山西中尺度暴雨云團演變個例分析

賈曉霞 徐衛(wèi)麗

摘要 利用常規(guī)高空、地面觀測資料及鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站小時降水資料，分析2016年8月15日山西中北部連片暴雨過程。結(jié)果表明：本次過程是短時強降水累計暴雨，降水時間短、強度大。高空急流軸右側(cè)輻散作用加強了上升運動，副高外圍暖濕氣流輸送增強了暴雨區(qū)的不穩(wěn)定性和水汽累積;強降水暴雨落區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)與700 hPa切變線、850 hPa輻合線疊加區(qū)域吻合;地面小時最大雨量發(fā)生在云團發(fā)展成熟期。

關(guān)鍵詞 高空急流;副高;β尺度云團

中圖分類號：P441 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）07–0113–02

暴雨災(zāi)害是山西省主要氣象災(zāi)害之一，幾乎每年都出現(xiàn)不同強度的暴雨災(zāi)害[1]。局地暴雨具有局地性、突發(fā)性、活動規(guī)律多變等特點，準(zhǔn)確預(yù)報此類天氣的難度非常大[2]。分析2016年8月15日發(fā)生山西省中北部的暴雨過程，了解降水天氣背景，研究云圖的云團演變與地面降水的小時資料，為短時強降水天氣預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 天氣實況

2016年8月11—16日西北東部和華北中部出現(xiàn)多日陰雨天氣，特別是8月14日夜間—8月15日，山西省降水強度最大，中北部偏西地區(qū)呂梁、忻州、朔州共63個鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到了暴雨，其中最大的站點是呂梁市興縣的魏家灘鎮(zhèn)（116.3 mm），最強降水時段出現(xiàn)在8月15日中午，小時最大雨量38.6 mm/h。朔州市24 h降雨量在13.9～64.5 mm，朔城區(qū)、平魯區(qū)達(dá)到暴雨，山陰縣、應(yīng)縣大雨，右玉、懷仁中雨，降水總體由東北向西南呈帶狀增大分布。

2 天氣形勢分析

8月中旬初，歐亞大陸200 hPa環(huán)流三槽二脊徑向型，500 hPa副高北脊點到達(dá)45°N，5880 gpm線控制華北。8月11日，200 hPa冷渦中心南移，環(huán)流向緯向調(diào)整，東北淺脊削弱，亞洲中高緯度變?yōu)閷掗煹牟蹍^(qū)，新疆45°N附近鋒區(qū)發(fā)展延長。隨著500 hPa副高的慢慢調(diào)整南退，截至8月16日，期間副高西北側(cè)西南暖濕氣流不斷與新疆北部冷渦分裂東移的短波槽在陜西北部和華北中部交匯，造成西北東部和華北中部出現(xiàn)多日陰雨天氣。

8月15日08：00（北京時間，下同），高空急流軸（200 hPa）頭部到達(dá)渤海灣，急流軸由氣旋性彎曲轉(zhuǎn)為反氣旋性彎曲，山西位于急流軸右側(cè)輻散區(qū)有利于氣流上升;急流最大風(fēng)速52 m/s，河套地區(qū)在28 m/s等風(fēng)速線與40 m/s等風(fēng)速線之間，表明該地區(qū)將有中等強度的對流活動[3]。500 hPa陸地副高長軸呈東西向，5880 gpm線到達(dá)山西中部偏北地區(qū)，新疆北部冷渦分裂的短波槽到達(dá)河套，西北東部華北中部40°N以南地區(qū)為槽前西南氣流控制區(qū);地面氣壓場在同一時刻四川盆地為低壓中心，河套在低壓北部的倒槽中。綜合分析可知，8月15日08：00高空和地面場形勢是有利于降水發(fā)生的環(huán)境場。

