引言
近几十年中国大部分地区[2-3,6-7]极端降水事件发生频率呈上升趋势。极端降水落区与西太平洋副热带高压(简称“副高”)位置关系密切[1,8-9],副高位置偏离气候平均态对水汽输送有直接影响,当副高异常偏南、偏西、偏北时分别有利于华南、长江中下游、华北和东北地区极端降水发生[1]。地形对极端降水影响显著[10],如鄂西南区域极端降水多发生在地形辐合和地形抬升的山脉四周[11],太行山、燕山地形分别对豫北区域、北京地区极端暴雨增幅有正贡献[10,12-13]。极端降水事件与水汽、动力、热力因子的极端异常密切相关[8,11-13],如水汽相关物理量的空间分布对降水位置和强度变化有很好的指示作用[14],水汽相关物理量异常可作为判断北京极端降水的重要因素[15],华中区域极端降水事件中超过50%的个例存在动力和水汽相关物理量的异常[8]。目前极端降水事件异常特征方面研究较少,极端降水预报在主观和客观方面均有欠缺[16]。因此,深入认识本地极端降水事件异常特征及成因对提高致灾降水预报水平具有重要意义。
山西地处中纬度,位于华北地区西部,地形复杂,秋季冷暖空气交绥容易引发极端降水事件。2019年9月10—11日,山西出现1960年以来同期范围最大的一次区域性暴雨过程,且该过程发生在秋季连阴雨期间,给降水预报带来较大难度。欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, EC)和中国气象局全球同化预报系统(China Meteorological Administration Global Forecast System, CMA-GFS)以及山西省预报员主观预报对大雨和暴雨范围预报均偏小,对极端降水估计不足。本文对此次秋季区域性暴雨过程的极端性及其成因进行分析,以期为山西省极端降水过程预报提供一些参考。
1 资料与方法
1.1 资料
利用山西省109个国家站1960—2019年9月逐日降水量及2019年9月逐时降水量进行降水实况分析;利用大同、太原、吕梁、临汾、长治5个多普勒雷达站的组合反射率因子拼图分析雷达回波特征;利用1980—2019年欧洲中期天气预报中心分辨率为1°×1°的逐6 h再分析资料(ERA5)计算位势高度、风、温度、海平面气压、整层大气可降水量、水汽通量、水汽通量散度、比湿、垂直速度、假相当位温、温度平流、散度等物理量及其标准化距平用于异常特征分析。
文中附图涉及地图均基于山西省标准地图服务网站下载的审图号为晋S(2020)005的标准地图制作,底图无修改。
1.2 区域性暴雨过程定义
参考《山西省天气预报技术手册》[17]对区域性暴雨过程定义:在一次降水天气过程中,山西省境内暴雨站数S≥5且分布连续,定义为一次区域性暴雨过程;若5≤S<10,但暴雨空间分布离散,统计时不记为一次区域性暴雨过程;若S≥10,无论暴雨空间分布离散还是连续,均记为一次区域性暴雨过程。此处站数统计对象为109个国家气象站,相邻暴雨站距离大于100 km视为空间分布离散,反之视为空间分布连续。
1.3 极端日降水事件定义
采用1960—2018年作为气候标准期,对单站逐日降水量从小到大排序,选取第95个百分位数作为该站极端日降水事件的阈值,大于或等于该阈值的日降水量记为一个极端日降水事件[18]。气候标准期内某站日降水量的最大值为该站日降水量的历史极值。
1.4 标准化异常
根据HART等[19]提出的标准化距平法对变量进行异常度分析,具体计算公式如下:
式中:X为要素值;μ为1980—2019年9月要素的气候平均值;σ为1980—2019年要素的气候标准差。N表示要素值与历史同期平均值的偏离程度,当N>0时,N越大代表要素值较气候平均态偏大越多,即正异常越强;当N<0时,N越小代表要素值较气候平均态偏小越多,即负异常越强。
2 降水实况及极端性特征
2019年9月10日20:00(北京时,下同)至11日20:00,受高空槽东移和副高西伸的共同影响,山西省中南部(35°N—39°N、110°E—114°E)出现区域性暴雨过程(简称“20190911过程”)。图1为2019年9月10日20:00至11日20:00山西省降水量空间分布。可以看出,此次过程影响范围大,有南北两个西南—东北向的中尺度强降雨带,分别位于35°N—36°N和37°N—38°N。降水量P≥50 mm和25 mm≤P<50 mm的站点分别有44、30个,垣曲站24 h降水量最大(98.1 mm),阳城站雨强最强(13.5 mm·h-1)。此次暴雨过程山西中南部46站出现极端日降水事件,其中有11站突破9月日降水量历史极大值,另有11站日降水量最大值仅次于历史极大值。20190911过程具有降水持续时间长,但降水强度不强的特点,以24 h降水量最大的垣曲站(位于山西南部)和次大的文水站(位于山西中部)为例,2站连续降水时长均超过24 h,但垣曲站、文水站雨强分别为0.1~10.5、0.1~8.9 mm·h-1(图略)。
