山西秋季一次極端暴雨過程的異常特征分析

苗 青，白自斌，王洪霞，鞏遠發(fā)，董春卿

(1.山西省氣象臺，山西 太原 030006；2.山西省大氣探測技術(shù)保障中心，山西 太原 030002；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川 成都 610225)

引 言

在全球氣候變暖背景下，大氣環(huán)流異常導(dǎo)致極端天氣事件的發(fā)生頻率和強度均呈上升趨勢[1-2]，其中極端降水事件對氣候變化的響應(yīng)更敏感[3]。極端降水事件屬于小概率事件，具有突發(fā)性強、危害性大等特點，其引發(fā)的自然災(zāi)害對社會經(jīng)濟和人民生活等造成嚴重影響[4-5]。

近幾十年中國大部分地區(qū)[2-3,6-7]極端降水事件發(fā)生頻率呈上升趨勢。極端降水落區(qū)與西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)位置關(guān)系密切[1,8-9]，副高位置偏離氣候平均態(tài)對水汽輸送有直接影響，當(dāng)副高異常偏南、偏西、偏北時分別有利于華南、長江中下游、華北和東北地區(qū)極端降水發(fā)生[1]。地形對極端降水影響顯著[10]，如鄂西南區(qū)域極端降水多發(fā)生在地形輻合和地形抬升的山脈四周[11]，太行山、燕山地形分別對豫北區(qū)域、北京地區(qū)極端暴雨增幅有正貢獻[10,12-13]。極端降水事件與水汽、動力、熱力因子的極端異常密切相關(guān)[8,11-13]，如水汽相關(guān)物理量的空間分布對降水位置和強度變化有很好的指示作用[14]，水汽相關(guān)物理量異?？勺鳛榕袛啾本O端降水的重要因素[15]，華中區(qū)域極端降水事件中超過50%的個例存在動力和水汽相關(guān)物理量的異常[8]。目前極端降水事件異常特征方面研究較少，極端降水預(yù)報在主觀和客觀方面均有欠缺[16]。因此，深入認識本地極端降水事件異常特征及成因?qū)μ岣咧聻?zāi)降水預(yù)報水平具有重要意義。

山西地處中緯度，位于華北地區(qū)西部，地形復(fù)雜，秋季冷暖空氣交綏容易引發(fā)極端降水事件。2019年9月10—11日，山西出現(xiàn)1960年以來同期范圍最大的一次區(qū)域性暴雨過程，且該過程發(fā)生在秋季連陰雨期間，給降水預(yù)報帶來較大難度。歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts， EC)和中國氣象局全球同化預(yù)報系統(tǒng)(China Meteorological Administration Global Forecast System， CMA-GFS)以及山西省預(yù)報員主觀預(yù)報對大雨和暴雨范圍預(yù)報均偏小，對極端降水估計不足。本文對此次秋季區(qū)域性暴雨過程的極端性及其成因進行分析，以期為山西省極端降水過程預(yù)報提供一些參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

利用山西省109個國家站1960—2019年9月逐日降水量及2019年9月逐時降水量進行降水實況分析；利用大同、太原、呂梁、臨汾、長治5個多普勒雷達站的組合反射率因子拼圖分析雷達回波特征；利用1980—2019年歐洲中期天氣預(yù)報中心分辨率為1°×1°的逐6 h再分析資料(ERA5)計算位勢高度、風(fēng)、溫度、海平面氣壓、整層大氣可降水量、水汽通量、水汽通量散度、比濕、垂直速度、假相當(dāng)位溫、溫度平流、散度等物理量及其標準化距平用于異常特征分析。

文中附圖涉及地圖均基于山西省標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為晉S(2020)005的標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 區(qū)域性暴雨過程定義

參考《山西省天氣預(yù)報技術(shù)手冊》[17]對區(qū)域性暴雨過程定義：在一次降水天氣過程中，山西省境內(nèi)暴雨站數(shù)S≥5且分布連續(xù)，定義為一次區(qū)域性暴雨過程；若5≤S<10，但暴雨空間分布離散，統(tǒng)計時不記為一次區(qū)域性暴雨過程；若S≥10，無論暴雨空間分布離散還是連續(xù)，均記為一次區(qū)域性暴雨過程。此處站數(shù)統(tǒng)計對象為109個國家氣象站，相鄰暴雨站距離大于100 km視為空間分布離散，反之視為空間分布連續(xù)。

