影响山东切变线特征及典型个例分析

王玉亮，朱义青，王庆华，胡顺起

（临沂市气象局，山东 临沂276004）

暴雨是我国主要的灾害性天气之一，对暴雨的研究也一直是气象学家及气象业务工作者最关注的问题之一。近年来，随着大量非常规资料的便利获取，对暴雨中尺度系统的触发机制、结构特征及演变过程的研究越来越深入，一些中小系统特征被揭示[1-8]。

切变线被定义为低空（700 hPa 或850 hPa 等压面上）风场具有气旋式切变的不连续线[9]，是降水天气尺度系统中重要的一类，影响我国的切变线按其出现地域可划分为华北切变线、江淮切变线、华南切变线及高原切变线。目前关于切变线的研究多集中在两类比较有特色的切变线，即江淮切变线（梅雨锋）和高原切变线[10、11]。切变线暴雨也是影响山东最主要的暴雨类型之一，占山东暴雨过程的40%，关于山东地区的切变线暴雨天气过程已有一些研究，孙兴池等[12、13]对切变线暴雨进行物理量特征及演变分析，得出一些有益结论；杨晓霞[14]对山东省3 次暖切变线极强降水天气进行了诊断和对比分析，揭示了山东一些暴雨个例发生、形成的部分机理和物理量分布特征。

目前，对已有的切变线及其降水的探讨多倾向于一次切变线暴雨或大暴雨过程数值模拟和物理量诊断，对于各类切变线本身的若干物理量要素的特征分析和对比分析，以及降水落区与结构特征关系的研究还较为少见，本文在普查历史天气图基础上，利用NCEP 再分析资料，对近10 a 间影响山东的切变线降水天气过程归纳总结其典型环流形势，并选取2 例典型个例，分析其结构和降水落区等方面的异同，以期获得对于影响山东的切变线暴雨天气系统的一般性认识，为切变线暴雨预报提供参考。

1 资料与方法

利用中国气象局提供的2004—2013 年MICAPS 高空观测资料进行资料普查，诊断分析资料是美国国家环境预测中心（NCEP/NCAR）提供的每天4 次的1°×1°再分析资料，结合同时次高空观测资料及相应的GPS 可降水资料和多普勒雷达资料。所用时间均为北京时。

切变线按热力性质可分为冷切变线（冷暖气团对峙）和暖切变线（发生在暖气团和更暖气团之间），风场结构方面，冷切变线通常为东北风与西南风之间的风向不连续线，而暖切变线则多为东南风与西南风之间的风向不连续线。

5—9 月是切变线影响山东地区的主要时段，也是因切变线影响造成山东暴雨的主要时段[15]。本文统计的切变线是2004—2013 年5—9 月，每日北京时间08：00 或20：00 出现在30°～40°N，110°～125°E范围内，700 hPa 或850 hPa 等压面上观测到的切变线，因切变线影响在山东区域范围内的地面产生降水记为一次切变线天气过程。

典型个例选取原则：分别选取一次因切变线影响造成山东区域内≥6 个站出现暴雨的典型暖切变线和冷切变线天气过程进行对比分析。诊断内容包括降水落区和降水强度、环流形势、物理量场、GPS可降水量和多普勒雷达等方面的异同。

2 结果分析

2004—2013 年5—9 月影响山东的切变线共发生59 次（表1），其中暖切变线出现43 次，占切变线总发生次数73%，平均每年发生4.3 个，年次数最多7 次（2007 年），年次数最少2 次（2004 年）；冷切变线出现16 次，占切变线总发生次数27%，平均每年发生1.6 个，年次数最多3 次（2010 年），年次数最少0 次（2009 年）。切变线发生频数7 月最多，6 月次之，分别占切变线总数的35.6%和23.7%；9 月最少，约占0.05%。其中暖切变线7 月最多，达14 次，6 月次之，9 月最少。冷切变线7 月出现7 次，8 月次之，仅出现5 次，5 月没有出现（表2）。

