山西北部一次罕见的秋季连阴雨诊断分析

2012-10-26李效珍贾利芳李子龙何正梅

山西农业大学学报（自然科学版） 2012年4期

李效珍，贾利芳，李子龙，何正梅

（山西省大同市气象局，山西大同037010）

我国气象学者对形成秋季连阴雨天气的天气学、热力学特点进行了广泛研究［1～10］，取得了丰富的成果。但多数是对陕西、西北地区和长江中下游连阴雨的研究，相对于山西一带特别是山西北部秋季连阴雨研究较少，秋季会出现超过盛夏的大到暴雨的连续性强降水的原因探讨不明。黄奕斌等［11］对2010年9月北半球大气环流和中国天气进行了分析，本文对山西北部这次罕见秋季连阴雨过程做进一步分析，旨在揭示连阴雨期间大尺度环流和中小尺度系统相互作用对局地降水造成的影响以及物理量场在空间和时间的演变，为山西北部秋季连阴雨的中短期预测预报和秋季农业气象服务提供参考。

山西北部以大同市为例。9月中旬大同市大秋作物正处于成熟至收获期，此时的连续阴雨、低温、寡照，对秋作物成熟、收获、晾晒造成严重危害，使部分谷子、黍子等作物发生霉变、发芽，产量和品质受到严重的影响。本文选用山西北部的大同观测站、大同县、阳高、天填、左云、浑源、广灵、灵丘8县区气象观测站的降水资料、100个乡镇雨量站资料和实时天气图资料。

1 连阴雨过程实况

2010年9月16～21日，山西大同出现了一次阴雨相间的连阴雨天气过程，其中18日和20日出现了局部暴雨。16～21日日照时数介于0.0～5.9小时之间，过程雨量介于29.0～140.1 mm，降水强度大，日照时间短，是近年来较为罕见的秋季连阴雨天气。9月16日夜间开始出现降水，16日到17日大部分地区为阵雨或间隙性小雨，17日夜间到18日白天雨强开始增大，17日夜间开始为雷阵雨天气，之后转为普雨，大的降水主要出现在17日夜间，17日20时到18日20时全市降水量均在中雨以上，其中5个县区达到大到暴雨，测站雨量阳高、天镇达到暴雨，阳高最大为60.9 mm，11个乡镇雨量站出现了暴雨，最大降水量达70 mm，19日雨强再度减小，20日白天雨强再次增大，19日20时到20日20时左云、市区、阳高、天镇4县区日降雨量为大到暴雨，左云最大为56.2 mm，21日20时全区降水基本结束。连阴雨期间各县过程降水量和总日照时数实况见表1。

表1 大同市16～21日过程降水量和总日照时数Table 1 The process of precipitation and total sunshine hours from 16 to 21 in Datong

2 连阴雨期间大气环流特征

连阴雨期间，亚欧上空大型环流相对稳定，乌拉尔山附近维持一稳定的阻塞高压，西太平洋副高异常偏强，亚洲中纬度多短波槽东移，700 hpa、850 hpa切变线频频建立，由于西太平洋副热带高压异常偏北偏西，其外围形成的西南低空急流把充足的水汽输送到山西；当乌山有阻高建立时，北方冷空气沿脊前下滑，在巴湖形成切断低压，在贝湖形成低涡；贝湖底部分裂小槽南下，冷暖空气在山西北部长时间交汇，从而形成了山西北部长时间的连阴雨天气，当阻高减弱崩溃，巴湖到新疆有高压脊建立，副热带高压东移南退，山西北部上空转为西北气流控制，连阴雨天气结束。

2.1 副热带高压位置变化及强度

在这次连阴雨过程中，西太平洋副高稳定、位置偏北，同时西风带中不断有冷空气下滑、东移，山西北部处在副高西北部外围的西南暖湿气流中，阴雨绵绵。从2010年9月16日到21日逐日500 hpa图中可以看出，副高与“584线”有两次较为明显的北跳与3次明显的南压的过程。其中，副高2次北抬的时间为16日08时、18日20时，“584线”均北抬到北纬40度以北；3次南压：17日20时、20日20时584线南压到40°N以南，南压了约半个到一个纬距，21日20时584线南压到山西中南部及太原以南，至此，山西北部降水宣告结束。

