魯中山區(qū)一次漏報(bào)的強(qiáng)對流天氣過程中地形觸發(fā)作用分析

韓國泳，李蘭蘭，荊　濤，趙敏芬，宋中玲

(1.山東省淄博市氣象局，山東　淄博　255000；2.山東省氣象服務(wù)中心， 山東　濟(jì)南　250031)

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魯中山區(qū)一次漏報(bào)的強(qiáng)對流天氣過程中地形觸發(fā)作用分析

韓國泳1，李蘭蘭2，荊濤1，趙敏芬1，宋中玲1

(1.山東省淄博市氣象局，山東淄博255000；2.山東省氣象服務(wù)中心， 山東濟(jì)南250031)

摘要：利用常規(guī)氣象資料、區(qū)域加密觀測站資料、雷達(dá)資料以及WRF模式輸出資料，對一次漏報(bào)的受弱冷空氣影響而引發(fā)的魯中山區(qū)局地強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行診斷。結(jié)果表明，此次過程發(fā)生在500 hPa淺槽引導(dǎo)弱冷空氣自對流層中層緩慢下沉造成氣層位勢不穩(wěn)定的天氣背景下，強(qiáng)對流在觸發(fā)和加強(qiáng)的過程中復(fù)雜下墊面的影響有不可忽視的作用。局地對流易在山區(qū)西北邊界的迎風(fēng)坡、地面中尺度低壓中心、溫度梯度最大處觸發(fā)；山區(qū)地形對垂直環(huán)流的激發(fā)是對流發(fā)展的主要原因；地形造成的近地面來自海上的東南風(fēng)繞流輻合是對流加強(qiáng)的有利因素；在環(huán)境場較弱的情況下，局地對流觸發(fā)后，強(qiáng)雷暴回波會(huì)沿著地面中尺度高能區(qū)發(fā)展、移動(dòng)。

關(guān)鍵詞：局地對流；地形觸發(fā)；地面能量

引言

夏季天氣系統(tǒng)較弱時(shí)，在一定的不穩(wěn)定天氣形勢下受復(fù)雜地形影響，魯中山區(qū)和平原交界處，易產(chǎn)生局地強(qiáng)對流活動(dòng)，有時(shí)伴有局地冰雹、大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等，這種發(fā)生在特殊地形附近的局地天氣過程預(yù)報(bào)難度較大。很多研究結(jié)果顯示地形在中尺度對流觸發(fā)過程中存在不可忽視的作用[1-12]。黃倩等[13]對復(fù)雜山區(qū)上空風(fēng)場模擬研究得出，F(xiàn)roude數(shù)<0.5的條件下，迎風(fēng)坡造成地形強(qiáng)迫和輻合，背風(fēng)坡由于繞流輻合而產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)；分析發(fā)現(xiàn)山東強(qiáng)對流天氣主要集中出現(xiàn)在魯中山區(qū)北部和魯北平原地區(qū)[14-15]；很多研究從不同角度分析山東中部的典型強(qiáng)風(fēng)暴過程[16-18]，認(rèn)為強(qiáng)風(fēng)暴的出流邊界與地面輻合線的疊加可觸發(fā)強(qiáng)風(fēng)暴的形成和維持，復(fù)雜的邊界層地形、局地?zé)崃蛣?dòng)力作用對強(qiáng)對流的觸發(fā)有重要作用。在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)員對典型強(qiáng)對流天氣的分析和預(yù)報(bào)比較成熟，但當(dāng)系統(tǒng)較弱時(shí)，在一定的不穩(wěn)定形勢下，較弱的風(fēng)場和復(fù)雜下墊面的相互作用會(huì)觸發(fā)局地強(qiáng)對流天氣，在預(yù)報(bào)時(shí)容易被忽略。本文選擇一次漏報(bào)的典型弱冷空氣影響背景下，發(fā)生在魯中山區(qū)的局地強(qiáng)對流過程，分析復(fù)雜下墊面對局地強(qiáng)對流的觸發(fā)作用，以期為今后山區(qū)強(qiáng)對流的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1地形及實(shí)況簡介

