一次魯南大暴雨強(qiáng)降水成因分析

張京英 王慶華

(山東臨沂氣象局，山東臨沂 276004）

通過(guò)分析近20年的暴雨降水資料發(fā)現(xiàn)，90年代魯南暴雨日數(shù)較多，但日降水強(qiáng)度多在50－100mm，2000年后的10年特別是最近的5年，暴雨日數(shù)有所減少，但日降水強(qiáng)度超過(guò)100mm的次數(shù)卻明顯增加，極端強(qiáng)降水的出現(xiàn)幾率增大，因此對(duì)暴雨過(guò)程中的極端強(qiáng)降水的分析和研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。許多對(duì)暴雨的研究分析了不同地域［1－4］的暴雨過(guò)程，從暴雨形成機(jī)理到監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)等的理論和方法進(jìn)行了比較全面的分析，分析角度細(xì)致到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及發(fā)展演變、環(huán)境場(chǎng)特征及暴雨過(guò)程中的高低空急流作用等。這些研究都表明，強(qiáng)降水是多種尺度相互作用的產(chǎn)物，特別強(qiáng)調(diào)了中尺度系統(tǒng)在造成強(qiáng)降水產(chǎn)生和發(fā)展中直接的關(guān)鍵作用。中尺度渦旋對(duì)局地暴雨的發(fā)生發(fā)展有重要影響，其存在會(huì)加強(qiáng)渦旋內(nèi)部的輻合上升運(yùn)動(dòng)，造成渦旋內(nèi)水汽、動(dòng)量和熱量的集中，形成有利于深對(duì)流發(fā)展的物理?xiàng)l件［5］。2009年8月17－18日受副熱帶高壓邊緣暖濕氣流和中高緯冷空氣共同影響，山東南部出現(xiàn)暴雨到大暴雨降水過(guò)程，由于中小尺度系統(tǒng)作用明顯，造成局地短時(shí)極端強(qiáng)降水，出現(xiàn)了一定程度的災(zāi)害。文中利用多種資料，重點(diǎn)分析了本次罕見(jiàn)強(qiáng)降水過(guò)程中的中尺度系統(tǒng)影響成因。

1 大暴雨降水實(shí)況

2009年8月17－18日受副熱帶高壓邊緣暖濕氣流和中高緯冷空氣共同影響，山東南部出現(xiàn)暴雨到大暴雨，整個(gè)雨帶分為魯西南和魯東南兩個(gè)大暴雨中心(見(jiàn)圖1a），臨沂大部縣區(qū)處在東部中心，并伴有強(qiáng)雷電和短時(shí)大風(fēng)，全市平均降水量106.9mm，從本次大暴雨臨沂市降水分布(圖略）看出:超過(guò)100mm的大暴雨區(qū)基本呈東西走向，大暴雨雨區(qū)寬度50－60km，其中大暴雨中心位于費(fèi)縣，24小時(shí)最大降水302.3mm，強(qiáng)降水主要集中在18日0－5時(shí)(見(jiàn)圖1b），費(fèi)縣一小時(shí)最大降水達(dá)137.2mm，山東省氣候中心定性為:強(qiáng)度突破歷史極值，降水量之大為150年一遇，由此可見(jiàn)本次降水過(guò)程的罕見(jiàn)程度。本文利用常規(guī)和非常規(guī)資料，分析了這次魯南特別是魯東南局地極端強(qiáng)降水的形成原因，分析了風(fēng)場(chǎng)信息和中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及其在大降水形成中的作用。

2 大尺度環(huán)流形勢(shì)

有利的大環(huán)流形勢(shì)是強(qiáng)降水產(chǎn)生的前提。2009年8月18日前期500hpa高空形勢(shì)穩(wěn)定(見(jiàn)圖2a），高緯度貝加爾湖西部一直維持范圍寬廣的低渦，我國(guó)東北地區(qū)到華北地區(qū)為高壓脊;中低緯我國(guó)東部地區(qū)處在貝加爾湖低渦的槽底，渦中不斷有小股冷空氣向南流出，副熱帶高壓588北緣基本在黃河以南地區(qū)，且呈東北西南走向緩慢加強(qiáng)西伸，副熱帶高壓和西風(fēng)槽之間西南氣流不斷得以發(fā)展。到17日08時(shí)500hpa(圖略）河套東部到長(zhǎng)江中上游四川盆地形成明顯中支槽。其后中支槽東移到山東西部，徑向度減小，兩側(cè)風(fēng)速明顯加大。低空前期高緯度冷槽位于我國(guó)內(nèi)蒙西部和東北地區(qū)北部，華北南部存在反氣旋環(huán)流。中低緯度高原地區(qū)向東伸展的大陸高壓和海上西伸的副高之間的我國(guó)東部地區(qū)氣壓場(chǎng)較弱。在這個(gè)弱的氣壓場(chǎng)背景上，隨著副高西伸北抬，副高北側(cè)與華北南部反氣旋環(huán)流之間形成了西南風(fēng)和東到東南風(fēng)之間的緯向切變線(xiàn)。圖2(b）為850hpa流場(chǎng)和全風(fēng)速疊加圖，可以看出，17日08時(shí)到18日08時(shí)(圖略）34－35゜N之間為不斷北抬的西南風(fēng)和東南風(fēng)切變線(xiàn)，并逐漸在切變線(xiàn)上形成氣旋性渦旋，受切變線(xiàn)和低渦影響產(chǎn)生本次強(qiáng)降水過(guò)程。

