“07.30”山西区域性暴雨的水汽输送特征分析

王洪霞+苗爱梅+郑皓文+董文晓

摘 要：利用NCEP/NCAR逐6 h 1°×1°再分析资料、常规气象观测资料、山西区域雨量站和GPS大气可降水量资料，对2012-07-30—31的暴雨天气过程中的水汽输送和收支特征进行了分析，结果表明，热带辐合带北侧的偏东气流与副热带高压西侧的偏南气流是本次暴雨的水汽来源；暴雨中心出现在低层水汽通量大值中心和下风方的水汽通量辐合中心之间，气柱水汽总量空间分布在水平梯度≥30 mm/°N（E）的区域（干、湿空气的交汇区）。暴雨区水汽主要来自对流层中低层的水汽辐合，低层东西向的水汽辐合是其主要贡献者，南边界水汽输入的突然增大或减小对暴雨的发生、发展和消亡具有一定的指示意义；对流层中低层水汽输送分别对应山西北部和南部暴雨区，同时水汽输送极大值出现时间较强降水出现时间有1～3 h的提前。

关键词：暴雨；水汽输送；水汽收支；GPS大气可降水量

中图分类号：P458.1+21.1 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）02-0140-03

水汽是影响短期降水预报的一个关键因素，同时也是暴雨产生的必要条件。研究表明，我国暴雨的水汽大部分来源于孟加拉湾、南海、东海和西太平洋等，但我国南北方暴雨的水汽输送通道有所不同，北方暴雨区的水汽输送主要是由西南急流、偏东急流或二者共同作用完成。暴雨在山西夏季降水中有极其重要的地位，山西多数暴雨都伴有低空急流。低空急流是中低纬系统相互作用的纽带，它为暴雨的产生提供充足的水汽和能量。

2012-07-30—31，山西自北向南出现大范围降水过程。这次降水过程雨势强大，影响范围广，暴雨中心12 h降水量超过250 mm，然而在暴雨发生前或暴雨发生时，低空无急流形成。因此，本文利用NCEP/NCAR逐6 h 1°×1°再分析资料、常规气象观测资料、山西区域雨量站和GPS大气可降水量资料，对本次暴雨过程的水汽输送和收支特征进行分析，旨在认识暴雨的形成原因，为此类暴雨的预报积累经验。

1 暴雨概况

受冷暖空气共同影响，2012-07-30的8时至31日8时，山西出现大范围降水天气：30日白天，大暴雨落区位于忻州东北部，中心为忻州五台县，12 h降水量达107.7 mm，1 h最大降水量为52.1 mm；30日夜间，暴雨区扩大并且明显南压至山西中南部，以强对流性降水形式出现，中心位于晋城泽州（266.4 mm，见图1）。强降水主要出现在30日23时至31日4时，1 h最大降水量为88 mm。共有41个县市416个乡镇出现暴雨，3个县市40个乡镇出现了100 mm以上降水，6个乡镇降水量超过200 mm，暴雨落区分散全省。

2 大尺度环流背景

表1给出了2012-07-29—31，30°～42°N、100°～115°E500 hPa槽线和700 hPa、850 hPa冷、暖切变线的动态变化及30°～40°N5880gpm线西脊点和105°～115°E5840gpm线的位置变化。

本次暴雨过程中，对流层中层贝加尔湖附近存在低压环流，低压底部有冷空气随西风槽东移；同时，受09号台风苏拉和10号热带风暴达维的共同影响，西太平洋副热带高压主体偏北，高压脊线位于33° N附近并维持。2012-07-30的8时至20时，副高明显西进，20时以后副高东退至125° E 以东（见表1）。图2为2012-07-30的20时流型配置，由图可知，500 hPa西风槽东移至河套地区中部，西太平洋副热带高压西脊点伸至120°E 以西，台风北侧的东南气流与副高西南侧的东南气流叠加，暖湿气流加强，5840gpm位于山西中南部呈东北—西南向；850 hPa存在偏南和偏东气流，在山西和河北南部形成东西向暖性切变线，与存在于山西西部的冷性切变线共同形成“人”字形切变，地面冷锋与850 hPa冷性切变线位置相差无几，山西处于锋前暖区。冷暖空气的交绥、中低纬系统的相互作用导致了山西区域性暴雨的发生。

