山東一次冬季極端江淮氣旋暴雨（雪）的觀測分析

徐文翰 周筠珺 王維佳

摘? 要：本文利用常規(guī)自動站、風(fēng)廓線雷達(dá)、雨滴譜儀、溫度廓線儀等綜合觀測資料及NCEP/NCAR再分析資料，對2016年2月12～13日山東一次罕見暴雨（雪）天氣過程進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析了強(qiáng)降水的極端性成因及降水相態(tài)變化。結(jié)果表明，此次過程是由低槽、低渦切變線、低空急流、江淮氣旋等天氣系統(tǒng)共同造成的;水汽條件極為有利，來自西南和東南兩個(gè)方向的低空急流和超低空急流持續(xù)輸送充沛的水汽，極高的整層可降水量和低層比濕導(dǎo)致罕見強(qiáng)降水產(chǎn)生;對流層中層的西南風(fēng)風(fēng)速輻合、低層低渦較強(qiáng)，東北風(fēng)和東南風(fēng)切變和地面氣旋的東北風(fēng)與西北風(fēng)之間的風(fēng)向風(fēng)速輻合導(dǎo)致淄博一帶產(chǎn)生強(qiáng)上升運(yùn)動，強(qiáng)降水落區(qū)位于最大垂直運(yùn)動中心值的偏南一側(cè);對流層低層強(qiáng)冷平流使得邊界層內(nèi)大氣溫度持續(xù)下降，降水性質(zhì)由雨轉(zhuǎn)雪。

關(guān)鍵詞：極端暴雨（雪）? 相態(tài)轉(zhuǎn)換? 江淮氣旋? 風(fēng)廓線雷達(dá)? 溫度廓線儀

中圖分類號：P404? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0110-04

Observation and analysis of a winter extreme cyclone rain （snow） in Jianghuai River in Shandong Province

XU Wenhan1? ZHOU Junjun1? WANG Weijia2

（1.College of Atmospheric Science， Chengdu University of Information Engineering， Chengdu， Sichuan Province， 610225? China;2.Chengdu Meteorological Bureau， Chengdu， Sichuan Province， 611133? China）

Abstract： Based on the comprehensive observation data of conventional automatic station， wind profiler radar， raindrop spectrometer and temperature profiler and NCEP / NCAR reanalysis data， this paper analyzes the weather process of a rare rainstorm （snow） in Shandong from February 12 to 13， 2016， focusing on the extreme causes and phase changes of heavy precipitation. The results show that： this process is caused by low trough， low vortex shear line， low-level jet， Jianghuai cyclone and other weather systems. The water vapor conditions are extremely favorable. The low-level jet and ultra-low-level jet from the southwest and Southeast continue to transport abundant water vapor， and the extremely high whole layer precipitable water and low-level specific humidity lead to rare heavy precipitation. The southwest wind speed convergence in the middle troposphere and the low-level vortex are strong. The northeast wind and southeast wind shear and the wind direction and wind speed convergence between the northeast wind and northwest wind of the surface cyclone lead to strong upward movement in Zibo area， and the strong downfall area is located on the south side of the center value of the maximum vertical movement. The strong cold advection in the lower troposphere makes the atmospheric temperature in the boundary layer continue to decline， and the nature of precipitation changes from rain to snow.

Key Words： Extreme rainstorm （snow）; Phase transition; Jianghuai cyclone; Wind profiler radar; Temperature profiler

暴雨是我國主要災(zāi)害性天氣之一。夏季暴雨會引起洪澇災(zāi)害，造成經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。暴雨的產(chǎn)生需要有利的觸發(fā)機(jī)制和環(huán)境條件[1]，分析和研究暴雨觸發(fā)的中尺度特征和降水演變規(guī)律對我國暴雨的研究有重要的意義。丁一匯[2]指出我國暴雨有明顯的降水集中期，影響范圍大，暴雨主要有由尺度系統(tǒng)生成。壽紹文[3]提出暴雨由不同天氣尺度共同作用，在大尺度環(huán)流背景條件下，中小尺度系統(tǒng)的活動所觸發(fā)，并指出暴雨的發(fā)生主要由中尺度系統(tǒng)的作用，研究暴雨發(fā)生中尺度機(jī)制顯得尤為重要。

