青岛地区暖区暴雨特征研究分析

李欣 张璐 江敦双

(青岛市气象台，山东 青岛 266003)

引 言

暖区暴雨具有突发性强，短时雨强大，对流活动明显等特点，易引发洪涝以及次生地质灾害。黄士松[1]最早在研究华南前汛期暴雨时提出了暖区暴雨的概念，为暖区暴雨给出了定义。暖区暴雨一般是指发生在地面锋面南侧暖区，或是南岭附近至南海北部没有锋面存在、华南未受冷空气或变性冷高脊控制时产生的暴雨。针对华南地区暖区暴雨的气候背景的研究[2-3]表明西风槽、副热带压高压(以下简称副高)和南亚高压以及西南季风对暖区暴雨有重要影响。何立富等[4]总结归纳了近40 a华南暖区暴雨研究成果，将华南暖区暴雨分为边界层辐合线型、偏南风速耦合型和强西南急流型。陈玥等[5]对长江中下游地区的暖区暴雨的时空分布特征进行统计分析，建立了三类暖区暴雨的天气概念模型，主要分为冷锋型、暖切变型和副高边缘型。而对于南方地区暖区暴雨个例的研究[6-9]表明暖区暴雨通常发生在高温高湿的不稳定天气条件下，地形的影响较大，具有明显的多尺度和强对流特征。

对于暖区暴雨的研究以往多集中在我国南方地区，对于我国北方地区的研究多为个例的对比分析。谌芸等[10]对北京“7·21”特大暴雨的研究发现这次极端降水过程包含暖区降水和锋面降水两部分，并比较了两种降水的不同。徐珺等[11]对黄淮地区一次典型暖区大暴雨过程的分析指出整层高湿环境以及低层垂直风切变和超低空急流对于暴雨中尺度对流地区的触发、维持以及加强有着重要作用。而对于山东、辽宁等地一次暴雨过程中的冷区和暖区暴雨进行对比分析[12-13]同样可以看出两类性质暴雨在强度、落区以及环境场特征上有明显的差别。很多研究表明由于产生暖区暴雨的斜压性强迫不明显，边界层的抬升机制复杂，数值模式对暴雨强度和落区的预报难度较大[14-16]。

青岛地区处于山东半岛南部，作为沿海城市，下垫面特征和地形地貌复杂，且易受到高低纬系统的共同影响，本地的暖区暴雨和北方以及华南地区的暖区暴雨有何异同，相关研究并未开展，对于暖区暴雨的预报也没有概念化的模型。本文以2011—2018年青岛地区发生的暖区暴雨过程为例，分析了不同天气形势下的暖区暴雨时空分布特征，以及暖区暴雨发生时的环流特征，为青岛地区的暖区暴雨预报提供一定的参考。

1 资料和青岛地区暖区暴雨定义

1.1 资料

采用2011—2018年青岛地区188个区域自动观测站逐小时常规地面和高空观测资料以及FNL 1°×1°再分析资料。图1为青岛地区188个自动雨量站分布。

图1 青岛地区地形和自动雨量站分布Fig.1 Distribution of toppgraphy and automatic precipitation stations over Qingdao area

1.2 暖区暴雨定义

对20时—次日20时(北京时，下同)日降水量数据进行质量控制后，当3个或3个以上自动雨量站出现暴雨(即日降水量≥50 mm)时视为一个暴雨日，2011—2018年间共发生91 d。排除台风或其残留低压系统直接影响导致的暴雨过程后，依据前人的研究结果，将发生于低空切变线或锋面以南的偏南暖湿气流内的暴雨定义为暖区暴雨，共得到暖区暴雨日38 d。

2 暖区暴雨的天气分型

普查暖区暴雨日08时的天气形势，参考对于南方地区暖区暴雨分型结果，按照产生暖区暴雨的天气系统，对38个暖区暴雨日的天气形势进行分类：

(1)冷锋型：东北冷涡后部有移动性冷锋南下，与南方北上的暖湿气流交汇于华北南部到山东西北部一带，在锋前暖区中产生强降水。

(2)暖切变型：副高北侧与北支槽前有西南暖湿气流北上，700 hPa以下在渤海至山东半岛北部一带存在西南风与东南风形成的暖式切变线，地面无明显的锋面，暴雨出现在暖切变南侧的西南气流与地面低压倒槽前部东南风内。

