鄭麗娜，孫興池

（1.東營市氣象局，山東　東營257091；2.山東省氣象局，山東　濟南250031）

氣旋類山東暴雨過程天氣學特征分析

鄭麗娜1，孫興池2

（1.東營市氣象局，山東東營257091；2.山東省氣象局，山東濟南250031）

利用天氣觀測資料、NECP/NCAR再分析資料對2001年1月—2015年8月發(fā)生在山東的32例氣旋導致的大范圍的暴雨過程進行了分析。將氣旋分為黃河氣旋型、黃淮氣旋型與江淮氣旋型，針對每類氣旋重點分析其暴雨發(fā)生的動力機制、水汽特征，暴雨落區(qū)等，并建立了概念模型。結論如下：（1）黃河氣旋型暴雨落區(qū)在氣旋移動方向的左前方，暖鋒附近，天氣尺度強迫有利于暴雨產(chǎn)生，水汽來源于西南氣流輸送或氣旋本身。（2）黃淮氣旋型暴雨落區(qū)在氣旋移動方向的左前方，屬暖區(qū)降水，高低空急流垂直耦合誘發(fā)深對流，促使暴雨產(chǎn)生。（3）江淮氣旋型暴雨落區(qū)在氣旋中心北側(cè)，屬冷區(qū)降水，其環(huán)流形勢經(jīng)向度較大，誘使低層低渦切變線北移，為系統(tǒng)性暴雨的產(chǎn)生提供水汽條件和動力條件。（4）三類氣旋暴雨過程中，對流層高層多為輻散場或高空急流入口區(qū)右側(cè)，低層多有低渦配合；當有低空偏南風急流出現(xiàn)時，降水量大，反之，則??；暴雨中心均與850 hPa水汽通量散度輻合區(qū)、高比濕區(qū)及高能舌區(qū)三者相疊置的位置相吻合。

暴雨；氣旋類；分型；天氣學概念模型

鄭麗娜，孫興池.氣旋類山東暴雨過程天氣學特征分析J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（4）：74-80. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.011

山東的暴雨多出現(xiàn)在6月下旬至9月上旬，尤以7月上、下旬和8月中旬最多。造成山東大范圍暴雨的天氣系統(tǒng)中，氣旋是主要影響系統(tǒng)之一，約占47.7%[1]。 若以氣旋生成源地[2]對造成山東暴雨的氣旋分類，可分為江淮氣旋、黃淮氣旋和黃河氣旋。針對不同的氣旋，許多學者對其進行過研究[3-10]。陶祖鈺等[11]對江淮氣旋發(fā)生、發(fā)展的條件進行了分析，總結出氣旋在醞釀、發(fā)展、維持和消亡4個階段環(huán)流形勢的配置特點及物理量的演變特征。魏建蘇等[12]利用49 a的常規(guī)資料對江淮氣旋的發(fā)生源地、移動路徑及強度等進行了分析，總結出江淮氣旋的一些氣候特征。趙兵科等[13]則從江淮氣旋形成和維持的角度將強弱氣旋進行了對比，指出中高層的擾動對氣旋的發(fā)展起主要作用。楊貴名等[14]對2003年一次黃淮氣旋進行了分析，指出干侵入在黃淮氣旋發(fā)展中至關重要。梁鈺等[15]利用11 a的數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納出黃淮氣旋造成河南暴雨的天氣特征。梁豐等[16]則對華北一次黃河氣旋造成的暴雨過程進行了分析，指出黃河氣旋發(fā)展的根本動力是大氣的斜壓性。范學峰等[17]對發(fā)生在河南的一次黃河氣旋進行了分析，指出氣旋的穩(wěn)定少動是造成該地暴雨的一個重要原因。上述成果對預報員認知氣旋，掌握氣旋的發(fā)展演變規(guī)律起到了較大作用。

由于不同的天氣形勢會產(chǎn)生不同的暴雨落區(qū)和雨量，所以很多學者從主要影響系統(tǒng)入手對天氣進行分型[18-21]。通過分型，可以使預報員了解某一類暴雨過程的概念模型和預報著眼點，在一定程度上提高暴雨天氣的預報準確率。