图1 2010年9月15～22日08时588线动态Fig.1 The 588line dynamics at 8，15th to 22th，from September，2010

图2 2010年9月17日20时高低空系统配置Fig.2 The high altitude system configuration at 20，September 17th，2010

2.2 高低空系统配置及演变

2010年9月15日08时500 h Pa高空图上，在中高纬度上是两槽两脊的环流形势，极地附近有一深厚的冷涡，大同市处于中部宽阔的大槽中，在河套地区西部该槽分裂短波槽东移南下，副高北抬至黄淮流域，“584线”控制山西北部上空。16日08时，500 h Pa位于巴湖附近的槽分裂成两个，在北纬50度以北的槽快速东移至贝湖以西，而50度以南的槽则稳定少动，副高北抬至山西省中南部地区，冷空气仍是偏北。16日20时乌拉尔山附近阻高建立，巴湖附近有一切断低压，700 h Pa上在河套地区的南部形成较弱的南风急流，而850 h Pa我区仍处于高压脊内，这样的形势不利于大降水的产生，同时动力条件不足，上升运动偏弱，16日白天到夜间大同市普降小雨。

9月17日08 时500hPa中纬度地区多分裂短波槽，巴湖附近的槽几乎没动，但是副高北抬幅度较大，584线北抬到40°N以北，沿副高边缘有南风急流北上，形成较好的水汽通道，700hPa上的低涡还在河套以西，但在山西的北中部有明显的横切，大同市处于切变线的北端，850 h P形势有所调整，由原来的高压脊调整为东北西南向的倒槽，高低空系统配置不是很有利，所以白天的降水很弱，而且是断断续续。9月17日20时500 h Pa上南风急流略有加强，并在河套地区形成深厚的大槽，从温压场的配合情况来看，等温线与等压线之间有很小的夹角，冷空气仍是不足，但700 h Pa在河套地区形成闭合的低涡，而850 h Pa上则有与之配合的东北——西南向横切变线存在，从温度场上来看，高空温度略有下降，而低空则处于一个弱的暖脊之上，说明高低空存在不稳定能量，并且上升对流运动强烈。实况显示，从傍晚开始，大同市开始时有雷声，之后进入大范围的降雨，大降水的落区主要出现在850 h Pa切变线以北和700 h Pa低涡正前方。

18日08时各层形势位置稳定少动，但是700 h Pa上河套地区的低涡崩溃，仅在内蒙古乌兰察布市地区有一组风的弱切变，这时降水逐步减弱。到19日20时大同市处在一个西移过来的弱脊区控制，但副高仍然控制着我省南部地区，水汽通道良好，仍是以阴天为主，有间断性降水。

20日08时500h Pa呈现一槽一脊，而受南海台风登陆的影响，南退的副高再一次北抬，由南海的气旋顶部沿副高的边缘有良好的水汽通道，大同市处在中高纬度大槽的底部和副高之间，由于副高强盛，冷空气影响范围仍然偏北，700 h Pa在河套地区再一次形成低涡，850 h Pa亦有明显的辐合在大同市上空（图3）。此次降水大值落区依然在850 h Pa辐合区以北和700 h Pa低涡正前方，其中左云县本站从20日05时开始到21日05时降水68.8 mm，降水主要集中在20日早上7点到11点之间。

图3 9月20日08高低空系统配置Fig.3 The high altitude system configuration at 8，September 20th，2010

21日20时，乌拉尔山阻高崩溃，巴湖到新疆有高压脊建立，副热带高压南压，584线南压到山西中南部，山西北部上空转为西北气流控制，连阴雨天气结束。

图4 左云20日05时～21日08时逐小时降水量Fig.4 The hourly precipitation in Zuoyun country from 5 of 20 to 8 of 21.

