一次魯南大暴雨強降水成因分析

張京英 王慶華

(山東臨沂氣象局，山東臨沂 276004）

通過分析近20年的暴雨降水資料發現，90年代魯南暴雨日數較多，但日降水強度多在50－100mm，2000年后的10年特別是最近的5年，暴雨日數有所減少，但日降水強度超過100mm的次數卻明顯增加，極端強降水的出現幾率增大，因此對暴雨過程中的極端強降水的分析和研究有著重要的現實意義。許多對暴雨的研究分析了不同地域［1－4］的暴雨過程，從暴雨形成機理到監測預測等的理論和方法進行了比較全面的分析，分析角度細致到系統結構及發展演變、環境場特征及暴雨過程中的高低空急流作用等。這些研究都表明，強降水是多種尺度相互作用的產物，特別強調了中尺度系統在造成強降水產生和發展中直接的關鍵作用。中尺度渦旋對局地暴雨的發生發展有重要影響，其存在會加強渦旋內部的輻合上升運動，造成渦旋內水汽、動量和熱量的集中，形成有利于深對流發展的物理條件［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，山東南部出現暴雨到大暴雨降水過程，由于中小尺度系統作用明顯，造成局地短時極端強降水，出現了一定程度的災害。文中利用多種資料，重點分析了本次罕見強降水過程中的中尺度系統影響成因。

1 大暴雨降水實況

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，山東南部出現暴雨到大暴雨，整個雨帶分為魯西南和魯東南兩個大暴雨中心(見圖1a），臨沂大部縣區處在東部中心，并伴有強雷電和短時大風，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100mm的大暴雨區基本呈東西走向，大暴雨雨區寬度50－60km，其中大暴雨中心位于費縣，24小時最大降水302.3mm，強降水主要集中在18日0－5時(見圖1b），費縣一小時最大降水達137.2mm，山東省氣候中心定性為:強度突破歷史極值，降水量之大為150年一遇，由此可見本次降水過程的罕見程度。本文利用常規和非常規資料，分析了這次魯南特別是魯東南局地極端強降水的形成原因，分析了風場信息和中尺度系統結構特征及其在大降水形成中的作用。

2 大尺度環流形勢

有利的大環流形勢是強降水產生的前提。2009年8月18日前期500hpa高空形勢穩定(見圖2a），高緯度貝加爾湖西部一直維持范圍寬廣的低渦，我國東北地區到華北地區為高壓脊;中低緯我國東部地區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，且呈東北西南走向緩慢加強西伸，副熱帶高壓和西風槽之間西南氣流不斷得以發展。到17日08時500hpa(圖略）河套東部到長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，兩側風速明顯加大。低空前期高緯度冷槽位于我國內蒙西部和東北地區北部，華北南部存在反氣旋環流。中低緯度高原地區向東伸展的大陸高壓和海上西伸的副高之間的我國東部地區氣壓場較弱。在這個弱的氣壓場背景上，隨著副高西伸北抬，副高北側與華北南部反氣旋環流之間形成了西南風和東到東南風之間的緯向切變線。圖2(b）為850hpa流場和全風速疊加圖，可以看出，17日08時到18日08時(圖略）34－35゜N之間為不斷北抬的西南風和東南風切變線，并逐漸在切變線上形成氣旋性渦旋，受切變線和低渦影響產生本次強降水過程。

3 中尺度特征分析

天氣尺度系統如鋒面、氣旋、高空槽等并不是直接造成暴雨的天氣系統，中尺度系統是造成暴雨的直接天氣系統;它對積云對流活動有明顯組織和增強作用［6］。上述常規資料分析顯示，本次強降水是在大尺度背景條件下中小尺度系統相互作用的結果。加密自動站資料、數值模式產品等高分辨率的非常規資料對捕捉中小尺度系統演變及短時強降水的發生的機理具有特殊優勢，為中小尺度系統特征分析提供了可能。下面基于非常規資料的分析揭示了本次大暴雨產生的根本原因。

3.1 自動站風場資料分析

分析地面加密風場資料和對應同一時次的降水資料(見圖3）發現，18日00時前魯西南地區已經形成中小尺度低渦環流系統，配合低渦環流和南支季風槽，雨區分布成“逗點”狀，強降水中心比較分散，主要位于低渦環流區，低渦東部以偏東風氣流為主，暖切變表現不明顯;到18日1時，低渦環流加強東移，形狀更加完整，并形成東南風和偏東風之間的暖切變，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，暖切變線南側為范圍較廣的來自低緯的東南氣流。受加強的低渦和暖切變影響，降水強度增大，費縣即位于降水中心區(圖中黑色實點表示）。到2時，低渦沿暖切變東移緩慢，主要位于河南到魯西南地區，這時，暖切變北側偏東風轉為東北風，南部仍然維持東南氣流，切變線上由隸屬于低渦系統的東北氣流和低空切變線南側的東南氣流形成了一個獨立于低渦系統的中尺度輻合中心(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場的小尺度擾動，加劇了暴雨區的輻合上升運動。另一方面，成為一種觸發機制，使得來自低緯的暖濕氣流輻合上升更強，臨沂大部縣區受中尺度輻合中心影響，該時次的降水達到最大。到03時后，低渦環流范圍擴大，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。

