山西中尺度暴雨云团演变个例分析

贾晓霞 徐卫丽

摘要 利用常规高空、地面观测资料及乡镇区域站小时降水资料，分析2016年8月15日山西中北部连片暴雨过程。结果表明：本次过程是短时强降水累计暴雨，降水时间短、强度大。高空急流轴右侧辐散作用加强了上升运动，副高外围暖湿气流输送增强了暴雨区的不稳定性和水汽累积;强降水暴雨落区、不稳定区与700 hPa切变线、850 hPa辐合线叠加区域吻合;地面小时最大雨量发生在云团发展成熟期。

关键词 高空急流;副高;β尺度云团

中图分类号：P441 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）07–0113–02

暴雨灾害是山西省主要气象灾害之一，几乎每年都出现不同强度的暴雨灾害[1]。局地暴雨具有局地性、突发性、活动规律多变等特点，准确预报此类天气的难度非常大[2]。分析2016年8月15日发生山西省中北部的暴雨过程，了解降水天气背景，研究云图的云团演变与地面降水的小时资料，为短时强降水天气预报预警提供参考。

1 天气实况

2016年8月11—16日西北东部和华北中部出现多日阴雨天气，特别是8月14日夜间—8月15日，山西省降水强度最大，中北部偏西地区吕梁、忻州、朔州共63个乡镇达到了暴雨，其中最大的站点是吕梁市兴县的魏家滩镇（116.3 mm），最强降水时段出现在8月15日中午，小时最大雨量38.6 mm/h。朔州市24 h降雨量在13.9～64.5 mm，朔城区、平鲁区达到暴雨，山阴县、应县大雨，右玉、怀仁中雨，降水总体由东北向西南呈带状增大分布。

2 天气形势分析

8月中旬初，欧亚大陆200 hPa环流三槽二脊径向型，500 hPa副高北脊点到达45°N，5880 gpm线控制华北。8月11日，200 hPa冷涡中心南移，环流向纬向调整，东北浅脊削弱，亚洲中高纬度变为宽阔的槽区，新疆45°N附近锋区发展延长。随着500 hPa副高的慢慢调整南退，截至8月16日，期间副高西北侧西南暖湿气流不断与新疆北部冷涡分裂东移的短波槽在陕西北部和华北中部交汇，造成西北东部和华北中部出现多日阴雨天气。

8月15日08：00（北京时间，下同），高空急流轴（200 hPa）头部到达渤海湾，急流轴由气旋性弯曲转为反气旋性弯曲，山西位于急流轴右侧辐散区有利于气流上升;急流最大风速52 m/s，河套地区在28 m/s等风速线与40 m/s等风速线之间，表明该地区将有中等强度的对流活动[3]。500 hPa陆地副高长轴呈东西向，5880 gpm线到达山西中部偏北地区，新疆北部冷涡分裂的短波槽到达河套，西北东部华北中部40°N以南地区为槽前西南气流控制区;地面气压场在同一时刻四川盆地为低压中心，河套在低压北部的倒槽中。综合分析可知，8月15日08：00高空和地面场形势是有利于降水发生的环境场。

3 大气稳定度

短时强降水暴雨的降水性质为对流性降水，对流的首要条件是大气具有不稳定性。CAPE值、K指数、沙氏指数是衡量不稳定能量的重要指标。8月14日山西及周边的三个探空站资料显示：08：00太原站对流有效位能CAPE为547.8 j/kg，K指数为42℃，具有较强对流潜势;20：00 太原站CAPE为67.3 j/kg，K指数为40℃，由于白天山西中部有降水消耗了部分能量，都有所减弱，但仍具有不稳定潜能，东胜站CPAE为271.3 j/kg，K指数为38℃;呼市站CAPE仍为0，K指数也仅有31℃，说明不稳定区域向北扩展，但40°N以北基本为稳定区。探空资料分析的结果和对流降水落区基本吻合，大的降水落区在太原以北呼市站以南。

4 中尺度分析和水汽

根据天气学原理：天气尺度系统的上升运动强度还不能产生暴雨，暴雨主要是在中小尺度系统中产生的[4]。根据8月15日08：00的天气中尺度分析，暴雨落区在高空急流的右侧辐散，K指数大于32℃，大气具有不稳定性。700 hPa与850 hPa高湿，500 hPa槽前、700 hPa显著流线头部、切变线以南，850 hPa辐合线，上述各条件的叠加区域内。高空各层满足产生对流天气的不稳定、水汽、上升運动（触发）等条件，与普通暴雨不同，这次天气过程没有明显的低空急流，但在700 hPa等高线图上，从四川盆地到山西北部偏西地区有一个显著流线，对流性暴雨落区正好在流线头部前方，在今后预报暴雨时值得关注。

