李君，胡曉琳*，叢春華

（1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,山東濟南 250031；2.山東省淄博市氣象局，山東淄博 255000；3.山東省氣象臺，山東濟南 250031）

0 引言

臺風(fēng)暴雨是臺風(fēng)研究的重點和難點，一直受到研究者的高度重視，也取得了豐富的研究成果[1-4]。當(dāng)臺風(fēng)與中緯度環(huán)流系統(tǒng)如倒槽、西風(fēng)槽等相互作用時，往往能產(chǎn)生比臺風(fēng)環(huán)流本身降水大得多的暴雨[5-11]。隨著觀測手段的提高，大尺度系統(tǒng)相互作用引發(fā)的中尺度系統(tǒng)研究愈發(fā)受到關(guān)注[12-13]。周玲麗等[14]利用數(shù)值預(yù)報模式研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)環(huán)流中冷暖空氣的交匯處會形成一條很強的能量鋒，是中小尺度對流發(fā)生最活躍的區(qū)域；多個臺風(fēng)暴雨模擬研究[15]均發(fā)現(xiàn)在近地面存在與降水中心相對應(yīng)的中尺度輻合帶；大氣層結(jié)狀況與暴雨系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有著密切的關(guān)系，學(xué)者利用濕位渦理論研究了登陸臺風(fēng)內(nèi)部的中尺度對流系統(tǒng)的不穩(wěn)定性在暴雨發(fā)展中的作用，并取得一些成果[16-18]；中尺度系統(tǒng)中水汽的水平輻合與垂直輸送是中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展不可缺少的條件之一[19-20]。

山東地處中緯度區(qū)域，受熱帶氣旋影響每年暴雨平均發(fā)生2.5 次，楊曉霞等[21]、叢春華等[22-23]已經(jīng)從臺風(fēng)影響路徑、遠距離暴雨等方面進行了深入研究。但是，關(guān)于臺風(fēng)外圍極端暴雨的中尺度系統(tǒng)研究仍然較少。

本文利用山東省國家氣象站、區(qū)域自動氣象站的降水量、探空資料、全國多普勒雷達反射率因子拼圖、多點風(fēng)廓線、雷達反演風(fēng)場、歐洲中期天氣預(yù)報中心0.25°×0.25°的第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集（ERA5）等資料，研究臺風(fēng)“利奇馬”外圍影響山東并引發(fā)極端暴雨的中α尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及其發(fā)展演變，探討極端降水過程中不同尺度系統(tǒng)的相互作用，以期為類似極端降水的預(yù)報預(yù)警提供有益的參考。

1 臺風(fēng)“利奇馬”給山東帶來的降水

受1909 號臺風(fēng)“利奇馬”影響，山東省在2019年8 月10—13 日出現(xiàn)持續(xù)降水，平均降水量為170.3 mm，突破有記錄以來的過程降水量極值，其中淄博市淄川區(qū)梨峪口的總雨量達676.3 mm。受災(zāi)地區(qū)遭受嚴重經(jīng)濟損失，5人死亡，7人失蹤。8月10日20時（北京時，下同）—11日20時，平均降水量為109.3 mm（見圖1），占總降水量近7 成，21 個國家氣象站日降水量突破歷史極值，是降水最集中的時段（見圖2），11 日02—08 時連續(xù)6 h 的降水量超過20 mm/h。

圖1 山東省降水量分布圖（2019年8月10日20時—11日20時，單位：mm）Fig.1 Distribution of precipitation in the Shandong Province(20:00 on August 10th-20:00 on August 11th,2019,unit:mm)

圖2 山東省淄博市淄川區(qū)西河鎮(zhèn)梨峪口（118.07°E，36.55°N）2019年8月10日06時—13日14時逐小時降水量（單位：mm）Fig.2 Hourly precipitation at Liyukou,Xihe Town,Zichuan District,Zibo City,Shandong Province(118.07°E,36.55°N)from 06:00 on August 10th to 14:00 on August 13th,2019(unit:mm)

