魯西南地區(qū)兩次春季低渦暴雨對比分析

張熙　李媛　張澤銘　郭振華　趙京峰

摘要：通過對比分析了魯西南地區(qū)2013年5月26日和2014年5月10日兩次春季低渦暴雨過程。結果表明，冷空氣入侵層結的不同、低層強輻合區(qū)高度的不同、能量鋒區(qū)位置的不同以及強上升運動中心位置的不同，都是造成低渦暴雨降水強度差異的重要原因。冷空氣侵入層節(jié)的異同決定了降水的穩(wěn)定度；邊界層強輻合對于氣旋前部偏東氣流里的暴雨形成更為重要；低空急流的強弱及位置決定了降水的強度和落區(qū)，強降水均發(fā)生在能量鋒區(qū)前沿；強上升運動區(qū)的深厚程度也是造成暴雨量級不同的關鍵因素，同時從暴雨區(qū)北側下沉運動區(qū)可以看出冷空氣的位置及其勢力的強弱。

關鍵詞：春季暴雨；魯西南；低渦；輻合輻散

中圖分類號：P458.1+21.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）04-0627-07

春季正是小麥生長的關鍵時期，持續(xù)暴雨或者強度較大的暴雨天氣會造成小麥嚴重的減產，對農業(yè)生產造成很大的影響[1]。以往氣象工作者分析了魯西南地區(qū)春季暴雨形成機制[2-5]，總結出春季暴雨的主要影響系統(tǒng)為低槽冷鋒、氣旋以及切變線[6-10]，氣旋的移動方向和切變線的演變決定了降水落區(qū)的位置。康桂紅等[11]對比相似天氣形勢的降水過程發(fā)現(xiàn)大暴雨的落區(qū)的分析需要從鋒面、切變線的位置以及水汽通量散度、渦度、散度垂直剖面方面著手，它們對暴雨的落區(qū)有一定的參考價值。本研究選取2013年5月26日和2014年5月10日兩次低渦暖切變線暴雨過程，從其環(huán)流背景、水汽條件、動力條件及熱力不穩(wěn)定條件進行對比分析，研究其降水強度、降水量級以及降水落區(qū)不同的原因。

1 降水概況

圖1為2013年5月26日（簡稱“0526”過程）和2014年5月10日（簡稱“0510”過程）魯西南地區(qū)兩次春季暴雨降水量對比圖。“0526”過程分析得出，此次暴雨過程多數(shù)站點出現(xiàn)100 mm以上的大暴雨，最大降雨點出現(xiàn)在微山縣氣象局觀測站，降水量為162.2 mm，全市多站點降水超歷史同期極值，此次降水正值該地區(qū)小麥成熟期，暴雨、大風引起麥田大面積倒伏，對農業(yè)生產和城市運行造成了很大的影響。“0510”過程分析得出此次降水為大到暴雨天氣過程，多站點降水達到50 mm，逐小時降水量分析得出，雖然此次降水過程逐小時降雨強度不大，但持續(xù)時間較長，最終形成暴雨。

以上分析表明，兩次過程降水落區(qū)類似，但是“0526”過程降水強度和降水持續(xù)時間都比“0510”過程大得多，平均降水量是其2倍。

2 系統(tǒng)的演變過程分析

“0526”過程中26日20時（圖2a），500 hPa高空槽發(fā)展，在魯西地區(qū)形成一個閉合低渦。此時850 hPa低渦位于山東省和河南省交界處，在500 hPa低渦南部（圖2b），可以看出這次過程從低到高均為低渦影響的深厚系統(tǒng)，魯西南位于850 hPa低渦暖切變線北側的東南氣流當中，氣流達到急流強度，半島南部風速達到30 m/s，并且持續(xù)時間較長，為暴雨區(qū)提供了有利的水汽條件，強降水點位于低渦中心和暖切變的北部，由于海上高壓勢力較強，低渦東移速度緩慢，降水時間持續(xù)較長。地面圖（圖2c、圖2d）上氣旋向東北方向移動，隨著東南風與東北風的輻合區(qū)發(fā)展，魯西南地區(qū)降水強度明顯增強，強降水落區(qū)位于氣旋東北象限的偏東氣流中，之后地面氣旋繼續(xù)向東北偏東方向移動（圖2c），且由于日本海附近高壓的阻擋，氣旋移速減慢，整個魯西南至魯東南地區(qū)降水強度都很大。低渦移出后強降水也隨之趨于結束。

