魯西南地區兩次春季低渦暴雨對比分析

張熙　李媛　張澤銘　郭振華　趙京峰

摘要：通過對比分析了魯西南地區2013年5月26日和2014年5月10日兩次春季低渦暴雨過程。結果表明，冷空氣入侵層結的不同、低層強輻合區高度的不同、能量鋒區位置的不同以及強上升運動中心位置的不同，都是造成低渦暴雨降水強度差異的重要原因。冷空氣侵入層節的異同決定了降水的穩定度；邊界層強輻合對于氣旋前部偏東氣流里的暴雨形成更為重要；低空急流的強弱及位置決定了降水的強度和落區，強降水均發生在能量鋒區前沿；強上升運動區的深厚程度也是造成暴雨量級不同的關鍵因素，同時從暴雨區北側下沉運動區可以看出冷空氣的位置及其勢力的強弱。

關鍵詞：春季暴雨；魯西南；低渦；輻合輻散

中圖分類號：P458.1+21.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）04-0627-07

春季正是小麥生長的關鍵時期，持續暴雨或者強度較大的暴雨天氣會造成小麥嚴重的減產，對農業生產造成很大的影響[1]。以往氣象工作者分析了魯西南地區春季暴雨形成機制[2-5]，總結出春季暴雨的主要影響系統為低槽冷鋒、氣旋以及切變線[6-10]，氣旋的移動方向和切變線的演變決定了降水落區的位置。康桂紅等[11]對比相似天氣形勢的降水過程發現大暴雨的落區的分析需要從鋒面、切變線的位置以及水汽通量散度、渦度、散度垂直剖面方面著手，它們對暴雨的落區有一定的參考價值。本研究選取2013年5月26日和2014年5月10日兩次低渦暖切變線暴雨過程，從其環流背景、水汽條件、動力條件及熱力不穩定條件進行對比分析，研究其降水強度、降水量級以及降水落區不同的原因。

1 降水概況

圖1為2013年5月26日（簡稱“0526”過程）和2014年5月10日（簡稱“0510”過程）魯西南地區兩次春季暴雨降水量對比圖。“0526”過程分析得出，此次暴雨過程多數站點出現100 mm以上的大暴雨，最大降雨點出現在微山縣氣象局觀測站，降水量為162.2 mm，全市多站點降水超歷史同期極值，此次降水正值該地區小麥成熟期，暴雨、大風引起麥田大面積倒伏，對農業生產和城市運行造成了很大的影響。“0510”過程分析得出此次降水為大到暴雨天氣過程，多站點降水達到50 mm，逐小時降水量分析得出，雖然此次降水過程逐小時降雨強度不大，但持續時間較長，最終形成暴雨。

以上分析表明，兩次過程降水落區類似，但是“0526”過程降水強度和降水持續時間都比“0510”過程大得多，平均降水量是其2倍。

2 系統的演變過程分析

“0526”過程中26日20時（圖2a），500 hPa高空槽發展，在魯西地區形成一個閉合低渦。此時850 hPa低渦位于山東省和河南省交界處，在500 hPa低渦南部（圖2b），可以看出這次過程從低到高均為低渦影響的深厚系統，魯西南位于850 hPa低渦暖切變線北側的東南氣流當中，氣流達到急流強度，半島南部風速達到30 m/s，并且持續時間較長，為暴雨區提供了有利的水汽條件，強降水點位于低渦中心和暖切變的北部，由于海上高壓勢力較強，低渦東移速度緩慢，降水時間持續較長。地面圖（圖2c、圖2d）上氣旋向東北方向移動，隨著東南風與東北風的輻合區發展，魯西南地區降水強度明顯增強，強降水落區位于氣旋東北象限的偏東氣流中，之后地面氣旋繼續向東北偏東方向移動（圖2c），且由于日本海附近高壓的阻擋，氣旋移速減慢，整個魯西南至魯東南地區降水強度都很大。低渦移出后強降水也隨之趨于結束。

“0510”系統演變如圖3所示，降水發生時500 hPa（圖3a）南北兩支槽東移，且北支槽移動較快，未來合并為一支，山東省500 hPa槽區前部，有冷切變線發展；中國東北上空高壓脊穩定維持，使得西風帶系統東移受阻，移動變慢。500 hPa西南氣流的引導下，700 hPa低渦東移北抬，低渦向東伸出的暖切北抬至山東省魯西南地區（圖3b）。850 hPa低渦位置偏南，暖切只北抬到安徽省北部地區，但渦前形成了西南、東南兩條強的低空急流，東南急流強度達到20 m/s，兩支急流將水汽持續不斷地向山東地區輸送（圖3c），此外，20時850 hPa有冷空氣侵入低渦，冷暖空氣交匯進一步增大了雨強。地面圖上可以看出有地面倒槽（圖3d）影響山東地區，山東西部地區處在倒槽的頂端，地面倒槽隨著低渦北上繼續發展，14時在地面圖上出現明顯的輻合線，14～23時地面輻合線隨著系統東移為影響魯西南的主要時段，可以看到，隨著地面輻合線的東移，魯西南至魯中在輻合線移動路徑上為強降雨帶。5月11日08時，隨著南北兩支槽合并，低渦暖切變線降水轉變為冷切變線穩定降水，雨強明顯減弱。