图1
图1
2019年9月10日20:00至11日20:00山西省降水量(阴影,单位:mm)空间分布和山西中南部极端降水站点分布
(红色、黑色、灰色圆点为发生极端日降水事件的站点,其中黑色圆点为超历史极值的站点,灰色圆点为仅次于历史极值的站点,红色边框为山西中南部水汽输送边界)
Fig.1
The distribution of precipitation (Unit: mm) in Shanxi Province and stations with extreme rainfall in central and southern Shanxi Province from 20:00 BST 10 to 20:00 BST 11 September 2019
(The red, black and gray dots are stations occurring extreme daily rainfall event, the black dots for rainfall more than historical record, gray dots for rainfall being second only to historical record, the red border for the schematic diagram of water vapor transport boundary in central and southern Shanxi Province)
图2为1960—2019年9月山西中南部区域性暴雨过程大雨、暴雨、大雨及以上量级降水站数。可以看出,1960年以来,山西中南部9月同期共发生25次区域性暴雨过程,暴雨站数的平均值为12.3站,大雨以上量级站数的平均值为33.8站。2019年9月10日20:00至11日20:00山西中南部大雨以上量级的站数(74站)是平均值的2.2倍,仅次于2005年9月暴雨过程的75站;暴雨站数(44站)是平均值的3.6倍,超过2005年9月暴雨过程的39站,此次降水过程是一次典型的秋季极端降水事件。
图2
图2
1960—2019年9月山西中南部区域性暴雨过程大雨、暴雨、大雨及以上量级降水站数
Fig.2
The number of stations with heavy rain, rainstorm and both above during the regional heavy rain processes in central and southern Shanxi Province in September from 1960 to 2019
图3为2019年9月11日00:00和13:38山西省5个多普勒雷达站组合反射率因子拼图。可以看出,此次暴雨过程以稳定性降水为主,大部分地区雷达组合反射率因子小于35 dBZ,局部地区反射率因子超过40 dBZ,其中强度大于30 dBZ的回波呈线状排列、几乎沿着相同的路径向东北方向移动,在山西中部和南部地区形成两条西南—东北向的线状中尺度雨带,长度约200~300 km,宽度约50~100 km,回波持续经过暴雨区产生“列车效应”。
图3
图3
2019年9月11日00:00(a)和13:38(b)山西省5个多普勒雷达站组合反射率因子(单位:dBZ)
Fig.3
The combined reflectivity factor of 5 Doppler radar stations in Shanxi Province at 00:00 BST (a) and 13:38 BST (b) 11 September 2019 (Unit: dBZ)
3 环流背景
此次暴雨过程前,2019年9月9日,贝加尔湖阻塞高压稳定,西西伯利亚切断低压不断旋转使来自高纬度的冷空气堆积和加强,有-24 ℃冷中心与之配合(图略);9月10日20:00,阻塞高压崩溃,切断低压填塞,新疆东部的高空槽加深东移至河西走廊,同时588 dagpm线迅速从海上西伸至105°E以西且北抬至山西南部,形成有利于山西出现暴雨的天气形势[图4(a)]。暴雨过程中,11日08:00,蒙古西部的高空槽经河西走廊东移至河套地区,588 dagpm线继续西伸且稳定在山西南部(图略);700 hPa位于高空槽与588 dagpm线之间的西南急流建立[图4(c)],加强水汽和能量输送,山西中南部位于急流出口区,西北—东南向的暖式切变线从山西西南部缓慢北推至中部,对水汽辐合抬升起到持续的动力作用,降水随之开始并加强;海平面气压场[图4(b)]内蒙古东部地面冷高压中心合并加强(中心值1025 hPa),山西位于地面冷高压底后部,冷空气自东北平原由东北风和偏东风向华北地区扩散并在近地面堆积;850 hPa华北北部地区东北风与等温线近乎垂直[图4(d)],受冷平流影响山西为冷舌控制,山西东部冷中心温度降至10 ℃,在地面至850 hPa形成冷垫并强迫抬升中低层西南暖湿气流,有持续的动力抬升作用,同时,850 hPa偏东风和东南风加强低层水汽补充,有利于降水加强和持续。