針對山東的氣旋暴雨天氣過程，曹鋼鋒等[22]按氣旋中心通過120°E時所在的緯度進行分型，分為江淮氣旋、黃淮氣旋與黃河氣旋，并統(tǒng)計了不同氣旋產(chǎn)生的頻率、移速及給山東可能帶來的災害性天氣。這些成果對提高預報員認識氣旋起到了一定作用，但是這種分型與《天氣學原理和方法》[2]一書中的分型原則存在差異，容易造成預報員概念的混淆，且曹鋼鋒等專家的研究距今已20多年了，所用統(tǒng)計資料、計算方法均很有限，遠不能滿足今天人們對氣象預報準確率的迫切要求。由于暴雨一直是山東，乃至全國重要的災害性天氣，也是預報人員持續(xù)關注的課題[23-26]，所以本文基于2001—2015年山東氣旋類暴雨過程，利用天氣觀測資料、NCEP/NCAR再分析資料等，在繼承前人研究的基礎上，從水汽條件、動力條件等物理量場分布特征入手，總結不同氣旋影響下山東暴雨落區(qū)的特點，為提高暴雨預報準確率提供科學依據(jù)。

1　資料和方法

利用2001年1月—2015年8月常規(guī)觀測資料、地面加密資料和逐6 h美國國家環(huán)境預報中心1°×1°的FNL資料。

受氣旋影響，全省有10個觀測站點24 h雨量達50 mm以上，定為一次大范圍暴雨過程。按氣旋生成源地分類，遴選出山東大范圍暴雨過程32例，其中黃淮氣旋17例，黃河氣旋7例，江淮氣旋8例。各類氣旋發(fā)生時間見表1。針對這些個例,從系統(tǒng)上下配置、動力機制、水汽條件與暴雨落區(qū)等方面進行精細分析。

2　黃淮氣旋型

2.1環(huán)流特點

該類暴雨過程共出現(xiàn)了17次。主要環(huán)流特征表現(xiàn)為經(jīng)向型，500 hPa歐亞大陸中高緯為兩脊夾一槽，烏拉爾山東側(cè)與東部沿海為脊區(qū)，貝加爾湖附近為槽區(qū)；低緯地區(qū)西北太平洋副熱帶高壓偏東偏南，西脊點在110°E以東，588 dagpm線的北部邊緣在30°N附近；500 hPa槽前對應700或850 hPa的低渦（占85.7%）或?qū)凶兙€與低槽（占14.3%）。地面氣旋的位置主要集中在河南東南部與安徽西部，暴雨落在氣旋移動方向的左前方，暖鋒與850 hPa切變線之間；高層200 hPa，氣旋上空維持輻散場或處于高空急流軸入口區(qū)的右側(cè)。這類過程的天氣學概念模型見圖1。

2.2低渦與急流垂直耦合

這類暴雨在對流層低層700或850 hPa 110°E以東大都存在低渦（圖1）。低渦及其攜帶的暖式切變線是影響山東的主要系統(tǒng)。在高層偏南風引導氣流的作用下，低渦及暖式切變線北上，在低渦中心右側(cè)與副高之間易形成低空急流，風速在暖式切變線附近輻合。充足的水汽供應、較強的動力條件往往是大暴雨產(chǎn)生的原因之一[27]。

表1　2001年1月—2015年8月氣旋類山東大范圍暴雨實況

這類過程環(huán)流型較為穩(wěn)定，對流層的高層多存在高空急流。東西向的高空急流處于南北向低空急流的上方。這種高低空急流相交的分布是一種啟動對流和位勢不穩(wěn)定釋放的典型形勢。此時高空急流次級環(huán)流的上升支正好與地面鋒垂直環(huán)流的上升支上下重合，從而在地面鋒前緣形成一深厚的上升運動空氣層，這是鋒前位勢不穩(wěn)定層的一種啟動機制，能產(chǎn)生深而強烈的對流活動[28]。

圖1　黃淮氣旋類天氣學概念模型

2006年7月3日黃淮暴雨過程較具有代表性。7月3日08時，黃淮氣旋中心位于114°E、33°N附近，850 hPa的暖切變位于蘇皖北部，徐州站處于氣旋移動方向右前方暖切變附近。以此站為例，討論氣旋暖鋒附近氣象要素的垂直分布（圖2）。從圖2中可以看出，徐州站地面為西南風，溫度25℃，近地層有逆溫；從地面到600 hPa，風向隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，且溫度線與露點線緊靠，說明濕層深厚，這是即將受暖鋒影響的緣故；該站CAPE值為427 J·kg-1。隨著氣旋臨近，該站不穩(wěn)定能量必將釋放，產(chǎn)生強降水。

