青島市一次局地大暴雨天氣成因和逆風(fēng)區(qū)特征分析

李 博 ,劉 飛 ,郭文明 ,高 飛 ,李秀鎮(zhèn)

（1.山東省巨野縣氣象局，菏澤 274600；2.91937部隊，舟山 316000；3.91876部隊，秦皇島 066000；4.山東省曹縣氣象局，菏澤 274400；5.中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

引言

青島市位于山東半島東南沿海，夏季受副熱帶高壓（以下簡稱副高）、西風(fēng)帶系統(tǒng)和海陸風(fēng)等影響，水汽供應(yīng)充沛，易發(fā)生暴雨等災(zāi)害性天氣，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展造成嚴重影響。暴雨具有雨強大、局地性和致災(zāi)性強等特點，一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點[1?6]，其產(chǎn)生需要充足的水汽、強烈的上升運動及熱力不穩(wěn)定等條件。已有研究[7?17]表明，副高邊緣西風(fēng)槽和地面冷鋒等系統(tǒng)在中低層的侵入，可為暖區(qū)對流暴雨觸發(fā)提供條件；850hPa以下偏南氣流的水汽輸送和對流不穩(wěn)定對暴雨過程有積極作用，暴雨易發(fā)生在輻合的暖區(qū)一側(cè)；山脈地形對暴雨的形成也有重要作用。隨著多普勒雷達資料在暴雨研究中廣泛深入的應(yīng)用，一種稱作逆風(fēng)區(qū)（在低仰角PPI徑向速度圖中，不跨越雷達的一種方向速度區(qū)被另一種方向速度區(qū)所包圍）的中小尺度多普勒速度特征場被引入暴雨預(yù)報中，相關(guān)研究指出雷達徑向速度中逆風(fēng)區(qū)一般都伴隨有短時強降水[18?20]。陳鮑發(fā)等[21]研究指出逆風(fēng)區(qū)實為前方輻合旋轉(zhuǎn)上升、后方下沉的渦管結(jié)構(gòu)。趙海軍等[20]對不同系統(tǒng)下的逆風(fēng)區(qū)特征進行分析，指出逆風(fēng)區(qū)達到一定強度且持續(xù)5個體掃以上預(yù)示降水將明顯發(fā)展。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)性的大范圍暴雨預(yù)報技術(shù)已趨成熟，但局地性暴雨與地形和各類中小尺度物理量場關(guān)系密切，其形成機制極其復(fù)雜，仍是氣象領(lǐng)域的研究重點和難點。近年來，多項研究指出逆風(fēng)區(qū)與短時強降水有較好的對應(yīng)關(guān)系，但其演變特征、與暴雨形成的關(guān)系以及是否能作為暴雨預(yù)警指標的相關(guān)研究并不多見，亟待加強。2016年8月19日，青島市環(huán)膠州灣出現(xiàn)一次局地大暴雨天氣過程，3個觀測站降雨量超過100mm，其中降水最大站點城陽棘洪灘達180mm。此次降水過程發(fā)生在副高邊緣，熱力不穩(wěn)定條件較好，但低空急流和水汽輸送條件較差，極易造成漏報。本文針對上述研究空白，利用地面和探空氣象觀測數(shù)據(jù)、雷達探測資料以及ECMWF（ERA5）0.25°×0.25°全球再分析數(shù)據(jù)，對這次暴雨過程的環(huán)流形勢、環(huán)境條件及逆風(fēng)區(qū)演變特征進行分析，以期為提升局地性大暴雨預(yù)報水平和科學(xué)制定防災(zāi)減災(zāi)策略提供技術(shù)支撐。

1 資料來源

研究資料包括：（1）青島市7個國家級地面氣象觀測站和21個國家級地面天氣骨干站（從區(qū)域氣象觀測站中遴選出的觀測環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)代表性較好的觀測站）逐時降水?dāng)?shù)據(jù)，時間長度為2016年8月19～20日；（2）歐洲中心發(fā)布的ERA5再分析資料，時間分辨率為1h，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間長度與降水?dāng)?shù)據(jù)一致；（3）型號為CINRAD/SA多普勒天氣雷達的VCP21體掃模式產(chǎn)品，該雷達位于青島市黃島區(qū)，海拔高度174m，2005年投入使用。

