鲁西南地区两次春季低涡暴雨对比分析

2017-03-28张熙李媛张泽铭郭振华赵京峰

湖北农业科学 2017年4期

张熙　李媛　张泽铭　郭振华　赵京峰

摘要：通过对比分析了鲁西南地区2013年5月26日和2014年5月10日两次春季低涡暴雨过程。结果表明，冷空气入侵层结的不同、低层强辐合区高度的不同、能量锋区位置的不同以及强上升运动中心位置的不同，都是造成低涡暴雨降水强度差异的重要原因。冷空气侵入层节的异同决定了降水的稳定度；边界层强辐合对于气旋前部偏东气流里的暴雨形成更为重要；低空急流的强弱及位置决定了降水的强度和落区，强降水均发生在能量锋区前沿；强上升运动区的深厚程度也是造成暴雨量级不同的关键因素，同时从暴雨区北侧下沉运动区可以看出冷空气的位置及其势力的强弱。

关键词：春季暴雨；鲁西南；低涡；辐合辐散

中图分类号：P458.1+21.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）04-0627-07

春季正是小麥生长的关键时期，持续暴雨或者强度较大的暴雨天气会造成小麦严重的减产，对农业生产造成很大的影响[1]。以往气象工作者分析了鲁西南地区春季暴雨形成机制[2-5]，总结出春季暴雨的主要影响系统为低槽冷锋、气旋以及切变线[6-10]，气旋的移动方向和切变线的演变决定了降水落区的位置。康桂红等[11]对比相似天气形势的降水过程发现大暴雨的落区的分析需要从锋面、切变线的位置以及水汽通量散度、涡度、散度垂直剖面方面着手，它们对暴雨的落区有一定的参考价值。本研究选取2013年5月26日和2014年5月10日两次低涡暖切变线暴雨过程，从其环流背景、水汽条件、动力条件及热力不稳定条件进行对比分析，研究其降水强度、降水量级以及降水落区不同的原因。

1 降水概况

图1为2013年5月26日（简称“0526”过程）和2014年5月10日（简称“0510”过程）鲁西南地区两次春季暴雨降水量对比图。“0526”过程分析得出，此次暴雨过程多数站点出现100 mm以上的大暴雨，最大降雨点出现在微山县气象局观测站，降水量为162.2 mm，全市多站点降水超历史同期极值，此次降水正值该地区小麦成熟期，暴雨、大风引起麦田大面积倒伏，对农业生产和城市运行造成了很大的影响。“0510”过程分析得出此次降水为大到暴雨天气过程，多站点降水达到50 mm，逐小时降水量分析得出，虽然此次降水过程逐小时降雨强度不大，但持续时间较长，最终形成暴雨。

以上分析表明，两次过程降水落区类似，但是“0526”过程降水强度和降水持续时间都比“0510”过程大得多，平均降水量是其2倍。

2 系统的演变过程分析

“0526”过程中26日20时（图2a），500 hPa高空槽发展，在鲁西地区形成一个闭合低涡。此时850 hPa低涡位于山东省和河南省交界处，在500 hPa低涡南部（图2b），可以看出这次过程从低到高均为低涡影响的深厚系统，鲁西南位于850 hPa低涡暖切变线北侧的东南气流当中，气流达到急流强度，半岛南部风速达到30 m/s，并且持续时间较长，为暴雨区提供了有利的水汽条件，强降水点位于低涡中心和暖切变的北部，由于海上高压势力较强，低涡东移速度缓慢，降水时间持续较长。地面图（图2c、图2d）上气旋向东北方向移动，随着东南风与东北风的辐合区发展，鲁西南地区降水强度明显增强，强降水落区位于气旋东北象限的偏东气流中，之后地面气旋继续向东北偏东方向移动（图2c），且由于日本海附近高压的阻挡，气旋移速减慢，整个鲁西南至鲁东南地区降水强度都很大。低涡移出后强降水也随之趋于结束。

“0510”系统演变如图3所示，降水发生时500 hPa（图3a）南北两支槽东移，且北支槽移动较快，未来合并为一支，山东省500 hPa槽区前部，有冷切变线发展；中国东北上空高压脊稳定维持，使得西风带系统东移受阻，移动变慢。500 hPa西南气流的引导下，700 hPa低涡东移北抬，低涡向东伸出的暖切北抬至山东省鲁西南地区（图3b）。850 hPa低涡位置偏南，暖切只北抬到安徽省北部地区，但涡前形成了西南、东南两条强的低空急流，东南急流强度达到20 m/s，两支急流将水汽持续不断地向山东地区输送（图3c），此外，20时850 hPa有冷空气侵入低涡，冷暖空气交汇进一步增大了雨强。地面图上可以看出有地面倒槽（图3d）影响山东地区，山东西部地区处在倒槽的顶端，地面倒槽随着低涡北上继续发展，14时在地面图上出现明显的辐合线，14～23时地面辐合线随着系统东移为影响鲁西南的主要时段，可以看到，随着地面辐合线的东移，鲁西南至鲁中在辐合线移动路径上为强降雨带。5月11日08时，随着南北两支槽合并，低涡暖切变线降水转变为冷切变线稳定降水，雨强明显减弱。

