引言

2009年汛期，山西的北中部几乎是同样的经、纬距范围内出现了5次横切变线，但暴雨的落区不尽相同，暴雨的站数从8~34站相差很大。有关暴雨及横切变暴雨的落区问题已有不少研究^[1-19]，但本文试图从日常预报业务中，尤其是从MICAPS平台上能够快捷获得的资料中寻找差异，探讨5次暴雨过程的可预报性，旨在提高暴雨的短期预报质量。

1 资料来源

诊断分析所用的风场、高度场、地面气压场、物理量场以及物理量场剖面图、5次横切变暴雨过程的流型配置图制作均是采用北京区域中心下发的MM5(0.25°×0.25°经纬度)分析场资料。所用降水量资料是经过山西省气象信息中心审核过的雨量资料，数据无误。

2 2009年山西横切变暴雨概况

表 1为2009年汛期山西横切变暴雨的概况。由表 1可知，5次横切变暴雨过程，其中有2次为暖式切变线、3次为冷式切变线暴雨过程；2次稳定性暴雨过程24小时降水量最小，对流性转稳定性暴雨过程24小时降水量最大；700 hPa均为西南暖湿急流，850 hPa急流走向多样化。

图 1为5次暴雨过程暴雨中心逐时降水量。由5次暴雨过程暴雨中心站点逐时降水量演变发现，2009年8月25—26日对流性暴雨1小时降水强度最强，但强降水维持的时间最短；7月7—8日降水总量最大，1小时强降水持续的时间最长。

3 流型配置与暴雨落区

图 2给出了2009年7月8日08时(a)、7月16日20时(b)、8月21日08时(c)、8月25日08时(d)、9月6日08时(e)和9月7日08时(f)的流型配置与7月7日20时至7月8日20时(a)、7月16日20时至7月17日20时(b)、8月20日20时至8月21日20时(c)、8月25日08时至8月26日08时(d)、9月6日08时至9月7日08时(e)的暴雨落区以及9月7日08时至9月8日08时的大雨落区(f)。

由图 2可知：5次暴雨过程副高均呈纬向型，5个暴雨日和1个大雨日700 hPa均有西南急流相伴，不同的是暴雨日700 hPa急流呈气旋性弯曲，大雨日700 hPa急流呈反气旋性弯曲，且急流头不在山西境内。

7月8日08时，位于河套中东部的500、700和850 hPa的槽线、地面冷锋均呈东北—西南走向；在700 hPa上，大陆小高压位于内蒙古的中东部地区；700和850 hPa分别有3040和1400 gpm的闭合低涡，中心位于河套的东北部，700和850 hPa位于山西北中部的暖切变线近似西北—东南走向；暴雨落区在700 hPa低涡的第一和第四象限、850 hPa低涡的第一象限、地面冷锋前、700 hPa急流头的北端和850 hPa急流头的左前方(朔州以南、吕梁—晋中以北)，暴雨中心在700与850 hPa暖切变线之间，700 hPa急流头与850 hPa急流头相汇的区域(图 2a)。

7月16日20时，500 hPa槽线位于河西走廊，700 hPa横切(冷式切变)在山西境内段近似东西走向，副高位置比7月8日08时明显偏北，在110°~120°E，5880 gpm北边界达34.8°N。暴雨落区位于700 hPa横切变线南侧、700和850 hPa急流头左侧、5840 gpm附近(图 2b，山西中西部)。

8月21日08时，500 hPa中纬度环流平直，在110°~120°E，5880 gpm北边界达34.7°N；在700 hPa上，大陆小高压位于内蒙古中部，其底后部的东南气流与700 hPa的西南急流在山西境内形成近似东—西向的横切变线，由于河套中部3080 gpm闭合低涡的形成与发展，迫使横切变演变为近似西北—东南走向的暖切变；暴雨落区主要位于700~850 hPa暖切变线之间、700 hPa急流头的左前侧和850 hPa急流头的左侧(图 2c，山西中部)。

8月25日08时，500 hPa上东北—西南向的槽线位于100°E附近，在110°~120°E，5880 gpm线北边界达36.6°N；700 hPa上大陆高压中心位于中蒙边界，其前部的东北气流与西南急流之间形成近似东北—西南向走向横切变(冷切变)；暴雨落区位于700 hPa西南急流头前部、700 hPa横切变南侧至5880 gpm线北边界之间的区域(图 2d，山西中部)。

