“07.30”山西區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、常規氣象觀測資料、山西區域雨量站和GPS大氣可降水量資料，對2012-07-30—31的暴雨天氣過程中的水汽輸送和收支特征進行了分析，結果表明，熱帶輻合帶北側的偏東氣流與副熱帶高壓西側的偏南氣流是本次暴雨的水汽來源；暴雨中心出現在低層水汽通量大值中心和下風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）的區域（干、濕空氣的交匯區）。暴雨區水汽主要來自對流層中低層的水汽輻合，低層東西向的水汽輻合是其主要貢獻者，南邊界水汽輸入的突然增大或減小對暴雨的發生、發展和消亡具有一定的指示意義；對流層中低層水汽輸送分別對應山西北部和南部暴雨區，同時水汽輸送極大值出現時間較強降水出現時間有1～3 h的提前。

關鍵詞：暴雨；水汽輸送；水汽收支；GPS大氣可降水量

中圖分類號：P458.1+21.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）02-0140-03

水汽是影響短期降水預報的一個關鍵因素，同時也是暴雨產生的必要條件。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，山西多數暴雨都伴有低空急流。低空急流是中低緯系統相互作用的紐帶，它為暴雨的產生提供充足的水汽和能量。

2012-07-30—31，山西自北向南出現大范圍降水過程。這次降水過程雨勢強大，影響范圍廣，暴雨中心12 h降水量超過250 mm，然而在暴雨發生前或暴雨發生時，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、常規氣象觀測資料、山西區域雨量站和GPS大氣可降水量資料，對本次暴雨過程的水汽輸送和收支特征進行分析，旨在認識暴雨的形成原因，為此類暴雨的預報積累經驗。

1 暴雨概況

受冷暖空氣共同影響，2012-07-30的8時至31日8時，山西出現大范圍降水天氣：30日白天，大暴雨落區位于忻州東北部，中心為忻州五臺縣，12 h降水量達107.7 mm，1 h最大降水量為52.1 mm；30日夜間，暴雨區擴大并且明顯南壓至山西中南部，以強對流性降水形式出現，中心位于晉城澤州（266.4 mm，見圖1）。強降水主要出現在30日23時至31日4時，1 h最大降水量為88 mm。共有41個縣市416個鄉鎮出現暴雨，3個縣市40個鄉鎮出現了100 mm以上降水，6個鄉鎮降水量超過200 mm，暴雨落區分散全省。

2 大尺度環流背景

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

本次暴雨過程中，對流層中層貝加爾湖附近存在低壓環流，低壓底部有冷空氣隨西風槽東移；同時，受09號臺風蘇拉和10號熱帶風暴達維的共同影響，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時至20時，副高明顯西進，20時以后副高東退至125° E 以東（見表1）。圖2為2012-07-30的20時流型配置，由圖可知，500 hPa西風槽東移至河套地區中部，西太平洋副熱帶高壓西脊點伸至120°E 以西，臺風北側的東南氣流與副高西南側的東南氣流疊加，暖濕氣流加強，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。冷暖空氣的交綏、中低緯系統的相互作用導致了山西區域性暴雨的發生。

表1 2012-07-29—31中低層天氣系統位置

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

20時 08時 20時 08時

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時河套西北部和河南分別存在水汽通量大值區，低空偏東、東南風將東南部水汽向西、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，在山西東部和南部形成“凹”字形水汽通量大值區，河套地區的水汽隨西風槽東移至河套東部，水汽在陜西中南部出現明顯的輻合，輻合中心位于陜西北部和山西西南部，強度達到-9×10-4 g/s·cm2·hPa和-6×10-4 g/s·cm2·hPa（見圖3中的b）；31日2時南風加強，在山西東南部和河南地區形成中心為12 g/s·hPa·cm的高濕區，與西部高濕區趨于合并，冷暖空氣在山西中南部交匯，暴雨中心出現在水汽通量大值中心和下風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，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，且PWV水平梯度≥30 mm/° N（E）的區域與暴雨落區有很好的對應關系。endprint

（a） （b）

（c） （d）

圖3 2012-07-30的8時（a）、30日20時（b）、31日2時（c） 850 hPa風場（風羽，單位：m/s）、水汽通量（實線，單位：g/s·hPa·cm）和水汽通量散度場（陰影區，單位：10-4 g/s·cm2·hPa），（d）2012- 07-30的18時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（對流層低層）、700～500 hPa（對流層中層）、500～300 hPa（對流層高層）和整層（地面至300 hPa）計算山西區域（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 對流層高、中、低層逐6 h山西區域（110°～114°E，35°～40°N）水汽通量輸送量（單位：kg/s·cm）與暴雨中心五臺縣2012-07-30的8時至20時及晉城澤州2012-07-30的20時至31日8時逐小時降水量綜合圖（單位：mm）

圖4為29日20時至31日8時逐6 h對流層低、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流層中低層，且低層的貢獻大于中層的水汽輸送。對流層中層水汽輸入主要出現在30日2時至14時，8時輸送量達到極值，相應北部暴雨中心五臺縣自9時開始出現降水，11時1 h雨強達到最大；對流層低層自30日2時至31日8時水汽輸送均為正值，為水汽輸入，其強度演變與山西南部降水的強度演變有很好的相關性。30日20時水汽輸入量達到最大（191.2 kg/s·cm），晉城澤州自23時降水強度明顯增強，且31日0時至2時逐小時雨量強度均超過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間呈先增加后減小再增加的變化態勢，最高值分別出現在30日2時和31日2時，其中31日2時水汽輸送量高達107.2 kg/s·cm，與暴雨發生、發展和結束時間具有一定的相關性；30日14時西邊界轉為水汽輸入，與東邊界形成水汽輻合，20時輻合強度達到最強，成為山西南部暴雨區水汽來源的主要貢獻者。

表2 山西區域（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

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

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

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

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

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

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

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

注：各邊界值：正值表示水汽從區域外通過邊界流向山西區域，負值表示由區域內流向區域外；東西向輻合、南北向輻合及合計：負值表示水汽輻合，正值表示水汽輻散。

4 結束語

通過上述分析，可得到以下主要結論：①暴雨發生在冷空氣東移南下和低緯度雙臺風效應導致西太平洋副高北抬的背景下，中低緯系統的相互作用和冷暖空氣交綏為暴雨的產生提供了天氣尺度系統條件；②臺風北側的東南氣流與副高西南側的東南氣流疊加為山西暴雨提供了充足的水汽，暴雨出現在低層水汽通量大值中心與下風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）的區域；③暴雨區水汽主要來自對流層中低層的水汽輻合，低層東西向的水汽輻合是暴雨區水汽輻合的主要貢獻者，南邊界水汽輸入的突然增大、減小對暴雨的發生、發展和消亡具有一定的指示意義；④對流層中層水汽輸送對應北部暴雨區，南部暴雨區水汽主要來源于對流層低層，且中低層水汽輸送極大值的出現比強降水的出現提前了1～3 h。

參考文獻

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

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

“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計關系及流型配置[J].高原氣象，2010，29（4）：939-946.

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

“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計關系及流型配置[J].高原氣象，2010，29（4）：939-946.

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

“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