2 環(huán)流背景

8 月10 日08 時開始，臺風(fēng)“利奇馬”登陸后沿副熱帶高壓西側(cè)偏南氣流北上（見圖3），另外一個臺風(fēng)“羅莎”（1910 號）也向西北緩慢移動，貝加爾湖阻塞高壓與副熱帶高壓之間的深槽穩(wěn)定少動，槽前西南氣流與臺風(fēng)東側(cè)的偏南氣流逐漸匯合，11日08時減弱后的臺風(fēng)環(huán)流加入槽區(qū)。山東的極端強降水就發(fā)生在大尺度形勢穩(wěn)定少動、臺風(fēng)逐漸北上與西風(fēng)帶槽合并形成低渦期間（10 日20 時—11 日08時）。環(huán)流形勢穩(wěn)定少動使降水長時間維持，是極端降水產(chǎn)生的重要因素。

圖3 2019年8月10—11日500 hPa高度場（黑色等值線，單位：位勢米）和風(fēng)場（風(fēng)矢，大于12 m/s）Fig.3 500 hPa height(black contour,unit:geopotential meter)and wind field(wind vector,greater than 12 m/s)from 10th to 11th,August 2019

圖4 2019年8月10日15時48分濟南多普勒雷達1.5°徑向速度（填色，單位：m/s）Fig.4 Radial velocity(shaded area，unit：m/s)at 1.5°in Jinan at 15:48 on August 10,2019

3 降水過程的中α尺度系統(tǒng)

降水過程分為3個階段。第一階段，臺風(fēng)“利奇馬”登陸時，回波呈軸對稱的團狀，東、北兩側(cè)有旺盛的螺旋雨帶，山東西部西風(fēng)槽呈帶狀分布，魯東南和魯中部分地區(qū)受臺風(fēng)外圍螺旋雨帶影響開始出現(xiàn)降水；第二階段，隨臺風(fēng)逐漸北抬，窄帶回波發(fā)展為長600～900 km、寬60～90 km 的回波帶，中心反射率因子大于40 dBz，具有中α尺度系統(tǒng)特征，受臺風(fēng)北側(cè)中尺度回波帶影響，魯中地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)強降水；第三階段，11日08時后臺風(fēng)中心回波消散，臺風(fēng)環(huán)流出現(xiàn)溫帶氣旋的逗點狀回波特征，降水減弱。中尺度回波帶及其長時間維持是造成此次強降水過程的直接原因，本文將以第二階段為重點，從抬升觸發(fā)、不穩(wěn)定層結(jié)、水汽及地形影響等方面研究中α尺度系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展和維持機制。

4 中α 尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展和維持機制

4.1 風(fēng)場和散度場

700 hPa 上，10 日08 時臺風(fēng)東北側(cè)有東南氣流與偏西氣流的弱輻合區(qū)，對應(yīng)魯東南的螺旋雨帶，西風(fēng)槽對應(yīng)魯西的輻合區(qū)；隨著臺風(fēng)北抬，14 時東南氣流增強為低空急流，兩輻合區(qū)合并加強，在山東中部發(fā)展為一條東北-西南向輻合帶，穩(wěn)定少動，魯中地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)降水；10 日20 時—11 日08 時臺風(fēng)中心風(fēng)速達到并超過32 m/s，輻合中心達到-3.0×10-4/s，回波中心超過45 dBz，輻合區(qū)及低空急流的長時間維持造成持續(xù)性暴雨，形成突破歷史記錄的極端降水。輻合區(qū)的出現(xiàn)、發(fā)展和消失，均與雷達拼圖上中尺度回波帶的演變吻合，是直接造成極端降水的中尺度系統(tǒng)，雷達徑向速度場上有一個從10 日12：36—11 日07:57 長時間維持的切變與之配合。