2 降水時空分布特征

選取青島市7個國家級地面氣象觀測站和21個國家級地面天氣骨干站（從區(qū)域氣象觀測站中遴選出的觀測環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)代表性較好的觀測站）降水資料，對2016年8月19日14時～20日05時的過程降水量進行分析（圖1）。如圖所示，本次大暴雨過程降水量分布不均勻，呈東南多西北少的分布特征；降水中心主要位于膠州灣東北部、嶗山西部城陽區(qū)和嶗山區(qū)一線，最大單站累計降水量達180mm（城陽區(qū)棘洪灘街道）。由降水量超過100mm的棘洪灘、紅島和嶗山三個站點逐時降水序列（圖2）可知，三站均有3個時次降水量超過20mm，最大小時雨強分別為棘洪灘59.0mm（19日20～21時）、嶗山55.0mm（19日23時～20日00時）和紅島37.9mm（20日00～01時）。

圖1 8月19日14時～20日05時青島過程降水量空間分布

圖2 8月19日14時～20日05時棘洪灘、紅島和嶗山站逐時降水序列

3 環(huán)流特征

分析2016年8月19日及前期地面和高空形勢場（圖略）可知，降水開始前副高位于華南和華東地區(qū)上空，位置相對偏北，18日開始副高面積指數(shù)[22]持續(xù)增長。19日08時（圖略），副高位于華南、華東及青藏高原地區(qū)上空，西伸脊點在95°E處附近，副高北抬至30°N，588線位于魯西南附近；700hPa河北地區(qū)存在低渦環(huán)流，槽線位于河北境內(nèi)，半島地區(qū)位于槽前的西風(fēng)氣流內(nèi)；850hPa低渦中心和槽線偏南，位于山東河北交界處，槽前的西南和偏南氣流將海上暖濕氣流向山東半島輸送。19日14時（圖略），地面形勢場顯示山東南部存在地面倒槽，倒槽輻合線在山東和河北交界處，倒槽頂端伸展至山東南部，倒槽西北側(cè)有一冷鋒。19日17時（圖略），半島地區(qū)700hPa持續(xù)受溫度槽控制，850hPa和地面受溫度脊控制，下暖上冷且持續(xù)的南風(fēng)水汽輸送為對流的出現(xiàn)蓄積能量。19日20時，588線北抬至青島北部（圖3a）；700hPa低渦中心位于渤海，切變線位于魯西北，呈東北-西南方向，半島地區(qū)受溫度槽控制（圖3b）；850hPa低渦中心和切變線較700hPa偏南，青島位于西南和南風(fēng)交匯地區(qū)（圖3c）；冷鋒（雙實線）進入地面倒槽，冷暖空氣在青島地區(qū)交匯，觸發(fā)對流天氣（圖3d）；海平面氣溫場顯示在山東西南部存在較大的溫度梯度，青島及沿海區(qū)域由于海風(fēng)作用形成了向內(nèi)陸伸展的暖區(qū)，地面倒槽輻合線東移至青島地區(qū)（圖3d）。綜上所述，此次強對流暴雨過程發(fā)生在副高邊緣，山東南部沿海中低空偏南氣流和地面向北的向岸風(fēng)為青島及沿海地區(qū)帶來了暖濕氣流，冷鋒帶來的偏北冷氣流向南滲透與暖濕氣流在青島地區(qū)交匯，是形成此次大暴雨過程的主要機制。

圖3 8月19日20時大氣環(huán)流形勢（a.500hPa，b.700hPa，c.850hPa，d.地面；藍色等值線表示位勢高度，單位：gpm；箭頭表示風(fēng)矢，單位：m/s；紅色等值線表示溫度，單位：℃）

