副熱帶高壓邊緣連續(xù)兩次強(qiáng)降水形成機(jī)制分析

楊曉霞

(山東省氣象臺，山東 濟(jì)南 250031)

副熱帶高壓邊緣連續(xù)兩次強(qiáng)降水形成機(jī)制分析

楊曉霞

(山東省氣象臺，山東 濟(jì)南 250031)

利用常規(guī)觀測資料、自動氣象站加密觀測資料、GPS/MET水汽監(jiān)測資料、FY-2E衛(wèi)星云圖和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，對副熱帶高壓邊緣山東南部連續(xù)兩次強(qiáng)降水的形成機(jī)制進(jìn)行分析。結(jié)果表明，兩次強(qiáng)降水都是由副熱帶高壓邊緣500 hPa弱西風(fēng)槽過境影響產(chǎn)生的，副熱帶高壓主體加強(qiáng)西移，850～700 hPa有較強(qiáng)的西南急流。強(qiáng)降水產(chǎn)生在西南低空急流的前方、暖式切變線附近；西南低空急流加強(qiáng)北上強(qiáng)降水開始，急流減弱強(qiáng)降水結(jié)束。強(qiáng)降水區(qū)與CAPE的高值區(qū)、低層水汽通量高值舌、水汽輻合中心、暖平流中心有較好的對應(yīng)關(guān)系。西南低空急流、GPS/MET水汽監(jiān)測對強(qiáng)降水的短時(shí)預(yù)報(bào)有一定的指示性。對流云團(tuán)TBB最低為-78～-62 ℃，各觀測站對應(yīng)最大小時(shí)雨量為40～90 mm。強(qiáng)降水期間，850 hPa及以下有中尺度渦旋發(fā)展，渦旋尺度小，氣壓場上表現(xiàn)很弱，流場上表現(xiàn)明顯，有明顯的氣旋性環(huán)流中心，在925 hPa渦旋中心東南部的暖平流中心降水強(qiáng)度最大。第一次強(qiáng)降水的中尺度渦旋源地發(fā)展，穩(wěn)定少動，在其東南部上升運(yùn)動強(qiáng)且降水強(qiáng)度大；第二次強(qiáng)降水中，冷空氣在低層從西北部侵入，形成氣旋，向東北移動，強(qiáng)降水產(chǎn)生在冷鋒前部的暖區(qū)中，對流不穩(wěn)定能量高，降水強(qiáng)度大、范圍大。

連續(xù)兩次強(qiáng)降水； 副熱帶高壓邊緣； 西風(fēng)槽； 暖式切變線； 中尺度渦旋

引言

夏季山東受副熱帶高壓和西風(fēng)帶系統(tǒng)的共同影響，經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)降水，造成洪澇災(zāi)害，小時(shí)雨量在50 mm以上的強(qiáng)降水屢見不鮮， 100 mm以上的強(qiáng)降水也時(shí)有發(fā)生。強(qiáng)降水過程具有時(shí)間短、雨強(qiáng)大、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，數(shù)值模式對降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯偏小，對降水時(shí)間和落區(qū)預(yù)報(bào)也有偏差。目前對流性強(qiáng)降水仍然是預(yù)報(bào)中的難題，對其形成機(jī)制的認(rèn)識還有待深入。蘇愛芳等[1]利用衛(wèi)星云圖資料對黃淮西部地區(qū)深對流云的時(shí)空分布特征及其天氣意義進(jìn)行研究表明，淮河流域是深對流活動的高發(fā)區(qū)，地勢較低地區(qū)的深對流活動較多地與雷暴和短時(shí)強(qiáng)降水有關(guān)。吳芳芳等[2]對蘇北地區(qū)超級單體風(fēng)暴的環(huán)境條件與雷達(dá)回波特征進(jìn)行研究表明，強(qiáng)降水超級單體通常產(chǎn)生在對流有效位能較高和垂直風(fēng)切變中等的環(huán)境下。曲曉波等[3]對淮河中下游3次颮線對比分析表明，在較強(qiáng)不穩(wěn)定能量積累的條件下，低層輻合抬升、高層干冷空氣侵入和較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變是對流發(fā)展成有組織的颮線系統(tǒng)的動力機(jī)制。對北京“7·21”特大暴雨研究[4-10]表明，在大尺度環(huán)流十分有利的背景下，鋒前暖區(qū)的中尺度對流系統(tǒng)(MCS)和冷鋒是造成強(qiáng)降水的直接影響系統(tǒng)，充沛的水汽輸送和水汽輻合是在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)降水的必要條件。對山東對流性強(qiáng)降水的分析研究[11-16]表明，在對流不穩(wěn)定的暖濕大氣中，低層暖式切變線、暖濕平流、地面輻合線、冷鋒等觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強(qiáng)對流，造成強(qiáng)降水，中高層和低層干冷空氣的侵入與強(qiáng)對流密切相關(guān)。遠(yuǎn)距離熱帶氣旋在山東造成的暴雨[17-18]主要是在副熱帶高壓西部邊緣建立起水汽通道，在500 hPa西風(fēng)槽和低層中尺度低值系統(tǒng)的影響下產(chǎn)生強(qiáng)降水，造成暴雨或大暴雨。臺風(fēng)登陸北上和沿海北上影響山東產(chǎn)生的強(qiáng)降水[19-20]主要出現(xiàn)在臺風(fēng)中心北部的倒槽區(qū)。對副熱帶高壓與低渦和西風(fēng)槽相互作用產(chǎn)生的暴雨分析研究[21-22]表明，鋒區(qū)、冷鋒、低層切變線輻合抬升和干冷空氣侵入是造成暴雨的觸發(fā)機(jī)制。副熱帶高壓邊緣的強(qiáng)降水形成機(jī)制較復(fù)雜，預(yù)報(bào)難度大，有待于進(jìn)一步研究。本文利用多種觀測資料對2012年7月7—8日和9—10日副熱帶高壓邊緣連續(xù)兩次強(qiáng)降水過程的影響系統(tǒng)、溫濕特征和動力機(jī)制進(jìn)行分析研究，以加深對這類強(qiáng)降水的認(rèn)識。

