2014年山西春播期暴雨天气过程分析

李新生，赵桂香，马严枝，王思慜，金 磊

（山西省气象台，太原030006）

2014年山西春播期暴雨天气过程分析

李新生，赵桂香，马严枝，王思慜，金 磊

（山西省气象台，太原030006）

为了准确预报山西春播期暴雨天气，更好地为农服务，笔者根据天气学理论，利用常规探测资料、数值预报、多普勒雷达和FY-2E红外卫星等资料，对2014年5月9—11日的暴雨天气过程进行综合分析。结果表明：500 hPa“北涡南槽”和华北“东高西低”形势是此次暴雨的有利环流背景，低空切变线和850 hPa东南风急流是主要影响系统。中低层切变线激发的中低云系直接导致强降水的发生。地面辐合线提前1～2 h出现，对进行强降水的短时临近预报有明显的参考意义。东西两路冷空气的对峙，地面辐合线的停滞；高低空急流耦合，形成高空辐散、低空辐合的垂直结构，使得上升运动持续加强；前期地面最高温度持续升高、低层暖湿平流的持续输送，均是强降水长时间持续的重要原因。

春播期；暴雨；成因

0 引言

山西素有“十年九春旱”的说法，春季干旱对农业生产影响很大。因此，春季第一场好雨的预报历来是春季预报服务的重点。2014年5月9—11日山西出现了持续时间长、影响范围大的春播期暴雨天气过程，全省平均雨量为39 mm，达大雨量级，过程降雨量为8.4～92.2 mm。此次降水彻底解除了前期旱情，对山西春播生产、大秋作物出苗生长、冬小麦生长均十分有利。

北方暴雨主要出现在夏季，且由于雨量大、强度强、造成的影响大，历来为气象工作者所关注，刘勇[1]、袁有林[2]等对陕西的暴雨过程进行了分析，主要说明急流次级环流、地形、水汽等对陕西暴雨的作用；段海霞[3]、董春卿[4]等对北方的暴雨过程进行了数值模拟，主要研究了喇叭口等地形对暴雨的影响；薄燕青等[5]主要进行了广义位温和对流涡度在暴雨过程分析中的应用；有许多学者[6-10]对华北暴雨和北京暴雨过程进行了分析，为华北地区夏季暴雨预报提供了有益的参考依据。对于山西夏季暴雨的研究也较多，白玎玲[11]、李新生[12]等对暴雨过程进行了诊断，主要分析了暴雨过程中风暴相对螺旋度、湿位涡的特征；苗爱梅等[13-14]对大暴雨期间的地闪特征进行了分析，指出局地地闪频数与雨强随时间的变化有很好的相关性；赵桂香等[15-16]对暴雨过程的中尺度特征进行了分析，指出副热带高压边缘不断生成和消亡的中小尺度对流云团是导致暴雨、大暴雨的直接系统；苗爱梅等[17]指出，低空急流对山西区域性暴雨、大暴雨以及特大暴雨具有极强的预示性。

然而，对于春季山西的暴雨天气相关研究较少，山西春季发生暴雨的几率较小，预报难度较大，2014年5月9—11日山西出现了区域性暴雨天气，在短期预报中出现了失误，降水落区预报偏北、量级预报偏小。因此，针对此次过程，笔者利用常规探测资料和FY-2E卫星资料，从环流背景、主要影响系统、中尺度特征和暴雨成因等方面进行分析，以期能够提高今后春播期暴雨天气的预报准确率，为农业生产提供更好的服务。

1 实况概述

2014年5月9—11日，受500 hPa“北涡南槽”与低层切变线共同影响，山西省出现了大范围的强降水天气过程，强降水主要集中出现在山西的中西部地区，雨带呈东北—西南走向，强降水中心位于吕梁山脉南部（见图1），全省过程降雨量为8.4～92.2 mm，其中有36县市超过50 mm，期间9日8:00—10日8:00，24 h降水量2～76 mm，有6县市出现暴雨，最大为临汾地区的汾西县(111.33°E,36.39°N)，为75.5 mm。

