气旋类山东暴雨过程天气学特征分析

郑丽娜，孙兴池

（1.东营市气象局，山东　东营257091；2.山东省气象局，山东　济南250031）

气旋类山东暴雨过程天气学特征分析

郑丽娜1，孙兴池2

（1.东营市气象局，山东东营257091；2.山东省气象局，山东济南250031）

利用天气观测资料、NECP/NCAR再分析资料对2001年1月—2015年8月发生在山东的32例气旋导致的大范围的暴雨过程进行了分析。将气旋分为黄河气旋型、黄淮气旋型与江淮气旋型，针对每类气旋重点分析其暴雨发生的动力机制、水汽特征，暴雨落区等，并建立了概念模型。结论如下：（1）黄河气旋型暴雨落区在气旋移动方向的左前方，暖锋附近，天气尺度强迫有利于暴雨产生，水汽来源于西南气流输送或气旋本身。（2）黄淮气旋型暴雨落区在气旋移动方向的左前方，属暖区降水，高低空急流垂直耦合诱发深对流，促使暴雨产生。（3）江淮气旋型暴雨落区在气旋中心北侧，属冷区降水，其环流形势经向度较大，诱使低层低涡切变线北移，为系统性暴雨的产生提供水汽条件和动力条件。（4）三类气旋暴雨过程中，对流层高层多为辐散场或高空急流入口区右侧，低层多有低涡配合；当有低空偏南风急流出现时，降水量大，反之，则小；暴雨中心均与850 hPa水汽通量散度辐合区、高比湿区及高能舌区三者相叠置的位置相吻合。

暴雨；气旋类；分型；天气学概念模型

郑丽娜，孙兴池.气旋类山东暴雨过程天气学特征分析J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：74-80. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.011

山东的暴雨多出现在6月下旬至9月上旬，尤以7月上、下旬和8月中旬最多。造成山东大范围暴雨的天气系统中，气旋是主要影响系统之一，约占47.7%[1]。 若以气旋生成源地[2]对造成山东暴雨的气旋分类，可分为江淮气旋、黄淮气旋和黄河气旋。针对不同的气旋，许多学者对其进行过研究[3-10]。陶祖钰等[11]对江淮气旋发生、发展的条件进行了分析，总结出气旋在酝酿、发展、维持和消亡4个阶段环流形势的配置特点及物理量的演变特征。魏建苏等[12]利用49 a的常规资料对江淮气旋的发生源地、移动路径及强度等进行了分析，总结出江淮气旋的一些气候特征。赵兵科等[13]则从江淮气旋形成和维持的角度将强弱气旋进行了对比，指出中高层的扰动对气旋的发展起主要作用。杨贵名等[14]对2003年一次黄淮气旋进行了分析，指出干侵入在黄淮气旋发展中至关重要。梁钰等[15]利用11 a的数据统计归纳出黄淮气旋造成河南暴雨的天气特征。梁丰等[16]则对华北一次黄河气旋造成的暴雨过程进行了分析，指出黄河气旋发展的根本动力是大气的斜压性。范学峰等[17]对发生在河南的一次黄河气旋进行了分析，指出气旋的稳定少动是造成该地暴雨的一个重要原因。上述成果对预报员认知气旋，掌握气旋的发展演变规律起到了较大作用。

由于不同的天气形势会产生不同的暴雨落区和雨量，所以很多学者从主要影响系统入手对天气进行分型[18-21]。通过分型，可以使预报员了解某一类暴雨过程的概念模型和预报着眼点，在一定程度上提高暴雨天气的预报准确率。

针对山东的气旋暴雨天气过程，曹钢锋等[22]按气旋中心通过120°E时所在的纬度进行分型，分为江淮气旋、黄淮气旋与黄河气旋，并统计了不同气旋产生的频率、移速及给山东可能带来的灾害性天气。这些成果对提高预报员认识气旋起到了一定作用，但是这种分型与《天气学原理和方法》[2]一书中的分型原则存在差异，容易造成预报员概念的混淆，且曹钢锋等专家的研究距今已20多年了，所用统计资料、计算方法均很有限，远不能满足今天人们对气象预报准确率的迫切要求。由于暴雨一直是山东，乃至全国重要的灾害性天气，也是预报人员持续关注的课题[23-26]，所以本文基于2001—2015年山东气旋类暴雨过程，利用天气观测资料、NCEP/NCAR再分析资料等，在继承前人研究的基础上，从水汽条件、动力条件等物理量场分布特征入手，总结不同气旋影响下山东暴雨落区的特点，为提高暴雨预报准确率提供科学依据。