3 中尺度特征分析

天氣尺度系統(tǒng)如鋒面、氣旋、高空槽等并不是直接造成暴雨的天氣系統(tǒng)，中尺度系統(tǒng)是造成暴雨的直接天氣系統(tǒng);它對(duì)積云對(duì)流活動(dòng)有明顯組織和增強(qiáng)作用［6］。上述常規(guī)資料分析顯示，本次強(qiáng)降水是在大尺度背景條件下中小尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。加密自動(dòng)站資料、數(shù)值模式產(chǎn)品等高分辨率的非常規(guī)資料對(duì)捕捉中小尺度系統(tǒng)演變及短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生的機(jī)理具有特殊優(yōu)勢(shì)，為中小尺度系統(tǒng)特征分析提供了可能。下面基于非常規(guī)資料的分析揭示了本次大暴雨產(chǎn)生的根本原因。

3.1 自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)資料分析

分析地面加密風(fēng)場(chǎng)資料和對(duì)應(yīng)同一時(shí)次的降水資料(見(jiàn)圖3）發(fā)現(xiàn)，18日00時(shí)前魯西南地區(qū)已經(jīng)形成中小尺度低渦環(huán)流系統(tǒng)，配合低渦環(huán)流和南支季風(fēng)槽，雨區(qū)分布成“逗點(diǎn)”狀，強(qiáng)降水中心比較分散，主要位于低渦環(huán)流區(qū)，低渦東部以偏東風(fēng)氣流為主，暖切變表現(xiàn)不明顯;到18日1時(shí)，低渦環(huán)流加強(qiáng)東移，形狀更加完整，并形成東南風(fēng)和偏東風(fēng)之間的暖切變，低渦暖切變沿北緯35゜N向東北偏東方向伸展，走向基本為東西方向，暖切變線(xiàn)南側(cè)為范圍較廣的來(lái)自低緯的東南氣流。受加強(qiáng)的低渦和暖切變影響，降水強(qiáng)度增大，費(fèi)縣即位于降水中心區(qū)(圖中黑色實(shí)點(diǎn)表示）。到2時(shí)，低渦沿暖切變東移緩慢，主要位于河南到魯西南地區(qū)，這時(shí)，暖切變北側(cè)偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，南部仍然維持東南氣流，切變線(xiàn)上由隸屬于低渦系統(tǒng)的東北氣流和低空切變線(xiàn)南側(cè)的東南氣流形成了一個(gè)獨(dú)立于低渦系統(tǒng)的中尺度輻合中心(箭頭所指），該中心位于低渦東北部，東北氣流的加入一方面造成風(fēng)場(chǎng)的小尺度擾動(dòng)，加劇了暴雨區(qū)的輻合上升運(yùn)動(dòng)。另一方面，成為一種觸發(fā)機(jī)制，使得來(lái)自低緯的暖濕氣流輻合上升更強(qiáng)，臨沂大部縣區(qū)受中尺度輻合中心影響，該時(shí)次的降水達(dá)到最大。到03時(shí)后，低渦環(huán)流范圍擴(kuò)大，輻合減弱并向東北偏方向移出，南部東南氣流明顯減弱，范圍變窄，降水明顯減小。

對(duì)中小尺度系統(tǒng)的加密分析表明:本次暴雨過(guò)程受中小尺度低壓系統(tǒng)及暖濕切變線(xiàn)影響，特別是低渦前部形成的個(gè)更小尺度的輻合中心的疊加影響加劇了降水的強(qiáng)度，水汽來(lái)源主要有兩支，分別為南支季風(fēng)槽前的孟加拉灣西南偏南氣流和來(lái)自于我國(guó)東部沿海的東南氣流，兩支氣流在降水中心上空輻合，造成強(qiáng)降水，對(duì)降水帶上的東部降水中心來(lái)說(shuō)，東南氣流和東北氣流的中小尺度輻合起到了更大的作用。

3.2 暴雨中尺度系統(tǒng)物理量的垂直分布特征和時(shí)間演變

中尺度數(shù)值模式MM5的模擬能力經(jīng)過(guò)了近幾年的使用驗(yàn)證，表明其模擬能力是較強(qiáng)的，利用其大量高分辨率輸出產(chǎn)品，解釋了許多暴雨過(guò)程中的中小尺度系統(tǒng)的細(xì)致特征，結(jié)果均證明模式產(chǎn)品能夠?yàn)楹芎玫胤治鲆恍┲卮筮^(guò)程提供理論依據(jù)。下面的分析以MM5數(shù)值模擬資料為基礎(chǔ)。

