0 引言
极端暴雨出现概率小，但对社会生产生活影响重大。华北是中国3个暴雨集中分布区之一（Tao and Ding，1981），该区域暴雨强度强、灾害重，因此一直受到气象学者的高度关注（孙建华等，2005；张文龙和崔晓鹏，2012；许敏等，2022；邢蕊等，2023）。有研究从天气尺度环流背景及影响系统、中低纬系统互相作用、暴雨中小尺度系统、地形作用等方面探讨华北极端暴雨成因（高蓉等，2018；丁一汇，2019；Xia and Zhang，2019；唐懿等，2022），发现异常强盛的水汽在极端暴雨中起重要作用（张桂莲等，2018；田付友等，2021）。针对2016年7月19—20日华北极端强降水的研究发现，此次过程以暖云降水为主，且明显受地形影响；黄淮气旋、西南和东南低空急流的异常发展，整层可降水量达60~70 mm，局地超过70 mm的异常充沛水汽等，为此次强降水过程提供了有利动力抬升和水汽条件（陈涛等，2017；符娇兰等，2017；赵思雄等，2018）。2012年北京“7·21”特大暴雨具有非常充沛的水汽供应，北京西南部大气整层可降水量达70 mm以上，北京地区850 hPa水汽通量距平甚至达到6倍标准差（谌芸等，2012；孙继松等，2012；孙军等，2012），500 hPa以下中低层经向水汽输送起重要作用（王婧羽等，2014）。产生极端暴雨的中尺度系统的组织和移动也与不同天气尺度的水汽输送有关（孙继松等，2015）。充沛的水汽是产生暴雨的必要条件（朱乾根等，2000；赵思雄和孙建华，2019；王佳津等，2023），水汽相关物理量异常是判断极端降水的重要因素。
山西位于华北西南部，地处黄土高原，强降水极易诱发洪涝、泥石流、采空区塌陷等次生灾害。研究发现，1979—2018年山西极端降水日数呈明显增加趋势，北部和中部极端降水强度明显增强（李兆奇等，2022），极端暴雨时有发生（赵桂香等，2013；王思慜等，2017）；1960年以来山西暴雨日数变化趋势并不明显（董伯纲和于洋，2022），但1981—2018年山西6 h、12 h降水量≥50 mm的短历时暴雨年均出现站次明显增长（苗爱梅等，2020）。近年对山西区域极端暴雨成因的研究发现，西风槽东移、副热带高压（简称“副高”）先北上后稳定或东退、低空偏南急流加强是山西极端暴雨发生的重要背景（苗爱梅等，2008；赵桂香等，2013；苗爱梅等，2014），极端水汽条件对极端暴雨的产生具有重要作用（苗青等，2021），西南和东南急流的强水汽输送对山西大暴雨具有重要贡献（苗爱梅等，2010），特殊地形对山西强降水影响显著，暴雨中心多位于太行山中南部的山地迎风坡（郝寿昌等，2016）。目前山西极端暴雨研究多集中于个例天气动力学诊断、多尺度系统影响和数值模拟、概念模型建立等，针对其气候特征、影响系统和物理量异常特征的系统性研究明显不足。因此，本文利用实况观测资料和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大气再分析资料（ERA5）等，对1981—2018年6—9月山西极端暴雨的气候特征和影响系统进行综合分析，并重点定量分析水汽异常特征，为改进山西极端暴雨预报技术提供参考依据。
1 资料与方法
1.1 资料
本研究所用数据：1）山西省气象信息中心整理的108个国家气象站1981—2018年6—9月日降水量和小时降水量观测数据；2）1981—2018年6—9月山西极端暴雨日地面及探空Micaps数据；3）ECMWF-ERA5数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，包括1981—2010年6—9月每日逐3 h的700、850 hPa经向风、纬向风、比湿，以及山西极端暴雨日逐3 h地面气压场、1 000~200 hPa共21层位势、经向风、纬向风、比湿等。
1.2 方法
极端暴雨的定义目前尚无统一标准，但从降水范围、强度、历时来描述没有歧义，如孙继松等（2015）结合24 h降水量和雨强定义了北京极端暴雨，肖递祥等（2017）结合本地气候特征定义了四川极端暴雨。《山西省天气预报技术手册》（郝寿昌等，2016）将山西省24 h有10个或以上国家站出现暴雨称为一次区域暴雨。因此，本文根据山西气候特点，结合以上规定，并突出大暴雨站数和单站雨量极端性，将满足以下两个条件之一的降水定义为极端暴雨：1）1个或以上站点24 h降水量[下同）]≥200 mm，且同时段有10个或以上站点24 h降水量≥50 mm；2）5个或以上站点24 h降水量≥100 mm，且同时段有10个或以上站点24 h降水量≥50 mm。当同一暴雨过程在08：00—08：00和20：00—20：00均满足极端暴雨条件时，以暴雨中心降水量最大时段作为极端暴雨日统计。
暴雨过程定义：对极端暴雨日所处的暴雨过程，以24 h内全省有3站及以上出现暴雨为暴雨过程开始时间，结束时间为24 h内暴雨站数减少至3站以下；将持续时间达48 h及以上的暴雨过程称为一次持续性暴雨过程。
要素异常度采用标准化距平（Hart and Grumm， 2001）计算，具体公式如下：
式中：N为异常度，其绝对值越大表示偏离气候均态越远；X为某日某时刻要素值；μ、σ分别为该日该时刻要素的气候均值和标准差，是基于ERA5资料，计算该日与其前后5 d共11 d要素该时刻1981—2010年均值和标准差的均值得到。以极端暴雨日3站以上成片暴雨站点（各站相邻经度、纬度相差均小于0.5°）的最东、最西经度和最南、最北纬度围成的方形区域作为暴雨区，研究物理量异常特征。
2 基本气候特征
根据以上极端暴雨标准，1981—2018年6—9月山西共出现17次极端暴雨（表1），其中12次个例暴雨中心降水量均为研究时段内本站历史排位第一；所有过程均出现在7—9月，其中7月出现最多，达10次，其次是8月，达6次，9月只出现1次；最早出现时间在7月2日，发生于2011年，最晚出现时间在9月20日，发生于2005年。极端暴雨平均2.2 a出现1次，近38 a极端暴雨随各年代呈增长趋势，其中20世纪80年代出现3次，20世纪90年代和21世纪最初十年均出现4次；21世纪第二个十年以来极端暴雨明显多发，出现6次，且均发生在7月。