“0510”系統(tǒng)演變如圖3所示，降水發(fā)生時500 hPa（圖3a）南北兩支槽東移，且北支槽移動較快，未來合并為一支，山東省500 hPa槽區(qū)前部，有冷切變線發(fā)展；中國東北上空高壓脊穩(wěn)定維持，使得西風帶系統(tǒng)東移受阻，移動變慢。500 hPa西南氣流的引導下，700 hPa低渦東移北抬，低渦向東伸出的暖切北抬至山東省魯西南地區(qū)（圖3b）。850 hPa低渦位置偏南，暖切只北抬到安徽省北部地區(qū)，但渦前形成了西南、東南兩條強的低空急流，東南急流強度達到20 m/s，兩支急流將水汽持續(xù)不斷地向山東地區(qū)輸送（圖3c），此外，20時850 hPa有冷空氣侵入低渦，冷暖空氣交匯進一步增大了雨強。地面圖上可以看出有地面倒槽（圖3d）影響山東地區(qū)，山東西部地區(qū)處在倒槽的頂端，地面倒槽隨著低渦北上繼續(xù)發(fā)展，14時在地面圖上出現(xiàn)明顯的輻合線，14～23時地面輻合線隨著系統(tǒng)東移為影響魯西南的主要時段，可以看到，隨著地面輻合線的東移，魯西南至魯中在輻合線移動路徑上為強降雨帶。5月11日08時，隨著南北兩支槽合并，低渦暖切變線降水轉變?yōu)槔淝凶兙€穩(wěn)定降水，雨強明顯減弱。

從以上分析可以看出，兩次暴雨過程均為低渦切變線暴雨，但其本質上還是存在差異的，“0526”過程是在深厚低渦的形勢下產生的，冷空氣的主體更為偏北，低渦暖切變線是造成強降水的主要原因，而“0510”過程在低渦發(fā)展的過程當中，由于西風槽的東移，槽后冷空氣勢力較強，低渦暖切變線降水很快轉換變?yōu)槔淝凶兙€降水，降水強度明顯減弱。此外，“0510”過程中，地面輻合線移出魯西南后才形成地面氣旋，時間上較“0526”過程晚很多。但兩次過程也存在共同點，即兩次暴雨過程均表現(xiàn)出整層系統(tǒng)的完整性，并配合有對流層低層的急流或顯著氣流。

3 水汽條件對比分析

850 hPa水汽輸送通量（圖略）進行對比分析得出，兩次過程水汽源地主要為南海和西太平洋，少量水汽來自孟加拉灣，均由西南風急流和東南風急流輸送至降水區(qū)。不過“0526”過程中無論是來自西南地區(qū)的水汽輸送強度還是來自西太平洋地區(qū)的水汽輸送強度都比“0510”過程強得多。值得注意的是，“0510”過程中，10日夜間水汽輸送通量強度加強，不過水汽輸送區(qū)已經移到山東東部地區(qū)，此時正對應半島南部強降水。

4 動力條件對比分析

4.1 垂直速度分析

4.1.1 水平分布 “0526”過程中，700 hPa等位勢面上，-1.5 Pa/s的上升速度區(qū)在26日08時（圖略）就控制了魯西南地區(qū)，到26日14時（圖略）強度增強至-2 Pa/s，范圍逐漸擴展到魯中地區(qū)，此時降水強度進一步加大，并一直維持至26日20時（圖略）之后?！?526”過程強上升速度區(qū)維持時間超過12 h。

“0510”過程中，700 hPa等位勢面上，10日08時（圖略）就控制了魯西南地區(qū)，中心上升速度為 -0.3 Pa/s，到10日14時（圖略）強度增強至-1.5 Pa/s，此時降水強度加大，強降水范圍仍舊在魯西南地區(qū)，10日20時（圖略）魯西南地區(qū)的上升速度降低到-1 Pa/s之下，降水強度減弱，至24時魯東南和半島南部地區(qū)-1.5 Pa/s的上升速度中心形成，對應地面氣旋在當?shù)匦纬?，半島南部地區(qū)降水強度加大。