華北地區(qū)的暴雨有明顯的地域特征，在華北地區(qū)，低渦、暖切變線、低槽冷鋒是造成華北地區(qū)暴雨的主要天氣系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)相互配合作用下，華北地區(qū)暴雨能夠發(fā)展。栗晗等[4]指出強(qiáng)降水可以與低渦系統(tǒng)形成正反饋機(jī)制有利于降水的長時(shí)間維持。高低空系統(tǒng)存在耦合作用和中低緯度系統(tǒng)的相互作用使得這次降水持續(xù)時(shí)間長，累計(jì)降水量大。彭力等[5]指出850hPa切變線是暴雨的主要影響系統(tǒng)，地面輻合線是暴雨的觸發(fā)機(jī)制。陸倩等[6]指出，雷達(dá)回波的“列車效應(yīng)”，逆風(fēng)區(qū)和MCS不斷過境是降水較大的主要原因。湛蕓等提出高低空系統(tǒng)的耦合為暴雨提供了良好的環(huán)境條件，在低空急流和地面輻合線之間觸發(fā)降水。孫軍等指出抬升凝結(jié)高度和自由對流高度較低可以使降水更有利于被觸發(fā)。

宋歌等指出了在高空低渦環(huán)流背景下，中尺度云團(tuán)的強(qiáng)烈發(fā)展能夠造成北京地區(qū)的強(qiáng)降水。楊慶華等通過分析河西一次暴雨的觸發(fā)機(jī)制，指出“南槽北渦”的形勢下，高層輻散、低層輻合的抽吸作用能夠輸送和匯聚水汽，形成強(qiáng)降水區(qū)的對流不穩(wěn)定觸發(fā)降水。林弘杰等指出了西太平洋副熱帶高壓北側(cè)暖濕氣流與低層切變線共同作用能造成內(nèi)蒙古地區(qū)的降水，水汽的輸送與輻合、低層增溫、增濕等為降水過程提供了有利的動力和水汽條件。

張芹等對山東春季一次江淮氣旋引起的暴雨落區(qū)及天氣成因進(jìn)行了分析。劉暢等對影響山東的一次江淮氣旋降雪過程的復(fù)雜相態(tài)進(jìn)行了分析，指出復(fù)雜的相態(tài)逆轉(zhuǎn)與江淮氣旋發(fā)展階段和氣溫日變化2個(gè)因素緊密相關(guān)。

本文分析了2016年2月12～13日影響山東的一次江淮氣旋引起的極端強(qiáng)降水天氣過程，主要討論了極端強(qiáng)降水的成因及落區(qū)分析、降水相態(tài)的轉(zhuǎn)換，得出了有益的結(jié)論，以期為將來此類天氣形勢的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供有意義的參考。

1? 資料方法

本文利用常規(guī)自動站、風(fēng)廓線雷達(dá)、雨滴譜儀、溫度廓線儀等綜合觀測資料及NCEP/NCAR再分析資料，對2016年2月12～13日山東一次罕見暴雨（雪）天氣過程進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析了強(qiáng)降水的極端性成因及降水相態(tài)變化。

2? 過程特點(diǎn)

本次降水過程主要發(fā)生在2016年2月12日09時(shí)至13日19時(shí)（北京時(shí)，下同），山東普遍出現(xiàn)雨雪、大風(fēng)和降溫天氣。全省平均降水量24.6mm，多地24h降水突破2月份歷史極值。13日05時(shí)以后，隨著邊界層溫度的下降，山東自西向東從強(qiáng)降水轉(zhuǎn)為強(qiáng)降雪，部分地區(qū)達(dá)到大到暴雪量級。

2.1 降水量極端性

此次降水過程日降水量超歷史紀(jì)錄測站多，全省48個(gè)站（共123個(gè)大監(jiān)站）日降水量突破2月份歷史記錄，占全省總站數(shù)的39%，主要集中在山東北部地區(qū)，2個(gè)站出現(xiàn)暴雨，其中淄川站降水量最大為56mm，有3h雨量在8.0mm以上。另有25個(gè)站為歷史第2極值，8個(gè)站為歷史第3極值?？梢姳敬螛O端降水具有降水強(qiáng)度大、強(qiáng)降水范圍廣等特點(diǎn)。

2.2 大到暴雨轉(zhuǎn)暴雪

此次暴雨（雪）過程存在降水相態(tài)轉(zhuǎn)換。前期邊界層內(nèi)溫度較高，13日5時(shí)之前為降雨。13日5時(shí)以后，隨著冷空氣的影響，山東自西往東逐漸轉(zhuǎn)為雨夾雪和雪，山東魯西北的東部、魯中北部和半島西部地區(qū)累計(jì)降雪量達(dá)到大雪局部暴雪量級。淄博、東營、濰坊、煙臺等地的部分地區(qū)由大到暴雨（或大雨）轉(zhuǎn)暴雪（或大雪）。

