相似環流背景下降水量級差異甚大的2次過程對比分析

李冬梅++苗愛梅++劉婉莉++趙華++周濤

摘 要：在研究夏季暴雨空報、漏報的情況時，利用常規氣象觀測資料，FY-2D氣象衛星、雷達、自動氣象站加密和NECP再分析等資料對比、分析了相似環流背景下2012-07降水量級差異過大的2次過程。結果表明，在大尺度相似環流背景下，上下游的系統配置和中尺度系統的生成情況是導致2次降水量級差異過大的主要原因。2012-07-06，在短波槽東移的過程中，冷空氣減弱，降水的動力、水汽和不穩定條件變差，使得山西中南部出現了小陣雨天氣。2012-07-08，冷空氣東移加強，高度場和風場呈現非地轉特征，生成了中尺度切變線、中尺度急流和中尺度渦旋，嚴重影響了降水的水汽輸送，加強了水汽輻合，使山西中南部對流發展，出現了區域性暴雨天氣。因此，在相似環流背景下，通過分析上下游系統動態演變、物理量場高低空的配置情況，訂正數值天氣預報產品，以避免暴雨空報、漏報的發生。

關鍵詞：相似環流；影響系統；降水量級；暴雨天氣

中圖分類號：P426.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.029

暴雨天氣是在一定環流形勢下，由天氣尺度系統中的中尺度系統引起的。林健等人分析了不同性質的暴雨特征，顧清源等人研究了低空急流和冷空氣在副高西北側暴雨中的觸發作用和中尺度特征，孫繼松等人研究了“7.21”北京大暴雨系統的結構演變特征及其成因，苗愛梅分析了影響山西暴雨天氣的中尺度對流系統，趙桂香分析了影響山西暴雨的地形特征，張紅雨研究了山西暴雨的氣候特征。大量研究成果為暴雨預報提供了非常有價值的參考依據，但是，在這些研究中，對相似環流背景條件下暴雨空報、漏報的研究很少。2012-07-06T20：00—2012-07-09T08：00，500 hPa呈東高西低型，為山西主要暴雨形勢之一，700 hPa山西中南部一直有低槽、切變線存在。2012-07-06T20：00—2012-07-07T20：00，500 hPa短波槽東移使山西中南部出現了陣雨天氣。2012-07-08T08：00—2012-07-09T08：00，500 hPa短波槽東移導致山西中南部出現了區域性的暴雨天氣。在相似環流背景條件下，降水量級為何差異甚大？什么情況下可起報暴雨？落區又在哪里？筆者試圖應用常規和非常規監測資料對比、分析了2次過程的觸發條件、中尺度系統，明確其原因，從而為減少暴雨的空報、漏報積累經驗。

1 2次降水過程的降水特征比較

2012-07-06T20：00—2012-07-07T20：00（文中簡稱“706”），受短波槽東移的影響，山西中南部的運城、臨汾、長治、晉城出現了陣性降水天氣過程，主要降水時段出現在2012-07-07T5：00—10：00，降水量介于0.1～17.5 mm，最大降水量為8.2 mm/h（晉城市2012-07-07T10：00）。

2012-07-08T08：00—2012-07-09T08：00（文中簡稱“708”），受短波槽東移的影響，山西中南部地區出現了區域性暴雨天氣。其中，10個國家級氣象站、127個區域自動站雨量達到了50 mm以上，5個區域自動站雨量達到100 mm以上。如圖1所示，通過分析暴雨中心逐小時降雨量可知，山西中南部降水主要分為2個階段：第1個階段發生在2012-07-08T10：00—17：00，晉中靈石、臨汾大寧最大雨強接近15 mm/h；第2個階段發生在2012-07-08T20：00—23：00，運城河津最大雨強≥25 mm/h，垣曲長直鄉最大雨強≥40 mm/h。暴雨落區主要分布在山西中南