满足降水的另一个条件就是水汽，大的降水不仅要求空气满足降水的水汽条件，还要有源源不断的水汽输送。从8月14日20：00高空天气图分析， 700 hPa等高面上显著湿区（T-Td≤4℃）在陕西北部华北中部;同时次850 hPa等高面上显著湿区面积与700 hPa相仿，但偏南1～2个纬度，两层叠加高湿区落在陕西北部，山西除运城、临汾、晋城、大同外大部分地区。700 hPa高湿区与8月14日08：00～8月15日08：00降水落区基本一致。

8月15日08：00，700 hPa高湿区向西萎缩，850 hPa高湿区与8月14日20：00比较没变化，上述地区仍然处于中低层湿度叠加区域。从水汽通量散度分析，8月14日20：00，中低层水汽辐合区在黄河以西，夜间辐合区向东移动;8月15日08：00，辐合中心到山西中南部，暴雨落区水汽通量散度在-10×10-5（g·cm-2 ·hPa-1·s-1）～ -5×10-5（g·cm-2 ·hPa-1·s-1）之间，850 hPa辐合中心在暴雨落区，最大值-13.5×10-5（g·cm-2 ·hPa-1·s-1）。降水前大气对流层较湿，后期水汽辐合区移至不稳定区域，中下层叠加的上升运动加上不断有水汽补充产生了山西北部对流性性质的暴雨。

5 云图β中尺度云团演变

分析2016年8月15日的暴雨：朔州市朔城区测站的红外卫星云图显示暴雨降水集中在8月15日凌晨，04：00在距离朔城区测站上游西北290°162 km处出现一个直径25 km的β尺度的椭圆形云团（云图显示选择I-01号调色板，云团直径取色彩达到红色测量）此时是对流的初始阶段，测站有降水;05：00云团向东偏南移动到300°127 km处，直径达50 km，形状为椭圆形，此时降水持续;06：00东南移动，直径最大80 km，形状为圆形，是对流的旺盛期，云团红色区域进入测站，此时测站小时雨量达到最大;07：00云团直径减小，外形散乱，对流减弱，降水也减小。从云团变化、移动路径上判断，β尺度的演变云团在旺盛期经过平鲁区、朔城区造成该区域的短时强降水暴雨。08：00云图上识别在主体云团移过后，其后方又出现一个像素的对流新单体，这个孤立单体使测站小时雨量再次增大。

6 结论

2016年8月15日，在山西中北部发生的是一次由混合型降水引起的暴雨过程。综合使用高空探测资料分析了环境背景场、大气不稳定层结以及水汽场判断，分析了云图β尺度云团演变对比地面降水加密观测资料，结果表明：

（1）这次短时强降水暴雨是副高调整南退期间一次短波槽活动的结果，高层锋区有一次向南调整，曲率发生改变的过程，暴雨发生前，急流轴呈气旋性弯曲，暴雨落区处在急流轴右侧的辐散区。

（2）暴雨发生前大气层结不稳定性加强，不稳定区从山西中部向北扩展。根据中尺度综合分析，K指数大于32℃，700 hPa与850 hPa 高湿叠加区极易发生对流天气，700 hPa切变线提供了上升气流，850 hPa辐合线的抬升作用触发了不稳定气团，在上述条件叠加区形成气流的强烈上升运动，水汽的辐和为暴雨提供了水汽來源。

（3）这次天气过程没有明显的低空急流，但在700 hpa等高线图上从四川盆地到山西北部偏西地区有一个显著流线，对流性暴雨落区正好在流线头部前方，在今后预报暴雨时值得关注这一特点。

（4）β尺度的云团演变显示了强对流的生命史，对比地面降水，云团发展到外边界清晰形状呈圆形（或椭圆形）色调最红（上冲云顶最高）时对流达到鼎盛期，对应地面的降水也就最强。云团有多个松散对流中心时，云团外边界清晰但形状不规则，地面短时强降水更强。在对夏季灾害天气的监测时，由于卫星的高度角偏差，地面强降水落区在云团的正下方或偏东南方向，可以用卫星的云团变化弥补雷达产品的不足。

参考文献

[1] 刘黎平，阮征，覃丹宇.长江流域梅雨锋暴雨过程的中尺度结构个例分析[J].中国科学（D辑：地球科学），2004（12）： 1193-1201.

[2] 周一鹤.山西天气预报手册[M].北京：气象出版社，1989.

[3] 熊秋芬，章丽娜.强天气预报员培训手册[M].北京：气象出版社，2012.

[4] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理[M].北京：气象出版社，2000.

责任编辑：黄艳飞

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