1.3 極端日降水事件定義

采用1960—2018年作為氣候標準期，對單站逐日降水量從小到大排序，選取第95個百分位數(shù)作為該站極端日降水事件的閾值，大于或等于該閾值的日降水量記為一個極端日降水事件[18]。氣候標準期內(nèi)某站日降水量的最大值為該站日降水量的歷史極值。

1.4 標準化異常

根據(jù)HART等[19]提出的標準化距平法對變量進行異常度分析，具體計算公式如下：

(1)

式中：X為要素值；μ為1980—2019年9月要素的氣候平均值；σ為1980—2019年要素的氣候標準差。N表示要素值與歷史同期平均值的偏離程度，當(dāng)N>0時，N越大代表要素值較氣候平均態(tài)偏大越多，即正異常越強；當(dāng)N<0時，N越小代表要素值較氣候平均態(tài)偏小越多，即負異常越強。

2 降水實況及極端性特征

2019年9月10日20:00(北京時，下同)至11日20:00，受高空槽東移和副高西伸的共同影響，山西省中南部(35°N—39°N、110°E—114°E)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨過程(簡稱“20190911過程”)。圖1為2019年9月10日20:00至11日20:00山西省降水量空間分布?？梢钥闯觯舜芜^程影響范圍大，有南北兩個西南—東北向的中尺度強降雨帶，分別位于35°N—36°N和37°N—38°N。降水量P≥50 mm和25 mm≤P<50 mm的站點分別有44、30個，垣曲站24 h降水量最大(98.1 mm)，陽城站雨強最強(13.5 mm·h-1)。此次暴雨過程山西中南部46站出現(xiàn)極端日降水事件，其中有11站突破9月日降水量歷史極大值，另有11站日降水量最大值僅次于歷史極大值。20190911過程具有降水持續(xù)時間長，但降水強度不強的特點，以24 h降水量最大的垣曲站(位于山西南部)和次大的文水站(位于山西中部)為例，2站連續(xù)降水時長均超過24 h，但垣曲站、文水站雨強分別為0.1～10.5、0.1～8.9 mm·h-1(圖略)。

圖1 2019年9月10日20:00至11日20:00山西省降水量(陰影，單位：mm)空間分布和山西中南部極端降水站點分布(紅色、黑色、灰色圓點為發(fā)生極端日降水事件的站點，其中黑色圓點為超歷史極值的站點，灰色圓點為僅次于歷史極值的站點，紅色邊框為山西中南部水汽輸送邊界)Fig.1 The distribution of precipitation (Unit: mm) in Shanxi Province and stations with extreme rainfall in central and southern Shanxi Province from 20:00 BST 10 to 20:00 BST 11 September 2019(The red, black and gray dots are stations occurring extreme daily rainfall event, the black dots for rainfall more than historical record, gray dots for rainfall being second only to historical record, the red border for the schematic diagram of water vapor transport boundary in central and southern Shanxi Province)

圖2為1960—2019年9月山西中南部區(qū)域性暴雨過程大雨、暴雨、大雨及以上量級降水站數(shù)?？梢钥闯?，1960年以來，山西中南部9月同期共發(fā)生25次區(qū)域性暴雨過程，暴雨站數(shù)的平均值為12.3站，大雨以上量級站數(shù)的平均值為33.8站。2019年9月10日20:00至11日20:00山西中南部大雨以上量級的站數(shù)(74站)是平均值的2.2倍，僅次于2005年9月暴雨過程的75站；暴雨站數(shù)(44站)是平均值的3.6倍，超過2005年9月暴雨過程的39站，此次降水過程是一次典型的秋季極端降水事件。

圖2 1960—2019年9月山西中南部區(qū)域性暴雨過程大雨、暴雨、大雨及以上量級降水站數(shù)Fig.2 The number of stations with heavy rain, rainstorm and both above during the regional heavy rain processes in central and southern Shanxi Province in September from 1960 to 2019