對中小尺度系統的加密分析表明:本次暴雨過程受中小尺度低壓系統及暖濕切變線影響，特別是低渦前部形成的個更小尺度的輻合中心的疊加影響加劇了降水的強度，水汽來源主要有兩支，分別為南支季風槽前的孟加拉灣西南偏南氣流和來自于我國東部沿海的東南氣流，兩支氣流在降水中心上空輻合，造成強降水，對降水帶上的東部降水中心來說，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 暴雨中尺度系統物理量的垂直分布特征和時間演變

中尺度數值模式MM5的模擬能力經過了近幾年的使用驗證，表明其模擬能力是較強的，利用其大量高分辨率輸出產品，解釋了許多暴雨過程中的中小尺度系統的細致特征，結果均證明模式產品能夠為很好地分析一些重大過程提供理論依據。下面的分析以MM5數值模擬資料為基礎。

圖4為中尺度模式模擬的大暴雨中心(費縣）強降水發生時各物理量垂直分布及時間演變。散度、渦度、垂直上升運動速度等動力場分析表明:產生強降水的中尺度渦旋系統存在渦度和散度同量級，最大都達到將近15×10－5s－1的數值，500hPa以下為氣流輻合，輻合中心在800hPa，負散度超過15×10－5s－1(見圖4a），整層維持正渦度和一致的上升氣流(見圖4a），最大上升運動速度為0.9m/s;500hPa以上散度由負轉正，并迅速增大;渦度和上升速度減小，輻合明顯減弱。負散度中心建立早于強降水出現(見圖4d），而500hPa最大上升運動中心建立和強降水發生幾乎同時，正渦度中心建立則明顯晚于強降水出現(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、渦度和散度同量級特征，由此產生的深厚濕對流是致災暴雨產生的原因。系統中的水汽在不同高度分布也不同，700hPa以上云水明顯增大(見圖4b），雨水迅速減小，說明水汽凝結主要在700hPa以下完成;700hPa以下雨水遠大于云水，且隨高度增加二者變化較小，說明水汽凝結過程穩定且迅速。從相對濕度垂直分布(見圖4c）看，大氣整層濕度為飽和到超飽和狀態，高濕度柱比較深厚。

因此本次過程中不僅表現為渦散共存、渦度和散度同量級，而且散度的變化幅度要強于渦度的變化幅度，散度中心的建立早于強降水出現，因此由大氣在運動中的集中造成的輻合明顯強于由風向的旋轉造成的輻合，前者更高效。本次過程中大氣的集中得益于強盛的東南氣流和西南氣流在暴雨區上空的集中。低層東南風急流和西南風急流中心前方的質量輻合造成了強烈的上升運動，在水汽超飽和狀態下，凝結迅速在較低層次完成，高效的水汽凝結使得短時間內就可形成超強降水，是本次大暴雨特別是局地罕見強降水產生的重要原因。

4 結論

副高的進退容易產生大降水，此次暴雨過程就是副高在西伸過程中配合西風槽東移形成;穩定有利的天氣形勢為降水產生提供了背景條件，中小尺度低渦系統的形成及其沿切變線的東移是本次魯南暴雨的天氣成因。本次過程中渦度和散度同量級，由大氣在運動中的集中(散度）造成的輻合明顯強于由風向的旋轉(渦度）造成的輻合，前者更高效，散度中心的建立早于強降水出現。本次過程中大氣的集中得益于強盛的東南氣流和西南氣流在暴雨區上空的集中。低層東南風急流和西南風急流中心前方的質量輻合造成了強烈的上升運動，在水汽超飽和狀態下，凝結迅速在較低層次完成，高效的水汽凝結使得短時間內就可形成超強降水，是本次大暴雨特別是局地罕見強降水產生的重要原因。

［1］倪允琪，周秀驥.中國長江中下游梅雨鋒暴雨形成機理以及監測與預測理論和方法研究［J］.氣象學報，2004，62(5）:647 －662.

［2］袁美英，李澤椿，張小玲.東北地區一次短時大暴雨β中尺度對流系統分析［J］.氣象學報，2010，68(1）:125 －136.

［3］李祥云，李長青，韓江文，等.2001年遼寧夏季暴雨環流形勢特征［J］.氣象與環境學報，2002，18(3）:5 －8.

［4］董海萍，趙思雄，曾慶存.低緯度高原地區一次強降水過程的中尺度雨團數值模擬研究［J］.大氣科學，2008，32(5）:1159 －1173.

［5］葛晶晶，鐘瑋，陸漢城.致洪暴雨中尺度渦旋的渦散作用及準平衡流診斷分析［J］.氣象學報，2011，69(2）:277 －288.

［6］朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理和方法［M］.北京:氣象出版社，2009:397－400.