表1 2012-07-29—31中低层天气系统位置

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

20时 08时 20时 08时

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

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

500 hPa槽线 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 无 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

图2 2012-07-30的20时流型配置图

3 暴雨过程水汽条件分析

3.1 水汽分布特征

充足的水汽是暴雨形成的必要条件之一。2012-07-30的8时河套西北部和河南分别存在水汽通量大值区，低空偏东、东南风将东南部水汽向西、向北输送，山西中南部存在-3×10-4 g/s·cm2·hPa的水汽通量辐合中心（见图3中的a）；20时，在山西东部和南部形成“凹”字形水汽通量大值区，河套地区的水汽随西风槽东移至河套东部，水汽在陕西中南部出现明显的辐合，辐合中心位于陕西北部和山西西南部，强度达到-9×10-4 g/s·cm2·hPa和-6×10-4 g/s·cm2·hPa（见图3中的b）；31日2时南风加强，在山西东南部和河南地区形成中心为12 g/s·hPa·cm的高湿区，与西部高湿区趋于合并，冷暖空气在山西中南部交汇，暴雨中心出现在水汽通量大值中心和下风方的水汽通量辐合中心之间（见图3中的c）。由GPS-PWV大气可降水量整体分布（图3中的d）可知，山西上空存在两条PWV密集带，分别位于山西忻州中部和山西中南部地区，山西北部受显著东南气流影响，PWV呈东高西低分布；而中南部受500 hPa槽前西南暖湿气流影响，PWV呈西高东低分布，在中部形成南北向PWV梯度大值区，且PWV水平梯度≥30 mm/° N（E）的区域与暴雨落区有很好的对应关系。endprint

（a） （b）

（c） （d）

图3 2012-07-30的8时（a）、30日20时（b）、31日2时（c） 850 hPa风场（风羽，单位：m/s）、水汽通量（实线，单位：g/s·hPa·cm）和水汽通量散度场（阴影区，单位：10-4 g/s·cm2·hPa），（d）2012- 07-30的18时GPS-PWV大气可降水量分布图（单位：mm）

3.2 水汽收支特征

为分析不同层次水汽输送特征与暴雨过程水汽收支情况，取地面至700 hPa（对流层低层）、700～500 hPa（对流层中层）、500～300 hPa（对流层高层）和整层（地面至300 hPa）计算山西区域（110°～114°E，35°～40°N）及东、西、南、北边界的水汽通量输入、输出和收支量。

图4 对流层高、中、低层逐6 h山西区域（110°～114°E，35°～40°N）水汽通量输送量（单位：kg/s·cm）与暴雨中心五台县2012-07-30的8时至20时及晋城泽州2012-07-30的20时至31日8时逐小时降水量综合图（单位：mm）

图4为29日20时至31日8时逐6 h对流层低、中、高边界水汽输送量，由图可知，本次暴雨过程的水汽主要来源于对流层中低层，且低层的贡献大于中层的水汽输送。对流层中层水汽输入主要出现在30日2时至14时，8时输送量达到极值，相应北部暴雨中心五台县自9时开始出现降水，11时1 h雨强达到最大；对流层低层自30日2时至31日8时水汽输送均为正值，为水汽输入，其强度演变与山西南部降水的强度演变有很好的相关性。30日20时水汽输入量达到最大（191.2 kg/s·cm），晋城泽州自23时降水强度明显增强，且31日0时至2时逐小时雨量强度均超过80 mm/h。从各边界水汽输送量（表2）可以看出，水汽输送主要来自南边界和东边界，而南边界水汽输送量随时间呈先增加后减小再增加的变化态势，最高值分别出现在30日2时和31日2时，其中31日2时水汽输送量高达107.2 kg/s·cm，与暴雨发生、发展和结束时间具有一定的相关性；30日14时西边界转为水汽输入，与东边界形成水汽辐合，20时辐合强度达到最强，成为山西南部暴雨区水汽来源的主要贡献者。