1　资料和方法

利用2001年1月—2015年8月常规观测资料、地面加密资料和逐6 h美国国家环境预报中心1°×1°的FNL资料。

受气旋影响，全省有10个观测站点24 h雨量达50 mm以上，定为一次大范围暴雨过程。按气旋生成源地分类，遴选出山东大范围暴雨过程32例，其中黄淮气旋17例，黄河气旋7例，江淮气旋8例。各类气旋发生时间见表1。针对这些个例,从系统上下配置、动力机制、水汽条件与暴雨落区等方面进行精细分析。

2　黄淮气旋型

2.1环流特点

该类暴雨过程共出现了17次。主要环流特征表现为经向型，500 hPa欧亚大陆中高纬为两脊夹一槽，乌拉尔山东侧与东部沿海为脊区，贝加尔湖附近为槽区；低纬地区西北太平洋副热带高压偏东偏南，西脊点在110°E以东，588 dagpm线的北部边缘在30°N附近；500 hPa槽前对应700或850 hPa的低涡（占85.7%）或对应切变线与低槽（占14.3%）。地面气旋的位置主要集中在河南东南部与安徽西部，暴雨落在气旋移动方向的左前方，暖锋与850 hPa切变线之间；高层200 hPa，气旋上空维持辐散场或处于高空急流轴入口区的右侧。这类过程的天气学概念模型见图1。

2.2低涡与急流垂直耦合

这类暴雨在对流层低层700或850 hPa 110°E以东大都存在低涡（图1）。低涡及其携带的暖式切变线是影响山东的主要系统。在高层偏南风引导气流的作用下，低涡及暖式切变线北上，在低涡中心右侧与副高之间易形成低空急流，风速在暖式切变线附近辐合。充足的水汽供应、较强的动力条件往往是大暴雨产生的原因之一[27]。

表1　2001年1月—2015年8月气旋类山东大范围暴雨实况

这类过程环流型较为稳定，对流层的高层多存在高空急流。东西向的高空急流处于南北向低空急流的上方。这种高低空急流相交的分布是一种启动对流和位势不稳定释放的典型形势。此时高空急流次级环流的上升支正好与地面锋垂直环流的上升支上下重合，从而在地面锋前缘形成一深厚的上升运动空气层，这是锋前位势不稳定层的一种启动机制，能产生深而强烈的对流活动[28]。

图1　黄淮气旋类天气学概念模型

2006年7月3日黄淮暴雨过程较具有代表性。7月3日08时，黄淮气旋中心位于114°E、33°N附近，850 hPa的暖切变位于苏皖北部，徐州站处于气旋移动方向右前方暖切变附近。以此站为例，讨论气旋暖锋附近气象要素的垂直分布（图2）。从图2中可以看出，徐州站地面为西南风，温度25℃，近地层有逆温；从地面到600 hPa，风向随高度顺转有暖平流，且温度线与露点线紧靠，说明湿层深厚，这是即将受暖锋影响的缘故；该站CAPE值为427 J·kg-1。随着气旋临近，该站不稳定能量必将释放，产生强降水。

2.3水汽输送

图2　2006年7月3日08时徐州站探空图

这类暴雨的水汽来自于南海或孟加拉湾，92%的暴雨过程低层有低空急流。以2006年7月3日黄淮暴雨过程为例，强盛的西南气流携带着暖湿空气自南海和孟加拉湾向北输送，直达苏、皖北部边界，暴雨区落在西南气流风速轴的左侧，有风向辐合的地区，这一点从云图上看得更加清晰（图3）；在地面气旋移动方向的左前方，暖锋附近有两块强盛的对流云正在发展，云顶亮温达-53℃。随着该云团向东北方向移动进入山东，势必给鲁南带来一场强降水天气。