从暴雨站点汾西和吉县(110.4°E,36.06°N)的逐小时降雨量演变（见图2）来看，降水从9日下午开始，到11日凌晨结束，历时33 h，9日夜间有1～2个时次雨强＞10 mm/h，其余时段均＜9 mm/h，可见，此次暴雨天气过程主要是降水持续时间长所致。

综上所述，此次暴雨过程，雨强较小，但降水总量大、降水持续时间长，影响范围大，为春播期少见。

图1 2014年5月9日8:00—10日8:00的24 h雨量（单位：mm）

图2 2014年5月9日16:00—11日02:00暴雨站点逐小时雨量

2 暴雨的天气尺度特征

暴雨前期，500 hPa上，新疆北部至蒙古国一带维持一庞大的低压系统，中纬度环流较平直，随着冷空气沿贝加尔湖西侧不断向南侵入，低压中心也逐步向南压，高原槽开始发展不断加深，并与南支系统合并，到9日8:00，形成“北涡南槽”形势（见图3），山西上空受西南气流控制，同时渤海至华北北部出现高压脊，形成“东高西低”形势，高压脊稳定维持，阻挡上游低槽东移，有利于降水的持续。之后，随着冷空气南侵，低槽不断加深，槽前西南气流持续加强，温度露点差持续减小，到9日20:00，河套到山西地区形成＞16 m/s的强西南气流带，温度露点差＜2℃，空气已接近饱和。

对应700 hPa上，暴雨前期，蒙古国中部至青海东部一带为低值系统，并伴有切变线存在，切变线东南侧偏东南气流不断加强，形成低空急流，向华北地区不断输送水汽，同时温度平流场上显示，西北地区东部到华北一带均有明显的暖平流输送，9日8:00—20:00，切变线东移，山西上空的偏东南风持续加强，最大风速达20 m/s，华北一带仍有较强的暖平流输送。850 hPa上，暴雨前期，河套地区有切变线存在，随着高层冷空气的入侵，切变线不断东移、南压，其东南侧偏东南气流持续加强，9日8:00—20:00，东南急流持续存在，山西西南部存在明显气旋性辐合。受以上系统共同影响，9日下午开始，山西出现大范围降水，强降水出现在500 hPa和700 hPa温度露点差＜2℃、同时低层850 hPa风场辐合的区域。

图3 2014年5月9日08:00 500 hPa环流形势（单位：dagpm）

3 暴雨的中尺度特征

3.1 云顶亮温特征

此次山西区域性暴雨天气主要由500 hPa高空槽云系与低层切变线激发的对流云团造成。从5月9日18:00—10日20:00的FY-2E（见图4）红外卫星云图特征的连续演变可看出，9日18:00高空槽云系位于河套一带，云系前侧受低层切变线的影响，激发出明显的对流云团，吉县位于对流云团前部TBB梯度大值区的后方，出现了短时强降水，雨强达19 mm/h，9日22:00，对流云团向东北方向移动并逐渐增强，影响山西的西部和北部地区，在对流云团前部移至地面辐合线附近时，TBB梯度达到最大且有明显的气旋性弯曲（忻州中部和临汾一带），此时出现短时强降水，10日8:00，高空槽云系维持，东移缓慢，云系始终由西南向东北方向移动，云系前侧有降水云系至西南向东北方向影响山西，造成山西区域出现东北—西南向的持续性降水雨带，10日11:00、16:00，伴随高空槽的东移，高空槽云系缓慢东移，云系主体仍覆盖山西上空，且从西南部不断有较强的降水云团进入山西，山西降水仍持续，10日20:00，高空槽云系主体移出山西，云系后部的中低云覆盖山西，但强度明显减弱，山西一带降水也明显减弱，而后，随着系统的进一步东移，降水过程结束。

3.2 多普勒雷达回波特征

雷达回波图可以很好地揭示出暴雨的中尺度演变特征，分析此次过程的雷达拼图（图略）看出，5月9日14:00，河套地区形成回波带，30 dBZ以上的回波较分散，回波带逐渐加强东移，14:48回波前沿开始影响山西西部边界，回波移速缓慢，17:00左右开始影响吉县地区，回波变得非常密实，范围也扩大，为典型的层状云降水回波，并嵌有较强的回波单体，18:36时影响吉县上空的回波强度达40 dBZ，从垂直剖面图可以看出回波质心较低，降水效率高，吉县小时降水量达19 mm，此后，回波在东移过程中，受低层偏南气流和临运盆地地形的影响，转为向东北方向移动，20:00—22:00，受北部山地地形阻挡的作用，35 dBZ的较强回波区移至汾西一带地区时长时间停滞，造成汾西持续2 h降水量超过15 mm的强降水，随着入夜后能量的不断释放，回波减弱，但东移缓慢，仍造成山西西南部地区持续出现降水。