1 降水實(shí)況

2012年7月7日12時(shí)—8日14時(shí)，山東南部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水，魯東南降水量最大，蘭陵站雨量最大，為269.8 mm(圖1a)。9日12時(shí)—10日08時(shí)，該地區(qū)又出現(xiàn)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水中心依然在魯東南，臨沂降水量最大達(dá)210.2 mm(圖1b)。兩次過程的累積降水量以臨沂最大，全市平均雨量252 mm，其次是萊蕪至新泰一帶。全省中尺度觀測站累積雨量有23站雨量≥300 mm，2站雨量≥400 mm，其中臨沂的羅西站最大，為477.1 mm，臨沂站427.8 mm。兩次強(qiáng)降水過程的降水強(qiáng)度都很大，各觀測站最大小時(shí)雨量分別為50～90.1 mm和40～88.3 mm(圖1c)，1個測站強(qiáng)降水維持3～6 h。第二次強(qiáng)降水的范圍大，強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短。

圖1 2012年7月7日12時(shí)—8日14時(shí)(a)、7月9日14時(shí)—10日08時(shí)(b)雨量分布(等值線：10，25，50，100，150，200，250，單位：mm)及7日12時(shí)—8日14時(shí)和9日13時(shí)—10日08時(shí)山東全省選出的最大小時(shí)雨量和最低TBB(c)Fig.1 Distribution of precipitations (unit: mm) during 12:00 BST 7-14:00 BST 8 July 2012(a), and 14:00 BST 9-08:00 BST 10 July 2012(b). Hourly maximum precipitation and minimum TBB during 12:00 BST 7-14:00 BST 8 and 13:00 BST 9-08:00 BST 10 July 2012 (c)

2 產(chǎn)生強(qiáng)降水的中尺度對流系統(tǒng)

在FY-2E紅外衛(wèi)星云圖中，兩次強(qiáng)降水都是由中尺度對流系統(tǒng)影響產(chǎn)生的，其中有多個中尺度對流云團(tuán)的發(fā)展和合并，并有新老云團(tuán)的更替。對流云團(tuán)首先在豫北和魯西南產(chǎn)生，向東緩慢移動，在移動中發(fā)展加強(qiáng)，并向北發(fā)展，在魯東南達(dá)到最強(qiáng)。第一次強(qiáng)降水由兩個中尺度對流系統(tǒng)影響而產(chǎn)生。對流云團(tuán)的最低TBB在-78～-62 ℃，各觀測站對應(yīng)最大小時(shí)雨量為50～90 mm的強(qiáng)降水(圖1c)。第二次過程中對流云團(tuán)的最低TBB明顯比第一次過程中的偏低。第一次強(qiáng)降水的對流云團(tuán)前期強(qiáng)，后期弱，中尺度對流系統(tǒng)的主體和強(qiáng)中心偏南，造成的降水強(qiáng)度是前期小、后期大。7日下午的對流云團(tuán)雖然強(qiáng)度較強(qiáng)，但是產(chǎn)生的雨強(qiáng)不大。第二次強(qiáng)降水的對流云團(tuán)前期弱后期強(qiáng)，中尺度對流系統(tǒng)的主體和強(qiáng)中心偏北，后期強(qiáng)中心影響魯東南，強(qiáng)中心的強(qiáng)度強(qiáng)、范圍大，維持時(shí)間長。

3 環(huán)流特征和影響系統(tǒng)

兩次強(qiáng)降水都是由500 hPa副熱帶高壓邊緣連續(xù)兩個弱西風(fēng)槽過境產(chǎn)生的，850～700 hPa有較強(qiáng)的西南低空急流，在急流的前部有橫向的暖式切變線，強(qiáng)降水產(chǎn)生在西南低空急流的左前方、暖切變線附近，都有中尺度渦旋發(fā)展。第一次強(qiáng)降水產(chǎn)生在低層850 hPa暖式切變線附近。第二次強(qiáng)降水產(chǎn)生在850 hPa中尺度渦旋的東部，高層冷空氣較強(qiáng)，低層中尺度渦旋發(fā)展，地面生成氣旋，強(qiáng)降水在氣旋中心的東南部。

7月7日08時(shí)，500 hPa副熱帶高壓脊線位于25°N附近，西伸脊點(diǎn)在117°E，高壓中心位于臺灣海峽。雖然588 dagpm等高線所圍的中心偏南，但是584 dagpm所圍的面積大，從華南至淮河流域都受龐大的副熱帶高壓控制。華北大陸高壓脊與副熱帶高壓相疊加，脊線位于117°E，脊后在河套地區(qū)有弱低槽東移，槽前西南氣流與副熱帶高壓邊緣的西南氣流相疊加，其前沿影響魯西南。700～850 hPa魯南地區(qū)為暖式切變線影響，切變線南部的偏南風(fēng)氣流較強(qiáng)，850 hPa風(fēng)速為12～14 m·s-1，達(dá)到低空急流的強(qiáng)度。地面上，華東沿海一股東南風(fēng)氣流到達(dá)魯南，在魯南地區(qū)產(chǎn)生氣旋性輻合，有利于輻合上升。7日20時(shí)，500 hPa河套地區(qū)的低槽東移到河北東部，超前于700 hPa低槽，形成前傾槽，850 hPa西南急流的前部到達(dá)魯西南，并在此形成弱的暖式切變線(圖2a)，地面上為東高西低的氣壓場，魯西南為從西向東伸的倒槽影響，有弱的風(fēng)場輻合(圖2e)。7日夜間500 hPa低槽移過山東，8日08時(shí)山東高空500 hPa轉(zhuǎn)為西北氣流控制(圖2b)，而低層環(huán)流較穩(wěn)定，850～700 hPa在魯西南形成中尺度氣旋性環(huán)流，地面上在山東西南部生成狹長的低壓倒槽(圖2f)，東南氣流與偏北氣流在倒槽區(qū)輻合。在500 hPa低槽逼近和過境期間，低層850～700 hPa西南急流的前部、暖式切變線附近產(chǎn)生第一次強(qiáng)降水。