表2 山西区域（110°～114°E，35°～40°N）地面至

700 hPa各边界水汽通量收支（单位：kg/s·cm）

时间 南边界 北边界 西边界 东边界 南北向辐合 东西向辐合 合计

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

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

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

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

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

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

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

注：各边界值：正值表示水汽从区域外通过边界流向山西区域，负值表示由区域内流向区域外；东西向辐合、南北向辐合及合计：负值表示水汽辐合，正值表示水汽辐散。

4 结束语

通过上述分析，可得到以下主要结论：①暴雨发生在冷空气东移南下和低纬度双台风效应导致西太平洋副高北抬的背景下，中低纬系统的相互作用和冷暖空气交绥为暴雨的产生提供了天气尺度系统条件；②台风北侧的东南气流与副高西南侧的东南气流叠加为山西暴雨提供了充足的水汽，暴雨出现在低层水汽通量大值中心与下风方水汽通量辐合中心之间，干、湿空气交绥使，得GPS-PWV梯度增大至30 mm/°N（E）的区域；③暴雨区水汽主要来自对流层中低层的水汽辐合，低层东西向的水汽辐合是暴雨区水汽辐合的主要贡献者，南边界水汽输入的突然增大、减小对暴雨的发生、发展和消亡具有一定的指示意义；④对流层中层水汽输送对应北部暴雨区，南部暴雨区水汽主要来源于对流层低层，且中低层水汽输送极大值的出现比强降水的出现提前了1～3 h。

参考文献

[1]慕建利，李泽椿，赵琳娜，等.“07.08”陕西关中短历时强暴雨水汽条件分析[J].高原气象，2012，31（4）：1042-1052.

[2]杨莲梅，张云惠，汤浩.2007年7月新疆三次暴雨过程的水汽特征分析[J].高原气象，2012，31（4）：963-973.

[3]刘子臣，张健宏.黄土高原上两次低空东北急流大暴雨的诊断分析[J].高原气象，1997，14（1）：107-113.

[4]刘子臣，梁生俊，张健宏.登陆台风对黄土高原东部暴雨的影响[J].高原气象，1997，16（4）：402-409.

[5]毕宝贵，鲍媛媛，李泽椿.“02.6”陕南大暴雨的结构及成因分析[J].高原气象，2006，25（1）：34-44.

[6]谢义炳，戴武杰.中国东部地区夏季水汽输送个例计算[J].气象学报，1959，30（2）：173-185.

[7]武麦凤，王旭仙，孙健康，等. 2003年渭河流域5次致洪暴雨过程的水汽场诊断分析[J].应用气象学报，2007，18（2）：225-231.

[8]苗爱梅，董春卿，张红雨，等.“0811”大暴雨过程中MCC与一般暴雨云团的对比分析[J].高原气象，2012，31（3）：731-743.endprint

[9]苗爱梅，武捷，赵海英，等.低空急流与山西大暴雨的统计关系及流型配置[J].高原气象，2010，29（4）：939-946.

————————

作者简介：王洪霞（1986—），女，山东莒县人，助理工程师，2010年6月毕业于南京信息工程大学大气科学气象学专业。

“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]苗爱梅，武捷，赵海英，等.低空急流与山西大暴雨的统计关系及流型配置[J].高原气象，2010，29（4）：939-946.

————————

作者简介：王洪霞（1986—），女，山东莒县人，助理工程师，2010年6月毕业于南京信息工程大学大气科学气象学专业。

“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]苗爱梅，武捷，赵海英，等.低空急流与山西大暴雨的统计关系及流型配置[J].高原气象，2010，29（4）：939-946.

————————

作者简介：王洪霞（1986—），女，山东莒县人，助理工程师，2010年6月毕业于南京信息工程大学大气科学气象学专业。

“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