表1 1981—2018年6—9月山西省极端暴雨个例统计
Tab.1
| 序号 | 时段 | 日期 | ≥50 mm站数 | ≥100 mm站数 | 暴雨中心 降水量/ mm | 暴雨中心 站点 | 本站暴雨中心降水量排位 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 20：00—20：00 | 1981-08-15 | 27 | 13 | 187.5 | 永和 | 1 |
| 2 | 20：00—20：00 | 1982-07-30 | 17 | 4 | 207.0 | 垣曲 | 3 |
| 3 | 20：00—20：00 | 1989-08-16 | 30 | 5 | 151.7 | 沁源 | 2 |
| 4 | 20：00—20：00 | 1992-08-31 | 23 | 6 | 160.0 | 汾西 | 1 |
| 5 | 20：00—20：00 | 1993-08-4 | 29 | 6 | 131.6 | 灵石 | 1 |
| 6 | 20：00—20：00 | 1996-07-31 | 13 | 5 | 178.8 | 安泽 | 1 |
| 7 | 20：00—20：00 | 1996-08-04 | 27 | 6 | 163.8 | 和顺 | 1 |
| 8 | 20：00—20：00 | 2001-07-27 | 49 | 8 | 127.9 | 黎城 | 1 |
| 9 | 20：00—20：00 | 2003-08-26 | 29 | 12 | 117.3 | 安泽 | 5 |
| 10 | 20：00—20：00 | 2005-09-20 | 39 | 5 | 165.5 | 安泽 | 2 |
| 11 | 08：00—08：00 | 2007-07-29 | 24 | 4 | 313.3 | 垣曲 | 1 |
| 12 | 08：00—08：00 | 2011-07-02 | 27 | 6 | 141.0 | 绛县 | 1 |
| 13 | 20：00—20：00 | 2012-07-21 | 19 | 5 | 126.4 | 偏关 | 1 |
| 14 | 20：00—20：00 | 2012-07-31 | 37 | 3 | 221.2 | 晋城 | 1 |
| 15 | 20：00—20：00 | 2013-07-10 | 16 | 5 | 158.4 | 阳城 | 1 |
| 16 | 08：00—08：00 | 2016-07-08 | 18 | 6 | 169.3 | 交口 | 2 |
| 17 | 08：00—08：00 | 2016-07-19 | 39 | 10 | 223.3 | 阳泉 | 1 |
极端暴雨主要出现在山西中南部（图1），其中大暴雨高发区位于长治西部至临汾东北部及晋城西南部（图略），极端暴雨中心主要位于38°N以南，其中以东南部太岳山、太行山区出现最多；极端暴雨只有1次出现在北部，其暴雨中心位于西北部。
图1
图1
1981—2018年6—9月山西省17次极端暴雨过程50 mm及以上暴雨站次（实线，单位：次）及暴雨中心站点（红色圆点）分布
（彩色填色为地形高度，单位：m）
Fig.1
The distribution of rainstorm stations frequency （solid lines， Unit： times） with daily precipitation equal to and more than 50 mm and rainstorm center stations （red dots） of 17 extreme rainstorm processes in Shanxi Province from June to September during 1981-2018
（The color shaded is terrain height，Unit： m）
山西极端暴雨具有明显夜雨特征，17次过程中12次暴雨中心夜间（20：00—08：00）降水量大于白天（08：00—20：00），暴雨中心夜间平均降水量占24 h平均降水量的61%。夜雨特征与夜间影响系统东移南压、低空急流加强有关。
图2为1981—2018年6—9月山西省17次极端暴雨出现时段及对应暴雨过程持续时间（如个例17，暴雨过程时间是2016年7月18日08：00—20日20：00，过程持续60 h，极端暴雨出现在2016年7月19日08：00—20日08：00，即极端暴雨所在时段是24~48 h）。可以看出，13次暴雨过程持续时间在48 h及以上，为持续性暴雨，其中最长持续时间达108 h；24 h极端暴雨均发生在暴雨过程的前48 h内，其中以暴雨过程开始后12~36 h时段最多，达10次，其次在24~48 h时段，为4次。
图2
图2
1981—2018年6—9月山西省17次极端暴雨出现时段及对应暴雨过程持续时间
Fig.2
The occurrence time of 17 extreme rainstorms and the duration of corresponding rainstorm processes in Shanxi Province from June to September during 1981-2018
3 环流背景特征
研究主要环流影响系统，发现1981—2018年6—9月山西17次极端暴雨发生在700 hPa低涡（9例，占53%）、西风带低槽（涡）与台风相互作用（5例，占29%）、冷涡（2例，占12%）及台风低压（1例，占6%）4种环流背景下；前两型占全部极端暴雨个例的82%，是山西发生极端暴雨的主要环流背景。
3.1 700 hPa低涡型
