2018 年山東一次極端暴雨的環境場特征分析

高曉梅，任廣治，王向前，邢麗珠，叢春華，袁 靜

（1.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250031；2.濰坊市氣象局，山東 濰坊 261011；3.濰坊市高密中等專業學校，山東 高密 261500；4.棗莊市氣象局，山東 棗莊 277800）

臺風造成的災害主要由暴雨、大風和風暴潮引起，易導致人員傷亡，經濟損失巨大[1]。近年來，山東臺風暴雨引發的洪澇災害給社會經濟生活造成嚴重影響，研究表明自2005 年以來影響山東的臺風頻次呈顯著增加趨勢[2]，且極端臺風暴雨明顯增多，因此對山東臺風強降水進行深入研究對臺風防災救災具有重要意義。近年來，許多氣象學者對臺風暴雨的環境場特征進行了研究[3-9]。高低空急流、臺風環流內的中尺度對流系統觸發、冷空氣入侵及地形抬升等環境場是中國華北和山東等地產生大暴雨的重要條件[10-14]。陳宣淼等[15]發現增幅型臺風暴雨與θse平流東暖西冷的結構及弱冷空氣入侵等有關。萬小雁等[16]指出中低層Q 矢量輻合區和大暴雨落區相對應、臺風過程累積雨量和地形高度具有顯著相關等特征。陳紅霞等[17]得出低層對流不穩定、干線、中高層弱干冷空氣侵入等為臺風暴雨提供了有利環境條件。

2018 年第18 號臺風“溫比亞”造成了山東創紀錄的極端暴雨，導致部分地區出現洪澇災害。據統計，此次臺風過程全省直接經濟損失約221.97 億元。臺風“溫比亞”引起我國多地出現暴雨，相關學者對臺風“溫比亞”影響期間的雨滴譜、中尺度特征、強對流螺旋雨帶觀測特征等進行了分析，得出許多有意義的結論[18-20]，但未對Q 矢量、低空急流指數、超低空急流等環境場的詳細特征進行分析，本文利用多源氣象資料，對臺風“溫比亞”引發山東歷史極端暴雨的環境場特征進行了深入研究，旨在為山東極端臺風暴雨預報預警提供參考依據，以便做好防災減災。

1 臺風“溫比亞”概況和環流形勢分析

2018 年第18 號臺風“溫比亞”于8 月17 日04 時前后在上海浦東新區南部沿海登陸，之后向西北方向移動，18 日05 時前后進入河南境內向西北方向移動，19 日05 時之后轉向東北方向，20 時前后進入山東，經過濟寧、泰安，20 日02 時到達濱州西部，05 時之后經東營河口區進入渤海（圖1a）。8 月17 日17 時—20 日14 時，山東省平均降雨量為135.5 mm，突破1951 年有氣象觀測記錄以來的過程降水量極值，其中魯西南、魯中和魯西北東部的部分地區平均降雨量在200 mm 以上（圖1b）。過程最大降水量出現在泰安徂徠鎮土門村，為511.2 mm；最大小時雨強出現在19 日23—24 時濰坊昌邑龍池鎮，為121.4 mm·h-1。全省多站點日降雨量和3 d 連續降雨量突破本站歷史極值。此次臺風過程降水量大，降水極端性強，影響范圍廣。