圖3為2019年9月11日00:00和13:38山西省5個多普勒雷達站組合反射率因子拼圖?？梢钥闯?，此次暴雨過程以穩(wěn)定性降水為主，大部分地區(qū)雷達組合反射率因子小于35 dBZ，局部地區(qū)反射率因子超過40 dBZ，其中強度大于30 dBZ的回波呈線狀排列、幾乎沿著相同的路徑向東北方向移動，在山西中部和南部地區(qū)形成兩條西南—東北向的線狀中尺度雨帶，長度約200～300 km，寬度約50～100 km，回波持續(xù)經(jīng)過暴雨區(qū)產(chǎn)生“列車效應(yīng)”。

圖3 2019年9月11日00:00(a)和13:38(b)山西省5個多普勒雷達站組合反射率因子(單位：dBZ)Fig.3 The combined reflectivity factor of 5 Doppler radar stations in Shanxi Province at 00:00 BST (a) and 13:38 BST (b) 11 September 2019 (Unit: dBZ)

3 環(huán)流背景

此次暴雨過程前，2019年9月9日，貝加爾湖阻塞高壓穩(wěn)定，西西伯利亞切斷低壓不斷旋轉(zhuǎn)使來自高緯度的冷空氣堆積和加強，有-24 ℃冷中心與之配合(圖略)；9月10日20:00，阻塞高壓崩潰，切斷低壓填塞，新疆東部的高空槽加深東移至河西走廊，同時588 dagpm線迅速從海上西伸至105°E以西且北抬至山西南部，形成有利于山西出現(xiàn)暴雨的天氣形勢[圖4(a)]。暴雨過程中，11日08:00，蒙古西部的高空槽經(jīng)河西走廊東移至河套地區(qū)，588 dagpm線繼續(xù)西伸且穩(wěn)定在山西南部(圖略)；700 hPa位于高空槽與588 dagpm線之間的西南急流建立[圖4(c)]，加強水汽和能量輸送，山西中南部位于急流出口區(qū)，西北—東南向的暖式切變線從山西西南部緩慢北推至中部，對水汽輻合抬升起到持續(xù)的動力作用，降水隨之開始并加強；海平面氣壓場[圖4(b)]內(nèi)蒙古東部地面冷高壓中心合并加強(中心值1025 hPa)，山西位于地面冷高壓底后部，冷空氣自東北平原由東北風(fēng)和偏東風(fēng)向華北地區(qū)擴散并在近地面堆積；850 hPa華北北部地區(qū)東北風(fēng)與

圖4 2019年9月10日20:00 500 hPa位勢高度場(黑色等值線，單位：dagpm)及假相當(dāng)位溫θse(陰影，單位：K)(a)，11日08:00海平面氣壓場(黑色等值線，單位：hPa)及2 m溫度距平場(陰影，單位：℃)(b)，11日08:00 700 hPa(c)和850 hPa(d)風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)及假相當(dāng)位溫θse(陰影，單位：K)Fig.4 The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), θse(the shadow, Unit: K) on 500 hPa at 20:00 BST 10 September (a), sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), 2 m temperature anomaly field (the shadow, Unit: ℃) at 08:00 BST 11 September (b), wind field (the arrow vectors, Unit: m·s-1) and θse (the shadow, Unit: K) on 700 hPa (c) and 850 hPa (d) at 08:00 BST 11 September 2019

等溫線近乎垂直[圖4(d)]，受冷平流影響山西為冷舌控制，山西東部冷中心溫度降至10 ℃，在地面至850 hPa形成冷墊并強迫抬升中低層西南暖濕氣流，有持續(xù)的動力抬升作用，同時，850 hPa偏東風(fēng)和東南風(fēng)加強低層水汽補充，有利于降水加強和持續(xù)。