魯中山區(qū)呈準(zhǔn)東西走向，有4座海拔千米以上的山峰構(gòu)成該區(qū)脊部(圖1)，泰山主峰海拔最高1 545 m。脊部兩側(cè)海拔迅速降低至500～600 m，地形坡度較大，山區(qū)輪廓近似扇形，占全省總面積的42.3%，其東面臨海，環(huán)境較為復(fù)雜，是山東省災(zāi)害性天氣的多發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)。

2011年7月10日下午，魯中山區(qū)北部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，有6個(gè)站小時(shí)雨量超過30 mm。萊蕪市鋼城區(qū)、濰坊市臨朐縣、濱州市鄒平縣、東營市東營區(qū)遭受雷雨大風(fēng)、冰雹襲擊。冰雹持續(xù)時(shí)間10 min，直徑達(dá)2 cm，最大風(fēng)力10級，造成民房、樹木、農(nóng)作物等不同程度受災(zāi)，對流天氣的強(qiáng)度和范圍超出預(yù)估。短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)與地形關(guān)系密切，10 mm以上的較強(qiáng)降水多出現(xiàn)在地形陡峭處。

圖1　魯中山區(qū)地形(陰影，單位：m)及

2天氣形勢

2011年7月9日20:00(北京時(shí)，下同)，河套地區(qū)有弱槽，山東上空各層風(fēng)場風(fēng)速均較小。10日08:00 500 hPa山東受西南氣流控制，副熱帶高壓主體在海上，沒有明顯的冷空氣，850 hPa風(fēng)場山東西部和山西境內(nèi)有2個(gè)站風(fēng)向出現(xiàn)切變，但其距離魯中山區(qū)還較遠(yuǎn)，850 hPa溫度場山東處于20 ℃等溫線內(nèi)，上游沒有明顯溫度梯度區(qū)(圖2a)；10日08:00 925～700 hPa風(fēng)場山東處于海上高壓后部的東南風(fēng)反氣旋性環(huán)流中，08:00—11:00地面以東南風(fēng)為主，地面低壓倒槽逐漸減弱南撤，山東處于均壓場中，上游沒有明顯閉合的冷高壓存在。當(dāng)天數(shù)值預(yù)報(bào)沒有報(bào)出弱冷空氣影響，預(yù)報(bào)員根據(jù)這種形勢很難判斷強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。

10日11:00地面場上觀測到2 m·s-1左右的北風(fēng)并自河北南部擴(kuò)散至魯中山區(qū)北部(圖2b)，12:00—13:00山區(qū)西北邊界處對流開始發(fā)展。

圖2　2011年7月10日08:00 500 hPa等高線(黑色線，單位：dagpm)、槽線(棕色線)、風(fēng)場和

2.1不穩(wěn)定層結(jié)

圖3a給出 2011年7月10日08:00章丘站的探空曲線?？梢钥闯觯麑託鈱咏咏柡?，700 hPa附近有干層存在，對流有效位能(CAPE)值小(圖3a中紅色陰影區(qū))，對流抑制(CIN)值較大(藍(lán)色陰影區(qū))，700 hPa以下風(fēng)速弱。探空結(jié)果表明氣層存在弱的潛在不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定夏季較易出現(xiàn)。

對探空資料進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠喺軌蚋钊敕治鰧咏Y(jié)的不穩(wěn)定特征[19-20]。對流溫度(Tg)定義為地面加熱到剛能開始發(fā)展熱對流時(shí)的一個(gè)臨界溫度[21]，利用探空數(shù)據(jù)計(jì)算得出10日08:00對流溫度值為34.6 ℃。由下墊面的溫度分布特點(diǎn)可知，10日12:00山區(qū)北部和魯西南的實(shí)況溫度已經(jīng)達(dá)到對流溫度值。通過調(diào)整地面溫度對08:00探空資料進(jìn)行訂正(圖3b)。訂正后CAPE值從602 J·kg-1躍增到2 339 J·kg-1，對流抑制消失，抬升指數(shù)(LI)從-4.3 ℃變?yōu)?8.7 ℃，說明地形造成的下墊面局部顯著增溫會(huì)使該區(qū)域強(qiáng)對流發(fā)生的潛勢增大 。