部的臨汾、晉中、長治、運城和晉城，水平尺度為200 km，3～8 h內降水量為50 mm，具有明顯的β中尺度特征。

圖1 2012-07-08T08：00—2012-07-09T08：00暴雨中心逐小時雨量

2 資料選取

選取常規地面和高空觀測資料、全省自動站觀測資料、FY-2D衛星資料、三門峽多普勒雷達資料、NECP 1°×1°再分析資料作必要的研究。文中所用資料的時間均為北京時間。

3 環流背景特征

2012-07-06T20：00—2012-07-09T08：00，500 hPa歐亞范圍為東高西低型，副熱帶高壓與西風帶高壓脊同位相疊加在山西東部形成高壓壩，脊線位于東北-華北-長江下游，西西伯利亞-貝加爾湖為寬廣低壓區，低壓底部河西走廊一帶不斷分裂冷空氣東移。該形勢從建立到崩潰維持了4 d。在這段時間，500 hPa有2個短波槽東移，影響山西的時間分別出現在2012-07-06T20：00—2012-07-07T20：00和2012-07-08T08：00—2012-07-09T08：00.

3.1 西風帶環流背景和影響系統

3.1.1 706過程

如圖2a所示，2012-07-06T20：00，500 hPa西風帶高壓脊東移，與副熱帶高壓同位相疊加在山西東部形成高壓壩，脊線呈南北向位于114°E。2012-07-05T08：00，西側的貝湖低壓位于烏拉爾山阻高東側，為冷渦，中心值為564 dagpm，有-12 ℃的冷中心配合。2012-07-06T20：00，低壓中心分裂為2個低值中心，分別位于（86°E，48°N）和（102°E，52°N），兩低之間蒙古中部為相對高值區，底部短波槽分為南北兩支，南支位于107°E，北支位于105°E。在此時，500 hPa南支槽超前于700 hPa低槽，有動力抬升條件。如圖2b所示，2012-07-07T08：00，500 hPa位于山西東部的高壓脊線東移至117°E，西側的貝湖低壓中心旋轉，西部的低值中心減弱、消失，東部的低值中心北移至（106°E，54°N），使得短波槽的北支向北收縮，南支南壓減弱，從而減弱了影響降水的動力條件，減少了降水量。

3.1.2 708過程

如圖2c所示，2012-07-08T08：00，500 hPa山西東部的高壓壩位于東北地區的高壓脊，其向北發展，并且移動速度快，位于華北地區的高壓脊580 dagpm變寬，高壓壩脊線東移至126°E，貝湖低壓減弱與西伯利亞低壓打通，槽底為平直西風環流，河西走廊（103°E）有短波槽生成，同時，700 hPa延安—西安間有東西長為200 km的中尺度暖切生成。如圖2d所示，2012-07-08T20：00，500 hPa山西東部的高壓壩北段東移至130°E，貝湖低壓后側的西伯利亞低壓東移南壓，在華北高壓脊580 dagpm內陜西北部—山西北部生成東北-西南向的短波槽，高度場和風場呈現非地轉特性，中低層山西南部有冷切變生成，700 hPa切變線北側延安站由08：00的2 m/s的東南風轉為10 m/s的偏北風，中層有冷濕空氣侵入，并且500～850 hPa有6 m/s的垂直風切變，導致動力不穩定條件加強，生成中尺度系統，進而產生暴雨。

3.2 副熱帶高壓和水汽輸送

3.2.1 706過程

如圖2a所示，2012-07-06T20：00，副高588 dagpm北界位于28°N，700 hPa四川東部—陜西南部有≥12 m/s的西南急流，并且急流前側在山西南部有2～4 m/s的風速輻合，水汽輸送和輻合滿足暴雨條件。如圖2b所示，2012-07-07T08：00，隨著短波槽東移南壓，副熱帶高壓略有南退，588 dagpm北界位于26°N，700 hPa西南急流減弱，安康由12 m/s的SW急流減小為6 m/s，水汽輸送減弱。