從11日08:00 500 hPa(圖略)、700 hPa[圖4(c)]和850 hPa[圖4(d)]風(fēng)場、假相當(dāng)位溫(θse)的水平分布來看，暴雨區(qū)西南側(cè)為θse高值區(qū)，700 hPa和500 hPa西南風(fēng)與等θse線近乎垂直，高溫高濕的能量舌伸向山西南部，對應(yīng)強西南暖濕輸送；850 hPa和700 hPaθse低值區(qū)向西南方向伸展，在850 hPa山西東側(cè)形成低值中心，對應(yīng)冷墊的形成。700～500 hPa暖濕輸送疊加在850～700 hPa干冷輸送之上，山西中南部對流層中低層水平和垂直方向上溫濕差異同時增強，各層等θse線越來越密集，形成西北—東南向、從底層到高層向冷區(qū)傾斜的鋒區(qū)，有利于暖濕氣流沿著傾斜的鋒區(qū)爬升。

圖5為2019年9月10日20:00、11日02:00和08:00θse、垂直速度和風(fēng)場沿兩條雨帶中間位置(112°E)的經(jīng)向垂直剖面?？梢钥闯?，10日20:00，山西南部35°N—37°N對流層低層(900～700 hPa)和山西中南部36°N—39°N對流層中層(600～500 hPa)θse隨高度升高而減小，層結(jié)不穩(wěn)定。11日02:00，隨著700 hPa偏南急流加強，暖式切變線緩慢北推觸發(fā)對流，分別在500 hPa 35°N和38°N形成上升運動中心，其中北側(cè)垂直運動較強，中心值為-1.2 Pa·s-1，山西中部降水加強。11日08:00，地面冷鋒觸發(fā)對流，山西南部垂直運動增強，中心值為-1 Pa·s-1，山西南部降水增強；東路冷空氣高度達700 hPa左右，暖濕氣流沿低層冷墊強烈爬升；低層輻合高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)逐漸傾斜，在鋒區(qū)之上形成大范圍傾斜上升運動，有利于上升運動維持。

圖5 2019年9月10日20:00(a)、11日02:00(b)和08:00(c)θse(等值線，單位：K)、垂直速度(陰影，單位：Pa·s-1)和風(fēng)場(箭矢，單位：m·s-1)沿112°E的經(jīng)向垂直剖面(黑色陰影為地形高度)Fig.5 The meridional sections of θse (the isolines, Unit: K), vertical velocity (the shadow, Unit: Pa·s-1) and wind field (the arrow vectors, Unit: m·s-1) along 112°E at 20:00 BST 10 September (a), 02:00 BST (b) and 08:00 BST (c) 11 September 2019(the black shadows for terrain height)

綜上所述，9月9—11日588 dagpm線持續(xù)西伸北抬，且長時間穩(wěn)定維持，與中緯度多個東移高空槽攜帶的冷空氣不斷交綏，有利于持續(xù)陰雨天氣的發(fā)生發(fā)展。副高偏西偏北、高空槽、700 hPa西南急流和暖式切變線、850 hPa偏東氣流、地面冷高壓和冷鋒為山西中南部區(qū)域性暴雨的發(fā)生提供充足的水汽和有利的動力條件。冷鋒附近的中尺度雨帶與暖輸送帶的上升部分相聯(lián)系，鋒區(qū)上等θse面發(fā)生皺褶，這種超斜壓結(jié)構(gòu)使位勢不穩(wěn)定增強，對流發(fā)生在700 hPa和500 hPa之間，與雨帶相對應(yīng)的位置存在兩個上升運動中心，形成“U”型結(jié)構(gòu)。在傾斜上升的西南暖濕氣流中，700 hPa暖式切變線和地面冷鋒觸發(fā)對流，對流相繼沿500 hPa引導(dǎo)氣流移動形成“U”型中尺度雨帶，回波持續(xù)通過暴雨區(qū)產(chǎn)生“列車效應(yīng)”。鋒區(qū)上混合性降水的回波強度明顯弱于對流性降水的回波強度，但降水范圍較大、空間分布均勻、持續(xù)時間長，回波持續(xù)通過暴雨區(qū)導(dǎo)致累積降水量增大，造成此次山西中南部區(qū)域性暴雨。