3.3 自动站风场演变特征

地面是否出现辐合线对暴雨或强对流的发生有很好的指示作用。山西地形非常复杂，对风向有较大影响，因此在分析风场变化时，选取极大风速时的风向，可以有效减小地形对风向的作用。利用山西自动站极大风资料，分析降水发生期间的地面风场（图略），15:00—16:00吉县位于中尺度辐合线附近，与风场相伴的是中心为988.3 hPa的低压，低压呈东北—西南走向，东移穿过暴雨区，地面中尺度系统有利于地面辐合抬升和触发较强的降水，这与高层正涡度平流和暖平流造成的低层减压形成气旋式环流密切相关。地面辐合线提前1～2 h出现，表明地面风场和气压场在降水开始前出现调整。这种特征，对于进行强降水的短时临近预报有明显的参考意义。

图4 2014年5月9日FY-2E红外云图演变

4 暴雨成因分析

4.1 水汽和能量条件

水汽是形成暴雨的重要条件，在山西区域性暴雨过程中通常有显著的水汽输送条件，本区上空有丰富的水汽汇合。

9日20:00，850 hPa和700 hPa，东南风加大，风速＞16 m/s，形成东南风低空急流，850 hPa低空急流头伸至山西西部上空。分析水汽通量场（见图5）可以看出，晋东南地区有一大值中心，中心强度达10×10-5kg/(m·s)，这在春季极为少见，说明水汽在山西中南部地区有明显的积累，700 hPa东南风低空急流经山西上空后转为偏南风低空急流，急流头伸至内蒙古中部，山西上空形成水汽输送通道，但急流拐角处与切变线距离最近，此处辐合抬升较强，能够把低层积聚的水汽和不稳定能量很好的抬升到高空，而产生强降水。

从地面场来看，暴雨发生前期，山西持续受低压系统前部影响，暖气团使山西地区能量不断累积，从暴雨站点吉县的地面最高温度日变化可以看出，从4日开始，日最高温度持续升高，连续5天最高温度超过20℃，8日最高温度达28.2℃，低层能量累积明显。

图5 2014年5月9日20时850 hPa水汽通量及风场

假相当位温θse反映了大气的温湿状况，应用它的水平和垂直分布可以分析大气中的能量分布、垂直稳定度状况和大气湿斜压性[18]。从低层850 hPa的θse的水平分布情况上看，暴雨发生前期，暴雨区上空出现被高能舌（θse高值区）控制的过程，从而使得低层大气强烈增暖增湿，对流不稳定能量增大，暴雨落区位于高能舌顶部。从暴雨区上空假相当位温θse的时间变化来看（见图6左），暴雨发生前降水区上空受高能舌控制，且不稳定能量逐渐增大，暴雨出现在能量释放阶段。从9日08:00假相当位温θse的空间剖面来看（见图6右），暴雨发生时，暴雨区上空850 hPa高度附近受高能舌控制，并且有不稳定能量从低纬地区不断地向暴雨区输送，有利于降水的持续。

4.2 高低空急流的耦合

暴雨的发生多数情况下与低空急流有密切关系，偏南低空急流常是动量、热量和水汽的高度集中带，为强降水的发生提供动力和热力条件，对不稳定能量的积累、输送和释放起关键作用。