4.2 高低空急流

中α尺度輻合區(qū)在強降水中具有關(guān)鍵作用。本節(jié)將結(jié)合三維風(fēng)場和散度場重點分析中α尺度輻合區(qū)的發(fā)生發(fā)展和維持。如圖5、6 所示，10 日08 時，輻合開始于700～400 hPa 西風(fēng)槽附近（見圖5），槽前西南氣流與臺風(fēng)外圍深厚的東南氣流合并上升，匯入250 hPa附近的高空急流（中心速度為44 m/s）；10 日14 時（見圖6），高低空急流相伴增大，低空急流與槽后中層偏西氣流匯合上升（見圖6），在750 hPa 附近形成新的輻合區(qū)，出現(xiàn)初始對流（雷達資料見圖7）。

圖5 降水區(qū)的水平風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m/s；紅色等值線，大于16 m/s）和散度場（陰影，單位：10-4/s）的垂直剖面圖Fig.5 The vertical section of the horizontal wind(wind vector,unit:m/s;red contour line:greater than 16 m/s)and divergence(shaded area,unit:10-4/s)in the precipitation area

圖7 2019年8月10日08時59分濰坊多普勒雷達反射率因子沿36.2°N的垂直剖面圖Fig.7 Vertical profile of reflectivity factor along 36.2°N in Weifang at 8:59 on August 10,2019

研究證明[22]，降水初期高空出流迅速增強能促進上升運動的快速發(fā)展和低層動量向高空輸送。本次過程的初始對流發(fā)生于10 日08 時50 分前（見圖7），統(tǒng)計該時段內(nèi)對流回波東側(cè)的濰坊、青島、煙臺和西側(cè)的天津、滄州、石家莊、濱州、濟南、濮陽、徐州地區(qū)的10 部資料相對完整的多普勒雷達風(fēng)廓線數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，對流回波東側(cè)4～5 km 高度的東南氣流在對流觸發(fā)前0～1 h 均增大到16 m/s，結(jié)合初始對流的位置和時間，可以判斷中層?xùn)|南氣流增強是初始對流觸發(fā)的直接原因；西側(cè)高空（高度為9.1～12.2 km）的西南氣流在初始對流觸發(fā)后0.5～1.5 h 均有不同程度的增強，距離初始對流越近，風(fēng)速增強更早。低空急流增強在先，并激發(fā)初始對流，高空急流增強在后。

對流觸發(fā)后，高低空急流的耦合使東南急流和高空輻散持續(xù)加強，上升運動可到達200 hPa（見圖6），西風(fēng)槽上空輻合區(qū)發(fā)展并逐漸相連，隨后在逐漸北上的低層切變附近急劇加強延伸，11日02時形成了一個從地面—300 hPa、從東南向西北傾斜向上的中α尺度輻合區(qū)，系統(tǒng)進入成熟期，降水強度超過20 mm/h。11日08時，低層輻合、高空輻散和垂直運動均達到峰值（見圖5、圖6），但輻合中心和垂直運動高度下降，下沉氣流不再匯入上升氣流，輻合區(qū)兩邊的混合加強，溫度梯度減小；之后，低空東南急流隨臺風(fēng)向北移動，東北氣流增大，上升運動、輻合輻散明顯減弱，輻合區(qū)的垂直環(huán)流高度繼續(xù)降低（見圖6），強降水結(jié)束。