(3)副高边缘型：副高北上控制长江中下游至日本海地区，上游有西风槽东移，暴雨出现在副高后部与西风槽前的偏南暖湿气流内。副高边缘型暖区暴雨个例中有4次为持续3 d的连续性暴雨过程，共计有12个暴雨日，比较单日和连续型副高边缘暖区暴雨天气形势发现两者在天气形势上有明显不同，因此将副高边缘型暖区暴雨进一步分为副高边缘I型(单日型)和II型(连续型)。

四型暖区暴雨的发生日数统计(表略)，38个暖区暴雨日中冷锋型最少，仅有5 d，而副高边缘型的暖区暴雨日最多，达到22 d，占比接近60%，其中Ⅱ型达到12 d。而从暴雨出现的日均站数来看，暖区暴雨的空间分布很不均匀，平均日暴雨站数基本在10个左右，冷锋型最多，达到16.6个站，暖切变型最少，平均只有7.6个站，其降水显示出比较明显的中尺度特征。

按照上述分类结果，统计分析各类型暖区暴雨的时空分布以及降水特性。

2.1 时间分布特征

2011—2018年各类暴雨总日数的年变化统计如图2所示，可见，相比于非暖区暴雨，青岛地区暖区暴雨的发生时间更为集中，主要在7—9月，其中7、8月日数最多，占比超过80%；7月的暖区暴雨总日数达到17 d，甚至要超过非暖区暴雨；进入9月以后暖区暴雨日数明显减少。而四型暖区暴雨中暖切变型开始和结束的时间均最早，最早在5月就有出现，9月之后便不再产生。相比之下副高边缘II型出现时间最晚，集中在8—9月，而I型集中出现在7—8月，显示这两型暖区暴雨的出现与副高北上的位置有密切的关系。

图2 2011—2018年暴雨总日数的年变化Fig.2 Annual variation of warm-sector rainstorm days during 2011-2018

2.2 空间分布特征

图3为青岛地区2011—2018年间暖区暴雨的年平均日数、总降水量、平均日降水量和最大日降水量分布，可以看出，暖区暴雨与地形关系密切，显示出南北两条高发生带，空间分布也呈较明显的中尺度特征。

从图3a可以看出，暖区暴雨最集中的是位于青岛北部内陆的山区，东北部地区最大平均日数在1.2 d以上，同时在南部沿海一线还存在一个较弱的发生带，分为东西两个中心，平均暖区暴雨日数在0.5 d左右，分别对应大、小珠山和崂山山区。总降水量(图3b)的分布特征与日数相同，降水最大值区位于内陆山区，沿海同样存在弱的降水中心。相比之下平均日降水量和最大日降水量(图3c、d)的分布更为明显的表现出与地形的密切关系，在东南部的沿海地区，其降水量的日均值和最大值基本一致，说明在这一地区出现的暖区暴雨强度比较均匀，基本在120～150 mm，而北部内陆地区的平均降水量在100 mm左右，但是最大降水量超过240 mm，这说明这一地区的降水极为不均匀，个别时候甚至会出现降水量超过250 mm的特大暴雨。

图3 2011—2018年青岛地区暖区暴雨年平均日数分布(a，单位：d)、总降水量分布(b，单位：mm)、平均日降水量分布(c，单位：mm)和最大日降水量分布(d，单位：mm)Fig.3 Distribution of annually rainstorm days (a,unit:d), total precipitation (b, unit: mm), average daily precipitation (c, unit: mm) and themaximum daily precipitation (d, unit: mm) of warm-sector rainstorms

