2015年8月3日山東西北部暴雨過程的中尺度特征分析

高帆，張永婧，李瑞，褚穎佳

(濟(jì)南市氣象局，山東 濟(jì)南 250102)

?

2015年8月3日山東西北部暴雨過程的中尺度特征分析

高帆，張永婧，李瑞，褚穎佳

(濟(jì)南市氣象局，山東 濟(jì)南 250102)

2015年8月3日山東西北部出現(xiàn)一次對流性暴雨過程，中尺度特征明顯。利用常規(guī)和非常規(guī)觀測資料對該過程的中尺度環(huán)境場、對流系統(tǒng)的觸發(fā)演變及大暴雨的落區(qū)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：這是一次典型的低槽冷鋒暴雨過程。在高層輻散、中層北渦南槽、低層切變線和低空急流的天氣背景下，較大的大氣可降水量、大的低層比濕、中低層深厚的濕層和暖云層及大的對流有效位能為暴雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。暴雨由暖區(qū)對流和冷鋒對流共同造成，暖區(qū)對流在地面露點(diǎn)溫度大值區(qū)內(nèi)和低層濕舌的南邊緣由地面輻合線觸發(fā)生成，其在聊城形成列車效應(yīng)，產(chǎn)生大暴雨。地面冷鋒侵入低壓后暖區(qū)對流帶與冷鋒對流帶合并為一條強(qiáng)對流帶，且逐漸轉(zhuǎn)向偏東方向移動，列車效應(yīng)減弱。強(qiáng)對流帶后部形成弓形回波，產(chǎn)生地面大風(fēng)。本次強(qiáng)降水符合熱帶強(qiáng)降水型特點(diǎn)。強(qiáng)對流帶在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為一個扁平狀的中尺度對流系統(tǒng)，小時雨強(qiáng)50 mm以上的區(qū)域?qū)?yīng)衛(wèi)星云圖上TBB小于-70 ℃的區(qū)域。

暴雨； 環(huán)境條件； 暖區(qū)對流； 列車效應(yīng)； 系統(tǒng)演變

引言

暴雨常造成城市內(nèi)澇、山洪、泥石流等各種災(zāi)害，給人民的生命財產(chǎn)安全造成很大威脅。暴雨的預(yù)報和研究一直是各級氣象部門的工作重點(diǎn)，近年來，隨著衛(wèi)星資料、雷達(dá)資料等多種觀測資料的應(yīng)用，對華北地區(qū)暴雨的研究取得了很多成果。諶蕓等[1]對北京7·21特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境場條件及其發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行了全面分析，發(fā)現(xiàn)降水過程首先以層狀云降水和分散的對流性降水為主，隨著干冷空氣的侵入逐漸轉(zhuǎn)化為高度組織化的對流性降水，多個中小尺度對流云團(tuán)組織化發(fā)展并形成中尺度對流輻合體(MCC)，產(chǎn)生極端強(qiáng)降水。孫軍等[2]從降水效率、水汽、上升運(yùn)動和持續(xù)時間等方面進(jìn)一步探討了7·21極端性降水的成因，在有利的環(huán)境條件下中尺度對流系統(tǒng)首先在暖區(qū)發(fā)生發(fā)展，后向傳播特性使其東移速度慢，形成列車效應(yīng)，降雨持續(xù)時間拉長，導(dǎo)致出現(xiàn)極端降水。俞小鼎[3]也對北京7·21極端降水過程進(jìn)行了詳細(xì)分析和探討，指出向西南方向的后向傳播和速度更快向東北方向的平流結(jié)合導(dǎo)致對流單體反復(fù)經(jīng)過同一區(qū)域，形成列車效應(yīng)。徐珺等[4]對2012年7月7日黃淮地區(qū)的一次典型暖區(qū)大暴雨過程的成因進(jìn)行了分析，并討論了對這一類暴雨過程的短時臨近預(yù)報的著眼點(diǎn)。孫繼松等[5]對北京地區(qū)2006—2013年10次不同類型極端暴雨事件的基本特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)列車效應(yīng)形成的極端暴雨事件往往與兩次不同屬性的降水過程有關(guān)：鋒前暖區(qū)對流過程和鋒面附近的對流過程。本文利用常規(guī)觀測資料、中尺度自動站資料、NCEP再分析資料、多普勒天氣雷達(dá)資料和FY-2F衛(wèi)星資料對2015年8月3日山東西北部一次暴雨過程的中尺度環(huán)境場、對流系統(tǒng)的觸發(fā)演變及大暴雨的落區(qū)進(jìn)行分析，探討強(qiáng)降雨的成因，為短時和臨近預(yù)報提供一定參考依據(jù)。