圖3　2011年7月10日08:00章丘站訂正前(a)與訂正后(b)的探空曲線

2.2雷暴移動(dòng)軌跡

圖4給出7月10日濟(jì)南雷達(dá)組合反射率因子演變。10日12:31左右，鄒平南部首先出現(xiàn)強(qiáng)對流回波，鄒平位于魯中山區(qū)西北邊界處，附近地形類似于向西開口的喇叭(圖1紅色矩形框處)。13:00前后，多個(gè)局地對流云團(tuán)開始發(fā)展；14:00山區(qū)局地對流回波逐步連成片狀向東南方向移動(dòng)，給位于山區(qū)的萊蕪、臨朐帶來大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣，此時(shí)鄒平東北方向有較強(qiáng)回波云團(tuán)A發(fā)展；14:36回波強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)(60 dBZ)，并探測到向西北方向的出流氣流；15:05有明顯出流氣流，A云團(tuán)回波持續(xù)約40 min后開始減弱，造成淄博50 mm以上的強(qiáng)降水；15:23 回波明顯減弱，并在其出流邊界的西北方向觸發(fā)對流云團(tuán)B；15:29，B云團(tuán)獲得劇烈發(fā)展，15:35其回波強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)(60 dBZ)，給山區(qū)北部的平原地區(qū)造成大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣。云團(tuán)B回波持續(xù)到15:53左右開始減弱，同時(shí)在其出流邊界的西北側(cè)又一次觸發(fā)對流云團(tuán)C(圖略)，但此云團(tuán)回波強(qiáng)度較弱并且很快減弱消失。

圖4　2011年7月10日12:31—15:35濟(jì)南雷達(dá)組合反射率因子(單位：dBZ)演變

綜上所述，對流在特殊地形處被觸發(fā)并向東偏南方向發(fā)展。山區(qū)北側(cè)由于強(qiáng)對流出流邊界的觸發(fā)作用導(dǎo)致強(qiáng)對流回波團(tuán)的傳播，而山區(qū)西南側(cè)的對流回波較弱。較強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)在山區(qū)上空以及山區(qū)的北側(cè)。

3下墊面要素場分析

強(qiáng)對流天氣具有尺度小、突發(fā)性、易逝性特點(diǎn)，在大尺度分析和預(yù)報(bào)中，特別是在弱天氣系統(tǒng)背景下，很難準(zhǔn)確把握局地強(qiáng)對流天氣的發(fā)生和發(fā)展。這里利用區(qū)域加密自動(dòng)站資料分析對流發(fā)生前地面風(fēng)、氣壓、溫度、露點(diǎn)的時(shí)空分布。由于山區(qū)和平原對太陽輻射吸收的差異和海陸熱容量不同的影響，魯中山區(qū)及其周圍下墊面氣象要素場呈現(xiàn)出特定的分布特征，加之夏季山區(qū)上空氣層對流性增強(qiáng)[22]，從而易導(dǎo)致對流天氣發(fā)生。

3.1風(fēng)場

由2011年7月10日10:00—17:00的地面輻合線演變(圖5a)看到，由于地形的阻擋，山區(qū)北側(cè)平原地區(qū)的北風(fēng)影響較山區(qū)及山區(qū)南部快，11:00地面輻合線的形狀發(fā)生變化；12:00—15:00期間，由于來自黃海的東南風(fēng)風(fēng)速加大，輻合線向東南移動(dòng)緩慢，此時(shí)對流強(qiáng)烈發(fā)展，山區(qū)及山區(qū)北側(cè)回波的移動(dòng)發(fā)展路徑與該處輻合線位置變化對應(yīng)。

3.2地面溫度場

受海上東南風(fēng)影響時(shí)，山區(qū)背風(fēng)一面的平原上增溫較快。10日08:00—10:00，山區(qū)的北面、西面及西南面是明顯的高溫區(qū)，山區(qū)內(nèi)部以及東南面、東北面是低溫區(qū)，兩者溫差達(dá)3～4 ℃；11:00—12:00，山區(qū)北面和西南面出現(xiàn)2個(gè)>34 ℃的高溫中心，隨著北風(fēng)入侵，山區(qū)北側(cè)的地面氣溫與魯西北地區(qū)溫差達(dá)4～6 ℃(圖5b)，強(qiáng)雷暴云團(tuán)在山區(qū)北側(cè)的高溫區(qū)獲得強(qiáng)烈發(fā)展。