图4
图4
2019年9月10日20:00 500 hPa位势高度场(黑色等值线,单位:dagpm)及假相当位温θse(阴影,单位:K)(a),11日08:00海平面气压场(黑色等值线,单位:hPa)及2 m温度距平场(阴影,单位:℃)(b),11日08:00 700 hPa(c)和850 hPa(d)风场(风向杆,单位:m·s-1)及假相当位温θse(阴影,单位:K)
Fig.4
The geopotential height field (the black lines, Unit: dagpm), θse(the shadow, Unit: K) on 500 hPa at 20:00 BST 10 September (a), sea level pressure field (the black lines, Unit: hPa), 2 m temperature anomaly field (the shadow, Unit: ℃) at 08:00 BST 11 September (b), wind field (the arrow vectors, Unit: m·s-1) and θse (the shadow, Unit: K) on 700 hPa (c) and 850 hPa (d) at 08:00 BST 11 September 2019
从11日08:00 500 hPa(图略)、700 hPa[图4(c)]和850 hPa[图4(d)]风场、假相当位温(θse)的水平分布来看,暴雨区西南侧为θse高值区,700 hPa和500 hPa西南风与等θse线近乎垂直,高温高湿的能量舌伸向山西南部,对应强西南暖湿输送;850 hPa和700 hPa θse低值区向西南方向伸展,在850 hPa山西东侧形成低值中心,对应冷垫的形成。700~500 hPa暖湿输送叠加在850~700 hPa干冷输送之上,山西中南部对流层中低层水平和垂直方向上温湿差异同时增强,各层等θse线越来越密集,形成西北—东南向、从底层到高层向冷区倾斜的锋区,有利于暖湿气流沿着倾斜的锋区爬升。
图5为2019年9月10日20:00、11日02:00和08:00 θse、垂直速度和风场沿两条雨带中间位置(112°E)的经向垂直剖面。可以看出,10日20:00,山西南部35°N—37°N对流层低层(900~700 hPa)和山西中南部36°N—39°N对流层中层(600~500 hPa)θse随高度升高而减小,层结不稳定。11日02:00,随着700 hPa偏南急流加强,暖式切变线缓慢北推触发对流,分别在500 hPa 35°N和38°N形成上升运动中心,其中北侧垂直运动较强,中心值为-1.2 Pa·s-1,山西中部降水加强。11日08:00,地面冷锋触发对流,山西南部垂直运动增强,中心值为-1 Pa·s-1,山西南部降水增强;东路冷空气高度达700 hPa左右,暖湿气流沿低层冷垫强烈爬升;低层辐合高层辐散的垂直结构逐渐倾斜,在锋区之上形成大范围倾斜上升运动,有利于上升运动维持。
图5
图5
2019年9月10日20:00(a)、11日02:00(b)和08:00(c)θse(等值线,单位:K)、垂直速度(阴影,单位:Pa·s-1)和风场(箭矢,单位:m·s-1)沿112°E的经向垂直剖面
(黑色阴影为地形高度)
Fig.5
The meridional sections of θse (the isolines, Unit: K), vertical velocity (the shadow, Unit: Pa·s-1) and wind field (the arrow vectors, Unit: m·s-1) along 112°E at 20:00 BST 10 September (a), 02:00 BST (b) and 08:00 BST (c) 11 September 2019
(the black shadows for terrain height)