4 環(huán)境條件分析

4.1 位渦

通過對沿不同站點8月19日逐時位渦的經(jīng)度垂直剖面（圖略）分析可知：棘洪灘和紅島站位于嶗山山脈西部約30km，嶗山站位于嶗山山脈西部約10km，均在位渦大值區(qū)內(nèi)；19日11時嶗山山脈西部位渦為0.5PVU，19日20時位渦增大到2PVU，且越接近地面位渦值越大，說明在山脈迎風(fēng)坡由于低層暖濕氣流和山脈抬升引起了925hPa以下位渦增大，低層位渦的增大為此次局地性大暴雨提供了充足的不穩(wěn)定能量。以8月19日21時沿棘洪灘站位渦的經(jīng)度垂直剖面為例（圖4），此次降水過程與地形關(guān)系緊密，大暴雨出現(xiàn)在低空西南風(fēng)和地面偏南海風(fēng)的嶗山山脈（最高海拔1132.7m）迎風(fēng)坡，山脈迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡位渦差異明顯，迎風(fēng)坡925hPa以下100km范圍內(nèi)有位渦大值區(qū)，背風(fēng)坡位渦明顯小于迎風(fēng)坡。

圖4 8月19日21時沿棘洪灘站位渦（等值線，單位：10PVU）的經(jīng)度垂直剖面（陰影為地形高度，單位：m）

4.2 垂直上升運動和相對濕度

垂直上升運動和水汽條件是產(chǎn)生暴雨的重要條件。分析8月19日14時青島地區(qū)逐時垂直速度和相對濕度的空間分布（圖略）可知，500hPa上青島西部相對濕度較大，南部地區(qū)為強的垂直上升運動，其他均為下沉運動；700hPa上存在明顯的干區(qū)，垂直運動較弱；低空的青島沿海地區(qū)相對濕度較大，850hPa以下低空為上升運動，在925hPa達到最強，其中環(huán)膠州灣地區(qū)為弱的上升運動，速度約為0.08Pa/s。8月19日20時，冷鋒移動至青島膠州地區(qū)，環(huán)膠州灣地區(qū)中低空上升運動加強，850hPa上升運動增至0.3Pa/s，同時低層氣流輻合，沿海相對濕度大值區(qū)向北擴展（圖5）。總的來說，青島北部上升運動強，但低層水汽不足，黃島地區(qū)中低層濕度大，但上升運動不強，導(dǎo)致以上區(qū)域均未出現(xiàn)大暴雨，雨量最大的城陽和嶗山一帶出現(xiàn)在冷鋒前700～925hPa相對濕度與垂直上升運動配合較好的區(qū)域。

圖5 8月19日20時850hPa水汽條件和垂直運動空間分布（等值線表示垂直速度，單位：10?3Pa/s；填色表示相對濕度，單位：%；箭頭表示風(fēng)矢，單位：m/s）

分析19日08時～20日07時棘洪灘站相對濕度和垂直運動的時間垂直剖面（圖6）可知，在19日12時前，垂直上升運動較弱，700～850hPa存在干層；12～19時，隨著地面的不斷升溫，低空垂直上升運動大值區(qū)下降，但未突破700hPa高度層；19時，500hPa西風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)，中低層濕度增大，開始出現(xiàn)降水；20時，鋒面移到膠州，棘洪灘垂直上升運動出現(xiàn)躍增，并出現(xiàn)59mm降水；22時，垂直上升運動突破200hPa高度層，直至次日01時垂直上升運動仍持續(xù)較強，500～925hPa存在0.32Pa/s以上的的大值區(qū)，期間降水強度較大；02時之后，上升運動開始減弱，降水強度也隨之減弱。

圖6 19日08時～20日07時棘洪灘站水汽條件和垂直運動的時間垂直剖面（等值線表示垂直速度，單位：10?3Pa/s；填色表示相對濕度，單位：%；箭頭表示風(fēng)矢，單位：m/s）