图4 四类暖区暴雨的年平均日数分布(单位：d)： (a)冷锋型；(b)暖切变型；(c)副高边缘Ⅰ型；(d)副高边缘Ⅱ型Fig.4 Distributions of annuall rainstorm days of four types of warm-sector rainstorms(unit:d):(a)cold-front type; (b)warm-shear type; (c)subtropical-high edge type Ⅰ; (d)subtropical-high edge type Ⅱ

4个类型的暖区暴雨的空间分布也有所不同(图4)。冷锋型暴雨(图4a)发生的日数较少，年平均最大只有0.25 d左右，且主要集中在西南部地区；暖切变型暴雨(图4b)日数的大值中心在青岛的西北内陆地区，最大0.5 d，在西南和东南沿海还有平均0.2～0.3 d的暴雨出现；而副高边缘I型和Ⅱ型暴雨(图4c、d)，同样在青岛的北部内陆地区出现的暴雨日数最多，但Ⅰ型暴雨的发生地区最为集中，主要在东北部的内陆山区，最大达到0.8 d，而Ⅱ型范围较大，范围覆盖整个北部的山区，同时在东南沿海一带同样存在一个较弱的中心，最大在0.2 d以上。

统计各型暖区暴雨站点的总降水量、日平均降水量和最大降水量(图略)，其空间分布与相应的暴雨日数分布基本一致，其中冷锋型的降水量相对较小，最大日降水量约150 mm，而暖切变型和两类副高边缘型的最大日降水量均超过了200 mm，且最大降水都发生在北部内陆的山区，暖切变型的最大日降水量与平均暴雨日数中心一致，而两类副高边缘型的最大日降水量均出现在东北部的内陆山区。

2.3 暖区暴雨降水性质

对于所选38个暖区暴雨和53个非暖区暴雨日，统计日降水量达到暴雨级别的站点中出现短时强降水(小时降水量≥20 mm)的站点百分比以及短时强降水量占总降水量的百分比(表1)。相较于非暖区暴雨，暖区暴雨在出现短时强降水的站点比例和降水量比例均有明显超出，站点比例接近甚至超过80%，降水量占比在50%以上。而非暖区暴雨短时强降水量仅占不到45%，暖区暴雨显示出明显的强对流特征。当日降水量达到100 mm以上时，短时强降水比例更高，特别是暖区暴雨，站点比例接近100%，降水量基本在60%以上。而对比四类暖区暴雨，冷锋型和副高边缘I型的短时强降水占比最高，显示出最强的对流特征，尤其是副高边缘Ⅰ型，日雨量在50 mm以上时其短时强降水出现的站数比例就接近100%，降水量占比超过70%，相比之下暖切变型和副高边缘Ⅱ型的降水强度明显偏弱。

表1 各类暴雨中出现短时强降水的站点数和降水量占总暴雨站点数和降水量的比例Table 1 The proportion of stations and precipitation with short-time severe rainfall in rainstorms

对各类暴雨1 d中不同强度降水出现的日平均时次进行统计分析(表2)，发现相比于非暖区暴雨，暖区暴雨的降水更加集中，雨强在2 mm·h-1以上的降水集中在6 h以内，而随着雨强的增加，暖区暴雨的日均时次减小速度明显小于非暖区暴雨，对于小时雨强在10 mm以上的降水，出现的时间仍在2 h以上，说明暖区暴雨的降水时段集中，且强度总体要强于非暖区暴雨。而对比四类暖区暴雨，可以发现冷锋型和副高边缘I型的降水时间最为集中，均在8 h以内；对于雨强在10 mm·h-1以上的降水，同样是冷锋型出现的时间最长，说明四类暖区暴雨中冷锋型的强降水出现的最为频繁；而副高边缘Ⅱ型的降水时间较长，接近非暖区暴雨。

表2 各类暴雨中不同强度降水日平均出现时次Table 2 Daily average hours of different intensity rainfalls in rainstorms