圖1 臺風“溫比亞”路徑

8 月17 日20 時在貝加爾湖附近有一加深發展的西風槽逐漸向偏東方向移動，臺風“溫比亞”位于江西上饒附近（圖2a），副熱帶高壓（簡稱“副高”）位于山東半島東部沿海至日本海之間，呈塊狀穩定少動，低空東南急流逐漸建立，其中上海站和江蘇鹽城站的東南風速達到20 m·s-1以上。18 日08 時，“溫比亞”在副熱帶高壓西側的東南氣流引導下向西北方向移動，到達河南信陽南部附近，北部的西風槽繼續向東移動，槽底位于內蒙到北京一帶，受臺風外圍環流影響，17 日夜間至18 日白天魯南出現了較強降水。20 時減弱后的“溫比亞”在副熱帶高壓西側西南風引導下緩慢向東北方向移動至河南中部（圖2b），臺風東側的東南暖濕氣流與槽后弱冷空氣逐漸交匯，造成18 日夜間魯西南菏澤、濟寧出現6 h 超過100 mm 的強降水。19 日08 時（圖2c），副高南北向范圍擴大，臺風受其阻擋移動緩慢，并與西風槽逐漸靠近，槽后干冷空氣侵入臺風倒槽內，中低緯系統相互作用促使大氣中大量不穩定能量釋放，同時臺風東側的東南急流加強，為山東輸送充沛水汽，致使19 日白天山東出現大范圍強降水，強降水落區位于臺風倒槽頂部附近，其中魯中和魯西北東部出現6 h 超過100 mm 的強降水。20 時副高東撤（圖2d），西風槽東移，臺風繼續向東北方向移動，低空急流位置隨之東移，中低緯系統進一步結合，造成19日夜間濰坊、東營等地出現強降水，其中濰坊龍池鎮出現了全省最大小時雨強的短時強降水。20 日05時之后臺風逐漸移出山東，20 日白天山東降水減弱直至結束。

圖2 2018 年8 月17 日20 時（a）、18 日20 時（b）、19 日08 時（c）和19 日20 時（d）500 hPa 高空圖疊加850 hPa 風場

2 水汽條件和低空急流特征分析

2.1 水汽條件

充足的水汽供應是形成大暴雨的重要條件[21]。濟南探空圖顯示，8 月18 日08 時—20 日02 時暖云層厚度為4 100～5 200 m，其中18 日20 時達到最厚，為5 200 m，暖云的凝結效率要高于冷云，暖云層越厚，越有利于大暴雨產生。同時大氣可降水量也在50～65 mm，其中18 日20 時大氣可降水量最大，為65 mm，說明水汽條件充沛。850 hPa 比濕場（圖3）顯示，除山東半島外，山東大部地區自18 日08 時—20 日02 時一直處在12 g·kg-1以上的高比濕區內，表明18 日山東上空已聚集了充沛水汽。

850 hPa 水汽通量散度場（圖3a）顯示，18 日08時山東淄博及以西地區處于水汽通量弱輻合區內。19 日02 時除山東半島外全省其他大部地區都處在水汽通量輻合區內（圖3b）。14 時輻合區進一步擴大（圖3c），其中魯西南地區處在-5×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2的水汽輻合中心，這與濟寧、聊城在19 日02—14 時出現6 h 超過100 mm 的強降水相對應。20 時，輻合區范圍繼續擴大，強度增強，魯西北東部至魯中一線處在強烈水汽輻合帶內，中心最大水汽通量散度達到-12×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2以上（圖3d），這與19 日白天山東出現大范圍強降水相對應。此階段正是冷暖空氣交匯、中低緯系統相互結合的時段。20時，水汽通量輻合區東移，范圍縮小，輻合中心位于魯中東部地區，致使濰坊地區出現6 h 超過100 mm的強降水。對山東暴雨中心做水汽通量散度和垂直速度的垂直剖面，發現18 日20 時水汽通量輻合區位于魯南，輻合大值區主要在950 hPa 附近，垂直上升運動區達到500 hPa 高度，對應18 日夜間魯南出現強降水。19 日08 時，輻合區北移并范圍擴大（圖3e），大值區上移到900 hPa 附近，強上升運動區擴展到300 hPa 高度。20 時，輻合區北移到魯中東部和魯西北東部地區（圖3f），強度增強，中心最大水汽通量散度達-12×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2，且上升運動達到最強，上升速度增長了3 倍，達-35 Pa·s-1以上，此時段正處在臺風倒槽與西風槽進一步結合階段，臺風在強水汽輻合和強上升運動共同作用下，19日夜間魯中東部和魯西北東部地區出現強降水，濰坊龍池出現最大小時雨強。綜上，臺風影響山東期間西風槽前偏南氣流與臺風東側東南氣流的匯合加強了輻合，產生強上升運動，且強上升運動區和強水汽輻合區基本重合，促進大暴雨產生。