圖2 500 hPa高度場(加粗線為588 dagpm等值線)、850 hPa風(fēng)場(a、b、c、d)和地面等壓線、冷鋒、暖鋒(e、f、g、h，等值線間隔1 hPa，填色區(qū)為強(qiáng)降水區(qū))(a、e.7日20時(shí)，b、f. 8日08時(shí)，c、g. 9日20時(shí)，d、h. 10日08時(shí))Fig.2 500 hPa (the bold blue line indicates 588 dagpm) and 850 hPa winds (a, b, c, d), and sea level pressure (interval:1 hPa), cold front and warm front (e, f, g, h; the color-filled area indicates the rainfall area); (a, e. 20:00 BST 7; b, f. 08:00 BST 8; c, g. 20:00 BST 9; d, h. 08:00 BST 10)

8日20時(shí)低層850～700 hPa的暖式切變線減弱，位于35°N附近，切變線南部的西南急流減弱南退，8日夜間強(qiáng)降水區(qū)偏南，位于江蘇和安徽境內(nèi)，山東無降水。

9日08時(shí)開始，500 hPa副熱帶高壓主體加強(qiáng)西移，588 dagpm線控制華南至江南，山東南部位于副熱帶高壓北部邊緣，在584 dagpm線附近。此時(shí)在河西走廊又有西風(fēng)槽東移，同時(shí)在長江上游有南支槽發(fā)展，與北支槽同位相疊加。隨著西風(fēng)槽的發(fā)展東移，槽前西南氣流加強(qiáng)，850～700 hPa副熱帶高壓西部邊緣的西南氣流再次加強(qiáng)，在貴州至河南形成一股較強(qiáng)的西南急流，其前部直達(dá)魯南，在這股西南急流的左前方，河南北部至山西南部形成中尺度渦旋中心。隨著500 hPa西風(fēng)槽的東移，槽前正渦度平流誘發(fā)低層中尺度渦旋發(fā)展。伴隨西風(fēng)槽的逼近和低層中尺度渦旋的發(fā)展，9日下午山東南部的第二次強(qiáng)降水開始。9日20時(shí)，500 hPa低槽東移到河套東部(圖2c)，槽前低層700～850 hPa中尺度渦旋發(fā)展東移，850 hPa中尺度渦旋中心偏東，位于河北東南部。地面上在魯西南形成低壓倒槽(圖2g)，風(fēng)場上形成氣旋性環(huán)流中心。9日夜間，500 hPa西風(fēng)槽加深東移影響山東，10日08時(shí)移到山東半島上空(圖2d)，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，850 hPa中尺度環(huán)流中心東移到魯中北部濰坊附近。由于高空槽前的暖平流減壓和槽前正渦度平流的動力減壓作用，地面氣壓迅速降低，弱冷空氣從西北部進(jìn)入低壓環(huán)流中心，10日02時(shí)形成氣旋波位于魯中，10日08時(shí)氣旋中心移到魯中北部濰坊附近(圖2h)。在氣旋的東南部、冷鋒前部的暖區(qū)，山東南部產(chǎn)生第二次強(qiáng)降水。

4 溫濕特征

4.1 熱力特征

兩次強(qiáng)降水期間，對流有效位能(CAPE)的值較高，第一次強(qiáng)降水前期7日14時(shí)，CAPE的高值舌控制魯西南地區(qū)，7日20時(shí)CAPE增強(qiáng)至800～1 600 J·kg-1(圖3a)，抬升指數(shù)(LI)為負(fù)值，-5～-3 ℃的低值舌(圖略)與CAPE的高值舌重合。7日20時(shí)以后，隨著強(qiáng)降水的產(chǎn)生，對流不穩(wěn)定能量釋放，CAPE值明顯減小，8日08時(shí)CAPE值200～1 000 J·kg-1的高值舌(圖3b)和抬升指數(shù)的負(fù)值舌控制魯西南地區(qū)，此時(shí)魯東南的強(qiáng)降水產(chǎn)生在CAPE高值舌和LI負(fù)值舌的東部較強(qiáng)的梯度區(qū)。

在第二次強(qiáng)降水開始前9日08時(shí)，魯西南和魯中南部的CAPE值明顯增大，9日14時(shí)在魯南形成高值區(qū)，中心位于魯東南，中心值達(dá)到2 400 J·kg-1(圖3c)，LI的負(fù)值也達(dá)到-6 ℃，大氣具有很高的對流不穩(wěn)定能量。9日12時(shí)開始，在魯南CAPE的高值區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水，隨著降水的產(chǎn)生，對流不穩(wěn)定能量減弱，9日20時(shí)魯西南的CAPE減弱到1 000 J·kg-1以下，魯東南的中心值減弱到1 800 J·kg-1(圖3d)，9日20時(shí)以后隨著強(qiáng)降水的產(chǎn)生CAPE迅速減弱，10日02—08時(shí)魯東南的中心值減弱到1 000 J·kg-1。強(qiáng)降水區(qū)與CAPE的高值區(qū)和LI的負(fù)值區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，且在強(qiáng)降水前期CAPE較高，后期CAPE迅速降低。由此可見，第二次強(qiáng)降水期間的對流不穩(wěn)定能量遠(yuǎn)高于第一次。