3.3地面氣壓場

10日08:00—10:00，與山區(qū)北面的高溫區(qū)配合，山區(qū)北邊界鄒平以東有一個(gè)低壓中心存在(圖略)，中心氣壓值為1 006 hPa，低于周圍2 hPa。至12:00，低壓中心最低氣壓進(jìn)一步降低到1 004.5 hPa(圖5c)，低于周圍2～3 hPa。較強(qiáng)回波團(tuán)A的初生位置(鄒平南部)在地面溫度的梯度線附近和低壓中心處。

圖5　2011年 7月10日區(qū)域觀測站要素場分布特征

3.4地面露點(diǎn)溫度場

10日14:00地面露點(diǎn)溫度場上(圖5d)，山區(qū)北部及北鄰的平原區(qū)，與高溫、低壓區(qū)相配合有一個(gè)高露點(diǎn)溫度中心，最大值為24 ℃，存在明顯的露點(diǎn)梯度帶。結(jié)合組合反射率因子演變和自動(dòng)站資料得知，較強(qiáng)回波團(tuán)A和B的觸發(fā)是在地面高溫低壓區(qū)內(nèi)，沿著地面露點(diǎn)鋒傳播，并且在山區(qū)邊界、地面能量較高地區(qū)發(fā)生局地強(qiáng)降水和冰雹大風(fēng)天氣。

4山區(qū)地形觸發(fā)作用

利用7月10日08:00 NCEP再分析資料和中尺度模式WRF V3.1對這次過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模式輸出的高時(shí)空分辨率風(fēng)場數(shù)據(jù)分析此次弱的天氣系統(tǒng)背景下，山區(qū)強(qiáng)對流天氣發(fā)生的原因。

4.1繞流作用

研究表明，海上的東南氣流對強(qiáng)對流的觸發(fā)作用不可忽視[12]。從模式輸出的10 m水平風(fēng)場上可看到來自海上的東南風(fēng)遇到山區(qū)后發(fā)生繞流，10日13:00發(fā)生繞流的2股氣流在山區(qū)西北側(cè)匯合形成輻合線(圖6a)，隨著渤海和黃海東南風(fēng)的加強(qiáng)，陸地上繞流輻合線逐漸向西移動(dòng)，15:00繞流輻合達(dá)到最強(qiáng)(圖6b)，散度場可以看出明顯的輻合帶，其中心值為-12×10-5s-1，對應(yīng)850 hPa渦度場和垂直速度場(圖略)大值中心。對流恰好在氣流匯合靠近山區(qū)北側(cè)處首先被觸發(fā)。山區(qū)西南側(cè)同樣存在高溫和低壓區(qū)，但因沒有風(fēng)向的地形輻合，沒有出現(xiàn)對流，所以在這種弱冷空氣入侵觸發(fā)的局地強(qiáng)對流預(yù)報(bào)中，要注意海上東南風(fēng)的影響。

4.2抬升作用

沿冷空氣影響方向(圖5a中箭頭方向：37.33°N、116.21°E—35.67°N、119.53°E)，經(jīng)過鄒平南部對流易發(fā)位置對風(fēng)場(u、w)做垂直剖面(圖6c、圖6d)。10日10:00以前，山區(qū)上空為東南氣流，沒有垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展；10:00，600 hPa以下冷空氣南下，山區(qū)西北方出現(xiàn)偏北風(fēng)，與山區(qū)上空的東南風(fēng)對峙，如前所述，山區(qū)北部海拔較高(最高處超過1 500 m)，北風(fēng)氣流遇到山區(qū)地形后被強(qiáng)迫抬升(圖6c)，迎風(fēng)坡出現(xiàn)上升氣流，背風(fēng)坡出現(xiàn)下沉氣流，此時(shí)山區(qū)并沒有降水回波產(chǎn)生；12:00，山區(qū)的西北邊界激發(fā)出垂直環(huán)流(圖6d)，山前低層上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，此時(shí)強(qiáng)對流開始發(fā)展。綜上可知，在風(fēng)速較小(4 m·s-1左右)的情況下，山區(qū)地形存在對其上空垂直環(huán)流的激發(fā)作用，這是造成本次對流天氣的主要因素。