2.3水汽輸送

圖2　2006年7月3日08時徐州站探空圖

這類暴雨的水汽來自于南?；蛎霞永瓰?，92%的暴雨過程低層有低空急流。以2006年7月3日黃淮暴雨過程為例，強盛的西南氣流攜帶著暖濕空氣自南海和孟加拉灣向北輸送，直達蘇、皖北部邊界，暴雨區(qū)落在西南氣流風速軸的左側(cè)，有風向輻合的地區(qū)，這一點從云圖上看得更加清晰（圖3）；在地面氣旋移動方向的左前方，暖鋒附近有兩塊強盛的對流云正在發(fā)展，云頂亮溫達-53℃。隨著該云團向東北方向移動進入山東，勢必給魯南帶來一場強降水天氣。

圖3　2006年7月3日08時紅外云圖及08時地面圖

3　黃河氣旋型

3.1源地及移動路徑

通過對1999—2009年發(fā)生的黃河氣旋個例進行分析，確定其源地主要有兩個：一在太行山東側(cè)河北、山西與河南三省交界處；二在黃河下游山東省西南部。這兩個源地與其特殊的地形有關。華北的北側(cè)有東西走向的陰山山脈和燕山山脈，西側(cè)為黃土高原的太行山區(qū)，海拔均在1500 m以上，而黃河下游海拔僅有幾十米，恰似一個向東南開口的喇叭地形，高空槽越過山脈，在背風坡出現(xiàn)減壓效應形成氣旋。黃河氣旋在源地生成后移動路徑大致有3條：一條由源地向偏東方向移動，穿過魯中自半島入海，這是主要路徑，可造成山東大范圍的降水過程；一條由源地向東偏北方向移動，主要影響魯南，由半島南部入海；還有一條由源地向東偏南方向移動，經(jīng)過魯西北北部、魯中，由半島南部入海。

3.2環(huán)流特點

該類暴雨過程共出現(xiàn)了7次。主要環(huán)流特征表現(xiàn)為500 hPa中高緯為兩脊一槽的形勢，中支槽的位置在107°～115°E之間；低緯西太平洋副高呈帶狀，西脊點在110°E以東，588 dagpm線通過120°E的緯度在35°N以南，北部邊沿呈東北—西南向（若在非汛期，588 dagpm線位于華南沿海）；500 hPa槽前對應著700或850 hPa的低渦，低渦位于河套東側(cè)，其右側(cè)有顯著的偏南氣流；地面氣旋多生成于850 hPa低渦的東南象限，在對流層中層引導氣流的作用下向偏東方向移動。暴雨落在氣旋移動方向的左前方，暖鋒附近，屬于暖區(qū)降水。高空200 hPa，氣旋上空有兩種形勢：一是輻散場；二是處于高空急流入口區(qū)右側(cè)。這類過程的天氣學概念模型見圖4。

圖4　黃河氣旋類天氣學概念模型

2009年7月8—10日黃河氣旋過程較具有代表性。該過程大尺度環(huán)流背景與天氣學概念模型比較接近：500 hPa冷空氣自貝加爾湖附近南下，在河套地區(qū)形成中支槽；低層河套東側(cè)有低渦，低渦右側(cè)有低空西南急流；高層200 hPa處于高空急流入口區(qū)的右側(cè)，維持高空輻散的形勢。

3.3天氣尺度抬升條件

該類黃河氣旋型的環(huán)流配置為暴雨發(fā)生提供了有利的觸發(fā)條件。2009年7月8日08時，黃河氣旋在河南北部生成，以其移動方向左前方的邢臺站為例（圖略），氣旋來臨前，該站925 hPa以下為東南風，對流層中層為西南風，最大風速達18 m·s-1，風向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流；300 hPa以上為西北風，這種低層暖，高層冷的氣層分布，表征層結不穩(wěn)定。整個對流層，濕層深厚，對流抑制能量弱，僅為18.6 J·kg-1，CAPE值高達456.2 J·kg-1。