由以上分析可以看出，低空急流與槽后中層偏西氣流匯合上升可激發(fā)出初始對流，高低空急流耦合是初始對流持續(xù)發(fā)展的重要條件。

4.3 不穩(wěn)定分析

4.3.1 對流不穩(wěn)定分析

暴雨之前（8 月10 日08 時）探空顯示濟南處于槽前西南氣流中（見圖8a），400 hPa以下為對流不穩(wěn)定層結(jié)，對流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）為545.5 J/kg，相當(dāng)位溫的垂直剖面在濟南以西116°E 附近有密集帶（見圖9a），相當(dāng)位溫梯度大，為冷暖氣團交匯區(qū)域，對應(yīng)減弱的西風(fēng)槽，其西側(cè)500 hPa 以上為?θe/?z＞0 的槽后穩(wěn)定層結(jié)；西風(fēng)槽以東地區(qū)（包括濟南）500 hPa相當(dāng)位溫隨高度而降低，?θe/?z＜0，與探空一致，說明此時該區(qū)域?qū)α鲗拥蛯犹幱谳^強的對流不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦有對流觸發(fā)即可產(chǎn)生強對流。西風(fēng)槽后相當(dāng)位溫梯度小，為弱對流不穩(wěn)定層結(jié)。10日10 時槽前的對流不穩(wěn)定區(qū)（魯中地區(qū)）出現(xiàn)窄帶回波，對流觸發(fā)，降水開始。20 時（見圖5b）西風(fēng)槽略向東移，接近降水中心，槽前垂直速度增大，降水加強，凝結(jié)潛熱大量釋放引起相當(dāng)位溫等值線下凹，濟南低層轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)（見圖9b），500 hPa 以下接近飽和，有豐富的水汽供應(yīng)，CAPE=0，說明該站對流不穩(wěn)定能量已經(jīng)完全釋放，降水卻繼續(xù)增強；11 日02—08 時（見圖7c、7d）西風(fēng)槽穩(wěn)定少動，槽前垂直運動旺盛，達到200 hPa 附近，槽前及附近產(chǎn)生持續(xù)性強降水，凝結(jié)潛熱釋放引起的相當(dāng)位溫等值線下凹面積擴大，降水強度達到最大。10 日20 時—11 日08 時，降水區(qū)大氣變?yōu)槿鯇α鞑环€(wěn)定層或中性層結(jié)，降水強度卻并未減弱，反而有所加強。分析原因發(fā)現(xiàn)這與大氣不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)變有關(guān)。

圖8 濟南的探空圖Fig.8 The sounding map of Ji'nan

圖9 沿暴雨中心的緯向相當(dāng)位溫（彩色等值線，單位：℃）、垂直速度（紅色虛線，單位：m/s）和風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m/s）的垂直剖面圖Fig.9 The vertical profiles of zonal equivalent potential temperature(colored contours,unit:°C),vertical velocity(red dotted line,unit:m/s)and wind(wind vector,unit:m/s)along the storm center

4.3.2 條件性對稱不穩(wěn)定分析

濕位渦表征了大氣動力、熱力屬性，也考慮了水汽的作用，HOSKIN[17]認為當(dāng)垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多時，可以用濕位渦（Mpv）的正負值診斷條件性對稱不穩(wěn)定，濕位渦為負（Mpv＜0）說明大氣存在條件性對稱不穩(wěn)定（Conditional Symmetric Instability，CSI）。p坐標系中，濕位渦可表示為[18]：

式中：Mpv1為其正壓項；g為重力加速度；?為相對渦度；f為地轉(zhuǎn)渦度為相當(dāng)位溫的垂直梯度；Mpv2為其斜壓項為風(fēng)的垂直切變?yōu)橄喈?dāng)位溫θe的水平梯度。