3 各类型暖区暴雨的环流特征

利用FNL再分析资料对于四类暖区暴雨发生时的环境场进行合成分析，以得到暴雨发生时的平均环流特征。前文提到暖区暴雨的降水较为集中，明显的降水基本在6 h以内，而FNL再分析资料的时间分辨率为6 h，因此对于每个暴雨日，若主要降水时段出现在两个再分析资料时间点之间，则选取降水开始前时次的资料，若某个再分析资料的时间点在主要降水时段中间，则选择该时次资料用于合成，得到的平均环流场如图5所示。

图5 暖区暴雨日平均形势场(蓝色线条为500 hPa高度场，单位：10 gpm，间隔40 gpm；风羽为850 hPa风场，单位：m·s-1；黑色线条为海平面气压场，单位：hPa，间隔1 hPa): (a)冷锋型；(b)暖切变型；(c)副高边缘Ⅰ型；(d)副高边缘Ⅱ型Fig.5 The average synoptic situation causing warm-sector rainstorms (bule line represents 500 hPa height with 40 gpm interval, unit: 10 gpm; barb represents 850 hPa wind, unit: m·s-1; black line represents sea-level pressure with 1 hPa interval, unit: hPa):(a) cold-front type; (b) warm-shear type; (c) subtropical-high edge typeⅠ; (d) subtropical-high edge typeⅡ

图5a显示冷锋型暖区暴雨发生时副高强度较弱，且位置偏南；而在北方，东北地区存在一个东北冷涡，后部有冷空气南下影响华北地区，中支环流较平直，基本为偏西风；低层850 hPa涡后的偏北气流和副高外围的西南气流交汇于河北南部，形成东北—西南走向的冷式切变线，其切变线南侧的西南气流自华南向北至山东南部地区风速较强，达到急流标准，但在山东中北部风速明显减弱，存在较强的风速辐合；地面有明显冷锋位于鲁西北地区，而在鲁中到半岛西部处于锋前低压辐合区内。

暖切变型暖区暴雨发生时副高的位置同样偏南，强度强于冷锋型，588线控制我国东南沿海一带，高度场呈南高北低形势，北支槽位置相较冷锋型明显偏后，位于蒙古国东部，中支槽较深，584线达到30°N；较强的副高和深厚的中支槽之间在850 hPa形成一股很强的西南急流向北一直伸展到东北地区，青岛位于急流带上；而在华北到渤海西部地区，受到槽前正涡度平流作用，低层850 hPa有低涡生成，前部暖式切变线位于40°N附近，地面在渤海西部到鲁西北地区存在气旋中心，青岛处于850 hPa的暖切南侧和地面气旋的东南部暖区内。

相较于暖切型和冷锋型，副高边缘型(图5c、d)的副高呈块状，位置更加偏北，脊线达到30°N以北，其南侧在台湾地区附近多有热带气旋活动；低层在850 hPa上为一致的西南气流伸展到东北地区，风速普遍较弱，没有明显的低槽或切变线；地面则同样处于西南暖湿气流造成的低压前部，盛行东南风。

对比副高边缘Ⅰ型和Ⅱ型的环流形势可以发现，单日型(Ⅰ型)的500 hPa上副高位置相对偏南，588线基本在35°N以南，同时北支槽较为平直，在东移过程中沿副高外围逐渐向东北方移动并拉平，移速较快，而连续型(Ⅱ型)的副高更为偏北，且北支的西风槽更深，东移过程中与副高东西对峙，速度缓慢，因此环流形势得以长时间维持。而Ⅱ型的副高西伸脊点较为偏东，在123°E附近，Ⅰ型则位于120°E以西，因此在850 hPa上Ⅰ型为一致的西南气流自华南伸展到东北地区，而Ⅱ型北方的西南气流主要来自副高南侧与台风间的偏东气流沿副高外围北上。

图6 同图5，但为暖区暴雨发生时925 hPa水汽通量(箭矢，单位：g·hPa-1· cm-1·s-1)和假相当位温(等值线，单位：K;阴影为地形海拔高度,单位：m)Fig.6 Same as Fig.5, but for water vapor flux at 925 hPa (vector, unit: g·hPa-1· cm-1·s-1) and equivalent potential temperature (contour, unit: K; shade represents topography, unit: m)