从以上分析可以看出，两次暴雨过程均为低涡切变线暴雨，但其本质上还是存在差异的，“0526”过程是在深厚低涡的形势下产生的，冷空气的主体更为偏北，低涡暖切变线是造成强降水的主要原因，而“0510”过程在低涡发展的过程当中，由于西风槽的东移，槽后冷空气势力较强，低涡暖切变线降水很快转换变为冷切变线降水，降水强度明显减弱。此外，“0510”过程中，地面辐合线移出鲁西南后才形成地面气旋，时间上较“0526”过程晚很多。但两次过程也存在共同点，即两次暴雨过程均表现出整层系统的完整性，并配合有对流层低层的急流或显著气流。

3 水汽条件对比分析

850 hPa水汽输送通量（图略）进行对比分析得出，两次过程水汽源地主要为南海和西太平洋，少量水汽来自孟加拉湾，均由西南风急流和东南风急流输送至降水区。不过“0526”过程中无论是来自西南地区的水汽输送强度还是来自西太平洋地区的水汽输送强度都比“0510”过程强得多。值得注意的是，“0510”过程中，10日夜间水汽输送通量强度加强，不过水汽输送区已经移到山东东部地区，此时正对应半岛南部强降水。

4 动力条件对比分析

4.1 垂直速度分析

4.1.1 水平分布 “0526”过程中，700 hPa等位势面上，-1.5 Pa/s的上升速度区在26日08时（图略）就控制了鲁西南地区，到26日14时（图略）强度增强至-2 Pa/s，范围逐渐扩展到鲁中地区，此时降水强度进一步加大，并一直维持至26日20时（图略）之后。“0526”过程强上升速度区维持时间超过12 h。

“0510”过程中，700 hPa等位势面上，10日08时（图略）就控制了鲁西南地区，中心上升速度为 -0.3 Pa/s，到10日14时（图略）强度增强至-1.5 Pa/s，此时降水强度加大，强降水范围仍旧在鲁西南地区，10日20时（图略）鲁西南地区的上升速度降低到-1 Pa/s之下，降水强度减弱，至24时鲁东南和半岛南部地区-1.5 Pa/s的上升速度中心形成，对应地面气旋在当地形成，半島南部地区降水强度加大。

对比得出，“0526”过程强上升速度区维持时间比“0510”过程长，且上升速度中心最大值比“0510”过程强。

4.1.2 垂直分布对垂直速度过暴雨中心（116.5°E，35.4°N）作经向剖面（沿116.5°E）可以看出，降雨开始加强时的26日08时（图4a），33.0°N-36.0°N上空均为上升区，强上升运动中心位于35°N附近，出现在600 hPa附近，中心达-2.7 Pa/s，垂直运动上升高度从900 hPa到达200 hPa，上升运动强烈，并且向北倾斜，此时35°N附近上空低层为弱下沉运动区，说明有弱的冷空气从低层侵入；26日14时（图4b）大范围强上升运动区明显往北推进，35.0°N-36.0°N上空均为强上升运动区；26日20时（图4c）强上升运动区依旧维持在该地区，强上升运动中心强度为-2.7 Pa/s，在700 hPa附近。26日24时（图4d），35.0°N附近上空垂直上升运动强度明显减弱，而且再往北部，转为下沉运动区，说明冷空气已经到达36.0°N北部，鲁西南地区降水明显减弱。

对于“0510”过程中，降水强度在10日14时（图5b）前开始加强，垂直上升运动中心位于35.1°N附近，高度在800 hPa附近，强度为-1.7 Pa/s，垂直上升高度在250 hPa附近。本次过程较“0526”过程另外一个很大的区别在于强降水区上空强上升运动持续时间短，10日20时（图5c）上升运动强度就开始明显减弱，且上升运动区高度也明显下降。

综上所述，这两次低涡暴雨过程均是发生在深厚的强上升运动区内，暴雨落区及其移动方向与强的上升运动中心的相关性比较好。同时从暴雨区北侧下沉运动区，可以看出冷空气的位置和其势力的强弱。这两次过程不同之处在于“0526”过程强降水区上空强上升运动区维持时间比“0510”过程长，上升运动中心强度比“0510”过程大，且垂直上升区上升高度范围比“0510”过程高，这也是“0526”过程降水强度要远大于“0510”过程的主要原因之一。

4.2 散度分析

4.2.1 850 hPa层散度的水平分布特点对850 hPa层的散度的分析（图6）可以看出，“0526”过程中26日14时（图6a），鲁中西南部为大片的辐合区，辐合中心值达-80×10-6/s，与地面上的气旋相对应，但位置较地面气旋的位置略偏北，与高空低涡随高度向北倾斜有关系；此时江苏东北部也有一个-60×10-6/s的辐合中心，这个辐合区是由东南急流在此处风速辐合造成的，降水落区位于辐合中心附近。26日24时（图6b），随着系统的东移，辐合中心也随之东移，鲁中西南部的辐合中心东移至半岛南部，可以看出，由于东部海区高压的阻挡，辐合中心东移较慢。“0510”过程10日14时（图6c），鲁西南和鲁中西部有大片的辐合区，鲁西南地区的辐合中心达-70×10-6/s，此辐合中心与地面风场辐合线相对应。随着系统的东移发展，辐合中心向东北方向移动，当气旋生成后，辐合中心强度增强到100×10-6/s，半岛南部和西部开始出现强降水。