圖10 為降水中心（118°E，37°N）的Mpv、Mpv1、Mpv2隨時間的變化。降水前（見圖10a），中心上空600 hPa 以下的Mpv1＜0，說明期間低層大氣以對流不穩(wěn)定為主，高空600 hPa 以上為對流穩(wěn)定區(qū)，與前面的分析結(jié)論一致；Mpv的分布與Mpv1相似，600 hPa以上Mpv＞0，600 hPa 以下Mpv＜0；Mpv2在0 線附近，說明大氣為弱條件對稱不穩(wěn)定，窄帶回波在對流不穩(wěn)定的低層大氣觸發(fā)，釋放對流不穩(wěn)定能量。10 日20時（見圖10b），750 hPa以下Mpv1明顯增大，層結(jié)變?yōu)榉€(wěn)定或中性的第一項東南低空急流隨臺風(fēng)北抬增強，雷達反演的風(fēng)場顯示（見圖11a），此時3～5 km 高度的最大風(fēng)速超過24 m/s，低空水平風(fēng)垂直切變增強，而相對位溫的南北梯度較大即濕斜壓性強，750～600 hPa 的Mpv2負值區(qū)明顯增強，條件性對稱不穩(wěn)定隨之增強；此時Mpv1＜0，條件性對稱不穩(wěn)定和對流不穩(wěn)定同時存在，且以對流不穩(wěn)定為主[24]，回波向高層發(fā)展，降水強度明顯增大，超過10 mm/h。11 日02 時（見圖10c）東南低空急流繼續(xù)增強，雷達反演的風(fēng)場（見圖11b）也證明，4 km 高度以下轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，4～5 km 高度的東南風(fēng)風(fēng)速超過32 m/s，相對位溫的南北梯度增大，濕斜壓性和水平風(fēng)垂直切變同時增強，850～600 hPa 之間的Mpv2負值區(qū)繼續(xù)增大，此時降水中心上空存在較強的條件對稱不穩(wěn)定，降水強度開始持續(xù)超過20 mm/h，800 hPa 以下受低空急流輸送暖濕氣流而產(chǎn)生淺薄的對流不穩(wěn)定將被不斷地釋放出來，系統(tǒng)發(fā)展為深厚的對流。11 日08 時（見圖10d），低層急流減弱，相對位溫梯度減小，850 hPa以下Mpv、Mpv1、Mpv2均遠大于0，對流穩(wěn)定、條件性對稱穩(wěn)定，降水強度顯著減弱，850～750 hPa的Mpv2＜0，降水仍在持續(xù)。

圖10 降水中心（118°E，37°N）的Mpv（黑線）、Mpv1（紅線）、Mpv2（綠線）隨時間的變化（單位：10-7m2·K/（s·kg））Fig.10 Mpv (black line)and Mpv1(red line),Mpv2(green line)of the precipitation center(118°E,37°N)over time(unit：10-7m2·K/(s·kg))

圖11 濟南多普勒雷達反演的垂直風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m/s）、反射率因子（填色，單位：dBZ）和等水平風(fēng)速場（等值線，單位：m/s）Fig.11 Vertical wind field(wind vector，unit：m/s),reflectance factor(shaded area,unit:dBZ)and constant velocity field(contour,unit:m/s)at Ji'nan

由此可見，初始對流在對流不穩(wěn)定環(huán)境中觸發(fā)，凝結(jié)潛熱釋放引起的濕斜壓性和對流層中低層垂直切變導(dǎo)致的條件性對稱不穩(wěn)定增長，使對流發(fā)展為有組織而長時間維持的深對流。

4.4 水汽

圖12為水汽通量、水汽通量散度和風(fēng)場的垂直剖面圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)成熟時水汽輸送中心在750 hPa 附近（水汽通量為48 g/（cm·hPa·s）），水汽輻合中心與中尺度輻合中心高度吻合，隨著東南急流增大，大量的水汽向山東地區(qū)集中，受到低層切變阻擋，在切變東南側(cè)的魯中地區(qū)輻合加強（水汽通量散度中心值達到-5.0×10-5g/（cm2·hPa·s））；850 hPa 比濕為14～16 g/kg（圖略），與2018 年給山東帶來大暴雨的臺風(fēng)“溫比亞”（1818 號）[25]相比，臺風(fēng)“利奇馬”具有更大的水汽通量、比濕和發(fā)展高度，因此帶來了更多的降水。

圖12 水汽通量（等值線，單位：g/（cm·hPa·s））和水汽通量散度（填色，單位：10-6 g/（cm2·hPa·s））和風(fēng)場（箭矢，單位：m/s）的垂直剖面圖Fig.12 The vertical profile of water vapor flux(contour,unit:g/(cm·hPa·s))and water vapor flux divergence(shaded area,unit:10-6 g/(cm2·hPa·s))and wind(arrow,unit:m/s)

850 hPa 水汽通量散度小于-10×10-6g/（cm2·hPa·s）的區(qū)域與暴雨區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，可為類似的臺風(fēng)暴雨預(yù)報預(yù)警提供參考。