3 典型冷暖切变线环流特征

3.1 冷切变线环流特征

冷切变线出现在副高较强盛的形势下，500 hPa副高外围588 dagpm 线控制华东沿海，西南气流可北上到达淮河以北地区，中纬度有西风槽东移或者有冷涡存在，西风槽后西北风或偏北风与副高西侧西南风之间形成冷切变。影响山东的冷切变线主要有两种形式：（1）当中纬度西风槽东移，西风槽后部西北风或偏北风与副高西北侧的西南风形成冷式切变。这种过程在700 hPa 上表现得最明显（图1a）。（2）副高外围588 dagpm 线控制日本南部地区并且稳定维持，同时贝加尔湖附近为高压脊控制，形成两高对峙的形势，西风槽移到110°～115°E 时加深停滞，表现在700 hPa 或850 hPa 上西风带小高压与副高之间的切变线（图1b）。

表1 2004—2013 年5—9 月切变线过程统计

表2 2004—2013 年冷、暖切变线5—9 月平均发生次数

3.2 暖切变线环流特征

暖切变线出现在副高较强盛的形势下，500 hPa副高外围588 dagpm 线控制华东沿海，西南气流可北上到达淮河以北地区，西风带主要在50°N 以北，欧洲东部和鄂霍次克海分别为阻高控制，华北有西风带小高压东移。当小高压并入副高，便在小高压后部东南风与副高西侧西南风之间形成暖切变。影响山东的暖切变线主要有两种形式：（1）当小高压将入海与副高合并时，其西南侧的东南风与副高西北侧的西南风形成暖式切变，并随着海上副高增强，切变线北抬影响山东。这种过程在700 hPa 上表现得最明显（图2a）。（2）700 hPa 或850 hPa 上在长江中下游有暖切变线存在，当海上副高加强北上，受副高和西风槽之间的偏南气流引导，切变线北抬影响山东（图2b、2c）。

4 典型切变线个例分析

4.1 “7·08”暖切变线暴雨和“7·04”冷切变线暴雨降水实况

2012 年7 月7—8 日，受暖切变线影响，山东南部地区出现区域性暴雨局地大暴雨天气过程（简称“7·08”暴雨，图3a），7 月7 日08 时（北京时，下同）—8 日08 时全省共29 个观测站出现暴雨，7 站出现大暴雨；大暴雨站点主要分布在鲁西南和鲁南地区。降水中心临沂站24 h 降水量达181.4 mm。从小时降雨看，多站出现每小时雨量超过20 mm 的短时强降水，具有明显的中尺度特征。从临沂站7 日20时—8 日14 时逐时降水量柱状图可以看出（图3b），降水主要集中在8 日01—05 时，4 h 降水量达165.2 mm，1 h 最大降水量达54.5 mm。

2013 年7 月4 日，受冷切变线影响，山东中部地区出现局地暴雨天气过程（简称“7·04”暴雨，图3c），2013 年7 月3 日14 时—4 日14 时山东降水量分布图可以看出，全省共6 个国家气象观测站出现暴雨，降雨区主要位于泗水、蒙阴至沂水一线，呈准东西向。图3d 为泗水站逐时降水量图，可以看到主要降水时段集中在4 日03—07 时，其中04—05 时降水量最大43.5 mm。

从雨强分析看受两种切变线影响产生的降水都比较大，暖切变线暴雨的雨强明显大于冷切变线暴雨的雨强。

4.2 切变线暴雨过程大尺度环流背景

4.2.1 “7·08”暴雨天气形势

500 hPa 西太平洋副热带高压（简称“副高”）呈东西带状分布，中心位于海上，西脊点位于116°E 附近。中高纬度上空为两槽一脊环流型，东北为一高压脊区，往北伸展到70°N 附近，贝加尔湖西侧为一宽广的槽区。7 日08 时850 hPa（图4a）鲁南上空形成东南风和西南风的暖切变线，切变线稳定少动，西南急流中心强度达14 m/s，在山东南部存在明显的西南风风速辐合。

图1 2005 年8 月17 日08 时500 hPa 高度场和700 hPa 风场（a）和2012 年7 月4 日20 时500 hPa 高度场和850 hPa 风场（b）

图2 2008 年7 月1 日08 时500 hPa 形势场和700 hPa 风场（a）、2003 年7 月11 日08 时（b）和7 月12 日08 时（c）500 hPa 形势场和850 hPa 风场

图3 2012 年7 月7 日08 时—8 日08 时降水量（a）与7 日20 时—8 日14 时临沂站逐时降水变化（b）和2013 年7 月3 日14 时—4 日14 时降水量（c）与3 日20 时—4 日14 时泗水站逐时降水变化（d）