9月6日08时，500 hPa上，在110°~120°E，5880 gpm线北边界达34°N；在700 hPa上，大陆高压位于蒙古国，其前部的东北气流与西南急流在内蒙古中部形成近似东—西走向的横切变线(冷切变)；在850 hPa上，近似东北—西南走向的切变线位于山西的西北部到河套的南部，有东北和东南两支急流在切变线前部汇合；暴雨落区主要位于地面冷锋后部、850 hPa东北和东南两支急流交汇处与东北—西南走向切变线之间的区域(图 2e，山西北中部)。

与9月6日08时相比，9月7日08时，在500 hPa上，5880 gpm线进一步北抬，在110°~120°E，5880 gpm线北边界达35°N；在700 hPa上，横切变线随大陆高压的东南移动进入山西北中部，急流轴由气旋性弯曲演变为反气旋性弯曲；在850 hPa上，东南急流消失，仅有东北急流尚存；地面冷锋由6日的黄河流域南压到长江流域。大雨落区在700 hPa切变线南侧、850 hPa东北急流头的前端(图 2f，山西中部)。

图 2流型配置与暴雨落区表明，2009年7月8日和8月21日700和850hPa的横切变线均为暖式切变线，河套地区均有低涡影响，低涡的强度不同、急流头和切变线位置的差异、高低空系统配置的不同，导致暴雨的落区、范围和量级的不同。2009年7月16日、8月25日、9月6—7日700 hPa的横切变线均为冷式切变线，5880 gpm的走向和纬度不同，急流头和切变线位置的差异、高低空系统配置的不同，导致暴雨的落区、范围和量级的不同。

4 物理量诊断分析 4.1 水汽通量散度

图 3为2009年汛期山西5次横切变暴雨过程各层水汽通量散度随时间的变化。图 3表明：5次区域性暴雨过程有4次水汽通量在700 hPa辐合最强，且对于暴雨的发生有12~24小时的提前量；与9月6日08时相比，9月7日08时700 hPa的水汽辐合量显著下降，尽管7日08时横切变线南压到山西的北中部，但由于6日08时850 hPa的两支湿急流仅剩下一支偏东急流，700 hPa的暖湿急流轴由6日的气旋性弯曲演变为反气旋性弯曲，气压场克服阻力作功，非地转风动能减少，降雨量明显减小。

图 4给出了2009年山西5次横切变沿112.3°E水汽通量散度的垂直剖面图。稳定性(包括对流转稳定)暴雨前12小时水汽辐合轴线随高度的增加向北倾斜，水汽先在中层辐合而后向下扩散，湿层增厚；而对流性暴雨前12小时水汽辐合轴线随高度的增加向南倾斜，水汽先在低层辐合而后向上扩散，湿层增厚；24小时最大降水量与该过程中水汽通量散度的最大辐合量成正比。如：2009年7月8日暴雨过程暴雨中心24小时最大降水量为96 mm，水汽通量散度的最大辐合量为-35×10^-8 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1，2009年8月21日暴雨过程暴雨中心24小时最大降水量为77 mm，水汽通量散度的最大辐合量为-15×10^-8 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1。

4.2 垂直速度

图 5给出了2009年山西5次横切变暴雨中心区垂直速度的高度-时间演变图。暴雨中心24小时最大降水量与各过程中垂直上升速度最大值基本成正比(图 5a~5d，5e对应的暴雨中心24小时最大降水量分别为96、82、77、89和78 mm，最大垂直上升速度分别为：-26×10^-3、-18×10^-3、-16×10^-3、-22×10^-3和-14×10^-3 ·hPa·s^-1)；5次暴雨过程最大上升运动中心大多位于500~400 hPa；稳定性降水暴雨过程，垂直速度有12~24小时的提前量(见图 5c和5e)，对流性降水暴雨过程垂直速度仅有0~12小时的提前量(见图 5a、5b和5d)。

图 6为5次横切变暴雨过程暴雨前12小时垂直速度随高度的变化。稳定性暴雨过程，上升运动主要发生在700~300 hPa，对流性、混合性及对流转稳定性暴雨过程，上升运动主要发生在700~200 hPa。说明不稳定降水较稳定降水有更强的上升运动。

4.3 相对湿度

由暴雨区上空各层相对湿度随时间的变化(图略)可知：对流性暴雨过程，暴雨前12~24小时湿度从低层开始增加，而后向上扩散湿层增厚；稳定性、混合性、对流转稳定性暴雨过程，暴雨前12~24小时湿度从中层开始增加，而后向低层扩散湿层增厚；连阴雨过程中的暴雨日和非暴雨日，中低层相对湿度都很大，对暴雨的预报不敏感。