3.2.2 708過程

如圖2c所示，2012-07-08T08：00，副高588 dagpm北界位于27°N，700 hPa 四川東部—陜西中部有10～12 m/s的西南急流。其中，漢中、安康有16 m/s的強風速核。壽紹文等人將鑲嵌在大尺度急流上的強風速段通稱為“中尺度急流”，它的存在加強了風速脈動和水汽輸送。如圖2d所示，2012-07-08T20：00，副高加強，588 dagpm北界位于29°N，700 hPa西南急流加強并北推至山西南部，西安站風速增大為14 m/s，同時，850 hPa低空急流左前側200 km處有氣旋式渦旋，中低層水汽輸送和輻合加強。

—槽線； —切變線； —急流

圖2 500 hPa高度場與高低空系統配置

4 物理量特征分析

沿706過程的降水中心（晉城112.8°E，35.5°N）、708過程的暴雨中心（河津110.7°E，35.6°N））作時間空間剖面圖，如圖3所示，以揭示相似環流背景條件下2次降水過程的物理量空間分布特征，尋找預報著眼點。

4.1 對流不穩定條件

假想位溫θse能反映大氣溫濕狀況的能量分布情況，其值越大，大氣中積聚的能量越大。△θse差值表示大氣對流穩定度，當△θse<0時，氣層為不穩定層結，該值越小，氣層的不穩定性越高。

4.1.1 706過程

如圖3a所示，2012-07-06T20：00，低層θse值開始增大至68 ℃，在850 hPa有74 ℃的高溫高濕中心，中空400～600 hPa有冷空氣侵入，△θse（500～850 hPa）=-10 ℃，滿足對流不穩定條件。2012-07-07T08：00，冷侵入減弱，△θse（500～850 hPa）>0，大氣層結趨于穩定，對流減弱。

4.1.2 708過程

如圖3b所示，2012-07-07T08：00—2012-07-08T08：00，中低層大氣不斷增溫增濕，在500～1 000 hPa，θse>78 ℃。2012-07-08T08：00，△θse（500～850 hPa）=-6 ℃，滿足對流不穩定條件。從午后到前半夜，中層有濕冷空氣侵入，低層受下墊面加熱的影響，θse不斷增加，20：00，△θse（700～850 hPa）≤-12℃，對流不穩定發展。

4.2 水汽輻合條件

水汽通量散度反映水汽聚積程度，負的絕對值越大，輻合越強，強降水中心常與水汽輻合大值區重合。

4.2.1 706過程

如圖3c所示，2012-07-06T20：00，低層為水汽輻散區，800 hPa水汽通量散度>40×10-8 g/（cm2·hPa·s），水汽輻合主要在500～700 hPa之間，最大輻合值為-10×10-8 g/（cm2·hPa·s）。2012-07-07T08：00，整層水汽無輻合中心，不利于強降水產生。

4.2.2 708過程

超低層水汽輻合強，并且持續時間長。如圖3d所示，2012-07-08T08：00，925 hPa有≤-10×10-8 g/（cm2·hPa·s）的水汽輻合，隨著動力條件的增加，輻合中心不斷向中上層擴展，20：00，500 hPa以下均為水汽輻合區，中心最大強度仍在925 hPa，達到了-50×10-8 g/（cm2·hPa·s）。

4.3 動力條件

垂直上升運動將水平輸送來的水汽向上輸送，負的絕對值越大，上升運動越強，降水量越大。

4.3.1 706過程

如圖3e所示，2012-07-06T20：00，700～800 hPa為下沉氣流，中心強度>20×10-2 hPa/s。2012-07-07T02：00—08：00，300～900 hPa有-20×10-2 hPa/s上升氣流，最大上升中心強度達-30×10-2 hPa/s，位于500 hPa高度，隨后上升氣流減弱，動力條件維持時間短、強度弱。