4.2.2 “7·04”暴雨天气形势

500 hPa 中高纬度地区为两槽一脊形势，乌拉尔山地区和东北地区为发展完好的深厚低压系统，两低压系统之间为宽广的弱脊位于贝加尔湖地区。中国东北地区的低压缓慢减弱期间，低纬度副高北抬，3 日20 时（图4b），北脊点维持在31°N 附近，在副高北抬过程中，副高西侧的西南暖湿气流向北发展并与东北低压槽后南下干西北气流交汇于山东地区。850 hPa 天气图上切变线、低空急流十分清楚，切变线稳定少动，西南急流进一步加强4 日08 时中心强度达16 m/s，阜阳、徐州、青岛3 站存在西南风风速辐合，配合冷舌不断有干冷空气沿东北低压槽后侵入山东地区。

4.3 GPS 可降水量特征分析

4.3.1 “7·08”暴雨GPS 可降水量特征分析

从临沂站附近GPS 可降水量与实测1 h 降雨量的时间演变曲线（图5a）可以看到，临沂GPS 可降水量变化平缓，自6 日20：00 开始一直维持高值状态（66 mm 上下浮动），7 日15：00 可降水量开始逐渐上升，7 日23：00 前后达到峰值（81 mm 上下浮动），此时临沂站在8 日0：00—1：00 出现25.4 mm/h 的强降雨，此后可降水量一直维持高值（81 mm 上下浮动），临沂站3：00—4：00 出现54.5 mm/h 的强降雨，此后临沂站降雨开始逐渐减弱，8 日14：00 后可降水量快速下降。

暖切变线降雨阶段，可降水量变化平缓，并一直处于高值状态，在强降雨出现前8～9 h，可降水量快速上升，可降水量峰值对应地面降雨大值，可降水量对地面降雨的变化反映不敏感，待地面降雨结束后，可降水量开始快速下降到较低水平。

4.3.2 “7·04”暴雨GPS 可降水量特征分析

2013 年7 月2—5 日GPS 逐时可降水量与泗水站实测1 h 降雨量时间演变曲线（图5b），从图中可以看到，可降水量自2 日20：00—3 日22：00 一直维持在较低水平（37 mm 左右），可降水量从3 日23：00开始快速上升，4 日3：00 达到62.2 mm，4 时达到峰值71.8 mm，增幅达9.6 mm/h，峰值出现后1 h 的4日4：00—5：00 泗水站出现43.5 mm 强降雨；4 日9：00可降水量明显下降，而在4 日15：00 前后，GPS 可降水量快速上升并出现本次降雨过程泗水站的第二个峰值，17：00 可降水量达到57.6 mm，对应地面出现18.1 mm/h 的降雨，较泗水站的第一阶段强降雨明显偏弱，此后GPS 可降水量开始下降并一直维持在40 mm 附近，而泗水站的降雨趋于结束。

图4 2012 年7 月7 日20 时（a）和2013 年7 月3 日20：00（b）500 hPa 高度场（单位：dagpm）与850 hPa 风场

图5 2012 年7 月6 日20：00—8 日20：00 临沂站附近GPS 可降水量和实测1 h 降雨量时间序列（a）和2013 年7 月2 日20：00—5 日14：00 泗水站附近GPS 可降水量和实测1 h 降雨量时间序列（b）

冷切变线降雨阶段，可降水量上升较快，短时间内增幅较大，峰值出现1 h 后，地面降雨迅速增大，强降雨结束，可降水量快速下降，可降水量可以较敏感地反映出地面降雨的变化。

4.4 暖式和冷切变线暴雨动力条件分析

从“7·08”暖切变线暴雨过程中涡度、散度和垂直速度经向剖面图（图6）看出，强降雨（暖切变线）过程中切变线上空（34.5°～35.5°N）涡度垂直剖面（图6a），由低层到400 hPa 附近基本为垂直的正涡度柱，正涡度中心位于925 hPa 附近，中心强度达8×10-5s-1以上，且正涡度柱基本位于切变线（此时切变线位于35°N 附近）中间。高低空散度基本呈垂直分布（图6b），且在925 hPa 和600 hPa 水平方向上存在一正负散度对，最大散度值为-8×10-5s-1，这种高低空散度配置利用上升运动维持，上升运动呈垂直分布，最大上升速度（图6c）位于650 hPa 附近，达-0.8 Pa/s。