图3（a）为700 hPa低涡型极端暴雨发生期间（如极端暴雨发生在20：00—20：00用期间08：00、发生在08：00—08：00用期间20：00，下同）环流要素平均的合成场。可以看出，500 hPa河套至山西有浅槽，副高位于32°N以南、110°E以东地区；700 hPa河套至山西有明显的气旋性环流，8~10 m·s-1强西南气流进入山西南部，为强降水提供充沛水汽。从个例分析看，700 hPa低涡为西北涡或极端暴雨过程中生成于甘肃东部、宁夏、陕西北部到山西的低涡，强度为304~312 dagpm；9次极端暴雨过程中有8次700 hPa均有西南急流伸展到105°E—115°E、34°N以北，7次过程暴雨区位于200 hPa分流区。此型暴雨区主要呈东西向带状分布，8次过程出现在山西中南部，1次出现在山西北部。如2012年7月21日[个例13，图3（b）]，西北涡在西风槽前偏南气流引导下进入河套至山西，西南急流深入山西中北部，低空急流的左前方辐合区是高空急流核右后侧辐散区，高低空急流的上升区耦合，西北涡发展加强，造成山西北部的极端暴雨[图3（c）]。
图3
图3
700 hPa低涡型极端暴雨发生期间环流合成场（黑色实线为500 hPa平均位势高度，单位：dagpm；箭矢和彩色填色分别为700 hPa平均风场和风速，单位：m·s-1）（a），2012年7月21日08：00 500 hPa位势高度（黑色实线，单位：dagpm）、700 hPa风场（箭矢）和风速（彩色填色）（单位：m·s-1）、200 hPa≥40 m·s-1风速区（紫色实线，单位：m·s-1）（b），2012年7月20日20:00—21日20:00山西省降水量（单位：mm）空间分布（c）
（红色实线区域为山西省。下同）
Fig.3
Circulation composite field during the occurrence of 700 hPa low vortex pattern extreme rainstorms (black solid lines represent average geopotential height on 500 hPa, Unit: dagpm; arrow vectors and color shaded represent 700 hPa average wind field and wind speed, respectively, Unit: m·s-1) (a), 500 hPa geopotential height field (black solid lines, Unit: dagpm), 700 hPa wind field (arrow vectors) and wind speed (color shaded) (Unit: m·s-1), the area of wind speed greater than or equal to 40 m·s-1 on 200 hPa (purple solid lines, Unit: m·s-1) at 08:00 on 21 July 2012 (b), the spatial distribution of precipitation (Unit: mm) in Shanxi Province from 20:00 on 20 to 20:00 on 21 July 2012 (c)
(The red solid line area is Shanxi Province. the same as below)
3.2 西风带低槽(涡)与台风相互作用型
西风带低槽（涡）与台风相互作用型极端暴雨期间环流要素平均合成场[图4（a）]显示，500 hPa西风槽位于河套，山西处于槽前，台风中心在台湾附近；700 hPa台风东北侧、副高西南侧合并的东南气流进入山西，与河套中偏北气流形成切变辐合，台风的作用主要是700 hPa以下偏东风水汽输送。个例分析表明，该型500 hPa多为西太平洋副高与大陆副高对峙，两高之间西风槽（涡）东移进入河套，当台风从福建沿海登陆进入江西时，700 hPa台风外围东南风急流可深入山西，暴雨区位于山西南部；当台风只登陆福建沿海，或台风中心位于台湾南部或以东洋面[121°E—126°E，20°N—23.5°N（850 hPa位置）]时，700 hPa台风东北侧与副高西南侧合并的偏东气流伸入鄂北、豫西北，与低空切变线前偏南气流汇合北折进入山西，偏南风可达10 m·s-1以上，造成山西极端暴雨，如1992年8月31日山西中西部、西南部极端暴雨[个例4，图4（b）、（c）]。
图4
图4
西风带低槽（涡）与台风相互作用型极端暴雨发生期间环流合成场（黑色实线为500 hPa平均位势高度，单位：dagpm；箭矢和彩色填色分别为700 hPa平均风场和风速，单位：m·s-1）（a），1992年8月31日08：00 500 hPa位势高度（黑色实线，单位：dagpm）、700 hPa风场（箭矢）和风速（彩色填色，单位：m·s-1）（b），1992年8月30日20：00—31日20：00山西省降水量（单位：mm）空间分布（c）
Fig.4
Circulation composite field during the extreme rainstorms of interaction pattern between westerly low trough (vortex) and typhoon (black solid lines represent average geopotential height on 500 hPa, Unit: dagpm; arrow vectors and color shaded represent 700 hPa average wind field and wind speed, respectively, Unit: m·s-1) (a), 500 hPa geopotential height field (black solid lines, Unit: dagpm), 700 hPa wind field (arrow vectors) and wind speed (color shaded) (Unit: m·s-1) at 08:00 on 31 August 1992 (b), the spatial distribution of precipitation (Unit: mm) in Shanxi Province from 20:00 on 30 to 20:00 on 31 August 1992 (c)