從以上分析可以看出，兩次暴雨過程均為低渦切變線暴雨，但其本質上還是存在差異的，“0526”過程是在深厚低渦的形勢下產生的，冷空氣的主體更為偏北，低渦暖切變線是造成強降水的主要原因，而“0510”過程在低渦發展的過程當中，由于西風槽的東移，槽后冷空氣勢力較強，低渦暖切變線降水很快轉換變為冷切變線降水，降水強度明顯減弱。此外，“0510”過程中，地面輻合線移出魯西南后才形成地面氣旋，時間上較“0526”過程晚很多。但兩次過程也存在共同點，即兩次暴雨過程均表現出整層系統的完整性，并配合有對流層低層的急流或顯著氣流。

3 水汽條件對比分析

850 hPa水汽輸送通量（圖略）進行對比分析得出，兩次過程水汽源地主要為南海和西太平洋，少量水汽來自孟加拉灣，均由西南風急流和東南風急流輸送至降水區。不過“0526”過程中無論是來自西南地區的水汽輸送強度還是來自西太平洋地區的水汽輸送強度都比“0510”過程強得多。值得注意的是，“0510”過程中，10日夜間水汽輸送通量強度加強，不過水汽輸送區已經移到山東東部地區，此時正對應半島南部強降水。

4 動力條件對比分析

4.1 垂直速度分析

4.1.1 水平分布 “0526”過程中，700 hPa等位勢面上，-1.5 Pa/s的上升速度區在26日08時（圖略）就控制了魯西南地區，到26日14時（圖略）強度增強至-2 Pa/s，范圍逐漸擴展到魯中地區，此時降水強度進一步加大，并一直維持至26日20時（圖略）之后。“0526”過程強上升速度區維持時間超過12 h。

“0510”過程中，700 hPa等位勢面上，10日08時（圖略）就控制了魯西南地區，中心上升速度為 -0.3 Pa/s，到10日14時（圖略）強度增強至-1.5 Pa/s，此時降水強度加大，強降水范圍仍舊在魯西南地區，10日20時（圖略）魯西南地區的上升速度降低到-1 Pa/s之下，降水強度減弱，至24時魯東南和半島南部地區-1.5 Pa/s的上升速度中心形成，對應地面氣旋在當地形成，半島南部地區降水強度加大。

對比得出，“0526”過程強上升速度區維持時間比“0510”過程長，且上升速度中心最大值比“0510”過程強。

4.1.2 垂直分布 對垂直速度過暴雨中心（116.5°E，35.4°N）作經向剖面（沿116.5°E）可以看出，降雨開始加強時的26日08時（圖4a），33.0°N-36.0°N上空均為上升區，強上升運動中心位于35°N附近，出現在600 hPa附近，中心達-2.7 Pa/s，垂直運動上升高度從900 hPa到達200 hPa，上升運動強烈，并且向北傾斜，此時35°N附近上空低層為弱下沉運動區，說明有弱的冷空氣從低層侵入；26日14時（圖4b）大范圍強上升運動區明顯往北推進，35.0°N-36.0°N上空均為強上升運動區；26日20時（圖4c）強上升運動區依舊維持在該地區，強上升運動中心強度為-2.7 Pa/s，在700 hPa附近。26日24時（圖4d），35.0°N附近上空垂直上升運動強度明顯減弱，而且再往北部，轉為下沉運動區，說明冷空氣已經到達36.0°N北部，魯西南地區降水明顯減弱。

對于“0510”過程中，降水強度在10日14時（圖5b）前開始加強，垂直上升運動中心位于35.1°N附近，高度在800 hPa附近，強度為-1.7 Pa/s，垂直上升高度在250 hPa附近。本次過程較“0526”過程另外一個很大的區別在于強降水區上空強上升運動持續時間短，10日20時（圖5c）上升運動強度就開始明顯減弱，且上升運動區高度也明顯下降。

綜上所述，這兩次低渦暴雨過程均是發生在深厚的強上升運動區內，暴雨落區及其移動方向與強的上升運動中心的相關性比較好。同時從暴雨區北側下沉運動區，可以看出冷空氣的位置和其勢力的強弱。這兩次過程不同之處在于“0526”過程強降水區上空強上升運動區維持時間比“0510”過程長，上升運動中心強度比“0510”過程大，且垂直上升區上升高度范圍比“0510”過程高，這也是“0526”過程降水強度要遠大于“0510”過程的主要原因之一。