2.2 低空急流演變特征

對流層風廓線雷達的探測資料可以清楚地揭示對流層和邊界層風場特征[22]。根據朱乾根等[21]使用緯向風分量和經向風分量來定義低空急流和超低空急流（即900 hPa 以下的極大風速軸），分析不同高度上的急流對此次強降水的作用。本文利用濰坊風廓線雷達（119.18°E，36.77°N）的垂直風廓線結構研究此次臺風暴雨的超低空急流與強降水的關系。觀測站點以濰坊全市出現最大降雨量346.7 mm 的青州東高鎮（118.43°E，36.77°N）與3 d 連續降雨量突破東營歷史極值的廣饒站（118.35°E，37.05°N）的小時降雨量（圖4a）與濰坊風廓線雷達風場結構進行分析（圖4b）。8 月19 日05—13 時是超低空急流逐漸增強的時段，但超低空和低空風速都未達到20 m·s-1（圖4b）。對應濰坊東高鎮和東營廣饒縣為弱降水。14 時在超低空750～1 000 m 附近出現20 m·s-1以上的強風速，東高鎮和廣饒縣的降水也有了突增，分別從13 時的10.2、5.2 mm 增加到19.1 和10.7 mm。隨著東南急流加強向下伸展，動量快速下傳，從高到底先后出現≥20 m·s-1的東南急流，降水強度也隨之增加，即超低空急流強度的大小影響降水的強弱程度。廣饒18—22 時出現了1 h 降雨量超過25 mm、東高鎮17—21 時出現1 h 降雨量超過20 mm 以上的強降水，對應超低空風場500 m 以下出現20 m·s-1以上的強風速。23 時，超低空風場的風速減小，都低于20 m·s-1，20 日00 時超低空風場的風速銳減，超低空急流消失，廣饒和東高的降雨量也迅速減小到低于10 mm 的弱降水。20 日01—04 時，超低空急流消失，但低空700、850 hPa 的低空偏南風急流仍存在，對應廣饒和東高卻無降水。綜上，相比低空急流，超低空急流對出現降水具有明顯的指示意義。

圖4 2018 年8 月19 日05 時至20 日04 時濰坊東高鎮、東營廣饒縣降雨量分布（a，單位：mm）和濰坊風廓線雷達垂直風場演變圖（b）

2.3 低空急流指數與降水強度的關系分析

本文利用濰坊風廓線雷達的邊界層風場數據分析了臺風降水強度的變化趨勢與低空急流指數的關系。低空急流指數I 的計算公式是以2 km 以下邊界層急流中心的最大風速與12 m·s-1風速在該小時中最低位置的比值，其定量表示低空急流向下擴展的程度和風速脈動的強度[23-24]。臺風“溫比亞”造成濰坊壽光洪澇災害最嚴重，臺頭鎮是壽光市此次臺風過程降雨量最大的自動站點。對比臺頭鎮小時降雨量和低空急流指數I 的時間演變（圖5）可知，當臺頭鎮強降水出現時，對應的I 值也非常大，I 值迅速加大后，小時雨強也迅速加大，特別是當短時強降水發生時，I 值迅速增大。在2018 年8 月19 日17—18時、19—20 時、20—21 時3 次小時雨量超過40 mm的強降雨時段，分別是41.6、41.2、51.2 mm，對應I的3 次峰值，分別是19 日18 時的148、20 時的156.7 和21 時的174，小時降雨量最大值51.2 mm正對應I 的最大值174。當20 日00—01 時指數1 h脈動突降為0，對應臺頭鎮00—01 時的小時雨量也為0。01—02 時指數1 h 脈動增大到9.8，對應的01—02 時又出現弱降水。即低空急流指數I 值增大的程度與降水量強度呈正比關系。