3.3 冷涡型
图5
图5
2016年7月19日20：00 500 hPa位势高度场（黑色实线，单位：dagpm）、700 hPa风场（箭矢）及风速（彩色填色）（单位：m·s-1）（a），2016年7月19日08：00—20日08：00山西省降水量（单位：mm）空间分布（b）
Fig.5
The 500 hPa geopotential height field (black solid lines, Unit: dagpm), wind field (arrow vectors) and wind speed (color shaded) (Unit: m·s-1) on 700 hPa at 20:00 on 19 July 2016 (a), the spatial distribution of precipitation (Unit: mm) in Shanxi Province from 08:00 on 19 to 08:00 on 20 July 2016 (b)
3.4 台风低压型
图6
图6
1996年8月4日08：00 500 hPa位势高度场（黑色实线，单位：dagpm）、700 hPa风场（箭矢）及风速（彩色填色）（单位：m·s-1）（a），1996年8月3日20：00—4日20：00山西省降水量（单位：mm）空间分布（b）
Fig.6
The 500 hPa geopotential height field (black solid lines, Unit: dagpm), wind field (arrow vectors) and wind speed (color shaded) (Unit: m·s-1) on 700 hPa at 08:00 on 4 August 1996 (a), the spatial distribution of precipitation (Unit: mm) in Shanxi Province from 20:00 on 3 to 20:00 on 4 August 1996 (b)
4 极端暴雨水汽异常特征
4.1 水汽来源
充足的水汽供应是极端暴雨产生的物质基础，但在不同环流背景下水汽来源存在差异。研究发现，700 hPa低涡型水汽主要源于孟加拉湾和南海[图7（a）]，从个例看，9次极端暴雨过程中5次主要来源于孟加拉湾，3次过程源于来自孟加拉湾和南海的两股水汽合并成的偏南水汽输送，1次源于南海；西风带低槽（涡）与台风相互作用型水汽主要来源于黄海和东海[图7（b）]；冷涡型水汽均源于孟加拉湾和南海 [图7（c）]；以上3型88%的过程暴雨区最大整层水汽通量达300 kg·m-1·s-1以上，其中冷涡型均超过400 kg·m-1·s-1。台风低压型水汽来源于南海[图7（d）]，山西东部暴雨区整层水汽通量最大超过1 000 kg·m-1·s-1，为17次极端暴雨中水汽输送之最。
图7
图7
700 hPa低涡型(a)、西风带低槽(涡)与台风相互作用型(b)极端暴雨发生期间地面至300 hPa垂直积分水汽通量合成场(箭矢及阴影，单位：kg·m-1·s-1)，冷涡型典型个例2007年7月29日20：00（c）、台风低压型个例1996年8月4日08：00（d）地面至300 hPa垂直积分水汽通量(箭矢及阴影，单位：kg·m-1·s-1)
(黑色实线区域为山西省)
Fig.7
The composite fields of vertical integrated vapor flux from the ground to 300 hPa (arrows and shaded, Unit: kg·m-1·s-1) during extreme rainstorms of 700 hPa low vortex pattern (a) and interaction pattern between westerly low trough (vortex) and typhoon (b), the vertical integrated vapor flux from the ground to 300 hPa (arrows and shaded, Unit: kg·m-1·s-1) at 20:00 on 29 July 2007 for typical case of cold vortex pattern (c), and 08:00 on 4 August 1996 for the case of typhoon low pressure pattern (d)
(The black solid line area is Shanxi Province)
4.2 水汽异常分析
在形势识别基础上，物理量异常度是短期预报中判别极端暴雨的重要依据。一般认为要素偏离气候均值2 σ为异常，但不同地域、不同物理量需要在大量统计分析基础上区别判断。
4.2.1 低空比湿
图8为1981—2018年6—9月山西省17次极端暴雨过程850、700 hPa暴雨区降水开始时刻、过程最大平均比湿及其平均异常度箱线图，可以看出，850 hPa，极端暴雨开始时刻，50%的过程暴雨区平均比湿达14.2 g·kg-1以上、比湿平均异常度超过1.0；降水过程中，13次过程暴雨区出现至少3 h比湿增长，从暴雨区平均比湿过程最大值及其平均异常度看，17次过程比湿均超过12.0 g·kg-1，75%的过程达14.2 g·kg-1以上、异常度超过1.0；25%的过程比湿超过15.9 g·kg-1、异常度超过1.5。结合个例看，7—8月中旬的过程暴雨区平均比湿过程最大值均超过14.0 g·kg-1。
图8
图8
