青岛市一次局地大暴雨天气成因和逆风区特征分析

李 博 ,刘 飞 ,郭文明 ,高 飞 ,李秀镇

（1.山东省巨野县气象局，菏泽 274600；2.91937部队，舟山 316000；3.91876部队，秦皇岛 066000；4.山东省曹县气象局，菏泽 274400；5.中国卫星海上测控部，江阴 214431）

引言

青岛市位于山东半岛东南沿海，夏季受副热带高压（以下简称副高）、西风带系统和海陆风等影响，水汽供应充沛，易发生暴雨等灾害性天气，对当地的经济发展造成严重影响。暴雨具有雨强大、局地性和致灾性强等特点，一直是国内外学者的研究重点[1−6]，其产生需要充足的水汽、强烈的上升运动及热力不稳定等条件。已有研究[7−17]表明，副高边缘西风槽和地面冷锋等系统在中低层的侵入，可为暖区对流暴雨触发提供条件；850hPa以下偏南气流的水汽输送和对流不稳定对暴雨过程有积极作用，暴雨易发生在辐合的暖区一侧；山脉地形对暴雨的形成也有重要作用。随着多普勒雷达资料在暴雨研究中广泛深入的应用，一种称作逆风区（在低仰角PPI径向速度图中，不跨越雷达的一种方向速度区被另一种方向速度区所包围）的中小尺度多普勒速度特征场被引入暴雨预报中，相关研究指出雷达径向速度中逆风区一般都伴随有短时强降水[18−20]。陈鲍发等[21]研究指出逆风区实为前方辐合旋转上升、后方下沉的涡管结构。赵海军等[20]对不同系统下的逆风区特征进行分析，指出逆风区达到一定强度且持续5个体扫以上预示降水将明显发展。

随着计算机技术的飞速发展，系统性的大范围暴雨预报技术已趋成熟，但局地性暴雨与地形和各类中小尺度物理量场关系密切，其形成机制极其复杂，仍是气象领域的研究重点和难点。近年来，多项研究指出逆风区与短时强降水有较好的对应关系，但其演变特征、与暴雨形成的关系以及是否能作为暴雨预警指标的相关研究并不多见，亟待加强。2016年8月19日，青岛市环胶州湾出现一次局地大暴雨天气过程，3个观测站降雨量超过100mm，其中降水最大站点城阳棘洪滩达180mm。此次降水过程发生在副高边缘，热力不稳定条件较好，但低空急流和水汽输送条件较差，极易造成漏报。本文针对上述研究空白，利用地面和探空气象观测数据、雷达探测资料以及ECMWF（ERA5）0.25°×0.25°全球再分析数据，对这次暴雨过程的环流形势、环境条件及逆风区演变特征进行分析，以期为提升局地性大暴雨预报水平和科学制定防灾减灾策略提供技术支撑。

1 资料来源

研究资料包括：（1）青岛市7个国家级地面气象观测站和21个国家级地面天气骨干站（从区域气象观测站中遴选出的观测环境和观测数据代表性较好的观测站）逐时降水数据，时间长度为2016年8月19～20日；（2）欧洲中心发布的ERA5再分析资料，时间分辨率为1h，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间长度与降水数据一致；（3）型号为CINRAD/SA多普勒天气雷达的VCP21体扫模式产品，该雷达位于青岛市黄岛区，海拔高度174m，2005年投入使用。

2 降水时空分布特征

选取青岛市7个国家级地面气象观测站和21个国家级地面天气骨干站（从区域气象观测站中遴选出的观测环境和观测数据代表性较好的观测站）降水资料，对2016年8月19日14时～20日05时的过程降水量进行分析（图1）。如图所示，本次大暴雨过程降水量分布不均匀，呈东南多西北少的分布特征；降水中心主要位于胶州湾东北部、崂山西部城阳区和崂山区一线，最大单站累计降水量达180mm（城阳区棘洪滩街道）。由降水量超过100mm的棘洪滩、红岛和崂山三个站点逐时降水序列（图2）可知，三站均有3个时次降水量超过20mm，最大小时雨强分别为棘洪滩59.0mm（19日20～21时）、崂山55.0mm（19日23时～20日00时）和红岛37.9mm（20日00～01时）。