4.3.2 708過程

如圖3f所示，2012-07-08T08：00，400～800 hPa有<-30×10-2 hPa/s的上升氣流；20：00，上升氣流不斷加強，200～900 hPa整層有<-20×10-2 hPa/s的上升氣流，在800 hPa、400 hPa、200 hPa有3個大的上升中心，最大上升中心強度達-60×10-2 hPa/s，位于800 hPa。垂直上升運動伸展高度高、強度強，有利于強降水的產生。

a.假相當位溫（單位：℃） b.假相當位溫（單位：℃）

c.水汽通量散度[單位：10-8 g/（cm2·Pa·s）] d.水汽通量散度[單位：10-8 g/（cm2·hPa·s）]

e.垂直速度（單位：10-2 hPa/s） f.垂直速度（單位：10-2 hPa/s）

圖3 706過程沿（112.8°E，35.5°N）時間空間剖面（a，c，e），

708過程沿（110.7°E，35.6°N）時間空間剖面（b，d，f）

5 中尺度分析

1 h極大風速風場減弱了地形對風場的影響，它能比較客觀地反映地面的輻合與輻散中尺度特征。分析山西境內逐小時地面自動氣象站極大風速時可以發現，地面輻合線與強降水落區有很好的對應關系。

5.1 706過程

圖4 2012-07-06—08地面逐小時極大風場

如圖4a所示，2012-07-06T20：00—2012-07-07T20：00，在地面極大風速場上，2012-07-07T04：00，運城境內有SE風

與NE風輻合線，比降水開始提前1 h，生成后持續2 h減弱，其他時間均無輻合線生成。

5.2 708過程

2012-07-08T08：00—2012-07-09T08：00，山西境內生成了4條輻合線。如圖4b所示，2012-07-08T05：00，在臨汾大寧附近有NW風與SE風輻合線生成，比降水開始時間提前了3 h，并在11：00減弱消失。如圖4c所示，2012-07-08T10：00，在晉中靈石附近有“人”字形輻合線生成。如圖4d所示，2012-07-08T16：00，“人”字形輻合線東移至長治西北部，并在此持續至18：00，地面輻合線在晉中東部、長治西北部的維持時間長達8 h。如圖4e所示，2012-07-08T19：00，在運城垣曲—晉城—長治南部有“人”字形輻合線生成，比降水開始時間提前2 h。如圖4f所示，2012-07-08T20：00，鄉寧—河津有NE風與SW風輻合線生成，比降水開始時間提前1 h，并且運城垣曲—晉城—長治南部“人”字形輻合線繼續維持。在“人”字形輻合線交點處，山西中南部出現了暴雨天氣。

6 衛星云圖特征

6.1 706過程

如圖5a所示，2012-07-07T05：15，受低槽云系A的影響，中心最強TBB為-30 ℃。如圖5b所示，2012-07-07T12：15，低槽云系A東移減弱，四川低渦云系B東移至陜西與山西交界處。但是，因為動力觸發條件、水汽條件減弱，所以，它未繼續北上影響山西。

6.2 708過程

如圖5c所示，2012-07-08T09：45，500 hPa高空槽云系A

東移，在700 hPa中尺度切變線附近，延安—西安間有對流云團C生成，南側有14 g/（s·hPa·cm）的水汽通量大值區為對流云團C的發展提供水汽條件。如圖5d所示，2012-07-08T11：15，對流云團C東移，并在地面輻合線處加強，臨汾大寧10：00—12：00降水30.6 mm。如圖5e所示，2012-07-08T15：45，高空槽云系A東移，與對流云團C合并加強，其上有多個對流云團發展，云頂TBB為-48 ℃，具有β中尺度特征，而位于地面“人”字形輻合線節點處的晉中靈石在16：00—18：00降水37.5 mm。從雨強和持續時間入手分析，此階段暴雨天氣受一般暴雨云團的影響。如圖5f所示，2012-07-08T20：15，高空槽云系減弱，但是，在中層冷侵入和垂直風切變的動力作用下，在850 hPa切變線附近有新的對流云團E在山西西南部生成。如圖5g所示，2012-07-08T21：15，地面輻合線南側的運城河津在21：00—23：00降水52 mm，同時，在低空急流左側850 hPa中尺度渦旋區有低渦云團F在河南境內發展，云頂TBB為-52 ℃。如圖5h所示，2012-07-08T23：15，對流云團E與F合并為有β中尺度特征的對流系統，使垣曲長直鄉和晉城等5個區域自動站出現了100 mm以上的大暴雨天氣。此階段的暴雨天氣為中尺度對流系統，它的出現使得暴雨強度增強，持續時間變短。四川低渦云系B未直接影響山西暴雨，但是，它為云團F的發展提供了水汽和動力條件。