1981—2018年6—9月山西省17次极端暴雨过程850、700 hPa暴雨区降水开始时刻、过程最大平均比湿（a，单位：g·kg-1）及其平均异常度（b）箱线图
Fig.8
The box plot of average specific humidity at the rain beginning and the maximum average specific humidity during the process over the rainstorm area on 850， 700 hPa （a， Unit： g·kg-1） and the corresponding average abnormal degree （b） of 17 extreme rainstorm processes in Shanxi Province from June to September during 1981-2018
700 hPa比湿明显偏大。极端暴雨开始时刻，50%的过程暴雨区平均比湿超过9.6 g·kg-1、比湿平均异常度超过1.3；各极端暴雨过程中，暴雨区比湿均有连续6~24 h的增长，从暴雨区平均比湿过程最大值及其平均异常度看，75%的过程比湿超过9.8 g·kg-1、异常度超过1.6，出现在除冷涡型外的其他3型中；25%的过程比湿超过11.7 g·kg-1、异常度超过2.3，异常度最大可达2.6。
综合以上分析，当700 hPa最大比湿≥10.0 g·kg-1，850 hPa最大比湿≥14.0 g·kg-1、≥12.0 g·kg-1可分别作为7—8月中旬、8月中旬后极端暴雨的低空水汽含量预报参考阈值。
4.2.2 水汽通量辐合
大气中水汽主要集中在对流层低层，因此低层水汽通量辐合强度是判断降水强度的核心因子。山西极端暴雨出现时，低空均有强水汽辐合中心维持在暴雨区；从极端暴雨中700、850 hPa暴雨区水汽通量辐合中心过程最大值看，17次过程均值分别为-17×10-7、-28×10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1，对应异常度均值分别达-8，-6，75%的过程分别达-10×10-7、-23×10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1以下，对应异常度均小于等于-5（表略），该异常度可以作为极端暴雨低空水汽辐合强度预报参考阈值。
700 hPa低涡型由于受低涡横切变线影响，低空水汽通量辐合区多呈准东西向[图9（a）、（b）]，9次过程中700、850 hPa暴雨区辐合中心过程最大值均值分别达-18×10-7、-29×10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1，对应异常度均值分别为-8、-6（表2）。西风带低槽（涡）与台风相互作用型低空水汽通量辐合区多呈带状[图9（c）、（d）]，5次极端暴雨过程中700、850 hPa暴雨区辐合中心过程最大值均值分别为-12×10-7、-18×10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1，对应异常度均值分别为-6、-4，辐合较弱。冷涡型低空水汽通量辐合区呈准南北向[图9（e）、（f）]，2次过程700、850 hPa暴雨区辐合中心过程最大值均值分别为-19×10-7、-33×10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1，对应异常度均值分别为-9、-7，低空水汽辐合强；2016年7月19日的极端暴雨（个例17），700 hPa暴雨区辐合中心过程最大值达-31×10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1、异常度达-15，为17次极端暴雨700 hPa最强水汽通量辐合。台风低压型低空水汽通量辐合区呈人字形[图9（g）、（h）]，极端暴雨过程中700、850 hPa暴雨区辐合中心过程最大值分别达-24×10-7、-55×10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1，对应异常度分别达-11、-12，850 hPa具有17次极端暴雨中最强水汽通量辐合。
图9
图9
700 hPa低涡型（a、b）、西风带低槽（涡）与台风相互作用型（c、d）、冷涡型（e、f）极端暴雨典型个例及台风低压型（g、h）极端暴雨700、850 hPa水汽通量散度（黑色实线，单位：10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1）及其负异常度（彩色填色）
（红色方框为暴雨区）
Fig.9
The water vapor flux divergence （black solid lines， Unit： 10-7 g·cm-2·s-1·hPa-1） on 700， 850 hPa and its negative abnormal degree （color shaded） of extreme rainstorm typical case of 700 hPa low vortex pattern （a， b）， interaction pattern between westerly low trough （vortex） and typhoon （c， d）， cold vortex pattern （e， f）， and typhoon low pressure pattern （g， h） extreme rainstorm
（The red box is rainstorm area）
表2 不同环流分型下山西极端暴雨700、850 hPa暴雨区水汽通量辐合中心过程最大值及其异常度统计
Tab.2
| 统计量 | 700 hPa | 850 hPa | ||
|---|---|---|---|---|