7月8日14時，隨著氣旋東移，地面流場輻合中心出現(xiàn)在黃河下游，地面鋒線從輻合中心向西南方向伸展，鋒線兩側(cè)有冷暖空氣輻合。冷空氣自西北路南下，對南側(cè)暖濕空氣有明顯的強迫抬升作用，促使不穩(wěn)定能量釋放。結合此時刻的衛(wèi)星云圖（圖5）可見，與氣旋相配合的云區(qū)主要位于氣旋中心的第一象限，這與該氣旋主要的強降水區(qū)位置相吻合。云頂顏色不一，表明云高低起伏，云頂亮溫最低處可達-50℃左右，呈現(xiàn)出對流云的特點。

圖5　2009年7月8日14時紅外云圖及14時地面圖

3.4水汽輸送

這類過程水汽來源途徑有兩個：一是來自低層西南暖濕氣流的輸送，這種形勢（占75%）低層有順暢的水汽輸送通道，易形成低空急流。暴雨區(qū)一般落在850 hPa高能舌內(nèi)假相當位溫密集線的前沿，比濕大值區(qū)在15 g·kg-1以上，且存在著風向切變的地方。二是來自低渦本身的偏南氣流，這種形勢僅占25%。由于沒有南方暖濕空氣的支援，僅靠低渦本身所攜帶的水汽，暴雨區(qū)比濕大都在12 g·kg-1左右。暴雨出現(xiàn)在氣旋中心右側(cè)2個緯距范圍內(nèi)的暖鋒附近，雨區(qū)范圍、雨量均較第一種情況小。

4　江淮氣旋型

4.1環(huán)流特點

這類暴雨過程共出現(xiàn)了8次，主要環(huán)流特征表現(xiàn)為經(jīng)向型。500 hPa中高緯80°E以東為兩脊夾一槽，中支槽位于河套地區(qū)，同黃淮氣旋型類似，但是較之槽更深，經(jīng)向度更大，冷空氣自貝加爾湖東側(cè)南下，直達黃淮地區(qū)；低層700或850 hPa在500 hPa槽前有低渦或切變線配合。地面氣旋在850 hPa低渦東南側(cè)長江下游附近生成。暴雨區(qū)落在氣旋中心北側(cè)，倒槽的頂端，屬于冷區(qū)降水。高空200 hPa維持輻散場。這類過程的天氣學概念模型見圖6。

4.2天氣系統(tǒng)的特征

圖6　江淮氣旋類天氣學概念模型

從統(tǒng)計資料來看，該類氣旋北上給山東帶來暴雨過程多發(fā)生于春季和夏季。高空200 hPa為輻散場，500 hPa中支槽與南支槽結合，經(jīng)向度較大。夏季副高位于東部沿?；蛉A南沿海，有利于氣旋北上。春季副高位置偏南，促使江淮氣旋北上的關鍵因素之一是我國大陸東部的沿海高壓脊，這個系統(tǒng)同夏季沿海副高的作用一樣，不僅阻擋中支槽的快速東移，使得槽前位勢梯度加大，西南氣流發(fā)展，而且有利于地面系統(tǒng)的向北推進。

地面圖上，江淮氣旋形成之前，先有倒槽發(fā)展，并在江淮地區(qū)有暖鋒鋒生。隨著高空冷空氣的東移，地面冷鋒進入倒槽與暖鋒結合，形成江淮氣旋。只有向北移動的江淮氣旋才會影響山東。所以這種類型的氣旋，強降水多出現(xiàn)在氣旋中心北側(cè)。

4.3水汽輸送和暴雨落區(qū)

這類暴雨的水汽主要來自南海，由于對流層中低層經(jīng)向度較大，低層均有低空急流，850 hPa偏南風風速可達20 m·s-1以上（圖略）。2007年8月16日江淮氣旋過程較具有代表性。從圖7中可以看出，這類氣旋的強云團出現(xiàn)在氣旋的北側(cè)，倒槽頂端東南風與東北風切變處。暴雨中心與強云團影響區(qū)域相對應，即在距離氣旋中心北側(cè)1～2個緯距處。