圖3 強(qiáng)降水期間對流有效位能(CAPE)的分布(單位：J·kg-1，陰影區(qū)為未來強(qiáng)降水落區(qū))(a.7日20時(shí)，b.8日08時(shí)，c. 9日14時(shí)，d. 9日20時(shí))Fig.3 Distribution of CAPE during heavy rainfalls (unit：J·kg-1, the shaded area indicates the rainfall area in next 6 hours)) (a.20:00 BST 7, b. 08:00 BST 8, c.14:00 BST 9, d.20:00 BST 9)

在濟(jì)南和徐州探空站的T-lnp圖中，7日20時(shí)—10日08時(shí)，對流有效位能的形狀呈瘦長形(圖略)，K指數(shù)較高。7日20時(shí)濟(jì)南K指數(shù)達(dá)到39 ℃。8日08時(shí)徐州探空站K指數(shù)達(dá)到40 ℃，8日上午在徐州的東北部臨沂附近產(chǎn)生強(qiáng)降水。8日20時(shí)，濟(jì)南和徐州上空對流不穩(wěn)定能量再度增大，但是由于切變線偏南，輻合抬升較小，動力觸發(fā)作用較小，8日夜間沒有強(qiáng)降水。9日08—20時(shí)K指數(shù)為34～38 ℃。10日08時(shí)濟(jì)南和徐州的低層都轉(zhuǎn)為西到西北氣流，從低層到高層受一致的西北氣流控制，強(qiáng)降水結(jié)束。由此可見，在第一次強(qiáng)降水中后期，雖然對流不穩(wěn)定能量(CAPE)明顯降低，但K指數(shù)還較高，說明大氣暖濕，具有產(chǎn)生強(qiáng)降水的條件。

4.2 水汽特征

4.2.1 大氣可降水量

從探空資料來看，降水期間整層大氣的溫度露點(diǎn)差較小，低于5 ℃時(shí)濕度較大，850 hPa至地面的比濕為15.3～20.2 g·kg-1。

分析GPS/MET監(jiān)測資料可見，7日08時(shí)之前，大氣可降水量較小，在50 mm以下，7日12時(shí)開始魯西南水汽增加，7日14時(shí)聊城至魯西南一帶大氣可降水量增大到53～63 mm。7日12時(shí)開始該地區(qū)出現(xiàn)小時(shí)雨量20 mm以上的強(qiáng)降水，大氣可降水量的增大與強(qiáng)降水同時(shí)出現(xiàn)。7日20時(shí)魯西北的西部和魯西南的大氣可降水量增大到60～67 mm(圖4a)，此時(shí)，強(qiáng)降水已明顯減弱，但大氣中的含水量仍然較高，具有產(chǎn)生強(qiáng)降水的水汽條件。7日23時(shí)新一輪強(qiáng)降水開始，強(qiáng)降水區(qū)呈西北—東南向，位于濟(jì)南至臨沂一帶。強(qiáng)降雨帶的分布與大氣可降水量的較強(qiáng)梯度區(qū)相對應(yīng)，大氣可降水量在60～75 mm，其梯度高值帶也呈西北—東南向，位于濟(jì)南至臨沂上空。8日04時(shí)開始，水汽梯度明顯減小(圖4b)，量值增大到66～78 mm，在高值區(qū)，產(chǎn)生最大小時(shí)雨量為46～90 mm的強(qiáng)降水。8日14時(shí)以后，可降水量減少到61～70 mm(圖4c)，8日14時(shí)—9日08時(shí)沒有強(qiáng)降水產(chǎn)生。9日08時(shí)以后，從魯西南和魯中西部開始，可降水量又明顯增大，9日12時(shí)以后魯西北西部、魯南和魯中南部的可降水量維持在70～77 mm(圖4d)，到9日20時(shí)一直維持在70 mm以上(圖4e)，10日04時(shí)在濟(jì)南附近達(dá)到了81 mm。19日15時(shí)—10日06時(shí)最大小時(shí)雨量維持在50～88 mm。10日07時(shí)開始可降水量開始減小(圖4f)，降水強(qiáng)度和范圍也減弱，08時(shí)最大小時(shí)雨量減小到40 mm以下，以后強(qiáng)降水逐漸減弱結(jié)束。10日13時(shí)魯西南、魯西北和魯中西部的大氣可降水量減小到66 mm以下。由此可見，兩次過程都是在強(qiáng)降水開始前3～6 h，大氣可降水量從魯西南開始明顯升高，在強(qiáng)降水后期開始降低。大氣可降水量的升高和降低對強(qiáng)降水的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)有一定的指示性。

圖4 GPS/MET監(jiān)測的水汽分布(a. 7日20時(shí)，b. 8日04時(shí)，c. 8日14時(shí)，d. 9日12時(shí)，e. 9日20時(shí)，f. 10日07時(shí))Fig.4 Distribution of GPS/MET PWV (a. 20:00 BST 7, b. 04:00 BST 8, c. 14:00 BST 8, d. 12:00 BST 9, e. 20:00 BST 9, f. 07:00 BST 10)