图1 8月19日14时～20日05时青岛过程降水量空间分布

图2 8月19日14时～20日05时棘洪滩、红岛和崂山站逐时降水序列

3 环流特征

分析2016年8月19日及前期地面和高空形势场（图略）可知，降水开始前副高位于华南和华东地区上空，位置相对偏北，18日开始副高面积指数[22]持续增长。19日08时（图略），副高位于华南、华东及青藏高原地区上空，西伸脊点在95°E处附近，副高北抬至30°N，588线位于鲁西南附近；700hPa河北地区存在低涡环流，槽线位于河北境内，半岛地区位于槽前的西风气流内；850hPa低涡中心和槽线偏南，位于山东河北交界处，槽前的西南和偏南气流将海上暖湿气流向山东半岛输送。19日14时（图略），地面形势场显示山东南部存在地面倒槽，倒槽辐合线在山东和河北交界处，倒槽顶端伸展至山东南部，倒槽西北侧有一冷锋。19日17时（图略），半岛地区700hPa持续受温度槽控制，850hPa和地面受温度脊控制，下暖上冷且持续的南风水汽输送为对流的出现蓄积能量。19日20时，588线北抬至青岛北部（图3a）；700hPa低涡中心位于渤海，切变线位于鲁西北，呈东北-西南方向，半岛地区受温度槽控制（图3b）；850hPa低涡中心和切变线较700hPa偏南，青岛位于西南和南风交汇地区（图3c）；冷锋（双实线）进入地面倒槽，冷暖空气在青岛地区交汇，触发对流天气（图3d）；海平面气温场显示在山东西南部存在较大的温度梯度，青岛及沿海区域由于海风作用形成了向内陆伸展的暖区，地面倒槽辐合线东移至青岛地区（图3d）。综上所述，此次强对流暴雨过程发生在副高边缘，山东南部沿海中低空偏南气流和地面向北的向岸风为青岛及沿海地区带来了暖湿气流，冷锋带来的偏北冷气流向南渗透与暖湿气流在青岛地区交汇，是形成此次大暴雨过程的主要机制。

图3 8月19日20时大气环流形势（a.500hPa，b.700hPa，c.850hPa，d.地面；蓝色等值线表示位势高度，单位：gpm；箭头表示风矢，单位：m/s；红色等值线表示温度，单位：℃）

4 环境条件分析

4.1 位涡

通过对沿不同站点8月19日逐时位涡的经度垂直剖面（图略）分析可知：棘洪滩和红岛站位于崂山山脉西部约30km，崂山站位于崂山山脉西部约10km，均在位涡大值区内；19日11时崂山山脉西部位涡为0.5PVU，19日20时位涡增大到2PVU，且越接近地面位涡值越大，说明在山脉迎风坡由于低层暖湿气流和山脉抬升引起了925hPa以下位涡增大，低层位涡的增大为此次局地性大暴雨提供了充足的不稳定能量。以8月19日21时沿棘洪滩站位涡的经度垂直剖面为例（图4），此次降水过程与地形关系紧密，大暴雨出现在低空西南风和地面偏南海风的崂山山脉（最高海拔1132.7m）迎风坡，山脉迎风坡和背风坡位涡差异明显，迎风坡925hPa以下100km范围内有位涡大值区，背风坡位涡明显小于迎风坡。

图4 8月19日21时沿棘洪滩站位涡（等值线，单位：10PVU）的经度垂直剖面（阴影为地形高度，单位：m）

4.2 垂直上升运动和相对湿度

垂直上升运动和水汽条件是产生暴雨的重要条件。分析8月19日14时青岛地区逐时垂直速度和相对湿度的空间分布（图略）可知，500hPa上青岛西部相对湿度较大，南部地区为强的垂直上升运动，其他均为下沉运动；700hPa上存在明显的干区，垂直运动较弱；低空的青岛沿海地区相对湿度较大，850hPa以下低空为上升运动，在925hPa达到最强，其中环胶州湾地区为弱的上升运动，速度约为0.08Pa/s。8月19日20时，冷锋移动至青岛胶州地区，环胶州湾地区中低空上升运动加强，850hPa上升运动增至0.3Pa/s，同时低层气流辐合，沿海相对湿度大值区向北扩展（图5）。总的来说，青岛北部上升运动强，但低层水汽不足，黄岛地区中低层湿度大，但上升运动不强，导致以上区域均未出现大暴雨，雨量最大的城阳和崂山一带出现在冷锋前700～925hPa相对湿度与垂直上升运动配合较好的区域。

图5 8月19日20时850hPa水汽条件和垂直运动空间分布（等值线表示垂直速度，单位：10−3Pa/s；填色表示相对湿度，单位：%；箭头表示风矢，单位：m/s）

分析19日08时～20日07时棘洪滩站相对湿度和垂直运动的时间垂直剖面（图6）可知，在19日12时前，垂直上升运动较弱，700～850hPa存在干层；12～19时，随着地面的不断升温，低空垂直上升运动大值区下降，但未突破700hPa高度层；19时，500hPa西风转为北风，中低层湿度增大，开始出现降水；20时，锋面移到胶州，棘洪滩垂直上升运动出现跃增，并出现59mm降水；22时，垂直上升运动突破200hPa高度层，直至次日01时垂直上升运动仍持续较强，500～925hPa存在0.32Pa/s以上的的大值区，期间降水强度较大；02时之后，上升运动开始减弱，降水强度也随之减弱。