圖5 2018 年8 月19 日01 時—20 日02 時低空急流指數I 及壽光臺頭鎮每小時降雨量變化

3 冷空氣和地形在此次臺風暴雨中的作用

沿山東暴雨中心作溫度平流的垂直剖面可知（圖6，大暴雨落區位于116°～119.5°E，35°～38.5°N，下同），2018 年8 月18 日20 時魯南地區上空（115°E，35°N 附近）800 hPa 及以上有冷平流，其他基本無冷暖平流。19 日08 時冷空氣東移并向低空伸展（圖6a～6b），強度增強，且冷空氣侵入到近地面層，位置位于魯西南北部、魯西北和魯中西部等地上空，冷平流中心最大值位于900 hPa 附近，為-12×10-5K·s-1。這與魯南地區強降水對應。14 時冷空氣主體東移到魯西北東部，影響范圍進一步擴大，強度略有增強，冷中心值為-15×10-5K·s-1。這與東營、濱州等地強降水對應。20 時冷空氣東移范圍增大（圖6c～6d），強度加強，冷中心分別位于暴雨區上空500 和950 hPa，950 hPa 高度中心值最大，達-21×10-5K·s-1。此階段與魯中西部、魯西北東部強降水相對應。20 日02時冷平流范圍擴大（圖6e～6f），強度達到最強，自450 hPa 至近地面層呈柱狀分布，中心最大值達-39×10-5K·s-1。此階段正是冷空氣完全侵入到臺風環流內，冷暖空氣交匯加強對流不穩定發展導致魯中、魯西北東部強降水產生。對大暴雨中心作假相當位溫的垂直剖面發現8 月19 日08 時（圖6a～6b）θse大值區自魯西南逐漸東移到魯中、魯西北地區并伸展至700 hPa 高度，大值中心為350 K 的等θse線呈“Ω”型覆蓋在上述區域上空，θse低值區東移與θse高值區在700 hPa 附近高度上逐漸靠近，說明此時高空干冷空氣與臺風東側的東南暖濕空氣逐漸交匯。20 時隨著槽后干冷空氣南下與東南暖濕氣流交匯（圖6c 和圖6d），低層700 hPa 以下等θse線愈加陡立密集近乎垂直，兩側的θse在魯中、魯西北附近存在較強梯度，形成一條近乎南北向延伸的θse鋒區，不穩定能量增加，鋒區的東南側有較強東南氣流不斷輸送暖濕空氣，西北側有槽后冷空氣向南擴散，冷暖空氣在魯中、魯西北交匯相互作用有利于對流不穩定發展，引起強降水產生。20 日02 時（圖6e～6f），隨著冷空氣持續東移加強，進一步加劇鋒區強度，使得對流不穩定繼續增強，更有利于特大暴雨的發生。

圖6 2018 年8 月19—20 日溫度平流（藍實線，單位：10-5 K·s-1）與假相當位溫（紅實線，單位：K）沿36.5°N 的緯向剖面（a 為19 日08：00；c 為19 日20：00；e 為20 日02：00）及沿118°E 的經向剖面（b 為19 日08：00；d 為19 日20：00；f 為20 日02：00）

泰安徂徠鎮出現全省臺風暴雨過程最大降雨量511.2 mm，分析發現其特殊地形在此次暴雨中起了較大作用。徂徠鎮地勢東南高西北低，東部、南部為連珠山、徂徠山等丘陵山地，西部、北部為地勢低的汶河。分析地面自動站資料和低空風場可知，地面和低層925 hPa 以下風場的風向19 日08 時以后由東南風逐漸逆轉為東到東北風，地面為東南風時徂徠鎮小時雨強不大，但當東南風在08 時轉為6 m·s-1以上的東到東北風時，徂徠鎮的小時雨強迅速增大，這與925 hPa 以下層的東北風倒灌有關。當東北風經過東部山脈時由于地形的迎風坡效應在山地產生的強迫抬升作用是重要觸發機制；另外由于山脈阻擋，水汽更易在山前積聚，形成強熱力不穩定層結，觸發濕對流，動力和熱力共同作用致使上升運動加強和不穩定能量釋放，造成降水增幅。當19 日14 時地面風速減小到2 m·s-1時，小時雨量由13 時19.5 mm驟減到14 時1.3 mm。即風速越小，地形產生的強迫抬升作用越弱，引起的降水隨之減弱，16 時風速增大到6 m·s-1以上，小時雨量又增強到43.1 mm。19時東北風轉東南風后，徂徠鎮自17、18 時的小時雨量87.4、20.6 mm 驟降到19 時的3.2 mm。20 時風速減小到2 m·s-1，小時雨量減弱到0.6 mm。綜上，有利的天氣系統配置與地形的共同作用，造成了泰安徂徠鎮出現山東最大臺風暴雨點。