4.2.2 水汽輸送和輻合

7月7日08時(shí)850 hPa河南東南部有一股西南氣流向魯西南輸送水汽，水汽通量大于8 g·cm-1·hPa-1·s-1的高值舌伸向魯西南，中心大于20 g·cm-1·hPa-1·s-1，在魯西南的暖式切變線附近產(chǎn)生水汽輻合。7日12時(shí)，在水汽通量輻合區(qū)，強(qiáng)降水開始。7日20時(shí)，大于20 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心隨著西南氣流的北上移至安徽北部和魯西南地區(qū)(圖5a)，大量的水汽在偏南氣流前部的魯西南地區(qū)輻合，形成-4×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽通量輻合中心。之后隨著西南氣流的加強(qiáng)北進(jìn)，大量的水汽涌向魯南和魯中地區(qū)。8日02時(shí)，水汽通量中心移至魯南的棗莊附近，大于8 g·cm-1·hPa-1·s-1的高值舌隨西南氣流伸向魯中(圖5b)，在魯南和魯中形成水汽輻合，輻合中心位于泰安附近，中心值達(dá)到-8×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1。8日02—07時(shí)在水汽輻合中心附近的濟(jì)南至泰安一帶產(chǎn)生最大小時(shí)雨量為56～87 mm的強(qiáng)降水。8日08時(shí)，水汽通量中心移到西南氣流前部的魯東南和魯中東部地區(qū)，在此強(qiáng)烈輻合，形成-6×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合中心，8日08—13時(shí)產(chǎn)生最大小時(shí)雨量為61～90 mm的強(qiáng)降水。8日14時(shí)，魯南和魯中的西南氣流明顯減弱，水汽通量也明顯減小，強(qiáng)降水結(jié)束。強(qiáng)降水中心與水汽輻合中心有較好的對應(yīng)關(guān)系。8日14時(shí)—9日08時(shí)，850 hPa西南急流的軸線偏東偏南，向魯南的水汽輸送明顯偏小。在山東的水汽通量基本上小于12 g·cm-1·hPa-1·s-1，魯南和魯中的水汽通量輻合逐漸轉(zhuǎn)為輻散。此時(shí)段魯南和魯中無強(qiáng)降水。

圖5 850 hPa水汽通量(藍(lán)色實(shí)線，等值線間隔2 g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(紅色虛線，等值線間隔2×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，陰影區(qū)為強(qiáng)降水區(qū))(a. 7日20時(shí)，b. 8日02時(shí)，c. 9日20時(shí)，d. 10日02時(shí))Fig.5 850 hPa water vapor flux (blue lines, interval: 2 g·cm-1·hPa-1·s-1 ) and moisture flux divergence (red dashed lines, interval: 2×10-7 g·cm-2·hPa-1·s -1, the shaded area indicates the heavy rainfall area) (a.20:00 BST 7, b. 02:00 BST 8, c.20:00 BST 9,d. 02:00 BST 10)

9日14時(shí)開始河南東部的西南風(fēng)再度加強(qiáng)，相應(yīng)的水汽通量明顯增大，850 hPa西南急流攜帶的水汽再度北上，涌向魯南。9日20時(shí)，850 hPa西南急流的前部到達(dá)魯中南部，大于12 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量高值舌也伸向魯中，850 hPa在西南急流的左前方產(chǎn)生水汽通量輻合，在水汽通量的輻合區(qū)魯中南部和魯南再次產(chǎn)生強(qiáng)降水(圖5c)。10日02時(shí)，隨著850 hPa西南急流的北伸和東移，在魯東南和魯中東部形成水汽通量高值舌和水汽輻合中心(圖5d)，產(chǎn)生強(qiáng)降水。10日08時(shí)，水汽通量的高值舌和水汽輻合中心北移到渤海，魯中東部和魯東南的強(qiáng)降水逐漸結(jié)束。兩次強(qiáng)降水都是產(chǎn)生在水汽通量的高值舌和水汽的輻合中心附近，前一次的水汽輻合明顯大于后一次。

5 動力機(jī)制分析

5.1 第一次強(qiáng)降水期間低層中尺度渦旋發(fā)展特征

圖6 2012年7月8日08時(shí)1 000 hPa (a)、925 hPa (b)、850 hPa (c)、700 hPa (d)中尺度渦旋的流線(藍(lán)色帶箭頭實(shí)線)和溫度平流分布(紅色線，等值線間隔:2×10-5℃·s-1)Fig.6 The streamlines (blue solid line with arrow) and temperature advections (red dotted lines, interval: 2×10-5℃·s-1) 2012 at 1 000 hPa (a), 925 hPa (b), 850 hPa (c), and 700 hPa (d) at 08:00 BST 8 July 2012