从9日20:00高低空急流配置（图略）看，700 hPa，东海经山西至内蒙古赤峰市北部形成一弓型的低空急流，山西上空成为水汽输送通道，对于山西上空水汽的累积作用较小，但低空急流的弓形拐点处于山西中西部地区，与切变线的距离很近，有利于暴雨区对流不稳定层结的建立和维持，同时也有利于触发对流不稳定能量的释放。850 hPa上，东海、黄海至华北西部的东南气流加强为宽广的低空急流区，急流前部影响山西西部一带，为暴雨区输送了充足的水汽，急流前部的辐合明显，抬升低层的水汽和能量向高层输送，建立和维持了对流不稳定层结，同时急流头与切变辐合区的配合有利于触发对流不稳定能量的释放，有利于暴雨天气的发生。同时，200 hPa上在河套北部至内蒙古中东部一带有高空急流存在，山西处于高空急流入口区的右侧，此处高空辐散的抽吸作用有利于中低层垂直上升运动的增强。

从暴雨区上空散度时间垂直剖面图（见图7）可以看出，8日20:00后850 hPa层开始出现辐合，随后辐合逐渐加强，9日20:00低层辐合达到最强，最大辐合中心位于925 hPa，中心强度达-2.5×10-5/s，并且辐合高度伸展至700 hPa以上，同时，高层辐散也加强，400 hPa和200 hPa分别出现2个辐散中心，中心强度分别为2.0×10-5/s和0.5×10-5/s，高层辐散、低层辐合的垂直结构使得上升运动不断加强，把聚集在低空的水汽和能量持续抬升到高空，从而有利于强降水的形成和维持。

4.3 地面冷锋的触发作用

图6 2014年5月8日20:00—11日20:00吉县假相当位温θse时间-高度垂直剖面（左）和9日8:00（沿109.5°E、32.5°N—114.2°E、42.5°N）假相当位温θse的空间剖面图（三角形指示暴雨点）（右）

7日20:00，新疆至西北一带为庞大的低压区，低压中心位于南疆，中心气压达997.5 hPa，内蒙古中东部受冷高压控制，8日20:00，内蒙古中东部的冷高压继续南下，在中国东部沿海维持，西伯利亚一带有冷空气扩散南下，推动低压系统东移，但受到东部沿海高压系统的阻挡，使低压系统在西北地区东部一带收缩加强，中心气压达990 hPa，低压系统持续维持，暖气团使山西地区能量不断累积，9日8:00，西北部冷空气继续东移南下，东部冷空气仍维持，低压系统继续受到东西两个冷高压的挤压，低压北部在内蒙古中部一带形成锢囚形势，从高空温度剖面可以看出地面至700 hPa高度存在明显的锢囚结构（见图8左），西部冷空气前沿的锋区明显加强，9日14:00，山西至内蒙古中部的低值区被两个冷高压挤压为狭窄的倒槽，冷锋移至山西西部边缘，开始出现降水，受东部冷高压的阻挡，冷锋移动缓慢，造成山西西部地区降水长时间持续。另外，从逐小时加密观测资料看，15:00，山西西部地区出现地面中尺度辐合线，辐合线后部转为西北风，而15:00—16:00，转为西北风的地区均出现明显的降水，接下来的几个小时内，均是地面风转为西北风后1 h内出现了明显降水，且此时段内降水最强并伴有雷暴，表明地面中尺度辐合线（冷锋）的动力抬升触发机制非常明显，9日20:00，锢囚结构消失，倒槽减弱，但山西西南部地区始终受锋区的影响，锋区内有中尺度辐合线，辐合线附近降水强并持续（见图8右），随后，倒槽略有东移南压，但东移缓慢，10日20:00移至山东西部，倒槽后部的东北风与高压前部的偏西风仍在山西西南部地区形成辐合区，降水形势仍维持，但降水明显减弱，直到11日08:00，高压前部控制山西，山西地区降水结束。

图7 2014年5月7日20:00—11日20:00吉县散度时间垂直剖面

5 预报失误原因分析

此次降水预报失误主要表现在强降水落区偏北、量级偏小，持续时间偏短。

5.1 实况资料分析不足

高低空形势的综合分析和细致分析是预报强降水的最基本程序，而且要关注系统的发展演变细节。由于早晨做预报时，当日8:00实况观测资料没有，预报员习惯于分析数值预报产品，而忽略了实况图的细致分析，往往实况上已经出现了明显系统，却未引起高度重视，比如此次过程，700 hPa虽然存在急流，但从水汽通量场结合风场看，山西为水汽输送通道，辐合区并不在山西，但却忽略了850 hPa急流和辐合区的位置；对于华北出现“东高西低”形势的作用也没有引起足够的重视。物理量特征的变化对预报强降水出现时间、强度以及落区都有指示意义，但在应用上具有一定技巧。因此，实况资料的综合分析训练有待加强。