综上所述,9月9—11日588 dagpm线持续西伸北抬,且长时间稳定维持,与中纬度多个东移高空槽携带的冷空气不断交绥,有利于持续阴雨天气的发生发展。副高偏西偏北、高空槽、700 hPa西南急流和暖式切变线、850 hPa偏东气流、地面冷高压和冷锋为山西中南部区域性暴雨的发生提供充足的水汽和有利的动力条件。冷锋附近的中尺度雨带与暖输送带的上升部分相联系,锋区上等θse面发生皱褶,这种超斜压结构使位势不稳定增强,对流发生在700 hPa和500 hPa之间,与雨带相对应的位置存在两个上升运动中心,形成“U”型结构。在倾斜上升的西南暖湿气流中,700 hPa暖式切变线和地面冷锋触发对流,对流相继沿500 hPa引导气流移动形成“U”型中尺度雨带,回波持续通过暴雨区产生“列车效应”。锋区上混合性降水的回波强度明显弱于对流性降水的回波强度,但降水范围较大、空间分布均匀、持续时间长,回波持续通过暴雨区导致累积降水量增大,造成此次山西中南部区域性暴雨。
4 极端性成因分析
4.1 物理量异常特征
选取1980—2018年发生在山西中南部地区的13次区域性暴雨过程作为统计对象,其中2005年9月20日山西中南部区域性暴雨过程(简称“20050920过程”)暴雨站数位居历史第二位、大雨以上量级降水站数位居历史第一位。计算山西中南部区域平均的不同物理量日极值及其标准化距平,分析此次区域性暴雨过程不同物理量的异常特征。仅列出20190911过程标准化距平值较大的物理量,即水汽条件相关的物理量(整层可降水量PWV、比湿q、水汽通量散度IFVQ)、热力条件相关的物理量(假相当位温θse、温度平流Tadv)及动力相关的物理量(散度Div)。
图6为20190911过程、20050920过程与历史同区域内区域性暴雨过程不同物理量|N|值的箱线图,表1列出20190911过程与历史同区域内区域暴雨过程的不同物理量值。结合图6和表1可以看出,20190911过程不同物理量的标准化距平值大,除700 hPa假相当位温(θse7)之外其余物理量的|N|值均达到2.5以上;20190911过程700 hPa和500 hPa的水汽、热力、动力条件均优于1980年以来山西中南部区域性暴雨过程的平均态,各物理量的|N|值达到各自|N|平均值的1.37~2.07倍;20190911过程的物理量异常存在极端性,除500 hPa水汽通量散度(IFVQ5)外,其余物理量的|N|值均超过各自的上四分位值,接近所有样本的最大值;20190911过程物理量的|N|值均高于20050920过程或与之相当,尤其是700 hPa比湿(q7)和500 hPa水汽通量散度的|N|值较20050920过程更加异常。另外,在历史同区域的区域性暴雨个例中,此次过程的整层可降水量(PWV)位居第3位,700 hPa和500 hPa比湿(q7、q5)分别位居第3、第2位,且数值分别为历史均值的1.22、1.34倍,700 hPa和500 hPa水汽通量散度(IFVQ7、IFVQ5)分别位居第1、第4位,且数值分别为历史均值的2.08、2.10倍,说明水汽条件极端异常;700 hPa和500 hPa假相当位温(θse7、θse5)分别位居第3、第2位,700 hPa和500 hPa温度平流(Tadv7、Tadv5)均位居第2位,说明中低层热量和能量条件的异常度也有一定的极端性;700 hPa散度(Div7)位居第3位,垂直速度位居第5位(表略),说明动力条件的异常度较强,但极端性不明显。
图6
图6
20190911过程、20050920过程与历史同区域内区域性暴雨过程不同物理量标准化距平绝对值(|N|)的箱线图
Fig.6
Box plots of absolute value of normalized anomaly (|N|) of different physical quantities during 20190911 process, 20050920 process and the historical regional rainstorm processes in the same region
表1 20190911过程与历史同区域内区域暴雨过程的不同物理量值的比较
Tab.1
| θse/℃ | Tadv/(10-5 ℃·s-1) | q/(g·kg-1) | IFVQ/(10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1) | Div7/ (10-5 s-1) | PWV/ mm | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| θse7 | θse5 | Tadv7 | Tadv5 | q7 | q5 | IFVQ7 | IFVQ5 | ||||||
| 平均值 | 60.66 | 64.13 | 75.90 | 6.69 | 7.94 | 3.86 | -1.01 | -0.48 | -1.39 | 37.02 | |||
| 最大值 | 73.47 | 75.68 | 116.8 | 12.45 | 10.65 | 5.72 | -0.32 | -0.15 | -0.28 | 47.92 | |||