4.4 假相当位温

对流性、混合性和对流转稳定性暴雨，在暴雨发生前12~24小时，500 hPa及其以下都具有θ_se随高度的增加而减小、500 hPa以上都具有θ_se随高度的增加而增加的特征(见图 7中7月7日20时、7月16日20时和8月25日20时θ_se随高度的演变曲线)，而稳定性暴雨则具有θ_se随高度的增加而增加的特征(见图 7中8月21日08时和9月6日08时θ_se随高度的演变曲线)。印证了对流性降水引发的暴雨与稳定性降水造成的暴雨在能量场垂直分布上的差异。

4.5 风的垂直切变特征 4.5.1 常规探空资料分析

由常规探空资料(图略)分析可知：2009年5次暴雨过程太原站风随高度和时间的变化为暴雨前24小时风速随高度的增高而增加，风向随高度顺转，有暖平流，是5次暴雨过程的共同特征(图略)；暴雨结束时风速随高度的增高而增加，但风向随高度逆转，有冷平流是7月7—8日、7月16—17日、8月21—22日、8月25—26日4次暴雨过程的共同特征。9月5—10日是一个连阴雨天气过程，其中6日08时至7日08时出现了区域性暴雨，9月7日暴雨结束，但降水依然维持，7日08时，850 hPa以上太原站为一致的西风控制，且风速随高度的增高而减小。横切变线虽然压到山西中部，但由于风速随高度的增高而减小，低空急流呈反气旋式弯曲，9月7—10日降水虽维持，但无暴雨产生。说明风随高度的变化无论是稳定还是不稳定，无论是连阴雨过程中的暴雨还是非连阴雨过程的暴雨都很敏感。

4.5.2 VAD风廓线资料分析

VWP^[9](VAD wind proffile)产品即VAD^[9](velocity azimuth display)风廓线，它是指雷达用每个体扫资料(6分钟一次)在不同高度上，通过用VAD技术得到该高度上的平均风的风向风速。这是一种间接探测水含量的方法。在VWP中，每个风向杆是由某个体扫某层高度的一圈探测资料点通过VAD技术得到的，在算法中必须满足三个条件，才能得到一个平均的风向风速。一是降水数据点不少于25个；二是这些点至少要分布在一定大小的扇型区域内；三是这些点的风向离散度不能太大。上述三个条件其中之一不满足，算法将在VWP中对应位置标“ND”(No Data)。因此，该方法适应范围是较均匀的降水过程。

图 8a和8b分别为2009年7月7日11：01—20：53(北京时)和7月8日05：47—15：45的VWP产品，图 8c和8d分别为7月16日10：53—20：46和7月17日07：38—17：31的VWP产品。

7月7日12：00，从6.1~9.1 km开始出现风场(即从高层开始增湿), 而后向下伸展；7日15:57, 从0.9~9.1 km整层有风显示(增层增湿)，且风向随高度的升高顺转, 有弱的暖平流(图 8a)；7日22：52—23：51风的垂直切变达到最大(图略)，9小时后，暴雨中心太原小店区1小时降水量达10 mm以上并持续5小时之久(见图 1a)，风的垂直切变最大值出现时间比降水峰值出现时间提前13小时；整层风场出现时间比降水开始时间提前10小时(见图 8a和图 1a)；当高层风场被ND开始取代时，降水在3~4小时内结束(见图 8b和图 1)。8月21—22日和9月6—7日的稳定性暴雨过程，风场随时间和高度的变化与2009年7月8日的暴雨过程类似，但风的垂直切变均小于7月8日(图略)。

7月16日10:53风场从低层开始出现(低层开始增湿), 而后向高层扩展；14：51，1.8~9.1 km整层风场出现，且风向随高度顺转，风速开始加大(图 8c)，之后对流进一步向高层发展，17日07：38，风场高度达12.2 km(见图 8d)，2小时后，暴雨中心石楼县1小时降水量达24.1 mm(见图 1b)；17日11：35，风场高度迅速下降(见图 8d)，17日14：00降水停止。从17日01：00降水开始出现到14：00降水过程结束，降水持续时间为13小时。整层风场出现时间比降水开始时间提前9小时。8月25—26日的强对流暴雨，风场的时间-高度演变与7月16—17日的对流性暴雨类似(图略)，不同的是整层风场出现时间仅比降水开始时间提前30分钟，风的垂直切变最大值出现时间比降水峰值出现时间仅提前24分钟(4个体扫时间)。印证了8月25—26日强对流暴雨过程的中小尺度特征。