图6 19日08时～20日07时棘洪滩站水汽条件和垂直运动的时间垂直剖面（等值线表示垂直速度，单位：10−3Pa/s；填色表示相对湿度，单位：%；箭头表示风矢，单位：m/s）

4.3 对流不稳定

对比分析8月19日08时和20时青岛探空数据中的对流不稳定指数（表1）可以看出：08时对流潜势指数已较利于对流的发生，20时对流指数进一步增强；其中CAPE值和K指数增强较明显，分别由1234.2J/kg、22℃增长到2319.8J/kg、38℃，K指数已达成片雷雨指标（K>35℃），其余如沙氏指数SI由正值变为负值，抬升指数LI变小，风暴强度指数SSI增大，均反映出大气层结变得更不稳定，而0℃层高度ZHT均在5000m以上且变化不大，对强降水更有利。

表1 8月19日08时和20时青岛对流不稳定指数

图7给出了8月19日08时和20时青岛探空层结数据。如图所示，08时和20时，近地面比湿均在20g/kg以上，850hPa比湿均在14g/kg以上，说明此次过程虽然无急流配合，但比湿较大，为大暴雨的出现提供了有利的水汽条件。08时600～700hPa温度露点差为20℃，存在干层，20时地面至500hPa温度露点差大多<3℃，仅在850hPa有弱的干层，说明湿度层更加深厚。08时地面层为南风，随高度增加风向顺转，表明低层有暖平流的存在，到200hPa转为北风。20时925hPa以下是西南风，500hPa以上为较强的西北风，风向也随高度顺转，说明青岛期间低层一直受暖平流控制；同时，500hPa高度为强冷平流，这种下暖上冷的分布特征加剧对流不稳定。08时地面和500hPa垂直风切变为6.5m/s，20时垂直风切变增强为13m/s，垂直风切变的增强有利于对流的发生发展。

图7 8月19日青岛探空（a.08时，b.20时）

5 雷达产品及逆风区特征分析

5.1 雷达产品分析

8月19日08时，青岛西北上游地区存在成片层状-积云混合降水回波，向东南移动时不断消散；17时青岛地区存在零散回波；18时回波开始加强，整体向东偏南方向移动，并出现反射率45～50dBZ的强单体。19日20:30的雷达风廓线图（图8a）显示，降水开始前2～3km高度垂直风切变较弱且组织性差；随着降水开始，0～3km垂直风切变增大，组织性变好，对流增强。

19日20时（图8b），青岛城阳与即墨交界处出现回波强度53dBZ的对流单体，向西南移动时后侧不断产生新单体，持续影响城阳棘洪滩时长达1h，导致该站小时降水量达59mm。19日20:36，沿雷达探测径向11°选择距雷达28.2km和58.9km处，对该单体做反射率因子（图8c）和径向速度（图8d）做剖面分析，可以看到该单体强度达最大，对流单体的反射率因子质心较低，中层存在辐合，45dBZ以上的反射率因子位于6km以下，低层强反射率因子和高层弱反射率因子呈垂直分布，强回波接地，具有暖区对流特征，有利于产生高效率降水，距雷达35～40km处的3km高度存在逆风区，其厚度大值区与强反射率因子处于同一位置。

图8 青岛多普勒天气雷达产品演变特征（a.19日20:30风廓线，b.19日20:02仰角1.5°反射率因子空间分布，c.19日20:36反射率因子剖面，d.19日20:36径向速度剖面，e.19日20:02仰角2.4°径向速度空间分布，f.20日05:00仰角2.4°径向速度空间分布）

19日20时雷达仰角2.4°径向速度空间分布（图8e）显示，大暴雨出现的胶州湾东北部地面至1.4km为偏南风，1.4～3.5km为弱辐合旋转，3.5km以上为北风，弱旋转辐合位于此次强降水区域上空。对比8月19日20时（图8e）和20日05时（图8f）的径向速度空间分布，青岛地区径向速度零线均为“S形”，位置稳定少动，表明青岛始终受暖平流控制。