从“7·04”冷切变线暴雨过程中涡度、散度和垂直速度经向剖面（图6）看出，冷切变线（35°～36°N）南侧从低层到高层向北倾斜的正涡度区（图6d），分高低2 个中心，850 hPa 中心值达10×10-5s-1。同时次的散度场（图6e）上切变线南侧由低层到高层表现为向北倾斜的负散度区，存在3 个中心，925 hPa 附近最大，达-10×10-5s-1，且南侧高低空梯度明显大于北侧，说明南侧上升运动更强[16]。同时次上升运动垂直剖面（图6f），由低层到高层为向北倾斜的上升运动区，最大上升中心位于700 hPa 附近，上升速度达-2 Pa/s。

暖切变线上空的物理量场基本位于切变线中间，南北两侧水平梯度均匀，而且从低到高基本成垂直柱状，高低空垂直配置特点利于上升运动的维持和上升运动的相对均匀，垂直上升运动中心高度高，上述特点利于大降水的快速形成，并且降水中心位于切变线中间；而冷切变线上空的的物理量分布为由低到高向北倾斜，上升运动区中心在700 hPa 高度，上升速度较大，上升运动区达到的高度要高，因为低层冷空气的倾斜侵入使得上空辐合中心很快形成并加强，暖湿气流沿冷空气垫倾斜上升形成较强降水，并且切变线南侧物理量场水平梯度大于北侧，因此降水中心位于南侧。

图6 2012 年7 月8 日2 时强降雨时刻涡度（a）、散度（b）和垂直速度（c）经向剖面和2013 年7 月4 日2 时强降雨时刻涡度（d）、散度（e）和垂直速度（f）经向剖面

4.5 冷暖切变线暴雨的雷达回波特征对比分析

4.5.1 暖切变线暴雨的雷达回波结构和特征

“7·08”暖切变线暴雨强回波区位于回波带（图7）中部，说明强降水区位于切变线中间。经过强回波中心沿切变线走向的反射率因子剖面图上，最强回波高度4～5 km，一般回波高度9 km，而且回波带上明显有多个独立的强回波单体中心。在涡度分析中，可以看出多个单体强中心与切变线上的多个小尺度涡旋中心相对应。雷达径向速度图（图7）上，0.5°仰角PPI 反映对流层中下层和近地层为东南风，到高层顺转为西南风，暖平流比较明显，最大负径向速度中心为-16 m/s，2.4°仰角PPI 反映出对流层中层风速明显加大，最大负径向速度中心为-22 m/s，4.3°仰角PPI 显示对流层上层最大负径向速度中心为-16 m/s，对流层中层的西南气流流入大于高层和低层，暴雨过程中的水汽输送也主要依赖于对流层中层。雷达VWP 风廓线资料表明：1 km 以下为东到东南风，1～6 km 为西南风，6 km 以上为偏西风，风向顺转，存在明显的暖平流，西南气流比较深厚，存在＞20 m/s 的西南急流。暖切变线形势下，低空西南急流较冷切变线要强盛的多，因此，暴雨的产生不仅依赖于对流层中层的西南气流，也依赖于对流层中下层的低空急流。

4.5.2 冷切变线暴雨的雷达回波结构和特征

“7·04”冷切变线暴雨雷达回波强度图（图8）表明，强回波区位于回波带前侧（东南侧），说明降水大值区在切变线南侧。唐洵昌等[17]指出：“切变线南侧西南气流中的风速辐合远较切变线附近的风向辐合更为突出，最大上升运动区及其相应的暴雨区主要集中在切变线的南侧”。 冷切变线暴雨结构就具有这个特征。经过强回波中心沿切变线走向的反射率因子垂直剖面上，最强回波高度超过6 km，一般回波高度达9 km，回波带上强回波单体个数较少。雷达径向速度图（图8）上，0.5°仰角PPI 反映出对流层中层为西南气流，由于距离较远，对流层低层的风场只能依赖地面图和徐州探空图资料，2.4°仰角PPI 反映出对流层中高层风速明显加大，最大正径向速度中心为22 m/s，4.3°仰角PPI 反映出对流层上层风速又有所减小，因此，冷切变线暴雨过程中的水汽输送应该主要依赖对流层中层的西南气流。雷达VWP 风廓线资料图上，2 km 以下为东到东北风（地面图及章丘探空图上看到地面为东到东北风），2～7 km 为西南风，7 km 以上为偏西风，风向垂直切变大，低层有明显的东到东北气流冷垫，并且维持很长时间，该风场垂直结构特点有利于东北风和西南风的辐合，加强低层的抬升作用，从而使降水加强。从图中还可看出本次过程中西南气流比较深厚，存在＞20 m/s 的西南急流。