兩次強(qiáng)降水期間，低層都有中尺度渦旋產(chǎn)生，在中尺度渦旋中心的東南部，低空西南風(fēng)急流的前部，有較強(qiáng)的暖濕平流，在此產(chǎn)生輻合上升運(yùn)動，觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生中尺度對流系統(tǒng)，造成強(qiáng)降水。第一次強(qiáng)降水的前期，7日20時(shí)，850～700 hPa有一股西南風(fēng)氣流從華南沿海直達(dá)魯南，在魯西南和魯中南部形成氣旋式輻合上升(圖略)，1 000～925 hPa近地面層有一股東南風(fēng)氣流從華東沿海直達(dá)魯西南，在此產(chǎn)生輻合上升；8日02時(shí)低層西南風(fēng)氣流加強(qiáng)，925 hPa以上都轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，向魯南和魯中輸送較強(qiáng)的暖平流，925 hPa位于魯西南的暖平流中心達(dá)到28×10-5℃·s-1(圖略)，在魯南和魯中南部產(chǎn)生風(fēng)速和氣旋性輻合，在泰安附近形成較強(qiáng)的氣旋性輻合上升運(yùn)動中心，925～850 hPa的輻合中心值為-5×10-5℃·s-1。在暖平流中心附近，降水強(qiáng)度增大，最大小時(shí)雨量在50 mm以上。在低層西南急流的左前方，氣旋性渦度加大，中尺度渦旋發(fā)展。另一方面，高空500 hPa附近有西風(fēng)槽逼近，槽前正渦度平流產(chǎn)生輻散，使得低層減壓，也誘發(fā)低層中尺度渦旋發(fā)展。8日08時(shí)，近地面層1 000 hPa在魯西南北部的濟(jì)寧附近形成中尺度渦旋中心，一股東南風(fēng)氣流從華東沿海伸入山東，并進(jìn)入渦旋中心(圖6a)，渦旋中心的東南部魯南地區(qū)為東南風(fēng)、偏南風(fēng)和西北風(fēng)三股氣流的匯合區(qū)，來自于海面的東南氣流相對于陸地偏冷，有弱的冷平流；西北氣流攜帶弱冷空氣，也有冷平流，中間的偏南氣流為暖平流。三股氣流的匯合區(qū)對流強(qiáng)烈發(fā)展，降水加劇。925 hPa中尺度渦旋最強(qiáng)，中心稍偏西北位于魯西北西部的聊城附近(圖6b)，西南風(fēng)氣流在魯東南形成氣旋性彎曲，三股氣流中的溫度平流明顯加強(qiáng)，西南風(fēng)氣流中的暖平流最強(qiáng)，中心達(dá)到28×10-5℃·s-1，魯中東部和半島北部為來自于海洋的偏南風(fēng)冷平流，渦旋中心的西南部為偏北風(fēng)帶來的冷平流中心。850 hPa的渦旋中心位置與925 hPa基本一致，但渦旋強(qiáng)度減弱，冷暖平流也減弱，范圍擴(kuò)大(圖6c)。700 hPa渦旋中心明顯減弱，其南部為一致的西南氣流，魯中北部產(chǎn)生明顯的氣旋性彎曲，在西南氣流中為一致的暖平流，中心位于魯南(圖6d)。由此可見，中尺度渦旋在850 hPa及以下的低層，925 hPa附近最強(qiáng)。在渦旋中心東南部，低層三股氣流匯合、925～850 hPa氣旋性暖式切變輻合產(chǎn)生的上升運(yùn)動與暖平流產(chǎn)生的上升運(yùn)動在魯東南地區(qū)相疊加，上升運(yùn)動增強(qiáng)，觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，700 hPa的上升運(yùn)動達(dá)到最強(qiáng)，上升運(yùn)動中心達(dá)到-22×10-4hPa·s-1。在暖平流中心和上升運(yùn)動中心附近產(chǎn)生強(qiáng)降水，8日08—09時(shí)最大小時(shí)雨量達(dá)到90.1 mm，08—13時(shí)最大小時(shí)雨量為60～90 mm。由于在中尺度渦旋中心的西部為暖平流，沒有新鮮冷空氣補(bǔ)充，其中心東南部的西南氣流也逐漸減弱，8日14時(shí)以后，中尺度渦旋明顯減弱，其東部的輻合上升運(yùn)動明顯減弱，強(qiáng)降水結(jié)束。

圖7 2012年7月10日02時(shí)1 000 hPa (a)、925 hPa (b)、850 hPa (c)、700 hPa (d)低層流線(藍(lán)色帶箭頭實(shí)線)和溫度平流(紅色虛線，等值線間隔:2×10-5 ℃·s-1)Fig.7 The streamlines (blue solid line with arrow) and temperature advections (red dotted lines, interval: 2×10-5℃·s-1) at 1 000 hPa (a), 925 hPa (b), 850 hPa (c), and 700 hPa (d) at 02:00 BST 10 July 2012

5.2 第二次強(qiáng)降水期間地面氣旋生成機(jī)制

8日夜間，魯南的偏南氣流較弱，中尺度渦旋減弱消失。9日14時(shí)在低層925 hPa以下聊城和淄博附近生成兩個中小尺度的渦旋中心，其東部和南部開始出現(xiàn)強(qiáng)降水。9日20時(shí)，魯中的渦旋減弱消失，魯西北西部聊城附近的中尺度渦旋發(fā)展，渦旋中心隨高度向西傾斜，其西北部有明顯的冷平流伴隨偏北氣流南下，且進(jìn)入到渦旋中心。1 000～950 hPa中心東部為較強(qiáng)的東南風(fēng)。700 hPa為經(jīng)向切變線位于河北上空，850～700 hPa在黃河以東為一致的西南氣流，暖平流較弱。近地面層1 000～950 hPa中尺度渦旋中心東北部東南風(fēng)氣流的前部輻合區(qū)和850～700 hPa西南風(fēng)氣流的左前方側(cè)向輻合區(qū)，即魯西北的西部和魯中的西南部產(chǎn)生輻合上升，觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生中尺度對流云團(tuán)造成強(qiáng)降水。10日02時(shí)，低層1 000～950 hPa的渦旋中心穩(wěn)定少動、源地加強(qiáng)，在中心西部偏北氣流攜帶較強(qiáng)的冷平流加強(qiáng)，進(jìn)入到渦旋中心(圖7a、b)，近地面層1 000 hPa附近渦旋中心西部的冷平流較強(qiáng)，中心為-4×10-5℃·s-1(圖7a)，近地面層的渦旋生成有鋒面的氣旋。925 hPa渦旋中心東南部的暖平流最強(qiáng)(圖7b)，850 hPa在渤海灣西部生成渦旋中心，魯西北為西風(fēng)槽區(qū)，槽前為較強(qiáng)的西南氣流，槽后為明顯的偏北氣流(圖7c)，700 hPa的西風(fēng)槽位于河北東部，槽前山東為一致的西南氣流，魯東南為較強(qiáng)的暖平流中心(圖7d)。在冷鋒前部、低層暖平流區(qū)和槽前西南急流前部的氣旋性輻合區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的上升運(yùn)動，觸發(fā)對不穩(wěn)定能量釋放，魯中南部和魯東南產(chǎn)生強(qiáng)降水。氣旋生成后向東北方向移動，10日08時(shí)中心移到山東北部的萊州灣上空(圖略)，此時(shí)氣旋中心加強(qiáng)、范圍擴(kuò)大，西北氣流的前鋒移到魯中東部，在鋒前半島南部較強(qiáng)的偏南風(fēng)、暖平流、輻合和上升運(yùn)動區(qū)，產(chǎn)生強(qiáng)降水。此時(shí)，低層的渦旋中心與700 hPa低槽基本垂直，500 hPa低槽超前，表現(xiàn)為前傾槽結(jié)構(gòu)。低層渦旋中心的南部，西北氣流與西南氣流的匯合區(qū)，產(chǎn)生了較強(qiáng)的輻合上升，魯中東部和半島地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水。半島地區(qū)對流不穩(wěn)定能量低，降水強(qiáng)度和范圍遠(yuǎn)小于氣旋生成前和初生階段，各觀測站最大小時(shí)雨量為15～40 mm。