3 大氣穩(wěn)定度

短時強降水暴雨的降水性質(zhì)為對流性降水，對流的首要條件是大氣具有不穩(wěn)定性。CAPE值、K指數(shù)、沙氏指數(shù)是衡量不穩(wěn)定能量的重要指標(biāo)。8月14日山西及周邊的三個探空站資料顯示：08：00太原站對流有效位能CAPE為547.8 j/kg，K指數(shù)為42℃，具有較強對流潛勢;20：00 太原站CAPE為67.3 j/kg，K指數(shù)為40℃，由于白天山西中部有降水消耗了部分能量，都有所減弱，但仍具有不穩(wěn)定潛能，東勝站CPAE為271.3 j/kg，K指數(shù)為38℃;呼市站CAPE仍為0，K指數(shù)也僅有31℃，說明不穩(wěn)定區(qū)域向北擴展，但40°N以北基本為穩(wěn)定區(qū)。探空資料分析的結(jié)果和對流降水落區(qū)基本吻合，大的降水落區(qū)在太原以北呼市站以南。

4 中尺度分析和水汽

根據(jù)天氣學(xué)原理：天氣尺度系統(tǒng)的上升運動強度還不能產(chǎn)生暴雨，暴雨主要是在中小尺度系統(tǒng)中產(chǎn)生的[4]。根據(jù)8月15日08：00的天氣中尺度分析，暴雨落區(qū)在高空急流的右側(cè)輻散，K指數(shù)大于32℃，大氣具有不穩(wěn)定性。700 hPa與850 hPa高濕，500 hPa槽前、700 hPa顯著流線頭部、切變線以南，850 hPa輻合線，上述各條件的疊加區(qū)域內(nèi)。高空各層滿足產(chǎn)生對流天氣的不穩(wěn)定、水汽、上升運動（觸發(fā)）等條件，與普通暴雨不同，這次天氣過程沒有明顯的低空急流，但在700 hPa等高線圖上，從四川盆地到山西北部偏西地區(qū)有一個顯著流線，對流性暴雨落區(qū)正好在流線頭部前方，在今后預(yù)報暴雨時值得關(guān)注。

滿足降水的另一個條件就是水汽，大的降水不僅要求空氣滿足降水的水汽條件，還要有源源不斷的水汽輸送。從8月14日20：00高空天氣圖分析， 700 hPa等高面上顯著濕區(qū)（T-Td≤4℃）在陜西北部華北中部;同時次850 hPa等高面上顯著濕區(qū)面積與700 hPa相仿，但偏南1～2個緯度，兩層疊加高濕區(qū)落在陜西北部，山西除運城、臨汾、晉城、大同外大部分地區(qū)。700 hPa高濕區(qū)與8月14日08：00～8月15日08：00降水落區(qū)基本一致。

8月15日08：00，700 hPa高濕區(qū)向西萎縮，850 hPa高濕區(qū)與8月14日20：00比較沒變化，上述地區(qū)仍然處于中低層濕度疊加區(qū)域。從水汽通量散度分析，8月14日20：00，中低層水汽輻合區(qū)在黃河以西，夜間輻合區(qū)向東移動;8月15日08：00，輻合中心到山西中南部，暴雨落區(qū)水汽通量散度在-10×10-5（g·cm-2 ·hPa-1·s-1）～ -5×10-5（g·cm-2 ·hPa-1·s-1）之間，850 hPa輻合中心在暴雨落區(qū)，最大值-13.5×10-5（g·cm-2 ·hPa-1·s-1）。降水前大氣對流層較濕，后期水汽輻合區(qū)移至不穩(wěn)定區(qū)域，中下層疊加的上升運動加上不斷有水汽補充產(chǎn)生了山西北部對流性性質(zhì)的暴雨。

5 云圖β中尺度云團演變

分析2016年8月15日的暴雨：朔州市朔城區(qū)測站的紅外衛(wèi)星云圖顯示暴雨降水集中在8月15日凌晨，04：00在距離朔城區(qū)測站上游西北290°162 km處出現(xiàn)一個直徑25 km的β尺度的橢圓形云團（云圖顯示選擇I-01號調(diào)色板，云團直徑取色彩達(dá)到紅色測量）此時是對流的初始階段，測站有降水;05：00云團向東偏南移動到300°127 km處，直徑達(dá)50 km，形狀為橢圓形，此時降水持續(xù);06：00東南移動，直徑最大80 km，形狀為圓形，是對流的旺盛期，云團紅色區(qū)域進入測站，此時測站小時雨量達(dá)到最大;07：00云團直徑減小，外形散亂，對流減弱，降水也減小。從云團變化、移動路徑上判斷，β尺度的演變云團在旺盛期經(jīng)過平魯區(qū)、朔城區(qū)造成該區(qū)域的短時強降水暴雨。08：00云圖上識別在主體云團移過后，其后方又出現(xiàn)一個像素的對流新單體，這個孤立單體使測站小時雨量再次增大。