图3　2006年7月3日08时红外云图及08时地面图

3　黄河气旋型

3.1源地及移动路径

通过对1999—2009年发生的黄河气旋个例进行分析，确定其源地主要有两个：一在太行山东侧河北、山西与河南三省交界处；二在黄河下游山东省西南部。这两个源地与其特殊的地形有关。华北的北侧有东西走向的阴山山脉和燕山山脉，西侧为黄土高原的太行山区，海拔均在1500 m以上，而黄河下游海拔仅有几十米，恰似一个向东南开口的喇叭地形，高空槽越过山脉，在背风坡出现减压效应形成气旋。黄河气旋在源地生成后移动路径大致有3条：一条由源地向偏东方向移动，穿过鲁中自半岛入海，这是主要路径，可造成山东大范围的降水过程；一条由源地向东偏北方向移动，主要影响鲁南，由半岛南部入海；还有一条由源地向东偏南方向移动，经过鲁西北北部、鲁中，由半岛南部入海。

3.2环流特点

该类暴雨过程共出现了7次。主要环流特征表现为500 hPa中高纬为两脊一槽的形势，中支槽的位置在107°～115°E之间；低纬西太平洋副高呈带状，西脊点在110°E以东，588 dagpm线通过120°E的纬度在35°N以南，北部边沿呈东北—西南向（若在非汛期，588 dagpm线位于华南沿海）；500 hPa槽前对应着700或850 hPa的低涡，低涡位于河套东侧，其右侧有显著的偏南气流；地面气旋多生成于850 hPa低涡的东南象限，在对流层中层引导气流的作用下向偏东方向移动。暴雨落在气旋移动方向的左前方，暖锋附近，属于暖区降水。高空200 hPa，气旋上空有两种形势：一是辐散场；二是处于高空急流入口区右侧。这类过程的天气学概念模型见图4。

图4　黄河气旋类天气学概念模型

2009年7月8—10日黄河气旋过程较具有代表性。该过程大尺度环流背景与天气学概念模型比较接近：500 hPa冷空气自贝加尔湖附近南下，在河套地区形成中支槽；低层河套东侧有低涡，低涡右侧有低空西南急流；高层200 hPa处于高空急流入口区的右侧，维持高空辐散的形势。

3.3天气尺度抬升条件

该类黄河气旋型的环流配置为暴雨发生提供了有利的触发条件。2009年7月8日08时，黄河气旋在河南北部生成，以其移动方向左前方的邢台站为例（图略），气旋来临前，该站925 hPa以下为东南风，对流层中层为西南风，最大风速达18 m·s-1，风向随高度顺转，有暖平流；300 hPa以上为西北风，这种低层暖，高层冷的气层分布，表征层结不稳定。整个对流层，湿层深厚，对流抑制能量弱，仅为18.6 J·kg-1，CAPE值高达456.2 J·kg-1。

7月8日14时，随着气旋东移，地面流场辐合中心出现在黄河下游，地面锋线从辐合中心向西南方向伸展，锋线两侧有冷暖空气辐合。冷空气自西北路南下，对南侧暖湿空气有明显的强迫抬升作用，促使不稳定能量释放。结合此时刻的卫星云图（图5）可见，与气旋相配合的云区主要位于气旋中心的第一象限，这与该气旋主要的强降水区位置相吻合。云顶颜色不一，表明云高低起伏，云顶亮温最低处可达-50℃左右，呈现出对流云的特点。

图5　2009年7月8日14时红外云图及14时地面图

3.4水汽输送

这类过程水汽来源途径有两个：一是来自低层西南暖湿气流的输送，这种形势（占75%）低层有顺畅的水汽输送通道，易形成低空急流。暴雨区一般落在850 hPa高能舌内假相当位温密集线的前沿，比湿大值区在15 g·kg-1以上，且存在着风向切变的地方。二是来自低涡本身的偏南气流，这种形势仅占25%。由于没有南方暖湿空气的支援，仅靠低涡本身所携带的水汽，暴雨区比湿大都在12 g·kg-1左右。暴雨出现在气旋中心右侧2个纬距范围内的暖锋附近，雨区范围、雨量均较第一种情况小。