5.2 数值预报产品的解读应用能力亟待提高

图8 2014年5月9日08:00沿呼和浩特至大连一线探空资料剖面图（左）和5月9日20:00地面加密观测（右）

从数值预报产品分析，前期起报场700 hPa风场上，风速和风向都有一定的偏差，尤其是850 hPa风场上风速和风向的偏差更大，5月9日20:00的实况风场与8日20时欧洲中心24 h预报风场进行对比，太原站预报为南风8 m/s，而实况为东南风16 m/s，预报风向偏差45°、风速偏小1/2，预报的切变线和辐合区位于山西中北部，而地面锋区误差也较大，位置明显偏北，致使强降水落区预报位置明显偏北。日常业务中，预报员对数值预报产品依赖性较大，几乎将它作为实况来进行分析，对数值预报产品的解读应用能力欠缺，过度信任欧洲中心的数值模式结果。

5.3 季节因素

从气候背景看，5月山西出现暴雨天气的概率较小，因此，预报员已然形成一些惯性思维，缺失了预报敏感性。

6 结论与讨论

（1）500 hPa“北涡南槽”和“东高西低”是造成此次暴雨的主导环流背景，低空切变线和偏东南急流是主要影响系统。东西两路冷空气的对峙，地面辐合线的停滞；高空急流与低空急流耦合，形成高空辐散、低空辐合的垂直结构，上升运动持续加强；前期地面最高温度持续升高、低层持续的暖湿平流输送，这些都是强降水持续的原因，此次暴雨主要是持续强降水造成。

（2）地面辐合线较强降水提前1～2 h出现，体现了辐合线的动力抬升触发作用，对进行强降水的短时临近预报有明显的参考意义；东移缓慢的层状云降水回波镶嵌有较强的回波单体，造成了持续降水，这些现象与夏季暴雨天气明显不同，需要在其他春季暴雨天气过程中逐步验证。

（3）春季暴雨天气对山西春播生产、大秋作物出苗生长、小麦返青等都非常有利[19-20]，准确预报春播期暴雨天气是山西气象为农服务的关键性工作。

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A Rainstorm Process During Spring Sowing in Shanxi in 2014

Li Xinsheng,Zhao Guixiang,Ma Yanzhi,Wang Simin,Jin Lei
(Shanxi Meteorological Observatory,Taiyuan 030006,Shanxi,China)

The paper aims to accurately forecast the rainstorm during spring sowing in Shanxi and provide better service for farmers.The authors comprehensively analyzed the rainstorm in May 9-11,2014 based on the synoptic theories,conventional data,numerical prediction,Doppler radar and FY-2E infrared satellite data.The results showed that:north vortex and south trough at 500 hPa and low-lying from east to west in north China on the ground were advantageous circulation backgrounds producing rainstorm;the low-altitude shear line and southeast wind at 850 hPa were the main impact systems of this rainstorm;the heavy precipitation was directly responded to the low and medium clouds which were inspired by the wind shear lines on the low and medium level of the troposphere;the ground convergence lines appeared 1-2 hours in advance,which had obvious reference significance for the short-time forecast of rainstorm;the confrontation between the cold air from the east and the west,the stagnation of the ground convergence line,formed the vertical structure of the irradiated on the upper air and convergence on the lower level,which strengthened the rising motion continuously;the important reasons for the long duration of rainstorm were the continuous transportation of the highest temperature from several days ago,and the continuous delivery of the warm and wet current on the lowlevel of the troposphere.

Spring Sowing;Rainstorm;Cause

P4

A论文编号：cjas17010011

国家气象局预报员专项“山西省春季暴雨预报失误个例对比分析”(152020010815)；山西省气象局重点课题“山西霾预警模型及定量化判别技术指标研究”(152020010804)。

李新生，男，1975年出生，山西寿阳人，高工，首席预报员，本科，主要从事灾害天气预报技术研究。通信地址：030006山西省太原市平阳路80号山西省气象台，E-mail：370433235@qq.com。

2017-01-16，

2017-07-27。