| 水汽通量辐合中心过程最大值/（10-7g·cm-2·s-1·hPa-1） | 异常度 | 水汽通量辐合中心过程最大值/（10-7g·cm-2·s-1·hPa-1） | 异常度 | |
| 700 hPa低涡型均值 | -18 | -8 | -29 | -6 |
| 西风带低槽（涡）与台风相互作用型均值 | -12 | -6 | -18 | -4 |
| 冷涡型均值 | -19 | -9 | -33 | -7 |
| 台风低压型 | -24 | -11 | -55 | -12 |
5 概念模型
在环流分型和水汽异常分析基础上，选取暴雨站数最多的过程作为典型个例，总结700 hPa低涡型、西风带低槽（涡）与台风相互作用型极端暴雨概念模型。
700 hPa低涡型：500 hPa西风槽东移，槽前正涡度平流诱发700 hPa低涡在河套至山西区域生成发展，低空西南急流加强北伸，低涡与200 hPa分流区耦合使得低空辐合高空辐散加强了动力抬升，加之低涡切变线形成的强烈低空水汽辐合产生极端暴雨。概念模型（2001年7月27日，个例8）[图10（a）]可见，极端暴雨主要出现在700 hPa低涡东南侧、700 hPa与850 hPa横切变线之间，暴雨中心靠近低空急流左侧，位于850 hPa急流头左侧气旋性辐合区。
图10
图10
700 hPa低涡型（a）、西风带低槽(涡)与台风相互作用型（b）极端暴雨典型个例概念模型
Fig.10
Conceptual model of extreme rainstorm typical case of 700 hPa low vortex pattern (a), interaction pattern between westerly low trough (vortex) and typhoon (b)
西风带低槽（涡）与台风相互作用型：500 hPa西风槽移入河套，850 hPa有低涡环流生成，台风东北侧、副高西南侧东南气流西北伸，与低空切变线前侧的偏南气流在鄂北至豫西北附近汇合加强进入山西，低涡切变线附近持续水汽辐合造成极端暴雨。此型台风带来的水汽造成低空比湿常异常偏高，暴雨区700 hPa比湿常超过11.0 g·kg-1，且副高位置较700 hPa低涡型偏北，对西风槽形成阻挡，使系统移动较慢从而形成大的累积降水量。概念模型（2012年7月31日，个例14）[图10（b）]可见，暴雨区主要位于850 hPa准南北向切变线东侧、横切变线两侧2个纬距内，暴雨中心在横切变线南侧。
6 结论与讨论
文章筛选了1981—2018年6—9月山西17次极端暴雨个例，对其影响系统进行天气学环流分型，应用标准化距平作为异常度对极端暴雨水汽异常特征进行研究，并构建不同环流分型典型个例概念模型和水汽相关预报指标，得到如下结论。
山西极端暴雨主要出现在7—8月，平均2.2 a出现1次，2010年以来明显多发；极端暴雨多处于持续性暴雨过程中，并具有明显夜雨特征，暴雨落区主要在山西中南部。
山西极端暴雨的主要影响系统是低涡和台风，可分为700 hPa低涡、西风带低槽（涡）与台风相互作用、冷涡和台风低压4种环流类型；前两种环流型下的极端暴雨占82%，低涡包括西北涡以及在暴雨过程中生成于陇东、陕北至山西的低涡，台风主要通过台风外围水汽向山西输送影响强降水。冷涡背景下山西降水过程很多，但冷涡中心南落至河套至山西区域的异常环流导致山西极端暴雨并不多见。台风减弱低压直接影响造成极端暴雨的情况极为少见，38 a间仅出现过1次。
水汽是山西极端暴雨的决定性因素，包括暴雨区大范围水汽输送、水汽含量和水汽辐合3个方面。极端暴雨水汽输送有来自孟加拉湾、南海的偏南和来自东海、黄海的偏东两条通道。极端暴雨中暴雨区对流层低层水汽含量明显偏高，以暴雨区平均比湿的过程最大值及对应平均异常度为诊断量：850 hPa均超过12.0 g·kg-1，大部分过程达14.2 g·kg-1以上、异常度达1.0以上；700 hPa大部分过程超过9.8 g·kg-1、异常度达1.6以上。水汽输送的极端性在暴雨区低层水汽通量辐合中心表现突出，17次过程700、850 hPa暴雨区水汽通量辐合中心过程最大值的异常度均值分别达-8、-6，台风低压型850 hPa水汽通量辐合中心最大异常度高达-12。当700 hPa最大比湿≥10.0 g·kg-1时，850 hPa最大比湿≥14.0 g·kg-1、≥12.0 g·kg-1可分别作为山西7—8中旬、8月中旬后山西极端暴雨预报的比湿参考阈值；700、850 hPa水汽通量辐合中心异常度达-5可作为极端暴雨低空水汽辐合强度的预报参考阈值。
根据环流背景和水汽异常特征分析，结合典型个例构建700 hPa低涡型、西风带低槽（涡）与台风相互作用型极端暴雨概念模型。700 hPa低涡型低涡东南侧强盛的低空急流为暴雨区提供充足水汽，极端暴雨区位于700 hPa与850 hPa横切变线间强水汽辐合区；西风带低槽（涡）与台风相互作用型台风外围偏东气流与低空切变线前侧的偏南气流在鄂北到豫西北附近汇合加强进入山西，在低涡切变线附近形成水汽辐合，且副高位置偏北易对影响系统形成阻挡使其移动较慢，从而造成极端暴雨。
极端暴雨产生在有利的天气尺度环流背景下，除水汽条件异常外，动力和热力条件等异常的配合还需进一步研究，并需要与普通区域暴雨进行关键物理量的系统性对比分析，以加强极端暴雨识别能力。
参考文献
“0702”山西大暴雨过程的多尺度特征
[J].
利用T639L19 1°×1°分析场、 FY-2红外云图及红外辐射亮温TBB、 多普勒雷达和气柱水汽总量等资料，对2011年7月2-3日发生在山西境内的区域性暴雨进行了多尺度特征分析。结果表明：（1）副热带高压北上，西南暖湿气流加强，东北冷涡后部冷空气南下，山西北中部锋生是这次区域性暴雨发生的大尺度环流特征。（2）山西中部暴雨由2个β中尺度对流云团生成，且在边界层2条中尺度切变线附近触发对流发展，形成2个暴雨中心；山西南部暴雨则由8个中尺度对流云团生成、 发展合并，在边界层α中尺度人字形切变线附近触发对流发展，α中尺度人字形切变线云系上4个γ中尺度气旋是导致局地大暴雨和特大暴雨形成的直接原因；≤-53℃的黑体亮温区超前多普勒雷达人字形切变线云系反射率因子≥35 dBz的区域。（3）降水中前期，对流云团合并，导致地闪频次峰值和降水量峰值出现，且地闪频次峰值出现时间较降水量峰值出现时间提前12~18 min。（4）中部暴雨发生在气柱水汽总量水平梯度大值区与边界层切变线相重叠的区域，南部暴雨则发生在气柱水汽总量水平梯度大值区的南部0.5~1.0个经/纬距的高湿区与边界层人字形切变线相重叠的区域；气柱水汽总量水平梯度大值区形成时间和边界层切变线形成时间均比暴雨发生提起12 h以上。