4 Q 矢量散度診斷

Hoskins 等[25]在1978 年提出Q 矢量概念，Q 矢量散度是非地轉上升運動的強迫機制，可用于垂直運動的診斷[26]。分析700 hPa 的Q 矢量散度場發現Q 矢量散度負值中心區域隨時間的演變和臺風強降水分布有較好相關性。18 日20 時（圖7a），Q 矢量散度負值中心在魯西南，從西南方向移入山東境內，中心值為-20×10-16 hPa-1·s-3，對應在魯西南18 日23 時—19 日08 時出現強降水，其中菏澤定陶、濟寧嘉祥、魚臺等地出現了6 h 降水量分別為100、187、172 mm 的強降水；19 日08 時（圖7b），Q 矢量散度負值區逐漸北移，雨強在負值中心東側附近明顯增強，對應在魯西南北部、魯中西部地區出現強降水，其中聊城、淄博大部地區在19 日08—20 時6 h 降雨量都超過100 mm。20 時Q 矢量散度負值區到達魯中東部、魯西北東部地區（圖7c），輻合強度最大，在-40×10-16hPa-1·s-3以下。對應的強降水區東移，在魯西北東部、魯中東部的東營、濰坊等地在19 日20時—20 日02 時6 h 降雨量超過100 mm，其中濰坊龍池在19 日23—24 時出現全省最大小時雨強為121.4 mm·h-1的強降雨。20 日02 時（圖7d），Q 矢量散度負值區東移到山東半島，輻合強中心位于渤海，對應在山東半島20 日02—08 時煙臺地區出現強降水，其中煙臺萊陽出現了6 h 降雨量為114 mm 的強降水。08 時之后，隨著Q 矢量散度負值區域逐漸移出山東，強降雨也逐漸減弱結束。由此可見，Q 矢量散度負值的強弱對未來6 h 的雨強大小有較好的指示意義。

圖7 2018 年8 月18—20 日700 hPa Q 矢量散度（單位：10-15 hPa-1·s-3）分布

5 結論

（1）臺風“溫比亞”影響山東引起的前期強降水在魯南地區，主要為臺風外圍螺旋云系降水，19 日白天至夜間是強降水主要時段，主要由中低緯系統相互作用引起，落區主要集中于臺風倒槽附近。

（2）副高的穩定少動及低空急流的穩定維持是造成山東強降水的主要原因之一。暖云層較厚，大氣可降水量大，高比濕、水汽通量輻合大值區等充沛的水汽條件也是原因之一。

（3）相比低空急流，超低空急流對出現強降水更有明顯的指示意義，強度大小影響降水的強弱程度，且超低空（500 m 以下）出現20 m·s-1以上的強風速對出現小時降雨量超過20 mm 以上的短時強降水有明顯指示作用。低空急流指數對強降水的出現特別是中小尺度強降水及雨強大小都有一定預示作用。

（4）南高北低的特殊地形及925 hPa 以下的東北風倒灌對泰安市徂徠鎮的極端特大暴雨具有較大增幅作用，地形的迎風坡效應在山地產生的強迫抬升作用及山脈阻擋引起的水汽在山前積聚等動力和熱力共同作用觸發濕對流是此次臺風出現短時強降水的重要觸發機制。

（5）此次臺風暴雨過程Q 矢量散度負值的強弱對于未來6 h 的雨強大小有較好的指示意義。另外，此次臺風暴雨與冷空氣密切相關，冷空氣自中高層侵入到近地面層，與臺風倒槽頂端的暖濕氣流交匯，中低緯系統相互作用導致山東極端暴雨發生。