圖8 8日08時(shí)(a)和10日02時(shí)(b)垂直速度(紅色虛線, 等值線間隔:2×10-4 hPa·s-1)、渦度(藍(lán)色點(diǎn)虛線,等值線間隔:2×10-5 s-1)、散度(綠色實(shí)線，等值線間隔2×10-5 s-1)和風(fēng)(v，10ω)沿118°E的空間剖面(圖下紅線為強(qiáng)降水區(qū)的跨度)Fig.8 The vertical profile(along 118°E) of the vertical velocity (red dotted lines, interval: 2×10-4 hPa·s-1), vorticity(blue dotted lines, interval: 2×10-5 s-1), divergence (green solid lines, interval: 2×10-5 s-1) and wind (v, 10ω) at 08:00 BST 8 (a) and 02:00 BST 10 (b) (The red lines below figures indicate the spans of heavy rainfall area)

5.3 中尺度渦旋和氣旋結(jié)構(gòu)的對比分析

兩次強(qiáng)降水都是產(chǎn)生在中尺度渦旋中心的東南部，強(qiáng)降水前期都是在近地面層1 000 hPa附近中尺度低渦的南部有三股氣流匯合，強(qiáng)降水中后期在925 hPa附近渦旋中心東南部的暖平流區(qū)降水強(qiáng)度最大。第一次強(qiáng)降水期間西部沒有明顯的冷空氣補(bǔ)充，中尺度渦旋在源地發(fā)展和減弱，渦旋垂直伸展厚度在850 hPa及以下，上下層渦旋中心近于垂直，渦旋近于圓形，流線基本上為氣旋性的閉合環(huán)流，水平范圍小(圖6)。8日14時(shí)925～850 hPa西南氣流減弱，暖平流減弱，強(qiáng)降水結(jié)束。第二次強(qiáng)降水期間，渦旋中心西部有較強(qiáng)的冷平流，偏北氣流攜帶冷空氣侵入渦旋中心，前期渦旋中心只在近地面層1 000～925 hPa，冷空氣進(jìn)入渦旋后生成氣旋，渦旋劇烈發(fā)展，范圍增大，向高層伸展到850 hPa，流線呈氣旋式中心輻合型(圖7)向東北移動，10日08時(shí)中心移到萊州灣，此時(shí)冷鋒已到達(dá)魯中東部，強(qiáng)降水在冷鋒前東移到半島地區(qū)，隨著氣旋東移和冷鋒后冷空氣的影響，山東南部的強(qiáng)降水結(jié)束。

5.4 強(qiáng)降水中心渦度、散度和垂直速度的垂直分布

強(qiáng)降水產(chǎn)生在低層輻合、高層輻散、整層都有較強(qiáng)上升運(yùn)動的區(qū)域。在兩次強(qiáng)降水過程中，魯東南降水中心上空的散度、渦度和垂直速度都較大，都是低層正渦度、輻合，高層負(fù)渦度、輻散，整層都是較強(qiáng)的上升運(yùn)動。兩次強(qiáng)降水期間，穿過強(qiáng)降水中心沿118°E的垂直剖面圖中，在700 hPa以下為較強(qiáng)的偏南氣流，有輻合和正渦度，正渦度中心位于700 hPa附近。第一次強(qiáng)降水的上升運(yùn)動在8日08時(shí)最強(qiáng)，08時(shí)前后魯東南降水最強(qiáng)，上升運(yùn)動中心在850 hPa附近(圖8a)，中心值達(dá)到16×10-4hPa·s-1，與正渦度中心的高度基本一致，輻合中心在低層950 hPa附近，850 hPa及以下的偏南氣流較強(qiáng)，500 hPa及以上的高層為偏北氣流。第二次強(qiáng)降水的上升運(yùn)動在10日02時(shí)最強(qiáng)，對應(yīng)魯東南較強(qiáng)的降水，上升運(yùn)動中心在750 hPa附近，中心值-8×10-4hPa·s-1(圖8b)，遠(yuǎn)小于第一次，低層的輻合和正渦度也較小。說明第一次強(qiáng)降水過程中，高層有弱冷空氣影響，對流發(fā)展劇烈；第二次過程中，強(qiáng)降水產(chǎn)生在低層冷空氣的前部暖區(qū)中，850～700 hPa的偏南氣流較強(qiáng)，高層沒有弱冷空氣影響，由于低層水汽充足，小時(shí)雨強(qiáng)仍然較大，但降水中心雨量比第一次小58 mm。