山西不同历时强降水的统计特征及趋势变化
[J].利用山西省109站1981 -2018年的短历时强降水资料, 采用趋势系数、 归一化、 中尺度天气分析等方法, 对1 h、 3 h、 6 h、 12 h短历时强降水的极值、 频次、 日、 月以及年代际等趋势变化和主要影响系统进行统计分析。结果表明： （1）极值空间分布具有山区大于盆地、 南部大于北部, 时效越短, 极值分布的局地性越强等特点。（2）12 h内不同历时强降水出现频次具有“南高北低、 山区高于盆地、 东部山区高于西部山区、 东南明显集中”的空间分布特点。（3）不同历时强降水集中出现在每年的7 -8月, 其中, 1 h≥20 mm的短历时强降水出现频次最高。（4）1 h雨量≥20 mm、 3 h雨量≥30 mm以及12 h雨量≥50mm强降水发生频次日内分布均为单峰型, 6 h雨量≥50 mm强降水发生频次日内分布为双峰型。（5）1 h、 3 h和6 h短历时强降水年发生次数的变化趋势为山西省东南部的增长速率最大; 12 h短历时强降水年发生次数的变化趋势为山西省的东部和西部山区最大。（6）6 h和12 h与1 h和3 h短历时强降水的主要影响系统有明显差异, 61%的6 h和12 h短历时强降水个例为系统性降水与多个中尺度强降水的组合造成。
低空急流与山西大暴雨的统计关系及流型配置
[J].利用山西省气象信息中心归档的109个测站1957\_2008年的暴雨观测资料、 高低空常规气象观测资料及山西省水文站的部分暴雨监测资料， 研究了低空急流与山西省区域性暴雨、 大暴雨以及特大暴雨的特征。结果表明： 1957-2008年的192个暴雨日（区域性暴雨）、 118个大暴雨日、 10个特大暴雨日， 有偏南风（或偏东风）最大风轴相伴出现的分别有165, 110和10次， 分别占其总次数的86%, 93.2%和100%， 表明其预示性极强； 当山西大暴雨中有台风介入时， 台风一般沿25°N以南西行， 在其北侧与副热带高压之间形成强的东到东南风带， 经鄂西北、 豫西一带受西风槽或高原低值系统前部的偏南气流阻挡折向西北使副热带高压西北侧的西南气流加强, 形成中尺度低空西南急流； 当无台风介入时， 热带辐合区一般在17°N以南， 高原低值系统活跃， 副热带高压与高原低值系统之间形成的天气尺度西南低空急流常常伸向黄河中游， 大暴雨的落区主要在太原以南地区； 根据高、 低空急流的位置以及有、 无台风介入, 归纳出的6种大暴雨预报模型基本涵盖了山西大暴雨的落区与中、 低空急流的关系， 但中、 低空急流的类别、 位置不同以及经、 纬向副热带高压、 500 hPa急流、 西风槽、 高原槽和台风等的不同配置， 可使大暴雨的落区和强度不同。
2021年夏季中国气候异常特征及主要气象灾害
[J].利用1961—2021年中国区域2400余站地面气象观测资料,根据2019年中国气象局发布的《区域性重要过程监测和评价业务规定》,对2021年夏季中国气候基本概况及主要气象灾害进行全面分析。结果表明:(1)2021年夏季,平均气温较常年同期偏高,平均降水量较常年同期偏多;由于北方雨季开始时间偏早、强度偏强,南方雨季开始时间偏晚、强度偏弱,以及台风登陆个数偏少等原因,多雨区主要集中在北方。(2)2021年夏季,中国气候状况总体偏差,气象灾害形势复杂严峻,极端天气气候复合事件多发,以洪涝、高温、干旱灾害为主,且阶段性和区域性特征显著。其中,区域性暴雨过程较常年同期偏少4.9次,但极端性强,华北、黄淮、江汉等地相继遭受严重暴雨洪涝灾害;阶段性区域高温天气多发,区域性高温过程较常年同期偏多3.4次,主要影响黄淮、江南、华南、西北地区东部及内蒙古西部、新疆南部等地;南、北方气象干旱并发,区域性、阶段性、复合性明显,区域性干旱过程较常年同期偏多1.1次,华南、西北地区高温干旱复合发展。
四川盆地一次持续性暴雨的水汽输送特征
[J].为深入认识四川盆地持续性暴雨的水汽特征及来源，提高该地区暴雨预报能力，利用四川省4 955个国家级及区域级自动气象站资料、全球资料同化系统（Global Data Assimilation System， GDAS）资料、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大气再分析资料（ERA5），基于拉格朗日方法对四川盆地2020年8月的一次持续性暴雨过程的水汽输送特征进行了分析。结果表明：强降水开始前和强降水过程中，不同起始高度层水汽输送特征有所不同。中高层起始高度（5 500~10 000 m），强降水开始前气团轨迹源地主要为低纬洋面，而在强降水过程中调整为地中海南岸并为盆地带来中高纬西风带干冷空气;中低层起始高度（1 500~5 500 m），降水过程中气团轨迹源地由地中海南岸逐渐调整为低纬洋面并为盆地带来低纬洋面暖湿空气;低层起始高度（地面至1 500 m），强降水开始前轨迹源地率先调整为低纬洋面并为盆地输送比中低层更为暖湿的气流。统计不同源地水汽贡献率可知，孟加拉湾—泰国湾的水汽占主导（66.6%）、阿拉伯海次之（23.9%）、中国南海最低（9.5%）。
2016年7月山西一次大暴雨天气过程的多尺度系统相互作用分析