3? 降水極端性成因分析

3.1 環(huán)流形勢

12日8時(shí)，500hPa歐亞中高緯為兩槽一脊型，冷渦中心位于120°E，配合-44℃冷中心，橫槽位于貝加爾湖以南，南支槽發(fā)展東移，槽前西南氣流發(fā)展旺盛。700hPa低槽發(fā)展加深，槽的經(jīng)向度較大，槽前低空急流發(fā)展強(qiáng)盛，且向北伸展到達(dá)山東，為后期魯西北的降水提供充足的暖濕氣流，850hPa在四川盆地東部有低渦生成并向東北風(fēng)向移動發(fā)展，緯向切變線位于河南、安徽一帶。12日20時(shí)，500hPa低槽繼續(xù)加深東移，與南支槽合并，山東處于槽前西南氣流控制下，西南氣流的調(diào)整更有利于山東降水，700hPa低槽加深東移，西南急流前端到達(dá)魯南，850hPa在河南境內(nèi)可以分析出一個(gè)低渦環(huán)流，我省西部處于低渦頂部的經(jīng)向切變線中;地面在江淮地區(qū)有氣旋生成，并發(fā)展北上，山東位于江淮氣旋北部的地面倒槽中，此時(shí)我省西部已經(jīng)開始降水。后期隨著系統(tǒng)的東移，在850hP低渦的經(jīng)向切變線附近產(chǎn)生強(qiáng)降水。13日8時(shí)，850hPa低渦移動到我省魯中地區(qū)，半島地區(qū)強(qiáng)降水開始，我省其他地區(qū)700hPa和500hPa仍處于槽前，隨著氣溫的降低，由降雨轉(zhuǎn)為降雪。從高低空形勢配置可以看出，13日的雨雪過程是由江淮氣旋北部倒槽影響的強(qiáng)降水。實(shí)況是12日20時(shí)左右淄博大部地區(qū)開始出現(xiàn)降雨。13日20時(shí)，500hPa和700hPa高空槽進(jìn)一步東移，山東上空轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，降水基本結(jié)束。

上述分析表明，此次暴雪天氣的影響系統(tǒng)包括：500hPa主要是東移的高空槽前西南氣流;700hPa低空西南急流是關(guān)鍵系統(tǒng)，為強(qiáng)降水提供源源不斷的水汽和不穩(wěn)定能量，850hPa后期發(fā)展成為低渦，強(qiáng)勁的東南風(fēng)和東北風(fēng)切變，提供了動力抬升和輻合條件;地面發(fā)展為江淮氣旋，也為強(qiáng)降水提供了動力輻和條件。

3.2 水汽條件

（1）低空急流輸送充足水汽：500hPa南支槽建立，低層2個(gè)水汽來源，700hPa西南低空急流（青島18m/s），850～925hPa西南低空急流及東南低空急流，最大東南風(fēng)風(fēng)速14m/s，均有利于向山東輸送水汽。

（2）比濕和大氣可降水量的極端性：低層比濕特別大，12日20時(shí)至13日08時(shí)，濟(jì)南、青島、榮成探空850hPa和925hPa的比濕達(dá)6～8g/kg，700hPa達(dá)4～5g/kg。因此，選取破紀(jì)錄48站中不同區(qū)域的10個(gè)代表站對比，2月份最大降水量過程的比濕和大氣可降水量，與本次過程對比，以此說明水汽條件異常好導(dǎo)致此次降水量極端。

3.3 熱力和動力條件

從12日20時(shí)沿118°E假相當(dāng)位溫、垂直速度的緯度-垂直剖面可以看出，28°N～40°N 之間高空有一明顯的能量鋒區(qū)，且鋒區(qū)高度隨緯度的升高而升高，鋒區(qū)下側(cè)是從北向南推進(jìn)的干冷空氣，對應(yīng)假相當(dāng)位溫的低值區(qū)，鋒區(qū)上側(cè)是假相當(dāng)位溫的高值區(qū)，對應(yīng)由南向北伸展的暖濕氣流。12日20時(shí)強(qiáng)降水開始前，暴雨區(qū)（36°N）900hPa以下為假相當(dāng)位溫的低值區(qū)，鋒區(qū)上側(cè)為暖中心，說明暖濕氣流已經(jīng)到達(dá)暴雨區(qū)的上空，但此時(shí)降水剛剛開始，雨強(qiáng)很小。13日02時(shí)，鋒區(qū)下側(cè)的冷空氣進(jìn)一步南推，暴雨區(qū)的冷空氣已經(jīng)達(dá)到850hPa，在暴雨區(qū)的北側(cè)700hPa以上存在一個(gè)上升運(yùn)動中心，此時(shí)為暴雨區(qū)的強(qiáng)降水時(shí)段開始，說明冷空氣的抬升在此次降水過程中發(fā)揮了重要作用。冷暖空氣的交匯作用大于緯向切變線的水汽輻合作用。

