山東一次冬季極端江淮氣旋暴雨（雪）的觀測分析

徐文翰 周筠珺 王維佳

摘? 要：本文利用常規自動站、風廓線雷達、雨滴譜儀、溫度廓線儀等綜合觀測資料及NCEP/NCAR再分析資料，對2016年2月12～13日山東一次罕見暴雨（雪）天氣過程進行分析，重點分析了強降水的極端性成因及降水相態變化。結果表明，此次過程是由低槽、低渦切變線、低空急流、江淮氣旋等天氣系統共同造成的;水汽條件極為有利，來自西南和東南兩個方向的低空急流和超低空急流持續輸送充沛的水汽，極高的整層可降水量和低層比濕導致罕見強降水產生;對流層中層的西南風風速輻合、低層低渦較強，東北風和東南風切變和地面氣旋的東北風與西北風之間的風向風速輻合導致淄博一帶產生強上升運動，強降水落區位于最大垂直運動中心值的偏南一側;對流層低層強冷平流使得邊界層內大氣溫度持續下降，降水性質由雨轉雪。

關鍵詞：極端暴雨（雪）? 相態轉換? 江淮氣旋? 風廓線雷達? 溫度廓線儀

中圖分類號：P404? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0110-04

Observation and analysis of a winter extreme cyclone rain （snow） in Jianghuai River in Shandong Province

XU Wenhan1? ZHOU Junjun1? WANG Weijia2

（1.College of Atmospheric Science， Chengdu University of Information Engineering， Chengdu， Sichuan Province， 610225? China;2.Chengdu Meteorological Bureau， Chengdu， Sichuan Province， 611133? China）

Abstract： Based on the comprehensive observation data of conventional automatic station， wind profiler radar， raindrop spectrometer and temperature profiler and NCEP / NCAR reanalysis data， this paper analyzes the weather process of a rare rainstorm （snow） in Shandong from February 12 to 13， 2016， focusing on the extreme causes and phase changes of heavy precipitation. The results show that： this process is caused by low trough， low vortex shear line， low-level jet， Jianghuai cyclone and other weather systems. The water vapor conditions are extremely favorable. The low-level jet and ultra-low-level jet from the southwest and Southeast continue to transport abundant water vapor， and the extremely high whole layer precipitable water and low-level specific humidity lead to rare heavy precipitation. The southwest wind speed convergence in the middle troposphere and the low-level vortex are strong. The northeast wind and southeast wind shear and the wind direction and wind speed convergence between the northeast wind and northwest wind of the surface cyclone lead to strong upward movement in Zibo area， and the strong downfall area is located on the south side of the center value of the maximum vertical movement. The strong cold advection in the lower troposphere makes the atmospheric temperature in the boundary layer continue to decline， and the nature of precipitation changes from rain to snow.

Key Words： Extreme rainstorm （snow）; Phase transition; Jianghuai cyclone; Wind profiler radar; Temperature profiler

暴雨是我國主要災害性天氣之一。夏季暴雨會引起洪澇災害，造成經濟和財產損失。暴雨的產生需要有利的觸發機制和環境條件[1]，分析和研究暴雨觸發的中尺度特征和降水演變規律對我國暴雨的研究有重要的意義。丁一匯[2]指出我國暴雨有明顯的降水集中期，影響范圍大，暴雨主要有由尺度系統生成。壽紹文[3]提出暴雨由不同天氣尺度共同作用，在大尺度環流背景條件下，中小尺度系統的活動所觸發，并指出暴雨的發生主要由中尺度系統的作用，研究暴雨發生中尺度機制顯得尤為重要。

華北地區的暴雨有明顯的地域特征，在華北地區，低渦、暖切變線、低槽冷鋒是造成華北地區暴雨的主要天氣系統，在這些系統相互配合作用下，華北地區暴雨能夠發展。栗晗等[4]指出強降水可以與低渦系統形成正反饋機制有利于降水的長時間維持。高低空系統存在耦合作用和中低緯度系統的相互作用使得這次降水持續時間長，累計降水量大。彭力等[5]指出850hPa切變線是暴雨的主要影響系統，地面輻合線是暴雨的觸發機制。陸倩等[6]指出，雷達回波的“列車效應”，逆風區和MCS不斷過境是降水較大的主要原因。湛蕓等提出高低空系統的耦合為暴雨提供了良好的環境條件，在低空急流和地面輻合線之間觸發降水。孫軍等指出抬升凝結高度和自由對流高度較低可以使降水更有利于被觸發。

宋歌等指出了在高空低渦環流背景下，中尺度云團的強烈發展能夠造成北京地區的強降水。楊慶華等通過分析河西一次暴雨的觸發機制，指出“南槽北渦”的形勢下，高層輻散、低層輻合的抽吸作用能夠輸送和匯聚水汽，形成強降水區的對流不穩定觸發降水。林弘杰等指出了西太平洋副熱帶高壓北側暖濕氣流與低層切變線共同作用能造成內蒙古地區的降水，水汽的輸送與輻合、低層增溫、增濕等為降水過程提供了有利的動力和水汽條件。