| 上四分位 | 65.14 | 69.42 | 83.50 | 7.54 | 9.20 | 4.89 | -0.38 | -0.10 | -0.91 | 41.83 | |||
| 中位数 | 60.23 | 63.71 | 73.40 | 6.22 | 7.30 | 3.76 | -0.79 | -0.44 | -1.06 | 34.28 | |||
| 下四分位 | 53.92 | 60.04 | 66.00 | 4.82 | 6.71 | 3.08 | -1.77 | -1.04 | -2.02 | 31.23 | |||
| 最小值 | 51.98 | 54.39 | 58.10 | 2.42 | 5.64 | 2.02 | -2.10 | -1.33 | -3.05 | 28.41 | |||
| 20190911过程 | 65.27 | 72.15 | 98.10 | 11.14 | 9.71 | 5.17 | -2.10 | -1.01 | -2.29 | 42.35 | |||
注:θse7、θse5分别表示700、500 hPa假相当位温;Tadv7、Tadv5分别表示700、500 hPa温度平流;Div7为700 hPa散度;PWV为整层可降水量;q7、q5分别为700、500 hPa比湿;IFVQ7、IFVQ5分别为700、500 hPa水汽通量散度。
4.2 500 hPa位势高度场异常
极端降水事件的发生受大气环流异常控制,此次山西区域性极端暴雨过程发生在连阴雨过程期间。图7为2019年9月9日20:00至12日20:00 500 hPa高空槽和588 dagpm线及10日20:00至11日20:00 500 hPa平均位势高度标准化距平场。可以看出,500 hPa亚洲地区中纬度为“东高西低”的异常形势。暴雨过程前,9日20:00至10日20:00,贝加尔湖阻塞高压崩溃,切断低压填塞并分裂多股冷空气东移,内蒙古中东部的高空槽、蒙古西部的高空槽和新疆西部的高空槽相继影响或将影响山西,同时588 dagpm线迅速从海上西伸至西南地区。
图7
图7
2019年9月9日20:00至12日20:00 500 hPa高空槽(彩色实线)和588 dagpm线(彩色虚线)及10日20:00至11日20:00 500 hPa平均位势高度标准化距平场(阴影)
Fig.7
The upper trough (the color lines) and 588 dagpm line (the color dashed lines) on 500 hPa from 20:00 BST 9 to 20:00 BST 12 September, normalized anomaly field of average geopotential height on 500 hPa from 20:00 BST 10 to 20:00 BST 11 September 2019 (the shadow)
暴雨过程期间,10日20:00至11日20:00,蒙古东部、内蒙古以及华北地区500 hPa平均位势高度的N值超过1.5,形成阻挡形势,迫使高空槽移动缓慢,冷暖空气持续交汇;588 dagpm线呈块状控制黄淮及其以南地区,我国西南地区东部及其以东地区500 hPa平均位势高度的N值超过2。综上,东亚中高纬度为“东高西低”形势,副高位置异常偏西偏北、强度异常偏强,副高外围水汽和能量输送异常偏西、偏北,受下游阻挡形势影响,副高外围暖湿气流与高纬度地区东移南下冷空气持续交汇形成持续性降水。
4.3 低层风场异常
图8为2019年11日08:00 700 hPa和850 hPa风场及θse的标准化距平场。可以看出,此次暴雨过程期间,水汽和能量由副高外围西南急流输送至暴雨区,700 hPa西南急流异常强烈发展,南风的N值达2以上,表现为700~500 hPa存在异常强的暖湿输送,山西中南部θse的N值均达2~2.5[图8(a)];在700 hPa暖式切变线的持续作用下,暴雨区存在异常强的辐合,散度中心(-12×10-5 s-1)的|N|值超过2.5(图略),为极端降水事件的发生发展提供异常强的动力条件。850 hPa受异常强的偏东气流影响,纬向风的N值小于-2[图8(b)],一方面,暴雨区850 hPa冷平流中心(-22×10-5 ℃·s-1)和700 hPa暖平流中心(22×10-5 ℃·s-1)的|N|值均达到3,异常强的冷暖平流加强垂直方向的锋生,同时,2 m温度距平场华北地区中南部为异常冷中心[图4(b)],较气候平均态偏低2 ℃以上,在低层形成异常的冷垫,西南低、东北高的楔形冷垫和锋区为暖湿气流爬升提供持久的动力条件;另一方面,在暴雨过程后期偏东风转为东南风并加强,暴雨区低层的水汽补充和偏东风与偏西风形成的辐合抬升随之增强,有利于降水的持续。
图8
图8