圖6　WRF模式輸出的2011年7月10日13:00(a)與15:00(b)10 m水平風(fēng)場

5小結(jié)與討論

(1)通過分析區(qū)域加密自動(dòng)站資料和雷達(dá)回波可知，魯中山區(qū)和平原地面中尺度溫、壓、濕場分布存在明顯差異，山區(qū)西北、西南側(cè)的平原溫度明顯高于山區(qū)以及山區(qū)東面的半島地區(qū)。夏季天氣晴朗時(shí)，下墊面局地顯著增溫為強(qiáng)對流發(fā)展提供不穩(wěn)定能量。此次強(qiáng)對流在山區(qū)西北邊界低壓中心、溫度梯度最大處首先被觸發(fā)。

(2)局地對流觸發(fā)后，對流系統(tǒng)除沿著西北風(fēng)向東南方向移動(dòng)外，還沿著地面中尺度露點(diǎn)鋒不斷向北傳播，劇烈天氣發(fā)生在地面高能區(qū)內(nèi)和特殊地形處。地面加密要素場的分布特征能明顯反映出對流系統(tǒng)的傳播及加強(qiáng)趨勢。

(3)地面2 m·s-1左右弱北風(fēng)向東南擴(kuò)散遇山區(qū)西北邊界后產(chǎn)生輻合，在環(huán)境風(fēng)場較弱的情況下，魯中山區(qū)地形對垂直環(huán)流的激發(fā)，是這次強(qiáng)對流天氣觸發(fā)的關(guān)鍵因素，也是這次強(qiáng)對流天氣漏報(bào)的主要原因；山區(qū)地形對近地面東南風(fēng)的繞流進(jìn)而在山區(qū)背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生輻合，加強(qiáng)了山區(qū)北側(cè)的強(qiáng)雷暴天氣。

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Analysis of Terrain Triggering During a Failure Predicted Strong Convective Weather Process in Mountain Region of Middle Shandong

HAN Guoyong1, LI Lanlan2, JING Tao1,ZHAO Minfen1, SONG Zhongling1

(1.ZiboMeteorologicalBureauofShandongProvince,Zibo255000,China;2.ShandongMeteorologicalServiceCenter,Ji’nan250031,China)

Abstract:By using conventional observation data and high density regional observation stations data, radar echoes and simulation results from the WRF model, an analysis about a local strong convective weather caused by weak cold air in mountainous area of the middle Shandong was done. The results show that the weather process occurred under the condition of unstable atmospheric state and the trough on 500 hPa was weak, and the influence of terrain in mountainous area couldn’t be ignored on triggering and strengthening the strong convection. The local convection was triggered easily at the northwest boundary of mountainous area, the middle scale low pressure center and maximum temperature gradient area. The simulation results of the WRF model show that the convergence caused by the flow around the terrain was favorable for convection strengthening, and the vertical circulation excited by windward slope was the main reason of the convection development. Under the weak environment field, when the convection was triggered, the strong radar echo would develop and strengthen along the high-energy zone of the ground.

Key words:local convection; terrain triggering; underlying surface energy

收稿日期：2015-08-11；改回日期：2016-03-02

基金項(xiàng)目：山東省氣象局面上課題(2013sdqx08)和山東省氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)項(xiàng)目(SDYBY2015-09)共同資助

作者簡介：韓國泳(1983-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士，主要從事天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警工作. E-mail:dancingkid@163.com

文章編號：1006-7639(2016)-03-07-0540

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0540

中圖分類號：P458

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

韓國泳，李蘭蘭，荊濤，等.魯中山區(qū)一次漏報(bào)的強(qiáng)對流天氣過程中地形觸發(fā)作用分析[J].干旱氣象，2016，34(3)：540-546, [HAN Guoyong, LI Lanlan, JING Tao, et al. Analysis of Terrain Triggering During a Failure Predicted Strong Convective Weather Process in Mountain Region of Middle Shandong[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):540-546], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0540