4.2 散度分析

4.2.1 850 hPa層散度的水平分布特點 對850 hPa層的散度的分析（圖6）可以看出，“0526”過程中26日14時（圖6a），魯中西南部為大片的輻合區，輻合中心值達-80×10-6/s，與地面上的氣旋相對應，但位置較地面氣旋的位置略偏北，與高空低渦隨高度向北傾斜有關系；此時江蘇東北部也有一個-60×10-6/s的輻合中心，這個輻合區是由東南急流在此處風速輻合造成的，降水落區位于輻合中心附近。26日24時（圖6b），隨著系統的東移，輻合中心也隨之東移，魯中西南部的輻合中心東移至半島南部，可以看出，由于東部海區高壓的阻擋，輻合中心東移較慢。“0510”過程10日14時（圖6c），魯西南和魯中西部有大片的輻合區，魯西南地區的輻合中心達-70×10-6/s，此輻合中心與地面風場輻合線相對應。隨著系統的東移發展，輻合中心向東北方向移動，當氣旋生成后，輻合中心強度增強到100×10-6/s，半島南部和西部開始出現強降水。

4.2.2 垂直分布特點 選取兩次過程降水比較強的時段來對比分析，可以看出，“0526”過程（圖7a）中，35°N附近低層強輻合區在950 hPa附近，最大輻合中心值達-100×10-6/s，高空250 hPa附近輻散最強，中心輻合強度達80×10-6/s，強輻散區位置在37.0°N附近，高低空系統略向北傾斜，接近垂直，另外輻散層向下延伸，在600 hPa附近還有個60×10-6/s輻散中心，這種強低層輻合和高層輻散，有利于強的上升運動發展，有利于強降水的產生。“0510”過程（圖7b）中強降水發生階段，低層輻合與高層輻散中心的最大值均比“0526”過程低很多，這也是其降水強度沒有“0526”過程大的原因之一。

5 不穩定能量對比分析

對假相當位溫（θse）過暴雨中心（116.5°E，35.4°N）作經向剖面（圖8）看出，“0526”過程中降水強度開始增強的26日08時（圖8a），34.5°N以北700 hPa以下θse隨高度遞減，說明該地區上空大氣層結不穩定，700 hPa以上，34.0°N以南是大范圍的θse高值區，隨高度增加假相當位溫也增加，35.0°N上空為等假相當位溫線密集區，說明該地區上空有能量鋒區存在，隨著時間的發展，26日14時（圖8b）能量鋒區在垂直方向上越來越陡，說明沒有強冷空氣侵入系統，此時暴雨區南側的高能區θse大于345 K的等值線進一步往北推進，這與西南低空急流往北推進有關系，同時高能區下傳到達地面，說明暴雨區南側暖濕系統比較深厚，位于魯西南上空925～700 hPa之間等值線更加密集，說明系統發展的過程中有鋒生現象存在，這是由于低空暖濕氣流增強，這時的強降水正處在能量鋒區的右側。

“0510”過程中，在強降水開始前，10日08時（圖8c）在37.0°N北部近地面層有一300 K的低值中心，說明此次過程冷空氣是先從近地層開始侵入，θse隨高度增加而增加，說明35.0°N附近上空未出現位勢不穩定層結，此次降水以對流穩定性降水為主。隨著系統的發展，10日14時（圖8d），300 K的低值中心快速北移，此時，34.5°N-36.0°N之間的能量鋒區密集度加大，降水強度增大，鋒區南部的338 K的θse高能區未能下傳至地面，說明此次過程的暖濕系統不如“0526”過程深厚。

由以上分析可知，“0526”過程主要是由于850 hPa附近冷空氣積聚在近地層暖空氣之上形成不穩定層結，為對流性不穩定降水，而“0510”過程主要是冷鋒沿近地面入侵后，暖空氣被抬升，空氣層結比較穩定，屬于穩定性降水，因此降水強度比前者弱。

6 小結

對2013年5月26日和2014年5月10日發生在山東地區的春季低渦暴雨對比分析發現。

1）兩次過程500 hPa均為東高西低型天氣形勢，均是在高空低槽引導下，低層西南渦逐漸發展起來，低渦切變、地面氣旋（風場輻合線）和低空急流共同造就的暴雨過程；且兩次過程中東部日本海高壓均較強，系統東移緩慢，強降水持續時間比較長。

2）“0526”過程是在深厚低渦的形勢下產生的，冷空氣的主體更為偏北，低渦暖切變線是造成強降水的主要原因，而“0510”過程在低渦發展的過程當中，由于西風槽的東移，槽后冷空氣勢力較強，低渦暖切變線降水很快轉換變為冷切變線降水。

3）兩次暴雨過程發生時低層均有強輻合區存在，“0526”過程低層輻合中心強度比“0510”過程強很多，此外“0526”過程輻合中心主要集中在950 hPa附近，比一般暴雨的輻合層高度更低，強降水時段輻散層向下延伸，說明邊界層輻合更有利于強暴雨的產生。

4）從θse垂直剖面可以看出冷空氣的入侵高度以及降水的穩定度，“0526”過程中低層冷空氣積聚在地面暖濕空氣之上，形成的上冷下暖不穩定層結，以對流性降水為主。“0510”過程冷空氣先從地面侵入，形成上暖下冷的穩定層結，降水比較穩定。

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