1 實(shí)況與環(huán)流形勢

2015年8月3日山東西北部出現(xiàn)一次對流性暴雨過程，對流系統(tǒng)突發(fā)性強(qiáng)、移動速度快、降雨強(qiáng)度大，11—23時(北京時，下同)國家基本氣象站最大降雨量為113.1 mm(圖1)，出現(xiàn)在茌平，最大小時雨強(qiáng)為68.7 mm，17—18時出現(xiàn)在莘縣；區(qū)域自動站最大降雨量為168.9 mm，出現(xiàn)在茌平賈寨，最大小時雨強(qiáng)為74.1 mm，16—17時出現(xiàn)在陵縣義渡口；從各站逐小時降雨量可看出暴雨主要由1～2 h的短時強(qiáng)降雨產(chǎn)生；濟(jì)南市區(qū)強(qiáng)降雨集中在19—20時，市區(qū)平均降雨量為54 mm，造成市區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，低洼地帶積水最深達(dá)3.5 m。

這是一次典型的低槽冷鋒暴雨過程。3日08時200 hPa高空急流自巴湖向東經(jīng)新疆、內(nèi)蒙古到達(dá)黑龍江東部(圖略)，南亞高壓脊線位于33°N附近，暴雨區(qū)位于高空急流軸南側(cè)、南亞高壓脊線北側(cè)，有顯著的分流形勢，有利于產(chǎn)生天氣尺度的輻合上升運(yùn)動。500 hPa是北渦南槽形勢，中支槽位于河套，副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)強(qiáng)大，整體呈塊狀，脊線位于30°N附近，3日08—20時副高東退，中支槽東移至河北中部。850 hPa西南急流自2日08時建立后不斷加強(qiáng)，3日08時河套地區(qū)形成東北—西南向的徑向切變線，3日20時東移至山東西北部。地面上，山東西北部位于地面低壓倒槽內(nèi)，河套地區(qū)地面弱冷鋒逐漸東移南壓，14時冷鋒移至河北與山東交界處(圖1)。

2 中尺度環(huán)境場

2.1 水汽

暴雨的發(fā)生需要具備充沛的水汽條件，2日08時—3日08時持續(xù)24 h的西南低空急流為山東西北部地區(qū)輸送了充沛的水汽，3日08時山東西北部大氣可降水量較大，為60～70 mm。3日08時和20時濟(jì)南探空850 hPa和925 hPa比濕均在17 g·kg-1以上，大的低層比濕有利于產(chǎn)生大的雨強(qiáng)。

8月3日14時在河南北部到山東西南部存在一個地面露點(diǎn)溫度大值區(qū)(≥26 ℃)(圖1)，大值區(qū)與地面輻合線相配合，利于暖區(qū)對流的觸發(fā)。從3日14時NCEP再分析資料的比濕場可看出，暖區(qū)對流在低層濕舌的南邊緣觸發(fā)生成(圖2)。

圖1 2015年8月3日14時地面冷鋒、輻合線、露點(diǎn)溫度大值區(qū)(≥26 ℃)和11—23時降雨量(單位：mm，只顯示超過25 mm的降雨)Fig.1 The ground cold front,convergence line,area of large dew point temperature (≥26 ℃)at 14:00 BST and precipitation from 11:00 BST to 23:00 BST (unit: mm, only precipitation larger than 25 mm is shown) on 3 August 2015

圖2 2015年8月3日14時700 hPa(a)、850 hPa(b)和925 hPa(c)比濕(單位：g·kg-1，藍(lán)色橢圓區(qū)為暖區(qū)對流觸發(fā)區(qū))Fig.2 Specific humidity at 700 hPa(a),850 hPa(b)and 925 hPa(c) at 14:00 BST 3 August 2015(unit: g·kg-1; warm convections were triggered in the blue oval area)

8月3日08時濟(jì)南探空(圖略)顯示：700～925 hPa相對濕度均大于80%，抬升凝結(jié)高度為896 m，0 ℃層高度為5 044 m,暖云層厚度為4 148 m，中低層深厚的濕層和暖云層能夠使降水粒子在下降過程中不易被蒸發(fā)，從而保證了較高的降水效率[6]。