4.3 對流不穩(wěn)定

對比分析8月19日08時和20時青島探空數(shù)據(jù)中的對流不穩(wěn)定指數(shù)（表1）可以看出：08時對流潛勢指數(shù)已較利于對流的發(fā)生，20時對流指數(shù)進一步增強；其中CAPE值和K指數(shù)增強較明顯，分別由1234.2J/kg、22℃增長到2319.8J/kg、38℃，K指數(shù)已達成片雷雨指標（K>35℃），其余如沙氏指數(shù)SI由正值變?yōu)樨撝担笖?shù)LI變小，風(fēng)暴強度指數(shù)SSI增大，均反映出大氣層結(jié)變得更不穩(wěn)定，而0℃層高度ZHT均在5000m以上且變化不大，對強降水更有利。

表1 8月19日08時和20時青島對流不穩(wěn)定指數(shù)

圖7給出了8月19日08時和20時青島探空層結(jié)數(shù)據(jù)。如圖所示，08時和20時，近地面比濕均在20g/kg以上，850hPa比濕均在14g/kg以上，說明此次過程雖然無急流配合，但比濕較大，為大暴雨的出現(xiàn)提供了有利的水汽條件。08時600～700hPa溫度露點差為20℃，存在干層，20時地面至500hPa溫度露點差大多<3℃，僅在850hPa有弱的干層，說明濕度層更加深厚。08時地面層為南風(fēng)，隨高度增加風(fēng)向順轉(zhuǎn)，表明低層有暖平流的存在，到200hPa轉(zhuǎn)為北風(fēng)。20時925hPa以下是西南風(fēng)，500hPa以上為較強的西北風(fēng)，風(fēng)向也隨高度順轉(zhuǎn)，說明青島期間低層一直受暖平流控制；同時，500hPa高度為強冷平流，這種下暖上冷的分布特征加劇對流不穩(wěn)定。08時地面和500hPa垂直風(fēng)切變?yōu)?.5m/s，20時垂直風(fēng)切變增強為13m/s，垂直風(fēng)切變的增強有利于對流的發(fā)生發(fā)展。

圖7 8月19日青島探空（a.08時，b.20時）

5 雷達產(chǎn)品及逆風(fēng)區(qū)特征分析

5.1 雷達產(chǎn)品分析

8月19日08時，青島西北上游地區(qū)存在成片層狀-積云混合降水回波，向東南移動時不斷消散；17時青島地區(qū)存在零散回波；18時回波開始加強，整體向東偏南方向移動，并出現(xiàn)反射率45～50dBZ的強單體。19日20:30的雷達風(fēng)廓線圖（圖8a）顯示，降水開始前2～3km高度垂直風(fēng)切變較弱且組織性差；隨著降水開始，0～3km垂直風(fēng)切變增大，組織性變好，對流增強。

19日20時（圖8b），青島城陽與即墨交界處出現(xiàn)回波強度53dBZ的對流單體，向西南移動時后側(cè)不斷產(chǎn)生新單體，持續(xù)影響城陽棘洪灘時長達1h，導(dǎo)致該站小時降水量達59mm。19日20:36，沿雷達探測徑向11°選擇距雷達28.2km和58.9km處，對該單體做反射率因子（圖8c）和徑向速度（圖8d）做剖面分析，可以看到該單體強度達最大，對流單體的反射率因子質(zhì)心較低，中層存在輻合，45dBZ以上的反射率因子位于6km以下，低層強反射率因子和高層弱反射率因子呈垂直分布，強回波接地，具有暖區(qū)對流特征，有利于產(chǎn)生高效率降水，距雷達35～40km處的3km高度存在逆風(fēng)區(qū)，其厚度大值區(qū)與強反射率因子處于同一位置。

圖8 青島多普勒天氣雷達產(chǎn)品演變特征（a.19日20:30風(fēng)廓線，b.19日20:02仰角1.5°反射率因子空間分布，c.19日20:36反射率因子剖面，d.19日20:36徑向速度剖面，e.19日20:02仰角2.4°徑向速度空間分布，f.20日05:00仰角2.4°徑向速度空間分布）