6 結(jié)論

2016年8月15日，在山西中北部發(fā)生的是一次由混合型降水引起的暴雨過程。綜合使用高空探測資料分析了環(huán)境背景場、大氣不穩(wěn)定層結(jié)以及水汽場判斷，分析了云圖β尺度云團演變對比地面降水加密觀測資料，結(jié)果表明：

（1）這次短時強降水暴雨是副高調(diào)整南退期間一次短波槽活動的結(jié)果，高層鋒區(qū)有一次向南調(diào)整，曲率發(fā)生改變的過程，暴雨發(fā)生前，急流軸呈氣旋性彎曲，暴雨落區(qū)處在急流軸右側(cè)的輻散區(qū)。

（2）暴雨發(fā)生前大氣層結(jié)不穩(wěn)定性加強，不穩(wěn)定區(qū)從山西中部向北擴展。根據(jù)中尺度綜合分析，K指數(shù)大于32℃，700 hPa與850 hPa 高濕疊加區(qū)極易發(fā)生對流天氣，700 hPa切變線提供了上升氣流，850 hPa輻合線的抬升作用觸發(fā)了不穩(wěn)定氣團，在上述條件疊加區(qū)形成氣流的強烈上升運動，水汽的輻和為暴雨提供了水汽來源。

（3）這次天氣過程沒有明顯的低空急流，但在700 hpa等高線圖上從四川盆地到山西北部偏西地區(qū)有一個顯著流線，對流性暴雨落區(qū)正好在流線頭部前方，在今后預(yù)報暴雨時值得關(guān)注這一特點。

（4）β尺度的云團演變顯示了強對流的生命史，對比地面降水，云團發(fā)展到外邊界清晰形狀呈圓形（或橢圓形）色調(diào)最紅（上沖云頂最高）時對流達(dá)到鼎盛期，對應(yīng)地面的降水也就最強。云團有多個松散對流中心時，云團外邊界清晰但形狀不規(guī)則，地面短時強降水更強。在對夏季災(zāi)害天氣的監(jiān)測時，由于衛(wèi)星的高度角偏差，地面強降水落區(qū)在云團的正下方或偏東南方向，可以用衛(wèi)星的云團變化彌補雷達(dá)產(chǎn)品的不足。

參考文獻

[1] 劉黎平，阮征，覃丹宇.長江流域梅雨鋒暴雨過程的中尺度結(jié)構(gòu)個例分析[J].中國科學(xué)（D輯：地球科學(xué)），2004（12）： 1193-1201.

[2] 周一鶴.山西天氣預(yù)報手冊[M].北京：氣象出版社，1989.

[3] 熊秋芬，章麗娜.強天氣預(yù)報員培訓(xùn)手冊[M].北京：氣象出版社，2012.

[4] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理[M].北京：氣象出版社，2000.

責(zé)任編輯：黃艷飛

A Case Study on the Evolution of Mesoscale Rainstorm Clouds in Shanxi

JIA Xiao-xia et al（Shuozhou Meteorol-ogical Bureau， Shuozhou， Shanxi 036002）

Abstract This paper analyzes the continuous rainstorm process in the central and northern part of Shanxi Province on August 15， 2016 by using the conventional high-altitude and ground observation data and hourly precipitation data of township regional stations. The results show that the process is a cumulative rainstorm with short-term heavy precipitation， and the precipitation time is less than 12 hours， and the intensity is high. The divergence on the right side of the upper-level jet axis strengthened the upward movement， and the transport of warm and wet airflow around the subtropical high enhanced the instability and water vapor accumulation in the rainstorm area. The heavy rainfall rainstorm area was consistent with the instability area and the superposition area of the 700hPa shear line and 850hPa convergence line. The maximum hourly rainfall on the ground occurs during the mature period of cloud development.

Key words Upper-level jet stream; Subtropical high; β-scale cloud