張芹等對山東春季一次江淮氣旋引起的暴雨落區及天氣成因進行了分析。劉暢等對影響山東的一次江淮氣旋降雪過程的復雜相態進行了分析，指出復雜的相態逆轉與江淮氣旋發展階段和氣溫日變化2個因素緊密相關。

本文分析了2016年2月12～13日影響山東的一次江淮氣旋引起的極端強降水天氣過程，主要討論了極端強降水的成因及落區分析、降水相態的轉換，得出了有益的結論，以期為將來此類天氣形勢的精細化預報提供有意義的參考。

1? 資料方法

本文利用常規自動站、風廓線雷達、雨滴譜儀、溫度廓線儀等綜合觀測資料及NCEP/NCAR再分析資料，對2016年2月12～13日山東一次罕見暴雨（雪）天氣過程進行分析，重點分析了強降水的極端性成因及降水相態變化。

2? 過程特點

本次降水過程主要發生在2016年2月12日09時至13日19時（北京時，下同），山東普遍出現雨雪、大風和降溫天氣。全省平均降水量24.6mm，多地24h降水突破2月份歷史極值。13日05時以后，隨著邊界層溫度的下降，山東自西向東從強降水轉為強降雪，部分地區達到大到暴雪量級。

2.1 降水量極端性

此次降水過程日降水量超歷史紀錄測站多，全省48個站（共123個大監站）日降水量突破2月份歷史記錄，占全省總站數的39%，主要集中在山東北部地區，2個站出現暴雨，其中淄川站降水量最大為56mm，有3h雨量在8.0mm以上。另有25個站為歷史第2極值，8個站為歷史第3極值。可見本次極端降水具有降水強度大、強降水范圍廣等特點。

2.2 大到暴雨轉暴雪

此次暴雨（雪）過程存在降水相態轉換。前期邊界層內溫度較高，13日5時之前為降雨。13日5時以后，隨著冷空氣的影響，山東自西往東逐漸轉為雨夾雪和雪，山東魯西北的東部、魯中北部和半島西部地區累計降雪量達到大雪局部暴雪量級。淄博、東營、濰坊、煙臺等地的部分地區由大到暴雨（或大雨）轉暴雪（或大雪）。

3? 降水極端性成因分析

3.1 環流形勢

12日8時，500hPa歐亞中高緯為兩槽一脊型，冷渦中心位于120°E，配合-44℃冷中心，橫槽位于貝加爾湖以南，南支槽發展東移，槽前西南氣流發展旺盛。700hPa低槽發展加深，槽的經向度較大，槽前低空急流發展強盛，且向北伸展到達山東，為后期魯西北的降水提供充足的暖濕氣流，850hPa在四川盆地東部有低渦生成并向東北風向移動發展，緯向切變線位于河南、安徽一帶。12日20時，500hPa低槽繼續加深東移，與南支槽合并，山東處于槽前西南氣流控制下，西南氣流的調整更有利于山東降水，700hPa低槽加深東移，西南急流前端到達魯南，850hPa在河南境內可以分析出一個低渦環流，我省西部處于低渦頂部的經向切變線中;地面在江淮地區有氣旋生成，并發展北上，山東位于江淮氣旋北部的地面倒槽中，此時我省西部已經開始降水。后期隨著系統的東移，在850hP低渦的經向切變線附近產生強降水。13日8時，850hPa低渦移動到我省魯中地區，半島地區強降水開始，我省其他地區700hPa和500hPa仍處于槽前，隨著氣溫的降低，由降雨轉為降雪。從高低空形勢配置可以看出，13日的雨雪過程是由江淮氣旋北部倒槽影響的強降水。實況是12日20時左右淄博大部地區開始出現降雨。13日20時，500hPa和700hPa高空槽進一步東移，山東上空轉為西北風，降水基本結束。

上述分析表明，此次暴雪天氣的影響系統包括：500hPa主要是東移的高空槽前西南氣流;700hPa低空西南急流是關鍵系統，為強降水提供源源不斷的水汽和不穩定能量，850hPa后期發展成為低渦，強勁的東南風和東北風切變，提供了動力抬升和輻合條件;地面發展為江淮氣旋，也為強降水提供了動力輻和條件。

3.2 水汽條件

（1）低空急流輸送充足水汽：500hPa南支槽建立，低層2個水汽來源，700hPa西南低空急流（青島18m/s），850～925hPa西南低空急流及東南低空急流，最大東南風風速14m/s，均有利于向山東輸送水汽。

