the maximum of water vapor transport also appear strong precipitation appear time 1～3 h in advance.

Key words： heavy rain； water vapor transmission； the water vapor balance； GPS atmospheric precipitationendprint