3 物理量诊断

3.1 垂直速度

图6为15日到22日各层垂直速度随时间的变化。17日08时到18日08时、19日20时～20日20时，均有上升气流，17日08～20时中低层的上升运动加强，850 h Pa～500 h Pa均处在上升气流区，最大上升运动区位于700 h Pa～500 h Pa之间，其中心数值为－18 hpa·s－1，18日08时中心高度下降，强度减弱，到19日20时从低层到高层均转为下沉气流。19日20时到20日20时，从低层到高层均转为上升气流，中心高度维持在500 h Pa左右及对流层平均值，其中心数值为－34 hpa·s－1，21日08时中心高度再次降低，到21日20是整层转为下沉气流。其中20日上升运动较17日上升运动达到的高度高，中心强度较17日大，但持续的时间短，降水强度也没有17日大，可能是17日前期高温少雨，近地面增温，积累了不稳定能量，因此对流降水可能是17日降水增幅的主要原因。

图5 16日20时500 hPa高度场（左），21日20时500 hPa高度场（右）Fig.5 The 500h Pa geopotential height field at 20 on 16th（left）；The 500h Pageopotential height field at 20 on 21th（right）

图6 9月15日08时～22日08时各层垂直速度随时间的变化Fig.6 The each layer vertical velocity changes with time from 8，September 15th to 8，22th

3.2 散度

从散度场随时间的垂直剖面图（图7）看，17日和20日均为低层辐合、高层辐散，形成比较有利于降水的高低空配置，但17日低层辐合相对于20日较强，其中心强度达－15 s－1，且17日高层辐散与低层辐合势利相当，而20日低层辐合则相对较弱，高层辐散相对低层辐合较强，其辐散层高度达到200 hpa以上，这也是17日较20日降水大的原因之一。而18日白天到19日高低空均有辐散场的存在，是这次降水间断的原因之一。

图7 9月15日20时～22日20时各层散度随时间的变化Fig.7 The each layer vertical divergence changes with time at 20 September 15th to 20，22th

3.3 比湿

从比湿场随时间的垂直剖面图（图8）看，16日～17日20时，低层850 hpa以下有一比湿大值区，其中心数值为14.5 kg·kg－1，300 hpa～400 hpa空气湿度也较大，而500 hpa为弱得干冷倾入，形成有利混合云强降水的云物理空间结构，随着雨团湿度大值区快速移动，雨强减弱对应比湿发生变化，到19日20时，低层比湿出现了一个低值区，到了20日，从850 hpa到500 hpa空气湿度均较大，400 hpa以上为干冷空气，所以20日以稳定性降水为主，降水的雨强没有17日大。

图8 9月15日20时～22日20时各层比湿随时间的变化Fig.8 The each layer vertical Specific humidity changes with time at 20 September 15th to 20，22th

4 结论

（1）这次异常连阴雨天气的发生是不同尺度，不同性质的天气系统相互制约又相互作用的结果，连阴雨期间大型环流形势相对稳定，产生降水的系统连续影响，是产生连阴雨的关键原因。

（2）阻塞高压可以影响大范围地区的天气和气候，它的长时间持续可以给大范围地区带来干旱和连阴雨，造成气候异常［12］。连阴雨期间乌拉尔山阻高的建立和维持是整个欧亚上空大型环流稳定的基础。同时亚洲中纬度多短波槽东移，是阴雨天气持续的重要动力条件，同时高低空急流的维持、发展、水汽的输送、以及低层辐合、高层辐散场的迭置为连阴雨提供了必要的环境场条件。

（3）副热带高压异常偏强，位置偏北、偏西，其总体相对稳定，有3次南压和2次北抬短期变化过程，其西北侧强盛的西南暖湿气流为连阴雨提供了能量和水汽条件。

（4）副热带高压南侧的低纬度热带气旋活跃，为阻止副热带高压迅速南落起到关键性的作用。

（5）连阴雨期间不仅有来自我国西南丰沛的水汽来源，在降水强度大、降水时间集中时段有明显的水汽辐合及垂直上升运动，降水最大的时段中层有弱的冷空气倾入，形成了不稳定结构。在降水间歇时段，700 hpa为弱的下沉气流。

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