10 日08 時（見圖12），西風(fēng)槽附近水汽通量較小，對應(yīng)降水較弱。10 日14 時，東南急流前端形成上升支，濕層明顯向上伸展，15 g/（cm·hPa·s）等值線到達600 hPa，對應(yīng)窄帶回波。10 日20 時，15 g/（cm·hPa·s）等值線繼續(xù)向上伸展到550 hPa，低層水汽通量和散度也顯著增加，水汽輻合增強，降水強度開始增大；11 日02 時，15 g/（cm·hPa·s）等值線伸展到500 hPa，水汽向高層輸送，降水強度增加到20 mm/h 以上并持續(xù)6 h，15 g/（cm·hPa·s）等值線維持在500 hPa與20 mm/h 的降水中心強度有很好的對應(yīng)關(guān)系。上升運動將水汽輸送到中高層，濕層增厚，降水強度增大。

4.5 地形

地形作用是影響中尺度天氣過程的重要因子之一。降水中心區(qū)沿著魯中地區(qū)從魯北延伸至魯南（見圖13a），與呈東北—西南向的中α尺度輻合區(qū)發(fā)生的時間、位置、走向一致。另外，降水量等值線沿魯中山區(qū)有一條東西向的脊線，降水量相對較大。與地面風(fēng)場（見圖13b）結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)在北抬過程中，其北側(cè)邊界層為東北氣流，在山區(qū)北側(cè)出現(xiàn)氣旋性偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)為西北氣流，沿山區(qū)北麓產(chǎn)生風(fēng)向輻合，與地形強迫抬升產(chǎn)生的垂直運動相疊加，有利于上升運動使降水增強；與中α尺度系統(tǒng)降水帶相交的山區(qū)東部有特殊的喇叭口地形，地形輻合與強迫抬升作用尤其強烈，出現(xiàn)強降水中心（見圖13a）。山區(qū)南麓的背風(fēng)坡降水強度相對較弱。半島地區(qū)處于臺風(fēng)的東側(cè)，邊界層為東南氣流，降水中心多出現(xiàn)在半島丘陵的南側(cè)迎風(fēng)坡。

圖13 山東省降水量（等值線，單位：mm）、風(fēng)場分布（風(fēng)羽）和地形圖Fig.13 Precipitation(contour,unit:mm)and wind(barb)in the Shandong Province and topographic map

5 結(jié)論

本研究對臺風(fēng)“利奇馬”在山東地區(qū)造成的極端暴雨過程的中α 尺度特征進行了分析。結(jié)果表明：

①臺風(fēng)環(huán)流北側(cè)的東南氣流與西風(fēng)槽后偏西氣流的切變引發(fā)的中α尺度輻合區(qū)是直接造成極端降水的中尺度系統(tǒng)；對流始于800～750 hPa，隨后沿西風(fēng)槽向高層發(fā)展，再伸展到低層，在臺風(fēng)北側(cè)低層切變附近強烈發(fā)展。

②初始對流由低空急流觸發(fā)，隨后伴有高空出流迅速增強，促使上升運動快速發(fā)展，高低空急流上下耦合的正反饋作用促進中α尺度輻合區(qū)深度發(fā)展，是極端降水發(fā)生發(fā)展的重要原因。

③對流在不穩(wěn)定環(huán)境中觸發(fā)，凝結(jié)潛熱釋放引起的濕斜壓性和對流層中低層風(fēng)垂直切變導(dǎo)致的條件性對稱不穩(wěn)定增長，使對流發(fā)展為有組織且長時間維持的深對流。

④魯中山區(qū)地形產(chǎn)生的迎風(fēng)坡抬升、風(fēng)繞流輻合影響了降水分布，尤其是降水中心的落區(qū)。

⑤水平風(fēng)場將水汽向暴雨區(qū)匯集，上升運動將水汽輸送到中高層，濕層增厚，降水強度增大。水汽輻合中心在750 hPa 附近，而非在邊界層。當(dāng)水汽通量15 g/（cm·hPa·s）等值線向上伸展到500 hPa時，降水強度超過20 mm/h。