4 極端性成因分析

4.1 物理量異常特征

選取1980—2018年發(fā)生在山西中南部地區(qū)的13次區(qū)域性暴雨過程作為統(tǒng)計對象，其中2005年9月20日山西中南部區(qū)域性暴雨過程(簡稱“20050920過程”)暴雨站數(shù)位居歷史第二位、大雨以上量級降水站數(shù)位居歷史第一位。計算山西中南部區(qū)域平均的不同物理量日極值及其標準化距平，分析此次區(qū)域性暴雨過程不同物理量的異常特征。僅列出20190911過程標準化距平值較大的物理量，即水汽條件相關(guān)的物理量(整層可降水量PWV、比濕q、水汽通量散度IFVQ)、熱力條件相關(guān)的物理量(假相當(dāng)位溫θse、溫度平流Tadv)及動力相關(guān)的物理量(散度Div)。

圖6為20190911過程、20050920過程與歷史同區(qū)域內(nèi)區(qū)域性暴雨過程不同物理量|N|值的箱線圖，表1列出20190911過程與歷史同區(qū)域內(nèi)區(qū)域暴雨過程的不同物理量值。結(jié)合圖6和表1可以看出，20190911過程不同物理量的標準化距平值大，除700 hPa假相當(dāng)位溫(θse7)之外其余物理量的|N|值均達到2.5以上；20190911過程700 hPa和500 hPa的水汽、熱力、動力條件均優(yōu)于1980年以來山西中南部區(qū)域性暴雨過程的平均態(tài)，各物理量的|N|值達到各自|N|平均值的1.37～2.07倍；20190911過程的物理量異常存在極端性，除500 hPa水汽通量散度(IFVQ5)外，其余物理量的|N|值均超過各自的上四分位值，接近所有樣本的最大值；20190911過程物理量的|N|值均高于20050920過程或與之相當(dāng)，尤其是700 hPa比濕(q7)和500 hPa水汽通量散度的|N|值較20050920過程更加異常。另外，在歷史同區(qū)域的區(qū)域性暴雨個例中，此次過程的整層可降水量(PWV)位居第3位，700 hPa和500 hPa比濕(q7、q5)分別位居第3、第2位，且數(shù)值分別為歷史均值的1.22、1.34倍，700 hPa和500 hPa水汽通量散度(IFVQ7、IFVQ5)分別位居第1、第4位，且數(shù)值分別為歷史均值的2.08、2.10倍，說明水汽條件極端異常；700 hPa和500 hPa假相當(dāng)位溫(θse7、θse5)分別位居第3、第2位，700 hPa和500 hPa溫度平流(Tadv7、Tadv5)均位居第2位，說明中低層熱量和能量條件的異常度也有一定的極端性；700 hPa散度(Div7)位居第3位，垂直速度位居第5位(表略)，說明動力條件的異常度較強，但極端性不明顯。

圖6 20190911過程、20050920過程與歷史同區(qū)域內(nèi)區(qū)域性暴雨過程不同物理量標準化距平絕對值(|N|)的箱線圖Fig.6 Box plots of absolute value of normalized anomaly (|N|) of different physical quantities during 20190911 process, 20050920 process and the historical regional rainstorm processes in the same region

表1 20190911過程與歷史同區(qū)域內(nèi)區(qū)域暴雨過程的不同物理量值的比較Tab.1 Comparison of the different physical quantities during 20190911 process and the historical regional rainstorm processes in the same region

4.2 500 hPa位勢高度場異常

極端降水事件的發(fā)生受大氣環(huán)流異?？刂?，此次山西區(qū)域性極端暴雨過程發(fā)生在連陰雨過程期間。圖7為2019年9月9日20:00至12日20:00 500 hPa高空槽和588 dagpm線及10日20:00至11日20:00 500 hPa平均位勢高度標準化距平場?？梢钥闯?，500 hPa亞洲地區(qū)中緯度為“東高西低”的異常形勢。暴雨過程前，9日20:00至10日20:00，貝加爾湖阻塞高壓崩潰，切斷低壓填塞并分裂多股冷空氣東移，內(nèi)蒙古中東部的高空槽、蒙古西部的高空槽和新疆西部的高空槽相繼影響或?qū)⒂绊懮轿?，同時588 dagpm線迅速從海上西伸至西南地區(qū)。