图6为四型暖区暴雨在925 hPa上的水汽通量及假相当位温分布，可以看到各型暖区暴雨发生时青岛均处于自南向北伸展的高能舌的顶端，同时冷锋型和副高边缘I型的假相当位温最高，达到350 K，高能的暖湿空气使这两型暖区暴雨伴有更强的降水。而相较于其他三型的高能舌向东北方向伸展覆盖整个青岛地区，冷锋型暴雨发生时其假相当位温的大值区主要位于鲁中到鲁南地区，青岛处于其东北部边缘；另外在水汽通量场上冷锋型同样与其他三型不同，暖切变型和副高边缘Ⅰ、Ⅱ型中青岛均处于水汽通量的大值带上，而冷锋型在鲁中和半岛以南地区水汽通量较大，向北有明显减弱，在鲁中和半岛南部地区存在较强的水汽通量辐合，因此在冷锋型暖区暴雨发生时青岛的西南地区水汽辐合和能量条件较好，为暴雨的主要落区。

对于另外三型暖区暴雨，高能舌顶端位于北部内陆地区，同时由于南北的风速差较小，不存在明显的风速辐合，水汽的辐合区主要来自于山脉迎风坡的地形抬升，因此暖切变型和副高边缘型暖区暴雨的主要落区位于北部内陆的山区。而在另一方面，从图6d可以看到，副高边缘Ⅱ型在925 hPa上主要的水汽由南到东南风输送，因此在东南部沿海山区的迎风坡同样存在一个暴雨中心(图4d)。

4 结论

通过对2011—2018年青岛地区发生的38个暖区暴雨日进行统计分析及天气学分型，得到不同类型的暖区暴雨时空分布特征和暴雨发生时的环流特征。结论如下：

(1)按照影响系统可将青岛地区发生的暖区暴雨分为暖切变型、冷锋型和副高边缘Ⅰ型和Ⅱ型，其中副高边缘Ⅰ型为单日暴雨，而Ⅱ型多产生连续性暴雨。

(2)青岛地区暖区暴雨主要集中在7—9月，7、8月日数最多，进入9月以后日数明显减少。暖区暴雨落区与地形关系密切，在北部内陆山区和南部沿海一带为暴雨集中发生的地带。

(3)暖区暴雨的强对流特性更为明显，降水量越大，短时强降水所占比重越高。同时暖区暴雨的降水时段集中，主要降水集中在6 h以内产生。

(4)冷锋型暖区暴雨发生时副高偏南，东北冷涡后部有冷空气南下，与副高外围暖湿气流交汇于华北南部，青岛位于地面锋线南侧低空西南暖湿气流内；暖切变型的副高较冷锋型稍强，北支槽位置偏后而中支槽更为深厚，槽前有低涡及地面气旋位于渤海西部，青岛位于低涡前部暖切南侧西南气流及气旋东南部的暖区中；副高边缘型对应的副高较强，位置偏北，脊线达到30°N以北，南侧往往伴有台风西移，同时上游有西风槽东移，槽前和副高西北部之间有西南气流北上，但无明显的切变辐合系统，相较于I型，产生连续暴雨的II型其副高位置更为偏北，且东移的西风槽更为深厚，两者东西对峙，形成稳定的天气形势，有利于连续暴雨的产生。

(5)低层的水汽通量和假相当位温场显示各类型暖区暴雨的落区和低层的水汽通量辐合以及高能舌位置关系密切，暴雨主要发生在低层高能舌的顶端和由于风速切变或地形抬升造成的水汽辐合区域。

需要指出的是，由于自动雨量站数据长度问题，本文仅选取近8 a青岛地区的暖区暴雨个例进行研究，各型暴雨特别是冷锋型暖区暴雨个例数量较少，这对于暴雨的时空分布及天气学概念模型的总结分型有一定的影响，今后还需要收集更加完善的降水资料进行进一步的分析研究。