2019年9月11日08:00 700 hPa(a)和850 hPa(b)风场(箭矢,单位:m·s-1)及θse(阴影)的标准化距平场
Fig.8
Wind field (the arrow vectors, Unit: m·s-1) and normalized anomaly field of θse (the shadow) on 700 hPa (a) and 850 hPa (b) at 08:00 BST 11 September 2019
综上所述,此次过程发生在副高位置异常偏西、偏北,且强度异常偏强的大尺度环流背景下,700~500 hPa异常强的暖湿输送为极端降水事件的发生提供充足的水汽和能量,稳定的700 hPa暖式切变线与异常的低层冷垫在暴雨过程中提供持续的动力条件,形成有利的暴雨天气形势,异常的环流形势和天气系统导致山西中南部区域性极端暴雨的产生。
4.4 异常强的水汽输送和辐合
图9为2019年9月11日02:00 500、700、850 hPa水汽通量、水汽通量散度和水汽通量散度标准化距平场。可以看出,伴随副高西伸北抬,副高西北侧西南气流加强,11日02:00,500 hPa从西南地区西部到黄河河套地区的水汽通道建立,水汽通量大值区向东北方向伸展至山西北部,山西西部和南部的水汽通量为7~9 g·hPa-1·cm-1·s-1,N值达3~6,水汽通量散度为-1×10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1,N值为-2[图9(a)]。11日02:00,700 hPa西南急流增强,山西西部和南部水汽通量达到14~18 g·hPa-1·cm-1·s-1,N值达4~5;山西中部偏西地区水汽通量散度中心值为-4×10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1,南部水汽通量散度小于-2×10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1,N值均小于-3[图9(b)];11日08:00,山西中部偏西地区水汽通量散度中心值增强到-7×10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1,N值达-7(图略)。10日08:00,850 hPa受异常偏东急流影响,水汽输送带位于渤海和黄海经河北中部到山西东部,山西东部水汽通量为4~8 g·hPa-1·cm-1·s-1,N值为1~3(图略);11日02:00,伴随地面冷高压南下,850 hPa偏东风中南风分量增大,水汽输送增强,山西西部和南部水汽通量增强到10~14 g·hPa-1·cm-1·s-1,N值达3~5,山西中南部除山区外始终为水汽通量辐合区,水汽通量散度增大到-6×10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1,N值达-4[图9(c)]。三股来自不同方向的气流给山西中南部带来充沛的水汽,在500 hPa异常强的西南水汽输送、700 hPa异常强的偏南水汽输送和辐合以及850 hPa异常强的偏东水汽输送和辐合的共同作用下,9—11日山西中南部地区整层大气可降水量增大且异常偏高,11日08:00山西中南部整层大气可降水量达到35~50 mm以上,较10日增幅10%~20%,N值达2以上(图略)。
图9
图9
2019年9月11日02:00 500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)水汽通量(矢量箭头,仅显示大于4 g·hPa-1·cm-1·s-1)、水汽通量散度(红色等值线,仅显示负值,单位:10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1)和水汽通量散度标准化距平场(阴影)
Fig.9
The moisture flux (the arrow vectors, only plotting the value greater than 4 g·hPa-1·cm-1·s-1), divergence of moisture flux (the red isolines, only plotting negative values, Unit: 10-5 g·hPa-1·cm-2·s-1) and normalized anomaly field of divergence of moisture flux (the shadow) on 500 hPa (a), 700 hPa (b) and 850 hPa (c) at 02:00 BST 11 September 2019