5　結論

利用天氣觀測資料、NCEP/NCAR再分析資料對氣旋類山東暴雨過程進行了研究。依據(jù)氣旋生成源地將其分為黃河氣旋型、黃淮氣旋型與江淮氣旋型，并總結出各類氣旋的天氣學概念模型。主要結論如下：

圖7　2007年8月16日08時紅外云圖及08時地面圖

（1）黃河氣旋型出現(xiàn)了7次，直接影響系統(tǒng)是低渦、氣旋。氣旋生成位置在這三類氣旋中最偏北，移動路徑以偏東為主。天氣尺度的動力強迫為暴雨發(fā)生提供了有利條件；水汽來源于低層西南氣流的輸送或氣旋本身；暴雨落區(qū)在氣旋中心與暖鋒附近。

（2）黃淮氣旋型出現(xiàn)的次數(shù)最多。環(huán)流特點是兩脊夾一槽，中低層的低渦生成位置集中在黃淮區(qū)域；氣旋生成后多向東北方向移動；高空急流與低空急流的耦合提供了有利的次天氣尺度動力強迫；水汽來源于南?；蛎霞永瓰常蛯佣喟橛械涂占绷?；暴雨落在氣旋中心的左前方，暖鋒附近，與850 hPa水汽散度輻合區(qū)、大的比濕區(qū)和與高能舌的舌端三者疊置位置吻合。

（3）江淮氣旋型出現(xiàn)的次數(shù)不多。環(huán)流特點是經(jīng)向度較大，中支槽較深，沿海高壓強盛，在低渦右側(cè)多伴有低空急流。地面倒槽先發(fā)展北伸，后形成氣旋。氣旋的產(chǎn)生為暴雨提供了天氣尺度的動力抬升條件。暴雨落區(qū)多在氣旋中心的北側(cè)，屬冷區(qū)降水。

（4）氣旋在形成之前，地面往往先有倒槽發(fā)展、加深，這時降水就已開始。而產(chǎn)生暴雨的關鍵因素具有中尺度特征，這還需進一步的中尺度分析和監(jiān)測。

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Analysis on Synoptic Characteristic of Rainstorm Processes in Shandong Province Caused by Cyclone

ZHENG Lina1，SUN Xingchi2
（1.Dongying Meteorological Office of Shandong Province,Dongying 257091，China；2.Shandong Meteorological Bureau，Jinan 250031，China）

By usingthe meteorologicalobservations andNCEP/NCARreanalysisdata,a classification-based research on the rainstorm processes in Shandong province induced by cyclone from January 2001 to August 2015 is conducted.According to the standard of the cyclone classification in the book of the principles and methods of synoptic meteorology,it can be divided into Yellow River Cyclone-type,Huang-huai Cyclone-type and Changjiang-huaihe Cyclone-type. The dynamic mechanism,moisture characteristics and heavy rain falling area are analyzed to extract the conceptual model.The results show that:（1）Heavy rain of Yellow River cyclone type falls on the left of the cyclone near the warm front,synoptic-scale system force is favorable to the heavy rain,the water vapor comes from the southwest airflow or cyclone itself.（2）Heavy rain of Huanghuai Cyclone-type falls on the right of cyclone,it belongs to warm area precipitation.The High and low level air jet vertical coupling induced by deep convection to prompted heavy rains.（3）Heavy rain of Changjiang-huaihe Cyclone-type falls in the north of the cyclone and it belongs to cold area precipitation.The meridional circulation is obvious,which traps the lower vortex moving northward,provide water vapor conditions and dynamic conditions for the generation of systemic storm.（4）Three kinds of cyclone heavy rain process,the upper troposphere is the mostly divergence field or the right of jet entrance area,low-level systems are mostly low vortexes.When south wind low-level jet has appeared,rainfall is larger,on the contrary,rainfall is smaller.Rainstorm center is in conformity with vapor divergence convergence zone,big humidity area and the high energy tongue area of 850 hPa.

rainstorm；cyclone-type；classification-based research；synoptic meteorology conceptual model

P447

A

1002-0799（2016）04-0074-07

2015-07-10；

2015-09-07

山東暴雨落區(qū)的分類分析與預報技術研究（2012sdqxz04），山東省重點課題（2013sdqxz02與2014sdqxz07）資助。

鄭麗娜（1971-），女，高級工程師，主要從事短期天氣預報。E-mail：dongyingzln@163.com