19日20時雷達仰角2.4°徑向速度空間分布（圖8e）顯示，大暴雨出現(xiàn)的膠州灣東北部地面至1.4km為偏南風(fēng)，1.4～3.5km為弱輻合旋轉(zhuǎn)，3.5km以上為北風(fēng)，弱旋轉(zhuǎn)輻合位于此次強降水區(qū)域上空。對比8月19日20時（圖8e）和20日05時（圖8f）的徑向速度空間分布，青島地區(qū)徑向速度零線均為“S形”，位置穩(wěn)定少動，表明青島始終受暖平流控制。

5.2 逆風(fēng)區(qū)演變特征分析

逆風(fēng)區(qū)的特征之一是周圍存在一個零速度環(huán)，通過此特征可區(qū)別逆風(fēng)區(qū)與速度模糊。19日19:56，雷達0.5°仰角徑向速度（圖9a）顯示，即墨中部的正速度區(qū)出現(xiàn)厚度1.0km、速度?3m/s的逆風(fēng)區(qū)A，膠州產(chǎn)生厚度0.7km、速度?3m/s的逆風(fēng)區(qū)B，逆風(fēng)區(qū)B生成時零速度環(huán)與雷達零速度線相連，向東南方向增強移動，兩個體掃后逆風(fēng)區(qū)與零速度線分離。再結(jié)合對應(yīng)的雷達反射率因子（圖9b）以及青島地面相對濕度和風(fēng)場，可以看出：逆風(fēng)區(qū)A和B的零速度線即為地面輻合線，冷空氣向暖區(qū)的入侵造成了暖區(qū)一側(cè)的對流，對流降水拖曳作用產(chǎn)生的下沉氣流在近地面發(fā)生輻散，導(dǎo)致逆風(fēng)區(qū)B的生成；由于逆風(fēng)區(qū)B靠近輻合線，地面輻散擾亂了暖區(qū)地面風(fēng)場，加劇了冷空氣向暖區(qū)滲透，進一步促進對流單體發(fā)展；同時逆風(fēng)區(qū)B的低層濕度較大，易產(chǎn)生高效率降水，降水向下的拖曳作用能增強地面輻散和逆風(fēng)區(qū)，這兩者的增強使得對流單體前側(cè)輻合上升進一步加劇，進而促進單體發(fā)展，最終造成逆風(fēng)區(qū)B大暴雨；逆風(fēng)區(qū)A所經(jīng)區(qū)域雖產(chǎn)生降水，但由于低層濕度小，產(chǎn)生的降水較小，逆風(fēng)區(qū)得不到發(fā)展，對單體的促進作用也不明顯。

圖9 8月19日青島地區(qū)雷達徑向速度（左，單位：m/s）和反射率因子（右，單位：dBZ）空間分布（a、b.19日19:56，c、d.19日21:27，黑色圓框表示逆風(fēng)區(qū)，灰色圓點表示氣象觀測站）

19日20:13，逆風(fēng)區(qū)B在移動的過程中向后擴展，面積不斷增大，20:36厚度增至2.5km，最大速度增至?7m/s。20:47，逆風(fēng)區(qū)B對應(yīng)的對流單體向東和東南兩個方向發(fā)展；向東發(fā)展的對流單體，很快移出低層高濕區(qū)，與逆風(fēng)區(qū)A同樣在低濕區(qū)中降水變?nèi)酰斐闪藢α鲉误w的消散；向東南移動的對流單體接近沿海，低層水汽供應(yīng)充足，促進了對流單體的發(fā)展和強降水的出現(xiàn)。21:17（圖9c～d），對流發(fā)展到最強，強降水帶來強的下沉氣流，下沉氣流在低層產(chǎn)生逆風(fēng)區(qū)D，逆風(fēng)區(qū)D所經(jīng)嶗山區(qū)低層濕度高，造成了該站發(fā)生大暴雨。