（2）比濕和大氣可降水量的極端性：低層比濕特別大，12日20時至13日08時，濟南、青島、榮成探空850hPa和925hPa的比濕達6～8g/kg，700hPa達4～5g/kg。因此，選取破紀錄48站中不同區域的10個代表站對比，2月份最大降水量過程的比濕和大氣可降水量，與本次過程對比，以此說明水汽條件異常好導致此次降水量極端。

3.3 熱力和動力條件

從12日20時沿118°E假相當位溫、垂直速度的緯度-垂直剖面可以看出，28°N～40°N 之間高空有一明顯的能量鋒區，且鋒區高度隨緯度的升高而升高，鋒區下側是從北向南推進的干冷空氣，對應假相當位溫的低值區，鋒區上側是假相當位溫的高值區，對應由南向北伸展的暖濕氣流。12日20時強降水開始前，暴雨區（36°N）900hPa以下為假相當位溫的低值區，鋒區上側為暖中心，說明暖濕氣流已經到達暴雨區的上空，但此時降水剛剛開始，雨強很小。13日02時，鋒區下側的冷空氣進一步南推，暴雨區的冷空氣已經達到850hPa，在暴雨區的北側700hPa以上存在一個上升運動中心，此時為暴雨區的強降水時段開始，說明冷空氣的抬升在此次降水過程中發揮了重要作用。冷暖空氣的交匯作用大于緯向切變線的水汽輻合作用。

4? 降水相態

降水過程中雨雪相態轉換的時間也是預報的關鍵點和難點，每天兩次的探空資料往往并不能滿足降水相態的精細化預報需求，因此本文對最新的高時空分辨率觀測資料進行了分析。12日夜間，對流層低層較強冷平流、地面冷空氣入侵使得邊界層內溫度持續下降，導致雨轉雪過程。以濟南章丘為例，風廓線雷達垂直速度，雨滴譜儀的最大粒子直徑、溫度廓線儀等資料精細地刻畫出了雨雪轉換特征。從風廓線雷達垂直速度圖可以看出，在13日07時之前，垂直速度基本都在5m/s以上，07時6分以后，垂直速度迅速下降至3m/s以下，表明了此時降水相態已經發生了改變，東營、煙臺風廓線雷達也表現出了相同的特征（如圖1所示）。章丘雨滴譜儀表明06時47至06時48分，最大粒子直徑由3mm躍增到6mm并維持，最大粒子降落速度由6.6m/s躍減到2.2m/s并維持，表明了降水相態由液態到固態的轉換，有雪花開始出現。章丘溫度廓線儀表明從07時15分開始，0～1000m溫度全部在0℃以下。這些新資料綜合判斷章丘附近在06時50分左右開始有雪出現，07時15分以后為降雪，這些新資料是降水相態短時臨近預報的有益判別資料。

5? 結論

利用常規氣象資料、再分析資料和風廓線雷達等資料，對2016年山東一次極端強降水天氣過程的進行分析，重點分析了極端強降水的天氣成因。結果表明，低渦、低空急流、地面氣旋（倒槽）等是此次過程的主要影響系統;風廓線雷達、溫度廓線儀等新探測資料可以清楚地描述出強降水的開始和結束時間。主要得到以下幾點結論。

（1）此次極端強降水過程，降水強度大，多個臺站刷新了有氣象記錄以來的記錄;降水相態復雜，經歷了先雨后雪的過程，多站的降雪量達到了大到暴雪的量級，屬于一次極端降水事件。

（2）500hPa東移的西風槽、700hPa低空西南急流和切變線，850hPa的低渦和地面氣旋是本次過程的影響系統。

（3）系統明顯后傾，冷暖空氣交匯于山東北部，造成本次強降水區域位于850hPa低渦的北側，低渦的輻合抬升作用使降水明顯加強。

（4）風廓線雷達資料可以更加精細的顯示出降水時的風場特征，此次強降雨發生于850hPa東南風轉為東北風，500hPa和700hPa西南風加強的時段。同時對于雨雪轉換的時間也可以很好的判斷。

（5）強降水天氣發生時，濕層位于700～500hPa，比濕達6～7g/kg，水汽的輻合也主要集中在700～ 500hPa;山東北部地區位于水汽的輻和中心，造成了兩個站的暴雨級別降水。強降水發生在垂直上升速度大值區的北側。

本文分析了一次江淮氣旋引起的山東極端強降水過程，西南急流為此次過程帶來了充沛的水汽;低渦切變線提供了動力抬升。傳統意義上認為，江淮氣旋的主要降水落區為魯東南和半島地區，而本文揭示了在系統明顯后傾，冷空氣較強（東北風速較大）的系統配置下，強降水中心有可能產生在850hPa低渦的北部，強降水發生在低渦經向切變線移過的時段。不同高低空配置的江淮氣旋影響的山東強降水的落區存在明顯的差異，今后有待通過更多的個例進行深入研究，尋找普適規律，以提高此類強降水過程的精細化預報能力。

參考文獻

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