圖4為中尺度模式模擬的大暴雨中心(費(fèi)縣）強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)各物理量垂直分布及時(shí)間演變。散度、渦度、垂直上升運(yùn)動(dòng)速度等動(dòng)力場(chǎng)分析表明:產(chǎn)生強(qiáng)降水的中尺度渦旋系統(tǒng)存在渦度和散度同量級(jí)，最大都達(dá)到將近15×10－5s－1的數(shù)值，500hPa以下為氣流輻合，輻合中心在800hPa，負(fù)散度超過(guò)15×10－5s－1(見(jiàn)圖4a），整層維持正渦度和一致的上升氣流(見(jiàn)圖4a），最大上升運(yùn)動(dòng)速度為0.9m/s;500hPa以上散度由負(fù)轉(zhuǎn)正，并迅速增大;渦度和上升速度減小，輻合明顯減弱。負(fù)散度中心建立早于強(qiáng)降水出現(xiàn)(見(jiàn)圖4d），而500hPa最大上升運(yùn)動(dòng)中心建立和強(qiáng)降水發(fā)生幾乎同時(shí)，正渦度中心建立則明顯晚于強(qiáng)降水出現(xiàn)(圖略）。研究［6］表明，致洪暴雨中的中下尺度渦旋存在渦散共存、渦度和散度同量級(jí)特征，由此產(chǎn)生的深厚濕對(duì)流是致災(zāi)暴雨產(chǎn)生的原因。系統(tǒng)中的水汽在不同高度分布也不同，700hPa以上云水明顯增大(見(jiàn)圖4b），雨水迅速減小，說(shuō)明水汽凝結(jié)主要在700hPa以下完成;700hPa以下雨水遠(yuǎn)大于云水，且隨高度增加二者變化較小，說(shuō)明水汽凝結(jié)過(guò)程穩(wěn)定且迅速。從相對(duì)濕度垂直分布(見(jiàn)圖4c）看，大氣整層濕度為飽和到超飽和狀態(tài)，高濕度柱比較深厚。

因此本次過(guò)程中不僅表現(xiàn)為渦散共存、渦度和散度同量級(jí)，而且散度的變化幅度要強(qiáng)于渦度的變化幅度，散度中心的建立早于強(qiáng)降水出現(xiàn)，因此由大氣在運(yùn)動(dòng)中的集中造成的輻合明顯強(qiáng)于由風(fēng)向的旋轉(zhuǎn)造成的輻合，前者更高效。本次過(guò)程中大氣的集中得益于強(qiáng)盛的東南氣流和西南氣流在暴雨區(qū)上空的集中。低層?xùn)|南風(fēng)急流和西南風(fēng)急流中心前方的質(zhì)量輻合造成了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，在水汽超飽和狀態(tài)下，凝結(jié)迅速在較低層次完成，高效的水汽凝結(jié)使得短時(shí)間內(nèi)就可形成超強(qiáng)降水，是本次大暴雨特別是局地罕見(jiàn)強(qiáng)降水產(chǎn)生的重要原因。

4 結(jié)論

副高的進(jìn)退容易產(chǎn)生大降水，此次暴雨過(guò)程就是副高在西伸過(guò)程中配合西風(fēng)槽東移形成;穩(wěn)定有利的天氣形勢(shì)為降水產(chǎn)生提供了背景條件，中小尺度低渦系統(tǒng)的形成及其沿切變線(xiàn)的東移是本次魯南暴雨的天氣成因。本次過(guò)程中渦度和散度同量級(jí)，由大氣在運(yùn)動(dòng)中的集中(散度）造成的輻合明顯強(qiáng)于由風(fēng)向的旋轉(zhuǎn)(渦度）造成的輻合，前者更高效，散度中心的建立早于強(qiáng)降水出現(xiàn)。本次過(guò)程中大氣的集中得益于強(qiáng)盛的東南氣流和西南氣流在暴雨區(qū)上空的集中。低層?xùn)|南風(fēng)急流和西南風(fēng)急流中心前方的質(zhì)量輻合造成了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，在水汽超飽和狀態(tài)下，凝結(jié)迅速在較低層次完成，高效的水汽凝結(jié)使得短時(shí)間內(nèi)就可形成超強(qiáng)降水，是本次大暴雨特別是局地罕見(jiàn)強(qiáng)降水產(chǎn)生的重要原因。

［1］倪允琪，周秀驥.中國(guó)長(zhǎng)江中下游梅雨鋒暴雨形成機(jī)理以及監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)理論和方法研究［J］.氣象學(xué)報(bào)，2004，62(5）:647 －662.

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