圖7 2019年9月9日20:00至12日20:00 500 hPa高空槽(彩色實線)和588 dagpm線(彩色虛線)及10日20:00至11日20:00 500 hPa平均位勢高度標準化距平場(陰影)Fig.7 The upper trough (the color lines) and 588 dagpm line (the color dashed lines) on 500 hPa from 20:00 BST 9 to 20:00 BST 12 September, normalized anomaly field of average geopotential height on 500 hPa from 20:00 BST 10 to 20:00 BST 11 September 2019 (the shadow)

暴雨過程期間，10日20:00至11日20:00，蒙古東部、內(nèi)蒙古以及華北地區(qū)500 hPa平均位勢高度的N值超過1.5，形成阻擋形勢，迫使高空槽移動緩慢，冷暖空氣持續(xù)交匯；588 dagpm線呈塊狀控制黃淮及其以南地區(qū)，我國西南地區(qū)東部及其以東地區(qū)500 hPa平均位勢高度的N值超過2。綜上，東亞中高緯度為“東高西低”形勢，副高位置異常偏西偏北、強度異常偏強，副高外圍水汽和能量輸送異常偏西、偏北，受下游阻擋形勢影響，副高外圍暖濕氣流與高緯度地區(qū)東移南下冷空氣持續(xù)交匯形成持續(xù)性降水。

4.3 低層風(fēng)場異常

圖8為2019年11日08:00 700 hPa和850 hPa風(fēng)場及θse的標準化距平場?？梢钥闯?，此次暴雨過程期間，水汽和能量由副高外圍西南急流輸送至暴雨區(qū)，700 hPa西南急流異常強烈發(fā)展，南風(fēng)的N值達2以上，表現(xiàn)為700～500 hPa存在異常強的暖濕輸送，山西中南部θse的N值均達2～2.5[圖8(a)]；在700 hPa暖式切變線的持續(xù)作用下，暴雨區(qū)存在異常強的輻合，散度中心(-12×10-5s-1)的|N|值超過2.5(圖略)，為極端降水事件的發(fā)生發(fā)展提供異常強的動力條件。850 hPa受異常強的偏東氣流影響，緯向風(fēng)的N值小于-2[圖8(b)]，一方面，暴雨區(qū)850 hPa冷平流中心(-22×10-5℃·s-1)和700 hPa暖平流中心(22×10-5℃·s-1)的|N|值均達到3，異常強的冷暖平流加強垂直方向的鋒生，同時，2 m溫度距平場華北地區(qū)中南部為異常冷中心[圖4(b)]，較氣候平均態(tài)偏低2 ℃以上，在低層形成異常的冷墊，西南低、東北高的楔形冷墊和鋒區(qū)為暖濕氣流爬升提供持久的動力條件；另一方面，在暴雨過程后期偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)并加強，暴雨區(qū)低層的水汽補充和偏東風(fēng)與偏西風(fēng)形成的輻合抬升隨之增強，有利于降水的持續(xù)。

綜上所述，此次過程發(fā)生在副高位置異常偏西、偏北，且強度異常偏強的大尺度環(huán)流背景下，700～500 hPa異常強的暖濕輸送為極端降水事件的發(fā)生提供充足的水汽和能量，穩(wěn)定的700 hPa暖式切變線與異常的低層冷墊在暴雨過程中提供持續(xù)的動力條件，形成有利的暴雨天氣形勢，異常的環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)導(dǎo)致山西中南部區(qū)域性極端暴雨的產(chǎn)生。