6 小結(jié)

1)山東南部連續(xù)兩次強(qiáng)降水是由副熱帶高壓邊緣兩個西風(fēng)槽過境影響產(chǎn)生的，低層有較強(qiáng)的西南急流，在急流的前部形成暖式切變線。強(qiáng)降水產(chǎn)生在850～700 hPa西南急流的前方、暖式切變線附近。強(qiáng)降水期間，850 hPa及以下有中尺度渦旋發(fā)展，其范圍小，只在流場上表現(xiàn)明顯。強(qiáng)降水在中尺度渦旋中心的東南部。

2)兩次強(qiáng)降水都是產(chǎn)生在整層大氣高溫、高濕、近于飽和的大氣中，K指數(shù)在34～40 ℃，850 hPa及以下比濕大于15 g·kg-1，強(qiáng)降水前期CAPE較高，后期減弱，強(qiáng)降水區(qū)與CAPE的高值區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系。GPS/MET監(jiān)測的大氣可降水量在60～81 mm，強(qiáng)降水區(qū)與西北—東南向的梯度區(qū)相對應(yīng)，可降水量的增大比強(qiáng)降水提前3～6 h。

3)較強(qiáng)的西南低空急流向強(qiáng)降水區(qū)輸送水汽和能量，暖濕空氣在急流前部的暖式切變線附近輻合。強(qiáng)降水區(qū)與水汽通量高值舌和水汽通量輻合中心有較好的對應(yīng)關(guān)系。兩次強(qiáng)降水都是產(chǎn)生在西南低空急流加強(qiáng)北上影響山東南部的時(shí)段，急流減弱，強(qiáng)降水結(jié)束。

4)兩次強(qiáng)降水都是產(chǎn)生在低層中尺度渦旋中心的東南部，強(qiáng)降水在近地面層1 000 hPa附近中尺度渦旋中心南部三股氣流的匯合區(qū)開始，925 hPa附近渦旋中心東南部的暖平流區(qū)降水強(qiáng)度最大。第一次強(qiáng)降水期間中尺度渦旋源地發(fā)展，穩(wěn)定少動，上升運(yùn)動較強(qiáng)，中高層有弱的冷空氣影響。第二次強(qiáng)降水中，冷空氣在低層從西部進(jìn)入渦旋，形成氣旋，向東北移動，強(qiáng)降水產(chǎn)生在冷鋒前部的暖區(qū)中。

5)兩次強(qiáng)降水都是由多個對流云團(tuán)組成的中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生。

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Analysisofthemechanismoftwosuccessiveheavyrainfallsontheedgeofsubtropicalhighbelt

YANG Xiaoxia

(ShandongProvincialMeteorologicalObservatory,Jinan250031,China)

By using sounding and ground in situ observation data, GPS/MET and FY-2E satellite data, NCEP/NCAR reanalysis data(1°×1°), two severe rainfall events, which occurred on the edge of subtropical high belt in south Shandong, are analyzed. The results show that two heavy rainfall processes were both caused by weak westerly trough on the edge of the subtropical high at 500 hPa, as the subtropical high belt strengthened and moved westward inducing southwesterly jets between 850-700 hPa. Both heavy rainfalls occurred in the front of the southwesterly low level jets, and near the warm shear lines. As the low level southwesterly jets intensified and invaded northward, heavy rainfalls began, and while the jets weakened, the rainfalls eased. The torrential rain region has good consistency with the high value regions of CAPE, water vapor flux, convergence of water vapor and low level warm advection. The southwesterly low level jet and atmospheric precipitable water retrieved from GPS/MET are indicative for short-time heavy rainfall forecast. The minimum TBB of convective cloud clusters were -78- -62 ℃,corresponding hourly maximum rainfalls 40-90 mm. During the heavy rainfall process, a mesoscale vortex occurred below 850 hPa with weak low pressure but significant cyclonic circulation. The most intense rainfall was generated at the center of warm advection in the southeast of the vortex at 925 hPa. During the first heavy rainfall process, the mesoscale vortex moved less, while stronger rainfall was induced by stronger upward movement in the southeast of the vortex. During the second strong rainfall process, the low level cold air invaded from northwest into the vortex resulted in a cyclone, which moved northeastward. Large precipitation was produced in the warm zone in front of the cold front.

two successive heavy rainfall events; edge of subtropical high; westerly trough; warm shear line; mesoscale eddy

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.008. (in Chinese)

2017-06-25；

：2017-08-05

中國氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(CMAYBY2013-040)；山東省氣象局科研項(xiàng)目(2013sdqx01，2014sdqxm20)；中國氣象局預(yù)報(bào)預(yù)測核心業(yè)務(wù)發(fā)展專項(xiàng)(CMAHX20160208)；山東省氣象科學(xué)研究所數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用技術(shù)開放研究基金項(xiàng)目(SDQXKF2014Z05)

楊曉霞(1962—)，女，研究員級高級工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)和強(qiáng)對流、暴雨(雪)、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣研究，yxxjn@163.com。

P458

： A

： 2096-3599(2017)03-0062-11

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.008

楊曉霞.副熱帶高壓邊緣連續(xù)兩次強(qiáng)降水形成機(jī)制分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2017，37(3)：62-72.

Yang Xiaoxia.Analysis of the mechanism of two successive heavy rainfalls on the edge of subtropical high belt[J]. Journal of Marine Meteorology, 2017,37(3):62-72.