2.2 不穩(wěn)定能量

3日08時850 hPa上山東西北部位于假相當(dāng)位溫高能舌上(圖略)，高能舌上充足的能量利于強(qiáng)對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。

對流有效位能(CAPE)是衡量風(fēng)暴潛在強(qiáng)度的一個重要指標(biāo)，CAPE數(shù)值的增大表示上升氣流強(qiáng)度和對流發(fā)展?jié)搫莸脑鰪?qiáng)。用3日14時暖區(qū)對流觸發(fā)地的溫度和露點(diǎn)溫度對濟(jì)南08時探空進(jìn)行訂正，得到CAPE值為4 400 J·kg-1，表明3日午后該地區(qū)大氣層結(jié)的不穩(wěn)定能量很大，一旦被觸發(fā)，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動。

綜上所述，3日白天山東西北部環(huán)境大氣已經(jīng)具備了產(chǎn)生強(qiáng)降雨的水汽和不穩(wěn)定能量。

3 對流系統(tǒng)的觸發(fā)和演變

雷暴一般由低層中尺度系統(tǒng)觸發(fā)，如鋒面、干線、邊界層輻合線、重力波、地形抬升以及中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒[7]。當(dāng)某一中尺度系統(tǒng)不足以觸發(fā)雷暴時，雷暴在兩種以上中尺度邊界相遇處觸發(fā)，或中尺度邊界上疊加更小尺度的擾動觸發(fā)[8-10]。本次暴雨由暖區(qū)對流和冷鋒對流共同造成，分別由地面輻合線和冷鋒觸發(fā)生成。

圖3 濟(jì)南雷達(dá)16:01反射率因子(a)、16:01徑向速度(b)、16:30反射率因子(c)、18:33組合反射率因子(d)、20:01反射率因子(e)和19:32沿強(qiáng)對流帶中心的反射率因子剖面(f)Fig.3 Reflectivity of Jinan Radar at 16:01 BST (a),velocity at 16:01 BST (b),combined reflectivity at 16:30 BST (c),18:33 BST (d), reflectivity at 20:01 BST (e), and vertical profile of radar reflectivity along the center of the strong convection band at 19:32 BST (f)

3日08—14時，地面低壓倒槽內(nèi)形成一條地面輻合線(圖1)，聊城附近形成輻合中心，15:34—16:12地面輻合線上逐漸觸發(fā)出線狀對流單體，沿輻合線向東北方向移動，輻合線附近風(fēng)場的輻合為對流單體的發(fā)展提供了有利的動力條件,強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，其中一個對流單體在移至聊城時迅速發(fā)展加強(qiáng)，反射率因子圖上出現(xiàn)鉤狀回波結(jié)構(gòu)(圖3a),徑向速度圖上出現(xiàn)正負(fù)速度對(圖3b)，達(dá)到中氣旋強(qiáng)度，表明對流單體發(fā)展為超級單體，此超級單體造成茌平16—17時出現(xiàn)42.2 mm的強(qiáng)降水，16:30線狀對流單體排列成一條東北—西南向的暖區(qū)對流帶(圖3c)，從反射率因子動畫可看出，暖區(qū)對流帶具有明顯的后向傳播特征[11]，單體移動方向與傳播方向接近相反，單體依次經(jīng)過同一地點(diǎn)，形成列車效應(yīng)，導(dǎo)致聊城出現(xiàn)大暴雨。

圖4 FY-2F衛(wèi)星17:30(a)、18:30(b)、19:30(c)和20:30(d)TBB演變(單位：℃)Fig.4 FY-2F TBB at 17:00 BST (a),18:30 BST (b),19:30 BST (c) and 20:30 BST (d)( unit: ℃)

另外，結(jié)合中尺度自動站資料和雷達(dá)資料可發(fā)現(xiàn)，地面冷鋒在東移南壓過程中逐漸觸發(fā)生成零散的對流單體，16:30地面冷鋒觸發(fā)的對流單體在寧津、陵縣、夏津、館陶一帶也排列成一條東北—西南向的冷鋒對流帶(圖3c)。