4? 降水相態(tài)

降水過程中雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間也是預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，每天兩次的探空資料往往并不能滿足降水相態(tài)的精細(xì)化預(yù)報(bào)需求，因此本文對最新的高時(shí)空分辨率觀測資料進(jìn)行了分析。12日夜間，對流層低層較強(qiáng)冷平流、地面冷空氣入侵使得邊界層內(nèi)溫度持續(xù)下降，導(dǎo)致雨轉(zhuǎn)雪過程。以濟(jì)南章丘為例，風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度，雨滴譜儀的最大粒子直徑、溫度廓線儀等資料精細(xì)地刻畫出了雨雪轉(zhuǎn)換特征。從風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度圖可以看出，在13日07時(shí)之前，垂直速度基本都在5m/s以上，07時(shí)6分以后，垂直速度迅速下降至3m/s以下，表明了此時(shí)降水相態(tài)已經(jīng)發(fā)生了改變，東營、煙臺風(fēng)廓線雷達(dá)也表現(xiàn)出了相同的特征（如圖1所示）。章丘雨滴譜儀表明06時(shí)47至06時(shí)48分，最大粒子直徑由3mm躍增到6mm并維持，最大粒子降落速度由6.6m/s躍減到2.2m/s并維持，表明了降水相態(tài)由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)換，有雪花開始出現(xiàn)。章丘溫度廓線儀表明從07時(shí)15分開始，0～1000m溫度全部在0℃以下。這些新資料綜合判斷章丘附近在06時(shí)50分左右開始有雪出現(xiàn)，07時(shí)15分以后為降雪，這些新資料是降水相態(tài)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的有益判別資料。

5? 結(jié)論

利用常規(guī)氣象資料、再分析資料和風(fēng)廓線雷達(dá)等資料，對2016年山東一次極端強(qiáng)降水天氣過程的進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析了極端強(qiáng)降水的天氣成因。結(jié)果表明，低渦、低空急流、地面氣旋（倒槽）等是此次過程的主要影響系統(tǒng);風(fēng)廓線雷達(dá)、溫度廓線儀等新探測資料可以清楚地描述出強(qiáng)降水的開始和結(jié)束時(shí)間。主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）此次極端強(qiáng)降水過程，降水強(qiáng)度大，多個(gè)臺站刷新了有氣象記錄以來的記錄;降水相態(tài)復(fù)雜，經(jīng)歷了先雨后雪的過程，多站的降雪量達(dá)到了大到暴雪的量級，屬于一次極端降水事件。

（2）500hPa東移的西風(fēng)槽、700hPa低空西南急流和切變線，850hPa的低渦和地面氣旋是本次過程的影響系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)明顯后傾，冷暖空氣交匯于山東北部，造成本次強(qiáng)降水區(qū)域位于850hPa低渦的北側(cè)，低渦的輻合抬升作用使降水明顯加強(qiáng)。

（4）風(fēng)廓線雷達(dá)資料可以更加精細(xì)的顯示出降水時(shí)的風(fēng)場特征，此次強(qiáng)降雨發(fā)生于850hPa東南風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，500hPa和700hPa西南風(fēng)加強(qiáng)的時(shí)段。同時(shí)對于雨雪轉(zhuǎn)換的時(shí)間也可以很好的判斷。

（5）強(qiáng)降水天氣發(fā)生時(shí)，濕層位于700～500hPa，比濕達(dá)6～7g/kg，水汽的輻合也主要集中在700～ 500hPa;山東北部地區(qū)位于水汽的輻和中心，造成了兩個(gè)站的暴雨級別降水。強(qiáng)降水發(fā)生在垂直上升速度大值區(qū)的北側(cè)。

本文分析了一次江淮氣旋引起的山東極端強(qiáng)降水過程，西南急流為此次過程帶來了充沛的水汽;低渦切變線提供了動力抬升。傳統(tǒng)意義上認(rèn)為，江淮氣旋的主要降水落區(qū)為魯東南和半島地區(qū)，而本文揭示了在系統(tǒng)明顯后傾，冷空氣較強(qiáng)（東北風(fēng)速較大）的系統(tǒng)配置下，強(qiáng)降水中心有可能產(chǎn)生在850hPa低渦的北部，強(qiáng)降水發(fā)生在低渦經(jīng)向切變線移過的時(shí)段。不同高低空配置的江淮氣旋影響的山東強(qiáng)降水的落區(qū)存在明顯的差異，今后有待通過更多的個(gè)例進(jìn)行深入研究，尋找普適規(guī)律，以提高此類強(qiáng)降水過程的精細(xì)化預(yù)報(bào)能力。

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