通过对5次横切变暴雨过程的逐时和逐6分钟多普勒雷达VAD风廓线分析发现：稳定性暴雨(包括对流转稳定)，降水开始前9~11个小时，风场从高层(6~9 km)开始出现(即从高层开始增湿)并向下伸展，风速随高度的增高而增大，风向随高度增高顺转；降水结束前3~4小时，从高层开始风场迅速被ND取代；对流性暴雨，降水开始前1~9小时，风场从低层开始出现(即从低层开始增湿)并向高层扩展，风向和风速分别随高度的增高顺转和增大；降水结束前从高层开始风场迅速被ND取代，风向随高度的升高逆转。在3次(2009年7月8日、8月21—22日、9月6—7日)稳定性暴雨过程中，风的垂直切变越大，过程降水量也越大；在2次(2009年7月7—8日、8月25—26日)对流性暴雨过程中，由于过程降水总量差别不大，因此风的垂直切变差别也不大；不同的是对流越强，即雨强越强整层风场出现的时间比降水开始时间的提前量越少。

对流性暴雨与非对流性暴雨在湿度层扩散方向上的不同和垂直运动提前量的不同，印证了两者在产生垂直运动机制上的不同。风廓线资料分析结果印证了深厚的湿层、源源不断的水汽输送是稳定性暴雨形成的主要特征，而上干冷、下暖湿强烈的不稳定是强对流暴雨形成的特征。

5 气柱水汽总量和卫星云图特征分析 5.1 气柱水汽总量特征分析

图 9给出了2009年山西5次横切变暴雨的气柱水汽总量图。

利用山西省63个GPS/MET站逐时监测资料反演获得的气柱水汽总量图分析发现：5次暴雨过程，暴雨落区均位于气柱水汽含量梯度的大值区到大值区南(东)部0.5个经纬度的范围内；水汽锋走向与中低层切变线走向基本一致。不同的是：(1) 稳定性暴雨过程相对于强对流暴雨过程，水汽锋形成时间比降水开始时间有较长的提前量(约24小时的提前量，参见图 9a、9d、和9f和图 1a、1c和1e)，且对流越强烈水汽锋形成的时间越晚，印证了稳定性降水暴雨过程中大、中尺度系统的相互作用以及强对流暴雨过程发生的中小尺度特征。如：2009年8月25—26日，水汽锋在25日16时形成(25日水汽含量演变图略)，比降水开始时间提前1小时，比降水峰值出现时间提前3小时(见图 9e和图 1d)。(2) 稳定性暴雨过程，山西运城地区整层水汽含量较高(一般高于50 mm，见图 9a、9d和9f)，而对流性暴雨过程，运城地区整层水汽含量较低(一般低于50 mm，见图 9c和9e)，印证了稳定性降水与强对流降水在水汽输送方面的差异。(3) 稳定性暴雨过程，降水开始前24小时水汽含量梯度较大，而对流性暴雨过程则水汽含量梯度较小，印证了稳定性降水形成的暴雨过程与强对流降水暴雨过程在水汽辐合方面的差异；(4) 稳定性暴雨过程，降水开始前24小时，水汽含量梯度南(或东)部0.5个经纬度区域内，水汽含量可达35~40 mm，而对流性暴雨，降水开始前24小时，水汽含量梯度南(或东)部0.5个经纬度区域内，水汽含量不足30 mm，印证了：深厚的湿层和源源不断的水汽输送是稳定性降水暴雨过程发生、发展、维持的关键，而中上层冷空气的强度以及它与中低层暖湿空气的垂直配置则是强对流暴雨过程发生的关键。

5.2 卫星云图分析

由7月8日，8月21日，8月25日，9月6日的红外卫星云图(图略)分析表明：对流性、混合性、对流转混合性暴雨过程，云顶亮温较低，云顶亮温的最低值达－70℃；稳定性降水暴雨过程，暴雨的发生主要以降水持续时间长为特征，云顶亮温一般高于-30℃。

6 可预报性分析

(1) 当700 hPa大陆小高压位于内蒙古的中东部时，在700和850 hPa容易形成暖式横切变线，暴雨的落区会出现在700与850 hPa暖切变线之间，700 hPa西南急流头的北(前)端和850 hPa偏东急流头的西(左)侧，若此时地面有冷锋配合，暴雨落区在锋前暖区。本文中7月8日和8月21日均为暖式切变暴雨，但7月8日地面有冷锋配合，河套低涡更强、高低空系统配置更完整，暴雨的范围也更大、强度也更强。24小时暴雨落点预报可预报性强，TS评分也较高。