4.4 異常強的水汽輸送和輻合

圖9為2019年9月11日02:00 500、700、850 hPa水汽通量、水汽通量散度和水汽通量散度標準化距平場?？梢钥闯觯殡S副高西伸北抬，副高西北側(cè)西南氣流加強，11日02:00，500 hPa從西南地區(qū)西部到黃河河套地區(qū)的水汽通道建立，水汽通量大值區(qū)向東北方向伸展至山西北部，山西西部和南部的水汽通量為7～9 g·hPa-1·cm-1·s-1，N值達3～6，水汽通量散度為-1×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，N值為-2[圖9(a)]。11日02:00，700 hPa西南急流增強，山西西部和南部水汽通量達到14～18 g·hPa-1·cm-1·s-1，N值達4～5；山西中部偏西地區(qū)水汽通量散度中心值為-4×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，南部水汽通量散度小于-2×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，N值均小于-3[圖9(b)]；11日08:00，山西中部偏西地區(qū)水汽通量散度中心值增強到-7×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，N值達-7(圖略)。10日08:00，850 hPa受異常偏東急流影響，水汽輸送帶位于渤海和黃海經(jīng)河北中部到山西東部，山西東部水汽通量為4～8 g·hPa-1·cm-1·s-1，N值為1～3(圖略)；11日02:00，伴隨地面冷高壓南下，850 hPa偏東風(fēng)中南風(fēng)分量增大，水汽輸送增強，山西西部和南部水汽通量增強到10～14 g·hPa-1·cm-1·s-1，N值達3～5，山西中南部除山區(qū)外始終為水汽通量輻合區(qū)，水汽通量散度增大到-6×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1，N值達-4[圖9(c)]。三股來自不同方向的氣流給山西中南部帶來充沛的水汽，在500 hPa異常強的西南水汽輸送、700 hPa異常強的偏南水汽輸送和輻合以及850 hPa異常強的偏東水汽輸送和輻合的共同作用下，9—11日山西中南部地區(qū)整層大氣可降水量增大且異常偏高，11日08:00山西中南部整層大氣可降水量達到35～50 mm以上，較10日增幅10%～20%，N值達2以上(圖略)。

圖9 2019年9月11日02:00 500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)水汽通量(矢量箭頭，僅顯示大于4 g·hPa-1·cm-1·s-1)、水汽通量散度(紅色等值線，僅顯示負值，單位：10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1)和水汽通量散度標準化距平場(陰影)Fig.9 The moisture flux (the arrow vectors, only plotting the value greater than 4 g·hPa-1·cm-1·s-1), divergence of moisture flux (the red isolines, only plotting negative values, Unit: 10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1) and normalized anomaly field of divergence of moisture flux (the shadow) on 500 hPa (a),700 hPa (b) and 850 hPa (c) at 02:00 BST 11 September 2019

為進一步分析對降水貢獻最大的水汽輸送方向和層次，將山西中南部水汽收支區(qū)域分為東(35°N—39°N，114°E)、西(35°N—39°N，110°E)、南(35°N，110°E—114°E)、北(39°N，110°E—114°E)4個邊界(圖1)，取地面至700 hPa、700～500 hPa、500～300 hPa和地面至300 hPa分別作為對流層低層、中低層、高層和整層，不同邊界、不同層次的水汽輸送通量為單位邊長上的水汽通量垂直厚度積分，通過邊界向暴雨區(qū)有水汽凈輸入時，水汽輸送通量為正值，水汽輸送通量為負值時表示有水汽凈輸出，東、西、南、北4個邊界水汽輸送通量之和為總邊界水汽輸送通量。圖10為2019年9月10日08:00至11日20:00逐6 h對流層高層、中低層、低層和整層山西中南部邊界水汽輸送通量演變?？梢钥闯觯瑢α鲗痈邔右晕?、南邊界水汽輸入和東、北邊界水汽輸出為主，11日隨偏西氣流加強，西邊界水汽輸入和東邊界水汽輸出相繼加強，總邊界水汽收支始終為“正、負”波動狀態(tài)[圖10(a)]。暴雨過程期間除個別時次外中低層南邊界和西邊界均為水汽凈輸入，在11日02:00—08:00達到最強，隨著偏東氣流加強，東邊界由水汽輸出轉(zhuǎn)為水汽輸入，11日08:00總邊界水汽凈輸入達到最強，水汽輸送通量為607 g·cm-1·s-1[圖10(b)]。對流層低層?xùn)|邊界和南邊界始終為水汽凈輸入，暴雨過程前東邊界水汽輸入較強，暴雨過程期間南邊界水汽輸入加強，而北邊界和西邊界均為水汽凈輸出，尤其是西邊界在暴雨過程期間存在持續(xù)且較強的水汽輸出，導(dǎo)致總邊界也為持續(xù)的水汽輸出[圖10(c)]。10日20:00至11日14:00，對流層高層、中低層、低層總邊界水汽輸送通量分別為-30.9、279、-90.2 g·cm-1·s-1，分別占整層水汽凈輸入的10.6%、66.9%、22.5%；西、東、南邊界整層水汽輸送通量分別為182.5、-62.7、274.7 g·cm-1·s-1，分別占總邊界水汽凈輸入的52.1%、10.8%、37.1%。由整層水汽收支情況[圖10(d)]可以看到，隨著西邊界由水汽輸出轉(zhuǎn)為水汽輸入和南邊界水汽輸入加強，總邊界由水汽輸出轉(zhuǎn)為水汽輸入?？梢姡?00～700 hPa西南氣流異常提供了強水汽輸送，且11日02:00—08:00為水汽輸入最強時段，對流層中低層西邊界和南邊界的水汽凈輸入總和分別占整個暴雨過程期間對流層中低層、整層總邊界水汽凈輸入的58.8%和39.3%，是本次極端區(qū)域暴雨過程水汽輸送的主要貢獻者。850 hPa異常偏東氣流對暴雨區(qū)水汽輸入的貢獻相對較小，有一定的低層水汽補充作用，其更大作用是起到冷墊和東部阻擋作用，有利于加強動力抬升作用和延長降水持續(xù)時間。