隨著地面冷鋒逐漸侵入地面低壓內(nèi)部，冷鋒與地面輻合線逐漸合并，18:33冷鋒對流帶和暖區(qū)對流帶在濟(jì)南西部合并為一條強(qiáng)對流帶(圖3d)，從濟(jì)南雷達(dá)風(fēng)廓線資料(圖略)可看出，19時開始從低層到高層環(huán)境風(fēng)場西風(fēng)分量逐漸增大，強(qiáng)對流帶逐漸轉(zhuǎn)向偏東方向移動，列車效應(yīng)減弱，之后的降雨未達(dá)到大暴雨的量級。20時前后在強(qiáng)對流帶后部由于強(qiáng)降雨的下沉拖曳作用而形成弓形回波(圖3e)，受其影響地面多個中尺度自動站出現(xiàn)大風(fēng)，最大陣風(fēng)達(dá)24.2 m·s-1，21時之后強(qiáng)對流帶結(jié)構(gòu)逐漸松散，降雨強(qiáng)度逐漸減弱。

在降雨最強(qiáng)時刻(19:32)沿強(qiáng)對流帶中心制作反射率因子垂直剖面(圖3f)，可看出：強(qiáng)回波呈懸垂?fàn)钆帕校瑥?qiáng)度基本在50 dBZ以下，45 dBZ以上的回波集中在6 km以下，回波發(fā)展高度中等，整體質(zhì)心較低，符合熱帶強(qiáng)降雨型特點(diǎn)。

4 衛(wèi)星云圖分析

從FY-2F衛(wèi)星相當(dāng)黑體亮溫(TBB)演變可看出：16:30之前表現(xiàn)為孤立的對流云團(tuán)，17:30對流云團(tuán)合并為一個扁平狀中尺度對流系統(tǒng)(圖4a)，云頂亮溫小于-52 ℃的冷云區(qū)范圍約100 000 km2，最低云頂亮溫達(dá)-71 ℃，之后對流系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展(圖4b)，至19:30(圖4c)發(fā)展到最強(qiáng)狀態(tài)，此時云頂亮溫小于-52 ℃的冷云區(qū)范圍達(dá)到160 000 km2，最低云頂亮溫達(dá)-73 ℃，最強(qiáng)狀態(tài)維持了1 h至20:30(圖4d)，之后小于-52 ℃的冷云區(qū)范圍逐漸減小，云頂亮溫逐漸升高，對流系統(tǒng)強(qiáng)度逐漸減弱。結(jié)合中尺度自動站資料可發(fā)現(xiàn)，17—21時小時雨強(qiáng)達(dá)50 mm以上的區(qū)域與云頂亮溫小于-70 ℃的區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系。

5 小結(jié)

1)這是一次典型的低槽冷鋒暴雨過程，中尺度特征明顯，高層輻散、中層北渦南槽、低層徑向切變線和低空急流的環(huán)流形勢為暴雨的發(fā)生提供了有利的天氣背景。

2)持續(xù)24 h的低空急流輸送了充足的水汽和能量，使暴雨區(qū)具備了較大的大氣可降水量，大的低層比濕利于產(chǎn)生大的雨強(qiáng)，中低層深厚的濕層和暖云層保證了較高降水效率， 850 hPa假相當(dāng)位溫高能舌和大的對流有效位能增加了大氣的強(qiáng)不穩(wěn)定，這些都為強(qiáng)降雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。同時發(fā)現(xiàn)暖區(qū)對流發(fā)生在地面露點(diǎn)溫度大值區(qū)和低層濕舌的南邊緣上。

3)暴雨由暖區(qū)對流和冷鋒對流共同造成，分別由地面輻合線和冷鋒觸發(fā)生成；暖區(qū)對流帶在聊城形成列車效應(yīng)，產(chǎn)生大暴雨；隨著地面冷鋒侵入地面低壓內(nèi)部，冷鋒對流帶和暖區(qū)對流帶逐漸合并成為一條強(qiáng)對流帶，之后強(qiáng)對流帶東移分量逐漸加大，列車效應(yīng)減弱，造成單點(diǎn)強(qiáng)降雨持續(xù)時間縮短，未出現(xiàn)大暴雨；強(qiáng)對流帶后部形成的弓形回波造成地面出現(xiàn)大風(fēng)天氣；對流系統(tǒng)整體質(zhì)心較低，符合熱帶強(qiáng)降雨型特點(diǎn)。

4)衛(wèi)星云圖上孤立的對流云團(tuán)合并為一個扁平狀中尺度對流系統(tǒng)，在中尺度對流系統(tǒng)最強(qiáng)狀態(tài)時小于-52 ℃的冷云區(qū)范圍達(dá)到160 000 km2，最低云頂亮溫達(dá)-73 ℃。小時雨強(qiáng)50 mm以上的強(qiáng)降雨落區(qū)與云頂亮溫小于-70 ℃的區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系。

[1] 諶蕓，孫軍，徐珺，等.北京721特大暴雨極端性分析及思考(一)觀測分析及思考[J].氣象，2012，38(10)：1255-1266.