綜上所述，此次過程中4處逆風(fēng)區(qū)均出現(xiàn)在對流單體生成之后，逆風(fēng)區(qū)前側(cè)與對流單體移動方向的前側(cè)位置一致，后側(cè)位于對流單體中間，造成這一特征的主要原因可能是對流單體中的下沉氣流在單體前側(cè)造成的輻散。逆風(fēng)區(qū)B和D所經(jīng)的膠州灣東北部城陽嶗山一線低空是高濕區(qū)，有利于產(chǎn)生高效率的降水，而降水拖曳作用加強了單體的下沉氣流和地面輻散，有利于對流單體的前側(cè)輻合上升，進而促進了對流單體的發(fā)展。逆風(fēng)區(qū)A和C所經(jīng)區(qū)域低空濕度小，水汽條件不足，降水和對流單體即得不到發(fā)展。

6 結(jié)論與討論

本文利用地面和探空氣象觀測數(shù)據(jù)、雷達探測資料以及ERA5再分析數(shù)據(jù)，研究了2016年8月19日青島市環(huán)膠州灣一次局地大暴雨過程的環(huán)流形勢、環(huán)境條件及逆風(fēng)區(qū)演變特征，主要結(jié)論如下：

（1）本次局地性大暴雨過程出現(xiàn)在副高邊緣，在低渦環(huán)流、地面冷鋒以及地面倒槽的配合下，冷暖空氣在青島地區(qū)交匯，冷空氣向地面輻合線暖區(qū)滲透觸發(fā)局地對流天氣是此次過程的形成機制。

（2）大暴雨與地形關(guān)系緊密，主要分布在嶗山山脈的迎風(fēng)坡，低層暖濕氣流和山脈抬升造成迎風(fēng)坡前位渦增大，為此次局地性大暴雨提供了充足的不穩(wěn)定能量。低渦環(huán)流造成地面冷鋒前中低空垂直上升運動增強，大暴雨區(qū)出現(xiàn)在相對濕度和中低空垂直上升運動配合較好的區(qū)域。強降水時段與垂直上升運動時段吻合，小時最大雨量出現(xiàn)在垂直上升速度的躍增階段。

（3）19日08時和20時相比0℃層高度和近地面層比濕變化不大，均在5000m以上和20g/kg以上。期間風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，持續(xù)受暖平流控制，20時CAPE值、K指數(shù)以及垂直風(fēng)切變等各項不穩(wěn)定指數(shù)較08時有明顯增強。

（4）雷達基礎(chǔ)產(chǎn)品分析顯示，降水大值區(qū)的對流單體強反射率因子質(zhì)心較低，中層存在風(fēng)向輻合，有利于高效率降水生成，呈暖區(qū)對流特征，強降水開始前20～30min淺層垂直風(fēng)切變增強，更具有組織性。

（5）此次降水過程產(chǎn)生的4處逆風(fēng)區(qū)均出現(xiàn)在對流單體生成之后，為對流單體下沉氣流產(chǎn)生的與環(huán)境風(fēng)相反方向的輻散氣流。其中2處低層相對濕度大值區(qū)的逆風(fēng)區(qū)能夠得到發(fā)展增強，逆風(fēng)區(qū)的發(fā)展進而促進了對流的增強，此演變特征對本次大暴雨的臨近預(yù)報預(yù)警有較好的指示作用。

青島地區(qū)副高邊緣冷空氣入侵造成的局地大暴雨是預(yù)報業(yè)務(wù)的難點。本文僅針對一次局地大暴雨過程的環(huán)流形勢、環(huán)境條件及逆風(fēng)區(qū)演變特征進行了分析研究，所得結(jié)論存在一定的局限性。下一步工作考慮對更多類似的個例進行診斷分析，進一步探討逆風(fēng)區(qū)的演變特征、其與暴雨形成的關(guān)系以及作為暴雨預(yù)警指標的可行性。

致謝：感謝中國科學(xué)院海洋研究所鄭建副研究員對本文撰寫給予的指導(dǎo)和幫助。