5.2 逆风区演变特征分析

逆风区的特征之一是周围存在一个零速度环，通过此特征可区别逆风区与速度模糊。19日19:56，雷达0.5°仰角径向速度（图9a）显示，即墨中部的正速度区出现厚度1.0km、速度−3m/s的逆风区A，胶州产生厚度0.7km、速度−3m/s的逆风区B，逆风区B生成时零速度环与雷达零速度线相连，向东南方向增强移动，两个体扫后逆风区与零速度线分离。再结合对应的雷达反射率因子（图9b）以及青岛地面相对湿度和风场，可以看出：逆风区A和B的零速度线即为地面辐合线，冷空气向暖区的入侵造成了暖区一侧的对流，对流降水拖曳作用产生的下沉气流在近地面发生辐散，导致逆风区B的生成；由于逆风区B靠近辐合线，地面辐散扰乱了暖区地面风场，加剧了冷空气向暖区渗透，进一步促进对流单体发展；同时逆风区B的低层湿度较大，易产生高效率降水，降水向下的拖曳作用能增强地面辐散和逆风区，这两者的增强使得对流单体前侧辐合上升进一步加剧，进而促进单体发展，最终造成逆风区B大暴雨；逆风区A所经区域虽产生降水，但由于低层湿度小，产生的降水较小，逆风区得不到发展，对单体的促进作用也不明显。

图9 8月19日青岛地区雷达径向速度（左，单位：m/s）和反射率因子（右，单位：dBZ）空间分布（a、b.19日19:56，c、d.19日21:27，黑色圆框表示逆风区，灰色圆点表示气象观测站）

19日20:13，逆风区B在移动的过程中向后扩展，面积不断增大，20:36厚度增至2.5km，最大速度增至−7m/s。20:47，逆风区B对应的对流单体向东和东南两个方向发展；向东发展的对流单体，很快移出低层高湿区，与逆风区A同样在低湿区中降水变弱，造成了对流单体的消散；向东南移动的对流单体接近沿海，低层水汽供应充足，促进了对流单体的发展和强降水的出现。21:17（图9c～d），对流发展到最强，强降水带来强的下沉气流，下沉气流在低层产生逆风区D，逆风区D所经崂山区低层湿度高，造成了该站发生大暴雨。

综上所述，此次过程中4处逆风区均出现在对流单体生成之后，逆风区前侧与对流单体移动方向的前侧位置一致，后侧位于对流单体中间，造成这一特征的主要原因可能是对流单体中的下沉气流在单体前侧造成的辐散。逆风区B和D所经的胶州湾东北部城阳崂山一线低空是高湿区，有利于产生高效率的降水，而降水拖曳作用加强了单体的下沉气流和地面辐散，有利于对流单体的前侧辐合上升，进而促进了对流单体的发展。逆风区A和C所经区域低空湿度小，水汽条件不足，降水和对流单体即得不到发展。

6 结论与讨论

本文利用地面和探空气象观测数据、雷达探测资料以及ERA5再分析数据，研究了2016年8月19日青岛市环胶州湾一次局地大暴雨过程的环流形势、环境条件及逆风区演变特征，主要结论如下：

（1）本次局地性大暴雨过程出现在副高边缘，在低涡环流、地面冷锋以及地面倒槽的配合下，冷暖空气在青岛地区交汇，冷空气向地面辐合线暖区渗透触发局地对流天气是此次过程的形成机制。

（2）大暴雨与地形关系紧密，主要分布在崂山山脉的迎风坡，低层暖湿气流和山脉抬升造成迎风坡前位涡增大，为此次局地性大暴雨提供了充足的不稳定能量。低涡环流造成地面冷锋前中低空垂直上升运动增强，大暴雨区出现在相对湿度和中低空垂直上升运动配合较好的区域。强降水时段与垂直上升运动时段吻合，小时最大雨量出现在垂直上升速度的跃增阶段。

（3）19日08时和20时相比0℃层高度和近地面层比湿变化不大，均在5000m以上和20g/kg以上。期间风向随高度顺转，持续受暖平流控制，20时CAPE值、K指数以及垂直风切变等各项不稳定指数较08时有明显增强。

（4）雷达基础产品分析显示，降水大值区的对流单体强反射率因子质心较低，中层存在风向辐合，有利于高效率降水生成，呈暖区对流特征，强降水开始前20～30min浅层垂直风切变增强，更具有组织性。

（5）此次降水过程产生的4处逆风区均出现在对流单体生成之后，为对流单体下沉气流产生的与环境风相反方向的辐散气流。其中2处低层相对湿度大值区的逆风区能够得到发展增强，逆风区的发展进而促进了对流的增强，此演变特征对本次大暴雨的临近预报预警有较好的指示作用。

青岛地区副高边缘冷空气入侵造成的局地大暴雨是预报业务的难点。本文仅针对一次局地大暴雨过程的环流形势、环境条件及逆风区演变特征进行了分析研究，所得结论存在一定的局限性。下一步工作考虑对更多类似的个例进行诊断分析，进一步探讨逆风区的演变特征、其与暴雨形成的关系以及作为暴雨预警指标的可行性。

致谢：感谢中国科学院海洋研究所郑建副研究员对本文撰写给予的指导和帮助。