7 雷達回波特征

7.1 706過程

雷達回波為絮狀回波，中心最大強度為35 dbz，回波頂高3.6 km。

7.2 708過程

圖6 2012-07-08三門峽多普勒雷達CR圖

第一階段強降水雷達回波為絮狀回波，中心最大強度40 dbz，回波頂高4 km。如圖6所示，第二階段強降水雷達回波表現為2個回波帶，它們分別為位于河津附近的絮狀回波和位于垣曲附近的對流云回波。圖6中2012-07-08T20：12位于河津附近的絮狀回波帶與衛星云圖2012-07-08T20：15的E對流云團相對應，結構松散，但是，中間有多個γ尺度的強回波中心，γ1、γ2 分別位于河津、臨猗，中心最大強度45 dbz，回波頂高3.6 km。另外，位于垣曲附近的對流云回波帶上有結構密實的對流單體γ3生成，強度達到50 dbz，回波頂高5.8 km，垣曲長直鄉20：00降水40 mm。22：06，位于河津的γ1加強，位于臨猗的γ2減弱，位于垣曲的γ3回波后側有多個對流回波生成。由于垣曲地形呈喇叭型，三面由中條山包圍，因此，對流云團γ3穩定少動并不斷增強。23：00，位于河津的絮狀回波帶東移，γ1回波減弱，γ2消散，但是，位于垣曲的γ3回波加強為帶狀，并沿著地面中尺度切變線東移影響晉城。該回波與衛星云圖23：15的渦旋云團F相對應。

分析雷達回波可知，山西南部河津暴雨、垣曲大暴雨是由2個不同的回波帶造成的，河津暴雨天氣與850 hPa的冷式切變相配合，垣曲、晉城的大暴雨天氣與850 hPa的低渦云團配合。

8 總結

在大氣環流背景相似的情況下，2次過程上下游結構配置略有差異，706過程發生在東部阻高建立前期，上游冷渦分裂為2個低值中心并發生旋轉，冷空氣和動力觸發條件在演變過程中減弱；708過程發生在東部阻高崩潰時，上游低壓后部冷空氣補充南下，系統東移過程中動力觸發條件加強。

在大氣環流背景相似的情況下，2次過程的物理量場差異比較大，706過程出現在前期熱力不穩定的情況下，但是，△θse由大變小趨于穩定，水汽通量散度低層為水汽輻散區，動力條件僅在500 hPa高度有-30×10-2 hPa/s上升中心，維持時間短、強度弱；708過程在熱力不穩定的條件下逐漸加強，△θse增大至-12 ℃，中層（500 hPa）以下水汽通量散度均為輻合區，并且超低層水汽輻合強、持續時間長，最大輻合值為-50×10-8 g/（cm2·hPa·s），垂直上升運動伸展高度高、強度強，在800 hPa、400 hPa、200 hPa有3個大的上升中心，最大上升中心強度達-60×10-2 hPa/s。通過物理量診斷分析可以減少暴雨空報、漏報的發生。

在大氣環流背景相似的情況下，2次過程中尺度觸發系統、水汽輸送條件差異比較大。由于大氣的非地轉特征，2012-07-08T08：00，708過程700 hPa有中尺度急流、中尺度切變線生成，在中尺度切變線附近產生暴雨云團，2012-07-08T20：00，700 hPa中層有冷空氣侵入，850 hPa低空急流左前方有中尺度渦旋生成，在高空垂直風切變和地形動力的作用下產生了中尺度對流系統。

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作者簡介：李冬梅（1964—），女，山西萬榮人，高級工程師，1983年畢業于北京氣象專科學校大氣科學類其他專業。

〔編輯：白潔〕