图7 “7·08”暴雨雷达不同仰角回波强度和速度图（0.5°，1.5°，2.4°）

图8 “7·04”暴雨暴雨阶段雷达不同仰角回波强度和速度图（0.5°，1.5°，2.4°）

低层的冷性东北气流嵌入切变线南侧的暖空气下面，使暖性的西南急流在其上面迅速发生对流并产生强降水，也就造成强回波区所反映的暴雨区位于切变线南侧。

4.5.3 冷、暖切变线暴雨雷达回波特征对比

表3 为“7·04”冷切变线暴雨个例和“7·08”暖切变线暴雨个例雷达回波特征对比表，冷、暖切变线回波带宽度有别，“7·04”宽；二者最大回波强度相同，与上升运动有关的回波顶高度“7·04”高；而且从反射率因子强度图上可以直观看出与大降水区对应的强回波区的位置分布也不同。

表3 “7·04”冷切变线暴雨个例和“7·08”暖切变线暴雨雷达回波特征对比

5 结论和讨论

利用2004—2013 年5—9 月MICAPS 高空观测资料对影响山东地区的切变线降水的典型形势进行归纳总结，并对2 次典型的冷暖切变线暴雨天气过程进行了对比分析，得出一些结论：

（1）10 a 间5—9 月影响山东的切变线共发生59 次，其中暖切变线出现43 次，占切变线总发生次数73%，平均每年发生4.3 个；冷切变线出现16 次，占切变线总发生次数27%，平均每年发生1.6 个。切变线发生频数7 月最多，6 月次之，分别占切变线总数的35.6%和23.7%；9 月最少，约占0.05%。

（2）归纳了2 类切变线出现的典型环流形势。冷切变线多出现在西风槽东移受阻，在对流层低层逐渐形成。暖切变线则出现在西风带小高压与副高合并，副高北抬时形成。

（3）“7·04”冷切变线暴雨个例和“7·08”暖切变线暴雨个例的降雨均较强，暖切变线降雨的强度、暴雨范围和持续时间明显大于冷切变线降雨。冷、暖切变线GPS 可降水量表现不同，前者短时间内增幅大，地面强降雨在峰值出现1 h 后发生，对地面降雨变化反映较敏感；后者强降雨出现前8 h 可降水量快速上升，可降水量峰值对应地面降雨大值，对地面降雨变化反映不敏感；冷、暖切变线动力结构不同，前者物理量场由低层到高层向北倾斜，后者则呈垂直分布；冷切变线上升运动区较暖切变线深厚。

（4）雷达资料分析表明：“7·08”暖切变线暴雨个例的强回波单体基本位于切变线雨带的中间，不断由切变线的西南方向东北方向输送，也即大降水区在切变线中间。“7·04”冷切变线暴雨个例的回波带宽，强回波单体位于切变线南侧，说明大降水区在切变线南侧，回波顶高度高于暖切变线暴雨回波顶高。冷切变线暴雨的水汽输送依赖于对流层中层的西南急流。暖切变线暴雨的水汽输送不仅依赖于对流层中层的西南急流，还依赖于低空西南急流。因此，“7·04”冷切变线暴雨的优势应该在于其较强的动力上升运动，而“7.08”暖切变线暴雨的产生更得力于强盛的暖湿气流输送。

本文统计的切变线次数是利用MICAPS 资料完成的，由于高空资料只有08 时和20 时，如果某一天是在08 时和20 时之间出现切变线并在地面产生降水，就无法统计到，所以在时间上可能会存在统计不全的情况。本文仅分别对一次典型冷切变线暴雨和一次暖切变线暴雨在环流背景、降水落区、物理量场和雷达回波等方面进行了对比分析，虽然也得出一些初步结果，但是由于切变线暴雨内部机理的复杂性，仅仅凭借两次典型的个例还不能全面认识冷、暖切变线暴雨过程，所以结果的适用性还需要对大量个例进行系统对比分析和统计分析后进行验证。