为进一步分析对降水贡献最大的水汽输送方向和层次,将山西中南部水汽收支区域分为东(35°N—39°N,114°E)、西(35°N—39°N,110°E)、南(35°N,110°E—114°E)、北(39°N,110°E—114°E)4个边界(图1),取地面至700 hPa、700~500 hPa、500~300 hPa和地面至300 hPa分别作为对流层低层、中低层、高层和整层,不同边界、不同层次的水汽输送通量为单位边长上的水汽通量垂直厚度积分,通过边界向暴雨区有水汽净输入时,水汽输送通量为正值,水汽输送通量为负值时表示有水汽净输出,东、西、南、北4个边界水汽输送通量之和为总边界水汽输送通量。图10为2019年9月10日08:00至11日20:00逐6 h对流层高层、中低层、低层和整层山西中南部边界水汽输送通量演变。可以看出,对流层高层以西、南边界水汽输入和东、北边界水汽输出为主,11日随偏西气流加强,西边界水汽输入和东边界水汽输出相继加强,总边界水汽收支始终为“正、负”波动状态[图10(a)]。暴雨过程期间除个别时次外中低层南边界和西边界均为水汽净输入,在11日02:00—08:00达到最强,随着偏东气流加强,东边界由水汽输出转为水汽输入,11日08:00总边界水汽净输入达到最强,水汽输送通量为607 g·cm-1·s-1 [图10(b)]。对流层低层东边界和南边界始终为水汽净输入,暴雨过程前东边界水汽输入较强,暴雨过程期间南边界水汽输入加强,而北边界和西边界均为水汽净输出,尤其是西边界在暴雨过程期间存在持续且较强的水汽输出,导致总边界也为持续的水汽输出[图10(c)]。10日20:00至11日14:00,对流层高层、中低层、低层总边界水汽输送通量分别为-30.9、279、-90.2 g·cm-1·s-1,分别占整层水汽净输入的10.6%、66.9%、22.5%;西、东、南边界整层水汽输送通量分别为182.5、-62.7、274.7 g·cm-1·s-1,分别占总边界水汽净输入的52.1%、10.8%、37.1%。由整层水汽收支情况[图10(d)]可以看到,随着西边界由水汽输出转为水汽输入和南边界水汽输入加强,总边界由水汽输出转为水汽输入。可见,500~700 hPa西南气流异常提供了强水汽输送,且11日02:00—08:00为水汽输入最强时段,对流层中低层西边界和南边界的水汽净输入总和分别占整个暴雨过程期间对流层中低层、整层总边界水汽净输入的58.8%和39.3%,是本次极端区域暴雨过程水汽输送的主要贡献者。850 hPa异常偏东气流对暴雨区水汽输入的贡献相对较小,有一定的低层水汽补充作用,其更大作用是起到冷垫和东部阻挡作用,有利于加强动力抬升作用和延长降水持续时间。
图10
图10
2019年9月10日08:00至11日20:00逐6 h山西中南部边界对流层高层(a)、中低层(b)、低层(c)和整层(d)水汽输送通量
Fig.10
The 6-hour water vapor transport flux of the south-central border of Shanxi Province in the upper (a), middle (b), lower (c) and the whole (d) troposphere from 08:00 BST 10 to 20:00 BST 11 September 2019
5 结论
(1)2019年10—11日山西中南部出现区域性极端暴雨过程,具有影响范围大、连续降水持续时间长、降水强度不强、暴雨范围大的特点,暴雨站数位居9月历史第1位,大雨以上量级降水站数位居第2位,46站发生极端日降水事件,其中11站突破9月历史极值。
(2)588 dagpm线西伸至110°E以西配合高空槽东移形成有利的暴雨天气形势,副高和高空槽、700 hPa西南急流和暖式切变线、850 hPa偏东气流、地面冷高压和冷锋是造成此次降水天气过程的天气尺度系统,为区域性暴雨的发生提供了充足的水汽和持久的动力条件。在倾斜上升的西南暖湿气流中存在位势不稳定层,700 hPa暖式切变线和地面冷锋触发对流形成“U”型中尺度雨带,回波持续通过暴雨区产生“列车效应”。
(3)此次暴雨过程以700~500 hPa暖湿输送异常为主,水汽和热力条件相关的物理量|N|值超过2.5,为平均态的1.38~2.07倍,超过历史相关统计值的上四分位值,接近最大值,且大多物理量值位居样本前三位,水汽和热力条件均表现出极端性。
(4)受副高位置异常偏西、偏北且强度异常偏强的影响,暖湿输送位置随之偏西偏北且提供异常充足的水汽和能量,700~500 hPa西边界和南边界水汽净输入对极端降水的发生起到至关重要作用。稳定的700 hPa暖式切变线与异常的低层冷垫提供持续的动力条件,850 hPa异常偏东气流起到加强低层冷垫的作用及低层水汽补充作用,异常充沛的水汽和水汽辐合在暴雨区长时间维持是此次过程中弱对流和稳定性降水形成区域性极端暴雨的主要原因。