(2) 当700 hPa大陆小高压位于内蒙古的中西部时，在700 hPa容易形成冷式横切变线，850 hPa一般没有横切变线与700 hPa的冷式横切变线相配合。暴雨的落区较复杂，与暖式切变线暴雨落区预报相比，可预报性差。当地面有冷锋配合时，暴雨落区会在锋后冷区与700 hPa横切变线之间。24小时暴雨落点预报空报率较大，TS评分较低。

(3) 对流性暴雨过程，暴雨前12~24小时湿度从低层开始增加，而后向上扩散湿层增厚；稳定性、混合性、对流转稳定性暴雨过程，暴雨前12~24小时湿度从中层开始增加，而后向低层扩散湿层增厚；连阴雨过程中的暴雨日和非暴雨日，中低层相对湿度都很大，对暴雨的预报不敏感。

(4) 假相当位温因子用于对流性、混合性、对流转稳定性暴雨的发生与结束预报指示性很强，但对稳定性暴雨过程没有指示意义。

(5) 水汽通量散度对于稳定、非稳定，连阴雨、非连阴雨暴雨过程暴雨的开始与结束都有很强的指示意义，且对暴雨的发生与结束有12~24小时的提前量。

(6) 多普勒雷达VAD风廓线分析和GPS/MET资料反演的气柱水汽总量分析都表明对流性暴雨过程比稳定性暴雨过程预报难度更大，可预报性更差。

7 结论与讨论

(1) 2009年汛期5次横切变线暴雨过程，稳定性降水，暴雨前12小时水汽辐合轴线随高度的增高向北倾斜，水汽先在中层辐合而后向下扩散，湿层增厚；而对流性暴雨前12小时水汽辐合轴线随高度的增高向南倾斜，水汽先在低层辐合而后向上扩散，湿层增厚；24小时最大降水量与该过程中水汽通量散度的最大辐合量成正比。此结论是否符合不同年份、是否适合南北向切变线还需做进一步的研究。

(2) 5次横切变线暴雨过程的物理条件差异主要在温度场和湿度场的垂直分布上，温度场和湿度场的垂直分布决定了对流是否可以发生。

(3) 根据环流形势和湿度场判断有连阴雨天气过程时，用水汽通量散度、垂直风切变、垂直速度判断暴雨的发生和结束更敏感。暖式切变暴雨比冷式切变暴雨在落区和落点预报上可预报性更强。

(4) 5次暴雨过程，暴雨落区均位于气柱水汽总量梯度的大值区到大值区南(东)部0.5个经纬度的范围内；水汽锋区走向与中低层切变线走向基本一致，在降水开始前，稳定性暴雨过程比强对流暴雨过程水汽锋区形成时间有更多的提前量，且对流越强烈水汽锋区形成的时间越晚。

气柱水汽总量的空间分布特征印证了：稳定性降水暴雨过程中，大、中尺度系统的相互作用以及强对流暴雨过程发生的中小尺度特征；稳定性降水与强对流降水在水汽输送方面的差异；稳定性降水形成的暴雨过程与强对流降水暴雨过程在水汽辐合方面的差异；深厚的湿层和源源不断的水汽输送是稳定性降水暴雨过程发生、发展、维持的关键，而中上层冷空气的强度以及它与中低层暖湿空气的垂直配置则是强对流暴雨过程发生的关键。

(5) 多普勒雷达VAD风廓线分析发现：稳定性暴雨，降水开始前9~11小时，风场从高层开始出现并向下伸展(从高层开始增湿)，风速随高度的增高而增大，风向随高度增高顺转；降水结束前3~4小时，从高层开始风场迅速被ND取代；对流性暴雨，降水开始前1~9小时，风场从低层开始出现并向高层扩展(从低层开始增湿)，风向和风速分别随高度的增高顺转和增大；降水结束前从高层开始风场迅速被ND取代，风向随高度的升高逆转。

对流性暴雨与非对流性暴雨在湿度层扩散方向上的不同和垂直运动提前量的不同，印证了两者在产生垂直运动机制上的不同。风廓线资料分析结果印证了深厚的湿层、源源不断的水汽输送是稳定性暴雨形成、发展的必要条件，而上干冷、下暖湿强烈的不稳定是强对流暴雨形成的关键。

(6) 在目前数值预报产品形势场预报优于要素场预报的前提下，流型配置依然是预报区域性暴雨的有效手段。根据归纳出的各物理量因子对暴雨发生、发展、消亡的提前量，应用常规气象观测资料计算的物理量场加实况场的流型配置方法，是目前要素场预报误差较大现状下，提高短期暴雨预报准确率的有效途径。