圖10 2019年9月10日08:00至11日20:00逐6 h山西中南部邊界對流層高層(a)、中低層(b)、低層(c)和整層(d)水汽輸送通量Fig.10 The 6-hour water vapor transport flux of the south-central border of Shanxi Province in the upper (a), middle (b), lower (c) and the whole (d) troposphere from 08:00 BST 10 to 20:00 BST 11 September 2019

5 結(jié) 論

(1)2019年10—11日山西中南部出現(xiàn)區(qū)域性極端暴雨過程，具有影響范圍大、連續(xù)降水持續(xù)時間長、降水強度不強、暴雨范圍大的特點，暴雨站數(shù)位居9月歷史第1位，大雨以上量級降水站數(shù)位居第2位，46站發(fā)生極端日降水事件，其中11站突破9月歷史極值。

(2)588 dagpm線西伸至110°E以西配合高空槽東移形成有利的暴雨天氣形勢，副高和高空槽、700 hPa西南急流和暖式切變線、850 hPa偏東氣流、地面冷高壓和冷鋒是造成此次降水天氣過程的天氣尺度系統(tǒng)，為區(qū)域性暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽和持久的動力條件。在傾斜上升的西南暖濕氣流中存在位勢不穩(wěn)定層，700 hPa暖式切變線和地面冷鋒觸發(fā)對流形成“U”型中尺度雨帶，回波持續(xù)通過暴雨區(qū)產(chǎn)生“列車效應(yīng)”。

(3)此次暴雨過程以700～500 hPa暖濕輸送異常為主，水汽和熱力條件相關(guān)的物理量|N|值超過2.5，為平均態(tài)的1.38～2.07倍，超過歷史相關(guān)統(tǒng)計值的上四分位值，接近最大值，且大多物理量值位居樣本前三位，水汽和熱力條件均表現(xiàn)出極端性。

(4)受副高位置異常偏西、偏北且強度異常偏強的影響，暖濕輸送位置隨之偏西偏北且提供異常充足的水汽和能量，700～500 hPa西邊界和南邊界水汽凈輸入對極端降水的發(fā)生起到至關(guān)重要作用。穩(wěn)定的700 hPa暖式切變線與異常的低層冷墊提供持續(xù)的動力條件，850 hPa異常偏東氣流起到加強低層冷墊的作用及低層水汽補充作用，異常充沛的水汽和水汽輻合在暴雨區(qū)長時間維持是此次過程中弱對流和穩(wěn)定性降水形成區(qū)域性極端暴雨的主要原因。