對比得出，“0526”過程強上升速度區(qū)維持時間比“0510”過程長，且上升速度中心最大值比“0510”過程強。

4.1.2 垂直分布 對垂直速度過暴雨中心（116.5°E，35.4°N）作經向剖面（沿116.5°E）可以看出，降雨開始加強時的26日08時（圖4a），33.0°N-36.0°N上空均為上升區(qū)，強上升運動中心位于35°N附近，出現(xiàn)在600 hPa附近，中心達-2.7 Pa/s，垂直運動上升高度從900 hPa到達200 hPa，上升運動強烈，并且向北傾斜，此時35°N附近上空低層為弱下沉運動區(qū)，說明有弱的冷空氣從低層侵入；26日14時（圖4b）大范圍強上升運動區(qū)明顯往北推進，35.0°N-36.0°N上空均為強上升運動區(qū)；26日20時（圖4c）強上升運動區(qū)依舊維持在該地區(qū)，強上升運動中心強度為-2.7 Pa/s，在700 hPa附近。26日24時（圖4d），35.0°N附近上空垂直上升運動強度明顯減弱，而且再往北部，轉為下沉運動區(qū)，說明冷空氣已經到達36.0°N北部，魯西南地區(qū)降水明顯減弱。

對于“0510”過程中，降水強度在10日14時（圖5b）前開始加強，垂直上升運動中心位于35.1°N附近，高度在800 hPa附近，強度為-1.7 Pa/s，垂直上升高度在250 hPa附近。本次過程較“0526”過程另外一個很大的區(qū)別在于強降水區(qū)上空強上升運動持續(xù)時間短，10日20時（圖5c）上升運動強度就開始明顯減弱，且上升運動區(qū)高度也明顯下降。

綜上所述，這兩次低渦暴雨過程均是發(fā)生在深厚的強上升運動區(qū)內，暴雨落區(qū)及其移動方向與強的上升運動中心的相關性比較好。同時從暴雨區(qū)北側下沉運動區(qū)，可以看出冷空氣的位置和其勢力的強弱。這兩次過程不同之處在于“0526”過程強降水區(qū)上空強上升運動區(qū)維持時間比“0510”過程長，上升運動中心強度比“0510”過程大，且垂直上升區(qū)上升高度范圍比“0510”過程高，這也是“0526”過程降水強度要遠大于“0510”過程的主要原因之一。

4.2 散度分析

4.2.1 850 hPa層散度的水平分布特點 對850 hPa層的散度的分析（圖6）可以看出，“0526”過程中26日14時（圖6a），魯中西南部為大片的輻合區(qū)，輻合中心值達-80×10-6/s，與地面上的氣旋相對應，但位置較地面氣旋的位置略偏北，與高空低渦隨高度向北傾斜有關系；此時江蘇東北部也有一個-60×10-6/s的輻合中心，這個輻合區(qū)是由東南急流在此處風速輻合造成的，降水落區(qū)位于輻合中心附近。26日24時（圖6b），隨著系統(tǒng)的東移，輻合中心也隨之東移，魯中西南部的輻合中心東移至半島南部，可以看出，由于東部海區(qū)高壓的阻擋，輻合中心東移較慢。“0510”過程10日14時（圖6c），魯西南和魯中西部有大片的輻合區(qū)，魯西南地區(qū)的輻合中心達-70×10-6/s，此輻合中心與地面風場輻合線相對應。隨著系統(tǒng)的東移發(fā)展，輻合中心向東北方向移動，當氣旋生成后，輻合中心強度增強到100×10-6/s，半島南部和西部開始出現(xiàn)強降水。

4.2.2 垂直分布特點 選取兩次過程降水比較強的時段來對比分析，可以看出，“0526”過程（圖7a）中，35°N附近低層強輻合區(qū)在950 hPa附近，最大輻合中心值達-100×10-6/s，高空250 hPa附近輻散最強，中心輻合強度達80×10-6/s，強輻散區(qū)位置在37.0°N附近，高低空系統(tǒng)略向北傾斜，接近垂直，另外輻散層向下延伸，在600 hPa附近還有個60×10-6/s輻散中心，這種強低層輻合和高層輻散，有利于強的上升運動發(fā)展，有利于強降水的產生?！?510”過程（圖7b）中強降水發(fā)生階段，低層輻合與高層輻散中心的最大值均比“0526”過程低很多，這也是其降水強度沒有“0526”過程大的原因之一。