4.2.2 垂直分布特点选取两次过程降水比较强的时段来对比分析，可以看出，“0526”过程（图7a）中，35°N附近低层强辐合区在950 hPa附近，最大辐合中心值达-100×10-6/s，高空250 hPa附近辐散最强，中心辐合强度达80×10-6/s，强辐散区位置在37.0°N附近，高低空系统略向北倾斜，接近垂直，另外辐散层向下延伸，在600 hPa附近还有个60×10-6/s辐散中心，这种强低层辐合和高层辐散，有利于强的上升运动发展，有利于强降水的产生。“0510”过程（图7b）中强降水发生阶段，低层辐合与高层辐散中心的最大值均比“0526”过程低很多，这也是其降水强度没有“0526”过程大的原因之一。

5 不稳定能量对比分析

对假相当位温（θse）过暴雨中心（116.5°E，35.4°N）作经向剖面（图8）看出，“0526”过程中降水强度开始增强的26日08时（图8a），34.5°N以北700 hPa以下θse随高度递减，说明该地区上空大气层结不稳定，700 hPa以上，34.0°N以南是大范围的θse高值区，随高度增加假相当位温也增加，35.0°N上空为等假相当位温线密集区，说明该地区上空有能量锋区存在，随着时间的发展，26日14时（图8b）能量锋区在垂直方向上越来越陡，说明没有强冷空气侵入系统，此时暴雨区南侧的高能区θse大于345 K的等值线进一步往北推进，这与西南低空急流往北推进有关系，同时高能区下传到达地面，说明暴雨区南侧暖湿系统比较深厚，位于鲁西南上空925～700 hPa之间等值线更加密集，说明系统发展的过程中有锋生现象存在，这是由于低空暖湿气流增强，这时的强降水正处在能量锋区的右侧。

“0510”过程中，在强降水开始前，10日08时（图8c）在37.0°N北部近地面层有一300 K的低值中心，说明此次过程冷空气是先从近地层开始侵入，θse随高度增加而增加，说明35.0°N附近上空未出现位势不稳定层结，此次降水以对流稳定性降水为主。随着系统的发展，10日14时（图8d），300 K的低值中心快速北移，此时，34.5°N-36.0°N之间的能量锋区密集度加大，降水强度增大，锋区南部的338 K的θse高能区未能下传至地面，说明此次过程的暖湿系统不如“0526”过程深厚。

由以上分析可知，“0526”过程主要是由于850 hPa附近冷空气积聚在近地层暖空气之上形成不稳定层结，为对流性不稳定降水，而“0510”过程主要是冷锋沿近地面入侵后，暖空气被抬升，空气层结比较稳定，属于稳定性降水，因此降水强度比前者弱。

6 小结

对2013年5月26日和2014年5月10日发生在山东地区的春季低涡暴雨对比分析发现。

1）两次过程500 hPa均为东高西低型天气形势，均是在高空低槽引导下，低层西南涡逐渐发展起来，低涡切变、地面气旋（风场辐合线）和低空急流共同造就的暴雨过程；且两次过程中东部日本海高压均较强，系统东移缓慢，强降水持续时间比较长。

2）“0526”过程是在深厚低涡的形势下产生的，冷空气的主体更为偏北，低涡暖切变线是造成强降水的主要原因，而“0510”过程在低涡发展的过程当中，由于西风槽的东移，槽后冷空气势力较强，低涡暖切变线降水很快转换变为冷切变线降水。

3）两次暴雨过程发生时低层均有强辐合区存在，“0526”过程低层辐合中心强度比“0510”过程强很多，此外“0526”过程辐合中心主要集中在950 hPa附近，比一般暴雨的辐合层高度更低，强降水时段辐散层向下延伸，说明边界层辐合更有利于强暴雨的产生。

4）从θse垂直剖面可以看出冷空气的入侵高度以及降水的稳定度，“0526”过程中低层冷空气积聚在地面暖湿空气之上，形成的上冷下暖不稳定层结，以对流性降水为主。“0510”过程冷空气先从地面侵入，形成上暖下冷的稳定层结，降水比较稳定。

参考文献：

[1] 韩丽娟，侯英雨，钱拴，等.2010年春季气候对农业生产的影响[J].中国农业气象，2010，31（3）：484-486.

[2] 侯淑梅，张立，党文升.2009年5月山东春季大暴雨落区诊断与中尺度特征分析[J].暴雨灾害，2010，29（3）：231-238.

[3] 胡燕平，梁钰，程锦霞，等.河南省两次春季暴雨过程的对比[J].气象科学，2011，31（5）：646-651.

[4] 侯建忠，李明娟，赵兵科，等.陕西早春一次罕见暴雨过程的环流演变及水汽输送分析[J].热带气象学报，2009，25（2）：251-256.