4　江淮气旋型

4.1环流特点

这类暴雨过程共出现了8次，主要环流特征表现为经向型。500 hPa中高纬80°E以东为两脊夹一槽，中支槽位于河套地区，同黄淮气旋型类似，但是较之槽更深，经向度更大，冷空气自贝加尔湖东侧南下，直达黄淮地区；低层700或850 hPa在500 hPa槽前有低涡或切变线配合。地面气旋在850 hPa低涡东南侧长江下游附近生成。暴雨区落在气旋中心北侧，倒槽的顶端，属于冷区降水。高空200 hPa维持辐散场。这类过程的天气学概念模型见图6。

4.2天气系统的特征

图6　江淮气旋类天气学概念模型

从统计资料来看，该类气旋北上给山东带来暴雨过程多发生于春季和夏季。高空200 hPa为辐散场，500 hPa中支槽与南支槽结合，经向度较大。夏季副高位于东部沿海或华南沿海，有利于气旋北上。春季副高位置偏南，促使江淮气旋北上的关键因素之一是我国大陆东部的沿海高压脊，这个系统同夏季沿海副高的作用一样，不仅阻挡中支槽的快速东移，使得槽前位势梯度加大，西南气流发展，而且有利于地面系统的向北推进。

地面图上，江淮气旋形成之前，先有倒槽发展，并在江淮地区有暖锋锋生。随着高空冷空气的东移，地面冷锋进入倒槽与暖锋结合，形成江淮气旋。只有向北移动的江淮气旋才会影响山东。所以这种类型的气旋，强降水多出现在气旋中心北侧。

4.3水汽输送和暴雨落区

这类暴雨的水汽主要来自南海，由于对流层中低层经向度较大，低层均有低空急流，850 hPa偏南风风速可达20 m·s-1以上（图略）。2007年8月16日江淮气旋过程较具有代表性。从图7中可以看出，这类气旋的强云团出现在气旋的北侧，倒槽顶端东南风与东北风切变处。暴雨中心与强云团影响区域相对应，即在距离气旋中心北侧1～2个纬距处。

5　结论

利用天气观测资料、NCEP/NCAR再分析资料对气旋类山东暴雨过程进行了研究。依据气旋生成源地将其分为黄河气旋型、黄淮气旋型与江淮气旋型，并总结出各类气旋的天气学概念模型。主要结论如下：

图7　2007年8月16日08时红外云图及08时地面图

（1）黄河气旋型出现了7次，直接影响系统是低涡、气旋。气旋生成位置在这三类气旋中最偏北，移动路径以偏东为主。天气尺度的动力强迫为暴雨发生提供了有利条件；水汽来源于低层西南气流的输送或气旋本身；暴雨落区在气旋中心与暖锋附近。

（2）黄淮气旋型出现的次数最多。环流特点是两脊夹一槽，中低层的低涡生成位置集中在黄淮区域；气旋生成后多向东北方向移动；高空急流与低空急流的耦合提供了有利的次天气尺度动力强迫；水汽来源于南海或孟加拉湾，低层多伴有低空急流；暴雨落在气旋中心的左前方，暖锋附近，与850 hPa水汽散度辐合区、大的比湿区和与高能舌的舌端三者叠置位置吻合。

（3）江淮气旋型出现的次数不多。环流特点是经向度较大，中支槽较深，沿海高压强盛，在低涡右侧多伴有低空急流。地面倒槽先发展北伸，后形成气旋。气旋的产生为暴雨提供了天气尺度的动力抬升条件。暴雨落区多在气旋中心的北侧，属冷区降水。

（4）气旋在形成之前，地面往往先有倒槽发展、加深，这时降水就已开始。而产生暴雨的关键因素具有中尺度特征，这还需进一步的中尺度分析和监测。

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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

山东暴雨落区的分类分析与预报技术研究（2012sdqxz04），山东省重点课题（2013sdqxz02与2014sdqxz07）资助。

郑丽娜（1971-），女，高级工程师，主要从事短期天气预报。E-mail：dongyingzln@163.com