[2] 孫軍，諶蕓，楊舒楠，等.北京721特大暴雨極端性分析及思考(二)極端性降水成因初探及思考[J].氣象， 2012，38(10)：1267-1277.

[3] 俞小鼎.2012年7月21日北京特大暴雨成因分析[J].氣象， 2012，38(11)：1313-1329.

[4] 徐珺，楊舒楠，孫軍，等.北方一次暖區(qū)大暴雨強(qiáng)降水成因探討[J].氣象，2014，40(12)：1455-1463.

[5] 孫繼松，雷蕾，于波，等.近10年北京地區(qū)極端暴雨事件的基本特征[J].氣象學(xué)報，2015，73(4)：609-623.

[6] 陳元昭，俞小鼎，陳訓(xùn)來.珠江三角洲地區(qū)重大短時強(qiáng)降水的基本流型與環(huán)境參量特征[J].氣象，2016，42(2)：144-155.

[7] Doswell C A. The distinction between large-scale and mesoscale contribution to severe convection：A case study example[J]. Wea Forecasting,1987, 2(1)：3-16.

[8] Wilson J W,Crook N A,Mueller C K,et al.Nowcasting thunderstorms：A status report.[J]. Bull Amer Meteor Soc,1998,79(10)：2079-2100.

[9] Wilson J W,Feng Y,Chen M,et al.Nowcasting challenges during the Beijing Olympics：Successes,failures,and implications for future nowcasting systems[J]. Wea Forecasting,2010,25(6):1691-1714.

[10]王秀明，俞小鼎，周小剛，等.“6.3”區(qū)域致災(zāi)雷暴大風(fēng)形成及維持原因分析[J].高原氣象，2012，31(2)：504-514.

[11]侯淑梅，俞小鼎，張少林，等.山東中西部后向發(fā)展雷暴初步研究[J].氣象學(xué)報， 2015，73(5)：819-836.

Study of mesoscale characteristics of the rainstorm in northwestern Shandong on 3 August 2015

GAO Fan, ZHANG Yongjing, LI Rui, CHU Yingjia

(JinanMeteorologicalBureau,Jinan250102,China)

A convective rainstorm with mesoscale characteristics occurred in northwestern Shandong province on 3 August 2015. Based on both conventional and unconventional observation data, the environmental conditions, initiation, evolution of convective systems, and rainstorm distributions are analyzed in this paper. The results show that this rainstorm event was typically induced by upper-level trough and surface cold front. Under circulations of high level divergence, middle level trough, low level shear line and LLJ, favorable environmental conditions for the rainstorm were composed by large atmospheric precipitable water, high low level specific humidity, deep wet layer and warm clouds in middle and low level, and large CAPE. Warm area convections and cold frontal convections contributed to the rainstorm jointly, while the warm area convections were generated by the surface convergence line, which located in the area of large ground dew point temperature and on the south edge of the low-level wet tongue. In Liaocheng, train effect was formed and further enforced the heavy rainstorm. After the cold front invaded into the low pressure, the cold frontal convections and the warm area convections merged into a strong convection band. The track of the convection band turned to the east gradually, together with the weakening of the train effect. A bow echo formed behind the strong convection band, generating strong winds. The rainstorm has characteristics of tropical heavy rainfall. The strong convection band is shown as a flat mesoscale system on the satellite imagery, and the region, where hourly precipitation equal or greater than 50mm, is corresponded to the area where TBB is lower than -70 ℃.

rainstorm； environmental conditions； warm area convection； train effect； system evolution

2016-08-22；

2017-04-28

山東省氣象局科研項(xiàng)目濟(jì)南專項(xiàng)(sdjn2016-04)

高帆(1985—)，男，工程師，主要從事天氣預(yù)報工作，gaofan8510@sina.com。

P458

A

2096-3599(2017)02-0096-06

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.02.012