[J].利用常规气象观测资料、加密自动站资料以及卫星云图、雷达回波等产品，对2016年7月18—20日山西一次大暴雨天气过程的多尺度天气系统及其相互作用特征进行分析。结果表明：（1）500 hPa与地面图上东高西低的环流形势稳定维持，中尺度低涡切变线造成强烈的辐合上升运动，低空急流向山西源源不断地输送水汽，造成山西持续出现大暴雨天气。（2）卫星云图及雷达回波显示，此次过程由槽前斜压叶状云系发展成的涡旋云系造成，对应的雷达回波为积状云与层状云的混合性回波，层状云中不断有对流单体发展、合并、加强、消亡，整个过程可分为2个阶段：第1阶段以带状回波为主，其上多对流回波，出现了雷暴和短时强降水；第2阶段回波强度减小，对流性质减弱，但回波存在不断生消和停滞少动等特点，造成长时间稳定性降水。（3）天气尺度系统的稳定维持是中尺度系统稳定存在、持续发展加强的主要原因，主要表现在对中尺度低涡的阻挡作用和对低涡维持所需冷空气的持续供应；其中中-α尺度低涡则制约更小尺度系统即中-β尺度或中-γ尺度辐合系统的形成和维持，而这些小尺度系统是此次暴雨大暴雨天气的直接制造者。
不同边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段暴雨模拟的影响试验
[J].边界层参数化方案是造成数值模式预报误差的重要来源之一，筛选适用于环渤海地区台风暴雨模拟的边界层参数化方案，可为该地后续业务应用及科研工作提供参考依据。应用WRFV4.3模式中的8种边界层参数化方案（ACM2、BouLac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU），对2021年第6号台风“烟花”北上阶段造成的暴雨过程进行数值模拟试验，对比分析不同边界层参数化方案对暴雨模拟结果的影响，并基于ERA5资料进行边界层热动力结构的模拟效果检验。结果表明：（1）各方案对台风北上阶段的降水（24 h累积降水量、累积降水极值和位置、降水ETS评分、小时最大降水量以及逐小时10.0、20.0 mm降水的落区分布）模拟结果表现出明显差异，对路径的模拟差异主要体现在模拟时段的中后期。（2）局地闭合的BouLac方案对于10.0 mm以上量级24 h累积降水量的ETS评分表现最优，而非局地ACM2方案所模拟的24 h累积降水量在25.0、50.0、100.0 mm以上量级降水的ETS评分均为最优，且累积降水极值、区域平均24 h累积降水量以及小时最大降水量均值等也与ERA5资料较为接近，在环渤海地区海陆共存的下垫面背景下，ACM2方案是最适合台风“烟花”暴雨过程模拟的参数化方案。（3）与其他方案相比，ACM2方案对于边界层高度、位温和水汽混合比垂直廓线的模拟与实况最接近，这是ACM2方案对大雨以上量级预报较为准确的原因。（4）各方案模拟的700 hPa垂直速度基本决定了小时最大降水量的变化趋势以及区域平均24 h累积降水量的相对大小。
京津冀“7·5”强对流天气形成的环境条件及中尺度特征
[J].2021年7月5日下午至夜间，京津冀中部地区陆续出现短时强降水、雷暴大风、小冰雹等混合型强对流天气，基于地面区域自动气象站、多普勒雷达、FY-2G气象卫星、微波辐射计以及欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大气再分析资料ERA5等多源资料，重点对此次短时强降水形成的大气环境条件和中尺度特征进行探讨分析。结果表明：此次短时强降水、雷暴大风和局地小冰雹的混合型强对流天气发生前即显现出良好的水汽条件，低层和中层的水汽通量强辐合早于降水1~2 h出现，整层大气可降水量在强抬升作用下不断累积；垂直假相当位温（θ<sub>se</sub>）能量锋区的形成，“上干下湿”不稳定层结的维持，0~6 km强垂直风切变以及对流有效位能（convective available potential energy，CAPE）、K指数、SI增强等条件的建立，为强对流的爆发创造了热力、动力和不稳定环境；高空槽东移携带干冷空气南下与低空暖舌共同形成的不稳定层结，为强对流天气的出现提供了天气尺度上升运动；下午时段出现的强对流较夜间能量释放更大，高强度的降水导致局地气温骤降，冷池效应更明显，其南移过程中与强降水落区对应，冷池边界的地面辐合线为中尺度触发系统；云底高度迅速下降、云底红外亮温骤增预示着强对流云团形成，云体东南边界清晰的暗影表明积雨云强烈发展。大尺度天气系统背景下，对中尺度系统深入分析得到的重要特征可用于强对流天气的短临预报预警。
内蒙古中西部地区一次极端大暴雨特征分析
[J].利用常规观测资料、自动加密站观测资料、NCEP（1°×1°）再分析资料、FY-2E卫星云图以及多普勒雷达资料，对2016 年8月16—18日内蒙古中西部区域性极端大暴雨天气的成因进行分析。结果表明：暴雨落区位于副热带高压边缘、700～850 hPa“人” 字型切变线、河套气旋前部等压线密集处的叠置区；深厚的湿层以及极端暴雨发生前6 h中低层显著增湿为暴雨的发生输送了充沛的水汽；散度辐合中心和上升运动中心叠置且加强，更有利于强烈上升运动形成，是暴雨发生发展和维持的动力机制；暴雨爆发前对流有效位能（CAPE）有明显跃升，暖云层厚度加大，有利于降水效率的提高；暴雨时段内有两个中尺度对流系统（MCS）以相同路线沿着副热带高压584 dagpm线边缘、阴山山脉东西方向自西向东移动；短时强降水（＞30 mm·h-1）和云顶亮温（TBB）低值中心区（≤-52 ℃）以及TBB等值线密集区有良好的对应关系。
Using normalized climatological anomalies to rank synoptic-scale events objectively
[J].
Observational evidence of the influence of the Qinghai-Xizang (Tibet) Plateau on the occurrence of heavy rain and severe convective storms in China
[J].
An observational analysis of three extreme rainfall episodes of 19-20 July 2016 along the Taihang Mountains in North China
[J].