5 不穩(wěn)定能量對比分析

對假相當位溫（θse）過暴雨中心（116.5°E，35.4°N）作經向剖面（圖8）看出，“0526”過程中降水強度開始增強的26日08時（圖8a），34.5°N以北700 hPa以下θse隨高度遞減，說明該地區(qū)上空大氣層結不穩(wěn)定，700 hPa以上，34.0°N以南是大范圍的θse高值區(qū)，隨高度增加假相當位溫也增加，35.0°N上空為等假相當位溫線密集區(qū)，說明該地區(qū)上空有能量鋒區(qū)存在，隨著時間的發(fā)展，26日14時（圖8b）能量鋒區(qū)在垂直方向上越來越陡，說明沒有強冷空氣侵入系統(tǒng)，此時暴雨區(qū)南側的高能區(qū)θse大于345 K的等值線進一步往北推進，這與西南低空急流往北推進有關系，同時高能區(qū)下傳到達地面，說明暴雨區(qū)南側暖濕系統(tǒng)比較深厚，位于魯西南上空925～700 hPa之間等值線更加密集，說明系統(tǒng)發(fā)展的過程中有鋒生現(xiàn)象存在，這是由于低空暖濕氣流增強，這時的強降水正處在能量鋒區(qū)的右側。

“0510”過程中，在強降水開始前，10日08時（圖8c）在37.0°N北部近地面層有一300 K的低值中心，說明此次過程冷空氣是先從近地層開始侵入，θse隨高度增加而增加，說明35.0°N附近上空未出現(xiàn)位勢不穩(wěn)定層結，此次降水以對流穩(wěn)定性降水為主。隨著系統(tǒng)的發(fā)展，10日14時（圖8d），300 K的低值中心快速北移，此時，34.5°N-36.0°N之間的能量鋒區(qū)密集度加大，降水強度增大，鋒區(qū)南部的338 K的θse高能區(qū)未能下傳至地面，說明此次過程的暖濕系統(tǒng)不如“0526”過程深厚。

由以上分析可知，“0526”過程主要是由于850 hPa附近冷空氣積聚在近地層暖空氣之上形成不穩(wěn)定層結，為對流性不穩(wěn)定降水，而“0510”過程主要是冷鋒沿近地面入侵后，暖空氣被抬升，空氣層結比較穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定性降水，因此降水強度比前者弱。

6 小結

對2013年5月26日和2014年5月10日發(fā)生在山東地區(qū)的春季低渦暴雨對比分析發(fā)現(xiàn)。

1）兩次過程500 hPa均為東高西低型天氣形勢，均是在高空低槽引導下，低層西南渦逐漸發(fā)展起來，低渦切變、地面氣旋（風場輻合線）和低空急流共同造就的暴雨過程；且兩次過程中東部日本海高壓均較強，系統(tǒng)東移緩慢，強降水持續(xù)時間比較長。

2）“0526”過程是在深厚低渦的形勢下產生的，冷空氣的主體更為偏北，低渦暖切變線是造成強降水的主要原因，而“0510”過程在低渦發(fā)展的過程當中，由于西風槽的東移，槽后冷空氣勢力較強，低渦暖切變線降水很快轉換變?yōu)槔淝凶兙€降水。

3）兩次暴雨過程發(fā)生時低層均有強輻合區(qū)存在，“0526”過程低層輻合中心強度比“0510”過程強很多，此外“0526”過程輻合中心主要集中在950 hPa附近，比一般暴雨的輻合層高度更低，強降水時段輻散層向下延伸，說明邊界層輻合更有利于強暴雨的產生。

4）從θse垂直剖面可以看出冷空氣的入侵高度以及降水的穩(wěn)定度，“0526”過程中低層冷空氣積聚在地面暖濕空氣之上，形成的上冷下暖不穩(wěn)定層結，以對流性降水為主?！?510”過程冷空氣先從地面侵入，形成上暖下冷的穩(wěn)定層結，降水比較穩(wěn)定。

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